Solutions de geo localisation

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Solutions de géo localisation

Au centre du cycle Projet

ETIC Consulting&Developpement Page N°2

Qu’est ce que la géolocalisation indoor ?

Localisation d'un élément (objet, personne) sur une carte à l'aide de positionsgéographiques

Techniques possibles :

• Réseaux de capteurs (RFID passive, « smart floor », infrarouge, ultrasons)

• Réseaux de communication (Wifi, Bluetooth, ZigBee, RFID active, UWB,…)

• Réseaux mobiles (GSM Cell-ID, E-OTD, DECT,…)

Techniques satellitaires (A-GPS, répéteurs GPS, HS-GPS,…)

Méthodes de localisation :

• statique : une position à un instant précis (ex: RFID passive, capteur pression)

• dynamique : suivi en temps réel > RTLS (Real Time Location System)

– par cellule. ex: RFID, GSM Cell-ID, infrarouge, ultrasons

– par indication de puissance des signaux reçus des points d'accès > RSSI (ReceivedSignal Strength Identification). ex: RFID, Wifi, Bluetooth, ZigBee, GSM

– par mesure du temps de propagation des ondes >TDOA (Time Difference Of Arrival). ex:Wifi, GPS, RFID, GSM

– par mesure des angles de réception >AOA (Angle of Arrival). ex: Wifi, UWB, RFID, GSM


Méthodes de géolocalisation > statique

Déterminer la position à un instant précis T

Avantages

Coordonnées de localisation précises

Lectures fiables

• La détection se fait à faible distance

Inconvénients

Pas de suivi en temps-réel

Position inconnue entre deux localisations

Déploiement complexe si besoin de forte

couverture


Méthodes de géolocalisation >

dynamique > cellule

Portée

A

B

C

A) Précision égale à la portée d’une borne (‘Cell-ID’)

B) Précision égale à la surface d’intersection entre deux bornes

C) Précision égale à la surface d’intersection entre trois bornes (‘Triangulation’)

Déterminer la surface d’intersection la plus petite entre plusieurs bornes

Avantages

Pas ou peu de calibrage

Pas besoin de bornes spécifiques

Inconvénients

Précision faible

Impossibilité de déterminer la position dans la surface d’intersection


Méthodes de géolocalisation > dynamique

> RSSI

• La borne est capable de fournir une mesure de signal à la

réception d'un paquet, en recoupant les mesures faites pour

des paquets venant de différents points d'accès, il est possible

d'estimer la position où elle se trouve.

• Première phase > constitution d'une carte d'empreintes des

puissances du signal par enregistrement en diverses positions

à travers l'environnement (couverture radio)

• Seconde phase > estimation de position en comparant la

puissance des signaux reçus à ceux enregistrés dans la base

de données (couverture radio)

Mesurer les puissances des signaux reçus des bornes / points d'accès

Avantages

Bonne précision

Pas besoin d’équipements radio spécifiques

Inconvénients

Besoin de constituer une carte d'empreintes des puissances par enregistrement en

plusieurs points de l'espace (calibrage)

Carte "invalide" si environnement changeant (cloisons amovibles)

Portée



> TDOA

• Chaque borne va mesurer le temps de propagation de l’onde jusqu’à

l’élément à localiser

• Connaissant la vitesse de propagation des ondes (vitesse de la

lumière), ces temps peuvent alors être convertis en distances

• Les trois distances permettent (par triangulation) de déterminer une

position géographique

Mesurer le temps de propagation des ondes

Avantages

Très bonne précision

Faible calibrage (carte d’empreintes)

Inconvénients

Sensible aux obstacles et à l’environnement

Besoin d’équipements radio spécifiques

Limitation en terme d’éléments à localiser (grand nombre de requêtes >

saturation)

T1

T2

T3



> AOA

• Les bornes sont calibrées pour avoir la même ligne géographique de

référence (Ex: Nord)

• Connaissant la vitesse de propagation des ondes (vitesse de la

lumière), les temps de propagation peuvent alors être convertis en

distances, puis en angles

• Les trois angles permettent (par triangulation) de déterminer une

position géographique

Mesurer l’angle d’arrivée des ondes radio

Avantages

Très bonne précision

Faible calibrage (carte d’empreintes)

