Embed Size (px)
Citation preview
Principi
pozicioniranja
u radio sistemima7
Doc. dr Mirjana Simić
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS
•
Prema GSM LCS standardu, za GERAN su standardizovane četiri metode pozicioniranja:1.
Cell-ID+TA
(Cell Identification
+ Timing Advance),2.
E-OTD
(Enhanced Observed Time Difference),3.
U-TDOA
(Uplink Time Difference of Arrival) i4.
A-GNSS
(Assisted Global Navigation Satellite System).
•
Prema UMTS LCS standardu, za UTRAN su standardizovane četiri metode pozicioniranja:1.
Cell-ID (Cell Identification),2.
OTDOA-IPDL
(Observed Time Difference
Of Arrival-Idle Period Downlink),3.
A-GNSS
(Assisted Global Navigation Satellite System) i 4.
U-TDOA
(Uplink Time Difference of Arrival).
OTDOA, OTDOA-IPDL
•
OTDOA
je metoda standardizovana za pozicioniranje u UMTS.
•
Ova metoda je ekvivalent E-OTD metode pozicioniranja koja je standardizovana u GSM.
•
To znači da su princip rada u uslovi koje zahteva ova metoda isti kao i
u E-OTD, a to su –
cirkularna ili hiperbolička lateracija,
–
merenja na downlink-u–
dostupnost i u dedicated
i u idle
modu rada, i najzad,
–
mogućnost implementacije kao mobile-based
ili mobile-assisted rešenja.
•
Ključna razlika proističe iz merenja RTD i OTD vremena, što je posledica drugačije strukture radio interfejsa u UMTS.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Kao što je već
rečeno u okviru E-OTD metode pozicioniranja, za merenje neophodnih vremena koja će se koristiti u svrhe pozicioniranja, zahteva se sinhronizacija između mobilne i baznih stanica (cirkularna lateracija), ili baznih stanica međusobno (hiperbolička lateracija).
•
Ako ovaj zahtev nije ispunjen, mora se ostvariti a posteriori
sinhronizacija, primenom dodatne komponente u sustemu, LMU jedinice.
•
Za potrebe pozicioniranja u UMTS, LMU jedinice je neophodno instalirati samo za bazne stanice koje rade u UTRAN-FDD modu, obzirom da su bazne stanice u UTRAN-TDD modu već međusobno sinhronizovane.
•
Kao i u slučaju E-OTD metode, LMU jedninice vrše RTD/ATD merenja
referentne i susednih baznih stanica, samo što se merenja u ovom slučaju vrše na pilot signalima, CPICH (Common Pilot Channel)
(kod
E-OTD na
BCCH).
•
Merenja vremena se kao i u slučaju GSM mogu vršiti u odnosu na interno LMU vreme, ili u odnosu na apsolutno, GPS vreme.
•
OTD merenja
standardno
vrši mobilna stanica.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
UE (MS)NB2
NB1
NB3
LMU
OTD merenja
RTD merenja
Merenja
se vrše na CPICH kanalima
•
Podsećanje na organizaciju
UMTS radio interfejsa...
•
Za
razliku
od
GSM, UMTS
radio-interfejs
nema
složenu
hijerarhijsku strukturu.
•
Umesto
podele
na
frejmove, super, hiper
i multifrejmove, sve
se dešava na
nivou
frejma.
•
Svaki
frejm
je samo serijski
numerisan
brojem
koji
se naziva
System Frame Number (SFN)
koji
se koristi
za
identifikaciju
frejma
i za
usklađivanje
vremena
baznih
stanica.
•
Opseg SFN je od
0 do 4095
(obuhvata ciklus od 4096 frejmova).
•
Sa druge strane, svaki frejm traje 10ms i sadrži 15 vremenskih slotova.
•
Kako je brzina generisanja čipova 3.84Mchip/s, u okviru jednog frejma smešteno je 3.84Mchip/s*10ms=38400 chip/frame.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Neophodno RTD vreme se dobija računanjem tzv. SFN (System Frame Number)-SFN observed time difference (3GPP 25.215). Kao što je poznato, prijemnik je LMU.
•
Ovo vreme se definiše kao:
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
rcnc Rx,CPICHRx,CPICH ttSFNSFN −=− difference timeobserved
-predstavlja početak prijema frejma pilot (CPICH) signala sa referentne ćelije (reference cell)
•
SFN-SFN observed time difference
vreme se meri u opsegu od 0-38400, sa rezolucijom od jednog čipa, što zapravo predstavlja broj čipova u jednom frejmu.
rcRx,CPICHt
-
predstavlja početak prijema frejma CPICH signala sa susedne
ćelije
(neighbor cell) koji je vremenski najbliži frejmu pilot signala referentne ćelije
ncRx,CPICHt
rcnc Rx,CPICHRx,CPICH ttSFNSFN −=− difference timeobserved
-predstavlja početak prijema frejma pilot (CPICH) signala sa referentne ćelije (reference cell)
rcRx,CPICHt
-
predstavlja početak prijema frejma CPICH signala sa susedne
ćelije
(neighbor cell) koji je vremenski najbliži frejmu pilot signala referentne ćelije
ncRx,CPICHt
• Razlika u odnosu na RTD je dakle samo u tome što je sada prijemnik MS a ne LMU.
•
Merenje OTD
vremena koje vrši mobilna stanica se, kao i RTD, bazira na parametru SFN-SFN observed time difference.
•
SFN-SFN observed time difference kao
i u prethodnom
slučaju predstavlja relativnu vremensku razliku između ćelija i
i j
(u našem
slučaju referentne i neke susedne) i definiše se kao:
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Kao i u slučaju E-OTD u GSM, za potrebe pozicioniranja primenom OTDOA metode predviđa se i eventualno slanje pomoćnih podataka, čiji sadržaj zavisi od toga da li je u pitanju mobile-based
ili mobile-assissted
rešenje.
•
Ipak, u slučaju OTDOA taj postupak razmene podataka između SMLC i MS se može dodatno unaprediti, pa MS rezultate merenja ne mora slati isključivo na zahtev, već
i pod nekim drugim unapred definisanim uslovima.
•
Ti uslovi su npr. –
kada neki parametri pređu odgovarajuće granice, ili –
kada procenjena lokacija mobilne stanice (slučaj mobile-based
rešenja) prekorači neke unapred definisane vrednosti.
•
Ovo je vrlo značajno unapređenje u odnosu na GSM, obzirom da omogućava novu seriju LCS servisa koji bi se automatski
aktivirali
kako bi se korisnik našao u nekoj unapred definisanoj zoni, ili ako bi uopšte došlo do promene njegove lokacije.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Ipak, i OTDOA metoda pozicionoranja ima svoje nedostatke.
•
Neki od problema OTDOA metode pozicioniranja su poznati i nasleđeni od primenjene lateracije:–
nepostojanje a priori
sinhronizacije baznih stanica u UTRAN-FDD modu,–
zahtev za minimalnim brojem baznih stanica (bar 3 ili 4) –
osetljivost na geometrijski raspored baznih stanica u prostoru (loš
condition number).
•
Takođе, nedostatak predstavlja i činjenica da OTDOA metodu pozicioniranja ne podržavaju standardni terminali, obzirom da metoda zahteva modifikacije na strani mobilne stanice.
•
Ozbiljan problem OTDOA metode pozicioniranja predstavlja i moguć
nedovoljan broj pilot signala neophodnih za merenje u postupku proračuna lokacije mobilne stanice.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Ipak, najveći nedostatak
OTDOA metode pozicioniranja posledica je problema koji je karakterističan za sisteme bazirane na CDMA kakav je i UMTS.
•
U objašnjenju tog problema polazna tačka je poznati problem “blizu-daleko”.
•
Kao što je poznato, kao ni GSM, ni UMTS sistem nije otporan na problem “blizu-daleko”.
•
Problem “blizu-daleko”
se javlja
ukoliko
signal mobilne
stanice
koja
se nalazi
blizu
servisne
bazne
stanice, blokira
signale
mobilnih
stanica
koji
su
udaljeni
od
bazne
stanice.
•
Kao rezultat, bazna
stanica
ne može
pravilno
da
rekonstruiše
ili
čak
ni
da
prepozna
signale
udaljenih
mobilnih
stanica.
•
U najgorem
slučaju
signali
udaljenih
mobilnih
stanica
mogu
na
prijemu
da
se manifestuju
kao
pozadinski
šum
ili
interferencija.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Problem se rešava
uvođenjem
automatske
kotrole
snage, što
podrazumeva
da
svaka
mobilna
stanica
mora
da
podesi
nivo
snage
tako
da
nivoi
signala
svih
mobilnih
stanica
u ćeliji
budu
približno
isti
na
prijemu, tj. na ulazu u prijemnik bazne stanice.
•
Dakle, mobilne
stanice
koje
su
udaljene
od
bazne
stanice, moraju
da
emituju
sa
mnogo
većom
snagom
od
mobilnih
stanica
koje
se nalaze
u blizini
bazne
stanice.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Kao posledica činjenice da bazne stanice rade na istoj učestanosti, u UMTS se, osim problema “blizu-daleko”
javlja još
jedan problem, na
koji je posebno osetljiva OTDOA metoda pozicioniranja -
hearability problem.
•
Za razliku od problema “blizu-daleko”
koji se javlja na uplink-u, hearability problem se javlja na downlink-u!
•
Hearability problem nastaje ukoliko
se mobilna
stanica
nalazi
u blizini servisne
bazne
stanice.
•
Naime,
signali
sa
te
servisne bazne
stanice
mogu
da
blokiraju
signale baznih
stanica
koje
su
udaljenije. Usled
toga, mobilna
stanica
ne može
ispravno
da
primi
njihove
signale, ili
čak
ni
da
ih
“čuje”
(to hear).
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Ovo predstavlja ozbiljan problem u pozicioniranju, naročito kod OTDOA metode koja se zasniva na merenju vremenskih razlika pilot signala sa više baznih stanica.
•
Konkretno, može se desiti da, kao posledica hearability problema, OTDOA metoda bude dostupna praktično samo na ivici servisne ćelije
(gde
ne dominira
puno
signal sa
servisne
BS), što je nedopustivo.
