Embedded indoor positioning techniques using the Bluetooth protocol for ultra low power connected devices
Techniques embarquées de localisation indoor exploitant le protocole Bluetooth pour des objets connectés basse consommation
Résumé
Location is an information used by many fields in both civil and military: warfare, exploration, aeronautical / naval / space navigation, construction, logistics, etc. Since the Second World War and the democratization of general public radio equipment (smartphones, GNSS receivers, etc.), localization by radio waves has gradually established itself as the standard method of localization in a large number of fields. From the last century until today, the capacities of localization systems have increased, thanks to the constant improvement of the computing power of integrated circuits and their miniaturization, allowing to integrate localization functionalities in a growing number of mobile equipments. The measurement of the radio signals and the calculations necessary for the position estimation can now be done by equipments of reduced size. Most of the time, current solutions use fixed and wired-powered radio equipment to allow the location of mobile connected objects. However, it is preferable for many use cases that the entire system runs on batteries: temporary deployments, environments without a power supply network, installation costs too high... It is therefore necessary to evaluate and improve the energy autonomy of current positioning algorithms. Many connected objects are already in circulation, and research around a location system compatible with this already existing equipments arouses great research interest. A large part of current connected objects using standardized protocols in the ISM 2.4GHZ band, many studies assess the relevance of standard radio protocols using it. The Bluetooth standard is widespread and energy efficient, which makes it an attractive candidate for indoor positioning. There are many studies presenting a positioning system using this protocol, but there is no conclusive comparison on the performance of the main existing algorithms using ultra low consumption hardware. The objective of this study is to develop a positioning system applied to indoor positioning, using the Bluetooth protocol and fully autonomous on battery. A comparison between the main techniques and algorithms already existing (reception power (RSSI), time of arrival (ToA) and angle of arrival (AoA)) will be carried out and energy autonomy will be evaluated. First, the physical models of these three techniques are compared, and a parametric optimization allowing to go back to a position from the raw measurements is presented. Different energy management strategies are presented and the methods used to perform the measurements for low power location are detailed. Finally, the energy performance of the system is evaluated, the overall autonomy is estimated and the position error distribution function is given for each of the three techniques is compared.
La localisation est une information exploitée par de nombreux domaines aussi bien dans le civil que le militaire : guerre, exploration, navigation aéronautique/navale/spatiale, construction, logistique, etc. Depuis la seconde guerre mondiale et la démocratisation des équipements radios grand public (téléphones, récepteurs GNSS, etc.), la localisation par ondes radio s'est progressivement imposée comme la méthode standard de localisation dans un grand nombre de domaines. Depuis le siècle dernier jusqu'à aujourd'hui, les capacités des systèmes de localisation ont augmentées, grâce à l'amélioration constante de la puissance de calcul des circuits intégrés et leur miniaturisation, permettant d'intégrer des fonctionnalités de localisation dans un nombre croissant d'équipements mobiles. La mesure des signaux radios et les calculs nécessaires à l'estimation de position peuvent maintenant se faire sur des équipements embarqués de taille réduite. Cependant, les solutions actuelles utilisent la plupart du temps des équipements radios fixes et alimentés en filaire pour permettre la localisation des objets connectés mobiles. Or, il est préférable pour de nombreux cas d'utilisation que l'intégralité du système soit sur batteries : déploiements temporaires, environnements sans réseau d'alimentation, coûts d'installation trop importants. Il est donc nécessaire d'évaluer et d'améliorer l'autonomie énergétique des algorithmes de localisation actuels. De nombreux objets connectés sont déjà en circulation, la recherche autour d'un système de localisation compatible avec ces équipements déjà existants suscite un grand intérêt de recherche. Une grande partie des objets connectés actuels utilisant des protocoles standardisés dans la bande ISM 2.4GHZ, de nombreuses études évaluent la pertinence des protocoles radio standard qui l'utilisent. Le standard Bluetooth est très répandu et économe en énergie, ce qui en fait un candidat intéressant pour la localisation en intérieur. Les études présentant un système de localisation utilisant ce protocole sont nombreuses, mais il n'y a pas de comparatif concluant sur les performances des principaux algorithmes existants en utilisant un matériel ultra basse consommation. L'objectif de cette étude est d'étudier et de développer un système de localisation appliqué à la localisation en intérieur, utilisant le protocole Bluetooth et entièrement autonome sur batterie. Une comparaison entre les principales techniques et algorithmes déjà existants (puissance de réception (RSSI), temps d'arrivée (ToA) et angle d'arrivée (AoA)) sera effectuée et l'autonomie énergétique sera évaluée. Dans un premier temps, les modèles physiques de ces trois techniques sont comparées, et une optimisation paramétrique permettant de remonter à une position à partir des mesures brutes est présentée. Différentes stratégies de gestion de l'énergie sont présentées et les méthodes utilisées pour effectuer les mesures pour la localisation à basse consommation sont détaillées. Finalement, Les performances énergétiques du système sont évaluées, l'autonomie globale est estimée et la fonction de répartition de l'erreur de position est donnée pour chacune des trois techniques comparées.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)