Технологии локального позиционирования. Часть I

2016-04-18 в 9:27, admin, рубрики: bluetooth, RTLS, wi-fi, Беспроводные технологии, Блог компании RTL-Service, локальное позиционирование

Использование RTLS (Real Time Location System, систем определения местоположения в режиме реального времени) зависит от поставленных задач и целей. Для того, чтобы правильно выбрать необходимую вам систему, необходимо понимать на основе какой из многочисленных технологий она работает.
Компания RTL-Service занимается разработкой таких решений, поэтому мы регулярно участвуем во всевозможных выставках, анализируем рынок различных систем локального позиционирования и проводим необходимые исследования. В процессе работы мы столкнулись с проблемой отсутствия более-менее полной классификации технологий локального позиционирования, в связи с чем нами была произведена попытка её создания.

Представляется удобным выделить основные группы технологий локального позиционирования с их дальнейшим раскрытием, более подробной характеристикой, выявленными преимуществами и недостатками, основными методами, применяемыми в этих технологиях:

Радиолокационные технологии.
Технологии инерциального позиционирования.
Технологии, основанные на изменении магнитного поля.
Оптические технологии.
Ультразвуковые технологии.

I. Итак, самой обширной группой, включающей в себя несколько подгрупп, является радиолокационная технология. Её мы и предлагаем рассмотреть в данной статье.

Радиочастотной называется та технология, в которой для определения местоположения объектов используются радиосигналы. К такой технологии относятся:
1) UWB – это беспроводная технология связи, работающая, как и следует из названия, с сигналом очень широкого спектра (обычно более 500 МГц). Данный тип RTLS систем характеризуется очень высокой точностью определения местоположения. Самое большое преимущество данной технологии – способность оставаться достаточно эффективной при работе на пространствах с большим количеством стен и других препятствий. Данное преимущество делает данную систему незаменимой в приложениях со сложной геометрией помещений, больших количеством помех и требующейся высокой точностью.
Существуют различные варианты UWB-технологий, а также различаются и характеристики UWB-систем разных производителей.
Преимущества:

Высокая помехозащищённость;
Чем выше частота, тем больше точность, но тем меньше радиус действия.

Недостатки:

Трудно построить систему с существенной мощностью передачи (типичная мощность передатчика – 50 мкВт, «очень мощного» – 10 мВт);
Сложности использования на территории РФ в связи с повышенным уровнем помех;
Малый радиус действия (до 40 м);
Сложная инфраструктура.

Используемые методы: TDoA/ ToA/ AoA/ ToF.

2) Wi-Fi – это система короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензируемые диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Радиус действия точек доступа Wi-Fi составляет до 100 метров, в зависимости от конкретного исполнения. Поскольку Wi-Fi изначально не является технологией локального позиционирования, стандартная сеть предоставляет информацию с точностью лишь до точки доступа, поэтому для повышения точности позиционирования применяется RSSi или при некоторых доработках другие специализированные методы (например, TDoA).
Преимущества:

Одной из причин довольно быстрого распространения систем позиционирования, основанных на использовании технологий Wi-Fi – их широкое распространение;
Низкая стоимость оборудования.

Недостатки:

Для получения приемлемой точности, требуются дополнительные единицы точек;
Сложная архитектура, требующая участия высококвалифицированных специалистов при установке и регулярном перестроении тепловых карт уровня сигнала;
Снижение производительности канала Wi-Fi;
Невысокая точность позиционирования даже в системах с применением специальных расширений Wi-Fi (в идеальных условиях 3-5 метров, в реальности 10-15 метров). Для большинства приложений такой точности недостаточно.

Используемые методы: RSSi/TDoA.
3) WiMax – это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензируемые спектры частот (хотя возможно и использование нелицензируемых частот) для предоставления соединения с интернетом типа «точка-точка» провайдером конечному пользователю.
Эта система изначально не рассчитана на определение местоположения (как и Wi-Fi), в связи с чем даёт достаточно низкую точность и используется только в целях уточнения локации.
Преимущества:

Большая зона охвата (несколько километров).

Недостатки:

Дорогостоящее оборудование и обслуживание;
Низкая точность позиционирования.

Используемые методы: RSSi/ OTDoA.
4) MiWi – это простой беспроводной протокол, разработанный компанией Microchip, предназначенный для построения дешевых радиосетей с передачей данных на небольшие расстояния. Фактически является упрощённым аналогом ZigBee.
Преимущества:

Является дешёвой альтернативой стеку протоколов ZigBee;
Является идеальным решением для дешёвых сетевых устройств с ограниченным объемом памяти;
Предоставляется компанией без лицензии (при условии применения трансивера MRF24J40 и микроконтроллеров Microchip);
Поддерживает шифрование сообщений;
Поддерживает mech-сети, «узел-узел» (peer-to-peer) соединения, различные пути доставки сообщений.

Недостатки:

Необходимость установки дополнительного программного обеспечения;
Проприетарная технология;
Дорогостоящее обслуживание;
Низкая скорость передачи данных приводит к ограничениям по размеру сетевого сегмента.

