Sistemi Mobili M - unibo.itlia.deis.unibo.it/Courses/sm1112-info/lucidi/03-MobileIP(2x).pdf ·...
Transcript of Sistemi Mobili M - unibo.itlia.deis.unibo.it/Courses/sm1112-info/lucidi/03-MobileIP(2x).pdf ·...
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 1
Sistemi Mobili MSistemi Mobili M
Università di BolognaCdS Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica
II Ciclo - A.A. 2011/2012Corso di Sistemi Mobili M (6 cfu)
03 – Mobile IP e Posizionamento
Docente: Paolo [email protected]
http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1112-info/
http://lia.deis.unibo.it/Staff/PaoloBellavista/
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 2
Mobilità e Gestione Handoff
Networking wireless permette a utenti mobili di usufruire diconnettività InternetOvviamente, i movimenti utente devono essere gestiti daun’area di copertura ad un’altra
Inoltre un utente potrebbe decidere di comandare il passaggio fradiverse opportunità di comunicazione (ad es. da WiFi a 3G)
Le connessioni attive in corso dovrebbero esseremantenute indipendentemente dai movimenti utente
In reti GSM/UMTS questo richiede acquisizione di risorseper allocazione di canale (preallocazione per continuità diservizio)In reti IP-based “potrebbe bastare” e “risultare piuttostosemplice” se fosse possibile mantenere lo stessoindirizzo IP per un utente in movimento
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 3
Tradeoff in Location Management
Due possibili approcci di principio per consentire la conoscenza della locazione approssimata dei nodi mobili:Tramite location update (location registration)
L’infrastruttura di rete è informata dall’esterno della locazionedell’utente mobile, ad es. per sua esplicita registrazione necessariadopo ogni handoff
Tramite location search (terminal paging)L’infrastruttura di rete è responsabile per il ritrovamento dellalocazione dell’utente mobile
Quale tradeoff ottimale fra update e search?Dipendenza da frequenza di comunicazione rispetto a cambio dilocazione, ricerca dinamica della nuova locazione e costo in termini di latenza
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 4
Location Update
Soluzioni di location updateStatiche (triggering dell’aggiornamento quando si esce da un’arealocale prefissata – non necessariamente singola cella, anzi…)Dinamiche (triggering dipendente da comunicazioni utente e dapattern di mobilità)
Location update dinamicoTime-based (ad es. con periodicità prefissata)Movement-based (forwarding pointer e valutazione dinamica di catenedi forwarding troppo lunghe)Distance-based (quando la distanza percorsa dall’ultimo update èconsiderata troppo ampia)
Anche replicazione di informazione di locazione (caching o replicazione proattiva vera e propria), sia con organizzazioneflat che gerarchica (come sempre per motivi di scalabilità)
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 5
Location Search o Terminal Paging
Solo qualche cenno su terminal paging (tanto ricordate quantodetto per tecnologie wireless specifiche nelle settimane scorse…)
Blanket pollingAd es. tutte le celle in una località sotto controllo di MSC vengonopolled quando arriva una chiamataAlto costo di paging
Expanding ring searchParte dall’ultima locazione conosciuta per terminale mobile
Sequential pagingBasato su probabilità stimata di locazione (distribuzione diprobabilità)Esplorazione sequenziale, più o meno rigida
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 6
Problema della Mobilitàin Rete IP
Problema di overlapping di funzionalità di identificazionee di locator di IP
Indirizzo IP associato con un nodo mobile è dipendentedalla rete che fornisce connettività
Quando l’utente si connette ad un’altra rete, l’indirizzo IP tende a cambiareI pacchetti che appartengono a connessioni correntementeattive devono essere consegnati verso il nuovo indirizzo IP
Soluzione intuitiva (approccio location registration):Che cosa fate quando cambiate appartamento in affitto? Lasciare un indirizzo di forwarding al vostro portiere (“old post-office”)Il vecchio portiere ha il compito di girarvi la posta pressoil nuovo portiere, che a sua volta ve la inoltra
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 7
Elementi di Base perMobile IP
Entità o elementi di base per Mobile IPMobile Host (MH)Home Agent (HA) – simile al concetto di vecchio post-officeForeign agent (FA) – simile al concetto di nuovo post-office
MH registra nuovo indirizzo presso HAHA riceve e “cattura” i pacchetti indirizzati a MH e li gira a FA, che a suavolta li spedisce a MH (correntem. posizionato nella sua località)
Problema di triangolar routing
CH Corresponding Host
MH
FA
HA
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 8
Home Agent (HA)
Svolge il ruolo di router, con qualche funzionalitàaggiuntivaPosizionato nella home network di MHSi occupa di mantenere mobility binding dell’indirizzo IP di MH con il suo Care-of Address (COA)
Indirizzo che identifica la locazione corrente di MHOvviamente si occupa di inoltrare pacchetti alla reteappropriata quando MH non è nella sua località
Tramite incapsulamento (usualmente IP-within-IP tunneling)
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 9
Foreign Agent (FA)
A tutti gli effetti, un altro router con funzionalità arricchiteQuando MH non è nella stessa località di HA, si utilizza FA per inviare/ricevere dati verso/da HAFA esegue advertising periodico di se stesso
Messaggi di advertisement portano info sui vari COA disponibili, nelcaso ne sia disponibile un insiemeI nodi MH possono scegliere di non attendere messaggio diadvertisement e di stimolare lo scambio di info tramite un messaggio di solicitation. Secondo voi come?
