63
Principi pozicioniranja u radio sistemima 8 Doc. dr Mirjana Simić

LTE i WLAN Pozicioniranje

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: LTE i WLAN Pozicioniranje

Principi pozicioniranja u radio sistemima8

Doc. dr Mirjana Simić

Page 2: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE pozicioniranje

Page 3: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE pozicioniranje

Procena je da danas (podatak sa početka 2012. god) postoji oko 5.8 milijardi mobilnih pretplatnika u svetu.

Udeo LTE korisnika u ovom broju svakodnevno raste, tako da npr. u SAD njihov broj premašuje 50% od svih mobilnih korisnika.

Pojava LTE sistema daje novi fokus E911 i komercijalnim LBS servisima u okviru 4G mreža, dok istovremeno omogućava postepeni prelaz između LTE i

2G/3G servisa pozicioniranja.

Page 4: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE LCS arhitektura•

LTE LCS mreža podržava i user plane

(U-plane, gde je tok podataka na slici označeno plavom bojom) i control plane

(C-plane, gde je tok podataka na slici označeno crvenom bojom) tip LCS arhitekture.

Page 5: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE LCS arhitektura

Pistupna mreža u LTE (RAN -

radio access network), Evolved-UTRAN (E-UTRAN): sastoji se samo od eNodeB. LMU komponente se po potrebi mogu instalirati, ali ne kao posebne komponente već

su

integrisane u eNodeB.

Core

mreža u LTE:–

MME (Mobility Management Entity)

S-GW (Serving GateWay)–

P-GW (Packet Data Network GateWay)

SLP (SUPL (Secure User Plane Location) Location Platform): koristi se u U-plane LCS opciji

E-SMLC (Evolved Serving Mobile Location Center): koristi se u C- plane LCS opciji

GMLC

(Gateway Mobile Location Center)

Page 6: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE LCS arhitektura protokoli

Razmena LCS informacija između UE

(MS)

i LTE mreže omogućena je uvođenjem dva protokola: 1.

novog LTE protokola za pozicioniranje, tj. LPP protokola (LTE Positioning Protocol), namenjen prvenstveno za C-plane, ali se po potrebi koristi i u U-plane LCS opciji (plava boja sa slike)

2.

SUPL

(Secure User Plane Location) protokola (namenjen U-plane LCS opciji, postojao i u 2G/3G LCS mrežama u okviru U-plane opcije) (crvena boja sa slike)

Osnovne funkcije LPP LPP protokola su:–

da obezbedi informacije za E-SMLC o LCS mogućnostima UE (npr. koje metode podržava mobilni terminal)

da prenese pomoćne podatke od E-SMLC do UE (za metode pozicioniranja koje to zahtevaju, npr. OTDOA)

da obezbedi E-SMLC rezultatima merenja koje vrši UE (u slučaju npr. mobile-

assisted

ili network-assisted

metoda)–

da obaveštava o greškama u toku postupka pozicioniranja.

Postoji i LPPaLPPa

varijanta LPP protokola (slika) koja se koristi u slučaju kada E-SMLC zahteva podatke sa eNodeB (npr. za merenje timing advance

parametra koji se, kao što će biti reči, koristi za pozicioniranje i u LTE, ...)

Page 7: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE LCS arhitektura C-plane pozicioniranje

U LTE mrežama

C-plane LCS arhitektura se u najvećoj meri koristi za hitne servise (E-911, E-112).

Ovu vrstu LCS arhitekture omogućava novi LPP protokol, a LCS poruke se između terminala (UE) i mreže razmenjuju preko signalizacionih veza.

U LTE mrežama, C-plane pozicioniranje je omogućeno preko MME elementa, koji rutira LPP poruke od E-SMLC ka UE (plave linije na slici sa slajda 4).

C-plane pozicioniranje je brzo, pouzdano i sigurno.

Page 8: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE LCS arhitektura U-plane pozicioniranje

U U-plane vrsti LCS arhitekture, LCS poruke se između terminala (UE) i mreže razmenjuju kao korisnički podaci.

Ovu vrstu LCS arhitekture omogućava SUPL protokol. On podržava pozicioniranje preko LTE kao i 2G i 3G mreža, i obezbeđuje zajedničku platformu za sve radio interfejse.

U-plane pozicioniranje osim SUPL protokola, može korstiti i LPP protokol (koji je C-

plane protokol), što je npr. slučaj sa prenosom pomoćnih podataka za metode pozicioniranja koje to zahtevaju (npr. OTDOA).

U LTE mrežama, U-plane pozicioniranje je omogućeno preko SLP elementa koji prenosi SUPL poruke, dok je istovremeno u vezi i sa E-SMLC od kojeg dobija pomoćne podatke.

SUPL poruke se kao korisnički podaci rutiraju preko P-GW i S-GW elemenata core mreže LTE (crvene linije na slici sa slajda 4).

Page 9: LTE i WLAN Pozicioniranje

LTE LCS arhitektura U-plane pozicioniranje

U-plane pozicioniranje omogućava složeni skup LCS karakteristika bitnih za mobilne aplikacije kao što su prostorno trigerovanje (spatial triggering), periodično izveštavanje o lokaciji (periodic reporting), kao i grupno izveštavanje.

