Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/Klasifikacija metoda pozicioniranja.pdf · određuje pridružuju se poznate koordinate bazne stanice

Principi

pozicioniranja

u radio sistemima

Klasifikacija metoda pozicioniranja

Podela metoda pozicioniranja

Postoji veliki broj klasifikacija metoda pozicioniranja u radio sistemima.Najčešće i u literaturi najprisutnije su podele:

1.

prema tipu korišćene infrastrukture,

2.

prema načinu određivanja lokacije

i

3.

prema matematičkom pristupu određivanju

lokacije.

Integrisane i samostalne metode pozicioniranja

•

Integrisane

metode pozicioniranja odnose se na pozicioniranje u radio mrežama čija primarna funkcija nije pozicioniranje.

•

Najčešće, ovakve mreže su prvenstveno dizajnirane za komunikaciju, i mogućnost lociranja korisnika predstavlja samo još

jedan novi servis u okviru radio mreža.

•

Tipičan primer ovih mreža su ćelijske mreže poput GSM i UMTS. U njima, postojeće komponente i protokoli dobijaju dodatne funkcije i bivaju modifikovani u skladu sa zahtevima konkretnog LBS servisa.

•

Prednost integrisanih metoda pozicioniranja je u tome što predstavljaju nadogradnju na postojeću infrastrukturu, tako da nije potrebna zasebna mreža koja bi bila namenjena samo pozicioniranju (čime su znatno smanjeni troškovi implementacije).

•

Nedostatak integrisanih metoda je u tome što servis pozicioniranja dodatno opterećuje mrežu. Sva merenja neophodna u postupku pozicioniranja obavljaju se na postojećem radio interfejsu, koji je optimizovan za komunikaciju a ne pozicioniranje, što može negativno uticati na saobraćaj u mreži.


•

Samostalne metode pozicioniranja odnose se na pozicioniranje u okviru infrastruktura koje su potpuno nezavisne od komunikacione

mreže u kojoj je korisnik čija se lokacija određuje.

•

Za razliku od integrisanih infrastruktura, radio interfejs je u ovom slučaju isključivo namenjen za potrebe pozicioniranja.

•

Tipičan primer sistema koji koristi ovaj tip infrastrukture je sistem za globalno pozicioniranje, GPS.

•

Osim GPS, važni predstavnici za ovakvu infrastrukturu su indoor sistemi koji su posebno projektovani za potrebe pozicioniranja u

zatvorenom prostoru, najčešće kancelarijama i aerodromima.


•

Osnovna mana samostalnih metdoa je što zahtevaju da korisnik poseduje posebne mobilne terminale kako bi mu se mogla odrediti lokacija, što poskupljuje implementaciju.

•

Nekada to predstavlja modifikaciju standardnih mobilnih stanica za komunikaciju, ali vrlo često i potpuno specifične uređaje koje korisnik mora posedovati.

•

Takođe, poseban zahtev predstavlja i realizacija mehanizama za razmenu podataka između komunikacione i potpuno nezavisne mreže za pozicioniranje.


Network-based i mobile-based metode pozicioniranja

•

Network-based metode pozicioniranja su metode gde sva neophodna merenja kao i sam proračun lokacije mobilne stanice vrši mreža.

•

Mobile-based metode pozicioniranja su metode gde mobilna stanica vrši sva neophodna merenja i na osnovu njih računa sopstvenu lokaciju.

•

Postoje i hibridna rešenja, kada sva neophodna merenja vrši mobilna stanica, te podatke šalje mreži gde se vrši konačni proračun lokacije mobilne stanice. Ovo rešenje se naziva mobile-assisted-network-based, ili češće samo mobile-assisted.

•

Konačno, postoji i scenario kada sva neophodna merenja vrši mreža, te podatke šalje mobilnoj stanici gde se vrši konačni proračun lokacije. Ovo rešenje se zove network-assisted-mobile-based, ali gotovo da se u praksi ne primenjuje.

•

Treba naglasiti da

network-based

rešenje ne zahteva nikakve promene na postojećim mobilnim stanicama, što je vrlo značajna prednost u odnosu na mobile-based

ili hibridne metode

pozicioniranja.