Una volta che MH riceve il suo COA da FA, MH registraquesto COA presso il suo HA
La richiesta di registrazione è inviata attraverso FA
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 10
Gestione Indirizzi
Mobility Binding TableMantenuta presso HA di MHMappa l’associazione fra indirizzo home di MH e il suo COA corrente
Visitor ListMantenuta presso FA che sta servendo un MHMappa l’associazione fra indirizzo home di MH e il suo MAC address + indirizzo HA
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 11
COA Tunneling
Vi ricordate, vero, che cos’è un tunnel (differenze rispetto a proxy e gateway)?
Quando HA riceve pacchetti indirizzati a MH, HA li inoltraverso COA tramite incapsulamento
Il meccanismo di default per incapsulamento chedeve essere supportato da tutti gli agenti Mobile IP èIP-within-IP (RFC 2003)HA inserisce un nuovo IP header sull’headeroriginale per ogni datagramma. Quali potenziali problemivi vengono in mente per reti IP “tradizionali”?
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 12
Esempio Mobile IP
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 13
COA: Ulteriori DettagliCare-Of Address (COA): molto spesso realizzato come normale
indirizzo IP, ma utilizzato SOLO da Mobile IP per forwarding e per funzionalità di gestione. NON visibile ai livelli superiori(applicativi)
Due differenti tipologie(corrispondono a due diversimetodi forwarding di HA):1) Foreign Agent COA Fornito da FA nei suoi messaggidi Agent AdvertisementÈ indirizzo IP dello stesso FAQuindi?Nodo mobile non ha indirizzo IP distinto su foreign network, utilizzo di layer 2
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 14
COA: Ulteriori Dettagli2) Co-Located Care-Of Address
COA assegnato direttamente al nodo mobile usando un qualche mezzo esterno a Mobile IPAd es. manualmente da foreign network o automatic. usando DHCPIn questo caso, COA può essereusato per traffic forwarding da HA direttamente verso nodo mobile
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 15
Home network Foreign network
Possibili Problemidi Filtering Ingress/Egress
MH utilizza il suo indirizzo IP home come indirizzosorgenteRouter ai confini di un dominio e “security-conscious”possono fare dropping dei pacchetti di MH
1. Pacchetto proveniente dalla rete interna ha indirizzosorgente non appartenente alla rete interna
2. Pacchetto proveniente da rete esterna e indirizzato verso home network ha indirizzo sorgente non appartenente allarete esterna bensì alla stessa home network
12CH MH
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 16
Possibile Soluzione: Tunneling Bi-direzionale
Scelta di percorso “safe” attraverso HA per entrambi i versipossibili
Meccanismo più lento (maggiore overhead, maggiore latenza) ma più conservativo in ogni caso di deploymentNoto in letteratura anche come quadrilateral routing
Home network Foreign network
CH MHHA
Source Address = HA
Source Address = COA
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 17
Triangular Routing Sub-ottimo
Quali possibilità per ottimizzare il meccanismo di routing diMobile IP? In quali condizioni runtime tali ottimizzazionisono particolarmente cruciali?
Che cosa succede se MH è nella stessa sottorete di CH e HA si trova dall’altra parte del pianeta?