Takođe, ovaj vid pozicioniranja omogućava i automatsko prebacivanje LCS funkcije sa ćelijskih mreža na WiFi (WLAN) mreže kada npr. korisnik iz outdoor uslova uđe u neki objekat (indoor uslove) –

tzv. opcija multi-location tehnologije.

Page 10: LTE i WLAN Pozicioniranje

U LTE standardizovane su tri/četiri metode pozicioniranja (Release 9, 2009. god):

1.

Enhanced Cell-ID (E-CID)2. OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival)3. A-GNSS (Assisted Global Navigation Satellite System).

4. U-TDOA (Uplink Time Difference Of Arrival), standardizovana je počev od Release 11 (kraj 2011. god).

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE

Page 11: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE E-CID

E-CID metoda pozicioniranja

bazira se na blizinskom lociranju, tj. Cell- ID metodi (kao i u svim sistemima do sada, poziciji terminala MS,

prodružuje se pozicija najbliže bazne stanice).

Obzirom na nedovoljnu tačnost Cell-ID metode koja zavisi od veličine ćelije, u LTE je standardizovana verzija koja koristi dodatne parametre u cilju povećanja tačnosti izvorne Cell-ID metode. Ta naprednija verzija Cell-ID u LTE zove se Enhanced Cell-ID tj, E-CID.

Dodatni parametri koji se u LTE mreži koriste u cilju povećanja tačnosti Cell-ID metode su:1. RTT (Round Trip Time, tj. Timing Advance)2. AOA (Angle Of Arrival)

Page 12: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE E-CID

RTT parametar je povratno vreme propagacije signala između UE i eNodeB i dobija se na osnovu merenja Timing Advance

(TA) parametra.

U LTE mrežama, postoje dve vrste TA parametra:1.

TA tip 12.

TA tip 2

TA tip 1

je vreme definisano kao zbir vremenske razlike prijema-slanja signala na baznoj stanici, eNodeB (povratno vreme propagacije signala od

BS ka MS, dakle BS-MS-BS) i vremenske razlike prijema-slanja signala na terminalu, UE (povratno vreme propagacije signala od MS ka BS, dakle MS-BS-MS) (Ovo je donekle slično povećanju tačnosti merenja RTT u UMTS kada se uvodi parametar UE Rx-Tx time difference)

TA tip 2

se definiše standardno, tj. kao vremenska razlika prijema-slanja signala na baznoj stanici (round trip time

od BS ka MS, tj. BS-MS-BS).

Page 13: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE E-CID

Tačnost merenja parametra TA tip 1 u LTE iznosi oko 0.3μs, što odgovara rastojanju od 45m, dok tačnost merenja parametra TA tip 2 u LTE iznosi oko 1-

2μs, što odgovara rastojanju od oko min. 300m, što znači da se veća tačnost postiže primenom TA tip 1.

Kao što je rečeno, osim RTT, za povećanje tačnosti Cell-ID u LTE se koristi i parametar

AOA. LTE je prvi od ćelijskih sistema koji koristi ugao prispeća signala za povećanje tačnosti pozicioniranja, a što je omogućeno primenom antenskih nizova na strani eNodeB u LTE mrežama.

Time je omogućna dobra rezolucija merenja ugla prispeća signala od MS ka eNodeB, a time i tačnije pozicioniranje.

Merenja AOA parametra se vrše isključivo na uplinku, obzirom da su antenski nizovi instalirani na strani eNodeBs.

Page 14: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE E-CID

Princip merenja AOA parametra zasniva se na tome da je signal koji dolazi sa MS fazno pomeren za neku vrednost između sukcesivnih antenskih elemenata.

Stepen tog faznog pomeraja zavisi od ugla prispeća signala AOA, razmaka između antenskih elemenata kao i radne učestanosti.

Merenjem faznog pomeraja a znajući karakteristike antenskih sistema baznih stanica kao i radnu učestanost, moguće je dobiti paramnetar AOA.

AOA parametar se obično meri na uplink LTE signalu na kanalu koji eNodeB koristi za procenu propagacionih uslova na uplink

smeru za svakog korisnika kako bi sprovela optimalni uplink scheduling (raspodela raspoloživih fizičkih resursa u cilju maksimizacije ukupnog kapaciteta u mreži). Ova vrsta signala u LTE poznata je kao Sounding Reference

Signals

(SRS).

Page 15: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE E-CID

Primenom parametara RTT i AOA, tačnost Cell-ID se može povećati, tako da E-

CID metoda ima tačnost između 50m -

150m.

Ovo je alternativna metoda pozicioniranja u LTE kada one tačnije, iz nekog razloga, ne mogu dati rezultat.

ECID

Page 16: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE OTDOA

OTDOA metoda pozicioniranja u LTE je slična kao istoimena metode u UMTS ili E-OTD u GSM.

Kao i ove metode, OTDOA u LTE se bazira na: –

merenjima na downlinku;

merenju vremenskih razlika prispeća signala sa eNodeBs do UE (MS);

primeni postupka hiperboličke lateracije u cilju proračuna nepoznate lokacije MS.

