Internet des objets: Comment géolocaliser son objet et quelle technologie utiliser ?

En cette année 2018, on ne présente plus le GPS. Ce système de localisation permet d’obtenir la position précise des objets ou des personnes n’importe où sur Terre 24h/24. Historiquement militaire, il est massivement utilisé dans la société civile. Aujourd’hui, l’avènement de l’IoT offre une nouvelle révolution économique dont les entreprises veulent tirer parti. Un des services que ces objets peuvent rendre est justement la localisation. Contrairement à la plupart des récepteurs GPS, le calcul de position pour ces objets connectés reste un challenge au regard de leurs caractéristiques techniques. Cet article se propose de détailler le fonctionnement du GPS et ses limites dans le cadre de l’internet des objets. Il présentera les alternatives au GPS ainsi que différentes méthodes de résolution de position.

Dans un premier temps, nous évoquerons la technologie GPS qui a été la première dans le domaine. Dans un second temps, nous traiterons des différentes méthodes utilisées dans le cas des réseaux cellulaires, puis nous aborderons le cas des réseaux LAN (Local Area Network). Enfin, nous terminerons notre article sur les réseaux LPWAN (Low Power Wide Area Network).

Géolocalisation par GPS

Le GPS est un système de positionnement par satellite permettant de connaître sa position ou celle d’un objet ainsi que l’heure actuelle à tout instant, par tous les temps et n’importe où sur Terre ou dans son voisinage. Ce système est constitué d’environ 31 satellites (approximation due au fait qu’il s’agit d’un système militaire) répartis sur 6 plans orbitaux pour permettre une visibilité quasi permanente d’au moins 4 satellites depuis n’importe quel point de la planète. La figure suivante illustre la constellation GPS.

source: flatworldknowledge

Les satellites sont connectés à des stations terrestres qui ont pour tâche de synchroniser leur horloge afin d’assurer l’exactitude de la position d’un récepteur GPS.

Le calcul de la position d’un récepteur GPS est réalisé comme suit : les satellites se contentent d’émettre un signal à la vitesse de la lumière en permanence vers la Terre et c’est le récepteur qui calcule sa position en deux ou trois dimensions. Ce calcul s’effectue à partir des informations transmises dans les signaux. On entend par deux dimensions une position longitude et latitude par rapport au méridien de Greenwich et trois dimensions une position longitude, latitude et altitude.

Le contenu d’un signal GPS (constitué de 5 sous-trames) est présenté dans le tableau ci-dessous, les informations importantes pour la compréhension sont le ‘timestamp’ d’émission du signal GPS et l’orbite du satellite.

 

Sous trame	Contenu de la sous trame
1	TLM+HOW* + Horloge et fonctionnement du satellite. Les informations d’horloge sont transmises par rapport au temps GPS dont le point d’origine est le 6 janvier 1980.
2	TLM+HOW + Éphémérides du satellite qui contiennent entre autres l’orbite du satellite utilisé pour le calcul de position.
3	TLM+HOW + suite des éphémérides du satellite.
4	TLM+HOW + Almanach** des satellites 1 à 24.
5	TLM+HOW + Almanach des satellites 25 à 32.

*TLM+HOW : préambule de la sous-trame

**Almanach : informations générales sur l’ensemble de la constellation. On y retrouve la correction à apporter à l’heure GPS

pour obtenir l’heure UTC (Unified Time Coordinate) et la configuration de 32 satellites. Le temps UTC est basé sur le TAI

(Temps Atomique International) et est réajusté du fait du ralentissement de la Terre.