Ovviamente, vantaggi di performance se potessimo fare routing diretto dei pacchetti senza passare per gli agenti
Ottimizzazione: consentiamo a CH di conoscere COA diMH (MH registra suo COA presso CH, standard in MobileIPv6)
Processo avviato da HA che notifica CH via “binding update”MH incapsula i suoi pacchetti per evitare problemi di source-address filtering, ma li invia direttamente a CHCH crea il suo proprio tunneling verso MH
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 18
Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)
Mobile Anchor Point(MAP) svolgono il ruolodi Gateway Foreign Agent strutturati in modo gerarchicoSono configuratistaticamente in HMIPv6 e condivisi da tutti i nodimobili
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 19
Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)
Local Subnet HandoffRegistrazione COA al MAP locale quando si ha un handoff locale fra subnet incluse nell’area di dominio del MAP
MAP Domain HandoffRegistrazione di un COA regionale (RCoA) presso HA e CN in seguito ad handoff verso nuovo dominio MAP
Quale è la dimensione “giusta” per un’area di servizio di un MAP? Quanti livelli gerarchici?
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 20
Direzioni di Ricerca: Dynamic MAP(I.R. Chen et al, J. Wireless Pers. Comm, 2007)
Nodi mobili si organizzano in MAP dinamicamente sullabase del rapporto fra Service rate e Mobility Rate (SMR)La dimensione ottimale dell’area di servizio di un DMAP è dinamica e determinata calcolando tradeoff più adattofra costi di service management (per packet delivery) e costidi location management (per location update)
Degenera in MIPv6 quando SMR diventa sufficientementegrande (perché dimensione domini DMAP decresce al crescere diSMR); degenera in HMIPv6 quando la dimensione DMAP è fissa
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 21
Direzioni di Ricerca: WMM(D.W. Huang et al, IEEE T.Mobile Comp, 2008)
Wireless Mesh Network Management Mechanism (WMM)
Basato su cache delle info di locazione presso nodimesh con funzionalità di routing e location management
Pointer forwarding per gestione handoff
Replicazione e consistenza “weak”Due tabelle cached: routing table e proxy table (con informazionesulla locazione dei nodi mobili)
Opportunistic update cache di locazione in caso di routing Aggiornamento contenuto nell’header di pacchetto
Routing tramite utilizzo delle due tabelle: se info insufficienti allora 1) verso infrastruttura mesh, poi 2) flooding
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 22
Mobile IP è Sufficiente?
TCP standard e non modificato porta a significativodegrado di performance su link wirelessPerché?
Link wireless sono afflitti da alto Bit Error Rate (BER) e da frequentidisconnessioni/riconnessioni
Per TCP, queste caratteristiche si manifestano come perdite dipacchetto random & burstyIn TCP, TUTTE le perdite di pacchetto sono trattate some sintomidi congestione di rete, e quindi producono riduzione dellafrequenza di trasmissione (in modo moltiplicativo)
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 23
I-TCP:Idea di Base
Utilizzo di un approccio a “split-connection”TCP tradizionale e standard fra Fixed Host (FH) e Mobile Source Router (MSR) Wireless TCP fra Mobile Host (MH) e MSR
Mobile Host
BaseStationInternet
FixedHost
Split connection
Wireless TCP
Regular TCP
MSR
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 24
Split Connection: Vantaggi e Svantaggi
VantaggiSepara controllo di flusso e di congestione sulle due tratte(link wireless e link wired separati)Retro-compatibile con TCP (FH può NON essere aware diMSR)
SvantaggiViolazione della semantica classica end-to-end (ne parleremoanche più avanti – principio end-to-end)MSR mantiene stato
Guasto su MSR può produrre perdita di connessioneLatenza di handoff cresce per la necessità di trasferimentodi stato
Se non si fanno ottimizzazioni particolari, copia di dati pressoMSR
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 25
I-TCP
Costruito su Mobile IP MSR fa da proxy per MH
Svolge il ruolo diimmagine di MH e inoltrail suo stato al nuovo MSR in caso di handoff
I-TCP non comprometteaffidabilità end-to-end
Purché non ci sia guastodi MSR e disconnessionedi MH per tempo indefinito
Adatto per applicazionithroughput intensive
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 26
Handoff in I-TCP
Fortemente integrato con la procedura diregistrazione in Mobile IP
Handoff comincia quando MH avvia la registrazione del nuovoCoA presso HA
Trasferimento dello stato della socket operato da un demone I-TCP verso il nuovo MSRBuffering di segmenti dati in transito durante lo svolgimento della procedura di handoff – per evitarecongestion control Deve essere veloce al fine di evitare realizzazione e trasferimento dicopie non necessarie
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M
Ricapitolando…
Alcuni pattern/direzioni di soluzione che abbiamo giàincontrato e di validità generale:Anchor point fisso (home)Proxy (più o meno trasparenti ai vari livelli)Organizzazione gerarchica ai fini di scalabilità, più o meno dinamica
RaggruppamentoFunzioni differenziate all’interno del gruppo
Decisioni (e protocolli) che sfruttano concetto di località, cercando di convergere verso comportamento globale desiderato senza coordinamento globale pesanteApproccio verso soluzioni approssimative (purché lightweight) e ottimistico
27
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 28
Nuova classe di servizi, sempre più diffusi:Location-Based Services (LBS)
E-911 Emergency assistanceAdvertisingTracking: ad es. tracce di mobilità abitualeVirtual Tour: a che cosa ti trovi vicino?Service discoveryOttimizzare comunicazioni ad hoc fra dispositivi mobili
Locazione (o Posizionamento):Perché?