•
Rešavanje
i ovog problema
uvođenjem
kontrole
snage
nije
moguće, jer snaga
signala
bazne
stanice
mora
da
bude
podešena
tako
da
garantuje
optimalno
pokrivanje
za
sve
mobilne
stanice
u ćeliji, a ne samo
za
jednu.
•
Jedino rešenje je da svaka bazna stanica u nekom kratkom vremenskom periodu stopira svoju transmisiju kako bi mobilna stanica mogla detektovati pilot signale (CPICH) sa susednih baznih stanica i izvršiti neophodna merenja.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Ovi vremenski periodi se zovu prazni periodi (idle periodi), dok se mehanizam koji upravlja povremenim prekidima emisije signala sa baznih stanica zove IPDL (Idle Period Downlink).
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Idle
periodi
se umeću u downlink
transmisiju
podataka
po predefinisanom, pseudoslučajnom
redu, kako
bi se izbeglo
uniformno
prekidanje
regularne
transmisije
podataka.
•
Kontrolu IPDL vrši SMLC, koja konfiguriše bazne stanice kada da primenjuju idle
periode.
•
Postoje
dva
postupka
umetanja
idle
perioda:–
kontinualni
mod
podrazumeva
da
se kontinualno, s vremena
na
vreme
umeću
idle
periodi
i–
burst mod koji
podrazumeva
da
se idle
periodi
pojavljuju
u paketima
(burst), gde
svaki
burst
obuhvata
ograničeni
broj
frejmova
i sadrži dovoljno
idle
perioda, na
osnovu
kojih
mobilna
stanica
može
da
izvrši
odgovarajuća
merenja. Dva
uzastupna
paketa
su
odvojena
dužim vremenskim
intervalima
za
vreme
koga
sa
idle
periodi
ne pojavljuju.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Na slici je prikazano umetanje
idle
perioda
u regularnu
transmisiju
bazne stanice.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
U UTRAN-FDD idle
periodi obično traju između 5 i 10 čipova
(podsetimo
se da
1 slot sadrži 2560 čipova).
•
Postoji najmanje jedan idle period po frejmu i njegova pozicija u okviru frejma je određena pseudoslučajnim generatorom.
•
Kao što se vidi sa slike, idle
periodi mogu prelaziti granice uzastopnih slotova
(samo
u FDD, u TDD trajanja
su
uvek
u okviru
jednog
slota).
•
IP (Idle
Period)
Spacing
se odnosi na broj frejmova između početka frejma koji sadrži idle
period i sledećeg frejma koji sadrži
idle period.
•
Ako je u pitanju burst
mod, struktura burst-a opisuje se dodatnim parametrima:–
Burst start
označava početak bursta idle
perioda;
–
Dužina burst-a opisuje se brojem idle
perioda koji sadrži;
–
Učestanost pojave burst-a idle
perioda u regularnoj transmisiji bazne stanice opisuje se burst
frekvencijom.
•
Kontinualni mod je specijalan slučaj burst moda sa samo jednim burst-om idle
perioda koji se proteže kroz ceo SFN ciklus od 4096 radio frejmova.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA
•
Varijanta OTDOA metode pozicioniranja koja koristi IPDL se naziva OTDOAOTDOA--IPDL IPDL metoda pozicioniranja i ona je standardizovana u UMTS.
•
Princip
je, dakle, da
MS meri
OTD vremena
pilot signala sa
okolnih baznih
stanica
u toku trajanja IPDL perioda referentne (servisne) bazne
stanice.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-IPDL
•
OTDOA-IPDL metoda pozicioniranja predstavlja pokušaj da se poveća broj pilot signala koje "vidi" mobilna stanica, odnosno, da se poveća dostupnost
OTDOA metode (povećava hearability pilot signala
udaljenijih baznih stanica).
•
U zavisnosti od topologije mreže, saobraćaja, osetljivosti SFN-SFN merenja, kao i snage pilot signala, performanse OTDOA metode višestruko se poboljšavaju primenom IPDL tehnike.
•
Ipak, rezultati merenja pokazuju da OTDOA-IPDL metoda pozicioniranja u realnim uslovima ima relativno veliku grešku pozicioniranja.
•
Konkretno, greška pozicioniranja koju treba očekivati od OTDOA-IPDL metode iznosi 125m (u 67% merenja), odnosno, 400m (u 90% merenja).
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-IPDL
•
Osim standardne OTDOA-IPDL, postoje i drugi brojni pokušaji da se na račun cene i kompleksnosti terminala poveća hearability
pilot signala.
•
Najuspešnije varijante ovoga tipa su: 1.1.
TATA--IPDL (IPDL (Time AlignedTime Aligned IPDL),IPDL),
2.2.
PEPE--IPDL (IPDL (Positioning Elements Positioning Elements IPDL),IPDL),3.3.
IC (IC (Interference CancelationInterference Cancelation))
i i
4.4.
CVB (CVB (Cumulative Virtual BlankingCumulative Virtual Blanking).).
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-IPDL
•
Kao što je rečeno, standardna OTDOA-IPDL podrazumeva da svaka bazna stanica (Node B) pseudoslučajno prestaje da emituje bilo kakve signale, i taj period neemitovanja signala, kao što je već
rečeno, se zove
idle
period.
•
U toku idle
perioda servisne bazne stanice, mobilna stanica vrši neophodna merenja signala sa susednih baznih stanica, koji bi joj, usled hearability
problema, bili nedostupni.
•
TA-IPDL
varijanta se razlikuje samo po tome što su idle
periodi vremenski poravnjani, tj. kod svih baznih stanica se javljaju skoro
istovremeno (ne mogu potpuno istovremeno jer se time ne bi imalo
šta meriti!).
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
OTDOA-IPDL
OTDOA-
TA IPDL
•
Praktično, u okviru TA-IPDL, postoji zajednički idle period, u okviru kojeg bazne stanice ili u potpunosti prekidaju transmisiju kao što je slučaj u standardnoj IPDL tehnici, ili emituju samo signale bitne za pozicioniranje (BCH ili
CPICH ). Obično, 30% vremena
emituje signale za pozicioniranje, a 70% vremena
u potpunosti
prekida
emisiju
•
Ovo je pogodno jer se sva merenja neophodna za pozicioniranje obave za vreme trajanja (Time Aligned) idle
perioda (što kod standardne IPDL nije slučaj).
•
Naime, TA-IPDL metoda
vrši
sva
merenja
vezana
za
pozicioniranje
samo
tokom
zajedničkog
idle
perioda, dok
IPDL može
vršiti
merenja
sa
servisne
ćelije
i van tog vremena.
•
Ova karakteristika
TA-IPDL metode
ustvari
vremenski
odvaja
servis
pozicioniranja
od
drugih
servisa. Zbog
toga servis
pozicioniranja
ne umanjuje
kapacitete
linka
izvan
idle perioda
i funkcioniše
neprimetno
za
ostale
servise.
•
Sa druge
strane, performanse
pozicioniranja
više
ne zavise
od
opterećenja
sistema.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDL
•
Rezultati istraživanja pokazuju znatno povećanje tačnosti i dostupnosti pozicioniranja
primenom TA-IPDL u odnosu na standardnu IPDL tehniku, što je dobrim delom i posledica boljeg odnosa signal/(šum+interferencija)
C/(I+N) kod TA-IPDL.
•
Naime, pošto
se u toku
idle perioda
emituju
samo
signali
neophodni
za
pozicioniranje
i to ne sve
vreme
trajanje
idle perioda, smanjena
je interferencija
između
signala
u odnosu
na
IPDL.
•
Zbog
toga poboljšanje
koje
unosi
TA-IPDL je bolji
odnos
C/(I+N),
na
ulazu
u terminal za
signale
emitovane
sa
susednih
baznih
stanica
u toku
idle perioda.
•
Bolji
odnos
signala
sa
susednih
baznih
stanica
znači da će
mobilni
terminal “čuti”
više
baznih
stanica, tj. poboljšava
se hearability.
Ovo
naravno
znači više
relevantnih
rezultata
merenja
vremena
koji
mogu
da
se koriste
pri
pozicioniranju.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
•
Zbog
toga, u pojedinim
slučajevima, najčešće
u ruralnoj
sredini, kada
kod
metode
IPDL nije
postojao
dovoljan
broj
mernih
rezultata
da
se izvrši
proračun
(znamo
da
su
neophodni
rezultati
sa
barem
tri bazne
stanice), kod
TA-IPDL će
biti
više
mernih
rezultata
i pozicioniranje
će
biti
moguće.
•
Ovo
znači da metoda TA-IPDL ima bolju dostupnost
u odnosu
na
IPDL.
•
U drugim
slučajevima, najčešće
u urbanoj
sredini, gde
je pozicioniranje
pomoću
IPDL bilo
moguće, ali
je preciznost
bila
narušena
used čestih NLOS uslova
ili
multipath propagacije, kod
TA-IPDL će
preciznost
biti
poboljšana.
•
Ovo
znači
da
metoda
TA-IPDL pokazuje
bolju
tačnost
u odnosu
na
IPDL.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
Tabela
1.
Simulacioni
rezultati
za
tačnost
pozicioniranja
kod
metode
IPDL
Sredina: 67% 95%
Ruralna 13m 153m
Suburbana 11m 330m
Urbana 73m 289m
Bad Urban 199m 553m
Tabela
2.
Simulacioni
rezultati
za
tačnost
pozicioniranja
kod
metode
TA-IPDL
Sredina: 67% 95%
Ruralna 7m 14m
Suburbana 5m 10m
Urbana 30m 84m
Bad Urban 136m 320m
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
•
Razlika
između
odnosa
C/(I+N)
kod
TA-IPDL i
IPDL je aproksimativno
15dB.
•
Uzimajući
u obzir
da
se pilot signal emituje
samo
30% vremena
i
da
se samo
najbolji
odnos
C/(I+N)
koristi
za
TA-IPDL statistike, efektivna
razlika
odnosa
C/(I+N)
je aproksimativno
7dB.
