Térbeli folyamatok elemzése WiFi alapú virtuális szenzor hálózattal

Térbeli folyamatok elemzése WiFi alapú virtuális szenzor hálózattal Gál Zoltán 1 Balla Tamás 2 Sztrikné Karsai Andrea 3 Kiss Gábor 4 1 IT igazgató, Debreceni Egyetem TEK, ZGal@unideb.hu 2 PhD hallgató, Debreceni Egyetem IK, Balla.Tamas@it.unideb.hu 3 Informatikai munkatárs, Debreceni Egyetem ISZK, Karsai.Andrea@it.unideb.hu 4 Informatikai munkatárs, Debreceni Egyetem ISZK, Kiss.Gabor@it.unideb.hu Abstract: The wireless LAN network scaling needs a relatively difficult designing task. Several methods of measurement and evaluation exists for the execution of this task. In this paper a new method of WiFi system design is presented based on intelligent, controller managed IEEE 802.11a and IEEE 802.11b/g system. The basic concept of the method is to utilize the base stations as intelligent sensors and capture the noise intensity at each radio channel periodically. The physical locations of the new base stations can be set using these sampled intensity values and executing mathematical evaluation. Bevezetés A Magyarország-Románia Határon Átnyúló Együttműködési Program 2007-2013 nevű program keretében a Debreceni Egyetem és néhány romániai felsőoktatási intézmény az elmúlt években több közös projektek hajtott végre. Az elmúlt időszakban több szolgáltatás valósult meg, amelyeknek részleteiről más konferenciákon már beszámoltunk (GÁL Z. ONICĂ M. 2010; GÁL Z. ONICĂ M. 2011). Ezek multimédia stúdió (Internet TV, Internet képrádió), virtuális privát hálózat (VPN), HD minőségű videokonferencia rendszer, 130 bázisállomásos beltéri WiFi rendszer, 3000 mellékes IP telefonközpont cseréje témájú fejlesztéseket jelentettek. A legújabbi futó, ugyancsak HURO projektünk keretében a Debreceni Egyetem Tudományegyetemi Karok öt campusán a további 150 darab bázisállomást magába foglaló WiFi szolgáltatással az érintett területeken elsősorban kültéri, valamint további beltéri lefedettséget is meg fogunk valósítani 2013. év második felében. Mivel ez a rendszer a már kifejlesztett beléri WiFi szolgáltatás kiegészítése, komoly elemzést igényel a kültéri WiFi szolgáltatást nyújtó bázisállomások fizikai elhelyezésének megtervezése. Ennek a problémának a megoldása belső erőforrásokból a leleményességre és a helyi adottságokra alapozva történik. A feladat sokkal komplexebb, mint ahogy az első megközelítésben látszik. Ennek oka, hogy az ISM (Industrial-Sciencemedical), 2,4 GHz és 5 GHz frekvencia sávú mikrohullámú csatonákban éppen a törvény szerinti szabályozatlan frekvenciahasználat miatt nagyon sok zajforrás létezik. Így a probléma már nem csak egy huzalos hálózatbővítési tervezést, hanem a fizikai környezetben lévő egyéb zajforrások tevékenységének hatását is figyelembe kell venni. Ehhez a rendelkezésünkre álló, térben 205

elosztott szenzor rendszerünkkel az ISM frekvencia spektrum elemzését végeztük el. A cikk második fejezetében ismertetjük a legnépszerűbb gyártók WiFi tervezési és implementációs ajánlásait. Ezután a WiFi csatonákon jelentkező zaj tulajdonságait mutatjuk be. A negyedik fejezet az általunk kialakított és a projekt során a gyakorlatban alkalmazott tervezéshez felhasználható térbeli folyamat elemző megoldást részletezi. Az utolsó fejezetben röviden a talapsztalatokat és a továbbfejlesztési lehetőségeket foglaljuk össze. WiFi