ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΤΙΚΕΤΩΝ UHF RFID

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΤΙΚΕΤΩΝ UHF RFID ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ - ΠΑΝΤΕΛΗΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ - ΕΔΙΠ ΒΑΓΙΩΝΑΣ ΤΡΑΙΑΝΟΣ ΓΙΟΥΛΤΣΗΣ - ΑΝ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΜΑΡΤΙΟΣ 2017

2

3 Π ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΧΩΡΩΝ Συστήματα Εντοπισμού Εσωτερικών και Εξωτερικών Χώρων Απαιτήσεις Χρηστών Απαιτήσεις παραμέτρων εντοπισμού Ακρίβεια (accuracy) Κάλυψη (coverage) Αξιοπιστία (integrity) Διαθεσιμότητα (availability) Συνέχεια (continuity) Καθυστέρηση συστήματος (system latency) Δεδομένα εξόδου (output data) Απαιτήσεις ασφάλειας και ιδιωτικότητας Κόστος Τεχνολογίες Ραδιοκύματα WLAN Bluetooth Low Energy Ultra-Wideband Υπέρυθρες Υπέρηχος Εφαρμογές Υπηρεσίες βάσει τοποθεσίας Οικιακές εφαρμογές Ιατρική περίθαλψη Αστυνομία και πυροσβεστική Βιομηχανία και εφοδιαστική αλυσίδα ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Τεχνικές βασισμένες στην απόσταση Time of Arrival (TOA) Time Difference of Arrival (TDOA) Frequency of Arrival (FOA) και Frequency Difference of Arrival (FDOA)

4 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ισχύς λαμβανόμενου σήματος (RSS) Angle of Arrival (AOA) Υβριδικές τεχνικές Τεχνικές ελεύθερες από την απόσταση Ανάλυση σκηνής Εγγύτητα Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RFID Αρχιτεκτονική Συστήματος Κατηγορίες RFID Συχνότητες Λειτουργίας Κατηγορίες UHF RFID Ραδιοζεύξη Οπισθοσκέδασης Πρωτόκολλα Επικοινωνίας και Προτυποποίηση EPCglobal EPC EPC Gen ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Τεχνικές εντοπισμού με πληροφορία ισχύος (RSSI) Landmarc Vire Simplex Φίλτρα Kalman Maximum Likelihood Estimation Τεχνικές εντοπισμού με πληροφορία φάσης Φάση λαμβανόμενου σήματος σε περιβάλλον με ανακλάσεις Ανάκτηση πληροφορίας φάσης Frequency Domain - Phase Difference of Arrival (FD-PDOA) Angle of Arrival (AOA) BackPos ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ Περιγραφή της μεθόδου Προσομοιώσεις Διαστήματα δειγματοληψίας Πειράματα Μετρήσεις στη μέση του δωματίου Μετρήσεις στο εργαστήριο μικροκυμάτων Μετρήσεις στον διάδρομο Μετρήσεις κοντά σε τοίχο ΣΥΝΟΨΗ - ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΕΚΤΑΣΕΙΣ 51

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Αʹ ΑΠΟΔΕΙΞΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΗΣ ΦΑΣΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙ- ΒΑΛΛΟΝ ΜΕ ΑΝΑΚΛΑΣΕΙΣ 53 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Βʹ ΣΤΟΙΧΕΙΟΚΕΡΑΙΕΣ 57 Βʹ.1 Γραμμικές στοιχειοκεραίες Βʹ.1.1 Ορατή Περιοχή Βʹ.1.2 Πλευρικοί λοβοί Βʹ.1.3 Στροφή δέσμης ακτινοβολίας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 61

6

7 Κ Σ 1.1 Απαιτήσεις ακρίβειας και κάλυψης για διάφορες εφαρμογές Εξάρτηση της ακρίβειας από το μήκος κύματος στις τεχνολογίες εντοπισμού Time of Arrival Time Difference of Arrival Angle of Arrival Εφαρμογές των RFID Σύστημα RFID Είδη αναμεταδοτών RFID με βάση τη συχνότητα λειτουργίας Κατηγορίες UHF RFID με βάση την πηγή ενέργειας Απλοποιημένη φυσική αναπαράσταση της οπισθοσκέδασης Διαμόρφωση οπισθοσκεδαζόμενου σήματος με ένα τρανζίστορ Λαμβανόμενο σήμα σε ρεαλιστικές συνθήκες EPC-96 TYPE Landmarc Αλλαγή του RSSI με τον προσανατολισμό Διανυσματική αναπαράσταση του λαμβανόμενου σήματος Κατανομή της φάσης για A = Μιγαδικό αποδιαμορφωμένο σήμα στο δέκτη του αναγνώστη Πηγές που συνεισφέρουν στην λαμβανόμενη τάση για μονοστατικό αναγνώστη Τυπικό σήμα ετικέτας όπως λαμβάνεται από τον αναγνώστη Επικοινωνία οπισθοσκέδασης Frequency Domain - Phase Difference of Arrival Angle of Arrival Ψηφιακό και αναλογικό σύστημα εύρεσης γωνίας άφιξης BackPos Αριστερά: μετρούμενη φάση υπό ιδανικές συνθήκες Δεξιά: RF ολόγραμμα Αριστερά: RF ολόγραμμα Δεξιά: RF ολόγραμμα με συντελεστές βάρους RF ολόγραμμα με αραιή δειγματοληψία Αριστερά: διαφορά φάσης μεταξύ των στοιχείων της εικονικής στοιχειοκεραίας Δεξιά: RF ολόγραμμα με αραιή δειγματοληψία

8 8 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 5.5 Εξοπλισμός Πειράματος Μετρήσεις στη μέση του δωματίου Μετρήσεις (μπλέ) και θεωρητικές τιμές (μαύρο) της φάσης για (α) x = 7.5cm, y = 191.7cm (β) x = 7.5cm, y = 166.7cm (γ) x = 7.5cm, y = 141.7cm RF ολογράμματα για (α) x = 7.5cm, y = 191.7cm (β) x = 7.5cm, y = 166.7cm (γ) x = 7.5cm, y = 141.7cm Μετρήσεις (μπλέ) και θεωρητικές τιμές (μαύρο) της φάσης για (α) x = 0cm, y = 190cm (β) x = 0cm, y = 150cm (γ) x = 0cm, y = 110cm RF ολογράμματα για (α) x = 0cm, y = 190cm (β) x = 0cm, y = 150cm (γ) x = 0cm, y = 110cm Μετρήσεις κοντά σε τοίχο RF ολογράμματα στο εργαστήριο για απόσταση κεραίας-τοίχου: (πάνω) 120cm (κάτω) 150cm RF ολογράμματα στο διάδρομο για απόσταση κεραίας-ετικέτας (α) 10cm (β) 20cm Αʹ.1 Στην αριστερή γραφική παράσταση φαίνεται η συνάρτηση g(θ) στο πεδίο ορισμού θ U( π, π) για A = 0.5 ενώ στη δεξιά φαίνονται τέσσερις περίοδοι της ίδιας συνάρτησης όταν αυτή ορίζεται στο (, + ). Με μπλε και κόκκινο χρώμα συμβολίζονται τα δύο τμήματα όπου η g(θ) είναι ένα προς ένα (1-1) Βʹ.1 Μετατοπισμένες κεραίες Βʹ.2 Παράγοντας στοιχειοκεραίας για ομοιόμορφη γραμμική στοιχειοκεραία 8 στοιχείων Βʹ.3 Στροφή δέσμης ακτινοβολίας

9 Κ Π 5.1 Σφάλμα εκτίμησης θέσης στη μέση του δωματίου (εργαστήριο) Σφάλμα εκτίμησης θέσης στη μέση του δωματίου (διάδρομος) Σφάλμα εκτίμησης θέσης κοντά σε τοίχο (εργαστήριο) Σφάλμα εκτίμησης θέσης κοντά σε τοίχο (διάδρομος)

10

11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι κοινώς αναγνωρισμένο πως η νέα γενιά διαδικτύου θα είναι το λεγόμενο Internet of Things (IoT), όπου τρισεκατομμύρια έξυπνες συσκευές και αισθητήρες θα συνδέονται μεταξύ τους ανά πάσα χρονική στιγμή. Το Internet of Things αναμένεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο αλληλεπίδρασης μας με το περιβάλλον ανοίγοντας νέους δρόμους για επιχειρηματική δραστηριότητα. Οι υπολογιστές θα μπορούν πλέον να α- ντλούν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τα αντικείμενα χωρίς την επέμβαση του ανθρώπου, αυτοματοποιώντας πλήρως τη διαδικασία παρακολούθησης και καταμέτρησης τους. Έτσι, θα ξέρουμε ακριβώς ποια αντικείμενα χρειάζονται αντικατάσταση, επιδιόρθωση ή ακόμα αν έχει περάσει η ημερομηνία λήξης τους και χρειάζεται να α- νακληθούν. Ο όρος Internet of Things αποδίδεται στον επιχειρηματία Kevin Ashton, ο οποίος είναι ένας από τους ιδρυτές του Auto-ID Center στο MIT. Ο Ashton οραματίστηκε πως τα RFID θα ήταν η βασική τεχνολογία που θα επέτρεπε τη λειτουργία του Internet of Things. Τα RFID είναι ιδανικά για τη διασύνδεση, ταυτοποίηση και παρακολούθηση αντικειμένων καθημερινής χρήσης εξαιτίας του χαμηλού τους κόστους, του μικρού όγκου και της ικανότητάς τους να επικοινωνούν χωρίς μπαταρία. Κάθε χρόνο, δισεκατομμύρια RFIDs τοποθετούνται σε προϊόντα λιανικής, φαρμακευτικά σκευάσματα και σε έξυπνες υποδομές. Τα σημερινά συστήματα RFID μας πληροφορούν μόνο για το αν τα αντικείμενα βρίσκονται σε κοντινή απόσταση χωρίς να έχουν τη δυνατότητα εύρεσης της ακριβής τους θέσης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση μίας τεχνικής εντοπισμού παθητικών ετικετών UHF RFID για εφαρμογές όπου το σύστημα ανάγνωσης τοποθετείται σε ρομποτικό όχημα. Έπειτα από ενδελεχή διερεύνηση των διαθέσιμων επιλογών για αυτή την τεχνολογία επιλέχθηκε η καταλληλότερη και αξιολογήθηκε πειραματικά. Η διάρθρωση της εργασίας είναι η ακόλουθη: Το πρώτο κεφάλαιο είναι μία εισαγωγή στα συστήματα εντοπισμού εσωτερικών χώρων όπου αναφέρονται συνοπτικά οι απαιτήσεις των χρηστών, οι πιο αντιπροσωπευτικές τεχνολογίες και μερικές ενδεικτικές εφαρμογές. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι κυριότερες τεχνικές εντοπισμού στα α- σύρματα δίκτυα. Η κατανόηση των αρχών λειτουργίας τους σε συνδυασμό με τη γνώση του περιβάλλοντος χώρου και τους περιορισμούς της εκάστοτε τεχνολογίας εντοπισμού είναι πολύτιμη για τον σχεδιαστή συστήματος ώστε να διαλέξει την καταλληλότερη για κάθε εφαρμογή. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα διάφορα είδη RFID με έμφαση στα παθητικά UHF RFID. Εξηγείται ο τρόπος επικοινωνίας τους χωρίς τη χρήση μπαταρίας, η αναγκαιότητα προτυποποίησης τους καθώς και το πιο διαδεδομένο πρωτόκολλο

12 2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ διεπαφής αέρα, το EPC Gen2. Το τέταρτο κεφάλαιο ασχολείται αποκλειστικά με τεχνικές εντοπισμού στα UHF RFID. Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες με βάση την πληροφορία που αξιοποιείται για την εκτίμηση της θέσης: οι τεχνικές εντοπισμού με πληροφορία ισχύος και οι τεχνικές εντοπισμού με πληροφορία φάσης. Αρχικά παρουσιάζονται ορισμένες τεχνικές που χρησιμοποιούν τη λαμβανόμενη ισχύ, όπως το Landmarc, που ήταν οι πρώτες ερευνητικές προσπάθειες. Στη συνέχεια, αφού δοθούν οι λόγοι για τους οποίους η μέτρηση ισχύος δεν είναι γενικά αξιόπιστη, εξηγείται ο τρόπος ανάκτησης της φάσης του λαμβανόμενου σήματος και παρουσιάζονται οι τεχνικές FD-PDOA, AOA και BackPos. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται η ολογραφική μέθοδος εντοπισμού για UHF RFID. Η μέθοδος αυτή είναι απλή και δεν απαιτεί πολύπλοκο εξοπλισμό. Συγχρόνως, η ακρίβεια της είναι αρκετά ικανοποιητική για τις περισσότερες εφαρμογές. Το κεφάλαιο αρχίζει με την περιγραφή της μεθόδου. Έπειτα, γίνονται προσομοιώσεις με το MATLAB. Τέλος, διεξάγονται πειράματα σε δύο χώρους του πανεπιστημίου ώστε να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία της μεθόδου σε ρεαλιστικές συνθήκες. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται μία σύνοψη της εργασίας και προτείνονται πιθανές μελλοντικές προεκτάσεις και διερευνήσεις.