•
Ovo
znači
da
je potrebno
da
kod
IPDL tehnike
idle periodi
traju
pet puta
duže
ili
da
se pet puta
češće
ponavljaju
da
bi se postigle
iste
performanse
kao
kod
TA-
IPDL ili
će
u suprotnom
ove
performanse
biti
lošije
za
isti
broj
merenja!
•
Zaključujemo
da
idle periodi
u okviru
TA-IPDL imaju
manje
negativan
uticaj
na
druge
servise
i
na
performanse
celokupne
mreže
jer
mogu
biti
kraći i ređi u vremenu
u odnosu
na
IPDL.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
•
Manji
su
i
zahtevi
za
procesiranjem
na
terminalu
zbog
smanjene
dužine
trajanja
potrebne
korelacije
usled
manje
zahtevnog
odnosa
C/(I+N)
u TA-IPDL. Znači, manja
je
zahtevana
kompleksnost
mobilne
stanice.
•
Ipak, povećana je kompleksnost na nivou mreže
usled potrebe za poravnanjem idle
perioda. Ovo predstavlja vrlo značajan
problem
TA-IPDL metode.
•
Naime, poravnanje
idle perioda
zahteva
da
su
vremenska
odstupanja
između
frejmova
sa
svake bazne stanice
poznata sa određenom rezolucijom. Informacije
o odstupanju
se stoga
moraju
generisati
u mreži
i proslediti
ka baznim stanicama
da
bi se idle periodi
mogli
događati
u tačno
određeno
vreme.
•
Naravno, neophodno
je i njihovo
redovno
ažuriranje
što
se tipično
vrši
na
svakih
trideset
minuta. Javlja
se dodatno
opterećenje
jer
je potrebna
dodatna
signalizacija
za
dostavljanje
ovih
informacija
baznim
stanicama, što povećava signalizaciono opterećenje.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
•
Još
jedna
relevantna
činjenica
u TA-IPDL metodi je da
optimizacija
snage
pilot signala
za
potrebe
komunikacije
može
biti
razdvojena
od
optimizacije
snage
pilota
tokom
idle perioda.
•
Dakle, u metodi TA-IPDL moguće
je povećati
snagu
pilot signala
tokom
idle perioda
tako
da
se omogući
da
mobilni
terminal vrši
merenja
u većem
opsegu.
•
Ova mogućnost
kod
TA-IPDL može
svakako
biti
od
koristi
u područjima
gde
su
bazne
stanice
retko
raspoređene
(u ruralnim
područjima).
•
To utiče i na poboljšanje
performansi
pozicioniranja
i u indoor okruženju. Na ovaj
način
metoda
TA-IPDL dodatno
povećava
svoju
dostupnost.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
TA IPDLTA IPDL
•
U Tabeli
3 je pokazano
poboljšanje
koje
se dobija
kada
se pozicioniranje
vrši
sa
pojačanim
pilot signalima.
•
Prvi
red u tabeli
prikazuje
tačnost
pozicioniranja
u slučaju
urbane sredine
sa
ćelijskim
radijusom
od
1km koristeći
metodu
TA-IPDL gde
je snaga
pilot signala
10% od
maksimalne
emitujuće snage
bazne
stanice
(standardan
odnos
jačine
pilot signala
u IPDL mrežama).
•
Drugi
red u tabeli
pokazuje
da
u istim
uslovima
postoji
značajno
poboljšanje
tačnosti
pozicioniranja
kada
se koristi
TA-IPDL gde
je snaga
pilot signala
80% od
maksimalne
emitujuće
snage
bazne
stanice. Kod
standardne
IPDL konfiguracije, nije
moguće
povećati
snagu
pilot signala
i remetiti
sklad
celokupne
mreže
samo
radi
povećanja
pokrivenosti
i
tačnosti
date metode
pozicioniranja.
Scenario: 67% 95%
TA-IPDL, Urbano, indoor, ćelijski
radijus
1km, pilot snaga
10% 300m 731m
TA-IPDL, Urbano, indoor, ćelijski
radijus
1km, pilot snaga
80% 125m 378m
Tabela
3.
Simulacioni
rezultati
za
tačnost
pozicioniranja
kod
TA-IPDL koji
demonstriraju
efekatkoji
izaziva
povećanje
jačine
pilot signala
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
PE IPDLPE IPDL
•
PE-IPDL
tehnika predstavlja još
jedan pokušaj da se utiče na poboljšanje performansi standardne IPDL tehnike.
•
Za razliku od TA-IPDL, PE-IPDL zahteva instalaciju nove komponente
kao podršku LCS u UTRAN, tzv. positioning elementpositioning element (PE).
•
Zadatak PE komponenata je da sinhrono emituju sekvence simbola koje mobilna stanica koristi kako bi izvršila standardizovana OTDOA merenja.
•
PE komponente se instaliraju na različitim lokacijama od onih gde su bazne stanice. Jedna od interesantnih razmatranja idu u smeru integracije PE komponenata
u okviru ripitera.
PE
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
PE IPDLPE IPDL
•
PE komponente
posmatraju
downlink i vrše
sinhronizaciju
u odnosu
na
emisiju
sa
baznih
stanica
(NB).
•
Svaki
PE vrši
emitovanje
simbola
u unapred
određenim
intervalima
u okviru
downlink multifrejma.
•
Koordinate
PE elemanata
su
poznate
mreži, tako
da
je poznato
i vreme
multifrejma
dodeljeno
PE.
•
Merenje
vremena
prispeća
signala
sa
pozicionih
elemenata
(PE) na
MS
se koristiti
kao
dodatno
OTDOA merenje.
•
S obzirom
da
su
PE elementi
sinhronizovani
na
bazne
stanice
i da
je njihova
pozicija
poznata, a emisija
se vrši
sa
tačno
utvrđenim
kašnjenjem
u odnosu
na
granica
frejma, nema
potrebe
za
merenjima
od
strane
LMU. Ovo
bi ionako
bilo
previše
teško
zbog
veoma
kratkog
trajanja
PE emisije.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
PE IPDLPE IPDL
•
Emisija
signala
sa
PE komponenata
može
biti
unapred
konfigurisana
ili
se konfiguriše
od
strane
mreže
koja
komunicira
sa
PE preko
radio
interefjsa.
•
Preko
radio
interefejsa
se konfiguriše
emisiona
šema
ponavljanja
multifrejma, kao
i snaga
emisije
PE.
•
PE emisija
se može
izvoditi
na
zahtev
ili
može
biti
periodična
tako
da
se ponavlja
u svakom
multifrejmu.
•
Sa druge strane, poznato je
da
uvođenje
novih
elemenata
uvek
povećava
cenu
implementacije. Što
se tiče
pozicionih
elementa
PE, oni
su
male zapremine
(veličine
mobilne
stanice), njihova
emitujuća
snaga
je reda
veličine
emisije
mobilne
stanice
i mogu
se napajati
sa
malih
solarnih
panela.
•
Zbog
svega
ovoga, njihova
cena
nije
previsoka. Takođe, konfigurišu
se preko
radio
interfejsa
i ne zahtevaju
nikakve
modifikacije
na
strani
baznih stanica što
znači
da
ni
ukupna
cena
implementacije
metode
nije
visoka.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
PE IPDLPE IPDL
•
PE-IPDL varijanta
OTDOA metode
unosi
poboljšanja
u odnosu
na
standardizovanu
IPDL metodu
u određenim
sredinama
ili
lokacijama
gde
MS
“ne čuje”
dovoljan
broj
baznih
stanica, tj. PE elementi
se ponašaju
kao
bazne stanice
i poboljšava
se hearability
na
mobilnim
terminalima.
•
To je najčešće slučaj
na
ivici
pokrivanja, u ruralnom
ili
indoor
okruženju.
•
Tačnost PE-IPDL tehnike, logično, zavisi da broja instaliranih PE komponenata, kao i od njihovog geometrijskog rasporeda (voditi računa o condition number).
•
Rezultati istraživanja pokazuju povećanje tačnosti
PE-IPDL u poređenju sa standardnom IPDL tehnikom (prosečno za oko 10%), što i nije neko poboljšanje.
•
Za PE-IPDL je predviđeno da bude opciona tehnika koja bi se koristila u sklopu ili nezavisno od neke druge tehnike pozicioniranja.
•
Merenja koja zahteva PE-IPDL su vrlo slična merenjima standardne OTDOA-
IPDL i, ako je podržana od strane terminala, operator može birati:–
da li će ignorisati ovu mogućnost (neće kupovati PE komponente uopšte), –
da li će instalirati nekoliko PE komponenata kako bi omogućio servis pozicioniranja kada ostale metode to ne mogu,
–
ili će instalirati dovoljan broj PE komponenata u cilju povećanja tačnosti pozicioniranja (full
primena OTDOA-PE IPDL).
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
PE IPDLPE IPDL
•
Varijante OTDOA tehnike, IC-IPDL i CVB, hearability
problem rešavaju primenom tehnike poništavanja interferencije
(Interference Cancelation) i estimacije kanala (chanel estimation).
•
Obe metode (IC IPDL i CVB) koriste tehnike obrade signala u cilju smanjenja hearability
problema umesto periodičnog prekidanja transmisije signala sa baznih stanica (kao kod obične IPDL).
•
Obe tehnike primenjuju tzv. virtuelno prekidanje transmisije signala sa baznih stanica u softverskom domenu.
•
Princip rada se zasniva na tome da, kada se javi zahtev za pozicioniranjem, signale na downlink-u istovremeno mere i MS ali i same bazne stanice!
•
Rezultati merenja se šalju u SMLC gde se primenjuje algoritam poništavanja intereferencije kojim se značajno slabe željeni interferirajući signali sa obližnjih baznih stanica kako bi se omogućila merenja slabijih signala sa udaljenijih baznih stanica i izračunala neophodna OTD vremena.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDL IC IPDL ii
CVBCVB
•
Algoritam se može sprovesti i iteratitvnim slabljenjem (poništavanjem) interferirajućih signala jedan-po-jedan, počev od najjačeg (sa referentne bazne stanice).
