Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/Propagacija i parametri.pdf · reflektovani signali trpe dodatno slabljenje. U slu čajevima kada

Principi pozicioniranja u radio sistemima

2Prof. dr Mirjana Simić-Pejović

Radio propagacija i positioning- postavka problema -

• Do sada, na osnovu poznatih karakteristika predajnika i karakteristika okruženja pokušavali smo da predikujemo nivo (snagu) signala na prijemu PR na nekom rastojanju d od predajnika:

( )dfPR =

• U problemima positioninga, odnosno, određivanja lokacije korisnika u radio sistemima, problem će biti upravo suprotan! Znamo kolika je snaga signala na prijemu PR, znamo karakteristike predajnika (kao i njegovu poziciju), znamo karakteristike okruženja, a treba da odgovorimo na pitanje koliko je rastojanje od tog predajnika, d:

( )RPfd =

1

2

Radio propagacija

• U toku propagacije signala kroz realan radio-kanal prisutan je niz pojava koje utiči na kvalitet prenosa signala.

• U idealizovanom slučaju (idealizovani radio-kanal) pretpostavlja se:

– da u prostoru između predajnika (Tx) i prijemnika (Rx) ne postoje nikakvi objekti koji bi mogli da apsorbuju ili reflektuju radio-talas

– da se atmosfera ponaša kao idealno uniforman i neapsorbujući medijum

– da je Zemlja beskonačno udaljena od signala koji propagira (nema refleksije od površine zemlje).

• Ovo je slučaj prostiranja u slobodnom prostoru!

• U slučaju propagacije u slobodnom prostoru, snaga signala opada sa kvadratom rastojanja poznatoj formuli:

Radio propagacija – idealizovani radio kanal

2

4

=d

GGPP RTTR πλ

• PL: propagaciono slabljenje (Path Loss)

• PR: snaga signala na prijemu (Rx snaga)

• GR: dobitak prijemne antene

• PT: snaga predajnika Tx

241

==λπd

GGP

PPL

RTR

T

• GT: dobitak predajne antene

• λ: radna talasna dužina

• d: rastojanje između predajnika i prijemnika

ili

3 4

Radio propagacija – idealizovani radio kanal

• U ovom slučaju (slučaj idealizovanog radio kanala) i ako su poznate koordinate predajnika Tx, nedvosmisleno možemo reći gde se nalazi prijemnik (izmerene snage signala PR na ulazu u prijemnik)!

• Prijemnik se nalazi na kružnici poluprečnika d od predajnika:

R

RTT

P

GGPd

πλ4

= dTx Rx

5

• U slučaju realnog radio kanalapropagacija je znatno složeniji mehanizam nego u slučaju idealizovanog radio kanala.

• Ako se uzme u obzir da atmosfera nije uniformna kao i da se komunikacije koje su nama od interesa (mobilni komunikacioni sistemi) dešavaju blizu zemlje, postoji nekoliko pojava u propagaciji signala koje moramo uzeti u razmatranje:– refleksija– difrakcija– rasejanje.

• Posledica ovih pojava i njihovih kombinacija je višestruka propagacija signala, odnosno, multipath propagation.

Radio propagacija – realni radio kanal

• Refleksija nastaje kada radio talas u toku propagacije naiđe na ravnu reflektujuću površinu znatno većih dimenzija od talasne dužine prenošenog RF signala, λ.

• Ovaj uslov je ispunjen kada signal tipičnih mobilnih komunikacionih sistema u toku propagacije naiđe na prepreke tipa zgrada, zidova, ili samu površinu zemlje.

• U zavisnosti od incidentnog ugla kao i hrapavosti površine prepreke, reflektovani signal ili njegove komponente mogu biti znatno slabije nakon refleksije, pa reflektovani signali trpe dodatno slabljenje. U slučajevima kada na mestu prijema egzistira veliki broj reflektovanih talasa, primljeni signal je izrazito nestabilan.

• U bliskoj vezi sa refleksijom je i tzv. shadowing(koji u suštini ne pripada višestrukoj propagaciji) koji nastaje kada se refleksiona prepreka nađe između predajnika i prijemnika.

Radio propagacija – realni radio kanal- Refleksija -

• Difrakcija nastaje u slučajevima kada radio-talas naiđe na ivicu neprobojne prepreke čije su dimenzije mnogo veće od talasne dužine prenošenog signala, λ.

• Na ivicama objekta formiraju se sekundarni talasi (Huygen-sovog princip) kojise prostiru iza prepreke. Naravno, pri tome signal dodatno slabi.

• Difrakcija je efekat koji je zaslužan što se RF energija može preneti od predajnika ka prijemniku čak i kada između njih postoji neprobojna prepreka, odnosno, fenomen prostiranja u NLOS uslovima, NLOS (Non-Line-Of-Sight).

Radio propagacija – realni radio kanal- Difrakcija -

• Do rasejanja dolazi kada propagaciono okruženje sadrži objekte čije su dimenzije reda veličine talasne dužine prenošenog signala ili manje (radio talas u toku propagacije naiđe na prepreku čije su dimenzije reda veličine ili manje od talasne dužine prenošenog signala, λ.).