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 29
Come OttenereInfo di Posizionamento?
Molte applicazioni LBS requisiti molto differenziati– E-911: on request (coordinate xy)– advertising + virtual tour: cambi di locazione (stanza, strada, …)– Supporto alla rete: ogni X minuti (network area)– Supporto alla navigazione: ogni X secondi (coordinate xy)
Altri requisiti non-funzionali:– Basso consumo di potenza, facilità di utilizzo, privacy,
...
La conseguenza è molti sistemi diposizionamento con caratteristichedifferenziate
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 30
Classificazione:Fisico vs. Simbolico
FisicoAssociato a info adatte per elaborazione machine/computationalWGM84 Location (GPS) - latitudine, longitudine, altezza ellissoide(altitudine)
SimbolicoAssociato a info adatte per human speaking/thinkingLocazione a livelli - {Italy, Bologna, EngFaculty, DEIS, Lab2}
Anche Assoluto vs. RelativoAssoluto
Unico sistema di riferimento per tuttigli oggetti localizzati
Fisico o simbolicoRelativo
Relativo alla locazione di un altro oggettoTipicamente fisico e utile per scenari ad-hoc
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 31
Classificazione:Centralizzato vs. Distribuito
CentralizzatoUn sistema centrale processa info e
determina locazione per tutti gli oggettiposizionati
DistribuitoOgnuno determina la propria locazione
Problematiche di privacy:Comunicazione in rete intrinseca limitazione,
no privacy in senso stretto, a meno di relazioni di trust
Ogni info location-dependent resa visibileriduce la privacy utente
LBS
PositioningService
MN
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 32
Classificazione:Accuratezza & Precisione
Accuratezza: range di errore (ad es. metri)Precisione: grado di fiducia nel range di errore(confidence, in percentuale)
GPS: accuratezza = 10 metri, precisione = 95%
Accuratezza e precisione derivano usualmente in mododiretto dal sistema di posizionamento utilizzato e dallecondizioni dell’ambiente di deploymentScalabilità
quale area e di quali dimensioni? Ad es. coverageArea / #infrastructUnitquanti utenti? Ad es. #user/(infrastructure unit * time unit)Quante risorse computazionali? Quale complessità infrastruttura e middleware?
RecognitionBaggage tag#, Credit Card (!) vs. GPS
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 33
Classificazione:Costo e Limiti
Costo. In termini di:tempo, infrastruttura, deployment di infrastruttura, lato cliente, hardware addizionale, consumo di batteria, consumo dimemoria, consumo di computing power, …
LimitiDove/quando possibile utilizzarlo?
Ad es. indoor vs. outdoor
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 34
Scelte di Design/Progettoo Vincoli Tecnologici?
Come riuscire a mettere insiemecaratteristiche multiple in un unicosistema di posizionamento?
Location BasedService constraints
Environmentconstraints
Pos
ition
ing
Sys
tem
Physical/Symbolic
Absolute/Relative
Centralized/Distributed
Accuracy & Precision
Recognition
Limitations
Cost
Scale
User requests
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 35
Tecniche di Base:Lateration
2D 3 circonferenzenumero maggiore di circonferenzeper mitigare errori nella misuradi distanza
Note:2 variabili, 3 misure2 misure sufficienti solo quando sulla linea fra due reference point (circonferenze tangenti)
Reference pointLocating point
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 36
Misura diretta
Time of Arrival (ToA)distance = signal speed * ToA
Received Signal Strength Indication (RSSI)
Attenuazione segnale
Tecnologie utilizzate comunementeInfraRosso (IR), RadioFrequenza (RF), UltraSound (US)
Determinazione Distanza: Come?
