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Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 1

Sistemi Mobili MSistemi Mobili M

Università di BolognaCdS Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica

II Ciclo - A.A. 2011/2012Corso di Sistemi Mobili M (6 cfu)

03 – Mobile IP e Posizionamento

Docente: Paolo [email protected]

http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1112-info/

http://lia.deis.unibo.it/Staff/PaoloBellavista/


Mobilità e Gestione Handoff

Networking wireless permette a utenti mobili di usufruire diconnettività InternetOvviamente, i movimenti utente devono essere gestiti daun’area di copertura ad un’altra

Inoltre un utente potrebbe decidere di comandare il passaggio fradiverse opportunità di comunicazione (ad es. da WiFi a 3G)

Le connessioni attive in corso dovrebbero esseremantenute indipendentemente dai movimenti utente

In reti GSM/UMTS questo richiede acquisizione di risorseper allocazione di canale (preallocazione per continuità diservizio)In reti IP-based “potrebbe bastare” e “risultare piuttostosemplice” se fosse possibile mantenere lo stessoindirizzo IP per un utente in movimento


Tradeoff in Location Management

Due possibili approcci di principio per consentire la conoscenza della locazione approssimata dei nodi mobili:Tramite location update (location registration)

L’infrastruttura di rete è informata dall’esterno della locazionedell’utente mobile, ad es. per sua esplicita registrazione necessariadopo ogni handoff

Tramite location search (terminal paging)L’infrastruttura di rete è responsabile per il ritrovamento dellalocazione dell’utente mobile

Quale tradeoff ottimale fra update e search?Dipendenza da frequenza di comunicazione rispetto a cambio dilocazione, ricerca dinamica della nuova locazione e costo in termini di latenza


Location Update

Soluzioni di location updateStatiche (triggering dell’aggiornamento quando si esce da un’arealocale prefissata – non necessariamente singola cella, anzi…)Dinamiche (triggering dipendente da comunicazioni utente e dapattern di mobilità)

Location update dinamicoTime-based (ad es. con periodicità prefissata)Movement-based (forwarding pointer e valutazione dinamica di catenedi forwarding troppo lunghe)Distance-based (quando la distanza percorsa dall’ultimo update èconsiderata troppo ampia)

Anche replicazione di informazione di locazione (caching o replicazione proattiva vera e propria), sia con organizzazioneflat che gerarchica (come sempre per motivi di scalabilità)


Location Search o Terminal Paging

Solo qualche cenno su terminal paging (tanto ricordate quantodetto per tecnologie wireless specifiche nelle settimane scorse…)

Blanket pollingAd es. tutte le celle in una località sotto controllo di MSC vengonopolled quando arriva una chiamataAlto costo di paging

Expanding ring searchParte dall’ultima locazione conosciuta per terminale mobile

Sequential pagingBasato su probabilità stimata di locazione (distribuzione diprobabilità)Esplorazione sequenziale, più o meno rigida


Problema della Mobilitàin Rete IP

Problema di overlapping di funzionalità di identificazionee di locator di IP

Indirizzo IP associato con un nodo mobile è dipendentedalla rete che fornisce connettività

Quando l’utente si connette ad un’altra rete, l’indirizzo IP tende a cambiareI pacchetti che appartengono a connessioni correntementeattive devono essere consegnati verso il nuovo indirizzo IP

Soluzione intuitiva (approccio location registration):Che cosa fate quando cambiate appartamento in affitto? Lasciare un indirizzo di forwarding al vostro portiere (“old post-office”)Il vecchio portiere ha il compito di girarvi la posta pressoil nuovo portiere, che a sua volta ve la inoltra


Elementi di Base perMobile IP

Entità o elementi di base per Mobile IPMobile Host (MH)Home Agent (HA) – simile al concetto di vecchio post-officeForeign agent (FA) – simile al concetto di nuovo post-office

MH registra nuovo indirizzo presso HAHA riceve e “cattura” i pacchetti indirizzati a MH e li gira a FA, che a suavolta li spedisce a MH (correntem. posizionato nella sua località)

Problema di triangolar routing

CH Corresponding Host

MH

FA

HA


Home Agent (HA)

Svolge il ruolo di router, con qualche funzionalitàaggiuntivaPosizionato nella home network di MHSi occupa di mantenere mobility binding dell’indirizzo IP di MH con il suo Care-of Address (COA)

