UWB: la nuova frontiera della localizzazione

uwb localizzazione
L’ UWB è una tecnologia per la localizzazione di item che sta tornando di attualità. Approfondiamo insieme l’argomento.

Sistemi UWB sono presenti nell’ultima uscita I-Phone (versione 11) e i produttori di automobili stanno definendo gli standard UWB da utilizzare per le prossime generazioni di veicoli.

In commercio sono già presenti soluzioni dedicate alla logistica ed al rintracciamento.

“È possibile immaginare applicazioni in diversi ambiti che possono utilizzare tale tecnologia: in ambito museale, per esempio, Nexsoft sta effettuando attività di ricerca applicata per la localizzazione di visitatori all’interno di una struttura museale.”

Sistemi RTLS

I Real-Time Locating Systems (RTLS) sono sistemi automatici che permettono di identificare e tracciare in tempo reale la posizione di persone e oggetti. Possono essere quindi essere utilizzati in diversi contesti:

  • industriale: rendono le fabbriche intelligenti attraverso il tracciamento di item nei  processi di produzione complessi.
  • logistico: localizzazione di merci, semilavorati, fork-lift e pallet
  • assistenziale: localizzazione di pazienti e attrezzature mediche (ad esempio i defibrillatori che occorre avere a disposizione in tempi rapidi) all’interno di strutture ospedaliere
  • sicurezza fisica: localizzazione persone per l’ accesso a strutture riservate
  • kids tracker: localizzazione di bambini all’interno di spazi delimitati
  • sportivo: verificare le prestazioni dell’atleta attraverso il tracciamento dei movimenti
  • museale: localizzazione del visitatore per fornire servizi contestualizzati.

Localizzazione outdoor e indoor

La scelta della tecnologia di localizzazione dipende dal contesto in cui avviene. La prima suddivisione è quella tra ambienti outdoor e indoor.
La localizzazione outdoor sfrutta per la maggior parte la tecnologia GPS e la combinazione di ulteriori tecnologie quali celle telefoniche, reti Wi-Fi ed ultimamente il riconoscimento fotografico dei luoghi.
La localizzazione basata sul solo GPS permette una precisione di circa 10 m, ma combinato con le ulteriori tecnologie e utilizzando i sistemi di GNSS Augmentation è possibile migliorare la precisione arrivando al di sotto dei 5 m di precisione.
GPS è un progetto statunitense del 1973 che è diventato operativo a partire dal 1994 ed è il primo esempio di localizzazione di item su larga scala. Al di là dei limiti di precisione che lo rendono inapplicabile in diversi ambiti è utilizzabile solo in ambienti outdoor.
A partire dagli anni ’90, cominciano gli studi per estendere la localizzazione non solo agli ambienti esterni ma anche all’interno di edifici.

Appare subito chiara una differenza: la localizzazione GPS fornisce un dato di posizione “assoluto” (latitudine, longitudine, altezza) che sarà unico per tutto il mondo. La localizzazione indoor, invece, fornirà una posizione “relativa” valida solo nel contesto in cui la si colloca. Facendo un paragone con la teoria delle reti, la localizzazione GPS fornisce un dato paragonabile all’indirizzo pubblico ossia unico e raggiungibile da qualsiasi nodo di rete nel mondo; la localizzazione indoor, invece, fornisce un valore paragonabile a quello dell’indirizzo privato ossia valido solo all’interno della rete locale.

Ma come nelle reti tradizionali è possibile rendere disponibili gli indirizzi privati a tutti i nodi mondiali, allo stesso tempo ulteriori sistemi possono inserire la posizione relativa dell’elemento outdoor in un contesto “assoluto”.

Per fare un esempio: immaginando un parcheggio interrato di cui si conoscono latitudine, longitudine ed altezza è possibile tracciare le posizioni dei veicoli negli stalli in termini di posizione assoluta, sovrapponendo tecniche di localizzazione indoor alla georeferenziazione dell’edificio.

Tecnologie per la localizzazione indoor

Le tecnologie per la localizzazione indoor possono sfruttare sistemi acustici, ottici o in radiofrequenza.

