Theorie. Opdracht Verhandeling nieuwe technologieën: Indoor Lokalisatie. Module: Datacommunicatie

Opdracht Datacommunicatie @Home

Theorie

Verhandeling nieuwe technologieën: Indoor Lokalisatie

Auteur: Dieter Handschoewerker

Module: Datacommunicatie

Docent: Wouter Gevaert

Academiejaar: 2014-2015

Inhoud Abstract ................................................................................................................................................... 2 Inleiding ................................................................................................................................................... 2 Corpus...................................................................................................................................................... 2 Motivatie ............................................................................................................................................. 2 Wiskundige technieken om een plaats te bepalen ............................................................................. 4 Proximity Sensing ............................................................................................................................ 4 Triangulation ................................................................................................................................... 4 Fingerprinting / Pattern Matching .................................................................................................. 7 Dead Reckoning (DR) ....................................................................................................................... 9 De technologieën ................................................................................................................................ 9 GPS................................................................................................................................................. 10 Cellular Networks .......................................................................................................................... 10 Wifi ................................................................................................................................................ 11 Bluetooth ....................................................................................................................................... 11 Bluetooth Low Energy (BLE) .......................................................................................................... 12 MEMS / Inertial Navigation ........................................................................................................... 14 Visible Light Communication (VLC) ............................................................................................... 15 Trends, uitdagingen en voorspellingen ............................................................................................. 17 Markt Trends ................................................................................................................................. 17 Product Trends .............................................................................................................................. 17 Uitdagingen ................................................................................................................................... 17 Voorspellingen............................................................................................................................... 18 Conclusie ............................................................................................................................................... 18 Literatuurlijst ......................................................................................................................................... 19

Abstract Lokalisatietechnieken zijn niet meer weg te denken uit onze hedendaagse leefwereld. We denken hier bijvoorbeeld aan navigatiesystemen en track-and-trace toepassingen. Sinds de introductie van GPS (Global Positioning System) is deze de standaard gebleven wat betreft outdoor lokalisatie. Binnenshuis of in urban canyons daarentegen kan GPS onvoldoende of niet gebruikt worden doordat deze signalen worden tegengehouden door de betonnen structuren van gebouwen. Meer dan 80% van onze tijd spenderen we binnen en het is voor vele bedrijven ondertussen duidelijk dat er veel te winnen valt met indoor lokalisatie. Maar voor indoor lokalisatie te bereiken is er nog steeds geen algemene standaard. Veel intensief onderzoek is ondertussen gerealiseerd om te kijken welke technologieën hiervoor kunnen worden gebruikt, hoe deze kunnen worden geoptimaliseerd, en in welke situaties die het best zouden kunnen worden gebruikt. Het is belangrijk om de huidige situatie te analyseren om te kunnen inschatten welke technologieën er de bovenhand zullen krijgen in de toekomst. Het is namelijk belangrijk om de trein niet te missen in deze lucratieve business.

Inleiding Deze verhandeling bekijkt eerst en vooral wat de mogelijke toepassingsgebieden zijn binnen indoor lokalisatie en waarom zij nuttig en gegeerd zijn. Vooraleer de populairste technologieën worden uiteengezet, worden eerst de belangrijkste wiskundige technieken besproken die gebruikt worden om een positie te bepalen. De uitgekozen technologieën zijn gebaseerd op het bekijken van de technologieën die markleiders gebruiken zoals AeroScout, Ekahau, Indoo.rs, Google en het lezen van thesissen en recente publicaties op technologische websites en van marktonderzoeksrapporten van onder andere Gartner. Bij het uiteenzetten van de technologieën wordt er even nagegaan of het toch niet mogelijk zou zijn om toch GPS signalen te gebruiken voor indoor lokalisatie. Grote multinationals zoals Microsoft, Apple en Google moeten in deze technologische materie altijd in het oog gehouden worden. Zij zijn reeds aanwezig op het vlak van zoekmachines, locatie mappen, mobile devices, APIs en kunnen volgens mij de toekomst van indoor lokalisatie bepalen.

Corpus Motivatie Navigatie en positioneren zijn een belangrijk deel geworden van individuen. Veel mensen gebruiken navigatiediensten zoals Tom-tom en Google Maps als ze buitenshuis zijn en tijdens het reizen. Het kan worden aangenomen dat mensen deze gelijkaardige diensten ook willen gebruiken binnenshuis, om dezelfde beleving te ervaren. Uit statistieken is gebleken dat 80% van de mobiele data consumptie afkomstig is van binnenshuis en dat mensen 80%-90% van hun tijd binnenshuis spenderen. Hierbij is er ook een toenemende vraag naar context-gerelateerde location based services (LBS). Het is duidelijk dat realiseerbare en kostenefficiënte technologische oplossingen perspectieven zullen openen voor de toekomst van indoor lokalisatie en daarop gebaseerde applicaties.

Opdracht Datacommunicatie @Home Theorie – Verhandeling nieuwe technologieën: Indoor Lokalisatie

Pagina 2

Hieronder geef ik enkel use cases en welke voordelen deze kunnen betekenen voor zowel de klanten als de bedrijven. Mogelijke use cases voor real-time lokalisatie: • • • •

• •

Indoor navigatie – navigatiehulp voor personen in luchthavens, warenhuizen, magazijnen en ziekenhuizen,.. of voor mindervaliden zoals blinden Indoor gids – een bezoeker wordt geleid door een museum en krijgt informatie bij de verschillende werken Proximity Search – het zoeken naar het dichtstbijzijnde toilet of het lijsten van alle schoenwinkels gerangschikt op afstand Sociale netwerken - denk hierbij aan bijvoorbeeld Foursquare, waar mensen kunnen tonen waar ze inchecken, moest indoor lokalisatie beter zijn zouden er veel meer diensten hiervan gebruik maken Verhoogde interactiviteit - klanten kunnen voorstellen krijgen als ze zich op een bepaalde positie bevinden Asset en people tracking - in de medische sector is het belangrijk om medische apparatuur vlug terug te kunnen vinden of om demente personen te kunnen lokaliseren