tervezési megoldások a gyakorlatban A gyakorlatban a vezetéknélküli hálózatok tervezése koránt sem egyszerű folyamat. Figyelembe kell venni számos tényezőt a tervezés során, mint például a 2,4 Ghz vagy 5 Ghz frekvenciatartományok külön-külön vagy egyidőben történő használtatának választása. Habár az IEEE 802.11a, illetve IEEE 802.11b/g technológiák szabványosak és a kereskedelemben széles körben érhetők el ezeket alkalmazó kommunikációs termékek, ennek ellenére a az 5 GHz-es átviteltechnika használata kisebb mértékben terjedt el. Ennek legkézenfekvőbb oka az, hogy a gyártók által készített vezeték nélküli infokommunikációs termékek közül a magasabb ISM frekvencia tartományban működő interfészek előállítási költsége magasabb. Ugyanakkor mivel a 2,4 GHz frekvencián működő technológia (b/g) minden WiFi berendezés de-facto szabványa, így sokkal népszerűbb annak ellenére, hogy a víz melegítésére használt mikrohullámú sütők vagy zártláncú megfigyelő kamerák, illetve a háztartásban használatos egyéb berendezések is ugyanebben a tartományban működnek. Mindezek zajforrásként jelennek meg a b/g szabványű WiFi csatornákon, ezért interferenciát okoznak, gyengítve ezáltal a rádiós csatorna áteresztő képességét. A b/g WiFi technológia esetén kevesebb olyan csatornával dolgozhatunk, ahol nincs interferencia. Erre vonatkozó ajánlásokat sok helyen találhatunk, viszont a komplex és átvogó elemzés miatt a Forte és társai által (FOR- TE, G. A. et al. 2008) készített cikkre hivatkozunk. Adott fizikai térrészben alkalmazott, megfelelő lefedettséget biztosító WiFi technológia eldöntése mellett a felhasználói, mobil csomópontok által igényelt sávszélességet is tervezni kell. Ma már az okos telefonok katergórájába eső mobil terminálok is képesek nagy sávszélesség igényű multimédiás forgalmakat generálni. Emiatt az egy hot-spot, vagy hot-zone területre alkalmazott felhasználói szám tervezésénél a 2-5 Mb/sec felhasználónkénti átlagos sávszélesség igényt indokolt figyelembe venni. A tervezésnél célszerű az egyes frekvencia csatornák szerint hőtérképet, és spektrum analízist készíteni a kialakításra kerülő WiFi zónákra vonatkozóan. A mérések során feltérképezhetjük az egyéb, interferenciát 206

okozó eszközöket is. Több gyártó javasolja, hogy vezetéknélküli hálózatok telepítése előtt mindenképpen végezzünk el többféle tesztet, vizsgálatot. Jó példa erre a Cisco cég (FLORWICK, J. et al. 2011) ide vonatkozó ajánlása is. Manapság már elterjedtek az ún. WLAN kontroller vezérelt megoldások, amelyek központilag vezérelt struktúrába szervezik a bázisállomásokat. A kontrollerek bizonyos esetekben beavatkozás nélkül szofisztikált algoritmusok segítségével elemzik a rádiós közeget, és szükség esetén be is avatkoznak az egyes bázisállomások által kisugárzott rádiós energia intenzitásának szabályozásába annak érdekében, hogy optimalizálják a szomszédos hotspot-ok rádiós csatornáinak kihasználtságát. Ezzel a felhasználói igénytől függően dinamikusan vezérlik a fizikailag szomszédos bázisállomások csatorna kiosztását és intenzitását. Ezen algoritmusok működését tesztek segítségével időnként ellenőrizni kell azért, hogy az adatátviteli sebesség és a csatornákkal, mint kommunikációs erőforrásokkal való gazdálkodás maximális szinten való tartása garantált legyen. Az erre vonatkozó hatékony megoldásokat több tudományos cikk