Tecnología de posicionamiento en interiores (1) TOA TDOA RSS AOA

Resumen

La disponibilidad de información de ubicación se ha convertido en un factor clave en los sistemas de comunicación actuales que permiten la prestación de servicios basados ​​en la ubicación. En el entorno exterior, gracias al sistema GPS y al sistema celular independiente, el posicionamiento del terminal móvil puede lograr una alta precisión. Sin embargo, en interiores y entornos con efectos de sombra profundos, las señales de satélite y celulares a menudo se interrumpen, y el posicionamiento es muy problemático. Este artículo presenta diferentes tecnologías y métodos de posicionamiento en interiores y exteriores, centrándose en los métodos y conceptos de posicionamiento en interiores. Además, discutiremos diferentes aplicaciones de tecnologías basadas en la ubicación en este artículo. Finalmente, discutimos los desafíos que enfrentamos en términos de precisión, costo, complejidad, seguridad y escalabilidad.

El propósito de esta encuesta es proporcionar una descripción completa del trabajo existente y los aspectos beneficiosos y anticipados de futuras investigaciones ambientales en interiores.

Palabra índice

posicionamiento, ubicación conjunta, fusión de datos, SLAM, ubicación conjunta, banda ultra ancha (UWB), teoría de juegos, red inalámbrica de sensores (WSN) y servicio de posicionamiento (LBS)

1: introducción

Los sistemas de comunicación modernos están diseñados para proporcionar altas velocidades de datos y una cobertura de servicio ubicua. Ahora, la información de posicionamiento disponible de terminales móviles o equipos sin ubicación (UD) en poder de la estación base, es decir, la información en poder del operador, se ha convertido en un factor clave que permite a los sistemas de comunicación proporcionar nuevos servicios basados ​​en la ubicación.

La tecnología de posicionamiento habitual se basa en la hora de llegada (ToA), la diferencia horaria de llegada (TDoA), la intensidad de la señal recibida (RSS) y el ángulo de llegada (AoA). En situaciones al aire libre, la ubicación del UD se puede obtener de un Sistema de navegación global por satélite (GNSS), como el Sistema de posicionamiento global (GPS), o de un sistema celular autónomo con alta precisión. Sin embargo, estos sistemas de posicionamiento se degradan severamente en ambientes interiores donde las señales de satélite o celulares se interrumpen o pueden fallar por completo, incluso en escenas con efectos de sombras profundas. Se han propuesto varios métodos y enfoques para abordar este problema. Entre ellos, el posicionamiento híbrido es un método de posicionamiento bien conocido con suficiente precisión y cobertura [3]. En este sentido, se ha mencionado una gran cantidad de literatura.

Otro candidato potencial para el posicionamiento de escenas en interiores es combinar diferentes tecnologías de acceso inalámbrico (como sistemas celulares 3G y 4G, WLAN y WiMAX). De hecho, se basa en redes celulares e inalámbricas. La tecnología de la combinación de redes LAN ha recibido recientemente más y más atención, sin embargo, aunque cualquier tecnología de posicionamiento se puede utilizar en escenarios interiores y redes homogéneas, la combinación de estas tecnologías y el número mínimo de nodos de referencia (AN Existen limitaciones prácticas, por ejemplo, en muchos casos, solo uno o dos AN pueden comunicarse con el UD.

2: restricciones de posicionamiento en ambientes interiores

La información de ubicación generalmente es proporcionada por los sistemas mundiales de navegación por satélite, como GPS, GNSS. Como se mencionó anteriormente, la precisión del posicionamiento se ve muy afectada por el entorno, especialmente en escenas interiores o áreas urbanas densas. Debido a la interrupción de la conexión al satélite requerido, el GNSS (Glonus) para el posicionamiento puede ser inexacto o incluso inexacto Tal vez Por lo tanto, se debe usar un algoritmo de posicionamiento opcional para estimar la posición del UD con alta precisión

Generalmente, estas estrategias de posicionamiento consisten en dos fases: la primera fase (fase de rango), el nodo de referencia (AN) utiliza señales relacionadas con la distancia para comunicarse, como RSS, ToA, AoA, etc. Para estimar tu posición. Luego, en la segunda fase, el nodo calcula sus propias coordenadas utilizando la posición del nodo de referencia conocido y la información obtenida durante la fase de determinación de distancia. Luego, puede definir los límites básicos de la precisión de posicionamiento de nodos al modelar el efecto de mediciones ruidosas de ToA, AoA o RSS en la calidad de rango.

La tecnología de posicionamiento básico tiene sus limitaciones. ToA / TDoA requiere al menos 3 estaciones base (o AN). AoA requiere al menos dos estaciones base. El rendimiento de la tecnología AoA depende en gran medida del error de estimación de posición causado por errores relativamente pequeños en la medición de AoA. Están limitados por la frecuencia de la portadora y el tamaño de la matriz, por lo que generalmente se usan en escenarios donde se requiere que la precisión de posicionamiento sea baja. Además, los sistemas AoA son sensibles a la trayectoria múltiple angular, que es común en ambientes interiores. Por lo tanto, la tecnología ToA es más favorecida en las áreas urbanas (debido al efecto de múltiples rutas), mientras que la tecnología AoA es más favorecida en las áreas abiertas.

Al observar las diferentes tecnologías de acceso utilizadas para el posicionamiento, también podemos ver varias restricciones. Por ejemplo, el análisis empírico de la idoneidad del posicionamiento de WLAN muestra que incluso si se puede lograr una precisión razonable, aún se producirán errores significativos. Los errores se deben principalmente a la propagación dinámica de señales inalámbricas, como la presencia de diferentes ubicaciones con firmas de radio similares, como huellas dactilares o intensidad de la señal recibida. Por lo tanto, esto se considera una limitación fundamental de la tecnología pura basada en wlan.

Tecnología básica de posicionamiento en interiores

El método de posicionamiento se basa en la estimación de distancia de los nodos de referencia con ubicaciones conocidas y la medición entre nodos. La cooperación de nodos mejora la estimación de posición. Esto es más ventajoso cuando las técnicas de posicionamiento tradicionales no pueden producir estimaciones precisas.

Los mínimos cuadrados lineales son un método simple de estimación de posición. Idealmente, los nodos desconocidos deben ubicarse en la intersección de al menos tres círculos, centrados en los nodos de anclaje, con un radio igual a la distancia a cada nodo de anclaje. Sin embargo, dado que no es posible obtener una intersección, se utiliza una optimización de mínimos cuadrados para minimizar la suma de los residuos cuadrados. Por lo tanto, este problema se convierte en un problema de optimización no lineal, que requiere una estimación inicial adecuada [19]. Dado que el cálculo de la optimización no lineal es costoso, se pueden utilizar métodos alternativos como las expresiones linealizadas para estimar la posición utilizando LLS. Aunque esta no es la solución óptima para la estimación de posición, logra una mejor precisión con menor complejidad

En el siguiente artículo, presentaremos brevemente la tecnología básica de posicionamiento independiente utilizada en un entorno de red homogéneo

time of arrival(TOA)

El método ToA calcula el tiempo requerido para que una señal viaje de UD a ANs. UD está en un círculo centrado en AN, y el radio del círculo d puede calcularse a partir del tiempo de llegada medido por ToA. Por lo tanto, para detectar la ubicación exacta de la UD, se necesitan al menos 3 AN. En este ejemplo, la ubicación estimada del UD está solo dentro de la intersección de tres círculos (si los hay), como se muestra. La posición estimada real se puede obtener fácilmente mediante cualquier técnica de filtrado como LS o mínimos cuadrados ponderados (WLS)

Time Difference of Arrival (TDoA)

Al medir la diferencia de tiempo entre el terminal móvil y los diferentes extremos de transmisión, se estima que la diferencia entre las distancias a los diferentes terminales realiza el posicionamiento. Debido a que no es necesario detectar el tiempo de transmisión de la señal, los requisitos del sistema para la sincronización horaria se reducen considerablemente.