Inconvénients

Sensible aux obstacles et à l’environnement

Besoin d’équipements radio spécifiques

Nécessité de calibrage des bornes (orientation)

A1

A3

A2


Géolocalisation > Technologie RFID passive

+ Pas d’énergie embarquée (durée de vie), précision de localisation, faible coût des tags, compatibilité matériel

- Faible portée, nécessite la mise en place d’un réseau spécifique, sensible à l’environnement (liquide, métal suivant la fréquence utilisée), coûts

élevés de l’infrastructure, pas de norme de communication, pas ou peu de localisation temps-réel

i Estimer le nombre de tags à localiser simultanément (anti-collision), effectuer le choix de la fréquence suivant le type d’élément à localiser

Structure

Composée de tags (terminal localisable) sans batterie et

d’un ou plusieurs lecteurs avec antennes

Fréquence

125 Khz, 13.56 Mhz, 800 à 960 Mhz

Portée

De 1 à 35 mètres

Coûts

• Tag : entre 0,2 et 3 €

• Point d'accès / Borne : entre 0,5 et 5 K€

RTLS Méthode(s) Précision(s)

Oui RSSI Inférieur à 1 mètre

RFID passive : (Radio Frequency Identification) Technologie d'identification utilisant la

communication par radio. Normes ISO (14443 Proximity cards, 15693 Vicinity cards)


Géolocalisation > Technologie RFID active

+ Consommation modérée, précision de localisation, longue portée, possibilité de mise en place de capteurs / actionneurs

- Coût du tag, taille du tag, nécessite la mise en place d’un réseau spécifique, sensible à l’environnement (liquide, métal suivant la fréquence

utilisée), pas de norme de communication

i Estimer le nombre de tags à localiser simultanément (anti-collision), effectuer le choix de la fréquence suivant le type d’élément à localiser

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec batterie/pile et d’un ou plusieurs lecteurs

Fréquence

433 Mhz, 800 à 960 Mhz, 2.4 Ghz

Portée

De 10 mètres à plusieurs kilomètres

Coûts

• Tag : entre 15 et 80 €



Oui RSSI

TDOA

Entre 3 et 10 mètres

Inférieure à 1 mètre

RFID active : (Radio Frequency Identification) Technologie d'identification utilisant la

communication par radio. Normes 18000-X


Géolocalisation > Technologie WiFi

+ Possibilité d’exploiter le réseau existant (positionnement & transfert de données), précision, protocole normé

- Forte consommation électrique, taille des tags, coûts des matériels et de la mise en place, risques de piratage

i Vérifier la compatibilité des bornes Wifi existantes pour un usage de localisation (ex: maj. firmware obligatoire pour Cisco), estimer le nombre de

tag à localiser simultanément, prévoir la logistique pour le rechargement des tags

WiFi : technologie de réseau informatique sans fil mise en place pour fonctionner en réseau interne.

Elle est aussi un moyen d'accès à internet, en haut débit. Elle est basée sur la norme IEEE 802.11

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec batterie, d’un réseau de bornes/points d’accès et d’un contrôleur

Fréquence

2.4 GHz et 5 GHz

Portée

Entre 10 et 100 mètres (plusieurs km en Wi-Max)

Coûts


• Point d'accès / Borne : entre 2 et 5 K€


Oui RSSI

TDOA

Entre 3 et 5 mètres (suivant le nombre de

bornes)

Inférieure à 2 mètres


Géolocalisation > Technologie Bluetooth

+ Possibilité d’exploiter un réseau existant, précision de localisation, protocole normé et standard

- Forte consommation électrique, taille des tags, mise en place d’un réseau spécifique, limitation en terme de nombre de connexion, risques de

piratage, temps de connexion non négligeables

i Estimer le nombre de tags Bluetooth à localiser simultanément (limitation), prévoir la logistique pour le rechargement des tags, calculer le meilleur

emplacement des bornes pour une couverture optimales

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec batterie, d’un réseau de bornes/points d’accès

Fréquence

2.4 GHz

Portée


Coûts




Oui RSSI

TDOA

Inférieure à 1 mètre (suivant le nombre de

bornes)

Inférieure à 1 mètre

Bluetooth : Technologie radio courte distance destinée à simplifier les connexions entre les appareils