Tx Rx1s
2s3s
Tx Rx-60dB -70dB
-80dB
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 37
three different TDoA:0.4, 0.6 and 0.9 scale units
Time Difference of Arrival
2D 2(3) iperboliiperbole: punto posto alla stessa Time Difference of Arrival (TDoA) da due punti diriferimento
1 2
3
TDoA13
TDoA12
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 38
Angolazione
Prerequisito:Conoscere la distanza fra due punti di riferimento
2D 2 angoli 2 misure
Teorema di Carnot
a2=b2+c2-2bc•cosαb2=a2+c2-2ac•cosβ
2 equazioni con2 variabili (a, b)
α βknown lengthc
ab
βα sinsinba =
Teorema di Eulero
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 39
Analisi Scenario di Deployment:Scene Analysis
Inferenza di posizione usando osservazionepassiva di “fenomeni fisici” (immagini, RSSI...), ma senza sfruttare valori fisici come distanze, angoli, iperboli, …Requisito: conoscenza ambiente
Ambiente si modifica nel tempo?
Fase preliminareOsservazione ambiente e collezionamento dati monitoraggio
Fase operativaOsservazione ambiente e comparazione fra dati osservati e “datistorici”
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 40
Prossimità
Locazione corrente ≡ punto di riferimento più vicinoToA, RSSI...
Contatto fisicomouse, keyboard, sedie, …
Cella che “fa da Care of”Accuratezza dipende da raggiodella cella
Sistemi automatici di identificazioneCarta credito, sistemi pedaggio autostradale (Telepass, e-toll system, …), carte di fidelizzazione (carburante, supermercati, ...),RFID (accesso edifici, ad es. Ingegneria)
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 41
Sorgenti di Errore
Non Line Of Sight (NLOS)
Fading:MultipathShadowing
Sincronizzazione clock
Tx Rx
Tx Rx
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 42
Sistemi di Posizionamentoper Ad-hoc Network
Obiettivo importante: ottenere info topologiche e posizionamento per
Mantenimento connettivitàOttimizzazione traffico
Metodologie cooperative, con ruolo uniforme per tutti i nodi:
1. Ogni nodo riceve informazioni di range e posizionamento dai nodivicini
2. Risolve un problema locale di posizionamento3. Trasmette il risultato ottenuto ai vicini
Algoritmi distribuiti senza necessità di comunicazioneglobale
Particolarmente usabili quando mobilità nodi è limitata
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 43
Assumption Based Coordinates (ABC)
Anchor node: nodo dalla locazione nota a prioriAssumption Based Coordinates
Informazione nota: distanza relativa fra nodiDistanze possono essere affette da errori
Ogni anchor node si crea la propria mappa delle distanzerelative per nodi a distanza one-hop
01
132
032
012
3 2rrrr ++=x
01
3222
2223
203
2
3 2r2rr xxyxy −++−=
23
2303
23 r yxz −−=
01
122
022
012
2 2rrrr ++=x
2202
22 r xy −=
011 r=x
rjk: distanza fra nodo j e nodo k
n1=(x1, 0, 0)x
yz
x1
y2
x2z3
y3
x3
n2=(x2, y2, 0)n3=(x3, y3, z3)
n1
n2
n3
n0
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 44
TERRAIN
Triangulation via Extended Range and Redundant Association of Intermediate Nodes (TERRAIN)
Creare una unica mappa deinodi che sfruttainformazioni di nodi a distanza multi-hop extended range =
#hop * average node distance
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 45
Sistemi di Posizionamento con Hardware Addizionale
Hardware special-purpose sviluppato specificamente e aggiunto per ottenere info di locazione
Basato su RadioFrequenza, InfraRosso, (Ultra)SoundMigliora accuratezza e precisione ☺Tende ad accrescere dimensione device e
consumo di energia
Esempio notevole sistema posizionamentoesterno= Global Positioning System (GPS)
USA Department of Defense (DOD)Almeno 24 satelliti operativi in orbita a 11000 miglia (ca. 18000km)
http://tycho.usno.navy.mil/gps.htmlPrimo satellite: 14 Feb 1989; ultimo (?) satellite: 6 Nov 2004
Sistema di posizionamento più diffuso (unico?)