Indirizzo che identifica la locazione corrente di MHOvviamente si occupa di inoltrare pacchetti alla reteappropriata quando MH non è nella sua località

Tramite incapsulamento (usualmente IP-within-IP tunneling)


Foreign Agent (FA)

A tutti gli effetti, un altro router con funzionalità arricchiteQuando MH non è nella stessa località di HA, si utilizza FA per inviare/ricevere dati verso/da HAFA esegue advertising periodico di se stesso

Messaggi di advertisement portano info sui vari COA disponibili, nelcaso ne sia disponibile un insiemeI nodi MH possono scegliere di non attendere messaggio diadvertisement e di stimolare lo scambio di info tramite un messaggio di solicitation. Secondo voi come?

Una volta che MH riceve il suo COA da FA, MH registraquesto COA presso il suo HA

La richiesta di registrazione è inviata attraverso FA


Gestione Indirizzi

Mobility Binding TableMantenuta presso HA di MHMappa l’associazione fra indirizzo home di MH e il suo COA corrente

Visitor ListMantenuta presso FA che sta servendo un MHMappa l’associazione fra indirizzo home di MH e il suo MAC address + indirizzo HA


COA Tunneling

Vi ricordate, vero, che cos’è un tunnel (differenze rispetto a proxy e gateway)?

Quando HA riceve pacchetti indirizzati a MH, HA li inoltraverso COA tramite incapsulamento

Il meccanismo di default per incapsulamento chedeve essere supportato da tutti gli agenti Mobile IP èIP-within-IP (RFC 2003)HA inserisce un nuovo IP header sull’headeroriginale per ogni datagramma. Quali potenziali problemivi vengono in mente per reti IP “tradizionali”?


Esempio Mobile IP


COA: Ulteriori DettagliCare-Of Address (COA): molto spesso realizzato come normale

indirizzo IP, ma utilizzato SOLO da Mobile IP per forwarding e per funzionalità di gestione. NON visibile ai livelli superiori(applicativi)

Due differenti tipologie(corrispondono a due diversimetodi forwarding di HA):1) Foreign Agent COA Fornito da FA nei suoi messaggidi Agent AdvertisementÈ indirizzo IP dello stesso FAQuindi?Nodo mobile non ha indirizzo IP distinto su foreign network, utilizzo di layer 2


COA: Ulteriori Dettagli2) Co-Located Care-Of Address

COA assegnato direttamente al nodo mobile usando un qualche mezzo esterno a Mobile IPAd es. manualmente da foreign network o automatic. usando DHCPIn questo caso, COA può essereusato per traffic forwarding da HA direttamente verso nodo mobile


Home network Foreign network

Possibili Problemidi Filtering Ingress/Egress

MH utilizza il suo indirizzo IP home come indirizzosorgenteRouter ai confini di un dominio e “security-conscious”possono fare dropping dei pacchetti di MH

1. Pacchetto proveniente dalla rete interna ha indirizzosorgente non appartenente alla rete interna

2. Pacchetto proveniente da rete esterna e indirizzato verso home network ha indirizzo sorgente non appartenente allarete esterna bensì alla stessa home network

12CH MH


Possibile Soluzione: Tunneling Bi-direzionale

Scelta di percorso “safe” attraverso HA per entrambi i versipossibili

Meccanismo più lento (maggiore overhead, maggiore latenza) ma più conservativo in ogni caso di deploymentNoto in letteratura anche come quadrilateral routing

Home network Foreign network

CH MHHA

Source Address = HA

Source Address = COA


Triangular Routing Sub-ottimo

Quali possibilità per ottimizzare il meccanismo di routing diMobile IP? In quali condizioni runtime tali ottimizzazionisono particolarmente cruciali?

Che cosa succede se MH è nella stessa sottorete di CH e HA si trova dall’altra parte del pianeta?

