PROBLEMA
DE
LOCALIZAÇÃO
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
2
OBJETIVOS
 Problema e Necessidade de Localização;
 Conceitos Básicos;
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Position System – APS;
 Recursive Position Estimation in Sensor Networks; e
 Localization With Mobile Beacon
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
3
SUMÁRIO
 Introdução
 Conceitos Básicos
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Positioning System - APS
 Recursive Position Estimation in Sensor Nets
 Localization With Mobile Beacon
 Conclusão
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
4
CONCEITOS BÁSICOS
 Introdução
 Conceitos Básicos
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Positioning System - APS
 Recursive Position Estimation in Sensor Nets
 Localization With Mobile Beacon
 Conclusão
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5
CONCEITOS BÁSICOS
 Localização em Redes gerais:
 saber a posição física no espaço de um nó;
 tem sido estudado nos últimos anos:
 em contextos militares;
 e de emergências nas redes celulares.
 Determinar a posição física de um aparelho:
 situações de emergência; roubo ou furto;
 rastreamento de pessoas e etc.
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6
CONCEITOS BÁSICOS
 Localização com GPS:
 pessoa se localiza em qualquer lugar do mundo;
 instalações de antenas de comunicação outdoor; e
 aplicações militares.
 Localização em Redes AD HOC:
 utilizada por muitos protocolos (e.g., LAR); e
 e aplicações (serviços baseados na localização).
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7
CONCEITOS BÁSICOS
 Localização em Redes de Sensores:
 posição de eventos;
 roteamento;
 consultas;
 rastreamento; e
 serviços/contexto;
Uma
Cenário:
Muitos
operação
um
protocolos
local
comum
onde
deem
se
RSSF
deseja
Uma
roteamento
éa
RSSF
monitorar
consulta
é basicamente
utilizam
de
a temperainformações
informações
Uma
voltada
tura
referentes
dasem
para
aplicações
uma
geográficas
dados.
aregião
umdas
Saber
determieRSSF
para
a o
pressão
local
énado
reduzir
o rastreamento
que
local.
em
tabelas
determinado
outra.
Nestes
de
Dependendoroteacasos,
movidado
mento,
do
apenas
de
pertence
mento
onde
dentre
sensores
ode
nó
éoutras
objetos.
de
for
localizados
suma
lançado,
possibilidades.
diferentes
na região
Em
importância.
outros
eventos
especificada
casos,
serão
não
há
respondem
identificador
monitorados.
a consulta.
global.
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8
CONCEITOS BÁSICOS
 Estimativa de localização:
 posicionamento estático;
 Global Positioning System – GPS; e
 estimativa com base nos vizinhos;
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9
CONCEITOS BÁSICOS
Estimativa
Posicionam. Estático
de Localização
GPS
Base nos Vizinhos
Posicionamento Estático
 Colocação estática dos sensores no campo:
 manualmente ou com robôs.
 Vantagem:
 cálculo de otimizações (e.g., área de cobertura).
 Desvantagem:
 Nem sempre é possível.
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10
CONCEITOS BÁSICOS
Estimativa
Posicionam. Estático
de Localização
GPS
Base nos Vizinhos
Global Positioning System - GPS
 rede de 27 satélites (24 + 3) em órbita da terra;
 desenvolvido pelos EUA e aberta em seguida;
 circulam a Terra a 19.300 km;
 duas voltas completas por dia; e
 qualquer lugar/momento: 4 satélites “visíveis”;
 receptor GPS:
 identifica os 4 satélites e calcula a distância; e
 calcula sua posição utilizando trilateração;
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11
CONCEITOS BÁSICOS
Estimativa
Posicionam. Estático
de Localização
GPS
Base nos Vizinhos
Global Positioning System - GPS
 Uma solução é colocar um GPS em cada sensor
 solução encontrada em muitos protocolos
 Problemas:
 custo;
 imprecisão; e
 energia;
 tamanho do sensor;
 inacessibilidade;
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12
CONCEITOS BÁSICOS
Estimativa
Posicionam. Estático
de Localização
GPS
Base nos Vizinhos
Estimativa com Base nos Vizinhos
 Utiliza informações dos vizinhos para o cálculo da posição.
 Pode se dividida em duas etapas:
 medição de distâncias entre nós vizinhos:
 RSSI – Received Signal Strength Indicator;
 ToA – Time os Arrival; e
 TDoA – Time Difference of Arrival;
 cálculo da posição:
 Técnicas Semelhantes:
 multilateração; trilateração;
e triangulação
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 Angle of Arrival
 Mobile Beacon
13
CONCEITOS BÁSICOS
Estimativa
Posicionam. Estático
de Localização
GPS
Base nos Vizinhos
Estimativa com Base nos Vizinhos
 Lateração:
 Cálculo da posição baseado em medição de distâncias.
 triangulação;
 Exemplo: Adivinhe aonde o nó realmente está ..
d3
d1
d2
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
14
CONCEITOS BÁSICOS
Estimativa
Posicionam. Estático
de Localização
GPS
Base nos Vizinhos
Estimativa com Base nos Vizinhos
 Lateração:
 Posições em 2D precisam de duas distâncias; e
 Posições em 3D precisam de três distâncias.
 Desafios:
 Propagação do sinal:
 ruídos;
 interferências;
 absorção;
 Sombras; etc.
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15
CONCEITOS BÁSICOS
 Componentes:
 Nó Livre (Free Node):
 Desconhece sua posição e tenta estimá-la
utilizando técnicas de localização;
 Nó Estabelecido (Settled Node):
 Nó que estimou sua posição utilizando alguma
técnica de localização; e
 Nó Beacon (Beacon Node):
 Nó que já conhece sua posição utilizando meios
externos à rede (e.g., GPS, pos. estático).
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
16
CONCEITOS BÁSICOS
 Propriedades da Localização:
 Física x Simbólica:
 (lat., long.) ou “na cozinha”.
 Absoluta x Relativa.
 Precisão ou Granularidade:
 1 metro.
 Repetibilidade:
 1 metro 75% das vezes.
 Escala:
 Localiza quantos objetos em uma área?
 Custo:
 % da energia gasta na Localização.
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
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AD HOC POSITIONING SYSTEM
 Introdução
 Conceitos Básicos
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Positioning System - APS
 Recursive Position Estimation in Sensor Nets
 Localization With Mobile Beacon
 Conclusão
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
18
AD HOC POSITIONING SYSTEM
 Proposto por Niculescu, D. et al.
 Considerações do Algoritmo:
