Localização de Dispositivos Móveis em Redes Wi-Fi

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1 Joel Filipe Machado Carvalho Mestrado em Informática Localização de Dispositivos Móveis em Redes Wi-Fi Departamento de Engenharias Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro Vila Real, 2007

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3 Dissertação submetida por Joel Filipe Machado Carvalho à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau de Mestre em Informática, sob a orientação do Professor Doutor Paulo Nogueira Martins, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, e sob a coorientação do Professor Doutor João Manuel Pereira Barroso, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

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5 Agradecimentos Aos meus orientadores, Professor Doutor João Barroso e Professor Doutor Paulo Martins, que sempre tiveram disponibilidade para me ouvir, orientar e interesse em elucidar-me sobre os vários aspectos. Ao Engenheiro Hugo Paredes, que me ajudou muito mostrando-me novos caminhos a seguir e perspectivas interessantes sobre vários assuntos abordados nesta investigação. Também as suas críticas e questões em muito valorizaram o desenvolvimento deste trabalho. Ao Centro de Informática da UTAD e em especial ao Engenheiro António Costa por me ter orientado nas questões técnicas dos equipamentos usados na rede com e sem fios da Universidade. À UTAD por ter disponibilizado os meios necessários para a realização deste projecto. Aos meus amigos e colegas de curso não só pelos conhecimentos transmitidos e trocas de ideias, como também pela amizade e companheirismo. Agradeço ao meu grande amigo Filipe Fagundes, que com os seus palpites e ideias tornaram o método de localização mais eficaz, e também ao David Ribeiro, que na parte final deste trabalho de investigação me aconselhou e mostrou melhores maneiras de expor este documento. Aos meus pais Augusto e Idália que sempre me apoiaram e incentivaram a continuar a minha progressão académica e que sem o seu amor me teria sido impossível chegar ao fim desta dissertação. Um especial agradecimento à Teresa, que com a sua paciência e carinho me levou a dar o meu melhor durante este trabalho de investigação. i

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7 Resumo A disseminação da tecnologia Wi-Fi para dispositivos móveis (telemóveis, PDA e portáteis) contribuiu em muito para a evolução e generalização das redes Wi-Fi tanto em ambiente empresarial como académico, sendo muitas as organizações que actualmente optam pela flexibilidade e mobilidade das redes Wi-Fi. Tanto dentro de edifícios como em exteriores encontram-se facilmente pontos de acesso Wi-Fi, que através da sua resultante cobertura tornam possível a instalação de um sistema capaz de localizar dispositivos móveis dentro de uma rede Wi-Fi. A localização de dispositivos móveis poderá ser de grande importância para a monitorização e gestão de recursos humanos das organizações, uma vez que a localização dos dispositivos frequentemente corresponde à localização do seu utilizador e o facto de termos a posição dos utilizadores possibilita um grande número de aplicações sensíveis ao contexto. São várias as aplicações que podem ser dadas à informação sobre a localização de dispositivos e consequentemente dos seus utilizadores, podendo esta ser usada por eles em aplicações resultantes da informação sobre o local onde se encontram ou ser usada globalmente pelo sistema para fins estatísticos e para fins de monitorização da rede, possibilitando, caso seja necessário um mais fácil escalonamento desta. Este documento tem como objectivo apresentar um algoritmo de localização de dispositivos móveis em redes Wi-Fi computacionalmente leve, não descurando o estudo dos sistemas considerados de referência e da própria tecnologia Wi-Fi, que são essenciais à obtenção de know-how nesta área. Ao longo desta exposição, procura-se determinar a aplicabilidade do algoritmo numa plataforma especificamente desenvolvida sobre a infra-estrutura Wi-Fi da UTAD, cenário ideal para mostrar as suas características predominantes: fácil de implementar sobre qualquer rede Wi-Fi, sem grandes calibrações, mas que seja capaz de bons resultados em termos de precisão na localização dos dispositivos móveis. iii

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9 Abstract The spread of Wi-Fi technology in mobile devices (mobile phone, PDA and portable) has contributed to the evolution and spread of Wi-Fi networks in both academic and business environment, and now many organizations have adopted Wi-Fi networks, because of its flexibility and mobility. Both inside buildings and outside, it is easy to find access points and a near total Wi-Fi coverage, which is a prerequisite for the deployment of a system capable of locating mobile devices within a Wi-Fi network. Information on the location of mobile devices may be of great importance for the monitoring and management of human resources of organizations, since the information on the location of mobile devices often corresponds to the location of its users. There is a vast array of applications that can use the information on the location of devices and it can be used by applications sensitive to the context, giving the user's mobile device information on where he is, it may be also used for statistical purposes and to monitor the network, enabling an easier scalability of the network where it is needed. This document aims to describe all the work related to the creation of one Wi-Fi mobile device location algorithm, not forgetting the study of existing systems considered of reference and the description of Wi-Fi technology, which are essential to obtain knowhow in this area. Throughout this exhibition it is determined the applicability of an algorithm not only easy to implement at any place, which can work without major calibrations, but also capable of good results in terms of location precision. v

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11 Índice 1. INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO OBJECTIVOS ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO REVISÃO DOS SISTEMAS DE LOCALIZAÇÃO EM REDES WI-FI INTRODUÇÃO SISTEMAS DE LOCALIZAÇÃO BASEADOS EM REDES WI-FI Projecto RADAR Cisco Wireless Location Services Projecto desenvolvido na Universidade Rey Juan Carlos Projecto desenvolvido na Universidade de Berlim Projecto desenvolvido na Universidade Rice Projecto desenvolvido na Universidade de Southern Califórnia Projecto Horus desenvolvido na Universidade de Maryland Projecto desenvolvido na Universidade de Freiburg Projecto desenvolvido pelo SENSEable City Laboratory Sistema desenvolvido pela Ekahau CONCLUSÃO ESPECIFICAÇÃO DOS SINAIS WI-FI INTRODUÇÃO FREQUÊNCIA, AMPLITUDE E COMPRIMENTO DE ONDA ATENUAÇÃO GANHO RELAÇÃO SINAL-RUÍDO REFLEXÃO E REFRACÇÃO EM WI-FI MULTIPATH CONCLUSÃO PLATAFORMA DE LOCALIZAÇÃO INTRODUÇÃO INICIATIVA E-U A ARQUITECTURA DA PLATAFORMA IMPLEMENTAÇÃO DOS COMPONENTES CONCLUSÃO vii

12 Índice 5. MÉTODO DE LOCALIZAÇÃO DESENVOLVIDO INTRODUÇÃO ESPECIFICAÇÃO DO MÉTODO Levantamento de requisitos Sistema de coordenadas Modelação do processo de localização IMPLEMENTAÇÃO DO MÉTODO Agente de aquisição de sinal Algoritmo de localização Modos de funcionamento CONCLUSÃO TESTES E RESULTADOS INTRODUÇÃO VERIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DAS ONDAS WI-FI CONDIÇÕES DE TESTE TESTES COM DIFERENTES DISPOSITIVOS MÓVEIS TESTES EM DIFERENTES ALTURAS DO DIA CONCLUSÃO CONCLUSÕES BIBLIOGRAFIA viii

13 Índice de Figuras FIGURA 1 ROBÔ COM PORTÁTIL ACOPLADO PARA A FASE DE TREINO FIGURA 2 RELAÇÃO DA DISTÂNCIA E POTÊNCIA DOS SINAIS WI-FI RECEBIDOS PELOS AP FIGURA 3 - COMPONENTES DA SOLUÇÃO DE LOCALIZAÇÃO DA CISCO FIGURA 4 - MAPA DE INTENSIDADE SIMULADO PARA O AP FIGURA 5 - MAPA DE INTENSIDADE SIMULADO PARA O AP FIGURA 6 - POSIÇÕES ESTIMADAS COM O MAPA DE INTENSIDADE FIGURA 7 - POSIÇÕES ESTIMADAS COM O MODELO DE PROPAGAÇÃO FIGURA 8 - RELAÇÃO ENTRE POTÊNCIA DE SINAL EMITIDA E RECEBIDA FIGURA 9 - PLANTA DO EDIFÍCIO SAL FIGURA 10 - AUTO-CORRELAÇÃO ENTRE AS POTÊNCIAS DE SINAIS VINDOS DE UM AP FIGURA 11 - DETERMINAÇÃO DE POSIÇÃO COM E SEM A PLANTA FIGURA 12 - LOCALIZAÇÃO DE DISPOSITIVO WI-FI COM DIAGRAMAS DE VENN FIGURA 13 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE UMA ONDA WI-FI FIGURA 14 - REPRESENTAÇÃO DA ZONA FRESNEL, ADAPTADO DE: [ISA, 2007] FIGURA 15 - ATENUAÇÃO DE SINAIS RÁDIO (1.5 GHZ) REGISTADOS EM RELAÇÃO À DISTÂNCIA PERCORRIDA, ADAPTADO DE: [SALEH, ET AL., 1987] FIGURA 16 REFLEXÃO E REFRACÇÃO DE SINAIS WI-FI FIGURA 17 REPRESENTAÇÃO SIMPLES DO FENÓMENO DE MULTIPATH FIGURA 18 - ESTRUTURAÇÃO LÓGICA DA PLATAFORMA DE SERVIÇOS DE LOCALIZAÇÃO, FIGURA 19 - DIAGRAMA DA PLATAFORMA DE LOCALIZAÇÃO APLICADA À REDE E-U DA UTAD, FIGURA 20 - WEB SERVICES DA PLATAFORMA DE SERVIÇOS DE LOCALIZAÇÃO FIGURA 21- DIAGRAMA DE CASOS DE USO DO PROCESSO DE LOCALIZAÇÃO FIGURA 22 - DIAGRAMA DE CASOS DE USO DO AGENTE DE AQUISIÇÃO DE DADOS FIGURA 23 - PONTOS DE ACESSO COMO PONTO DE REFERÊNCIA FIGURA 24 INTEGRAÇÃO DO NOVO PROCESSO DE LOCALIZAÇÃO NA ESTRUTURA LÓGICA DA PLATAFORMA DE SERVIÇOS DE LOCALIZAÇÃO FIGURA 25 - DIAGRAMA DE ACTIVIDADES DO PROCESSO DE LOCALIZAÇÃO FIGURA 26 - DIAGRAMA DE ACTIVIDADES DO AGENTE DE AQUISIÇÃO DE DADOS FIGURA 27 - CIRCUNFERÊNCIA DA DISTÂNCIA AO AP FIGURA 28 - INTERSECÇÃO DE DUAS CIRCUNFERÊNCIAS FIGURA 29 - INTERSECÇÃO DE TRÊS CIRCUNFERÊNCIAS FIGURA 30 - RECTAS DE INTERSECÇÃO DAS CIRCUNFERÊNCIAS DE DISTÂNCIA FIGURA 31 - ESQUEMA DO FUNCIONAMENTO DA LOCALIZAÇÃO IMPLÍCITA ix

14 Índice de Tabelas FIGURA 32 - ESQUEMA DO FUNCIONAMENTO DA LOCALIZAÇÃO EXPLÍCITA FIGURA 33 - GRÁFICO COM AS VARIAÇÕES DE SINAL EM TRÊS CASOS DISTINTOS FIGURA 34 - GRÁFICO COM A ANÁLISE DA VARIAÇÃO DOS RSSI EM DIFERENTES CONDIÇÕES FIGURA 35 - DEMONSTRAÇÃO DAS DISTÂNCIAS ESTIMADAS PELO MODELO DE PROPAGAÇÃO FIGURA 36 - ESPAÇO DE LOCALIZAÇÃO CONSIDERADO PARA TESTES FIGURA 37 - GRÁFICO DO ERRO MÉDIO NA LOCALIZAÇÃO DE DIFERENTES DISPOSITIVOS MÓVEIS FIGURA 38 - PLANTA COM AS POSIÇÕES REAIS DO DISPOSITIVO MÓVEL E AS POSIÇÕES ESTIMADAS PELO ALGORITMO ÀS 16 HORAS Índice de Tabelas TABELA 1 - SUMÁRIO DOS SISTEMAS DE LOCALIZAÇÃO EM WI-FI ESTUDADOS TABELA 2 - CANAIS B ESPECIFICADOS x

15 Acrónimos No decorrer desta dissertação encontrar-se-ão acrónimos, estando representados os seus significados na lista abaixo, no entanto, para comodidade do leitor, sempre que um acrónimo aparece pela primeira vez na dissertação é apresentado qual o seu significado. AIT Atomic International Time AoA AP dbm FCCN GPS GSM IAT IEEE MAC MIT MNN PDA RADIUS RF RFID Angle of arrival Access Point Decibéis Fundação para a Computação Científica Nacional Global Positioning System Global System for Mobile Communications International Atomic Time Institute of Electrical and Electronic Engineers Media Access Control Massachusetts Institute of Technology Multiple Nearest Neighbor Personal Digital Assistant Remote Authentication Dial In User Service Rádio Frequência Radio Frequency Identification xi

16 Acrónimos RSSI RTLS SNMP SNR SS SSID TDoA ToA UMIC UTAD UTC WCS WEP WGS Wi-Fi WLAN WPA Received Signal Strength Indicator Real-Time Location System Simple Network Management Protocol Signal to Noise Ratio Signal Strength Service Station Identifier Time Difference of Arrival Time of Arrival Agência para a Sociedade do Conhecimento Universidade de Trás-os-montes e Alto Douro Universal Time Coordinated Wireless Control System Wired Equivalent Privacy Worldwide Geodic System Wireless Fidelity Wireless Local Area Network Wi-Fi Protected Access xii

17 Capítulo I 1. Introdução As redes Wireless Fidelity (Wi-Fi) surgiram em 1999 com o lançamento da norma , pelo Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). Mais tarde foram adicionados, entre outros, os suplementos b, g e brevemente o suplemento n que actualmente é considerado um draft da futura norma. O termo Wi-Fi foi criado pela empresa de marketing Interbrand a pedido da Wi-Fi Alliance e é utilizado para designar o conjunto ou apenas um elemento da família de normas do IEEE. A Wi-Fi Alliance tem como objectivo garantir a interoperabilidade entre dispositivos Wi-Fi de diferentes fabricantes, tendo desde o ano 2000 certificado mais de 3500 dispositivos [Wi-Fi Alliance, 2007]. Antes do aparecimento da Wi-Fi Alliance o mercado encontrava-se dominado por um conjunto de tecnologias de rede rádio proprietárias muito semelhante à norma , contudo não garantiam interoperabilidade entre fabricantes, como é o caso da WaveLAN. AWaveLan, criada em 1990, foi a primeira tecnologias de rede rádio a ter uma grande aceitação do mercado e mostrou as potencialidades deste tipo de redes, principalmente a nível da mobilidade facultada aos utilizadores que as usam e à fácil instalação e conexão de diversos dispositivos à rede. 1