U slučaju GSM E-OTD merenja vrši na BCCH kanalima, u UMTS OTDOA vrši merenja na pilot signalima, dok u LTE OTDOA merenja vrše na tzv. cell Reference Signals (RS) (ćelijski referentni signali).

Page 17: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE OTDOA

U OTDOA u LTE se dakle mere vremenske razlike prispeća RS signala od nekoliko baznih stanica (eNodeBs) do UE. To su tzv. Reference Signal Time Difference

(RSTD) vremenske razlike, gde se zatim kada se one izmere standardno primenjuje hiperbolička lateracija.

Tačnost merenja RSTD vremena iznosi oko 160ns što je ekvivalentno rastojanju od oko 48m.

Page 18: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE OTDOA

Kao i u slučaju OTDOA u UMTS, i OTDOA metoda pozicioniranja “pati”

od problema hearability, koji kao što je poznato može dovesti do toga da usled dominacije jedne bazne stanice (eNodeB) bude onemogućen prijem RS signala sa ostalih eNodeBs neophodnih za lateraciju (hearability

problem smo zvali problemom “blizu-daleko”

na downlinku).

U OTDOA u UMTS ovaj problem je rešavan na više načina (npr. prekidima transmisije baznih stanica –

IPDL (OTDOA-IPDL), ubacivanjem novih elemenata –

PE (positioning elements) OTDOA-PE, ...)

U OTDOA u LTE se za rešavanje ovog problema uvode specijalni signali namenjeni isključivo za potrebe pozicioniranja. To su tzv. Positioning Reference Signals (PRS) (referentni signali za pozicioniranje).

Primetimo da je ovo prva pojava signala namenjenih samo za pozicioniranje, koja nije postojala u sistemima pominjanim do sada (GSM, UMTS).

Page 19: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE OTDOA

PRS signali se periodično emituju zajedno sa RS signalima u grupama uzastopnih downlink

podfrejmova. Učestanost emitovanja mora biti dovoljno velika kako bi se izvršila neophodna merenja vremena.

Povećanje hearability referentnih tačaka (eNodeBs) usled ubacivanja PRS signala

Umetanje PRS signala uResource block

u LTE

Page 20: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE OTDOA

Ova metoda može takođe zahtevati da UE mora imati informaciju u kojim podfrejmovima su PRS signali kako bi znala kada da ih očekuje a u cilju neophodnih merenja vremena.

To su tzv. pomoćni podaci koji se dostavljaju UE u OTDOA metodi.

Red veličine tačnosti pozicioniranja OTDOA u LTE sa 4 referntne tačke (eNodeBs);

U svakom od scenarija u 90% slučajeva greška je manja od 150m, a u 67% ispod 100m.

Page 21: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE A-GNSS i U-TDOA

A-GNSS u LTE ima iste karakteristike kao i istoimena metoda u GSM i UMTS obzirom da koriste satelitsku infratsukturu i imaju isti princip

rada.

Što se tiče U-TDOA performanse su slične kao kod istoimene metode u UMTS, stim što se merenja vrše takođe na uplinku

ali se kao signali čija se vremena prispeća od UE do eNodeBs mere koriste već

pominjani Sounding reference signals

(SRS).

I U-TDOA se mogu koristiti LMU jedinice za potrebe sinhronizacije, i

one su u slučaju LTE mreža gotovo uvek integrisane u okviru eNodeBs (troškovi znatno smanjeni).

Page 22: LTE i WLAN Pozicioniranje

Standardizovane metode pozicioniranja u LTE hibridna metoda

Konačno, postoji ideja o integraciji svih downlink

metoda pozicioniranja u LTE u hibridnu metodu: E-CID+OTDOA+A-GNSS.

Smatra se da bi ovakva metoda omogućila najveću tačnost pozicioniranja u svim vrstama okruženja i u potpunosti zadovoljiti FCC E911 zahteve!

hibridno pozicioniranje u LTE:E-CID+OTDOA+A-GPS

Page 23: LTE i WLAN Pozicioniranje

LCS Evolucija Multi-RAT pozicioniranje

Kao što se moglo videti, evolucija različitih RAT (Radio Access Technology) tehnologija tokom godina (GSM, UMTS, LTE) imala je za posledicu i različite LCS arhitekture pripadajuće i standarde.

Veći broj različitih LCS standarda generalno predstavlja problem što je dovelo do ideje o tzv. multi-RAT rešenjima pozicioniranja.

U današnjim ćelijskim sistemima, servisna RAT tehnologija diktira koje metode pozicioniranja su na raspolaganju korisniku.

To znači da bi mogao koristiti metode pozicioniranja druge RAT, korisnik bi najpre morao da se “prebaci”

na tu drugu tehnologiju.

Page 24: LTE i WLAN Pozicioniranje

LCS Evolucija Multi-RAT pozicioniranje

Imajući u vidu sadašnji trend harmonizacije standarda od strane 3GPP, kao što je tzv. multi-standard radio (MSR), neizbežna je i integracija funkcionalnosti pozicioniranja, tj. multi-RAT pozicioniranje.