Ovviamente, vantaggi di performance se potessimo fare routing diretto dei pacchetti senza passare per gli agenti

Ottimizzazione: consentiamo a CH di conoscere COA diMH (MH registra suo COA presso CH, standard in MobileIPv6)

Processo avviato da HA che notifica CH via “binding update”MH incapsula i suoi pacchetti per evitare problemi di source-address filtering, ma li invia direttamente a CHCH crea il suo proprio tunneling verso MH


Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)

Mobile Anchor Point(MAP) svolgono il ruolodi Gateway Foreign Agent strutturati in modo gerarchicoSono configuratistaticamente in HMIPv6 e condivisi da tutti i nodimobili


Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)

Local Subnet HandoffRegistrazione COA al MAP locale quando si ha un handoff locale fra subnet incluse nell’area di dominio del MAP

MAP Domain HandoffRegistrazione di un COA regionale (RCoA) presso HA e CN in seguito ad handoff verso nuovo dominio MAP

Quale è la dimensione “giusta” per un’area di servizio di un MAP? Quanti livelli gerarchici?


Direzioni di Ricerca: Dynamic MAP(I.R. Chen et al, J. Wireless Pers. Comm, 2007)

Nodi mobili si organizzano in MAP dinamicamente sullabase del rapporto fra Service rate e Mobility Rate (SMR)La dimensione ottimale dell’area di servizio di un DMAP è dinamica e determinata calcolando tradeoff più adattofra costi di service management (per packet delivery) e costidi location management (per location update)

Degenera in MIPv6 quando SMR diventa sufficientementegrande (perché dimensione domini DMAP decresce al crescere diSMR); degenera in HMIPv6 quando la dimensione DMAP è fissa


Direzioni di Ricerca: WMM(D.W. Huang et al, IEEE T.Mobile Comp, 2008)

Wireless Mesh Network Management Mechanism (WMM)

Basato su cache delle info di locazione presso nodimesh con funzionalità di routing e location management

Pointer forwarding per gestione handoff

Replicazione e consistenza “weak”Due tabelle cached: routing table e proxy table (con informazionesulla locazione dei nodi mobili)

Opportunistic update cache di locazione in caso di routing Aggiornamento contenuto nell’header di pacchetto

Routing tramite utilizzo delle due tabelle: se info insufficienti allora 1) verso infrastruttura mesh, poi 2) flooding


Mobile IP è Sufficiente?

TCP standard e non modificato porta a significativodegrado di performance su link wirelessPerché?

Link wireless sono afflitti da alto Bit Error Rate (BER) e da frequentidisconnessioni/riconnessioni

Per TCP, queste caratteristiche si manifestano come perdite dipacchetto random & burstyIn TCP, TUTTE le perdite di pacchetto sono trattate some sintomidi congestione di rete, e quindi producono riduzione dellafrequenza di trasmissione (in modo moltiplicativo)


I-TCP:Idea di Base

Utilizzo di un approccio a “split-connection”TCP tradizionale e standard fra Fixed Host (FH) e Mobile Source Router (MSR) Wireless TCP fra Mobile Host (MH) e MSR

Mobile Host

BaseStationInternet

FixedHost

Split connection

Wireless TCP

Regular TCP

MSR


Split Connection: Vantaggi e Svantaggi

VantaggiSepara controllo di flusso e di congestione sulle due tratte(link wireless e link wired separati)Retro-compatibile con TCP (FH può NON essere aware diMSR)

SvantaggiViolazione della semantica classica end-to-end (ne parleremoanche più avanti – principio end-to-end)MSR mantiene stato

Guasto su MSR può produrre perdita di connessioneLatenza di handoff cresce per la necessità di trasferimentodi stato

Se non si fanno ottimizzazioni particolari, copia di dati pressoMSR


I-TCP

Costruito su Mobile IP MSR fa da proxy per MH

Svolge il ruolo diimmagine di MH e inoltrail suo stato al nuovo MSR in caso di handoff

I-TCP non comprometteaffidabilità end-to-end

Purché non ci sia guastodi MSR e disconnessionedi MH per tempo indefinito

Adatto per applicazionithroughput intensive


Handoff in I-TCP

Fortemente integrato con la procedura diregistrazione in Mobile IP

Handoff comincia quando MH avvia la registrazione del nuovoCoA presso HA

Trasferimento dello stato della socket operato da un demone I-TCP verso il nuovo MSRBuffering di segmenti dati in transito durante lo svolgimento della procedura di handoff – per evitarecongestion control Deve essere veloce al fine di evitare realizzazione e trasferimento dicopie non necessarie

Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M

Ricapitolando…

Alcuni pattern/direzioni di soluzione che abbiamo giàincontrato e di validità generale:Anchor point fisso (home)Proxy (più o meno trasparenti ai vari livelli)Organizzazione gerarchica ai fini di scalabilità, più o meno dinamica

RaggruppamentoFunzioni differenziate all’interno del gruppo

Decisioni (e protocolli) che sfruttano concetto di località, cercando di convergere verso comportamento globale desiderato senza coordinamento globale pesanteApproccio verso soluzioni approssimative (purché lightweight) e ottimistico

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Nuova classe di servizi, sempre più diffusi:Location-Based Services (LBS)

E-911 Emergency assistanceAdvertisingTracking: ad es. tracce di mobilità abitualeVirtual Tour: a che cosa ti trovi vicino?Service discoveryOttimizzare comunicazioni ad hoc fra dispositivi mobili

Locazione (o Posizionamento):Perché?


Come OttenereInfo di Posizionamento?

Molte applicazioni LBS requisiti molto differenziati– E-911: on request (coordinate xy)– advertising + virtual tour: cambi di locazione (stanza, strada, …)– Supporto alla rete: ogni X minuti (network area)– Supporto alla navigazione: ogni X secondi (coordinate xy)

Altri requisiti non-funzionali:– Basso consumo di potenza, facilità di utilizzo, privacy,

...

La conseguenza è molti sistemi diposizionamento con caratteristichedifferenziate


Classificazione:Fisico vs. Simbolico

FisicoAssociato a info adatte per elaborazione machine/computationalWGM84 Location (GPS) - latitudine, longitudine, altezza ellissoide(altitudine)

SimbolicoAssociato a info adatte per human speaking/thinkingLocazione a livelli - {Italy, Bologna, EngFaculty, DEIS, Lab2}

Anche Assoluto vs. RelativoAssoluto

Unico sistema di riferimento per tuttigli oggetti localizzati

Fisico o simbolicoRelativo

Relativo alla locazione di un altro oggettoTipicamente fisico e utile per scenari ad-hoc


Classificazione:Centralizzato vs. Distribuito

CentralizzatoUn sistema centrale processa info e

determina locazione per tutti gli oggettiposizionati

DistribuitoOgnuno determina la propria locazione

Problematiche di privacy:Comunicazione in rete intrinseca limitazione,

no privacy in senso stretto, a meno di relazioni di trust

Ogni info location-dependent resa visibileriduce la privacy utente

LBS

PositioningService

MN


Classificazione:Accuratezza & Precisione

Accuratezza: range di errore (ad es. metri)Precisione: grado di fiducia nel range di errore(confidence, in percentuale)

GPS: accuratezza = 10 metri, precisione = 95%

Accuratezza e precisione derivano usualmente in mododiretto dal sistema di posizionamento utilizzato e dallecondizioni dell’ambiente di deploymentScalabilità

quale area e di quali dimensioni? Ad es. coverageArea / #infrastructUnitquanti utenti? Ad es. #user/(infrastructure unit * time unit)Quante risorse computazionali? Quale complessità infrastruttura e middleware?

RecognitionBaggage tag#, Credit Card (!) vs. GPS


Classificazione:Costo e Limiti

Costo. In termini di:tempo, infrastruttura, deployment di infrastruttura, lato cliente, hardware addizionale, consumo di batteria, consumo dimemoria, consumo di computing power, …

LimitiDove/quando possibile utilizzarlo?

Ad es. indoor vs. outdoor


Scelte di Design/Progettoo Vincoli Tecnologici?

Come riuscire a mettere insiemecaratteristiche multiple in un unicosistema di posizionamento?

Location BasedService constraints

Environmentconstraints

Pos

ition

ing

Sys

tem

Physical/Symbolic

Absolute/Relative

Centralized/Distributed

Accuracy & Precision

Recognition

Limitations

Cost

Scale

User requests


Tecniche di Base:Lateration

2D 3 circonferenzenumero maggiore di circonferenzeper mitigare errori nella misuradi distanza

Note:2 variabili, 3 misure2 misure sufficienti solo quando sulla linea fra due reference point (circonferenze tangenti)

Reference pointLocating point


Misura diretta

Time of Arrival (ToA)distance = signal speed * ToA

Received Signal Strength Indication (RSSI)

Attenuazione segnale

Tecnologie utilizzate comunementeInfraRosso (IR), RadioFrequenza (RF), UltraSound (US)

Determinazione Distanza: Come?