18 Capítulo I - Introdução Para existir uma chamada rede Wi-Fi são necessários pelo menos dois dispositivos que por meio de antenas garantam a recepção e transmissão de ondas rádio a uma frequência acima dos 2.4 GHz e com a capacidade de modular e demodular esses sinais. Os sinais Wi-Fi serão especificados com mais detalhe no capítulo 3 desta dissertação. Existem vários dispositivos que podem integrar uma rede Wi-Fi: o telemóvel, o computador portátil, o Personal Digital Assistant (PDA), o computador pessoal e o ponto de acesso (AP, do inglês Access Point). O AP distingue-se dos outros dispositivos, pois permite que vários dispositivos Wi-Fi possam comunicar dentro da mesma rede podendo, por exemplo, fazer de interface entre uma infra-estrutura de rede por cabo e um conjunto de dispositivos Wi-Fi. Outra característica do AP prende-se com o facto de conseguir comunicar com outros dispositivos Wi-Fi desde várias dezenas de metros até a alguns quilómetros, estando estes valores dependentes de diversos factores, tais como: a antena usada, a potência de transmissão, a presença de obstáculos (paredes, árvores, etc.), e o ângulo e direcção de transmissão da antena. Tipicamente o alcance efectivo de um AP é de cerca de 35 metros em interiores e 110 metros em exteriores [HP Invent, 2002]. Qualquer dispositivo que suporte a tecnologia Wi-Fi poderá associar-se a um AP para usufruir dos serviços disponibilizados pela infra-estrutura de rede, no entanto, também é possível dispositivos Wi-Fi comunicarem directamente, formando as chamadas redes ad-hoc. A nível de segurança de rede, algumas medidas de segurança poderão estar activadas no AP, fazendo com que o dispositivo Wi-Fi só consiga concretizar a associação se estiver devidamente autenticado, seja esta feita com Wired Equivalent Privacy (WEP) ou com o uso de uma lista de controlo de acesso por endereço Media Access Control (MAC). Porém, estes métodos de segurança contêm algumas fragilidades que têm vindo a ser alvo de estudo [Helleseth, 2006]. O principal problema reside na natureza do meio transmissão, o ar, que tem tornado árdua a tarefa de proteger as redes Wi-Fi. No entanto com a introdução em 2003 do Wi-Fi Protected Access (WPA) e dos seus protocolos de autenticação da norma i [Baek, 2004], tornou-se mais difícil o acesso não autorizado em redes Wi-Fi. Esta segurança, aliada à mobilidade inerente das redes Wi-Fi, foram os factores decisivos para a adopção e implementação destas redes em larga escala, cobrindo em muitos casos, grandes extensões. Em Portugal, são exemplo disso todas as instituições de ensino superior, que 2

19 Capítulo I - Introdução ao beneficiarem do projecto e-u também conhecido como Campus Virtual [e-u, 2006], cobriram os espaços interiores e mesmo alguns espaços exteriores com redes Wi- Fi. 1.1 Motivação Há nas redes Wi-Fi um grande potencial para um vasto número de aplicações e serviços [Nunes, 2006], nascidas do simples facto de o utilizador se encontrar livre, durante grandes períodos de tempo, de ligações físicas que limitariam a sua mobilidade. Existe, neste contexto, um conjunto alargado de aplicações que tem vindo a ser desenvolvido, sendo a localização de utilizadores uma delas. Numa rede equipada com um sistema capaz de determinar a localização de cada um dos seus utilizadores é possível, por exemplo, detectar intrusos na rede ou mesmo o roubo de equipamentos que estejam a comunicar por Wi-Fi [Tao, 2003]. Podem também ser implementadas soluções em termos de administração, dando a capacidade ao gestor da rede sem fios de poder analisar quais os pontos onde a cobertura da rede é insuficiente ou até saber onde os utilizadores passam mais tempo ligados à rede, o que pode ajudar na tarefa de adaptar a disposição dos APs aos hábitos dos utilizadores. Outra aplicação que tem estado muito em voga tem sido a disponibilização de conteúdos baseados na localização do utilizador [Song, 2006] [Hazas, 2004]. Têm sido desenvolvidos e implementados sistemas deste tipo, por exemplo, em museus e galerias de arte. Nestes cenários, são disponibilizados aos visitantes PDAs que lhes vão mostrando informação contextualizada, onde para comodidade do utilizador é apenas apresentada a informação das obras que se encontram na sua proximidade. O museu Pergamon de Berlim é um exemplo onde foi implementado com sucesso um sistema deste género [Sieck, 2006]. 3

20 Capítulo I - Introdução 1.2 Objectivos É objectivo deste trabalho conceber um algoritmo de localização capaz de localizar dispositivos móveis na rede Wi-Fi da UTAD, salvaguardando também a necessidade de tornar fácil a sua implementação em outros locais onde as infra-estruturas de rede possam ser diferentes. Pretende-se também elaborar um trabalho inicial de investigação da tecnologia de redes sem fio Wi-Fi e de diversos sistemas de localização, considerados relevantes no presente contexto. Esta dissertação teve igualmente o objectivo de criar know-how na área de sistemas de localização baseados em redes Wi-Fi, pretendendo deixar orientações e ideias concretas quanto a futuros aperfeiçoamentos desta técnica de localização e clarificar as condicionantes impostas pelas características das ondas Wi-Fi, que são o recurso fundamental deste tipo de sistemas de localização. 1.3 Estrutura da dissertação O presente documento está organizado em 7 capítulos onde, para além deste capítulo introdutório, é possível identificar duas partes distintas e complementares. A primeira parte abrange os Capítulos 2, 3 e 4, e resume toda a investigação efectuada relativamente a técnicas e tecnologias envolvidas na localização de dispositivos móveis em redes Wi-Fi. Estes capítulos servem de base à segunda parte da dissertação, uma vez que ajudam à compreensão das problemáticas envolvidas nesta área. A segunda parte deste documento baseia-se numa componente prática, encontrando-se nela descrito o desenvolvimento de um algoritmo de localização e os testes que descrevem o seu comportamento em relação a vários factores que possibilitaram tirar conclusões quanto ao trabalho desenvolvido. Esta última parte é composta pelos Capítulos 5, 6 e 7. No Capítulo 2 são apresentados vários sistemas de localização em redes Wi-Fi, fazendo uma revisão dos contributos mais relevantes para o avanço das soluções de localização 4

21 Capítulo I - Introdução em redes Wi-Fi. Nesta revisão analisam-se arquitecturas e métodos de localização utilizados em vários projectos de referência. O Capítulo 3 descreve as características dos sinais Wi-Fi, mostrando a complexidade do seu comportamento, principalmente no interior de edifícios. São também apresentados alguns modelos matemáticos que descrevem a propagação de ondas rádio. No Capítulo 4 é apresentada a plataforma de serviços de localização de utilizadores da rede Wi-Fi da UTAD, desenvolvida no âmbito das disciplinas de Projecto I e II do Mestrado em Informática, tendo eu integrado este grupo de trabalho conjuntamente com o colega Filipe Fagundes [Fagundes, 2006]. De modo a melhor situar o âmbito da plataforma de serviços de localização também é descrita a iniciativa nacional e-u. No Capítulo 5 é explicado o método de localização desenvolvido, começando pela sua especificação, mais propriamente abordando os requisitos para seu correcto funcionamento. Em seguida é apresentada a implementação deste método de localização, sendo descrito todo o trabalho prático que esteve envolvido, nomeadamente, ao nível do agente de aquisição de sinal, o algoritmo de localização e os seus modos de funcionamento. O Capítulo 6 expõe os resultados práticos do algoritmo baseado no método de localização desenvolvido, mostrando qual a sua precisão e adaptabilidade a vários factores que influenciam a localização. No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões da dissertação, sendo apresentados os objectivos alcançados. E por fim, são também apresentadas algumas sugestões para trabalhos futuros, nomeadamente a integração de novas varíaveis e aperfeiçoamentos ao método de localização desenvolvido. 5

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23 Capítulo II 2. Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi 2.1 Introdução A necessidade de compreender como a localização de dispositivos móveis é feita em redes Wi-Fi, tornou imprescindível a realização de um estudo de alguns sistemas de localização em redes Wi-Fi, analisando as várias arquitecturas usadas, bem como os métodos de localização que certos investigadores usaram para conseguirem chegar a bons resultados. Assim este capítulo começa por introduzir os motivos que levaram a comunidade científica a interessar-se no desenvolvimento de sistemas de localização que operam especificamente em redes Wi-Fi. De seguida é apresentada uma descrição de dez sistemas de localização de referência, que foram escolhidos não só pela sua qualidade mas também de modo a que se chegasse a um conjunto diversificado em termos de soluções. Por fim é feita uma análise comparativa entre os sistemas de localização, classificando-os segundo vários critérios. A tecnologia Wi-Fi é recente e tem grandes potencialidades como tecnologia de suporte a aplicações que requerem mobilidade e flexibilidade, tendo desde 1999 vindo a despertar o interesse dos investigadores em todo o mundo. A instalação em massa de redes Wi-Fi em locais públicos e privados como, por exemplo, escolas, hospitais, e 7

24 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi centros comerciais, vieram viabilizar os sistemas de localização baseados em redes Wi- Fi. A fiabilidade destes sistemas tem dependido directamente dos métodos de localização, da complexidade das áreas em estudo (interiores e exteriores) e da tecnologia de infra-estrutura. Desde o aparecimento da tecnologia Wi-Fi que têm vindo a ser desenvolvidos vários métodos para determinar a localização de dispositivos, mas parte destes revelaram-se impraticáveis devido às grandes condicionantes impostas pelos seus criadores, os quais fixavam em demasia a solução ao caso em estudo, não encontrando uma resposta genérica, capaz de ser aplicada a outras disposições de pontos de acesso (APs) ou a outros locais. Foram também desenvolvidos vários sistemas de localização em redes Wi-Fi que focavam o seu funcionamento em corredores, estando optimizados e testados para funcionar apenas nestes locais. A finalidade destes sistemas consiste em localizar dispositivos móveis, normalmente um computador portátil em movimento ou um robô com um adaptador de rede Wi-Fi incorporado, com a finalidade de guiá-los a um destino. O facto de condicionar o posicionamento dos dispositivos aos corredores de um qualquer edifício torna um sistema de localização mais preciso, uma vez que há um percurso previsível a seguir, sem grandes áreas abertas, as quais são propícias à imprecisão da localização do dispositivo. Estes problemas de imprevisibilidade da potência do sinal nas áreas mais abertas são causados pela grande quantidade de pessoas e objectos em movimento entre os dispositivos móveis e os APs, contribuindo também a multiplicidade de trajectos que um utilizador de um dispositivo móvel poderá seguir. A grande desvantagem destes sistemas é clara, pois não têm grande aplicabilidade à localização de utilizadores na rede Wi-Fi em todo o tipo de espaços. Mais recentemente têm ainda vindo a ser desenvolvidos sistemas de localização que têm em conta a planta do local em causa. Tal tornou-se necessário na localização em interiores devido ao impacto causado nos sinais Wi-Fi pela disposição e tipo de materiais usados na construção, incluindo as paredes, portas e pilares. Estes últimos influenciam também o modo como os utilizadores se movimentam por um dado local, estando limitado pelas condicionantes físicas que lhe são impostas, não podendo, por exemplo, transpor paredes sem que exista uma porta nesse local. Tendo em conta isto, é 8

25 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi de grande importância considerar a planta do edifício como mais um factor que irá influenciar a determinação da posição de dispositivos móveis que usem Wi-Fi. Quanto à implementação dos sistemas de localização, verifica-se que estes podem ser alojados nos próprios dispositivos móveis, de onde é possível obter a potência do sinal em relação a cada um dos APs em alcance, ou podem estar alojados em servidores, de onde é feito todo o processamento da localização dos dispositivos móveis e são obtidas as potências dos sinais Wi-Fi através dos APs ou dos próprios dispositivos móveis. Esta diferença em relação ao local onde a localização é processada leva a que os sistemas de localização possam ser classificados em termos de localização do processamento, a qual poderá ser explícita ou implícita [Martins, 2006]. A localização implícita significa que a própria aplicação do dispositivo móvel processa toda a informação relativa à sua localização. Por outro lado, a localização explícita significa que a informação sobre a localização dos dispositivos móveis é obtida pelas aplicações através de um serviço, sendo toda a informação relativa à localização dos utilizadores processada externamente, de um modo centralizado (um servidor) ou distribuído (dois ou mais servidores). Grande parte dos sistemas de localização em redes Wi-Fi funcionam em duas fases: uma fase de treino (fase offline) e uma fase de determinação de localização (fase online). Na primeira fase, é feita a recolha de todas as potências de sinais Wi-Fi recebidas por um dispositivo móvel, sendo isto feito em várias posições do espaço de localização que servirão de pontos de referência. Em cada posição, o dispositivo móvel fica à escuta em toda a gama de frequências utilizadas pela norma Wi-Fi e regista as potências de sinais recebidos e o Service Station Identifier (SSID) do respectivo AP. As posições registadas formam normalmente uma grelha de posições, contudo há casos onde somente são feitos os registos dos sinais Wi-Fi em posições consideradas estratégicas para o sistema de localização. Para cada posição registada, é feita a média da potência de sinal para cada AP em alcance e é sobreposto ao mapa do espaço de localização, construíndo assim o chamado mapa rádio. A este processo de criação de um mapa rádio é dado o nome de RF fingerprinting [Claro, 2006], podendo ser facilitado e automatizado com o uso de um robô (Figura 1), que vai associar as diferentes potências de sinais Wi-Fi às suas coordenadas espaciais, necessitando para tal de possuir um método de localização complementar baseado em sensores visuais ou em odometria. A 9

26 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi odometria consiste em determinar a localização de um objecto onde, dada a sua posição inicial, vai sendo depois recalculada periodicamente a nova posição com base em vários sensores (normalmente colocados nas rodas) que determinam o espaço percorrido pelo robô e em que sentido. Assim, com a odometria obtém-se um método de localização complementar eficaz, mas, ao calcular a sua localização, os erros de cálculo são acumulados, uma vez que a posição anterior é dada como garantida e os novos valores são somados a esta. Isto provoca erros de localização consideráveis para distâncias com centenas de metros, sendo necessário recolocar no mapa manualmente a posição do robô de tempo a tempo. Figura 1 Robô com portátil acoplado para a fase de treino Fonte: [Serrano, 2004] Após esta fase de treino, os sistemas de localização de dispositivos móveis em Wi-Fi ficam com uma colecção de mapas rádio (um mapa para cada AP), os quais funcionam como um repositório de potências de sinal em cada posição do mapa. Assim os sistemas de localização conseguem comparar os valores das potências dos sinais Wi-Fi recebidos nos dispositivos móveis com os valores guardados nas diferentes posições do mapa rádio. Esta comparação de posições e sinais Wi-Fi pode ser feita segundo diversas técnicas, contudo podem-se distinguir dois grandes grupos de técnicas de localização: as técnicas determinísticas e as técnicas probabilísticas. As técnicas determinísticas usam um valor escalar da potência do sinal e através de técnicas de triangulação ou trilateração fazem aproximações da localização dos 10

27 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi dispositivos móveis dentro da rede Wi-Fi usando o angulo ou distância do dispositivo móvel em relação a vários pontos fixos com coordenadas conhecidas [Tan, 1995]. A triangulação e a trilateração são duas técnicas de localização que serão distinguidas posteriormente no Capítulo 5. Os métodos probabilísticos [Roos, 2002], têm como objectivo encontrar qual a posição mais provável para a localização do dispositivo móvel, tendo em conta uma função de probabilidade treinada com um conjunto de amostras correctas e erradas ou modelos de propagação de ondas Wi-Fi. Fazendo uma breve análise aos sistemas de localização baseados em Wi-Fi que existem, verifica-se que os métodos probabilísticos são mais usados uma vez que têm mais provas dadas em termos de precisão e são mais adaptáveis a diversos ambientes. Para demonstrar qual o estado actual dos sistemas de localização existentes na tecnologia Wi-Fi foi elaborada uma descrição de vários sistemas de localização que são referências nesta área e demonstram as diversas aproximações existentes para se localizar dispositivos móveis em redes Wi-Fi. 2.2 Sistemas de localização baseados em redes Wi-Fi Projecto RADAR O primeiro passo dado no sentido de localizar um dispositivo que use uma tecnologia semelhante à Wi-Fi foi o projecto RADAR [Bahl, 2000]. Neste projecto, usaram a WaveLan, a qual era uma das tecnologias de rede sem fios proprietárias que antecedeu o Wi-Fi. Nesta investigação foram usados computadores pessoais para servirem de estações fixas e estes tinham como função medir a potência do sinal enviado pelo computador portátil. Os criadores do RADAR admitiam que o facto de o sinal ser medido nas estações fixas era uma limitação e que caso fosse necessário seguir um maior número de dispositivos móveis, seria necessário passar à medição da potência de sinal nos dispositivos móveis [Bahl, 2000], pois um servidor não teria desempenho computacional suficiente para processar as localizações de um grande número de 11