Post-processing van de lokalisatiedata kan volgende use cases hebben: •

• • •

Analytics - een heat-map creëren van een winkel of een gedragspatroon genereren. Hiermee kunnen gebruikersprofielen gecreëerd worden. Ook het plaatsen van producten in winkels kan hierop gebaseerd worden Magazijn planning – in grote warenhuizen kan men de goederen beter plaatsen door de beweging van de personen en goederen te analyseren Event planning – op basis van de bewegingen van de mensen kunnen de evenementen in de toekomst beter georganiseerd worden Veiligheidsdiensten – in een luchthaven kan men de bewegingen van de personen monitoren en op basis van deze data kan men later beslissen waar men meer personeel moet plaatsen om alles vlotter te laten verlopen

Voordelen voor zowel klanten en bedrijven: • • • • • •

Verhoogde productiviteit van het personeel door indoor navigatie en het optimaal benutten van ruimte Beter beheer van resources met behulp van real-time asset en people tracking Verbeterde marketing campagnes door het leveren van context-gevoelige, gepersonaliseerde inhoud aan de klanten Verhoogde klantentevredenheid door LBS Verbeterde indeling en ruimtegebruik van winkels gebaseerd op klantengedrag Verbeterde klantenservice en branding


Pagina 3

Wiskundige technieken om een plaats te bepalen Alhoewel er veel verschillende draadloze technologieën gebruikt worden voor indoor lokalisatie, zijn het aantal wiskundige technieken om een plaats te bereken redelijk beperkt. We kunnen ze onderverdelen in enkele categorieën: proximity sensing, triangulation/trilateratie, fingerprinting en dead reckoning. Proximity Sensing Proximity sensing verwijst naar methodes die relatieve locatie informatie kunnen leveren als een object in de nabijheid is van een sensor. De nabijheid kan gedetecteerd worden door fysiek contact, het presenteren van een magnetische strip aan een lezer, of door het monitoren van de fysieke hoeveelheid in de nabijheid van een sensor, bijvoorbeeld een magnetisch veld. Als een object wordt gedetecteerd door één referentiepunt, dan wordt de positie daaraan toegewezen. Als een object daarentegen gedetecteerd wordt door meerdere referentiepunten kan die worden toegewezen aan het referentiepunt met het sterkste signaal ofwel wordt er in een centrale server de positie berekend. Om een goede nauwkeurigheid te bereiken met deze methode moet er een goede dichtheid aanwezig zijn van referentiepunten. De proximity benadering wordt vooral gebruikt in systemen die de aanwezigheid van een object kunnen detecteren, maar geen Received Signal Strength (RSS) of tijdsberekening. Systemen die gebruik maken van Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Near Field Communication (NFC) of RFID gebruiken deze methode. Triangulation Triangulatie is een techniek om de positie van een object te bepalen op basis van de geometrische eigenschappen van driehoeken. Deze techniek heeft twee implementaties: lateratie en angulatie. De lateratie techniek bepaalt de locatie van een object door het meten van de afstanden tot verschillende referentiepunten. De afstanden kunnen berekend worden door gebruik te maken van de RSS of de time-of-flight. Om de tijd te bepalen kan men gebruik maken van Time Of Arrival (TOA), Time Difference Of Arrival (TDO) en Round-Trip Time Of Flight (RTOF). De angulatie techniek bepaalt de locatie van een object door het berekenen van de hoeken met de verschillende referentiepunten, men spreekt hier ook van Angle of Arrival (AOA). Time of Arrival (TOA) Bij plaatsbepaling op basis van tijdsverschillen maakt men gebruik van de eindige propagatiesnelheid van radiogolven. De tijd die een signaal nodig heeft om zich te verplaatsen van zender naar ontvanger is afhankelijk van de afstand. 1 nanoseconde komt overeen met 30 cm. Om een nauwkeurige afstandsbepaling te kunnen doen is het belangrijk dat de klokken synchroon staan. Bij TOA meet men het verschil tussen zender en ontvanger. Hierbij moeten zender en ontvanger perfect gesynchroniseerd zijn. Als de ontvanger de verzendtijd ontvangt van de verzender moet hij hiermee de tijd kunnen berekenen. Om een 2D lokalisatie te verkrijgen van een object moeten minstens 3 TOA metingen worden gedaan


Pagina 4

naar 3 verschillende referentiepunten. Door gebruik te maken van het propagatiemodel kan men de straal van de cirkels inschatten, die de afstand van het object naar het referentiepunt omschrijft. Het snijpunt van deze 3 cirkels geeft dan een positiebepaling van het object.

Figuur 1 Trilateratie

In de realiteit bekomt men door ongewenste effecten geen eenduidig punt, maar een gebied waar het object zich kan bevinden. Least Squares (LS) en Maximum Likelihood (ML) zijn 2 veelgebruikte algoritmes om de best mogelijke locatie te bepalen. Non Line-Of-Sight (NLOS) beïnvloedt de tijdsberekening en dus ook de nauwkeurigheid van TOA. Bij Line-Of-Sight (LOS) zullen bij de ontvanger meerdere signalen toekomen. Hierbij wordt die met de kleinste aankomsttijd gebruikt. Indien er iets in de weg ligt van de LOS, dan zal een ander signaal gebruikt worden met een langere aankomsttijd, waardoor de afstand verkeerd zal berekend worden.