13 1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΧΩΡΩΝ Ως επακόλουθο της επιτυχίας που γνώρισαν τα δορυφορικά συστήματα εντοπισμού, (GNSS, Global Navigation Satellite Systems) τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί το ενδιαφέρον για αντίστοιχα συστήματα που λειτουργούν σε εσωτερικούς χώρους (IPS, Indoor Positioning Systems) [1]. Ο λόγος για την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων είναι η αδυναμία των δορυφόρων να παρέχουν ακριβή πληροφορία θέσης στο εσωτερικό των κτιρίων. Η εύρεση μίας ικανοποιητικής τεχνικά λύσης σε αυτό το πρόβλημα θα επιτρέψει την αδιάλειπτη παροχή πληροφορίας θέσης σε οποιοδήποτε χώρο. 1.1 Συστήματα Εντοπισμού Εσωτερικών και Εξωτερικών Χώρων Οι περισσότερες τεχνικές εντοπισμού μπορούν, τουλάχιστον θεωρητικά, να εφαρμοστούν τόσο σε εξωτερικούς όσο και σε εσωτερικούς χώρους. Εντούτοις, η ακρίβεια τους είναι αρκετά διαφορετική εξαιτίας των δυσμενών συνθηκών στα εσωτερικά περιβάλλοντα. Ορισμένες από αυτές είναι: Οι πολλαπλές οδεύσεις του σήματος (multipath) εξαιτίας των ανακλάσεων από τους τοίχους και τα έπιπλα Η διάδοση χωρίς οπτική επαφή (NLoS, Non-line-of-sight) Η μεγάλη εξασθένηση και διάθλαση του σήματος εξαιτίας της υψηλής πυκνότητας των εμποδίων Οι ταχύτατες αλλαγές του περιβάλλοντος εξαιτίας της κίνησης των ανθρώπων Η απαίτηση για πολύ υψηλή ακρίβεια

14 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΧΩΡΩΝ Από την άλλη μεριά η απαίτηση κάλυψης μικρής περιοχής, με δεδομένη γεωμετρία, οι αργές μεταβολές των καιρικών συνθηκών καθώς και η μικρότερη ταχύτητα κίνησης αντικειμένων και ανθρώπων είναι παράγοντες που λειτουργούν ευνοϊκά. 1.2 Απαιτήσεις Χρηστών Πριν από τη σχεδίαση οποιουδήποτε συστήματος εντοπισμού είναι απαραίτητη η μελέτη των απαιτήσεων του χρήστη και της περιγραφής της συγκεκριμένης εφαρμογής. Στη συνέχεια αναλύονται οι απαιτήσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη Απαιτήσεις παραμέτρων εντοπισμού Ακρίβεια (accuracy) Η ακρίβεια του συστήματος είναι σημαντική απαίτηση που πρέπει να ποσοτικοποιείται και να αναγράφεται στην περιγραφή κάθε εφαρμογής. Αρχικά, ως ακρίβεια ορίστηκε, από την Κοινή Επιτροπή για Οδηγούς στην Μετρολογία (JCGM, Joint Committee for Guides in Metrology), η εγγύτητα των μετρούμενων με τις πραγματικές τιμές (true values) προς μέτρηση. Στη νεότερη ερμηνεία της έννοιας της μέτρησης της αβεβαιότητας, που εκδόθηκε στο JCGM 200:2008 (2008), ο όρος πραγματική τιμή απορρίφθηκε. Συνεπώς, ο όρος ακρίβεια μέτρησης (measurment accuracy) δεν χρησιμοποιείται πλέον για την ποσοτικοποίηση ενός μετρήσιμου μεγέθους. Αντί αυτού χρησιμοποιείται ο όρος αβεβαιότητα μέτρησης (measurement uncertainty). Για να ληφθούν υπόψη όλες οι συνιστώσες αβεβαιότητας, όλα τα συστηματικά σφάλματα πρέπει να μοντελοποιηθούν και να προσαρμοστεί η κλίμακα των οργάνων μέτρησης σε αυτή της μετρούμενης ποσότητας (calibration). Παρά ταύτα, οι περισσότεροι ερευνητές, κατασκευαστές και έμποροι ακόμα ποσοτικοποιούν τις επιδώσεις των συστημάτων εντοπισμού εσωτερικών χώρων με βάση την ακρίβεια εντοπισμού (positioning accuracy). Ως ακρίβεια εντοπισμού νοείται η εγγύτητα της εκτιμώμενης ή μετρούμενης θέσης, σε δεδομένη χρονική στιγμή, με την πραγματική τιμή, εκφρασμένη για την οριζόντια και κατακόρυφη συνιστώσα με διάστημα εμπιστοσύνης (confidence level) 95%. Αν υποτεθεί κανονική κατανομή, ένα καλό κριτήριο της ποιότητας του αποτελέσματος εντοπισμού είναι ο υπολογισμός της τυπικής απόκλισης (RMSD, Root Mean Square Deviation): σ P = 1 n ( n ˆP i P i ) 2 (1.1) i=1 όπου n είναι το πλήθος των εκτιμόμενων διανυσμάτων θέσης ˆP i και P i είναι τα πραγματικά διανύσματα θέσης.

15 1.2. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΧΡΗΣΤΩΝ Κάλυψη (coverage) Περιγράφει την χωρική έκταση όπου η σωστή λειτουργία του συστήματος εντοπισμού πρέπει να θεωρείται δεδομένη. Υπάρχουν τρεις γενικές κατηγορίες: Τοπική κάλυψη: Είναι μία μικρή, σαφώς ορισμένη περιοχή η οποία δε μπορεί να επεκταθεί (π.χ. ένα δωμάτιο ή ένα κτήριο). Σε αυτή την περίπτωση οι διαστάσεις της κάλυψης είναι ορισμένες. Επεκτάσιμη κάλυψη: Αφορά σε συστήματα που έχουν την ικανότητα να αυξήσουν την περιοχή κάλυψης προσθέτοντας επιπλέον hardware (π.χ. με την τοποθέτηση παραπάνω αισθητήρων). Παγκόσμια κάλυψη: Η εμβέλεια αυτών των συστημάτων καλύπτει όλη την γη. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν μόνο τα δορυφορικά συστήματα (GNSS) και η πλοήγηση με βάση τα αστέρια (celestial navigation). Σχήμα 1.1: Απαιτήσεις ακρίβειας και κάλυψης για διάφορες εφαρμογές Αξιοπιστία (integrity) Η αξιοπιστία σχετίζεται με το βαθμό εμπιστοσύνης στα αποτελέσματα του συστήματος. Είναι η πιθανότητα μία βλάβη ή δυσλειτουργία του συστήματος να οδηγήσει σε λανθασμένη εκτίμηση θέσης, η οποία διαφέρει αρκετά από το όριο (alarm limit) που έχει τεθεί από τις προδιαγραφές, και ο χρήστης να μην ενημερωθεί για το συμβάν εντός ενός καθορισμένου χρονικού διαστήματος (time-to-alarm). Οι ρυθμιστικές αρχές έχουν μελετήσει και ορίσει σαφείς παραμέτρους αξιοπιστίας σε τομείς όπως η πολιτική αεροπορία, όχι όμως σε τομείς όπως η πλοήγηση σε εσωτερικούς χώρους (indoor navigation) όπου η εύρεση μετρήσιμων παραμέτρων αξιοπιστίας είναι πολύ δύσκολη.

16 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΧΩΡΩΝ Στην περιγραφή της κάθε εφαρμογής θα πρέπει να διασαφηνίζεται αν οι απαιτήσεις αξιοπιστίας σχετίζονται με την προστασία ανθρώπινων ζωών (SoL, safety of life), με οικονομικά μεγέθη ή αφορούν στη διευκόλυνση και άνεση των χρηστών. Στις ακαδημαϊκές εργασίες πάνω σε συστήματα εντοπισμού κλειστών χώρων οι παράμετροι αξιοπιστίας συνήθως παραλείπονται Διαθεσιμότητα (availability) Διαθεσιμότητα είναι το ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο η υπηρεσία εντοπισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί με αξιοπιστία, δίνοντας την απαιτούμενη ακρίβεια. Επηρεάζεται τόσο από τυχαίους παράγοντες (σφάλματα, τηλεπικοινωνιακή συμφόρηση) όσο και από προγραμματισμένους παράγοντες (τακτική συντήρηση συστήματος). Γενικά υπάρχουν τρία επίπεδα: χαμηλή διαθεσιμότητα: < 95% κανονική διαθεσιμότητα: > 99% υψηλή διαθεσιμότητα: > 99.9% Για την επίτευξη της διαθεσιμότητας θεωρείται δεδομένο πως πληρούνται ταυτόχρονα οι απαιτήσεις για συνέχεια, ακρίβεια και αξιοπιστία. Οι προδιαγραφές διαθεσιμότητας συνήθως αναφέρονται στις οδηγίες χρήσης της εφαρμογής, ενώ οι σχεδιαστές συστημάτων δε συνηθίζεται να παρέχουν σχετικές πληροφορίες Συνέχεια (continuity) Ως συνέχεια ορίζεται η ιδιότητα της αδιάλειπτης λειτουργίας του συστήματος κατά το διάστημα που αυτό είναι συνδεδεμένο. Στις απαιτήσεις πρέπει να ορίζονται τα ανεκτά διαστήματα όπου στο σύστημα συμβαίνει απρόβλεπτη διακοπή (outage). Η απαίτηση για συνέχεια είναι παρόμοια με τη διαθεσιμότητα Καθυστέρηση συστήματος (system latency) Η καθυστέρηση συστήματος είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ του αιτήματος και της στιγμής που η πληροφορία είναι διαθέσιμη στον χρήστη. Διακρίνονται οι εξής κατηγορίες καθυστέρησης: πραγματικού χρόνου (real time): Οι καθυστερήσεις δεν πρέπει να γίνονται α- ντιληπτές από τον χρήστη. Είναι το πιο απαιτητικό κριτήριο καθυστέρησης και είναι απαραίτητο για πλοήγηση (navigation) καθώς και για τα περισσότερα συστήματα εντοπισμού εσωτερικού χώρου. το συντομότερο δυνατό (the sooner the better): Η πληροφορία αποστέλλεται στον χρήστη όσο πιο γρήγορα γίνεται.

17 1.3. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ 7 το συντομότερο δυνατό με άνω όριο (the sooner the better with upper limit): Η πληροφορία αποστέλλεται στον χρήστη όσο πιο γρήγορα γίνεται αλλά το σύστημα σχεδιάζεται ώστε να περιορίζει τη μέγιστη καθυστέρηση σε τιμές μικρότερες από ένα κατώφλι (maximum delay threshold). μετα-επεξεργασίας (post-processing): Δεν υπάρχει κάποια καθορισμένη απαίτηση καθυστέρησης Δεδομένα εξόδου (output data) Επιπρόσθετα με τον χρόνο και τη θέση, μπορεί να απαιτούνται και άλλα χωροχρονικά (spatio-temporal) παράγωγα των δεδομένων, πολλά από τα οποία μπορούν να διατεθούν στο χρήστη χωρίς σημαντική αύξηση τον δεδομένων που συλλέγονται ή της απαιτούμενης μνήμης. Τα παρακάτω είναι τα πιο συνηθισμένα: ταχύτητα επιτάχυνση διόπτευση (bearing) προβλεπόμενη θέση (predicted position) Οι προδιαγραφές θα πρέπει να αναφέρουν αν η διόπτευση του κινητού είναι α- παραίτητη. Κάποιες εφαρμογές απαιτούν πλήρη χωρικό προσανατολισμό, 6 βαθμών ελευθερίας (6 DoF, 3 coordinate and 3 rotation parameters) Απαιτήσεις ασφάλειας και ιδιωτικότητας Ως ασφάλεια του συστήματος ορίζεται η προστασία εναντίων ανεπιθύμητων συμβάντων, όπως μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση και υποκλοπές, αλλοίωση των πληροφοριών (corruption of information) και πρόκληση φυσικών φθορών. Όλα τα παραπάνω πρέπει να αναφέρονται στις προδιαγραφές. Επιπλέον, απαιτείται η έγκριση από τον χρήστη για τη συλλογή και αποθήκευση των προσωπικών του δεδομένων Κόστος Με τον γενικό όρο κόστος αναφέρονται το αρχικό κεφάλαιο που απαιτείται για την εγκατάσταση του συστήματος, το κόστος συντήρησης, που περιλαμβάνει όλα τα έξοδα που πρέπει να γίνουν για να συνεχίσει το σύστημα να είναι λειτουργικό, τον χρόνο που απαιτείται για την εγκατάσταση και διαχείριση του συστήματος και τον χώρο που αυτό καταλαμβάνει. 1.3 Τεχνολογίες Η τοπική φύση των IPS οδήγησε στην υιοθέτηση πολλών τεχνολογιών και τεχνικών προσεγγίσεων, με διαφορετικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες, προσφέροντας στον

18 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΧΩΡΩΝ σχεδιαστή συστήματος μία αφθονία επιλογών ώστε να αντιμετωπίσει τις προκλήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Οι περισσότερες τεχνολογίες στηρίζονται στη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών (RF, infrared) ή ακουστικών κυμάτων. Στο Σχήμα 1.2 φαίνεται πως τα συστήματα που χρησιμοποιούν μικρότερα μήκη κύματος τείνουν να πετυχαίνουν μεγαλύτερη ακρίβεια. Υπάρχουν και άλλες τεχνικές, που βασίζονται σε αισθητήρες, όπως η αυτή του μηδενικού υπολογισμού για πεζούς (PDR, pedestrial dead reckoning) η οποία χρησιμοποιεί επιταχυνσιόμετρο (accelerometer), γυροσκόπιο (gyroscope) και μαγνητόμετρο (magnetometer) για να υπολογίσει την τρέχουσα θέση από ένα δεδομένο σημείο εκκίνησης (fix). Σχήμα 1.2: Εξάρτηση της ακρίβειας από το μήκος κύματος στις τεχνολογίες εντοπισμού Ραδιοκύματα Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούν ραδιοσυχνότητες είναι οι πολύ διαδεδομένες για την υλοποίηση συστημάτων εντοπισμού εξαιτίας των ιδιοτήτων τους, όπως είναι η μεγάλη περιοχή κάλυψης και η δυνατότητα διείσδυσης μέσα από τοίχους, ανθρώπινα σώματα και άλλα εμπόδια WLAN Το Wi-Fi (πρότυπα IEEE ) μπορεί να χρησιμοποιηθεί συν τοις άλλοις για τον εντοπισμό των κινητών συσκευών. Η μέθοδος που εφαρμόζεται συνήθως είναι αυτή των δακτυλικών αποτυπωμάτων (fingerprinting) με αξιοποίηση της πληροφορίας ισχύος του λαμβανόμενου σήματος (RSSI) και των διευθύνσεων προσπέλασης του μέσου (MAC addresses). Οι χρήστες πρέπει να έχουν ενεργοποιημένο το Wi-Fi χωρίς

