Sistema electrónico de seguimiento y posicionamiento de...

Objetivos y aporte de la tesisEstudio de trafico

Representacion geograficaLocalizacion

Prestaciones del sistemaComunicaciones

InformaticaConclusiones Finales

Sistema electronico de seguimiento yposicionamiento de una flota de vehıculos en

tiempo real

Jorge Eduardo GranaDirector: Dr Ing en telecomunicaciones

Juan Antonio Del Giorgio

Facultad de IngenierıaUniversidad de Buenos Aires

21 de agosto de 2009

Jorge Eduardo Grana Director: Dr Ing en telecomunicaciones Juan Antonio Del GiorgioSistema electronico de seguimiento y posicionamiento de una flota de vehıculos en tiempo real





ası surgio la idea ...Objetivos inicialesAporte

ası surgio la idea ...

Surgio por 1996....

Una empresa de transporte de pasajeros encargo un proyecto similar.

Se armaron unos prototipos.

Se desarrollo el hardware y software.

En esa epoca todavıa GPS eran una cosa nueva. La red celular eraanalogica.

Surgieron inconvenientes....

En este documento trato de plasmar lo que se deberıa haber hecho.







Objetivos iniciales

Monitorear una flota de vehıculos en tiempo real, dentro de un areageografica definida.Los requerimientos del sistema son :

Area de cobertura: Capital Federal y Gran Buenos Aires.

Tiempo de actualizacion: Aprox. 60 vehıculos / min. .

Error de posicion: 10 metros , para ello se utilizaran GPS.

Monitoreo del sistema: Vıa Internet .

Mantenimiento de la informacion obtenida, para estadısticas.







Diagrama inicial del sistema







Aporte

El aporte principal de esta Tesis, es:la creacion de una serie de herramientas de calculo destinadas aimplementar sistemas de seguimiento de flotas vehiculares en tiempo real,en funcion del area de cobertura, de la cantidad de unidades movilesinvolucradas.

Para garantizar el cumplimento de horarios y en general para optimizar eltiempo de respuesta de vehıculos crıticos, tales como ambulancias,patrullas policiales, camiones de bomberos etc.







Aporte

Un sistema vital o de seguridad critica, es un sistema cuya falla o malfuncionamiento puede resultar en :

La muerte o lesiones graves a laspersonas,

Perdida o graves danos a equipos,

Danos ambientales.

Solo con recolectar datos de receptores GPS y trasnmitirlos a un nodo central,no alcanza para garantizar que el sistema cumpla con los requerimientos de:

Cobertura.

Alta disponibilidad.

Confiabilidad.

Tiempo real.

Efectividad en el uso.







Vehículo

EspecificacionesPeso + Velocidad

=> modelo dedesplazamiento.

CAPÍTULO II

Informática

Motor DB , GIS ,Interfases

Estándar existentes

Comunicaciones

Móvil < > Celda Celdal < > NOCsistema

NOCsistema < > NOCclienteEstándar existentes

CAPÍTULO VII

CAPÍTULO VI

Conclusiones

CAPÍTULO VIII

Prestaciones delsistema

Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Georeferenciación

Sistemas de referencia(WGS84, Campo Inchauspe)

CAPÍTULO III

Sistemas delocalización

Principios básicossistemas existentes

CAPÍTULO IV







Siglas

Diversas siglas dependiendo del origen, hacen referencia al mismo tema:

AVL = VTS = ITS

AVL : Localizacion automatica de vehıculos.

VTS : Vehicle Traking System.

ITS : Intelligent Transportation System.

LBS = PLRS = RTLS

LBS : Location Based Services.

PLRS : Sistemas de reporte de posicion y localizacion.

RTLS : Real-time locating system.

En estos ultimos anos una explosion de sistemas y tecnologıas sobre este tema.

MLP : Mobile Location Protocol.

RAIM : Receiver autonomous integrity monitoring.

GNSS : Sistema de posicionamiento Global y todas sus variantes.

GIS : Sistemas de informacion geografica.

M-Commerce : Comercio movil.






DescripcionIntegridad de los datosComportamiento fısico de los vehıculosVida util de los datosVariables a monitorearEstimacion de la densidad de moviles por superficieConclusiones del capıtulo

Descripcion

Vida útil de losdatos

CAPÍTULO II

Georeferenciación


CAPÍTULO III


Principios basicossistemas existentes

CAPÍTULO IV

Variables amonitorear

Estimación de ladensidad de móviles

por superficie

Modelo decomportamiento físico

de los vehículos

Vehículo

Integridad delos datos







Integridad de los datos

El sistema debe garantizar la integridad de los datos de posicion que elmismo brinda.Durante cuanto tiempo se debe guardar esta informacion?

Para tomar esta decision hay que tener en cuenta varios factores:

Tecnologicos

Legales







Comportamiento fısico de los vehıculos

Metros Velocidad [km/hora]recorridos 5 10 20 40 60 80 100 120 150 180 200

Ti 0.01 0.01 0.03 0.06 0.11 0.17 0.22 0.28 0.33 0.42 0.50 0.56em 0.02 0.03 0.06 0.11 0.22 0.33 0.44 0.56 0.67 0.83 1.00 1.11po 0.04 0.06 0.11 0.22 0.44 0.67 0.89 1.11 1.33 1.67 2.00 2.22

0.08 0.11 0.22 0.44 0.89 1.33 1.78 2.22 2.67 3.33 4.00 4.44en 0.10 0.14 0.28 0.56 1.11 1.67 2.22 2.78 3.33 4.17 5.00 5.56tre 0.20 0.28 0.56 1.11 2.22 3.33 4.44 5.56 6.67 8.33 10.00 11.11

0.40 0.56 1.11 2.22 4.44 6.67 8.89 11.11 13.33 16.67 20.00 22.22mu 0.80 1.11 2.22 4.44 8.89 13.33 17.78 22.22 26.67 33.33 40.00 44.44es 1.00 1.39 2.78 5.56 11.11 16.67 22.22 27.78 33.33 41.67 50.00 55.56tras 2.00 2.78 5.56 11.11 22.22 33.33 44.44 55.56 66.67 83.33 100.00 111.11

4.00 5.56 11.11 22.22 44.44 66.67 88.89 111.11 133.33 166.67 200.00 222.22seg 8.00 11.11 22.22 44.44 88.89 133.33 177.78 222.22 266.67 333.33 400.00 444.44

10.00 13.89 27.78 55.56 111.11 166.67 222.22 277.78 333.33 416.67 500.00 555.56

Para el peor caso, se debe actualizar la posicion del vehıculo cada 0.2 seg.







Factores que limitan la velocidad de los vehıculos

Los factores que limitan la velocidad de los vehıculos :

Es la reglamentacion vigente. El Art 51 de la Ley Nacional deTransito y Seguridad Vial N 24.449 dictamina las velocidadesmaximas.

Fisicamente, surge una limitante para la velocidad maxima, estadepende del tipo de vehıculo, camion de carga o auto compacto.







Descripcion fısica de los moviles

0,01 0,1 1 100

5

10

15

20

25

30

35

Vel. Cte.Auto AcelerandoAuto FrenadoCamioneta AcelerandoCamioneta FrenadoCamión AcelerandoCamión Frenado

Tiempo [seg.]

Dis

tanc

ia re

corr

ida

[m]

Podemos calcular ladesviacion de posicionesperada, que se cometedebido a que el mismo seencuentra frenando oacelerando.Actualizando la posicion delmovil cada 1 seg. einterpolando con los datosdurante ese tiempo, nunca elerror va a ser mayor de 10metros.







Vida util de los datos

La ubicacion geografica del movil, antes de llegar al usuario final deberan atravesar enprimera instancia las siguientes etapas :

1 Toma de datos de los sensores del vehıculo.

2 Armado del paquete de datos.

3 Tiempo que insercion del paquete en la red.

4 Llegada de la informacion hasta la celda local.

5 Ingreso de los datos a la base de datos y indexado de los mismos.

6 Arribo de la consulta a la base de datos.

7 Resolucion de la consulta del usuario final.

8 Envıo de los datos.

9 Arribo de los datos en el host del usuario final.

Esta sumatoria de demoras, a la que llamaremos ∆Txtotal el usuario final dispondrıade la informacion de la ubicacion geografica del movil que solicito.








Luego de un tiempo, el vehıculo ya se alejo de su posicion dereferencia, una cantidad determinada de metros, si se encuentra enmovimiento.

La informacion tendra validez mientras el vehıculo se encuentre enun radio de ≤ 10metros, esto debe ser garantizado por el sistema,para ello una actualizacion de estos datos debe llegar antes de queesto ocurra, definiendo ası un intervalo de tiempo entre muestrasPeriodoactualizposvehiculo .

ErrorPosicion ≤ 10metros








Lo que se busca es maximizareste intervalo de tiempoPeriodoactualizposvehiculo .

Siempre el ErrorPosicion > 0metros

0metros < ErrorPosicion ≤ 10metros

Este modelo divergera luego deunos seg., llamaremos a estetiempo∆TmodelopredicposError≤10metros

⇒ seran requeridos parametrosactualizados.








1 Muestra /Seg

DelaySistema Tx

Per

iod

o d

eM

ues

treo

T validez Modelo M

atematico = 1 seg

T validez Modelo M

atematico = 2 seg

Delay Prop. 1 Seg

Ası obtenemos un lımite

maximo

Periodoactualizposvehiculo <

1seg

∆TmodelopredicposError≤10metros = Periodoactualizposvehiculo + ∆Txtotal







Variables a monitorear

La posicion del movil es el principal parametro a transmitir, pero debido aque tambien vamos a interpolar, es necesario transmitir mas datos:

Posicion Instantanea del movil.

Velocidad Instantanea del movil.

Aceleracion Instantanea del movil.

Orientacion Instantanea del movil.

La hora, segundos y decimas de seg. en que se genero la muestra.

Duracion de la validez de la informacion.







Estimacion de la densidad de moviles por superficie

Se requiere modelizar el trafico de un segmento de arteria vehicular:Esta unidad mınima poseerıa los siguientesparametros:

Se define un cuadrado formado por una crucede calles, con 50 metros de calle por lado.

Cantidad de carriles de la arteria.

Porcentaje de la misma ocupada por moviles.

Distribucion porcentual del tipo de vehıculo.

Tipos de vehıculos: auto, camioneta, camioncon sus respectivas dimensiones.







Estimacion de la densidad de moviles por superficie

Interesa obtener la cantidad de moviles que se encuentranen un area de un determinado diametro. Teniendo por unlado la Cantidad de Mov por Celda y la cantidad de celdasencerradas en ese area, tenemos resuelto el problema.

CantMovDiametro =CantMovCelda ∗ Π ∗ RadioSup2

100m2







Conclusiones del capıtulo

Para cumplir con el requerimiento : Errorposicion < ±10metrosresulta crıtica la correcta eleccion del sistema de comunicaciones einformatico.

La velocidad de refresco de los datos de posicionamiento,inicialmente requerida de 200mSeg se redujo a 1seg utilizando unmodelo matematico de prediccion de desplazamiento MS.

La cantidad de moviles que deberan controlarse es un punto muyimportante a tener en cuenta a la hora de elegir un sistema detransmision de la informacion desde los moviles.






La GeoreferenciacionProyeccionesLas cartas geograficasSistema de informacion geograficaArea de coberturaConclusiones del capıtulo

Descripcion

VehículoEspecificacionesPeso + Velocidad


Sistemas delocalizaciónPrincipios básicos

sistemas existentes

UbicaciónGeográfica

CAPÍTULO IVCAPÍTULO II

CAPÍTULO III

GeoreferenciaciónElipsoide / Geoide

Datum / Transformación decoordenadas.

Redes de control Geodésico

ProyeccionesTipos de ...

Gauss-Krugger / UTM /...

GIS / CAD / Raster

Cartas IGN







La Georeferenciacion

georeferenciacion: Para poder efectuar calculos de posicion,distancia, direcciones, etc. , sobre la superficie de la tierra, esnecesario primero tener un marco de referencia matematico.

Un sistema geodesico de referencia es un conjunto de datosinseparables que permiten realizar el calculo de las coordenadasgeodesicas (latitud, longitud y altitud).

Un sistema de referencia queda definido por un elipsoide derevolucion (forma matematica de representacion de nuestro planeta)y una terna de ejes cartesianos.

Para los fines de representacion y mapeo, se requiere desarrollar elelipsoide al plano, mediante traspasos matematicos proyeccion.

Ninguna representacion de la tierra puede ser completamente exacta,cada una de ellas apropiada para una finalidad particular.







Elipsoide de revolucion

La forma de la Tierra es unGeoide, el cual corresponde a lasuperficie equipotencial del campode gravedad terrestre.Su expresion matematica esbastante compleja de manejar.La Tierra se modela a traves deun elipsoide de revolucion, figuramatematica relativamente sencillaque se ajustara lo mejor posible algeoide.







Tipos de elipsoide

Elipsoides regionales :Se ajustaban al geoide dentro de cierta region,pero fuera de ella comenzaba a producirse undesajuste creciente.CampoInchauspe 1969, es un elipsoide regional,utilizado durante muchos anos por nuestro paıs.

Elipsoide global :Se ajusta, en promedio, al geoide en todas laspartes del planeta.Un elipsoides global es el WGS84, cuyaprecision geocentrica actual es del orden de20cm y cuyos ejes estan alineados con erroresimperceptibles.

Por las limitaciones propias de las tecnicas de medicion, para la geodesiaclasica no fue posible establecer elipsoides globales (hasta la aparicion delos GPS)







Las Coordenadas Geodesicas

Teniendo definido la superficie de referencia (x ej. el elipsoide WGS84):

Latidud geodesica = ϕ : Es elangulo entre la normal al elipsoide dereferencia y el plano del Ecuador (oplano XY).

Longitud geodesica = λ : Es elangulo entre el meridiano que pasapor el punto y el plano meridiano deorigen (Greenwich).

Altura geodesica = h : Es ladistancia a lo largo de la normal alelipsoide, desde el punto considerado.







Datums geodesicos

Los Datums geodesicos, constituyen el origen de las mediciones enlos sistemas de referencia locales.

Cuyas coordenadas provenıan de una observacion astronomica.

Las diferentes naciones y agencias usan diferentes Datums comobase de sus sistemas de coordenadas.

Algunos Datum relevantes :Datum Campo Inchauspe (Pehuajo,Bs. As)

Datum SAD69 (Sudamericano)

Datum WGS84 (NavStar)

Datum PZ90 (Glonass)

Datum ED50 (Europeo)

Tipos de Datum :Datums Horizontales definidos porElipsoide determinan coordenadasLatitud y Longitud.

Datums Verticales definidos porGeoide determinan alturas.

Datums Compuestos definidos porElipsoide y Geoide; un punto serepresenta por Latitud, Longitud yAltura







Redes de Control Geodesicas

Las redes de estaciones de referenciase realizan a traves de cadenas detriangulos dobles superpuestos conextensiones de unos 200kmformando un reticulado uniforme.

