Lokalizácia mobilných objektov pomocou rádiových sietí

Ľudstvo sa počas svojho vývoja neustále stretáva s požiadavkami na presné informácie o polohe rôznych objektov. Mnohokrát bolo cieľom civilné využitie týchto informácií, avšak pravdou je, že akcelerátorom výskumu a vývoja v tejto oblasti boli vojnové konflikty, ktoré sprevádzajú ľudstvo od počiatku. Na druhej strane pokrok umožnil ľudstvu aplikovanie v minulosti výlučne vojenskej technológie GPS (Global Positioning System – Globálny polohový systém) do civilného sektora. Dôležité je jej využitie predovšetkým v núdzových situáciách, napr. určenie polohy volajúceho na linku núdzového volania, e-Call atď.

V prvom prípade volajúci v strese musí vysvetliť, kam má prísť pomoc, čo môže byť problém, ak sa nachádza v cudzom prostredí. Vysoké percento volajúcich telefonuje z mobilného telefónu. Využitím schopností mobilného telefónu a dostupných bezdrôtových sietí existuje možnosť relatívne presne určiť polohu volajúceho a poslať záchranárov na konkrétne miesto. V druhom prípade automobil pozná svoju polohu a v prípade potreby o nej automaticky informuje. Priestor pre využitie lokalizačných technológií existuje v mnohých odvetviach – od geodézie cez logistiku, monitorovanie polohy pacientov v nemocniciach, až po aplikácie s požadovanou vysokou presnosťou, akými je posun produktov v rámci výrobného procesu. Splniť požiadavky celého spektra lokalizačných aplikácií nie je možné iba jednou technológiou. Je to dané tým, že jednotlivé lokalizačné technológie majú rôzne limity v lokalizačnej presnosti a spoľahlivosti. Vo všeobecnosti platí fakt, že čím vyššia má byť spoľahlivosť systému, tým vyššie sú náklady spojené s jeho realizáciou.

Verejnosť si spája lokalizáciu a lokalizačné služby najmä s družicovými navigačnými systémami, predovšetkým s najrozšírenejším systémom GPS. Časté využívanie tohto systému je dané najmä veľkým portfóliom terminálov s relatívne nízkou cenou, čím sa zvyšuje jeho dostupnosť. Na druhej strane sa stávajú populárnymi rôzne komerčné lokalizačné služby, ponúkané operátormi mobilných sietí. Veľký potenciál majú lokalizačné služby ponúkané pre prostredie vo vnútri budov, napríklad navigácia pasažierov na letisku, v supermarketoch, sprevádzanie v múzeu alebo monitorovanie pohybu zamestnancov v práci.

Implementácia rôznych lokalizačných aplikácií do relatívne obyčajných mobilných telefónov orientuje aplikačný výskum nielen smerom na družicové systémy, ale aj na využívanie komunikačných sietí pre potreby lokalizácie. V nedávnej minulosti boli často využívané lokalizačné systémy založené na bunkových sieťach. Rozvojom a nasadzovaním „všadeprítomných“ sietí Wi-Fi sa predpokladá rozmach lokalizačných systémov využívajúcich práve túto platformu.

Treba si však uvedomiť, že jeden systém nie je možné úspešne použiť vo všetkých prostrediach. Naskytá sa teda otázka realizácie takého systému, ktorý by bol schopný lokalizovať mobilnú stanicu napr. dopravný prostriedok aj v diametrálne odlišných podmienkach. Takýto systém by mal byť modulárny, t. j. zložený z určitého počtu parciálnych platforiem (podsystémov), aby spĺňal stanovené požiadavky. Množstvo parciálnych systémov závisí od komplexnosti systému. Z globálneho hľadiska môžeme prostredie rozdeliť do troch skupín:

• prostredie č. 1: vonkajšie prostredie (outdoor) – otvorený priestor, vidiecke oblasti a časť mestského aglomerátu s nie príliš hustou urbanizáciou. Signály medzi lokalizovaným zariadením a družicami sa v tomto prostredí šíria najmä ako LoS (Line of Sight). Tým je splnená podmienka priamej viditeľnosti na družice. V tomto prípade je optimálne použitie systému GNSS.
• prostredie č. 2: vonkajšie prostredie (outdoor) – husto obývané oblasti – centrá miest. V takomto prípade sa signály medzi lokalizovaným zariadením a družicami nedokážu šíriť ako LoS. Vďaka množstvu reflektorov obklopujúcich lokalizované zariadenie sa signály šíria prostredníctvom odrazov, t. j. NLoS (Non Line of Sight). V tomto prípade sa javí použitie systému GNSS veľmi problematické, je ho potrebné alternovať iným systémom.
• prostredie č. 3: vnútorné prostredie (indoor) – v tomto prípade sa nachádzame vo vnútri budov a neuvažujeme o použití systémov GNSS, nakoľko signál je prechodom cez steny budov výrazne tlmený a prijímače ho nedokážu dekódovať.

