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En estos tiempos se ha generado un creciente interés por los sistemas capaces de reconocer la ubicación del usuario y prestar servicios utilizando esta información, son los llamados LBS (Location Based Services � Sistemas Basados en la Localizaciíon). La característica distintiva de estos sistemas es que la información de la aplicación y/o de la interfaz presentada al usuario está determinada, en general, por la ubicación física de éste.
El núcleo de los LBS es la localización en tiempo real, ara proporcionar servicios como el cuidado de la salud en el hogar (1), la automatización de edificios (2) o la navegación en entornos interiores (3), etc. Por este motivo, la investigación en estos sistemas y en un nuevas metodologías de localización para poder prestar mejores servicios han incrementando considerablemente.
Un ejemplo claro: Según (4), en 2016 se espera, para los sistemas de posicionamiento en interiores (ILS � Indoor Location System), un valor de mercado de 2,71 millones de dólares, ya sea para la localización en tiempo real de los hogares o en los edificios comerciales, empresas u hospitales.
El GPS (Global Positioning System � Sistema Global de Posicionamiento) basado en satélite, ha sido el primer sistema de posicionamiento ampliamente utilizado en las aplicaciones modernas para el servicio de posicionamiento, y puede ofrecer una precisión cercana a los 10 metros. Ha permitido una gran variedad de servicios basados en la localización, como los sistemas de navegación, y ha llegado a ser muy popular en la vida cotidiana. Sin embargo, el GPS no funciona correctamente en entornos interiores, donde las paredes, suelos, techos, mobiliario y demás objetos atenúan en gran medida las señales de los satélites.
Del mismo modo, dependiendo del servicio que se desee prestar, la granularidad de la información de ubicación que el usuario necesita, puede variar de una aplicación a otra, por ejemplo, la localización de una impresora cercana requiere información de la ubicación del orden de metros, mientras que localizar un libro en la biblioteca requeriría una información mucho más precisa. Esto último, mediante la tecnología GPS sería inviable.
Por tanto se ha hecho necesaria la búsqueda e investigación en otros campos tecnológicos, para conseguir prestar a los LBS el servicio de localización que requieren. El uso de ultrasonidos, infrarrojos, radiofrecuencia, redes de telefonía móvil, se ha multiplicado en la última década para la consecución de los estudios realizados a este respecto.
Pero, como consecuencia de la búsqueda de reducir el coste lo máximo posible a la hora de crear sistemas y mecanismos de localización, están tomando especial interés en los últimos años, aquellos campos tecnológicos que no utilizan dispositivos dedicados para el único propósito de localización. Para el avance de los sistemas de localización en interiores, se está aprovechando en gran medida la proliferación del uso de las tecnologías inalámbricas en hogares y oficinas, como la tecnología WiFi, así como los nodos inalámbricos de bajo coste, que usan, por ejemplo la tecnología Bluetooth o ZigBee.
Dentro de estos campos tecnológicos hay multitud de técnicas para la localización en interiores, clasificándolas según distintos factores. El factor primordial es la medida o parámetro, extraíble de la señal inalámbrica, dependiente de la localización, que se vaya a usar. Los más importantes son, el tiempo de vuelo de la señal, el ángulo de llegada, la potencia de la señal recibida, calidad del enlace, etc.
Por facilidad en la implementación y reducción en el coste de hardware, usualmente se utiliza la potencia de la señal recibida para obtener la localización del usuario. Ésta se puede conseguir usando técnicas basadas en distancias o libres de ellas.
Las técnicas basadas en distancia, como su nombre indica, estiman, a partir de la potencia de la señal recibida, la distancia desde una referencia hasta el usuario. Posteriormente, mediante trilateración, es posible obtener la localización. Este procedimiento es relativamente complejo y posee ciertos inconvenientes causados por la débil correlación existente entre la potencia de la señal y la distancia.
Dentro de las técnicas libres de distancias, que son todas aquellas en las que no se use la relación potencia-distancia, hay multitud de subgrupos. Entre ellos se encuentran las técnicas basadas en huellas o mapas de potencias, en las que, en una primera fase, se generan unos mapas que almacena información relacionada con la potencia de la señal recibida, en diversos puntos conocidos del entrono donde posteriormente se desee posicionar, y, en una segunda fase, se utiliza dicha información para compararla con otra, obtenida en tiempo real, y conseguir de este modo la localización de un usuario. Esta técnica será el objeto de nuestro estudio.
En la literatura hay una gran cantidad de trabajos que analizan, diseñan y/o implementan sistemas o procedimientos de localización basados en huellas. En este trabajo se plantea la posibilidad de realizar el estudio acerca de uno de los procesos de localización en interiores basados en algoritmos de huellas, concretamente un procedimiento que a su vez se clasifica como empírico y determinista. Empírico porque la información de los mapas de potencia no se genera de manera teórica o simulada a través de modelos de pérdidas de la señal u otro tipo de técnicas, sino que se obtiene de forma manual. Y determinista porque no se hace uso de desarrollos probabilísticos ni de otro tipo para la consecución de la estimación de la localización, es decir, utiliza los datos de potencia de la señal recibida puros.
