Sistema y procedimiento de localización basados en medidas pasivas de diferencias temporales tomadas a partir de escuchas de tiempo de llegada de otros nodos.

Procedimiento destinado a obtener la localización de un nodo (denominado nodo pasivo) a partir de las peticiones de localización realizadas por un subconjunto de nodos de la misma red (denominados nodos activos). La red en la que operan los nodos debe ser una red de difusión y por tanto operar mediante un mecanismo de acceso compartido. Los nodos activos, es decir, aquellos que inician un intercambio de mensajes con la red para conocer su posición, emplean una técnica de localización basada en la estimación del tiempo de ida y vuelta entre el nodo y un elemento de red (típicamente punto de acceso o estación base). El procedimiento presentado permite la localización de nodos de forma pasiva, transformando las medidas de tiempo con las que operan los nodos activos, en diferencias temporales en los nodos pasivos. Dichas diferencias temporales serán calculadas por el nodo pasivo al escuchar los mensajes intercambiados entre los nadas activos y la red. Por tanto el nodo pasivo no generará señalización ni tráfico alguno en la red para obtener su posición

Sistema y procedimiento de localización basados en medidas pasivas de diferencias temporales tomadas a partir de escuchas de tiempo de llegada de otros nodos.

Sector de la técnica

Comunicaciones móviles. Geolocalización. Ingeniería telemática.

Estado de la técnica

Actualmente son muchas las técnicas de localización que pueden emplearse para determinar la posición de un nodo en redes celulares. Todas ellas presentan capacidades muy dispares en cuanto a precisión, cobertura, integridad, consistencia y escalabilidad. Los distintos organismos encargados de regular el funcionamiento de las redes inalámbricas se han esforzado en estandarizar las más prometedoras, procurando unos niveles adecuados de calidad de servicio.

Las técnicas de localización pueden clasificarse según múltiples parámetros. Uno de ellos, quizás el más discriminante, es el tipo de entorno en el que se van a posicionar los nodos. En este sentido, se diferencia entre técnicas concebidas para la localización en exteriores y las desarrolladas para interiores. La localización en exteriores ha sido ampliamente tratada y existen en la actualidad múltiples soluciones regladas para su consecución, entre las que destaca la familia de soluciones basadas en la tecnología GPS. Sin embargo, la localización en interiores presenta un conjunto de características diferenciadoras. La primera es que las señales procedentes de redes celulares públicas se encuentran obstruidas por múltiples elementos, haciendo que múltiples técnicas viables para exterior presenten grandes problemas para la localización en interior. Un ejemplo claro se puede apreciar en la tecnología GPS, cuya utilización en espacios de interior resulta poco conveniente debido al escaso nivel de señal recibido en este tipo de entornos. Además, los entornos de interior presentan otra cualidad a la que deben hacer frente las técnicas de localización destinadas a posicionar en este tipo de entornos: las pérdidas por multicamino. Es un hecho que los espacios de interior hacen que los fenómenos de difracción y reflexión de la señal se potencien con respecto a sus homónimos en exterior. Otro problema al que deben hacer frente las técnicas de posicionamiento en interiores es la necesidad de una gran precisión. Por ejemplo, un error de 10 metros, valor normalmente aceptado en exterior, puede significar que un nodo esté situado en otro edificio, en un entorno de interior.

De esta forma, se han desarrollado múltiples técnicas de localización específicas para el entorno de interior, cuyo cometido es hacer frente a los problemas anteriormente citados. Existen múltiples soluciones en este campo, si bien las más empleadas son las basadas en tres familias:

• Soluciones basadas en identificación de celda. Se basan en identificar el elemento de red al que el nodo se conecta y estimar su posición a partir de la posición de dicho elemento de red.

• Soluciones basadas en huellas de señal. Este tipo de técnicas establecen dos procesos. Una primera etapa llamada de entrenamiento, en la que se mide un conjunto de puntos representativo de la zona a posicionar. Las medidas realizadas competen al nivel de señal recibido en un punto por parte los distintos elementos de red que están al alcance del receptor empleado. Esos datos conformarán una base de datos, empleada en la posterior etapa. En condiciones de funcionamiento, un nodo realiza las mismas medidas que las realizadas en la etapa de entrenamiento y se envían dichas medidas a una entidad de red, cuyo cometido será comparar las medidas enviadas con los datos guardados en la base de datos. En función de un cierto algoritmo se estimará cual es la posición más probable para las medidas enviadas.

