Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/Klasifikacija... · Satelitske, ćelijske i indoor

Principi pozicioniranja u radio sistemima

3Prof. dr Mirjana Simić-Pejović

Podela metoda pozicioniranja

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

1. prema tipu korišćene infrastrukture,

2. prema načinu određivanja lokacije i

3. prema matematičkom pristupu određivanju lokacije.

Integrisane i samostalne metode pozicioniranja

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

• Najčešće, ovakve mreže su prvenstveno dizajnirane za komunikaciju, i mogućnost lociranja korisnika predstavlja samo jošjedan novi servis u okviru radio mreža.

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

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

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


•• SamostalneSamostalnemetode pozicioniranja odnose se na pozicioniranje u okviru infrastruktura koje su potpuno nezavisne od komunikacionemreže u kojoj je korisnik čija se lokacija određuje.

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

• Tipičan primer sistema koji koristi ovaj tip infrastrukture je sistemza globalno pozicioniranje, GPS.

• Osim GPS, važni predstavnici za ovakvu infrastrukturu su indoorsistemi koji su posebno projektovani za potrebe pozicioniranja uzatvorenom prostoru, najčešće kancelarijama i aerodromima.


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

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

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


Network-based i mobile-based metode pozicioniranja

•• NetworkNetwork--basedbased metode pozicioniranja su metode gde sva neophodna merenja kao i sam proračun lokacije mobilne stanice vrši mreža.

•• MobileMobile--basedbased metode pozicioniranja su metode gde mobilna stanica vrši sva neophodna merenja i na osnovu njih računa sopstvenu lokaciju.

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

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

• Treba naglasiti danetwork-basedrešenje ne zahteva nikakve promene na postojećim mobilnim stanicama, što je vrlo značajna prednostu odnosu na mobile-basedili hibridne metode pozicioniranja.

• Zbog ove prednosti, bez obzira za koje se rešenje odluče, operatori najčešće ostavljaju bar jednu network-basedmetodu kao alternativno rešenje pozicioniranja u sopstvenoj mreži, kako ne bi izgubili korisnike koji nisu raspoloženi da zbog dodatnog servisa kupuju nove mobilne terminale.

Network-based i mobile-based metode pozicioniranja

Satelitske, ćelijske i indoor metode pozicioniranje


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

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

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

• Nesumnjiva prednostovog tipa pozicioniranja je globalna dostupnost i visoka tačnost procene lokacije.

• Najveći nedostacisatelitskih metoda pozicioniranja nastaju kao posledica prirode propogacije satelitskih signala.

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

• Ovo dalje ima za posledicu da je uslov rada sistema baziranih na satelitskoj infrastrukturi direktna optička vidljivost (LOS) između predajnika na satelitu i prijemnika na zemlji. To često nije slučaj, a tipičan primer su indoorokruženja, ali i outdoorokruženja sa izraženim efektima urbanizacije (visoke zgrade...).

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

• Najzad, svaka intervencija u sistemu koji koristi satelitsku infrastrukturu zahteva prilične investicije, što takođe spada u nedostatak.



• Ćelijsko pozicioniranje odnosi se na uvođenje dodatnih servisa u okviru

postojećih ćelijskih sistema, koji se baziraju na poznavanju lokacije korisnika.

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


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

• Zbog toga, mobilni operatori u cilju implementacije LBS servisa, u okviru svojih mreža moraju uvesti nove protokole, a često i nove hardverske komponente koje bi podržale pozicioniranje zadovoljavajuće tačnosti.

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

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

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

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


• Takođe, za razliku od satelitskog, ćelijsko pozicioniranje nema ograničenja samo na outdooruslove, štaviše, najvećim delom i funkcioniše u indoorokruženju (što je prednostu odnosu na satelitsko pozicioniranje).

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

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


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

• Metode namenjene za indoorpozicioniranje bazirane su na primeni radio, infracrvene ili ultrazvučne tehnologije sa vrlo ograničenim dometom u pogledu komunikacije (tzv. short-rangetehnologije).