 deve ser distribuído;
 deve minimizar a comunicação entre os nodos e o consumo
de energia;
 deve funcionar mesmo se a rede ficar desconectada;
 deve prover posicionamento absoluto, em lugar de
posicionamento relativo;
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
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1
10
6
28
20
25
0
3
11
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7
12
5
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4
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
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1
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25
0
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16
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
15
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6
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0
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14
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27
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
C1 = (75+45)/(5+3) =
15m
1
10
6
15
28
20
25
0
3
11
16
7
23
12
5
C3
21 = (75+50)/(5+4)
29
= 13,9m
17
4
26
22
14
13
8
27
18
2
24
19
C2 = (45+50)/(3+4) =
13,6m
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
15
1
10
6
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20
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0
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16
7
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5
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26
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14
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 Exemplo de Funcionamento
AD HOC POSITIONING SYSTEM
15
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0
3
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8
27
18
2
24
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Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
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AD HOC POSITIONING SYSTEM
 Funcionamento:
 necessita de pelo menos três nós beacons
(landmarks);
 quando um nodo possui estimativas para 3 ou mais
landmarks, ele pode calcular sua posição;
 estimativa inicial do nodo é o centróide dos
landmarks que ele conhece
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27
AD HOC POSITIONING SYSTEM
 Funcionamento:
 vizinhos imediatos a um landmark podem estimam
sua distância diretamente (RSSI);
 através de propagação, os demais vizinhos
(segundo, terceiro, ... hop) podem inferir sua
distância a um landmark;
 complexidade depende do número de landmarks e
do grau de conectividade de cada nodo
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28
AD HOC POSITIONING SYSTEM
 similiar ao roteamento por vetor de distância
 cada nodo se comunica apenas com seus vizinhos;
 em cada mensagem o nó informa suas estimativas
para os landmarks;
 Três alternativas de métodos de propagação
 DV-Hop
 DV-Distance
 Euclidiano
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29
AD HOC POSITIONING SYSTEM
 DV-Hop
 esquema mais básico, baseado na troca de vetor de distância;
 todos os nodos obtêm as distâncias, em saltos, para os
landmaks;
 cada nodo mantém uma tabela {Xi, Yi, hi} e troca atualizações
com seus vizinhos
 quando um landmark obtém distâncias para outros
landmarks, ele estima o tamanho médio de um salto e o
difunde na rede como uma correção;
 quando um nó recebe a correção, ele pode estimar a distância
para para os landmarks e realizar a triangulação.
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30
AD HOC POSITIONING SYSTEM
 Vantagens
 simples;
 necessita de apenas 3 nós beacon;
 distribuído, não requer infra-estrutura especial,
provê coordenadas globais.
Desvantagens
 erros altos:
 simulações mostraram erros de até 20m.
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31
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Introdução
 Conceitos Básicos
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Positioning System - APS
 Recursive Position Estimation in Sensor Nets
 Localization With Mobile Beacon
 Conclusão
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32
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Proposto por Albowicz et al.:
“Provê um framework para estender a
estimativa de posicionamento através
de uma rede de sensores.”
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
33
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Exemplo de Funcionamento
(Utiliza Três Dimensões)
5
10
28
15
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0
16
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7
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21
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2
3
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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35
 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
5
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0
16
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7
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21
23
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3
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9
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36
 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
5
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
48
 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
5
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49
 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
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6
0
16
11
7
1
20
21
23
12
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9
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8
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18
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24
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50
 Exemplo de Funcionamento
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
5
10
28
15
25
6
0
16
11
7
1
20
21
23
12
17
2
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9
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22
13
8
27
18
14
29
24
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Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
Aonde
estou?
51
RECURSIVE POSITION ESTIMATION