19 1.3. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ 9 όμως να είναι απαραίτητη η σύνδεσή τους στο τοπικό δίκτυο. Τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης Wi-Fi για τον εντοπισμό είναι η μεγάλη εμβέλεια του (μέχρι 150m) και η χρησιμοποίηση των υπαρχόντων σημείων πρόσβασης (AP, access points) χωρίς να χρειαστούν επιπλέον υποδομές Bluetooth Low Energy Το Bluetooth είναι πρότυπο ασύρματης επικοινωνίας για προσωπικά δίκτυα (WPANs) που αναπτύχθηκε από την Bluetooth Special Interest Group (SIG). Οι συχνότητες λειτουργίας του είναι στα GHz (ISM band). Μία καινούρια έκδοση αυτής της τεχνολογίας είναι το Bluetooth Low Energy (γνωστό επίσης και ως BLE ή Bluetooth Smart). Λειτουργεί στις ίδιες συχνότητες με το Bluetooth όμως αναπτύχθηκε με γνώμονα τελείως διαφορετικές εφαρμογές. Ενώ το Bluetooth είναι κατάλληλο για τη μετάδοση πολυμέσων (π.χ. συνομιλία μέσω ακουστικού) το Bluetooth Low Energy σχεδιάστηκε για την περιοδική αποστολή μικρού όγκου δεδομένων. Για τον εντοπισμό των κινητών συσκευών χρησιμοποιούνται ραδιοφάροι BLE (BLE beacons) που τοποθετούνται σε τοίχους. Τα πρώτα συστήματα είχαν μόνο την δυνατότητα να εντοπίζουν ποιος ραδιοφάρος είναι πλησιέστερα στον χρήστη, όμως τα σημερινά έχουν και τη δυνατότητα εντοπισμού όταν ο χρήστης βρίσκεται στην εμβέλεια δύο ή περισσότερων ραδιοφάρων. Η ακρίβεια μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω αν αξιοποιηθούν οι αισθητήρες των κινητών συσκευών (sensor fusion algorithms) Ultra-Wideband Η τεχνολογία Ultra-Wideband (UWB) χρησιμοποιεί παλμούς μικρής χρονικής διάρκειας και μεγάλου εύρους ζώνης. Πιο συγκεκριμένα, ένα εκπεμπόμενο κύμα ονομάζεται UWB αν το εύρος ζώνης του ξεπερνά τα 500MHz ή είναι μεγαλύτερο από το 20% της φέρουσας συχνότητάς του. Τα σήματα αυτά είναι ανθεκτικά ως προς τα φαινόμενα πολλαπλών οδεύσεων (multipath) και μπορούν να διαπεράσουν σε κάποιο βαθμό την τοιχοποιία. Αυτές οι ιδιότητες τα καθιστούν ιδανικά για εφαρμογές εκτίμησης απόστασης, θέσης και παρακολούθησης. Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα τους είναι το μεγάλο εύρος ζώνης, που μεταφράζεται ως υψηλή αναλυτικότητα στον χρόνο και συνεπώς στην απόσταση. Η αναλυτικότητα της μέτρησης απόστασης μπορεί να εκτιμηθεί από την σχέση rr v (1.2) 2b όπου v είναι η ταχύτητα του κύματος και b είναι το εύρος ζώνης. Η εκτίμησης απόστασης γίνεται με τις τεχνικές ToA και TDoA που αναλύονται στο επόμενο κεφάλαιο Υπέρυθρες Η φασματική περιοχή των υπερύθρων (IR) έχει χρησιμοποιηθεί με πολλούς τρόπους για την παρακολούθηση αντικειμένων ή ανθρώπων. Τα περισσότερα συστήματα υπε-

20 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΕΣΩΤΕΡΙΚΩΝ ΧΩΡΩΝ ρύθρων βασίζονται σε επικοινωνίες με οπτική επαφή (LoS). Όταν υπάρχουν ισχυρές παρεμβολές από άλλες πηγής φωτός όπως λάμπες φθορισμού και ηλιακή ακτινοβολία δεν είναι δυνατή η χρήση τους. Χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες, τους ενεργούς φάρους (active beacons), την α- πεικόνιση της φυσικής υπέρυθρης ακτινοβολίας με παθητικούς αισθητήρες και την απεικόνιση με χρήση ενεργών πηγών IR ακτινοβολίας και CCD καμερών Υπέρηχος Τα ακουστικά κύματα είναι μηχανικές ταλαντώσεις που διαδίδονται σε στερεά, υγρά ή αέρια μέσα. Η απόσταση που ταξιδεύει ένα ηχητικό κύμα μπορεί να υπολογιστεί έμμεσα λαμβάνοντας υπόψη τη σχεδόν-σταθερή (quasi-constant) ταχύτητα διάδοσης του ήχου στον αέρα. Όταν η συχνότητα διάδοσης είναι μεγαλύτερη από το όριο της ανθρώπινης ακοής τότε ονομάζονται υπέρηχοι. Οι μέθοδοι εντοπισμού με υπερήχους χρησιμοποιούν αλγορίθμους τριγωνισμού βασισμένους στον χρόνο πτήσης (ToF) του ηχητικού κύματος στον αέρα. Τις περισσότερες φορές οι λύσεις που εφαρμόζονται είναι υβριδικές, συνδυάζοντας υπερήχους και ραδιοκύματα. Τα ραδιοκύματα ταξιδεύουν με ταχύτητες τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από αυτές των υπερήχων. Επομένως, όταν τα δύο σήματα εκπέμπονται ταυτόχρονα, η διαφορά μεταξύ του χρόνου άφιξης (ΤοΑ) του ραδιοκύματος από το ηχητικό στον δέκτη είναι με καλή προσέγγιση ο χρόνος πτήσης του ηχητικού κύματος. Έτσι, τα ραδιοκύματα χρησιμοποιούνται για τον συγχρονισμό ενώ οι υπέρηχοι για τον αλγόριθμο τριγωνισμού. 1.4 Εφαρμογές Τα IPS χρησιμοποιούνται από πολλές εφαρμογές που αποσκοπούν στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου, ορισμένες από τις οποίες αναφέρονται παρακάτω Υπηρεσίες βάσει τοποθεσίας Οι υπηρεσίες βάσει τοποθεσίας (LBS, Location-Based Services) για κινητά τηλέφωνα αξιοποιούν την γεωγραφική θέση του χρήστη για να του παρέχουν πληροφορίες σχετικές με τον χώρο που βρίσκεται. Αυτές μπορεί να είναι οδηγίες πλοήγησης, οδηγίες ασφάλειας ή στοχευμένες διαφημίσεις. Για παράδειγμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εύρεση ενός καταστήματος μέσα στο εμπορικό κέντρο ή ενός περιπτέρου σε μία εμπορική έκθεση ή για την επιβίβαση στη σωστή αμαξοστοιχία σε ένα σταθμό τρένων Οικιακές εφαρμογές Σε οικιακό περιβάλλον χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό χαμένων αντικειμένων, για έξυπνα συστήματα διασκέδασης καθώς και για ιατρική παρακολούθηση των ηλι-

21 1.4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 11 κιωμένων σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες (συστήματα παρακολούθησης ζωτικών λειτουργιών, ανίχνευσης πτώσεων κ.α.) Ιατρική περίθαλψη Στον τομέα της υγείας ο εντοπισμός του νοσηλευτικού προσωπικού σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης είναι ιδιαίτερα σημαντικός. Εφαρμογές σε νοσοκομεία περιλαμβάνουν την παρακολούθηση των ασθενών και του ιατρικού εξοπλισμού. Μία πιο απαιτητική εφαρμογή, όπου χρειάζεται μεγάλη ακρίβεια, είναι η ρομποτική υποβοήθηση σε χειρουργικές επεμβάσεις Αστυνομία και πυροσβεστική Η δυνατότητα εντοπισμού μπορεί να αποβεί σωτήρια για επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης καθώς και κατάσβεσης πυρκαγιάς σε κτίρια όπου οι συνθήκες ορατότητας είναι περιορισμένες και η πιθανότητα εγκλωβισμού μεγάλη. Η αστυνομία αξιοποιεί πολλά παρόμοια συστήματα για την άμεση ανίχνευση κλοπιμαίων, τον εντοπισμό α- στυνομικών σκύλων κατά τη διάρκεια αναζήτησης εκρηκτικών και την εγκατάσταση συστημάτων συναγερμού που ανιχνεύουν αν έναν κρατούμενος έχει εγκαταλείψει μία συγκεκριμένη περιοχή χωρίς εξουσιοδότηση Βιομηχανία και εφοδιαστική αλυσίδα Στην βιομηχανία, η δυνατότητα εκτίμησης της θέσης βοηθάει στην αυτοματοποίηση της παραγωγής με τη χρήση βιομηχανικών ρομπότ και του ελέγχου ποιότητας. Σε ένα σύνθετο αποθηκευτικό περιβάλλον είναι πολύ σημαντικό τα προς αναζήτηση προϊόντα να εντοπίζονται γρήγορα ούτως ώστε να καταγράφονται όλες οι μετακινήσεις τους και να ελέγχονται τα αποθέματα. Επιπλέον χρησιμοποιούνται σε κυλιόμενους διαδρόμους αποσκευών στα αεροδρόμια όπως και σε αντίστοιχους χώρους στα πλοία και στα τρένα.

22

23 2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Οι τεχνικές εντοπισμού στα ασύρματα δίκτυα μπορούν να χωριστούν σε δύο γενικές κατηγορίες [2, 3, 4]. Αν κατά τη διαδικασία εκτίμησης της θέσης του αντικειμένου, οι μετρήσεις που γίνονται, σχετίσουν την θέση του με κάποια μετρική όπως είναι η απόσταση και έπειτα ληφθεί η απόφαση τότε αυτές αναφέρονται ως βασισμένες στην απόσταση (range-based). Από την άλλη, στις τεχνικές που δε βασίζονται στη απόσταση (range-free), οι μετρούμενες ποσότητες δε μετατρέπονται σε αποστάσεις αλλά χρησιμοποιούνται διαφορετικές μετρικές για την εκτίμηση της θέσης. Στη συνέχεια αναλύονται οι δύο παραπάνω κατηγορίες. 2.1 Τεχνικές βασισμένες στην απόσταση Η διαδικασία εντοπισμού, εν γένει, χρειάζεται την παρατήρηση φυσικών ποσοτήτων που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες θέσεις στο περιβάλλον. Επομένως, είναι προφανές πως οι μετρούμενες ποσότητες πρέπει να έχουν τοπική εξάρτηση. Στην περίπτωση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων τέτοιες ποσότητες είναι η καθυστέρηση (propagation delay) που οφείλεται στην περασμένη ταχύτητα διάδοσης, η εξασθένηση (propagation attenuation) και η φάση που συσσωρεύεται κατά τη διάδοση. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι πιο βασικές τεχνικές εκτίμησης θέσης που αξιοποιούν αυτές τις πληροφορίες Time of Arrival (TOA) Η τεχνική ΤOΑ (Time of Arrival) χρησιμοποιεί την καθυστέρηση διάδοσης του σήματος για να υπολογίσει την απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. Αν ο χρόνος εκπομπής του σήματος είναι T 0 και ο χρόνος λήψης T i τότε η απόσταση δίνεται από τη σχέση d i = c(t i T 0 ) (2.1)

24 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ όπου c είναι η ταχύτητα διάδοσης του κύματος. Είναι προφανές πως για να λειτουργήσει η μέθοδος χρειάζεται απόλυτος συγχρονισμός πομπού και δέκτη. Σε περιπτώσεις όπου αυτό είναι ανέφικτο ο δέκτης στέλνει πίσω στον πομπό ένα TOA σήμα (RTTOA, Round Trip Time of Arrival). Παίρνοντας τον μέσο όρο των δύο σημάτων τα σφάλματα συγχρονισμού εξαλείφονται. Αν υποθέσουμε διάδοση με οπτική επαφή (LoS) οι πιθανές θέσεις του δέκτη είναι τα σημεία κύκλου ακτίνας d i. Για να εξαλειφθεί η ασάφεια χρειάζονται το λιγότερο ακόμα δύο πομποί. Ο δέκτης τότε εντοπίζεται στο σημείο τομής των τριών κύκλων. Έτσι καταλήγουμε στο σύστημα εξισώσεων: d 1 = (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 = c(t 1 T 0 ) (2.2) d 2 = (x x 2 ) 2 + (y y 2 ) 2 = c(t 2 T 0 ) (2.3) d 3 = (x x 3 ) 2 + (y y 3 ) 2 = c(t 3 T 0 ) (2.4) όπου (x i, y i ) είναι οι συντεταγμένες των πομπών. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται τριπλευρισμός (trilateration). Σχήμα 2.1: Time of Arrival Στην πράξη, οι μετρήσεις αλλοιώνονται από τον θόρυβο με αποτέλεσμα πολλές φορές να μην υπάρχει λύση στο παραπάνω σύστημα. Μια συνηθισμένη προσέγγιση είναι η θεώρηση ενός ισοδύναμου συστήματος (x x i ) 2 + (y y i ) 2 c 2 (T i T 0 ) 2 =ϵ 2 i, i = 1, 2, 3 (2.5) που εισάγει την τιμή σφάλματος ϵ i σε κάθε εξίσωση. Η εκτίμηση της θέσης γίνεται

25 2.1. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΕΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΣΤΑΣΗ 15 ελαχιστοποιώντας το τετραγωνικό σφάλμα. (ˆx, ŷ, ẑ) = arg min (x,y,z) 3 ϵ 2 i (2.6) Εκτός από το σφάλμα που εισάγει ο θόρυβος, η διάδοση σε NLoS περιβάλλον προσθέτει μία θετική προκατάληψη στον εκτιμητή με συνέπεια τη δραματική υποβάθμιση της ακρίβειας εντοπισμού. i= Time Difference of Arrival (TDOA) Η TDOA (Time Difference of Arrival) είναι μία ακόμα τεχνική που βασίζεται στην καθυστέρηση διάδοσης. Αν ο δέκτης δε μπορεί να συγχρονιστεί με τους πομπούς και η τεχνική RTT δε μπορεί να εφαρμοστεί τότε τα λαμβανόμενα σήματα αφαιρούνται από το σήμα ενός πομπού αναφοράς. Έτσι προκύπτει το σύστημα εξισώσεων: d 2 d 1 = (x x 2 ) 2 + (y y 2 ) 2 (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 = c(t 2 T 1 ) (2.7) d 3 d 1 = (x x 3 ) 2 + (y y 3 ) 2 (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 = c(t 3 T 1 ) (2.8) Παίρνοντας τη διαφορά, απαλείφεται ο χρόνος εκπομπής των σημάτων T 0 που είναι άγνωστος στον δέκτη αλλά κοινός για όλους τους πομπούς. Παρατηρούμε επίσης πως σε αντίθεση με την ΤΟΑ όπου ο γεωμετρικός τόπος των σημείων που προκύπτουν είναι κύκλοι, εδώ είναι υπερβολές με εστίες τους εμπλεκόμενους πομπούς. Η θέση που ψάχνουμε είναι το σημείο τομής τους. Επειδή και σε αυτή τη μέθοδο οι αποστάσεις υπολογίζονται από μετρήσεις χρόνων η ακρίβεια των εκτιμήσεων υποβαθμίζεται σε NLoS περιβάλλον. Σχήμα 2.2: Time Difference of Arrival