is részletezi (RAGHAVENDRA, R., et al. 2007). A WiFi csatornák zajviszonyának jellemzői A WiFi hálózatok működésének hatékonyságát, az elérhető sávszélességet nagy mértékben ronthatják a nem WiFi forrásból származó, ugyanazon frekvencia tartományban üzemelő különféle eszközök (mikrohullámú sütő, adapterek, stb.). Ezek esetenként nagyobb hatással vannak az elérhető sávszélességre, mint akár a nem menedzselt WiFi eszközök. A WiFi szabvány beépített funkciója, hogy a WiFi hálózaton belül a bázisállomás körüli fizikai térrészben azonos csatornán kommunikáló felhasználók rádiós forgalma interferálni fog egymással. Így a WiFi szolgáltatást nagyon engedékenynek tervezték, szinte minden azonos frekvenciájú jellel szemben. Az azonos frekvencia tartományban működő egyéb (nem-wifi) eszközök nem követik ezt az elvet, így problémát okoznak a normál WiFi számára. A WiFi csatorna működése szempontjából a bázisállomás, illetve a mobil terminálok által érzékelt energia két csoportba kategorizálható: Hasznos jel: olyan energia, amely demodulálható, vagyis WiFi szempontból értelmezhető impulzus sorozat; Zaj: minden egyéb érzékelhető energia. A rádiós kommunikáció során továbbított információ értelmezhetőségét a jel/zaj viszon mértéke határozza meg. A nem-wifi forrású interferencia WiFi hálózatra gyakorolt negatív hatása logaritmikus jellegű. Ezen túl minél intenzívebb WiFi forgalom zajlik a környezetben, annál negatívabb a nem WiFi forrásból származó jel hatása. Kis forgalmú WiFi hálózatban a hatás elenyésző lehet, hiszen jut csatorna erőforrás (frekvencia és idő) mindkét jelforrás számára. Intenzív WiFi forgalom esetén azonban viszonylag kis 207

erősségű, nem-wifi forrásból származó jel is jelentős negatív hatást gyakorol (FLORWICK, J. et al. 2011). Ezért kritikus fontosságú a minőségi WiFi szolgáltatás érdekében a nem-wifi forrásból származó zajok beazonosítása, és megfelelő kezelése. Általánosan megkövetelt, hogy a használt különböző csatornák között legalább 25 Mhz frekvencia távolság legyen, (például az IEEE 802.11b esetén az 1. és 6. csatorna). Nyilvánvaló okok miatt ezeket nem átfedő csatornáknak hívják. Azonban kimutatható, hogy ilyen esetekben is történik interferencia, ha a küldő és fogadó oldal egymáshoz túl közel (néhány 10 cm, esetleg 1-2 m) távolságra van. (FUXJAGER, P. et al. 2007). Az is kimutatható, hogy 20 Mhz-en belüli távolságra lévő csatornák esetén a frekvencia különbség növelésével jelentős átviteli minőség növekedés érhető el IEEE 802.11b szabvány esetén, míg az IEEE 802.11g szabvány esetében ez nem jelentős mértékű. (KAWADE, S. et al. 2007). Kültéri WiFi rendszer szenzor alapú tervezési módszere Mint ismeretes, egy meglévő WiFi hálózat bővítése úgy célszerű, hogy az adott környezetben esetlegesen létező, le nem fedett területekre is bázisállomásokat helyezünk el. Ezek fizikai helyének megválasztásánál nem csak az igényeket, hanem a lehetőségeket (rögzítési helyek, huzalos vagy huzal nélküli kapcsolódási lehetőségek a gerinchálózathoz, stb.) is fel kell mérni. Mindezek mellett nagyon fontos szerep jut a zaj intenzitása térbeli és időbeli jellemzőinek meghatározására is. Ennek a problémának a megoldására a Debreceni Egyetem központi campusán (4032 Debrecen, Egyetem tér 1.) frissen telepített IEEE 802.11 rendszer térben elosztott 57 darab intelligens WiFi bázisállomását