Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Curso de Graduacao em Engenharia de

Telecomunicacoes

Julio Cesar Silva de Almeida

Waslley Peres Oliveira

Radiolocalizacao

Niteroi – RJ

Dezembro 2017

ii

Julio Cesar Silva de Almeida

Waslley Peres Oliveira

Radiolocalizacao

Trabalho de Conclusao de Curso apresentado ao

Curso de Graduacao em Engenharia de Teleco-

municacoes da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtencao do Grau de

Engenheiro de Telecomunicacoes.

Orientador: Prof. Tadeu Nagashima Ferreira

Niteroi – RJ

Dezembro 2017

iii

.

iv

.

Julio Cesar Silva de Almeida

Waslley Peres Oliveira

Radiolocalizacao

Trabalho de Conclusao de Curso apresentado ao

Curso de Graduacao em Engenharia de Teleco-

municacoes da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtencao do Grau de

Engenheiro de Telecomunicacoess.

Aprovada em 13 de Dezembro de 2017.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Tadeu Nagashima Ferreira - Orientador

Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof a. Jacqueline Silva Pereira

Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof a. Leni Joaquim de Matos

Universidade Federal Fluminense - UFF

Niteroi – RJ

Dezembro 2017

v

Resumo

O objetivo deste trabalho e descrever de uma maneira geral o princıpio da radio-

localizacao. Serao estudadas as principais tecnicas utilizadas nas redes de telefonia movel

e suas determinadas aplicacoes para ambientes externos e internos. Sera mostrado que

em ambientes externos ja existe uma tecnologia muito bem difundida e aceita em nıvel

global que sao as tecnologias baseadas em satelites, denominado sistema GPS. Entretanto

ainda nao existe uma tecnologia convergente para ambientes internos. Com base nisso,

serao analisadas as principais tecnologias para esse tipo de ambientes e as tendencias de

mercado. E por fim sera feito um estudo de caso sobre uma das principais competicoes

mundial de tecnologias para localizacao em ambientes indoor, realizada pela Microsoft,

no qual sera feita uma analise minuciosa com os dois melhores sistemas dessa competicao.

Palavras-chave: Radiolocalizacao, GPS, RSSI, Localizacao Indoor, Wi-Fi, ZigBee.

vi

Abstract

The objective of this work is to describe in a general way the principle of radiolo-

cation, the main techniques used in mobile telephone networks will be studied and their

certain applications for external and internal environments. It will be shown that in out-

door environments there is already a very well-known technology and accepted at a global

level that are the technologies based on satellites, called GPS system. However, there is

still no convergence technology for indoor environments. Based on this, we will analyze

the main technologies for this type of environments and the market trends. And finally a

case study will be done on one of the main competitions in the world of technologies for

localization in indoor environments, conducted by Microsoft, in which a thorough analysis

will be done with the two best systems of this competition.

Keywords: Radiolocation, GPS, RSSI, Indoor Location, Wi-Fi, ZigBee.

vii

Aos nossos familiares e amigos.

viii

Agradecimentos

Gostaria de agradecer primeiramente ao meu pai, Arlei, grande responsavel pela

formacao do meu carater e o meu maior exemplo a quem eu me espelho todos os dias.

Muito obrigado pelo amor e apoio incondicional, sem voce eu nao teria conseguido. Agra-

deco a minha mae, Sueli, que infelizmente nao esta mais aqui para assistir minha grande

conquista, mas foi fundamental para que ela acontecesse, era a minha maior incentivadora

nos estudos. Ao lado do meu pai foram os dois grandes responsaveis pela minha forma-

cao. Nao posso deixar de agradecer a minha namorada, Juliana, que sempre me apoiou e

por ser sempre minha fiel companheira para tudo na vida, muito obrigado por tudo meu

amor. Agradeco a minha irma Marcelle, e ao meu sobrinho Marcello, por sempre estarem

comigo em todos os momentos. Por fim, agradeco ao meu parceiro de TCC Waslley que

esteve comigo durante todo esse trabalho e ao professor Tadeu, que nos orientou de forma

ımpar para que pudessemos atingir esse objetivo.

Julio Cesar

Gostaria de agradecer primeiramente ao meu pai Gilberto e minha mae Zeni por serem

os grandes responsaveis e exemplos para realizar essa conquista em minha vida iniciando

uma nova etapa. Agradecer a minha madrinha Ruth e minha avo Rosemari por serem

minhas grandes incentivadoras e apoiadoras para chegar a esse momento feliz. Agradecer

a minha namorada Graciane que foi minha companheira e amiga nesses seis anos de

faculdade. Agradecer a minha irma, amiga Andrezza que sempre esteve do meu lado

me incentivando a conseguir esse objetivo. Por ultimo quero agradecer meu amigo e

companheiro de TCC Julio Cesar que num momento meu de desanimo nao deixou eu

desistir de realizar esse trabalho e ao meu professor Tadeu que aceitou o nosso convite,

nos orientando da melhor maneira possıvel.

Waslley Peres

Lista de Siglas

AoA Angle of Arrival

AP Access Point

AS Anti-Spoofing

BLE Bluetooth Low Energy

CDMA Code Division Multiple Access

DoA Direction of Arrival

DoD Departamento de Defesa dos Estados Unidos

E911 Wireless Enhanced 911

ERB Estacoes Radio Bases

FCC Federal Communications Commission

GNSS Global Navigation Satellite System

GPS Global Positioning System

ID Identity

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IPSN International Conference on Information Processing in Sensor Networks

ISM Industrial,Scientific Medical

NLOS Non-Line of Sight

PPS Precise Positioning Service

ix

x

PRN Pseudo Random Noise Codes

RF Radiofrequencia

RFID Radio-Frequency IDentification

RSSI Received Signal Strength Indicator

SA Selective Availability

SPS Standard Positioning Service

SSID Service Set IDentifier

TDMA Time Division Multiple Access

TDoA Differencial Time of Arrival

ToA Time of Arrival

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

WCDMA Wide-Band Code-Division Multiple Access

Wi-Fi Wireless Fidelity

WLAN Wireless Local Area Network

Lista de Figuras

2.1 Segmentos que compoem o Sistema GPS. [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Figura Ilustrativa do Segmento Espacial composto dos 24 satelites GPS nos

planos orbitais da Terra. [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Ilustracao com apenas 2 satelites. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Ilustracao com os 3 satelites. [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 Sinais de Satelite GPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1 Distribuicao das tecnicas de radiolocalizacao. [10] . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Tecnica de radiolocalizacao baseada em medida de potencia. [2] . . . . . . 14

3.3 Tecnica de radiolocalizacao baseada em angulo de recepcao. [2] . . . . . . 16

3.4 Tecnica de radiolocalizacao baseada em tempo de recepcao. [2] . . . . . . . 17

3.5 Representacao do primeiro modelo explicado. [11] . . . . . . . . . . . . . . 19

3.6 Modelo hiperbolico. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.1 Representacao do modelos de 2 raios. [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Representacao do fenomeno difracao mostrada pela Ericsson nos anos 2000.

[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3 Canais de comunicacao do espectro da Banda ISM 2,4 GHz no Brasil. [19] 31

4.4 Canais Ortogonais do espectro da Banda ISM 2,4 GHz no Brasil. [17] . . . 31

4.5 Processo de impressao de localizacao divididos em duas fases, off-line e

on-line. [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.6 Mapa de radio: Os pontos pretos sao as referencias, ou seja, as impressoes

digitais. [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.7 Relacao do ZigBee com as camadas do modelo TCP/IP. [23] . . . . . . . . 37

4.8 Sensor Micaz. [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.9 Sistema basico da tecnologia RFID. [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

xi

xii

4.10 Alguns modelos de Tags RFID. [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.11 Beacons de alguns fabricantes. [29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.12 Arquitetura de um sistema de localizacao utilizando beacons. [10] . . . . . 42

5.1 Planta da area onde foi realizado a Microsoft Indoor Localization Compe-

tition – IPSN 2014. [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2 Imagem das salas onde foi realizada a competicao. [32] . . . . . . . . . . . 48

5.3 Foto tirada durante a realizacao da Microsoft Indoor Localization Compe-

tition – IPSN 2014. [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.4 Grafico de resultados de todos os 22 sistemas que competiram na IPSN2014.

[32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.5 Dispositivos usados na IPSN2014 pela equipe Bestmann et aL. [34] . . . . 50

5.6 Area da competicao com a marcacao dos 6 AP’s e as 20 posicoes de avali-

acao. [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.7 Na foto da esquerda os 6 AP’s easypoint e os 20 pontos utilizados para

avaliacao, e na foto da direita a medicao para cada ponto de avaliacao e

seus respectivos desvios.[33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.8 No lado esquerda mostra a triangulacao feita em torno da posicao 1 e no

lado direito o cırculo ao redor da posicao 1 que e um metodo para avaliar

a precisao.[33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.9 No lado esquerdo representa a estimativa na posicao 2, ja no lado direito a

estimativa na posicao 4. [33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.10 O Futuro da tecnologia easyPoint : Integracao em Chip. [33] . . . . . . . . 53

5.11 Estrutura do sistema MapUme. [35] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.12 E mostrado a implementacao desse filtro bayesiano discreto que e realizada

a partir do metodo sequencial de Monte Carlo, mais conhecido como Filtro

de Partıculas. [37] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.13 Distribuicao Cumulativa Empırica em funcao do erro medio de localizacao

para os dois sistemas. Adaptado somente para os dois sistemas analisados [32]. 57

xiii

Lista de Tabelas

3.1 Comparacao entre as tecnicas. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 Perdas associadas aos especıficos obstaculos para o sinal operando em 2,4

GHz. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Divisao do Espectro da Banda ISM 2,4 GHz pelos diversos paıses. [17] . . 30

4.3 Parametros da Banda ISM utilizados pelo ZigBee. [24] . . . . . . . . . . . 37

4.4 Tabela de classes de alcance do Bluetooth - Adaptado. [28] . . . . . . . . . 41

4.5 Comparacao entre as tecnologias. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.1 Equipes que participaram da Microsoft Indoor Localization Competition -

IPSN 2014. [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Resultado dos erros medios de localizacao de cada um dos sistemas. Adap-

tado [32]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

A.1 Caracterısticas tecnicas do sensor Micaz [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Sumario

Resumo v

Abstract vi

Agradecimentos viii

Lista de Siglas ix

Lista de Figuras xii

Lista de Tabelas xiii

1 Introducao 1

1.1 Historico e Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Estrutura do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Global Positioning System - GPS 5

2.1 Introducao ao GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 O Sitema GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2.1 Segmento Espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.2 Segmento de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.3 Segmento de Utilizacao ou do Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.4 Estrutura dos Sinais GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Tecnicas Aplicadas a Radiolocalizacao 13

3.1 Tecnica Baseada em Medida de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Tecnica Baseada em Angulo de Recepcao (AoA) . . . . . . . . . . . . . . . 15

xiv

xv

3.3 Tecnica Baseada em Tempo de Recepcao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3.1 Tecnica Baseada em Tempo Diferenciado de Recepcao . . . . . . . 18

3.4 Comparacao entre as tecnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Problemas e Tendencias na Radiolocalizacao de Terminais Moveis 23

4.1 Problemas da radiolocalizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1.1 Ambientes Outdoors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1.2 Ambientes Indoor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2 Tendencias para os sistemas de radiolocalizacao em ambientes indoor . . . 28

4.3 Principais Tecnologias para Localizacao em ambientes indoor . . . . . . . . 29

4.3.1 Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3.2 Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3.3 RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3.4 BLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5 Estudo e Analise dos Sistemas Apresentados na Microsoft Indoor Loca-

lization Competition 44

5.1 Caso 1 - O Sistema easyPoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2 Caso 2 - O SistemaMapUme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.3 Sistema easyPoint X Sistema MapUme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6 Conclusao 59

A Especificacoes tecnicas do Sensor Micaz MPR2400CA 61

Referencias Bibliograficas 62

Capıtulo 1

Introducao

1.1 Historico e Motivacao

O estudo sobre a radiolocalizacao atraves de dispositivos moveis vem desde a de-

cada de 1970, no entanto, comecou a ganhar intensidade e despertar grande interesse nessa

tecnologia a partir da decada de 90, mais precisamente no ano de 1996, principalmente

no ramo industrial e academico. Nesse ano, a FCC (Federal Communications Commis-

sion) que e a comissao responsavel pela regulamentacao das telecomunicacoes nos Estados

Unidos,[1] publicou uma serie de regras relativas a localizacao de usuarios de servicos de

emergencia em terminais de comunicacao movel. Esta regulamentacao estava prevista

para entrar em vigor em outubro de 2001 e exigia que qualquer operadora nos Estados

Unidos de sistemas celulares, ou sistemas sem fio especializados, deveria ser capaz de

localizar o usuario e prover informacoes para os servicos de emergencia 911.[2]

Com essa necessidade imposta pelo governo americano, a regulamentacao foi deno-

minada E911 sendo responsavel por exigir um maior esforco entre as agencias de seguranca

publica, operadoras, empresas de tecnologia e fabricantes de equipamentos para comuni-

cacoes sem fio, todos trabalhando a fim de tornar solido este projeto.

