La revolución del posicionamiento en interiores

Desde hace más de 15 años la comunidad científica ha tratado de desarrollar mecanismos de localización precisa en interiores usando sistemas de comunicación inalámbricos. La localización precisa en interiores es un habilitador de numerosas aplicaciones en casi todos los sectores, desde la logística, la gestión de inventarios y activos, la delimitación de áreas o la seguridad de personas.

Uno de los mayores focos de investigación en el ámbito de la localización ha sido el uso de la potencia de señal recibida (Received Signal Strenght Indicator– RSSI) como estimador de la distancia. Existen miles de trabajos que documentan y evalúan el posicionamiento en interior usando la RSSI y en muchos casos combinándolo con otras métricas, por ejemplo, la fase de la señal recibida, o aplicando técnicas como la triangulación o los filtros de Kalman que permiten mejorar la precisión del mecanismo.

En la mayoría de resultados que podemos observar, sin embargo, la precisión obtenida es decepcionante, en casos ideales mayor a un metro y en la mayoría de casos realistas los errores son mayores al 30% de la distancia entre balizas.

Es sabido que la potencia de la señal decae con la distancia, pero factores como el fading y el multipath introducen una variación no despreciable en las medidas. Estas variaciones son incontrolables, permanentemente cambiantes y dependen del entorno.

Formas más precisas de medir distancia son posibles, sin embargo, requieren modificaciones en la microelectrónica de las radios y por lo tanto aumentan la complejidad de los diseños y su coste. Una forma precisa de determinar distancias es a través de medir el tiempo de vuelo de una onda electromagnética. Esta técnica se llama Time of Flight (ToF) y se basa en la transmisión sucesiva de frentes de onda asumiendo la capacidad del emisor y receptor de medir de forma precisa el tiempo de ida y vuelta (ver Figura 1). Este tiempo es directamente proporcional a la distancia teniendo en cuenta la velocidad de la luz. Mientras que la teoría nos indica que este método debería ser del todo preciso, los requisitos que se imponen a los relojes que permiten medir el tiempo son considerables. La luz viaja 1m en 30ns, por lo tanto, el error de un solo tic en un reloj de 33Mhz nos causaría un metro de error.

tof reflection écnica de tiempo de vuelo para determinar la distancia posicionamiento interiores
Representación de la técnica de tiempo de vuelo para determinar la distancia.
Fuente: Texas Instruments. Localization Toolbox.

El uso de sucesivos paquetes permite promediar este error y disminuir los requisitos del cristal/reloj, sobre todo en sistemas como Bluetooth LE, donde el consumo energético es relevante. Cabe recordar que los cristales a alta frecuencia tienen consumos altos y son poco usados en sistemas de bajo consumo energético.

Es significativo, y aquí es donde quería llegar, que los comités de estandarización como la IEEE en el grupo IEEE802.11mc han incluido el uso de ToF como herramienta de posicionamiento en interiores. Esto es muy relevante porque Android 9 ya permite el uso de este mecanismo, cosa que dinamitara su integración en los teléfonos móviles y por lo tanto se da un gran paso hacia resolver uno de los problemas más investigados en el ámbito de la IoT. Siguiendo estos pasos Texas Instruments nos ha ofrecido una sorpresa también. Su ultimo chip de bluetooth (cc2640r2) soporta medición de distancia por ToF (entre otros), con lo que no solo las redes WiFi permitirán el posicionamiento preciso, sino que redes de menor consumo como las BLE, habilitarán el uso de balizas de localización precisa. Todo un avance.

Xavier Vilajosana es doctor e investigador principal del grupo de investigación Wireless Networks de la UOC, así como profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicaciones

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