Используемые методы: RSSi.
5) ZigBee – стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).
Преимущества:

Поддерживает как простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), так и ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений;
Содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети;
Простота развертывания, обслуживания и модернизации;
Способность к самоорганизации и самовосстановлению;
Низкое энергопотребление;
Отсутствие необходимости получения частотного разрешения делают ZigBee подходящей основой для беспроводной инфраструктуры RTLS.

Недостатки:

Низкая скорость передачи, приводящая к сильной зависимости от количества устройств.

Используемые методы:RSSi/TDoA/ToF.
6) NFER – относительно новая технология позиционирования, которая использует метки-передатчики и одно или несколько принимающих устройств. Технология основана на том, что сдвиг фаз между электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля изменяется по мере удаления от излучающей антенны.
Вблизи небольшой (относительно длины волны) антенны электрическая и магнитная составляющие поля радиоволны сдвинуты по фазе на 90 градусов. При увеличении расстояния от антенны эта разница уменьшается. При достаточном удалении от антенны сдвиг фаз сходит к нулю.
Оптимальная для измерения расстояния дистанция между приемником и передатчиком лежит в пределах половины длины волны. Соответственно, чтобы обеспечить достаточно большую дистанцию передатчики метки должны использовать относительно низкие частоты. Обычно от 1 МГц (длина волны 300 м, оптимальная дистанция до 150 м) до 10 МГц (длина волны 30 м, оптимальная дистанция до 15 м). В зависимости от выбора частоты, NFER имеет потенциал для достижения точности до 30 см на расстоянии до 300 метров.
Преимущества:

Преимущества в помещениях со сложной конфигурацией и большим количеством препятствий, т.к. низкочастотные радиоволны легко огибают препятствия, не отражаются;
Позиционирование с точностью 0,5-1 метр (в теории) на расстоянии 20-30 метров.

Недостатки:

Относительно низкая эффективность антенны. Наиболее эффективна антенна, соизмеримая с длиной волны – обычно это четвертьволновой монополь. В случае NFER размеры такой антенны должны были бы составлять десятки метров, что неприемлемо;
Несогласованность антенны требует увеличения мощности передатчика и ведет к относительно большим габаритам и весу меток.

Используемые методы:
7) NanoLOC – это технология компании Nanotron, во многом схожая с более старой версией NanoNET. Помимо скорости передачи информации в 1 Мбит за секунду на расстояние в несколько сотен метров, эта технология позволяет определять расстояние между приемопередатчиками. Погрешность в определении расстояния — 2 метра, что позволяет определять, где находится приемопередатчик по отношению к другим таким же приемопередатчикам. Если необходимо определение в трехмерной системе координат, понадобятся четыре (и более) передатчика NanoLOC, координаты месторасположения которых уже известны.
Преимущества:

Возможность работы в нелицензируемых диапазонах при условии мощности до 100 мВт;
Используемые методы определения местоположения обеспечивают возможность локализации объектов за пределами периметра зоны обслуживания со снижением точности;
Большой выбор готового ПО, которое предоставляется в виде приложений типа демонстрационных, а также драйверов (всё с открытыми кодами исходников);
Автокорреляционные свойства сигнала делают технологию устойчивой к внешним помехам.

Недостатки:

Ограничения по количеству устройств в сегменте;
Проприетарная технология.

Используемые методы: TDoA/ RSSi/ ToF.
8) DECT – технология беспроводной связи на частотах 1880—1900 МГц с модуляцией GMSK (BT = 0,5), используется в современных радиотелефонах. Данная технология позволяет определять местоположение объекта с точностью до определённой базовой станции без использования специализированного программного обеспечения, а также с точностью 5-10 метров на открытом пространстве или в пределах помещений, находящихся в зоне обслуживания системы со специализированным ПО. Как и для большинства технологий, точность значительно снижается при работе в сооружениях, материалы конструкций которых имеют разнородную структуру.
Преимущества:

Простота развёртывания DECT-сетей;
Не требует специализированного обслуживания;
Не требует лицензирования;
Хорошая интеграция с системами стационарной корпоративной телефонии.

Недостатки:

Относительно небольшая дальность связи (из-за ограничения мощности самим стандартом);
Невысокая скорость передачи данных;
Требуется специализированное оборудование.

Используемые методы: RSSi.
9) Позиционирование в сотовых сетях – определение местоположения объекта на основе метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент.
Преимущества:

В целях применения данной технологии можно использовать существующую инфраструктуру сотовых операторов.

Недостатки:

Точность позиционирования определяется радиусом действия соты. И если для так называемых «пикосот» она составляет 100-150 метров, то в большинстве случаев это километр и более. Для повышения точности до десятков метров необходимо использовать методы EoTD/ OTDoA.

Используемые методы: EoTD/ OTDoA.
10) Bluetooth – производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN), обеспечивающая обмен информацией между устройствами на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.
Преимущества:

Обеспечивает обмен информацией на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи;
Позволяет устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 м друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях;
Метод FHSS, применяемый в Bluetooth, прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам;
Поддерживает не только соединение «один-к-одному», но и «один-ко-многим»;
Недорогое оборудование;
Компактность модулей.

Недостатки:

Невозможность достижения высокой точности определения местоположения;
Радиус работы (в зависимости от используемого устройства) не превышает 16 метров.

Используемые методы: RSSi.

Ниже представлена сводная таблица по радиочастотным технологиям.