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Trasformazione di cellulari di uso comune in segnalatori di ricerca e soccorso
Salvataggio di vite umane in prospettiva del 6G
Nel terreno accidentato delle montagne del Colorado, ritrovare un escursionista smarrito può essere come cercare un ago in un pagliaio, anche con un elicottero che volteggia a soli 15 metri sopra le cime degli alberi. Ma un nuovo sistema di rilevamento basato sulla tecnologia cellulare chiamato Lifeseeker sta trasformando le operazioni di ricerca e soccorso nelle aree selvagge, trasformando uno dei nostri dispositivi più diffusi, il cellulare, in un potente localizzatore.
“È qualcosa di straordinario”, afferma Tim Durkin, medico di medicina d'urgenza e coordinatore del programma di ricerca e soccorso presso Colorado Highland Helicopters. “L'aereo entra nel canyon e immediatamente si acquisisce un segnale. In un minuto e mezzo è possibile geolocalizzare una persona con un’approssimazione di pochi metri.”
Questa capacità di localizzazione rapida rappresenta un progresso rivoluzionario nella tecnologia di ricerca e soccorso. I metodi di ricerca tradizionali presentano dei limiti. I cani da ricerca dipendono fortemente dalle condizioni ambientali, come il vento e l'umidità. Le telecamere a infrarossi possono rilevare il calore corporeo, ma non attraverso una fitta copertura arborea. Anche le ricerche visive effettuate dagli elicotteri spesso non riescono a individuare persone che indossano abiti color terra su sfondi naturali.
Il sistema trasforma sostanzialmente un elicottero di soccorso in una torre cellulare mobile. Dopo l'installazione, l'hardware di Lifeseeker si collega a tre antenne (due cellulari e una GPS) e crea un segnale a cui qualsiasi telefono attivo nell'area di ricerca tenterà di connettersi. Il sistema rifiuta tutti gli altri telefoni e si connette solo al dispositivo che sta specificamente cercando, proteggendo così i dati degli altri telefoni nelle vicinanze. Utilizzando sofisticate analisi del tempo di volo ed elaborazione del segnale basate su MATLAB®, il sistema è in grado di triangolare rapidamente la posizione del dispositivo di una persona smarrita, anche in aree prive di copertura cellulare.
Nonostante la sua sofisticatezza tecnologica, Lifeseeker è semplice da implementare. “È una soluzione plug-and-play”, afferma Durkin. Un membro della squadra di ricerca e soccorso può installare l'intero sistema su un elicottero in massimo tre-cinque minuti, utilizzando solo quattro cavi di collegamento. L'interfaccia funziona su qualsiasi tablet tramite connessione Wi-Fi®, visualizzando i dati in un formato familiare ai piloti e alle squadre di ricerca. Quando i servizi di emergenza forniscono i dettagli del telefono di una persona scomparsa, i team possono programmare il sistema in modo che si concentri esclusivamente su quel dispositivo, filtrando gli altri segnali cellulari nell'area di ricerca.
Una missione di ricerca e soccorso che utilizza la tecnologia Lifeseeker. Crediti dell’immagine: CENTUM)
Antenne installate sotto un elicottero. (Crediti dell’immagine: CENTUM)
Questa semplicità d'uso, unita all'affidabilità dei risultati, può fare la differenza tra il successo e la parte più difficile del lavoro di Durkin. “Dover dire a una famiglia che abbiamo esaurito tutte le risorse e che non riusciamo a trovare la persona amata è una delle conversazioni più difficili nell'ambito della ricerca e del soccorso”, afferma Durkin. “Ecco perché questa tecnologia è così entusiasmante. Ci fornisce un ulteriore strumento per localizzare le persone che utilizzano il cellulare, uno strumento che la maggior parte delle persone porta già con sé.”
Tecnologia salvavita
CENTUM, l'azienda spagnola ideatrice di Lifeseeker, ha iniziato a sviluppare lo strumento nel 2011 con un'idea visionaria: trasformare i telefoni cellulari in segnalatori di emergenza. I fondatori credevano che il mercato fosse pronto per soluzioni di ricerca e soccorso aeree, ma scoprirono che le organizzazioni di ricerca e soccorso non erano ancora consapevoli del potenziale della tecnologia cellulare.
Per anticipare la rapida evoluzione della telefonia cellulare e soddisfare al contempo i rigorosi requisiti dell'aviazione, tre ingegneri lavorano alla prototipazione iniziale di questo sistema ingegnerizzato, utilizzando una serie di strumenti di simulazione per superare le sfide legate al rilevamento e alla localizzazione dei telefoni cellulari su diverse generazioni di telefoni cellulari e su terreni diversi.