A necessidade da regulamentacao foi justificada na epoca pela grande quantidade

de chamadas de emergencia serem originadas de terminais moveis. Naquele momento

ja crescia exponencialmente o conceito de mobilidade. A informacao de posicao para

estas chamadas sem fio permite rapida resposta em situacoes que os usuarios de terminais

moveis poderiam estar desorientados ou incapacitados de falar ao telefone por conta de

algum acidente ou algo do tipo.

2

Com o objetivo de tornar o projeto menos complexo e alcancar a real necessidade ao

final dos cinco anos que haviam estipulado, a FCC fez algumas exigencias, dentre elas, que

inicialmente a localizacao deveria ser realizada atraves de tecnologias baseadas somente

na rede (network-based), sem exigir modificacoes a nıvel tanto de hardware quanto de

software dos terminais ja utilizados na epoca.

Com a publicacao do E911, ficou evidente que essa tecnologia poderia ser atra-

ente e gerar muito mercado e dinheiro nas mais diversas areas. Foi entao que comecou a

desencadear um grande interesse em pesquisas para desenvolver tecnologias de radioloca-

lizacao. Empresas responsaveis pelo ramo das comunicacoes de todos os portes passaram

a disputar melhores solucoes para implementacao dos sistemas moveis de 2a e 3a geracoes.

Ja na area academica surgiram varias publicacoes referentes ao assunto e a criacao de

congressos especıficos com o objetivo de discutir melhorias e alternativas para o tipo de

servico.

A radiolocalizacao, num primeiro momento, foi incentivada para atender as de-

terminacoes da FCC. Apos esse perıodo de surgimento da radiolocalizacao as empresas

perceberam que saber a localizacao do usuario e estrategicamente vantajosa na hora de

fornecer um servico especıfico para atender cada perfil de cliente. Neste quesito aparece

a area comercial, seguranca publica, turismo e entretenimento. [1]

Alem disso, pode ser utilizada tambem para gerencia e controle da rede de telefonia

movel. Abaixo serao apresentadas algumas aplicacoes responsaveis pela gerencia e controle

da rede:

1) Tarifacao e melhorias de servico em funcao da posicao: As tarifas

poderiam ser cobradas de acordo com a posicao do telefone movel, permitindo que as

operadoras oferecessem planos de tarifacao de acordo com o perfil de cada cliente e tambem

prover novos servicos, tendo em vista sempre um melhor desempenho e qualidade da sua

rede.

2) Controle de frota: Importante no gerenciamento e controle de uma frota de

veıculos tanto para empresas privadas quanto orgaos publicos. Atraves de uma dada area

de cobertura do sistema de comunicacoes verificar a seguranca contra roubos de carga

(problema grave enfrentado no estado do Rio de Janeiro), no transporte e seguranca de

autoridades. Por isso e importante um monitoramento dessas frotas em tempo real sendo

viavel pelo sistema de radiolocalizacao.

3

3) Seguranca Publica: Talvez seja uma das aplicacoes mais importantes. Com

os avancos e a popularidade da telefonia celular, o sistema de radiolocalizacao pode ser

uma ferramenta muito util para encontrar pessoas sob sequestro, por exemplo, tendo

seu trajeto rastreado ate a localizacao de seu cativeiro devido ao uso de telefone movel

pelos criminosos. E importante na coordenacao de determinadas operacoes policiais para

realizar a cobertura do sistema de comunicacoes.

4) Paginas amarelas movel: O conhecimento sobre a radiolocalizacao pode

ser de fundamental utilidade aos usarios. Auxilia na localizacao de estabelecimentos

comerciais, identificacao de uma melhor rota durante uma viagem, sendo importante nas

tarefas do dia-a-dia.

5) Gerenciamento e Planejamento da rede: O gerenciamento e planejamento

da rede e de fundamental importancia para o seu funcionamento da rede, sendo a infor-

macao da posicao do usuario imprescindıvel para essas tarefas. As aplicacoes feitas nessa

direcao sao o planejamento, handover e gerenciamento de mobilidade auxiliados por lo-

calizacao. Estas tecnicas permitirao que o gerenciamento de rede se adapte temporal

e espacialmente a demanda de trafego consequentemente aumentando a capacidade do

sistema.

1.2 Objetivo

O objetivo geral deste trabalho e analisar as tecnicas de radiolocalizacao ja utili-

zadas em redes de telefonia movel, suas determinadas aplicacoes e escolha de frequencia

em ambientes internos e externos e como elas estao diversificadas no mercado. Sera apre-

sentado como a Microsoft Indoor Localization Competition procura vencer os desafios de

se obter a localizacao em ambientes indoor.

4

1.3 Estrutura do Projeto

No capıtulo 1 pode ser vista toda a origem da radiolocalizacao e a motivacao, a

qual nos fez escolher esse assunto para nosso projeto final de curso, alem do objetivo geral

do projeto.

Ja no capitulo 2 e apresentado o conceito e o modo de operacao do sistema GPS,

o sistema mais tradicional e respeitado do mundo sobre radiolocalizacao.

No capıtulo 3 contem as tecnicas aplicadas a radiolocalizacao e seus funcionamen-

tos.

No capıtulo 4 serao mostrados os principais problemas dessas tecnologias, que sera

dada uma enfase nos ambientes indoor pelo fato de ser nesses tipos de ambientes os maiores

problemas e ainda sem solucao convergente. Tambem serao mostrados nesse capıtulo as

tecnologias existentes e as tendencias para solucao desses problemas.

O capitulo 5 sera o estudo de caso, o qual sera apresentada uma das maiores

competicoes do mundo que possui o objetivo de descobrir novas tecnologias sobre ra-

diolocalizacao em ambientes indoor, a Microsoft Indoor Localization Competition. Sera

feito uma analise detalhada das duas principais tecnologias dessa competicao realizada

em 2014, alem de mostrar como o mundo academico, empresas e startups ou qualquer

centro de pesquisa de ponta vem se preparando para quem sabe um dia desenvolver um

sistema unico como existe o sistema GPS para ambientes outdoor.

O capitulo 6 e destinado a conclusao do trabalho.

Capıtulo 2

Global Positioning System - GPS

2.1 Introducao ao GPS

O Sistema de Posicionamento Global, popularmente conhecido como GPS, ou ainda

NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite with Time And Ranging), e o sistema mais famoso

quando pensamos em realizar a localizacao de um dispositivo movel. O GPS foi idealizado

e projetado na decada de 70 [3]. Consiste em um sistema de navegacao baseado na

utilizacao de satelites e terminais moveis. Foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa

dos Estados Unidos (DoD) para fins militares. Posteriormente visto o tamanho da sua

utilidade para qualquer que seja a area, foi disponibilizado para o uso civil.[2]

O princıpio basico e que basta ter um dispositivo que possua um receptor GPS,

muito comum nos tempos atuais, que sua localizacao pode ser feita em qualquer lugar da

terra, de forma continua e em tempo real.

2.2 O Sitema GPS

Para atingir seu objetivo, o sistema GPS foi estruturado e subdividido em tres

segmentos bases, sao eles: segmento espacial, segmento de controle e o segmento de utili-

zacao ou de usuario [3]. A figura 2.1 representa uma ilustracao desses tres segmentos do

sistema GPS.

5

6

Figura 2.1: Segmentos que compoem o Sistema GPS. [4]

2.2.1 Segmento Espacial

Consiste basicamente em uma constelacao de 24 satelites (21 operacionais e 3

reservas) em orbita quase circular em relacao a Terra, a uma altitude de aproximadamente

20.200km e uma velocidade media de 3,88km/s [2]. Esses satelites estao distribuıdos

estrategicamente em seis planos orbitais, cada plano com 4 satelites, com uma estrutura

de posicionamento que garante que um receptor GPS localizado em qualquer ponto do

planeta sempre esteja na zona de cobertura de 4 a 10 satelites. E importante destacar

que para identificar a localizacao do receptor GPS sao necessarios no mınimo 4 satelites,

3 deles para ser usado no metodo da triangulacao e um quarto satelite para servir como

referencia a fim de sincroniza-los no mesmo tempo. Essa abordagem sera mais detalhada

na subsecao 2.2.3 deste capıtulo.

Para determinar a distancia do satelite ao receptor GPS, e transmitido pelo proprio

satelite um sinal que contem as suas coordenadas em funcao do tempo, esses sinais sao

controlados por relogios atomicos (geralmente de Rubıdio) de alta precisao. Os relogios

atomicos a bordo dos satelites sao de extrema importancia, visto que se houver pequenos

erros de tempo, pode se transformar em erros de calculos com muitos metros de diferenca,

aumentando a imprecisao. So para se ter uma ideia da dimensao, os relogios que estao nos

satelites “correm” aproximadamente 38 microssegundos mais rapidos por dia por conta da

ausencia de gravidade, se nao for corrigidos em a medida de todos os GPS estarao errados

em aproximadamente 11 quilometros por dia. A figura 2.2 representa uma ilustracao do

segmento espacial.

7

Figura 2.2: Figura Ilustrativa do Segmento Espacial composto dos 24 satelites GPS nos

planos orbitais da Terra. [5]

2.2.2 Segmento de Controle

Como o nome ja sugere, este segmento consiste em uma rede de estacoes de controle

em nıvel mundial, e responsavel pelo gerenciamento, monitoramento e operacao do Sistema

GPS. Sua principal funcao e determinar a atual localizacao de cada satelite, atualizar a

mensagem de navegacao transmitidas pelos satelites, gerenciar a integridade do sistema,

entre outros [2].

Todos os dados rastreados pelas varias Monitoring Stations (MS), as quais fazem

o monitoramento do sistema GPS, sao transmitidos para uma estacao principal, Master

Control Station (MCS), localizada em Colorado, EUA, para que seja avaliada a integridade

do sistema GPS. Essas informacoes sao processadas a fim de calcular os dados relativos

as orbitas e tambem a correcao dos relogios dos satelites para atualizar a mensagem de

navegacao. A mensagem de navegacao ja ajustada e atualizada e, entao, transmitida para

os satelites, porem e necessario atualizar a mensagem de cada satelite pelo menos tres

vezes ao dia, pois os satelites passam do campo de visada das antenas terrestres. [6]

8

2.2.3 Segmento de Utilizacao ou do Usuario

Este segmento esta ligado diretamente com o dispositivo movel do usuario (tipo

do receptor, softwares, algoritmos, etc). Geralmente esse segmento possui duas vertentes

basicas de uso: militar e civil [8].