• Posledica je rasipanje reflektovane energije u svim pravcima (scattering).• U urbanom okruženju, tipične prepreke koje izazivaju rasejanje u mobilnim

komunikacionim sistemima koji su nama od interesa su bandere, saobraćajni znaci, lišće, ulično osvetljenje, ...

Radio propagacija – realni radio kanal- Rasejanje -


• Sve ove pojave imaju i pozitivne i negativne efekte na propagaciju signala:

– pozitivni su jer omogućavaju da signal stigne do prijemnika čak i kada između predajnika i prijemnika nema direktne optičke vidljivosti → praktično omogućavaju propagaciju u urbanom okruženju;

– negativni su jer dovode do toga da je signal na prijemu jako nestabilan i u prostoru i u vremenu. To znači da poznavanje ili predviđanje samo srednje vrednosti signala na prijemu nijedovoljno, već se u obzir moraju uzeti i dinamičke karakteristike signala → moramo ga posmatrati kao slučajni proces.

• Te nestabilnosti signala na prijemu koje nastaju kao posledica promenljivih uslova propagacije zovu se feding (fading).

• Razlikujemo 2 vrste fedinga:

– Large Scale Fading(LSF)

– Small Scale Fading(SSF)

• Dakle, u analizi neke veze u sistemima koji su nama od interesa mora se uzeti u obzir:

– srednja vrednost slabljenja na putanji, mean path loss

– LSF margina (obično 6-10dB)

– SSF margina (obično 20-30dB).



a) slabljenje propagacijeb) multipathfeding

• Large Scale Fading(LSF) predstavlja srednje slabljenje snage signala usled kretanja u okviru velikih zona.

• Javlja se zbog prisustva istaknutih objekata i prepreka između predajnika i prijemnika (brda, šume, grupe zgrada, ...)

• Uticaj LSF opisuje se računanjem srednje vrednosti slabljenja signala na putanji (slabljenje propagacije, mean path loss, PL) i log-normalnom raspodelom tog slabljenja.

Radio propagacija – realni radio kanalLSF

Radio propagacija – realni radio kanalLSF, Mean Path Loss

• Za računanje parametra PL postoje razne formule (Okumura: određivanje PL na osnovu merenja, Hata: merenja Okumure predstavio u obliku parametarskih formula,...).

• Za mobilne komunikacije često se za proračun PL koristi jednostavna formula po kojoj je srednja vrednost slabljenja signala na putanji srazmerna n-tom stepenu rastojanja između predajnika iprijemnika, d:

( ) ( )n

d

ddPLdPL

=

00 ( ) ( )

+=

00 10

d

dlogndPLdPL dBdB


• : srednja vrednost propagacionog slabljenja

• d: rastojanje prijemnika od predajnika

• d0: referentno rastojanje

• n: eksponent slabljenja na putanji (path losseksponent)

PL

6 7


• Snaga signala na prijemu u tom slučaju je:

( ) ( )0dP

PdPL

R

T=

( ) ( )n

RR d

ddPdP

= 00

( ) ( )00 dP

PdPL

R

T=


• : srednja vrednost propagacionog slabljenja

• : srednja snaga na rastojanju d od predajnika

• PR(d0): snaga na referentnom rastojanju

• d: rastojanje Tx - Rx


• n: eksponent slabljenja na putanji (path losseksponent)

PL

( )dPR

8

9

10

• Referentno rastojanje d0: odnosi se na tačku u dalekom polju antene:– u dalekom polju antene veza električnog i magnetnog polja je

jednostavna i dovoljno je poznavati samo jednu od te dve veličine obzirom da je

– daleko polje antene: gde je D najveća dimenzija antene a λ je radna talasna dužina.

• U svetlu sistema koje mi posmatramo, za vrednosti referentnog rastojanja uzimaju se sledeće vrednosti:– d0=1km (velike, makro ćelije)– d0=100m (mikro ćelije)– d0=1m (indooruslovi)


0ZH

E =

λ

22Dr ff =

• Vrednost slabljenja propagacije PL ili snage PR na referentnomrastojanju d0 se može proceniti na dva načina:1. merenjem2. uvođenjem pretpostavke da je na referentnom rastojanju

prostiranje kao u slobodnom prostoru (što u sistemima koje mi posmatramo najčešće i jeste slučaj).

• Dakle, vrednost snage signala i slabljenja propagacije na referentnom rastojanju d0 iznosi (u skladu sa formulama 3 i 4)


( )2

00 4

=

dGGPdP RTTR π

λ ( )2

00

41

==λπd

GGP

PdPL

RTR

T

11 12


• Eksponent slabljenja na putanji, n (path-loss exponent) pokazuje stepen prepreka u okruženju u kojem se propagacija odvija (zavisi još i od učestanosti).

– n=2: prostiranje u slobodnom prostoru

– n≠2: uračunavamo uticaj okruženja.

• Eksponent slabljenja n uzima veće vrednosti u slučaju okruženja složenije propagacije (indoor) dok mu vrednost pada u slučaju outdoorokruženja.