•
Na ovaj način, omogućena su merenja slabijih signala, koja se, u normalnom režimu, ne bi “videla”
zbog jačin interferirajućih signala sa bližih bazbh stanica.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
i i CVBCVB
•
Treba napomenuti da obe tehnike značajno smanjuju
hearability problem
a da pritom održavaju stabilnost čitavog sistema, tj. ne
ukidaju pilot signale.
•
Naime, kao što je poznato, OTDOA-IPDL metoda, hearability
problem rešava uvođenjem perioda kada bazne stanice u potpunosti prekidaju transmisiju svih signala, uključujući i pilot signale (idle
periodi).
•
Sa druge strane, nezavisno od LCS servisa, pilot signali su u standardnom radu mreže koriste za: –
sinhronizaciju,
–
handover, –
inicijalno traženje ćelije,
–
a kasnije i proces selekcije/reselekcije ćelije.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
i i CVBCVB
•
Mobilne stanice kontinualno "osluškuju" pilot signale i na osnovu njih biraju najpogodnije ćelije.
•
Dakle, u toku trajanja idle
perioda za potrebe OTDOA-IPDL, ostali korisnici u sistemu kao i ceo sistem mogu trpeti štetne posledice prekida pilot signala, što najzad uzrokuje nestabilnost celog komunikacionog sistema.
•
Zbog toga, obe tehnike softverske eliminacije interferencije (IC-IPDL i CVB) nemaju negativan uticaj na stabilnost čitavog komunikacionog sistema.
•
IC-IPDL metoda primenjuje idle
periode u cilju rešavanja hearability problema, ali ne prekida transmisiju pilot signala za vreme idle
perioda i na taj način održava stabilnost sistema.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
i i CVBCVB
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
Struktura
kanala
a) kod
IPDL b) kod
IC-IPDL
a) b)
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
•
U predloženoj
IC-IPDL metodi, bazne
stanice
održavaju
emisiju
CPICH i tokom
idle
perioda.
•
Može se primetiti da u ovakvom scenariju održavanje
CPICH transmisije
ne bi puno rešio hearability
problem, jer i CPICH signali bliskih BS onemogućavaju merenja signala sa udaljenijih.
•
Da
bi se rešio
ovaj
problem, primenjuje se tehnika poništavanja interferencije (IC) gde se iz dolaznog signala eliminišu interferirajući signali (počev od najjačeg pilota CPICH sa servisne BS, pa nadalje...).
•
Eliminicacija se vrši tako što se najpre izvrši rekonstrukcija željenog CPICH signala, a zatim
i njegovo
oduzimanje
od
primljenog
signala.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
Blok dijagram
postupka poništavanja interferencije (CPICH signala) za
predloženiIC-IPDL sistem
u cilju rešavanja hearability problema u pozicioniranju OTDOA metodom
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
IC IPDLIC IPDL
Tabela. Procenti
radijalne
greške
do 100m i 300m kod
IPDL i IC-IPDL
SredinaIPDL IPDL metodmetod ICIC--IPDL IPDL metodmetod
100m 300m 100m 300m
Bad Urban 32.4 % 81.6 % 31.2 % 81.2 %
Urbana 83.8 % 98.2 % 81.0 % 96.7 %
Sve
sredine 59.4 % 91.1 % 57.0 % 89.9 %
•U tabeli su verovatno
će
da
radijalna
greška
bude
manja
od
100m i 300m zasredine
Bad Urban, Urbana i sve sredine (usrednjeno).
•Prime
ćujemo
da
obe
metode
imaju
približno
iste
performanse
po
pitanjutačnosti
pozicioniranja, iako
IC-IPDL ne prekida
emisiju
pilot signala, što joj je prednost jer se ne narušava stabilnost sistema.
•
CVB tehnika je IC-IPDL tehnika koja primenjuje algoritam poništavanja interferencije na sve downlink
kanale a ne samo pilot signale, CPICH.
•
CVB je zapravo naziv softverskog procesa kojim se u okviru SMLC vrši eliminacija interferencije iz primljenog signala.
•
Implementacija CVB tehnike je vrlo jednostavna, obzirom da zahteva samo sitne softverske izmene na nivou mobilne i baznih stanica.
•
Hearability, tj. broj
baznih
stanica
sa
kojih
se vrši
merenje
je duplo
veći
nego kod
IPDL u istim
uslovima.
•
Procene performansi CVB tehnike pokazuju, osim dostupnosti, i moguća znatna poboljšanja i po pitanju tačnosti pozicioniranja, obzirom da je očekivana greška pozicioniranja oko 20m u 67% slučajeva procene pozicije.
•
Ova metoda
se pokazala
dosta
robusnija
na
prisustvo
multipath propagacije.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u UMTS OTDOA-
CVBCVB
Parametar OTDOA OTDOA-IPDL OTDOA-CVB A-GPS
Procenjena
tačnost
u 67% lokacija
50-150m 30-60m 15-30m 10-20m
Procenjena
tačnost
u 95% lokacija
Nemogućnost
lociranja 150m 80m Nepoznata
Nemogućnost
pozicioniranja
Zona
oko
centra
ćelije(30% ćelije),
prebacivanje
na
Cell-ID
Otkazi
se dešavaju
na
periferiji
ćelije
(5% ćelije), nema
rezervne
metode
Zona
oko
centra
ćelije(5% ćelije),
prebacivanje
na
Cell-ID
Indoor
ili
na
mestima
gde
nema
vidljivosti
satelita
Kompleksnost
UE Srednja Visoka Mala Visoka
Operaciona
kompleksnost Srednja
Visoka-
konfiguracija
i održavanje
idle perioda
Srednja Niska
Tolerancija
na
multipath Mala Mala Velika Zavisi
od
LOS ka satelitima
ZadovoljvaE-911 zahteve
II faze
Ne Verovatno Da Da
Uticaj
na
kapacitet
radio linka
Zanemarljiv
Visok
(0.3-6% kapaciteta,
tipično
ekvivalentno
sa
2 govorna
kanala)
Nizak Nizak-koriste
se pomoćni
podaci
Pregled
karakteristika
CVB u
odnosu
na
metode
OTDOA, OTDOA-IPDL i A-GPS.
Vidimo
da
CVB ima
karakteristike
uporedive
sa
A-GPS metodom
koja
za
pozicioniranje
koristi
i satelitsku
i ćelijsku
infrastrukturu
i za
koju
se smatra
da
ima
najbolje
performanseod
metoda
do sada
standardizovanih.
A-GNSS (A-GPS)
GPS
•
A-GNSS je metoda pozicioniranja standardizovana i u GERAN i u UTRAN i u LTE.
•
Za razliku od prethodnih metoda pozicioniranja koje su čisto ćelijske, A-GNSS se oslanja na satelitsku infrastrukturu, tj. postojeće sisteme za globalno pozicioniranje:
–
GPS
(Global Positioning System) –
SAD
(globalni navigacioni sistem, operativan, razvijen 1973.god, skroz operativan od 1994. god)
–
GLONASS
(GLObal
NAvigation
Satellite System) –
Rusija
(globalni navigacioni sistem, operativan)
–
Galileo
–
EU
(globalni navigacioni sistem, plan da bude operativan od 2014. god. a kompletno od 2019.god)
–
Compass
(Compass Navigation System) –
Kina
(globalni navigacioni sistem, plan da bude kompletno operativan od 2020.god.)
–
Beidou
–
Kina (regionalni navigacioni sistem, operativan, pokriva Aziju i zapadni Pacifik)–
IRNSS
(Indian Regional Navigation Satellite System) –
Indija
(regionalni navigacioni sistem, pokriva Indiju i deo Indijskog okeana, plan da bude operativan od 2014. god)
–
QZSS
(Quasi-Zenith Satellite System)
–
Japan (regionalni navigacioni sistem, operativan, pokriva Aziju i Okeaniju)
•
Najpopularniji od postojećih satelitskih sistema za globalno pozicioniranje je GPS, pa se pod pojmom A-GNSS zapravo podrazumeva A-GPS
(Assisted Global Positioning System) metoda pozicioniranja.
•
Da
bi se u potpunosti
shvatio
princip
rada
stadardizovane A-GPS netode pozicioniranja, potrebno je ukratko se osvrnuti na princip rada samog GPS
sistema.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
GPS
(Global Positioning System) je sistem za globalno pozicioniranje koje se bazira na:
1.
korišćenju satelita stacioniranih u Zemljinoj orbiti kao referentnih tačaka2.
korišćenju parametra TOA
(Time Of Arrival) za procenu nepoznate lokacije prijemnika na Zemlji
3.
primeni cirkularne lateracije
za konačan proračun nepoznate lokacije prijemnika na Zemlji
4.
primeni metode najmanjih kvadrata –
LS (Least Square) metode.
•
GPS sistem u klasifikaciji pozicioniranja pripada samostalnom tipu infastrukture.
•
GPS pozicioniranje je pozicioniranje mobile-based
tipa.
GPS
GPS•
GPS sistem se sastoji iz tri segmenta:1.
kosmički
2.
kontrolni (zemaljski) i3.
korisnički (zemaljski).
••
KosmiKosmiččki segmentki segment
čine nominalno 24 satelita (za pokrivanje čitave zemaljske kugle dovoljan broj satelita je 21, mada je njihov broj trenutno znatno veći i od 24 – od decembra 2012. ima ih 32).
•
Sateliti su raspoređeni u 6 orbita (nominalno po 4 u orbiti), koje su međusobno raspoređene pod uglom od 60°.
GPS –
kosmički segment
•
GPS je tipičan MEO (Medium Earth Orbit) sistem, sa orbitama na visini od oko 20200km (u odnosu na nivo mora).
•
Visina satelitskih orbita i brzina satelita je izabrana na takav
način da svaki satelit svoju orbitu pređe dva puta na dan (za 24 sata), što obezbeđuje da je u svakom trenutku, sa svake tačke Zemaljske kugle vidljivo najmanje 4 satelita što je dovoljan broj za cirkularnu lateraciju (3D).
•
Ipak, u najvećem broju slučajeva, broj vidljivih satelita na zemlji je veći od 4 (najčešće je između 5 i 10 vidljivih satelita), što značajno povećava tačnost pozicioniranja.