Las redes de control se organizanjerarquicamente formando unsistema de referencia unico en laArgentina.







Proyecciones

Un elipsoide no es desarrollable. Sedebe recurrir a modelos matematicosde proyeccion plana o cartografica.

Es inevitable la deformacion.







Tipos de proyecciones segun la distorsion

Una proyeccion⇓una distorsion:

ConformesEquidistanteDireccionIgual area oequivalentes

Segun lasuperficie auxiliar:

CilındricasPseudo cilınd.ConicasAcimutalesLambert

Segun la posicionde superficieauxiliar:

Transversales

Oblicuas

Tangentes

Secantes







Tipos de proyecciones segun la posicion de la superficie auxiliar

Proyecciones Normal (polar) Proyecciones Transversa Proyecciones Oblicua

Proyecciones Planas(a) (b) (c)

Proyecciones Cilındricas(d) (e) (f)

Proyecciones Conicas(g) (h) (i)







Proyecciones relevantes : Mercator y Gauss-Krugger

Proyeccion Mercator utilizada pornavegantes

Proyeccion Gauss-Krugger oMercator Transversa







cartografıa Argentina

Distintos Organismos son los encargados de realizar la cartografıaArgentina:

El IGN ex IGM (Instituto Geografico Nacional) encargado de lacartografıa terrestre Argentina.

La DTA (Direccion de Transito Aereo) encargado de las cartasaeronauticas.

El SHN Servicio de Hidrografıa Naval encargado de la cartografıanautica Argentina.







IGN

El factor de escala:

factordeescala =Longitudenlaproyecci on

LongitudverdaderasobrelaTierraalaescalanominal=

1mm

500m= 1 : 500000

El IGN codifica los mapas de las siguiente manera:

Escala ∆ϕ ∆λ 1mm Cuadricula Nomenclatura

1 : 500000 3◦ 2◦ 500m 20km 35601 : 250000 1◦30′ 1◦ 250m 10km 3560− II1 : 100000 30′ 20′ 100m 4km 3560− 301 : 50000 15′ 10′ 50m 2km 3560− 30− 31 : 25000 7′30′′ 5′ 25m 1km 3560− 30− 3− C

1◦ en ϕ ∼= 111,3km × cosλ y 1◦ en λ ∼= 111,1km × cosλ







Sistema de informacion geografica

Para el manejo cartografico sobre una computadora, existen distintasherramientas:

Imagenes Raster

Sistemas CAD

Sistemas de Informacion Geografica ( GIS )







Imagenes Raster

Los graficos raster almacenan y representan un dibujo o una imagen conuna matriz de pixel que recubre toda la imagen. Las imagenes rastertienen el inconveniente de:

Gastar muchamemoria.

Poco adecuada parala representacion deentidades lineales.

Poca precision en loscalculos de areas odistancias.

En la escala 1:50000 el tamano del pixel es de 10 metros.

Una imagen raster se obtiene a partir de:

1 Una fotografıa:

aerea. satelital.

2 Se deben eliminar las distorsiones propias provocadas por fotografiar unasuperficie esferica. Este proceso se llama georeferenciacion.







Que es un CAD

El CAD se utilizo en cartografıa para aumentar la productibilidad en lageneracion y actualizacion de mapas.

Conjuntos de puntos organizados por capas de visualizacion.

Se guardan en un formato vectorial. Esta tecnica consiste en almacenarlas colecciones de vectores que definen los trazos de un dibujo.El modelo vectorial representa los objetos espaciales codificando, demodo explicito, sus fronteras.







Que es GIS

Para tomar una decision, se debe contar con adecuada y suficienteinformacion.

Los GIS fueron utilizados inicialmente en el ambiente militar, pero ahorase utilizan donde necesite la combinacion de planos cartograficos + basesde datos:

Ingenierıa civil.

Estudios medioambientales.

Estudios socio economicos ydemograficos.

Planificacion de lineas de comunicacion.

Para defensa y seguridad.

Estudios geologicos y geofisicos.

Prospeccion y explotacion de minas.

Censos y estadısticas de poblacion.

Analisis de mercados.

Se manejan modelos de objetos que existen en la realidad, tienencaracterısticas que los diferencian y guardan relaciones espaciales.







Los datos Geograficos

Las caracterısticas fundamentales de los datos geograficos son cuatro :

ID unico

Posicion

Atributos descriptivosRelaciones espaciales Determinan las interrelaciones geometricas de o entre las

entidades espaciales:

de contiguidad.de conectividad.

de inclusion.de Proximidad.

Tiempo







Funciones de un SIG

El analisis de datos se realiza a traves de operaciones sobre los datosespaciales y no espaciales:

Funciones de captura yorganizacion de datos:

digitalizacion

tratamiento de imagenes

transformacion decoordenadas

localizacion de errores

georreferenciacion

creacion de topologıas

etc...

Funciones de gestion detablas alfanumericas:

localizacion de datosmediante SQL

creacion y modificacionde estructura de tabla

indexado de tablas

exportacion e importaciona ASCII

etc...

Funciones de analisisespacial:

analisis de area deinfluencia

interseccion de polıgonos

creacion de mapastematicos

localizacion y seleccion deentidades (inclusion,proximidad)

agrupamiento yclasificacion







Implementaciones existentes

Existen disponibles en el mercado varios GIS, algunos de ellos pagos yotros gratuitos.

ArcGis : Esta disponible en el mercado la version 9.3

ArcView : Puede trabajar solo, pero con funciones basicas.ArvEditorArcInfo

MapInfo : Esta disponible en el mercado la version 8.0

OpenGis : Es una version no comercial







Area de cobertura y Aproximacion del sistema de coordenadas

Los lımites del Area decobertura:

Norte : Escobar

Sur : Ezeiza

Este : Berazategui

Oeste : Pilar

El area de cobertura, queda contenido en 1◦ de latitud y longitud.Puede aproximarse el segmento del arco, a la tangente de dicho segmento.permitiendo utilizar una proyeccion ortografica.








Por lo analizado en este capıtulo se recomienda :

La utilizacion de una proyeccion ortografica.

La utilizacion del Sistema de referencia Cartografico NacionalPOSGAR.

Se requiere un mapa con una resolucion superior a los 10 metros. ElIGN los suministra.

La utilizacion de un sistema GIS.






Algunas definicionesDesempeno de un sistema de localizacionCalculo posicion basado en la InferenciaPrincipios fısicos basicos de las ondas ElectromagneticasDeterminacion de la localizacionEvolucion de los sistemas de posicionamientoRequerimientos de localizacion del sistemaPros y contras de distintos sistemas de localizacionConclusiones del capıtulo

Descripcion

VehículoEspecificacionesPeso + Velocidad


Infraestructurapara determinar la

ubicación relativa delmóvil

RSS

AOA

TOA/TDOA

Rangos RelativosDistancias relativas

incertezas

GeoreferenciaciónSistemas de referencia

(WGS84, CampoInchauspe)

Triangulación

DatabaseCorrelation

Method


Tipos de Servicios

CAPÍTULO II

CAPÍTULO III

CAPÍTULO IV CAPÍTULO IV

Sistemas ExistentesGPS , LORAN ,GSM , OMEGA ,

ILS , etc

SistemasComplementariosGiróscopo, Odómetro, etc

Especificaciónde la precisión

DRMS, CEP , etc







Metodos para determinacion de la posicion

La determinacion de la posicion del MS puede realizarse por metodosdiversos:

Basado en Senalizaciones o Signpost

Basado en Calculo por Inferencia o Dead Reckoning:Procedimiento matematico simple para inferir la posicion actual deun movil haciendo calculos basados en :

Su posicion inicial.Su rumbo.

Su velocidad de desplazamiento.El intervalo de tiempo.

Basado en la propagacion de Ondas Electromagneticas:Utilizando antenas direccionales y determinando el angulo origen de lassenales.Por comparacion de la potencia con la que se reciben las senales.Por comparacion de la demora con la que arriban las senales.







Desempeno de un sistema de localizacion

La evaluacion del desempeno de un sistema de localizacion podrıadividirse es:

Disponibilidad

Integridad

Precision

Continuidad del servicio







Disponibilidad de un sistema

La disponibilidad debe evaluarse en :

Disponibilidad espacial : Delimitada por el area de cobertura y lapenetracion del sistema.

Disponibilidad temporal : 24 horas por 365 dıas del ano.

La disponibilidad del sistema va a estar delimitada por el area decobertura del mismo.Una clasificacion, segun el area de cobertura :

OutDoor : Para uso en exteriores, y lugares a cielo abiertos.

InDoor : Para uso en interiores (no es el caso de esta tesis).







Exactitud de un sistema

Como se especifica laexactitud del sistema?La exactitud del sistema, esuna medida de la habilidaddel mismo de determinar lalocalizacion del usuario.







Exactitud de un sistema

Existen varias unidades de medidas,incompatibles entre si, debido a queutilizan distintos intervalos deconfianza.

nmi Milla Nautica, 1nmi = 1850metros.

RSS (Root Sum Square)

1DRMS radio que contiene el 68,27 % de lospuntos

2DRMS radio que cual contiene el 95,44 % delos puntos

CEP (Circle Error Probable) radio que adjunta50 % de los puntos.

SEP (Spherical Error Probable) el analogotridimensional de CEP.

GDOP (Geometric Dilution Of Precision) es elRMSE o CEP normalizado

Incerteza temporal, en segundos con 2σ.

Incerteza vertical, en metros con un intervalode confianza de 2σ.

Epoch frecuencia actualizacion de datos







Calculo posicion basado en la Inferencia

Procedimiento matematico simple para inferir la posicion actual de unmovil basado en su rumbo, velocidad de desplazamiento y el tiempotrascurrido.En aeronautica se utiliza el mismo principio y se lo llama navegacioninercial. Se utilizan para ello giroscopos, acelerometros.La implementacion mas simple de esta tecnica es llamada Odometrıa, eldesplazamiento de un movil se deriva a un cuenta revoluciones a bordodel mismo.

La precision de este metodo es muy buena a corto plazo, pero requiere decontinuos ajustes basados en otros sistemas de navegacion absolutos,para mantenerla.







Principios fısicos basicos de las ondas Electromagneticas

Las fuentes de la radio reemplazaron las estrellas y planetasutilizados en la navegacion celestial.

La radionavegacion o radiolocalizacion ( radionavigation oradiolocation ) es la aplicacion de frecuencias de la radio paradeterminar una posicion en la Tierra.

La telemetrıa nos permite la medicion remota de magnitudes fısicasy el posterior envıo de la informacion hacia el operador del sistema.







2D y 3D

Para el monitoreo de vehıculos, se supone que los mismos se encuentransobre la superficie terrestre

2D : (X,Y) Capacidad de determinar la posicion del objeto sobre unplano.

3D : (X,Y,Z) Ubicar unıvocamente un objeto en el espacio.







MS UE BTS BS LMU....

Algunas definiciones:

Equipo movil puede ser un telefono celular o una handhelp.

MS Mobile phone/Station. UE User Equipment.

Estacion que concentra y facilita las comunicaciones inalambricasentre los MS y la red.

BTS Base Transceiver Station.BS Base Station.RBS Radio Base Station.

UTRAN Universal TerrestrialRadio Access Network.Node B (en redes 3G)

Unidad de medida de localizacion, puntos de referencia, decoordenadas geograficas perfectamente definidas y utilizados comoreferencia en estos sistemas.

LMU Location MeasurementUnit.

LS Location Server.







MS-based y MS-assisted

Dependiendo donde se resuelve la medicion utilizada para determinar dela posicion podemos definir:

MS-based o handset-basedo Rover-based : El calculo de la posicion se realizaen el MS.

MS-assisted o network-based : El calculo de la posicion se realiza en la BS o enla red.

Base"BS"

Movil"MS"

MS - Based MS - Assisted







Metodos

La determinacion de la posicion de un movil basado en la propagacion deOndas Electromagneticas puede realizarse por metodos diversos:

Vehículos

a1a2

X1 X2

Y

d 2d 1

D

Utilizando antenas direccionales ydeterminando el angulo origen de laTransmision. AOA

Por comparacion de la potencia conla que se reciben las senales. RSS

Por comparacion de la demora conla que arriban las senales. TOA







Ubicacion mediante antenas direccionales o AOA

AOA Angle of arrival la antena receptora del sistema, detecta los Txubicados dentro de su lobulo o area de cobertura. Para ellos existen dosopciones :

Una antena que rota de forma que su lobulo barre el area designada RADAR.Obteniendose ası la direccion en la que se encuentra el MS.

Multiples antenas fijas, formando un sistema de celdas. Donde cada una unacubre una pequena seccion del area total. La precision se incrementa reduciendoel tamano de cada celda y colocando mas de ellas.







Ubicacion mediante antenas direccionales o AOA

X1 X2D

Angulo Apertura

r

La ubicacion del MS puede resolverse:

Y =D · tanα1 · tanα2

tanα2 − tanα1

X1 =Y

tanα1

X2 =Y

tanα2

De la interseccion de los lobulos de las antenas de los radiofaros, se obtiene el area donde se detecto el movil, porconsiguiente el angulo de apertura del lobulo de lasantenas, va a determinar la precision del sistema.

∆Y =

√(∂Y

∂α1·∆α1)2 + (

∂Y

∂α2·∆α2)2

∆X =

√(∂X

∂α1·∆α1)2 + (

∂X

∂α2·∆α2)2







La incerteza de AOA

La incerteza de este metodo depende de :

La direccionalidad de las antenas, elangulo de apertura del lobulo principal delas antenas.

La cercanıa de objeto a determinar suubicacion a los radiofaros.

Posibles reflexiones de las senales enobjetos que se encuentran entre el radiofaro y la estacion receptora.

La incerteza en dicho punto esta determinadapor el diametro del cırculo.

Precision = dn · sinαn/2

No seria aconsejable utilizarlas para los fines deeste trabajo. Si se puede utilizar en complementocon otros sistemas de localizacion.







Por comparacion de la potencia con la que se reciben las senales

La potencia con la que arriba una senal al receptor RSS Received SignalStrength, depende de la distancia entre el transmisor y el receptor y delos obstaculos entre ellos.Teniendo las distancias relativas a los BTS, puede determinarse laubicacion relativa del MS, y con los LMU como referencia de posicion, laubicacion absoluta.Puede determinarse la posicion por comparacion de la potencia con laque se reciben las senales de varios radio faros en un sistema MS. O lapotencia con la que arriba la senal del movil a los distintos radio faros enun sistema BS







Ecuacion de Friss

A partir de la ecuacion de Friss, se determina con que potencia arriba lasenal al receptor donde:

Ptx : Potencia del transmisor.

Gtx : Ganancia de la antena transmisora.

Grx : Ganancia de la antena receptora.

λ: Longitud de onda de la senal transmitida.

d : Distancia entre transmisor y receptor.