Objetivos do Protocolo:
 Funcionalidade
 Escalabilidade
 Robustez
Dado
ÉOpreferível
uma rede
ficar
de sensores
sem o
sistema
deve
poder
Os nós são responsáveis por
com
conhecimento
poucos
pontos
do seu
de
trabalhar
com
números
estimar sua própria
posicionamento
referência, nós
do
com
quede
arbitrariamente
grandes
localização com base em
manter
posições
umadesconhecidas
estimativa
ruim
nós.
Idealmente,
o sistema
informações localmente
e
devem
reportar
eventualmente
esta
estimativa
deveria
se
beneficiar
com
disponíveis.
estimar
paranúmeros
suas
outros
posições.
nós.
grandes
de nós.
 Autonomia
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
52
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Considerações:
 a maioria dos nós não conhecem suas posições;
 nós com GPS podem não calcular suas posições;
 posicionamento é importante, mas não é garantida;
 medição de distância entre nós vizinhos; e
 utilização de triangulação com 3 dimensões.
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
53
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Algoritmo de Disseminação de Posição:
 Fase 1: nó determina seus pontos de referência.
 Fase 2: obtém ou utiliza as informações de distâncias.
 Fase 3: o nó estima a sua posição.
 Fase 4: torna-se uma referência.
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
54