Figuur 2 Line Of Sight (LOS) en Non Line Of Sight (NLOS)

TOA technieken worden veel gebruikt in UWB (Ultra Wideband) systemen, omdat deze ongevoelig zijn voor multipath effects. Time Difference of Arrival (TDOA) Bij TDOA omzeilt men de nood aan synchronisatie tussen zender en ontvanger. De relatieve positie van een object wordt nu bekomen door het vergelijken van het verschil in aankomsttijden tussen de verschillende referentiepunten. Vanuit geometrisch standpunt moet het object liggen op een hyperbool met een constant verschil tussen de 2 referentiepunten


Pagina 5

Figuur 3 TDOA

Het voordeel van TDOA is dat enkel de ontvangende nodes, meestal de referentiepunten, moeten gesynchroniseerd zijn. TDOA wordt gebruikt in indoor lokalisatiesystemen gebaseerd op GPS, TV, UWB, WSN (Wireless Sensor Networks) en 3G en 4G, omdat de basis stations gesynchroniseerd zijn. Round-Trip Of Flight (RTOF) Deze techniek wordt ook Two Way Ranging (TWR) genoemd en bepaalt de afstand tussen zender en ontvanger door het meten van de volledige round-trip van het signaal. De ontvanger doet hierbij wel een bepaalde bewerking op het signaal alvorens die terug te zenden.

Figuur 4 RTOF

RTOF gebruikt hetzelfde signaal propagatiemodel als bij TOA om de afstand te berekenen, maar er is hier geen nood meer aan synchronisatie. De RTOF techniek wordt veel gebruikt bij UWB. RSS-based lateratie Bij de RSS-based lateratie wordt de afstand ingeschat door het gebruik te maken van de signaalverzwakking van het verzonden signaal tussen het bewegende object en de verschillende referentiepunten. Tijdssynchronisatie is moeilijk, maar het meten van het ontvangen signaalsterkte bij wireless communicatie is redelijk gestandaardiseerd. Hierdoor is deze methode heel populair bij Wifi, Bluetooth, RFID en UWB. Buitenshuis is de relatie tussen signaalsterkte en afstand te berekenen door de Log Distance Path Loss (LDPL). Binnenshuis daarentegen kunnen enkel short range signalen efficiënt worden omgezet naar afstand. De bepaling van positie is voor de rest vergelijkbaar met die van TOA.


Pagina 6

Angle Of Arrival (AoA) AOA is een angulatietechniek waarbij de ontvangende nodes in een netwerk uitgerust zijn met richtingsgevoelige ontvangstantennes, die door gebruik te maken van de ontvangsthoek van het signaal, de positie van de zender kunnen bepalen. Voor 2D lokalisatie zijn 2 referentiepunten voldoende, terwijl voor 3D lokalisatie er 3 nodig zijn. Bij combinatie met RSS en TOA is er zelfs maar 1 nodig. Naarmate de ontvangstantennes kleinere hoeken kunnen onderscheiden, zal uw lokalisatiebepaling des te nauwkeuriger zijn, dus des te kleiner het gebied. Voordeel van deze techniek is dat er minder referentiepunten nodig zijn dan bij deze van lateratie. Ook is er geen nood aan tijdssynchronisatie. Wel heeft deze techniek complexe hardware nodig (richtingsgevoelige ontvangstantennes) en zijn deze ook onderhevig aan het LOS-probleem. Precieze hoekberekeningen zijn namelijk moeilijk te bereiken in multipath (meerweg) indoor omgevingen.

Figuur 5 Angulatie

Fingerprinting / Pattern Matching De hierboven vermelde technieken maken veelal gebruik van de geschatte afstanden tussen het mobiele apparaat en de referentiepunten. Het bekomen van de tijd –en hoekmetingen is een functie die ontbreekt in de meeste mobiele apparaten, bovendien is het moeilijk om hiervan correcte metingen te verkrijgen in indoor omgevingen. Men heeft wel kunnen vaststellen dat op een bepaalde positie in een ruimte de signaalkarakteristieken uniek en stabiel zijn over de tijd. Fingerprinting is hierop gebaseerd. Men vergelijkt de karakteristieken van een real-time signaal met een databank met vooraf opgenomen signaalkarakteristieken van een ruimte. Bij radiofrequentie gebruikt men vooral RSS, maar dit kunnen ook andere signaalkarakteristieken zijn. Men kan overigens ook nog akoestisch werken met audio of visueel met beelden, enz.. Fingerprinting gebeurt in 2 fases, namelijk de online en offline fase. Onderstaand een concreet voorbeeld met Wifi en RSS. De offline / training / calibratie fase: Alvorens men kan bepalen waar een apparaat (en dus een persoon die in het bezit is van dit apparaat) zich bevindt, moet de omgeving eerst in kaart worden gebracht. In de eerste fase wordt een plattegrond genomen van de omgeving waar de lokalisatie moet worden voldaan. Deze wordt vervolgens onderverdeeld in rasters van een bepaalde grootte (bijvoorbeeld 1m²) dewelke als referentiepunten zullen dienen. Het is de bedoeling dat voor elk raster metingen worden gedaan die


Pagina 7

de beschikbare Access Points en zijn respectievelijke signaalsterktes opmeten en deze wegschrijven in een database. De online fase: Wanneer de omgeving volledig in kaart is gebracht kunnen we onbekende locaties gaan berekenen. In principe wordt ervan uitgegaan dat wanneer een meting wordt gedaan op dezelfde locatie als deze van een reeds opgemeten referentiepunt, dezelfde Acces Points en dezelfde signaalsterktes zullen worden gevonden als de waarden die zich in de database bevinden. In deze fase wordt een meting (Access Points signaalsterktes) uitgevoerd op een onbekende locatie en deze wordt vergeleken met de aanwezige referentiepunten die zich in de database bevinden. Het referentiepunt, die het dichtst bij de gemeten waarde aanleunt, wordt aanzien als zijnde de onbekende locatie. Op dat moment is het een kwestie van de x en y coördinaten te zoeken die bij het referentiepunt horen (in de database) en deze vervolgens door te geven. Om het dichtste referentiepunt te vinden wordt er gebruik gemaakt van algoritmes zoals de Manhattan distance of de k-Nearest Neighbors (k-NN). Fingerprinting wordt veelvuldig toegepast in lokalisatiesystemen gebaseerd op Wifi, Bluetooth en RFID omdat RSS veel makkelijker voor handen zijn dan het bereiken van precieze tijds –en hoekmetingen met TOA,TDOA, RTOF en AOA. Een groot nadeel is het enorm tijdsintensieve proces van de voorbereidende offline fase en het groot aantal metingen per referentiepunt hierbij om de nauwkeurigheid van de database te garanderen. Het is ook belangrijk om op te merken dat de ruimte in de loop der tijd zal evolueren, bijvoorbeeld door de aanwezigheid van nieuw meubilair, waardoor de offline fase opnieuw zal moeten worden uitgevoerd. Online Calibratie biedt voor dit laatste probleem een oplossing. Het combineert de offline meetmethode met model based estimation. In plaats van een site survey te doen op verschillende punten, worden bij de online calibratiemethode vaste anker nodes geplaatst, die continu de fingerprints op deze posities meten. Deze anker nodes wisselen deze informatie uit waardoor de map continu kan worden geüpdatet.