28 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi dispositivos móveis. Contudo, desde então, o exponencial aumento da capacidade de processamento dos equipamentos, fez com que actualmente os sistemas de localização totalmente centralizados sejam os mais comuns, apresentando como principais vantagens serem menos intrusivos nos vários tipos de clientes, e tornarem mais fácil a aplicação dos sistemas de localização em Wi-Fi a vários tipos de equipamentos e sistemas operativos dos dispositivos clientes. O RADAR funcionava em duas fases: uma offline, na qual era efectuado o treino do sistema, e outra online, tendo a explicação destas já sido feita na introdução deste capítulo. Neste caso específico, a fase online poderia funcionar em tempo real ou então poderia funcionar em duas sub-fases, sendo primeiro feita toda a aquisição de dados do dispositivo móvel e posteriormente feita a análise ao percurso seguido pelo dispositivo móvel durante o intervalo de tempo monitorizado. Para o dispositivo móvel ser localizável este tinha de emitir periodicamente um sinal broadcast (cerca de 4 por segundo) para que cada estação fixa o pudesse receber e medir em termos da potência de sinal recebida e sincronizar através de um timestamp. O timestamp identifica de modo inequívoco um instante com uma precisão máxima de 1 segundo, sendo um número inteiro que representa quantos segundos passaram desde as 00h00m de 1 de Janeiro de 1970 na hora Universal Time Coordinated (UTC), de termo atómico normalizado, que define o Atomic International Time (AIT). Na fase offline, o utilizador tinha de indicar num mapa qual a sua coordenada espacial (x,y) como também a sua orientação (d), a qual era necessária pois o utilizador formava uma grande obstrução aos sinais Wi-Fi numa direcção, podendo deturpar a localização caso não tivesse sido tida em conta. Por fim era registado o timestamp (t) e os dados inseridos pelo utilizador eram guardados num tuplo com o formato (t, x, y, d). Nesta mesma fase, do lado das estações fixas, era atribuído o timestamp para cada registo de posição que chegasse do dispositivo móvel, implicando assim uma sincronização de todos os relógios das estações fixas. Para calcular a localização do dispositivo móvel, os sinais das diferentes estações fixas eram comparados, juntando os valores com o mesmo timestamp numa tabela com os tuplos do tipo (x, y, d, SS i, SNR i ) onde i 1,2,3, correspondendo a qual das três estações fixas pertencia o tuplo. A cada broadcast recebido pelas estações fixas era registada a potência do sinal (SS, do inglês 12

29 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Signal Strength) e a relação sinal/ruído (SNR, do inglês Signal to Noise Ratio) dos sinais Wi-Fi. Para cada valor de i era calculada a média, o desvio padrão e a mediana da potência dos sinais Wi-Fi. Para calcular a posição do dispositivo móvel era necessário comparar as potências dos sinais recebidos pelas três estações fixas com as amostras recolhidas na fase offline de treino. Ao encontrar a amostra que mais se assemelha ao sinal actual, encontravam qual era a posição em coordenadas respectivas para aquele conjunto de potências de sinais. Nesta pesquisa foi usada a técnica de Multiple Nearest Neighbour (MNN), que consiste no cálculo da diferença dos sinais Wi-Fi medidos na fase online em relação a todos os sinais registados na fase offline. A menor diferença entre os valores já registados e os que presentemente o dispositivo móvel recebe, indicará qual a posição que o algoritmo estimou, uma vez que é a posição que mais se aproxima das potências de sinal recebidas. As ondas Wi-Fi têm um comportamento pouco previsível, sendo difícil de afirmar que a distância é o principal factor de atenuação da potência, tal como se pode verificar na Figura 2, onde as três estações fixas (BS1, BS2 e BS3) registaram valores pouco consistentes na relação da distância entre o dispositivo móvel e as estações, com a atenuação da potência do sinal Wi-Fi. Esta fraca correlação entre distância e atenuação foi em grande parte causada pelo local. Tendo em conta estes dados os investigadores concluíram que a disposição das paredes e outros obstáculos influenciaram em muito os resultados [Bahl, 2000]. 13

30 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Figura 2 Relação da distância e potência dos sinais Wi-Fi recebidos pelos AP Fonte: [Bahl, 2000] Durante as experiências feitas, os investigadores verificaram que numa dada posição, a potência do sinal variava de cerca de 5 dbm 1 e que esta variação era aleatória. Provaram também que a orientação do utilizador numa qualquer localização influenciava a potência de qualquer sinal Wi-Fi recebido Cisco Wireless Location Services A Cisco desenvolveu em 2006 um sistema de localização fácil de instalar e capaz de funcionar totalmente nos equipamentos da rede [Brugman, 2006], sem ter de instalar qualquer tipo de software adicional nos dispositivos a localizar (Figura 3). Apesar de este sistema também funcionar com tags Radio Frequency IDentification (RFID), só irá ser abordada a localização de dispositivos móveis com capacidade Wi-Fi. 1 Unidade de potência dos sinais Wi-Fi 14

31 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Figura 3 - Componentes da solução de localização da Cisco Fonte: [Brugman, 2006] Contudo, para este sistema de localização funcionar é necessário que a infra-estrutura de rede preencha alguns requisitos. Começando pelos APs, estes têm de ser Cisco e têm de ser configurados para trabalhar com o Cisco Wireless Control System (WCS) (Figura 3), limitando logo à partida a integração deste sistema de localização a muitas redes que usam APs de vários fabricantes. Outro requisito para este sistema funcionar é a presença do WCS, que irá calcular a posição dos dispositivos móveis presentes na rede Wi-Fi. Este sistema de localização permite o uso de cinco métodos distintos: Célula de origem: determina-se a zona em que o dispositivo móvel se encontra identificando a que AP está associado. Sabendo onde este se encontra e qual a sua área de cobertura, é assim possível identificar a área de cobertura do AP como sendo a zona onde o dispositivo móvel se encontra. A precisão deste método será igual à área de cobertura do AP [Brugman, 2006]. Received Signal Strength Indicator (RSSI): é usado o RSSI de um dispositivo móvel em relação a um AP como base para o processo de localização, uma vez que a partir deste é possível estimar a distância entre eles. Ao efectuar este cálculo para três RSSI provindos de APs diferentes, é feita a uma tripla relação das respectivas potências de sinal [Brugman, 2006], chegando-se a um ponto estimado de localização. A distância entre dispositivos pode ser calculada através da potência de sinal, usando modelos matemáticos de propagação de sinais Wi-Fi. Este tema será abordado e explicado em 15

32 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi detalhe no Capítulo 3, na secção de atenuação do sinal Wi-Fi. Este sistema de localização faz apenas uma triangulação simples, não tendo em conta certos fenómenos como o de multipath 2 e a variação da atenuação do sinal tendo em conta a planta do edifício. Certos sistemas de localização já usam formas de integrar estes cálculos dinamicamente, aumentando em muito a precisão deste método. Time of Arrival (ToA): Este método funciona da mesma maneira que o anterior, só que neste, a distância é calculada tendo em conta o tempo que o sinal demora a percorrer do emissor até ao receptor [Brugman, 2006]. Este método tem o inconveniente de os equipamentos de rede usados terem de estar perfeitamente sincronizados, pois um sinal Wi-Fi propaga-se a uma velocidade aproximadamente de 3X10 8 m/s e por este motivo qualquer desajuste levaria a erros de grandes proporções. Time Difference of Arrival (TDoA): É uma ligeira adaptação do ToA, mas com a diferença de serem consideradas as diferenças no tempo de chegar entre o dispositivo e pelo menos três APs [Brugman, 2006]. Este método torna-se mais fiável do que o ToA, uma vez que não usa o valor absoluto do tempo de chegada, o qual poderá estar ligeiramente errado. Ao considerar também a diferença entre os tempos de chegada, o erro provocado será menor. Angle of Arrival (AoA): Neste método, a posição do dispositivo móvel é calculada com base no ângulo de incidência em que o sinal é recebido. Quando este processo é repetido para os sinais Wi-Fi provindos de pelo menos 3 APs é possível cruzar os três ângulos obtidos de forma a deduzir qual a posição em que se encontra o dispositivo móvel [Brugman, 2006]. 2 Fenómeno inerente à propagação das ondas Wi-Fi que se caracteriza pelo facto de as ondas Wi-Fi não percorrerem sempre o mesmo caminho numa comunicação entre dois dispositivos Wi-Fi. 16

33 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Projecto desenvolvido na Universidade Rey Juan Carlos Na Universidade Rey Juan Carlos, Espanha, foi concluído em 2004 um sistema de localização de dispositivos móveis em redes Wi-Fi que não necessitasse de um mapa de intensidade rádio [Serrano, 2004]. Este mapa foi substituído por um modelo de propagação teórico das ondas Wi-Fi, capaz de localizar dispositivos móveis com uma precisão mais baixa, mas perto das técnicas que usam o mapa de intensidade rádio. Os autores adoptaram uma técnica de aproximação probabilística da posição do dispositivo, a qual constrói e vai actualizando uma grelha de probabilidade do dispositivo estar em cada posição. A posição com maior probabilidade acumulada é escolhida segundo a regra de Bayes, a qual é uma regra matemática (Eq. 2-1) que declara como os dados actuais devem ser afectados pelos anteriores [Murphy, 2006], neste caso combinando os novos dados sobre a nova localização do dispositivo móvel com os já existentes sobre as posições anteriores. P(e R r) P(R r) P( R r e) Eq. 2-1 P( e) Sendo P(e) a probabilidade do acontecimento anterior ocorrer e P(R=r) a probabilidade do acontecimento posterior acontecer (Eq.2-1). P(R=r e) é a probabilidade que a variável aleatória R tenha o valor r tendo sido verificado e. O denominador é só uma constante de normalização que assegura que a probabilidade condicionada de P(R=r e) assume no máximo o valor 1. Tendo em conta a regra de Bayes, a determinação de um nova posição do dispositivo móvel seria influenciada em parte pela sua posição anterior. Durante os testes foi usado um computador portátil com um adaptador Wi-Fi e este era transportado por um robô pelo espaço das experimentações. Este portátil servia para registar o número de APs acessíveis, a potência do sinal recebido para cada um, tal como os seus níveis de erro (ruído). Actualmente existem vários modelos de propagação Wi-Fi, capazes de representar matematicamente o comportamento das ondas Wi-Fi dentro de edifícios, mas o escolhido pelos autores foi o modelo breakpoint, o qual apenas tem em conta a distância percorrida pelas ondas Wi-Fi, descartando o efeito que certos obstáculos têm na 17

34 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi propagação das ondas Wi-Fi, como por exemplo: as paredes, mobiliário, etc. Com base neste modelo foi então simulado um mapa de intensidade automático para cada um dos três APs usados nesta experiência, podendo ver-se na Figura 4 e na Figura 5 o resultado para dois dos APs usados (AP1 e AP3). Figura 4 - Mapa de Intensidade Simulado para o AP 1 Fonte: [Serrano, 2004] Figura 5 - Mapa de Intensidade Simulado para o AP 3 Fonte: [Serrano, 2004] O uso de um modelo de propagação permite que seja feita uma estimativa da potência de recepção dos sinais Wi-Fi vindos de todos os APs para todo o espaço de localização. Este modelo de propagação elimina a necessidade de um sistema de duas fases, cortando a fase de treino, onde se fazia o mapa de intensidade rádio de toda a área abrangida pelo sistema de localização. Este é um passo importante, uma vez que se consegue retirar a parte mais morosa da implementação de um sistema de localização sobre a tecnologia Wi-Fi. Para que fosse possível comparar o desempenho de um modelo de propagação com o de um mapa de intensidade rádio tradicional construído pelo treino de posições, teve de se recorrer a uma fase de treino. Os resultados obtidos pelos dois métodos diferem como podemos ver na Figura 6 e na Figura 7, sendo que para o método do mapa o erro é menor que 1.5 metros em 82.27% dos casos e menor que 3 metros para 97.9% dos casos. Usando o modelo de propagação o erro sobe significativamente, sendo que para 18

35 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi 42% dos casos o erro é menor a 1.5 metros e para 83% dos casos está abaixo de 3 metros. Figura 6 - Posições estimadas com o mapa de intensidade Fonte: [Serrano, 2004] Figura 7 - Posições estimadas com o modelo de propagação Fonte: [Serrano, 2004] Projecto desenvolvido na Universidade de Berlim Na Universidade de Berlim, Alemanha, foi desenvolvido um sistema de localização de dispositivos móveis que serve de base para a disponibilização de informação contextual sobre obras de arte do museu Pergamon de Berlim [Sieck, 2006]. A localização baseiase apenas na cobertura de cada AP Wi-Fi, ou seja, o utilizador é localizado tendo em conta apenas o AP a que o seu dispositivo móvel se encontra directamente ligado. Isto é conseguido através de pedidos Simple Network Managment Protocol (SNMP) a todos os APs listados na base de dados. Estes pedidos têm como objectivo adquirir a lista de dispositivos directamente ligados a estes. Um AP guarda apenas os endereços MAC dos dispositivos ligados a ele, sendo necessário filtrar os endereços MAC que pertençam à rede interna. Ao saber a que AP estão ligados os dispositivos móveis é possível saber vagamente a área onde estes se podem encontrar, contudo esta incerteza sobre a localização precisa do dispositivo móvel não afecta a aplicabilidade deste sistema para o caso em estudo, uma vez que são disponibilizadas informações contextuais muito generalistas ao 19

36 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi utilizador, divididas em conformidade com a área coberta por cada AP, sendo neste caso cada um dos salões de exposição de obras de arte. Um sistema de localização desta natureza implica que cada AP seja colocado estrategicamente e que a informação contextual seja muito bem dividida, de modo a não ocorrerem discrepâncias em relação à informação fornecida e ao local onde se encontra o dispositivo móvel e consequentemente o seu utilizador. Devido à natureza imprevisível dos sinais Wi-Fi em ambientes dinâmicos onde haja muitas pessoas a circular, é às vezes impraticável determinar a localização exacta de dispositivos móveis Projecto desenvolvido na Universidade Rice Na Universidade Rice em Houston, nos Estados Unidos da América, foi desenvolvido um sistema de localização com o objectivo de detectar intrusos na rede Wi-Fi [Tao, 2003]. Neste sistema, a localização de cada dispositivo móvel da rede Wi-Fi é calculada por um servidor, o qual fazia um inquérito periódico a cada um dos APs listados na rede de modo a saber qual a potência de sinal relativa a cada dispositivo móvel que se encontra ligado à rede. Para funcionar, este sistema de localização necessitava de um mapa de intensidade, o qual era uma planta do edifício com as médias das intensidades de sinal para cada ponto de acesso. No entanto surgiu um problema, pois entre as 8:00 e as 17:00, o ruído dos sinais Wi-Fi era mais significativo, uma vez que se encontravam mais pessoas dentro do edifício, o que comprometeria a precisão da localização. Devido a este facto, os investigadores passaram a ter em conta não só um mapa de intensidade como também um histograma com uma média do ruído de sinal para as diferentes horas do dia. No decorrer dos trabalhos foi observado que a potência de um sinal Wi-Fi é linearmente proporcional à potência de transmissão, mas como podemos ver na Figura 8, a potência dos sinais recebidos não variam drasticamente com a variação da potência de transmissão. Os autores usaram estas observações para construir um filtro que melhorasse a precisão da localização dos dispositivos móveis. 20