•
Oficijelni naziv satelita je Space Vehicle (SV), i svaki od njih ima serijsku numeričku oznaku Space Vehicle Number (SVN).
GPS –
kontrolni segment
•
Kontrolni segment
je smešten na zemlji i zadužen je za monitoring i kontrolu kosmičkog segmenta.
•
Sastoji se od 5 zemaljskih stanica izabranih tako da se svaki signal može nadgledati i kontrolisati 92% vremena.
•
Sve ove stanice (tzv. Monitor Stations) opremljene su GPS prijemnicima za nadgledanje i praćenje GPS satelita u kosmičkom segmentu. Nadgledanje obuhvata:–
kontrolu stanja satelita (prvenstveno se misli na ispravnost)
–
kontrolu orbita satelita –
kontrolu časovnika na satelitima.
•
Prikupljene podatke, ove stanice šalju glavnoj kontrolnoj stanici (Master Control Station) koja se nalazi u Kolorado Springsu.
GPS
•
Glavna kontrolna stanica na osnovu podataka sa ostalih kontrolnih stanica vrši proračune i korekcije za svaki satelit (ažuriraju se podaci o njihovoj tačnoj poziciji i vrše korekcije vremena) –
ovo su kontrolne
poruke.
•
Kontrolne poruke se svakom satelitu prosleđuju preko jedne od tri uplink stanice (Uplink Stations) –
Ground Antenna.
GPS –
korisnički segment
•
Ažuriranje se vrši dva puta dnevno, čime se vrše fina podešavanja sistema.
•
Novija generacija satelita je u stanju da međusobno komunicira i sinhronizuje podatke, pa preciznost određivanja pozicije ne bi bila bitno narušena ni kad bi sateliti danima radili nezavisno od kontrolne komponente na Zemlji.
•
Korisnički segment
čine
GPS prijemnici
koji
se sastoje
od
antene, podešene na frekvencije GPS satelita, kvarcnog
oscilatora
koji
služi
kao
časovnik
i mikroprocesora
koji
obrađuje
signale.
GPS signali
•
Kao što je rečeno, GPS se zasniva na proceni rastojanja između prijemnika na zemlji (korisnički segment) i barem četiri satelita (kosmički segment), gde se zatim primenjuje cirkularna lateracija (ako ima više od dovoljnog broja satelita primenjuje se i LS metod – metod najmanjih kvadrata).
•
Procena rastojanja između prijemnika na zemlji i satelita vrši se na osnovu merenja propagacije signala sa satelita do prijemnika na zemlji (TOA parametar).
•
Za procenu rastojanja koriste se pilot signali (2 pilot signala) koji se emituju sa satelita.
•
Pilot signali
(nosioci) sa satelita nose dve vrste informacija:–
prvo, to su dva različita tzv. ranging
koda (C/A i P kodovi) koja se koriste za procenu vremena propagacije signala sa satelita, a imajući u vidu i prostiranje brzinom svetlosti, i procenu rastojanja između satelita i prijemnika neophodnih za cirkularnu lateraciju,
–
drugo, to je tzv. navigaciona poruka (navigation message) koja sadrži pomoćne podatke neophodne za pozicioniranje, kao što su: orbite satelita, korekcije vremena, kao i dodatne sistemske parametre.
•
Noseće učestanosti pilot signala su birane tako da bi signali sa satelita
bili što imuniji na uticaj jonosferske propagacije i vremenskih uslova.
•
Te učestanosti su dalje birane kao celobrojni umnošci osnovne učestanosti takta na satelitima, f0
=10.23MHz.
•
To su tzv. L1
i L2
nosioci i njihove učestanosti su: fL1
=f0
*154=1575.42MHz i fL2
=f0
*120=1227.6MHz
GPS signali
•
GPS sistem koristi tehniku proširenog spektra, kako bi signali bili manje osetljivi na izobličenja i ometanja
(jamming) nego da su
konvencionalni uskopojasni signali.
•
To sa druge strane doprinosi poboljšanju pouzdanosti GPS servisa.
•
GPS takođe koristi prošireni spektar i za razdvanjanje signala sa različitih satelita, tj. bazira se na višestrukom pristupu sa kodnom raspodelom (CDMA).
•
Oficijelni GPS naziv za spreading
kod je tzv. PRN
kod (Pseudorandom Noise code).
•
Kao što je rečeno, postoje dve vrste ovih kodova:1.
C/A kodovi (coarse acquisition codes)
2.
P kodovi (precise codes)
GPS signali i kodovi
GPS signali i kodovi
•
Kao što im samo ime kaže, C/A kodovi
omogućavaju osrednji nivo tačnosti pozicioniranja prijemnika na zemlji, dok se P
kodovi
omogućavaju znatno veću tačnost pozicioniranja.
•
Namerno su razdvojeni kako bi se C/A-kodovi koristili samo za civilne i vojne primene, a P-kodovi samo za vojne primene ali isključivo vojske i Vlade Sjedinjenih Američkih Država i NATO (u čijem se vlasništvu i nalazi čitav GPS sistem).
•
C/A kod moduliše L1 nosilac, dok P-kod moduliše i L1 i L2 nosioce.
•
C/A kod se sastoji od 1023 čipa i ponavlja se na svakih 1ms, što rezultuje zahtevanim opsegom od 1MHz.
•
C/A kodovi su ustvari Gold kodovi koji se formiraju u skladu sa određenom konfiguracijom LFS registara (Linear
Feedback
Shift
Registers), i odlikuju se dobrom autokorelacionom funkcijom.
GPS signali i kodovi
•
Svaki satelit ima svoj C/A kod i zbog dobrih autokorelacionih osobina (vrlo uzak i izražen korelacioni pik) prijemnici mogu lako razdvojiti signale koji dolaze sa različitih satelita.
•
Svaki C/A kod se može identifikovati preko PRN-broja, koji se može koristiti za identifikaciju satelita umesto njegovog SVN (space vehicle number
–
pomenut na početku).
•
Za razliku od C/A koda, P-kod je vrlo dugačak kod (ponavlja se posle 38 nedelja!) i sastoji se od oko 1014 čipova. On simultano moduliše i L1 i L2 nosilac, čipskom brzinom od 10.23MHz.
•
Za razliku od C/A kodova, postoji samo jedan P-kod kojeg dele svi sateliti i gde je svakom satelitu dodeljen određeni segment u trajanju od jedne nedelje.
•
Pre modulacije L1 nosioca, C/A kod se najpre kombinuje sa navigacionom porukom koja, kao što je rečeno, sadrži pomoćne podatke neophodne za pozicioniranje.
•
Kombinacija C/A i navigacione poruke, zajedno sa P-kodom, moduliše L1 nosilac (koristi se BPSK modulacija).
•
Za razliku od L1, L2 nosilac je modulisan samo P-kodom.
GPS signali i kodovi
GPS signali i kodovi
•
Planovi su da se narednih godina u cilju povećanja tačnosti GPS za civilne korisnike, uvede još
jedan nosilac (tzv. L5).
•
Naime, bolja tačnost
za vojne primene (USA, NATO) posledica je činjenice da se određivanje rastojanja između satelita i prijemnika vrši merenjima na dva nosioca (L1 i L2). To je tzv. dual-frequency ranging.
•
Određivanje rastojanja pomoću dva nosioca je jako bitno jer se tako eliminiše uticaj jonosferskog kašnjenja (o kojem će kasnije biti reči).
•
Stoga, primena dual-frequency ranging-a i za civile znatno bi poboljšala tačnost pozicioniranja.
GPS Navigaciona poruka
•
Kao što je rečeno, navigaciona poruka
sadrži sve neophodne informacije za pozicioniranje prijemnika u realnom vremenu, posebno poziciju satelita na orbiti, informacije o korekciji vremena (jer je tačnost merenja vremena ključna stvar za procenu rastojanja između satelita i prijemnika na zemlji,...)
•
Navigaciona poruka ima frame
strukturu, gde se svaki frejm sastoji od 5 podfrejmova u kojima su svi gore pomenuti podaci.
•
Svaki podfrejm (subframe) počinje sa dve reči:–
TLM
(telemetry) označava početak novog podfrejma što je bitno za
sinhronizaciju prijemnika i –
HOW (handover word) sadrži TOW (time of week) parametar koji je bitan za sinhronizaciju P-koda (bitna samo za korisnike koji mogu primati P-kod).
•
Prvi podrfejm sadrži tzv. GPS week number, SV accuracy and health, tj. stanje konkretnog satelita (tj. ispravnost navigacionih poruka sa tog satelita) kao i podatke o korekciji vremena.
•
Drugi i treći podfrejm
nose tzv. ephemeris podatke. Ti podaci sadrže sve neophodne informacije na osnovu kojih prijemnik na zemlji može izračunati tačnu poziciju satelita (referentne tačke) u svemiru (u orbiti) kada signal sa njega koristi za procenu rastojanja.
GPS Navigaciona poruka
•
Četvrti i peti podfrejm nose tzv. almanac i health
podatke za sve satelite.
•
Almanac čine zapravo ephemeris
podaci za sve satelite
i podaci o korekciji vremena za sve satelite.
•
Almanac
podaci imaju vrlo bitnu ulogu u pogledu parametra TTFF (time to first fix) GPS prijemnika, obzirom da obezbeđuju podatke o konstelaciji satelita u trenutku uključivanja prijemnika (ne mora se gubiti vreme na identifikaciju satelita preko kros korelacije C/A kodova!).
•
Treba pomenuti kao bitne i tzv. jonosferske podatke (ionospheric data), koji nose vrednost jonosferskog kašnjenja jako bitnog za tačnu procenu rastojanja (jonosfera vremenski usporava signal sa satelita pa procena vremena propagacije a time i rastojanja može biti loša ako se ne zna koliko je to kašnjenje).
GPS Navigaciona poruka
•
Almanac
podaci koje nosi navigaciona poruka su prilično veliki (tu staju podaci za sve satelite) i oni ne mogu stati u samo jedan frejm, u prethodno opisanoj strukturi.
