6 Brezžične tehnologije za lokalizacijo
2.1 Uporaba radijskih frekvenc za lokalizacijo
Najbolj uporabljeni tehnologiji za lokalizacijo v notranjih prostorih sta Wi-Fi in BLE. Ti skupaj z brezžičnim senzorskim omrežjem (angl. wireless sensor network – WSN) in ultraširokopasovnimi radijskimi značkami spadata v kategorijo brezžičnih osebnih omrežij. Mobilno omrežje, televizijski in radijski valovi s frekvenčno modulacijo (angl.
frequency modulation – FM) ter ponavljalniki (repetitorji) signala GPS pa spadajo med prostrana omrežja.
Sistemi za radiofrekvenčno identifikacijo morajo imeti za delovanje dva osnovna gradnika, in sicer značko RFID ter bralnik RFID. Bralnik RFID brezžično prejme podatke, shranjene na znački RFID. Značke so lahko pasivne ali aktivne. Pasivne značke prejmejo energijo z oddanih radijskih valov oddajnika, aktivne pa imajo svoj vir napajanja. Sistemi RFID delujejo v štirih različnih pasovnih širinah: nizkofrekvenčni pri frekvenci 125 kHz, visokofrekvenčni pri frekvenci 13,56 MHz, ultravisokofrekvenčni pri frekvencah med 433 MHz in 915 MHz ter sistemi v pasu mikrovalovnih frekvenc 2,45 GHz in 5,8 GHz [7].
Nekateri pasivni sistemi RFID za delovanje uporabljajo mrežo značk, vgrajenih v tla s stalnimi medsebojnimi razdaljami. Z zaznavanjem več značk naenkrat se izvaja radijsko ugotavljanje položaja objekta v prostoru [8]–[11]. Pri uporabi aktivnih značk RFID se za lokalizacijo meri moč prejetega signala [12], [13].
Komunikacija v bližnjem prostoru je tehnologija RFID z najkrajšim dometom, ki znaša največ 5 cm. Lokalizacija se izvaja na določenih pomembnih točkah, kjer so nameščene značke NFC, z dotikom naprave, opremljene s tehnologijo NFC.
Uporaba ultraširokopasovnih radijskih značk omogoča komunikacijo s široko pasovno širino in nizko porabo energije. Radijski signal spada med UWB, če njegova pasovna širina presega 500 MHz ali 20 % nosilne frekvence signala. Značilnosti UWB so nižja poraba energije, zmožnost preboja skozi goste materiale in manjša občutljivost na razširjanje signala po več poteh. Yanjia in drugi so predstavili metodo, s katero se je pri uporabi UWB mogoče izogniti nenatančnosti meritev časa in kota prihoda signala [14].
Ta metoda je osnovana na opazovanju spektra pri tvorjenju snopov in nudi najmanjšo kvadratno napako pri oceni časa in kota prihoda z nizko zahtevnostjo izračuna. Za sisteme za ugotavljanje lokacije v notranjih prostorih, ki so osnovani na uporabi UWB, se za signale, prejete izven neposrednega vidnega polja oddajnika meri moč sprejetega signala.
Takšni sistemi imajo natančnost med 0,1 m in 0,2 m [15].
Brezžična senzorska omrežja sestavljajo senzorska vozlišča, ki so razporejena po prostoru. Služijo nadzorovanju in zajemanju podatkov o fizičnih razmerah v okolju. Vsi podatki so poslani na eno centralizirano lokacijo [16], [17]. Vozlišča v WSN so opremljena s procesorsko enoto, pomnilnikom, napajanjem, oddajnikom in
7 Brezžične tehnologije za lokalizacijo sprejemnikom ter z enim ali več senzorji z aktuatorjem. Brezžična senzorska omrežja delujejo na nelicenciranem frekvenčnem pasu 2,4 GHz. Uporabljajo standardne tehnologije, kot so Bluetooth, UWB in ZigBee. V večini primerov se uporablja standard IEEE 802.15.4 in ZigBee [18]. Za lokalizacijo s pomočjo brezžičnih senzorskih omrežij je treba imeti oceno razdalj in kotov med vozlišči.
Wi-Fi je tehnologija brezžičnega lokalnega omrežja (angl. wireless local area network – WLAN). Osnovana je na standardu IEEE 802.11 in deluje na frekvencah, ki so namenjene za industrijsko, znanstveno in medicinsko uporabo (angl. industrial, scientific and medical – ISM). Te se nahajajo na frekvenčnih pasovih pri 2,4 GHz ter 5 GHz. Naprave, ki uporabljajo Wi-Fi, so večinoma pametni telefoni, računalniki, pametne televizije, tiskalniki, avtomobili itd. Wi-Fi je najbolj uporabljen medij za brezžični prenos podatkov.
Lokalizacijo z uporabo Wi-Fi se lahko izvaja s pomočjo frekvenčnih prstnih odtisov [19], [20] in trilateracije [21]. Uporablja se tudi merjenje moči signala [22], spremljanje informacij o stanju kanala [23], merjenje časa prihoda [24] ali kombinacija teh metod [25]. Standardnih Wi-Fi dostopovnih točk se za lokalizacijo praviloma ne uporablja.
