Notions fondamentales des systèmes de localisation

Notions fondamentales des systèmes de localisation

Il est difficile d’identifier de manière exhaustive tous les paramètres qui permettent de caractériser les systèmes de localisation. Dans la littérature, on trouve différentes classifications des technologies de localisation [chatpfe.com]. Nous allons indiquer de manière succincte dans cette section certaines notions clés de ces systèmes.

Contexte et situation

On retrouve plusieurs définitions de “contexte” dont voici celle plus concise publiée par Dey et Abowd dans [2] : “Le contexte est toute information qui peut être utilisée pour caractériser la situation d’une entité. Une entité est une personne, une place, ou un objet qui relève de l’intersection entre un utilisateur d’un système et une application, tout en prenant en compte l’utilisateur et l’application. » De cette définition, quatre types de contexte focalisés sur la relation qui existe entre un système mobile et les éléments qui lui sont liés, ont été établis dans [chatpfe.com] :
• l’infrastructure,
• le système,
• le domaine,
• le contexte physique.

Alors que le contexte est vu comme un ensemble de variables permettant de décrire l’état d’un utilisateur en fonction de son environnement, la situation quant à elle, décrit un tout autre ensemble de ces variables avec une signification plus précise.

Les services basés sur la localisation

Un service basé sur la localisation dit Location-Based System (LBS) en anglais, est une application logicielle pour un appareil mobile compatible Internet Protocol (IP) qui nécessite la connaissance de la position de son utilisateur. Les services de localisation peuvent être fondés sur une requête pour fournir à l’utilisateur final des informations utiles ou ils peuvent être en mode push pour offrir des coupons ou d’autres informations de marketing pour les utilisateurs qui sont dans une zone géographique spécifique. Avec le développement des réseaux mobiles, les LBS [48, 73] connaissent un succès incontestable. Ces systèmes proposent un service dès lors qu’on connaît avec une certaine exactitude la position de l’utilisateur. Un LBS nécessite cinq éléments de base dans sa chaine de communication :

• l’application logicielle du prestataire de services,
• le réseau mobile pour transmettre les données et les demandes de service,
• le fournisseur de service pour fournir à l’utilisateur final des informations géographiques spécifiques,
• le système de positionnement,
• l’utilisateur final.

L’utilisation de ce genre de service est souvent soumis à autorisation. Dans la plupart des cas, cela signifie que l’installation de l’application LBS sur l’appareil mobile exige que l’utilisateur doit tout d’abord accepter une demande pour permettre au service de connaître la position de l’appareil. C’est juste après cette autorisation que l’utilisateur pourra bénéficier de ce service.

Les différentes catégories de localisation 

Étant donné que les systèmes de localisation utilisent les positions de ses utilisateurs, il est donc important d’identifier les différentes catégories de localisation existantes. D’après [48], il existe deux grandes catégories de localisation (en anglais “location”) : la localisation virtuelle et la localisation physique (ou réelle). La Localisation virtuelle est étroitement liée à l’avènement de l’Internet où la localisation désigne un espace virtuel de rencontre comme les webinars. Cependant, La localisation a toujours désigné un emplacement réel. Cette catégorie de localisation désigne la localisation physique et elle peut être subdivisée en trois sous-catégories : la localisation descriptive, la localisation basée sur le réseau et la localisation spatiale. Nous allons donc présenter brièvement chaque partie de cette localisation physique car le système que nous proposons dans la suite de cette étude est fondé sur l’une de ces trois sous-catégories.

La localisation descriptive

La localisation descriptive est toujours liée à des objets géographiques naturels comme les territoires, les montagnes, les lacs (. . .) , ou à des objets géographiques artificiels comme les frontières, les villes, les pays, les routes, les bâtiments ou l’intérieur d’un bâtiment. Ces structures sont référencées par des descriptions, qui peuvent être soit des noms, des identifiants, ou des numéros, d’où le nom de cette catégorie de localisation. Ainsi, la localisation descriptive est un concept fondamental de notre vie quotidienne, qui est utilisée pour des rendez-vous organisés, pour la navigation ou la fourniture de biens et des courriers.