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 46
Informazioni conosciute grazie a GPS:Posizione satelliteTempo di propagazione segnale da satellite a cliente (ca. 60ms)
distanza=ToA*light speed
Come usare queste info?Lateration + ToA
3 satelliti 2 posizioni possibili1 posizione non è però sulla superficie terrestre
(space/ultra-atmospheric elevation)
GPS: Come Funziona?
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 47
GPS: Sincronizzazione
ToA necessità disincronizzazione clock
satellite con clock atomicoAlta accuratezza
clienti con clock “normale”Problemi di accuratezza
Errore di 1µs ca. 300mSincronizzazione, sfruttandoprotocollo con 4 satelliti (3 per soluzioni2D): clock cliente sono affetti dashifting fino a operazione disincronizzazione esempio 2D di errori di sinc
61µs(60µs)
51µs(50µs)
71µs(70µs)
overestimated(correct)
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 48
Errori in GPS
Altre svariate potenziali sorgenti di errore:Condizioni atmosferiche: ionosfera (0-30m) e troposfera (0-30m) rifraggono segnale GPS cambio di velocità segnale GPS
Errori dovuti alle Ephemeridi: posizionamento orbita satellitare(1-5m)
Clock drift: anche gli orologi atomici non sono perfetti (0-1.5m)“Rumore” di misurazione (0-10m)Selective Availability: fino al 2000, introdotta appositamente daDoD (0-70m)
Multipath: edifici di altezza elevata, montagne, ... (0-1m)
Per maggiore accuratezza GPS differenziale
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 49
GPS Differenziale (D-GPS)
Si sfrutta una base station con posizioneperfettamente nota per calcolare differenze daposizionamento esatto edeliminare erroriCliente GPS opera l’usualecomputazioneMigliore accuratezza (1-5m vs. 50-100m) comparando la locazione nota di base station e quella calcolata daGPS non differenziale
Source GPS D-GPS
Ionosphere 0-30m Mostly Removed
Troposphere 0-30m All Removed
Signal Noise 0-10m All Removed
Ephemeris Data 1-5m All Removed
Clock Drift 0-1.5m All Removed
Multipath 0-1m Not Removed
SA 0-70m All Removed
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 50
Locazione fisica + assolutaWGS84 World Geodetic System: latitudine, longitudine e altezza ellissoide (compensa movimento continenti)
DistribuitoCosto: infrastruttura (!!!) + clienteScalabilità: completamente distribuito ottima scalabilitàNo identificazione + distribuito user privacyAccuratezza = 100m/
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 51
Non solo GPS:Active Badge
Olivetti Research Laboratory (ora AT&T Cambridge): uno dei primi approcci al problemaTecnologia a infrarossi
Badge emette periodicamente un identificatore unicoRete di sensori riceve segnali dai badge (necessità di prossimità, tipicam. stessa stanza)Server centrale raccoglie dati
dei sensoriProprietà:
Basato su prossimitàSimbolico, assolutoIdentificazione utentiBasso costoAccuratezza a livello di stanzaIR non lavora bene in presenza di
luce solare e fluorescenza
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 52
Active BATAT&T Active BAT
Sostanzialm. tecnologia ultrasuoni (US)Badge emette un identificatore unico verso un server centraleServer centrale
Fa triggering del badge (via RF), chiedendoglidi inviare segnale US
Fa reset dei ricevitori US montati su soffittoRaccoglie datiCalcola la posizione del badge
Proprietà:ToA, fisico, assoluto, identificazione, basso costo, accuratezza = 9 cm, precisione = 95%
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 53
AHLoS:Ad-Hoc Localization System
UCLA AHLoSTecnologie RF, USLateration + ToA
RSSI vs. RF, USWINS (900 MHz RF)
Medusa (US)
Property RSSI UltraSoundRange same as radio communication range 3m
Accuracy 2-4m for WINS 2cm for MedusaMeasurement
Reliabilityhard to predict, multipath
and shadowingmultipath mostly predictable, time is a more robust metric