Os militares usam os receptores GPS para estimar suas localizacoes em combates ou

ate mesmo na navegacao de seus mısseis. Por exemplo, um fato muito noticiado por toda

imprensa da epoca, foi a guerra do Golfo em 1991, quando foram usados muitos receptores

GPS para auxılio no deslocamento nas regioes deserticas, ja que nessas regioes os mapas

tradicionais sao totalmente inviaveis. Ja para o uso civil existe um grande numero de tipos

de receptores no mercado atual, o crescimento da utilizacao de aplicacoes envolvendo GPS

e exponencial e limitado somente a imaginacao dos usuarios.

Como ja mencionado na subsecao 2.2.1, para fazer essa localizacao do terminal

movel, o sistema GPS utiliza 3 dos seus 24 satelites para realizar o metodo de triangulacao.

Esse metodo funciona da seguinte forma. Cada satelite envia um sinal para o receptor, que

e captado pela antena GPS, esse sinal recebido chega com algumas informacoes, entre elas,

a informacao exata do tempo em que o sinal foi enviado pelo satelite. Como o receptor

conhece o instante exato que recebeu o sinal, fica facil calcular o intervalo de tempo que

a informacao durou da sua origem ao seu destino, basta fazer a diferenca desses dois

instantes de tempo. A velocidade de propagacao do sinal e igual a velocidade da luz,

isto e, 3 × 108 m/s, por ser uma onda eletromagnetica, entao ja se conhece o tempo e a

velocidade, basta multiplicar essas duas grandezas ja conhecidas que se tem a distancia

entre o satelite e o dispositivo movel em questao.

Metodo de triangulacao nos receptores GPS

E necessaria a utilizacao de no mınimo 4 satelites para se definir a localizacao

do terminal movel atraves do sistema GPS. Para efeito de entendimento, inicialmente

imaginando apenas 1 satelite em orbita para se estimar a localizacao do terminal movel

aqui na Terra, ficaria totalmente inviavel, pois so conseguia estimar a distancia entre

ambos. Agora se acrescentasse mais um satelite, ou seja, com dois satelites (mostrado

na figura 2.3), melhora um pouco o cenario, porem ainda existirao 2 pontos possıveis de

localizacao, exatamente como esta na ilustracao.

9

Figura 2.3: Ilustracao com apenas 2 satelites. [7]

Entao inserimos mais um satelite, que usando a triangulacao se consegue ter so-

mente um ponto possıvel de localizacao, como mostra a figura 2.4 a seguir:

Figura 2.4: Ilustracao com os 3 satelites. [7]

O quarto satelite serve para auxiliar os outros 3, sendo chamado de satelite de

referencia. Todos os satelites possuem o relogio atomico com alta precisao, porem o

receptor GPS do usuario nao. Logo vai gerar erros de marcacao, e esse erro e corrigido

utilizando esse quarto satelite fazendo uma especie de sincronismo entre os satelites da

triangulacao e o receptor GPS aqui na Terra, o quarto satelite melhora significativamente

a precisao da localizacao.

10

2.2.4 Estrutura dos Sinais GPS

Quando os satelites transmitem os sinais contendo as informacoes para o receptor,

essas informacoes sao transmitidas em forma de duas ondas portadoras geradas simultane-

amente: L1 e L2. Essas frequencias sao formadas atraves de uma frequencia fundamental

(f0 = 10, 23MHz) multiplicada por 154 e 120 respectivamente [2]. A seguir as frequencias

das ondas portadoras e os comprimentos das ondas.

L1 = 10, 23 × 154 = 1575, 42MHz ; λ = c/f => λ = 19.0425cm

L2 = 10, 23 × 120 = 1227, 60MHz ; λ = c/f => λ = 24.4379cm

O objetivo de ter no sinal gerado pelo satelite duas ondas portadoras com frequen-

cias diferentes e para servir de correcao de erros que sao causados pela refracao ionosferica,

pois quando um sinal de radiofrequencia percorre a ionosfera, o sinal sofre atrasos, e como

sinais de frequencias diferentes sofrem atrasos diferentes, e possıvel identificar o inter-

valo de tempo exato desse atraso causado pela Ionosfera. Vale ressaltar que os satelites

transmitem as mesmas frequencias L1 e L2, apesar de possuırem codigos de modulacao

diferentes, isso minimiza as interferencias do sinal. Essas portadoras sao de extrema

importancia, pois alem de trazer a identificacao do satelite, elas tambem carregam na

mensagem dados para correcao do relogios, posicao e orbita dos satelites. Todos esses

dados sao denominados de Almanaque, o segmento de controle trabalha esse almanaque

gerado e os devolve atualizados para os satelites.[3], [8], [9]

Os satelites GPS transmitem os sinais nos codigos PRN (Pseudo Random Noise

Codes), os quais consistem de uma sequencia binaria de 0 e 1 ou +1 e -1 com caracte-

rısticas pseudoaleatorios modulados em fase sobre essas duas portadoras L1 e L2. Sao

gerados dois codigos, o C/A (Coarse Acquisition) e P (Precision Code), isso faz com que

o sinal transmitido nao gere ambiguidade e o sinal seja identificado de acordo com cada

satelite. Portanto, todos os satelites transmitem na mesma frequencia, mas podem ser

identificado pelo codigo exclusivo de cada satelite atraves da tecnica denominada CDMA

(Code Division Multiple Access), valida tanto para o codigo C/A como para o codigo P

[3]. Pontos importantes sobre esses codigos sao que possuem frequencias geradas a partir

da frequencia fundamental (Cod. C/A = f0/10 = 1,023 MHz e Cod. P = f0 = 10,23

MHz) e que somente o codigo P e modulado sobre as duas portadoras L1 e L2, o codigo

11

C/A e somente modulado sobre a portadora L1. A figura 2.5 mostra a estrutura dos sinais

do sistema GPS.

Figura 2.5: Sinais de Satelite GPS.

12

Por motivo de seguranca, o sistema GPS foi dividido em dois tipos de servicos,

o SPS (Standard Positioning Service) e o PPS (Precise Positioning Service). O SPS e

o servico que a maioria das pessoas conhecem por ser destinada ao uso civil, disponıvel

gratuitamente a qualquer pessoa do mundo e que gera um nıvel de confianca de 95%.

Porem usando apenas o codigo C/A tem sua precisao afetada pela tecnica SA (Selective

Availability) que tem a finalidade de degradar a precisao por motivos de seguranca. Ja o

PPS foi destinado apenas para o uso militar ou entidades devidamente autorizadas. Alem

de possuir melhores resultados, este ja utiliza o codigo P, que e criptografado se tornando

codigo Y, entao ativando a tecnica AS (Anti-Spoofing) impede o acesso a usuarios nao

autorizados, pois um receptor de GPS comum nao e capaz de decodificar os codigos P,

que estao presentes em ambas as portadoras.

O NAVSTAR-GPS ainda e o mais usado no mundo, com alta precisao e com

cobertura em nıvel global, mas ainda possui seus pontos negativos e talvez o principal e a

indisponibilidade do sistema em ambientes indoor. Para contornar esse problema e usada

uma rede de referencia que auxilia o sistema GPS gerando dados que sao enviados para

os celulares com receptores GPS.

Quando pensamos em GNSS (Global Navigation Satellite System) para se trabalhar

com radiolocalizacao em dispositivos moveis aqui na Terra quase sempre nos referimos ao

NAVSTAR-GPS. Mas vale ressaltar que existem outros sistemas GPS em operacao que

tentam disputar espaco com o sistema GPS Americano, como o Glonass que e Russo,

o Galileo que e da Uniao Europeia e o Compass ou BeiDou que e Chines, esses dois

ultimos ainda nao estao implementado em nıvel global, e ainda surgiu recentemente o

GPS Japones que ainda nao esta operando, mas promete reduzir a margem de erro para

cerca de 10 cm. Todos esses sistemas dependem de uma serie de fatores que implicam

para um bom funcionamento do sistema como um todo, entretanto o que todos ja sabem,

e que um sistema GPS de alta precisao e confiabilidade traz benefıcios significativos para

todas as areas, tornando-as mais eficazes, seja ela bancaria, financeira, telecomunicacoes,

distribuicao de energia, seguranca e qualquer outra que se possa imaginar.

Capıtulo 3

Tecnicas Aplicadas a

Radiolocalizacao

Nesse capıtulo sera apresentado as tecnicas mais utilizadas para se obter a radi-

olocalizacao. Na figura 3.1 sera mostrado um diagrama de blocos com a disposicao das

tecnicas de radiolocalizacao mais conhecidas:

Figura 3.1: Distribuicao das tecnicas de radiolocalizacao. [10]

14

Entre as tecnicas mostradas na figura 3.1 sera detalhada as tecnicas baseadas em

propriedades de sinal (RSSI), em angulo de recepcao e tempo de recepcao nas proximas

secoes.

3.1 Tecnica Baseada em Medida de Potencia

A medida em que um usuario com o seu telefone celular se afasta da ERB, a

intensidade do sinal transmitido diminui. Isso se deve a RSSI (Received Signal Strength

Indicator) variar ao longo do tempo para a mesma posicao provocando desvanecimentos no

sinal. Esse desvanecimento provoca uma interferencia destrutiva na recepcao ocasionado

por essas variacoes de RSSIs, onde a potencia do sinal e reduzida ao longo do meio de

propagacao denominada atenuacao. [11]

Se os nıveis de sinal transmitido e recebido forem conhecidos, e possıvel determinar

a atenuacao do sinal. A partir da atenuacao do sinal existe a possibilidade de estimar

uma dada distancia entre a ERB e o telefone celular. Para que esse procedimento seja

feito e necessario no mınimo, tres ERBs neste calculo (intersecao de tres cırculos). A

figura 3.2 ilustra este procedimento onde P1, P2 e P3 sao os nıveis de potencia recebidos

e a intersecao dos tres cırculos definem uma posicao para o telefone celular.

Figura 3.2: Tecnica de radiolocalizacao baseada em medida de potencia. [2]

15

Uma parte significativa da reducao na intensidade do sinal e provocada pelo mul-

tipercurso da onda eletromagnetica responsavel pelo transporte do sinal nos ambientes

indoors e outdoors. Outro problema relacionado a essa tecnica e que os sistemas mo-

veis a partir da 2a geracao utilizam mecanismos de controle de potencia que mascaram a

atenuacao sofrida pelo sinal durante o percurso.

No sistema CDMA (Code Division Multiple Access) a potencia de recepcao e con-

trolada para combater o efeito perto-distante, pois estes sistemas foram projetados para

que a separacao dos sinais dos diversos telefones celulares em uma ERB sejam recebidos,

idealmente no mesmo nıvel de potencia. No caso dos sistemas TDMA este controle de

potencia e utilizado para a otimizacao do uso da bateria do telefone celular e reduzir o

nıvel de interferencia na area de cobertura. Esta tecnica nao e recomendada para ambi-

entes com muitos anteparos, como interior de um escritorio, lugares perto de mares ou

rios como a Baıa de Guanabara.[2]

3.2 Tecnica Baseada em Angulo de Recepcao (AoA)

A tecnica de radiolocalizacao AoA (Angle of Arrival) ou DoA (Direction of Arri-

val), consiste em estimar a posicao do telefone celular atraves da medicao do angulo de

recepcao do sinal utilizando um sistema de antenas inteligentes. Este sistema de antenas

inteligentes detectam o sinal que foi transmitido pelas ERBs produzindo varias versoes

deste sinal, responsaveis por determinar a direcao da onda eletromagnetica na recepcao.

