Sistemi di geolocalizzazione RTLS UWB: come funzionano

Dietro a un titolo così criptico, si nasconde una delle tecnologie con i più ampi margini di sviluppo dei prossimi anni. Facendo un po’ di ordine, si parla dei sistemi di geolocalizzazione/posizionamento e tracciamento di oggetti in real time (RTLS è appunto l’acronimo di Real Time Location System) basato su trasmissioni ad altissima frequenza con tecnologia Ultra Wide Band; UWB prevede l’attuazione di trasmissioni della durata dell’ordine di picosecondi che permettono di coprire una banda radio estremamente ampia con un transfer rate elevatissimo dell’ordine dei Mb/s. Questa tipologia di sistemi RTLS UWB consente la geolocalizzazione di un numero molto alto di oggetti, tag, con una precisione di qualche decimetro (tipicamente 10 cm indoor e 30 outdoor) su tutte e tre le dimensioni.

Le tecnologie RTLS per la geolocalizzazione

Sistemi di localizzazione in real time esistono già da tempo e per la loro realizzazione sono state esplorate molte delle tecnologie radio già disponibili; a livello macro i sistemi di localizzazione possono essere divisi in due categorie: indoor (IPS, ovvero indoor positioning system) e outdoor (OPS, outdoor positioning system). Indipendentemente dalla tecnologia sottostante, tutti questi sistemi si basano principalmente sulla trilaterazione delle misure di distanza rilevata fra l’oggetto in esame (tipicamente un tag) e tre o più punti fissi (detti ancore). Quindi conoscendo le coordinate spaziali dei tre punti fissi e misurando la distanza da questi del tag è possibile ricostruire le coordinate spaziali di quest’ultimo. La grossa sfida, a questo punto, è la ricerca del miglior metodo di misurazione di questa distanza; migliore in termini di precisione, distanza coperta, numero di oggetti rilevabili, affidabilità della misura, ripetibilità della misura, consumo energetico ecc.

Le tecnologie attualmente utilizzate, senza considerare l’UWB di cui parleremo in seguito, possono essere così elencate:

• WiFi: definito anche WPS (WiFi positioning system) si avvale delle usuali reti WiFi per determinare la posizione di un asset. Questa opportunità, offerta prevalentemente da access point di livello Enterprise, si basa sulla misurazione del valore RSSI (indicatore di potenza del segnale ricevuto) dell’asset da parte di più access point la cui posizione è nota. Nonostante la diffusione del WiFi e del ridotto investimento in hardware per l’utilizzo del WPS (anche se spesso è richiesto il pagamento di una licenza software), la sua applicazione è veramente residuale sia per la criticità del valore misurato (non è possibile, ad esempio, distinguere da quale parte di un muro si trovi l’asset) sia per la sua fluttuazione in base a variabili ambientali.
• RFID: utilizzato quasi esclusivamente mediante l’adozione di tag attivi (quindi equipaggiati con una batteria) è una delle più affidabili tecnologie RTLS, anche se una delle meno diffuse, che consente la geolocalizzazione di un numero elevato di tag anche se i relativi “lettori” non sono a vista. Come per le WPS, il segnale radio dell’RFiD può anche attraversare i muri rendendo spesso arduo localizzare con precisione (ad esempio una fra più stanze adiacenti) la posizione del tag.
• Bluetooth: in particolare la sua declinazione BLE è stata spesso impropriamente utilizzata per sistemi RTLS. La scarsa scalabilità delle soluzioni (dovuta alla natura del BLE ovvero di rete di comunicazione a corto raggio) e soprattutto una estrema variabilità della misura del RSSI (come già visto per i WPS) che soffre di una elevata dipendenza dall’ambiente e dai disturbi la rendono una delle tecnologie RTLS meno affidabili ma purtroppo più presenti sul mercato.

Come funziona un sistema RTLS UWB basato su tag (fonte SAGE)

La tecnologia UWB

In questo contesto sale agli onori la tecnologia UWB che, da un punto di vista puramente della comunicazione, si avvale di una banda spettrale estremamente elevata che sfrutta una pluralità di frequenze dell’ordine dei GHz (generalmente fra i 3 e i 7) e che non considera più il valore dell’RSSI come riferimento, bensì il cosiddetto ToF (Time of Flight, tempo di “volo” del segnale) ovvero il tempo necessario al segnale radio emesso dal tag per raggiungere l’ancora di riferimento.

La misurazione di questo tempo viene eseguita prevalentemente con due diversi algoritmi (TWR e TDoA che verranno in seguito esplicitati) anche se si stanno studiando soluzioni esoteriche che, a fronte di una complessità di calcolo maggiore e alla necessità di una differente architettura, consentono di raggiungere risoluzioni anche di 2/3 centimetri sulle tre dimensioni.