 

À la réception de ce signal, le récepteur est capable d’estimer le temps de propagation et donc de calculer la distance par rapport au satellite au moment de l’émission en admettant que le signal voyage à la vitesse de la lumière. La formule utilisée est ρ = c * Δt, avec :

• ρ est la distance entre le satellite et le récepteur au moment de l’émission du signal GPS
• c est la vitesse de la lumière dont la valeur est approximativement 299 792 458 m/s
• Δt temps de propagation estimé par le récepteur

Cette distance s’interprète comme étant le rayon d’une sphère de positionnement dont le centre est le satellite. Ainsi, en appliquant ce procédé sur plusieurs satellites, le récepteur GPS peut déterminer sa position par intersection. La figure ci-dessous illustre les sphères de positionnement déduites des signaux des trois satellites. C’est l’intersection de ces sphères qui forme le point P reflétant la position du récepteur.

 

source: National Geographic

 

Il est à noter que le calcul précédent est une simplification parce que le récepteur doit prendre en compte les effets de l’atmosphère et de l’environnement urbain sur le temps de propagation. En outre, son horloge est susceptible de ne pas être synchronisée avec celles des satellites, il doit par conséquent estimer ce décalage pour l’additionner ou le soustraire à Δt. On ne parle plus alors de distance mais de pseudo-distance. De manière plus détaillée, le calcul de position est itératif et fait intervenir le théorème de Pythagore. Des méthodes telles que celle de moindre carré permettent d’itérer pour aboutir à la position. Pour plus de précisions, voir ce document rédigé par le CNRS d’Orléans.

La précision du système GPS pour le grand public est de l’ordre de 2 à 10 mètres, ce qui constitue un système fiable pour la géolocalisation.

Avantages :

• Système à haute disponibilité spatiale et temporelle (n’importe où sur la terre et à n’importe quelle heure)
• Très bonne précision (2 à 10 mètres)
• Permet de faire de la géolocalisation en temps réel (ce que l’on appelle en anglais tracking)

A noter que l’Europe a développé son propre système de géolocalisation similaire au GPS nommé « Galileo ». De plus, tout récemment, une mise en orbite de satellites pour le système Galileo a été opérée en décembre 2017. Il sera totalement fonctionnel en 2020 et aura une meilleure précision, moins d’un mètre !

Inconvénients :

• Le calcul prend plusieurs dizaines de secondes voire plusieurs minutes à l’initialisation
• Ne convient pas aux objets connectés à faibles ressources d’énergie et de calcul

Comme présenté dans ce précédent article, l’IoT englobe 3 types d’architectures réseaux :

• les réseaux cellulaires
• les réseaux LAN (Local Area Network)
• les réseaux LPWAN (Low Power Personal Area Network)

Dans chacune des architectures, il existe des méthodes de géolocalisation.

Géolocalisation dans le cas des réseaux cellulaires

Pour les réseaux cellulaires, trois méthodes sont principalement utilisées.

1) Géolocalisation par cell-ID

Les réseaux mobiles qui englobent les protocoles 2G (GSM), 2.5G (GPRS), 2.75G (EDGE), 3G (UMTS) et 4G (LTE) reposent sur le principe des réseaux cellulaires, c’est-à-dire que chaque antenne couvre une zone définie d’un territoire. Le rayon d’une zone peut varier de quelques centaines de mètres (milieu urbain) à plusieurs kilomètres (milieu rural).

source: https://fr.slideshare.net/ToilhaAliMoindandz/gsm-gprsumts

 

L’opérateur connaît toutes les positions géographiques des antennes et maintient une communication permanente pour échanger des informations comme la liste des objets couverts par une antenne.

Un objet équipé d’une puce mobile est susceptible de détecter plusieurs antennes autour de sa position, elle sélectionne la plus proche en termes de puissance de réception. Si l’objet est mobile alors l’antenne de sélection varie au cours du temps, il s’agit du mécanisme de Handover. Chaque objet connecté est sous l’autorité d’une antenne lorsqu’elle se trouve dans sa zone de couverture, toutes les données utiles (SMS, appels, données internet…) que l’objet émet et reçoit transitent par cette antenne. En outre, ils échangent également des trames définies dans la couche de liaison de données (la couche 2 du modèle OSI). Grâce à ces derniers échanges, l’opérateur en question peut déterminer à tout moment avec quelle antenne l’objet communique et donc dans quelle cellule celui-ci se trouve.