TDOA requiere al menos tres estaciones base con posiciones de coordenadas conocidas, y se ubica obteniendo la diferencia de tiempo de transmisión de señal entre diferentes estaciones base. Suponga que las coordenadas de las tres estaciones base se conocen por separado, y que la diferencia de tiempo t1 entre la segunda estación base y la primera estación base se obtiene utilizando la primera estación base como estándar. Velocidad de propagación, obtenga la suma de la diferencia de distancia, la diferencia de distancia es una constante conocida. Cuando ignoramos el error de señal en la situación real, TDOA en realidad se reduce a resolver la intersección de dos hipérbolas:

RSS（Received Signal Strength） based Fingerprinting

El método RSS incluye principalmente dos métodos: modelo ternario de derivación del modelo de sombra regular logarítmico de pérdida de ruta y método de huella digital de posición RSS. El primer método es estimar la distancia entre BS y UD en función del modelo de sombra normal de registro de pérdida de ruta, como se muestra en la Figura 5. Luego, use la trilateración para estimar la posición de la UD con al menos 3 AN. Por otro lado, la tecnología de huellas dactilares de ubicación basada en RSS primero recopila la huella dactilar RSS de la escena, como se muestra en la Figura 6, y luego estima la ubicación del UD haciendo coincidir la medición en línea con la ubicación más cercana en la base de datos que corresponde a la medición. Por lo tanto, para cada posición posible, puede haber puntos de ambigüedad, lo que resulta en un error de estimación más alto en la escena de localización independiente. La tecnología de huellas digitales de ubicación se puede encontrar en

Angle of Arrival (AoA)

Esta técnica calcula el ángulo de la señal de UD a AN, y luego traza las áreas donde puede existir UD, como se muestra en la Figura 7. Básicamente, esta área es una línea recta en un cierto ángulo con respecto a los AN. Aunque se necesitan al menos dos AN para estimar la posición de UD, si hay un pequeño error en la estimación de AoA, el error de estimación de la posición puede ser muy grande. Por lo tanto, la tecnología basada en AoA tiene un efecto limitado en el posicionamiento a menos que se use con grandes conjuntos de antenas.

Técnicas híbridas

En los últimos años, la tecnología de posicionamiento móvil coordinada híbrida se ha convertido en una nueva tecnología de posicionamiento inalámbrico; la idea central del posicionamiento colaborativo es utilizar mediciones confiables de corto alcance para mejorar la precisión de la estimación de la posición del sistema inalámbrico. Se han implementado diferentes combinaciones de tecnologías básicas de posicionamiento independiente (RSS, ToA, TDoA, AoA, etc.) para mejorar la precisión de la estimación de posicionamiento. Por ejemplo, un método de huella digital de ubicación que combina ToA, AoA y RSS, como se muestra en la Figura 8, proporciona una estimación inicial de UD. En comparación con el uso de ToA o TDoA solo, los híbridos ToA / TDoA y RSS mejoran aún más la precisión de la estimación de posición