Samozrejme, samotné siete pôsobia navzájom heterogénne, čo spôsobuje veľké problémy pri realizácii takéhoto systému. Dôležité je využiť výhody jednotlivých sietí v konkrétnych prostrediach. Na základe tejto myšlienky by sa prostredie, v ktorom bude dochádzať k lokalizácii, fragmentovalo na prostredia, v ktorých by zabezpečovala lokalizáciu vždy najvhodnejšia lokalizačná platforma (systém) alebo kombinácia jednotlivých lokalizačných platforiem. Ako príklad uvádzame nasledujúce platformy:

• systém GNSS (prostredie č. 1),
• lokalizačný systém využívajúci sieť WLAN (IEEE 802.11x) (prostredie č. 2, 3),
• lokalizačný systém využívajúci ad hoc sieť (IEEE 802.11x, IEEE 802.15, IEEE 802.15.4) (prostredie č. 2, 3, zvýšenie lokalizačnej presnosti),
• lokalizačný systém využívajúci bunkové siete 2G, 3G (záložné riešenie vo všetkých typoch prostredí),
• kombinácia vyššie uvedených riešení (všetky prostredia ).

Predpokladá sa nezávislé použitie jednotlivých platforiem lokalizačného systému alebo vzájomná kombinácia jednotlivých platforiem. Kľúčovú úlohu v celom systéme bude zohrávať rozhodovací algoritmus, ktorého úlohou bude v danom momente vybrať optimálnu lokalizačnú platformu. Výber platformy by mal byť realizovaný na základe aktuálnej situácie, ktorá bude vyhodnotená prostredníctvom meraní realizovaných v danej situácii.

Architektúra multiplatformového lokalizačného systému je znázornená na obr. 1 (úvodný obrázok).

Architektúra multiplatformového lokalizačného systému znázornená v prostredí s jednou dostupnou družicou GNSS, tromi dostupnými základňovými stanicami mobilnej bunkovej siete a dvomi prístupovými bodmi WiFi.

Funkčnosť systému zabezpečuje lokalizačný server, ktorý je tvorený predovšetkým komunikačným a databázovým serverom. Lokalizačný server zabezpečuje bezpečnú komunikáciu s mobilnými stanicami, spracovanie a uloženie nameraných údajov, odhad polohy a iné.

Úlohou mobilnej stanice je uskutočňovanie meraní potrebných pre odhad polohy, čiastočné spracovanie dát, komunikácia s lokalizačným serverom a zobrazovanie informácie o polohe, prípadne ďalších doplnkových informácií. Na druhej strane je potrebné, aby mobilná stanica podporovala implementované platformy lokalizačného systému. Takouto stanicou môže byť napríklad smartfón, auto, tablet alebo laptop.

Komunikácia medzi lokalizačným serverom a mobilnou stanicou sa uskutočňuje po dostupnej dátovej sieti, čo môže byť Wi-Fi alebo sieť mobilného operátora, pomocou štandardných protokolov založených na TCP/IP.

Pomocou opísaného systému je možné poskytovať lokalizačné služby v akomkoľvek prostredí. Napríklad informáciu o polohe môžu využívať ďalšie aplikácie nainštalované v mobilnom telefóne.

Autori:

Doc. Ing. Peter Brída, PhD. a Ing. Juraj. Machaj, PhD., Katedra telekomunikácií a multimédií, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline

Použitá literatúra:

[1]       BENIKOVSKY, J., BRIDA, P., MACHAJ, J.: Proposal of User Adaptive Modular Localization System for Ubiquitous Positioning. 4th Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems, ACIIDS 2012, Kaohsiung, Taiwan, pp. 391-400, ISBN 978-3-642-28489-2, 2012.

Uverejnila: BK