Prx (d) =Ptx · Gtx · Grx · λ2

(4 · π)2 · d2







Ecuacion de Friss

La atenuacion de las senales en el espacio libre puede determinarse deacuerdo a la ITU − RRc ,525 y RC ,341 la atenuacion se expresa en dB ladistancia en kilometros y la frecuencia en MHz.Dejando de lado las ganancias que pudieran aportar la antenatransmisora y o receptora debido a que la intension es presentar lavariacion relativa de la senal con la distancia y la frecuencia de trabajo.

Atenuacion = 32, 5dB + 20 · log(f · d)

En ella se observa de la atenuacion de la senal no responde en formalineal con la distancia este hecho dificulta la determinacion de ladistancia por medio de la atenuacion.







Sensibilidad de la determinacion de la distancia

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

10 100 1000 10000 100000

metros

d (

aten

uac

ión

) / d

(m

etro

s)

En el caso extremo de un conducto continuo entre antenasemisora y receptora la atenuacion del espacio es:

Atenuacion = 32, 5dB + 20 · log(f ) + 10 · log(d)

Para analizar la sensibilidad de la determinacion de ladistancia al Tx teniendo en cuenta la atenuacion de lasenal, se analiza la derivada de la misma respecto a ladistancia.

∂Atenuacion

∂distancia=

20 · log e

distancia

la sensibilidad en la determinacion de la distancia decae inversamente a ladistancia. Este tipo de determinacion solo resultarıa util en distanciasmuy cortas.







Variacion del modelo de propagacion

Existen varios modelos para evaluar la propagacion dependiendo del rango defrecuencia y del tipo de enlace:

Enlaces fijos :

Propagacion en espacio libre.

Modelos de dos rayos.

Anillos de Fresnel.

Modelos de Longley-Rice y Durkin.

Enlaces moviles :

Okumura.

Okumura-Hata.

Walfisch-Bert.

Para poder aplicar estos modelos, resulta imprescindible realizar mediciones paraajustar los coeficientes del los modelos para cada topografıa.Una implementacion en redes de 3G. Se mide la potencia recibida en el canal pilotoCPiCh.

Resulta clave para este metodo de determinacion de distancia, elegir una frecuencia

con sumo cuidado y un modelo que la represente lo mas fielmente posible. Y teniendo

todos estos cuidados, la precision de este metodo no alcanza.







Por comparacion de la demora con la que arriban las senales

VelocidadLuz ∼= 300,000km/seg = 299,792,458m/seg ⇔ 1 metro en 3, 33nSeg

Las ondas electromagneticas se propagan a la velocidad de la luz ⇒ puededeterminarse la distancia, midiendo la demora debido a la propagacion de laonda por el aire entre el MS y la BS.

PseudoRange o pseudo distancia, es el retraso entre la senal emitido por el Tx yel que arriba al receptor.

La determinacion del PseudoRange se ve influenciada por :

Cuantizacion de un sistema discreto.

Inestabilidades de los osciladores.

Ecos o multipath: Al receptor arriban multiples replicas de la senal transmitida.

LOS (line of sight) Ningun obstaculo interrumpe la lınea de vista entretransmisor y el receptor, en caso contrario NLOS.







TOA versus TDOA

IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE [48] JULY 2005

The sample interval Ts

determines the measurementupdate rate in the filter. Here,a bit of care is required sincethe measurements given inTable 2 are correlated overtime while a filter requiresuncorrelated measurements.The most immediate solution is to match the sample interval Ts

to the coherence time of the measurements, which includesdown-sampling (using an antialias filter) the measurements.

The measurement equation is still of the formyk = h(pk) + ek with the corresponding measurement FIMJ(po

k). The filtering CRLB depends on J(pok) but also on the

motion model selection and the user mobility assumptions.Due to averaging effects, the bound will decrease considerablycompared to the static case. Another advantage with temporaldata and filtering compared to estimation in the static case is

that it is possible to handlean underdetermined equa-tion system in the measure-ment equations.

As a possible improve-ment to the models in Table7, the range to one BS maybe introduced as an auxiliary

state variable. Then, the TDOA measurements can be expressedlinearly in the state vector and the problem with convergenceto local minima is avoided.

Another way to obtain linear measurement relations to themodels in Table 7 is to solve the static ML problem for eachmeasurement and then use this position estimatepk = arg minp ln pE(yk − h(p)) and its approximate (asymptot-ic) distribution pk ∈ N(p, J−1(p)) as the measurement relation.The position estimate here acts as a sufficient statistic for theavailable information.

[FIG4] (a) and (b): Example scenario with four receivers are placed in a square, and there is one transmitter at (1.2,1). With TOAmeasurements, each receiver measurement constrains the transmitter position to a circle. With TDOA measurements, each pair ofreceive measurements constrains the transmitter position to a hyperbola. (c) and (d): Nonlinear least squares (NLS) loss functions, or thenegative log likelihood for Gaussian error distribution, for TOA and TDOA measurements, respectively. (e) and (f): RMSE lower boundimplied by the CRLB measurements for TOA and TDOA, respectively. The unit is scaled to the measurement standard deviation.

−3 −2 −1 0 1 2 3−3

−2

−1

0

1

2

3

X(a)

Y

Receiver Locationsand TOA Circles

−3 −2 −1 0 1 2 3−3

−2

−1

0

1

2

3

X(b)

Y

Receiver Locationsand TDOA Hyperbolas

0.10.31

1 1 3

3

3

3

3

10

10

10

10 10

10

10

X(c)

Y

Least SquaresLoss Function for TOA

−3 −2 −1 0 1 2−3

−2

−1

0

1

2

0.03

0.1

0.1

0.10.3

0.3

0.3

1

1 1

3

3

3

1010

10

X(d)

Y

Least SquaresLoss Function for TDOA

−3 −2 −1 0 1 2−3

−2

−1

0

1

2

1.021.02

1.02

1.02

1.02

1.02

1.2

1.21.2

1.21.2

1.5

1.5 1.5

1.5

1.51.5 2

22

2

2

2 2

2

2.5

2.52.5

2.5

X(e)

Y

RMSE Lower Bound for TOA

−3 −2 −1 0 1 2−3

−2

−1

0

1

2

1.021.2

1.21.2

2

22

5

5

5

5

5

10

10

10

1010

10

20

20

20

20

20

20

20

20

X(f)

Y

RMSE Lower Bound for TDOA

−3 −2 −1 0 1 2−3

−2

−1

0

1

2

MOBILE-CENTRIC SOLUTIONS ENABLETHE USE OF SAMPLED TEMPORALMEASUREMENTS AND MOTION

MODELS TO ENHANCE ESTIMATIONACCURACY AND INTEGRITY.

Dependiendo del grado de sincronismoexistente en la infraestructura, existenbasicamente dos principales opciones deimplementacion, utilizando el mismoprincipio de funcionamiento:

TOA (Time ofArrival)redcompletamentesincronizada.SolucionesMS-based.Ejemplo: GPSNavstar.

TDOA (Time difference Arrival) o navegacionhiperbolica.No dispone de una referencia de tiempo unicaen toda la redSe obtienen diferencias de tiempo parcialescontra pares de BTS.Se forma una hiperbola donde la BTS esta enel foco. La posicion del MS, la interseccion dedos hiperbolas.Ejemplo: red celular, usando TA.

OTD (ObservedTime Difference),E-OTD y E-OTD-C.Son versiones deTDOA, la posicion esestimada en el MS,no en la BTS.







Tipo de medicion

La demora debido a la propagacion puede medirse utilizando:

Medicion tiempo arribo de un pulso.

Modulacion por codigo, espectro ensanchado.

Medicion de las diferencias de fases de una senal multitono.

En los metodos AOA y RSS a mayor distancia, mayor incerteza; en este, laprecision del datos con el que se mide es independiente de la distancia.

Se va a requerir sistemas lo suficientemente rapidos y estables, que permitanmedir diferencias de tiempo del orden del ηSeg , para tener una resolucionaceptable.







Medicion tiempo arribo de un pulso

Señal Transmitida

Señal recibida idealmente

Señal recibida real

Tiempo

Tiempo ideal

La resolución depende del ancho del pulso

El radar, transmite un pulso deRF y espera que regrese parte dela energıa del mismo, al serreflejado por un objeto queencontro en su camino.

Se comienza a medir el tiempodesde que transmite la senalhasta que la misma regresa.

La exactitud depende del anchodel pulso que se transmite.

t

t

t

t

En la Radio base

t

t

t

En el movil

Este adelanto en la Tx, permitecompensar la lejania con la radio base.

En TDMA cada usuario, tiene asignada una porcionde tiempo en la cual la BTS puede recibirinformacion del mismo, TIMESLOT.

El delay de transmision, es un parametro que seutiliza para lograr que la informacion de cada MSarribe a la base en el momento exacto que el tengaasignado, independientemente de la lejanıa entre laBS y el MS, sin pisar la senal de otro equipo.

Se llama Timing advance en GSM o Round TripTime en CDMA







Medicion de distancia con Espectro Ensanchado

Produce que el BW de canal ocupado por lamodulacion tradicional se expanda cientos omiles de veces.

Las principales virtudes de este tipo demodulacion son:

Capacidad de anti Jamming,

Rechazo de interferencia.

Capacidad de acceso multiple.

Proteccion frente a Multi-path.

Baja probabilidad de interseccion.

Comunicacion segura.

Eficiencia espectral en circunstanciasespeciales.

Medicion de distancias.

(j) FH-SS (k) Convencional (l) DS-SS







Medicion de distancia con Espectro Ensanchado

Esta expansion del BW se realiza utilizando largas secuencias de codigos pseudoaleatorias PN:

una secuencia totalmente deterministica para el equipo que la genera

para el resto que no poseen el patron, la ven como una secuencia aleatoria de 1 y 0 ; RUIDO.

Problemas tıpicos en las comunicaciones inalambricas, al Rx arriba :

1 la senal directa del Tx.

2 ecos de la misma originados por las reflexiones de la senal original con los obstaculos queencuentra en el camino entre Tx y Rx.

Como resultado, de la adicion de todas estas senales en el Rx, se deforma la senal ypuede llegar a generar un desvanecimientoEl Fading multipath origina errores en la determinacion de la distancia, en otrosmetodos. Las senales de SS, tienen la ventaja que nos permite aislar la senal directade los ecos.Las principales tecnicas son las siguientes:

DSSS Direct secuence o secuenciadirecta

FH Frequency Hopping o Salto defrecuencia







Frequency Hopping o Salto de frecuencia

Códigoen el

transmisor

Códigoen el

receptor

tiempo

fre

c

1 1 0 1 0 0 1

Fo - 2 x Fh

Fo - Fh

Fo + Fh

Fo + 2 x Fh

Fo + 3 x Fh

Fo + 4 x Fh

Fo - 3 x Fh

Fo - 4 x Fh

1 1 0 1 1 0 0 0 0 1

Tiempo =Debido a la distanciarecorrida por la señal

tiempo

fre

c

1 1 0 1 0 0 1

Fo - 2 x Fh

Fo - Fh

Fo + Fh

Fo + 2 x Fh

Fo + 3 x Fh

Fo + 4 x Fh

Fo - 3 x Fh

Fo - 4 x Fh

1 1 0 1 1 0 00 0 0 0

T hop

Para determinar la distancia, se mide el tiempo que tardala senal en llegar del Tx alRx, midiendo el desfasajeentre los codigos de salto defrecuencia de los dos equipos.

La resolucion del sistema vaa estar dada por el Thtiempo que dura un salto.

Pero se dificultatecnologicamente realizarsaltos lo suficientementerapidos para lograr una buenaresolucion. La maximavelocidad de salto, esta en elorden de 1Mhps resultainsuficiente.







Direct sequence o secuencia directa

d(t)

p(t)

s(t)

Tx

Rx

d(t- t)

u(t- t)

p(t- t)

0 0 0

0 0

1 1 1

111

Tiempo =Debido a la distanciarecorrida por la señal

Tchip

= N . Tchip

En el caso de las senales deDSSS, tenemos la ventajaque esta modulacion nospermite aislar la senal directade los ecos (multipath)siempre y cuando estos ecoslleven demorados mas de unTchip respecto a la senaldirecta.

En zonas urbanas,τmultipath ≥ 1uSeg para queno interfiera solo se deberıautilizar unChipRate > 1Mchip, esto essimple de realizar en DSSSpero no en FHSS .








La utilizacion especifica de SS para medir distancias, debemos tener encuenta dos cosas :

La longitud del codigo en DSSS o FHSS, o sea la duracion entiempo del mismo, tiene que ser mayor que la maxima demoradebida a la propagacion, correspondiente a la mayor distancia amedir, para que la misma sea univoca.

La resolucion del sistema va a estar daba por la duracion de Thop oTchip. Pero como vimos, Thop >> Tchip por lo cual los sistemas deFHSS no poseen la resolucion requerida y si en cambio los DSSS.

Es conveniente elegir un Tchip de forma que resulte cantidadesenteras por unidad de medida (chip/metro).








Un problema: un codigo largo (medir grandes distancias) y rapido (buena resolucion),es demasiado lento para sincronizar.Para reducir este tiempo, se utilizan sistemas hıbridos, fusionando el resultado deutilizar varios codigos cada uno de distinta longitud.

Codigo corto y rapido. No determina la maxima distancia absoluta, solo nos dauna fase relativa respecto al otro codigo, pero rapido de resolver. Bernier delcalibre.

Codigo largo y lento o Mensaje de rango. Resuelve las ambiguedades del codigocorto. Su longitud es mayor que la demora de propagacion producida cuando semide la maxima distancia.

Sincronizar estos dos codigos es necesario para determinar la distancia, la faserelativa obtenida del primero, se complementa con la cantidad repeticiones delmismo dentro del segundo.

Por todo lo antes mencionado DSSS resulta la mejor opcion como metodo para medirdistancia.







Medicion por fases de una senal multitono

t

to t

Consiste el la utilizacion de multiples tonos coherentesmodulados en una unica portadora.Los tres tonos poseen una unica combinacion de fases parauna distancia determinada.

Este metodo tambien llamado RTK Real Time Kinematic.

Se utiliza en conjunto con modulaciones de DSSS donde :

El ajuste grueso de distancia se realiza utilizandoDSSS

El ajuste fino se realiza con la o las fases de lostonos o portadoras.







Determinacion de la direccion

Un sistema MS-based, formado por dos antenas separadas una distancia D. Ladiferencia entre ambos PseudoRange nos indica la direccion en que se encuentra elreceptor

BS

Generadorde codigo

Oscilador

p(t)

Con

trol

Pote

ncia

Decisión

0

Tb

Generador decodigo (PN)

CK

OsciladorOffset

r(t)

u(t)p(t)

Sincronismo

AGC AGC

Decisión0

Tb

Generador decodigo (PN)

CK

OsciladorOffset

r(t)

u(t)p(t)

Sincronismo

Dirección

AGC AGC

Medición de fase

de códigos

Offset

Offset

MS

Dis

tan

cia

entr

e an

ten

as







Determinacion de la direccionEl angulo puede determinarse apartir de :

distancia entre antenas.

la distancia entre MS ycada antenas.