37 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Figura 8 - Relação entre potência de sinal emitida e recebida Fonte: [Tao, 2003] Foram testados dois algoritmos de localização com o objectivo de determinar a aplicabilidade de cada um a este sistema: o método de histograma e o método da diferença. O primeiro já tinha sido usado pelos autores em trabalhos anteriores e conseguia bons resultados em termos de precisão da localização dos dispositivos móveis. No entanto, este método não era suficientemente robusto para funcionar em redes Wi-Fi, uma vez que dificilmente conseguia determinar a posição de dispositivos móveis diferentes daqueles usados na fase de treino do sistema de localização. Este problema advinha da diferença que existe entre ganho das antenas de dispositivos móveis diferentes, que causava disparidades na localização dos dispositivos móveis. Para localizar os dispositivos móveis, o método de histograma usa um esquema de inferência Bayesiana que é um tipo de inferência estatística que descreve as incertezas sobre as quantidades invisíveis de uma forma probabilística. As incertezas são periodicamente modificadas após observações de novos dados ou resultados. A operação que calibra a medida das incertezas é conhecida como operação bayesiana e é baseada na fórmula de Bayes [Ehlers, 2003]. Para implementar este método, foi modelado o espaço de localização como um espaço finito {p 1,,p n } com um espaço de observação também finito {o 1,,o m }. O modelo sensorial criado Pr(o j p i ) é um modelo que se baseia na probabilidade condicional de se verificar a observação o j na posição p i. O vector de posição π é um vector de probabilidade sobre várias posições, ou seja, π i representa a probabilidade da posição p i 21

38 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi ser a posição actual. Tendo uma estimativa prévia do valor de π, depois de observar o j, é possível, usando a regra de Bayes, estimar uma nova posição no vector π' calculando as probabilidades condicionais π' i para cada i {1,,n} (Eq. 2-2). Depois desde cálculo, é escolhido como melhor resultado a posição com maior probabilidade, sendo o resultado um tuplo (x, y, z, ), que descreve a posição do dispositivo com as três coordenadas espaciais x, y e z, sendo usado para representar, em graus, o ângulo de orientação do utilizador. Eq. 2-2 O método da diferença, ao contrário do método de histograma, não se baseia apenas nas potências de sinais treinados, uma vez que estes valores de treino não são totalmente correctos quando o adaptador Wi-Fi do dispositivo é diferente daquele usado nos treinos ou quando o utilizador muda a sua potência de transmissão intencionalmente. Para resolver este problema, o método da diferença não vai basear-se nas potências de sinais treinados e observados, mas sim nas diferenças de potências de sinais entre pares de APs. Assim será possível usar o mesmo mapa de intensidade para detectar vários adaptadores Wi-Fi, mesmo tendo uma potência de transmissão mais alta ou mais baixa. Quando os dispositivos usavam o mesmo tipo de equipamento daquele com que foi feito o treino, a precisão era bastante alta. Com o método da diferença era possível a localização com um máximo de erro de 2 metros em 61% do tempo, tendo o método do histograma conseguido apenas um erro máximo de 2 metros em 47% dos casos. Quando eram usados outros tipos de dispositivos, a precisão baixava para 49% para o método da diferença e 40% para o método do histograma relativamente a erros máximos de 2 metros. Foram ainda feitos testes em áreas não treinadas, nas quais ambos os algoritmos se revelaram incapazes de localizar o dispositivo, tendo sido apenas possível localizar áreas adjacentes às já treinadas. Este sistema de localização sacrifica precisão por robustez, conseguindo localizar dispositivos móveis mesmo que estes sejam maliciosos ao ponto de alterarem intencionalmente a sua potência de transmissão de modo a não serem detectados, o que funciona para a maioria dos sistemas. Assim, com a garantia da localização de todos os 22

39 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi dispositivos móveis numa rede Wi-Fi, este projecto é uma mais-valia em termos de avanço da segurança em redes Wi-Fi Projecto desenvolvido na Universidade de Southern Califórnia Em Julho 2003, foi concluído um estudo feito na Universidade de Southern Califórnia, Los Angeles, EUA [Howard, 2003], que tinha como principal objectivo determinar a aplicabilidade da tecnologia Wi-Fi à localização de dispositivos móveis. As experimentações tiveram lugar nos 4 corredores do edifício SAL2, onde estavam dispostos quatro dispositivos (dois PDAs, um portátil e uma unidade Intel Stayton) para servir de estações fixas de medição da potência de sinal. A disposição destes, como podemos ver na Figura 9, foi escolhida de forma a ter os melhores resultados possíveis. Figura 9 - Planta do edifício SAL2 Fonte: [Howard, 2003] A metodologia seguida foi muito semelhante à usada na Universidade Rice, sendo usado um algoritmo de inferência Bayesiana, o qual necessitou de um mapa de intensidade rádio. Este estudo destaca-se dos outros na medida em que a fase de treino não necessita de grande intervenção humana, uma vez que esta é feita por um robô equipado com um adaptador Wi-Fi que guarda a cada posição a potência do sinal com os vários dispositivos e coloca estas no mapa de intensidade com o recurso a odometria e a sensores laser instalados. Assim, pela primeira vez, torna-se possível automatizar a árdua tarefa de registar cada posição manualmente, mas esta automatização torna-se algo limitada, pois é apenas apropriada a locais pouco complexos e com poucos 23

40 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi trajectos possíveis como é o caso deste estudo. Se o robô fosse colocado numa área mais aberta, seria difícil a este localizar-se com os sensores e tornar-se-ia impraticável o seu uso na fase de treino. Este estudo acaba por não demonstrar a eficácia do algoritmo de localização em outros ambientes nem os resultados obtidos com outro tipo de adaptadores Wi-Fi Projecto Horus desenvolvido na Universidade de Maryland Na Universidade de Maryland foi criado em 2005 o sistema de localização Horus [Youssef, 2005] com o objectivo de atingir dois importantes marcos: alta precisão de localização e baixos requisitos computacionais. Graças a técnicas de locationclustering, o algoritmo usado no Horus torna-se muito leve, permitindo a localização de um grande número de dispositivos móveis [Youssef, 2005]. A alta precisão a que consegue chegar deve-se em grande parte à identificação que o Horus faz às diferentes causas da variação dos sinais Wi-Fi e como ele as consegue resolver. O Horus é instalado nos dispositivos clientes, local onde mede a potência de sinal recebido vindo de todos os AP alcançáveis pelo cliente. O facto de o Horus estar instalado em cada dispositivo cliente e não num servidor, possibilita a sua abrangência a um maior número de clientes, mas também é menos cómodo para o utilizador. O sistema Horus funciona também em duas fases, tendo de ser treinado e calibrado na primeira fase de modo a possibilitar a construção de um mapa rádio. O mapa serve de base para o processo de localização dos dispositivos móveis e encontra-se num local acessível pelos vários dispositivos que têm o Horus instalado. Este sistema de localização usa técnicas probabilísticas e a sua implementação foi testada tanto no sistema operativo Windows como também em Unix. Apesar de a potência de sinal sofrer variações ao longo do tempo, os autores do Horus mostram que a auto-correlação das amostras recolhidas de um ponto de acesso é de 90% para um curto espaço de tempo (Figura 10), tendo proposto um modelo auto-regressivo (Eq. 2-3) para explicar a auto-correlação dos valores. 24

41 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Eq. 2-3 Nesta equação v t é um processo de ruído e s t é uma série que representa as amostras de um ponto de acesso. Com base neste modelo, os investigadores desenvolveram uma regra (Eq. 2-4) para explicar a variância dos sinais Wi-Fi. Na fase de treino o valor de α é estimado e guardado como o parâmetro de distribuição para que durante a fase de localização, a distribuição Gaussiana seja adaptada com o seu valor. Eq. 2-4 Figura 10 - Auto-correlação entre as potências de sinais vindos de um AP Fonte: [Youssef, 2005] Para determinar a localização de um dispositivo, o Horus estima quais os locais p(i) com a maior probabilidade do dispositivo se encontrar, sendo depois achado qual o centro de massa desse conjunto de locais N (Eq. 2-5), os quais são representados por coordenadas espaciais. O centro de massa X calculado passará a ser o novo ponto representativo da localização do dispositivo. Eq. 2-5 Como a potência dos sinais rádio recebidos pelo dispositivo não são constantes para uma dada posição, o Horus usa um compensador de pequena escala para corrigir estas 25

42 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi variações. O funcionamento do compensador começa por detectar as variações de pequena escala ao calcular a distância entre duas localizações consecutivas estimadas. Assumindo que o dispositivo está em constante movimento, o sistema irá usar o compensador que detecta se a distância limite previamente definida está a ser excedida. Se tal limite for excedido são introduzidas variações artificiais à amostra e o processo de localização é repetido. Por fim, é escolhida a localização mais próxima da última localização estimada. Para reduzir os requisitos computacionais do Horus, este funciona com a técnica Incremental Triangulation Clustering [Youssef, 2005], a qual consiste em dividir em várias partes o ambiente em que o dispositivo a localizar se encontra. Cada uma será composta por um conjunto de APs. Deste modo são analisados apenas os sinais vindos dos APs estritamente necessários à localização não sendo necessário analisar todos os sinais Wi-Fi recebidos pelo dispositivo móvel. Na prática é escolhido qual o AP com a maior potência de sinal recebida no dispositivo cliente e apenas os locais cobertos por este AP são pesquisados, escolhendo-se de seguida um segundo AP baseando-se no mesmo critério e apenas serão pesquisadas as áreas cobertas em comum pelo primeiro e segundo AP. Neste processo são comparadas as probabilidade das estimativas das localizações e caso, por exemplo, a primeira estimativa tenha a maior probabilidade do que a segunda estimativa, a localização pára e é devolvida à primeira. Este processo é recursivo, podendo verificar-se várias estimativas até se chegar ao resultado pretendido. Com estas técnicas probabilísticas o Horus consegue localizar um dispositivo móvel em redes Wi- Fi com um erro médio de 0,6 metros em 60% dos casos Projecto desenvolvido na Universidade de Freiburg Na Universidade de Freiburg, na Alemanha, foi desenvolvido um sistema de localização de dispositivos móveis em redes Wi-Fi dentro de um edifício com vários andares [Zhou, 2006]. Neste trabalho foi usado como caso de estudo o edifício Computing Center da Universidade de Freiburg. 26

43 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Este sistema, tal como outros sistemas de localização, tem de ser treinado de modo a obter-se o mapa de intensidade rádio, mas, ao contrário de outros, funciona num modo misto, estando implementado num servidor (onde está alojado o mapa rádio) como também nos clientes que usem o sistema de localização (onde é feito o processo de localização). Outra diferença em relação aos sistemas já abordados reside no facto de este sistema poder prever a localização do utilizador nos próximos instantes. Para prever a localização é necessário ter em conta a potência dos sinais Wi-Fi dos APs que rodeiam o dispositivo, bem como usar o histórico recente da posição do utilizador para saber se o dispositivo tem estado parado ou se encontra em movimento. Caso se encontre parado é muito provável que continue assim, caso esteja em movimento é possível prever quais as possíveis trajectórias que o dispositivo irá seguir na medida em que a mobilidade do seu portador é influenciada por portas, escadas e paredes. Este método torna possível corrigir os erros em relação a posições com potências de sinal muito semelhantes, mas que são imprescindíveis distinguir, como é o caso de estar do lado de dentro de uma sala ou do lado de fora junto à parede, ou até saber distinguir qual o andar em que o dispositivo se encontra. Para distinguir estes casos Zhou incluiu a planta do edifício para saber quais as limitações nas trajectórias seguidas pelos dispositivos móveis. Deste modo foi possível formular algumas regras [Zhou, 2006] que ajudaram a reduzir os erros na localização do dispositivo móvel. Assim este sistema não permite que um dispositivo possa mudar de posição sem que este cumpra as limitações em termos de velocidade a que uma pessoa consegue correr (o dispositivo não pode andar a uma velocidade absurda), não pode mudar de andar sem que o dispositivo esteja numas escadas ou num elevador e não pode atravessar paredes exceptuando se aí se encontrar uma porta ou abertura. A adopção do método determinístico baseado no histórico recente implica o estudo da planta do edifício e a sua aplicação ao sistema de localização de uma forma manual, o que pode ser visto como uma desvantagem. Uma possível optimização do sistema nesta técnica passaria por encontrar uma forma de o sistema de localização analisar de uma forma automática a estrutura do edifício através de uma planta digitalizada. O uso de um histórico recente do utilizador e a inclusão das plantas do edifício provoca, como 27

44 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi podemos ver na Figura 11, uma melhoria da localização dos dispositivos móveis em movimento, reduzindo o erro médio existente em 8,4%, passando assim de 2,27 metros para 2,08 metros. Figura 11 - Determinação de posição com e sem a planta Fonte: [Zhou, 2006] As técnicas adaptadas por Zhou conseguem chegar a uma elevada precisão, conseguindo um erro médio de 2,08 metros. Este sistema destaca-se dos outros porque consegue evitar grande parte das falhas que fariam com que os dispositivos parecessem estar a saltar entre posições relativamente distantes e impossíveis de transpor num dado espaço de tempo [Zhou, 2006] Projecto desenvolvido pelo SENSEable City Laboratory O ifind [ifind, 2007] foi implementado no campus do Massachusetts Institute of Technology (MIT), tendo sido desenvolvido internamente pelo SENSEable City Laboratory. A aplicação ifind permite que docentes e alunos localizem colegas de trabalho dentro do instituto. Para localizar os dispositivos móveis, o ifind usa o Place Lab, que é uma applet em Java disponível em código aberto. O Place Lab é uma framework criada com a intenção de facilitar o desenvolvimento de aplicações e serviços de localização de variados dispositivos móveis, pois para além de funcionar com a tecnologia Wi-Fi, 28

45 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi também usa bluetooth, GPS e GSM para determinar a localização de dispositivos móveis. O Place Lab [LaMarca, 2005] contém um conjunto de algoritmos de localização adaptados para GSM, bluetooth e Wi-Fi. Em Wi-Fi o método de localização é baseado em diagramas de Venn, sendo computacionalmente leve, facto provocado pela baixa complexidade dos cálculos envolvidos. Sabendo qual a área de cobertura máxima de cada AP e tendo as coordenadas espaciais de cada AP em alcance do dispositivo móvel (Figura 12), é possível determinar uma área onde o dispositivo móvel provavelmente se encontra. Este método funciona sempre com todos os APs em alcance, resultando que quanto maior for o número de APs em alcance, menor é o erro na localização. Este método funciona mesmo estando apenas um AP em alcance, mas com grandes erros na localização do dispositivo móvel, uma vez que apenas se sabe que o dispositivo móvel se encontra dentro da área de cobertura do AP. Áreas de cobertura: Ponto de acesso A Ponto de acesso B Ponto de acesso C A B C = provável localização do dispositivo móvel Figura 12 - Localização de dispositivo Wi-Fi com diagramas de Venn Assim, quanto mais densa for a colocação dos APs, maior será a precisão do algoritmo, uma vez que há mais APs para serem cruzados, obtendo uma área de intersecção menor. 29