[11]

Para estimar a posicao do telefone celular e necessario verificar a intersecao das

linhas de posicao de, pelo menos, duas ERBs. Estas linhas de posicoes sao definidas pela

distancia entre a ERB e pelo angulo de recepcao do sinal do telefone celular na ERB

(baseado numa triangulacao entre tais componentes). Na figura 3.3 e mostrado como foi

feito esse tipo de tecnica num sistema simples entre duas ERBs e um telefone celular.

16

Figura 3.3: Tecnica de radiolocalizacao baseada em angulo de recepcao. [2]

Esta tecnica apresenta algumas vantagens em relacao a tecnica citada anterior-

mente como necessidade de apenas duas ERBs para estimar a localizacao do usuario.

Outro fator favoravel a tecnica AoA/DoA e que ela e inteiramente baseada na rede, ou

seja, sem a necessidade de substituir o telefone celular ou atualizar o software do mesmo.

Por ultimo e uma tecnica que nao exige uma alta precisao de sincronismo entre o telefone

celular e as ERBs, como exigido nas tecnicas baseadas na medida de tempo.

A primeira desvantagem observada desta tecnica e a perda de precisao durante

a localizacao no momento em que o usuario se afasta da ERB, aumentando gradativa-

mente. E uma tecnica muito sensıvel aos multiplos percursos da onda eletromagnetica,

acarretando numa alta dependencia do tipo de ambiente de propagacao propıcio para a

mesma. Alem do sinal da visada direta que chega ao receptor entre o telefone celular e

a ERB, tambem chegam contribuicoes de sinais advindas da reflexao, refracao, difracao

que afetam a precisao da localizacao gerando um alto ındice de erro.

17

3.3 Tecnica Baseada em Tempo de Recepcao

E uma tecnica de radiolocalizacao e baseada no tempo de recepcao, ToA (Time of

Arrival), sendo a distancia entre o telefone celular e a ERB estimada atraves do tempo

de propagacao entre elas [11]. Os parametros necessarios para a estimar a localizacao

do telefone celular sao o tempo de recepcao e a velocidade que o sinal trafega. Uma

vez conhecido tais parametros e possıvel a aplicacao desta tecnica. A localizacao e entao

determinada algebricamente pela equacao 3.1:

∆d = c× ∆t (3.1)

Onde:

∆d - Distancia entre a ERB e o telefone celular expressada em metros (m).

c - Velocidade da luz no vacuo (= 3 × 108 m/s)

∆t - Tempo de propagacao do sinal eletromagnetico no espaco livre expressado em

segundos (s)

Outro fator relevante para a aplicacao da tecnica e necessario ter pelo menos tres

ERBs. A figura 3.4 ilustra um pouco do conceito desta tecnica na pratica, onde T1, T2 e

T3 sao os tempos de recepcao e a intersecao dos tres cırculos definem uma precisao mınima

do telefone celular.

Figura 3.4: Tecnica de radiolocalizacao baseada em tempo de recepcao. [2]

18

Esta tecnica necessita de uma grande precisao no sincronismo entre os relogios das

ERBs e o telefone celular. Isso so e possıvel atraves de ferramentas que nos fornecem

tempo padroes como relogios de rubıdio ou cesio, ou atraves dos sistemas de satelites

baseados no GPS, como no IS-95(CDMA). A vantagem desta tecnica e que a precisao da

localizacao nao diminui com o afastamento entre o usuario e as ERBs e nao e necessaria a

instalacao de um novo conjunto de antenas em cada estacao. A alta precisao nessa tecnica

depende da propagacao da onda eletromagnetica em visada direta (LOS) [2].

3.3.1 Tecnica Baseada em Tempo Diferenciado de Recepcao

E uma variacao da tecnica citada na secao anterior denominada TDoA (Time

Difference of Arrival) que consiste numa analise da diferenca temporal na recepcao dos

terminais moveis de um ou varios sinais [11]. Dois tipos de modelos sao utilizados para

explicar tal tecnica e realizar as analises necessarias em questao, o primeiro baseado em

sinais que se propagam com diferentes velocidades e o segundo na variacao temporal du-

rante a recepcao de um sinal num terminal movel [11]. Estes dois modelos sao explicitados

abaixo:

• Modelo baseado em sinais que se propagam com diferentes velocidades

E um modelo que explica a radiolocalizacao a partir da TDoA atraves do uso de

diversos sinais com diferentes velocidades. De maneira simples a analise pode ser feita

atraves de, no mınimo dois sinais facilitando a compreensao de tal modelo. O transmissor

envia dois sinais, onde o terminal movel recebe o primeiro sinal num instante t1 e aguarda

a recepcao de um sinal mais lento num instante t2. A figura 3.5 ilustra tal raciocınio para

a tecnica:

19

Figura 3.5: Representacao do primeiro modelo explicado. [11]

Este primeiro sinal e denominado piloto cuja principal funcao e iniciar o conta-

dor temporal, por isso consideramos t1 = 0, entao fica definido que diferenca temporal e

∆t = t2, sendo possıvel determinar a distancia entre o transmissor e o receptor em gran-

des sistemas com diversos receptores em analise. Apos determinar a distancia, utiliza a

triangulacao circular das distancias para realizar a radiolocalizacao. A equacao 3.2 mostra

a variacao temporal e o seguinte sistema 3.3 de equacoes e responsavel por determinar a

distancia entre o transmissor e o receptor:

∆t = t2 − t1 (3.2)

t1 = d

v1

t2 = ∆t+ t1

d = v2 × (∆t+ dv1

)

(3.3)

Apos simplificacoes realizadas no sistema acima e definido a distancia entre o trans-

missor e o receptor baseado na variacao temporal de sinais com diferentes velocidades de

propagacao, vista na equacao 3.4:

d =v1 × v2 × ∆t

v1 − v2(3.4)

• Modelo baseado na diferenca temporal na recepcao do sinal

A radiolocalizacao neste modelo se baseia na diferenca temporal durante a recepcao

do sinal por diversos receptores. Para aplicar esse conceito, utiliza-se a triangulacao

baseada no modelo matematico hiperbolico onde se determina a posicao da estacao movel.

20

A figura 3.6 ilustra a determinacao da posicao atraves da diferenca temporal aonde se

encontra dois receptores na regiao de cobertura e a estacao movel compondo um ponto

da hiperbole:

Figura 3.6: Modelo hiperbolico. [11]

A equacao utilizada e a propria equacao da hiperbole, como vista na equacao 3.5:

x2

a2− y2

b2= 1 (3.5)

Atraves do sinal transmitido, o receptor 1 recebe o sinal no instante t1 e o receptor

2 recebe o sinal no instante t2, assim mostrando a diferenca temporal por este modelo. A

equacao da diferenca temporal pode ser vista pela equacao 3.6:

∆t = t1 − t2 (3.6)

Devido ao uso do modelo hiperbolico a diferenca temporal encontrada acima sera

associada a uma diferenca de distancias entre estacao movel e os dois receptores que foram

utilizados para exemplificacao de tal modelo. Esta equacao pode ser vista pela equacao

3.7:

∆d = d1 − d2 (3.7)

Associando a diferenca temporal a diferenca de de distancias, temos a equacao 3.8:

∆d = v × (t1 − t2) (3.8)

21

Entao e definido o sistema de equacoes 3.9 para encontrar a posicao da estacao

movel vista abaixo:

d21 = y2 + (x+ D2

)2

d22 = y2 + (D2− x)2

(3.9)

Atraves de simplificacoes, chegamos a equacao final da radiolocalizacao da estacao

movel, vista equacao 3.10:

x2

(v × (t1−t2)2

)2− y2

(D2

)2 − (c× (t1−t2)2

)2= 1 (3.10)

Este modelo proposto tem a necessidade de mais um receptor de referencia e uma

de suas grandes desvantagens e que necessita de sincronizacao entre todas as estacoes

referencias, devido a ordem de grandeza associada aos parametros utilizados em questao.

22

3.4 Comparacao entre as tecnicas

Apos a apresentacao dos tres tipos de tecnicas sobre a radiolocalizacao, sera apre-

sentada a tabela 3.1, que mostra a comparacao entre elas. Os parametros de comparacao

serao divididos em: Precisao indoor, area de cobertura, influencia do multipercurso, custo

de implantacao.

Tabela 3.1: Comparacao entre as tecnicas. [10]

Capıtulo 4

Problemas e Tendencias na

Radiolocalizacao de Terminais

Moveis

4.1 Problemas da radiolocalizacao

Antes de citar os problemas da radiolocalizacao e como ocorrem e necessario en-

tender como funciona esse sistema. Ao realizar uma comunicacao atraves de um celular,

a mensagem ou informacao e codificada na forma de onda eletromagnetica. Portanto e

preciso analisar a banda de frequencia utilizada para tal servico, o tipo de ambiente que a

onda se propaga podendo ser indoor ou outdoor e por ultimo as condicoes climaticas da

regiao em analise.

4.1.1 Ambientes Outdoors

Nestes tipos de ambientes a realizacao da radiolocalizacao torna-se um pouco mais

facil em relacao aos ambientes indoors devido a ocorrencia de visada direta entre as ERBs

e estacao movel serem mais frequente. A princıpio a primeira deducao de problemas

neste ambiente e devido a atenuacao do sinal devido ao percurso feito pela frente de

onda ate a estacao movel. Essa atenuacao do sinal ocorre devido ao espalhamento do

sinal durante a trajetoria do mesmo no meio de propagacao. E uma estimativa inicial de

atenuacao do sinal explicada de maneira matematica atraves da formula de Friis, levando

em consideracao alguns parametros que sao: frequencia de operacao (em MHz), a distancia

24

entre as estacoes (em quilometros). Na equacao 4.1 e mostrado a expressao da formula

de Friis [12]:

L = 32, 5 + 20log(d) + 20log(f) (4.1)

Onde:

L - perda no espaco livre expressa em dB;

d - Distancia entre o transmissor e receptor expressa em km;

f - Frequencia de operacao expressa em MHz;

Numa situacao ideal, na recepcao haveria apenas sinal oriundo da visada direta,

mas infelizmente nao e o que ocorre na realidade. A recepcao do sinal tem sua contribui-

cao principal a partir da visada direta entre a ERB e a estacao movel, mas pode receber

tambem de outras direcoes. Esse problema e denominado multipercurso do sinal dificul-

tando a precisao do sistema de radiolocalizacao e ate degradando a qualidade do sinal

[13].

A perda de percurso pode ser causada pelos fenomenos da reflexao, refracao, di-

fracao e dispersao.O primeiro fenomeno citado neste trabalho sera o da reflexao, onde

a frente de onda ao entrar em contato com uma superfıcie considerada lisa (sendo esta

superfıcie lisa presente entre a ERB e a estacao movel) e refletido chegando na recepcao.

O Modelo de 2 Raios (figura 4.1) explica esta situacao citada se baseando num sinal

originado pela visada direta entre a ERB e a estacao movel e um sinal secundario que vem

do mesmo, mas que sofreu uma reflexao ocasionada por uma superfıcie lisa (geralmente

quando ha a instalacao de antenas proximas a rios e mares) entre estes dois terminais.[11]

25

Figura 4.1: Representacao do modelos de 2 raios. [11]

Exemplos de ambientes outdoors que dificultam bastante a radiolocalizacao sao

os centros urbanos devido a uma grande concentracao de predios, regioes montanhosas

que dificultam a visada direta. Este tipo de situacao e denominado difracao onde ha

uma obstrucao que impede a frente de onda gerando uma area de sombreamento. Os

efeitos bruscos da difracao sao vistos quando os obstaculos possuem a mesma dimensao

da ordem de grandeza do comprimento de onda transmitido. Este fenomeno da Difracao

e explicado pelo princıpio de Huygens [12] onde a frente de onda tem o comportamento de

varias fontes pontuais. A figura 4.2 ilustra de maneira simples como ocorre o fenomeno

da difracao:

Figura 4.2: Representacao do fenomeno difracao mostrada pela Ericsson nos anos 2000.