Errores comunes de la tecnología de posicionamiento independiente

En general, la tecnología de posicionamiento independiente tiene defectos que afectan la precisión del posicionamiento. Por ejemplo, la tecnología ToA requiere una referencia de temporización precisa en el UD y la sincronización entre esta referencia y el reloj del nodo de referencia. Obviamente, lograr esta tarea es muy difícil; su implementación conducirá a un aumento en el costo y el tamaño de los dispositivos móviles. Además, el método TDoA requiere cambios significativos en el software del dispositivo móvil, así como una mayor instalación de hardware. TDoA requiere que se complete el procesamiento en el UD y envía la ubicación estimada al sistema en el vínculo de retroceso. Por lo tanto, para satisfacer las necesidades de estimación y sincronización, aumentará el tamaño y el costo del teléfono móvil. Además, la tecnología RSS también tiene algunas deficiencias, como la dificultad para cumplir con la LOS entre el transmisor y el receptor en escenas interiores. Por lo tanto, el efecto de trayectoria múltiple en el ambiente interior afectará la precisión de posicionamiento. Los modelos de pérdida de ruta también se utilizan para la localización, sin embargo, el sombreado y el desvanecimiento por trayectos múltiples afectan la precisión de estos modelos. En este caso, la precisión puede mejorarse utilizando un perfil RSS previamente medido centrado en el receptor, o utilizando muchas mediciones realizadas en varias BS. El método de medición RSS basado en un algoritmo de lógica difusa puede mejorar la precisión de posicionamiento. Además, la tecnología AoA también tiene algunos inconvenientes, como la complejidad de los requisitos de hardware y la disminución de la precisión de posicionamiento cuando el UD abandona la unidad de medición.

¿Qué diferencia a un GPS dual de uno tradicional en el móvil?

Desde los móviles más baratos, de apenas 100 euros, el GPS está presente en la ficha técnica de la práctica totalidad e los terminales a la venta. Esta tecnología se ha convertido en todo un imprescindible en los teléfonos de todas las gamas, ya que su uso es casi de primera necesidad en muchos casos. Para entender mejor en qué consiste el GPS de doble banda , lo mejor es comprender mejor cómo funciona la conectividad estándar en los móviles tradicionales.

Cuando todos los móviles cuentan con esta tecnología GPS , se hace difícil innovar en este campo, pero es algo que ha sido posible, gracias a una nueva tecnología que mejora y mucho esta funcionalidad en los móviles que la estrenan.

Esta conectividad depende de una red de 27 satélites que orbitan alrededor de la tierra. 24 de estos satélites funcionan de manera continua para brindar posicionamiento exacto a los dispositivos que se conectan a ellos. Nuestros teléfonos deben conectarse al menos a tres de estos satélites, para que se pueda triangular nuestra posición exacta respecto de ellos, y a su vez nuestra posición dentro del mapa. De esta manera, averiguando dónde nos encontramos respecto de estos tres satélites, es posible conocer nuestra posición exacta en el globo terráqueo.

Además de este sistema de posicionamiento GPS tradicional, nuestros teléfonos pueden contar también con A-GPS, que es una tecnología que además de la triangulación de los satélites GPS, utiliza la triangulación de las torres de telefonía móvil para poder hacer más precisa nuestra posición en el mapa. Como sabéis, los sistemas de posicionamiento GPS consumen mucha batería, de ahí que existan este tipo de posicionamiento híbrido, que necesita de un menor gasto energético para poder funcionar.

Esto es algo que podemos apreciar cuando nos posiciona Google Maps en el mapa, ya que el círculo azul más grande que poco a poco va reduciendo su tamaño, representa el posicionamiento que hace de nosotros el A-GPS. Y aquí viene uno de los datos clave que diferencia esta tecnología de la nueva de doble banda, la precisión, ya que en este modo se determina nuestra posición con un margen de error máximo de 50 metros.

¿En qué consiste el GPS dual o de doble frecuencia?

Pues bien, esa es la respuesta a la que queremos obtener ahora, y tiene una explicación bastante sencilla de por qué esta tecnología es mucho más precisa que la habitual en nuestros móviles. Como decíamos la precisión es la clave, y eso es precisamente lo que nos ofrece esta tecnología, mayor precisión respecto de otros sistemas. En este caso la principal diferencia que influye en la precisión de la señal es precisamente esta, el tipo de señal que se utiliza para comunicar con nuestro teléfono.