46 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Ao usar o Place Lab, o utilizador tem vantagem de poder actualizar a sua base de dados de APs no seguinte URL: Sistema desenvolvido pela Ekahau O Ekahau Real-Time Location System (RTLS) foi desenvolvido na Finlândia, pela empresa com o mesmo nome, Ekahau, a qual foi fundada em 2000 [Ekahau, 2007]. O Ekahau é actualmente o sistema de localização mais preciso, estando o erro médio da localização de dispositivos móveis em Wi-Fi abaixo de 1 metro. Esta precisão aliada ao facto da localização ser processada num dispositivo central, permite que seja possível localizar dispositivos móveis com pouco poder computacional e assim possibilita que possam ser localizados com grande fiabilidade os recursos de qualquer tipo de instituição, sejam estes recursos humanos ou materiais. Este sistema de localização usa mapas de intensidade rádio previamente calculados para poder determinar as posições dos dispositivos móveis, não necessitando de uma elevada concentração de APs para funcionar correctamente. No entanto a fase de calibração é muito minuciosa e tem de ser executada com o maior rigor de modo a que o sistema possa localizar com o mínimo de erros. Para proceder à localização de dispositivos móveis, o Ekahau RTLS usa actualmente o Ekahau Positioning Engine 4.0, o qual é um servidor baseado em java que disponibiliza diversos serviços de localização a aplicações clientes [Ekahau, 2007]. Dos sistemas de localização revistos, o Ekahau é dos poucos a ser actualmente comercializado, tendo alcançado bons resultados em ambientes hospitalares, na localização de stocks e na indústria automóvel. 3 A 20 de Junho de 2007 já se encontravam 10,736,986 redes Wi-Fi mapeadas por 658,316,510 pontos de observação. 30

47 2.3 Conclusão Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi O projecto RADAR, como primeiro projecto nesta área, teve um grande contributo para a investigação, uma vez que demonstrou que era possível localizar um dispositivo móvel utilizando uma rede sem fios normal, sem qualquer tipo de equipamento especial e sem alterações à rede sem fios já construída. Mas como projecto pioneiro apresentava grandes falhas a nível de precisão, principalmente se a localização dos dispositivos ocorresse durante um dia de trabalho normal, com pessoas a movimentarem-se entre os dispositivos. Contudo, o seu ponto forte residia no facto de necessitar de pouca calibração, sendo fácil a sua aplicação a outra configuração de APs ou a outros ambientes. Este sistema de localização aparece citado ou como referência bibliográfica numa esmagadora maioria de artigos relacionados com a localização de dispositivos em Wi-Fi. Na Universidade de Berlim foi implementado um sistema de localização muito rudimentar no museu de Pergamon, mas com uma boa disposição de APs conseguiram chegar ao seu objectivo, o de determinar em que salão de exposição se encontrava o dispositivo móvel. A precisão da localização é a mais baixa dos vários projectos aqui estudados, mas tem grande aplicabilidade, uma vez que para certas aplicações, não é necessário ter um ponto de localização exacto. O seu ponto forte é a baixa carga computacional de que necessita, mas a sua aplicação a outros ambientes é limitada devido à disposição específica que necessita para os APs. O sistema de localização da Universidade de Rice destaca-se dos outros pela sua capacidade de determinar a localização de um dispositivo móvel mesmo que este alterasse deliberadamente a sua potência de transmissão. As técnicas utilizadas permitiram também reduzir o impacto causado na precisão do sistema quando se usam adaptadores de rede Wi-Fi diferentes daqueles usados no treino da rede. Em relação a projectos anteriores, a precisão deste sistema é a mais alta. O projecto desenvolvido na Universidade de Southern Califórnia evidencia-se dos outros pela automatização da construção do mapa de intensidade rádio, a qual é feita por 31

48 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi um robô que usa outros métodos complementares de localização, tal como a odometria e sensores visuais. O projecto Horus é um dos mais precisos sistema de localização em Wi-Fi, conseguindo manter-se computacionalmente leve, necessitando de dez vezes menos multiplicações do que o RADAR. O facto de estar instalado nos dispositivos móveis garante a escalabilidade do sistema, permitindo localizar um grande número de utilizadores. O seu ponto fraco reside no grande número calibrações necessárias para que o sistema de localização obtenha bons resultados. No seu projecto, Zhou centra-se mais no impacto que a planta do edifício tem nas movimentações dos dispositivos móveis, uma vez que os utilizadores estão limitados por paredes, escadas, portas e elevadores. Esta análise complementar irá aumentar o grau de precisão do algoritmo de localização, uma vez que se torna possível eliminar certas localizações estimadas erradas, onde seria impossível ao utilizador estar. Os sistemas de localização abordados foram seleccionados de entre muitos outros não pela eficiência na localização de dispositivos móveis, mas pela diversidade e inovação das técnicas usadas. Estes diferentes ângulos para a resolução do problema que é localizar um dispositivo móvel numa rede Wi-Fi, possibilitam uma melhor compreensão desta problemática, dando-nos uma visão geral (ver Tabela 1) de como algumas problemáticas podem ser superadas. Os dados publicados pelos autores de cada sistema de localização em relação ao erro médio cometido ao localizar um dispositivo móvel reflectem cada um dos ambientes escolhidos para realizar os testes. A falta de critérios rigorosos para a caracterização de cada sistema de localização impedem-me de classificar qual o melhor ou pior dos sistemas analisados. Este capítulo serviu para descrever cada um destes e as técnicas e arquitecturas usadas. A falta de qualquer outro sistema de localização de referência deve-se ao facto de se ter pretendido uma selecção o mais heterogénea possível. Agora que já se encontram introduzidos grande parte dos conceitos relativos à problemática da localização de dispositivos móveis em Wi-Fi, o próximo capítulo irá focar-se nas questões relativas aos sinais Wi-Fi. 32

49 Capítulo II - Revisão dos sistemas de localização em redes Wi-Fi Tabela 1 - Sumário dos sistemas de localização em Wi-Fi estudados Nome Processamento Informação usada Técnicas de Uso de mapa de Precisão (erro da localização localização intensidade médio) RADAR Explícita Potência de sinal e AP MNN Sim 2.37 m Univ. Rey Juan Carlos Explícita Potência de sinal e AP Prob. Bayesiana Não 1.53 m Univ. de Applied Sciences Explícita Potência de sinal e AP Histograma Sim Não publicada Univ. Rice Explícita Potência de sinal e AP Histograma Sim Não publicada Univ.South. Califórnia Implícita RSSI e AP Histograma Sim Não publicada Horus Implícita RSSI e AP Histograma Sim 1.4 m Univ. de Freiburg Implícita ou explícita RSSI, planta e AP Histograma Sim 2.08 m IFind/Place Lab Implícita AP Triangulação simples Não 10 m a 100 m Ekahau Explícita RSSI, TDoA e AP Histograma e Kernel Sim <1 m Cisco Wireless Explícita RSSI, ToA, TDoA e Não publicada Não Não publicada Location Services AoA 33

50 34

51 Capítulo III 3. Especificação dos sinais Wi-Fi 3.1 Introdução Uma vez que os sinais Wi-Fi estão na base de todos os sistemas de localização analisados no capítulo anterior, torna-se relevante conhecer as suas características e todos os fenómenos que lhes são inerentes. Os sinais Wi-Fi são fundamentais a diversos cálculos, como por exemplo, para determinar a cobertura de um AP, para a distância do dispositivo móvel ao AP ou para efectuar cálculos probabilísticos da distribuição dos sinais Wi-Fi. Os sinais Wi-Fi pertencem à família das ondas rádio, e como tal, são uma forma de energia electromagnética que, em condições ideais, se propaga sob a forma de ondas electromagnéticas, em linhas rectas e à velocidade da luz [Netwalk, 2007] [Oliveira, 2005]. Contudo ao colidirem com objectos, vários fenómenos ocorrem, desde atenuação na potência electromagnética da onda, a reflexão no material e mesmo a refracção no objecto. Antes de estudar os fenómenos inerentes aos sinais Wi-Fi, será feita uma caracterização da frequência e do comprimento de onda em Wi-Fi. No final deste capítulo a serão ponderados os riscos de basear um sistema de localização na potência dos sinais Wi-Fi. 35

52 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi 3.2 Frequência, amplitude e comprimento de onda A frequência é uma grandeza física que representa o número de ciclos de uma dada onda num ponto do espaço em cada segundo, medindo-se em Hertz (Hz). As radiofrequências ocupam no espectro electromagnético as frequências entre os 3 KHz os 300 GHz. As aplicações principais da gama de radiofrequência do espectro electromagnético centram-se na área das telecomunicações, sendo exemplos a difusão de rádio e televisão, os sistemas de comunicações móveis, os sistemas de comunicação das forças militares e de segurança, e as comunicações por satélite [Oliveira, 2005]. Actualmente as redes Wi-Fi comunicam numa frequência que ronda os 2.45GHz, integrando a banda Industrial, Scientific and Medical (ISM), a qual é reconhecida pela Internacional Telecommunication Union (ITU) como sendo de livre uso [ITU-R, 2007]. Isto significa que não é necessário obter qualquer tipo de licença para poder transmitir nesta banda, estando aberta a todas as pessoas e empresas. Apesar de pertencerem à família das ondas rádio não se devem confundir com outros tipos de ondas rádio, como por exemplo as das emissões de rádio licenciadas, as quais são recebidas por outro tipo de equipamento (o rádio), que funciona entre os 80 e 120MHz, um valor muito mais baixo dos 2.4GHz do Wi-Fi. Os microondas funcionam tal como o Wi-Fi na gama dos 2.4GHz, mas operam a potências superiores, pois grande parte dos equipamentos Wi-Fi emitem uma potência de 0,2 Watts e os microondas emitem à volta de 700 Watts. Como se pode verificar na Eq. 3-1, o comprimento de onda está intrinsecamente relacionado com a frequência, uma vez que a velocidade de propagação (c) de ondas electromagnéticas é de 3x10 8 m/s em vácuo e a frequência (f) é de 2,437 GHz para um comprimento de onda (λ) de 12,3 cm (Figura 13). Eq

53 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi Figura 13 Representação gráfica de uma onda Wi-Fi Adaptado de: [Oliveira, 2005] O IEEE definiu a norma e os canais nos quais os sinais Wi-Fi poderiam operar, de modo a ser possível coexistirem diferentes redes Wi-Fi no mesmo local, atenuando a interferência entre redes. Tal foi conseguido atribuindo a cada canal uma frequência central diferente (Tabela 2, na próxima página) e uma margem para cada um poder operar. 37

54 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi Tabela 2 - Canais b especificados Adaptado de: [Informit, 2007]. Canal Frequência Central (GHz) Foram criados pelo IEEE as seguintes normas Wi-Fi: a, b, g. A a foi a primeira norma Wi-Fi a ser definida e funcionava a 5GHz [Broadcom, 2003], as normas que se seguiram operam todas perto dos 2.4GHz [Intel, 2004]. A futura norma n também funcionará na por volta dos 2.4GHz. 38

55 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi 3.3 Atenuação Qualquer tipo de comunicação rádio sofre perdas de potência de sinal na sua transmissão, podendo ter origem nos materiais usados nos próprios dispositivos de transmissão e recepção ou mesmo devido ao ambiente que o sinal atravessa [Breezecom, 2007]. A própria humidade do ar influencia a propagação das ondas Wi-Fi, uma vez que as partículas de água presentes no ar absorvem as ondas Wi-Fi durante o seu percurso [Struzak, 2006]. Assim, quanto mais húmido o ar estiver, maiores são as atenuações das ondas rádio, mas mesmo em condições ideais, as perdas de sinal não poderão ser totalmente eliminadas, apenas minimizadas, uma vez que é incontornável o facto de as ondas rádio perderem potência consoante a distância que percorrem [HP Invent, 2002]. Um factor também importante no fenómeno de atenuação do sinal rádio é a quantidade de obstáculos existente entre o emissor e receptor. Tendo em mente este factor, a atenuação de um qualquer sinal rádio é considerada mínima quando existe linha de vista entre estes. É considerado que existe linha de vista quando ao traçar uma linha imaginária entre o emissor e o receptor não haja intercepção por qualquer tipo de obstáculo [HP Invent, 2002]. No entanto, a fórmula de propagação Friis [Friis, 1971] vai mais além, mostrando que para a comunicação entre duas antenas rádio ser efectuada com o mínimo de perdas é necessário não só existir linha de visão entre emissor e receptor, como também em toda a zona de Fresnel (Figura 14). Esta fórmula é frequentemente usada na engenharia de telecomunicações, uma vez que consegue descrever matematicamente qual o comportamento de um sinal rádio em condições ideais. A equação de transmissão de Friis (Eq. 3-2) usa o ganho da antena de transmissão Gt, o ganho da antena de recepção Gr, o comprimento de onda do sinal λ e a distância percorrida pelo sinal R para explicar a relação entre a potência emitida Pt e recebida Pr. 39

56 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi Figura 14 - Representação da zona Fresnel, Adaptado de: [ISA, 2007] Eq. 3-2 A relação entre distância percorrida R e potência do sinal G pode ser melhor explicada por outra lei demonstrada na Eq. 3-3, a qual é um modelo aproximado da realidade e verifica que a potência de um dado sinal rádio decresce segundo uma lei quadrática inversa, ou seja, quanto maior a distância, menor é a potência de sinal [Bahl, 2000]. Em campo aberto, sem qualquer tipo de obstáculo, o valor de α é de 1.5 [Saleh, 1987], podendo chegar até 4 para ambientes onde as ondas Wi-Fi tenham de atravessar várias paredes (Figura 15). Eq. 3-3 Figura 15 - Atenuação de sinais rádio (1.5 GHz) registados em relação à distância percorrida, Adaptado de: [Saleh, et al., 1987] Para calcular a atenuação concreta de um sinal rádio, existem diversos modelos de propagação de ondas rádio, mas grande parte anda à volta da Eq. 3-4, onde F é a 40

57 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi frequência do sinal rádio expressa em Mega Hertz e R é a distância, expressa em quilómetros, entre as antenas de emissão e recepção. Como a tecnologia Wi-Fi funciona a uma frequência próximo dos 2.4 GHz, esta fórmula pode ser simplificada para o seu uso em Wi-Fi, obtendo-se a Eq Eq. 3-4 Eq Ganho O ganho é medido em decibéis e pode ser calculado através da Eq. 3-6 sabendo qual a potência de entrada e a potência de saída do sinal Wi-Fi em Watts. O ganho pode ser conseguido através de amplificadores ou de antenas, os quais aumentam a potência do sinal emitido e recebido pelo adaptador de rede Wi-Fi. O uso de um ou outro dispositivo é discutível, uma vez que provocam diferentes alterações no sinal. Por exemplo, as antenas direccionais provocam um ganho no sinal Wi-Fi, pois ao contrário das antenas omnidireccionais, estas apenas transmitem numa direcção, num feixe mais concentrado e assim mais potente. Estas antenas podem ser usadas da mesma forma que as omnidireccionais, mas têm especial aplicação nas comunicações ponto a ponto, podendo ter um alcance de vários quilómetros, sendo normalmente usadas para interligar redes distantes [Intel, 2004]. Os amplificadores de sinal podem ser usados com qualquer tipo de antena, no entanto, introduzem ruído no sinal [Intel, 2004]. Eq. 3-6 É comum ver-se equipamentos de ganho de sinal Wi-Fi para interligar várias redes, onde o dispositivo de bridging possuiu normalmente uma ou mais antenas direccionais de alto ganho, conjuntamente com amplificadores de sinal. 41

58 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi 3.5 Relação Sinal-Ruído O SNR é usado para quantificar o ruído existente num dado sinal com o maior sinal não distorcido, este é normalmente medido em dbm. Um sinal com x Watts de potência e com y Watts de ruído equivale a um SNR expresso pela Eq Eq. 3-7 O SNR mede a qualidade do sinal Wi-Fi recebido, sendo muitas vezes usado conjuntamente com a potência do sinal. 3.6 Reflexão e Refracção em Wi-Fi Quando as ondas Wi-Fi colidem com objectos muito densos estas podem ser totalmente paradas, não deixando que o sinal se propague. Mas com a maioria dos materiais isto não acontece e as ondas Wi-Fi propagam-se através dos materiais, embora sofrendo uma atenuação na sua intensidade. Além de perder intensidade, a sua direcção pode ser alterada pelos materiais que atravessa, tal acontece com a luz, que é redireccionada ao passar por um vidro. A este fenómeno é dado o nome de refracção (Figura 16). Outra característica das ondas Wi-Fi em relação aos materiais que contacta é a reflexão, a qual varia consoante a textura e tipo de material do obstáculo. O ângulo com que a onda incide sob uma parede também influencia o ângulo de reflexão da mesma (Figura 16). 42

