Sistemi di posizionamento indoor ad alte prestazioni con forme d'onda ispirate ad OFDM

Abstract

Negli ultimi anni il nostro modo di muoverci in esterni è stato rivoluzionato da una serie di fattori, di cui i principali sono: la disponibilità di dispositivi portatili ad alte prestazioni (come smartphone e tablet); la disponibilità di reti di comunicazione ad alta velocità. Tutto questo ha reso possibile la nascita e proliferazione di servizi basati sulla posizione dell’utente, chiamati LBS (Location Based Services), atti a fornire una serie di informazioni geolocalizzate utili, basti pensare ai servizi offerti da Google, TripAdvisor, Meteo, Booking, ecc. È evidente che i servizi basati sulla posizione risultano attraenti sia per l’utenza, che ne chiede sempre di nuovi, sia per le aziende, sempre alla ricerca di modi per soddisfare i clienti ed aumentare il volume di affari. Questo ha determinato un grande sviluppo dell’intero settore, le stime parlano di un ritmo di crescita annuo del 38%, con tendenza a crescere nei prossimi anni. Questo enorme interesse collettivo sta creando i presupposti per l’espansione dei servizi LBS anche negli ambienti chiusi. Al momento, infatti, essi sono disponibili all’aperto dove si ricorre alla localizzazione tramite le reti mobili e, per avere una maggiore precisione, al ricevitore GPS incorporato. L’indisponibilità di segnale GPS all’interno di edifici comporta l’utilizzo delle sole reti mobili per la localizzazione, con una precisione spesso insufficiente per una piena fruibilità del servizio. Si pensi ad un museo che voglia rendere disponibile la guida multimediale, per mezzo di una app su cellulare, in grado di riconoscere automaticamente la posizione dell’utente e proporgli la descrizione dell’opera a lui vicina. Utilizzando la localizzazione tramite le reti mobili la precisione ottenibile è quella dettata dal FCC (Federal Communications Commission) che nell’ultima revisione del documento di specifica del servizio E911 richiede una precisione di localizzazione di 50 m. Questa precisione, nel caso specifico del museo, non consente l’erogazione del servizio di guida multimediale, è quindi necessario poter disporre di altri sistemi di localizzazione in grado di offrire una precisione sufficiente. Se a questo si aggiunge il fatto che gli utenti trascorrono in luoghi chiusi gran parte del loro tempo, più dell’80% negli USA secondo Mobile Marketing Watch, si comprende come la ricerca nella localizzazione indoor stia crescendo molto. Questo è testimoniato anche dall’interesse che grandi aziende di ICT (Information and Communications Technologies) come la Apple, Google o Microsoft dimostrano con l’acquisizione di aziende operanti nel settore o l’avvio di progetti in quell’ambito. Nel 2013, ad esempio, la Apple ha acquisito per venti milioni di dollari una compagnia che aveva messo a punto un sistema di localizzazione indoor, con la risoluzione di 2.5 m, basato sulla misura del segnale Wi-Fi, senza bisogno di hardware aggiuntivo. Nel 2014 Google ha ufficializzato l’esistenza di un nuovo progetto di ricerca denominato “Tango” rivolto alla divulgazione di una nuova tecnologia brevettata da impiegare su tablet e smartphone allo scopo di dotarli di sensori e capacità per poter determinare lo spazio circostante e la loro posizione all’interno di esso. Nel 2014 Microsoft ha avviato una competizione internazionale annuale per determinare la migliore tecnologia di localizzazione indoor. In questo momento un sistema di localizzazione indoor universalmente riconosciuto, come lo è il GPS per la localizzazione outdoor, non esiste; esiste una moltitudine di sistemi e tecniche diverse, ognuno con le sue caratteristiche, i suoi punti di forza e i suoi aspetti negativi. Per tutti questi motivi la ricerca in questo settore è molto aperta. Il lavoro svolto durante il triennio dottorale, ed illustrato in questa tesi, può essere inquadrato in quest’ottica, infatti, è stato rivolto allo studio e realizzazione di un sistema di posizionamento indoor ad alte prestazioni tramite l’utilizzo di segnali a radiofrequenza multiportante ad ampia larghezza di banda con forme d’onda ispirate ad OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation). Il primo capitolo descrive le principali tecniche di localizzazione e le tecnologie trasmissive utilizzate. Segue quindi una rassegna su alcuni sistemi di localizzazione commerciali. Il secondo capitolo descrive il sistema proposto, cominciando dall’architettura e dalla banda radio da utilizzare per poi descrivere il fenomeno del multipath e infine calcolare il limite teorico di prestazioni del sistema. Il terzo capitolo descrive il simulatore, realizzato in ambiente Matlab, utilizzato per simulare i modelli messi a punto e verificare le prestazioni del sistema prima dell’implementazione. Il quarto capitolo descrive come il sistema è stato realizzato, quali apparati sono stati utilizzati e come sono stati configurati. Il quinto capitolo riporta i risultati sperimentali, sono mostrati i risultati delle misure di multipath e delle misure di localizzazione. Il sesto capitolo riporta il confronto fra due sistemi di posizionamento indoor basati su misure TDOA (Time Differences Of Arrival). Il primo sistema è del tipo LTE (Long Term Evolution) in cui la misura di posizione rispetto all’infrastruttura può essere effettuata contemporaneamente su tutti gli apparati. Il secondo sistema è del tipo 802.11ad e fa uso della tecnica FTM (Fine Timing Measurement) in cui la misura di posizione rispetto agli elementi fissi dell’infrastruttura viene effettuata in modo sequenziale. Il settimo capitolo è dedicato alle conclusioni. Nell’ottavo capitolo è riportata una breve descrizione della modulazione OFDM, del sistema LTE e del sistema Wi-Fi.