26 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Frequency of Arrival (FOA) και Frequency Difference of Arrival (FDOA) Στις FOA και FDOA αξιοποιούμε το γεγονός ότι όταν ο πομπός κινείται, μεταβάλλεται η συχνότητα του σήματος ανάλογα με την συγγραμμική, ως προς την ευθεία που ενώνει τον πομπό με τον δέκτη, συνιστώσα της ταχύτητας και την κεντρική συχνότητα εκπομπής. Η ολίσθηση Doppler (frequency shift) παρατηρείται ως αποτέλεσμα της μέτρησης της τρέχουσας συχνότητας του λαμβανόμενου σήματος. Η FOA πρέπει να μπορεί να διακρίνει συχνοτικές διαφορές μικρότερες της ελάχιστης αναμενόμενης συχνότητας Doppler. Η FDOA δε χρειάζεται γνώση της εκπεμπόμενης συχνότητας αλλά οι δέκτες είναι πολύ σύνθετοι και ακριβοί Ισχύς λαμβανόμενου σήματος (RSS) Η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος (RSS, received signal strength) είναι μία εύκολα μετρούμενη ποσότητα η οποία εμπεριέχει πληροφορία σχετική με την απόσταση μεταξύ δύο πομποδεκτών. Αν χρησιμοποιηθεί το κατάλληλο μοντέλο απωλειών διάδοσης και σκίασης τότε είναι δυνατό να υπολογιστεί η απόσταση. Συνήθως η σκίαση μοντελοποιείται ως Γκαουσιανή τυχαία μεταβλητή με μηδενική μέση τιμή και μεταβλητότητα σ 2 σε λογαριθμική κλίμακα. Συνεπώς, η λαμβανόμενη ισχύς P (d) σε db δίνεται από τη σχέση P (d) = P 0 10n log 10 ( d ) + γ (2.9) d 0 όπου n είναι ο εκθέτης απωλειών, P 0 είναι η λαμβανόμενη ισχύς σε db σε μία μικρή απόσταση αναφοράς d 0 και γ N (0, σ 2 ). Το μοντέλο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί, με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων, είτε υπάρχει οπτική επαφή (LoS) είτε όχι (NLoS). Εξαιτίας όμως της δυσκολίας εύρεσης των σωστών παραμέτρων όταν δεν υπάρχει οπτική επαφή (NLoS), η μετατροπή από ισχύ (RSS) σε απόσταση δεν είναι πάντα ακριβής. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό του δέκτη είναι ο τριπλευρισμός Angle of Arrival (AOA) ΑΟΑ (Angle of Arrival) ονομάζεται η τεχνική που χρησιμοποιεί τις γωνίες άφιξης του κύματος στους δέκτες για τον εντοπισμό του πομπού. Για κάθε γωνία άφιξης μπορεί να σχεδιαστεί μία ευθεία διόπτευσης (line of bearing). y y i = tan(θ i )(x x i ) (2.10) Το σημείο τομής αυτών των ευθειών είναι η θέση του στόχου. Αυτή η μέθοδος ο- νομάζεται τριγωνισμός (triangulation). Για τον προσδιορισμό της θέσης χρειάζονται τουλάχιστον δύο δέκτες, εξοπλισμένοι με στοιχειοκεραίες ώστε να μπορούν να εκτιμήσουν την γωνία άφιξης.

27 2.2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΥΘΕΡΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΠΟΣΤΑΣΗ 17 Σχήμα 2.3: Angle of Arrival Υβριδικές τεχνικές Συνδυασμοί των παραπάνω τεχνικών μπορούν να δώσουν πιο ακριβή αποτελέσματα. Η επιλογή των πιο κατάλληλων εξαρτάται από τις υποδομές, το είδος της εφαρμογής και το περιβάλλον. Επί παραδείγματι, στην πρόσφατη βιβλιογραφία έχουν προταθεί συστήματα AOA/RSS, RSS/TOA, TDOA/RSS και AOA/TDOA. 2.2 Τεχνικές ελεύθερες από την απόσταση Οι τεχνικές ελεύθερες από την απόσταση (range-free) μπορούν να χωριστούν σε δύο υποκατηγορίες: την ανάλυσης σκηνής (scene analysis) και την εγγύτητα (proximity) Ανάλυση σκηνής Οι τεχνικές εντοπισμού με ανάλυσης σκηνής βασίζονται στη εξαγωγή χαρακτηριστικών από την παρατηρούμενη σκηνή. Αυτά μπορεί να είναι ραδιοκύματα, ακουστικά κύματα, εικόνες ή οποιοδήποτε άλλο μετρήσιμο φυσικό φαινόμενο γύρω από το αντικείμενο. Στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται ραδιοκύματα ονομάζονται τεχνικές χαρτογράφησης του αποτυπώματος (LF, location fingerprinitng). Είναι διαδικασίες δύο βημάτων. Η πρώτη φάση περιλαμβάνει την εκπαίδευση και η δεύτερη τον εντοπισμό. Στη φάση της εκπαίδευσης, από κάθε διαθέσιμο σταθμό βάσης συλλέγονται μετρήσεις ισχύος (RSS) σε συγκεκριμένα σημεία στον χώρο και έπειτα δημιουργείται μία βάση δεδομένων. Η βάση δεδομένων θα πρέπει να ανανεώνεται κάθε φορά που οι αλλαγές στο περιβάλλον επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του καναλιού. Στη φάση του εντοπισμού, η συσκευή συγκρίνει την λαμβανόμενη ισχύ από τους διαθέσιμους σταθμούς βάσης με την ισχύ λήψης στα γνωστά σημεία από τους ίδιους σταθμούς, που

28 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ είναι αποθηκευμένη στη βάση δεδομένων. Για την εύρεση της θέσης χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης και εξόρυξης δεδομένων εκ των οποίων οι πιο συνηθισμένοι είναι οι: k-nearest neighbor (knn) smallest M-vertex polygon (SMP) neural networks support vector machine (SVM) probabilistic methods Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι η ακρίβεια που δίνουν σε περιβάλλον πολλαπλών οδεύσεων χωρίς οπτική επαφή (multipath, NLoS). Αυτό συμβαίνει επειδή οι μετρήσεις που παίρνονται κατά τη φάση της εκπαίδευσης λαμβάνουν υπόψη τους όλα τα φαινόμενα διάδοσης στον συγκεκριμένο χώρο. Από την άλλη μεριά, μπορεί να χρειαστεί μεγάλη βάση δεδομένων ώστε να επιτευχθεί μία καλή προσέγγιση του περιβάλλοντος και να εκτιμηθεί σωστά η θέση Εγγύτητα Η τεχνική αυτή είναι ιδιαίτερα απλή ως προς την υλοποίηση της. Αρχικά τοποθετούνται στο χώρο πολλοί αισθητήρες μικρής εμβέλειας σχηματίζοντας ένα πυκνό πλέγμα. Συνήθως οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται είναι υπέρυθρη ακτινοβολία (IR), ραδιοκύματα (RFID), αισθητήρες πίεσης και αφής. Αν το αντικείμενο ανιχνευθεί από έναν αισθητήρα τότε μπορούμε να πούμε πως βρίσκεται πλησίον του. Εφαρμόζεται επίσης και στα κυψελωτά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας όπου αναφέρεται ως Cell-ID. Η τεχνική αυτή μας παρέχει μόνο σχετική πληροφορία θέσης.

29 3 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RFID Ως RFID (radio frequency identification) αναφέρονται τα συστήματα που χρησιμοποιούν ραδιοσυχνότητες για την αυτόματη ταυτοποίηση και παρακολούθηση αντικειμένων, ζώων και ανθρώπων. Τα RFID έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες τεχνολογίες Auto-ID που συνήθως βασίζονται σε οπτικές μεθόδους (π.χ. barcode). Τα πιο αξιοσημείωτα είναι η ανάγνωση σε μεγαλύτερες αποστάσεις και με ταχύτερους ρυθμούς, χωρίς απαραίτητα να υπάρχει οπτική επαφή, η ανθεκτικότητά τους και η δυνατότητα ανάγνωσης/εγγραφής (read/write). Τέτοιου είδους συστήματα πρωτοεμφανίστηκαν στα μέσα του 20ου αιώνα όμως το κόστος των αναμεταδοτών ήταν απαγορευτικό για την υιοθέτησή τους από το εμπόριο. Με την αλματώδη πρόοδο που σημειώθηκε στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τις τελευταίες δεκαετίες, το κόστος των αναμεταδοτών μειώθηκε δραματικά. Έτσι, τα RFID σήμερα είναι ευρέως διαδεδομένα και οι εφαρμογές τους ολοένα και πληθαίνουν. Ορισμένες από αυτές είναι ο έλεγχος πρόσβασης ανθρώπων και οχημάτων, η ηλεκτρονική πληρωμή διοδίων, η χρονομέτρηση των αθλητών σε αγώνες δρόμου και η βέλτιστη διαχείριση της εφοδιαστικής αλυσίδας (supply chain management). (α) αυτόματη πληρωμή διοδίων (β) διαχείριση εφοδιαστικής αλυσίδας Σχήμα 3.1: Εφαρμογές των RFID

30 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RFID 3.1 Αρχιτεκτονική Συστήματος Ένα τυπικό σύστημα RFID αποτελείται από αναγνώστες (interrogators ή readers), αναμεταδότες (transponters), που συχνά αναφέρονται και ως ετικέτες (tags), και τις κεραίες τους. Οι κεραίες του αναγνώστη άλλοτε είναι ενσωματωμένες στη συσκευή και άλλοτε είναι ξεχωριστές και συνδέονται σε αυτόν με καλώδιο, ενώ οι κεραίες των ετικετών είναι κατά κανόνα ενσωματωμένες. Οι ετικέτες περιλαμβάνουν ένα ή περισσότερα ολοκληρωμένα κυκλώματα για την υλοποίηση του πρωτοκόλλου επικοινωνίας και την αποθήκευση του ID τους. Υπάρχουν όμως και ετικέτες χωρίς ολοκληρωμένα κυκλώματα (chipless RFID). Σχήμα 3.2: Σύστημα RFID Στα πλαίσια της αποθήκευσης και διαχείρισης πληροφοριών οι αναγνώστες μπορούν να ειδωθούν απλά ως αισθητήρες, παρόμοιοι με άλλες συσκευές συλλογής δεδομένων. Σε μία μεγάλη επιχείρηση ή οργανισμό, τα δεδομένα που συλλέγονται, αποθηκεύονται σε βάσεις δεδομένων και αξιοποιούνται για την διαχείριση των λειτουργικών διεργασιών (enterprise resource planning). Μεταξύ των αναγνωστών και της βάσης δεδομένον παρεμβάλλεται το ενδιάμεσο λογισμικό (RFID middleware) που γεφυρώνει τη διαδικασία συλλογής δεδομένων με την επιχειρηματική δραστηριότητα. 3.2 Κατηγορίες RFID Τα RFID δεν είναι μία τεχνολογία αλλά ένα σύνολο τεχνολογιών οι οποίες διαφέρουν ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας και το μέσω παροχής ισχύος στους αναμεταδότες [5] Συχνότητες Λειτουργίας Τα RFID λειτουργούν σε μη αδειοδοτημένες στενές ζώνες συχνοτήτων για βιομηχανικές εφαρμογές (ISM bands) των οποίων η κεντρική συχνότητα ξεκινάει από εκατοντάδες khz και φτάνει μέχρι τα GHz. Συγκεκριμένα η ζώνη συχνοτήτων 125/134kHz αναφέρεται ως low-frequency (LF), η 13.56MHz ως high-frequency (HF) και η MHz μαζί με την GHz ως ultra-high-frequency (UHF). Στην Ευρώπη, για

31 3.2. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ RFID 21 τα UHF διατίθενται κανάλια εύρους 200kHz με κεντρική συχνότητα μεταξύ των MHz. Στα LF και HF συστήματα, όπου το μήκος κύματος είναι πολυ μεγαλύτερο από την κεραία, ο μηχανισμός αλληλεπίδρασης του αναγνώστη με τον αναμεταδότη είναι η επαγωγική σύζευξη (inductive coupling), συνεπώς η εμβέλειά τους είναι περιορισμένη. Σε αυτά ως κεραία χρησιμοποιείται ένα πηνίο. Στα UHF η επικοινωνία επιτυγχάνεται με σύζευξη διάδοσης (propagation coupling) οπότε η εμβέλειά τους είναι πολύ μεγαλύτερη. Οι ετικέτες συνήθως χρησιμοποιούν κάποια παραλλαγή της κλασσικής διπολικής κεραίας. Σχήμα 3.3: Είδη αναμεταδοτών RFID με βάση τη συχνότητα λειτουργίας Κατηγορίες UHF RFID Με γνώμονα την ελαχιστοποίηση του κόστους, πολλές φορές αφαιρείται ο ραδιοφωνικός πομπός και η μπαταρία από τις ετικέτες. Με κριτήριο την ύπαρξη ή μη των παραπάνω στις ετικέτες ορίζονται οι ακόλουθες κατηγορίες. Παθητικές ετικέτες (passive tags): Οι ετικέτες αυτές δεν έχουν μπαταρία για την τροφοδότηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τους ούτε πομπό, έχουν όμως ένα κύκλωμα ανόρθωσης για τη μετατροπή του εκπεμπόμενου από τον αναγνώστη ραδιοκύματος σε DC. Στην άνω ζεύξη (από την ετικέτα προς τον αναγνώστη) χρησιμοποιείται επικοινωνία οπισθοσκέδασης (backscatter communication) όπου με κατάλληλες αλλαγές του φορτίου της ετικέτας, επιτυγχάνεται η διαμόρφωση του σκεδαζόμενου από αυτήν κύματος, το οποίο τελικά λαμβάνεται από τον αναγνώστη. Αναλυτικότερη εξήγηση δίνεται στην επόμενη ενότητα. Ημι-παθητικές ετικέτες (semi-passive tags): Όμοια με τις προηγούμενες, και αυτές χρησιμοποιούν επικοινωνία οπισθοσκέδασης για την άνω ζεύξη. Η διαφορά τους είναι πως έχουν ενσωματωμένη μπαταρία που σημαίνει πως μπορούν να υποστηρίξουν την λειτουργία πιο πολύπλοκων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ί- σως ακόμα και ενισχυτών υψηλών συχνοτήτων. Η εμβέλεια και η αξιοπιστία των ημι-παθητικών ετικετών είναι σαφώς αναβαθμισμένη σε σχέση με τις παθητικές. Ενεργές ετικέτες (active tags): Οι ετικέτες αυτές είναι πλήρεις ραδιοφωνικοί πομποδέκτες με ενσωματωμένη μπαταρία.