Cette méthode de géolocalisation est rapide mais la précision de la position déterminée n’est pas très bonne puisqu’elle ne donne qu’une zone approximative dont le rayon peut varier de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres. Elle est surtout utile en milieu rural où la géolocalisation par trilatération (voir méthode ci-dessous) n’est pas toujours possible car les distances entre les antennes sont trop grandes.

Avantages :

• Géolocalisation simple à déterminer et rapide
• Cela permet de traquer un objet (tracking)

Inconvénients :

• Mauvaise précision
• Géolocalisation impossible lorsque l’objet n’est plus couvert par le réseau

2) Géolocalisation par trilatération

Avant d’aborder ce paragraphe, ajoutons que la trilatération est une méthode qui détermine une position à partir de distances, alors que la triangulation utilise les angles.

En utilisant une approche similaire à celle du GPS, il est possible de déterminer la position d’un objet en évaluant sa distance par rapport aux passerelles (système incluant une antenne, appelé gateway en anglais) avoisinantes. En revanche ce n’est pas le temps de propagation mais la puissance des signaux reçus qui est prise en compte pour le calcul. En effet, lorsqu’un signal radio se propage dans un milieu non vide, sa puissance s’atténue avec la distance parcourue (c’est le même principe que pour un signal sonore). Cet affaiblissement est dû à la dispersion et aux obstacles (immeubles, murs, montagnes…). Les caractéristiques du milieu traversé ne sont pas souvent connues, il est alors nécessaire d’avoir recours à des modèles pour calculer l’atténuation du signal. De façon empirique, il a été mesuré que la puissance du signal reçue est proportionnelle à d^γ où d est la distance parcourue par le signal et γ est un exposant d’atténuation lié aux caractéristiques du milieu. Le tableau suivant indique les valeurs de γ en fonction du milieu.

 

Milieu	γ (exposant d’atténuation)
Urbain	De 2,7 à 3,5
Banlieue, campagne	c
Intérieur	De 1,6 à 1,8

 

La formule de l’atténuation du signal peut être exprimée dans sa version simplifiée par la formule suivante : A_dB( d ) = Pt_dB – Pr_dB( d ) = 10γlog₁₀( d ) + c

• A_dB : Atténuation du signal radio (en décibel)
• Pt_dB : Puissance du signal radio émis par l’objet (en décibel)
• Pr_dB : Puissance du signal radio reçu par la passerelle (en décibel)
• d : distance parcourue par le signal radio
• γ : exposant d’atténuation
• c : constante

Avec toutes ces informations, un opérateur télécom est capable de déterminer à quelle distance d se trouve l’objet de chaque passerelle réceptrice en fonction de la puissance du signal reçue. On détermine autour de chaque passerelle réceptrice un cercle de rayon d sur lequel se positionne l’objet. Si plus de trois passerelles ont été capables de recevoir les signaux de l’objet, il est alors possible de déterminer la position par l’intersection des cercles comme indiqué sur l’image suivante.

source: http://emi.re/maPosition.html

 

Réciproquement, un objet connecté, équipé d’un programme spécifique installé sur sa carte SIM, est capable de déterminer de façon autonome sa position. Il est évident que ce programme engendre des temps de calcul importants et donc requiert de la ressource en énergie non négligeable, il n’est donc pas recommandé d’utiliser cette méthode pour les objets équipés d’une pile.

Les technologies mobiles permettent une localisation à faible marge d’erreur d’un téléphone mobile avec une précision de 10 à 30 mètres mais cela peut aller jusqu’à plusieurs centaines de mètres dans des milieux ruraux.