électroniques, conçue dans le but de remplacer les câbles. Basé sur la norme IEEE 802.15.x


Géolocalisation > Technologie ZigBee

+ Faible consommation électrique, précision de localisation, protocole sécurisé

- Taille des tags, mise en place d’un réseau spécifique, faible portée en indoor (multiplication des bornes), coûts encore élevés

i Estimer le nombre de tags Zigbee à localiser simultanément, calculer le meilleur emplacement des bornes pour une couverture optimale, peu de

recul sur cette technologie

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec batterie, d’un réseau de bornes/points d’accès

Fréquence

868 Mhz, 914 Mhz et 2.4 GHz

Portée


Coûts


• Point d'accès / Borne : entre 1 et 2 K€


Oui RSSI

TDOA

Entre 3 et 5 mètres (suivant le nombre de

bornes)

Inférieure à 2 mètres (suivant le nombre de

bornes)

Zigbee : Protocole de haut niveau permettant la communication radio, à consommation réduite, basée

sur le standard IEEE 802.15.4 pour les réseaux à dimension personnelle (WPANs).


Géolocalisation > Technologie Ultrasons

+ Consommation modérée, précision de localisation

- Coût de mise en place de l’infrastructure (> 300 k€), sensible à l’environnement (température, humidité, …), sujet aux échos

i Vérifier l’infrastructure du bâtiment, calculer le meilleur emplacement des bornes

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec batterie/pile

et d’un ou plusieurs lecteurs

Fréquence

20 000 Hz

Portée


Coûts




Oui TDOA Inférieure à 1 mètre

Ultrason : Son dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz. L'écholocation consiste à envoyer des sons

à diverses fréquences et à les récupérer. La durée prise pour que l'onde revienne, et la nature des ondes

renvoyées parmi toutes celles émises, permettent de localiser les éléments


Géolocalisation > Technologie UWB

+ Consommation modérée (durée de vie entre 1 et 4 ans), très haute précision de localisation, faible coûts des tags

- Nécessite la mise en place d’un réseau spécifique, fréquence non réglementée, peu de recul sur cette technologie

i Vérifier l’adéquation entre la précision requise et constatée, technologie peu répandue > Vérifier le fonctionnement sur le

terrain

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec pile et de plusieurs lecteurs

Fréquence

De 3.1 à 10.6 GHz

Portée

Jusqu’à 50 mètres

Coûts


• Point d'accès / Borne : environ 0,2 K€


Oui TDOA

AOA

Inférieure à 30 cm (mode 3D)

Inférieure à 30 cm (mode 3D)

UWB : (Ultra Wide Band) Technique de modulation radio qui est basée sur la transmission

d'impulsions de très courte durée


Géolocalisation > Technologie Infrarouge

+ Consommation modérée, précision de localisation, faibles coûts

- Portée faible, sensible aux obstacles, capteurs spécifiques

i Vérifier la visibilité du tag par rapport aux capteurs

Structure

Composée de tags (terminal localisable) avec pile et d’un ou plusieurs capteurs

Fréquence

Entre 30 et 120 Hz

Portée

Inférieure à 20 mètres

Coûts

• Tag : non disponible

• Point d'accès / Borne : non disponible


Non / /

Infrarouge : Rayonnement électromagnétique ou radio d'une longueur d'onde

supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes


Géolocalisation > Technologie DECT-DPS

+ Réseau existant (utilisable pour le positionnement et les communications vocales), précision de localisation, protocole

normé, capacité de localisation (+100K utilisateurs)

- Localisation temps-réel délicate, pas ou peu de modules spécifiques, coût du module

i Vérifier l’existence de terminaux existants et leur compatibilité

Structure

Composée d'un module (ou téléphone) DECT avec batterie, d’une ou plusieurs antennes DECT et d'un contrôleur

Fréquence

1880-1900 MHz

Portée

Plusieurs centaines de mètres

Coûts

• Module/Téléphone DECT (compatible DSP): entre 500 et 1K€

• Répétiteur DECT : entre 150 € et 500 €


Non statique Entre 5 et 15 mètres

DECT : (Digital European Cordless Telephone). Norme européenne de téléphone sans filnumérique utilisant la compression, de meilleure qualité que le système analogique, etassurant la confidentialité des communications – DPS (DECT Positioning System)


Synthèse des technologies

Volume

Fréquence

Portée

Réseau spécifique

Sensible enviro.