•

Zbog ove prednosti, bez obzira za koje se rešenje odluče, operatori najčešće ostavljaju bar jednu network-based

metodu kao

alternativno rešenje pozicioniranja u sopstvenoj mreži, kako ne bi izgubili korisnike koji nisu raspoloženi da zbog dodatnog servisa kupuju nove mobilne terminale.

Network-based i mobile-based metode pozicioniranja

Satelitske, ćelijske

i indoor metode pozicioniranje



•

Satelitsko pozicioniranje predstavlja postupak određivanja lokacije korisnika na zemlji koristeći satelitsku infrastrukturu.

•

Najpoznatiji sistemi ovog tipa su američki GPS koji u svakom trenutku raspolaže sa najmenje 24 satelita i ima globalno pokrivanje, ruski GLONASS (Global Navigation Satellite System) i evropski Galileo.

•

Satelitsko pozicioniranje se uvek realizuje kao samostalna infrastruktura i uvek kao mobile-based

rešenje.

•

Nesumnjiva prednost ovog tipa pozicioniranja je globalna dostupnost i visoka tačnost procene lokacije.

•

Najveći nedostaci satelitskih metoda pozicioniranja nastaju kao posledica prirode propogacije satelitskih signala.

•

Naime, ovi signali pokazuju veliku osetljivost na tzv. efekte zaklanjanja (shadowing) i lako bivaju apsorbovani ili reflektovani od strane zgrada, planina...

•

Ovo dalje ima za posledicu da je uslov rada sistema baziranih na

satelitskoj infrastrukturi direktna optička vidljivost između predajnika na satelitu i prijemnika na zemlji. To često nije slučaj, a tipičan primer su indoor

okruženja, ali i outdoor

okruženja sa izraženim efektima urbanizacije.

•

Ozbiljan nedostatak je i relativno velika potrošnja baterije satelitskog prijemnika, što ima za posledicu pojačanu potrošnju mobilnog terminala opremljenog satelitskim prijemnikom.

•

Najzad, svaka intervencija u sistemu koji koristi satelitsku infrastrukturu zahteva prilične investicije.





•

Ćelijsko pozicioniranje odnosi se na uvođenje dodatnih servisa u okviru postojećih ćelijskih sistema, koji se baziraju na poznavanju lokacije korisnika.

•

Obzirom da ovi sistemi podržavaju mobilnost korisnika, na prvi pogled, procedura upravljanja mobilnošću bi se mogla iskoristiti i za potrebe određivanja lokacije korisnika.

•

Ipak, zahtevi koji su nametnuti mobilnim operatorima (E-911, E-112), naročito po pitanju tačnosti, daleko nadmašuju skromne mogućnosti koje bi ovakva procedura omogućila.

•

Zbog toga, mobilni operatori u cilju implementacije LBS servisa,

u okviru svojih mreža moraju uvesti nove protokole, a često i nove hardverske komponente koje bi podržale pozicioniranje zadovoljavajuće tačnosti.



•

Počev od 1996. god. kada se prvi put javila ideja o pozicioniranju korisnika u ćelijskim radio mrežama, razvijen je veliki broj ćelijskih metoda pozicioniranja.

•

Ipak, kako bi zadovoljili zahteve vezane za tačnost, dostupnost, kašnjenje, itd. operatori se uglavnom odlučuju za implementaciju nekoliko metoda pozicioniranja.

•

Za razliku od satelitskog, ćelijsko pozicioniranje se uvek realizuje kao integrisana infrastruktura.

•

Dostupnost je dobra, naročito ako se ima u vidu da servis treba realizovati na nivou jedne države jer je to najčešće zona rada jednog operatora, za razliku od satelitskog koje ima globalno pokrivanje.



•

Takođe, za razliku od satelitskog, ćelijsko pozicioniranje nema ograničenja samo na outdoor

uslove, štaviše, najvećim delom i

funkcioniše u indoor

okruženju.

•

Ipak, jedan od velikih problema ćelijskog pozicioniranja predstavlja mogući negativni uticaj LBS servisa na kapacitet ovih sistema.

•

Naime, LBS servis unosi dodatnu signalizaciju u mreži i, naročito kada se zahteva visoka tačnost, zahteva prilične resurse koji se zbog toga ne mogu koristiti za prenos govora ili podataka, što loše utiče na kapacitet mreže.