59 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi Figura 16 Reflexão e refracção de sinais Wi-Fi 3.7 Multipath O multipath é um fenómeno de propagação muito frequente nas ondas Wi-Fi, o qual significa que uma transmissão Wi-Fi pode seguir vários caminhos para se propagar entre o emissor e receptor. É frequente a sua observação em locais fechados ou com muitos obstáculos entre as duas antenas, onde a refracção e reflexão das ondas rádio nos materiais influenciam o caminho seguido pelas ondas rádio, podendo assim os caminhos serem totalmente distintos (Figura 17). Os efeitos deste fenómeno são a interferência destrutiva, não esquecendo que também poderá causar a troca de fase do sinal Wi-Fi. O multipath é um dos grandes responsáveis pela variância da potência do sinal entre duas antenas rádio. 43

60 Capítulo III - Especificação dos sinais Wi-Fi Figura 17 Representação simples do fenómeno de multipath Mesmo estando num ambiente estático, onde o emissor e o receptor estão imóveis, verifica-se que a potência dos sinais Wi-Fi recebidos não é constante, tendo uma variação de cerca de 5dBm [Bahl, 2000] e os sinais Wi-Fi recebidos e processados não fazem sempre o mesmo percurso devido ao facto de os sinais Wi-Fi serem processados consoante a sua ordem de chegada ao receptor. 3.8 Conclusão Esta especificação dos sinais Wi-Fi permitiu verificar que é possível prever aproximadamente a propagação e o comportamento destes em exteriores sem obstáculos, contudo para o interior de um edifício há um grande número de problemas a ter em conta, sendo que existem diversos objectos como por exemplo: paredes, portas e pessoas, a influenciarem a propagação do sinal. Muitos sistemas de localização resolveram este problema adicionando uma fase de treino, contudo, pretende-se analisar a possibilidade de localizar dispositivos em Wi-Fi usando apenas um modelo de propagação, sem nenhuma fase de treino. 44

61 Capítulo IV 4. Plataforma de localização 4.1 Introdução A plataforma de serviços de localização de dispositivos móveis em redes Wi-Fi teve início nas unidades curriculares de Projecto I e Projecto II do Mestrado em Informática, realizados no ano anterior a esta dissertação. Este trabalho foi desenvolvido em grupo (2 alunos) que eu próprio integrei [Fagundes, 2006]. Neste primeiro trabalho chegou-se a uma especificação de uma plataforma capaz de fornecer serviços sobre a localização de utilizadores dentro da rede Wi-Fi da UTAD. Conjuntamente foram implementados um conjunto básico de serviços internos e externos para testar a plataforma. A instalação dos vários componentes da plataforma de serviços de localização está totalmente simplificada e configurável, o que permitiu uma rápida instalação numa rede de testes dentro da UTAD, podendo no entanto ser instalada com a mesma facilidade noutro local. A plataforma de serviços de localização encontra-se actualmente optimizada para trabalhar nas redes Wi-Fi da iniciativa e-u. Esta plataforma de localização não tem como objectivo apenas processar e armazenar a 45

62 Capítulo IV - Plataforma de localização localização dos utilizadores da rede, mas também fornecer um conjunto de serviços para que outras aplicações externas, mesmo feitas por terceiros, possam fazer pedidos de localização a esta plataforma de serviços. Desta forma conseguiu criar-se um suporte com o qual variadas aplicações podem trabalhar, tais como de helpdesk, de análise de rede ou de detecção de intrusos. Existe um conjunto de aplicações distintas que se podem dar à localização dos utilizadores de uma rede universitária. Neste enquadramento surgiu a ideia de construir um sistema que conseguisse seguir utilizadores dentro da rede Wi-Fi da universidade. Embora a plataforma tenha sido desenhada para localizar dispositivos móveis, torna-se viável a associação dos dispositivos móveis aos seus utilizadores, dado que estes se autenticam neste tipo de redes (e-u), que genericamente usam o protocolo 802.1x. O seguimento dos utilizadores é determinado através da localização sucessiva do respectivo dispositivo móvel. Após esta introdução, será descrita a rede em que se integra a plataforma de serviços de localização, passando depois a explicar se detalhadamente como esta funciona. Por fim é feito um balanço da plataforma criada e de que maneira se pretende contribuir para a valorização desta plataforma de serviços de localização com a realização desta dissertação. 4.2 Iniciativa e-u A e-u é uma iniciativa lançada em 2003 pelo governo português para incentivar os estudantes e professores na produção, acesso e partilha à informação. A e-u engloba já cerca de 80% das universidades portuguesas e um dos seus requisitos é a instalação de redes Wi-Fi no campus de cada uma das universidades, de modo a que fiquem disponíveis 24 horas por dia, 365 dias por ano [e-u, 2006]. A implementação da rede e-u na UTAD está conforme os requisitos de segurança, autenticação, confidencialidade e mobilidade nacional definidos pela Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) e pela Fundação para a Computação Científica 46

63 Capítulo IV - Plataforma de localização Nacional (FCCN) para as instituições participantes na iniciativa e-u. Desta forma, é possível aos estudantes do ensino superior usarem a rede Wi-Fi de qualquer instituição de ensino superior do país, logo que esta esteja de acordo com as normas definidas pela UMIC/FCCN. Uma vez que a mobilidade é o factor chave para o sucesso desta iniciativa, as redes e-u são obrigadas a suportar a movimentação de utilizadores entre instituições. Qualquer estudante pertencente a uma instituição de ensino superior aderente à iniciativa e-u pode usar a rede Wi-Fi de qualquer uma das instituições aderentes, empregando as mesmas credenciais que usaria na sua instituição de origem. Isto é conseguido em cada instituição através do reencaminhamento da autenticação para a instituição de origem do utilizador. Se a autenticação remota for conseguida, o utilizador passa a estar autenticado na rede da instituição onde se encontra. Outro tipo de mobilidade facultada ao utilizador é a movimentação dentro da instituição, sem quebra de serviço da rede Wi-Fi. O utilizador pode deslocar-se dentro da instituição sem que se aperceba de qualquer tipo de falha ou quebra de ligação à rede Wi-Fi provocada pela troca de APs. Isto acontece sempre que um qualquer dispositivo Wi-Fi está a sair da área de cobertura de um AP (AP1) e entra na proximidade de outro AP (AP2). No momento em que o AP1 está a ficar fora do alcance de comunicação do dispositivo móvel, transfere para o AP2 as credenciais de autenticação de um modo transparente, do ponto de vista do servidor de autenticação e do dispositivo móvel. As redes da iniciativa e-u suportam a norma IEEE g, com débitos até 54Mbps, tendo de manter compatibilidade com os dispositivos que apenas suportam a normas anteriores. Na UTAD, a rede e-u cobre praticamente toda a área que constitui o campus universitário, estando também implementada em todos os seus pólos universitários. 4.3 A arquitectura da plataforma A arquitectura da solução desenvolvida foi definida tendo em conta três principais preocupações: flexibilidade, evolução e integração [Martins, 2006]. Pretendeu-se com esta arquitectura criar uma solução flexível a vários tipos de redes, que permita a aplicação da solução a redes com diferentes tipos de tecnologias e topologias. A 47

64 Capítulo IV - Plataforma de localização evolução desta solução é garantida pela sua modularidade, que permite que novos componentes sejam adicionados ou substituídos sem ter que repensar toda a arquitectura. Em termos de integração, foram deixadas interfaces através das quais várias aplicações poderão integrar-se na solução criada [Martins, 2006]. A arquitectura da solução desenvolvida divide-se em três blocos lógicos (Figura 18): Os adaptadores de aquisição de dados; A plataforma de serviços de localização; As aplicações clientes. Figura 18 - Estruturação lógica da plataforma de serviços de localização, fonte: [Fagundes, 2006] Os adaptadores de aquisição de dados constituem todo o conjunto de software que tem como objectivo alimentar a plataforma de localização através da análise de APs, de servidores ou mesmo dos dispositivos móveis [Martins, 2006]. Sem estes, a plataforma de localização não poderia funcionar, uma vez que sem dados sobre os dispositivos é impossível localizá-los. No entanto, o conceito de adaptador vai mais além, tendo estes de filtrar os dados adquiridos sobre os dispositivos ligados à rede e em seguida operar uma transformação dos dados para que a plataforma de serviços de localização os possa interpretar. Os adaptadores de aquisição de dados que a plataforma de localização usa podem ser configurados, usando apenas aqueles que mais se adaptam à rede. Isto acontece porque cada adaptador é muito orientado às tecnologias utilizadas na infraestrutura de rede, como por exemplo as funcionalidades suportadas pelos APs e os 48

65 Capítulo IV - Plataforma de localização servidores de autenticação usados. Assim, para que a plataforma de localização se possa adaptar a várias redes, foi pensada a modularização dos adaptadores de aquisição de dados, podendo ser activados apenas os necessários [Fagundes, 2006]. Como há adaptadores que podem funcionar apenas com um determinado tipo de tecnologia de rede, cabe a quem instala a plataforma de localização determinar quais os adaptadores mais adequados a toda a infra-estrutura de rede. A plataforma de serviços de localização é constituída pela lógica aplicacional da plataforma, pela base de dados e pelos serviços de localização. A lógica aplicacional representa o núcleo de todo o processo de localização, sendo o componente onde todos os pedidos são processados, sejam de gestão do sistema ou apenas de localização. Este componente é também responsável pelo armazenamento na base de dados da informação enviada à plataforma através das suas interfaces (Web Services). Toda a informação que chega à lógica aplicacional provinda dos adaptadores de dados é filtrada, sendo apenas introduzida na base de dados a informação relevante para a plataforma de serviços de localização. A base de dados apenas pode ser acedida através dos Web Services, sendo impossível efectuar, do lado de fora da plataforma, qualquer tipo de consulta directamente à base de dados [Fagundes, 2006]. A plataforma de serviços de localização conseguia em inícios de 2006 obter uma localização rudimentar dos dispositivos móveis, conseguindo apenas saber em qual AP cada dispositivo móvel se encontrava ligado. Nesta fase inicial, o principal objectivo foi atingido, que era tornar a plataforma de localização totalmente modular através do uso de Web Services, tanto para introduzir, como para obter dados da plataforma (Figura 18). Nesta solução os Web Services são as únicas interfaces da plataforma de serviços de localização, através das quais os dois principais tipos de software comunicam com a plataforma, os adaptadores de aquisição de dados para fazer maioritariamente a entrada de dados na plataforma e as aplicações clientes para fazerem pedidos de localização. As aplicações clientes são outro bloco lógico da solução desenvolvida, tendo sido especificada e desenvolvida apenas uma aplicação de gestão da rede, capaz de testar o conjunto de serviços criados e mostrar o potencial da plataforma [Fagundes, 2006]. 49

66 Capítulo IV - Plataforma de localização 4.4 Implementação dos componentes No caso específico da UTAD, independentemente do método de localização, é usado um adaptador de dados denominado de adaptador de RADIUS [IETF, 2007], sendo a sua função associar os utilizadores aos dispositivos móveis a localizar, recebendo do servidor de FreeRADIUS da UTAD a lista de utilizadores activos na rede Wi-Fi. Para além de estar registada a entrada e saída de utilizadores da rede e-u da UTAD, é também registado o endereço MAC do dispositivo móvel onde cada utilizador procedeu à sua autenticação e a qual AP este se ligou. A informação é analisada e filtrada pelo adaptador de RADIUS e enviada para a base de dados da plataforma de serviços de localização. Esta filtragem inicial é essencial para garantir a privacidade dos utilizadores, uma vez que grande parte da informação rejeitada é muito pessoal e referese aos detalhes do uso da rede de cada utilizador. O desrespeito pela privacidade dos utilizadores é um dos principais factores que comprometem o sucesso das soluções de localização [Minch, 2004]. O adaptador de RADIUS não constituía uma solução definitiva em termos de localização, pois não tinha em conta a movimentação de utilizadores entre APs. Isto acontecia porque a nível do servidor FreeRADIUS não é registado qualquer tipo de alteração, uma vez que este só contém o AP no qual o utilizador se encontrava ligado e quando se autenticou. Para resolver esta lacuna foi criado o adaptador de aquisição de dados Netstruct, o qual foi desenvolvido especificamente para este projecto, tendo como objectivo localizar todos os dispositivos móveis registados na plataforma de serviços de localização. O Netstruct recebe da plataforma de serviços de localização uma lista de dispositivos móveis a seguir e irá interrogar os vários APs registados na plataforma sobre o paradeiro destes. Este adaptador consegue seguir os utilizadores, mesmo que estes estejam em movimento dentro da rede, ou seja, mesmo que troquem de AP. O Netstruct usa o protocolo SNMP para inquirir os vários APs da rede da UTAD, mas tal é feito de um modo dinâmico, onde os AP que registam maior variação de utilizadores são interrogados mais frequentemente. Este método de interrogação funciona com três listas de prioridade, às quais são atribuídas APs segundo a variação de utilizadores de cada. Como são três listas de prioridade, há três níveis de prioridade, 50

67 Capítulo IV - Plataforma de localização que são usados para interrogar os APs em intervalos de tempo diferentes, pois não vale a pena actualizar frequentemente um ponto de acesso que costuma ter sempre os mesmos ou nenhuns utilizadores. Ao interrogar os APs mais activos, com maior frequência, o adaptador de aquisição de dados terá uma resposta mais rápida e menos pesada para a rede em termos de pedidos SNMP, mas principalmente, será mais eficaz nos APs onde é mais necessário. Este método tem como objectivo evitar o congestionamento da rede com pedidos SNMP, não comprometendo a eficiência do adaptador de dados. A plataforma de serviços de localização foi especialmente desenhada para funcionar com redes que seguem as normas e-u (Figura 19), contudo, a sua aplicação para qualquer tipo de rede Wi-Fi de grande cobertura é possível, uma vez que é apenas necessário acrescentar os adaptadores de aquisição de dados necessários para a plataforma interpretar os dados sobre os dispositivos e utilizadores que interagem com a rede Wi-Fi. Figura 19 - Diagrama da plataforma de localização aplicada à rede e-u da UTAD, fonte: [Fagundes, 2006]. Em termos de implementação, os Web Services foram divididos de modo a diferenciar o acesso aos serviços relativos aos adaptadores de aquisição de dados, que são muito mais restritos. Assim estes foram divididos em serviços internos ou de gestão e em serviços externos. Os internos têm como finalidade servir os adaptadores de dados e as funções 51

68 Capítulo IV - Plataforma de localização de gestão da própria plataforma de localização (Figura 20). Por sua vez, os serviços externos servem aplicações clientes, que geralmente fazem pedidos sobre a localização de um dado utilizador ou conjunto de utilizadores. Figura 20 - Web Services da plataforma de serviços de localização 4.5 Conclusão A modularidade e flexibilidade da plataforma de serviços de localização permite que esta sirva de suporte a um vasto conjunto de projectos e seja objecto de grande interesse para futuros aperfeiçoamentos em alguns aspectos, como por exemplo a questão da gestão da privacidade dos dados e o desenvolvimento de técnicas de localização mais precisas. No capítulo seguinte, pretende contribuir-se para a evolução da plataforma de serviços de localização focando o trabalho no desenvolvimento de um algoritmo de localização mais preciso e fiável, recorrendo à técnica de localização de trilateração, a qual é também usada no Global Positioning System (GPS). O algoritmo que se pretende criar irá ser testado e, depois de rectificado, aplicado à plataforma de serviços de localização de modo a resolver os pedidos de localização que lhes são dirigidos. 52