[12]

26

A difracao e baseada nos tipos de obstaculos citados abaixos:

Difracao Knife-Edge (Gume de Faca): Considera que o sinal transmitido tangen-

cia um unico obstaculo (tangencia a primeira zona de Fresnel) ocorrendo uma area de

sombreamento dificultando a recepcao do sinal). Este fenomeno pode ocorrer na presenca

de multiplos obstaculos gumes de faca, onde a componente resultante sera o somatorio

destas multiplas obstrucoes [13]. Em algumas situacoes o sinal na recepcao pode ser mais

forte que as contribuicoes originadas pelos fenomenos da reflexao e difracao. Essa situacao

ocorre em geral quando a frente de onda se choca com uma superfıcie aspera, onde sua

energia e espalhada. Este fenomeno conhecido como dispersao.

Os efeitos da dispersao so podem ser considerados quando a frente de onda se choca

com uma superfıcie aspera [14]. A relacao 4.2 mostra a condicao para uma determinada

superfıcie seja aspera de acordo com um angulo Θi de incidencia do sinal durante a

recepcao:

∆h >λ

8 · sin Θi

(4.2)

Onde os termos da formula mostrada acima indicam:

∆h - diferenca entre a protuberancia mınima e maxima dos obstaculos em que o sinal

sofreu dispersao;

λ - Comprimento de onda utilizado pelo sinal;

Θi - Angulo de incidencia do sinal na superfıcie;

4.1.2 Ambientes Indoor

Nestes tipos de ambientes, a realizacao da radiolocalizacao torna-se mais difıcil,

devido a principal contribuicao na estacao movel nao vir da visada direta de uma ERB,

dependendo principalmente da reflexao, difracao, refracao do sinal e em pequenos casos

da dispersao do sinal. Esses fenomenos podem causar o desvanecimento do sinal acarre-

tando numa degradacao do mesmo. O bloqueio direto do sinal nestes tipos de ambientes

sao causados pelas paredes das construcoes, que funcionam como barreiras atenuando o

sinal. O orgao European COST 231 apresentou uma tabela de perdas para esta situacao

citada anteriormente, onde mostra os mais diversos tipos de obstaculos associados as suas

respectivas perdas, sendo utilizados no modelo COST 231 Keenan e Motley e no modelo

27

Multi-wall [15] . Os dados mostrados na tabela 4.1 foram medidos para frequencia de

operacao de 2,4 GHz:

Tabela 4.1: Perdas associadas aos especıficos obstaculos para o sinal operando em 2,4

GHz. [15]

Existem algumas consideracoes relevantes ainda neste assunto:

· Obstaculos feito de metais sao responsaveis por refletir a maior parte do sinal

transmitido pela ERB, funcionando como uma barreira ao mesmo.

· Obstaculos feito de madeira, plasticos e tijolos sao responsaveis por refletir uma

parte do sinal transmitido pela ERB e a outra parte atravessa tais materias.

·No caso de agua (chuva) e objetos umidos o sinal transmitido pela ERB e ab-

sorvido pelas moleculas de oxigenio. Fenomenos aleatorios tambem podem prejudicar a

radiolocalizacao como o fluxo de pessoas presentes no local tambem impedem a passagem

do sinal ou dependendo da escala podem causar interferencias no sinal.

Neste tipo de ambiente, alguns sistemas moveis tem seus problemas agravados

devido a falta de dados adicionais que consequentemente tem a necessidade de utilizar

varias ERBs para definir a posicao de tal estacao movel [16]. Este problema e denominado

audibilidade.

Sistemas como o CDMA e o UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

sao os principais prejudicados, pois sao baseados em alocacao de canais diferenciados por

28

codigos ortogonais e todas as ERBs para realizar o servico de radiolocalizacao transmitem

seus sinais na mesma frequencia de portadora sendo altamente nocivo a audibilidade

[16]. Para esses sistemas serem operados de maneira eficiente e necessario realizar um

rıgido controle de potencia que e utilizado para combater o efeito perto-longe, evitando

a interferencia co-canal entre a estacao movel e a ERB, mas dificultando a comunicacao

entre a estacao movel com outras ERBs (onde e fundamental realizar esta comunicacao

para a radiolocalizacao de dispositivos baseados em CDMA e WCDMA), exceto a base

de servico.

No capıtulo 3 foi feita uma introducao sobre as tecnicas AoA, ToA e TDoA que

sao as mais indicadas para a realizacao da radiolocalizacao neste tipo de ambiente.

Problemas da radiolocalizacao podem ser agravados em locais onde a incidencia de

chuvas sao muito altas como no caso do Brasil e paıses tropicais. Em centros urbanos em

que existem uma grande concentracao de predios, as paredes dos predios ficam molhadas

ao chover, permanecendo uma boa parte do tempo umidas aumentando a perda por

obstrucao do sinal em 10% se comparado a parede seca do predio (para ser feita esta

constatacao e importante introduzir uma perda adicional ao modelo de propagacao) por

causa do aumento da reflexao do sinal.

4.2 Tendencias para os sistemas de radiolocalizacao

em ambientes indoor

Fazer a localizacao de um receptor GPS em qualquer lugar do planeta ja nao e mais

um problema para humanidade, com o grande “boom” dos smartphones nos ultimos anos

e de forma mais acessıvel para as pessoas chegando a incrıvel marca de mais aparelhos do

que pessoas no mundo, a radiolocalizacao atraves do GNSS ganhou ainda mais destaque

atraves dos sistemas operacionais (Android, iOS e Windows Phone) para qualquer que

seja o aplicativo e a finalidade, seja de forma mais comum como ajudar os motoristas em

suas rotas ou ate de forma mais inusitada como aplicativos de encontros para namoro.

Ou seja, o uso de tecnologias envolvendo radiolocalizacao esta cada vez mais presente na

vida das pessoas, as vezes mesmo sem perceber.

Todavia, nem tudo esta resolvido e funcionando perfeitamente bem, ainda existem

problemas, e talvez o mais tradicional e ainda sem solucao confiavel e a radiolocalizacao

29

em ambientes indoor, pois ainda nao existe uma tecnologia bem difundida que possa

fornecer esse posicionamento interno.

Seria de grande utilidade estar em um shopping e saber exatamente a localizacao

da loja a qual voce esta procurando, ou estar em um grande edifıcio e poder usar alguma

aplicacao que te ajude em sua localizacao ou localizar seu destino no nıvel de sala, estar

em um aeroporto e saber exatamente o local de embarque ou ate mesmo em um grande

armazem e saber localizar os produtos os quais procuram. E para isso ser possıvel e preciso

usar outras tecnologias para se conseguir o melhor resultado em ambientes indoors.

4.3 Principais Tecnologias para Localizacao em am-

bientes indoor

Atualmente, entre as tecnologias implementadas mais comuns para o posiciona-

mento nesses ambientes internos, se encontram as baseadas na intensidade dos sinais

de radiofrequencia. Dentre as tecnologias implementadas mais comuns para determinar

o posicionamento indoor sao elas: o Wi-Fi, RFID, ZigBee e nos ultimos anos o BLE-

Beacons vem se destacando podendo tambem ser inserido nessa lista. Nesta secao sera

apresentada cada uma dessas quatro principais tecnologias citadas, porem enfatizando a

tecnologia dominante no mercado atual, que e a tecnologia baseada em Wi-Fi.

4.3.1 Wi-Fi

O Wi-Fi refere-se as redes que obedecem as especificacoes do padrao IEEE 802.11

para redes locais sem fio, WLAN, operando nas faixas de 2,4 GHz ou 5 GHz. Usar esta tec-

nologia para localizacao em ambientes indoor e sempre uma boa saıda, embora a WLAN

nao tenha sido projetada para essa finalidade. Para utilizar esse tipo de tecnica, os sinais

de radiofrequencia sao transmitidos pelos AP’s (Dispositivos que por um lado conectam-

se a rede cabeada, distribuindo o sinal para rede sem fio) e captados pelos dispositivos

moveis. Existem tres condicoes que podemos analisar para se obter o posicionamento

interno, sao elas: O tempo em que o sinal leva do AP ate o dispositivo movel em questao,

o angulo de incidencia e tambem a RSSI. [10]

Entretanto e importante considerar alguns aspectos sobre esses ambientes indoor,

qualquer sistema de localizacao possui o mesmo princıpio basico, antes mesmo de surgir

30

qualquer tecnologia envolvendo radiofrequencia. Uma pessoa caminhando na rua ja conse-

guia se localizar atraves de pontos de referencias em que a mesma observava atraves de sua

retina e fazia assim uma estimativa da sua distancia e consequentemente sua localizacao,

mas se essa pessoa caminha por uma rua super movimentada de uma grande cidade e so

consegue ver pessoas e obstaculos ao seu redor, obviamente fica mais difıcil de conseguir

atraves de sua retina assimilar pontos de referencias para estimar seu posicionamento.

Podemos pensar de forma analoga em uma rede Wi-Fi, onde o dispositivo movel (que

correspondem aos olhos da pessoa) tenta captar informacoes dos pontos de referencias

do ambiente (no caso os AP’s que estao ligados a rede), porem geralmente em ambientes

indoor temos muitos obstaculos como pessoas, paredes, moveis, ou seja, possuem carac-

terısticas de propagacao chamada de multiplos percursos, segue um modelo denominado

NLOS (Non-Line of Sight), tornando-se mais difıcil a utilizacao das condicoes de angulo

de incidencia do sinal transmitido e o do tempo que o sinal leva para chegar do transmissor

ao receptor, considerando somente a informacao da potencia do sinal recebido (RSS).

Tambem vale ressaltar que ha muitos outros problemas causadores de interferencia

nesses ambientes que sao “invisıveis” e difıcil de ser controlados, como um simples forno

micro-ondas ou outros emissores de radiofrequencia proximos ao local. Essa interferencia

com o forno micro-ondas e devido a estes sistemas operarem na faixa de frequencias da

banda ISM (Industrial,Scientific Medical), que e uma banda de frequencia nao licenciada,

ou seja, de livre uso. Primeiramente precisamos entender como se utiliza essa banda nos

diversos lugares pelo mundo. Na tabela 4.2 e mostrado como os paıses dividem esse

espectro no seu respectivo territorio.

Tabela 4.2: Divisao do Espectro da Banda ISM 2,4 GHz pelos diversos paıses. [17]

A Banda ISM operando na faixa de 2,4 GHz para as redes Wi-Fi e dividido em 14

canais de largura de banda aproximadamente de 20 MHz ( No Brasil utiliza apenas 11

canais com largura de banda de 22 MHz ) [17]. Como as frequencias de cada canal sao

31

muito proximas, ocorre interferencia de canais adjacentes, nos quais so existem 3 canais

ortogonais nessa banda ( que nao causam interferencia de canais adjacentes) que sao os

canais 1, 6 e o 11, sendo os recomendados para a configuracao de um AP numa rede Wi-Fi

[18]. Na figura 4.3 mostra como se dispoem os canais pelo espectro de banda ISM de 2,4

GHz.

Figura 4.3: Canais de comunicacao do espectro da Banda ISM 2,4 GHz no Brasil. [19]

Na figura acima mostra que a partir da frequencia mınima do canal anterior mais

uma largura de banda de 5 MHz origina o proximo canal. Ja na figura 4.4 mostra de

maneira detalhada os canais ortogonais presentes nessa banda.