•

Indoor pozicioniranje

podrazumeva implementaciju servisa pozicioniranja unutar zatvorenog prostora, npr. unutar velikih poslovnih zgrada, aerodroma, ...

•

Metode namenjene za indoor

pozicioniranje bazirane su na primeni radio, infracrvene ili ultrazvučne tehnologije sa vrlo ograničenim dometom u pogledu komunikacije.

•

Neka rešenja ovog tipa realizovana su kao samostalne infrastrukture, a neka kao integrisane, gde je najčešći slučaj integracija sa WLAN (Wireless Local Area Network) sistemima.



•

Prednosti

indoor

pozicioniranja su mala potrošnja energije mobilnih jedinica i komparativno visoka tačnost zbog kratkog dometa primenjene radio, infracrvene ili ultrazvučne tehnologije.

•

Nedostatak je da su ovi sistemi uglavnom razvijeni kao privatni sistemi, sistemi posebne namene ili za potrebe istraživanja, i još

uvek nisu

standardizovani.

•

Najpoznatije tehnologije koje se mogu iskoristiti za indoor

pozicioniranje su pomenuti WLAN, bluetooth, senzorske mreže, i UWB (Ultra-

Wideband).





Proximity Sensing

Fingerprinting

Proximity Sensing

•

Proximity sensing

metode pozicioniranja baziraju se na identifikaciji najbližeg predajnika poznatih koordinata (referentnih tačaka: bazne stanice, access point-i).

Zovu

ga

i blizinsko

lociranje.

•

Predstavljaju najjednostavnije i najrasprostranjenije metode pozicioniranja.

•

Ideja je zasnovana na činjenici da je zona pokrivanja radio predajnika ograničenog dometa.

•

U terminologiji ćelijskog pozicioniranja, mobilnoj stanici čija se lokacija određuje pridružuju se poznate koordinate bazne stanice koja trenutno opslužuje ciljanu mobilnu stanicu, odnosno, pridružuju joj se koordinate servisne bazne stanice.

•

U terminologiji indoor

WLAN pozicioniranja, mobilnom terminalu se pridružuju poznate koordinate access point-a.

Proximity Sensing

•

Proximity sensing

metoda je dosta popularna u ćelijskim radio sistemima, gde je poznatija pod nazivom Cell-ID (Cell-IDentification) ili CGI (Cell Global Identity).

•

U okviru ćelijskih radio sistema, metode bazirane na Proximity Sensing

principu zahtevaju: –

identifikaciju najbliže referentne tačke (bazne stanice)–

pristup bazi podataka u kojoj se nalaze geografske koordinate svih baznih stanica u mreži.

Proximity Sensing- princip rada -

Proximity Sensing (Cell-ID)

•

Metode bazirane na Proximity Sensing

principu mogu se realizovati i kao network-based

i kao mobile-based

rešenja.

•

Očigledne prednosti ove metode su gotovo nikakve modifikacije u postojećoj infrastrukturi, što rezultira malim troškovima implementacije.

•

Osnovni nedostatak je nedovoljna tačnost, obzirom da direktno zavisi od poluprečnika servisne ćelije, i kreće se između 100m u urbanim zonama do nekoliko desetina kilometara u ruralnim oblastima

(teorijski

do 35km

u GSM).

•

Osim kod ćelijskog, ova metoda prisutna je i kod indoor pozicioniranja. Tu pokazuje bolju tačnost obzirom na manji domet radio, infracrvenih i ultrazvučnih tehnologija koje se primenjuju u indoor

uslovima.

Proximity Sensing

Angulacija

•

Angulacija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice na osnovu poznatih uglova između mobilne stanice i baznih stanica.

•

Da bi se odredili uglovi između mobilne stanice i baznih stanica, neophodno je da bilo mobilne, bilo bazne stanice budu opremljene

specijalnim antenskim sistemima, tzv, antenskim nizovima.

•

Metode zasnovane na angulaciji se mogu realizovati i kao network-based i kao mobile-based

rešenja, ali iz razloga ekonomičnosti i kompleksnosti,

antenski nizovi se obično instaliraju na baznim stanicama, pa su ovo uvek metode network-based

tipa.