Figuur 6 Radio map


Pagina 8

Naast deze map-based fingerprinting bestaat er ook een map-free fingerprint techniek, waardoor het ingewikkelde beheer van deze radio mappen wegvalt. Het is gebaseerd op het feit dat er in een gebouw bepaalde locaties zijn met unieke speciale signaal patterns. Deze kunnen worden gebruikt als landmarks en in combinatie met accelerometers, kan een positie van dynamische objecten worden bepaald. Dead Reckoning (DR) Dead Reckoning is het proces van het bepalen van een huidige onbekende positie gebaseerd op vorig bepaalde positie berekend vanuit snelheid en richtingsinformatie binnen een bepaald tijdsinterval. Deze methode heeft veel aandacht gekregen omdat deze gebaseerd is op sensoren die nu aanwezig zijn in de recente mobile devices. Inertial navigation (traagheidsnavigatie) is op dit principe gebaseerd, waarbij snelheid is berekend met de accelerometer metingen, en de richting met de gyroscoop en magnetische veld metingen.

Figuur 7 Dead Reckoning

De technologieën De technologieën voor lokalisatie kunnen gecategoriseerd worden in Radio Frequentie, Lichtgolven, Geluidsgolven en Micro-elektromechanische systemen (MEMS).

Figuur 8 Overzicht technologieën


Pagina 9

Radio Frequency (RF) is de meest gebruikte technologie voor indoor lokalisatie, met inbegrip van broadcast Wide Area Networks (WAN), Wireless Personal Area Networks (WPAN), RFID tags, NFC enz. WAN bevat GPS en cellular networks. WPAN bevat Wifi, Bluetooth, WSN en UWB. Hieronder worden er enkele besproken. GPS GPS is de meest succesvolle lokalisatie –en navigatiemethode in outdoor omgevingen. Maar doordat de GPS signalen een slecht bereik hebben in indoor omgevingen, werden er oplossingen gezocht om deze signalen toch nog bruikbaar te maken. De eerste pogingen om een link te maken tussen outdoor en indoor zorgden ervoor dat de gevoeligheid van de GPS-receivers verbeterd werden, zoals de introductie van A-GPS en nieuwe hardware designs, om zwakke signalen toch te kunnen opvangen. Maar deze eerste pogingen bleven toch ontoereikend. Assisted GPS of A-GPS is een techniek waarbij de GPS-ontvanger wordt ondersteund door het ontvangen van informatie van andere bronnen dan de gps-satellieten, zoals een ruwe positiebepaling op basis van de signaalsterkte ontvangen door de zendmasten voor mobiele telefonie of bij Wifinetwerken. Op basis van deze ruwe informatie en de satellietsignalen kan de gps-ontvanger sneller de exacte locatie bepalen. Een andere oplossing is het plaatsen van pseudolites, pseudo satellites. Er bestaan 3 pseudolite architecturen: pseudolites, repeaters en repealites. Bij de pseudolite worden op de hoeken van het gebouwen pseudolites geplaatst die GPS-achtige signalen simuleren. Doordat de signalen gesimuleerd worden en dus verschillen met die van GPS, moeten er hardware aanpassingen gebeuren aan de GPS-ontvanger. Andere nadelen bij dit systeem is dat er een kloksynchronisatie moet gebeuren en dat ze onderhevig zijn aan multipath en near-far effects. Het near-far probleem treedt op als de ontvanger een sterk signaal ontvangt en hierdoor onmogelijk een zwakker signaal kan ontvangen. Om deze nadelen op te vangen zijn de repeater en de repealite ontwikkeld. Bij een repeater wordt het GPS signaal versterkt en doorgestuurd zonder enige bewerking. De repeater vereenvoudigd de synchronisatie en vermindert het near-far probleem. De repealite combineert de voordelen van de pseudolite en de repeater en heeft een oplossing voor de problemen van voorgaande systemen en doordat het verzenden van de antennes continu gebeurt kan de draaggolf in real-time gevolgd worden waardoor de nauwkeurigheid verbetert en dynamische positionering mogelijk wordt. GPS pseudolites zijn nauwkeurig voor indoor lokalisatie maar zijn ingewikkeld. Tot op de dag van vandaag worden nog onderzoeken gedaan om dit systeem te optimaliseren. Cellular Networks Een cellular network is een long range wireless network verdeeld over verschillende regio’s ook cells genoemd. Elke cell wordt bediend door minstens één base station, een transceiver op een vaste locatie. Een transceiver is zowel transmitter als receiver. Deze technologie heeft veel standaarden, zoals 2G, 3G en 4G. Deze systemen kunnen genieten van een goede indoor penetratie van de signalen, zijn stabiel over tijd en worden ondersteund door veel mobile devices.