Hardware Requirements
RF signal strength must be available
US transducers and amplifier circuitry
Additional Power Requirements none tx and rx signal amplification
Challengeslarge variances in RSSI
readings, multipath, shadowing, fading effects
interference, obstacles, multipath
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 54
Sistemi di Posizionamento senzaHardware Addizionale
Utilizzare ciò che è già disponibile per motivi dicomunicazione: GSM/GPRS/UMTS, Bluetooth, 802.11
Ad esempio, reti cellulari GSM e posizion. network-basedCell Global Identity (CGI)Angle of Arrival (AoA)Timing Advance (TA)Signal StrengthUplink Time of Arrival (UL-ToA)Uplink Time Difference of Arrival (UL-TDoA)
CGI(with directional antennas)
CGI + TA(with directional antennas)
CGI + TA
550 m
100m – 35Km
CGI
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 55
Posizionamento tramite GSM
Oppure, sempre in GSM, Mobile Station (MS)-basedEnhanced - Observed Time Difference (E-OTD ≡TDoA)
Almeno tre Base Transceiver Station in visibilità
Timing Advance Almeno 2 handover “forzati”
TechnologyComputation
locality
UserControlled
Privacy
Modifications System Accuracy
HW SW urban environmentrural
environmentCGI network no none none > 100m < 35 Km
CGI+TA network no none none > 100 mcircle of arc
of 550 mUL-ToA network no GPS for clock synch 150 m 50 m
UL-TDoA network no GPS for clock synch 50 m 80 mE-OTD MS yes none yes 200 m 60 m
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 56
Posizionamento tramite BluetoothBluetooth è a basso costo e raggio coperturarelativam. limitato
prossimità, accuratezza < raggio BT (ca. 10m)simbolico, assoluto, distribuito
Possibile soluzione :Dispositivi BT installati presso Point Of Interest (POI)DB locazioni POI:
associazione BT POI MAC Address locazione POIVisibilità di molteplici dispositivi BT
Scelta di quello più vicino con maggiore RSSI
LocA LocB
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 57
1. POI fanno broadcast MAC address2. Dispositivo fa overhearing dei POI3. Dispositivo si connette ai POI visibili4. Per ogni POI, dispositivo misura
RSSI della connessione5. Dispositivo calcola la sua locazione
sfruttando comparazione di RSSI
Possibile Funzionamento
Looking forBT POI
Read RSSISelect a POI
Connect toBT POI
Basebandconnection
& RSSI
MACaddress
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 58
Bluetooth permetteLivelli di Privacy Differenziati
Dispositivo vuole conoscere quali POI sono vicini, ma forsenon rendere consapevoli i POI della sua presenza. Ricordiamoci che comunicazioni wireless possonoessere asimmetricheCliente BT:
inquiry scan onOgni POI BT vicino può vedere il dispositivo
page scan on, inquiry scan offPOI non possono vedere il dispositivo ma possono tentareconnessione se conoscono identificatore
Inquiry scan off, page scan off (NO visibilità di RSSI però…)stealth mode: nessuno può vedere il dispositivo (fino a che non siconnette…)
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M
PlaceLab
Idea base: sfruttare wide-scale WiFi deploymentAree urbane con copertura “densa” di WiFi APWiFi AP inviano beacon con ID unici (MAC address di AP)Posizionare dispositivi WiFi utilizzando una mappa dicorrispondenze base-station-ID verso locazioniMolti algoritmi disponibili per calcolare la posizioneapprossimata basata su punti di riferimento noti
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M
PlaceLab: Quali Problemi Principali?
Costruire un DB mondiale delle posizioni di tutti gliAP WiFi
Come stimare la posizione di AP se i dati esatti non sonodisponibili?
Buoni algoritmi per posizionamento accuratoTradeoff fra accuratezza e overhead di calibrazione
Modello di privacy accettabile per un largo pubblico diutenti
Chi determina la locazione?Come può l’utente finale tenere sotto controllo la sua info dilocazione?
