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Outras Técnicas de Localização Física
20 de dezembro de 2005

Em um artigo anterior, vimos que, além do GPS, existem outras técnicas de localização de um dispositivo. Neste pequeno artigo veremos mais algumas técnicas, muito usadas nos sistemas celulares e em redes locais. 

1.      Localização Física em Redes locais

            Em redes 802.11b, a localização de um móvel pode ser calculada através de um algoritmo [KISH01]. Primeiramente interceptam-se cada par de círculos com o objetivo de obter um ponto situado exatamente no centro da região de sobreposição dos dois círculos (Figura 1). Se os círculos não intercedem, uma linha é construída unindo seus centros e, conseqüentemente, um ponto é escolhido na linha em proporção ao raio dos dois círculos (exemplo, se o círculo 1 tem raio 2, circulo 2 raio 3, e o centro dos dois estão separados por uma distância de 6, então o ponto central será escolhido (2/5)*6 de distância do centro do círculo 1). Dos pontos resultantes, deduz-se onde o usuário está localizado.  Para completar, submete-se o grupo de pontos a um algoritmo de agrupamento recursivo.

Figura 1: Localização em 802.11 [KISH01]

A operação do algoritmo é relativamente direta. Se o número dos pontos no grupo for 3, 2, ou 1, o caso básico emite um centróide do triângulo, um ponto médio, ou um único cálculo do ponto (respectivamente). De outra forma, um algoritmo de agrupamento é designado a quebrar os pontos em um, dois, ou três novos grupos. Se o resultado da aglomeração render um único conjunto, a recursão dividirá o grupo dos pontos na metade e recursará na outra metade arbitrariamente. A perda de exatidão neste caso é insignificante.

O centro do conjunto e dos dois conjuntos de pontos separados é aproximadamente equivalente; os dois conjuntos de pontos separados no caso de divisão forçada serão acoplados firmemente (como uma otimização, as tentativas futuras de se aglomerar são evitadas, uma vez que o algoritmo acredita que todos os pontos pertencem a um único conjunto; cada metade dos pontos restantes é subdividida melhor que aglomerada). O algoritmo pára quando a recursão alcança um dos casos previamente mencionados. Idealmente, o ponto retornado é uma aproximação razoável da posição verdadeira do usuário.

2.  Localização em Redes Celulares baseadas em RF

Existem várias técnicas diferentes que podem ser utilizadas para localizar um dispositivo celular. Soluções baseadas em infra-estrutura funcionarão com os handsets existentes por localizá-los baseando-se em suas características de transmissão [KAIN02]. A posição de localização é gerada através de qualquer um ou combinação dos seguintes métodos. 

a. Método do Ângulo de Chegada

Uma das mais conhecidas abordagens ao problema da localização é através da utilização do Ângulo de Chegada (AOA), ou seja, o cálculo do ângulo com que determinado sinal chega às antenas. Também conhecido como Diferença de Chegada (DOA), o AOA é determinado pela variação de fase dos sinais recebidos ao longo de um grupo de antenas [UEVO03].

A localização de um alvo desejado, em duas dimensões, pode ser encontrada pela interseção de duas linhas de direção, cada uma formada por uma radial da estação base ao alvo móvel (Figura 2).
 

Figura 2: Métodos AOA [KHOK01] 

Antenas altamente direcionais são necessárias, tornando o AOA difícil no aparelho de comunicação móvel. Esse método deve usar ao menos três estações base e dois ângulos medidos para determinar a localização do móvel na interSeção dos dois círculos. Este método, conhecido como triangulação, pode ser resolvido através de trigonometria, geometria analítica ou procura em tabelas prontas [KHOK01]. Ao adicionar mais locais à leitura do AOA, aumenta-se cada vez mais a precisão da estimação da fonte do sinal.

     b. Métodos Tempo de Chegada e Diferença de Tempo de Chegada

No método Tempo de Chegada (TOA), a distância do transmissor até à antena base pode ser calculada através da interpretação do tempo de chegada da propagação de um sinal em cada receptor. Alternativamente, pode ser calculada a distância entre transmissores e um receptor de sinal (Figura 3). A TOA de cada sinal é comparada com o tempo (conhecido) de transmissão de cada transmissor [UEVO03].
 