•
Zato se navigaciona poruka organizuje kao skup od 25 frejmova –
masterframe
struktura.
•
U takvoj strukturi, podfrejmovi 1, 2 i 3 se ponavljaju u svakom frejmu, dok sa druge strane svaki frejm nosi samo deo almanac
i ostalih podataka podfrejmova 4 i 5.
GPS Navigaciona poruka
GPS servisi
•
GPS sistem nudi dva osnovna servisa:–
SPS (Standard Positioning Service) i –
PPS (Precise Positioning Service).
•
Zajedničko za oba servisa je da su dostupna 24 sata u bilo kojoj tački zemaljske kugle i to bez bilo kakve naplate.
•
Razlika je u tačnosti pozicioniranja, što je u vezi sa različitim grupama korisnika kojima su namenjeni.
•
SPS
servis je namenjen pozicioniranju civilnih korisnika (baziran je na C/A-
kodu koji se uz navigacionu poruku prenosi na nosiocu L1).
•
PPS
je namenjen za pozicioniranje za vojne namene (baziran je i na C/A i na P-
kodu koji je se prenose nosiocima L1 i L2).
•
Upotreba PPS je ograničena isključivo na autorizovane korisnike (USA vojska i Vlada, NATO) i zahteva specijalne uređaje
koji mogu dešifrovati P-kodove.
•
Tokom razvoja GPS sistema, inicijalno je bio cilj da se civilnim
SPS korisnicima omogući manja tačnost pozicioniranja u odnosu na PPS korisnike na prethodno opisani način.
•
Ipak, ubrzo se shvatilo da SPS korisnici, sa dovoljnim brojem vidljivih satelita, mogu postići tačnosti vrlo bliske PPS korisnicima.
•
Zbog toga je američko Ministarstvo Odbrane, USA DoD (Department of Defense) rešilo da uvede opciju koja se naziva selektivna dostupnost
(SA –
Selective Availability), koja bi SPS korisnicima omogućila namerno unošenje grešaka pozicioniranja.
•
Ova opcija implementirana je marta 1990. godine a ukinuta 2000. godine, od strane predsednika SAD.
•
Umesto SA opcije, odlučeno je da se namerna greška u SPS unosi samo na području kada i gde je to potrebno, kako korisnici u ostatku sveta ne bi trpeli posledice.
•
2007. god. Ministarstvo odbrane SAD objavilo plan o potpunom ukidanju opcije SA i da budući sateliti (GPS III) neće ni imati mogućnost unošenja SA.
GPS servisi
GPS pozicioniranje
•
GPS pozicioniranje, odnosno, određivanje lokacije prijemnika na zemlji pomoću GPS satelita, sastoji se iz 3 koraka:1.
identifikacija satelita
2.
određivanje rastojanja3.
računanje lokacije.
•
Identifikacija satelita
predstavlja prvi korak u kojem prijemnik na zemlji čija se lokacija određuje mora identifikovati koje satelite (koji su razdvojeni različitim C/A kodovima) iz kosmičkog segmenta će koristiti za merenja vremena, odnosno, pozicioniranje.
•
Najčešće, broj GPS broj satelita dostupnih GPS prijemniku za pozicioniranje iznosi od 5 do 10.
GPS pozicioniranje
•
Procedura identifikacije satelita zavisi od stanja u kojem se GPS prijemnik nalazi.
•
Ukoliko GPS prijemnik nema nikakve informacije o poslednjoj proračunatoj poziciji kao i almanac
podatke, on mora osluškivati L1
nosilac i porediti (autokorelacija) primljene C/A kodove sa svim postojećim C/A kodovima (za sve satelite).
•
Na taj način otkriva pridružene PRN brojeve i time identifikuje vidljive satelite.
•
Ova procedura se zove cold start-up.
GPS pozicioniranje
•
Sa druge strane, ako su prijemniku poznati podaci o poslednjoj poziciji kao i almanac
podaci, GPS prijemnik se nalazi u warm start-up
stanju.
•
Na osnovu ovih podataka, prijemnik može gubo proceniti trenutnu konstelaciju satelita koja mu pomaže da smanji prostor pretrage po svim C/A kodovima a time i skrati vreme za identifikaciju satelita.
•
Najzad, ovo vreme može biti dodatno skraćeno ukoliko prijemnik ima i ephemeris
podatke, što mu omogućava vrlo tačno utvrđivanje
konstelacije satelita praktično i bez C/A kodova.
•
Ova procedura se zove hot start-up.
GPS pozicioniranje
•
Dodatno, čitava start-up procedura je dodatno zakomplikovana zbog uticaja Doplerovog efekta, odnosno, postojanja priličnog Doplerovog pomeraja (zbog brzog kretanja satelita) L1 i L2 signala.
•
Usled toga, prijemnik mora utrošiti dodatno vreme kako bi se tačno podesio na nosioce L1 i L2 koji su pretrpeli Doplerov pomeraj (dodatno povećanje TTFF).
•
U slučaju jeftinijih GPS prijemnika, trajanje hot start-up
procedure iznosi oko 5-10s, warm start-up
procedure oko 30-40s, dok cold start-up
može
trajati i do nekoliko minuta.
•
Od svih identifikovanih satelita, prijemnik bira najmanje 4 koja
će koristiti za pozicioniranje.
•
Izbor satelita zavisi od geometrije između satelita (condition number!).
GPS pozicioniranje
•
Nakon identifikacije i izbora satelita, vrši se određivanje rastojanja
merenjem vremena propagacije signala (TOA).
•
Treba podsetiti da se u slučaju procene rastojanja preko TOA parametra zahteva kompletna sinhronizacija između predajnka (satelita u ovom slučaju) i prijemnika.
•
U slučaju GPS to nije ostvareno jer sateliti koriste vrlo tačne atomske časovnike, dok su, zbog cene, GPS prijemnici opremljeni običnim kvarcnim časovnicima.
•
Za kompenzaciju vremenskog ofseta (ε) u slučaju GPS primenjuje se ideja da se, osim promenljivih koje označavaju lokaciju GPS prijemnika (x, y, z) uvede i dodatna promenljiva –
nepoznati vremenski ofset ε.
•
Naravno, u tom slučaju sistem jednačina u cirkularnoj lateraciji mora biti proširen što se potiže uvođenjem informacija sa dodatnog satelita (isti princip kao i kod ćelijskih sistema!).
GPS pozicioniranje
•
Najzad, nakon procene rastojanja vrši se proračun lokacije
GPS prijemnika na zemlji primenom cirkularne lateracije.
•
Treba podsetiti da su u formulama za cirkularnu lateraciju neophodne i koordinate referentnih tačaka (satelita) koji se koriste u pozicioniranju.
•
Ovi podaci dobijaju se na osnovu ephemeris
podataka iz navigacione poruke.
•
U slučaju kada postoji veći broj vidljivih satelita od neophodnog za cirkularnu lateraciju, u cilju povećanja tačnosti koriste se i podaci sa tih satelita (procenjuju rastojanja i koordinate satelita) i primenjuje metod najmanjih kvadrata (LS).
•
Najzad, dobija se proračunata lokacija GPS prijemnika na zemlji (u 3D).
podsećanje:cirkularna lateracija
GPS pozicioniranje
Greške GPS pozicioniranja
•
Sve greške koje utiču na tačnost određivanja lokacije GPS prijemnika na zemlji na prethodno opisani način, mogu se svrstati u tri kategorije: 1.
greške
koje
potiču
sa
satelita,
2.
greške
koje
potiču
od
prijemnika
i 3.
greške koje potiču od sistema za prenos, atmosferskih
efekata.
Greške GPS pozicioniranja greške sa satelita
•
Greške sa satelita su:–
ephemeris
greške
–
greške na atomskim časovnicima na GPS satelitima–
međusobni položaj satelita (u geometrijskom smislu) koji se koriste u pozicioniranju (condition number)
–
Doplerov pomeraj.
•
Greške
ephemerisa nastaju
predikcijom
pozicije
satelita
na orbiti
i prenose
se do krajnjeg
korisnika
putem
navigacione
poruke.
•
S obzirom
da
se ephemeris
podaci
emituju
na
svakih
30 sekundi, do greške dolazi usled zastarelosti tih podataka i odstupanja satelita od projektovane putanje, što je gotovo nemoguće precizno oceniti i eliminisati prilikom modelovanja orbita satelita.
Greške GPS pozicioniranja greške sa satelita
•
Greške na atomskim časovnicima na GPS satelitima utiču na tačnost merenja rastojanja.
•
Glavna kontrolna stanica (kontrolni segment) prati stanje ovih časovnika, i
njihova
odstupanja
u odnosu
na
sistemsko
GPS vreme
održava
u određenim granicama.
•
Takođe, interesantno je razmotriti Ajnštajnove relativističke uticaje na GPS časovnike!
–
Naime, iz posebne teorije relativnosti poznato je da što se objekat kreće brže vreme na njemu protiče sporije. Usled kretanja satelita relativno velikom brzinom, oko 3.9 km/s, sa Zemlje izgleda kao da vreme na GPS časovniku na satelitu sporije teče.
–
Iz opšte teorije relativnosti poznato je da što je gravitaciono polje veće, to vreme teče sporije (zakrivljenost prostor-vreme). Dakle, obzirom da se sateliti nalaze u manjem gravitacionom polju od prijemnika na zemlji (jer su sateliti na preko 20000km), za posmatrače sa Zemlje vreme na GPS časovniku na satelitu teče brže.
–
Postoji i tzv. Sagnac-ov efekat, koji se ispoljava za korisnike na zemlji koji se kreću velikom brzinom (izražen za korisnike na ekvatoru koji se usled rotacije zemlje kreću do oko 500m/s).
•
Kada se sve uzme u obzir, relativistički vremenski ofset iznosi oko 38 µs/danu i korigovan je podešavanjem oscilatora satelita na 10.22999999545MHz, što
se na
Zemlji
(prijemniku) opaža
kao
10.23MHz!!!
Greške GPS pozicioniranja greške sa satelita
•
Kao što je poznato iz prvog dela kursa, međusobni geometrijski položaj predajnika dosta utiče na tačnost i pouzdanost pozicioniranja.