Angulacija

•

Osnovni princip rada: –

Bazna stanica meri ugao pod kojim nailazi signal sa mobilne stanice i time ograničava lokaciju mobilne stanice na liniju koja prolazi i kroz mobilnu i kroz baznu stanicu;

–

Ako se uvede još

jedna bazna stanica, definisana je još

jedna linija mogućih lokacija mobilne stanice;

–

Konačna lokacija mobilne stanice nalazi se u preseku ove dve linije.

•

Važna napomena je da se uglovi pod kojim nailaze signali sa mobilne stanice uvek mere u odnosu na istu osu za sve bazne stanice.

Angulacija

•

U zavisnosti od broja baznih stanica, formira se sistem jednačina:

(X1 , Y1)

(x , y)

α1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=xXyY

i

ii arctanα

gde su (Xi

,Yi

) koordinate bazne stanice i, a (x,y) koordinate mobilne stanice, dok je αi

ugao pod kojim signal sa mobilne stanice dolazi do bazne stanice i.

1

Angulacija

•

Glavni problem angulacije je loša rezolucija antenskih nizova, pa procenjeni ugao nailaska signala često predstavlja grubu aproksimaciju stvarnog ugla, naročito ako se radi o većim rastojanjima između mobilne i bazne stanice.

Angulacija

•

Zbog postojanja grešaka, presek pravaca nailaska signala nije tačka već

zona konačne površine. Posledice su da sistem jednačina No1 u najvećem broju slučajeva nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se stoga za njegovo rešavanje primenjuju različite matematičke metode.

•

Ozbiljan problem metoda baziranih na angulaciji je i višestruka propagacija naročito u uslovima kada ne postoji direktna optička vidljivost između mobilne i bazne stanice (NLOS).

•

U tom slučaju, signal sa mobilne stanice trpi višestruke refleksije i do bazne stanice može doći pod bilo kojim uglom.

Angulacija

•

Zbog toga se obično preporučuje da se i angulacija radi bar sa tri bazne stanice, iako su teorijski dovoljne samo dve.

•

Metode pozicioniranja bazirane na angulaciji nazivaju se AOA (Angle of Arrival) metode pozicioniranja.

Lateracija

•

Lateracija je postupak koji se primenjuje u slučaju kada su poznata rastojanja ili razlike rastojanja između mobilne stanice i barem tri bazne stanice.

•

U oba

slučaja dobija se sistem od n

nelinearnih jednačina, gde je n

broj baznih stanica. Rešavanjem ovog sistema dobija se nepoznata lokacija mobilne stanice.

•

Lateracija u slučaju kada je n=3, zove se trilateracija.

•

Lateracija se javlja u 2 oblika:–

cirkularna lateracija: kada su poznata rastojanja između mobilne stanice i baznih stanica

–

hiperbolička lateracija: kada su poznate razlike rastojanja između mobilne stanice i baznih stanica.

•

Inače, rastojanja koja su osnova oba lateraciona metoda se dobijaju merenjem:–

vremena propagacije signala između BS i MS (TOA) –

vremenskih razlika propagacije signala između mobilne i baznih stanica (TDOA) ili

–

merenjem snage signala na prijemu (Rxlev), a zatim procenom rastojanja primenom nekog od propagacionih modela.

Cirkularna lateracija

•

Kao što je rečeno, cirkularna lateracija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice na osnovu poznatih rastojanja između mobilne stanice i barem tri bazne stanice.

•

Neka je ri

poznato rastojanje između mobilne stanice i i-te bazne stanice, gde je i=1, ..., n. Poznata vrednost rastojanja ri

ograničava moguće lokacije mobilne stanice na kružnicu poluprečnika ri

oko i-te bazne stanice.


•

Ako se iskoristi poznato rastojanje između mobilne stanice i druge bazne stanice, lokacija mobilne stanice dodatno se ograničava na dva moguća položaja koja se nalaze u preseku dve kružnice.


•

Konačno, i poslednja neodređenost položaja mobilne stanice otklonjena je uvođenjem treće bazne stanice u proračun.