Figura 4.4: Canais Ortogonais do espectro da Banda ISM 2,4 GHz no Brasil. [17]

32

Devido a uma conectividade constante de usuarios a rede Wi-Fi com seus dispo-

sitivos moveis, ambientes internos precisam dispor de uma infraestrutura de AP’s para

atende-los. Por isso a tecnica baseada em Wi-Fi e a mais recomendada, no entanto a pre-

cisao de sua radiolocalizacao depende da densidade desses AP’s na WLAN para conseguir

uma maxima cobertura do ambiente interno. Para atingir uma performance satisfatoria

e necessario adicionar alguns componentes, como sensores autonomos que fornecem uma

melhor precisao.

A localizacao via Wi-FI baseado na potencia do sinal recebido e o caminho mais

viavel, uma vez que a infraestrutura do ambiente ja existente geralmente e mantida. Esse

indicador e uma informacao que os drivers da rede Wi-Fi sempre fornecem, ja que precisa

dessa informacao para que seja feita a escolha do melhor SSID (Service Set IDentifier)

em determinado ambiente considerando a localizacao do dispositivo movel.

O RSSI pode ser utilizado para fazer a localizacao de dispositivos moveis que

enviam sinais RF, quando um emissor envia um sinal ao receptor, o mesmo calcula a

potencia no qual recebeu este sinal,utilizando esse valor para estimar a distancia entre

ambos.

O primeiro sistema desenvolvido utilizando o Wi-Fi para estimar a localizacao foi

um sistema chamado RADAR [Bahl Padmanabhan,2000], que consiste em um mapa de

radio obtido experimentalmente e um modelo matematico de propagacao de sinais RF

para construcao desse mapa.

Normalmente o processo de localizacao baseado no mapa de radio, ou mapa RSSI,

e realizado em duas etapas separadas: estagio off-line e estagio on-line.

No estagio off-line, conhecido como fase de treinamento, e constituıdo um banco de

dados, chamado de mapa de radio com medidas RSSI, capaz de armazenar as informacoes

das RSSI e das frequencias dos AP’s do ambiente. Essas informacoes sao geradas pelo

proprio aparelho movel que realiza medicoes em diferentes pontos no ambiente determi-

nado (figura 4.6). Essas posicoes com os atributos medidos sao chamadas de pontos de

impressoes digitais que representam a fase de calibracao. Esses valores RSS (impressoes

digitais) sao medidos em toda a area de interesse e registrada no banco de dados para

gerar o mapa, por isso e chamada de fase de aprendizagem, essa fase e fundamental e

necessaria a fim de modelar o ambiente. Entretanto essa coleta de amostras de dados e

demorada e trabalhosa, pois e preciso dividir toda area em celulas menores. Para cada

33

celula sao verificados os valores de RSSI durante um perıodo de tempo para serem arma-

zenados no mapa, ressaltando que esses valores podem ser afetados por diferentes motivos,

como por exemplo a posicao do medidor em relacao a proprio corpo da pessoa durante as

medicoes, ja que o nosso corpo atenua frequencias de 2,4 GHz. Alteracao dos ambientes

com paredes ou ate mesmo com posicoes de moveis, por esse motivo que e necessario gerar

novas impressoes digitais periodicamente para manter o mapa de radio sempre atualizado.

Ja no estagio on-line, que e a segunda fase deste processo e conhecido como fase

de testes, e baseado na posicao do dispositivo movel atual em que deseja ser localizado

(atraves dos valores RSS daquele momento), para entao ser comparadas com as gravacoes

digitais salvas no mapa de radio possibilitando assim uma estimativa de posicionamento.

Porem e preciso tomar cuidado com alguns fatores que acabam interferindo e deixando

os valores atuais bem diferentes dos armazenados no mapa de radio, o principal deles e

a alteracao da rede de AP’s do ambiente. Com a facilidade que existe nos tempos atuais

em adicionar ou remover AP’s numa rede, e como no processo on-line e feito a selecao dos

AP’s, o ideal e que nao tenha alteracao quando comparado com o mapa. Apesar dessas

limitacoes, essa tecnica de impressao digital nos fornece uma precisao razoavel.

Os algoritmos de impressoes digitais, que sao os metodos usado para compara-

cao dos atributos atuais com os gravado no mapa para se estimar a localizacao, podem

ser divididos em metodos determinısticos e metodos probabilısticos, que falaremos mais

adiante.

Na figura 4.5 segue o diagrama que retrata todo esse processo de posicionamento

baseado em RSSI separado em duas fases, a de treinamento que refere-se a construcao do

mapa de radio e a de execucao que refere-se as medicoes de RSS para ser comparada no

banco de dados para se estimar a localizacao nesses tipos de ambientes indoor.

34

Figura 4.5: Processo de impressao de localizacao divididos em duas fases, off-line e on-line.

[20]

Figura 4.6: Mapa de radio: Os pontos pretos sao as referencias, ou seja, as impressoes

digitais. [21]

Como citado anteriormente, os algoritmos da tecnica de impressao digital podem

ser de duas formas, sao dois metodos diferentes usados para fazer essa comparacao de

atributos dos sinais recebidos para se estimar a localizacao: metodos determinısticos e

metodos probabilısticos.

35

Metodos Determinısticos

Como o nome ja sugere, este metodo trabalha com algoritmos de variaveis de-

terminısticas. O primeiro metodo utilizado para localizacao via Wi-Fi (BAHL; PAD-

MANBHAM,2000) era determinıstico e muito simples. Os valores de RSSI que o dis-

positivo movel, o qual deveria ser localizado, recebia dos AP’s que se encontravam no

ambiente formavam um “vetor de atributos”, esse vetor era gerado atraves das medias de

varias medidas naquela posicao. No mapa RSSI cada posicao e representada por um vetor

semelhante a esse. Entao calculam-se as distancias euclidianas entre o“vetor de atributos”

e cada um dos outros vetores das que formam o mapa de RSSI. A estimativa do sistema

e a posicao cuja distancia calculada tenha sido menor, este metodo ficou conhecido como

NNSS (Nearest Neighbour in Signal Space).[22]

Existem outros metodos determinısticos, ate mesmo a extensao deste metodo que

foi citado acima, tambem apresentado por BAHL e PADMANBHAM, no qual o localizador

determina em cada iteracao, um conjunto das K posicoes em que os vetores de atributos

sao os mais proximos do “vetor de atributo”observado. Assim a media das coordenadas

dessas posicoes sera o valor estimado para a localizacao do movel, este metodo ficou

conhecido como K-NNSS.[22]

Os metodos determinısticos sao de mais simples implementacao e ate mesmo de

compreensao, entretanto nao consideram informacoes importantes, como as estatısticas

das variacoes de RSSI.

Metodos Probabilısticos

Os metodos probabilısticos trabalham com variaveis aleatorias e distribuicao de

probabilidade. Essa caracterıstica aleatoria dos RSSI que sao observadas pelo movel a ser

localizado em uma rede Wi-Fi, por parecer mais com a realidade, traduz que esse metodo

deve constituir o melhor tipo de ferramenta indicado para se estimar a localizacao em

ambientes indoor.[22]

Apesar de existirem varios outros, um dos metodos mais conhecidos pela sua sim-

plicidade comparado aos demais, e um metodo que baseia-se no conceito de probabilidade

condicional de Bayes (BAYES,1763), representado pela seguinte equacao 4.2:

36

P (e

O) =

(P (Oe) × P (e))

P (O)(4.3)

Aonde cada termo da equacao e citado abaixo:

P ( eO

) – Probabilidade do estado de localizacao “e” dado que se observou O;

P (Oe) – Probabilidade de se observar O dado que se esta no estado “e”;

P(e) – Probabilidade do estado “e”;

P(O) – Probabilidade de se observar O;

Essa distribuicao e responsavel por considerar o universo de estados de localizacao

P(e) . Por isso a estimativa depende apenas da comparacao do vetor observado com os

vetores que compoem o mapa de RSSI comparacao representada pelo fator P (Oe).

Fazendo uma comparacao rapida sobre esses dois metodos citados, apesar de a

escolha depender de cada projeto e da necessidade em questao, os metodos probabilısticos

quase sempre levam vantagem em relacao aos metodos determinısticos. Vale destacar que

os metodos probabilısticos tambem consideram a forma da distribuicao de probabilidade

dos valores de RSSI medidos em cada posicao verificada, diferentemente do determinıstico

que considera apenas a media. Consequentemente possuem mais informacoes sobre cada

ponto do sistema, apresentando melhores resultados.

4.3.2 Zigbee

ZigBee e uma tecnologia definida pelo orgao IEEE (Institute of Electrical and Elec-

tronics Engineers) pela pilha de protocolos do padrao 802.15.4 presente entre a camada

fısica e a camada de enlace (endereco fisıco MAC) [10]. Essa tecnologia e apropriada para

dispositivos que realizam comunicacao sem fio com capacidades de baixa transmissao de

dados, baixa potencia de operacao e baixo consumo de energia. Na figura 4.7 e mostrado

como o ZigBee se relaciona com as camadas do modelo TCP/IP da rede.

37

Figura 4.7: Relacao do ZigBee com as camadas do modelo TCP/IP. [23]

Essa tecnologia, como o padrao 802.11, utiliza a banda ISM de 2,4 GHz, portanto

e projetada para dispositivos com o objetivo de interligar pequenas unidades de comuni-

cacao [10], geralmente uma rede interna bem pequena. Na tabela 4.3 e mostrado como

o mundo utiliza a banda ISM na faixa de frequencia de 2,4 GHz para a tecnologia Zig-

Bee, mostrando parametros como a faixa de frequencia utilizada, taxa de transmissao dos

dados e a quantidade de canais:

Tabela 4.3: Parametros da Banda ISM utilizados pelo ZigBee. [24]

38

Como a banda utilizada e a mesma do 802.11, e uma faixa de frequencia suscetıveis

a interferencias como a de canal adjacentes ja citada na subsecao 4.3.1 sobre o padrao

802.11. Isso prejudica o envio de pacotes pelos quadros de beacons causando degradacao

do sinal [23], sendo o grande empecilho dessas tecnologias no uso da radiolocalizacao.

Para realizar a radiolocalizacao em ambientes indoors atraves dessa tecnologia,

o princıpio e o mesmo do padrao 802.11. A tecnica utilizada e a impressao digital ja

introduzida na subsecao 4.3.1.

A radiolocalizacao realizada com essa tecnologia e auxiliada por dispositivos sen-

soriais. Um dispositivo bastante utilizado e encontrado comercialmente e o Micaz [25] que

e compatıvel com o ZigBee habilitando baixa potencia no uso da rede [10]. A instrucao

tecnica do Micaz esta presente no apendice A, e na figura 4.8 mostra o Micaz a nıvel de

hardware e um diagrama de blocos explicando o seu funcionamento:

Figura 4.8: Sensor Micaz. [25]

39

4.3.3 RFID

A tecnologia RFID apesar de ja existir ha anos (decada de 1940) cada vez mais

ganha forca com sua vasta variedades de aplicacoes. Essa tecnologia e definida como

uma forma de identificacao e coleta de dados atraves de ondas de radio frequencia. A

coleta de dados e feita entre um leitor RFID que e capaz de ler os dados emitidos pelas

etiquetas RFID (tags), ja que utilizam uma frequencia de radio definida e um protocolo

pre-determinado. A figura 4.9 mostra o diagrama basico do sistema RFID.

Figura 4.9: Sistema basico da tecnologia RFID. [26]

As tags podem ser categorizadas de tres formas: tags passivas, tags ativas e tags

semi-passivas [27]. As tags passivas funcionam sem bateria, por isso dependem da energia

fornecida pelos leitores para enviarem seus dados e fazer a comunicacao. Sao mais simples,

mais leves e com isso gera menores custos comparada as tags ativas, que por sua vez

possuem bateria interna, que sao capazes de emitir ativamente seu ID para o leitor. Ja

as tags semi-passivas apesar de possuir uma bateria interna para alimentacao do circuito,

funcionam como as passivas, ou seja, dependem do leitor para fazer a comunicacao. A

figura 4.10 ilustra alguns exemplos de tags passivas e ativas.