69 Capítulo V 5. Método de localização desenvolvido 5.1 Introdução O método de localização desenvolvido no âmbito desta dissertação tem como principal objectivo conseguir localizar dispositivos móveis que usem uma dada rede Wi-Fi, que neste caso concreto é a rede e-u da UTAD. Com base no levantamento de sistemas de localização, considerados de referência, foi traçado como objectivo para este novo método de localização, um erro médio inferior a 3 metros, o que é considerado suficiente para suportar grande parte dos serviços baseados na localização do utilizador [Lemieux, 2006]. Também foi feito um esforço, desde o início, para que o processo de localização fosse adaptável a qualquer edifício, ou conjunto de edifícios, assim como áreas exteriores de uma instituição, desde que tenha uma cobertura Wi-Fi no espaço em que se pretenda proceder à localização de dispositivos móveis. Neste capítulo será apresentada a especificação do novo método de localização. Para este efeito será realizado o levantamento de requisitos necessários para a localização de 53

70 Capítulo V - Método de localização desenvolvido dispositivos móveis, a descrição do sistema de coordenadas usado para efectuar os cálculos de localização e a modelação do processo de localização. Por fim é apresentada a implementação do método de localização, descrevendo o agente de aquisição de dados, o algoritmo de localização e os modos de funcionamento. 5.2 Especificação do método A especificação, como fase prévia e essencial à correcta implementação de um qualquer sistema, tem como objectivo minimizar ao máximo erros que poderiam surgir na fase de implementação. No âmbito deste trabalho, a especificação do método desenvolvido é composta pelo levantamento de requisitos, a descrição do sistema de coordenadas usado e a modelação do processo de localização Levantamento de requisitos O correcto levantamento de requisitos no desenvolvimento de um qualquer sistema tenta garantir que grande parte dos comportamentos esperados deste sistema seja pensado e especificado para facilitar o seu desenvolvimento [Nunes, 2004]. A linguagem de especificação, documentação, visualização e desenvolvimento de sistemas Unified Modeling Language (UML) permite com os seus diagramas de casos de uso apresentar de um modo fácil o conjunto de funcionalidades que os utilizadores (actores) esperam do sistema desenvolvido. Assim, com base nestes diagramas, os actores do processo de localização desenvolvido são a plataforma de serviços de localização, descrita no capítulo anterior, o administrador do sistema, que poderá alterar algumas configurações do processo de localização, e o programador, que poderá expandir os métodos de localização (Figura 21). 54

71 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Figura 21- Diagrama de casos de uso do processo de localização A plataforma de serviços de localização espera que o processo de localização consiga fornecer atempadamente a localização de um dado dispositivo móvel (Figura 21), retornando a localização absoluta ou relativa deste, ou seja, o processo de localização poderá não ter os dados necessários à determinação de um ponto específico onde o dispositivo móvel se encontra, devolvendo como medida de recurso, apenas a sua localização relativa tendo em conta a área de cobertura do AP a que o dispositivo móvel se encontra associado. Antes deste período de cálculo, cabe ao processo de localização informar a plataforma sobre o estado do dispositivo, uma vez que este poderá ou não estar associado à rede Wi-Fi. O método de localização poderá ser escolhido pela plataforma, no entanto, caso não seja especificado nenhum método, o algoritmo irá escolher o método que mais se adequa aos dados disponíveis sobre o dispositivo móvel que se pretende localizar (Figura 21). Do ponto de vista do programador o sistema deve suportar novos métodos de localização e deve disponibilizar forma de alterar os parâmetros envolvidos na selecção do método de localização, uma vez que depois de implementado e associado um novo método de localização ao sistema este deverá ser incluído na fase de escolha do algoritmo, de modo a ser usado nas devidas ocasiões (Figura 21). Grande parte do processo de localização assenta no Received Signal Strength Indicator (RSSI) dos dispositivos móveis, os quais necessitam de ser registados e enviados para a plataforma de localização. Assim, surgiu no início do trabalho prático uma necessidade de captar os RSSI, sendo para tal desenvolvido um software dedicado a esta tarefa que 55

72 Capítulo V - Método de localização desenvolvido fosse capaz de inquirir os adaptadores de rede dos dispositivos móveis que se pretendem localizar. Este software também pode ser visto como um agente de aquisição de dados que funciona como um adaptador de aquisição de dados da plataforma de localização. Com este agente é possível recolher todos os dados relacionados com a localização do dispositivo móvel. Existem 3 actores que interagem com o agente, sendo estes a plataforma de serviços de localização, o utilizador e o dispositivo móvel. A plataforma de serviços de localização necessita que o agente seja capaz de lhe fornecer dados relativamente aos RSSI recebidos pelo dispositivo móvel, tendo de fazer uma pré-filtragem de dados relativos a informação não essencial de outras redes Wi-Fi desnecessárias, como por exemplo as redes Ad-hoc (Figura 22). O adaptador poderá funcionar apenas em alguns canais Wi- Fi, fazendo apenas a pesquisa dos RSSI nesses canais. A plataforma de serviços de localização precisa que o agente tenha uma interface que permita alterar os intervalos de tempo em que é feita a pesquisa dos RSSI e também necessita que o agente confirme a sua compatibilidade com o adaptador de rede Wi-Fi presente no dispositivo móvel e envie para a plataforma de serviços de localização essa informação (Figura 22). No caso do adaptador de rede Wi-Fi ser incompatível com o agente, este deve parar de tentar aceder às leituras de RSSI (Figura 22). O utilizador, como actor, precisará que o agente disponha de uma configuração do endereço da plataforma de serviços de localização, no qual este defina o endereço IP, de modo a que o agente possa comunicar com a plataforma de serviços de localização (Figura 22). 56

73 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Figura 22 - Diagrama de casos de uso do agente de aquisição de dados Sistema de coordenadas Para que o processo de localização consiga interpretar, calcular e devolver as posições dos dispositivos móveis, foi necessário implementar um dos sistemas de coordenadas aceites e reconhecido internacionalmente. Assim, o processo de localização trabalha internamente com o sistema de coordenadas Worldwide Geodic System (WGS84), que é um sistema de referência terrestre convencional tridimensional [Snay, 2000] representado por três eixos: a latitude, que é a distância ao equador medida em graus, a longitude que se refere à distância em graus em relação ao meridiano de Greenwich e a altitude que é representada em metros e indica a distância em relação à geoide considerada pelo sistema de coordenadas. A geoide é uma elipse imaginária colocada à volta de um planeta, que representa uma aproximação da superfície de um planeta em relação ao nível do mar. A geoide varia com o tipo de sistema usado e actualmente já existem modelos que se aproximam muito mais da realidade do que a geoide usada no WGS84, contudo este foi o usado, pois os pontos de referência tirados dentro do campus da UTAD foram feitos usando um equipamento GPS, o qual também trabalha com o sistema de coordenadas WGS84. 57

74 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Modelação do processo de localização O processo de localização de dispositivos móveis baseia-se nas coordenadas fixas dos APs no espaço de localização. Entenda-se espaço de localização como toda a área abrangida pela rede Wi-Fi. Neste sentido, foi necessário fazer a georeferenciação dos respectivos APs. Estas coordenadas irão passar a servir de base para todo o processo de localização (Figura 23), actuando como pontos de referência aos quais os dispositivos móveis que se lhes estão associados se encontram relacionados. Figura 23 - Pontos de acesso como ponto de referência É impossível localizar um dispositivo móvel no espaço de localização somente com as coordenadas dos APs, no entanto, conjuntamente com a identificação do AP ao qual o dispositivo móvel se encontra associado é também possível limitar a localização do dispositivo à área de cobertura do AP. Para a localização ser mais precisa foi necessário considerar a potência dos sinais Wi-Fi recebidos pelo dispositivo a localizar (RSSI) [Ferris, 2007] [Ladd, 2004], sendo assim possível através da Eq. 3-4 calcular qual a distância aproximada do dispositivo móvel relativamente a cada AP. Assim, com este conjunto de dados é possível localizar um dispositivo móvel através de vários métodos, que se encontram no processo de localização. Deste modo, tendo em vista a integração deste novo processo de localização na antiga plataforma, foi desenvolvido o agente de aquisição de dados e foi feito um novo processo de localização que reestruturou a componente de lógica de negócio da plataforma (Figura 24). 58

75 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Figura 24 Integração do novo processo de localização na estrutura lógica da plataforma de serviços de localização Adaptado de: [Fagundes, 2006] Assim, com a inclusão do novo processo de localização na plataforma de serviços de localização, esta é capaz de localizar dispositivos móveis baseando-se em dois métodos diferentes: Método 1 Determina a que AP o dispositivo móvel se encontra associado, obtendo-se a localização com um erro máximo igual à da distância de cobertura do AP; Método 2 Localiza com precisão um dispositivo, usando um algoritmo de trilateração que faz uma análise das potências de sinais recebidas pelos dispositivos móveis. A escolha do método de localização baseia-se na quantidade de informação disponível que a plataforma de serviços de localização tem sobre o dispositivo móvel a localizar. Se a plataforma de localização detiver informação suficiente sobre o dispositivo móvel, pode usar o método 2 para o localizar, mais concretamente precisará de pelo menos três RSSI provindos de APs distintos pois a trilateração necessita de pelo menos três pontos de referência para funcionar. Caso não seja cumprido este requisito, a plataforma de serviços de localização usará o método 1 para localizar o dispositivo móvel. O método 2, que faz a localização através de técnicas de trilateração será abordado com mais detalhe neste capítulo, no ponto

76 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Um outro factor que determina a escolha do método de localização é o tipo de pedido de localização, ou seja, no próprio pedido de localização pode ser especificado que se quer apenas qual o AP a que o dispositivo móvel se encontra associado, fazendo com que seja sempre usado o método 1 (computacionalmente mais leve). Estes tipos de pedidos de localização podem ser usados para aplicações estatísticas ou para aplicações de gestão de rede, onde não seja necessário uma localização exacta de cada dispositivo móvel. Detalhando o processo de localização em termos das actividades que o compõem, pode verificar-se no diagrama de actividades (Figura 25) que o processo de localização se inicia sempre que há um pedido de localização. Sempre que é feito o pedido, será desde logo, verificado se o dispositivo em questão se encontra ligado e se tem estado a comunicar com a plataforma de serviços de localização. Se este não estiver ligado, o processo de localização termina respondendo ao pedido que é impossível localizar o dispositivo pois não se encontra ligado à rede. Figura 25 - Diagrama de actividades do processo de localização Caso o dispositivo móvel se encontre activo na rede, são validadas as permissões que o utilizador definiu para esse dispositivo (por exemplo, o utilizador poderá optar por não querer estar visível) [Martins, 2006]. Se não tiver permissão para pedir a localização do 60

77 Capítulo V - Método de localização desenvolvido utilizador, responde negativamente, invocando a impossibilidade de aceder à posição desse utilizador. No caso de existirem permissões de acesso à localização do utilizador em questão, é feita a leitura dos RSSI a partir da base de dados da plataforma de localização para que seja possível proceder-se à localização do dispositivo móvel e respectivo utilizador. Logo após a leitura dos RSSI é analisado o número de RSSI recebidos de diferentes APs, sendo este número também um factor decisivo na determinação do método de localização a usar. Caso não haja nenhum RSSI válido o dispositivo é declarado fora de alcance da rede de localização, se existir um ou dois RSSI é dada a posição relativa do dispositivo móvel, tendo em conta a área de cobertura do AP a que pertence o RSSI (método 1) com sinal mais forte. Na melhor das hipóteses haverá pelo menos 3 RSSI, os quais possibilitarão a determinação da localização absoluta do dispositivo móvel através do método de trilateração dos RSSI (método 2). Para os dados dos RSSI de cada dispositivo estarem disponíveis na plataforma de serviços de localização é necessário que o agente de aquisição de dados presente em cada um dos dispositivos móveis os adquira e os envie para a plataforma. O agente ao iniciar a sua actividade começa por fazer a verificação das suas configurações, caso não estejam correctamente preenchidas é pedido ao utilizador para actualizá-las. O utilizador poderá optar por cancelar a configuração e o agente pára o seu funcionamento, ou por finalizar a sua configuração, voltando esta a ser verificada. Assim, caso esta configuração seja válida, o agente irá testar a sua conectividade à plataforma de serviços de localização (Figura 26). Se a plataforma de localização não estiver alcançável o agente irá interromper a sua actividade, caso contrário, o agente adquire os RSSI de cada canal Wi-Fi, guardando-os localmente. Como numa mesma rede podem coexistir APs que funcionam em diferentes canais Wi-Fi, torna-se necessário identificar quais os canais que é necessário analisar, sendo tal configurado na plataforma de localização, detendo esta a lista dos canais que o agente deve analisar. Assim o agente irá analisar cada um destes canais e irá trocar sucessivamente de canal até concluir a lista de canais a analisar. 61

78 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Figura 26 - Diagrama de actividades do agente de aquisição de dados Os RSSI adquiridos nos vários canais só serão enviados para a plataforma quando variarem significativamente em relação às amostras recolhidas anteriormente, ou seja, tenta-se desta forma fazer com que o agente envie apenas os RSSI quando for registada uma movimentação do próprio dispositivo móvel. Se não se registarem erros no envio dos RSSI à plataforma, o agente irá esperar um intervalo de tempo definido pela plataforma para voltar a iniciar o seu ciclo de funcionamento. Caso haja algum tipo de erro no envio dos RSSI, o agente volta a testar a sua conectividade à plataforma (Figura 26). 62

79 5.3 Implementação do método Capítulo V - Método de localização desenvolvido Após a apresentação da especificação do método, descreve-se a sua implementação, onde são detalhados os passos que o algoritmo de localização segue para determinar a localização dos dispositivos móveis. Foi desenvolvido um agente com o intuito de adquirir, nos próprios dispositivos, os RSSI dos adaptadores de rede Wi-Fi Agente de aquisição de sinal Este agente foi desenvolvido em linguagem de programação Visual Basic Script e tem como objectivo registar o endereço MAC, o SSID e o RSSI em relação a cada AP que esteja ao alcance do dispositivo móvel. Por alcance entende-se a capacidade do dispositivo móvel conseguir interpretar sinais Wi-Fi, suficientemente potentes, emitidos por um dado AP. Ao registar os dados, estes podem seguir dois rumos diferentes: o modo local, onde os dados são enviados para a aplicação de localização e processados; o modo remoto, sendo os dados encaminhados para um sistema de localização central, que neste caso prático é a plataforma de localização da UTAD. O destino dos dados tem de ser configurado no próprio agente, no entanto prevê-se que numa fase final, o agente tenha por defeito a configuração do caminho para aceder aos Web Services da Plataforma de localização da UTAD, evitando o incómodo de ser o próprio utilizador a inseri-la. O agente foi desenvolvido para trabalhar sobre os sistemas operativos Windows XP e Vista e consegue adquirir os RSSI em grande parte dos adaptadores de rede Wi-Fi. A aplicação a outros sistemas operativos (Windows mobile) e dispositivos móveis (PDA e smartphone) poderia ser alargada quando o sistema de localização fosse disponibilizado aos docentes, técnicos e alunos da UTAD. Nessa eventual expansão, seria ideal que o agente fosse implementado em Java, garantindo a sua aplicação a um maior número de dispositivos e plataformas. O agente garante a compatibilidade com os chipsets Atheros, Prism e Orinoco usados na construção dos adaptadores de rede Wi-Fi. 63

