METODI DI LOCALIZZAZIONE

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1 METODI DI LOCALIZZAZIONE Angolo di arrivo (AOA) la posizione è determinata dalla direzione dei segnali in entrata inviati da altri trasmettitori la cui posizione è nota. Tecnica di triangolazione i per calcolare l la posizione i del dispositivo. Cell Identity (CI) copertura radio di una cella (zona) nota per individuare la posizione di un dispositivo mobile. Precisione scarsa per celle larghe causata dalla presenza di oggetti e del contesto interno, che causano multi-path e le riflessioni del segnale Orario di arrivo (TOA) metodo che misura l'andata e ritorno in tempo di un segnale. La distanza da un dispositivo mobile a tre dispositivi iti i fissi i è stimata t con l' intersezione i delle circonferenze di trasliterazione. Accuratezza elevata, richiede orologi molto precisi, piccoli errori corrispondono a grandi errori stima in distanza. Potenza del segnale utilizza le proprietà di attenuazione dovute a propagazione del segnale per stimare la posizione di un dispositivo mobile. Utilizza le informazioni ed i dati per determinare la posizione tramite un algoritmo. Procedura molto lunga. 1

2 RADIOLOCALIZZAZIONE: processo tramite il quale si cerca di stimare la posizione di un determinato ricevitore mobile, sul piano o nello spazio, mediante l uso delle informazioni trasportate dai segnali inviati da dei trasmettitori posti in punti noti dello spazio. METODI DI STIMA DELLA POSIZIONE

3 RS ID: la posizione i del terminale viene associata a quella della stazione di riferimento RS più vicina. Si tratta di un metodo di prossimità la cui accuratezza aumenta all aumentare del numero di RS. SIGNAL STRENGTH ANALYSIS: determina la posizione a partire dalla potenza del segnale ricevuto. Nota la legge con cui questo si attenua si ricava la distanza dalla singola RS. Occorre un numero minimo di RS pari a 3per effettuare la triangolazione dei dati

4 ANGLE OF ARRIVAL: stima la direzione del segnale proveniente da almeno 2 RS. La precisione di questo metodo è inversamente proporzionale alla distanza tra Rx e Tx. Detto φ i l angolo di arrivo dalla RS i-esima del segnale trasmesso rispetto ad un asse di riferimento la retta su cui giace il mobile ha equazione risolvendo il sistema di equazioni per i = 1, 2 si ottengono le coordinate del mobile

5 TIME TO ARRIVAL: noto il ritardo di propagazione si risale alla distanza attraverso la relazione esistente tra spazio e tempo; necessita di un numero minimo di RS pari a 3 ed il sincronismo di tutti i terminali. Noto il ritardo di propagazione t i rispetto alla BS i Risolvendo il sistema di tre equazioni si trova

6 TIME DELAY TO ARRIVAL: schema alternativo al precedente TOA presenta il grande vantaggio di non richiedere la conoscenza dell istante di trasmissione. Si basa sulla conoscenza della differenza dei ritardi di trasmissione e necessita di un numero minimo di RS pari a 3; detti e i ritardi rispettivamente della i- esima e j-esima RS, viene calcolata la differenza tra i due tempi e posto la differenza delle distanze associate a tali ritardi, le coordinate del mobile devono soddisfare la seguente relazione

7 LOCALIZZAZIONE BASATA SU CROSS CORRELAZIONE Principali problemi per la propagazione dei segnali in ambiente indoor: Forte attenuazione; Propagazione multipath; I metodi principali: RSSI; TOA o TDOA; CROSS CORRELAZIONE Ipotizzando la trasmissione di un Dirac, due ricevitori posti a distanze differenti riceveranno un segnale ritardato: c = r( τ ') r ( τ τ ') dτ ' = γ γ δ( τ ( τ τ )) 1, TDOA d = Δτ C 0 Se la posizione tra sorgente e ricevitore crea un certo angolo allora la misura della distanza dovrà essere corretta da un fattore proporzionale al coseno di questo angolo; poiché non si conosce a priori questo angolo, il tutto viene trattato in modo statistico. 2 1 p ( d) = K0 d d 2 d d π 2 F d = arcsin d 1 d d π d

8 LOCALIZZAZIONE CON SEGNALI ULTRA WIDE BAND I vantaggi offerti dai segnali UWB sono molteplici li i ma il più rilevante in ambiente indoor, è che una banda larga contiene molte più frequenze e quindi è maggiormente probabile che alcune di queste riescano ad attraversare ostacoli come muri o pavimenti. Metodi di localizzazione: AOA: INUTILE visto la grande quantità di segnali riflessi presenti (multipath) che renderebbero impossibile la determinazione dell angolo di arrivo; RSSI: POCO UTILE poiché la determinazione della distanza viene calcolata in funzione dell energia ricevuta da segnali che si propagano in un ambiente fortemente disturbante; TOA: UTILIZZATO NELLA PRATICA in quanto, come visto precedentemente, dal CRLB si ottiene che la banda larga migliora le prestazioni di questo sistema;