Tx Rx1s

2s3s

Tx Rx-60dB -70dB

-80dB


three different TDoA:0.4, 0.6 and 0.9 scale units

Time Difference of Arrival

2D 2(3) iperboliiperbole: punto posto alla stessa Time Difference of Arrival (TDoA) da due punti diriferimento

1 2

3

TDoA13

TDoA12


Angolazione

Prerequisito:Conoscere la distanza fra due punti di riferimento

2D 2 angoli 2 misure

Teorema di Carnot

a2=b2+c2-2bc•cosαb2=a2+c2-2ac•cosβ

2 equazioni con2 variabili (a, b)

α βknown lengthc

ab

βα sinsinba =

Teorema di Eulero


Analisi Scenario di Deployment:Scene Analysis

Inferenza di posizione usando osservazionepassiva di “fenomeni fisici” (immagini, RSSI...), ma senza sfruttare valori fisici come distanze, angoli, iperboli, …Requisito: conoscenza ambiente

Ambiente si modifica nel tempo?

Fase preliminareOsservazione ambiente e collezionamento dati monitoraggio

Fase operativaOsservazione ambiente e comparazione fra dati osservati e “datistorici”


Prossimità

Locazione corrente ≡ punto di riferimento più vicinoToA, RSSI...

Contatto fisicomouse, keyboard, sedie, …

Cella che “fa da Care of”Accuratezza dipende da raggiodella cella

Sistemi automatici di identificazioneCarta credito, sistemi pedaggio autostradale (Telepass, e-toll system, …), carte di fidelizzazione (carburante, supermercati, ...),RFID (accesso edifici, ad es. Ingegneria)


Sorgenti di Errore

Non Line Of Sight (NLOS)

Fading:MultipathShadowing

Sincronizzazione clock

Tx Rx

Tx Rx


Sistemi di Posizionamentoper Ad-hoc Network

Obiettivo importante: ottenere info topologiche e posizionamento per

Mantenimento connettivitàOttimizzazione traffico

Metodologie cooperative, con ruolo uniforme per tutti i nodi:

1. Ogni nodo riceve informazioni di range e posizionamento dai nodivicini

2. Risolve un problema locale di posizionamento3. Trasmette il risultato ottenuto ai vicini

Algoritmi distribuiti senza necessità di comunicazioneglobale

Particolarmente usabili quando mobilità nodi è limitata


Assumption Based Coordinates (ABC)

Anchor node: nodo dalla locazione nota a prioriAssumption Based Coordinates

Informazione nota: distanza relativa fra nodiDistanze possono essere affette da errori

Ogni anchor node si crea la propria mappa delle distanzerelative per nodi a distanza one-hop

01

132

032

012

3 2rrrr ++=x

01

3222

2223

203

2

3 2r2rr xxyxy −++−=

23

2303

23 r yxz −−=

01

122

022

012

2 2rrrr ++=x

2202

22 r xy −=

011 r=x

rjk: distanza fra nodo j e nodo k

n1=(x1, 0, 0)x

yz

x1

y2

x2z3

y3

x3

n2=(x2, y2, 0)n3=(x3, y3, z3)

n1

n2

n3

n0


TERRAIN

Triangulation via Extended Range and Redundant Association of Intermediate Nodes (TERRAIN)

Creare una unica mappa deinodi che sfruttainformazioni di nodi a distanza multi-hop extended range =

#hop * average node distance


Sistemi di Posizionamento con Hardware Addizionale

Hardware special-purpose sviluppato specificamente e aggiunto per ottenere info di locazione

Basato su RadioFrequenza, InfraRosso, (Ultra)SoundMigliora accuratezza e precisione ☺Tende ad accrescere dimensione device e

consumo di energia

Esempio notevole sistema posizionamentoesterno= Global Positioning System (GPS)

USA Department of Defense (DOD)Almeno 24 satelliti operativi in orbita a 11000 miglia (ca. 18000km)

http://tycho.usno.navy.mil/gps.htmlPrimo satellite: 14 Feb 1989; ultimo (?) satellite: 6 Nov 2004

Sistema di posizionamento più diffuso (unico?)


