Upload
andrew-mann
View
55
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Principi pozicioniranja u radio sistemima8
Doc. dr Mirjana Simić
LTE 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.
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.
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)
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, ...)
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.
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).
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.
•
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
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)
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).
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.
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).
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
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).
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.
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).
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
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.
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).
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
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.
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.
LCS Evolucija Multi-RAT pozicioniranje
Multi-RAT arhitektura pozicioniranja
Indoor 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).
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)
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
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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
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).
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.
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
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.
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.
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.
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.
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).
Indoor pozicioniranje, WLAN, fingerprinting
Dve
faze fingerprinting-a: a) off-line faza b) on-line faza
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 −++−+−=
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
).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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,
...).
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).
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, ...
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
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.
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
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
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
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)
Hvala na pažnji!