-
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M
PlaceLab: Metodologia
Fase di TrainingRaccogliere beacon da AP WiFi tramite “war driving” con dispositiviequipaggiati di IEEE802.11+GPSDa questa raccolta dati si memorizzano
Coordinate GPSListe di AP
Richiede circa lavoro di 1hr per km2Costruire mappa del segnale radio a partire dalle tracce raccolte
Fase di PositioningUtilizzare mappa radio per posizionare utente finaleEventualm. comparare la posizione stimata con quella restituita daGPS per raffinamenti successivi
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 62
RADAR: Idea di Base
Per certi versi simile a PlaceLab, per ambienti indoorScenario: IEEE 802.11 APAnalisi di scena (scene analysis, fingerprinting) basato su RSSI
2 fasi: prima fase off-line, poi fase real-time
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 63
RADAR: Fase Off-line eFase Real-Time
Fase off-lineRaccolta di dati empirici dal campo, accumulati latoinfrastruttura
Clienti mobili fanno broadcast periodico di pacchetti UDP checontengono locazione e orientamento spaziale inseritimanualmente dagli utentiAP raccolgono e memorizzano RSSI (medio) per pacchettiUDP ricevuti, con associato timestamp (necessità sinc. nodi)server mette insieme dati raccolti da ogni AP partecipante
Fase real-time: tracking dei dispositiviClienti mobili fanno broadcast periodico di pacchetti UDPServer centralizzato calcola locazione
Nearest Neighbor in Signal Space (NNSS), con distanzaeuclidea fra valori di RSSI, oppureAlgoritmi basati su storico, oppure…
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 64
RADAR
In ogni caso, per migliorare accuratezza/precisione:Incrementare molteplicità AP in prossimitàRaccolta di sample multipli per RSSI in ogni posizionee in diversi istanti di tempo
Alternativa per fase off-line: modelli avanzati dipropagazione radio
Vantaggi di poter evitare raccolta datiModello con Wall Attenuation Factor (WAF)Necessità di conoscere dettagli precisi sull’ambiente dideployment
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 65
RADAR: Caratteristiche
fisicoassolutocentralizzatobasso costo?
raccolta dati è attività time-consuming
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 66
Ekahau: Idea di Base
Modello di mondo-ambiente stocastico, non deterministico e viene accettato il fatto che i segnalimisurati siano inerentemente affetti da rumoreCalibrazione del modello risolto come problema dimachine learning: ancora una volta, scene analysis basato suvalori di RSSI
Principio di rail tracking:Locazione corrente è probabilmente vicina alle locazioni piùrecentiUtenti possono solo seguire cammini consentiti (legal path, ad es. NO attraversamento di muri) Hidden Markov Model
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 67
Ekahau: Architettura e Principi
Simile a RADAR (fase learning, RSSI fingerprinting) ma...Dispositivi mobili raccolgono dati di RSSI (non AP) e li invianoa server centralizzato solo quando necessario per determinareloro locazione quindi dispositivi mobili possono sceglierequando/se essere posizionati dal serverRail tracking con mappadell’ambiente e percorsiconsentiti
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 68
Ekahau: Caratteristiche
fisico & simbolicoassolutobasso costo?
raccolta dati è time-consumingprivacy: ci fidiamo del server Ekahau?
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 69
Sensor Fusion:Positioning Fusion
In generale, approccio in cui N sorgentidati vengono aggregate per fornire M outputDa raw data a structured/aggregated data con maggiore livello di astrazione
Approccio possibile anche per posizionamento. Ad esempio, sistemaVTT:NO aggregazione, pura selezioneMeccanismo di voto (massimizzare)
velocità v, età del posizionamento tage, accuratezza ε
ε+=
vtk
agen
*1
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 70
Universal Location Framework
Molteplicità di sistemi diposizionamento
GPS, IEEE 802.11, Mote (sensorelow-cost di Berkeley)
Misure in formato WGS-84GPS: raw data
aggiunta di info accuratezza
802.11: RADAR-likeaggiunta di altitudinegestione consumo batteria
Mote: prossimità WGS-84da info simbolica a fisica
-
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 71
FusioneGestione sensori
uno o multipli insieme?accuratezza & precisione
Modello di mobilitàsfruttamento di info di velocità e orientamento spaziale
Calcolo del valore “fuso”Location API comune e di alto livello
aggiornamento automatico, manuale, periodico
Gestione cross-layer di sensorie qualità dell’info di locazione
Universal Location Framework
Mobile IP e Posizionamento - Sistemi Mobili M 72
PoSIM e JSR-179
Positioning System Integration and Management (PoSIM)Basato su approccio “translucent”
Trasparenza: Policy & Data ManagersVisibilità: Positioning System Access Facility
Conforme a standard Java JSR-179 (per chi volesse approfondire…)
controldata
PositioningSystem
PSW
PositioningSystem
PSW
PositioningSystem
PSW
DataManager A
pplications
PolicyManager
PoS
IM A
PI
transparentvisible
Positioning S
ystemA
ccess Facility
/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False
/Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure true /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /NA /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /LeaveUntagged /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice