Abstract:

Η ύπαρξη μιας Υπηρεσίας Εντοπισμού Θέσης αποτελεί συχνά κεντρικό δομικό στοιχείο συστημάτων Διάχυτης Υπολογιστικής (Pervasive Computing). Η συλλογή και γνωστοποίηση της πληροφορίας θέσης μιας κινούμενης συσκευής ή ενός κινούμενου χρήστη, απαιτεί την ύπαρξη ολοκληρωμένης υποδομής, η οποία είναι συχνά προεγκατεστημένη στο χώρο όπου απαιτούνται οι υπηρεσίες εντοπισμού θέσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην εις βάθος μελέτη των Συστημάτων Εντοπισμού Θέσης και στην εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής σε περιβάλλον εσωτερικών χώρων. Στους εσωτερικούς χώρους δεν είναι συχνά εφικτή η χρήση δορυφορικής τεχνολογίας όπως το Global Positioning System (GPS) και απαιτείται ο σχεδιασμός και η εγκατάσταση εξειδικευμένου εξοπλισμού. Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στην μελέτη συστημάτων εντοπισμού που βασίζονται στην χρήση ασύρματης δικτύωσης, ενώ άλλα συστήματα (πχ. μαγνητικά και οπτικά) δεν αποτελούν μέρος αυτής της εργασίας.
Ο ορισμός των εννοιών του χώρου, της τοποθεσίας, της απόστασης και του συστήματος συντεταγμένων, αποτελούν τα πρώτα θεμελιώδη βήματα για τον ορισμό ενός συστήματος εντοπισμού. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση του ολοκληρωμένου συστήματος αποτελεί πρόκληση λόγω της πληθώρας παραγόντων που μπορεί να επηρεάσουν την ακρίβεια εντοπισμού. Η ιδιαίτερη μορφή του ασύρματου καναλιού στους εσωτερικούς χώρους (όπου υπάρχουν αρκετά εμπόδια, άτομα που κινούνται στον χώρο κλπ.) μπορεί να επηρεάσει την ποιότητα του σήματος και να προκαλέσει υποβάθμιση της ακρίβειας σε σημαντικό βαθμό. Άλλοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψιν είναι τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δικτύου (π.χ. πρότυπο δικτύωσης, μετρήσιμες παράμετροι κλπ.), η αρχιτεκτονική του δικτύου και του λογισμικού (π.χ. αλγόριθμος εντοπισμού, κεντρική αρχιτεκτονική υπηρεσίας κλπ.), η τοπολογία κ.α. Η πλειάδα παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν την αρχιτεκτονική και την ακρίβεια ενός συστήματος εντοπισμού και κάνουν συχνά δύσκολη ή αδύνατη τη σύγκριση ανάμεσα σε ανόμοιες εγκαταστάσεις.
Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, ολοκληρώθηκε η υλοποίηση ενός συστήματος προσομοίωσης συστημάτων εντοπισμού που βασίζεται στην πιστή προσομοίωση του ασύρματου καναλιού και γνωστών αλγόριθμων εντοπισμού. Το λογισμικό Locus, συγκεντρώνει μεθοδολογίες από της περιοχές της Ασύρματης Διάδοσης, της Υπολογιστικής Γεωμετρίας, της Επεξεργασίας Σήματος, του Εντοπισμού Θέσης, της παραγωγής Ψευδοτυχαίων Αριθμών, της Διερευνητικής Ανάλυσης δεδομένων και πιθανοτικής μοντελοποίησης κλπ. συνθέτοντας ένα ιδιαίτερο αναλυτικό πλαίσιο. Το λογισμικό επιτρέπει την πιστή προσομοίωση αλγορίθμων εντοπισμού σε ελεγχόμενες συνθήκες, δημιουργώντας ταυτόχρονα μια βάση δεδομένων για πολλαπλά περιβάλλοντα διάδοσης. Το μέγεθος της βάσης δεδομένων είναι αρκετά σημαντικό ώστε να επιτρέψει τις συγκρίσεις ανάμεσα σε συστήματα και αλγόριθμους. Σημειώνεται ότι η λήψη τόσων εμπειρικών μετρήσεων από πραγματικά συστήματα είναι σχεδόν απαγορευτική λόγω του χρονοβόρου χαρακτήρα της διαδικασίας, ενώ οι συγκρίσεις ανάμεσα σε διαφορετικές εγκαταστάσεις είναι συχνά αδύνατες λόγω των διαφορετικών και μεταβαλόμενων συνθηκών διάδοσης. Η εισαγωγή και χρήση εμπειρικών μετρήσεων στο λογισμικό αυτό είναι επίσης εφικτή, εκμεταλλεύοντας με αυτόν τον τρόπο το ήδη υπάρχον αναλυτικό πλαίσιο.