(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(x , y)r1

r2

(X3 , Y3)

r3

(X1 , Y1)

(x , y)r1


•

Proračun nepoznate lokacije mobilne stanice: –

ako su (Xi

,Yi

) poznate koordinate i-te bazne stanice u Dekartovom koordinatnom sistemu,

–

(x,y) nepoznate koordinate mobilne stanice, –

a rastojanje ri poznato rastojanje (dobijeno merenjem vremena ili snage signala) između i-te bazne stanice i mobilne stanice, rešava se sistem nelinearnih jednačina (i ≥

3):


( ) ( )22 yYxXr iii −+−= 2

•

Kao što je ranije rečeno, rastojanje ri

dobijeno merenjem vremena ili snage signala na prijemu, nije potpuno tačno i sadrži grešku usled nepotpune sinhronizacije i višestruke propagacije.

•

Ovo ima za posledicu da presek tri kružnice iz No2 nije jedna tačka, već

zona čija površina zavisi od stepena tačnosti merenja rastojanja.


•

Takođe, sistem jednačina No2 u najvećem broju slučajeva nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se za njegovo rešavanje primenjuju različite matematičke metode.

•

Metode pozicioniranja bazirane na cirkularnoj lateraciji i proceni rastojanja na osnovu merenja vremena, nazivaju se TOA (Time of Arrival) metode pozicioniranja. Najpoznatiji sistem koji je baziran na ovom principu je GPS

Hiperbolička lateracija

•

Hiperbolička lateracija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice na osnovu poznatih razlika rastojanja između mobilne stanice i barem tri bazne stanice.

•

Neka su ri

i rj

poznata rastojanja između mobilne stanice i i-te bazne stanice i mobilne stanice i j-te bazne stanice, gde je i, j =1, ..., n i i≠j. Poznata vrednost razlike rastojanja ri

-

rj

ograničava moguće lokacije mobilne stanice na hiperbolu u čijoj se žiži nalaze bazne stanice i

i j. Ova hiperbola je definisana skupom tačaka za koje je razlika rastojanja od dve fiksne tačke konstantna.


•

Ako se u sistem uvede i treća bazna stanica, k, i ako je poznata razlika rastojanja ri

-

rk

, gde je rk

rastojanje između mobilne stanice i k-te bazne stanice, lokacija mobilne stanice ograničena je na drugu hiperbolu u čijoj se žiži nalaze bazne stanice i

i k.

•

Najzad, konačna lokacija mobilne stanice nalazi se u preseku ove dve hiperbole.

(X2 , Y2)

r2

(X3 , Y3)

r1

r3

(X1 , Y1)

hiperbola (r1 , r2)

hiperbola (r1 , r3)

(b)

(X1 , Y1) (X2 , Y2)

r1 r2

hiperbola (r1 , r2)


S2


•

Kao i u slučaju cirkularne lateracije, i ovde se formira sistem nelinearnih jednačina od kojih svaka predstavlja razliku rastojanja mobilne stanice u odnosu na par baznih stanica:

( ) ( ) ( ) ( )2222 yYxXyYxXrrd jjiijiij −+−−−+−=−=

gde je dij

razlika rastojanja između:–

mobilne stanice i bazne stanice i,

ri

, i–

mobilne stanice i bazne stanice j, rj

, pri čemu važi i≠j.

3

•

Kao i kod cirkularne lateracije, merenja razlike rastojanja nisu

imuna na greške, pa presek hiperbola nije tačka već

zona konačne površine.

•

Posledice su da sistem jednačina No3

u najvećem broju slučajeva nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se stoga za njegovo rešavanje primenjuju različite matematičke metode.


•

Metode pozicioniranja bazirane na hiperboličkoj lateraciji i proceni rastojanja na osnovu merenja vremenskih razlika, nazivaju se TDOA (Time Difference of Arrival) metode pozicioniranja.

Fingerprinting

•

Metode pozicioniranja zasnovane na principu fingerprinting-a su vrlo popularne kako u ćelijskim sistemima tako i za potrebe pozicioniranja u indoor

uslovima.

•

Osnovna ideja kod metoda baziranih na fingerprinting-u zasniva se na detekciji lokacije mobilne stanice na osnovu propagacionih

karakteristika radio signala koje ta mobilna stanica meri na određenom mestu u mreži.

•

Iako se pod pojmom pozicioniranja primenom fingerprinting-a podrazumevaju različiti algoritmi, u svom izvornom obliku fingerprinting

pozicioniranje se izvodi u dve faze:

1.

Off-line

faza2.

On-line

faza.