La localisation basée sur le réseau

La localisation basée sur le réseau, de l’anglais Network location, se réfère à la topologie d’un réseau de communication, par exemple, les systèmes Internet ou cellulaires tels que le Global System for Mobile Communications (GSM) ou l’Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). Ces réseaux sont composés de plusieurs réseaux locaux, parfois appelés sous-réseaux, reliés entre eux par une topologie hiérarchique de circuits interurbains. La fourniture de services dans les réseaux suppose que la position de l’utilisateur de l’appareil est connue par rapport à la topologie du réseau. Cette localisation est obtenue à partir des adresses de réseau contenant des informations de routage, en association avec les services d’annuaire, les numéros de cartographie, les identificateurs ou les noms disponibles sur l’adresse réseau. Par exemple avec l’Internet, la position du réseau se rapporte au réseau local. De ce fait, la position est obtenue au moyen de l’adresse IP de l’utilisateur sur le réseau. Dans les réseaux de téléphonie mobile, une localisation réseau est reliée à une station de base à laquelle un terminal mobile est attaché.

La localisation spatiale

La localisation spatiale cible un unique point dans l’espace euclidien. Un autre terme, plus intuitive pour la localisation spatiale est donc la position. Elle est généralement exprimée au moyen de coordonnées en deux ou trois dimensions, qui sont données par les composantes d’un vecteur, chacune d’elles permettant de fixer la position en une dimension. Contrairement à la localisation descriptive, les positions de la localisation spatiale ne sont pas utilisées dans notre vie quotidienne, parce que la préférence usuelle est de s’orienter par rapport aux objets géographiques en lieu et place des coordonnées. Toutefois, la localisation spatiale est indispensable pour les applications professionnelles comme l’aviation ou l’expédition, qui dépendent de la disponibilité des informations de localisation qui doivent être très précises et exactes.

La localisation spatiale est basée sur des systèmes de référence bien définis qui subdivisent une zone géographique, en des unités de même dimension (même forme et même taille). Un élément important d’un système de référence spatiale est le repère qui permet de représenter une certaine position spatiale par les coordonnées d’un vecteur, lesquelles coordonnées se réfèrent à la position de l’objet mesurée soit par une distance ou soit par un angle. Cette mesure peut s’effectuer par rapport à deux ou trois axes, selon que la position est fixée sur un plan ou dans l’espace. En géométrie, un repère appartient à la classe des repères cartésien ou ellipsoïdal. Un repère est caractérisé de manière unique par son origine, son échelle, et son orientation. De tout ce qui précède, il s’avère donc nécessaire de bien définir au préalable un repère pour une interprétation cohérente des informations de localisation.

La référence 

La notion de référence est étroitement liée au réseau considéré. Dans un réseau cellulaire, la référence est une station de base, dans un réseau de capteurs (WSN) c’est un nœud et dans un réseau WLAN, c’est un point d’accès (Access Point). En un mot, la référence est le point par rapport auquel la position d’un objet ou de l’utilisateur d’un objet peut être déterminée. Elle peut être un récepteur ou un émetteur, tout dépend du type d’application. Ainsi, en fonction de l’utilisateur, on distingue deux types de positionnement : le positionnement absolu et le positionnement relatif. La localisation spatiale est définie pour les applications dans lesquelles la position de l’utilisateur est déterminée « directement », à partir des seules mesures faites sur les signaux en provenance des stations de base, dans un système de coordonnées conventionnel, lui-même positionné et orienté par rapport à la terre. Les applications dans lesquelles la position de l’utilisateur est définie « relativement » à un autre point en s’aidant des mesures faites sur les signaux des stations de base observés par lui-même et par le point servant de référence font un positionnement relatif ou différentiel. Notons que ces deux types de positionnement peuvent s’effectuer aujourd’hui indifféremment en temps réel ou en temps différé. Le système qui est à l’étude dans ce document utilise un positionnement relatif.

Table des matières

Introduction Générale
1 Notions fondamentales et systèmes de localisation
1.1 Introduction
1.2 Notions fondamentales des systèmes de localisation
1.2.1 Contexte et situation
1.2.2 Les services basés sur la localisation
1.2.3 Les différentes catégories de localisation
1.2.3.1 La localisation descriptive
1.2.3.2 La localisation basée sur le réseau
1.2.3.3 La localisation spatiale
1.2.4 La référence
1.2.5 Le support de transmission
1.2.6 Les éléments du processus de localisation
1.2.6.1 Les observables ou paramètres de position
1.2.6.2 Méthodes de base du positionnement
1.2.6.3 Infrastructure et protocoles de positionnement
1.2.7 Les différents critères d’évaluation des performances d’un système de localisation
1.2.8 Les sources d’erreur d’un système de localisation
1.2.9 Besoins et intérêts des systèmes de localisation
1.2.10 Conclusion
1.3 Les métriques et méthodes de localisation
1.3.1 Les métriques usuelles de localisation
1.3.1.1 La métrique de l’angle d’arrivée
1.3.1.2 La métrique de la puissance du signal
1.3.1.3 La métrique du temps d’arrivée
1.3.1.4 La métrique de la différence du temps d’arrivée
1.3.1.5 Les métriques hybrides
1.3.2 Les méthodes de localisation
1.3.2.1 La triangulation
1.3.2.2 La méthode du Patern matching ou du Fingerprinting
1.3.2.3 Les méthodes basées sur le calcul de distance
1.3.3 Conclusion
1.4 Les systèmes de positionnement Indoor
1.4.1 Les systèmes de positionnement non-radio
1.4.1.1 Les systèmes de positionnement infra-rouges
1.4.1.2 Les systèmes de positionnement ultra-sonores
1.4.1.3 Les systèmes de positionnement par signal sonore
1.4.1.4 Les systèmes de positionnement magnétiques
1.4.1.5 Les systèmes de positionnement par vidéo
1.4.2 Les systèmes de positionnement radio
1.4.2.1 Les systèmes de positionnement RFID
1.4.2.2 Les systèmes de positionnement basés WLAN
1.4.2.3 Les systèmes de positionnement Bluetooth
1.4.2.4 Les systèmes de positionnement ULB
1.5 Conclusion
2 Intérêt et techniques de transmission ULB pour la localisation
2.1 Introduction
2.2 Définition et quelques spécificités de l’ULB
2.2.1 Définition de l’ULB
2.2.2 Spécificités de l’ULB pour la localisation
2.3 Réglementations et standards de l’ULB
2.3.1 Réglementations de l’ULB
2.3.1.1 Réglementations aux États-Unis
2.3.1.2 Réglementations en Europe
2.3.1.3 Réglementations en Asie
2.3.2 Les différents standards
2.3.2.1 Le standard IEEE 802.15.3a
2.3.2.2 Le standard IEEE 802.15.4a
2.3.2.3 Le standard pour les BAN (Body Area Network)
2.4 Formes d’ondes usuelles et techniques de transmission ULB
2.4.1 Les différentes approches des signaux ULB
2.4.1.1 L’approche multi bande ULB (OFDM-ULB)
2.4.1.2 L’approche impulsionnelle ULB (IR-ULB)
2.4.2 Les différentes formes d’ondes usuelles ULB
2.4.2.1 Les impulsions conventionnelles de Gauss
2.4.2.2 Les impulsions modifiées de Hermite
2.4.2.3 Les fonctions modifiées de Gegenbauer
2.4.3 Techniques de modulation ULB
2.4.3.1 La modulation d’amplitude (PAM)
2.4.3.2 La modulation du tout ou rien (OOK)
2.4.3.3 La modulation de position (PPM)
2.4.3.4 La modulation antipodale (BPSK)
2.4.4 Les techniques d’accès multiples ULB
2.4.4.1 Technique d’accès multiple par sauts temporels
2.4.4.2 Technique d’accès multiple sans sauts temporels
2.5 Apport de l’ULB sur la localisation
2.5.1 Critère d’évaluation de la précision de localisation : CRLB
2.5.2 Précision théorique de localisation en ULB
2.5.3 Détermmination des seuils minima de SNR
2.6 Exemples de systèmes de localisation ULB
2.6.1 Les systèmes de localisation ULB de Time Domain
2.6.2 Les systèmes de localisation ULB de Ubisense
2.6.3 Le système de localisation ULB Saphir DART
2.6.4 Autres systèmes de localisation ULB
2.7 Conclusion
3 Conception d’un système de positionnement 3-D
3.1 Introduction
3.2 Le bloc émetteur
3.2.1 Paramètres du signal de positionnement
3.2.1.1 Dimensionnement des paramètres de l’impulsion
3.2.1.2 La période de répétition des impulsions
3.2.2 Étude des techniques de codage pour l’accès multiple
3.2.2.1 Technique des codes bipolaires orthogonaux
3.2.2.2 Technique du Time Hopping Bipolaire
3.3 Les canaux de propagation IEEE 802.15.4a
3.3.1 Définition canal de propagation
3.3.2 Caractéristiques du modèle IEEE 802.15.4a
3.3.3 Autres paramètres du canal
3.4 Le bloc récepteur
3.4.1 Métrique temporelle basée sur la TDOA
3.4.2 Algorithme de détection du premier trajet
3.4.3 Les algorithmes de localisation 3-D
3.4.3.1 Généralité sur l’algorithme 3-D par TDOA
3.4.3.2 Algorithme de positionnement 3-D proposé
3.5 Conclusion
Conclusion générale

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