•
Ista razmatranja kao i u slučaju ćelijskih sistema važe i za GPS satelite kao referentne tačke u ovom slučaju.
Dobar položaj satelita Loš
položaj satelita(close-to-line)
Greške GPS pozicioniranja greške sa satelita
•
Doplerov
pomeraj
učestanosti
javlja
se usled
promena
međusobnog položaja
satelita
i korisnika.
•
U slučaju
kada
se predajnik
i prijemnik
kreću
jedan
ka drugom, učestanost
nosilaca
L1 i L2
na
prijemu
raste, odnosno
kada
se predajnik
i
prijemnik
udaljavaju, učestanost
nosilaca
L1 i L2
na
prijemu
opada.
•
Dakle, frekvencijski
pomeraj
realno
zavisi
od
kretanja
satelita, a GPS signali
stižu
na
učestanostima
različitim
od
učestanosti
na
kojima
su
emitovani.
•
Greške
prilikom
Doplerovog
efekta
računaju
se uzimajući u obzir brzinu satelita
i kretanje
Zemlje
i iznose
±4200 Hz.
Greške GPS pozicioniranja greške sa prijemnika
•
Greške
usled
nesavršenosti
prijemnika
korisnika
izazvane
su
šumom prijemnika, diskretizacijom
signala
i nedovoljnom
tačnošću računara.
•
Greške
šuma određene
su
prvenstveno hardverskim kvalitetom
samog prijemnika.
•
Greške
diskretizacije
nastaju
usled
digitalnog
metoda
merenja, pri
kome se kašnjenje
koda
i Doplerova
frekvencija
menjaju
diskretno.
•
Greške
računara
nastaju
zbog
ograničenog
broja
bita
procesora, nedovoljne
tačnosti
algoritama
i kašnjenja
pri
izvršavanju
komandi.
Greške GPS pozicioniranja greške sistema za prenos
•
Greške sistema za prenos
nastaju usled:–
uticaja jonosfere
–
uticaja troposfere–
NLOS i multipath propagacije.
•
Nakon ukidanja SA opcije (selektivna dostupnost) 2000. godine, najveći uticaj na grešku pozicioniranja ima jonosferska propagacija.
•
Uticaj jonosfere ogleda se u usporavanju signala sa satelita do prijemnika pri prolasku kroz jonosferu (jonosferska refrakcija).
•
Uticaj jonosferske refrakcije zavisi od učestanosti signala kao i gustine slobodnih elektrona (koja se menja kako u vremenu tako i u prostoru –
to konkretno znači da zavisi od vremena kao i mesta na Zemlji gde se vrši pozicioniranje).
Greške GPS pozicioniranja greške sistema za prenos, jonosfera
•
Greška usled jonosferske refrakcije može biti od 50m do 150m u zavisnosti gde se GPS prijemnik na zemlji nalazi.
•
Za smanjenje uticaja jonosfere tj. greške koju izaziva, svaki satelit vrši grubu procenu jonosferskog kašnjenja i to šalje GPS prijemiku u okviru navigacione poruke (ionospheric data
–
videti slajd No63) kako bi se
izmerena vremena korigovala za ovu vrednost.
•
Naravno, a kao što je već
rečeno, mnogo efikasniji način eliminisanja uticaja jonosfere je primena dual-frequency ranging-a (korišćenje merenja sa oba nosioca, i L1 i L2), ali to je za sada još uvek rezervisano za vojne primene (ipak, planirano je uvođenje još
jednog nosioca L5 za
civile).
Greške GPS pozicioniranja greške sistema za prenos
Pozicioniranje bez (slika a) i sa (slika b) unošenja korekcije za jonosferskeefekte (dual-frequency ranging)
a) b)
Greške GPS pozicioniranja greške sistema za prenos, troposfera
•
Kao i u slučaju jonosfere, signal na putu sa satelita do zemlje trpi i troposfersko kašnjenje.
•
Ovo kašnjenje ne zavisi od učestanosti signala, već
od vazdušnog pritiska, koncentracije vodene pare kao i temperature.
•
Usled toga, nije ga moguće eliminisati primenom određivanja rastojanja sa 2 nosioca, tj. dual-frequency ranging-om.
•
Grešku troposfere nije moguće ni na bilo koji drugi način eliminisati, pa se samo njen uticaj uračunava u konačnu procenu rastojanja.
Greške GPS pozicioniranja greške sistema za prenos, NLOS, multipath
•
Sva razmatranja po pitanju GPS pozicioniranja važe pod osnovnom pretpostavkom – da između predajnika (satelita) i prijemnika na zemlji postoji direktna optička vidljivost.
•
Ovo je posledica toga da su signali sa satelita na ulazu u prijemnik već dosta slabi i da teško prodiru kroz prepreke jer su već
isuviše oslabljeni.
•
Problemi se često javljaju i u outdoor
uslovima (gusta urbana okruženja, šume) kada su LOS uslovi sa nekim satelitima narušeni, dok je u indoor
uslovima pozicioniranje praktično nemoguće.
•
Ipak, poslednjih godina, tehnologija prijemnika brzo napreduje, pa su planovi da se modernijim prijemnicima poveća osetljivost kako bi mogli detektovati vrlo oslabljene signale sa GPS satelitima u indoor
uslovima.
Greške GPS pozicioniranja greške sistema za prenos, NLOS, multipath
•
Multipath takođe može biti uzrok grešaka procene pozicije pomoću GPS sistema.
•
Ovaj efekat je izražen u urbanim okruženjima gde deo signala sa satelita dolazi direktnom a deo reflektovanom putanjom, usled čega može doći do greške u proceni vremena prispeća signala od satelita do prijemnika.
Greške GPS pozicioniranja greške pozicioniranja
Vrsta greške Vrednost greške (m)
Greška efemerisa 2 -
5
Greška časovnika satelita 1.5 –
3.6
Šum prijemnika 0.3 –
1.5
Hardverska
zaostajanja
signala 0.1 -
1
Multipath 0.1 –
2.7
Uticaj jonosfere (prosečni model) 5 -
12
Uticaj troposfere 0.1 -
1
GPS budućnost...
•
Kao što je pomenuto, jedan od budućnih poboljšanja GPS pozicioniranja ide u smeru rešavanja problema pozicioniranja u indoor
uslovima, i to
povećanjem osetljivosti budućih GPS prijemnika.
•
Osim izmena na korisničkom segmentu, planiraju se i imene na kosmičkom segmentu, gde se ide na povećanje izračene snage satelita budućeg modernizovanog GPS sistema.
•
Kada se kaže modernizovana verzija GPS sistema misli se prvenstveno na GPS III sistem.
•
Planira se takođe ubacivanje dodatnih civilnih ali i vojnih nosilaca, kao i dodatnog broja satelita (tzv. Block III). Lansiranje planirano za 2014. god. a operativnost za 2021. god.
GPS budućnost...
•
Osim pomenutih planova, poboljšanja se očekuju i u smanjenju parametra TTFF.
•
Brže vreme prvog fiksiranja pozicije postiže se budućom infrastrukturom GPS satelita koji će biti u stanju da emituju tzv. future efemeris podatke.
•
Takvi podaci uključuju buduće informacije o parametrima satelitskih orbita i vremenu u narednih 14 dana.
•
Modernizacija
kontrolnog
segmenta
takođe
će se postići
postavljanjem novih
kontrolnih
stanica
i dodavanjem
novih
tehnika
procesiranja
kako
bi
se redukovale
greške
vezane
za
određivanje
položaja
i vremena.
•
Postoji
i ideja mogućnost
jedinstva
svih
GNSS sistema, pri
čemu
za pozicioniranje bilo na raspolaganju
preko
130 satelita!
GPS budućnost...
•
U svakom slučaju, izvesna je kooperacija
GPS i Galileo (ugovor o saradnji 2004. god.).
•
Galileo, kontrolne
stanice
u Minhenu
(Nemačka) i Fucino (Italija). Headquarters
Galileo projekta je Prag (Češka).
•
Galileo: 30 satelita
(27 aktivna
+ 3 rezerve)–
tačnost pozicioniranja: oko 1m–
osnovni
servisi
besplatni
i otvoreni za sve –
visokoprecizni komercijalni servisi će se naplaćivati ili biti dostupni samo u vojne svrhe.
•
Posebni upgrade
u odnosu na postojeće sisteme biće mogućnost globalne potrage i spasavanja ljudi. Ova funkcija je omogućena zahvaljujući tome što će sateliti Galileo sistema biti opremljeni transponderima koji će SOS signal od korisnika usmeravati ka Centru za spasavanje, uz istovremeno obaveštenje korisniku da je pokrenuta akcija njegovog spasavanja.
•
Oktobra 2011. lansirana prva 2 satelita, 2012. god. još
2, a završetak lansiranja svih planiranih satelita (30) planirano je za 2019. god.
GPS budućnost...
•
Quazi-Zenith Satellite System (QZSS)
–
japanski
navigacioni
sistem,
operativan, namenjen
povećanju tačnosti GPS sistema u oblasti Japana.
•
Najnoviji projekat je modifikacija ovog sistema za satelitsko pozicioniranje centimetarske tačnosti (1.3cm horizontalno i 2.9cm vertikalno) kao i povećanje dostupnosti satelitskog lociranja.
•
Projekat je započeo septembra 2010 god. lansiranjem prvog Quazi-Zenith satelita
(QZS-1), popularnog
kao
“Michibiki”. –
do 2017. god. planira
se lansiranje
još
3 ovakva satelita (Mitsubishi), a kasnije još
tri, tako da je ukupni planirani broj 7 QZS. –
odvojeno je oko 500 miliona $ za satelitski sistem (3 satelita do 2017. god.) i još
1.2 milijarde $ za upgrade zemaljskih referentnih stanica (plan
je da ih ima oko 1200).
GPS budućnost...
•
Putanja ovih 7 planiranih satelita biće takva da ima oblik asimetričnog broja osam, pri čemu će najširi deo ove putanje dosezati do Australije, a najuži pokrivati Japan.