1 2

X1 X2

Y

d 2d 1

D = 2 x a

r

a

Superando la resolucionobtenida por otros metodos.

d1 − d2 =X1

cosα1−

X2

cosα2α2∼= α2 = α

Desarrollando y teniendo en cuenta las aproximaciones, elcalculo se simplifica:

d1 − d2∼=

X1 − X1

cosαcosα =

X1 − X2

d1 − d2

Un ejemplo numerico sencillo, considerando un sistema que :

Una resolucion de Tchip/10

Reloj de 10Mcps

Una separacion entre antenas receptoras de 300metrosequivalente a 10chip.

Precision = 180◦ ·∆ Chipentreantenas · Resolucion

Precision = 180◦ · 20cps · 0, 1cps = 0, 9◦







Fuentes de error en la determinacion de distancia con SS

Todos estos errores son muy similares, pero no son lo mismo:

Corrimiento del reloj.Error del reloj.

Error de cuentas.Error Doppler inducido.

Error debido aMultiPath.

El error de cuentas, depende directamente del ChipRate, es inherente a cualquier sistema discreto.

El corriento Doppler debido al desplazamiento relativoentre Tx y Rx, provoca que se acumulen distintascantidades de chip de codigo en el emisor y elreceptor.

El problema del multipath, un problema grave, generadeformacion de los pulsos o interferencia destructiva.Existen tecnologıas para reducirlos Rake receiver.

Velocidad = 200km/s = 55,5 m/Seg1 m : 18mSeg

R = clock rate = 10 Mcps => 1chip = 0,1 uS = 30 metrosD = doppler shift = 1,85 cps => 55 metros

R - D

R - 2 x DVelocidad = MACH 2 = 680,58 m/Seg

1 m : 1,45mSeg

R = clock rate = 10 Mcps => 1chip = 0,1 uS = 30 metrosD = doppler shift = 22 cps => 672 metros

R - D

R - 2 x D







Minimizacion del ruido en las mediciones

Las mediciones utilizadas como base de la localizacion, se encuentran afectadaspor ruido. Resulta conveniente y necesario aplicarles filtrosmatematicos-estadısticos antes de utilizarlas en la triangulacion:

Para LOS: La distribucion gausiana es la mas comunmente usada.Se utilizan filtros de Kalman EKF (Extended Kalman Filter)

Para NLOS: Las mediciones de posicion presentan inestabilidad.Si se lo trata como LOS , se estarıa cometiendo el error positivo en laµtiempoestimado y tambien probablemente en la σ2.presentando una pesada cola,para los errores positivos.No resulta facil detectar que se esta en NLOS. Una solucion es el uso dealgoritmos robustos.En estos casos de distribuciones no gausianas se utilizan PF Particle Filter.Ejemplo: la triangulacion de celulares.







Determinacion de la localizacion

signal that is transmitted by an MS. This technique is more appropriate for the reverse link of IS-95 CDMA networks since an array antenna in an MS is impractical.

In general, an angle of arrival estimate is made from a BS using a directional antenna such as a phased array of two or more antenna elements to measure the AOA of incident signal[4]. We may use a lot of elements in order to improve the accuracy of estimate in order to improve the accuracy of estimate.

I X

/

Incident plane wave ,/’

/.A? . . . . , . . , I , . . . . . , . [ Figure 1. Direction finding system-Illustration of a plane wave incident on a linear equi-space array. The dotted lines represent the phase fronts of the incident wave.

However, this improvement is at the expense of ambiguities. Since wider antenna spacing introduces ambiguities in the results, the existing wireless communication network diversity antennas cannot be used in AOA location systems. Also, the AOA systems generally discard other useful signal information, such as amplitude.

Multipath components may appear as a signal arriving from an entirely different direction, and can lead to catastrophic errors in an AOA system.

Especially, if we use a direction finding for position location in CDMA, we must change BSs existing CDMA networks in order to applying AOA to CDMA networks.

B. Ranging

The ranging system is based on estimate propagation delay of radio signal. This method for determining position location is with TOAJTDOA measurements. Since electromagnetic waves propagate at the constant speed of light(c=3xI@m/s), the distance of between MS and BS is directly proportional to the propagation.

In IS-95 CDMA networks, the BS continuously broadcasts the forward pilot Pseudo-Noise(PN) sequence with a unique known offset in order to allow the MS to detect the presence of CDMA channels and provide timing information for demodulation. The forward pilot signal is a DC signal (all ‘0’) spread by Walsh function zeros and modulated by the PN sequence of a particular BS. Different BSs’ PN sequences differ only by the offset, which is a multiple of 64 PN chips. The chip rate is 1.2288Mcps in IS-95 CDMA. Thus, one chip period is 0.8 138psec and about 244m in distance.

The ranging system concept using forward pilot signal in IS-95 CDMA networks is described

Pilot #3 (phasc = n chips)

...t#. ---Mi-- - - . . . -

BS 3 Mobile Stadon

( X , , Y , ) ( X 0 , Y O )

Figure 2. Ranging system for position location using forward pilot signals in IS-95 CDMA networks

111. PERFORMANCE OF DIRECTION FINDING vs. RANGING

We have been analyzed the performance of AOA, TOA/TDOA and examined the extent of measured error satisfied with E911 service requirement depending on the HDOP changes within a cell.

We have considered the BS arrangement and MS path as Figure 3, computed MS location in NEU(North-East-Up) coordinates as shown Table 1.

We have simulated AOA according to calculating the relative angle between an MS. In case of TOAJTDOA, we had computed the locus of an MS, calculated real distance between an MS and a BS every one second, added distance error depend on propagation delay model.

We can obtain the limitation of measured error from HDOP definition and E9 1 1 requirement[’].

0-7803-6323-X/00/$10.00 (c) 2000 IEEE 21

Figure 3. The BS arrangement and MS path in the simulation. The dotted line of shadowing is MSpath.

Contando con una red de BTS,distribuidas uniformemente sobre toda elarea, que el sistema requiere monitorear, latriangulacion se realiza:

1 Deben obtenerse los rangos a cadaBTS, las distancias relativas del MScontra cada BTS.

2 Teniendo georeferenciada cada BTS.

3 Se puede determinar la localizaciondel MS.







Triangulacion

La triangulacion demanda la resolucion de un sistema de ecuac. no lineales.

Puede realizarse en el MS GPS o en la BTS A-GPS.

NLS (Nonlinear Least Squares) Metodo de cuadrados mınimos no lineales.

WNLS (Weighted Nonlinear Least Squares) Metodo de cuadrados mınimos no linealesponderados. Cuando la varianza de los errores del sistema son distintas.

ML (Maximum Likelihood) Metodo de maxima probabilidad.

GML (Gaussian Maximum Likelihood)

NNA (Neural Network Algorithm) necesitan una fase de entrenamiento.

Para aplicar estos criterios de optimizacion se utilizan los algoritmos debusquedas numericas:

Algoritmo de gradiente descendiente (Steepest Decent)

Algoritmo de Gauss-Newton.







Correlacion contra DB

Database Correlation Method DCM este metodo consiste en :

1 Se forma una grilla sobre el area decobertura.

2 Realizacion de mediciones a priori, paratomar perfil de senal en cada punto dela grilla.

3 Estos datos se ingresan en una DB.

4 Para determinar la localizacion del MS,se correlaciona los datos recibidos delMS contra los contenidos en la DB.

Este metodo en sistemas CDMA con Rake Receiver, aprovecha elmultipath como parte del perfil de senal.







Evolucion de los sistemas de posicionamiento







Evolucion de los sistemas de posicionamiento

La implementacion de un sistema de radionavegacion es de sumaimportancia para un paıs:

El FRP es la fuente oficial de la polıtica de radionavegacion y susplanes del gobierno de EEUU.

Su equivalente Europeo es el P-ERNP Con (Proposed BaselineEuropean Radionavigation Plan)

El Xinhua es la agencia encargada en China.

...







Distintos sistemas de localizacion

Sistemas de posicionamiento Terrestres.

OmegaLoran-CDecca

ChaykaRadiobeaconsEmisoras FM

TelefonıamovilWireless LAN

Sistemas de posicionamiento trafico Aereo.

GEE o AMESLorentzILS

MLSVORDME

TACANINSDoppler

Sistemas de posicionamiento Satelital.

TransitGlobalstarArgosNavstarGlonass

Tsikada/Nadezhda

Cospas/SarsatStarfix

GeostarNavsatCompassBeidouDoris

IRNSS

QZSS

Galileo

Sistemas de Orientacion complementarios.

Brujulagiroscopo

odometroDGPS

RTK







Requerimientos de localizacion del sistema

Basado en lo expuesto anteriormente y en los requerimientos planteadosinicialmente para esta tesis, se:

realizaron mediciones de campo.

pros y contras de distintos sistemas de localizacion.

analizaron los requerimientos de incerteza que deberıa tener elsistema







Ensayos realizados

Ensayos realizados: Para determinar la cobertura del sistema Navstar sobre elarea del GBA.Se recorrio caminando y en automovil determinadas zonas del GBA con dosequipos GPS.

iQue3600 : Una pda que posee un receptor de gps incorporado.GPS36 : Fabricado por Garmin para uso externo, para vehıculos y embarcaciones.Ademas de los ensayos previos a este doc, que luego le dieron origen.

Resultados obtenidos: Mostraron una muy mala cobertura en lugares altamenteedificados y mucha demora en el arranque del sistema.

Solucion: Ante la gran indisponibilidad observada , una posible solucion serıaadicionar giroscopos y odometros a los MS para seguir su ubicacion en lugaresdonde no llega la senal del GPS.

La puesta en marcha del sistema Galileo, deberıa mejorar las determinacion de laposicion ...







Pros y contras de distintos sistemas de localizacion

No existe un unico sistema que cubra todos los requerimientos de estatesis, debido a que :

Solo los sistemas GNSS, poseen la precision requerida, pero la misma estacondicionada a la topografıa del lugar, baja disponibilidad.

Los sistemas de telefonıa celular antiguos, no fueron ideados para estaaplicacion, por consiguiente menos precisa. En las nuevas generaciones 3G, ya seincorporaron herramientas.A diferencia de los GNSS, para brindar servicio requieren buena disponibilidad.

Los sistemas de ubicacion aquı definidos como complementarios, brindan unpaleativo para cubrir algunas falencias de los otros sistemas.







Pros y contras de distintos sistemas de localizacion

La solucion elegida resulta de complementar escaladamente distintastecnologıas de localizacion, dependiendo de la ubicacion del MS , de suvelocidad y su estado:

Celular / WIFI. (±300metros)

GNSS Navstar, Galileo (A-GPS). (±6metros)

giroscopo / Brujula.

Odometro / Acelerometro. (±1metro)

Bluetooth / RFID / ZigBee. (Indoor, no es nuestro caso)

Los datos de localizacion de cada sistema, deben ser procesadosmatematicamente para minimizar errores y obtener el maximo provechode cada uno. Y ası llegar a cumplir los requerimientos de esta tesis.







Incertezas requeridas al sistema

Los sistemas se basan en mismos principios fısicos basicos que se hanutilizando siempre, la continua reduccion de la incerteza , se debefundamentalmente a :

Patrones de tiempo mas preciso.

Mejoras en la tecnologıa de los sistemas de comunicaciones, miniaturizacion yrepetibilidad.

El incremento de poder de computo de las CPU moviles, permite la mejora de laprecision en base al procesamiento matematico de los datos medidos.







Incertezas requeridas al sistema

Un modelo de comportamiento de vehıculo, permiteaumentar el perıodo entre muestras de posicion.

ErrorSistemaPosicionamiento +ErrorErrormodelotrafico ≤ 10metros

Para cumplir con la especificacion original de±10metros el metodo utilizado para determinar lalocalizacion deberıa tener una incerteza mucho menor.

Para lograrlo se debera aprovechar la sinergia logradapor la fusion de multiples sistemas de localizacion.








Los sistemas LBS surgiran como un nuevo grupo de servicios detelecomunicaciones.

todavıa no puede explorarse de lleno el potencial de LBS hastasolucionar problemas de precision y disponibilidad.

el desarrollo de LBS exitoso, debe aprovecharse de sinergia entredistintos sistemas de: posicionamiento satelital, sistemas de telefonıamovil y complementarios.

la importancia de los sistemas LBS a nivel estrategico para un paıs.






Prestaciones del sistemaRequisitosEstructura del sistemaOtrosConclusiones del capıtulo

Descripcion

Informática


Estándares existentes

Comunicaciones


NOCsistema < > NOCclienteEstándar existentes

CAPÍTULO VII

CAPÍTULO VI


Tipos de Servicios

CAPÍTULO V


Principios básicossistemas existentes

CAPÍTULO IV

Tipos deReportes

PrivacidadM- Commerce

• Reporte Posición• Reporte Informativo

Propiedades:Delay permisible

autenticicadContenido

Manejo de errores

Infraestructura:Escenarios







Prestaciones del sistema

Comencemos diferenciando la prestacion principal para la cual sedesarrollo, de los adicionales:

Servicio principal : Envio de reporte de ubicacion del movil.

Servicios adicionales : Envio de mensajes informativos.

Como se vera a continuacion estos dos servicios son complementarios y requierencaracterısticas tecnicas totalmente opuestas para poder resultar de utilidad.







Servicio principal

Caracterısticas de estos reportes:

Es unidireccional, MS→BTS→NOC, donde un operador monitoreala flota y toma decisiones con esta informacion.

tiemporeal. Minimizar el tiempo de viaje de estos reportes

La emision de los reportes deberıa ser permanente y automatica.

en caso de errores : las retranmisiones, no son aplicables. Simil VOIP

Este servicio debera transmitir los parametros del modelo del MS :Posicion, velocidad, aceleracion,...







Servicios adicionales

Segun el origen y destino de la informacion, podrıamos clasificarlos en :

MS −→ NOC.

NOC −→ MS.

MS −→ MS.

Broadcast.

Segun el tipo de informacion que se requiera enviar, podrıamosclasificarlos en :

Mensajes de emergencia.

Mensajes de estado.

Mensajes con ordenes o tareas.







Servicios adicionales

Que servicios adicionales resultarıan utiles que el sistema posea? Previamenteanalizaremos los sistemas existentes que prestan servicios similares:

Sistema de Pager

SMS / MMS

TAR (Traveler Advisory Radio) , utiliza las emisoras de AM y FM para mandarmensajes de broadcast:

Reportes de congestiones.Tiempos de viajes.

Rutas alternativas.Estado del tiempo y del clima.

eCall : proyecto de la Comision Europea para asistencia a los automovilistas enuna colision.

Enhanced 911 / Enhanced 112 : Sistema utilizado para el PSAP, queautomaticamente relaciona la llamada al 911 con su ubicacion fısica.







Standares

Muchos organismos estan investigando sobre este tema:

Departamentos de transportes de los distintos paices: Canada, Europa, etc .

Universidades como MIT , Universidad de Washington, etc.

Organismos como ISO, ANSI etc.

Algunos standares que estan en proceso de desarrollo, pero todavıa se encuentran enpanales:

A nivel mundial el ISO / IEC : Lascuestiones basicas de RTLS, bajo el arbolde la norma ISO / IEC 24730. Nuncapasaron la fase de intencion.

Norte America: ANSI INCITS371.1-2003 : Luego el ANSI acepto laSerie INCITS 371 como standartNacional Americano para RTLS.







Requisitos

En funcion de los servicios que brindarıa el sistemas, se analizo losrequerimientos necesarios para poder cumplirlos desde distintos aspectos:

Demora en el arribo.

Autenticidad privacidad.

Contenido del reporte.

Errores y retransmisiones.







Demora en el arribo

La demora en el arribo de la informacion es una variable de cuidado enlos sistemas de tiemporeal.

Reporte Posicionamiento Reporte informativo

Hay que minimizar el tiempo de viaje de estosreportes, como ya se vio en el capıtulo 4, debidoa que los datos caducan muy rapidamente.La emision de los reportes deberıa ser automati-ca, para minimizar el handshake. Brindando laposibilidad de modificar dinamicamente la tazade reportes por minutos, para mantener siempreel margen de error de posicion.

A diferencia de los reportes deposicion la demora en estos men-sajes totalmente es aceptable.







Seguridad de la informacion

Se podrıa dividir la seguridad en dos: Autenticacion

Privacidad


Todo byte agregado, aporta un delay adicional ymas peso al reporte. Seria interesante, poder in-tegrar la codificacion en la misma capa de trans-porte o enlace, para ası no incrementar el pay-load.

Esto no aportarıa una complica-cion, debido a que la demora noes una critica y si lo es garantizarla integridad del mismo

Se requiere PKI de un conjunto de hardware, software, personas, polıticas yprocedimientos necesarios para crear, gestionar, almacenar, distribuir y revocar lasclaves que restrinjan el acceso a la informacion.







Contenido del reporte

Se analiza la informacion que deberıa contener los distintos tipos dereporte:


Este servicio debera transmitir los datos del MS:

Posicion

Velocidad

Aceleracion

Orientacion

La hora, min. y segde la muestra.

Duracion de lavalidez

A este conjunto de datos hay que adicionar:

identificador unico para poder diferenciar losmoviles, si no aporta ya alguno la capa inferiorde transporte.

Firmar digitalmente el mensaje, para garantizarla autenticidad.

Conexion con la computadora dea bordo, que sirva de interfaz pa-ra el envio y recepcion de men-sajes de texto.

Mensajes de uso internodel equipo.

Variables internas delvehıculo, por ej.combustible.

Boton Antipanico.

Boton antirobo.







Errores y retransmisiones

En caso de recibirse un paquete que contiene informacion erronea, como mınimo sedebe tener un control para verificar la integridad de los datos.Si no se provee un control y o correccion de errores por el sistema de comunicacionespor si mismo, se debe implementar en la capa de aplicacion.


Debido a la obsolescencia de lainformacion, las retranmisiones en caso deerrores, no son aplicables. Se podrıaplantear un paralelismo con VOIP.

Implementar un sistema de correccion deerrores ademas de la deteccion en la capade enlace.

El sistema debe garantizar la co-rrecta recepcion del mensaje porparte del destinatario o informardel error en caso contrario. Im-plementar un sistema transac-cional.







Estructura del sistema

Comenzara a analizarse el sistema viendo las partes del mismo, pero sinentrar en detalles de implementacion tecnologica.

Costos

Infraestructura

Escenarios







Costos

Etapas del proceso de la informacion:

Costo del sistema es el factor importante en una obra de ingeniera,debiendose maximizar la relacion Costo/beneficio

Costo inicial del equipamiento y de la ingenierıa del sistema.

Costo de la puesta en marcha.

Costo de operacion anual del mismo.

Costo de mantenimiento.







Infraestructura

Estructura del sistema:

Celdarizado: Resulta practicamente imposible proveer de una buena cobertura enun area tan amplia con una sola antena.

Distribuido: Distribuir el sistema le brinda flexibilidad al mismo.

Redundante: La redundancia le otorga mas confiabilidad y disponibilidad.

Balanceado: Balancear la carga del sistema, permite el mejor aprovechamientode los recursos.

Veamos a continuacion las partes que componen el sistema:

MS: Cada movil que forma parte de la flota.

BTS: Una por cada celda que forma el panal de abejas que cubre toda el area encuestion.

LMU: Nodos del sistema que realizan los calculos de localizacion, vuelcan dichainformacion a una gran DB distribuida.

NOCCliente: Los clientes del sistema, poseen una sala de monitoreo y tomas dedecision.

NOC Sistema: Control del sistema.







Escenarios

Para poder evaluar las distintas infraestructuras, con las particularidadesque cada una de ellas presentan, se veran distintos escenarios:

SV-PsDist-GPS-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

SV-PsDist-GPS-Calculo-TxLatLon-Cluster-Noc-Cliente

SV-PsDist-AGPS-TxPseudoRange-Cluster-DGPS-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

BTS-PsDist-Ms-TxPseudoRange-Cluster-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Ms-PsDist-BTS-TxPseudoRange-Cluster-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Ms-OdoAcelemetroBruju-TxDistanVelocOrien-Cluster-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Ms-Msj-BTS-TxMsj-Cluster-Noc-Cliente







Escenario SV-PsDist-GPS-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

BTS

DBGIS

Usuario monitoreasus móviles ID1 ,

ID2 y ID3

Control Central Sistema

Router

Router

Router

GPS

BTS

GPS

GPS

BTS

MSC

MSC

GPS

Pse

udo

Dis

tanc

ia 1

ID1,Lat,Long

ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

BTS

ID3,Lat,Long

Usuario monitoreaotros móviles

ID1

Ps D

ist

2Ps D

ist 3

CálculoPosición

ID3

ID2

ID1,Lat,Long

Backb

one

W W

W

∆Txtotal1 = tCalculoLatLonMS + tTxWireLessLatLon + tTxBackboneLatLon + tTxNOCLatLon + tIndexDataBaseNOC + tTxClienteLatLon + tSoftCliente ≤ 1Seg. (1)Jorge Eduardo Grana Director: Dr Ing en telecomunicaciones Juan Antonio Del GiorgioSistema electronico de seguimiento y posicionamiento de una flota de vehıculos en tiempo real






Escenario SV-PsDist-GPS-Calculo-TxLatLon-Cluster-Noc-Cliente

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

Pse

udo

Dis

tanc

ia 1

ID1,Lat,Long

ClusterCluster

ID1 ? (Primer pedido reporte)

ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1

Ps D

ist

2Ps D

ist 3

CalculoPosición

ID3

ID2

ID1,Lat,Long

ID1 ? (Forwardeado al clustercorrespondiente)

W W

WBackb

one

∆Txtotal2 = tCalculoLatLonMS + tTxWireLessLatLon + tTxBackboneLatLon + tIndexDataBase + tTxClienteLatLon + tSoftCliente ≤ 1Seg. (2)







Escenario SV-PsDist-AGPS-TxPseudoRange-Cluster-DGPS-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

Pse

udo

Dis

tanc

ia 1

ID1, PsDist1,PsDist2, PsDist3

ClusterCluster


ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1

Ps

Dis

t 2Ps D

ist 3

CalculoPosición

DGPS

ID3

ID2


W W

WBackb

one


Ps Dist 4

DGPS, PsDist4

?ID1, Efemérides

∆Txtotal3 = tAcquisitionMS + tTxWireLessPsdist + tTxBackbonePsdist + tCalculoLatLonCluster + tIndexDataBase + tTxClienteLatLon + tSoftCliente ≤ 1Seg. (3)







Escenario BTS-PsDist-Ms-TxPseudoRange-Cluster-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

Pseudo Distancia 1


ClusterCluster


ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1Ps Dist 2

Ps Dist 3

CalculoPosición

ID3

ID2


W W

WBackb

one


-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

∆Txtotal5 = tAcquisitionMS + tTxWireLessPsdist + tTxBackbonePsdist + tCalculoLatLonCluster + tIndexDataBase + tTxClienteLatLon + tSoftCliente ≤ 1Seg.







Escenario Ms-PsDist-BTS-TxPseudoRange-Cluster-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

ID1, Sign, Pseudo Distancia 1

ClusterCluster


ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1ID1, Sign, Ps Dist 2

ID1, Sign, Ps Dist 3

CalculoPosición

ID3

ID2


W W

WBackb

one

-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

ID1, Sign, PseudoDistancia 1



∆Txtotal6 = tAcquisitionBTS + tTxBackbonePsdist + tCalculoLatLonCluster + tIndexDataBase + tTxClienteLatLon + tSoftCliente ≤ 1Seg.







Escenario Ms-OdoAcelemetroBruju-TxDistanVelocOrien-Cluster-Calculo-TxLatLon-Noc-Cliente

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

ID1,DistRec, Acel, Direc

ClusterCluster


ID1,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1

CalculoPosición

ID3

ID2


W W

WBackb

one


ID2,Lat,Long

OdometroAcelerometro

Brujula

∆Txtotal7 = tTxWireLess∆xVelDirec + tTxBackbone∆xVelDirec + tCalculoLatLonCluster + tIndexDataBase + tTxClienteLatLon + tSoftCliente ≤ 1Seg.







Escenario Ms-Msj-BTS-TxMsj-Cluster-Noc-Cliente

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

ClusterCluster

ID1,Msj -->

ID2,Msj

Celda

ID3,Msj


ID1

ID1, Msj -->

ID3

ID2

Msj para quien ?

W W

WBackb

one

ID1, Msj -->

Portátil

Informa que el va acontrolar a ID1 y ID3

<-- ID1,Msj, Ack

<-- ID1,Msj, Ack

<-- ID1,Msj, Ack

∆TxtotalACK = tTxWireLessMsj + tTxBackboneMsj + tIndexDataBase + tTxClienteMsj + tSoftCliente + tTxClusterACK + tTxBackboneACK + tTxWireLessACKJorge Eduardo Grana Director: Dr Ing en telecomunicaciones Juan Antonio Del GiorgioSistema electronico de seguimiento y posicionamiento de una flota de vehıculos en tiempo real






Resumen Escenarios

Las conclusiones principales de todos estos escenarios:

Para poder cumplir con los requerimientos de esta tesis, va a sernecesario una sinergia de distintos sistemas de localizacion.En este caso los escenarios correspondientes a sistemas:

A-GPS.Telefonıa celular.INS

Pueden observarse ventajas de MS-assisted frente a MS-based ,debido a menores demoras, debido a que ciertos sumandos, comotTxWireLess no intervienen. Frente a iguales condiciones de contorno.







Etica , Privacidad y M-Commerce

Etica y Privacidad : La localizacion automatizada, amenaza a la intimidad frente alas ventajas que aporta.Segun cada situacion particular, debe analizarse cual es el camino a tomar:

empleado - empleador: Es el caso de este estudio.

hijo - padre: No es nuestro caso, pero es una muy interesante aplicacion.

convicto - guardia carcel: No es nuestro caso, pero es una muy interesanteaplicacion.

posible cliente - prestador de un servicio : M-Commerce.

M-Commerce : Mobile commerce o M-Commerce esta alcanzando ahora la fase decomercializacion.

Una evaluacion de modelos de negocio potenciales, y implicaciones estrategicas. La

localizacion se vera como una amenaza a la vida privada, si se aplica a las personas.








Este capıtulo intento dar una vision integral del sistema, mas hallade los detalles tecnicos.

Mostrando los cuidados que se deben tener en cada parte de laestructura del sistema, para poder cumplir con las prestaciones quese habıan planteado originalmente.

Mostrar tambien que no existe un estandar completo, que cubraestos temas, pero si debido a la importancia creciente del rubro seestan comenzando a desarrollar.

Se analizo el limite de la privacidad y el Comercio Movil.






Algunas definicionesStandares Existentes : Private Movile RadioAnalisis de opciones existentesEnlace MS-BTSOpciones para Enlace BTS-ClusterEnlace Cluster-CLienteCalculo de los enlacesConclusiones del capıtulo

Descripcion

?

Informática

Motor DB , GIS , InterfasesEstándares existentes

CAPÍTULO VII

CAPÍTULO VI

Conclusiones

CAPÍTULO VIII


Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Comunicaciones

Vehículos

CeldaVehículos

DBGIS

Usuario monitorean susmóviles


Celda

Server Server

Server

Server

Router Router

Router

Router

?? ???

??

? ?

?







Descripcion

Para cada uno de ellos debemos analizar :

Modo de trasmision.

Velocidad de transmision.

Modo de compartir el medio.

Latencia del enlace tTx .

tTx , es crıtico en un sistema de tiemporeal

tTx = tDistanciaRecorrida + tDuracionEnvioPaquete

tDistanciaRecorrida = Distancia · 300,000km/seg

tDuracionEnvioPaquete = tBit · tTamanoPaquete

Demora debido a la distanciarecorrida: despreciable, salvo en lascomunicaciones satelitales.

Tiempo de duracion de un bit. Mayorancho de banda ⇒ se puedetransmitir en menor cantidad detiempo.

Pocos bytes por paquete o trama.Cant. byte Header ≈ cant bytePayload ⇒ Overhead = bajarendimiento.

Demora debido al uso de un mediocompartido o a colisiones Inevitable eimposible acotar, sin tener control dela cantidad de usuarios del medio.







Algunas definiciones

PMR Private Mobile Radio o Professional Mobile Radio

LMR Land Mobile Radio

AI Interfaz de Aire.

Handoff / Handover

Fallback

DMO Direct Mode Operation.

AIE Air Interface Encryption.

E2EE End-to-end encryption.

QoS







Algunas definiciones

Private Movile Radio en UK. Land Mobile Radio en EEUU. Sistemas de radioutilizados por las fuerzas de policıa, bomberos, etc

Comuncicaciones Punto multi punto.

Push-To-Talk.

Grandes areas de cobertura.

Uso de VHF o UHF bandas de frecuencia.

Robustas frente a fallas.

Uso eficiente del espectro.

Privacidad y autenticidad (opcionales)

Localizacion (opcionales)

DMO Direct Mode Operation permite la operacion directa entre MS,(movile-to-movile) en areas donde no hay cobertura de la BTS.

AIE Air Interface Encryption. estandares que otorgan seguridad a los sistemas decomunicaciones inalambricas.

E2EE End-to-end encryption. La informacion de los usuarios viaja a traves de la redpublica en forma cifrada, sale cifrado del MS y es descifrado recien en el MS deldestinatario.E2EE es especialmente adecuado para situaciones en las que los usuarios no confıanen los operadores de redes o para gobiernos.E2EE permite la gestion, la distribucion y la actualizacion de las claves de cifrado.







Standares Existentes

Desarrollados para dar una solucion a problemas y falencias de sistemas tradicionales:

Migracion de un sistema analogico a uno digital.