•

Prva (off-line)

faza

(pripremna):–

zona od interesa najpre izdeli na manje celine,

–

u svakoj od

zona

se

izvrši merenje parametara od interesa (najčešće snage signala od više baznih stanica koje mobilna stanica “vidi“

sa tog mesta).

•

Vektor vrednosti snage signala baznih stanica koje je mobilna stanica izmerila u poznatoj tački naziva se fingerprint.

•

Ovi vektori i odgovarajuće koordinate na kojima su dobijeni pamte se u bazi podataka operatora.

Fingerprinting

•

Druga

(on-line)

faza:–

Mobilna stanica čija se pozicija određuje, na osnovu standardne procedure merenja snaga signala sa okolnih baznih stanica formira fingerprint

i šalje ka serveru u mreži;

–

Server pokušava da pronađe poklapanje dobijenog fingerprint-a sa nekim formiranim u off-line

fazi i smeštenim u bazi podataka

i na taj način proceni gde se nalazi mobilna stanica.

•

Najčešće korišćeni algoritam u ove svrhe je traženje Euklidskog rastojanja između dobijenog fingerprint-a i svih dostupnih u bazi podataka.

Fingerprinting

•

Neka

je dobijeni fingerprint

(npr. vektor vrednosti snage signala baznih stanica koji

je izmerila

mobilna stanica) na

samoj

lokaciji:

Fingerprinting

[ ]OnO P,...PP 1=

•

Neka

je data baza

podataka

fingerprint-a (formirana

u toku

faza

1) sa

vektorima

snage

signala

baznih

stanica

ali

i koordinatama

lokacija

(M lokacija) na

kojima

su

izmereni

(xm

,ym

):

[ ] ,P,...PP n,DBm,DBmm 1=

•

Mera

razlike između vektora dobijenog na lokaciji i vektora iz baze podataka (Euklidsko rastojanje):

( )∑=

−=−=n

kk,DBmOkmm PPPP

1

222δ

{ }M,...m 1∈

4

5

6

•

Indeks mMS

u bazi podataka koji odgovara lokaciji mobilne stanice dobija se

kao:

Fingerprinting

2

1

2mMmmMS min δδ

≤≤=

dok se nepoznate koordinate mobilne stanice dobijaju kao (xmMS

, ymMS

)

•

Problem u primeni fingerprint

metoda se može desiti u slučaju kada formula No7 da više opcija za mMS

, odnosno više lokacija mobilne stanice za isti vektor (fingerprint) sa lokacije.

•

Ovaj problem se može izbeći pažljivim izborom vektora parametara na osnovu kojih će se procenjivati lokacija mobilne stanice, kao i dovoljnom rezolucijom što merenja izabranog parametra, što samih tačaka u kojima će se prikupljati podaci sa terena i smeštati u bazu podataka (faza 1).

7

prijemnik

Snaga signala Poznate pozicije

pozicija 1pozicija 2

.

.

.pozicija n

snaga signala fingerprint 1snaga signala fingerprint 2

.

.

.snaga signala fingerprint n

algoritam

fingerprint baza podataka

procenjena pozicijasignal

Fingerprinting

•

U ćelijskim sistemima, pozicioniranje bazirano na fingerprinting-u se uglavnom realizuje kao mobile-assisted

varijanta, obzirom da

neophodna merenja vrši mobilna stanica koja izmerene podatke šalje mreži gde se i vrši proračun nepoznate lokacije.

•

Fingerprinting

je često metoda izbora i u indoor

uslovima, gde je najpopularnija primena u kombinaciji sa WLAN.

Fingerprinting

Fingerprinting

Hibridna

rešenja

•

U cilju povećanja tačnosti postupka pozicioniranja, česte su kombinacije metoda koje na različite načine određuju nepoznatu lokaciju mobilne stanice.

•

Iako su teorijski sve kombinacije moguće, u praksi su u većem obimu zaživele samo dve: –

hibrid identifikacije najbližeg predajnika (proximity sensing) i podatka o rastojanju i/ili uglu i

–

hibrid lateracije i angulacije.

•

Prva kombinacija (proximity sensing

i rastojanje) posebno je popularna u ćelijskim radio mrežama.

•

Najčešći je slučaj kombinacije identifikacije najbližeg predajnika, tj. servisne bazne stanice, i rastojanja između mobilne i servisne bazne stanice.