használtuk fel az egyetemi campus kültéri WiFi szolgáltatásának továbbtervezéséhez szükséges zajértékek méréséhez. A kontroller által vezérelt bázisállomások midegyike egy-egy szenzorként működik, amelyek folyamatos, huzalos LAN kapcsolatban állnak a kontrollerrel és képesek közvetíteni az érzékelt pillanatnyi zaj intenzitását is. Mivel a telepített rendszer beltéri, ezért a bázisállomások az épületek különböző emeletein helyezkednek el. A campus bázisállomásainak ilyen módon történő térbeli elhelyezkedése lehetővé teszi, hogy a kültérre tervezett bázisállomások potenciális helyszínének koordinátáit a tapasztalt zaj figyelembe vételével válasszuk meg (1. ábra). A mintavételező gép egy napon keresztül T=60 sec időközönkénti etapban SNMP v2 kérelem segítségével kérte le a kontrollertől a következő értékeket: A kontroller által érzékelt bázisállomások indexelt listája; A bázisállomások által minden csatonán érzékelt zaj szintje [db] értékben. 208

1. ábra Campus szintű meglévő WiFi szenzor hálózat felülnézeti, illetve perspektíva nézete (Debrecen, Egyetem tér 1.). A tömör pontok a beltéri bázisállomások, a körök pedig a bázisállomások vetülete a talajszinti síkra. A mintavételező gép az etap-időben az indexek alapján egyesíti bázisállomásonként és csatornánként az érzékelt zaj szintjét. Etaponként mind a két SNMP kérés táblázat típusú MIB objektumra vonatkozik, így az SNMP szerver funkciójú kontroller a teljes táblázatot küldi el több üzenet segítségével. 2. ábra A zaj mérési módszere. A mintavételező gép periódikusan elküldi az SNMP v2 kérelmeket a WiFi kontrollerhez, amely a bázosállomások állapot információját visszaküldi. Mindegyik rádiós csatornán érzékelés történik. A mintavételező gép és a kontroller közötti huzalos hálózat terhelése, a kontroller, valamint a mintavételező gép pillanatnyi terhelése befolyásolja a mérés pontosságát. A mérési folyamatot azonban lényeges mértékben segíti az a tény, hogy csak a kontrollert kell lekérdezni a bázisállomások által értzékelt zaj mintavételezéséhez. A mintavételezés periódusa esetünkben 2,7% relatív szórással történt, ami 57 darab bázisállomás és 29 darab rádiós 209

csatorna (IEEE 802.11 a/g: 13 db csatorna, IEEE 802.11 a: 16 db csatorna) lekérdezésénél, azaz 1653 darab egyszerre kezdeményezett mintavételezésnél jó pontosságnak számít (3. ábra.) egy viszonylag lassan változó mennyiség (zajszint) elemzéséhez. A percenkénti etapok száma az egy nap alatt: 1440. 3. ábra A mintavételezési idő (T). A mintavételek elhanyagolható ingadozással érkeznek be a mérés 24 órás időtartama alatt. T=60 sec, T_átlag=59,99 sec, T_szórás=1,64 sec. A cél az időtől és helytől független, kielégítő minőségű kültéri WiFi szolgáltatás nyújtása a felhasználóknak. Ehhez az optimális, azaz minimális zajszinttel jellemzett síkbeli pontokat keressük, amelyek kültéren adott magasságban (z=4 m magasan) helyezkednek el. Mivel azonban a beltéri bázisállomások, mint zaj érzékelő szenzorok csak bizonyos, rögzített koordinátákban állnak rendelkezésre, interpolátásra van szükség a zaj térbeli elemzéséhez. Adott T-edik etapban a virtuális szenzorokkal mért zajértékekből a viszonyítási O-ponthoz képest v= OM távolságra lévő, térbeli M pontban interpolációval meghatározott, N(v) zajszint kiszámolása az alábbi összefüggések segítségével történik: (1) (2) Az (1) és (2) alapján automatikusan következik az alábbi összefüggés is: (3) Ismerve a T-edik etapban csatornánként az 57 darab virtuális szenzor által mért mennyiséget, vagyis az 57 darab rögzített térbeli pontban a zajszin- 210