Interconeccion entre redes.

Entre distintos sistemas P25 o Tetra, compartiendo lainfraestructura, reduciendo costos.Entre otras redes LAN, WAN.

Seguridad de la comunicacion:

Autenticacion Encriptacion

Diversidad de modalidades de transmision de datos:

Status / Datos cortosTx modo paquete.Tx modo circuito.Mejora calidad voz.

Tx imagenes y video.

Localizacion optimizada(GPS o balizas)

El uso de standares facilita la interconexion, la explotacion por terceros y la realizacionde personalizaciones, asegura la estabilidad y la integridad en el tiempo.







Standares Existentes : Private Movile Radio

Project25 : Desarrollado para cubrir grandes distancias abiertas del territorio deEEUU. Concebido en un esfuerzo conjunto por el estado Americano ,representantes locales y federales, APCO , NTIA y NASTD y estandarizado bajoTIA

Tetra : Terrestrial Trunked Radio . desarrollado para areas mas reducidas perocon mejor utilizacion del espectro. standard digital abierto definido por el ETSI

DMR : Digital Mobile Radio.aplicaciones comerciales que no requieren larobustez de TETRA .desarrollado por el ETSI para Europa bajo la normaTS-102-361-x

MPT1327 : Publicado por la BRA Agencia britanica de Radiocomunicaciones.Ventaja de MPT1327 frente a TETRA es el costo del equipo, la facilidad deinstalacion, y una mayor sensibilidad del receptor debido a que la modulacion

MESA : Encara el desafıo de solucionar los problemas derivados de laincompatibilidad sistemas de comunicaciones en PPDR por ETSI y TIA







Analisis de opciones existentes

las distintas opciones para realizar los enlaces de comunicaciones en cadaetapa del sistema:

Enlace MS-BTS Enlace BTS-Cluster Enlace Cluster-NOC Enlace Cluster-CLiente

Latencia tTxWireLess tTxBackbone tTxNOCLatLon tTxClienteP25 / Tetra ISDN / E1

Wimax / Wifi 802.11 X25 WimaxPosibles GPRS / UMTS ATM Radio SDHopciones SMS IP / Metro Ethernet IP / Metro Ethernet

Radio modem PPPoE / xDSLGEO Inmarsat Frame Relay Cable modem

LEO Globalstar / Iridium

Medio fisico Radio Fibra / cobre / radio Fibra / cobre / radio

tTx = tTxWireLess + tTxBackbone + tTxNOCLatLon + tTxCliente







Opciones para Enlace MS-BTS

Las comunicaciones inalambricas son una parte vital de los sistemas de localizacion de vehıculos.

Enlace MS-BTS

P25 Tetra Wimax Wifi 802.11

tTxWireLess (100bytes) ∼= 2mS 2mS 10µS 15µS

Estructura celular si si si si

Fallback si si hard no

Handoff / Movilidad si si hard y soft no

Privacidad / Autenticacion E2EE E2EE y AIE EAP y RSA WPA

Bw 6.25Khz 6.25Khz / 25Khz / 150 Khz 7,5,10Mhz 13 de 22 MHz

Velocidades 384Kbps 28,8Kbps / 384Kbps 75Mbps 11 or 54 Mbps

Modo conexion Circuito/paquete Circuito/paquete paquete paquete

Modulacion Π/4DQPSK QPSK/16QAM DSSS

Frecuencia 700Mhz 380 a 430 y 600 a 870 Mhz 2.4, 3.5, 5.8, 8, 10.5 GHz 2,4 Ghz

Frec licenciada Si Si Si y No No

Compartir el medio FDMA TDMA OFDM TDD CDMA / OFDM







Opciones para Enlace MS-BTS

Enlace MS-BTS

UMTS GPRS Radio modem GEO Inmarsat-C LEO Globalstar / Iridium

0, 4mS 7mS N/A 250 + 83mS x2 10 + 83mS x2 ∼= tTxWireLess (100bytes)

si si N/A 36,000km si 780km a 1390km Estructura celular

no no no N/A Fallback

si no no N/A si 15min Handoff / Movilidad

si x soft IF varias Privacidad/Autenticacion

5MHz N/A Bw

1, 8a5,8Mbps 115kbit varias 2,4, 9,6a492kbps 2, 4a16kbps Velocidades

varias Tamano paquete

paquete paquete circuito Modo conexion

BPSK QPSK BPSK QPSK varias QPSK Modulacion

varias 1,5 y 1,6 GHz MS:1,6 y 2,4GHz C y K Frecuencia

si Si si si si Frec licenciada

CDMA FDD TDMA varias CDMA CDMA TDD Compartir el medio

La opcion elegida para este enlace es TETRA. Ya esta siendo utilizada enel paıs por petroleras y policias en el interior.







Enlace MS-BTS

Opciones para los enlaces BTS-Cluster:

IP / Metro Ethernet

X25

ATM

SDH / E1 / T1

Frame Relay

La opcion elegida es IP / Metro Ethernet. Sobre ella se veran masdetalles.







IP / Metro Ethernet

Internet nacio bajo el paradigma del mejor esfuerzo besteffort,peroesta siendo cambiado por QoS.

TCP proporciona los servicios garantizados, mientras que UDPofrece solo elmejor esfuerzo de entrega, pero con menos handshake.

Pero se puede usar UDP con un protocolo de reserva de recursos encapa de transporte. Aunque se utiliza UDP, en la capa superior deaplicacion se podra disponer de protocolos que garantizen la entregade los mensajes y archivos. Los cuales veremos mas adelante MPLS.

Unos conceptos que van a resultar de utilidad:

VOIPRTPMPLSy 802.1Q

LFI

IPv6







Voz sobre IP

VOIP es el conjunto de normas, dispositivos, protocolos, la tecnologıa que permite latransmision de la voz sobre el protocolo IP.

VOIP presenta coincidencias en sus requerimientos con los necesarios para transmitirlos reportes de posicion:

Una latencia de 150mS en una comunicacion telefonica es apenas perceptible,pero cuando crece a 300mS, se convierte en inaceptable.

Obsolescencia rapida de la informacion, para un paquete perdido, laretransmision no es una opcion aceptable. Se descartan.

Para solucionarlo, se le comenzo a dar mas importancia a la calidad de servicio QoS yprotocolos especificos para esta clase de servicios RTP. Los cuales se puedenadaptarse a nuestras necesidades.







Real Time Protocol

RTP es un protocolo de nivel de transporte utilizado para la transmision deinformacion en tiempo real, por ejemplo audio y vıdeo.

El sonido se digitaliza y empaca cada 20mS , dentro los headers IP , UDP y RTP enese orden

CHAPTER 2

CISCO VOIP

Voice samples are encapsulated in Real Time Protocol (RTP) packets.Voice does not need the reliability provided by TCP; by the time aretransmission happened, the moment to play the sound would havepassed. Voice does need a way to order samples and recognize the timebetween samples, which UDP by itself doesn’t allow. RTP is a protocolwithin UDP that adds the necessary features.

A complete VoIP packet needs to include a data link header (Ethernethas a 14 Byte header and 4 Bytes CRC), an IP header (20 Bytes), an 8Byte UDP header, and 12 Bytes for RTP. Each 20ms sample thereforeincludes 58 Bytes of overhead. G.711 sends 8000 Bytes per second(20ms would therefore need 160 Bytes), so about a quarter of the trans-mission is headers!

[ 14 ]

© 2007 Cisco Systems Inc. All rights reserved. This publication is protected by copyright. Please see page 58 for more details.

CCNP ONT Quick Reference Sheets

IP Header(20B)

UD

P H

eade

r (8

B)

Fra

me

Hea

der

Eth

erne

t (14

B)

RTPHeader (12B)

Voice SampleG.711 20ms = 160B

Fra

me

CR

CE

ther

net (

4B)

Vo

ice

Sam

ple

G.7

29 2

0ms

= 2

0B

IP Header(20B)

UD

P H

eade

r (8

B)

Fra

me

Hea

der

Eth

erne

t (14

B)

RTPHeader (12B)

Fra

me

CR

CE

ther

net (

4B)

Figure 2-3 shows the header overhead graphically and Table 2-1 showsthe bandwidth consumed by the various CODECs, including headers. Ifthe phone uses 20 ms samples (50 samples per second), then there willbe 50 headers. G.711, instead of being 64 Kbps, turns out to be:

(Headers + Sample) * 50/s=

(14B + 20B + 8B + 12B + 160B + 4B) * 50/s =

218 B * 50/s= 10900 B/s = 87,200 b/s = 87.2 Kbps

FIGURE 2-3 Protocol Layout for Voice Transmission over IP

Aca 20mS de datos se le adicionan 58bytes de overhead , aprox 3/4 del tamanoes el encabezado.Este mismo problema se presenta en lospaquetes de reportes de posicion, debido aque la cantidad de informacion que serequiere transmitir es pequena.El uso de compresion de cabecera cRTP losoluciona.

Una extension de RTP, define SRTP (Secure Real-time Transport Protocol), que

puede usarse opcionalmente para proporcionar confidencialidad, autenticacion de

mensajes y proteccion de reenvıo para flujos de audio y vıdeo.







Multiprotocol Label Switching

Nos permiten manejar diferencialmente las distintas clases de traficoCHAPTER 5

AUTOQOS

TABLE 5-1 AutoQoS Traffic Classes

Traffic Class Traffic Type DSCP COS

IP Routing Network control traffic CS6 6(for example, routing protocols)

Interactive Voice Voice bearer traffic EF 5

Interactive Video Interactive video data AF41 4traffic (for example,video conferencing)

Streaming Video Streaming media traffic CS4 4

Telephony Voice signaling and CS3 3Signaling control traffic

Transactional & Transactional database AF21 2Interactive Data applications such as SQL

Network Network management CS2 2Management traffic such as telnet

Bulk Data Email traffic, general AF11 1data traffic, bulk data transfers

Scavenger Traffic needing CS1 1less-than-best-effort treatment

Best Effort Default class, 0 0includes all other traffic

[ 52 ]

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CCNP ONT Quick Reference Sheets

Too many classes might be generated for your needs. Most companiesuse between three and six classes. You might want to manually consoli-date some classes with similar QoS needs after AutoQoS has finishedits configuration.

AutoQoS and Changing Network ConditionsAutoQoS creates its configuration based on the traffic it discoveredduring the initial discovery phase with NBAR. If conditions change,you might need to disable it, run autodiscovery again, and then re-enable AutoQos.

Manually Tuning AutoQoS ConfigurationsThe show auto qos command shows the class maps that AutoQoScreated, along with their match criteria and any access lists it created. Itshows the policy maps, and the policy configured for each class. Itshows where the policy was applied and any monitoring that wasimplemented. This can help you determine what changes are needed tothe configuration.

You can modify AutoQoS configuration in two ways:

n Using Cisco QPM

n Manually with the MQC

MPLS : Multiprotocol Label Switching :Mecanismo por el cual se puede brindarcalidad de servicio en una red

802.1Q CoS : Protocolo que permiteidentificar los paquetes segun su criticidad.

Swichear por paquetes (IP) es mas rapido yeconomico, que por circuitos(ATM).

Como regla general cada carrier reserva un bwpara cada clase. Distribuye en Bw total entre lasdistintas clases de servicio, reservando porejemplo el BW para EF(audio) podrıa ser del20 % del Bw total.







Link Fragmentation and Interleave

Pequenos paquetes deben retrasarse en espera de un gran paquete que esta siendoenviado por la interfaz.Esto puede suceder incluso si esta configurado, el hardware es una cola FIFO. Si ungran paquete llego justo antes de que el paquete de voz, para esa misma interfaz y yaempezo a serializarse. El paquete de voz tiene que esperar.Esto provoca demora y jitter.LFI Link Fragmentation and Interleave. Para decrementar la latencia se puedefragmentar los paquetes grandes e intercalar los pequenos, interactivamente.La demora en la serializacion para la transmision de voz es 10-15 ms. A los 2 Mbps develocidad, un paquete de 1500 bytes puede ser serializado en 10mS. Por lo tanto, nohay necesidad de LFI en los enlaces de mas velocidad que E1.







Enlace Cluster-Cliente

Opciones para los enlacesCluster-Cliente:

PPPoE / xDSL

Radio PPP SDH

Cable modem

SDH / E1 / T1

Modem telefonico

IP / Metro Ethernet

Wimax

Si el NOC del cliente seencuentra alejado de de cualquierconexion a www de altavelocidad, no hay muchasopciones disponibles.

Hay que resignarse a lo quetienen para ofrecer los carriers.







Calculo de los enlaces SLA

El SLA es la parte del contrato que se realiza con el Carrier donde seespecifica que se esta contratando:

Clases de servicio : como mınimo los proveedores brindan 3 clases

Real Time : Donde se especifica : BW, latencia y jitter.

Datos Criticos : BW, latencia.

Best Effort : BW .

Disponibilidad porcentual. Valor tıpico 99, 5 %/3meses ∼= 10horas.

TMR por incidente. Valor tıpico 5horas.

La capacidad de los enlaces debe ser vista desde dos puntos de vista:

Capacidad de los canales para transmitir el caudal de datos.

Capacidad de los canales para transmitir los datos con la latencia requerida.







Caudal de datos

La capacidad requerida en cada enlace, va a depender directamente de la cantidad demoviles que se vayan a monitorear y de los datos que se transmitan en cada reporte ocomando. Pero la misma igualmente en el peor caso es baja.

Reporte de Comandos MensajesPosicion internos Informativos

NOC tamano de Distribucion N/A Expon. negat. Expon. negat.a paquete Bytes N/A 200 5000

movil tiempo entre Distribucion N/A Expon. negat. Expon. negat.arribos Bytes N/A 2000 500000

tamano de Distribucion constante Expon. negat. Expon. negat.movil paquete Bytes 100 200 50000

a tiempo entre Distribucion constante Expon. negat. Expon. negat.NOC arribos Bytes 500 2000 500000

Como regla general cada carrier distribuye en BW total en las distintas clases deservicio, por ejemplo un 20 % del bw total para EF.Con lo cual, como mınimo se deberıa contratar un Bw suficiente como para que todonuestro trafico crıtico cupa dentro de el.







Latencia de los datos

Retardo por procesamiento : El tiempo que tarda un paquete para pasar de la interfazde entrada de un router o switch capa 3, a la salida de la otra interfaz.

Espera en en cola : el tiempo que un paquete espera en la cola de la interfaz antes de serenviado o transmitir e la red. Deberıa ser despreciable, puede minimisarse usando tecnicasde QoS LLQ y LFI.

Demora por serializacion : Esto es un retraso fijo. Va a depender del Bw que se contrate.

Retardo por propagacion :el tiempo que tarda el paquete de pasar de un extremo delenlace al otro.

Mas haya de los frıos numeros, debido a la baja taza de informacion que debeenviarse, no se requieren grandes BW, pero cuanto mayor BW, el tiempo depropagacion disminuye y eso si es algo que si resulta atractivo.