•

Rastojanje između mobilne i servisne bazne stanice procenjuje se

na osnovu parametra koji se u ćelijskim sistemima koristi za sinhronizaciju, i izvorno nema nikakve veze sa pozicioniranjem.

•

Ovaj parametar bazna stanica određuje merenjem vremena za koje signal pređe put od servisne bazne stanice do mobilne i nazad (round trip time), i na osnovu njega procenjuje rastojanje između mobilne i servisne bazne stanice.

•

Primeri ovih parametara su: TA (timing advance) u GSM i RTT (round trip time) u UMTS.

Hibridna

rešenja

Hibridna

rešenja

•

Dakle, koristeći dodatne parametre (TA, RTT) pozicija mobilne stanice dodatno je ograničena na kružni prsten ili na deo kružnog prstena oko servisne bazne stanice.

•

Debljina ovog prstena određena je rezolucijom round trip time

parametra iz kojeg se i procenjuje nepoznato rastojanje.

•

Ako je bazna stanica dodatno opremljena i antenskim nizom, moguće je dalje ograničiti lokaciju mobilne stanice

(X1 , Y1) (X1 , Y1)

a ) proximity sensing i rastojanje

b ) proximity sensing, rastojanje i ugao

bazna stanicamobilna stanicareferentni signal

(X1 , Y1)

Hibridna

rešenja

•

Ipak, sve ove kombinacije pokazuju manju tačnost od metoda zasnovanih na lateraciji i angulaciji.

•

Sa druge strane, ukoliko je geometrija baznih stanica koje učestvuju u merenju neophodnih parametara loša, kao što je slučaj na autoputu, lateracija i angulacija ponaosob pokazuju loše rezultate.

•

U tom slučaju pribegava se kombinaciji lateracije i angulacije.

•

Procena lokacije korisnika u radio sistemima, u opštem slučaju zasniva se na merenju rastojanja i/ili merenju ugla.

•

Kao referentne tačke u sistemu koriste se bazne stanice čije su koordinate poznate.

•

Gotovo svi parametri propagacije signala koji se mogu koristiti za određivanje rastojanja pokazuju osetljivost na višestruku propagaciju, odnosno NLOS uslove prostiranja.

•

Sem toga, sva merenja koja se vrše u cilju procene rastojanja poseduju određeni stepen neodređenosti, i neke od tih neodređenosti moguće je opisati jedino probabilističkim modelima.

Determinističke i probabilističke metode pozicioniranja

Determinističke metode pozicioniranja

•

Bez obzira na probabilističku prirodu ulaznih podataka, veliki broj metoda pozicioniranja bazira se na primeni determinističkih lateracionih i/ili angulacionih algoritama.

•

Dakle, u

determinističkim metodama, problem pozicioniranja se obično modeluje kao problem rešavanja preseka skupa kružnica ili hiperbola, gde su procene o rastojanjima dobijene merenjem vremena (TOA) ili vremenskih razlika propagacije signala (TDOA).

•

Stoga, najveći zadatak u primeni determinističkih metoda je da se nađe dobar algoritam za rešavanje sistema nelinearnih jednačina.


Deterministički pristup


•

Predstavnici

determinističkog pristupa: angulacioni i lateracioni algoritmi.

•

Kada su u pitanju deterministički algoritmi, čest problem predstavlja osetljivost na tačnost ulaznih podataka, što može dovesti do pojave višestrukih rešenja ili čak izostanka bilo kakvog rešenja, tj. nemogućnosti procene lokacije mobilne stanice.

•

Još

jedan od problema u primeni determinističkih metoda predstavlja pojava viška ulaznih podataka što za posledicu može imati nekonzistentna rešenja procene lokacije mobilne stanice.

nekonzistencija: kružnice se ne seku!

višestruka rešenja!

•

Za razliku od determinističkih, probabilističke metode pozicioniranja baziraju se na probabilističkim modelima kojima se opisuje zavisnost karakteristika signala koje prima mobilna stanica od lokacije mobilne stanice.

•

Probabilistički algoritmi tretiraju ulazne podatke o lokaciji mobilne stanice kao prostorne funkcije gustine verovatnoće, i združuju ih u cilju poboljšanja procene lokacije mobilne stanice.