32 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RFID (α) παθητικός αναμεταδότης (β) ημι-παθητικός αναμεταδότης (γ) ενεργός αναμεταδότης Σχήμα 3.4: Κατηγορίες UHF RFID με βάση την πηγή ενέργειας 3.3 Ραδιοζεύξη Οπισθοσκέδασης Ένας απλό τρόπος κατανόησης της διαμόρφωσης οπισθοσκέδασης παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.5: το ρεύμα που διαρρέει την κεραία εκπομπής επάγει μία τάση στην κεραία λήψης. Αν αυτή είναι συνδεδεμένη με φορτίο μικρής σύνθετης αντίστασης (στο σχήμα επιλέγεται το μικρότερο δυνατό φορτίο, το βραχυκύκλωμα) τότε ακτινοβολεί εξαιτίας του επαγώμενου ρεύματος. Το κύμα που δημιουργείται φτάνει πίσω στην κεραία εκπομπής και λαμβάνεται ως οπισθοσκεδαζόμενο σήμα. Αν το φορτίο της κεραίας λήψης είναι μεγάλο, τότε το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα είναι πολύ ασθενές. Σχήμα 3.5: Απλοποιημένη φυσική αναπαράσταση της οπισθοσκέδασης

33 3.4. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ 23 Μία απλή υλοποίηση του παραπάνω τρόπου επικοινωνίας επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα τρανζίστορ ως φορτίο της κεραίας. Ανάλογα με την τάση στην πύλη του αυτό εμφανίζεται είτε ως βραχυκύκλωμα είτε ως ανοικτό κύκλωμα. Έτσι, αν ε- φαρμοστεί στην πύλη ένα διαμορφωμένο σήμα βασικής ζώνης το αποτέλεσμα είναι να διαμορφώνεται αντίστοιχα και το οπισθοσκεδαζόμενο κύμα. Σχήμα 3.6: Διαμόρφωση οπισθοσκεδαζόμενου σήματος με ένα τρανζίστορ Σε ένα παθητικό σύστημα RFID, ο αναγνώστης εκπέμπει CW (continuous wave) καθ όλη τη διάρκεια ακρόασης του σήματος της ετικέτας, άρα είναι απαραίτητη η χρήση κυκλοφορητή. Ακόμα και έτσι όμως, το σήμα στον δέκτη δεν είναι μόνο αυτό που προκύπτει από την ετικέτα αλλά ένα διανυσματικό άθροισμα αυτού, των ανακλάσεων από το περιβάλλον καθώς επίσης και ποσοστού του σήματος εκπομπής που ανακλάται από την κεραία. Η επίδραση της αλλαγής του φορτίου της ετικέτας σε αυτό είναι τελείως απρόβλεπτη. Το μόνο βέβαιο είναι πως όταν αλλάζει το φορτίο της κεραίας της ετικέτας κάτι στην φάση ή στο πλάτος του λαμβανόμενου σήματος θα αλλάξει. Σύμφωνα με αυτή την παρατήρηση, η διαμόρφωση πρέπει να βασίζεται στην καταμέτρηση των αλλαγών κατάστασης της ετικέτας σε δεδομένο χρονικό διάστημα. Έτσι, όλες οι διαμορφώσεις του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος είναι παραλλαγές της FSK (Frequency Shift Keying). 3.4 Πρωτόκολλα Επικοινωνίας και Προτυποποίηση Οποιαδήποτε διαδικασία επικοινωνίας βασίζεται σε προσυμφωνημένες συμβάσεις σχετικά με τον τρόπο αποστολής του μηνύματος και την ερμηνεία του. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας πρέπει να διασαφηνίζει ποιο είναι το μέσο επικοινωνίας και ο τρόπος προσπέλασής του όπως επίσης ποια η μορφή, το περιεχόμενο και η ερμηνεία του μηνύματος. Στα RFID οι επιλογές αυτές υπόκεινται στους περιορισμούς που επιβάλλουν οι ρυθμιστικές αρχές σε κάθε σύστημα ραδιοεπικοινωνιών (συγκεκριμένες ζώνες λει-

34 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ RFID Σχήμα 3.7: Λαμβανόμενο σήμα σε ρεαλιστικές συνθήκες τουργίας, μέγιστα επίπεδα ισχύος κ.λ.π) και επιπλέον γίνονται λαμβάνοντας υπόψη την περιορισμένη ισχύ και υπολογιστική ικανότητα των ετικετών. Η προτυποποίηση των RFID είναι αναγκαία για την χρήση τους στην παγκόσμια αγορά διότι αλλιώς θα δημιουργούνταν προβλήματα συμβατότητας μεταξύ των συσκευών ανάγνωσης και ετικετών που προέρχονταν από διαφορετικούς κατασκευαστές. Οργανισμοί που αναπτύσουν πρότυπα RFID είναι μεταξύ άλλων ο Παγκόσμιος Οργανισμός Προτυποποίησης (ISO), το παγκόσμιο ηλεκτροτεχνικό συμβούλιο (IEC), το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Προτύπων Τηλεπικοινωνιών (ETSI) και ο EPCglobal EPCglobal Ο EPCglobal Inc. είναι ένας μη κερδοσκοπικός οργανισμός που ιδρύθηκε το 2003 ως κοινοπραξία μεταξύ των τότε διαχειριστών του διεθνούς συστήματος barcode,ucc και EAN, οι οποίοι έχουν πλέον συγχωνευτεί και αποτελούν τον GS1 [6]. Είναι ο διάδοχος του MIT Auto-ID Center, του δημιουργού των EPC. Σκοπός του είναι η ανάπτυξη προτύπων για τη χρήση των RFID στην εφοδιαστική αλυσίδα EPC Ο EPC (electronic product code) είναι κώδικας σχεδιασμένος για να προσδίδει μία μοναδική ταυτότητα σε κάθε φυσικό αντικείμενο, οπουδήποτε στον κόσμο και ανά πάσα χρονική στιγμή. Είναι παρόμοιος με τον UPC (Universal Product Code) που χρησιμοποιείται στα barcode. Τα EPCs έχουν διάφορες αναπαραστάσεις σε δυαδική μορφή (binary form), κατάλληλες για χρήση στις RFID ετικέτες, και μορφή κειμένου, κατάλληλες για ανταλλαγή δεδομένων (data sharing) μεταξύ των πληροφοριακών συστημάτων των επιχειρήσεων. Η συνήθης μορφή στα RFID είναι η EPC-96 TYPE 1 που αποτελείται από 96 bit. Τα πρώτα 8 bits είναι η κεφαλίδα που ορίζει τον τύπο EPC που χρησιμοποιείται, τα επόμενα 28 bits ορίζουν τον κατασκευαστή της ετικέτας, τα επόμενα 24 bits το είδος του προϊόντος και τα τελευταία 36 bits προσδίδουν στην ετικέτα ένα μοναδικό σειριακό αριθμό.

35 3.4. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ 25 Σχήμα 3.8: EPC-96 TYPE EPC Gen2 Το EPC Gen2 είναι πρωτόκολλο διεπαφής αέρα (air interface) που ορίζει επακριβώς τις απαιτήσεις του συστήματος RFID αναγνωστών και παθητικών ετικετών που λειτουργούν στις συχνότητες MHz. Δημοσιεύτηκε το 2004 από τον EPCglobal και έπειτα υιοθετήθηκε με μικρές τροποποιήσεις ως ISO C το Τα είδη διαμόρφωσης που υποστηρίζονται από το πρωτόκολλο για την αποστολή εντολών από τον αναγνώστη είναι όλα παραλλαγές του ASK (Amplitude Shift Keying) διότι οι παθητικές ετικέτες μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο διαφορές στα επίπεδα ι- σχύος του λαμβανόμενου σήματος. Πιο συγκεκριμένα υποστηρίζονται τα DSB-ASK, SSB-ASK και PR-ASK. Ο αναγνώστης λαμβάνει πληροφορία από την ετικέτα στέλνοντας ένα μη διαμορφωμένο φέρον κύμα το οποίο οπισθοσκεδάζεται από την ετικέτα με διαμόρφωση FM0 ή Miller. Κατά τη διαδικασία της οπισθοσκέδασης η ετικέτα δεν ανταποκρίνεται σε καμία εντολή του αναγνώστη και έτσι η επικοινωνία είναι half-duplex.

36

37 4 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Τα σημερινά συστήματα RFID εντοπίζουν τα αντικείμενα σε απόσταση όση είναι η περιοχή ραδιοκάλυψης του αναγνώστη, η οποία συνήθως είναι της τάξεως μερικών μέτρων. Σε πολλές εφαρμογές όμως είναι σημαντικό να ξέρει κανείς την ακριβή θέση τους, ιδίως όταν το πλήθος των ετικετών που διαβάζονται ταυτόχρονα είναι μεγάλο. Για παράδειγμα, κατά τον περιοδικό έλεγχο της αποθήκης ενός φαρμακείου είναι απαραίτητο να γνωρίζει κανείς ότι τα ευαίσθητα φαρμακευτικά σκευάσματα βρίσκονται στη σωστή θέση στα ράφια. Παρομοίως, σε καταστήματα με RFID αυτόματους πωλητές, η ακριβής πληροφορία θέσης θα έλυνε το πρόβλημα της σύγχυσης μεταξύ των προϊόντων στο καλάθι του πρώτου πελάτη με αυτών του επόμενου. Οι περισσότερες παραδοσιακές τεχνικές εντοπισμού που βασίζονται στον χρόνο διάδοσης, δεν είναι άμεσα εφαρμόσιμες στα UHF RFID εξαιτίας των περιορισμένων δυνατοτήτων τους. Τα UHF RFID που λειτουργούν με διαμόρφωση οπισθοσκέδασης έχουν πολύ μικρή εμβέλεια και στενό εύρος ζώνης. Επειδή ο χρόνος που κάνει το σήμα για να διανύσει την απόσταση από τον αναγνώστη ως την ετικέτα και πίσω είναι της τάξεως μερικών δεκάδων nanoseconds και το εύρος ζώνης στενό, οι συσκευές ανάγνωσης και οι ετικέτες δεν μπορούν να εκπέμψουν τους χρονικά στενούς παλμούς που απαιτούνται για την εκτίμηση της απόστασης με τις μεθόδους TOA και TDOA. Έτσι οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται βασίζονται κυρίως στην πληροφορία ισχύος [7] ή φάσης [8]. 4.1 Τεχνικές εντοπισμού με πληροφορία ισχύος (RSSI) Οι πρώτες ερευνητικές εργασίες αξιοποίησαν την πληροφορία ισχύος η οποία είναι διαθέσιμη από αναγνώστες του εμπορίου. Έτσι οι αλγόριθμοι μπορούν να εφαρμοστούν χωρίς εξειδικευμένο hardware. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πιο αντιπροσωπευτικές από αυτές.

38 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Landmarc Το σύστημα Landmarc [9] βασίζεται στην τεχνική knn (k-nearest Neighbors). Στην υποψήφια περιοχή παρακολούθησης τοποθετούνται αρχικά πολλές ετικέτες αναφοράς (reference tags) σε γνωστές θέσεις. Οι αναγνώστες ψάχνουν συνεχώς για ετικέτες στην περιοχή χρησιμοποιώντας οκτώ επίπεδα ισχύος. Για κάθε μία από τις άγνωστες ε- τικέτες επιλέγονται οι k πλησιέστερες ετικέτες αναφοράς των οποίων η απόσταση δίνεται από τον παρακάτω τύπο: E j = n (θ j,i S i ) 2 (4.1) i=1 όπου n είναι το πλήθος των αναγνωστών, S i είναι η ισχύς (RSSI) της άγνωστης ετικέτας μετρούμενης από τον i αναγνώστη και θ j,i η ισχύς (RSSI) της j ετικέτας αναφοράς μετρούμενη από τον i αναγνώστη. Στη συνέχεια οι συντεταγμένες των k ετικετών αναφοράς συνδυάζονται ώστε να εκτιμηθεί η θέση της άγνωστης: (x e, y e ) = k w i (x i, y i ) (4.2) i=1 όπου w είναι συντελεστής βάρους ο οποίος δίνεται από τη σχέση: w i = 1/E 2 i k i=1 1/E2 i (4.3) Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου είναι πως η χρήση των ετικετών αναφοράς βοηθάει στην ισοστάθμιση περιβαλλοντικών παραγόντων καθώς αυτές επηρεάζονται κατά παρόμοιο τρόπο με τις ετικέτες προς αναζήτηση. Σχήμα 4.1: Landmarc

39 4.1. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΙΣΧΥΟΣ (RSSI) Vire Το Vire [10] χρησιμοποιεί την ίδια λογική με το Landmarc, δηλαδή τη δημιουργία ενός δισδιάστατου τετραγωνικού πλέγματος από ετικέτες αναφοράς, εισάγοντας όμως και την έννοια του χάρτη εγγύτητας. Η υπό παρακολούθηση περιοχή χωρίζεται σε υποπεριοχές στο κέντρο των οποίον τοποθετείται μία ετικέτα αναφοράς. Κάθε συσκευή ανάγνωσης έχει τον δικό της χάρτη εγγύτητας. Αν η διαφορά της μετρούμενης ισχύος (RSSI) της άγνωστης ετικέτας από αυτή της ετικέτας της υποπεριοχής είναι μικρότερη από μία τιμή κατωφλίου τότε η περιοχή σημαδεύεται με τον αριθμό 1. Με τη συγχώνευση των αποτελεσμάτων από του χάρτες n συσκευών ανάγνωσης δημιουργείται ο τελικός χάρτης εγγύτητας για την ετικέτα που ψάχνουμε. Ορίζονται δύο συντελεστές ως βάρη. Ο πρώτος σχετίζεται με τη διαφορά των μετρήσεων ισχύος μεταξύ της άγνωστης ετικέτας και των επιλεγμένων ετικετών αναφοράς: w 1,i = n j=1 θ j,i S i n θ j,i (4.4) Ο δεύτερος είναι μία συνάρτηση που σχετίζεται με την πυκνότητα των επιλεγμένων ετικετών αναφοράς. Στην πιο πυκνή περιοχή ανατίθεται το μεγαλύτερο βάρος. w 2,i = p i na j=1 p j (4.5) Στην παραπάνω σχέση το n a είναι το σύνολο των περιοχών ενώ το p i υποδηλώνει τον λόγο των γειτονικών πιθανών υποπεριοχών προς το σύνολο. Οι συντεταγμένες της ετικέτας δίνονται από τη σχέση: n a (x e, y e ) = w 1,i w 2,i (x i, y i ) (4.6) i= Simplex Όπως οι δύο προηγούμενες, αυτή η μέθοδος βασίζεται πάλι στην τοποθέτηση ε- τικετών αναφοράς [11]. Χρησιμοποιεί n αναγνώστες με K επίπεδα ισχύος. Για τον εντοπισμό της ετικέτας, οι αναγνώστες ξεκινούν με το χαμηλότερο επίπεδο ισχύος και σταδιακά ανεβάζουν την ισχύ εκπομπής μέχρι να διαβάσουν την άγνωστη ετικέτα. Κατά το διάστημα αυτό, οι αναγνώστες λαμβάνουν απαντήσεις και από τις ετικέτες αναφοράς. Η απόσταση L i,j μεταξύ του αναγνώστη i και της ετικέτας j εκτιμάται παίρνοντας τον μέσο όρο των αποστάσεων μεταξύ αυτού και όλων των ετικετών αναφοράς που ανιχνεύθηκαν στο ίδιο επίπεδο ισχύος. Η θέση της ετικέτας j υπολογίζεται ελαχιστοποιώντας τη συνάρτηση σφάλματος που ορίζεται ως: ϵ j = n ( L i,j L ˆ i,j ) 2 (4.7) L i,j i=1 Για την ελαχιστοποίηση του ϵ j χρησιμοποιείται η μέθοδος simplex.