40

Figura 4.10: Alguns modelos de Tags RFID. [27]

Apesar de um grande leque de aplicacoes, a tecnologia RFID aparece de forma

constante nos sistemas atuais de localizacao indoor. Geralmente sao colocadas tags no

ambiente para que seja os pontos de referencias. O dispositivo movel o qual deseja ser

localizado seria o leitor RFID, que a partir do sinal recebido pelas tags conseguiria esti-

mar sua posicao no ambiente. Esses sistemas de forma geral sao eficientes, porem caros

comparados aos outros. [27]

4.3.4 BLE

O Bluetooth Low Energy (BLE) e a quarta geracao do Bluetooth classico. A tec-

nologia do Bluetooth classico (IEEE 802.15) surgiu em 1994, esta tecnologia consiste em

uma transmissao de dados sem fio de forma segura e rapida entre dois dispositivos.

Para o funcionamento dessa tecnologia, e necessario que os dispositivos estejam

dentro de uma area limite de proximidade, ja que a transmissao e feita atraves de ondas

curtas de RF. Para que seja possıvel atender aos mais variados tipos de dispositivos, foi

criada tres classes de alcance do Bluetooth, como mostra a tabela 4.4.

41

Tabela 4.4: Tabela de classes de alcance do Bluetooth - Adaptado. [28]

Ate mesmo a classe 3, que possui alcance de aproximadamente de 1 metro possui

inumeras aplicacoes, como conectar um mouse a um computador ou um fone de ouvido

a um celular sao alguns dos exemplos, ou seja, depende da necessidade em questao. Vale

destacar que existe compatibilidade de conexao entre dispositivos de diferentes classes,

respeitando sempre a limitacao da classe de menor alcance, como um tablet que possui

em seu sistema tecnologia classe 1 que se comunica com um fone que pertence a classe

3. Entretanto, so funcionaria no maximo a uma distancia de 1 metro, pois apesar de o

tablet possuir 100 metros de alcance o fone so possui 1 metro.

No final de 2009, depois de muitas atualizacoes foi criada uma nova versao denomi-

nada quarta geracao do Bluetooth que ficou conhecida como Bluetooth de baixa energia.

Essa tecnologia foi projetada para atender e suportar a nova era de tecnologia, a internet

das coisas. Sua grande virtude esta no mınimo consumo de energia, assim abrangendo de

forma significativa seu leque de dispositivos que podem utilizar essa tecnologia.

Beacon

Apresentado ao mundo em 2013 pela Apple como iBeacon technology, os Beacons

sao pequenos dispositivos que emitem sinais RF em intervalos definidos atraves da tec-

nologia BLE. Estes dispositivos sao compatıveis com os smartphones por exemplo, que

recebem o sinal e interpretam por meio de um aplicativo para que seja mostrado na tela.

Essa tecnologia pode ter inumeras aplicacoes, dentre elas a localizacao indoor.

Atualmente ja existem Beacons de varios modelos, fabricantes e tamanhos diferen-

tes para as mais diversas implementacoes como pode se visto na figura 4.11. Os beacons

sao faceis de instalacao, possuem uma bateria como fonte de alimentacao que em alguns

casos duram por mais de tres anos sem a necessidade de troca-la.

42

Figura 4.11: Beacons de alguns fabricantes. [29]

Os sistemas de posicionamento indoor atraves do uso de beacons funcionam ao

instalar esses dispositivos pelo ambiente permitindo a cobertura de todas as areas de

interesse. O usuario ao acessar o aplicativo de localizacao com o smartphone a fim de

determinar sua localizacao, recebe os sinais dos beacons e gera uma impressao digital

da sua localizacao atraves da tecnica de triangulacao, entao o proprio aplicativo acessa a

base de dados de impressoes digitais coletadas ainda na fase off-line e estima a localizacao

mais provavel do usuario que e exibida na tela do smartphone. Na figura 4.12 e exibida a

ilustracao da arquitetura basica do sistema.

Figura 4.12: Arquitetura de um sistema de localizacao utilizando beacons. [10]

43

Para escolha da melhor tecnologia dentre as citadas nessa secao e preciso conhe-

cer a real necessidade para aplicacao e qual o tipo de ambiente a ser aplicado. Projetar

um sistema de posicionamento indoor e muito mais complexo do que aparenta, e preciso

pensar na questao de seguranca da informacao para que seja de forma totalmente segura

ponto a ponto, alinhado com a maior precisao possıvel mesmo com alto nıvel de interfe-

rencias e obstrucoes no ambiente, sem esquecer dos custos, que e um fator determinante

para a viabilizacao do projeto. Na tabela 4.5 mostra uma avaliacao de parametros como

acessibilidade, privacidade e seguranca, precisao e custo avaliados numa escala de 1 a 5,

onde o valor 5 e a maxima avaliacao. [10]

Tabela 4.5: Comparacao entre as tecnologias. [10]

Capıtulo 5

Estudo e Analise dos Sistemas

Apresentados na Microsoft Indoor

Localization Competition

Ate o presente momento vimos que a radiolocalizacao de terminais moveis funciona

muito bem em ambientes outdoor usando sempre a tecnologia do sistema GNSS, ou seja,

o GPS. Entretanto em ambientes indoor nao consegue-se ter o mesmo exito conforme

explicado no capıtulo 4.

Nesse capıtulo 5 serao apresentadas algumas das principais tecnologias e ferramen-

tas ja existente de radiolocalizacao em ambientes indoor, sem o uso do GPS. Algumas

ja estao difundidas no mercado ou apenas presentes em estudos dentro de universidades

para poderem ser analisadas e comparadas.

Sera mostrado como esse assunto ainda e desafiador para as maiores empresas do

mundo de tecnologia e para todo o ambito academico. Sera feita tambem uma analise de

uma das principais competicoes internacional de tecnologias inovadoras para o posiciona-

mento em ambientes indoor.

Apesar de ja existirem centenas de abordagens diferentes na literatura, o problema

da localizacao indoor ainda persiste sem solucao. Ainda nao existe uma linha de pesquisa

convergente para uma unica solucao amplamente aceita que possa alcancar a precisao e o

custo desejado.

Diante deste fato, desde 2014 a Microsoft organiza uma competicao anual de tec-

nologias de posicionamento interno, a Microsoft Indoor Localization Competition, que

45

faz parte da conferencia internacional sobre Processamento de Informacao em Sensor

Networks, a IPSN 2014 [30]. Essa competicao tem como finalidade reunir os principais

nomes do meio academico, das industrias e das startups para que sejam apresentadas e

avaliadas as mais recentes tecnologias de posicionamento em ambientes indoor. A princi-

pal meta e encontrar tecnologias que atendam tao bem como o GPS atende em ambientes

outdoor.

A competicao funciona da seguinte forma, depois de todo processo de inscricao

que cada equipe que deseja participar da competicao envia um resumo da sua proposta

para comissao organizadora do evento, as equipes selecionadas sao convidadas para a

competicao que a cada ano costuma ser em um paıs diferente. A competicao e um evento

de 2 dias, durante o primeiro dia as equipes sao livres para configurar e calibrarem seus

sistemas, ja no segundo dia cada equipe e avaliada em um intervalo de tempo pre-definido.

O evento tem o objetivo de reunir as principais pesquisas de tecnologia de localizacao

indoor quase em tempo real e considerando a aplicacao no mesmo ambiente para todas

as equipes.

Este estudo de caso sera baseado nos sistemas apresentados na Microsoft Indoor

Localization Competition – IPSN 2014, o primeiro ano dessa competicao realizado entre

os dias 13 a 15 de abril de 2014 em Berlin. Ja nessa primeira edicao do evento foram

21 equipes de toda parte do mundo e 22 sistemas de diferentes princıpios, porem com a

mesma finalidade [31].

A tabela 5.1 apresenta todas as 21 equipes e suas abordagens tecnicas, alem de

apresentar o ranking final da competicao entre outras informacoes. A MSR Asia foi a

unica equipe a competir com 2 solucoes diferentes.

46

Tabela 5.1: Equipes que participaram da Microsoft Indoor Localization Competition -

IPSN 2014. [32]

Observa-se na tabela 5.1 que todos os sistemas foram classificados em duas cate-

gorias: as baseadas em sua propria infraestrutura e as de infraestrutura livre.

O espaco da competicao, o qual so foi conhecido somente no dia do evento pelas

equipes participantes, era composto em duas salas de aproximadamente 90m2, uma ao

lado da outra, e um corredor de frente a essas salas totalizando uma area de 300m2.

Na figura 5.1 pode ser vista a planta da area da competicao, os 20 pontos marcados

na imagem representam os pontos de avaliacao feito pelos julgadores da competicao e que

nao foram revelados para as equipes. Os julgadores levavam o dispositivo (geralmente um

smartphone, tablet ou notebook) a ser localizado pelo sistema ate cada um destes pontos de

47

avaliacao e registrava a localizacao relatada pelo sistema que estava sendo testado naquele

momento. Os sistemas eram avaliados atraves do erro medio desses pontos pre-definidos,

tal erro era a diferenca das coordenadas verdadeiras e a relatada pelo sistema que estava

sendo avaliado.

Figura 5.1: Planta da area onde foi realizado a Microsoft Indoor Localization Competition

– IPSN 2014. [32]

Podem ser observadas na figura 5.2 as fotos do interior das salas, ja com a estrutura

montada pela organizacao do evento. Ja a figura 5.3 mostra uma foto durante o evento,

onde as pessoas foram convidadas a entrar e caminhar pelo ambiente.

48

Figura 5.2: Imagem das salas onde foi realizada a competicao. [32]

Figura 5.3: Foto tirada durante a realizacao da Microsoft Indoor Localization Competition

– IPSN 2014. [33]

49

Apos os dois dias de competicao, a comissao organizadora do evento divulgou os

resultados dos 22 sistemas em disputa.

O grafico apresentado na figura 5.4 faz uma comparacao entre a eficiencia dos

sistemas, onde a barra azul representa o erro medio de localizacao, a barra laranja o erro

medio quadrado e a barra cinza o desvio padrao.

Figura 5.4: Grafico de resultados de todos os 22 sistemas que competiram na IPSN2014.

[32]

Analisando o grafico, percebe-se que apenas 3 sistemas apresentaram precisoes

inferiores a 2m, e que descartando os dois ultimos sistemas que tiveram desempenhos

abaixo do esperado, todos os outros sistemas apresentaram resultados inferiores a 5,5m.

O foco desse estudo sera analisar duas dessas tecnologias apresentadas na IPSN2014,

uma na categoria que dependia do uso de infraestrutura e a outra que nao dependia da

infraestrutura, mostrando o conceito da tecnologia usada em cada um destes sistemas,

fazendo uma analise de resultados obtidos e comparando-as para que seja possıvel gerar

conclusoes.

50

5.1 Caso 1 - O Sistema easyPoint

Neste estudo sera mostrado a tecnologia apresentada pela equipe campea da com-

peticao, a Bestmann et aL, equipe Alema que competiu com o sistema easyPoint, desen-

volvido pelo grupo Lambda:4 Entwicklungen. Com desvio medio de apenas 0,72m (a unica

com marca abaixo de 1m) foi a grande vencedora da IPSN2014.[33]

O sistema apresentando pela equipe vencedora Bestmann et aL, considerado de

facil implementacao e baixo custo, era composto por 6 AP’s easyPoint, uma Tag e um

dispositivo movel, veja os modelos utilizados na figura 5.5.