Pas de norme

Pas d’énergie

Précision

Coûts

entre 0,2 et 3 €

entre 0,5 et 5 K€

Oui1 à 35m125 Khz, 13.56 Mhz, 800 à 960

Mhz

RFID passive

Volume

Fréquence

Coûts

Réseau spécifique

Sensible enviro.

Pas de norme

Consommation

Précision

Portée

entre 15 et 80 €

entre 0,5 et 3 K€

Oui10m à + km433 Mhz, 800 à960 Mhz, 2.4

Ghz

RFID active

Existant Coûts

Disponibilité

Pas de RTLS

Réseau existant

Précision

Capacités

entre 0,5 et 1 K€

entre 150 et 500 €

Non+ de100m1880-1900 MhzDECT

VisibilitéPortée

Sensibilité

Réseau spécifique

Consommation

Précision

Coûts

??????????????Non- de 20mEntre 30 et 120 HzInfrarouge

Coûts

Sensible enviro.

Echos

Fréquences

Réseau spécifique

Recul

Taille

Réseau spécifique

Portée

Précision

Réseau spécifique

Piratage

Consommation

Taille

Coûts

Piratage

Inconvénients

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

RTLS

entre 15 et 200 €

entre 0,5 et 1 K€

entre 20 et 40 €

autour de 0,2 K€

entre 15 et 50 €

entre 1 et 2 K€

entre 15 et 50 €

entre 0,2 et 2 K€

entre 30 et 100 €

entre 3 et 5 K€

Coûts (Tag/Borne)

Consommation

Précision

Consommation

Précision

Coûts

Consommation

Précision

Protocople

Réseau existant

Précision

Protocople

Réseau existant

Précision

Protocople

Avantages

10 à 30m

50m

20 à 100m

10 à 100m

10 à 100m

Portée

Réseau existant

Validation terrain

De 3.1 à 10.6 GHz

UWB

Emplacement

Infrastructure

20 KhzUltrasons

Volume

Emplacement

Pérennité


Zigbee

Volume

Logistique

Emplacement

2.4GHzBluetooth

Compatibilité

Volume

Logistique

2.4GHz / 5GHzWifi

PrécautionsFréquence(s)Technologie

Volume

Fréquence

Portée

Réseau spécifique

Sensible enviro.

Pas de norme

Pas d’énergie

Précision

Coûts

entre 0,2 et 3 €

entre 0,5 et 5 K€

Oui1 à 35m125 Khz, 13.56 Mhz, 800 à 960

Mhz

RFID passive

Volume

Fréquence

Coûts

Réseau spécifique

Sensible enviro.

Pas de norme

Consommation

Précision

Portée

entre 15 et 80 €

entre 0,5 et 3 K€

Oui10m à + km433 Mhz, 800 à960 Mhz, 2.4

Ghz

RFID active

Existant Coûts

Disponibilité

Pas de RTLS

Réseau existant

Précision

Capacités

entre 0,5 et 1 K€

entre 150 et 500 €

Non+ de100m1880-1900 MhzDECT

VisibilitéPortée

Sensibilité

Réseau spécifique

Consommation

Précision

Coûts

??????????????Non- de 20mEntre 30 et 120 HzInfrarouge

Coûts

Sensible enviro.

Echos

Fréquences

Réseau spécifique

Recul

Taille

Réseau spécifique

Portée

Précision

Réseau spécifique

Piratage

Consommation

Taille

Coûts

Piratage

Inconvénients

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

RTLS

entre 15 et 200 €

entre 0,5 et 1 K€

entre 20 et 40 €

autour de 0,2 K€

entre 15 et 50 €

entre 1 et 2 K€

entre 15 et 50 €

entre 0,2 et 2 K€

entre 30 et 100 €

entre 3 et 5 K€

Coûts (Tag/Borne)