Indoor - NLOS4 - 6

Indoor - LOS1.6 - 1.8

Outdoor - dense urban (shadowed)3 - 5

Outdoor - urban2.7 - 3.5

Outdoor - rural2.5

Slobodni prostor2

TIP OKRUTIP OKRU ŽŽENJAENJAnn

• Primenjeni model (na osnovu formule 10, samo u log obliku):


( ) ( )

−=

00 10

d

dlogndPdP dBRdBR

13

• Prednosti:

– jednostavan: snaga do rastojanja d=d0 pada kao snaga u slobodnom prostoru, a nakon toga nagibom od 10n dB/dec.

• Nedostaci:

– jedini parametar koji unosi uticaj okruženja je path-loss exponent, n→ nije dovoljno za razdvajanje raznih tipova okruženja.

• Složeniji modeli propagacije u outdoori indoorokruženju.

• Kao što je rečeno, uticaj LSF se opisuje računanjem srednje vrednosti slabljenja propagacije i log-normalnom raspodelom oko te srednje vrednosti.


( ) ( ) dBdBdB XdPLdPL +=

( ) ( ) dBdBdB Xd

dlogndPLdPL +

+=

00 10

14

15

na osnovu formule 7

• XdB: Gausova slučajna promenljiva čija je vrednost izraženja u dB; njen izbor uglavno se zasniva na merenjima, ali se često uzima u opsegu od

6 – 10dB

• srednja vrednost: E(XdB)=0

• standardna devijacija: E(X2dB) =σ2.


• Konačno, parametri koji su neophodni da bi se statistički opisalo slabljenje propagacije usled LSF, PL:– referentno rastojanje: d0

– path-loss exponent: n– standardna devijacija σ slučajne promenljive X.

• Za našu problematiku, bitno je proceniti rastojanje na osnovu proračunatog slabljenja propagacije ili snage na prijemu usled LSF.

( )PLfd = dTx Rx

16

Radio propagacija – realni radio kanalSSF

• Za razliku od LSF, SSF se javlja kao posledica malih promena u rastojanju između predajnika i prijemnika (te promene su uporedive sa talasnom dužinom λprenošenog signala).

• Njegova osnovna karakteristika je da može da izazove dramatične promene amplitude i faze signala na prijemu.

• Razlog je taj što ovaj feding posledica višestruke propagacije signala, odnosno, što signali od predajnika ka prijemniku dospevaju po različitim putanjama →signal na ulazu u prijemnik nastaje kao vektorski zbir više signala različitih nivoa i faza.

TX RX

A2x(t-t 2)

A1x(t-t 1)

x(t)

r(t) = x(t) + A1x(t-t 1) + A2x(t-t 2) + ...


• Utvrđeno je da rezultujući signal na prijemu u uslovima višestruke propagacije ima jednu od dve raspodele, u zavisnosti da li se propagacija obavlja u LOS uslovima (postoji direktna komponenta) ili ne.

– višestruka propagacija, LOS: Rice-ov feding:

( )

=+−

202

2

2

22

σσσ σ rA

Ier

,ArfAr

– višestruka propagacija, NLOS: Rayliegh-ov feding : 12 2

2

<<σA

17

18

• A: amplituda direktne komponente

• σ2: srednja snaga prenošenog signala

• I0: modifikovana Bessel-ova funkcija nultog reda

[ )∞∈≥≥ ,r,A, 000σ

( ) 2

2

22

σ

σσ

r

er

,rf−

= [ )∞∈≥ ,r, 00σ


• Čest slučaj –Rayliegh-eva raspodela (tj. Rayliegh-ov feding).

• Šta je Rayliegh-eva raspodela? (brzina vetra, apsolutna vrednost kompleksnog broja...)

( ) 2

2

22

σ

σσ

r

er

,rf−

=

x ~ N(0, σ2)y ~ N(0, σ2)

22 yxr += r ~ Rayliegh(σ)

( ) 2

2

2

2

1 σ

πσ

x

exf−

= ( ) 2

2

2

2

1 σ

πσ

y

eyf−

=

x i y nezavisne slučajne promenljive sa normalnom (Gausovom) raspodelom čija je srednja vrednost nula a standardna devijacija σ, tada je:

gde je 22 yxr +=

Gauss Gaus

s

Raylieg

h

Radio propagacija – realni radio kanalPL, LSF, SSF

LSF margina: 6 – 10dBSSF margina: 20 – 30dB

( )PLfd =

• SSF se manifestuje u dva mehanizma:1. vremenska disperzija (time dispersion)2. frekvencijska disperzija (frequency dispersion).

• Vremenska disperzija: nastaje kao posledica višestruke propagacije, tj. činjenice da signali dolaze do prijemnika sa različitim kašnjenima u vremenu.

• Signali usled višestruke propagacije do prijemnika dolaze različitim putevima, tako da na ulazu u prijemnik nisu vremenski poravnjani, već je kumulativni signal “razmrljan” u vremenu.

• U frekvencijskom domenu, ova pojava odgovara tome da frekvencijski odziv kanala nije konstantan → kanal je frekvencijski selektivan (frekvencijski selektivan feding): kanal ne utiče na isti način na sve frekvencijske komponente signala (izobličenje signala).

Radio propagacija – realni radio kanalSSFmanifestacije


a) višestruka propagacija, vremenski domen – vremenska disperzijab) višestruka propagacija, frekvencijski domen – frekvencijska selektivnost radio kanala

• Uticaj vremenske disperzije(frekvencijske selektivnosti) na signal zavisi od:– opsega prenošenog signala: veći opseg → veći i uticaj– okruženja:

• ćelije manjih dimenzija → uticaj frekvencijske selektivnosti manji,• okruženja sa manjim brojem prepreka (ruralna okruženja) → uticaj

frekvencijske selektivnosti manji.

• Višestruka propagacija u positionioning-u predstavlja veliki problem: – greške u proceni rastojanja na osnovu merenja nivoa signala na prijemu– greške u proceni rastojanja na osnovu merenja vremena (posebno NLOS

uslovi propagacije).



• Ali to nije sve... Napomenimo da je na prikazanoj slici sa slajdabroj 27 (slučaj b - višestruka propagacija, frekvencijski domen) dat trenutni frekvencijski odziv kanala (tzv. “snapshot”).

• Kako se predajnik/prijemnik kreće kroz okruženje, detaljna struktura višestruke propagacije pa tako i frekvencijskog odziva kanala varira u vremenu.

• Ova pojava se zove frekvencijska disperzija i nastaje kao posledica Doppler-ovog efekta. U vremenskom domenu ova pojava odgovara tome da je kanal vremenski selektivan.

• Frekvencijska disperzija: se javlja kada se predajnik, prijemnik, ili oba kreću u toku transmisije → direktna posledica toga je (neželjena) frekvencijska modulacija signala na prijemu (Doppler-ov pomeraj).

• Veličina Doppler-ovog pomeraja zavisi od brzine kretanja predajnika/prijemnika kao i ugla između pravca kretanja i pravca nailaska signala.



• Doppler-ov pomeraj:

αλ

cosv

fd =

• ν: relativna brzina između predajnika i prijemnika

• λ: talasna dužina prenošenog signala

• α: ugao između pravca kretanja i pravca nailasaka signala u prijemnik

• fd>0: Tx i Rx se približavaju; fd<0: Tx i Rx se udaljavaju.

• Maksimalni Doppler-ov pomeraj → predajnik i prijemnik se kreću po pravoj liniji, α=0, cosα=1:

λv

fd =

19

20

• Frekvencijski pomeraj koji nastaje usled Doppler-ovog efekta se može zanemariti kada je širina opsega prenošenog signala znatno veća od maksimalnog Doppler-ovog pomeraja (što i jeste slučaj kod ćelijskih sistema, obzirom da brzine korisnika nisu tolike da mogu izazvati veliki fd).

• Sa druge strane, ovo jeste problem za satelitsko pozicioniranjesatelitsko pozicioniranje, pa samim tim i za ćelijske metode pozicioniranja koje koriste i satelitsku infrastrukturu.

• Satelitske komunikacije obavljaju se pomoću satelita koji su smešteni na tzv. LEO (Low Earth Orbit) i MEO orbitama (Medium Earth Orbit). Sateliti se na tim orbitama kreću velikim brzinama pa je i Doppler-ov pomeraj veliki (nekoliko KHz).

• Posledica su problemi u demodulaciji signala obzirom da prijemnici moraju podešavati svoj nosilac da bi ispravno demodulisali signal.

• Ovo podešavanje unosi trajanje i izaziva loše performanse bitnog parametra u pozicioniranju, kašnjenja, tačnije TTFF (Time-To-First-Fix).


Raspoloživi parametri za pozicioniranje u radio sistemima

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima

• Posmatramo scenario:– imamo referentne tačke (reference points, RP) poznatih koordinata (npr.

bazne stanice, access point-e, ...)

– tražimo nepoznatu lokaciju mobilne stanice/mobilnog korisnika/terminala, ... (MS)

RP1

RP2

RP3

RPn

MS

(XRP1, YRP1)

(XRP2, YRP2)(XRP3, YRP3)

(XRPn, YRPn)

(XMS, YMS)=?

RPi(xRPi, yRPi): poznato!

MS (xMS, yMS): nepoznato!


• Lokacija bilo kog objekta u prostoru (mi konkretno govorimo o lokaciji korisnika u radio sistemima), može se odrediti merenjem:

– rastojanja

– ugla.

• Dok se ugao određuje direktnim merenjem, rastojanje se može odrediti:

– merenjem nivoa signala na prijemu: koordinate izvora (BS) poznate, poznat je nivo signala na prijemu, primenjuje se neki model propagacije, ...

– merenjem vremena propagacije signala (ili vremenskih razlika): koordinate izvora (BS) poznate, poznato je vreme propagacije signala, t, poznata je brzina signala (c=3·108m/s) → procenjujemo rastojanje: d=c · t

• Konačno, za pozicioniranje u radio sistemima na raspolaganju su sledeći parametri:

1. nivo signala na prijemu(received signal strength): RxlevRxlev,,RSSI, ...