tet, a (3) összefüggésre alapozva a köztes térbeli pontokban interpolációval számolható ki a becsült zajszint értéke. Jelen esetben csak a z=4 m magasságban vagyunk kíváncsiak a zajszintre, mivel ilyen magasságban lesznek telepítve az új kültéri bázisállomások. Az 1 méteres felbontású rácspontokban az 1440 etap alatt érzékelt zajszint átlagát és szórását az 1., illetve 29. csatornán az alábbi ábrák mutatják (4. ábra, 5. ábra). 4. ábra Az 1. és 29. WiFi csatorna egy nap alatt érzékelt zajszint átlagának perspektíva nézete (Debrecen, Egyetem tér 1.). 5. ábra A 29. WiFi csatorna egy nap alatt érzékelt zajszint átlagának, illetve szórásának perspektíva nézete (Debrecen, Egyetem tér 1.). Tapasztalatok, összefoglalás A WiFi rendszerek skálázása során jelentkező tervezési nehézség egy globális probléma. Erre különböző cégek komplex és költséges elemző- 211

tervező rendszereket alkalmaznak a gyakorlatban. Az itt bemutatott módszer lehetővé teszi egy meglévő intelligens WiFi rendszer segítségével a lefedettség lépcsőzetes skálázását. A továbbiakban érdemes lesz megvizsgálni a térbeli pontokban az zajszintek időbeli korrelációját, valamint modellt alkotni a zaj időbeli változásának mélyebb szintű feltárása céljából. Köszönetnyilvánítás Jelen publikáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2.C-11/1/KONV-2012-0001 (Future Internet Research Services and Tecnologies FIRST), illetve a HURO/1101/074/1.2.1 (Joint Cross-Border Internet Communication System of the University of Debrecen and Politehnica University of Timisoara - JCBICS-UDPUT) projektek támogatták. A projektek az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósultak meg. Irodalom FLORWICK, J. WHITEAKER, J. CUELLAR A. A. WOODHAMS, J. (2011): Wireless LAN Design Guide for High Density Client Environments in Higher Education. White paper, Cisco Public Information, http://www.cisco.com/en/us/prod/collateral/wireless/ps5678/ps10981/desi gn_guide_c07-693245_ps11983_products_white_paper.html#wp9001274 FORTE, G. A. SCHULZRINNE, H. (2008): Deployment Guidelines for Highly Congested IEEE 802.11b/g Networks, ISBN: 978-1-4244-2027-8, pp. 1-6. FUXJAGER, P. VALERIO, D. RICCIATO, F. (2007): The Myth of Non- Overlapping Channels: Interference Measurements in IEEE 802.11, Wireless on Demand Network Systems and Services, WONS '07, pp. 1-8. GÁL Z. ONICĂ M. (2010): A Debreceni Egyetem és a Nagyváradi Egyetem WiFi alapú helymeghatározó rendszere, Térinformatikai konferencia és szakkiállítás konferencia kiadványa, Debrecen, ISBN: 978-963-06-9341-7, pp. 339-346. GÁL Z. ONICĂ M. (2011): A Debreceni Egyetem és a Nagyváradi Egyetem közös intelligens intranet rendszere, Térinformatikai konferencia és szakkiállítás konferencia kiadványa, Debrecen, ISBN: 978-963-318-116-4, pp. 107-112. KAWADE, S. HODGKINSON, T. G. ABHAYAWARDHANA, V. S. (2007): Interference Analysis of 802.11b and 802.11g Wireless Systems, Vehicular Technology Conference, 2007. VTC-2007, pp. 787-791. RAGHAVENDRA, R. BELDING, E. M. PAPAGIANNAKI, K. KEVIN C. A. (2007): Understanding Handoffs in Large IEEE 802.11 Wireless Networks, ISBN: 978-1-59593-908-1, pp. 333 338. 212