estudio de algoritmos de localización en interiores, para tecnologías móviles de última generación

71 Pages·2012·1.06 MB·Spanish

Universidad Politécnica de Madrid
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación

ESTUDIO DE ALGORITMOS DE
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES,
PARA TECNOLOGÍAS MÓVILES DE
ÚLTIMA GENERACIÓN
TRABAJO FIN DE MÁSTER

Félix Barba Barba

2012

Universidad Politécnica de Madrid
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación
Máster Universitario en
Ingeniería de Redes y Servicios Telemáticos

TRABAJO FIN DE MÁSTER

ESTUDIO DE ALGORITMOS DE
LOCALIZACIÓN EN INTERIORES,
PARA TECNOLOGÍAS MÓVILES DE
ÚLTIMA GENERACIÓN
Autor
Félix Barba Barba

Director
Francisco González Vidal

Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos

2012

Resumen

El objetivo del presente trabajo es llevar a cabo un estudio de los principales
algoritmos y técnicas auxiliares de posicionamiento aplicables en entornos de interior
(edificios, etc), y que sean aptos para tecnologías móviles de última generación.
Lo que se pretende es poner de relieve las ventajas e inconvenientes de cada uno de
estos algoritmos, teniendo como motivación final su aplicabilidad al mundo de las
redes móviles 3G y 4G, y en especial a las femtoceldas y small-cells LTE; y teniendo
siempre presente que el objetivo último es usarlos en interiores de edificios.
Obviamente, para alcanzar a comprender en todo su alcance cada uno de los
aspectos a estudiar, se necesita previamente revisar el panorama general relativo al
posicionamiento vía radio, en general, y a los aspectos específicos de los interiores de
edificios en particular.
Por otro lado, aunque el estudio se centre en las tecnologías para móviles, se
abarcarán dentro de él otras tecnologías radio que puedan ser de aplicación en
interiores, como puedan ser el WiFi, etc. por haber sido empleadas en trabajos previos
que resulten de utilidad para el presente estudio.
Uno de los objetivos del trabajo es identificar el estado del arte actual del asunto, a
la par que se intenta llevar a cabo una comparativa lo más amplia posible, poniendo de
relieve los puntos fuertes y las debilidades de otros trabajos llevados a cabo hasta el
momento presente.
Como se verá, a lo largo del trabajo se pone de manifiesto que las técnicas más
usadas actualmente en este terreno son las que se agrupan bajo la identificación de
“fingerprinting”, y que consisten en deducir la posición de un terminal comparando
las medidas tomadas en el momento de llevar a cabo el posicionamiento con otras
medidas previas de referencia que constituyen la huella frente a la que comparar. Por
tanto, este tipo de técnicas serán estudiadas en mayor profundidad que las restantes.
Un segundo objetivo del trabajo, no menos importante, será el de identificar algunos
campos o facetas que no hayan sido suficientemente investigados, que presenten
lagunas o que generen controversias, proponiendo posibles sendas a seguir en futuros
trabajos sobre este mismo asunto.
i
A lo largo del presente trabajo se irá haciendo revisión de todos los aspectos
relacionados con los mecanismos de posicionamiento, que constituye la base sobre la
que se cimentan las aplicaciones de localización (conocimiento personal del lugar
donde uno mismo se encuentra), monitorización (conocimiento por terceros del citado
lugar) y seguimiento (monitorización prolongada en el tiempo). Sin embargo, el
esfuerzo mayor se realizará en el estudio de los aspectos aplicables a la localización.

ii
Abstract

The objective of this work is to carry out a study about the main algorithms and
auxiliar techniques related with indoor positioning (buildings, etc) suitable to be used
with last generation mobile technologies.
This study is done trying to highlight the advantages and disadvantages of each of
these algorithms, having as final motivation their applicability in the world of 3G and
4G mobile networks, and especially in femtocells and small-cells of LTE; and having