Figura 5.5: Dispositivos usados na IPSN2014 pela equipe Bestmann et aL. [34]

Apesar da organizacao da IPSN2014 ter permitido o uso de ate 10 AP’s dispo-

nibilizados pelo proprio evento, a Bestmann et aL optou por instalar apenas 6 dos seus

proprios AP’s na area de competicao (2 na sala A, 2 na sala B e 2 no corredor) como

destacado na figura 5.6. Esses AP’s easyPoint de facil implementacao, foram fixados em

ganchos na parede e alimentados por uma bateria.

51

Figura 5.6: Area da competicao com a marcacao dos 6 AP’s e as 20 posicoes de avaliacao.

[33]

As distancias entre a Tag e cada AP easyPoint foram medidas e enviada via Blue-

tooth para o smartphone, que atraves de um aplicativo fornecia em seu visor o posiciona-

mento, sem qualquer uso de impressao digital ou ajuda de outros sensores no ambiente.

Apesar de ter sido constatada na area de competicao um alto nıvel de ruıdo na

banda de frequencia ISM 2,4 GHz (geralmente Wi-Fi e Bluetooth utilizam essa banda),

a Bestmann et aL utilizou um limitador de sinal de banda que impediu o impacto e nao

gerou problemas para o sistema easyPoint.[34]

Nas figuras 5.7 e 5.8 que foram retiradas de um software de engenharia [33] utili-

zado para analisar a localizacao, e mostrado com detalhes o posicionamento dos 6 AP’s

easyPoint e os 20 pontos de avaliacao no ambiente e a tecnica de triangulacao utilizada

pelo sistema.

Na figura 5.7 pode ser observado a marcacao dos 6 AP’s easyPoint (pontos verde

e vermelho) e dos 20 pontos de avaliacao (pontos azuis). Tambem pode ser observado

as medicoes feitas para todas as posicoes pre-definidas, os cırculos em azul mostram a

posicao calculada e as linhas vermelhas os desvios.

52

Figura 5.7: Na foto da esquerda os 6 AP’s easypoint e os 20 pontos utilizados para

avaliacao, e na foto da direita a medicao para cada ponto de avaliacao e seus respectivos

desvios.[33]

Na figura 5.8, no lado esquerdo e destacado a triangulacao com os AP’s easyPoint para

a posicao 1 e ,do lado direito, sao mostrados os pontos mais viaveis, de forma analoga a

um mapa de calor, onde neste caso os pontos verdes sao os de maior precisao.

Figura 5.8: No lado esquerda mostra a triangulacao feita em torno da posicao 1 e no lado

direito o cırculo ao redor da posicao 1 que e um metodo para avaliar a precisao.[33]

53

As figura 5.9 mostra a avaliacao realizada nas posicoes 2 e 4 respectivamente.

Figura 5.9: No lado esquerdo representa a estimativa na posicao 2, ja no lado direito a

estimativa na posicao 4. [33]

Apesar de terem conquistado o primeiro lugar na Microsoft Indoor Localization

Competition 2014, o sistema easyPoint ainda e considerado um prototipo. A grande

ambicao e desafio da Lambda:4 e integrar o conceito dessa tecnologia utilizando no lugar

da Tag um chip de smartphone, como mostra a figura 5.10. [34]

Figura 5.10: O Futuro da tecnologia easyPoint : Integracao em Chip. [33]

54

5.2 Caso 2 - O SistemaMapUme

Nesse proximo estudo sera mostrada a tecnologia apresentada pela equipe que ficou

em segundo lugar geral da competicao, mas em primeiro lugar na categoria sem o uso de

uma infraestrutura propria (utilizou os 10 AP’s fornecidos pela comissao do evento). A

Klepal et al, equipe Irlandesa que competiu com o sistema MapUme, desenvolvido pelo

grupo Cork Institute of Technologies. Essa tecnologia apresentou um desvio padrao medio

de apenas 1,56m no evento IPSN 2014.

A radiolocalizacao nesse projeto e feita a partir da localizacao Wi-Fi baseado na

tecnica de impressao ou assinatura digital do ambiente [35]. Essa impressao digital e

um mapa de radio sobre a planta do local em analise, que define o comportamento da

distribuicao da RSSI na area(tecnica detalhada na subsecao 4.3.1). A impressao digital

foi realizada atraves da leitura de RSSI realizada pelos 10 AP’s. Nesse trabalho, essa

tecnica foi utilizada para a tecnologia do sistema MapUme, onde sua implementacao e

feita atraves da nuvem [35]. A figura 5.11 mostra um diagrama de blocos representando

a estrutura do sistema MapUme.

Figura 5.11: Estrutura do sistema MapUme. [35]

55

Plataforma de Gerenciamento

Os dispositivos finais (smartphones ou tablets) transmitem os dados para a plata-

forma de gerenciamento, que e responsavel pelo monitoramento desses dados. Responsavel

tambem pela criacao de pasta para especificacao de servicos, sempre em constante comu-

nicacao com os dispositivos finais para atualizacao em quase tempo real do seu banco de

dados. Sua infraestrutura e escalavel para atender uma ampla demanda.

Worker

Responsavel por centralizar o servico de radiolocalizacao atraves do sistema Ma-

pUme recebendo todos os dados de radiolocalizacao estimados e transmitindo para dis-

positivos finais interessados em tal servico.

Logger

Responsavel por informar a posicao estimada do alvo.

Instant Data Generator

Local onde e atualizado a informacao sobre o alvo a ser localizado.

Business Gateway

Responsavel por fornecer dados sobre o alvo para aplicacoes de usuarios finais e

fornece-los via servidor web caso seja solicitado pelo usuario final. Caso o servidor web

esteja agrupado no negocio gateway ira executar varias instancias em todo o cluster.

Como o sistema necessita alcancar uma certa escalabilidade, ele se baseia na arqui-

tetura do tipo cliente-servidor, onde o cliente realiza a coletagem dos dados de medicao e

o servidor fornece um grande banco de dados [36]. A partir disso e feita uma comparacao

com a impressao digital da area, estimando uma posicao para o alvo em questao.

Nessas ocasioes o sinal pode ser atenuado, sofrer diversas interferencias ou ate uma

mınima area de sombreamento, ou seja, esta vulneravel a certos eventos aleatorios. Devido

as aleatoriedades dos sinais, ha necessidade de uma filtragem dos dados antes de ter seu

armazenamento total no banco de dados. Por isso o servidor e responsavel por executar

um filtro bayesiano recursivo nao linear combinando todas as informacoes possıveis de

dados recebidos sobre o alvo em observacao [36]. A Figura 5.12 mostra como e feito a

combinacao entre esses dados no filtro de Bayes, permitindo uma precisao maior.

56

Figura 5.12: E mostrado a implementacao desse filtro bayesiano discreto que e realizada

a partir do metodo sequencial de Monte Carlo, mais conhecido como Filtro de Partıculas.

[37]

Filtro de Partıculas

Esse metodo e responsavel por definir um conjunto de amostras aleatorias discre-

tas para realizar uma dada analise, denominadas partıculas. A essas amostras e dado

um determinado peso representativo, denominado fator de importancia responsavel pela

probabilidade do estado de cada partıcula.[37]

Esse metodo e o mais recomendado devido ao grande numero de hipoteses para

fenomenos aleatorios dos mais diversos, principalmente os que tem comportamento nao-

linear e nao gaussiano [37]. A partir do movimento de partıculas (caracterıstica do proprio

filtro de partıculas) e possıvel realizar uma filtragem do mapa do ambiente indoor, evitando

que se analise uma trajetoria do sinal na recepcao improvavel.

O calculo da probabilidade do estado futuro xt estimada pelo filtro de partıculas

[37] e realizado atraves da equacao 5.1:

p(xtzt

) ≈N∑i=1

witδ(xt − xit) (5.1)

Os parametros da equacao significam:

xit - i-esimo termo de amostragem do filtro de partıculas;

57

N - Numero total de amostragem;

wit - peso da partıcula;

δ - medida delta de Dirac

zt - Representa a medida da posicao do alvo em localizacao;

5.3 Sistema easyPoint X Sistema MapUme

Nessa secao serao apresentados os resultados obtidos pelos dois sistemas abordados

nesse capıtulo, os quais alcancaram as melhores performances entre todos os 22 sistemas

da IPSN2014.

No grafico da figura 5.13 pode ser visto o comportamento aleatorio das medidas

realizadas no dia do evento por esses dois sistemas.

Figura 5.13: Distribuicao Cumulativa Empırica em funcao do erro medio de localizacao

para os dois sistemas. Adaptado somente para os dois sistemas analisados [32].

58

Como base nessas amostras presentes no grafico, foi feito o erro medio de localizacao

para cada um dos sistemas. Como observado na tabela 5.2.

Tabela 5.2: Resultado dos erros medios de localizacao de cada um dos sistemas. Adaptado

[32].

Capıtulo 6

Conclusao

Esse trabalho apresentou um estudo sobre a radiolocalizacao em terminais moveis.

Foi visto que para ambientes outdoor existe o sistema GPS, muito difundido em todo o

mundo e que apresenta excelente precisao na informacao da localizacao. Entretanto esse

sistema nao atende com a mesma performance em ambientes indoor.

Conseguir um posicionamento eficiente em ambientes indoor ainda e considerado

um desafio pela tamanha complexidade e variacoes no sistema. Com base nisso, foi dada

enfase nas pesquisas e tecnologias desenvolvidas para esses tipos de ambientes indoor.

Com o surgimento de novas aplicacoes para servicos nas areas de saude, comercio,

seguranca entre outros, e exigido um sistema de localizacao indoor com estimativas de

alta precisao. Nesse trabalho foram analisadas diversas tecnicas e tecnologias para esse

tipo de ambiente, como RFID, ZigBee e Wi-Fi.

Atualmente a tecnologia mais utilizada no mercado para estimar um posiciona-

mento indoor e o Wi-Fi, pois na maioria dos casos ja existe uma infraestrutura de AP’s ja

implantada no ambiente. Entretanto ha uma desvantagem na fase off-line, pois demanda

um certo tempo e precisa ser atualizada constantemente.

Uma nova tecnologia desenvolvida nos ultimos anos de grande potencial de locali-

zacao e o BLE que devido ao baixıssimo consumo de energia, esta sendo uma tendencia e

consequentemente cada vez mais aumentando o numero de aparelhos compatıveis a essa

tecnologia. Compatıvel com os beacons e projetada para suportar a nova era da IoT,

gerando uma grande esperanca que possam surgir sistemas para localizacao em ambientes

indoor totalmente eficientes e sem qualquer uso do sistema GPS.

59

60

O estudo de caso desse projeto foi direcionado a uma conceituada competicao que

se propoe a descobrir as mais novas tecnologias que ainda estao em fase de prototipo, a

Microsoft Indoor Localization Competition 2014. Apos serem apresentados os 21 siste-

mas que estiveram em disputa, foi feita uma analise detalhada com base nos resultados

fornecidos pela organizacao do evento dos dois sistemas que mais se destacaram na com-

peticao com grande grau de precisao, o sistema easyPoint (campeao) e o sistema MapUme

(vice-campeao).

Foi constatado que embora os dois sistemas obtiveram bons desempenho e resul-

tados consideraveis, eles pertenciam a categorias e abordagem tecnicas diferentes. Isso

evidencia que ainda nao ha uma convergencia de ideias para a solucao desse problema e

que nao existe no mundo uma tecnologia para ambientes indoor convergentes e no mesmo

nıvel global de aceitacao como existe o sistema GPS para os ambientes outdoor.

Apendice A

Especificacoes tecnicas do Sensor

Micaz MPR2400CA

Tabela A.1: Caracterısticas tecnicas do sensor Micaz [25]

61

62

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