Figura 3: Método Tempo de Chegada [KAIN02]

A medida direta de TOA resulta em dois problemas:

• O TOA necessário em todos os transmissores e receptores devem ter relógios sincronizados precisamente (por exemplo, a imprecisão de apenas 1ms pode causar um erro de localização de 300m).

• O sinal transmitido deve ser marcado por um rótulo de tempo para que o receptor calcule a distância percorrida pelo sinal.

No método de Diferença de Tempo de Chegada (TDOA), os sistemas usam um Transmissor de Radio Freqüência (TFR) no dispositivo móvel e receptores em várias antenas utilizadas como estações base (Figura 4). O TFR emite sinais que são modulados com largura de banda suficiente de modo a fornecer uma precisão temporal alta (inversamente proporcional à largura de banda), obtendo assim, uma boa precisão na estimativa da localização desejada.

Nesta abordagem, a diferença de tempos de chegada do sinal a diferentes locais pode estimar diferenças de alcance. Quando três ou mais estimativas de diferentes locais estão disponíveis, a localização pode então ser calculada. Esta tecnologia requer a construção de uma infra-estrutura separada de antenas emissoras ou receptoras e/ou a instalação de transmissores em cada dispositivo móvel. A precisão deste tipo de tecnologia é determinada pelas limitações de largura de banda do sinal, bem como pela precisão do sistema e pelo ambiente em que o sinal se propaga.

 

Figura 4: Método Diferença do Tempo de Chegada [KHOK01]

Outras desvantagens incluem a extrema precisão temporal necessária em cada receptor, à necessidade de recalibrar estes mesmos receptores devido a diferentes influências no sinal e à necessidade de enviar a informação do TOA (bem como o padrão do sinal) para um processador central. A principal vantagem da TDOA é o fato de não ser estritamente necessário modificar os dispositivos móveis e a sua precisão ser de cerca de 125 metros [UEVO03].

            Muitas vezes o TDOA é preferível ao TOA porque, em diversas implementações, menos dados devem ser trocados na interface aérea (carga de comunicação) e a computação do TDOA é realizada em um processador central [KAIN02]. 

c. Diferença de Tempo Observada

A diferença de tempo observada (OTD) é um método baseado no móvel, desde que um host móvel execute as medidas dos sinais de rádio da rede. O OTD medido na estação móvel é definido como o intervalo do tempo entre a recepção dos sinais de duas estações bases diferentes (Figura 5) [EBLI01].
 

Figura 5: Método Diferença de Tempo Observada [EBLI01]

 

Referências 

[EBLI01] Ebling, Maria R.; Hunt, Guerney D. H.; Lei, Hui. Issues for Context Services for Pervasive Computing. Alcatel Telecommunications Review, p.71-76, jan. 2001. 

[KAIN02] Kain, Carl W. Location-Based Wireless Services: Finding People Everywhere. S-Mitretek Technology Summaries. Primavera, 2002. Disponível em <http://www.mitretek.org/pubs/Sigma_Pubs_spring02/>.. Acesso em 01/05/2003. 

[KHOK01] Khokhar, Sarfraz. Which Location-Estimation Technologies Meet Market Needs? Bussiness Geographics, Março/Abril, 2001. Disponível em: <http://www.geoplace.com/bg/2001/0401/0401tt.asp> . Acesso em:05/05/2003. 

[KISH01] Kishan, Arun et al. Halibut: An Infrastructure for Wireless LAN Location-Based Services. Relatório Técnico, 2001. Disponível em: <http://fern2.stanford.edu/cs444n/> . Acesso em 01/03/2003. 

[UEVO03] UEVORA. Acesso à Informação a Qualquer Hora, em Qualquer Lugar - Estado Presente e Visão Futura do Wireless. Relatório Técnico. Disponível em: <http://www.alunos.uevora.pt/~l12059/es/t3/index.html> . Acesso em 01/05/2003.