U takvom multi-RAT sistemu za pozicioniranje, element pozicioniranja (tzv. positioning node) mora imati sposobnost operativnosti sa različitim RAT tehnologijama kao i mogućnost izbora optimalne metode pozicioniranja, U-plane ili C-plane varijante,....

Takođe, element pozicioniranja mora imati mogućnost merenja kako unutar jedne tako i između različitih tehnologija, a u cilju postizanja optimalnog kvaliteta servisa (QoS).

U takvom sistemu, integracija i harmonizacija standarda će smanjiti i broj elemenata LCS mreže a istovremeno omogućiti maksimalnu kompatibilnost.

Ovo će posledično omogućiti ekonomičnija i efikasnija rešenja pozicioniranja, fleksibilniji razvoj standarda i lakši razvoj i migraciju mreže.

Page 25: LTE i WLAN Pozicioniranje

LCS Evolucija Multi-RAT pozicioniranje

Multi-RAT arhitektura pozicioniranja

Page 26: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje

Page 27: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje

Poznavanje

informacije

o lokaciji

korisnika

u radio mrežama

gde

se podrazumeva

mobilnost

korisnika

upotpunila

je cilj

o dostupnosti

servisa

ne samo

u pravom

trenutku

već

i na

pravom

mestu.

Veliki broj aplikacija u radio mrežama na osnovu poznate informacije o lokaciji korisnika u outdoor uslovima inicirao je ideju o određivanju lokacije korisnika i u unutrašnjosti objekata, u indoor

uslovima.

Iako se pod indoor pozicioniranjem podrazumeva pozicioniranje u raznim short-range

tehnologijama kao što su:–

bluetooth, –

RFID (Radio Frequency IDentification), –

infracrvene (IrDA —

Infrared Data Association) i –

ultrazvučne tehnologije, ova vrsta pozicioniranja najčešće se odnosi na pozicioniranje u bežičnim lokalnim mrežama (WLAN).

Page 28: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

WLAN sistem

je specificiran

od

strane

IEEE kao

802.11 serija, i dostupan

je u više varijanti.

WLAN instalacija unutra zgrade u osnovi je ćelijska mreža koja se sastoji od nekoliko ćelija, gde svaku opslužuje po 1 bazna stanica.

U 802.11 terminologiji: –

bazna stanica se zove access point (AP), dok se –

zona pokrivanja jednog AP naziva se osnovna servisna zona (Basic Service Area, BSA) a

skup svih terminala koje opslužuje AP zove se osnovni servisni skup (Basic Service Set, BSS).

Nekoliko BSS može biti povezano (preko žičane infrastrukture) tako da formira tzv. prošireni servisni skup (Extended Service Set, ESS)

Page 29: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Opisana infrastruktura sa BSS i ESS predstavlja tzv. infrastrukturni mod IEEE 802.11.

Takođe, postoji i mod IEEE 802.11 u kojem je moguća i direktna veza između terminala (bez ikakve posredne infrastrukture, tj. AP), što je poznato kao ad hoc mod.

Za pozicioniranje u WLAN mrežama od interesa je samo infrastrukturni mod IEEE 802.11 tako da se priča u nastavku odnosi samo na ovaj WLAN mod –

infrastrukturni mod (jer su AP referentne tačke!).

infrastrukturni mod ad hoc mod

referentna tačka

Page 30: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Kao što je rešeno za outdoor pozicioniranje, i za bilo koji tip indoor

tehnologije, pa tako i WLAN, postoje četiri parametra

signala koji se mogu koristiti u postupku pozicioniranja.

To su: 1.

nivo signala na prijemu, Rxlev, u terminilogiji indoor

pozicioniranja često označavan kao

RSS (Received Signal Strength),

2.

vreme prispeća signala, TOA (Time Of Arrival), 3.

vremenska razlika prispeća signala, TDOA (Time Difference Of Arrival) i

4.

ugao prispeća signala, AOA (Angle Of Arrival).

Page 31: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Parametar AOA je vrlo osetljiv na NLOS uslove prostiranja i višestruku propagaciju, koje upravo odlikuju indoor

okruženje, a zahteva i prilične hardverske modifikacije na predajniku/prijemniku, pa stoga nije pogodan za indoor

pozicioniranje.

Vreme kao parametar (bilo TOA ili TDOA) je generalno vrlo pouzdano za pozicioniranje, ali, kao i AOA, nije pogodan za indoor

uslove.

Razlozi su drugačiji nego u slučaju AOA: –

glavni problem predstavlja zahtev za vrlo velikom rezolucijom merenja vremena, što je posledica propagacije brzinom svetlosti na malim rastojanjima (unutrašnjost objekata);

dodatno, sinhronizacija koje zahtevaju metode bazirane na vremenu je vrlo teško ostvarivo u WLAN mreži.

Page 32: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Jedini preostali parametar na raspolaganju je nivo signala na prijemu, RSS, koji zahteva procenu signala na određenom rastojanju od predajnika, odnosno, modelovanje propagacije.

Prostiranje signala u indoor

okruženju je izuzetno složen proces, pa samo modelovanje propagacije zahteva veliki broj ulaznih parametara.

Veliki uticaj na propagaciju signala ima sam tip zgrade, konstruktivna infrastruktura, debljina zidova, raspored prozora i površina prostorija.

Čak ni poznavanje svih ovih parametara ne može garantovati dobru procenu signala u zatvorenom prostoru, jer i brojnost i položaj ljudi koji se kreću unutar zgrade takođe utiču na varijaciju signala.

Ipak, bez obzira na brojne nedostatke, parametar RSS

je najčešći izbor za pozicioniranje u indoor

uslovima, uglavnom zbog nepostojanja alternative.

Page 33: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Procene RSS parametra u WLAN zasnivaju se na merenjima na tzv. beacon

signalima, koji se broadcast-uju bilo na uplinku

bilo na

downlinku (tj.

bilo da ih emituje AP ili terminal).

Nakon prijema beacona, prijemnik meri nivo signala, tj. parametar RSS, i čini ga dostupnim na nivou korisničkih aplikacija, što je inače standardna karakteristika većine WLAN opreme.

Za merenja na uplinku,

mobilni terminali moraju generisati ove beacon signale, koje primaju svi AP koji su u dometu. Ovo je varijanta network-

based

WLAN pozicioniranja.

Page 34: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Za merenja na downlinku, koristi se standardna karakteristika WLAN-a poznata kao pasivno skeniranje (passive scanning).

U tom slučaju, mobilni terminali kontinualno vrše pasivno skeniranje

u cilju detekcije najbližih AP i selekcije najboljeg za transmisiju.

U tom cilju, svaki AP periodično emituje beacon signale, koji sadrže nekoliko parametara kao što su vreme, podržani protok podataka, i AP identifikator ćelije, tzv. Basic Service Set Identifier

(BSSI) –

identifikator osnovnog servisnog skupa.

Vremenski interval između dva beacona

može se dinamički podešavati i obično se kreće u opsegu između nekoliko desetina do nekoliko stotina milisekundi.

Page 35: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Terminal neprekidno „osluškuje“

moguće kanale za prijem beacon

signala sa najbližih AP i pri tome beleži njihove parametre kao i izmerenu vrednost parametra RSS.

Zatim selektuje AP sa najboljim kvalitetom signala (RSS) za svoju transmisiju. Ovaj postupak je inače veoma sličan procesu selekcije najpogodnije bazne stanice/ćelije (cell selection) od strane mobilnog terminala u GSM.

Ukoliko se desi da terminal tokom pasivnog skeniranja u toku nekog određenog vremenskog perioda ne prima beacon

signale (npr. ako je konfigurisani vremenski interval suviše dug), on šalje tzv. probni zahtev (probe request) na koji svi AP koji su u dometu odgovaraju slanjem beacon

signala. Ovo je poznato kao aktivno skeniranje (active scanning).

U svakom slučaju, bilo pasivno ili aktivno, ova dva moda rada predstavljaju osnovu za realizaciju terminal-based

ili terminal-assisted

pozicioniranja u WLAN.

Page 36: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN

Nakon pribavljanja podataka o parametru RSS, primenjuje se neka od sledećih tehnika pozicioniranja:

1. Blizinsko lociranje (Proximity sensing), poznatije i kao Cell- ID

(u WLAN bi to bilo AP-ID).

2. Lateracione metode (cirkularna

ili

hiperbolička)

3. Fingerprinting

Page 37: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, Cell-ID

Cell-ID (AP-ID) je najjednostavnija tehnika pozicioniranja koja se zasniva na tome da se nepoznatoj lokaciji korisnika/terminala dodeljuje lokacija AP sa najboljim kvalitetom signala (najveća vrednost parametra RSS).

Kao i su slučaju ćelijskih sistema, ova metoda ima lošu tačnost ali je najjednostavnija za implementaciju.

U slučaju Cell-ID u WLAN postoji i varijanta da se identifikatori AP (BSSI) mapiraju u brojeve soba iznad kojih se nalaze, ili, u naprednijoj verziji, AP mogu i broadcastovati brojeve soba iznad kojih su postavljeni (slično kao što se u ćelijskim sistemima mogu broadcastovati

koordinate

baznih stanica).

Page 38: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, Cell-ID

Tačnost Cell-ID u WLAN je od nekoliko desetina do nekoliko stotina metara, u zavisnosti od jačine signala na predaji kao i gustine AP u samoj zgradi (objektu).

U najgorem slučaju, ova metoda može samo detektovati da li je neka osoba/terminal prisutna u zgradi, ili npr. u nekom delu zgrade.

Ukoliko zgrada ima više spratova, Cell-ID ne bi mogla razlikovati na kojem je spratu određeni terminal.

U najboljem slučaju, tačnost Cell-ID zavisi od broja AP (tzv. granularnosti) na način da maksimalna greška pozicioniranja iznosi oko polovine rastojanja između AP-a.

Page 39: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, lateracije

Lateracione metode: u ovom slučaju pozicija terminala dobija se rešavanjem lateracionih algoritama (cirkularna i hiperbolička), gde se nepoznata rastojanja ili razlike rastojanja dobijaju na osnovu merenog parametra RSS i primenom nekog modela propagacije u indoor uslovima.