2. vreme propagacije signala(češće se zove vreme prispeća signala) (Time Of Arrival): TOATOA

3. vremenska razlika propagacije signala(vremenska razlika prispeća signala) (Time Difference of Arrival): TDOATDOA

4. ugao nailaska (prispeća) signala(Angle Of Arrival): AOAAOA .


Parametri za pozicioniranje u radio sistemima- Nivo signala na prijemu, Rxlev -

• Na osnovu izmerenog nivoa signala na prijemu, Rxlev, i poznatih koordinata referentnih tačaka (BS u slučaju ćelijskih sistema, AP u slučaju WLAN, ...) a koristeći neki od modela propagacije signala, dobijamo informaciju o rastojanju Tx-Rx.

( )Rxlevfd =

• Jedan od najjednostavnijih ali često korišćenih modela propagacije je:

( ) ( )n

RR d

ddPdPRxlev

== 00

• PR(d0): srednja snaga na rastojanju d od predajnika (na prijemu)

• PR(d0): snaga na referentnom rastojanju

• d: rastojanje Tx - Rx


• n: eksponent slabljenja na putanji

( )2

00 4

=

dGGPdP RTTR π

λ

1

2 3

• Formula No2 je jednostavna, ali i nedovoljno tačna jer uticaj okruženja uzima samo preko path losseksponenta, n. Zato se za procenu rastojanja na osnovu nivoa signala na prijemu mogu koristiti i druge, tačnije, ali i složenije metode i modeli.

• Ipak, kao što je bilo reči u okviru prethodne teme, vrednost dobijena preko formule No2 je zapravo samo srednja vrednost na rastojanjud od predajnika, a signal je dodatno izložen i uticaju LSF i SSF (signal varira i do 30-40dB na rastojanjima reda λ/2 (što je oko 15cm za GSM)).

• Zaključak: parametar Rxlev je generalno vrlo nepouzdanza procenu rastojanja u postupku pozicioniranja! Jako je osetljiv na multipath propagation.


• Dodatna otežavajuća okolnosti za primenu parametra Rxlev je i primena adaptivne kontrole snage(uplink): dinamičko podešavanje snage predajnika u zavisnosti od raznih faktora:– rastojanja Tx-Rx– verovatnoće greške– broja korisnika u ćeliji (CDMA-basedsistemi).

• Imajući to u vidu, za procenu rastojanja na osnovu parametra nivoa signala na prijemu, Rxlev, referentni signal se mora kontrolisati i pratiti kako bi se mereni podaci stalno ažurirali i slali do čvorova u mreži u kojima se rastojanje procenjuje → kompleksan posao!

• Zaključak: parametar Rxlev nije optimalana izbor za procenu rastojanja u gotovo svim radio sistemim.

• Izuzetak čine usloviindoor propagacije, kada procena rastojanja na osnovu nivoa signala na prijemu može postati metoda izbora (alternativna varijanta sa merenjem vremena bila bi problematična zbog zahtevane visoke rezolucije merenja usled malih rastojanja).


Parametri za pozicioniranje u radio sistemima- Vreme prispeća signala, TOA (Time Of Arrival) -

• Na osnovu vremena propagacije signala između Tx i Rx, poznate brzine propagacije signala (brzina svetlosti) i poznatih koordinata referentnih tačaka (BS u slučaju ćelijskih sistema, AP u slučaju WLAN, ...) dobijamo informaciju o rastojanju Tx-Rx.

( )TOAfd =

• Po definiciji, TOA je vremenski trenutak prispeTOA je vremenski trenutak prispećća signala do prijemnika Rx, a signala do prijemnika Rx, emitovanog sa predajnika Tx. emitovanog sa predajnika Tx.

• Važna napomena je da je to vremenski trenutak koji na svom “časovniku”(internal clock) registruje prijemnik.

• U prostoru, geometrijsko mesto tačaka istog TOA je kružnica oko predajnika poznatih koordinata (realno, prsten).

( )TOAfd =4

dTx Rx

Tx

Rxd


• U opštem slučaju, parametar TOA se dobija kao:

syncTxTOA c

dtt ε++=

Tx

Rx

d/c

tTx

tTOA

• tTOA: vreme prispeća signala sa predajnika Tx, po časovniku Rx

• tTx: vreme slanja signala sa predajnika Tx, po časovniku Tx

• d: rastojanje predajnika i prijemnika, Tx i Rx

• εsync: deterministička mera koja vrši kompenzaciju u slučaju kada Tx i Rx nisu sinhronizovani!

5

• Sinhronizacija mreže: sve komponente mreže rade po istom referentnom taktu!

• U našem slučaju (formula No5):

– εsync=0: Tx i Rx su sinhronizovani (mreža je sinhronizovana)!

– εsync≠0: Tx i Rx nisu sinhronizovani!

• Znači, metode bazirane na proceni rastojanja na osnovu parametra TOAzahtevaju da mreža bude sinhronizovana, (ili barem da znamo vrednost parametra εsync).