Pagina 10

De meest gebruikte methode is GSM fingerprinting op RSS. Bij CDMA-netwerken, een concurrent van GSM, worden de verzonden signaalsterktes gecontroleerd om de netwerk load in goede banen te leiden, waardoor de RSS niet consistent is en niet bruikbaar is voor fingerprinting. Er wordt voorspeld dat met de komst van de 5G-netwerken, een nauwkeurigheid van 1 meter zal kunnen worden bereikt. Wifi Wifi is technisch gezien een WPAN protocol gebaseerd op de 802.11 netwerk standaard, die werkt in 2.4 en 5GHz. Het is de meest gebruikte manier om data wireless te communiceren en wordt op grote schaal gebruikt thuis, bij bedrijven en op publieke hot spots. Hierdoor wordt deze technologie intensief bestudeerd en gebruikt in indoor lokalisatie. De meest gebruikte methode hierbij is de fingerprinting in 2 fases: de offline en online fase. Een offline Wifi fingerprint database is opgemaakt uit RSS waarden van een aantal Access Points op nauwkeurig uitgestippelde referentiepunten binnen de ruimtes. Het registeren in de 4 oriëntaties is hierbij belangrijk (Noord, Oost, Zuid, West) om de verschillende locaties te kunnen onderscheiden van elkaar en om de oriëntatie van de gebruiker te kunnen inschatten. Een menselijk lichaam beïnvloedt het propagation model en de gemeten waarden van de APs zullen verschillend zijn naargelang de oriëntatie. Ook is het belangrijk dat men in elke oriëntatie verschillende metingen doet, daar men verschillende meetwaarden kan verkrijgen op verschillende tijdstippen op dezelfde plaats. In de online fase, wanneer de gebruiker zijn positie wil weten, wordt dan de real-time gemeten RSS waarde vergeleken met de Wifi fingerprint database om zo zijn positie te bekomen. Het grootste nadeel van elke fingerprint benadering is het arbeids –en tijdsintensieve proces van de offline fase om een radiomap te verkrijgen alsook het opnieuw moeten uitvoeren van de offline fase bij veranderingen in de ruimtes. Het up-to-date houden van de radiomap is de grootste uitdaging. Met online calibratie verhindert men het feit dat men de offline fase terug moet uitvoeren bij veranderingen in de ruimte. Bij crowd-sourcing wordt de radio map automatisch upgedate door gebruik te maken van fingerprints verzameld bij veel gebruikers. Om de locaties van de verzamelde fingerprints beter te kunnen vastpinnen, wordt de data van verschillende sensoren gebruikt, zoals de accelerometer en de gyroscoop. Er bestaan ook Wifi indoor lokalisatie benaderingen die gebruik maken van het signaal propagatiemodel. Bluetooth Bluetooth is een ander wireless standaard voor WPAN en werkt in 2.4 GHz ISM (industrial, scientific and medical) band die een simpele manier van communicatie biedt tussen mobiele devices, waarvan het signaal tot 100 meter kan bereiken. Deze standaard heeft wel last van interferentie met andere devices die werken in dezelfde radiofrequentie. RSS fingerprinting en triangulatie zijn zoals bij Wifi de meest gebruikte technieken. Vergeleken met Wifi hebben de beacons een lagere transmit power, kortere nominal range en is goedkoper van prijs waardoor een dichtere verspreiding mogelijk is. De nauwkeurigheid benadert die van Wifi, maar het grootste probleem is de latency van 10 seconden alvorens een antwoord te kunnen behandelen (requiry time). Een ander probleem is het enorme energieverbruik.


Pagina 11

Bluetooth Low Energy (BLE) De introductie in 2010 van Bluetooth Low Energy is veel belovend voor indoor lokalisatie. Zoals de naam impliceert verbruiken deze devices heel weinig energie, waardoor lokalisatie tags meer dan een jaar kunnen functioneren met dezelfde batterijcel. Het probleem van latency werd beperkt tot enkele milliseconden door het gebruik van maar 3 kanalen voor advertising, data en het maken van een connectie. BTE is een deel van de Bluetooth 4.0 specificatie die zijn oorsprong vind in Wibree, een project uit 2006 van het Nokia Research Centre. Later is deze geïntegreerd geweest in Bluetooth door de Bluetooth Special Interest Group (BSIG). BLE heeft een eigen protocol set, en de devices zijn niet backwards compatibel. Nu kan men 3 types devices terugvinden, volgens welke Bluetooth versie ze ondersteunen: • • •

Bluetooth: enkel de “classic” mode Bluetooth Smart Ready: zowel “classic” als “LE mode” Bluetooth Smart: enkel de “LE mode”

Nieuwere smartphones, laptops en tablets hebben een dual mode chip, waardoor ze Smart Ready zijn. Beacons daarentegen zijn enkel BLE. BLE heeft lagere transfer rates dan Classic, daar ze enkel dienen voor discovery en simpele communicatie. Hoe werkt deze BLE communicatie ? BLE communicatie bestaat uit 2 hoofdbestanddelen: advertising en connecting. Advertising is een eenrichtichtings discovery mechanisme. Devices die wensen ontdekt te worden zenden een signaal uit van 20 ms tot 10 seconden. Hoe korter het interval des te korter de batterij zal meegaan. De pakketten kunnen tot 47 bytes groot zijn.

Figuur 9 BLE pakket

Voor advertising is het access address altijd 0x8E89BED6. Voor data channels is die voor elke connectie anders. De PDU heeft terug zijn eigen header, die de grootte van de payload en het type bevat, of de device connecties aanvaardt of niet. De payload bestaat uit het MAC adres van de device en de te overdragen informatie. BLE devices kunnen dus werken enkel in advertisement mode of ze kunnen ook connecties toestaan. Nadat een BLE device is ontdekt, kan een connectie worden gemaakt en kunnen de diensten van de device gelezen worden. Iedere dienst heeft zijn specifieke karakteristieken, ook gekend als een implementatie van een GATT profiel. Elk karakteristiek heeft een bepaalde waarde, die gelezen en/of geschreven kan worden. Een voorbeeld is een slimme