Informática

Motor DB , GIS , InterfasesEstándares existentes

CAPÍTULO VII

Conclusiones

CAPÍTULO VIII


Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Vehículos

CeldaVehículos

DBGIS



Celda

Server Server

Server

Server

Router Router

Router

Router

MetroEthernet /MPLS / QoS /

sRTP

TETRAP25

GPRS / EDGE / UMTS

Last Mile ? /QoS / sRTP






Standares ExistentesAplicacion en el MSAplicaciones en ServidoresAplicacion en el Cliente del sistemaConclusiones del capıtulo

Descripcion

La informacion debe viajar desde los vehıculos hasta el central de monitoreo delcliente, en cada etapa el software debe recibir los datos, verificarlos prosesarlos ypasarlos a la etapa siguiente:

InformáticaCAPÍTULO VII

CAPÍTULO VI

Conclusiones

CAPÍTULO VIII


Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Comunicaciones

Vehículos

Celda

Vehículos

DBGIS



Celda

Server Server

Server

Server

Router Router

Router

Router

Aplicaciones delControl Central

Aplicacióncada celda

Aplicaciónen el movil Aplicación en

el Cliente







Standares Existentes

El uso de Standares facilita el intercambio y la explotacion de los datospor terceros y la realizacion de aplicaciones personalizadas. Tambienasegura la estabilidad de los datos y la integridad de la aplicacion en eltiempo.

E911 / E112 Permite localizar las llamadas de emergencia.

Shapefile.

MPP o MLP (Mobile Positioning Protocol) (Mobile LocationProtocol).

WAP : Wireless Application Protocol.

INCITS 371.3:2003, Parte 3: Interfaz de programacion deaplicaciones.

NMEA.

Cartucho geografico.







Shapefile

shapefile es un formato de archivo de datos geoespaciales devectores para los sistemas GIS.

Desarrollado y regulado por ESRI como especificacion abierta para lainteroperabilidad de datos entre ESRI y otros productos de software.Se introdujo con la version 2 del ArcView GIS en el inicio de ladecada de 1990.

Shapefiles permite describir geometrıas espaciales mediante: puntos,polilıneas y polıgonos. Estos, por ejemplo, podrıan representar lospozos de agua, rıos y lagos.







MLP

El foro LIF a definido el protocolo MLP, paratener un conjunto de funciones paralocalizacion independientemente del metodo delocacizacion.

Proporcionando una API para manejar losdatos que llegan de los MS.

Desarrollado por capas y basado en HTTP yXML.

Ejemplo: Un cliente envia un pedido de info

<?xml version ="1.0" ?>

<!DOCTYPE svc_init SYSTEM "MLP_SVC_INIT_300.DTD">

<svc_init ver="3.0.0">

<hdr ver="3.0.0">

<client>

<id>application_4</id>

<pwd>secret</pwd>

</client>

</hdr>

<slir ver="3.0.0">

<msids>

<msid type="MSISDN">46702711038</msid>

</msids>

<geo_info>

<CoordinateReferenceSystem>

<Identifier>

<code>4326</code>

<codeSpace>www.epsg.org</codeSpace>

<edition>6.1</edition>

</Identifier>

</CoordinateReferenceSystem>

</geo_info>

</slir>

</svc_init>







MLP

Juego especıfico de servicios, que usan mensajes adecuados para el funcionamiento en ambientesde localizacion:

Servicio Inmediato de localizacionStandard:Servicio de consulta normal, puede usarsecuando se requiere una inmediata y unicarespuesta de localizacion, dentro de uncierto periodo de tiempo.

Servicio Inmediato de localizacion deEmergencia:Servicio para preguntar la posicion de undispositivo que ha comenzado unallamada de emergencia. De contestacioninmediatamente, dentro de un tiempofijo.

Servicio de Reporte de LocalizacionStandard:Servicio se usa cuando el usuario quiereque los LBS se preparen para recibir sulocalizacion. La posicion es envıa al LBSdesde el servidor de Localizacion, este

debe especificar que servicio externorecibira ese mensaje especıfico.

Servicio de Reporte de Localizacion deEmergencia:La red comienza automaticamente elposicionamiento luego de una llamada dela emergencia. Esta posicion se envıaentonces al especıfico LBS asociado alusuario y a la categorıa de servicio.

Servicio de Reporte de Localizacion de

Disparo Automatica Se usa para

comenzar la emision de reporte

automaticos de localizacion:Pedido de Reporte de Disparo Automatico.Respuesta al Pedido deAutomatica Activada.Informe de Localizacion Automatico.Detencion del reporte Automatica.Respuesta al Pedido Automatica Desactivada.







INCITS 371.3:2003

Este estandar define un sistema de localizacion de red que proporcionalas coordenadas XY y los datos de telemetrıa.

El sistema utiliza transmisores autonomos RTLS mediante radio balizasmoduladas en DSSS.

RTLS permite al usuario localizar, rastrear y gestionar los activos de lainfraestructura del sistema en tiempo real.







NMEA

NMEA 0183 es una especificacion electrica y de datos para la comunicacion entre losdispositivos electronicos marinos como ecosondas, sonares, anemometro , giroscopos,piloto automatico, receptores GPS y muchos otros tipos de instrumentos. Definido porel US-National Marine Electronics AssociationEs un protocolo de comunicaciones serie asincronico, ASCII, que define la forma detransmision de datos en una paquete de un master a un slave a la vez. Parametros dela interfase asincronica:

Baud rate: 4800

Number of data bits: 8 (bit 7 is 0)

Stop bits: 1 (or more)

Parity: none

Handshake: none

EIA RS-422 o RS-232.

Cada frase comienza con un $ y termina con < CR >< LF >.

De la gran variedad de paquetes definidos en el standard el mas utilizado es GPGGAGlobal Positioning System Fix Data.

Ejemplo: NMEA

$GPGGA,HHMMSS.sss,DDMM.mmm,d,DDDMM.mmm,d,q,ss,h.h,a.a,z,,,,*CC <CR><LF>







Cartucho geografico para DB

Los cartuchos geograficos permiten el manejo de datos espaciales y geodesicos conuna base de datos relacional compatible con la tecnologıa tradicional de procesamientode SQL.

OpenGIS de Open GeospatialConsortium.

PostGIS

MapServer

MapLab

DB2 and Informix Spatial/GeodeticIBM

Oracle Spatial y Oracle Locator

ISO SQL/MM Part 3 Spatialstandard

Los recursos espaciales para la base de datos incluyen tipos de datos espaciales,funciones espaciales, un geocodificador y otros objetos.







OpenGIS

Un grupo de empresas OGC, busco especificar un modelo de dato geografico yası surgio OpenGIS en 1999.La definicion de geometrıa es modelo de un elemento geografico. El modelo se puedeexpresar en terminos de las coordenadas del elemento geografico.

Las coordenadas del elementogeografico representado por unageometrıa se consideran que sonpropiedades de la geometrıa.

Algunos tipos de geometrıas tienentambien otras propiedades: area,longitud y perımetro.

La superclase denominada geometrıa esla raız de la jerarquıa. Del tipo raız yde otros 7 subtipos adecuados de lajerarquıa pueden crearse instancias. Losusuarios pueden definir sus propiossubtipos







OpenGIS

Se describe el esquema de base de datos necesarios para soportar a OpenGIS.

OpenGIS Simple Features Specification for SQL, Revision1.1

Page 2-20

Within(anotherGeometry:Geometry):Integer— Returns 1 (TRUE) if this Geometry is ‘spatially within’anotherGeometry.

Contains(anotherGeometry:Geometry):Integer— Returns 1 (TRUE) if this Geometry ‘spatially contains’anotherGeometry.

Overlaps(anotherGeometry:Geometry):Integer— Returns 1 (TRUE) if this Geometry ‘spatially overlaps’anotherGeometry.

Relate(anotherGeometry:Geometry, intersectionPatternMatrix:String):Integer— Returns 1 (TRUE) if thisGeometry is spatially related to anotherGeometry, by testing for intersections between the Interior,Boundary and Exterior of the two geometries.

2.2 Architecture—SQL92 Implementation of Feature Tables

A SQL92 implementation of OpenGIS simple geospatial feature collections defines a schema for storage offeature table, geometry and spatial reference system information. The SQL92 implementation does notdefine SQL functions for access, maintenance, or indexing of geometry, as these functions cannot beuniformly implemented across database systems using the SQL92 standard.

The figure below describes the database schema necessary to support the OpenGIS simple feature datamodel. A feature table or view corresponds to an OpenGIS feature class. Each feature view contains somenumber of features represented as rows in the view. Each feature contains some number of geometricattribute values represented as columns in the feature view. Each geometric column in a feature view isassociated with a particular geometric view or table that contains geometry instances in a single spatialreference system. The correspondence between the feature instances and the geometry instances shall beaccomplished through a foreign key that is stored in the geometry column of the feature table. This foreignkey references the GID primary key of the geometry table.

GEOMETRY_COLUMNS

F_TABLE_CATALOG

F_TABLE_SCHEMA

F_TABLE_NAME

F_GEOMETRY_COLUMN

G_TABLE_CATALOG

G_TABLE_SCHEMA

G_TABLE_NAME

STORAGE_TYPE

GEOMETRY_TYPE

COORD_DIMENSION

MAX_PPRSRID

SPATIAL_REFERENCE_SYSTEMS

SRID

AUTH_NAME

AUTH_SRID

SRTEXT

GEOMETRY_COLUMNS

GID

ESEQ

ETYPE

SEQ

X1Y1

…

…

X<MAX_PPR>

Y<MAX_PPR>

GEOMETRY_COLUMNS

GID

XMIN

YMIN

XMAX

YMAXWKB_GEOMETRY

Feature Table/View

<Attributes>GID (Geometry Column)<Attributes>

or

Figure 2.13Schema for feature tables under SQL92

La implementacion de SQL92OpenGIS define un esquema parael almacenamiento de la tabla defunciones, la geometrıa y lainformacion del sistema dereferencia espacial.

La aplicacion SQL92 no definefunciones SQL para el acceso,mantenimiento, o la indexacion dela geometrıa, ya que estasfunciones no pueden ser aplicadasde manera uniforme a traves desistemas de bases de datosutilizando el estandar SQL92.







OpenGIS Chapter 2 Architecture

Page 2-23

GID ESEQ ETYPE SEQ X0 Y0 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X4 Y4

1 1 3 1 0 0 0 30 30 30 30 0 0 0

1 2 3 1 10 10 10 20 20 20 20 10 10 10

2 1 3 1 30 0 30 30 60 30 60 0 30 0

2 2 3 1 40 5 40 20 45 20 45 15 50 15

2 2 3 2 50 15 50 5 40 5 Nil Nil Nil Nil

3 1 3 1 0 30 0 60 30 60 30 30 0 30

4 1 3 1 30 30 30 60 60 60 60 30 30 30

(40,5)

(40,20) (45,20)

(45,15)

(50,15)

(50,5)

SEQ 2

SEQ 1

ESEQ 2ESEQ 1

GID 1 GID 2

GID 3 GID 4

(0,0)

(0,30)

(0,60)

(60,0)

(60,30)

(60,60)

(30,0)

(30,60)

Figure 2.14Example of geometry table for Polygon Geometry using SQL

The binary geometry implementation is illustrated in Table 2.2, and uses the same GID as a key, but storesthe geometry using the Well-known Binary Representation for Geometry (WKBGeometry) described insection 3.3. The geometry table includes the minimum bounding rectangle for the geometry as well as theWKBGeometry for the geometry. This permits construction of spatial indexes without accessing the actualgeometry structure, if desired.

GID XMIN YMIN XMAX YMAX GEOMETRY

1 0 0 30 30 < WKBGeometry>

2 30 0 60 30 < WKBGeometry >

3 0 30 30 60 < WKBGeometry >

4 30 30 60 60 < WKBGeometry >

Table 2.2Example of geometry table for above Polygon Geometry using the Well-known BinaryRepresentation for Geometry.

2.2.6 Notes on SQL92 data types

There are various ways to store the same values in a relational database. For example, there are usuallyseveral ways to store numbers. In this specification, the use of a storage alternative is not meant to bebinding. Since the storage type of any column is available in the data dictionary, and such casting operatorsbetween similar types are available, any particular implementation may use alternative storage formats aslong as casting operations would not lead to difficulties.

Ejemplo: Sentencias SQL para crear tabla que contenga laGEOMETRIA

CREATE TABLE GEOMETRY_COLUMNS (

--fully qualified name of the feature table containing the geometry column.

F_TABLE_CATALOG VARCHAR(256) NOT NULL,

F_TABLE_SCHEMA VARCHAR(256) NOT NULL,

F_TABLE_NAME VARCHAR(256) NOT NULL,

--the name of the column in the feature table that is the geometry column.

--This column will contain a foreign key reference into the geometry table for a SQL92.

F_GEOMETRY_COLUMN VARCHAR(256) NOT NULL,

--the name of the geometry table and its schema and catalog.

--The geometry table implements the geometry column.

G_TABLE_CATALOG VARCHAR(256) NOT NULL,

G_TABLE_SCHEMA VARCHAR(256) NOT NULL,

G_TABLE_NAME VARCHAR(256) NOT NULL,

--the type of storage being used for this geometry column. 0 = normalized / 1 = binary

STORAGE_TYPE INTEGER,

--the type of geometry values stored in this column. 0=GEOMETRY / 1=POINT / 2=CURVE..

GEOMETRY_TYPE INTEGER,

--the number of ordinates used in the complex, usually corresponds to the

--number of dimensions in the spatial reference system.

COORD_DIMENSION INTEGER,

-- points per row, the number of points stored as ordinate columns in the geometry table.

MAX_PPR INTEGER,

--the ID of the spatial reference system used for the coordinate geometry in this table.

--It is a foreign key reference to the SPATIAL_REF_SYS table.

SRID INTEGER REFERENCES SPATIAL_REF_SYS,

CONSTRAINT GC_PK PRIMARY KEY

(F_TABLE_CATALOG, F_TABLE_SCHEMA, F_TABLE_NAME, F_GEOMETRY_COLUMN)







PostGIS

PostGIS es un modulo que anade soporte de objetos geograficos a la base de datosobjeto-relacional PostgreSQL, convirtiendola en una base de datos espacial para suutilizacion en GIS.Bajo la Licencia publica general de GNUGPL.

En la tabla podemos ver losproductos similares para varias DB

Motor de DB Modulo soporte deobjetos geograficos

PostgresSQL PostGISOracle Oracle Spatial

MS SQL / MySQL ArcSDE

Objetos simples segun la definicion del OpenGISConsortium OGC

Soporte para las representaciones Well-Known Texty Well-Known Binary de objetos geograficos.

Indexacion rapida de objetos espaciales usando GiST.

Funciones de analisis geoespacial.

Objetos de extension a PostgreSQL JDBCcorrespondientes a las geometrıas.

Soporte para las funciones de acceso OGC segun ladefinicion del Simple Features Specification.