• Poznavanje parametra εsyncje najteži zadataku metodama baziranim na TOA (većina mreža kao GSM, UMTS FDD, ... nisu sinronizovane i εsyncje praktično nemoguće odrediti).



• Dakle, najveći nedostatak u proceni rastojanja na osnovu parametra TOA je zahtev da mreža mora biti sinhronizovana! (Tx i Rx)

• Dodatno, TOA parametar je osetljiv i na propagaciju u slučaju kada između predajnika i prijemnika ne postoji direktna optička vidljivost, tj. TOA je osetljiv na NLOS uslove.

BS

MS

MS’

LOS

NLOS

• BS: predajnik poznatih koordinata (bazna stanica)

• MS: tačan položaj prijemnika, tj. mobilne stanice (LOS)

• MS’: pogrešno procenjen položaj prijemnika tj. mobilne stanice (usled NLOS)

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima- Vremenska razlika prispeća signala -

TDOA (Time Difference Of Arrival)• Na osnovu razlike vremena propagacije signala između Tx i Rx, poznate brzine

propagacije signala (brzina svetlosti) i poznatih koordinata referentnih tačaka (BS u slučaju ćelijskih sistema, AP u slučaju WLAN, ...) dobijamo informaciju o rastojanju Tx-Rx.

( )TDOAfd =

• U ćelijskim sistemima, u slučaju DL (downlink) to bi bila vremenska razlika propagacije signala od BS1 i BS2 do mobilne stanice MS.

• U prostoru, geometrijsko mesto tačaka istog TDOA je hiperbola u čijim se žižama nalaze predajnici poznatih koordinata, tj. BS u ćelijskim sistemima (realno, zona oblika hiperbole).

( )TDOAfd = 6

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima- Vremnska razlika prispeća signala -TDOA (Time Difference Of Arrival)

• U opštem slučaju, parametar TDOA se dobija kao: Tx1

Rx

d1/c

tTx1

tTDOA

Tx2 tTx2

d2/c

21 TOATOATDOA ttt −= 7

syncTxTOA c

dtt ε++= 1

11

syncTxTOA c

dtt ε++= 2

22

c

ddttt TxTxTDOA

2121

−+−=

8

• tTOA1, tTOA2: vreme prispeća signala sa predajnika Tx1 i Tx2, po časovniku Rx• tTx1, tTx2 : vreme slanja signala sa predajnika Tx1 i Tx2, po časovniku Tx1, odnosno,

Tx2• d1, d2 : rastojanja predajnika Tx1 i Tx2 od prijemnika, Rx• εsync: deterministička mera koja vrši kompenzaciju u slučaju kada Tx i Rx nisu

sinhronizovani!

• Šta je ključna prednost TDOA pristupa? Čemu ideja o merenju vremenskih razlika propagacije signala?– nezgodni parametar εsyncse potire (formula No8) → nemazahteva za

sinronizacijom predajnika i prijemnika(baznih i mobilnih stanica)!

• Takođe, iz formule No8 ostaje zahtev da Tx1 i Tx2 rade po istom taktu, ali to nije problematičan zahtev (npr. bazne stanice opremljene GPS vremenom).

• TDOA metoda procene rastojanja ima dve varijante:– DL (downlink): meri se vreme prispeća signala sa baznih stanica ka mobilnoj

stanici– UL (uplink): meri se vreme prispeća signala sa mobilne stanice ka baznim

stanicama.

• Zbog sinhronizacije i težnji da se svi proračuni vrše u jednoj tački, jednostavnija je varijanta TDOA na DL.

• Kao i TOA, TDOA je osetljiv na NLOS.

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima- Vremnska razlika prispeća signala -TDOA (Time Difference Of Arrival)

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima- Ugao prispeća signala AOA (Angle Of Arrival) -

• Na osnovu poznatog ugla pod kojim signal dolazi u prijemnik Rx (u odnosu na neki referentni pravac, najčešće azimut), poznatih koordinata referentnih tačaka (BS u slučaju ćelijskih sistema,...) dobijamo informaciju o položaju prijemnika u prostoru.

• Istorijski gledano, AOA tehnika je prva korišćena za određivanja lokacije prijemnika (tzv. goniometrijske metode).

• U nama zanimljivim radio sistemima, AOA zahteva instalaciju specijalnih antenskih sistema – antenskih nizova. To povećava što cenu, što kompleksnost samog sistema (i Tx i Rx) → nije puno popularna (ali postaje od LTE)!

• U prostoru, geometrijsko mesto tačaka istog AOA je ugao u odnosu na referntni pravac (realno, zona gde se može nalaziti MS).

( )AOAfMS=


• Poznate su koordinate predajnika (xBS i yBS), kao i ugao nailaska signala od predajnika ka prijemniku (koji ne znamo gde je u prostoru):

θ

x

y

xBS

yBS

xMS

yMS

BS

MS

−−=

BSMS

BSMS

xx

yyarctgθ

8

• AOA metod je osetljiv na NLOS uslove propagacije: procena može biti totalno pogrešna jer reflektovani signal može doći praktično pod bilo kojim uglom do prijemnika.