Ταυτόχρονα, το λογισμικό αυτό επιτρέπει τον γρήγορο πειραματισμό με νέες μεθόδους εντοπισμού, την εξαγωγή των πιθανοτικών μοντέλων του σφάλματος, κλπ, ενώ απαίτησε την ανάπτυξη νέων στατιστικών μεθόδων ανάλυσης και προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της χρήσης του λογισμικού αυτού παρατίθενται υπό τη μορφή παραδειγμάτων χρήσης και επιτρέπουν την εξαγωγή σημαντικών συμπερασμάτων κυρίως ως προς τα αναμενόμενα όρια λειτουργίας ενός συστήματος εντοπισμού, την αποτελεσματική τοποθέτηση ασύρματων κόμβων, την κατανομή που ακολουθεί το σφάλμα εντοπισμού ανά αλγόριθμο κ.α. Με αυτό τον τρόπο, είναι εφικτό να προσομοιωθούν τα όρια λειτουργίας μιας πειραματικής εγκατάστασης και να εξαχθούν τα κατάλληλα οριακά μοντέλα, δημιουργώντας μια κλίμακα αξιολόγησης της ακρίβειας εντοπισμού, με βάση την οποία μπορούν να επιτραπούν συγκρίσεις ανάμεσα σε ανόμοια συστήματα λαμβανόμενης ισχύος.
Στη συνέχεια, παρατίθενται επίσης δεδομένα από πολλαπλές εγκαταστάσεις τριών συστημάτων εντοπισμού, βασισμένα στα πρότυπα ZigBee, RFID και Chirp Spread Spectrum. Η υλοποίηση της στοίβας πρωτοκόλλων του συστήματος ZigBee συζητάται εκτενώς, καθώς παρουσιάζει τα βασικά συνθετικά μέρη του λογισμικού και μερικά από τα συχνότερα προβλήματα που έπρεπε να παρακαμφθούν για τη σωστή λειτουργία του συστήματος. Ένας σημαντικός αριθμός εμπειρικών μετρήσεων συλλέχθηκε ώστε να εκτιμηθεί η ακρίβεια των συστημάτων αυτών σε πραγματικές συθήκες. Τα αποτελέσματα συνάδουν τα συμπεράσματα που εξάχθηκαν από την προσομοίωση συστημάτων εντοπισμού, ενώ συμπεριλαμβάνουν την υλοποίηση μιας νέας μεθόδου τοπολογικής εξομάλυνσης δεδομένων. Αποδεικνύεται επίσης, ότι η μέθοδος αυτή βελτιώνει σε σημαντικό βαθμό την ακρίβεια εντοπισμού στην περίπτωση κάθε συστήματος εντοπισμού το οποίο βασίζεται στον αλγόριθμο του τριπλευρισμού.
Λέξεις-Κλειδιά: Υπηρεσίες Εντοπισμού Θέσης, Ασύρματη Διάδοση, Αλγόριθμος Εντοπισμού, Πιθανοτική Μοντελοποίηση, Υπολογιστική Γεωμετρία, Μετρήσεις Λαμβανόμενης Ισχύος, Μετρήσεις Χρόνου Άφιξης, Ψευδοτυχαία Παραγωγή Αριθμών, λογισμικό Locus.

Μετάβαση στο περιεχόμενο