2.2.1 Conceitos de ponto de passagem
O posicionamento por ponto de passagem é um conceito simples de localização por zonas e de relatórios de presença de objetos tagged (com etiquetas), utilizando apenas a identi- ficação perante um sensor conhecido [RG09]. Este é geralmente o caso dos sistemas de identificação por radiofrequência passiva Radio-Frequency IDentification (RFID), embora também possa ser usado com outras tecnologias. O funcionamento de tais abordagens requer que os dispositivos passem por alguma passagem estreita, que por sua vez está equipada com sensores que detetam os dispositivos. Num sistema passivo RFID, caso a passagem seja larga existe a possibilidade de passar num ponto que se encontra fora do alcance.
2.2.2 Ângulo de chegada
O Angle of Arrival (AoA)(ângulo de chegada) é o ângulo a partir do qual um sinal chega a um recetor. O AoA geralmente é determinado medindo a diferença de Time Difference
of Arrival (TDOA) (tempo de chegada) entre várias antenas numa matriz de antenas. A
direção de um sinal de entrada pode ser calculada explorando e detetando a diferença de fase entre antenas [SW10]. O AoA é normalmente utilizado juntamente com triangulação para encontrar a localização relativa a dois beacons. Um exemplo de uma solução comer- cial que usa AoA é o sistema HAIP da Quuppa, onde pode ser alcançada uma precisão de posicionamento de 0,5 a 1 m [Bel+09]. Esta solução requer um dispositivo de hardware específico, que contém 16 antenas dispostas em matriz, e uma tag especial que usa sinais Bluetooth.
A estimativa do AoA pode ser obtida usando pelo menos um par de antenas. Quando o número de antenas é superior a dois, o AoA pode ser estimado conjuntamente obtendo-se um melhor desempenho [YS15].
2.2.3 Tempo de Chegada
O Time of Arrival (ToA)(tempo de chegada) é a quantidade de tempo que um sinal leva para se propagar do transmissor ao recetor. Como a velocidade de propagação do sinal é aproximadamente constante e conhecida (ignorando as diferenças introduzidas pelos meios de propagação), o tempo de viagem de um sinal pode ser usado para calcular uma estimativa da distância. Múltiplas medições podem ser combinadas com trilateração e multilateração para estimar a localização do recetor, tal como é feito no sistema GPS. Os sistemas que utilizam ToA, geralmente requerem um mecanismo de sincronização para manter os relógios dos sensores sincronizados (e.g. usando repetidores para estabelecer emparelhamento) [BM14].
A precisão dos métodos baseados em ToA sofre frequentemente pelos efeitos de múlti- plo caminho, que são causados pela reflexão e difração do sinal em objetos (por exemplo, paredes interiores, portas ou mobiliário) no ambiente. No entanto, é possível reduzir o efeito do multicaminho aplicando técnicas de dispersão temporal ou espacial [Com+11; Pou+12].
A distância pode ser calculada usando o tempo de viagem multiplicado pela velo- cidade da luz. Para isso requerem-se pelo menos três âncoras para ter a localização no plano-domínio 2D e quatro âncoras para localização 3D. A precisão do posicionamento é definida pela largura de banda de um sinal, e pela taxa de amostragem [AP03]. Tal como está ilustrado na figura 2.2, quando o sinal é amostrado no recetor, existe um erro de estimação do ToA que é tanto menor quanto menor for o período de amostragem e a duração do impulso de sinal (i.e. maior largura de banda). Por exemplo, num sistema sem fios com 10 MHz de largura de banda é amostrado com uma frequência de amostragem de pelo menos 20 MHz e só pode medir a duração de tempo com uma resolução de até 1 ∗ 10−7s. Portanto, o erro máximo de distância é de até 3 ∗ 108∗10−7= 30m. Quando o sistema possui uma largura de banda de 1 GHz, o recetor pode medir até uma resolução de 1 ∗ 10−9s, de modo que o erro máximo na distância é inferior a 30 cm.
As soluções populares atuais aplicadas a ToA são sistemas de UWB [Dar+09]. A precisão que um sistema UWB pode alcançar é de até 1 cm [Liu+07]. No entanto, requer uma largura de banda muito grande, bem como o desenho de hardware específico para suportar a localização, o que resulta num custo de hardware elevado. [YS15].
2.2.4 RSSI - Indicação da intensidade do sinal recebido
A Received Signal Strength Indicator (RSSI)(Indicador de Potência do Sinal Recebido) é uma medição do nível de potência recebida. Como as ondas de rádio se propagam de acordo com leis da física, sabendo o meio de propagação, a distância pode ser aproximada
Figura 2.2: Ilustração do impacto da taxa de amostragem face às oscilações do sinal recebido [YS15]
pela equação (2.1) [Red], onde Pr é a Potência recebida, Pt é a Potência transmitida, Gr é o Ganho da antena recetora, Gt é o Ganho da antena de transmissão, λ representa o comprimento de onda e γ representa o Path Loss Exponent (PLE) (Expoente de Perdas ao longo do percurso) que modela a influência do meio de propagação.
Pr= PtGtGr λ 4π 2 1 dγ onde γ < 2 em corredores γ = 2 em espaço aberto γ > 3.5 ∨ γ < 4 em ambientes urbanos γ = 5 com forte atenuação
, (2.1)
O interior dos edifícios não é um ambiente de espaço livre, de modo a que a pre- cisão é significativamente afetada pela reflexão e absorção das paredes. Os objetos não- estacionários como portas, móveis e pessoas podem representar um problema ainda maior, pois podem afetar a potência do sinal de forma dinâmica e imprevisível.
Muitos sistemas usam uma infraestrutura WiFi existente para fornecer informações de localização [Cha+10; Chi+10; Lim+10]. Infelizmente, as medições da potência do sinal WiFi apresentam bastante ruído, por isso existe bastante investigação em curso que se foca em fazer sistemas mais precisos usando estatística e métodos para filtrar os dados [Zho+15]. Esta dissertação revê no capítulo 4 vários algoritmos e propõe um novo, precisamente com este objetivo. Alguns sistemas de posicionamento WiFi por vezes são usados outdoor juntamente com GNSS nos dispositivos móveis, onde permitem melhorar a precisão de localização.