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


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

• Nedostatakje da su ovi sistemi uglavnom razvijeni kao privatni sistemi, sistemi posebne namene ili za potrebe istraživanja, i još uvek nisu standardizovani.

• Najpoznatije tehnologije koje se mogu iskoristiti za indoorpozicioniranje su pomenuti WLAN, bluetooth, senzorske mreže, i UWB (Ultra-Wideband).



Podela metoda pozicioniranja prema algoritmu određivanja lokacije

Proximity Sensing Hibridna rešenja

FingerprintingLateracijaAngulacija

Cirkularna Hiperbolička

Proximity Sensing

•• Proximity sensingProximity sensing metode pozicioniranja baziraju se na identifikaciji najbližeg predajnika poznatih koordinata (referentnih tačaka: bazne stanice, access point-i). Zovu ga i blizinsko lociranje.

• Predstavljaju najjednostavnije i najrasprostranjenije metode pozicioniranja.

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

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

• U terminologiji indoorWLAN pozicioniranja, mobilnom terminalu se mobilnom terminalu se pridrupridružžuju poznate koordinate servisnog uju poznate koordinate servisnog access pointaccess point--aa.

Proximity Sensing

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

• U okviru ćelijskih radio sistema, metode bazirane na Proximity Sensingprincipu zahtevaju:

1. identifikaciju najbliže referentne tačke (bazne stanice)

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

Proximity Sensing- princip rada -

Proximity Sensing (Cell-ID)

• Metode bazirane na Proximity Sensingprincipu mogu se realizovati i kao network-basedi kao mobile-basedrešenja.

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

• Osnovni nedostatakje nedovoljna tačnost, obzirom da direktno zavisi od poluprečnika servisne ćelije, i kreće se između 100m u urbanim zonama do nekoliko desetina kilometara u ruralnim oblastima (teorijski do 35km u GSM).

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

Proximity Sensing

Angulacija

•• AngulacijaAngulacija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice

na osnovu poznatih uglova između mobilne stanice i baznih stanica.

• Da bi se odredili uglovi između mobilne stanice i baznih stanica, neophodno je da bilo mobilne, bilo bazne stanice budu opremljenespecijalnim antenskim sistemima, tzv, antenskim nizovima.

• Metode zasnovane na angulaciji se mogu realizovati i kao network-basedi kao mobile-basedrešenja, ali iz razloga ekonomičnosti i kompleksnosti, antenski nizovi se obično instaliraju na baznim stanicama, pa su ovo uvek metode network-basedtipa.

Angulacija

• Osnovni princip rada:

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

2. Ako se uvede još jedna bazna stanica, definisana je još jedna linija mogućih lokacija mobilne stanice;

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

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

Angulacija

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

−−=

xX

yY

i

ii arctanα

gde su (Xi,Yi) poznate koordinate bazne stanice i, a (x,y) nepoznate koordinate mobilne stanice, dok je αi poznati ugao pod kojim signal sa mobilne stanice dolazi do bazne stanice i.

1

Angulacija

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

Angulacija

• Zbog postojanja grešaka, presek pravaca nailaska signala nije tačka već zona konačne površine. Posledice su da sistem jednačina No1 u najvećem broju slučajeva nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se stoga za njegovo rešavanje primenjuju različite matematičke metode.

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

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

Angulacija

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

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

Lateracija

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

• U oba slučaja dobija se sistem od n nelinearnih jednačina, gde je n broj baznih stanica. Rešavanjem ovog sistema dobija se nepoznata lokacija mobilne stanice.

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

• Lateracija se javlja u 2 oblika:1. cirkularna lateracija : kada su poznata rastojanja između mobilne stanice i

baznih stanica2. hiperbolička lateracija: kada su poznate razlike rastojanja između

mobilne stanice i baznih stanica.