Relativamente alla radiofrequenza è possibile lavorare sia in onda continua (fanno parte di questa famiglia le tecnologie WLAN o RFID) sia con segnali impulsivi.

Le tecniche basate su onda continua soffrono di scarsa precisione, perché influenzate da fenomeni di multipath fading.

Il multipath fading è una forma di distorsione nella ricezione di un segnale che a fronte di un’emissione di una sorgente provoca l’aggiunta di repliche del segnale, sfasate nel tempo, in arrivo alla stazione ricevente in sovrapposizione a quelle del segnale base.
Le sorgenti secondarie sono generate dai vari percorsi (multipath) che il segnale stesso può aver seguito durante la sua propagazione. Inoltre, poiché le sorgenti secondarie compiono un percorso diverso sia tra di loro sia dalla sorgente primaria (percorso caratterizzato da riflessioni e rifrazioni su superfici diverse), la stazione ricevente riceverà i segnali provenienti dalle varie sorgenti secondarie attenuati in maniera differente da quelli provenienti dalla sorgente primaria.

Dal momento che per tali sistemi la localizzazione è associata alla caratteristica del segnale o dei segnali ricevuti, una distorsione degli stessi comporta un’informazione ricevuta non più identificabile.

Case study

Negli scorsi anni, Nexsoft ha progettato ed implementato un sistema di localizzazione basato su tecnologie wi-fi in ambito industriale.

Lo scopo del sistema è localizzare i semilavorati nella catena di montaggio di un’importante società di produzione di sistemi radar.

In fase di implementazione il sistema di localizzazione subiva sensibili fenomeni di multipath fading dovuti allo spostamento di enormi pannelli metallici.

In una situazione del genere occorre installare sistemi di rilevazione degli scostamenti radio per compensare gli errori di localizzazione dovute ai fenomeni di multipath fading.

Il sistema di localizzazione diventa quindi molto complesso e costoso e ciò lo rende inapplicabile in diversi ambiti di applicazione.

La localizzazione UWB

L’UWB (Ultra-wide band) si inserisce nella famiglia delle tecnologie a radiofrequenza caratterizzata da segnali impulsivi.

UWB è una tecnica di trasmissione che permette di trasmettere e ricevere segnali impulsivi di energia a radiofrequenza.

Grazie alle sue caratteristiche riesce a superare le problematiche degli altri sistemi di localizzazione e permette di raggiungere una precisione di 20 cm nel piano e di 30 cm dello spazio a dispetto della precisione dell’ordine dei 5 metri degli altri sistemi di localizzazione indoor.

Rispetto alle altre tecnologie di comunicazione wireless è quella con maggior larghezza di banda.

tecnologie wireless

La localizzazione UWB è caratterizzata da n antenne fisse di posizione nota che permettono la localizzazione di un oggetto mobile (tag). Sia le Antenne che il tag possono, allo stesso tempo, trasmettere e ricevere, per cui il tag mobile da localizzare, può essere sia l’elemento ricevente il segnale sia quello sorgente di trasmissione.

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Nel primo caso sono le antenne che trasmettono il segnale, il tag ricevente mobile elabora i segnali ricevuti ed identifica la propria posizione così come illustrato nella figura sottostante.

tag UWB
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Nel secondo caso, invece, il tag funge da trasmettitore del segnale che sarà ricevuto dalle antenne fisse. I sistemi di elaborazione collegate alle antenne fisse identificano la posizione del tag.

Dei due casi, è da preferirsi il secondo perché sposta sia la capacità computazionale sia la trasmissione dei dati su apparati fissi ed alimentati da rete elettrica. Questo permette da un lato di abbattere i costi dei tag mobili e dall’altro di limitare il consumo della batteria elettrica del tag. Per ridurre il consumo del tag mobile sono possibili ulteriori strategie quali ad esempio quella di attivare la trasmissione da parte del tag solo in presenza di un movimento.

Vediamo nel dettaglio il caso in cui è il tag a trasmettere il segnale e le antenne fisse lo ricevono.