Pagina 12

thermostaat waarmee men de temperatuur of vochtigheidsgraad kan inlezen en waarmee de temperatuur kan worden weggeschreven. Beacons gebruiken enkel de advertisment mode en hebben 2 types van functionaliteiten: geofencing aka region monitoring, om een app te signaleren wanneer iemand een ruimte binnenkomt of verlaat, en proximity aka ranging om te detecteren hoe dicht iemand in de buurt is van een beacon. Ranging werkt enkel als een app in de foreground werkt, terwijl met geofencing de app zelf ook getriggerd kan worden. Sinds iOS 7.1 moet de app zelfs niet werken in de background, wat betekent dat eenmaal de app is geïnstalleerd en gelanceerd, hij niet stopt met antwoorden te geven, totdat de gebruiker deze de-installeert, de instellingen wijzigt of Bluetooth uitzet. Enkele toepassingen van Beacons:

Figuur 10 Beacon toepassingen

Hoe gebruiken beacons BLE? Zoals reeds aangehaald gebruiken beacons enkel de advertisment channel. Ze zenden pakketjes uit in regelmatige tijdsintervallen. Deze data kan dan opgepikt worden door devices zoals smartphones. De iBeacons van Apple zijn een populaire toepassing van deze BLE advertisements met wat extra functionaliteit aan iOS zijde. Wanneer je een iBeacon advertisment pakket onderschept, dan zie je volgende data in het data gedeelte van de PDU:

Bij iBeacons wordt het datagedeelte van de PDU opgedeeld.


Pagina 13

Om met BLE te testen heb je enkel een device nodig die BLE ondersteund, deze kan dan zenden of ontvangen. Zelfs een raspberry pi kan je met een BLE USB dongle gebruiken als beacon. Het iBeacon formaat ontleed •

•

• • •

iBeacon prefix: bevat oa o Apple Company Identifier (Little Endian): 4c o Data type: 02 => iBeacon o Data lengte: 15 => 21 bytes De proximity UUID: deze wordt gebruikt om uw eigen beacons te onderscheiden van andere. Bijvoorbeeld een bepaalde winkelketen zal een bepaalde UUID gebruiken, en in de app van deze winkelketen zal er in de background gescand worden naar advertisments van deze UUID. Major: deze wordt gebruikt om een set gerelateerde beacons te groeperen. Om bijvoorbeeld een bepaalde winkel te identificeren. Minor: iedere beacon heeft zijn unieke id, hiermee kan men identificeren waar de klant zich bevindt. TX power: met deze waarde kan je bepalen hoe dicht je je bevindt ten opzichte van een beacon, hiermee kan je dus de afstand meten. Deze afstand kan ruwe informatie zijn (immediate/far/out of range) of deze kan meer preciezer worden weergegeven in meter. In ons voorbeeld is C5 een 2-complement: 0xC5 = 1100 0101 De eerste bit bepaalt het teken van het getal. 0 is positief en de waarde kan geconverteerd worden naar decimaal. Bij 1 is het getal negatief en moet de byte geïnverteerd worden, 0 wordt 1 en 1 wordt 0 en daarna wordt er 1 ervan afgetrokken Dus 1100 0101 wordt 0011 1010 => –(32 + 16 + 8 + 2) - 1= -59 dBm De TX power is de signaalsterkte, RSSI, op 1 meter van het device. Omdat de daling van een signaalsterkte met afstand te bereken is en omdat de signaalsterkte van een beacon op 1m gekend is, kan de afstand berekend worden van het mobiele device. Obstakels, zoals meubels en mensen kunnen het signaal ook afzwakken, waardoor de afstandsberekening meer een schatting is.

MEMS / Inertial Navigation Micro-elektromagnetische systemen of MEMS zijn kleine ingebedde systemen die uit een combinatie van elektronische, mechanische en eventueel chemische componenten bestaan. Deze MEMS kunnen


Pagina 14

als miniatuur sensoren gebruikt worden bij het detecteren van bewegingen. De belangrijkste sensoren zijn de accelerometer, de gyroscoop en de magnetoscoop. Om een positie te bepalen worden de metingen van de verschillende metingen gecombineerd, waardoor soms ook van sensor fusion wordt gesproken. De methode die hier gebruikt wordt om indoor lokalisatie te bekomen is Dead Reckoning, waardoor de fout van lokalisatie kan accumuleren. Men gebruikt allerhande algoritmen om de fout tot een minimaal te herleiden. Sensoren worden veel gebruikt in combinatie met andere technologieën, denk maar aan het feit dat signalen kunnen wegvallen, op basis van de informatie van de sensoren, kan positionering toch verder gebeuren. Accelerometer Een accelerometer sensor rapporteert de acceleratie van het device langs de 3 sensor assen. De gemeten acceleratie omvat zowel de fysieke acceleratie (verandering in snelheid) als de zwaartekracht. Theoretisch zou de snelheid en richting kunnen worden bepaald, maar dit is in de praktijk anders, doordat bij het wandelen de acceleratiekracht niet constant is in één richting en dat de device in een andere richting kan gehouden worden . De belangrijke informatie die een accelerometer kan geven is of de gebruiker wandelt of rust. Wanneer gebruikers wandelen in een indoor omgeving is hun snelheid relatief traag en zijn er intervallen van wandelen en rust. Een accelerometer wordt ook gebruikt als stappenteller, waarmee dan de afstand kan worden berekend.

Figuur 11 Coördinatensysteem gebruikt bij de Android sensor API

Gyroscoop Een gyroscoop rapporteert de graad van rotatie rond de 3 sensor assen. Door het lezen van de metingen te volgen over de tijd is het mogelijk de oriëntatie te bepalen van een object. Je moet hier wel de initiële oriëntatie weten om de richtingsveranderingen te kunnen berekenen. Magnetometer Deze sensoren rapporteren de sterkte en de richting van het magnetisch veld in een bepaalde richting. De magnetoscoop is niet nauwkeurig genoeg om de gyroscoop te vervangen, maar wordt samen gebruikt om een nauwkeuriger resultaat te verkrijgen. Visible Light Communication (VLC) Bij Visible Light Positioning worden LEDS gebruikt om devices te lokaliseren en om ermee te communiceren. Deze technologie wordt aanzien als een grote concurrent van Wifi en de beacons. Ze maken gebruik van de bestaande lichtinfrastructuur, wat niet het geval is bij Wifi en de beacons. Bovendien kunnen de LEDs door de grote dichtheid en spreiding voor een betere nauwkeurigheid


Pagina 15

zorgen tot minder dan een meter ten opzichte van binnen enkele meters zoals bij Wifi. Zelfs met weinig LEDs kan men nog een goede nauwkeurigheid bekomen.