Informazioni conosciute grazie a GPS:Posizione satelliteTempo di propagazione segnale da satellite a cliente (ca. 60ms)

distanza=ToA*light speed

Come usare queste info?Lateration + ToA

3 satelliti 2 posizioni possibili1 posizione non è però sulla superficie terrestre

(space/ultra-atmospheric elevation)

GPS: Come Funziona?


GPS: Sincronizzazione

ToA necessità disincronizzazione clock

satellite con clock atomicoAlta accuratezza

clienti con clock “normale”Problemi di accuratezza

Errore di 1µs ca. 300mSincronizzazione, sfruttandoprotocollo con 4 satelliti (3 per soluzioni2D): clock cliente sono affetti dashifting fino a operazione disincronizzazione esempio 2D di errori di sinc

61µs(60µs)

51µs(50µs)

71µs(70µs)

overestimated(correct)


Errori in GPS

Altre svariate potenziali sorgenti di errore:Condizioni atmosferiche: ionosfera (0-30m) e troposfera (0-30m) rifraggono segnale GPS cambio di velocità segnale GPS

Errori dovuti alle Ephemeridi: posizionamento orbita satellitare(1-5m)

Clock drift: anche gli orologi atomici non sono perfetti (0-1.5m)“Rumore” di misurazione (0-10m)Selective Availability: fino al 2000, introdotta appositamente daDoD (0-70m)

Multipath: edifici di altezza elevata, montagne, ... (0-1m)

Per maggiore accuratezza GPS differenziale


GPS Differenziale (D-GPS)

Si sfrutta una base station con posizioneperfettamente nota per calcolare differenze daposizionamento esatto edeliminare erroriCliente GPS opera l’usualecomputazioneMigliore accuratezza (1-5m vs. 50-100m) comparando la locazione nota di base station e quella calcolata daGPS non differenziale

Source GPS D-GPS

Ionosphere 0-30m Mostly Removed

Troposphere 0-30m All Removed

Signal Noise 0-10m All Removed

Ephemeris Data 1-5m All Removed

Clock Drift 0-1.5m All Removed

Multipath 0-1m Not Removed

SA 0-70m All Removed


Locazione fisica + assolutaWGS84 World Geodetic System: latitudine, longitudine e altezza ellissoide (compensa movimento continenti)

DistribuitoCosto: infrastruttura (!!!) + clienteScalabilità: completamente distribuito ottima scalabilitàNo identificazione + distribuito user privacyAccuratezza = 100m/


Non solo GPS:Active Badge

Olivetti Research Laboratory (ora AT&T Cambridge): uno dei primi approcci al problemaTecnologia a infrarossi

Badge emette periodicamente un identificatore unicoRete di sensori riceve segnali dai badge (necessità di prossimità, tipicam. stessa stanza)Server centrale raccoglie dati

dei sensoriProprietà:

Basato su prossimitàSimbolico, assolutoIdentificazione utentiBasso costoAccuratezza a livello di stanzaIR non lavora bene in presenza di

luce solare e fluorescenza


Active BATAT&T Active BAT

Sostanzialm. tecnologia ultrasuoni (US)Badge emette un identificatore unico verso un server centraleServer centrale

Fa triggering del badge (via RF), chiedendoglidi inviare segnale US

Fa reset dei ricevitori US montati su soffittoRaccoglie datiCalcola la posizione del badge

Proprietà:ToA, fisico, assoluto, identificazione, basso costo, accuratezza = 9 cm, precisione = 95%


AHLoS:Ad-Hoc Localization System

UCLA AHLoSTecnologie RF, USLateration + ToA

RSSI vs. RF, USWINS (900 MHz RF)

Medusa (US)

Property RSSI UltraSoundRange same as radio communication range 3m

Accuracy 2-4m for WINS 2cm for MedusaMeasurement

Reliabilityhard to predict, multipath

and shadowingmultipath mostly predictable, time is a more robust metric

Hardware Requirements

RF signal strength must be available

US transducers and amplifier circuitry

Additional Power Requirements none tx and rx signal amplification

Challengeslarge variances in RSSI

readings, multipath, shadowing, fading effects

interference, obstacles, multipath


Sistemi di Posizionamento senzaHardware Addizionale

Utilizzare ciò che è già disponibile per motivi dicomunicazione: GSM/GPRS/UMTS, Bluetooth, 802.11