Parametri procene lokacije u radio sistemima

Parametri procene lokacije- Tačnost -

• Da bi se ocenio kvalitet procene lokacije korisnika (pozicioniranja) u radio sistemima primenom neke od metoda pozicioniranja, uvedeno je nekoliko parametara. Ti parametri su:

1. tačnost,

2. dostupnost i konzistencija,

3. priraštaj opterećenja,

4. energetska efikasnost,

5. kašnjenje i

6. cena implementacije.

• Pozicioniranje korisnika u radio mrežama se može definisati kao mehanizam koji se sastoji u računanju geografskih koordinata korisnika/mobilne stanice/terminala.

• Ipak, gotovo je nemoguće da u 100% slučajeva i bez obzira na tip okruženja, proračunate koordinate budu i tačne koordinate, odnosno bašone na kojima se korisnik nalazi.

• Jedan od parametara pomoću kojeg je moguće odrediti koliko su proračunate koordinate geografski bliske stvarnim koordinatama je tačnost.

• Da bi se odredio stepen odstupanja od tačnih koordinata, neophodno je razmotriti i veličine kao što su:– greška, – neodređenost i – pouzdanost pozicioniranja.


• Greška pozicioniranja predstavlja razliku između tačne i procenjene (proračunate) lokacije korisnika dobijene primenom neke od metoda pozicioniranja.

• Imajući u vidu da lokacija dobijena proračunom nije potpuno tačna i da uvek postoji određena greška pozicioniranja, rezultat procene lokacije nije tačka u kojoj se korisnik nalazi već oblast u kojoj se korisnik može nalaziti.

• U zavisnosti od primenjene metode pozicioniranja, ova oblast može biti različitog oblika (krug, kružni prsten, isečak kružnog prstena, ...).

• Neodređenostpozicioniranja predstavlja rastojanje od centra oblasti u kojoj se procenjuje lokacija korisnika i ivice najudaljenije granice ove oblasti.

• Neodređenost se može shvatiti i kao maksimalna greška pozicioniranja.


neodređenost


• Na primer, ako se zahteva da tačnost neke metode pozicioniranja iznosi 150m/95%, to znači da u 95% slučajeva greška određivanja lokacije mora biti manja od 150m. Ako je procenjena oblast u kojoj se korisnik nalazi krug, par 150m/95% se može interpretirati i na sledeći način: u 95% slučajeva, korisnik će se nalaziti unutar kruga poluprečnika 150m čiji se centar poklapa sa procenjenim koordinatama korisnika.

• Ipak, i nakon što se definiše neodređenost, ne može se garantovati da će u 100% slučajeva greška određivanja lokacije biti manja od vrednosti neodređenosti, odnosno da će se u 100% slučajeva korisnik naći unutar oblasti neodređenosti.

• Zbog toga se neodređenost najčešće razmatra zajedno sa stepenom pouzdanostiu procenjenu lokaciju, pa se i performanse i zahtevi vezani za pozicioniranje predstavljaju njihovom kombinacijom.


• Primer ilustruje i činjenicu da su ove dve veličine međusobno blisko povezane:

– povećanjem/smanjenjem stepena pouzdanosti povećava/smanjuje se i neodređenost.

• U odredbama FCC za potrebe pozicioniranja u slučaju 911 servisa za hitne pozive, najčešće korišćene vrednosti u pogledu stepena pouzdanosti su 67% i 95%.

300m100mNetwork-based

150m50mMobile-based

95%67%Rešenje

• Mnoge aplikacije koje se baziraju na poznavanju lokacije korisnika, zahtevaju da primenjena metoda pozicioniranja bude dostupnau svim okruženjima (indoor, urbano, ruralno, rezidencijalno, ...).

• Sa druge strane, mnoge metode pozicioniranja nisu dostupne u svakom okruženju, a često im i tačnost zavisi od tipa okruženja u kojem se korisnik nalazi.

• Dostupnostpokazuje koliko je neka metoda pozicioniranja primenjiva u različitim okruženjima (metode koje zahtevaju više referentnih tačaka (BS) u ruralnom okruženju?).

• Konzistencijaje mera stabilnosti tačnosti metode pozicioniranja u različitim okruženjima (metode koje se zasnivaju na najbližoj referentnoj tački (Cell-ID) u urbanom okruženju?).

Parametri procene lokacije- Dostupnost i konzistencija -

• Radi se o priraštaju najčešće dva tipa opterećenja usled primene neke metode pozicioniranja:

– signalizacionoi

– računarsko opterećenje.

• Priraštaj signalizacionog opterećenja nastaje usled većeg broja poruka koje se razmenjuju između MS/terminala i mreže, kao i između elemenata u mreži, a u cilju kontrole procesa pozicioniranja.

• Priraštaj računarskog opterećenja odnosi se na procenat procesorskog vremena koje se troši kako za potrebe proračuna lokacije mobilne stanice, tako i na rad sa bazama podataka i zahtevima po pitanjumemorijskih resursa.

Parametri procene lokacije- Priraštaj opterećenja -

• Priraštaji se posmatraju kako na nivou mreže, tako i na nivou mobilne stanice/terminala.