•
Na taj način će bar jedan od ovih satelita uvek biti vidljiv visoko na nebu bilo gde iznad Japana (zato se i zove Quazi-Zenith).
•
To će omogućiti korisnicima u Japanu da praktično uvek imaju dovoljan broj satelita za precizno pozicioniranja (čak i u tzv. urbanim kanjonima, tj. između visokih zgrada, gde obični GPS nema dobre performanse).
GPS budućnost...
•
Pored toga, Japanska Vlada planira da ovaj sistem koristi i za broadcast poruka upozorenja u slučaju katastrofa (npr. čestih zemljotresa u ovom
delu sveta), kada bi se moglo desiti da Zemaljski sistemi komunikacije prestanu sa radom.
•
Po planu Vlade Japana, ovakve poruke bi se slale ka QZS satelitima, koji bi onda poruke za opasnost prosleđivale ka svim korisnicima na istoj učestanosti ili delu teritorije.
•
Procene su da bi kompletan ovakav sistem bio znatno jeftinija varijanta u odnosu na evropski Galileo sistem (čija je procenjena cena oko 6.9 milijardi $).
•
Na osnovu svega rečenog u vezi GPS sistema, kao logična se nametnula ideja o mogućoj primeni GPS za potrebe pozicioniranja korisnika u ćelijskim mrežama, odnosno, za potrebe LCS.
•
Ipak, imajući u vidu FCC zahteve po pitanju LCS, GPS u sadašnjem trenutku pokazuje vrlo ozbiljne nedostatke, kao što su: –
loša energetska efikasnost, odnosno, velika potrošnja baterije GPS prijemnika,
–
moguće veliko kašnjenje usled velike vrednosti TTFF (Time To First Fix), kao i
–
loša dostupnost, naročito u indoor
okruženju.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Dakle, obična integracija GPS prijemnika u mobilne stanice ne bi zadovoljiva nametnute FCC zahteve
po pitanju LCS sevisa, bez obzira na
visoku tačnost GPS sistema i globalnu dostupnost.
•
Kao što je rečeno, integrisani GPS prijemnik u mobilnom terminalu značajno doprinosi potrošnji baterije usled njegove aktivacije.
•
Ako bismo problem pokušali rešiti tako da se GPS prijemnik aktivira samo pri konkretnom zahtevu korisnika (da bi se izbeglo punjenje
baterija mobilnih telefona nekoliko puta dnevno), javio bi se dodatni problem -
GPS prijemnici našli bi se često u warm
ili čak cold
start-up
stanju, čija vrednost TTFF bude totalno neprihvatljiva zahtevima FCC!.
•
I naravno, ostaje nedostupnost pozicioniranja tj. LBS servisa u indoor uslovima, što takođe nije u skladu sa FCC zahtevima.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
U cilju da se iskoristi dobra tačnost GPS sistema u pogledu pozicioniranja, a da se istovremeno izbegnu prethodno pomenuti problemi, nastala je ideja o integraciji GPS sistema i ćelijskih mreža, koja je proizvela novu, satelitsko-ćelijsku metodu pozicioniranja, A-GPS.
•
Osnovna ideja A-GPS metode pozicioniranja je formiranje tzv. GPS referentne mreže.
•
Alternativni naziv ove mreže je wide-area
DGPS (Differential GPS) mreža.
•
Lokacija GPS referentne mreže unutar postojeće ćelijske mreže birana tako da je uvek obezbeđena optička vidljivost prijemnika referentne mreže i satelita koji se u tom trenutku nalaze iznad tog dela zemljine kugle.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Ova mreža je povezana sa ćelijskom mrežom, a zadatak joj je da kontinualno nadgleda konstelaciju satelita i obezbeđuje pomoćne podatke za potrebe pozicioniranja kao što su: –
gruba lokacija mobilne stanice (najčešće je to lokacija servisne bazne stanice),
–
vidljivost satelita, –
ephemeris
podaci,
–
almanac–
korekcije vremena kao i
–
Dopplerov pomeraj.
•
Za potrebe A-GPS metode pozicioniranja nije neophodno da se svaka bazna stanica opremi sopstvenom referentnom mrežom.
•
Umesto toga, jedna referentna mreža dovoljna je za pokrivanje područja poluprečnika od oko 200km.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Osim izmena na nivou mreže, A-GPS metoda zahteva i izmene na nivou mobilne stanice, koja mora biti opremljena GPS prijemnikom (ili GPS senzorom).
•
Kada se javi zahtev za pozicioniranjem, pomoćni podaci koje obezbeđuje GPS referentna mreža se dostavljaju GPS prijemniku (senzoru) u okviru ciljane mobilne stanice, što omogućava brzi odziv kao i veću osetljivost samog prijemnika (podaci idu preko brze ćelijske mreže umesto sporog atelitskog linka gdeje protok oko 50bit/s).
•
Vreme akvizicije se znatno smanjuje obzirom da je lista dostupnih satelita i svi ostali podaci za pocenu rastojanja (korekcije jonosferskog kašnjenja, časovnika, ...) već
poznata GPS prijemniku mobilne stanice zahvaljujući predikciji prijemnika referentne mreže.
•
Posledično, smanjuje se i potrošnja baterije mobilne stanice kao i TTFF što su bili i ključni nedostaci obične integracije MS i GPS prijemnika.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Kao i u slučaju E-OTD metode u GSM i OTDOA u UMTS, A-GPS se može realizovati kao mobile-based
ili mobile-assisted
rešenje.
•
Mobile-assisted A-GPS pristup odlikuje se time što se konačna lokacija ne računa u okviru same mobilne stanice, već
se tradicionialna GPS funkcija proračuna pozicije prepušta ćelijskoj mreži.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Da bi podržala mobile-assisted
A-GPS mod rada, mobilna stanica mora biti opremljena tzv. GPS senzorom, što obuhvata antenu, odgovarajući RF modul kao i digitalni procesor za proračun pseudo-rastojanja.
•
Na osnovu pomoćnih podataka koje dobija od referentne mreže, GPS senzor računa neophodna rastojanja od satelita koja zatim prosleđuje u SMLC gde se i vrši konačan proračun lokacije.
•
Mobile-based A-GPS pristup, za razliku od mobile-assisted
A- GPS, zahteva instalaciju kompletnog GPS prijemnika u okviru
mobilne stanice.
•
Razlog je taj što se u okviru mobile-based
pristupa u okviru mobilne stanice vrši i konačni proračun lokacije.
•
Scenario je isti kao u slučaju mobile-assisted
A-GPS pristupa, samo što se proračunata rastojanja ne prosleđuju mreži, već
ih
koristi sama mobilna stanica kako bi proračunala sopstvenu poziciju.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
1.
Prijemnik u okviru referentne stanice konstantno
nadgleda
stanje
satelita, prikuplja validne podatke sa
vidljivih satelita i generiše odgovarajuće pomoćne podatke (assistance, correction)
za A-GPS metodu.
2.
Generisane pomoćne podatke referentna
stanica
šalje
ka
SMLC povremeno
ili
na
zahtev.
3.
Javlja se zahtev za pozicioniranjem (Location Request).
4.
SMLC mobilnoj stanici šalje Measure position request poruku u okviru koje se nalaze i sakupljene pomoćne informacije. Zavisno od realizacije A-GPS metode, da li je mobile-based
ili mobile-assisted, razlikuje se i sadržaj pomoćnih podataka. Identifikaciju vrste pristupa (mobile-based
ili mobile-
assisted), takođe se šalje uz zahtev za pozicioniranjem.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS), scenario pozicioniranja
5.
Na osnovu
pomoćnih
podataka, mobilna stanica
identifikuje
satelite
koji
će
se koristiti
za
računanje
potrebnih rastojanja.
6.
Ukoliko
je A-GPS metoda
realizovana
kao
mobile-based
rešenje, mobilna stanica
će, pored proračunatih
rastojanja, proračunati
i sopstvenu
poziciju
(primenom cirkularne lateracije).
7.
Ako je A-GPS metoda realizovana kao mobile-
assisted rešenje, mobilna stanica će proračunata rastojanja proslediti u SMLC (Measure position response).
8.
SMLC vrše konačan proračun pozicije mobilne stanice (mobile-assisted
pristup).
9.
Podatak o poziciji (Location response) dostavlja se inicijatoru zahteva za pozicioniranjem.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS), scenario pozicioniranja
•
A-GPS metoda pozicioniranja imaju najbolju tačnost
u odnosu na ostale metode pozicioniranja.
•
Greška pozicioniranja je najmanja u ruralnim oblastima, i iznosi svega
nekoliko
metara, dok u urbanim zonama dolazi do izražaja problem senki
naročito između visokih zgrada, pa raste i greška pozicioniranja (nasleđeno iz običnog GPS).
Prijem
GPS signala
u urbanom
okruženju
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Kašnjenje
A-GPS metode se procenjuje na 5 do 10s (kao običan GPS koji je uvek u hot start-up
stanju).
•
Dostupnost
u indoor
uslovima donekle je rešena ali na način da se na zahtev za pozicioniranjem dostave koordinate najbliže bazne stanice jer je indoor
pozicioniranje preko običnog GPS nemoguće u sadašnjem trenutku.
•
Priraštaj opterećenja A-GPS metode zavisi od toga da li je primenjena mobile-
based
ili mobile-assisted
varijanta.
•
Generalno, mobile-based
rešenje zahteva manje signalizaciono, ali veće računarsko opterećenje (na strani mobilne stanice).
•
Ozbiljan nedostatak
ove metode predstavljaju neophodne i softverske i hardverske izmene u okviru mobilne stanice, pa ovu metodu zato ne podržavaju standardni terminali.
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
•
Najzad, sva pomenuta i planirana poboljšanja GPS sistema (GPSIII) narednih godina usloviće poboljšanja i A-GPS metode pozicioniranja.
•
U skladu sa tim, predviđa se veliki značaj metoda pozicioniranja baziranih na GPS-u u kognitivnim radio sistemima (za potrebe Location Sensing-a)!
Standardizovane
metode
pozicioniranja
u GSM i UMTS A-GNSS (A-GPS)
Hvala na pažnji!