always in mind that the final aim is to use it in indoor environments.
Obviously, to realize the full extent of each one of the aspects to consider, is a prior
requirement to have an overall picture in relation with wireless positioning, in general,
and with the specific aspects to be applied indoor in particular.
Furthermore, although the study is focused on mobile technologies, it will be also
covered other wireless technologies that can be applied indoor, like WiFi, etc, because
they were employed in previous works useful for the present study.
Another objective of this study is to identify the indoor positioning state of the art,
at the same time that the broadest possible comparison is carried out, detecting
strengths and weaknesses of other works previously done.
Throughout this document it will be seen that most frequently currently used
techniques in this area are grouped under the common identification of
“fingerprinting”, a group of methods that base the deduction of the position of a
mobile terminal by the comparison of measurements taken just in the moment to
perform the positioning, against other previously taken measurements used as a
fingerprint reference to compare. Therefore, these techniques will be studied deeper
than the rest of them.
A second objective of the work, as important as the first, will be to identify areas or
aspects that have not been investigated enough, presenting empty or controversial
aspects, in order to suggest possible ways to follow in other future works about this
subject.
Along this paper, it will be done also a review of every aspect related with the
positioning mechanisms, that are the base over which to build applications regarding
location (personal knowledge about where you are), monitoring (third party
iii
knowledge about where you are) and tracking (monitoring during the time). However,
the bigger effort will be done in the study of aspects applicable just to location.

iv
Índice general

Resumen..................................................................................................................................i
Abstract..................................................................................................................................iii
Índice general.........................................................................................................................v
Índice de figuras...................................................................................................................ix
Siglas......................................................................................................................................xi
1 Introducción...................................................................................................................1
1.1 Motivación.............................................................................................................3
1.2 Objetivos................................................................................................................4
2 Aspectos generales relativos a la localización radio................................................5
2.1 Arquitecturas básicas de posicionamiento.......................................................5
2.2 Exactitud, precisión y tolerancia de la medida................................................7
2.3 Técnicas de posicionamiento..............................................................................9
2.3.1 Técnicas basadas en la triangulación.............................................................9
2.3.2 Técnicas basadas en el análisis del escenario (fingerprinting).................13
2.3.3 Técnicas de proximidad................................................................................14
2.4 Representación de la localización.....................................................................15
2.4.1 Localización Física o Real..............................................................................15
2.4.2 Localización Simbólica..................................................................................16
3 Aspectos concretos para la localización radio en interiores..................................18
3.1 Aplicabilidad en interiores de las técnicas de posicionamiento..................18
3.2 Tecnologías radio disponibles para la localización en interiores................19
3.2.1 Redes de comunicaciones móviles. Femtoceldas y LTE...........................19
3.2.2 Redes inalámbricas de área local. WiFi.......................................................20
3.2.3 Redes de área personal. Bluetooth y ZigBee..............................................20
3.2.4 Otras tecnologías............................................................................................21
v
3.2.5 Consideraciones para la selección de la mejor tecnología........................21
3.3 Características relativas a la propagación de la señal radio.........................22
4 Localización en interiores mediante RSS-Fingerprinting......................................24
4.1 Introducción........................................................................................................24
4.2 Fase offline o de calibración..............................................................................26
4.2.1 Método empírico. Recolección de medidas en el escenario.....................27
4.2.2 Simulación. Parametrización de los modelos de propagación................27
4.3 Fase online...........................................................................................................29
4.3.1 Vecinos más cercanos. Método kNN...........................................................29
4.3.2 Redes Neuronales...........................................................................................30
4.3.3 Máquina de vectores de apoyo. SVM..........................................................31
4.3.4 Menor Polígono de M-vértices. SMP...........................................................32
4.3.5 Métodos probabilísticos................................................................................32
5 Técnicas auxiliares.......................................................................................................33
5.1 Mejoras frente a la variabilidad temporal de la señal...................................33
5.2 Mejoras frente a fallos de estaciones emisoras o ataques maliciosos..........35
5.3 Otras técnicas de mejora y refinamiento de la posición................................35
a) Adición de triangulación en sentido uplink...................................................35
b) Adición del fingerprinting ambiental..............................................................36
c) Acelerómetros y otras ayudas...........................................................................37
6 Prestaciones y resultados...........................................................................................38
6.1 Criterios para la comparación...........................................................................38
6.1.1 Exactitud y precisión.....................................................................................38
6.1.2 Complejidad....................................................................................................39
6.1.3 Robustez..........................................................................................................39
6.1.4 Escalabilidad...................................................................................................40
6.1.5 Coste.................................................................................................................40
6.1.6 Densidad..........................................................................................................40
6.2 Comparativa. Resultados..................................................................................41
7 Posibles tecnologías y arquitecturas para despliegues..........................................46
7.1 Tecnologías radio para localización en interiores..........................................46
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