A brief taxonomy of positioning techniques

Μέθοδοι υπολογισμού θέσης

Γενικά οι συνήθεις μέθοδοι (αλγόριθμοι) για τον υπολογισμό θέσης (Wen et al., 2011) είναι:

 Ο Τριγωνισμός – Triangulation 

Τριγωνομετρική μέθοδος με την οποία είναι δυνατόν να υπολογιστεί ένα σημείο με την χρήση τουλάχιστον δύο άλλων γνωστών σημείων. Ως ισχυρό σημείο της μεθόδου θεωρείται η εμπιστοσύνη στον υπολογισμό, ενώ μειονεκτήματα της είναι ο χρόνος που απαιτείται για τον υπολογισμό και η δυσκολία διαχείρισης μεγάλου όγκου δεδομένων (Thurmond, 2001). 

O Τριπλευρισμός – Trilateration 

Με την μέθοδο αυτή εκτιμάται η απόσταση μεταξύ ενός σημείου πρόσβασης (σταθερό) και μιας κινητής συσκευής με το μοντέλο απώλειας διάδοσης ραδιοσυχνοτήτων (RF) και είναι μια απλή μαθηματική έκφραση που αντιπροσωπεύει τη σχέση μεταξύ της λαμβανόμενης ισχύος σήματος (RSS) και της απόστασης μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Το RSS επηρεάζεται από πολλές περιβαλλοντικές παραμέτρους και η απώλεια διάδοσης είναι δύσκολο να εκτιμηθεί με ακρίβεια. Ως αποτέλεσμα έχουμε ότι η μέθοδος κάποιες φορές εκτιμά θέσεις με μεγάλη απόκλιση (Han, et al., 2013). 

Η γωνία άφιξης σήματος - Angle of Arrival 

Χρησιμοποιώντας την γεωμετρία της κεραίας στον δέκτη και τον πομπό, μπορούμε να υπολογίσουμε την γωνία λήψης του σήματος. Αν και η γωνία άφιξης σήματος γενικά μπορεί να μετρηθεί αποτελεσματικά μέσω συστοιχιών κεραιών, κατευθυνόμενων κεραιών ή ακουστικών (συστοιχίες μικροφώνων), δεν υπάρχουν λύσεις που να εφαρμόζονται εύκολα σε περιορισμένους πόρους όπως στην περίπτωση των φορητών κινητών συσκευών (Battelli, & Basagni, 2007). 

Ο χρόνος άφιξης σήματος – Time of Arrival 

Η μέθοδος TOA βασίζεται στην εκτίμηση του χρόνου διάδοσης των σημάτων από έναν πομπό σε ένα δέκτη. Είναι γνωστό ότι η ταχύτητα διάδοσης ενός ραδιοσήματος είναι περίπου ίση με την ταχύτητα του φωτός. Έτσι αν έχουμε στη διάθεση μας τρεις πομπούς από τους οποίους μετράμε τον χρόνο άφιξης του σήματος (ToA) είναι εύκολο να προσδιοριστεί μια θέση. Ωστόσο λόγω παρεμβολών και μη διασφαλισμένης οπτικής επαφής η απόσταση που υπολογίζεται είναι σχεδόν πάντα μεγαλύτερη από την πραγματική (Pahlavan et al., 2000). 

Διαφορά άφιξης χρόνου σημάτων – Time Difference of Arrival 

Η μέθοδος μοιάζει με την παραπάνω (ΤοΑ), με την διαφορά ότι υποθέτει ότι δύο διαφορετικοί πομποί εκπέμπουν την ίδια χρονική στιγμή δύο σήματα σε διαφορετική συχνότητα. Όπως είναι φανερό εκτός από τις αδυναμίες που παρατηρούνται στο (ToA) προσθέτουμε την πολυπλοκότητα τους συγχρονισμού των πομπών καθώς και την «σπατάλη» ραδιοφωνικών συχνοτήτων (Pahlavan et al., 2000). 

Ισχύς λαμβανομένου σήματος – Received Signal Strength 

H τεχνική βασίζονται στο RSS και εκτιμά την απόσταση μεταξύ δύο συσκευών επικοινωνίας χρησιμοποιώντας έναν γνωστό ρυθμό εξασθένησης σήματος σε δεδομένη απόσταση. Προϋπόθεση είναι ότι η αρχική ισχύς του εκπεμπόμενος σήματος είναι γνωστή, οπότε η απώλεια διάδοσης που μετριέται κατά την λήψη του σήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να υπολογιστεί η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. Όπως λογικά μπορούμε να συμπεράνουμε, το RSS είναι ευαίσθητο στον θόρυβο του καναλιού, στην παρεμβολή σήματος, στην εξασθένηση και στην αντανάκλαση, τα οποία έχουν σημαντικό αντίκτυπο στο πλάτος του σήματος (Yang & Liu, 2009). 

Χαρτογράφηση σημάτων – Fingerprinting 

Τα τελευταία δύο χρόνια, έχουν προταθεί τεχνικές χαρτογράφησης τοποθεσίας που χρησιμοποιούν την υπάρχουσα υποδομή ασύρματου τοπικού δικτύου (WLAN) για εσωτερικούς χώρους. Η τεχνική αποτελείται από δύο φάσεις α) την off-line φάση κατά την οποία συλλέγονται RSS δεδομένα από όλους τους πομπούς. Ο χώρος κάλυψης είναι λογικά διαχωρισμένος σε ίσα τετράγωνα σχηματίζοντας ένα πλέγμα (grid). Για κάθε ένα κελί του πλέγματος καταγράφονται οι μετρήσεις για κάθε ένα πομπό.

Στη δεύτερη φάση την on-line ο πομπός λαμβάνει σήματα από τους δέκτες. Η ισχύς των σημάτων RSS που λαμβάνονται αποστέλλεται σε ένα κεντρικό server. Εκεί γίνεται αναζήτηση στην βάση δεδομένων της χαρτογράφησης και αφού εκτιμηθεί η θέση του δέκτη αποστέλλεται πίσω η εκτιμώμενη πληροφορία θέσης. Μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ο θόρυβος, η έλλειψη LOS και γενικότερα η απώλεια ισχύος σήματος από τα διάφορα υπάρχοντα εμπόδια στο χώρο. Επιπλέον έχει παρατηρηθεί ότι διαφορετικές κινητές συσκευές εξαιτίας του διαφορετικού setup τους, αντιλαμβάνονται με διαφορετικές τιμές την ισχύ του σήματος RSS (Kaemarungsi & Krishnamurth, 2004). 

Εκτίμηση απόστασης πομπού δέκτη - Round Trip Time 

Ο υπολογισμός της θέσης εκτιμάται από τον χρόνο που απαιτεί το ταξίδι ενός σήματος από τον πομπό στον δέκτη και πάλι πίσω. Η μέθοδος αυτή δεν απαιτεί κανένα συγχρονισμό μεταξύ των δύο κόμβων, καθώς η χρήσιμη πληροφορία είναι ενσωματωμένη (encapsulated) στο αρχικό πακέτο. Ωστόσο για την μελετώμενη περίπτωση είναι αδύνατη καθώς όπως περιεγράφηκε και παραπάνω, τα Beacons δεν διαθέτουν κυκλώματα δέκτη και είναι αποκλειστικά συσκευές εκπομπής (Sivers et al., 2016).

Βιβλιογραφία