I primi prototipi dovettero affrontare un'altra sfida importante: la rapida evoluzione della tecnologia cellulare. Il sistema iniziale di CENTUM, progettato per le reti 2G, era quasi obsoleto quando fu pronto, poiché le reti 3G stavano diventando sempre più diffuse. Questa esperienza ha evidenziato una sfida unica che CENTUM avrebbe dovuto affrontare: creare un ponte tra due mondi tecnologici molto diversi.
“Apparteniamo al settore delle telecomunicazioni, che evolve molto rapidamente, ma facciamo anche parte del settore aeronautico, più lento, dove la sicurezza è la priorità assoluta e ogni cambiamento è difficile da implementare per i costruttori di aeromobili e gli integratori di avionica”, afferma Brais Sánchez Rama, responsabile tecnologico di CENTUM.
Per rimanere al passo con l’evoluzione rapida delle reti cellulari, rispettando al contempo i rigorosi requisiti aeronautici, tre ingegneri si occupano della prototipazione iniziale di questo sistema progettato, utilizzando una serie di strumenti di simulazione per superare le difficoltà legate al rilevamento e alla localizzazione dei telefoni cellulari attraverso diverse generazioni di rete e terreni variabili. La tecnologia monitora lo stato della rete cellulare commerciale all'interno delle aree di ricerca utilizzando specifici identificatori telefonici dei servizi di emergenza e degli operatori di telefonia mobile. Una volta inseriti questi identificatori, il sistema è in grado di rilevare i telefoni target e analizzare i segnali cellulari per stimare la posizione di una persona, tenendo conto di variabili quali il movimento e la velocità dell'aereo, le condizioni meteorologiche e gli effetti della propagazione radio provenienti dalla rete wireless.
Un evento di geolocalizzazione di Lifeseeker. (Crediti dell’immagine: CENTUM)
Simulazioni prima dei prototipi fisici
Il processo di sviluppo inizia con una simulazione approfondita. Il team utilizza MATLAB e Simulink® per modellare il comportamento dei diversi segnali cellulari in vari ambienti. Questo banco di prova virtuale consente loro di individuare tempestivamente eventuali errori di progettazione e di ottimizzare le tecniche di geolocalizzazione prima di passare alle prove sul campo. Uno degli ostacoli tecnici più grandi è stato garantire che il sistema potesse funzionare con qualsiasi telefono.
“Poter simulare prima il nostro sistema ci consente di essere più efficienti. Affrontiamo inizialmente problemi molto incerti dal punto di vista tecnologico e definiamo progressivamente l’ambito di intervento grazie alla simulazione.”
“Ogni generazione cellulare utilizza forme d'onda, protocolli e strutture di segnale differenti”, afferma Sánchez Rama. “Il nostro sistema deve funzionare con tutte le generazioni di comunicazione cellulare perché non sappiamo se una persona scomparsa ha un telefono 2G, 3G, 4G o 5G.”
Inoltre, i provider di telefonia mobile distribuiscono le loro reti in modo diverso in ogni Paese, aggiungendo un ulteriore livello di complessità. Quando CENTUM testò per la prima volta il suo sistema negli Stati Uniti, non funzionò come previsto perché era stato ottimizzato per le reti cellulari europee. La capacità di simulare diverse configurazioni di rete aiuta CENTUM a sviluppare soluzioni che funzionano indipendentemente dalla posizione.
Il team sfrutta più di una dozzina di toolbox specializzati durante lo sviluppo, tra cui Communications Toolbox™, LTE Toolbox™ e 5G Toolbox™ per generare, modificare e decodificare i segnali attraverso le generazioni. Signal Processing Toolbox™ e Radar Toolbox aiutano a ottimizzare i metodi di elaborazione. RF Toolbox™, Antenna Toolbox™ e Phased Array System Toolbox™ emulano gli effetti hardware sulla catena di elaborazione del segnale, il che è fondamentale per comprendere come i fattori fisici influiscono sulle capacità di rilevamento.
Mapping Toolbox™ e Navigation Toolbox™ sono fondamentali per sviluppare algoritmi di geolocalizzazione che individuano con precisione la posizione della persona scomparsa sulla mappa. Le conoscenze e le soluzioni ricavate durante le fasi di simulazione del sistema, che si basano su MATLAB, vengono poi trasferite alla produzione. Il sistema consente ai team di ricerca e soccorso di utilizzare un'interfaccia basata sul web, facilmente gestibile tramite tablet o laptop.
Prima di distribuire gli aggiornamenti a Lifeseeker, il team valida i propri algoritmi in laboratorio utilizzando dispositivi radio definiti dal software. Questi componenti hardware, controllati tramite Communications Toolbox, colmano il divario tra simulazione e prestazioni reali.
