SERVIZI DI LOCALIZZAZIONE A LIVELLO MAC 802.11

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La tesi è stata pubblicata in seguito sul sito della IEEE.

La simulazione realizzata in Matlab è stata completamente concretizzata dall’ing. Graziano Nardelli

Il mondo dell’ “Information Technology” si
trova oggi a vivere un periodo di forti cambiamenti: dal recente passato in cui
il cosiddetto “
Personal Computer” aveva il predominio, ci si
sta spostando verso un futuro fatto di dispositivi variegati e dai tanti
utilizzi, con un comune denominatore: la portabilità, ossia la capacità di
accompagnare l’utente nei suoi spostamenti, ovunque egli si trovi.

Il passo compiuto rispetto al passato risulta notevole:
la mobilità, infatti, è un fattore predominante, oggi più che nel passato, in
tutta la nostra vita, a causa della sempre maggiore possibilità (e necessità)
di spostamenti e della sempre crescente interazione fra ogni attività
lavorativa ed umana in generale. E’ visibile a tutti, ad esempio, come i lavori
siano sempre più “mobili” e sempre meno legati ad un ufficio, ad una
postazione, ad un “Personal Computer”. Un altro esempio, di notevole attualità,
riguarda le attività culturali e di intrattenimento, nelle quali la possibilità
di associare a visite ed escursioni contenuti informativi in “
Real Time”
è, ovviamente, interessante. Se prima, ad esempio, era necessario recarsi ad
apposite “stazioni” dalle quali ricevere informazioni sul monumento visitato,
oggi è possibile fornire all’utente un semplice 
Computer indossato
(Wearable Computer),
o un “Personal Digital Assistant” (PDA) mediante
il quale le informazioni “
seguono” l’utente e non viceversa.

Nei sistemi in cui “le informazioni devono seguire gli
utenti
”, nasce il problema di fornire all’utente in movimento non
informazioni generiche, ma specifiche a seconda della sua attività nel momento
considerato, preferibilmente in modo automatico. Effettuando una prima, semplicistica
ipotesi, nella quale si associa l’attività svolta alla “
posizione”, ecco
che ci si trova, per adempiere a questi compiti, a parlare di 
localizzazione,
ossia di individuazione della posizione dell’utente in movimento (o, meglio,
della posizione del palmare in suo possesso). Le tecniche di localizzazione,
più o meno invasive, aprono la strada ai cosiddetti 
“Location Based
Services” (LBS),
 cioè ai servizi che permettono di fornire le
informazioni di cui l’utente necessita nel momento giusto, al posto giusto e
nel modo più semplice, rapido e opportuno.

Lo scenario che si apre è ovviamente vastissimo, andando
da servizi di pronto soccorso, che possono agire con maggior precisione e
quindi tempestività, ad operazioni più prettamente commerciali, come ad esempio
avvisi pubblicitari 
ad-hoc. In mezzo vi è un intero universo di
possibilità ed idee da sviluppare, limitato unicamente dalla fantasia e dal
rapporto precisione/costo dei sistemi di localizzazione impiegati. In tutti i
casi, comunque, bisogna fare in modo che gli LBS siano “ad alto valore
aggiunto”, ossia che portino reciproco “vantaggio” sia ai fornitori che ai
fruitori.

Da un punto di vista ingegneristico, il problema della
localizzazione riveste notevole interesse poiché, se da un lato si ha la
ricerca della migliore “performance”, in termini di precisione, accuratezza e
scalabilità, dall’altro sono presenti vincoli strutturali ed economici da cui
non si può prescindere.

Sono quindi nati e si sono sviluppati una serie di
sistemi di radio-localizzazione che permettono di tracciare con
estrema precisione la posizione di un utente che si muove nell’area coperta.

Alcuni di questi sistemi vengono ormai ampiamente
utilizzati negli ambienti outdoor (come ad esempio il GPS o GALILEO) ma negli
ultimi anni si sono sviluppati altri sistemi per aree indoor (come neuRFon e
Picoradio). Esiste inoltre la possibilità di implementare la funzione di
localizzazione sulla rete GSM, UMTS e su reti IP wireless IEEE 802.11. In
quest’ultimo caso il limite principale è dovuto al fatto che tale sistema non è stato
originariamente ideato per la localizzazione. Inoltre in letteratura è presente
una vasta documentazione relativa alla radio-localizzazione, ma è piuttosto
scarsa la quantità di articoli che riguarda l’implementazione della
localizzazione su reti IP wireless.

In ogni caso uno degli aspetti più innovativi legati alle
comunicazioni wireless è, come già detto, la gestione di servizi legati alla
posizione dell’utente mobile (
location based services). Già diffusi nel
campo della telefonia cellulare, sono ora allo studio applicazioni per ambienti
serviti da reti locali di comunicazione wireless quali musei, aeroporti, centri
commerciali, parchi per divertimenti, in cui l’utente possa essere guidato
ricevendo informazioni sul proprio terminale (cellulare, pocket PC, o ad hoc).
Tale servizio di radio-navigazione permette all’utente mobile di
usufruire dell’informazione sulla propria posizione al fine di spostarsi o
conoscere il percorso per raggiungere la destinazione.