Probabilističke metode pozicioniranja


(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(X3 , Y3)

gre ška rastojanja

Probabilistički pristup


•

Primer: nivo signala na prijemu, probabilistički pristup:

( ) ( )n

RR dddPdP ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= 0

0

Xi Yi

d1

d2

d

21 drd ≤≤

( ) ( )22ii YyXxr −+−=

Funkcija gustine verovatnoće (~

Unif) :

( ) ( )⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧ ≤≤

−=drugde,

drdza,ddy,xpi

0

1212

122π

(Xi

,Yi

): koordinate izvora (bazne stanice) i(x,y): nepoznate koordinate mobilne stanice

8

9

10

11

•

U opštem slučaju, na raspolaganju je n međusobno nezavisnih izvora informacija o lokaciji mobilne stanice, i neka je svaki od njih opisan svojom funkcijom gustine verovatnoće pi

(x,y) za i=1, ...n.

•

Svaka od funkcija gustine verovatnoće sadrži informaciju o verovatnoći da se mobilna stanica nalazi u zoni prostora ograničenoj sa x1

<x<x2

, y1

<y<y2

:


( ) ( )∫ ∫=<<<<2

1

2

1

,, 2121

y

y

x

xi dydxyxpyyyxxxP

•

Svaka funkcija gustine verovatnoće mora zadovoljavati kriterijum normalizacije:

( ) 1, =∫ ∫+∞

∞−

+∞

∞−

dydxyxpi

12

13

•

Funkcija gustine verovatnoće koja obezbeđuje kompletnu informaciju

o lokaciji mobilne stanice je dvodimenzionalna prostorna Dirac-ova funkcija, obzirom da ona pokazuje da je mobilna stanica locirana tačno

na koordinati (x0

,y0

):


( ) ( )00 ,, yyxxyxpDI −−= δ

•

Sa druge strane, najmanju informaciju o lokaciji mobilne stanice obezbeđuje uniformna raspodela. U slučaju kada se mobilna stanica nalazi u ograničenom delu prostora, tj. u oblasti površine A, funkcija gustine verovatnoće uniformne raspodele unutar te oblasti je:

( )A

yxpUD1, =

•

Uniformna raspodela: “mobilna stanica je negde unutar zone površine A!”.•

Dirac-ova raspodela: “mobilna stanica je tačno

na lokaciji (x0

,y0

)!”

14

15

•

Osnovna ideja probabilističkog pristupa je združivanje funkcija gustine verovatnoće dobijenih iz različitih izvora informacija, u cilju dobijanja što je moguće tačnije informacije o lokaciji mobilne stanice.

•

Logično, krajnji cilj bi bio funkcija gustine verovatnoće koja bi bila dvodimenzionalna prostorna Dirac-ova funkcija –

znali bismo tačno gde je mobilna stanica!

•

U slučaju da na raspolaganju imamo 2 dostupna izvora informacija poznatih funkcija gustine verovatnoće pi

(x,y) i

pj

(x,y), združena funkcija gustine verovatnoće pij

(x,y)

dobija se kao:


( ) ( ) ( )

( ) ( )∫ ∫∞+

∞−

∞+

∞−

=dydxyxpyxp

yxpyxpyxp

ji

jiij

,,

,,,

16

•

Rezultat No16 se može generalizovati na skup od n

dostupnih izvora informacija, gde se dobija:

( )( )

( )∫ ∫∏

∏∞+

∞−

∞+

∞− =

==dydxyxp

yxpyxp

n

ii

n

ii

1

1

,

,,


•

Odgovor na zahtev o lokaciji mobilne stanice

primenom probabilističkog pristupa

predstavljaju koordinate x0

i y0

koje su najbliže stvarnim koordinatama ciljane mobilne stanice. U teoriji verovatnoće,

x0

i y0

predstavljaju matematičko očekivanje dvodimenzionalne slučajne promenljive (x,y)

čija je funkcija gustine verovatnoće p(x,y):

( )∫ ∫+∞

∞−

+∞

∞−

= dydxy,xpxx0 ( )∫ ∫+∞

∞−

+∞

∞−

= dydxy,xpyy0

17

18 19

Hvala na pažnji!

Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/Klasifikacija metoda pozicioniranja.pdf · određuje pridružuju se poznate koordinate bazne stanice

Documents