40 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Φίλτρα Kalman Παρόμοια με τις προηγούμενες και εδώ χρησιμοποιούνται ετικέτες αναφοράς [12]. Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει τον υπολογισμό, χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος (RSSI) από δύο αναγνώστες, της απόστασης D i μεταξύ κάθε ετικέτας αναφοράς και της άγνωστης ετικέτας. Η θέση της ετικέτας υπολογίζεται λύνοντας το παρακάτω σύστημα μη-γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο του ελάχιστου τετραγωνικού σφάλματος (minimum mean squared error): (x i x e ) 2 + (y i y e ) 2 = D 2 i (4.8) Το δεύτερο βήμα περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός πιθανοτικού χάρτη σφαλμάτων μέτρησης για την περιοχή εμβέλειας του αναγνώστη. Το πρώτο βήμα εφαρμόζεται για κάθε ετικέτα αναφοράς για να υπολογιστεί η αντίστοιχη συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας σφάλματος (error probability density function) με βάση τις εκτιμώμενες και τις πραγματικές θέσεις τους. Έπειτα χρησιμοποιείται επαναληπτικά φίλτρο Kalman σε αυτόν τον χάρτη για να ελαττωθεί το σφάλμα στη μέτρηση της ισχύος και έτσι να βελτιωθεί η ακρίβεια του συστήματος εντοπισμού Maximum Likelihood Estimation Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην παρατήρηση ότι η λαμβανόμενη ισχύς (RSSI) από παθητικές ετικέτες, σε εσωτερικούς χώρους, ακολουθεί κατανομή Rice [13, 14]. Αν ληφθούν N μετρήσεις ισχύος για διαφορετικές, γνωστές θέσεις της κεραίας και θεωρηθεί πως η άγνωστη ετικέτα βρίσκεται στη θέση r, τότε χρησιμοποιώντας το σύνολο των μετρήσεων P = (P 1, P 2,..., P N ) μπορεί να εκτιμηθεί η άγνωστη αυτή θέση μεγιστοποιώντας την υπό συνθήκη πιθανότητα: p(r P ) = p(p r)p(r) p(p ) (4.9) Στην παραπάνω σχέση, το p(r) ακολουθεί κανονική κατανομή και το p(p ) παραμένει ίδιο για κάθε στοιχείο του συνόλου P, οπότε: max p(r P ) = max p(p r) (4.10) Αφού οι μετρήσεις ισχύος με την ετικέτα τοποθετημένη σε συγκεκριμένη θέση είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους, ισχύει: N p(p r) = p(p 1, P 2,..., P N r) = p(p 1 r)p(p 2 r)...p(p N r) = p(p i r) (4.11) Με δεδομένες τις μετρήσεις P και τη συνάρτηση πιθανοφάνειας p(p r), η εκτιμώμενη i=1

41 4.2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΦΑΣΗΣ 31 θέση της ετικέτας είναι αυτή που μεγιστοποιεί τη συνάρτηση πιθανοφάνειας: r = argmax r p(p r) = argmax r N p(p i r) (4.12) Η συνάρτηση πιθανοφάνειας της μέτρησης ισχύος P i για ετικέτα στη θέση r είναι: i=1 p(p i r) = Pi σ 2 i e Pi+µ 2 i 2σ i 2 Pi µ i I 0 ( ) (4.13) σ 2 i όπου η τυπική απόκλιση σ i και ο όρος διάδοσης με οπτική επαφή µ i εξαρτώνται από τη σχετική θέση της ετικέτας ως προς την κεραία. 4.2 Τεχνικές εντοπισμού με πληροφορία φάσης Η μέτρηση του RSSI συνήθως δεν είναι αξιόπιστη επειδή επηρεάζεται σημαντικά από το περιβάλλον διάδοσης και τις ιδιότητες του αντικειμένου στο οποίο έχει κολληθεί η ετικέτα. Συνήθως δεν μπορεί να προσεγγιστεί από το μοντέλο διάδοσης ελεύθερου χώρου ούτε από άλλα αντίστοιχα μοντέλα απωλειών εξαρτώμενα από την απόσταση. Ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το RSSI είναι ο προσανατολισμός της ετικέτας. Όπως προαναφέρθηκε, οι ετικέτες χρησιμοποιούν κεραίες που είναι παραλλαγές της διπολικής, με αντίστοιχα διαγράμματα ακτινοβολίας, οπότε η ισχύς του σήματος που τελικά φτάνει στον αναγνώστη εξαρτάται άμεσα από τον προσανατολισμό τους. Σχήμα 4.2: Αλλαγή του RSSI με τον προσανατολισμό Η φάση, όπως αποδείχθηκε πειραματικά, είναι ανεξάρτητη του προσανατολισμού οπότε θεωρήθηκε πιο αξιόπιστη παράμετρος. Το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει πλέον στραφεί σε τεχνικές εντοπισμού που αξιοποιούν αυτή την πληροφορία αν και η επίδραση του περιβάλλοντος χώρου παραμένει σημαντική, όπως θα δούμε στην επόμενη ενότητα.

42 32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Φάση λαμβανόμενου σήματος σε περιβάλλον με ανακλάσεις Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος με τον οποίο το περιβάλλον επηρεάζει την μετρούμενη στον δέκτη φάση εξετάζουμε το σενάριο όπου έχουμε διάδοση τόσο με οπτική επαφή (LoS, Line of Sight) όσο και από ανάκλαση/σκέδαση (NLoS, Non Line of Sight). Έτσι, το λαμβανόμενο σήμα μπορεί να γραφεί ως άθροισμα δύο όρων: A r cos(ωt + ϕ r ) = A LoS cos(ωt + θ LoS ) + A NLoS cos(ωt + θ NLoS ) (4.14) όπου η φάση του όρου διάδοσης χωρίς οπτική επαφή μπορεί να υποτεθεί ότι ακολουθεί ομοιόμορφη κατανομή θ NLoS U( π, π) ενώ αυτή του όρου διάδοσης με οπτική επαφή είναι σταθερή. Λύνοντας την προηγούμενη εξίσωση ως προς τη φάση του λαμβανόμενου σήματος παίρνουμε: ϕ r = tan 1 ( A LoS sin θ LoS + A NLoS sin θ NLoS A LoS cos θ LoS + A NLoS cos θ NLoS ) (4.15) Χρησιμοποιώντας διανυσματική αναπαράσταση και κανονικοποιώντας τον όρο διάδοσης με οπτική επαφή ώστε να ταυτίζεται με το μοναδιαίο διάνυσμα κατά τα θετικά του άξονα x όπως στο Σχήμα 4.3, η διαφορά φάσης του λαμβανόμενου σήματος από το απευθείας γίνεται: ϕ = tan 1 A sin θ ( 1 + A cos θ ) (4.16) όπου A = A NLoS A LoS και θ = θ NLoS θ LoS. Από την παραπάνω συνάρτηση είναι φανερό πως η μέγιστη μεταβολή της φάσης είναι: ϕ max = ± tan 1 ( A sin(cos 1 ( A)) 1 A 2 ) (4.17) y ϕ Received Signal LoS NLoS x Σχήμα 4.3: Διανυσματική αναπαράσταση του λαμβανόμενου σήματος Για δεδομένο λόγο πλατών A = a, η φάση ϕ είναι τυχαία μεταβλητή με κατανομή: f Φ (ϕ A = a) = 1 π a 2 + (a 2 1) tan 2 ϕ (4.18)

43 4.2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΦΑΣΗΣ 33 και αθροιστική συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας: F Φ (ϕ A = a) = 2 2 sin ϕ π tan 1 ( 1 + 2a 2 + cos(2ϕ) ) (4.19) Οι αναλυτικές αποδείξεις βρίσκονται στο παράρτημα Α. Στο Σχήμα 4.4 παρουσιάζεται η κατανομή της φάσης για A = 0.5. Παρατηρούμε πως η φάση δεν παρεκκλίνει περισσότερο από 30 o όπως προβλέπεται από τη σχέση (4.17) Received Phase φ [in degrees] Σχήμα 4.4: Κατανομή της φάσης για A = 0.5 Αν η κατανομή του λόγου των πλατών είναι γνωστή, τότε η συνολική κατανομή δίνεται από τον γνωστό τύπο: f Φ,A (ϕ, a) = f Φ (ϕ A = a)f A (a) (4.20) Ανάκτηση πληροφορίας φάσης Οι συσκευές ανάγνωσης πραγματοποιούν σύμφωνη αποδιαμόρφωση οπότε ανακτούν την φάση από το αποδιαμορφωμένο σήμα βασικής ζώνης της ετικέτας. Ο τρόπος ανάκτησης της φάσης μπορεί να ερμηνευθεί καλύτερα στο διανυσματικό χώρο I-Q του λαμβανόμενου σήματος βασικής ζώνης όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.5. Η μιγαδική αποδιαμορφωμένη τάση στη συσκευή ανάγνωσης σε κάθε χρονική στιγμή μπορεί να ιδωθεί ως ένα άθροισμα τριών όρων: V = V leakage + V clutter + V i tag (4.21) όπου V leakage είναι η τάση εξαιτίας της διαρροής του σήματος εκπομπής του α- ναγνώστη στον δέκτη του (συμπεριλαμβανομένου των ανακλάσεων αποπροσαρμογής στην κεραία του αναγνώστη), Vclutter είναι η τάση εξαιτίας της σκέδασης από το περιβάλλον και V i tag είναι η τάση από το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα της ετικέτας όταν το φορτίο βρίσκεται στην κατάσταση i. Οι παραπάνω όροι μπορούν να θεωρηθούν σταθεροί κατά τη διάρκεια της ανάγνωσης μίας ετικέτας. Για παράδειγμα, αν ο ανα-

44 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Σχήμα 4.5: Μιγαδικό αποδιαμορφωμένο σήμα στο δέκτη του αναγνώστη γνώστης διαβάζει 1000 ετικέτες/s και η ετικέτα κινείται με ταχύτητα 36km/h (10m/s), τότε κατά τη διάρκεια 1ms, που κρατάει η ανάγνωση της ετικέτας, αυτή κινήθηκε μόλις 1cm. Άρα, οι ιδιότητες του καναλιού διάδοσης δεν μεταβάλλονται σημαντικά. Στο Σχήμα 4.6 παρουσιάζονται τα φυσικά φαινόμενα από τα οποία πηγάζουν οι τρεις όροι της τάσης. Σχήμα 4.6: Πηγές που συνεισφέρουν στην λαμβανόμενη τάση για μονοστατικό αναγνώστη Στον αναγνώστη, η συμφασική I και κάθετη Q συνιστώσα του λαμβανόμενου α- ποδιαμορφωμένου σήματος βασικής ζώνης αναλύονται σε ένα DC και ένα AC τμήμα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.5 I = I DC + I AC, Q = Q DC + Q AC (4.22) Το DC τμήμα προκύπτει κυρίως από την διαρροή του σήματος εκπομπής στον δέκτη και δευτερευόντως από την ηχώ στατικών στόχων (clutter) και το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα της ετικέτας (το οποίο περιλαμβάνει και ένα σταθερό όρο εκτός από το δια-

45 4.2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΦΑΣΗΣ 35 μορφωμένο σήμα). Το σημείο αναφοράς που χρησιμοποιείται συνήθως από τους αναγνώστες είναι το κεντρικό σημείο ανάμεσα στα σημεία του αστερισμού (constellation points) του λαμβανόμενου σήματος, δηλαδή τις καταστάσεις 1 και 2 στο Σχήμα 4.5. Όταν ο DC όρος απορριφθεί, ο αστερισμός του λαμβανόμενου σήματος κεντράρεται στο μηδέν και έτσι μπορεί να μετρηθεί ταυτόχρονα τόσο το RSSI όσο και η φάση: RSSI = 1 2 V 2 tag V 1 tag 2 Z o = I2 AC + Q2 AC Z o (4.23) ϕ = ang( V 2 tag V 1 tag) = arctan Q AC I AC (4.24) Το Z o είναι η σύνθετη αντίσταση εισόδου του δέκτη (50Ω). Στο Σχήμα 4.7 φαίνεται ένα τυπικό σήμα στο δέκτη του αναγνώστη στο επίπεδο I-Q. Σχήμα 4.7: Τυπικό σήμα ετικέτας όπως λαμβάνεται από τον αναγνώστη Για ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα με φέρουσα συχνότητα f, η σχέση μεταξύ αυτής και του μήκους κύματος είναι λ = c f. Η συνολική απόσταση που διανύει το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα είναι 2d όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.8. Εκτός από την στροφή της φάσης κατά τη διάδοση, τα κυκλώματα του πομπού του αναγνώστη, τα χαρακτηριστικά ανάκλασης της ετικέτας και τα κυκλώματα του δέκτη του αναγνώστη εισάγουν και αυτά μία φάση. Η συνολική φάση μπορεί να γραφτεί ως: ϕ + 2kπ = 2d 2π λ + ϕ T + ϕ R + ϕ T AG (4.25) όπου ϕ είναι φάση που μας παρέχει ένας τυπικός εμπορικός αναγνώστης και k είναι ένας ακέραιος αριθμός ώστε η τιμή του ϕ να πέφτει στο διάστημα [0, 2π). Το k είναι εν γένει άγνωστο, οπότε όταν η ετικέτα κινείται (στον ελεύθερο χώρο) κατά λ/2 προς την ακτινική διεύθυνση, τα δύο διανύσματα, V 1 tag και V 2 tag, ολοκληρώνουν μία πλήρη

46 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID περιστροφή, με αποτέλεσμα να παίρνουμε το ίδιο ακριβώς ϕ. Άρα, η γραμμική σχέση της μετρούμενης φάσης με την απόσταση ισχύει μόνο ανά μισό μήκος κύματος. Τα ϕ T και ϕ R είναι σταθερές παράμετροι που αναγράφονται στο εγχειρίδιο του αναγνώστη. Το ϕ T AG είναι και αυτό μία σταθερά, που όμως δε μπορεί να μετρηθεί επειδή υπάρχουν χιλιάδες ετικέτες στην πράξη. Σχήμα 4.8: Επικοινωνία οπισθοσκέδασης Frequency Domain - Phase Difference of Arrival (FD- PDOA) Η τεχνική FD-PDOA επιτρέπει την εκτίμηση της απόστασης της ετικέτας μετρώντας τη φάση σε διαφορετικές συχνότητες όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.9. Είναι μία μορφή της γνωστής από τα ραντάρ τεχνικής FM-CW (frequency modulated continuous wave). Σχήμα 4.9: Frequency Domain - Phase Difference of Arrival Μετρώντας την φάση του λαμβανόμενου σήματος σε διάφορες συχνότητες (απαιτούνται τουλάχιστον δύο), παίρνοντας την παράγωγο της φάσης ως προς τη συχνότητα και υποθέτοντας πως οι άλλοι τρεις όροι της φάσης, ϕ T, ϕ R και ϕ T AG, δε μεταβάλλονται με τη συχνότητα μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση ως εξής: d = c ϕ 4π f (4.26) Με την χρήση πολλών διαφορετικών κεραιών στον αναγνώστη και εφαρμόζοντας την FD-PDOA σε καθεμία από αυτές, είναι δυνατός ο εντοπισμός σε τρεις διαστάσεις, παρόμοια με τα FM-CW ραντάρ.

47 4.2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΦΑΣΗΣ 37 Πολλές παραλλαγές αυτής της τεχνικής έχουν αναπτυχθεί για τον εντοπισμό RFID ετικετών [15, 16, 17], όμως είναι αρκετά δύσκολο να χρησιμοποιηθούν στην Ευρώπη καθώς το φάσμα που διατίθεται είναι πολύ μικρότερο σε σχέση με αυτό στην Αμερική και στην Κίνα Angle of Arrival (AOA) Η γωνία άφιξης του σήματος από την ετικέτα στον αναγνώστη μπορεί να προσδιοριστεί με τη χρήση τεχνικών AOA/DOA (Angle of Arrival/Direction of Arrival) που βασίζονται στη διαφορά φάσης μεταξύ των σημάτων που λαμβάνονται από δύο ή περισσότερες κεραίες. Στο Σχήμα 4.10 παρουσιάζεται ένα τέτοιο σύστημα που χρησιμοποιεί διστατική τοπολογία ανάγνωσης, δηλαδή η κεραία εκπομπής είναι διαφορετική από τις κεραίες λήψης. Ο εντοπισμός της ετικέτας γίνεται με τη γνώση τουλάχιστον δύο γωνιών άφιξης και την εφαρμογή τριγωνισμού [18]. Σχήμα 4.10: Angle of Arrival Όταν η απόσταση των κεραιών είναι γνωστή, όπως στο Σχήμα 4.10, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε προσεγγιστικά τη γωνία άφιξης θ χρησιμοποιώντας απλή γεωμετρία. θ = arcsin( c 2πf (ϕ 2 ϕ 1 ) ) (4.27) a Αν χρησιμοποιηθεί μονοστατική τοπολογία τότε ο όρος 2π γίνεται 4π. Η γωνία άφιξης μπορεί επίσης να υπολογιστεί και με τις κλασσικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται στα ραντάρ περιστρέφοντας τον κεντρικό λοβό της στοιχειοκεραίας. Αν αυτό γίνει με ηλεκτρονικό τρόπο (digital beamforming) τότε κάθε κεραία πρέπει να έχει το δικό της δέκτη ώστε τα λαμβανόμενα σήματα να αποδιαμορφώνονται ξεχωριστά και έπειτα από επεξεργασία, να παρέχουν τη ζητούμενη πληροφορία. Για την εφαρμογή αυτών των τεχνικών είναι απαραίτητο η απόσταση μεταξύ των κεραιών του δέκτη να είναι μικρότερη από λ/2. Οι κεραίες όμως που διατίθενται στο εμπόριο για εφαρμογές RFID είναι πολύ μεγάλες (25 25cm), με αποτέλεσμα να μη μπορούν να τοποθετηθούν τόσο κοντά μεταξύ τους. Έτσι, αναγκαστικά καταφεύγει κανείς στη σχεδίαση ειδικών στοιχειοκεραιών.

48 38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΤΑ UHF RFID Σχήμα 4.11: Ψηφιακό και αναλογικό σύστημα εύρεσης γωνίας άφιξης BackPos Η βασική ιδέα του συστήματος BackPos [19] είναι η εξαγωγή της διαφοράς της απόστασης d από την ετικέτα ως προς τις δύο κεραίες του αναγνώστη χρησιμοποιώντας τη διαφορά φάσης ϕ, χωρίς όμως την απαίτηση περιορισμού της απόστασης μεταξύ των κεραιών σε τιμές μικρότερες του λ/2. Η σχέση που συνδέει τα δύο μεγέθη είναι: d = λ ( ϕ + 4kπ) (4.28) 4π όπου k είναι ένας ακέραιος ώστε το ϕ να βρίσκεται στο διάστημα ( 2π, 2π). Αρχικά, χαράσσεται μία υπερβολή με εστίες τις θέσεις των κεραιών. (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 (x x 2 ) 2 + (y y 2 ) 2 = d (4.29) Με αυτόν τον τρόπο, οι υποψήφιες θέσεις της ετικέτας περιορίζονται σε μία καμπύλη. Αν σχηματιστούν περισσότερες υπερβολές με τη χρήση επιπλέον κεραιών τότε η θέση της ετικέτας είναι το σημείο τομής τους. Σχήμα 4.12: BackPos Για να αρθεί η ασάφεια εξαιτίας της περιοδικότητας της φάσης στη σχέση που συνδέει το d με το ϕ αξιοποιείται το θεώρημα που λέει πως όταν έχουμε δύο εστίες, A1 και A2, μίας υπερβολής και τη διαφορά απόστασης d, τότε για κάθε

49 4.2. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΦΑΣΗΣ 39 σημείο P στον χώρο μεταξύ των δύο καμπυλών ισχύει η ανισότητα: P A 1 P A 2 < d (4.30) Με δεδομένη την απόσταση μεταξύ των δύο κεραιών A 1 A 2 = d ant δημιουργείται μία υπερβολή της οποίας η διαφορά απόστασης είναι T A 1 T A 2 = λ 2. Για κάθε σημείο στον χώρο μεταξύ των κλάδων της υπάρχει μονοσήμαντη αντιστοίχιση διαφοράς φάσης ϕ και απόστασης d. Οι τυπικές κεραίες του εμπορίου για RFID είναι αρκετά κατευθυντικές οπότε η κοινή περιοχή ανάκρισης (interrogation region) δύο κεραιών είναι πάντοτε στενότερη από τον χώρο που ορίστηκε παραπάνω. Συνεπώς, οι κεραίες μπορούν να τοποθετηθούν σε αποστάσεις μεγαλύτερες του λ/2 χωρίς κανένα πρόβλημα.

50

51 5 ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ Στο παρόν κεφάλαιο θα εξετάσουμε μία ολογραφική μέθοδο εντοπισμού [20, 21] που μπορεί να υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας αποκλειστικά εξοπλισμό για εμπορικές εφαρμογές RFID και μόνο μία κεραία. Αυτή η μέθοδος είναι δανεισμένη από τα συστήματα απεικόνισης ραντάρ και υπερήχων όπου εφαρμόζεται με επιτυχία εδώ και πολλά χρόνια. Βασίζεται σε μετρήσεις φάσης που συλλέγονται από ένα συνθετικό διάφραγμα (synthetic aperture) οι οποίες χρησιμοποιούνται για να δημιουργηθεί μία ολογραφική εικόνα που αναπαριστά την χωρική συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της πραγματικής τοποθεσίας της ετικέτας. Προορίζεται κυρίως για εφαρμογές όπου η κεραία του αναγνώστη είναι τοποθετημένη σε κινούμενα οχήματα, όπως περονοφόρα οχήματα ή άλλα κινητά ρομποτικά συστήματα. Για να λειτουργήσει πρέπει οι θέσεις λήψης των μετρήσεων να είναι γνωστές γεγονός που επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση αρδανειακών συστημάτων (inetrial measurment units) στο όχημα. 5.1 Περιγραφή της μεθόδου Σε αυτή την ενότητα εξετάζεται το σενάριο όπου η κεραία και η ετικέτα είναι στο ίδιο επίπεδο (2D). Η μέθοδος μπορεί εύκολα να επεκταθεί και σε τρεις διαστάσεις (3D). Αρχικά λαμβάνονται μετρήσεις φάσης του σήματος βασικής ζώνης της ετικέτας ϕ m, m = 1,..., N από N διαφορετικές, γνωστές θέσεις της κεραίας με συντεταγμένες (x m, y m ). Η σχέση μεταξύ των δειγμάτων φάσης, των θέσεων της κεραίας και της θέσης της ετικέτας είναι μοναδική με την προϋπόθεση ότι λαμβάνονται αρκετά δείγματα. Αυτό συνεπάγεται πως, με δεδομένη την πορεία κίνησης της κεραίας, υπάρχει μόνο μία θέση ετικέτας που μπορεί να δώσει αυτά τα δείγματα φάσης. Στη συνέχεια, δημιουργείται ένα δισδιάστατο πλέγμα σημείων στον χώρο που α- ντιπροσωπεύει τις πιθανές θέσεις της ετικέτας. Για κάθε σημείο (x i, y i ), i = 1,..., K στο πλέγμα υπολογίζεται η φάση που θα συσσωρευόταν θεωρητικά κατά τη διάδοση

52 42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ενός κύματος από την κεραία προς αυτό και πίσω. Η φάση αυτή είναι 2kd m,i όπου k = 2π/λ είναι ο κυματάριθμος και d m,i = (x m x i ) 2 + (y m y i ) 2 είναι η απόσταση μεταξύ της κεραίας και του σημείου. Από την παραπάνω φάση αφαιρείται η μετρούμενη φάση ϕ m οπότε έχουμε μία καινούργια τιμή φάσης για κάθε μέτρηση στο σημείο (x i, y i ): ϕ i (x m, y m, x i, y i ) = 2kd m,i ϕ m (5.1) Για κάθε σημείο δημιουργούνται μοναδιαία διανύσματα, ένα για κάθε μέτρηση, με φάση που δίνεται από τον παραπάνω τύπο, τα οποία προστίθενται. Κατά συνέπεια, για κάθε σημείο ελέγχεται η εξής υπόθεση: P (x i, y i ) = N m=1 ej(2kd m,i ϕ m ) K i=1 N m=1 ej(2kd m,i ϕ m ) (5.2) όπου P (x i, y i ) είναι η πιθανότητα του σημείου στην εικόνα να ταυτίζεται με την πραγματική θέση της ετικέτας. Ο παρονομαστής μπαίνει απλά για κανονικοποίηση. Σε σημεία πλησίον της πραγματικής θέσης της ετικέτας οι φάσεις συμβάλουν θετικά με αποτέλεσμα η τιμή του αθροίσματος να αυξάνει ενώ στα άλλα σημεία έχουμε καταστροφική συμβολή. Αυτή η μέθοδος είναι παρόμοια με τις μεθόδους εύρεσης της γωνίας άφιξης (AoA) που εφαρμόζουν τριγωνισμό για τον εντοπισμό της θέσης. Σε αντίθεση όμως με αυτές, εδώ η εκτίμηση βασίζεται σε ένα χωρικό προσαρμοσμένο φίλτρο με αποτέλεσμα όλες οι μετρούμενες φάσεις να αξιοποιούνται κατά τον βέλτιστο τρόπο. Επομένως, η επίδραση των φαινομένων πολλαπλών οδεύσεων και άλλων σφαλμάτων ελαττώνεται σημαντικά. Η επέκταση της μεθόδου σε τρεις διαστάσεις γίνεται υπολογίζοντας την απόσταση d m,i στον τρισδιάστατο χώρο και επεκτείνοντας την συνάρτηση (5.2) στην P (x i, y i, z i ). Για να αρθεί η ασάφεια πρέπει να ληφθούν δείγματα και κατά τον κάθετο στο επίπεδο κίνησης άξονα. Πρακτικά, αυτό μπορεί να γίνει τοποθετώντας μία μονοδιάστατη στοιχειοκεραία στο όχημα. 5.2 Προσομοιώσεις Για την καλύτερη κατανόηση της μεθόδου σε αυτή την ενότητα έγιναν κάποιες προσομοιώσεις υπό ιδανικές συνθήκες με το MATLAB. Σε κάθε περίπτωση γίνεται η υπόθεση ότι το κύμα διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο και η φέρουσα συχνότητα είναι 865.7MHz. Στο Σχήμα 5.1 φαίνεται η περίπτωση όπου η ετικέτα είναι τοποθετημένη στο σημείο x = 0m, y = 3m (σημειώνεται με κόκκινο σταυρό) και η κεραία λαμβάνει 20 μετρήσεις στο διάστημα x = [ 0.4,..., 0.4]m και y = 0. Επειδή τα σημεία γύρω από τη σωστή θέση έχουν και αυτά μεγάλες τιμές, στη