80 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Algoritmo de localização Com o conhecimento da posição de cada AP no espaço de localização e da distância a que o dispositivo móvel se encontra em relação a um dado AP é possível localizar o dispositivo móvel numa circunferência à volta do AP sendo o raio desta a distância entre o dispositivo móvel e o AP (Figura 27). Sabendo que o AP se encontra nas coordenadas (H, K), sendo a distância (R) entre o dispositivo móvel e o AP conhecida, é possível definir qual o conjunto de posições que o dispositivo móvel poderá tomar, calculando o conjunto de valores que as coordenadas (X e Y) podem tomar através da Eq 5-1. Eq. 5-1 Figura 27 - Circunferência da distância ao AP Por si só este resultado não é suficiente, contudo se cruzarmos as circunferências da distância relativa a dois AP, será possível determinar dois pontos em comum (Figura 28). Esta limitação em determinar um único ponto prende-se ao facto de o sistema obtido pela Eq 5-2, fornecer dois possíveis resultados para (X, Y) [Bourke, 1997]. Para decidir qual dos dois pontos é o mais aproximado do real é necessário considerar-se a circunferência da distância relativa a um terceiro AP (Figura 29). Com a inclusão deste AP obtém-se a Eq 5-3, que determina a posição (X, Y) de intercepção entre as três circunferências, sendo esta a posição estimada do dispositivo móvel. Este método é denominado de trilateração (não devendo ser confundida com a triangulação, pois a triangulação funciona de maneira diferente uma vez que se baseia em ângulos relativamente a 3 pontos de referência, o que não acontece aqui). 64

81 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Eq. 5-2 Figura 28 - Intersecção de duas circunferências 65

82 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Eq. 5-3 Figura 29 - Intersecção de três circunferências Teoricamente esta linha de pensamento está correcta, mas quando aplicada à realidade enfrenta o desafio de as distâncias entre o AP e o dispositivo móvel estarem erradas, provocadas pela imprevisibilidade do comportamento dos sinais Wi-Fi como foi explicado no segundo capítulo desta dissertação. Com estes desvios, é muito improvável haver um ponto comum de intersecção entre as circunferências, portanto foi necessário recorrer a outra aproximação. Em vez de determinar apenas a intersecção entre as circunferências, determina-se a recta que passa pelos pontos de intersecção das circunferências (Figura 30) entre o AP que se encontra mais perto do dispositivo móvel com cada um dos outros dois APs mais próximos. Assim obtêm-se duas rectas, que quando interceptadas indicam o ponto em que o dispositivo móvel se encontra e representa um compromisso entre os erros presentes nos dados relativos à distância. 66

83 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Figura 30 - Rectas de intersecção das circunferências de distância Podem ainda surgir situações extremas em que as circunferências representativas da distância entre AP e dispositivo móvel não se interceptem, podendo levar ao fracasso de uma tentativa de localização. Este problema surge quando ocorrem erros significativos nas distâncias estimadas entre o AP e o dispositivo móvel conjugado com a proximidade entre dois APs (que normalmente é improvável estarem próximos). Para resolver este problema, sempre que não ocorra uma intercepção entre as circunferências, é feito um aumento às três distâncias estimadas de um modo proporcional, através de um incremento de 2% a cada. Este processo é recursivo, podendo ser executado mais do que uma vez para resolver a falta de intercepções entre as circunferências, mas tem um limite de 20% de ampliação, pois verificou-se que depois desse valor se não há intercepção, é porque uma circunferência contém a outra, o que é pouco comum verificar-se. Ao acontecer isto, é tido em conta o quarto AP mais perto para efeitos de localização e caso aconteça o mesmo é feito com o quinto e assim sucessivamente. 67

84 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Modos de funcionamento O algoritmo de localização desenvolvido tem duas maneiras distintas de funcionar: implicitamente ou explicitamente. Quando este funciona implicitamente, significa que todo o processo de localização se encontra do lado do cliente (Figura 31), ou seja, é instalado no próprio dispositivo móvel, tendo como limitação o facto de apenas poder localizar o próprio dispositivo e como inconveniente o facto de ser o utilizador a introduzir as coordenadas e características de cada AP na base de dados da aplicação. Inicialmente este modo de funcionamento não estava previsto, mas como o desenvolvimento do algoritmo de localização que necessitava de vários testes para verificar os avanços feitos, foi desenvolvida uma forma de a localização ser implicitamente processada num dispositivo móvel com a capacidade de mostrar o comportamento do algoritmo de localização. Este método foi apenas usado para efeitos de prototipagem do algoritmo de localização, não está prevista a sua continuidade, pois tal como grande parte dos projectos desenvolvidos em Wi-Fi é uma solução muito isolada, que permite a localização apenas do próprio dispositivo. Figura 31 - Esquema do funcionamento da localização implícita Ao funcionar do modo explícito o processo de localização substituirá parte da lógica de negócio, que como foi detalhado no capítulo anterior é um módulo interno da plataforma de localização da UTAD (Figura 32), servindo para resolver os pedidos de localização. No modo explícito, o agente de aquisição de dados continuará do lado do dispositivo móvel, tendo de enviar os dados sobre os RSSI à plataforma de serviços. Assim a informação ficará centralizada, podendo o processo de localização usar a base de dados da plataforma de serviços para responder aos pedidos de localização que são feitos a esta plataforma. 68

85 Capítulo V - Método de localização desenvolvido Figura 32 - Esquema do funcionamento da localização explícita 5.4 Conclusão Apesar do processo de localização não ter ficado implementado na plataforma de serviços de localização, esta será uma tarefa que se realizará num curto espaço de tempo, visto que o processo de localização foi criado tendo em vista a sua integração na plataforma de serviços de localização e não de uma forma independente, tendo esta última sido apenas uma adaptação para a realização de testes. O principal motivo da exclusão do processo de localização na plataforma de serviços de localização foi o facto de esta ainda necessitar de ser trabalhada em relação ao adaptador de aquisição de dados que armazena e filtra a informação debitada pelo servidor RADIUS com a implementação FreeRADIUS, tendo esta parte ficado ao cargo de outro grupo de trabalho. Com a integração deste novo processo de localização na plataforma existente, prevê-se um incremento significativo na precisão da localização dos dispositivos móveis que usem a rede Wi-Fi da UTAD. Uma das grandes vantagens de processo de localização reside na ausência da necessidade de uma fase de treino do método de localização, a qual é normalmente usada em grande parte dos sistemas de localização da actualidade. Esta fase restringe a aplicação e adopção dos sistemas de localização a outros ambientes, pois é uma tarefa morosa e repetitiva, e logo, nada atractiva. É certo que com a sua falta os resultados deste algoritmo de localização não são os melhores quando comparados com os sistemas de localização mais precisos da actualidade, mas tentou-se 69

86 Capítulo V - Método de localização desenvolvido com este algoritmo de localização, chegar a um ponto intermédio entre o custo de instalação e desempenho. A eficácia dos métodos envolvidos no processo de localização será apresentada no próximo capítulo, recorrendo à comparação das posições físicas estimadas das amostras determinadas com diferentes métodos de localização e também em diferentes condições. 70

87 Capítulo VI 6. Testes e resultados 6.1 Introdução Foram executados vários testes ao sistema de localização desenvolvido, tendo estes sido concentrados apenas em uma área específica do campus da UTAD, no interior do edifício Engenharias I no campus da Quinta de Prados, em Vila Real. Neste local, para efeitos de teste foram instalados três APs, um switch, dois routers e dois computadores, um a validar a autenticação em LDAP e em RADIUS e outro encontra-se com o protótipo da plataforma de serviços de localização que, uma vez que ainda não se encontra totalmente operacional para testar o processo de localização descrito no capítulo anterior, não foi usada nestes testes. Todos os dispositivos instalados para os testes de localização formam uma rede privada, sem qualquer tipo de conexão à infra-estrutura de rede da UTAD, que garantirá um ambiente de teste muito mais controlado e seguro. Esta rede foi instalada tendo em conta também as exigências do Centro de Informática da UTAD (CIUTAD) que tinha dado indicações para a sua criação, por forma a dar continuação ao projecto e a manter a 71

88 Capítulo VI - Testes e resultados integridade da infra-estrutura de rede da UTAD, que se encontra a seu cargo. Deste modo criou-se uma rede privada, na qual existem apenas duas maneiras de um qualquer dispositivo conectar-se à rede de testes, ligando-se à rede com fios pelo switch ou pela rede sem fios através dos APs. É possível ligar-se aos APs, no entanto é necessário estar-se autenticado para aceder totalmente à rede, tal como acontece na rede e-u. Com esta rede privada, tentámos criar uma infra-estrutura de rede similar à que se encontra na rede da UTAD, embora de menores dimensões. A rede criada proporcionou um excelente ambiente de testes, pois encontra-se totalmente sob o controlo dos vários grupos de trabalho, podendo-se analisar desta forma melhor todos os detalhes relativos aos dispositivos da rede, sem interromper o normal funcionamento da rede e-u da UTAD. 6.2 Verificação do comportamento das ondas Wi-Fi Foram feitos testes relativamente ao comportamento das ondas Wi-Fi de modo a consolidar alguns conhecimentos adquiridos na análise de outros trabalhos. Por exemplo é comum encontrar estudos que mostram que a variação de um sinal Wi-Fi, mesmo numa dada posição tem uma alteração de 5 dbm. De modo a confirmar isto foram registados os RSSI de um portátil relativamente a um AP em três situações distintas (Figura 33). 72

89 Capítulo VI Testes e resultados Figura 33 - Gráfico com as variações de sinal em três casos distintos As amostras relativas ao ambiente estático e ao ambiente dinâmico foram tiradas no mesmo sítio, mas a horas diferentes, o ambiente estático representa as amostras tiradas quando não havia movimentação de pessoas na universidade por volta das 22 horas. Por outro lado, o ambiente dinâmico representa as amostras tiradas nesse mesmo local, mas às 16 horas, onde havia um grande número de pessoas a movimentarem-se dentro das salas e corredores da universidade. A sala escolhida para tirar estas amostras foi a sala de projectos do edifício Engenharias I da UTAD, uma vez que é frequente encontrar-se nela um elevado número pessoas em movimentação. Outra situação que produziu resultados interessantes foi quando se registaram as variações numa posição muito mais distante ao AP, verificando-se uma menor variação do sinal. De modo a comparar as variações de RSSI nestes três casos, foi calculada a média do sinal para cada caso, a variação máxima que representa o intervalo entre o valor mais alto e o mais baixo registados, o desvio padrão e o desvio médio. 73

90 Capítulo VI - Testes e resultados Figura 34 - Gráfico com a análise da variação dos RSSI em diferentes condições A média do sinal mostra que a posição mais distante tem, como era de esperar, uma potência média mais baixa (cerca de 86 dbm negativos) e que o ambiente dinâmico provocou uma baixa da potência média registada em relação ao ambiente estático. A variação máxima do sinal é menor quanto maior for a distância entre os dispositivos e é maior quanto mais dinâmico for o ambiente em que se realiza a comunicação. Para concluir esta análise, o desvio padrão e o desvio médio confirmam que os sinais Wi-Fi variam muito menos quando os dispositivos estão distantes e num ambiente totalmente estático. A dúvida que surge nesta análise prende-se com o facto de determinar as condições que tornariam os sinais Wi-Fi mais fiáveis, que, segundo esta análise, seriam os sinais provindos de APs mais distantes; no entanto, ao aplicar o modelo de propagação nota-se que esta situação é alterada. O modelo de propagação que melhor descreve a variação dos RSSI neste caso de estudo é uma adaptação de um modelo da Cisco, representado pela Eq Eq. 6-1 Este modelo de propagação é usado para descrever a atenuação dos RSSI das ondas Wi- Fi em relação à distância percorrida, sendo P t a potência transmitida, G t o ganho obtido na transmissão, G r o ganho obtido na recepção e F a frequência do canal. O modelo de 74

91 Capítulo VI Testes e resultados propagação permitiu também estimar o erro que a variação de 5dBm típica dos sinais pode provocar em termos de futuros erros na distância estimada (Figura 35). Figura 35 - Demonstração das distâncias estimadas pelo modelo de propagação O gráfico mostra que um erro de 5 dbm na medição do RSSI não provoca um erro constante em relação à distância estimada, uma vez que, quanto maior é a distância estimada, maior é o erro verificado. Como tinha sido referido anteriormente, os sinais Wi-Fi que percorrem uma maior distância sofrem uma menor variação a nível de dbm, no entanto, é a estas distâncias que uma ligeira variação da potência do sinal pode provocar um grande desvio na distância estimada. Assim é agora seguro afirmar que os sinais mais potentes são mais fiáveis, pois um erro de 5 dbm nos sinais entre -15 a - 50dBm não provoca erros significativos na distância estimada. 6.3 Condições de teste O espaço de localização considerado nesta fase de testes tem uma área de 705,6 m 2, com 39,2 metros de largura e 18 metros de comprimento (Figura 36) e foi escolhido por se tratar de um local multifacetado, sendo composto por laboratórios de informática, salas de aula, gabinetes de docentes, corredores e um espaço aberto onde se encontra 75

92 Capítulo VI - Testes e resultados um elevador. Este local é também muito dinâmico, no sentido em que há um elevado número de docentes e estudantes a percorrer esta área. Figura 36 - Espaço de localização considerado para testes Os seguintes testes tiveram como objectivo demonstrar a capacidade do sistema desenvolvido poder localizar os dispositivos móveis que se encontram normalmente conectados à rede Wi-Fi da UTAD. Na realização dos testes, foram tidos em conta certos critérios capazes de demonstrar o comportamento do sistema de localização desenvolvido em relação à sua precisão ao localizar dispositivos móveis equipados com adaptadores de rede de diferentes fabricantes e em diferentes alturas do dia, uma vez que também implica um diferente tráfego de pessoas no edifício. 6.4 Testes com diferentes dispositivos móveis Foram usados diferentes computadores portáteis de modo a testar o comportamento do algoritmo de localização com diferentes adaptadores de rede Wi-Fi. Este critério de teste foi relevante para mostrar se as diferenças nos ganhos das antenas e adaptadores de rede Wi-Fi de diferentes fabricantes influenciariam as estimativas na propagação das ondas rádio. Para conduzir estes testes, foram usados dois portáteis: um Apple MacBook e um Inmove WZ71V, cujos adaptadores de rede Wi-Fi são de diferentes fabricantes, uma vez que o Macbook tem um adaptador de rede com o chipset Airport extreme e o Inmove com um chipset Atheros. 76

93 Capítulo VI Testes e resultados As diferentes posições amostradas evidenciam que o sistema de localização funciona melhor com o portátil MacBook, no entanto não há uma alteração significativa no erro médio entre os dois dispositivos móveis (Figura 37). Este erro deve-se sobretudo ao facto de o ganho de recepção destes dispositivos móveis serem ligeiramente diferentes. Nos dispositivos móveis testados, o erro médio da sua localização é de 3.7 metros para o Macbook e 4.1 metros para o Inmove, o que faz uma diferença de 0.4 metros entre os dois dispositivos móveis. Figura 37 - Gráfico do erro médio na localização de diferentes dispositivos móveis O erro máximo verificado nos testes é de 7 metros, no entanto, de modo a restringir o erro máximo, o algoritmo está limitado a dar uma posição que nunca ultrapasse os 90 metros de qualquer AP em alcance. Esta restrição foi implementada tendo em conta que um AP em circunstâncias normais não é alcançável a distâncias superiores a 90 metros. 6.5 Testes em diferentes alturas do dia Os testes realizados mostram que o algoritmo consegue localizar um dispositivo móvel na rede Wi-Fi com um erro médio de 3,7 metros durante o dia. Este erro decresce para 3,4 metros à noite, quando o algoritmo funciona num ambiente mais calmo, onde não há tanta movimentação de pessoas dentro do edifício. As seguintes medições (Figura 38) mostram os resultados obtidos pelo algoritmo de localização às 16 horas, hora ideal para testar a precisão que o algoritmo consegue ter sob fortes interferências. 77

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