Ad esempio, reti cellulari GSM e posizion. network-basedCell Global Identity (CGI)Angle of Arrival (AoA)Timing Advance (TA)Signal StrengthUplink Time of Arrival (UL-ToA)Uplink Time Difference of Arrival (UL-TDoA)

CGI(with directional antennas)

CGI + TA(with directional antennas)

CGI + TA

550 m

100m – 35Km

CGI


Posizionamento tramite GSM

Oppure, sempre in GSM, Mobile Station (MS)-basedEnhanced - Observed Time Difference (E-OTD ≡TDoA)

Almeno tre Base Transceiver Station in visibilità

Timing Advance Almeno 2 handover “forzati”

TechnologyComputation

locality

UserControlled

Privacy

Modifications System Accuracy

HW SW urban environmentrural

environmentCGI network no none none > 100m < 35 Km

CGI+TA network no none none > 100 mcircle of arc

of 550 mUL-ToA network no GPS for clock synch 150 m 50 m

UL-TDoA network no GPS for clock synch 50 m 80 mE-OTD MS yes none yes 200 m 60 m


Posizionamento tramite BluetoothBluetooth è a basso costo e raggio coperturarelativam. limitato

prossimità, accuratezza < raggio BT (ca. 10m)simbolico, assoluto, distribuito

Possibile soluzione :Dispositivi BT installati presso Point Of Interest (POI)DB locazioni POI:

associazione BT POI MAC Address locazione POIVisibilità di molteplici dispositivi BT

Scelta di quello più vicino con maggiore RSSI

LocA LocB


1. POI fanno broadcast MAC address2. Dispositivo fa overhearing dei POI3. Dispositivo si connette ai POI visibili4. Per ogni POI, dispositivo misura

RSSI della connessione5. Dispositivo calcola la sua locazione

sfruttando comparazione di RSSI

Possibile Funzionamento

Looking forBT POI

Read RSSISelect a POI

Connect toBT POI

Basebandconnection

& RSSI

MACaddress


Bluetooth permetteLivelli di Privacy Differenziati

Dispositivo vuole conoscere quali POI sono vicini, ma forsenon rendere consapevoli i POI della sua presenza. Ricordiamoci che comunicazioni wireless possonoessere asimmetricheCliente BT:

inquiry scan onOgni POI BT vicino può vedere il dispositivo

page scan on, inquiry scan offPOI non possono vedere il dispositivo ma possono tentareconnessione se conoscono identificatore

Inquiry scan off, page scan off (NO visibilità di RSSI però…)stealth mode: nessuno può vedere il dispositivo (fino a che non siconnette…)


PlaceLab

Idea base: sfruttare wide-scale WiFi deploymentAree urbane con copertura “densa” di WiFi APWiFi AP inviano beacon con ID unici (MAC address di AP)Posizionare dispositivi WiFi utilizzando una mappa dicorrispondenze base-station-ID verso locazioniMolti algoritmi disponibili per calcolare la posizioneapprossimata basata su punti di riferimento noti


PlaceLab: Quali Problemi Principali?

Costruire un DB mondiale delle posizioni di tutti gliAP WiFi

Come stimare la posizione di AP se i dati esatti non sonodisponibili?

Buoni algoritmi per posizionamento accuratoTradeoff fra accuratezza e overhead di calibrazione

Modello di privacy accettabile per un largo pubblico diutenti

Chi determina la locazione?Come può l’utente finale tenere sotto controllo la sua info dilocazione?

Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M

PlaceLab: Metodologia

Fase di TrainingRaccogliere beacon da AP WiFi tramite “war driving” con dispositiviequipaggiati di IEEE802.11+GPSDa questa raccolta dati si memorizzano

Coordinate GPSListe di AP

Richiede circa lavoro di 1hr per km2Costruire mappa del segnale radio a partire dalle tracce raccolte

Fase di PositioningUtilizzare mappa radio per posizionare utente finaleEventualm. comparare la posizione stimata con quella restituita daGPS per raffinamenti successivi


RADAR: Idea di Base

Per certi versi simile a PlaceLab, per ambienti indoorScenario: IEEE 802.11 APAnalisi di scena (scene analysis, fingerprinting) basato su RSSI