• Soluciones basadas en el modelado del canal radio. Este tipo de soluciones calculan la distancia entre dos elementos de red a partir de la potencia recibida en uno de ellos. Para ello se requiere de un preciso modelo de canal radio, que permita estimar la pérdida por propagación a partir de la distancia que separa ambos elementos de red. Debe notarse que, pese a que la potencia recibida es un valor normalmente accesible en todos los sistemas de comunicaciones, es muy dependiente del entorno y que por lo tanto el establecimiento de un modelo de canal preciso es una tarea difícil de efectuar.

• Soluciones basadas en tiempo de llegada. Se basan en medir la distancia entre el nodo y un elemento de red (típicamente un punto de acceso) a partir del tiempo que tarda una cierta señal en cubrir dicha distancia. Para ello se requiere de una red sincronizada. La necesidad de sincronismo se puede obviar calculando los tiempos en el nodo empleando una estrategia de ida y vuelta, es decir medir dos veces el tiempo de transito de la señal [US20070002813].

El procedimiento presentado es especialmente adecuado para localización en interiores aunque también aplicable a exteriores y se basa en la familia de técnicas de tiempo de llegada. Este tipo de técnicas miden la distancia desde un nodo a un conjunto de elementos de red para luego estimar la posición del nodo mediante técnicas de triangulación. Normalmente, para un posicionamiento en 2 dimensiones se requiere que el nodo reciba señal de al menos 3 elementos de red. Esta necesidad se traduce en dos problemas. El primero es que todo nodo que desea conocer su localización, genera un intercambio de señalización (tráfico) con múltiples elementos en la red. El número de elementos con los que se intercambia información es variable. Toda esta señalización generada por el nodo merma la capacidad de la red, pudiendo limitar la escalabilidad del sistema. El segundo problema es que si no se alcanza el número mínimo de 3 elementos de red con los que comunicarse, el posicionamiento no puede llevarse a cabo. De esta forma, es posible que se generen zonas oscuras en las que hay comunicación con la red pero no es posible la localización de nodos. Debe notarse que las zonas oscuras en posicionamiento pueden surgir de una mala planificación (número de elementos de red visibles inferior al requerido por la técnica de localización) o bien de problemas con la integridad del sistema: fallo en alguno de los elementos de red.

La presente invención propone un procedimiento con el que maximizar la cobertura, integridad y escalabilidad de las técnicas de localización basadas en tiempo de llegada en redes no síncronas.

Referencias

[US20070002813] Nathan Edward Tenny and Farrokh Khatibi, "Apparatus and method for determining WLAN Access point position". Patente publicada el 4 de enero de 2007.

[EURASIP2008] Israel Martin-Escalona, Francisco Barcelo-Arroyo, "A new time-based algorithm for positioning mobile termináis in wireless networks", Cooperative Localization in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, edición especial dentro de la revista EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, vol. 2008, Marzo de 2008.

[SAYED03] Ali H. Sayed, "Fundamentáis of Adaptive Filtering", John Wiley & Sons, 2003.

Descripción

La mayor parte de las redes desplegadas en interiores (basadas en su mayoría en la tecnología 802.11), operan de forma asíncrona. Este hecho condiciona el cálculo del tiempo de tránsito de una señal, puesto que todos los cálculos efectuados deben tener la misma base de tiempo para poder aplicar un algoritmo de triangulación. Para hacer frente a este inconveniente, las técnicas basadas en el cálculo del tiempo de tránsito operan mediante procedimientos de ida y vuelta [US20070002813]. De esta forma el emisor envía un mensaje al receptor y este al recibirlo lo vuelve a reenviar al emisor. Al ser el emisor el que genera el mensaje y el que finalmente lo recibe, puede computar la medida del tiempo de transito con independencia del reloj empleado en el elemento receptor en la red, mediante la ecuación

donde d indica la distancia entre los dos elementos, τ el tiempo empleado por la señal en ir desde el emisor hasta el receptor y desde el receptor al emisor y c representa la velocidad de propagación de la señal emitida.

El sistema presentado está destinado a obtener la localización de un nodo, que se denominará nodo pasivo, a partir de las peticiones de localización en curso generadas por subconjunto de nodos de la misma red, llamados nodos activos. Los nodos activos emplean una técnica basada en el cálculo...

1. Procedimiento para el cálculo de la posición de un nodo inalámbrico en redes de difusión con acceso compartido al medio, caracterizado por el hecho de comprende las etapas de: