Tecniche di LOCALIZZAZIONE

Una survey ragionata

Realizzato da: Adriana Lombardo, Fulvia Favore, Mattia Mori

Anno Accademico 2011/2012

Corso di Ubiquitous Computing / Sistemi Context Aware

Focus on

a. PARAMETRI DI LOCALIZZAZIONE b. SISTEMI DI COORDINATE c. CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE d.TECNOLOGIE DI LOCALIZZAZIONE

I sistemi di localizzazione

ACCURATEZZA PRECISONE SCALABILITA'

PARAMETRI DI UN SISTEMA DI LOCALIZZAZIONE

massimo dettaglio in termini di posizione ottenibile dal sistema numero di volte il sistema risponde con quell’accuratezza numero di “elementi” localizzabili e quantità di risorse necessarie a tal fine

Sistemi di coordinate

SISTEMI DI RIFERIMENTO

COORDINATE GEOGRAFICHE

COORDINATE LOCALI

COORDINATE ASSOLUTE

COORDINATE RELATIVE

Sistemi di coordinate

COORDINATE GEOGRAFICHEIdentificano in modo univoco la posizione di un punto sulla superficie terrestre (es. GPS).Esse sono: latitudine, longitudine, altitudine

COORDINATE LOCALISistema di coordinate scelto a priori localmente rispetto all’ambiente nel quale si opera e mediante il quale si identificano tutti gli oggetti di interesse

Sistemi di coordinate

COORDINATE RELATIVEogni oggetto possiede il proprio sistema di riferimento, non valido per gli altri.

COORDINATE ASSOLUTEsi ha un unico sistema di riferimento condiviso e interpretabile da tutti gli oggetti dello spazio di interesse.

Basi della localizzazione

TRIANGOLAZIONE In molti sistemi, l’opera di localizzazione è basata sulla cosiddetta “triangolazione” di informazioni provenienti da terminali dell’infrastruttura. Calcola le coordinate del nodo in relazione a nodi ancora di coordinate note. La triangolazione usa proprietà geometriche e si presenta sotto due forme, chiamate “Lateration” e “Angulation”.

Basi della localizzazione LATERATION La lateration di un punto incognito X si basa sull’ utilizzo di distanze relative rispetto a punti noti e non allineati. In ambito 3-dimensionale, i punti necessari saranno 4.

Basi della localizzazione

ANGULATION Simile alla lateration eccettuato il fatto che utilizza angoli e distanze. In generale, nel caso bidimensionale, è necessario conoscere una distanza (ad esempio quella fra gli oggetti dell’infrastruttura) e due angoli.

Nel caso tridimensionale sono invece necessarie:

● una lunghezza● due angoli ● misura di Azimuth

(ovvero altezza sopra l’orizzonte)

Classificazione dei sistemi di localizzazione

OUTDOOR: tecnologie che permettono la localizzazione nell’ambito di ambienti aperti

INDOOR: tecnologie che, viceversa, permettono la localizzazione in ambienti chiusi

sistemi satellitari (es. GPS), punti di accesso Wi-Fi, reti cellulari (es. GSM, UMTS, LTE).

SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE E AMBITO DI APPLICAZIONE

Wi-Fi, reti di sensori wireless che utilizzano segnali radio a banda ultra-larga (ultra wideband, UWB)

Sistemi di Radiolocalizzazione Richiedono la misura di una (o più) grandezze (location parameters) relative alla posizione del dispositivo mobile, in modo da rendere possibile la stima della posizione del terminale. Ogni valore misurato consente di individuare una curva nel piano (line of position) sulla quale può trovarsi il dispostivo mobile (MS) rispetto alla Stazione di riferimento (RS) considerata. L’intersezione delle varie lines of position relative a diverse coppie MS-RS consente di individuare la posizione del mobile.

Classificazione dei Metodi di Localizzazione

● CELL ID BASED ● SIGNAL STRENGTH ANALYSIS

● AOA: ANGLE OF ARRIVAL

● TOA: TIME OF ARRIVAL

● TDOA: TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL

● HYBRID TECNIQUES

Cell ID Based

La posizione del dispositivo mobile viene associata a quella (nota) della Stazione di Riferimento (RS) più vicina. L'approssimazione della posizione sarà tanto migliore quanto più ristretta sarà la superficie coperta da ogni singola cella (il Cell-ID risulta molto impreciso nelle aree extraurbane dove le celle coprono superfici dell'ordine di km) Utilizzo del metodo di prossimità