Algoritmo de Disseminação de Posição
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
Fase
Fase
Fase
Fase
1
2
3
4
 Seleção de Referências:
 Valor residual enviado pelas
referências;
 nó faz “ranking”;
residual ( x, y, z ) 

ireference
7
12
8
2
9
13
( xi  x)  ( yi  y )  ( zi  z )  d i
2
2
2

2
 escolhe as 4 referências mais
confiáveis;
 para referências originais, residual ~ 0.
14
Projeto SensorNet – Curso de Redes de Sensores Sem Fio
55

Algoritmo de Disseminação de Posição
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
Fase
Fase
Fase
Fase
7
12
8
2
9
1
2
3
4
 Cálculo das distâncias:
 utilizar as técnicas mencionadas;
 RSSI;
 AoA;
 ToA; e
 TDoA;
 pode-se rejeitar estimativas instáveis.
13
14
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
Algoritmo de Disseminação de Posição
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
Fase
Fase
Fase
Fase
1
2
3
4
7
12
???
8
2
9
 Estimativa do Posicionamento:
 cada referência gera uma equação:
13
14
 posição = linearização (séries de
Taylor);
 pode-se obter estimativas erradas;
 solução: rejeitar residuais > 0.01 m2.
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57

Algoritmo de Disseminação de Posição
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
Fase
Fase
Fase
Fase
 cuidado: evitar erros crescentes;
 tornando-se referência:
12
8
9
 se é obtida uma estimativa razoável;
 aumenta a possibilidade para outros
nós; e
7
2
1
2
3
4
 Referência para o próximo nível:
13
14
 permite melhorar estimativas já
feitas;
 principal fator de escalabilidade.
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58
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Conclusão do Artigo:
 apresentação de um framework básico;
 permite estimativas diante de ruídos;
 rejeita erros grandes; e
 hierarquia escalável através de recursão simples.
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59
RECURSIVE POSITION ESTIMATION
 Conclusão Final:
 solução bastante viável e com as vantagens já
citadas.
 Porém ..
 erros podem ser propagados;
 cada nó deve ter pelo menos 4 vizinhos referências;
 pode ser reduzido para 3 ..
 é melhor uma estimativa ruim ou nenhuma?
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LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Introdução
 Conceitos Básicos
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Positioning System - APS
 Recursive Position Estimation in Sensor Nets
 Localization With Mobile Beacon
 Conclusão
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LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Proposto por Mihail Sichitiu et al.:
“Sistema de localização
auxiliado por um beacon
móvel que conhece sua posição
a cada instante.”
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62
LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Lembra do Beacon?
 Pois é .. Agora ele pode se mover !!
 Possíveis Beacons Móveis:
 algo operado por uma pessoa;
 um veículo não tripulado;
 um dirigível; e etc.
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63
LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Funcionamento:
 os nós são lançados com um beacon móvel;
 o beacon móvel começa a se mover pelo campo de
sensores enviando mensagens de broadcast com
sua posição; e
 um nó ao receber três ou mais pacotes pode
estimar sua posição.
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 Exemplo de Funcionamento
LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
1
5
28
10
15
25
6
0
16
11
3
7
20
21
23
12
17
8
4
26
22
13
2
27
18
9
14
29
24
19
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LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Possíveis trajetórias:
 deve-se evitar trajetórias retas
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66
LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Vantagens:
 nós não precisam ter GPS;
 não propaga erros pela rede;
 menor consumo de energia dos nós;
 Desvantagens:
 precisa de um beacon móvel;
 estimativas podem demorar bastante;
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LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON
 Introdução
 Conceitos Básicos
 Soluções propostas na literatura:
 AD HOC Positioning System - APS
 Recursive Position Estimation in Sensor Nets
 Localization With Mobile Beacon
 Conclusão
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LOCALIZATION WITH MOBILE BEACON

Referências:
 Ilyas, M. and Mahgoub, I. (2004). Handbook of sensor networks: compact
wireless and wired sensing systems. CRC Press LLC.
 Albowicz, J. Chen, A., and Zhang, L. (2001). Recursive position estimation in
sensor networks. In Proceedings of the 9th International Conference on
Network Protocols. Riverside – California – USA.
 Niculescu, D. and Nath, B. (2001). AD HOC positioning system (aps). In IEEE
Global Communications Conference (GlobeCom2001). San Antonio – TX – USA.
 Sichitiu, M. L. and Ramadurai, V. (2003). Localization of wireless networks with
a mobile beacon. Technical report tr-03/06, Center for Advances Computing
and Communications (CACC). Raleigh – NC.
 Hightower, J. and Borriello, G. (2001) A Survey and Taxonomy of Location
Systems for Ubiquitous Computing, IEEE Computer
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