L’unità mobile trasmette dei segnali impulsivi caratterizzati da onde sferiche. Con 4 antenne riceventi nello spazio è teoricamente possibile identificare univocamente una posizione.

Chiaramente affinché questo avvenga, occorre dapprima definire un sistema di riferimento fisso e quindi eseguire un setup dell’ambiente, associando ad un set di punti i segnali ricevuti dai trasmettitori e quindi completando l’intera mappatura dell’area attraverso interpolazione del set di punti misurati. I sistemi RTLS sfruttano molteplici tecniche di localizzazione basate essenzialmente sui tempi di arrivo dei segnali o sulla loro potenza, UWB utilizza tecniche di localizzazione basati sulla multilaterazione.

La multilaterazione si basa sulla differenza nel tempo di arrivo (TDOATime Difference Of Arrival) di un segnale emesso da un tag mobile da parte di un numero di stazioni riceventi (Anchor) dislocati su un’area conosciuta. Poiché esiste una proporzione diretta tra il tempo di arrivo e lo spazio percorso: Tempo = Spazio / Velocità è possibile calcolare facilmente il tempo di percorrenza del segnale emesso. Considerando che il segnale stia viaggiando nell’aria, con buona approssimazione si può assumere la velocità della luce (c) quale velocità del segnale.

Processo di comunicazione TDoA

Le stazioni riceventi sono distinte tra una stazione master ed almeno due stazioni slaver. La funzione della stazione master è duplice: da un lato è una stazione ricevente come le altre, dall’altro invia un segnale di sincronizzazione alle stazioni slaver.
Nel processo di comunicazione il tag mobile invia un messaggio di polling. Le stazioni riceventi, ricevono e registrano il tempo di arrivo

Processo comunicazione TDoA

Come viene calcolato il TDoA

AP0:Registra il tempo di arrivo del messaggio nella variabile T0

AP1:Registra il tempo di arrivo del messaggio nella variabile T1

AP2:Registra il tempo di arrivo del messaggio nella variabile T2

AP3:Registra il tempo di arrivo del messaggio nella variabile T3

 

AP0, AP1, AP2, … APn sono le stazioni riceventi.  Gli orologi di sistema di AP0,AP1, AP2,AP3  … APn sono sincronizzati.

Considerando il caso a 4 stazioni riceventi e, e definendo la posizione di AP0 quale origine del sistema di riferimento avremo le seguenti coordinate:

AP0 (master) : (0,0,0)

AP1 (slave) : (X1,Y1,Z1)

AP2 (slave) : (X2,Y2,Z2)

AP3 (slave) : (X3,Y3,Z3)

Poichè la velocità con cui si muove il segnale è quella della luce c, la distanza del tag mobile con coordinate (x,y,z) nello spazio sarà la seguente :

E quindi le differenze tra i tempi di arrivo sono :

calcolo TdOA

Inserendo nello spazio le tre funzioni DT1, DT2 e DT3 queste identificano tre iperboli sferiche e dalle intersezioni delle 3 iperboli si ottiene la posizione del tag.

Affinché questo metodo operi al meglio occorre mantenere sincronizzate tutte le stazioni riceventi. La sincronizzazione può avvenire sia attraverso connessioni wireless sia cablate. Le connessioni wireless non necessitano di un’infrastruttura di collegamento per cui sono più semplici. Laddove possibile, è preferibile utilizzare connessioni cablate, che a fronte dei costi di installazione dell’impianto di rete, permettono di avere maggiore accuratezza nella misura.

Applicazioni UWB

La tecnologia UWB si sta diffondendo nell’industria dei produttori di device mobile, nell’ambito industriale e nel settore delle smart car.

Nel mondo Iphone

Alcuni vendor, tra cui Apple hanno già dotato i loro smartphone di chip UWB: all’interno dell’iPhone 11 è già presente infatti un chip UWB denominato U1.