9 LOCALIZZAZIONE BASATA SU SISTEMI RFID L RFID è una tecnologia per l identificazione a distanza di persone o oggetti basata sulla capacità di interagire a distanza con dispositivi dedicati noti come TAG oppure Transponder. Sensore ATTIVO Sensore PASSIVO Quattro modelli per la localizzazione basata su RFID: 1. Il trasmettitore posizionato sulla persona e la stima è basata sugli RSSI forniti dai vari ricevitori; 2. Il ricevitore è posto sulla persona e stima la distanza in funzione degli RSSI calcolati in funzione dei vari trasmettitori; 3. La persona oppure oggetto porta un transceiver e scambia informazioni con gli altri oggetti; 4. Noto come Transceiver free, la localizzazione viene fatta a partire dalle informazioni di RSSI dell ambiente;

10 L algoritmo di stima analizzato fonde le prestazioni fornite dalla stima Bayesiana insieme con quelle fornite dall algoritmo LANDMARK. L accuratezza di stima del primo può essere molto elevata quando l errore di misura è piccolo, mentre l accuratezza del secondo algoritmo non è molto elevata anche se può essere limitata in un certo intervallo. L unione dei due consente di ottenere prestazioni che sono la fusione delle prestazioni dei singoli. Y K sono le coordinate dell oggetto calcolate con l algoritmo LANDMARK e D 3 è la distanza tra Y K e X K. Dove C è una costante e f (x y) è una funzione non lineare Si vuole trovare il valore (x y) che massimizza Dove C è una costante e f i (x,y) è una funzione non lineare. Si vuole trovare il valore (x,y) che massimizza la p(x,y) quindi tramite uno sviluppo in serie di Taylor si ricavano le redivate parziali che uguagliate a zero massimizzano tale probabilità.

11 LOCALIZZAZIONE A RADIO FREQUENZA RAPIDA DIFFUSIONE grazie al massiccio i utilizzo delle reti wireless che costituiscono i l architettura di base per tale sistema; SI NECESSITA SOLAMENTE DI AGGIONAMENTI SOFTWARE. I VALORI DI RSSI VENGONO IMMAGAZZINATI IN DATA BASE APPOSITI IN FORMATO STANDARD NOTO COME FINGERPRINT FINGERPRINT INDIRIZZO MAC VALORE RSSI DUE GRANDI CLASSI DI SISTEMI DI RADIOLOCALIZZAZIONE: BASATO SULLA COSTRUZIONE DI MAPPE RSSI: viene creata una mappa della distribuzione spaziale dei livelli di RSSI calcolata mediante modelli analitici di propagazione come il ray tracing, tenendo in considerazione la morfologia dell ambiente; BASATO SU MODELLO DI CANALE E RSSI: viene stimata la distanza tra nodi mobili e fissi mediante l uso di un modello di propagazione che considera l attenuazione e riflessione dovuta alle pareti e pavimenti. La stima di distanza è molto più efficiente e consente l utilizzo di uno stimatore ML.

12 I SISTEMI AVL e AVM I sistemi AVL (Automated Vehicle Location): provvedono a rilevare, monitorare e tracciare la localizzazione geografica dei veicoli sul territorio in tempo reale, integrando la tecnologia di posizionamento satellitare (GPS) con i sistemi informativi geografici (GIS) IsistemiAVM(Automatic Vehicle Monitoring): hanno il compito di monitorare lo stato operativo dei veicoli, rilevando e tracciando un insieme di informazioni e di parametri (stato di fermo/in moto, velocità, accelerazione, livello carburante, livello olio ecc.)

13 ARCHITETTURA SISTEMI AVL AVM Centrale operativa: raccoglie, integra e rende fruibili i dati di localizzazione e monitoraggio rilevati e trasmessi dai Sistemi di Bordo. Può interfacciarsi con altri sistemi di gestione della flotta per scambiare informazioni utili alla pianificazione eal monitoraggio. Sistema di bordo: rileva i dati e le informazioni relative alla localizzazione ed allo stato del veicolo e li trasmette alla Centrale Operativa, autonomamente e/o a richiesta. Può svolgere sia le funzioni tipiche AVL/AVM oppure integrare ulteriori funzioni (esempi: navigatore satellitare, cellulare, ecc.) Rete di comunicazione: supporta il trasferimento dati fra il veicolo e la centrale operativa. Dunque si utilizzano reti di comunicazione wireless di diverse tipologie (ad esempio GPRS), pubbliche e/o proprietarie