Avantages :

• La localisation est obtenue avec une bonne précision dans certaines conditions
• Cela permet de traquer en temps réel un objet

Inconvénients :

• La précision de la position varie en fonction du milieu
• La géolocalisation est impossible lorsque l’objet n’est plus couvert par le réseau
• Si le calcul est délégué à l’objet, cela ne convient pas aux objets connectés à faibles ressources d’énergie et de calcul

3) Géolocalisation par TDOA

La géolocalisation par TDOA (Time Difference Of Arrival) est basée sur la méthode des hyperboles. L’idée est la suivante: un objet envoie un signal radio aux passerelles environnantes qui le reçoivent avec un temps de retard T_i (où « i » est le numéro de la passerelle). Dans un plan à deux dimensions, la différence entre les temps de retard de deux passerelles permet de construire une hyperbole dont les foyers sont les passerelles. C’est en faisant l’intersection des hyperboles calculées que l’on obtient la position de l’objet, comme indiqué sur la figure suivante.

Géolocalisation dans le cas des réseaux LAN

Pour les réseaux à faible portée, on peut considérer que la position de l’objet, à quelques mètres près, correspond à celle de la passerelle avec laquelle l’objet est connecté car celui-ci ne se trouve qu’au maximum à quelques dizaines de mètres. La position de la passerelle (un téléphone portable par exemple dans le cas du bluetooth ou NFC) est déterminée par les moyens décrits plus haut. En revanche, si la passerelle est une borne WiFi ou ZigBee, sa position peut être déterminée à partir de son adresse IP et adresse MAC.

Néanmoins, dans certaines situations il est important de déterminer plus finement la position d’objets connectés en WiFi comme par exemple dans les centres commerciaux. Dans ce cas là, la position peut se déterminer de la même façon que dans le cas de la géolocalisation des réseaux cellulaires où ce sont les bornes WiFi qui jouent le rôle de passerelles.

Réciproquement, les objets connectés en WiFi peuvent également déterminer de manière autonome leur position. En effet, avec l’explication sur l’atténuation (voir partie géolocalisation des réseaux cellulaires), l’objet peut déterminer sa distance par rapport à chaque borne WiFi dont il reçoit les trames réseaux (couche 2). Puis, il détermine sa position GPS en fonction des distances calculées et des positions GPS des bornes obtenues via le service Google Maps Geolocation API, qui comprend une base de données contenant les positions des bornes WiFi à l’échelle mondiale.

Avantages :

• La précision est bonne puisqu’elle est de quelques mètres
• Un objet est capable d’être géolocalisé à tout instant (tracking)
• Idéal pour la géolocalisation indoor ou pour des objets à faible portée

Inconvénients :

• Cela n’est pas adapté pour des cas où il est nécessaire d’avoir des émissions à moyennes et longues portées

Géolocalisation dans le cas des réseaux LPWAN

Il est à noter que ce type de réseau est principalement dédié aux objets connectés à faibles ressources d’énergie qui communiquent sur de longues distances. Par conséquent, le calcul de la position n’est pas réalisé par l’objet mais par le cœur de réseau (serveur central). De plus, contrairement aux objets connectés via les réseaux cellulaires, les horloges des objets connectés via les réseaux LPWAN ne sont généralement pas synchronisées, ce qui implique que la géolocalisation par TDOA ne peut pas être utilisée ici. On utilisera les méthodes suivantes.

1) Géolocalisation par trilatération

Le principe de la méthode est le même que celui de la géolocalisation des réseaux cellulaires, où à partir des puissances du signal reçu par les passerelles, le cœur de réseau détermine la position.