• Priraštaj opterećenja koji unosi proces određivanja lokacije, direktno je proporcionalan sa stepenom tačnosti koji ta metoda pozicioniranja garantuje.

• Dakle, tataččnije metode unose venije metode unose većće signalizaciono i rae signalizaciono i raččunarsko unarsko optereoptereććenjeenje.

• Ovo je vrlo važna veza koju je neophodno imati u vidu prilikom izbora metode pozicioniranja (metode bazirane na forsiranim handover-ima).

Parametri procene lokacije- Priraštaj opterećenja -

• Energetska efikasnostje bitan parametar pri izboru metode pozicioniranja, gde se prvenstveno misli na povećanu potrošnju baterije MS/terminala izazvanu potrebama postupka pozicioniranja.

• Na neki način, ovaj parametar se može shvatiti i kao priraštaj energetskog opterećenja mobilne stanice nastalog usled realizacije LCS servisa.

• U najvećem broju slučajeva, energetska efikasnost je u korelaciji sa priraštajem signalizacionog i računarskog opterećenja.

• Primer loše energetske efikasnosti: jedan od nedostataka ideje o primeni GPS za potrebe pozicioniranja u ćelijskim sistemima, odnosno, instalaciji GPS prijemnika u okviru MS, jeste upravo loša energetska efikasnost.

Parametri procene lokacije- Energetska efikasnost -

• Informacija o lokaciji MS/terminala ima smisla samo ako je dobijena u nekom vremenskom intervalu koji je prihvatljiv za realizaciju konkretnog LBS servisa.

• Kašnjenje predstavlja vremenski interval od pojave zahteva za određivanjem lokacije mobilne stanice do dostavljanja procenjenih koordinata te mobilne stanice.

• U tom vremenskom intervalu mora se:

1. odabrati odgovarajuća metoda pozicioniranja u skladu sa zahtevanim tipom servisa

2. izvršiti selekcija svih BS/AP koje učestvuju u postupku pozicioniranja,

3. uskladiti kompletna signalizacija između svih komponenata koje učestvuju u postupku pozicioniranja,

4. obezbediti zahtevani resursi,

5. izvršiti sva neophodna merenja i

6. najzad proračunati nepoznata lokacija mobilne stanice.

Parametri procene lokacije- Kašnjenje -

• Kod većine metoda pozicioniranja kašnjenje iznosi nekoliko sekundinekoliko sekundi.

• Treba ipak naglasiti da ovaj parametar dosta zavisi od konkretneaplikacije koja se bazira na poznavanju informacije o lokaciji korisnika (tačnije, zahtevane tačnosti koja se mora postići) .

• Primer moguće lošeg parametra kašnjenja kod metode pozicioniranja bazirane na GPS: parametar TTFF (Time-To-First-Fix) može biti nedopustivo veliki u slučaju tzv. cold startaGPS-a, a kašnjenje može uvesti i frekvencijski pomeraj usled Doppler-ovog efekta (vreme koje je neophodno za demodulaciju usled promene učestanosti nosioca).

Parametri procene lokacije- Kašnjenje -

• Bez obzira na uspešnost performansi i učinak neke od implementiranihmetoda pozicioniranja, sama cenatog poduhvata je jako važan faktor pri proceni neke tehnike pozicioniranja.

• Generalno, cena implementacije obuhvata: – troškove na strani korisnika (handset cost), u koje spada i cena novog

mobilnog terminala kojiće podržati dati lokacijski servis, – troškove na strani operatora, tj. cena modifikacije ilidodavanja novih

komponenata postojećoj arhitekturi, kreiranje potrebnih baza podataka, instalaciju novih procesora, ... kao i rizik u pogledu troškova na strani korisnika

– planirane troškove buduće ekspanzije prilikomporasta brojakorisnika ili popularizacije samog servisa i

– troškove održavanja.

Parametri procene lokacije- Cena implementacije -

• Ovaj parametar je najčešće direktno proporcionalan sa stepenom složenosti infrastrukture modifikovane za potrebe pozicioniranja.

• Primer, indoor metode pozicioniranja obično nemaju velike troškove implementacije. Sa druge strane, neke ćelijske metode pozicioniranja (koje zahtevaju sinhronizaciju mreže ili koriste i satelitsku infrastrukturu) mogu imati veliku cenu implementacije.

• Pomenuta analiza cene implentacije može biti pogrešna, ako se ne bi uzeo u obzir još jedan parametar: ROI (Return-Of-Investments), tj. vreme povratka investicije.

• Dakle, veliki početni troškovi mogu biti prihvatljivi ukoliko kasniji profitto opravdava. Nasuprot tome, jeftiniji pristup ulaganja operatera možebiti potpuno beskoristan ako prihodi nisu prisutni u planiranomvremenskomroku usled slabog odziva korisnika ili loših performansimetode.

Parametri procene lokacije- Cena implementacije i ROI -

Hvala na pažnji!

Documents

Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/Propagacija i parametri.pdf · reflektovani signali trpe dodatno slabljenje. U slu čajevima kada