53 5.2. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ 43 Σχήμα 5.1: Αριστερά: μετρούμενη φάση υπό ιδανικές συνθήκες Δεξιά: RF ολόγραμμα βιβλιογραφία έχει προταθεί [22] η εισαγωγή συντελεστών βάρους στη σχέση (5.2) N P (x i, y i ) = w m,i e j(2kd m,i ϕ m ) (5.3) m=1 w m,i = 2(1 F ( 2kd m,i ϕ m ; 0, σ)) (5.4) όπου F (x; µ, σ) είναι η αθροιστική συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας του Γκαουσιανού θερμικού θορύβου που εισάγεται στις μετρήσεις φάσης. Σε ρεαλιστικές συνθήκες, όπως διαπιστώθηκε και στα πειράματα που ακολουθούν, μία τέτοια προσέγγιση σπάνια οδηγεί σε βελτίωση της εκτίμησης θέσης διότι υπάρχουν λίγες, ή ίσως και καμία, μετρήσεις φάσης που αντιστοιχίζονται ακριβώς στη θέση της ετικέτας. Έτσι, με την εισαγωγή των συντελεστών βάρους το πλάτος στην πραγματική θέση ελαττώνεται ενώ σε άλλες γειτονικές θέσεις ενισχύεται πολύ. Σχήμα 5.2: Αριστερά: RF ολόγραμμα Δεξιά: RF ολόγραμμα με συντελεστές βάρους Διαστήματα δειγματοληψίας Για να μελετηθεί ο τρόπος με τον οποίο το διάστημα μεταξύ των δειγμάτων ε- πηρεάζει το αποτέλεσμα παρατηρούμε πως το άθροισμα στον αριθμητή της εξίσωσης (5.2) μπορεί να ερμηνευθεί ως παράγοντας στοιχειοκεραίας στραμμένης κατά ϕ m. Η σύγκριση μεταξύ της θεωρίας στοιχειοκεραιών και αυτής της μεθόδου γίνεται λαμβά-

54 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ νοντας υπόψη το γεγονός ότι στην επικοινωνία οπισθοσκέδασης το σήμα ταξιδεύει τη διπλάσια απόσταση. Σε μία στοιχειοκεραία, αν το διάστημα δειγματοληψίας είναι μεγαλύτερο από το μισό του μήκους κύματος x sampling > λ/2 τότε εμφανίζονται αναδιπλώσεις του διαγράμματος ακτινοβολίας (aliasing). Αντίστοιχα, στην παρούσα μέθοδο αυτό συμβαίνει όταν x sampling > λ/4. Αν το x sampling είναι μεγαλύτερο από λ/2 τότε εμφανίζονται και πλευρικοί λοβοί. Ένα τυπικό παράδειγμα φαίνεται στο Σχήμα 5.3 όπου πάρθηκαν 7 δείγματα ανά λ/2. Η ετικέτα βρίσκεται στη θέση x = 3m, y = 5m. Είναι ξεκάθαρο πως σε αυτή την περίπτωση είναι αδύνατο να διακρίνουμε ποιος λοβός είναι ο κεντρικός και ποιος οφείλεται στην αραιά δειγματοληψία, ιδίως όταν τα δείγματα φάσης έχουν αλλοιωθεί από το σύνθετο περιβάλλον διάδοσης και τον θερμικό θόρυβο της συσκευής. Σχήμα 5.3: RF ολόγραμμα με αραιή δειγματοληψία Σε άλλες περιπτώσεις όμως, όπου η ετικέτα βρίσκεται σε απόσταση συγκρίσιμη με το μήκος της εικονικής στοιχειοκεραίας (virtual antenna array) η διαφορά φάσης των σημάτων μεταξύ των στοιχείων δεν είναι η ίδια με συνέπεια οι πλευρικοί λοβοί να εμβανίζονται εξασθενημένοι. Αυτό φαίνεται και στο Σχήμα 5.4 όπου το μόνο που έχει αλλάξει σε σχέση με το Σχήμα 5.3 είναι η θέση της ετικέτας (σε αυτό το παράδειγμα βρίσκεται στο σημείο x = 0m, y = 2m). Συνήθως τα συστήματα εντοπισμού RFID λειτουργούν υπό τέτοιες. Παρόλα αυτά προτείνεται η λήψη πυκνών δειγμάτων. 5.3 Πειράματα Για την αξιολόγηση της μεθόδου διεξάχθηκαν διάφορα πειράματα σε εσωτερικούς χώρους με εξοπλισμό που διατίθεται στο εμπόριο για εφαρμογές RFID χωρίς καμία τροποποίηση. Συγκεκριμένα έγιναν μετρήσεις στον διάδρομο που οδηγεί στο εργαστήριο μικροκυμάτων και στον ίδιο τον χώρο του εργαστηρίου. Το σύστημα υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τη συσκευή ανάγνωσης Speedway Revolution

55 5.3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ 45 Σχήμα 5.4: Αριστερά: διαφορά φάσης μεταξύ των στοιχείων της εικονικής στοιχειοκεραίας Δεξιά: RF ολόγραμμα με αραιή δειγματοληψία R420 της Impinj η οποία είναι συμβατή με τα πρότυπα EPC Gen2 και ISO C και μπορεί να υποστηρίξει τέσσερις κεραίες. Έπειτα από δοκιμές, παρατηρήθηκε πως η μετρούμενη φάση από τη συσκευή είναι ϕ = 2π ϕ αντί για ϕ που δεν είναι σύμφωνο με όσα αναγράφονται στο εγχειρίδιο της και ο θερμικός θόρυβος ακολουθεί κατανομή ϕ N (0, 0.1). Επιπλέον, ορισμένες φορές προστίθεται στη μέτρηση ο όρος ±π. Το πρόβλημα αυτό εντοπίζεται όταν για μικρή μετακίνηση της ετικέτας ( λ/4) η φάση αλλάζει δραματικά (> π) και είναι ένας ακόμα λόγος για την λήψη πυκνών δειγμάτων. Στη συνέχεια της εργασίας χρησιμοποιούνται οι διορθωμένες τιμές φάσης. Η κεραία που χρησιμοποιήθηκε είναι η Wide Range 70 o της Kathrein για UHF-RFID εφαρμογές η οποία έχει κυκλική πόλωση και λειτουργεί στην ευρωπαϊκή ζώνη συχνοτήτων ( MHz) και οι ετικέτες είναι EPC Gen2 UHF-RFIDs της Alien. Το λογισμικό για τη συλλογή των μετρήσεων είναι γραμμένο σε C#. (α) Impinj Speedway Revolution R420 (β) Kathrein UHF-RFID Antenna Σχήμα 5.5: Εξοπλισμός Πειράματος

56 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ Μετρήσεις στη μέση του δωματίου Τα πρώτα πειράματα έγιναν με την ετικέτα να βρίσκεται στη μέση του δωματίου ούτως ώστε να έχουμε όσο γίνεται λιγότερο ισχυρές ανακλάσεις από εμπόδια στο χώρο. Η κεραία τοποθετήθηκε σε τρίποδα ενώ η ετικέτα σε χάρτινο κύλινδρο ο οποίος στερεώθηκε πάνω σε ένα δεύτερο τρίποδα ώστε το ολοκληρωμένο κύκλωμα της να βρίσκεται στο ίδιο ύψος με το κέντρο της κεραίας. Στο έδαφος κάτω από την κεραία απλώθηκε μία μεζούρα κατά μήκος της οποίας θα πρέπει να κινηθεί η κεραία κατά τη λήψη των δειγμάτων. Για τη σωστή αντιστοίχιση των θέσεων της με τις τιμές του μέτρου κρεμάστηκε με σπάγκο ένα παξιμάδι βίδας από τον άξονα του τρίποδα της ως το πάτωμα. Η διεξαγωγή των πειραμάτων έγινε στους δύο προαναφερθέντες χώρους όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.6. (α) εργαστήριο μικροκυμάτων (β) διάδρομος πριν το εργαστήριο Σχήμα 5.6: Μετρήσεις στη μέση του δωματίου Μετρήσεις στο εργαστήριο μικροκυμάτων Στον χώρο του εργαστηρίου μικροκυμάτων πάρθηκαν μετρήσεις ανά 2cm από τη θέση x = 68cm, y = 0cm μέχρι την x = 68cm, y = 0cm σχηματίζοντας ένα συνθετικό διάφραγμα 136cm. Η ετικέτα τοποθετήθηκε αρχικά στη θέση με συντεταγμένες x = 7.5cm, y = 191.7cm. Στη συνέχεια μετακινήθηκε κατά 25cm και 50cm κάθετα προς το συνθετικό διάφραγμα, δηλαδή στις θέσεις με συντεταγμένες x = 7.5cm, y = 166.7cm και x = 7.5cm, y = 141.7cm. Σε όλες τις περιπτώσεις η συχνότητα λειτουργίας είναι 865.7MHz. Οι μετρούμενες τιμές των φάσεων παρουσιάζονται στο Σχήμα 5.7 και τα αντίστοιχα RF ολογράμματα στο Σχήμα 5.8. Η πραγματική θέση της ετικέτας σημειώνεται με μαύρο σταυρό ενώ η εκτιμώμενη θέση με μαύρο αστέρι. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στον Πίνακα 5.1 όπου χρησιμοποιήθηκε και η μέθοδος με τους συντελεστές βάρους η οποία οδήγησε σε χειρότερες εκτιμήσεις. Το σφάλμα θέσης υπολογίστηκε ως η απόσταση της εκτιμώμενης από την πραγματική θέση. Παρατηρούμε

57 5.3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ 47 πως όταν η κεραία είναι πιο κοντά στην ετικέτα η ακρίβεια δείχνει να βελτιώνεται. Αυτό δε συμβαίνει όμως πάντοτε καθώς σε κάποιες θέσεις μπορεί οι μετρήσεις να αλλοιώνονται σημαντικά από ανακλάσεις. Ελάχιστη απόσταση κεραίας-ετικέτας Σφάλμα Σφάλμα (με βάρη) 191.7cm cm cm 166.7cm cm cm 141.7cm cm cm Πίνακας 5.1: Σφάλμα εκτίμησης θέσης στη μέση του δωματίου (εργαστήριο) Σχήμα 5.7: Μετρήσεις (μπλέ) και θεωρητικές τιμές (μαύρο) της φάσης για (α) x = 7.5cm, y = 191.7cm (β) x = 7.5cm, y = 166.7cm (γ) x = 7.5cm, y = 141.7cm Σχήμα 5.8: RF ολογράμματα για (α) x = 7.5cm, y = 191.7cm (β) x = 7.5cm, y = 166.7cm (γ) x = 7.5cm, y = 141.7cm Μετρήσεις στον διάδρομο Το πείραμα επαναλήφθηκε στον διάδρομο έξω απ το εργαστήριο μικροκυμάτων όπου αυτή τη φορά λαμβάνονται πιο αραιά δείγματα. Συγκεκριμένα, το διάστημα δειγματοληψίας είναι 5cm και το συνολικό διάφραγμα έχει μήκος 120cm. Οι μετρήσεις πάρθηκαν συμμετρικά ως προς την ετικέτα, που τοποθετήθηκε στο x = 0cm. Η απόσταση της από τη μέση του συνθετικού διαφράγματος είναι y = 190cm, y = 150cm και y = 110cm. Η συχνότητα λειτουργίας είναι 865.7MHz. Το σφάλμα εκτίμησης για

58 48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ κάθε μία περίπτωση δίνεται στον Πίνακα 5.2, οι μετρήσεις φάσης στο Σχήμα 5.9 και τα RF ολογράμματα στο Σχήμα Οι εκτιμήσεις στην πρώτη και δεύτερη περίπτωση δεν είναι τόσο καλές και αυτό μπορεί να φανεί ήδη από της τιμές των μετρήσεων. Εκτός από την αλλοιωμένη μορφή, οι φάσεις από -60cm μέχρι -50cm θα έπρεπε να είναι περίπου ίσες με αυτές από 50cm μέχρι 60cm αφού η απόσταση από την ετικέτα είναι η ίδια. Αυτά τα αποτελέσματα ενδέχεται να οφείλονται στο μεταλλικό κουτί στο οποίο στηρίζεται ο κύλινδρος. Όταν η κεραία βρίσκεται μακριά από την ετικέτα τότε ένα μέρος του κουτιού εισέρχεται στο πεδίο ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να προκαλείται ισχυρή ανάκλαση. Ελάχιστη απόσταση κεραίας-ετικέτας 190cm 150cm 110cm Σφάλμα cm cm cm Πίνακας 5.2: Σφάλμα εκτίμησης θέσης στη μέση του δωματίου (διάδρομος) Σχήμα 5.9: Μετρήσεις (μπλέ) και θεωρητικές τιμές (μαύρο) της φάσης για (α) x = 0cm, y = 190cm (β) x = 0cm, y = 150cm (γ) x = 0cm, y = 110cm Σχήμα 5.10: RF ολογράμματα για (α) x = 0cm, y = 190cm (β) x = 0cm, y = 150cm (γ) x = 0cm, y = 110cm

59 5.3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ Μετρήσεις κοντά σε τοίχο Η δεύτερη σειρά πειραμάτων έγινε με την ετικέτα τοποθετημένη κοντά σε τοίχο όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.11 ώστε να διαπιστωθεί αν οι ανακλάσεις από αυτόν επιδρούν αρνητικά στην εκτίμηση θέσης. (α) εργαστήριο μικροκυμάτων (β) διάδρομος πριν το εργαστήριο Σχήμα 5.11: Μετρήσεις κοντά σε τοίχο Οι μετρήσεις πάρθηκαν συμμετρικά ως προς την ετικέτα (ίσος αριθμός μετρήσεων αριστερά και δεξιά), ανά διαστήματα 2cm και για μήκος διαφράγματος 100cm στην περίπτωση του εργαστηρίου μικροκυμάτων και ανά 5cm για μήκος 120cm στον διάδρομο. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις η συχνότητα λειτουργίας είναι 865.7MHz. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στους δύο πίνακες που ακολουθούν για διάφορες αποστάσεις μεταξύ κεραίας-ετικέτας και ετικέτας-τοίχου ενώ τα RF ολογράμματα δίνονται στα σχήματα 5.12 και Οι εκτιμήσεις είναι αρκετά καλές οπότε μπορούμε να συμπεράνουμε πως ο τοίχος δεν επηρεάζει σημαντικά την ακρίβεια της μεθόδου. Ελάχιστη απόσταση κεραίας-ετικέτας Απόσταση ετικέτας-τοίχου Σφάλμα 70cm 90cm 100cm 120cm 50cm 30cm 50cm 30cm cm cm cm cm Πίνακας 5.3: Σφάλμα εκτίμησης θέσης κοντά σε τοίχο (εργαστήριο) Ελάχιστη απόσταση κεραίας-ετικέτας Απόσταση ετικέτας-τοίχου Σφάλμα 187.5cm 177.5cm 10cm 20cm cm cm Πίνακας 5.4: Σφάλμα εκτίμησης θέσης κοντά σε τοίχο (διάδρομος)

60 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΟΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ Σχήμα 5.12: RF ολογράμματα στο εργαστήριο για απόσταση κεραίας-τοίχου: (πάνω) 120cm (κάτω) 150cm Σχήμα 5.13: RF ολογράμματα στο διάδρομο για απόσταση κεραίας-ετικέτας (α) 10cm (β) 20cm