Indexacion de objetos espaciales

Para una tabla de datos del GIS, que supera unos miles de filas, es necesarioconstruir un ındice espacial para acelerar las busquedas de los datos.

GiST significa Arbol de Busqueda Generalizado y es una forma generica deindexacion. Ademas de la indexacion de los GIS, GIST se utiliza para acelerar lasbusquedas en todo tipo de estructuras de datos irregulares (integer arrays, datosespectrales, etc) que no se prestan a la indezacion normalidad B-arbol.

La construccion de un ındice espacial requiere gran procesamiento, ejemplo: unatabla de alrededor de 1 millon de filas, en una maquina Solaris de 300MHz, laconstruccion de un indice GIST le toma aproximadamente 1 hora.

Este fue uno de los motivos por el cual se planteo la estructura de cluster delsistema.







MapServer y MapLab

MapServer es un ambiente de desarrollo de codigo abierto,originalemente desarrollado por la Uiversidad de Minnesota, paraconstruir aplicaciones web espaciales construido sobre otros sistemas decodigo abierto, que corre tanto bajo plataformas UNIX/Linux como sobreplataforma Windows.MapLab es un conjunto herramientas web para crear y administraraplicaciones de mapeo vıa web y archivos de mapas para MapServer.







Implementacion en MS

La implementacion se realizara sobre un sistema embebido.Se le instara un OS seguramente RTOS.Dependiendo del hardware elegido, el software de la aplicacion seguramente serealizara en :

Java Por su portabilidad

C Existen compilaciones para cada procesador del mercado.







Criptografia

Como se introdujo en el capıtulo 6, la criptografıa forma una parte muy importantedel sistema que se esta planteando.Para ello existen dos opciones:

Si se utiliza Tetra o P25 la privacidad y la autenticidad esta brindada por elsistema de comunicaciones.

En el caso de utilizar GPRS, EDGE aunque existe una cierta privacidad, seriarecomendable firmar los reportes para garantizar la autenticidad de los mismos.Se utilizarıa cifrado por bloques con criptografıa asimetrica.

La criptografıa asimetrica es la mejor solucion en este caso debido a que seriacomplicado poder distribuir y guardar la clave secreta requerida en la criptografiasimetrica.







Aplicaciones en Servidores

Recibir la informacion.

Verificar la integridad de la misma, corregir errores, en caso de ser necesario yposible.

Ingresar la informacion en la base de datos.

Indexar y georeferenciar los datos, para acelerar este proceso,

Responder consultas de los clientes.

Realizar backup de la informacion.

Sistema de facturacion.

Existen varias soluciones, como se vio en los escenarios planteados en el capıtulo 3, sedebera buscar la que mejor se ajusta a este sistema.

Sistema de informacion centralizado

Sistema de informacion distribuido







Estructura

la creacion de un servidor de localizacion que tiene los siguientes objetivos ycapacidades:

La creacion de un sistema con una arquitectura distribuida y escalable.

La creacion de una interfase unica para las aplicaciones externas usando MLPcon las extensiones apropiadas para las funcionalidades especiales.

La creacion de un ambiente que adapte con un mınimo impacto los diferentestecnologıas de localizacion y diferentes dispositivos en una misma clase detecnologıa.

La creacion de rutinas de seguridad que no solo permiten la proteccion deinformacion sino que tambien eviten el acceso de aplicaciones externas ainformacion sin autorizacion.

La creacion de categorıas de servicios destinadas que se conecten la aplicacionexterna con las capacidades de localizacion de los dispositivo moviles.

Ofrecer posibilidades adecuadas para la facturacion.







Estructura

Las opciones existentes para realizar la implementacion de la parteinformatica del sistema:

Propietario Open Source

ClienteInternet Explorer Firefox Navegador

.Net JavaScript / Java.Net Framework JRE Interprete

Servidor

IIS Apache Web Server? MapServer Ambiente desarrollo aplic.web espaciales

DB2 Spatial Extender PostGIS / Geotools Librerıa objetos geograficosASP / .Net / Java Java / Perl / PHP / PythonMS SQL / Oracle MySQL / PostgresSQL Motor de DB

Windows Linux / FreeBSD O.S.







Calculo de posicion

La ubicacion del MS para llegar a la incerteza requerida va a ser resultado de combinardiversos metodos de localizacion:

A-GPS

Triangulacion red

celular

Giroscopo /

Acelerometro /Odometro

Los pasos del proceso serian los siguientes:

1 Una solicitud de ubicacion de un movil, por parte desde uno de los centros demonitoreo de algun cliente.

2 El MS comienza a emitir reportes de los diversos sistemas de localizacion.

3 Estos reportes crudos son almacenados, para fines legales de acuerdo a lasexigencias de cada cliente.

4 Con todo estos datos se calcula la posicion mas probable del MS con losmetodos comentados en el cap. 5 y el radio de incertidumbre de la misma.

5 Esta informacion se ingresa a la DB, para poder ası responder la consulta delcliente.







Base de datos

Varias tablas van a ser necesarias para implementar el sistema. Con distintascaracterısticas todas ellas, se podrıa clasificar en :

DB geografica con la localizacion de los MS.

DB geografica que contiene la cartografıa del area de cobertura del sistema.

DB con la informacion tecnica, administrativa y de facturacion de los MS yclientes.

Como motor de las bases de datos se a elegido PostgresSQL por ser:

Es una DB relacional muy completa, con algunas caracterısticas que encuentranen DB muy costosas:

Soporta GIS.Consultascomplejas.

Foreign keys.Triggers.Vistas.

Integridadtransaccional.Control de

concurrenciamultiversion.

Orientada a objetos o casi.

Una DB madura.

Es libre.







Bases de datos

Base de datos de MS: Debido a la actualizacion continua de los datos, se debeanalizar, si es posible utilizar un motor de base de datos comercial, o realizar unaaplicacion custom.La indexacion de los datos geograficos es un proceso lento, por ello la estructura deCLUSTERs.

Base de datos de Cartografıa: Estos datos pueden ser considerados, estaticos.Estructurada en layers: Localidades, Barrios, Calles , Instituciones relevantes.

Consultas a la DB : Ademas de las query que brinda OpenGIS, los usuarios van arequerir otras adicionales muy orientadas a AVL:

Medicion de distancias recorrida en zona urbana.

Busqueda de recorrido optimo.

Busqueda de MS cercanos a un determinado punto.







Aplicacion en el Cliente del sistema

En la Central de monitoreo de cada flota cliente del sistema:

Un navegador web. Permite simplificar el requerimiento de software para el cliente y laactulizacion del mismo.

Applets (plugin) de java que permitirıa mejorar la la flexibilidad de la interfase y sacarleparte de la carga de procesamiento final a los servidores del sistema.

Garantizar seguridad e integridad de los datos.

De esta forma se minimiza el software requerido por cada cliente, reduciendo ası lasfallas generadas por el manipuleo del mismo por parte del cliente y facilitando elupgrade del software en forma remota.







Aplicacion en el Cliente del sistema

El cliente de Java puede acceder al objeto geometrıa de PostGIS en la base de datos PostgreSQL,ya sea directamente como texto o representaciones JDBC utilizando el paquete con los objetos deextension PostGIS.

Ejemplo: postgis.jar

import java.sql.*; import java.util.*; import java.lang.*; import org.postgis.*;

public class JavaGIS {

public static void main(String[] args) {

java.sql.Connection conn;

try {

/*********** Load the JDBC driver and establish a connection. */

Class.forName("org.postgresql.Driver");

String url = "jdbc:postgresql://localhost:5432/database";

conn = DriverManager.getConnection(url, "postgres", "");

/*********** Add the geometry types to the connection. Note that you must cast the connection to

***********the pgsql-specific connection implementation before calling the addDataType() method. */

((org.postgresql.Connection)conn).addDataType("geometry","org.postgis.PGgeometry");

((org.postgresql.Connection)conn).addDataType("box3d","org.postgis.PGbox3d");

/************* Create a statement and execute a select query. */

Statement s = conn.createStatement();

ResultSet r = s.executeQuery("select AsText(geom) as geom,id from geomtable");

while( r.next() ) {

/************ Retrieve the geometry as an object then cast it to the geometry type. Print things out.*/

PGgeometry geom = (PGgeometry)r.getObject(1);

int id = r.getInt(2);

System.out.println("Row " + id + ":");

System.out.println(geom.toString());

}

s.close();

conn.close();

}

catch( Exception e ) {

e.printStackTrace();

} } }








La informatica es el nexo entre las distintas partes necesarias que integran el sistema.

CAPÍTULO VI

Conclusiones

CAPÍTULO VIII


Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Comunicaciones

Vehículos

Celda

Vehículos

DBGIS



Celda

Server Server

Server

Server

Router Router

Router

Router

Aplicaciones delControl Central

Aplicacióncada cluster

Aplicaciónen el móvil

Aplicaciónen el Cliente

Java / CNMEA

SSL / RSARTOS

Embedded System

MapServer / PHPApachePostGIS

PostgresSQL

MLPHTTPS

Applets javaSSL / RSANavegador

PHPApachePostGIS

PostgresSQL

DBGIS

MLPHTTPS

F. KalmanResol Sist

Ecuac No LinSSL / RSA

DB Cartog.PKI







Integracion de contenidos en un sistemaComplejidad del sistema

Descripcion

Vehículo

EspecificacionesPeso + Velocidad


CAPÍTULO II

Informática


Estándares existentes

Comunicaciones


NOCsistema < > NOCclienteEstándares existentes

CAPÍTULO VII

CAPÍTULO VI

Conclusiones

CAPÍTULO VIII


Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Georeferenciación


CAPÍTULO III


Principios basicossistemas existentes

CAPÍTULO IV

El sistema va a ser utilizado por distintos grupos de usuarios con distintas necesidades.Objetivos iniciales: excesivos (E911 y $) , Objetivos adicionales: privacidad.







Equipamiento del movil

1 Un transceptor TETRA

2 Un modem GSM. Como sistema secundario de comunicaciones y de localizaciona traves de cell-id, AOA , RSS, TDOA, etc.

3 Un receptor satelital GNSS Apto para DGPS en RTK o A-GPS

4 Sensores adicionales que complementan la localizacion:

Acelerometro Giroscopo Odometro Brujula

5 Sensores internos del vehıculo:

Antipanico/hombre muertoApertura de puertas

Nivel de combustibleEstado y bloqueo del motor

6 El software del equipo: Corriendo un sistema operativo RTOS, con unaaplicacion en “C” o java, sobre un sistema embebido, que :

Recolecte los datos de sensores.Procese matematicamente los datospara eliminar ruido.Encripte y firme la informacion.

Arme los reportes de posicion paratransmitirlos.Reciba y muestre; escriba y transmita;mensajes informativos.







Infraestructura del sistema

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

Pse

udo

Dis

tanc

ia 1


ClusterCluster


ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1

Ps

Dis

t 2Ps D

ist 3

CalculoPosición

DGPS

ID3

ID2


W W

WBackb

one


Ps Dist 4

DGPS, PsDist4

?ID1, Efemérides

La infraestructura sera celular ydistribuıda geograficamente:

1 Sistema GNSS : RTK, A-GPS oRTCM.

2 Red celular sistema secundario.

3 Odometro, giroscopo,acelerometro y brujula.

4 Un servicio mensajesinformativos

Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS

ID1, Sign, Pseudo Distancia 1

ClusterCluster


ID1,Lat,Long

ID2,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1ID1, Sign, Ps Dist 2


CalculoPosición

ID3

ID2


W W

WBackb

one

-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

-

7 56

1210

8 4

1

9 3

112

ID1, Sign, PseudoDistancia 1



Celda

DBGIS


ID2 y ID3


ServerServer

Router

Router

Router

GPS

Celda

GPS

GPS

Celda

DBGIS

DBGIS

Router

Router

GPS


ClusterCluster


ID1,Lat,Long

Celda

ID3,Lat,Long


ID1

CalculoPosición

ID3

ID2


W W

WBackb

one


ID2,Lat,Long

OdometroAcelerometro

Brujula







Informatica del sistema

1 En cada etapa la informacion debera ir encriptada y firmada.

2 Transporte :MLP, RTP, MetroEhernet con MPLS para QoS yla ultima milla ....

3 Control de acceso a la informacion y loggueo.

4 Sistema de backup de la informacion.

5 En el NOC, los servidores, que contendran las DB con:la cartografıa del area de cobertura.las password y permisos de los usuarios.los MS que se encuentran en cada cluster.la informacion de cada MS (empresa, chofer, etc).la facturacion del sistema.

Como motor de las DB PostgreSQL con PostGIS y otras ...

6 Sistema de referencia cartografico: POSGAR2007, comoMarco de Referencia Geodesico Nacional, en vez del WGS84.

7 Uso proyeccion ortografica, (sin errores debido reducido area)

8 Un servidor en cada cluster:1 Verificara la autenticidad de la info de cada MS.

2 Procesara matematicamente la info, para eliminar ruido y DGPS.

3 Ingresara esta en la DB y la indexa usando GiST.

4 Respondera las query de los usuarios.







Sistemas similares instalados en el paıs

Aplicaciones parciales de los temas vistos a lo largo de estatesis:

Instalaciones TETRA en el paıs:

se estan utilizando por organismos y empresas:

El Gobierno de Mendoza, en el marco del Pacto Socialpor la Seguridad, 911.En la nueva sede corporativa de REPSOL YPF en TorreMadero de Bs As.

Sistemas de informacion Geografica:

SAGPyA: En el area de monitoreo satelital, para larepresentacion grafica del estado de los buquespesquerosGCBA: La Unidad de Sistema de InformacionGeografica, brinda el servicio de mapa interactivo

Empresas de telefonıa celular brindan servicios de localizacionde sus equipos

Empresas brindan servicios de recuperacion de vehıculos yalgunas de localizacion, con GPS y GPRS.







Complejidad del sistema

TETRAP25

GPRS / EDGE / UMTS

CAPÍTULO VI

Conclusiones

CAPÍTULO VIIIPrestaciones del

sistema

Tipos de Servicios

CAPÍTULO V

Comunicaciones

Vehículos

Celda

Vehículos

DBGIS



Celda

Server Server

Server

Server

Router Router

Router

Router

NOCClusterMóvil o MS

Cliente

Java / CNMEA

SSL / RSARTOS

Embedded System

MapServer / PHPApachePostGIS

PostgresSQL

MLPHTTPS


Applets javaSSL / RSANavegador

PHPApachePostGIS

PostgresSQL

DBGIS

MLPHTTPS

F. KalmanResol Sist Ecuac

No LinSSL / RSA

DB Cartog.PKI

MetroEthernet /MPLS / QoS /

sRTP

Last Mile ? / QoS /sRTP

DGPS / AGPS+

sist. local. respaldo+

OdómetroAcelerómetro







Fin

Preguntas .... ?

[email protected]

Gracias !!!!


Sistema electrónico de seguimiento y posicionamiento de...

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