Nizkoenergijski Bluetooth je bil predstavljen z različico Bluetooth 4.0 junija 2010.
Zasnovan je za naprave, ki ne potrebujejo prenosa večje količine podatkov in omogoča komunikacijo na kratke razdalje [18], [26]. Poraba energije pri uporabi tehnologije BLE je nižja kot pri uporabi Wi-Fi [27]. Podobno kot Wi-Fi, tudi Bluetooth z nizko porabo energije deluje na frekvenčnem pasu ISM pri 2,4 GHz. Frekvenčni pas je razdeljen na 40 kanalov s širino 2 MHz. Trije od teh kanalov, in sicer 37, 38 in 39, so uporabljeni za razpršeno oddajanje oglaševanja [28]. Ti kanali so na frekvencah, ki ne povzročajo motenj v že obstoječih tehnologijah, na primer v standardu IEEE 802.11 in ZigBee [29].
Metode lokalizacije z uporabo tehnologije BLE zajemajo trilateracijo [30], merjenje oddaljenosti [31] in frekvenčne prstne odtise [32]. Naprava izračuna moč prejetega signala iz bližnje signalizacijske naprave BLE s prestrezanjem oglaševalnih paketov.
Časovni interval oglaševanja znaša med 100 ms in 2000 ms. Tipičen časovni interval za naprave BLE, uporabljene pri lokalizaciji, znaša 300 ms. Takšna zakasnitev je izbrana zaradi povprečne hitrosti hoje, ki je 1,3 m/s. V aplikaciji za lokalizacijo se nastavi interval skeniranja, navadno na 1 s.
Mobilna omrežja so brezžični radiokomunikacijski celični sistemi z velikim dometom.
Vsaka celica vsebuje vsaj eno fiksno oddajno-sprejemno enoto signala, imenovano bazna postaja. Celično omrežje se je razvilo iz prve, analogne generacije 1G v digitalno generacijo 5G. Lokalizacija s pomočjo mobilnih omrežij je enostavnejša zaradi celičnih omrežij, ki imajo visoko stopnjo pokritosti, že obstoječo infrastrukturo, več frekvenčnih pasov in ker jo podpira mnogo mobilnih naprav. Z razvojem tehničnih standardov se je razvijala tudi natančnost lokalizacije. V omrežju 2G je s pomočjo identifikacije posameznih celic natančnost lokalizacije prešla s stotin metrov na desetine metrov [33].
Podobno se je izboljšala natančnost lokalizacije s sinhronizacijo signalov v omrežjih 3G
8 Brezžične tehnologije za lokalizacijo in namenskimi referenčnimi signali za lokalizacijo v omrežjih 4G. S prehodom na omrežja 5G se ocenjuje natančnost lokalizacije na nekaj centimetrov, saj se za lokalizacijo uporabljajo zmožnosti tehnologije v vseh nivojih protokolnega sklada [34]. Tehnologija omrežij 5G naj bi omogočala veliko pasovno širino signala z milimetrskimi valovi in visoko zmožnost tvorjenja snopov, zaradi česar bo lokalizacija bolj robustna in učinkovita.
2.2 Principi merjenja prejetega signala
2.2.1 Moč prejetega radijskega signala
Moč sprejetega radijskega signala (angl. received signal strength – RSS) je način, ki omogoča ugotavljanje lokacije na podlagi izmerjene moči sprejetega radijskega signala.
Vrednost RSS se meri v decibelih, normiranih na en milivat (dBm). Navadno je nivo sprejete moči majhen in znaša od največ 0 dBm, kar označuje močan signal, do pod -100 dBm, kar je razmeroma šibek signal. Z večanjem razdalje med oddajnikom in sprejemnikom se slabljenje moči signala veča. Glavni dejavniki, ki na to vplivajo so karakteristike anten v sprejemniku in oddajniku ter število sten, nadstropij, ljudi in drugih ovir med njima. Moč sprejetega signala z večanjem razdalje ne pada linearno, temveč pada s kvadratom razdalje [35]. Izračun izgube moči radijskega signala v praznem prostoru (angl. free-space path loss – FSPL) je predstavljen z enačbo (1):
𝐹𝑆𝑃𝐿 =𝑃𝑡
𝑃𝑟=(4𝜋𝑑)2
𝜆2 , (1)
kjer je Pt moč oddanega radijskega signala, Pr je moč radijskega signala na sprejemniku, λ je valovna dolžina in d razdalja med oddajnikom in sprejemnikom. Moči radijskega signala sta merjeni v vatih (W) [36].
Približen potek padanja moči v odvisnosti od razdalje prikazuje slika 3 [36]. Rdeča črta ponazarja padec moči radijskega signala v praznem prostoru, modra pa bolj realno izmerjeno moč signala v okolju, kjer pride do pojavov presihanja, odbijanja in razprševanja radijskega signala.
9 Brezžične tehnologije za lokalizacijo
Slika 3: Padanje moči sprejetega signala v odvisnosti od razdalje med oddajnikom in