Figuur 12 Conceptueel design van Epsilon met d als de te berekenen afstand tussen LED-lichtbron en ontvanger.

Het conceptueel design van Epsilon, een project gesponsord door Microsoft, toont dat het basis idee trilateratie is met de verschillende LED lichtbronnen als ankerpunten. Elke LED werkt als een landmark en broadcast via het licht onder andere zijn positie die het voor de ontvanger makkelijker maakt om zich te lokaliseren. De ontvanger, zoals een smartphone, gebruikt een lichtsensor om de beacon informatie van de LEDs te ontvangen, en met de RSS van de verschillende LEDS kan hij via trilateratie zijn positie bepalen.

Figuur 13 Systeem architectuur van Epsilon

De Visible Light Communication tussen LED-lichtbron en de ontvangende mobile device is mogelijk doordat een LED lamp een onmiddellijke Aan/Uit feature heeft waardoor het kan beschouwd worden als een goede zender. LEDs kunnen verschillende modulatieschema’s gebruiken om digitale informatie in de lichtsignalen te verwerken. Bij Epsilon gebruikt men de Binary Frequency Shift Keying (BFSK) modulatie om de berichten te encoderen. Er wordt gebruik gemaakt van channel hopping om interferentie te vermijden met bijvoorbeeld zonlicht of fluo-licht. De ontvangende device demoduleert de signalen en berekent de afstand tot de lichtbron. Met de RSS waarden van de verschillende lichtbronnen kan hij via trilateratie zijn positie bepalen.


Pagina 16

Trends, uitdagingen en voorspellingen Markt Trends Location sensing is zeer vlug aan het evolueren en nieuwe technologieën, aanbieders, en algoritmes zullen het leven vinden. De Bluetooth Special Interest Group is momenteel aan het werken aan een nieuwe Bluetooth standaard, Bluetooth Shanghai, die het mogelijk zou maken om een positie tot minder dan een meter te kunnen bepalen. Er wordt gewerkt aan een nieuwe 802.11aq Wi-Fi standaard die het mogelijk zou maken aan apps om de beschikbare diensten via Wi-Fi te kunnen ontdekken zonder zich te moeten associëren met een Access Point of SSID. Men voorspelt dat tegen 2020 er 26 biljoen Internet Of Things (IoT) units zullen zijn. Hiermee bedoelen we alledaagse voorwerpen die een entiteit worden op het internet, die kunnen communiceren met andere objecten of personen. Door deze voorspelling zouden er veel meer devices kunnen gebruikt worden als beacons of referentiepunten en verhoogt dit ook de opportuniteit voor location aware diensten. Men zal de huidige technologieën steeds verfijnen en hiervoor zal men steeds betere algoritmes uitvinden. Men voorspelt dat context-aware localisatiediensten heel belangrijk zullen worden in de nabije toekomst, vooral in winkels. Met de introductie van 5G zou een nauwkeurigheid van 1m kunnen bereikt worden. Product Trends Alle recente mobile devices hebben nu Bluetooth Low Energy. Apple heeft zijn eigen iBeacon ontwikkeld en heeft net zoals Google een API ter beschikking gesteld, zodat ontwikkelaars hiervan kunnen meegenieten om zo hun eigen apps te maken. Google en Nokia zijn volop mappen aan het maken van indoor plaatsen. Broadcom en Qualcomm zijn hun chips constant aan het verbeteren om zo betere nauwkeurigheid en beschikbaarheid van de indoor technologie kunnen aanbieden. Apple heeft in 2013 WifiSLAM opgekocht en heeft veel geld geïnvesteerd in de ontwikkeling van een nieuw 3D indoor LBS systeem. Microsoft en Philips zijn bezig met het optimaliseren van VLC. In mei 2015 is er in de Carrefour van Lille/Rijsel een eerste implementatie op grote schaal gebeurd om de klant te navigeren naar een bepaald product. Google is met Google Tango bezig, zodat mensen 3D mappen kunnen maken door enkel en alleen hun smartphone te gebruiken. Met deze mappen kan men dan ook nog indoor lokalisatie doen. Uitdagingen Indoor lokalisatie technologieën en toepassingen staan nog in hun kinderschoenen, maar zullen groeien tot ze volwassen zijn, net zoals in GPS-navigatie. Indoor mappen en locatiedata kunnen intens gebruikt worden om analyses te maken en klantengedrag te bestuderen. Privacy is een item die niet uit het oog mag verloren worden. Alle componenten binnen een smartphone zijn vlug geëvolueerd, behalve de batterij.


Pagina 17

Op 29 januari 2015 heeft de Federal Communications Commission een update gedaan aan de E911 (Enhanced 911) regels waarbij men verplicht dat van 911 bellers via Voice Over Internet (VOIP) het systeem automatisch een terugbelnummer moet meeleveren en in de meeste gevallen ook een locatie. Voorspellingen Volgens ABResearch zal de indoor lokalisatie markt 4 biljoen dollar waard zijn in 2018. Het aantal recente high-end smartphones met sensoren zoals accelerometers en gyroscopen is 100%, terwijl de andere segmenten 100% zullen bereiken in 2017.

