Indoor rangingsysteem op FPGA gebaseerd op Time Difference of Arrival en Code Division Multiple Access met ultrasone transducers als basis voor een indoor lokalisatiesysteem

Waar GPS stopt, begint indoor positiebepaling!

Een GPS of Global Positioning System voorziet zijn gebruikers van positie, navigatie en tijdsynchronisatie. Bij de indoor variant wordt net zoals bij GPS getracht om de positie te bepalen van voorwerpen of mensen, maar dan in gebouwen. Indoor positiebepaling kent vele toepassingen. Denk maar aan een interactief museumbezoek waarbij positie-afhankelijke informatie gegeven wordt over de museumstukken. Een ander voorbeeld is navigatie doorheen een luchthaven of een grote parkeergarage. Dit soort van systemen is ook meer en meer gegeerd door supermarkten en winkelcentra.

“Het is een perfect hulpmiddel om klanten te oriënteren naar aanbiedingen of persoonlijke productinformatie aan te bieden.”

Bovendien is het mogelijk om op basis van alle informatie die verzameld wordt door dergelijke systemen, betere productanalyses en statistieken te genereren. Zo kunnen er bijvoorbeeld heatmaps worden gemaakt die de populairste posities/producten weergeven.

GPS niet bruikbaar indoor

Het staat vast dat indoor lokalisatie een booming business is. Helaas kan GPS niet gebruikt worden als indoor positiesysteem. De uitgezonden signalen zullen sterk of zelfs volledig gedempt worden door o.a. het dak en de muren van het gebouw. Het systeem eist dat de GPS-ontvangers en de satellieten elkaar kunnen ‘zien’ (line of sight). Ook de nauwkeurigheid is beperkt tot enkele meters, wat voor vele toepassingen onvoldoende is. Om deze redenen werd er tijdens mijn thesis een alternatief systeem gebouwd om indoor lokalisatie te verwezelijken.

Time Division Multiple Access

Er bestaan reeds enkele indoor lokalisatiesystemen. De meeste hiervan zijn gebaseerd op het principe Time Division Multiple Access (TDMA). Elke zender krijgt een tijdslot toegewezen waarin deze zijn signaal kan uitzenden. Bij dergelijke systemen moeten tijdschema’s worden opgesteld met welke zender wanneer mag uitzenden. Dit is complex en vereist de synchronisatie tussen elke zender en ontvanger. Er is een gebrek aan identificatie van de zenders door de ontvangers, slechts één zender kan tegelijkertijd over het medium uitzenden en tot slot zijn dergelijke systemen zeer gevoelig voor ruis.

Code Division Multiple Access

Er is reeds aangetoond dat het aantal positie-updates en de nauwkeurigheid van indoor lokalisatiesystemen toeneemt door het gebruik van Code Division Multiple Access (CDMA). Verschillende zenders zenden tegelijkertijd een unieke code uit op zodanige manier dat de ontvanger deze verschillende codes nog van elkaar kan onderscheiden. Hierdoor vallen ook de tijdschema’s (gedeeltelijk) weg.

In mijn thesis heb ik het gebruik van CDMA bij indoor lokalisatie onderzocht. Verschillende bestaande technieken en de verbeteringen die reeds voorgesteld zijn in de literatuur zijn besproken. Op basis van deze studie is een eigen systeem ontworpen en gerealiseerd.

In het nieuwe systeem wordt er gewerkt met een combinatie van ultrasone geluidsgolven en RF-signalen. De ontvanger meet de aankomsttijd van beide signalen en in combinatie met de propagatiesnelheden van beide signalen kan de afstand tussen zender en ontvanger berekend worden. De ontvanger stelt het voorwerp of de persoon in kwestie voor. Deze techniek noemt Time Difference of Arrival. De positie kan vervolgens bepaald worden d.m.v. trilateratie.

Indoor lokalisatie experimenten

Bij de experimenten is getracht om een zo realistisch mogelijk scenario te schetsen voor indoor lokalisatie toepassingen. Een ruimte waarbij er in elke hoek een zender is geplaatst. Deze zenden elk hun unieke code uit op een random tijdstip. De ontvangerslogica zal op basis van de hoogste correlatiesterkte de afstand tussen de zenders en de ontvanger meten. Uit de resultaten blijkt dat een nauwkeurigheid van enkele centimeters kan gehaald worden. Deze nauwkeurigheid biedt mogelijkheden tot vele nieuwe toepassingen in de toekomst.

Technologische revolutie

Indoor lokalisatie is momenteel een veelbesproken onderzoeksonderwerp en kent vele toepassingen. Net zoals mobiele telefoons ooit een technologische revolutie zijn geweest zal indoor positiebepaling er ook één zijn de komende jaren!