Signal Strenght Analysis

La stima della posizione del terminale mobile avviene utilizzando la forza del segnale considerato il fenomeno dei attenuzione che ha luogo durante la propagazione. Nota la legge con cui questo si attenua è possibile ricavare la distanza dalla singola RS.

numero (minimo) di RS: 3 Utilizzo tecnica triangolazione. (problemi in ambienti indoor per riflessione e assorbimento)

AOA - Angle of arrival La posizione del dispositivo mobile viene individuata utilizzando la direzione dei segnali in entrata inviati da altri trasmettitori di posizione nota . Utilizzo di Antenne direzionali (settoriali o "intelligenti") per la stima dell’angolo di arrivo dei segnali. Utilizzo della tecnica di triangolazione.

TOA - Time of arrival

La posizione è stimata utilizzando il tempo di propagazione del segnale in relazione alla distanza tra i nodi.La distanza da un dispositivo mobile a tre dispositivi fissi è stimata con l'intersezione delle circonferenze del segnale delle RS. Accuratezza elevata, richiede orologi molto precisi �

Numero (minimo) di RS: 3 Utilizzo della tecnica di triangolazione

TDOA - Time difference of arrival Si basa sulla conoscenza della differenza dei ritardi di trasmissione. Ogni dispositivo mobile riceve contemporaneamente il segnale proveniente da più celle: in base ai ritardi di propagazione misurati o alla differenza tra i ritardi stessi è possibile stimare con buona approssimazione la posizione dell'apparato

Hybrid Techniques

La rete dati (di qualsiasi natura) aiuta il dispositivo mobile nel processo di localizzazione, con l'invio di segnali ausiliari, coordinate dei punti di riferimento, informazioni temporali. Es. GPS + triangolazione reti wifi

Tecnologie di localizzazione

● Ultra wide band● Sistemi RFID● GPS/GPRS● Sistemi AVL/AVM

Localizzazione con segnali ULTRA WIDE BAND: Indoor Tecnica di trasmissione sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante l'utilizzo di impulsi di energia a radiofrequenza di durata temporale estremamente ridotta.

Uno dei maggiori vantaggi offerti dai segnali UWB in ambito indoor riguarda la maggiore probabilità delle frequenze di attraversare ostacoli come muri o pavimenti.

Localizzazione basata su sistemi RFID: IndoorE' un sistema di identificazione automatica a radiofrequenza (RFId) a di persone o oggetti, costituito da tre componenti fondamentali:

● apparecchiatura di lettura e scrittura● una o più etichette RFID (tag o trasponder)● sistemi di gestione dati per il trasferimento da e verso i

lettori

Localizzazione basata su sistemi RFID: Indoor

Se è attiva, dispone di:● una batteria per alimentarla● una o più antenne per inviare il segnale di lettura e ricevere le risposte anche su frequenze

diverse● uno o più transponder/tag RFID e possono contenere sensori.● in genere hanno distanze operative maggiori dei tag passivi ed in genere arrivano al massimo a

200m Se è passiva contiene:

● un microchip privo di alimentazione elettrica, ● un'antenna ● un materiale che fa da supporto fisico chiamato "substrato" e che viene "eccitato, alimentato e/o

scritto" al passaggio di un lettore che emette un segnale radio a frequenze basse o medie o di alcuni gigahertz.

La radiofrequenza attiva il microchip e gli forniscel'energia necessaria a rispondere al lettore, ritrasmettendogli un segnale contenente le informazioni memorizzate nel chip ma che, può anche scrivere dati sul tag.

Localizzazione basata su sistemi RFID: Indoor

La tecnologia RFID ha alcuni vantaggi semplici rispetto alle tradizionali tecnologie dei codici a barre e delle bande magnetiche:

● Non deve essere a contatto per essere letto come le bande magnetiche● Non deve essere visibile per essere letto come per i codici a barre● Si possono anche aggiungere informazioni sui chip in funzione della tipologia del chip

L'RFID è una valida alternativa sia alle tecnologie di personal identification tradizionali (badge, tesserini, ecc.), sia alle tecnologie di strong authentication basate sul riconoscimento degli attributi biometrici di un individuo.