2 fasi: prima fase off-line, poi fase real-time


RADAR: Fase Off-line eFase Real-Time

Fase off-lineRaccolta di dati empirici dal campo, accumulati latoinfrastruttura

Clienti mobili fanno broadcast periodico di pacchetti UDP checontengono locazione e orientamento spaziale inseritimanualmente dagli utentiAP raccolgono e memorizzano RSSI (medio) per pacchettiUDP ricevuti, con associato timestamp (necessità sinc. nodi)server mette insieme dati raccolti da ogni AP partecipante

Fase real-time: tracking dei dispositiviClienti mobili fanno broadcast periodico di pacchetti UDPServer centralizzato calcola locazione

Nearest Neighbor in Signal Space (NNSS), con distanzaeuclidea fra valori di RSSI, oppureAlgoritmi basati su storico, oppure…


RADAR

In ogni caso, per migliorare accuratezza/precisione:Incrementare molteplicità AP in prossimitàRaccolta di sample multipli per RSSI in ogni posizionee in diversi istanti di tempo

Alternativa per fase off-line: modelli avanzati dipropagazione radio

Vantaggi di poter evitare raccolta datiModello con Wall Attenuation Factor (WAF)Necessità di conoscere dettagli precisi sull’ambiente dideployment


RADAR: Caratteristiche

fisicoassolutocentralizzatobasso costo?

raccolta dati è attività time-consuming


Ekahau: Idea di Base

Modello di mondo-ambiente stocastico, non deterministico e viene accettato il fatto che i segnalimisurati siano inerentemente affetti da rumoreCalibrazione del modello risolto come problema dimachine learning: ancora una volta, scene analysis basato suvalori di RSSI

Principio di rail tracking:Locazione corrente è probabilmente vicina alle locazioni piùrecentiUtenti possono solo seguire cammini consentiti (legal path, ad es. NO attraversamento di muri) Hidden Markov Model


Ekahau: Architettura e Principi

Simile a RADAR (fase learning, RSSI fingerprinting) ma...Dispositivi mobili raccolgono dati di RSSI (non AP) e li invianoa server centralizzato solo quando necessario per determinareloro locazione quindi dispositivi mobili possono sceglierequando/se essere posizionati dal serverRail tracking con mappadell’ambiente e percorsiconsentiti


Ekahau: Caratteristiche

fisico & simbolicoassolutobasso costo?

raccolta dati è time-consumingprivacy: ci fidiamo del server Ekahau?


Sensor Fusion:Positioning Fusion

In generale, approccio in cui N sorgentidati vengono aggregate per fornire M outputDa raw data a structured/aggregated data con maggiore livello di astrazione

Approccio possibile anche per posizionamento. Ad esempio, sistemaVTT:NO aggregazione, pura selezioneMeccanismo di voto (massimizzare)

velocità v, età del posizionamento tage, accuratezza ε

ε+=

vtk

agen

*1


Universal Location Framework

Molteplicità di sistemi diposizionamento

GPS, IEEE 802.11, Mote (sensorelow-cost di Berkeley)

Misure in formato WGS-84GPS: raw data

aggiunta di info accuratezza

802.11: RADAR-likeaggiunta di altitudinegestione consumo batteria

Mote: prossimità WGS-84da info simbolica a fisica


FusioneGestione sensori

uno o multipli insieme?accuratezza & precisione

Modello di mobilitàsfruttamento di info di velocità e orientamento spaziale

Calcolo del valore “fuso”Location API comune e di alto livello

aggiornamento automatico, manuale, periodico

Gestione cross-layer di sensorie qualità dell’info di locazione

Universal Location Framework


PoSIM e JSR-179

Positioning System Integration and Management (PoSIM)Basato su approccio “translucent”

Trasparenza: Policy & Data ManagersVisibilità: Positioning System Access Facility

Conforme a standard Java JSR-179 (per chi volesse approfondire…)

controldata

PositioningSystem

PSW

PositioningSystem

PSW

PositioningSystem

PSW

DataManager A

pplications

PolicyManager

PoS

IM A

PI

transparentvisible

Positioning S

ystemA

ccess Facility

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

/Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure true /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /NA /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /LeaveUntagged /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice

sistemi mobili m - unibo.itlia.deis.unibo.it/courses/sm1112-info/lucidi/03-mobileip(2x).pdf ·...

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