Todas estas clasificaciones quedarán bien explicadas en el siguiente capítulo, pero se ha considerado necesario hacer un somero esbozo de ellas aquí para clarificar en qué pequeña rama del amplio árbol de la localización en interiores pretende moverse este trabajo.
Son muchas las cuestiones que se plantean a la hora de analizar, diseñar e implementar un sistema de localización en interiores: el coste económico, el esfuerzo de implementación, montaje y calibración, la reutilización de dispositivos ya preinstalados para la prestación del servicio, la precisión en la localización, y un largo etcétera. Los objetivos finales que se pretenden conseguir en este trabajo de investigación son:
- Descubrir y analizar los distintos mecanismos existentes para la generación de la información de la potencia de las señales inalámbricas usadas como datos de entrada en el proceso de localización, e implementar un modo de generar dicha información de manera que se reutilice tanto la tecnología existente en el entorno, como los mensajes que ya intercambia el protocolo de comunicación. También se pretende implementar una herramienta de colección de los datos que sea capaz de monitorizarlos y seleccionar los válidos, recogerlos de la red inalámbrica y almacenarlos de forma estructurada para su posterior utilización.
- generar una herramienta de análisis eficiente de un entorno de localización modificable, para poder simular un gran número de variantes en el proceso de posicionamiento en interiores basados en huellas, empírico y determinista, de forma que con él se pueda analizar cuáles de ellas son las que, con el coste óptimo, tanto económico como de tiempo de implementación, montaje y calibración, consigan la máxima precisión en la localización. Dicha herramienta, además debe posibilitar el estudio de nuevas formas de localización basadas en huellas mediante su ampliación, de manera ágil y eficiente.
- Realizar un estudio exhaustivo de un entorno concreto, generando un conjunto amplio y variado de hipótesis y cuestiones relacionadas con todo el proceso de localización, desde aspectos relacionados a la toma de los datos, hasta los últimos cálculos para obtener la coordenada en la que se estima la posición del usuario. Definir y llevar a cabo una amplia batería de pruebas para extraer respuestas o aproximaciones a todas las cuestiones e hipótesis de investigación planteadas, así como confirmaciones, refutaciones y explicaciones a las conclusiones obtenidas por otros, buscando, no tanto resultados precisos o límites superiores e inferiores en el error de localización, que muy posiblemente variarán de un entorno a otro, de una red a otra o de un proceso de localización a otro, sino más bien tendencias claras en dicha precisión y en las dependencias observables conforme se van variando los distintos parámetros en los que dividiremos el proceso de localización basado en algoritmos de huellas.
Esta Tesis se divide en 5 capítulos:
El Capítulo 2 será el encargado de analizar de manera exhaustiva los sistemas de localización en interiores, comenzando por estudiar los campos tecnológicos donde se pueden implementar, centrándose posteriormente en la radiofrecuencia donde se explicarán las técnicas más usuales así como los métodos usados según las distintas medidas dependientes de la localización existentes. Posteriormente se concretizará en el proceso de localización en interiores basados en huellas y sus variantes, intentado encontrar todos aquellos parámetros que lo conforman y posibles valores de los mismos. Finalmente se resumirán los estudios más destacados en los que se implementan sistemas de localización en interiores basados en huellas, o bien, elementos interesante de sus implementaciones, que serán objeto de análisis en el trabajo posterior.
El Capítulo 3 estará centrado en el análisis, diseño e implementación del simulador de procesos de localización en interiores basados en huellas, explicando la estructura del sistema, de los datos de entrada y salida, y finalmente definiendo los detalles de implementación que se consideran más interesantes.
El Capítulo 4 se dedicará a analizar algunas de las estructuras de red que se pueden desplegar y los distintos mecanismos existentes para la generación de la información requerida como entrada al proceso de localización en interiores basados en huellas, las potencias de las señales recibidas. Se enunciarán y resolverán diversas pruebas para validar tanto las redes como los mecanismos y se estudiará cada caso para ver bajo qué condiciones es más aconsejable usar unos y otros centrados en la tecnología ZigBee y 802.15.4.
En el Capítulo 5 se creará una red de ejemplo utilizando la tecnología ZigBee y 802.15.4 para poder obtener la información requerida por el sistema simulador implementado en el Capítulo 3. También se generará un conjunto de hipótesis y cuestiones acerca del proceso de localización en interiores basados en huellas y de sus diferentes variaciones. También otras relacionadas con algunas variantes que se puedan producir en el entorno (cantidad de nodos usados, cantidad de referencias tomadas, etc.) y, para todas ellas se generarán una serie de pruebas encaminadas a resolverlas, confirmarlas o refutarlas. Algunas de estas hipótesis y cuestiones son extraídas a partir del análisis previo realizado en los estudios ya existentes, en cuyo caso se hará un breve resumen de las conclusiones obtenidas en éstos para tenerlas presentes y compararlas con los resultados obtenidos.
El Capítulo 6 será el encargado de albergar las conclusiones y futuras líneas de investigación de esta Tesis doctoral, y en el Anexo I se muestran y detallan las tecnologías hardware y software utilizadas, sus características principales, así como los protocolos de red usados y la implementación de los distintos firmwares de los dispositivos que se han utilizado a lo largo de todo este trabajo de investigación. |