U ovom slučaju najpre je potrebno odrediti tačnu lokaciju referentnih tačaka, što se često radi

na osnovu plana zgrade i prebacicanjem u Dekartov sistem.

ETF

Page 40: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, lateracije

U poređenju sa lateracionim metodama u ćelijskim sistemima (tj. sa outdoor pozicioniranjem), lateracione metode u indoor uslovima generalno imaju problem sa višestrukom propagacijom i NLOS propagacijom, koja je u ovakvom okruženju dosta izražena.

Signali od predajnika ka prijemniku u indoor

uslovima izloženi su višestrukim refleksijama i rajesanju kako na zidovima tako i na podu, pa je signal na prijemu vrlo teško predikovati.

Samim tim, teško je i proceniti potrebna rastojanja ili razlike rastojanja za lateracione metode.

Imajuću u vidu sve što je rečeno za prethodne dve tehnike pozicioniranja u WLAN, tehnika izbora u indoor

okruženju je

fingerprinting.

Page 41: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Osnovna

ideja

kod

metoda

baziranih

na

fingerprinting-u zasniva

se na

detekciji

lokacije

mobilnog

korisnika/terminala

na

osnovu

propagacionih

karakteristika

radio signala

koje

taj

terminal meri

na

određenom

mestu

u mreži.

Iako

se pod pojmom

pozicioniranja

primenom

fingerprinting-a podrazumevaju

različiti

algoritmi, izvornom

obliku

fingerprinting pozicioniranje

se izvodi

u dve

faze: 1.

pripremnoj

(off-line ili

training) i 2.

izvršnoj

(on-line ili

positioning).

Cilj

off-line

faze je generisanje

baze

podataka

koja

će

biti

korišćena

tokom

procesa

pozicioniranja. Kako

bi se sakupili

potrebni

podaci

moraju se

pažljivo

izabrati

referentne

tačke, RPs

(Reference Points), tj. tačke u kojima se meri parametar RSS u pripremnoj fazi i koje će biti u bazi podataka.

Page 42: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Referentne

tačke

treba

da

budu

što

je moguće

ravnomernije

raspoređene

u oblasti

od

interesa, tj. u oblasti

u kojoj

će

se određivati

lokacija

mobilnog

korisnika.

Page 43: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

U svakoj

od

referentih

tačaka

se vrši

merenje

nivoa

snage

signala

(RSS) od

svih

AP

koji

pripadaju

datom

WLAN i na

taj

način

se dobija

vektor

RSS vrednosti

za

svaku

od

tačaka.

Tom vektoru

se dodaju

koordinate

referentne

tačke

u kojoj

je dobijen

i rezultujući

vektor

se smešta

u bazu

podataka

(DB –

data base). Taj

vektor

za

k-tu

referentnu

tačku

je oblika:

],...,,,[ ,,2,1 kDBnkDBkDBDBkDBkDBk RSSRSSRSSyxRSS =

gde

su

xDBk

i yDBk

Dekartove

koordinate

k-te

RP, a n je broj

Access Point-a u okviru

posmatrane

infrastrukture.

Page 44: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Ponavljanjem

ovog

postupka

za

sve

referentne

tačke

kompletira

se off-line, tj. training

faza

fingerprinting metode. Kreirana

baza

podataka

se često

naziva

i radio mapa (radio map).

Proces

stvarnog

pozicioniranja

započinje

u drugoj

fazi, on-line fazi. Mobilni

terminal koji

se nalazi

na

nekoj

poziciji

unutar

zone u kojoj

se vrši

pozicioniranje

meri

u toj

tački

snage

signala

od

svih

AP-ova i formira

fingerprint

(vektor snage signala RSS sa svih AP u toj tački):

],...,,[ 21 nRSSRSSRSSRSS =

Taj fingerpint

se zatim poredi

sa

onima

iz

baze

(formiranih u off-line fazi) i na

osnovu

nekog

od

algoritama

nalazi

lokacija

mobilne

stanice, tj. terminala.

Najčešće

korišćeni

algoritam

u ove

svrhe

je traženje

rastojanja

u prostoru

signala

(SSD-Signal Space Distance) između

dobijenog

fingerprint-a i onih

iz

baze

podataka

(radio mape).

Page 45: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Dve

faze fingerprinting-a: a) off-line faza b) on-line faza

Page 46: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting, NN

Veći

broj

algoritama

se može

koristiti

za

estimaciju

pozicije

mobilnog

korisnika, i oni se dele na determinističke i probabilističke..

Osnovni

determinsitički predstavnik je

algoritam

najbližeg

suseda, Nearest Neighbour

in Signal Space

(NNSS) ili

samo

Nearest Neighbour (NN).

Rastojanje

u prostoru

signala

između

izmerenog

vektora

snage

signala

i m-tog fingerprint-a u bazi

podataka

se računa

po

formuli:

qn

iimDBimq RSSRSSL

1

1,, )(∑

=

−=

Vrednost

parametra

q je najčešće

1 ili

2. Za

q=1 dobijamo

Manhattan rastojanje, a za

q=2 Euklidsko rastojanje.