Dans les réseaux cellulaires, les échanges réseaux niveau couche 2 entre les passerelles et les objets connectés (par exemple les téléphones portables) sont très nombreux. En effet, même lorsque vous n’appelez pas ou n’envoyez aucun SMS, votre téléphone portable communique constamment avec les passerelles afin d’être joignable à tout instant. C’est pourquoi il est possible de faire la géolocalisation en temps réel (tracking). En revanche, dans les protocoles des réseaux LPWAN tels que Sigfox et LoRaWAN, les échanges réseaux niveau 2 sont rares. Tant que l’objet n’a aucune donnée utile à transmettre, il n’y a pas de messages niveau 2 qui sont échangés. C’est pourquoi il n’est possible de faire de la géolocalisation que lorsque l’objet transmet des données utiles. Le tracking n’est donc pas possible dans ce type de réseau. Il est à noter que la période d’émission pour certains objets peut être de plusieurs jours.

2) Géolocalisation par GPS offloading

L’objet connecté est équipé d’une puce GPS qui permet de recevoir et de déchiffrer les signaux GPS comme nous l’avons expliqué dans la partie « Géolocalisation par GPS ». Toutefois, les ressources d’énergie pour ce type de capteurs sont très limitées contrairement aux récepteurs GPS classiques. Afin de les économiser au mieux, l’objet n’écoute les signaux GPS qu’à intervalle de temps régulier dont la période est définie par l’utilisateur (plusieurs heures voire jours). À chaque écoute des signaux GPS, l’objet n’enregistre que les signaux GPS. En outre, il est également envisageable de n’enregistrer que les parties les plus importantes, c’est-à-dire les trois premières sous-trames (voir tableau ci-dessus). Après avoir sauvegardé les données GPS, l’objet les envoie par signal radio au cœur de réseau qui se charge d’effectuer le calcul de la position. La figure suivante met en image ce principe.

 

Le bénéfice de cette méthode est double : l’objet optimise sa ressource d’énergie car il n’écoute pas la totalité des signaux GPS (dont la durée est d’environ 30s) et n’effectue aucun calcul complexe.

Avantages :

• Permet d’obtenir une précision proche de celle du système GPS classique
• Les ressources énergétiques de l’objet sont économisées

Inconvénients :

• L’obtention de la position n’est pas immédiate, il faudra plusieurs dizaines de minutes voire heures avant d’obtenir la position
• Il n’est pas possible de faire de la géolocalisation en temps réel (tracking)

Conclusion

Nous avons vu dans cet article que chaque technologie apporte des nouvelles approches et méthodes pour géolocaliser des objets connectés, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Le tableau ci-dessous résume les méthodes utilisées pour chaque type de réseaux pour l’Internet des Objets :

 

Réseau\Technologie	Géolocalisation par trilatération (temps de propagation)	Géolocalisation par trilatération (atténuation de la puissance du signal radio)	Géolocalisation par cell-ID	Géolocalisation par TDOA	Géolocalisation par GPS offloading	Géolocalisation par IP/borne
GPS	✓	X	X	X	X	X
Cellulaire	X	✓	✓	✓	X	X
LAN	X	✓	X	X	X	✓
LPWAN	X	✓	X	X	✓	X

 

Avec un tel panel de choix, il peut être difficile de choisir une technologie, il est alors nécessaire pour un utilisateur de précisément définir son besoin en géolocalisation. En effet, si la précision et le tracking sont primordiaus, alors les réseaux LPWAN ne sont pas adaptés, même s’ils sont les moins chers en terme de service. Il faudra envisager soit d’utiliser le GPS (bientôt Galileo), système précis mais le plus cher, ou les réseaux cellulaires moins précis. Cependant, si une précision relative et un temps plus ou moins important pour obtenir une position sont suffisants alors les réseaux LPWAN répondent au besoin. En ce qui concernent la géolocalisation indoor, les réseaux LAN sont les plus adaptés.

Le tableau ci-dessous synthétise ce qui vient d’être énoncé :

 

Besoin/Géoloc	GPS	Cellulaire	LAN	LPWAN
Tracking	+++	++	– (envisageable uniquement en indoor)	+
Précision	+++	++	++	+
Indoor	+	+	+++	–
Coût	–	+	+++	+++