• Inače, rastojanja koja su osnova oba lateraciona metoda se dobijaju merenjem:– vremena propagacije signala između BS i MS (TOA) – vremenskih razlika propagacije signala između mobilne i baznih stanica

(TDOA) ili – merenjem snage signala na prijemu (Rxlev), a zatim procenom rastojanja

primenom nekog od propagacionih modela.

Cirkularna lateracija

• Kao što je rečeno, cirkularna lateracijacirkularna lateracija je postupak određivanja nepoznate

lokacije mobilne stanice na osnovu poznatih rastojanja između mobilne stanice i barem tri bazne stanice.

• Neka je r i poznato rastojanje između mobilne stanice i i-te bazne stanice, gde je i=1, ..., n. Poznata vrednost rastojanja r i ograničava moguće lokacije mobilne stanice na kružnicu poluprečnika r i oko i-te bazne stanice.


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

(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(x , y)

(x , y)

r1

r2


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

(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(x , y)r1

r2

(X3 , Y3)

r3


• Proračun nepoznate lokacije mobilne stanice u slučaju cirkularne lateracije:

– ako su (Xi,Yi) poznate koordinate i-te bazne stanice u Dekartovom koordinatnom sistemu,

– (x,y) nepoznate koordinate mobilne stanice,

– a rastojanje r i poznato rastojanje (dobijeno merenjem vremena TOA ili snage signala) između i-te bazne stanice i mobilne stanice, rešava se sistem nelinearnih jednačina (i ≥ 3):


( ) ( )22 yYxXr iii −+−= 2

• Kao što je ranije rečeno, rastojanje r i dobijeno merenjem vremena ili snage signala na prijemu, nije potpuno tačno i sadrži grešku usled nepotpune sinhronizacije i višestruke propagacije.

• Ovo ima za posledicu da presek tri kružnice iz No2 nije jedna tačka, već zona čija površina zavisi od stepena tačnosti merenja rastojanja.


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

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

Hiperboli čka lateracija

•• HiperboliHiperboli ččka lateracijaka lateracija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne

stanice na osnovu poznatih razlika rastojanja između mobilne stanice i barem tri bazne stanice.

• Neka su r i i r j poznata rastojanja između mobilne stanice i i-te bazne stanice i mobilne stanice i j-te bazne stanice, gde je i, j =1, ..., n i i≠j. Poznata vrednost razlike rastojanja r i - r j ograničava moguće lokacije mobilne stanice na hiperbolu u čijoj se žiži nalaze bazne stanice i i j. Ova hiperbola je definisana skupom tačaka za koje je razlika rastojanja od dve fiksne tačke konstantna.

bazna stanica

mobilna stanica


• Ako se u sistem uvede i treća bazna stanica, k, i ako je poznata razlika rastojanja r i - rk , gde je rk rastojanje između mobilne stanice i k-te bazne stanice, lokacija mobilne stanice ograničena je na drugu hiperbolu u čijoj se žiži nalaze bazne stanice i i k.

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

(X1 , Y1) (X2 , Y2)

r1 r2

hiperbola (r1 , r2)


S2


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

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

gde je dij razlika rastojanja između:

– mobilne stanice i bazne stanice i, r i, i

– mobilne stanice i bazne stanice j, r j, pri čemu važi i≠j.

3

• Kao i kod cirkularne lateracije, merenja razlike rastojanja nisu imuna na greške, pa presek hiperbola nije tačka već zona konačne površine.

• Posledice su da sistem jednačina No3 u najvećem broju slučajeva nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se stoga za njegovo rešavanje primenjuju različite matematičke metode.


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

Fingerprinting

• Metode pozicioniranja zasnovane na principu fingerprinting-asu vrlo popularne kako u ćelijskim sistemima tako i za potrebe pozicioniranja u indooruslovima.

• Osnovna ideja kod metoda baziranih na fingerprinting-u zasniva se na detekciji lokacije mobilne stanice na osnovu propagacionihkarakteristika radio signala koje ta mobilna stanica meri na određenom mestu u mreži.