( ) ( ) ( )2222

2112 nDBnDBDBm, RSSRSS...RSSRSSRSSRSSL −++−+−=

Page 47: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting, NN

Kod NN algoritma, procenjene

koordinate

mobilne

stanice

su

koordinate one referentne

tačke

čiji

fingerprint

ima

najmanje

rastojanje

u prostoru

signala

sa

izmerenim

vektorom

snage

signala

u tački

u kojoj

se pozicioniranje

vrši

tj.

mqMmmMSq LL ,1, min≤≤

=

gde

je M ukupan

broj

referentnih

tačaka

(podataka u bazi, tj. radio mapi), a procenjene

koordinate

terminala su

(xmMS

,ymMS

).

Page 48: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting, kNN

Umesto

da

uzmemo

samo

RP sa

najmanjim

rastojanjem

u prostoru

signala, mogu

se dobijena

rastojanja

poređati

u neopadajućem

redosledu

i uzeti

prvih

K tačaka

sa

najmanjim

rastojanjima.

Procenjena

lokacija

mobilnog

korisnika

(xMS

,yMS

), se onda

nalazi

usrednjavanjem

koordinata, tih

K referentnih

tačaka:

K

xx

K

ii

MS

∑== 1

K

yy

K

ii

MS

∑== 1

• Ovo

je način

realizacije

KNN (K Nearest Neighbours) algoritma.

Kao i prethodni (NN), pripada grupi determinstičkih

algoritama procene pozicije.

Page 49: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Kao što je rečeno, algoritmi procene pozicije u fingerprintingu mogu biti i probabilistički.

Naime, u slučaju determinističkih algoritama posmatra se samo jedna RSS vrednost, i obično je to neka vrednost parametra RSS usrednjena u toku određenog

vremenskog intervala.

Ipak, zbog velikih varijacija signala u ovom tipu okruženja, često srednja vrednost nije dobar izbor jer može dovesti do velikih grešaka. Sofisticiranije rešenje bi bilo ne uzimati srednju vrednost parametra RSS, već

njegove varijacije tokom off-line

faze opisati nekom funkcijom gustine verovatnoće.

U on-line fazi se u tom slučaju uzimaju u obzir funkcije gustine verovatnoće od svih AP-a koje se primenjuju na merni RSS parametar kako bi se pronašla najverovatnija pozicija.

Na ovaj način, moguće je povećati tačnost pozicioniranja u odnosu na determinističke algoritme procene pozicije.

Page 50: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting scenario pozicioniranja

Fingerprinting u WLAN se može realizovati u sva tri oblika pozicioniranja:a)

terminal-assisted

b)

terminal-basedc)

network-based.

Page 51: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting scenario pozicioniranja

U slučaju terminal-assisted

fingerprintinga, u toku on-line

faze terminal rezultate merenja koja se rade na downlinku

(measurement report

– kao i

kod GSM) šalje serveru u mreži.

Server održava radio mapu i vrši poređenje merenog RSS fingerprinta i onog u bazi i pomoći nekog od prethodno opisanih algoritama nalazi procenjenu lokaciju terminala.

Page 52: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting scenario pozicioniranja

U slučaju terminal-based

fingerprintinga u toku on-line

faze, radio mapu održava sam terminal, pa se poređenje merenog RSS fingerprinta i onog u bazi vrši lokalno, tj. sam terminal procenjuje sopstvenu lokaciju.

Page 53: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting scenario pozicioniranja

U slučaju network-based fingerprintinga, radio mapa se kreira na osnovu RSS merenja na uplinku.

U toku off-line

faze, terminal periodično emituje beacon

signale, koje primaju okolni AP-i i beleže RSS parametre. Ti rezultati se šalju ka serveru koji od istih formira radio mapu.

U toku on-line

faze, scenario je isti, terminal povremeno šalje beacon

signale, koje mere okolni AP-i, koji zatim te rezultate šalju serveru koji traži najsličniji fingerprint u radio mapi sa onim pristiglim tokom on-line faze i tako procenjuje lokaciju terminala.

Page 54: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Ozbiljan nedostatak fingerpinting metode jeste priprema podataka

i merenja u off-line

fazi.

Naime, u ovoj fazi radi pripreme baze podataka tj. radio mape, neophodno je vršiti prilično obimna merenja RSS parametara u objektu od interesa. Ovo može biti dugotrajan, složen i skup proces. Dodatno, izbor broja referentnih tačaka za formiranje radio mape mora biti oprezan, kako bi se izbegla neodređenost pozicioniranja, tj. situacija u kojoj više pozicija u objektu daje isti fingerprint!

Situacija je dodatno pogoršana time da je čitav postupak neophodno ponoviti svaki put kada se u postojećoj WLAN infrastrukturi bilo šta promeni! (npr. postavi se novi AP, neki se sklone, promeni se snaga predajnika,

...).

Page 55: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Alternativna varijanta je da se potrebna baza podataka, tj. radio mapa, formira ne na osnovu merenja, već

na osnovu odgovarajućeg modela propagacije sa ulaznim parametrima kao što su: snage predajnika AP-a, path-loss, sve prepreke na putu signala, npr. zidovi, nameštaj, ...