Nel giugno del 1997, al termine di un lavoro lungo sette
anni, è stato approvato lo standard IEEE 802.11 con il quale vengono definite
tecnologie e meccanismi di livello fisico e MAC, necessari per il dialogo tra
dispositivi wireless e per la connessione ad una rete cablata. Inizialmente
l’interesse verso questa nuova tecnologia è stato limitato dai costi elevati e
dalle basse prestazioni raggiungibili sul canale radio (lo standard prevedeva
un data-rate massimo di 1 o 2 Mbit/s). Successivamente, i recenti progressi
nelle tecniche radio, le evoluzioni dello standard originale fino
all’ultima detta 802.11g(approvata nel luglio 2003 con la quale si raggiungono
velocità di trasmissione fino a 54Mbit/s) e la riduzione dei costi permettono
di sfruttare al meglio le potenzialità della tecnologia W-LAN, ponendola
come una seria alternativa alle reti cablate.

La flessibilità offerta dalle W-LAN permette di
definire una moltitudine di scenari, alcuni già esistenti ed altri futuri, nei
quali impiegare la tecnologia wireless come ad esempio l’accesso ad internet da
luoghi pubblici come campus universitari, aeroporti, alberghi e centri
conferenze per usufruire dei servizi presenti in rete o per accedere a reti
private.

In tali ambienti si può presentare l’esigenza di localizzare
i terminali mobili connessi alla rete wireless. I motivi di tale necessità
possono essere legati a sicurezza, protezione e controllo sia in ambito W-LAN
che in ambito industriale ed inoltre più semplicemente, come già detto in
precedenza, si consentirebbe anche di offrire all’utente un servizio di
“radio-navigazione”, a media-bassa mobilità, nell’area di copertura di una
W-LAN.

Il lavoro di tesi tratta la possibilità di implementare
la localizzazione su sistemi wireless basati sullo standard IEEE802.11g. Tale
standard infatti non definisce alcuna disposizione sia a livello hardware che a
livello di architettura di rete per una eventuale applicazione di
localizzazione. In particolar modo il lavoro sarà concentrato sul livello MAC
dello standard 802.11. Lo scopo quindi è quello di esaminare nel dettaglio
le caratteristiche del livello MAC che possano essere sfruttate per il fine
preposto e successivamentesviluppare un algoritmo di localizzazione per il
livello MAC 802.11. L’algoritmo sarà strutturato in modo tale da
soddisfare le esigenze che comportano l’utilizzo di questa tecnologia wireless
nel campo del posizionamento.

Analizziamo in maniera più dettagliata il lavoro di tesi
che si svilupperà nei seguenti capitoli:

· Capitolo 1 – Tecnologie di localizzazione delle
reti wireless indoor: verrà descritta la struttura di un generico sistema
di localizzazione; saranno poi analizzate alcune tecniche di localizzazione e
gli algoritmi di stima della posizione basati sulla triangolazione (algoritmi
tradizionali e algoritmi 
Pattern Recognition).

· Capitolo 2 – Standard IEEE 802.11g: sarà analizzato
dettagliatamente lo standard IEEE 802.11g; saranno esaminate in particolar
modo le differenti modalità di accesso del livello MAC (DCF e PCF) e le
differenti tecnologie del livello fisico ERP.

· Capitolo 3 – Modulazione OFDM: verrà
descritta la modulazione OFDM utilizzata nello standard 802.11g esponendo
in dettaglio le architetture di modulazione e demodulazione, le prestazioni,
l’equalizzazione, la sincronizzazione e le applicazioni.

· Capitolo 4 – Algoritmo di localizzazione
a livello MAC 802.11:verrà proposto un algoritmo per il livello MAC dell’802.11
per reti di tipo “network based” , dove un Access Point calcola la posizione
del terminale mobile comunicandola successivamente a quest’ultimo.

· Capitolo 5 – Simulazioni dell’algoritmo
proposto: l’algoritmo proposto è oggetto di una serie di simulazioni in
Matlab per verificarne le prestazioni e l’adattamento ad un sistema di
localizzazione; saranno quindi esposti i risultati ottenuti applicando
lasimulazione.

Saranno poi presenti due appendici, nella prima ci sarà
una descrizione delle caratteristiche e dei modelli dei canali trasmissivi
wireless affetti da multipath, mentre nella seconda saranno esposti i risultati
di una simulazione della fase DCF del MAC 802.11 fatta preliminarmente allo
scopo di valutare meglio alcuni parametri utilizzati nella simulazione
dell’algoritmo di localizzazione proposto

PUBBLICAZIONE SULLA IEEE

Il presente link vi porta direttamente alla  pagina di pubblicazione della IEEE

SIMULATORE ALGORITMO DI LOCALIZZAZIONE A LIVELLO MAC 802.11G

Archivio contenente la simulazione realizzata in Matlab e i risultati ottenuti dalla simulazione in fogli Excel.
Autore della simulazione MATLAB: Graziano Nardelli

TESI – SERVIZI DI LOCALIZZAZIONE A LIVELLO MAC 802.11G

Archivio contenete i vari capitoli della tesi in file word.

WEBINAR MATLAB: 802.11B DESIGN WITH SIMULINK

Il presente webinar describe accuratamente un applicazione MATLAB con l’utilizzo dello standard IEEE 802.12