Mientras que los sistemas tradicionales utilizan la señal L1, que rebota con facilidad en los edificios, y que por tanto llega más tarde hasta nuestros teléfonos, la señal L5 es capaz de sortear mejor los obstáculos, llegando antes a nuestro terminal. Entonces la denominación de GPS dual viene precisamente de que se utilizan estas dos señales para posicionarnos. Mientras que un móvil básico utilizaría la señal L1 para posicionarse, uno con GPS dual lo hará tanto a la L1 como a la L5. En un primer lugar se conectará a la L1 para contar con una primera ubicación en menor tiempo, mientras que instantes después, con la ayuda de la conexión a la señal L5, hará más preciso nuestro posicionamiento en el mapa.

¿Qué ventajas ofrece?

Pues son muchas, y es algo que vamos a notar desde el principio. Ya que con un GPS dual en nuestro teléfono vamos a poder contar con una precisión de la posición de más o menos 10 centímetros de error, mucho menor de esos 50 metros de los que hablábamos respecto del GPS tradicional. Además tardaremos mucho menos tiempo en conectar con los satélites, por lo que obtendrás la ubicación casi al instante. Además, al ser más preciso, en apps como Google Maps, nuestra posición aparecerá en el carril exacto por el que transitamos, por lo que las instrucciones serán siempre mucho más precisas a la hora de movernos de un carril a otro para prepararnos para salir de la vía o entrar en otra.

Otra de las grandes ventajas tiene que ver precisamente con una de las grandes desventajas del sistema tradicional de GPS en nuestros móviles. Y es que seguramente os hayáis dado cuenta a lo largo de los años que el uso del GPS dentro de un edificio es casi residual. Algo que se explica por la inconsistencia de la señal L1 respecto de los obstáculos, que provocan rebotes en la señal. Esto prácticamente no pasa con la señal L5, y por tanto una de las grandes ventajas de esta tecnología es que podemos usarla en interiores de edificios sin problemas.

Por tanto podrás utilizar el GPS en el interior de un aeropuerto, o un centro comercial, y encontrar fácilmente la ubicación exacta de una puerta de embarque o una tienda, ya que a pesar de los muros, el GPS de doble banda podrá comunicarse sin problema con los satélites y obtener un posicionamiento mucho más preciso en menos tiempo. Así que como veis las ventajas de usar un GPS de este tipo son muchas, y además, consumen menos energía que los sistemas tradicionales, por lo que si lo usamos a diario, notaremos una mejor autonomía. Así que si eres de los que utiliza el GPS a diario, es una característica que no debería faltar en tu próximo teléfono móvil, por lo que debe ser algo básico que revisar en su ficha técnica antes de hacerse con él.

La tecnología que logra la mayor geolocalización de los teléfonos móviles

El Centro Tecnológico CTC, en el marco del proyecto Appunta, está desarrollando una tecnología que permitirá incorporar soluciones de posicionamiento más precisas a los teléfonos móviles. Su integración en los smartphones, unida a la rápida evolución de este mercado, multiplicará a corto plazo la oferta de prestaciones basadas en la geolocalización. Servicios de realidad aumentada para entornos al aire libre o aplicaciones de ayuda a la navegación para personas con deficiencia visual son solo algunas de sus posibilidades. Todo ello con un margen de error inferior a un metro "y una inversión reducida", como detallan desde el centro.

El equipo de Sistemas de Navegación y Robótica del CTC ha desarrollado unos algoritmos de Posicionamiento de Punto Preciso GNSS cuya integración en los teléfonos móviles abrirá la puerta a una solución de geolocalización con calidad prácticamente profesional para todo tipo de usuario. "Llevamos varios años trabajando en el desarrollo de sistemas de navegación y sus aplicaciones. La especialización del CTC en este ámbito, cuyas posibilidades futuras son amplísimas, ha ido siempre dirigida hacia el diseño y ejecución de soluciones de bajo coste", explica a Innovaspain María Campo-Cossío, manager del área de Navegación y Robótica del centro.