U ovom slučaju, radio mape se jednostavno i brzo formiraju bez ikakvih merenja i jednostavno ih je izmeniti i ažurirati u slučaju da se bilo šta u WLAN infrastrukturi izmeni.

U literaturi, ovakav pristup je poznat kao pristup modelovanjem (modeling approach) dok se prethodni koji uključuje merenja naziva empirijski pristup (empirical approach).

Page 56: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Do danas je razvijen veći broj WLAN fingerprinting sistema za pozicioniranje. Za razliku od ćelijskih sistema, ovi sistemi kao i ostali indoor

sistemi za pozicioniranje nisu podložni standardizaciji.

Neki od najpoznatijih sistema su:–

RADAR (razvijen od strane Microsofta) –

prvi razvijen WLAN fingerprinting sistem

Ekahau –

komercijalni sistem koji se može i kupiti (primenjuje probabilistički pristup)

Horus–

Nibble (posmatra odnos signal-šum, SNR, umesto snage signala na prijemu, RSS)

WhereMops, ...

Page 57: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

ta: terminal-assisted, tb: terminal-based, nb: network-based•

emp: empirijski pristup formiranja radio mape, mod: pristup modelovanjem tj. primenom modela propagacijeu formiranjuradio mape

det: deterministički pristup proceni pozicije, prob: probabilistički pristup proceni pozicije

Page 58: LTE i WLAN Pozicioniranje

Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting

Kao što se vidi iz tabele, tačnost pozicioniranja pomenutih sistema je reda veličine nekoliko metara što je najčešće dovoljno za većinu indoor LBS aplikacija.

Takođe, u zaključku je moguće reći da je, osim tačnosti, velika prednost WLAN fingeprintinga i to što se zasniva na postojećim WLAN instalacijama, kojima je opremljena većina javnih objekata danas, kao i postojećim laptopovima, mobilnim telefonima, PDA od kojih mnogi podržavaju WLAN.

Ovo pozicioniranje ne zahteva nikakve modifikacije u hardveru, ali zahteva softverske modifikacije neophodne radi formiranja radio mapa i merenja RSS parametra tokom on-line

faze.

Page 59: LTE i WLAN Pozicioniranje

Primer...zadatak

U objektu

sa

slike

instalirana

su

3 access pointa

(AP).•

Radio mapa

formirana

je merenjem

parametra

RSS sa svakog od tri AP u 12 tačaka (Tabela 1).

Odrediti nepoznatu lokaciju terminala T primenom k-NN algoritma (gde je k=3) ako je tokom on-line

faze izmereni fingerprint PT od strane ovog terminala:

( )dBmdBmdBmPT 959694 −−−=

Tabela 1. Radio mapa (DB-data base)

( )321 RSSRSSRSSPT =

T(xT

, yT

)=?

*10m

Page 60: LTE i WLAN Pozicioniranje

Primer...zadatak

••

Korak 1Korak 1: radi lakšeg računa, normalizovati vektor sa terminala čija se lokacija određuje (normalizacija vrši uodnosu na jedan

AP, u ovom

primeru

u odnosu

na

AP1):

( )dBmdBmdBmPT 959694 −−−= ( )120 −−=PTN

••

Korak 2Korak 2: po istom principu normalizovati sve vektore iz radio mape (DB):

( )NNN RSSRSSRSSPTN 321=

Tabela 1. Radio mapa (DB-data base)

Tabela 2. Normalizovana radio mapa

*10m

RSS sa AP1 RSS sa AP2 RSS sa AP3

Page 61: LTE i WLAN Pozicioniranje

Primer...zadatak

••

Korak 3Korak 3: pronaći Euklidsko rastojanje između izmerenog normalizovanog fingerprinta PTN i svakog normalizovanog fingeprinta iz radio mape (i=12), koristeći poznatu formulu:

( ) ( ) ( )2332

222

11 Ni,APNi,APNi,APii RSSRSSRSSRSSRSSRSSDL −+−+−==

••

Korak 4Korak 4: Obzirom da se primenjuje k-NN algoritam sa k=3, pronaći tri najmanje vrednosti razlike fingerprinta iz baze i merenog fingerprinta. Iz tabele se vidi da su to oni na poziciji: 2, 3 i 6. Njihove vrednosti razlika su 6, 8 i 6, respektivno.

Tabela 3. Proračunata Euklidska ratsojanja između merenog fingerprinta PTN i svih u radio mapi

Page 62: LTE i WLAN Pozicioniranje

Primer

••

Korak 5Korak 5: Najzad, uvidom u tabelu 1 očitavaju se njihove pozicije (xi

, yi

) i računa konačna tražena pozicija terminala T:

( ) 3233

102321 .*K

xx

K

ii

MS =++

==∑= ( ) 313

3102111 .*

K

yy

K

ii

MS =++

==∑=

T(xT , yT )=(23.3, 13.3)

iz

Tabele

1:pozicija

2: (x2

, y2

)=(2, 1)pozicija

3: (x3

, y3

)=(3, 1)pozicija

6: (x6

, y6

)=(2, 2)

Page 63: LTE i WLAN Pozicioniranje

Hvala na pažnji!