L’architettura di un sistema RTLS UWB prevede solamente la dislocazione di almeno 4 ancore (con le quali è possibile coprire in indoor circa 400 mq) e di un gateway che invia i dati rilevati a un server di elaborazione e visualizzazione (es. la posizione di un tag su una mappa).

Che cos’è il TWR

Il TWR (Two Way Ranging, misurazione a due vie) è il sistema di misurazione del ToF più semplice in ambito UWB e prevede il calcolo del tempo impiegato dal segnale emesso dal tag a ritornare a quest’ultimo dopo essere stato riflesso da un’ancora e quindi essere rimandato all’ancora stessa per l’elaborazione (ed ecco le “due vie”). Prendendo in considerazione il tempo TSP (Time of Sending Poll, tempo di invio del segnale) in cui il segnale viene emesso, e il tempo TRF (Time of Return Final) in cui torna indietro all’ancora è possibile determinare il ToF nota la velocità della luce e al netto dei tempi richiesti per il rinvio del segnale.

Questo tipo di misurazione, seppur molto semplice e non richiedente alcun sistema di riferimento temporale (tutto si basa su calcolo di differenze) non consente però un alto grado di scalabilità, ovvero limita il numero di tag rilevabili nel periodo di tempo, in quanto il calcolo del ToF per poter essere trilaterato deve essere eseguito dal tag su almeno tre ancore. Per un numero limitato a qualche decina di tag, il sistema TWR rappresenta una scelta opportuna.

Che cos’è il TDOA

Per poter scalare adeguatamente, rilevando anche migliaia di tag per periodo a parità di area coperta, viene utilizzato uno schema di misurazione definito TdOA (ovvero Time Difference of Arrival) che misura le differenze di ToF del segnale del tag rilevato dalle ancore. Questa precisa misurazione sottostà però alla presenza di una unità di sincronizzazione del tempo che fornisce a tutte le ancora un preciso sistema di riferimento (con scarti dell’ordine dei picosecondi); si ha però il grande vantaggio che il tag non deve più comunicare singolarmente con le varie ancore ma si limita a emettere il suo, unico, segnale di tracciamento (detto Blink) con un notevole risparmio di energia.

A differenza dell’architettura TWR, oltre alla presenza della sorgente di tempo, vengono anche definite delle ancore “master” responsabili delle comunicazioni UWB con le ancore delle zone (o celle) circostanti. La possibilità quindi di espandere illimitatamente il numero di ancore (sempre formando delle celle di quattro elementi) non pone limiti alla scalabilità del sistema in termini di copertura spaziale sia per soluzioni indoor che outdoor (cambiando necessariamente l tipo di ancore utilizzato e le dimensioni delle singole celle di copertura).

Applicazioni atipiche dei sistemi RTLS UWB

Anche se l’applicazione principe dei sistemi RTLS UWB è quella legata alla logistica (vuoi anche per l’immunità dell’UWB alle strutture metalliche sempre presenti nei siti di stoccaggio) sono innumerevoli le soluzioni esistenti in situazioni meno scontate.

• sport: in ambito sportivo i tag UWB sono stati inseriti all’interno di palloni (sia per il calcio che per il basket) in modo da poter valutare l’evoluzione delle strategie di gioco analizzando con precisione la posizione dei giocatori in campo (dotati ovviamente di un tag) rispetto a quella della palla;
• sanità: alcuni ospedali degli USA hanno adottato questi sistemi RTLS per identificare con tag sia le attrezzature mobili che il personale sanitario. Supponendo che, ad esempio, si verifichi una situazione cardiologicamente critica in un paziente, il poter determinare immediatamente la posizione dell’apparato cardiografico e del medico più vicino al paziente, può far risparmiare quei minuti determinanti per la vita del paziente stesso;
• retail: applicando tag UWB ai carrelli della spesa, consente di valutare in tempo reale la distribuzione dei clienti e quindi operare di conseguenza l’apertura delle casse, il posizionamento di testimonial promozionali o del personale di vigilanza;
• facility security: all’interno di aree accessibili al pubblico (ad esempio le sedi di grandi aziende) e possibile alzare sensibilmente i livelli di sicurezza dotando tutti i visitatori (o i dipendenti) di un badge RTLS UWB. In questo modo, ad esempio, è possibile alzare un segnale di allarme quando un determinato tag entra in un’area riservata (o alla quale non gli è consentito l’accesso) oppure quando due tag che sono supposti essere vicini (ad esempio un ospite accompagnato) vengono rilevati a una distanza maggiore di una soglia predeterminata).

UWB, scenari futuri

Lo sconfinamento della tecnologia UWB in ambito consumer potrebbe dare origine alla realizzazione di scenari futuri oggi nemmeno immaginabili. A questo, ad esempio, ha pensato Apple con l’introduzione nel suo ultimo smartphone di un chip UWB denominato U1: cosa c’è nel futuro dei sistemi UWB?