14 SISTEMI AVL AVM Per localizzare la flotta vengono utilizzati dei ricevitori GPS, montati ti sui veicoli, che una volta calcolata l la posizione ii inviano, attraverso un apposita rete di comunicazione, i dati alla centrale di controllo che utilizza interfacce GIS per elaborare le informazioni e visualizzare le unità mobili sul territorio GPS Rete di comunicazione i GIS MA QUALE E LA RETE DI COMUNICAZIONE MIGLIORE? GSM/GPRS UMTS WI FI UWB

15 TECNOLOGIE A CONFRONTO OUTDOOR INDOOR PRECISIONE COPERTURA NAZIONELE GSM/GPRS UMTS WI FI UWB Ad Hoc Massimo Minimo

16 TECNOLOGIE RADIOMOBILI AFFIDABILTA VELOCITA MASSIMA VELOCITA REALE MEDIA COSTI QoS GSM/GPRS EDGE alta (perché sfrutta l infrastruttura GSM) Kbps Kbps bassi (commutazione a pacchetto) garantita alta (perché sfrutta l infrastruttura tt 384 Kbps Kbps medi (commutazione garantita GSM) a pacchetto) UMTS media alti flessibili garantita (strutture nuove, 2 Mbps Kbps (sia in termini di (Streaming copertura non tariffazione che Conversationl Interactive completa) di installazione) Blackground) Wi Fi bassa 54 Mbps (802.11g) 11/12 Mbps medi assente

17 LA TECNOLOGIA GPRS UTILIZZO OTTIMALE DELLE RISORSE DI RETE commutazione a pacchetto divisione risorse di rete tra diversi utenti DATA TRANSFER RATE ELEVATI velocità max Kbps con 8 TS uso di più TS per utente ALWAYS ON CONNECTIVITY connessione logica attiva,, utilizzo risorse fisiche quando necessario 17

18 LA TECNOLOGICA GPRS ACCESSO ALLA RETE E OTTIMO SUPPORTO PER APPLICAZIONI ROBUSTE GPRS come estensione wireless della rete internet Identificazione tramite indirizzo IP INDIRIZZAMENTO IP DINAMICO Diminuzione di indirizzi disponibili Limitazione sul numero di utenti QUALITY OF SERVICE (QoS) Basata su i seguenti attributi: COSTI Precedenza, ritardo, affidabilità, portata Tariffazione a volume e non su scale temporale

19 APPLICAZIONI Architettura di un generico sistema utilizzato in AVL AVM Attualmente l uso del Wi-Fi è limitato alla trasmissione in stazionamento e non in mobilità

20 DAL GPS AL WI-FI Soluzione Wi-Fi: posizione geografica mediante triangolazione di hotspot Wi-Fi anziché satelliti GPS DEVICE INDOOR OUTDOOR WPS 97 % 98,8 % GPS 80,4 % 99,4 % Si misura l'intensità del segnale radio di ogni hotspot e si confrontano i valori con quelli contenuti in un apposito archivio. La posizione precisa di ogni hotspot deve essere verificata periodicamente. Il vantaggio è che non si richiede alcuna connessione alla rete wireless. SKYHOOK

21 SKYHOOK - XPS XPS è un software che consente di localizzare un qualsiasi dispositivo mobile con tecnologia Wi-Fi, GPS o GSM con una precisione che va dai 10 ai 20 metri. WPS: è il sistema di localizzazione basato su Wi-Fi Automated Self-Healing Network Periodic Rescan GPS si ottiene un accuratezza dell ordine dei 10 m Cell Tower

22 ARCHITETTURA DEL SISTEMA XPS Il sistema XPS è formato da due principali componenti per gestire il processo di localizzazione: il Mobile Location Client (MLC) e l XPS Location Server L MLC esplora l area di interesse ricercando i dispositivi Wi FI e fornisce la scansione all MLS. Gestisce il consumo di energia, la connettività dell MLS e la raccolta dati. L MLS è da supporto all MLC. Fa uso di algoritmi di posizionamento per determinare la posizione esatta restituendola al dispositivo wi fi

23 PERFOMANCE DEL SISTEMA XPS Utilizzando la combinazione di access point Wi Fi, satelliti GPS e torri cellulari si ottengono prestazioni ottimali del sistema XPS di posizionamento sia per zone altamente popolate che in ambienti indoor Migliorare l accuratezza di WPS del 35 % in ambienti difficili facendo leva solo su due segnali provenienti da satelliti GPS Nell ambiente urbano XPS utilizza segnali deboli GPS e WPS per acquisire una posizione per il 100% del tempo (A-GPS lavora solo il 70% del tempo) XPS ibrido offre una completa localizzazione in 4 secondi (rispetto ai 30/60 secondi per A-GPS) La combinazione dei segnali GPS e WPS facilita le tecniche di rilevamento che riducono anche il jitter.

24 .PERFOMANCE DEL SISTEMA XPS COPERTURA Nord America Europa Asia Access point a Chicago Area urbana: Area metropolitana: Area metropolitana: San Francisco Parigi Boston