Ese conocimiento acumulado en proyectos previos encontró acomodo en la iniciativa Appunta en el año 2018. En ese momento, los móviles comenzaron a ofrecer acceso a los datos que reporta la constelación Galileo y a las medidas crudas del satélite. Ante esta circunstancia, "el paso a este tipo de dispositivos es una clara oportunidad de progreso y desarrollo, dado el volumen de negocio asociado al mercado de las Apps para smartphones", apunta Campo-Cossío. Se calcula que ronda los 350 billones a nivel mundial en descarga de apps.

Se prevé que la nueva solución ofrezca posibilidades a disciplinas en plena expansión como la realidad aumentada, el big data, el Internet de las Cosas, las smart cities o la mobile health (la práctica de la medicina y la salud pública soportada por dispositivos móviles). Asimismo, como avanzan desde el CTC, generará servicios de alto valor añadido para sectores plenamente consolidados como la topografía, la navegación, la logística o el transporte.

"Gracias a la consolidación de las nuevas constelaciones GNSS, en especial Galileo, los fabricantes de smartphones han comenzado a lanzar dispositivos que hacen uso de múltiples constelaciones y también mul-tifrecuencia, abriéndose así la puerta para la disponibilidad de una solución de posicionamiento de calidad a todo tipo de usuarios, con una inversión muy reducida", cuentan desde el centro.

Pero ¿dónde estaba el margen de error en geolocalización? ¿Cómo se logrará reducirlo a menos de un metro? Ninguna de estas preguntas podría responderse sin GALILEO. "Hasta hace un par de años, el margen de error en posición alcanzado por los teléfonos móviles podía alcanzar las decenas de metros, en función de las condiciones. La llegada de Galileo ha permitido reducir en parte esa distancia". Sin embargo, continúa, "el avance más significativo se ha producido desde hace un par de años. Ahora, los teléfonos ofrecen acceso a datos 'brutos' o 'crudos' recibidos del satélite, así como acceso a varias constelaciones (GPS, Galileo, GLONASS...) y en varias frecuencias".

Mercado en continua evolución

Aplicaciones como la navegación paso a paso, las apps de información y entretenimiento o las redes sociales se sirven de los datos de geolocalización para optimizar su rendimiento. Sin embargo, hasta 2018, las soluciones tecnológicas incorporadas a los móviles no rentabilizaban todas las posibilidades del GNSS. En parte porque no tenían capacidad para explotar información ni de varias frecuencias ni de todas las constelaciones de satélites que engloba el sistema (GPS, GALILEO o GLONASS entre otras).

"La mejora de la precisión abre nuevas posibilidades a sectores emergentes que ya emplean este tipo de sistemas. El progresivo avance en los servicios basados en localización provocará mejora en el desarrollo de aplicaciones de realidad aumentada (se ajustará más a la realidad), en el transporte y la logística (permitirá una optimización del seguimiento de los vehículos), en las smartcities (ofrecerá alternativas más fiables a la hora de implementar soluciones inteligentes), o en la construcción, la cartografía y la topografía, que ganarán un aliado en cuanto a precisión", detalla Campo-Cossío.

La consolidación de constelaciones satelitales como GALILEO, con la que CTC lleva trabajando varios años, y la irrupción de los dispositivos multifrecuencia han equiparado la precisión de los móviles de gama media-alta con la que ofrecen los sistemas profesionales de rango medio-bajo. El progreso ha sido muy rápido en poco tiempo, por lo que cabe esperar que proyectos como APPUNTA contribuyan a minimizar aún más la diferencia. "Si acaba convirtiéndose en una app de uso habitual, la rentabilidad vendría aparejada a este mercado. Según Statista, en 2020, se espera un volumen de mercado de 180 billones de € a nivel mundial en descarga de apps", concluye la responsable.