Conclusie Het is duidelijk dat indoor lokalisatie een grote potentiële markt heeft, waar zowel navigatie als positie, denk maar aan context-aware LBS, een grote rol spelen. Momenteel is er geen één technologie, zoals GPS outdoor, waarmee men indoor positie kan bepalen, alhoewel men via pseudolites deze signalen toch binnen kan brengen, maar door het te complex zijn, hebben deze systemen weinig succes. Hierdoor zijn er een enorme waaier aan technologieën en methodes ontwikkeld die allen gebruik maken van enkele plaatsbepalingsmethodes. De systemen van de grootste marktspelers zijn hybride, waarbij Wi-Fi fingerprinting de steunpilaar is. Deze worden dan aangevuld met het gebruik van sensoren van de mobile devices om de nauwkeurigheid te verbeteren, die bijvoorbeeld bij het wegvallen van het signaal via dead reckoning toch verder kunnen positioneren. In de context-aware LBS, waar men een interactie creëert met de klant is vooral Bluetooth Low Energy een belangrijke speler, dit wordt ook aangetoond door de lancering van de iBeacons en het uitgeven van API’s door Apple en Google. Een belangrijke nieuwe trend is het Visible Light Positioning met LEDs ondersteund door Microsoft en Philips. Deze kan een goed alternatief vormen voor de LBE beacons daar men via VLC ook kan interageren met de klanten. Een ander voordeel is dat bij een bestaande LED infrastructuur in bijvoorbeeld winkels, men geen extra apparatuur moet plaatsen, zoals Access Points en beacons. Ook is de nauwkeurigheid van positionering enorm goed, men kan tot minder dan een meter precies zijn, wat niet het geval is bij BLE en Wifi. Het probleem van Wifi is vooral de offline fase om een map te hebben die enorm arbeidsintensief is. Met Google Tango of via crowd-sourcing van mappen kan dit eventueel ook opgelost worden. Er zullen steeds nieuwe technologieën uitkomen, zoals de nieuwe Wifi standaard 802.11aq en Bluetooth Shanghai, die dan terug zullen concurreren met bijvoorbeeld VLC. Ook de hardware zal steeds verder geoptimaliseerd worden, zoals de aanwezigheid van de nodige sensoren, en er zullen nieuwe algoritmes ontwikkeld worden om de nauwkeurigheid steeds te verbeteren, alsook zullen de technologieën steeds gecombineerd worden tot hybride systemen om tot een optimale nauwkeurigheid of interactie te kunnen komen. Of er een standaard zal komen voor indoor lokalisatie blijft nog steeds de vraag. Sowieso zullen de ontwikkeling en het succes van de verschillende nieuwe technologieën en hardware afhangen van de steun van de grote multinationals die reeds op deze markt actief zijn. Ook kunnen zij door het ter beschikking stellen van APIs een boom genereren van applicaties die deze


Pagina 18

technologieën gebruiken en de marktwaarde ervan kunnen doen stijgen.

Literatuurlijst Ye Tian. Practical indoor localization system using GSM fingerprints and embedded sensors. Electronics. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2015. DramCo. Locatie Afhankelijke Diensten - Wireless Technology for Positioning Applications (LADI WITEPA) Case study: Nauwkeurigheid van dynamische RSS-based indoor plaatsbepalingssystemen Technieken en technologieëen voor plaatsbepaling, 10 juli 2008 Aare Puussaar. Indoor Positioning Using WLAN Fingerprinting with Post-Processing Scheme, UNIVERSITY OF TARTU, Faculty of Science and Technology, Physics Department, Computer Engineering, 2014 Dr. Rainer Mautz, Indoor Positioning Technologies, Habilitation Thesis Application for Venia Legendi in Positioning and Engineering Geodesy, Institute of Geodesy and Photogrammetry, Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering, ETH Zurich, February 2012 Junjie Liu, Survey of Wireless Based Indoor Localization Technologies, April 30, 2014 Nel Samama (2012). Indoor Positioning with GNSS-Like Local Signal Transmitters, Global Navigation Satellite Systems: Signal, Theory and Applications, Prof. Shuanggen Jin (Ed.), ISBN: 978-953-307-8434, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/global-navigation-satellite-systemssignal-theory-andapplications/indoor-positioning-with-gnss-like-local-signal-transmitters Tarr, Matthew. "Location, location, location! The proliferation of indoor positioning and what it means and doesn’t mean for museums." MW2015: Museums and the Web 2015. Published January 31, 2015. Consulted June 6, 2015. http://mw2015.museumsandtheweb.com/paper/location-location-location-the-proliferation-ofindoor-positioning-and-what-it-means-and-doesnt-mean-for-museums/ http://en.wikipedia.org/wiki/Indoor_positioning_system http://nl.wikipedia.org/wiki/Assisted_GPS http://en.wikipedia.org/wiki/Near-far_problem Rui Xu 1,*, Wu Chen 1, Ying Xu 1 and Shengyue Ji 1,2 A New Indoor Positioning System Architecture Using GPS Signals 1 The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China; E-Mails: [email protected] (W.C.); [email protected] (Y.X.); [email protected] (S.J.) 2 China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266000, China 29 April 2015 http://en.wikipedia.org/wiki/Transceiver


Pagina 19

Dmitry Namiot, On Indoor Positioning, International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 3, no. 3, 2015 Prasad Ramanathan, IGate, TechConnect/Emerging Technologies - Indoor Location Technology (ILT), ISSUE 2014/08 Adam Warski, How do iBeacons work?, 19 january 2014 http://www.warski.org/blog/2014/01/how-ibeacons-work/ Vincent Hoogendoorn, Building Cross-Platform iBeacon Apps for iOS, Android and Windows with C# and Xamarin, 24 Apr 2014 http://vincenth.net/blog/archive/2014/04/24/building-cross-platform-ibeacon-apps-for-ios-androidand-windows-with-c-and-xamarin.aspx http://en.wikipedia.org/wiki/Two%27s_complement http://nl.wikipedia.org/wiki/Micro-elektromechanisch_systeem Liqun Li, Pan Hu, Guobin Shen, Chunyi Peng, Feng Zhao, "Epsilon: A Visible Light Based Positioning System", the 11th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation , Seattle, Washington, 2014 https://www.usenix.org/conference/nsdi14/technical-sessions/presentation/li


Pagina 20

Theorie. Opdracht Verhandeling nieuwe technologieën: Indoor Lokalisatie. Module: Datacommunicatie

Recommend Documents