Consommation

Précision

Consommation

Précision

Coûts

Consommation

Précision

Protocople

Réseau existant

Précision

Protocople

Réseau existant

Précision

Protocople

Avantages

10 à 30m

50m

20 à 100m

10 à 100m

10 à 100m

Portée

Réseau existant

Validation terrain

De 3.1 à 10.6 GHz

UWB

Emplacement

Infrastructure

20 KhzUltrasons

Volume

Emplacement

Pérennité


Zigbee

Volume

Logistique

Emplacement

2.4GHzBluetooth

Compatibilité

Volume

Logistique

2.4GHz / 5GHzWifi

PrécautionsFréquence(s)Technologie


Interférences possibles avec le matériel et

le corps humain Des fréquences normées et limitées en puissance, peu d’études

médicales, mais des faits contradictoires …

Tags sans émission (pas de batterie), inoffensifs pour le matériel et pour le corps humain

Antennes et lecteurs à faible portée, à des puissances faibles

Implantation sous la peau déconseillée

125 Khz, 13.56 Mhz, 800 à 960 Mhz RFID passive


Pas d’interférence avec les stimulateurs cardiaques (pacemakers) ou les défibrillateurs

Puissance maximale limitée et faible

433 Mhz, 800 à 960 Mhz, 2.4 GhzRFID active

Interférences possibles sur la bande 2,4GHz ou 5GHz. Rayonnement fort

Maux de tête, vertiges, fatigue constatés

1880-1900 MhzDECT

Pas d’interférences constatées avec le matériel ou le corps humainEntre 30 et 120 HzInfrarouge

Pas d’interférences constatées avec le matériel.

Volume d’émission faible, sans risques pour le corps humain.

Pas d’infos disponibles…


Puissance maximale limitée à 2 mW > pas d’exposition supérieure constatée au-delà des limites définies par la réglementation

Fréquence élevée (~2400 MHz), pénétrant peu dans l’organisme.


Fréquence élevée (~2400 MHz), pénétrant peu dans l’organisme (voir OMS)


Portée

De 3.1 à 10.6 GhzUWB

20 KhzUltrasons

868 Mhz, 914 Mhz et 2.4 GhzZigbee

2.4 GhzBluetooth

2.4 Ghz / 5GhzWifi

Fréquence(s)Technologie

Tags sans émission (pas de batterie), inoffensifs pour le matériel et pour le corps humain

Antennes et lecteurs à faible portée, à des puissances faibles


125 Khz, 13.56 Mhz, 800 à 960 Mhz RFID passive


Pas d’interférence avec les stimulateurs cardiaques (pacemakers) ou les défibrillateurs

Puissance maximale limitée et faible

433 Mhz, 800 à 960 Mhz, 2.4 GhzRFID active

Interférences possibles sur la bande 2,4GHz ou 5GHz. Rayonnement fort


1880-1900 MhzDECT

Pas d’interférences constatées avec le matériel ou le corps humainEntre 30 et 120 HzInfrarouge

Pas d’interférences constatées avec le matériel.

Volume d’émission faible, sans risques pour le corps humain.




Fréquence élevée (~2400 MHz), pénétrant peu dans l’organisme.


Fréquence élevée (~2400 MHz), pénétrant peu dans l’organisme (voir OMS)


Portée

De 3.1 à 10.6 GhzUWB

20 KhzUltrasons

868 Mhz, 914 Mhz et 2.4 GhzZigbee

2.4 GhzBluetooth

2.4 Ghz / 5GhzWifi

Fréquence(s)Technologie


Couplage des technologies

Avantages Exploitation des points forts de chaque technologie

Réponse à plusieurs besoins avec un seul matériel

• Badges RFID + Infrarouge

– Infrarouge pour une localisation « room-level », difficile avec la RFID

– RFID pour émettre des signaux d’alerte à travers les murs, impossible avec l’IR

• Tags RFID + Wifi

– Wifi pour l’exploitation du réseau, les performances et le protocole normé

– RFID pour la faible consommation et la taille du tag

• Tags RFID active + RFID passive

– RFID pour des lectures précises à courte portée (contrôle d’accès, etc…)

– RFID active pour la portée et la capacité RTLS

• Bornes RFID active + Wifi

– Wifi pour l’exploitation du réseau

– RFID active pour exploiter les bornes du réseau Wifi, sans déploiement spécifique

Inconvénients Peu de matériels disponibles en standard

Multiplication possible des protocoles à utiliser et des réseaux à déployer

Dépendance vis-à-vis d’un constructeur

Documents

Solutions de geo localisation