La tecnologia Lifeseeker utilizzata su un tablet per aiutare a localizzare una persona. (Crediti dell’immagine: CENTUM)
La simulazione di vari ambienti e protocolli cellulari consente a CENTUM di adattarsi alla costante evoluzione della tecnologia delle telecomunicazioni. I metodi tradizionali richiederebbero di abbozzare le soluzioni su carta, implementarle direttamente nel software, costruire componenti hardware ed eseguire test di volo per ogni iterazione: un approccio notevolmente più costoso e dispendioso in termini di tempo.
“Poter simulare prima il nostro sistema ci consente di essere più efficienti”, afferma Sánchez Rama. “Iniziamo da problemi complessi e poco definiti e utilizziamo la simulazione per restringere progressivamente l’ambito di lavoro.” Il team stima che questo approccio riduca i tempi di progettazione da un terzo alla metà rispetto ai metodi tradizionali.
Quando i test sul campo evidenziano nuove sfide, possono raccogliere i dati delle missioni, analizzare in laboratorio le strutture dei segnali e i problemi di protocollo, e sviluppare soluzioni più solide tramite la simulazione. Questo approccio sistematico li ha aiutati a passare da implementazioni specifiche per singoli Paesi a un sistema più flessibile, in grado di funzionare con diverse reti a livello globale.
“Quanto più è elevata l'incertezza tecnica, tanto più è probabile che si verifichi un fallimento nella prima iterazione del progetto,” afferma Sánchez Rama. “Essere in grado di risolvere i guasti in anticipo e senza dover ricorrere alla prototipazione è fondamentale per un ciclo di vita ingegneristico efficiente.”
Salvataggio di vite in preparazione al futuro
Con oltre 220 missioni completate con successo nell'ultimo anno e molte altre non segnalate a causa delle restrizioni sulla privacy, l'impatto di Lifeseeker ha già aiutato oltre 40 clienti in più di 20 paesi. Una missione con la Rega, il servizio di soccorso aereo in Svizzera e Liechtenstein, dimostra in modo particolare le capacità salvavita del sistema.
“L’intelligenza artificiale sarà fondamentale nel 6G. Ci si aspetta che i sistemi radio siano in grado di apprendere gli uni dagli altri e dall'ambiente circostante.”
Nelle prime ore di una mattina, la Rega ricevette l'allarme per una persona anziana scomparsa con il suo veicolo dal giorno precedente. In collaborazione con la polizia, Rega ha identificato l'ultima torre cellulare a cui si era connesso il telefono della persona, lasciando comunque un'area di ricerca enorme. Alle 3 del mattino l'elicottero Rega è decollato con Lifeseeker a bordo.
Dopo circa 10 minuti, il cellulare dell'autista si è connesso al sistema Lifeseeker. Dopo pochi minuti, i soccorritori hanno localizzato con precisione il telefono: il veicolo era precipitato oltre un terrapieno e si era schiantato nella foresta sottostante. L'impatto aveva intrappolato la persona all'interno, con il telefono fuori dalla sua portata, da qualche parte tra i rottami. Lifeseeker ha permesso loro di trovare i rottami in tempo per trasportare la vittima in ospedale, dove si è ripresa senza problemi.
Mentre CENTUM guarda al futuro, si prepara alla prossima generazione di tecnologia cellulare. Il 6G porterà nuove sfide e opportunità, in particolare attraverso l'integrazione dell'intelligenza artificiale. “L'intelligenza artificiale sarà fondamentale nel 6G”, afferma Sánchez Rama. “Ci si aspetta che i sistemi radio siano in grado di apprendere gli uni dagli altri e dall'ambiente circostante.” Il team prevede di adattare i propri sistemi a questo nuovo paradigma basato sull'intelligenza artificiale utilizzando Deep Learning Toolbox™.
Utilizzo del sistema di localizzazione telefonica aereo per la ricerca e il soccorso. (Crediti del video: CENTUM)
CENTUM sta inoltre esplorando l’integrazione con reti non terrestri, man mano che gli standard cellulari futuri evolvono per unire torri a terra e stazioni satellitari, offrendo potenzialmente una copertura continua tra comunicazioni terrestri e spaziali. Nel frattempo, la tecnologia beamforming, che utilizza array di antenne per controllare elettronicamente la direzione del segnale, offre un'altra promettente strada per migliorare la precisione della localizzazione.
Mentre la tecnologia cellulare continua a evolversi rapidamente, CENTUM continua a concentrarsi sulla sua missione principale: trasformare i normali telefoni cellulari in potenziali salvavita. Il suo approccio allo sviluppo, che bilancia il rapido cambiamento tecnologico con i rigorosi requisiti di sicurezza dell’aviazione, continua a migliorare le capacità di ricerca e soccorso a livello globale—missione dopo missione.
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