Localizzazione basata su sistemi RFID: Indoor Le tecnologie RFID non richiedono contatto visivo per l'identificazione e permettono il riconoscimento anche "a distanza". Le distanze di lettura in generale dipendono fortemente dalle condizioni ambientali e dalle tecnologie utilizzate: in linea teorica è possibile l'identificazione a migliaia di metri di distanza, ma le normative degli standard attualmente prevedono alcune misure tipo:

● nel caso dei tag passivi 125-134.2 kHz la distanza di lettura varia da quasi a contatto al metro.● nel caso dei tag 13,56 MHz la distanza di lettura prevista dalla normativa è tra quasi a contatto e

circa 1 m● nel caso di tag UHF passivi (860-960 MHz), usati per la logistica, la distanza tipica prevista dalla

normativa è di 1÷10 metri.

Global Position System: Outdoor(GPS) è costituito da una “rete” di satelliti (di proprietà del Dipartimento della Difesa americana) che trasmette in continuazione segnali radio di bassa potenza. I ricevitori GPS, interpretando questi segnali, sono in grado di calcolare l'esatta distanza dai satelliti e conseguentemente la propria univoca posizione sulla terra.E' un sistema di posizionamento e navigazione satellitare che fornisce posizione ed orario in ogni condizione meteorologica, ovunque sulla Terra, o nelle sue immediate vicinanze, ove vi sia un contatto privo di ostacoli con almeno quattro satelliti del sistema. l sistema GPS è composto da tre segmenti :

● SATELLITI : 24 in orbita intorno alla terra, 21 attivi e 3 di riserva● GLI UTENTI● I SISTEMI SU CONTROLLO A TERRA

Il funzionamento del sistema GPS è (relativamente) semplice e si basa sulla misura del tempo di percorrenza del segnale trasmesso dall'antenna del satellite fino all'antenna del ricevitore utente a terra

Tecnologia General Packet Radio Service: IndoorIl GPRS è un sistema basato sulla commutazione di pacchetto tramite onde radio.Facilita le connessioni istantanee perchè l'informazione può essere mandata o ricevuta immediatamente appena se ne ha bisogno.

Global Position System: Outdoor

● integrate: sono dispositivi portatili all-in-one , che incorporano un ricevitore GPS, uno schermo LCD, un altoparlante, un processore che esegue le istruzioni, date solitamente da un sistema operativo proprietario, uno slot per schede di memoria ove memorizzare la cartografia

● ibride: sono dispositivi portatili (personal computer, palmari, smartphone) nati per scopi diversi, sono resi adatti alla navigazione satellitare attraverso un ricevitore GPS integrato oppure con il collegamento di un ricevitore GPS esterno (Bluetooth o via cavo) e l'adozione di un software dedicato in grado di gestire la cartografia.

Global Position System: Outdoor

Con la diffusione dei sistemi GPS, ed il conseguente abbattimento dei costi dei ricevitori, molti produttori di telefoni cellulari hanno cercato di inserire un modulo GPS all'interno dei loro prodotti, aprendosi quindi al nuovo mercato dei servizi (anche sul web) basati sul posizionamento.

Tecnologia GPRS: Indoor GPRS consente di raggiungere velocità di 57.6 Kbit/s in download e di 14.4 Kbit/s in upload e mantenere una connessione permanente ad Internet. Le caratteristiche principali che contraddistinguono il Gprs sono :

● una discreta velocità di trasmissione dati ; ● trasmissione dati basata sulla commutazione a pacchetto;● connettività always on (sempre aperta);● possibilità di accesso ai servizi internet;● tariffazione costi per quantità dati e non rispetto al tempo come nel GSM.

I sistemi AVL / AVM: Outdoor

● I sistemi AVL (Automated Vehicle Location): Rilevano, monitorano e tracciano la localizzazione geografica dei veicoli sul territorio in tempo reale, integrando la tecnologia di posizionamento satellitare (GPS) con i sistemi informativi geografici (GIS)

● I sistemi AVM (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.)

AVL / AVM Come funzionano?

Centrale operativa: raccoglie, integra e rende fruibili i dati di localizzazione e monitoraggio. Sistemi di bordo: rileva le informazioni e i dati relativi alla localizzazione, e allo stato del veicolo e li trasmette alla Centrale Operativa. Rete di comunicazione: si occupa del trasferimento dei dati fra il veicolo e la centrale operativa.

Grazie per l'attenzioneSitografia: (1) http://www.csd.uoc.gr/~hy439/lectures11/hightower2001survey.pdf(2)(3)

Realizzato da: Adriana Lombardo, Fulvia Favore, Mattia Mori

http://didawiki.cli.di.unipi.it/lib/exe/fetch.php/rhs/localizzazione.pdfhttp://www.fub.it/files/Radiolocalizzazione.pdf