Le prime applicazioni che sfruttano il chip U1 permettono la localizzazione spaziale dei dispositivi. In tal modo è possibile rilevare e localizzare all’interno della propria area tutti i dispositivi dotati del chip. Fino ad oggi questa funzione è stata svolta attraverso l’utilizzo della tecnologia Bluetooth. Il limite della tecnologia Bluetooth è che tale tecnologia permette solo di rilevare la vicinanza dei device, ma non di collocarli nello spazio così come è possibile fare con i sistemi UWB.

Sarà quindi possibile per gli utenti Apple creare un personale dominio comprendente i propri device (iPad, iWatch, iMac e Apple TV) e sincronizzarsi in maniera automatica tra di loro o scambiare file su base spaziale o, ancora, creare scenari in ambito IoT e domotici.

Da settembre anche “AirDrop” sfrutta UWB per il trasferimento di file da un iPhone all’altro. Attraverso U1 viene individuata immediatamente la presenza di un altro smartphone analogo e lo scambio dati diventa velocissimo ed accurato.

Circolano in rete indiscrezioni rispetto ad un nuovo device Apple : AirTags . Airtags sarà un piccolo device dotato di batteria che può essere associato agli oggetti comuni al fine di tracciare o rintracciare l’oggetto associato in caso di furto o smarrimento.

Nel mondo Android

Anche i prossimi smartphone del mondo Android sfrutteranno la tecnologia UWB. Secondo quanto affermato dagli analisti di Barclays, nei prossimi mesi saranno in commercio anche i primi smartphone Android dotati di un nuovo chip Ultra Wideband, NFC e Secure Element “all-in-one” realizzato dalla società olandese NXP Semiconductors.

I prodotti di NXP consentiranno una localizzazione accurata e sicura, fornendo agli smartphone la possibilità di fornire servizi LBS.

Gli stessi produttori, in testa Sony e Samsung, insieme a NXP fanno parte del consorzio FiRa (Fine Ranging). La mission del consorzio è quella dello sviluppo e dell’adozione diffusa di user experience che sfruttano le capacità di posizionamento accurato garantite delle tecnologie interoperabili a banda ultra larga (UWB).

La stessa NXP fa parte di un ulteriore consorzio: CCC. The Car Connectivity Consortium® (CCC) è un’organizzazione intersettoriale che promuove le tecnologie globali per le soluzioni di connettività smartphone/auto. CCC sta sviluppando Digital Key, un nuovo standard aperto per consentire ai dispositivi intelligenti, come gli smartphone, di fungere da chiave per veicoli. La chiave digitale consentirà ai conducenti di bloccare e sbloccare le loro automobili e persino di avviare il motore e condividere l’accesso ad altri utenti, utilizzando gli smartphone. Un altro progetto, denominato Car Data, prevede la creazione di un ecosistema per abilitare una nuova serie di servizi, come l’assicurazione pay-how-you-drive, il monitoraggio della strada e il fleet-management.

Sempre nel settore auto, BMW sta integrando l’UWB nei sistemi delle proprie automobili. L’idea è quella di integrare la CarKey sia su iPhone che su Apple Watch.

Nel mondo del Retail

Anche nel mondo del retail ci saranno ulteriori applicazioni. L’Ultra Wideband andrà a sostituire il bluetooth nella localizzazione di dispositivi (smartphone per lo più) all’interno di ambienti chiusi come i negozi. La finalità principale è quella di andare a svolgere azioni di proximity marketing e avere analytics per migliorare la gestione del punto vendita. In questa tipologia di applicazioni, l’Ultra Wideband andrà a sostituire il Bluetooth, fornendo (attraverso l’installazione di un certo numero di Anchor) la posizione e i movimenti precisi in tempo reale degli smartphone (associati ai clienti) all’interno del negozio. L’utilizzo della tecnologia UWB permetterà di inviare in tempo reale notifiche ed offerte di determinati prodotti, oltre che, naturalmente, raccogliere dati.

Conclusioni

Nexsoft ha sempre uno sguardo attento alle nuove tecnologie e alle nuove applicazioni. Nell’ambito dei progetti di ricerca, vengono utilizzate le nuove tecnologie, quali l’UWB. In questo modo oltre a sperimentare ed a mettere in campo un prodotto innovativo, acquisiamo nuove competenze in ambito tecnologico.


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