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:
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 все радиочастотные технологии, у которых радиочастотный канал превышает либо 500МГц, либо он содержит 20% от величины центральной частоты модуляции. Базирующиеся на этой технологии RTLS системы характеризуется высокой точностью определения местоположения. Главное преимущество описываемой технологии – способность сохранять эффективность в помещениях со сложной геометрией и большим количеством помех.
Преимущества:
Недостатки:
Используемые методы: TDoA/ToA/AoA/ToF.
2) Wi-Fi – это технология передачи данных среднего радиуса действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензируемые диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Поскольку Wi-Fi изначально не предназначалась для использования в качестве технологии локального позиционирования, стандартная сеть предоставляет информацию с точностью лишь до точки доступа, поэтому для повышения точности определения местоположения используется RSSi или при некоторых доработках другие специализированные методы (например, TDoA).
Преимущества:
Недостатки:
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA.
3) WiMax – беспроводные сети масштаба города (реализация технологии «последней мили»). Это технология работающая в 2-х диапазонах частот (2-11 ГГц — для соединения базовой станции с абонентской, 10-66 ГГц — между базовыми станциями для передачи на данных на большие расстояния в пределах прямой видимости).
Эта технология изначально не приспособлена для определения местоположения (как и Wi-Fi).
Преимущества:
Недостатки:
Используемые методы: на основе RSSi/OTDoA.
4) MiWi – это беспроводной протокол, разработанный компанией Microchip, предназначенный для построения дешевых радиосетей с передачей данных на небольшие расстояния. Фактически является упрощённым аналогом ZigBee.
Преимущества:
Недостатки:
Используемые методы: на основе 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:
Недостатки:
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA/ToF.
6) NFER (Near-field electromagnetic ranging) – 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:
Недостатки:
7) NanoLOC – это технология компании Nanotron, во многом схожая с более старой версией NanoNET. Помимо скорости передачи информации в 1 Мбит в секунду на расстоянии 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:
Недостатки:
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA/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:
Недостатки:
Используемые методы: на основе RSSi.
9) Позиционирование в сотовых сетях – определение местоположения объекта на основе метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент. Точность позиционирования определяется радиусом соты. 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.
Преимущества:
Недостатки:
Используемые методы: EoTD/OTDoA.
10) Bluetooth – спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN), ближнего радиуса действия, работающая в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц. В Bluetooth несущая частота сигнала меняется 1600 раз в секунду псевдослучайным образом, это позволяет избежать проблем при функционировании группы устройств в непосредственной близости, а так же повысить безопасность передачи данных.
Преимущества:
Недостатки:
Используемые методы: на основе RSSi.
Ниже представлена сводная таблица по радиочастотным технологиям.
Автор: Алевтина Осколкова
В следующей статье мы рассмотрим другие технологии локального позиционирования.
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 все радиочастотные технологии, у которых радиочастотный канал превышает либо 500МГц, либо он содержит 20% от величины центральной частоты модуляции. Базирующиеся на этой технологии RTLS системы характеризуется высокой точностью определения местоположения. Главное преимущество описываемой технологии – способность сохранять эффективность в помещениях со сложной геометрией и большим количеством помех.
Преимущества:
- Высокий уровень помехозащищённости;
- Сложно обнаружить передачу (высокая безопасность);
- Практически не оказывает помех для других коммуникаций;
- Чем выше частота, тем больше точность, но тем меньше радиус действия.
Недостатки:
- Малый радиус действия (до 10 м);
- Сложная инфраструктура.
- Помеха для GPS;
Используемые методы: TDoA/ToA/AoA/ToF.
2) Wi-Fi – это технология передачи данных среднего радиуса действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензируемые диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Поскольку Wi-Fi изначально не предназначалась для использования в качестве технологии локального позиционирования, стандартная сеть предоставляет информацию с точностью лишь до точки доступа, поэтому для повышения точности определения местоположения используется RSSi или при некоторых доработках другие специализированные методы (например, TDoA).
Преимущества:
- Широкое распространение;
- Низкая стоимость оборудования.
Недостатки:
- Для повышения точности, требуется увеличение плотности расположения базовых станций;
- Загруженность эфира Wi-Fi;
- Недостаточная точность определения местоположения для ряда задач, даже при применении специальных расширений Wi-Fi (в идеальных условиях 3-5 метров, в реальности 10-15 метров).
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA.
3) WiMax – беспроводные сети масштаба города (реализация технологии «последней мили»). Это технология работающая в 2-х диапазонах частот (2-11 ГГц — для соединения базовой станции с абонентской, 10-66 ГГц — между базовыми станциями для передачи на данных на большие расстояния в пределах прямой видимости).
Эта технология изначально не приспособлена для определения местоположения (как и Wi-Fi).
Преимущества:
- Зона покрытия (несколько километров);
- Надежность;
- Высокая пропускная способность.
Недостатки:
- Дорогостоящее оборудование и обслуживание;
- Низкая точность позиционирования.
Используемые методы: на основе RSSi/OTDoA.
4) MiWi – это 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 mesh-сети, «узел-узел» (peer-to-peer) соединения и другие топологии.
Недостатки:
- Необходимость установки дополнительного программного обеспечения;
- Проприетарная технология;
- Дорогостоящее обслуживание;
- Низкая скорость передачи данных приводит к ограничениям по размеру сетевого сегмента.
Используемые методы: на основе 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.
Недостатки:
- Низкая скорость передачи данных.
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA/ToF.
6) NFER (Near-field electromagnetic ranging) – 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:
- Подходит для применения в помещениях со сложной геометрией;
- 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.
7) NanoLOC – это технология компании Nanotron, во многом схожая с более старой версией NanoNET. Помимо скорости передачи информации в 1 Мбит в секунду на расстоянии 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 мощности до 100 мВт;
- Используемые методы определения местоположения обеспечивают возможность локализации объектов за пределами периметра зоны обслуживания со снижением точности;
- Большой выбор готового ПО (с открытыми кодами исходников);
- Автокорреляционные свойства сигнала делают технологию устойчивой к внешним помехам.
Недостатки:
- Ограничения по количеству устройств в сегменте;
- Проприетарная технология.
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA/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: на основе RSSi.
9) Позиционирование в сотовых сетях – определение местоположения объекта на основе метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент. Точность позиционирования определяется радиусом соты. 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.
Преимущества:
- Возможность использования существующей инфраструктуры сотовых операторов.
Недостатки:
- Лицензированный диапазон частот;
- Низкая точность позиционирования.
Используемые методы: EoTD/OTDoA.
10) Bluetooth – спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN), ближнего радиуса действия, работающая в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц. В Bluetooth несущая частота сигнала меняется 1600 раз в секунду псевдослучайным образом, это позволяет избежать проблем при функционировании группы устройств в непосредственной близости, а так же повысить безопасность передачи данных.
Преимущества:
- Повышенная безопасность и помехозащищенность;
- Низкое энергопотребление (BLE);
- Недорогое оборудование;
- Компактность модулей.
Недостатки:
- Невозможность достижения высокой точности определения местоположения.
Используемые методы: на основе RSSi.
Ниже представлена сводная таблица по радиочастотным технологиям.
Автор: Алевтина Осколкова
В следующей статье мы рассмотрим другие технологии локального позиционирования.