• Iako se pod pojmom pozicioniranja primenom fingerprinting-a podrazumevaju različiti algoritmi, u svom izvornom obliku fingerprintingpozicioniranje se izvodi u dve faze:

1. Off-linefaza2. On-linefaza.

• Prva (off-line) faza (pripremna):

1. zona od interesa najpre izdeli na manje celine,

2. u svakoj od zona se izvrši merenje parametara od interesa (najčešće snage signala od više baznih stanica koje mobilna stanica “vidi“ sa tog mesta).

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

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

Fingerprinting

• Druga (on-line) faza:

1. Mobilna stanica čija se pozicija određuje, na osnovu standardne procedure merenja snaga signala sa okolnih baznih stanica formira fingerprint i šalje ka serveru u mreži;

2. Server pokušava da pronađe poklapanje dobijenog fingerprint-a sa nekim formiranim u off-line fazi i smeštenim u bazi podataka i na taj način proceni gde se nalazi mobilna stanica.

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

Fingerprinting

• Neka je dobijeni fingerprint (npr. vektor vrednosti snage signala baznih stanica koji je izmerila mobilna stanica) na samoj lokaciji:

Fingerprinting

[ ]OnO P,...PP 1=

• Neka je data baza podatakafingerprint-a (formirana u toku faza 1) sa vektorimasnage signala baznih stanica ali i koordinatama lokacija (M lokacija) na kojimasu izmereni (xm,ym):

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

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

( )∑=

−=−=n

kk,DBmOkmm PPPP

1

222δ

{ }M,...m 1∈

4

5

6

• Indeks mMSu bazi podataka koji odgovara lokaciji mobilne stanice dobija se kao:

Fingerprinting

2

1

2m

MmmMS min δδ

≤≤=

dok se nepoznate koordinate mobilne stanice dobijaju kao (xmMS, ymMS), na osnovu čega se zaključuje da se mobilna stanica nalazi na lokaciji m!

• Problem u primeni fingerprintmetoda se može desiti u slučaju kada formula No7 da više opcija za mMS, odnosno više lokacija mobilne stanice za isti vektor (fingerprint) sa lokacije.

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

7

prijemnik

Snaga signala Poznate pozicije

pozicija 1

pozicija 2

.

.

.

pozicija n

snaga signala fingerprint 1

snaga signala fingerprint 2

.

.

.

snaga signala fingerprint n

algoritam

fingerprint baza

podataka

procenjena

pozicijasignal

Fingerprinting

• U ćelijskim sistemima, pozicioniranje bazirano na fingerprinting-u se uglavnom realizuje kao mobile-assistedvarijanta, obzirom da neophodna merenja vrši mobilna stanica koja izmerene podatke šalje mreži gde se i vrši proračun nepoznate lokacije.

• Fingerprinting je često metoda izbora i u indooruslovima, gde je najpopularnija primena u kombinaciji sa WLAN.

Fingerprinting

Fingerprinting

Hibridna rešenja

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

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

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

2. hibrid lateracije i angulacije.

• Prva kombinacija (proximity sensingi rastojanje) posebno je popularna u ćelijskim radio mrežama.

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

• Rastojanje između mobilne i servisne bazne stanice procenjuje se na osnovu parametra koji se u ćelijskim sistemima koristi za sinhronizaciju, i izvorno nema nikakve veze sa pozicioniranjem.

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

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

Hibridna rešenja

Hibridna rešenja

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

• Debljina ovog prstena određena je rezolucijom round trip timeparametra iz kojeg se i procenjuje nepoznato rastojanje (npr. u slučaju TA parametra u GSM debljina prstena iznosi 550m).

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

(X1 , Y1) (X1 , Y1)

a ) proximity sensing i

rastojanje

b ) proximity sensing,

rastojanje i ugao

bazna stanica

mobilna stanicareferentni signal

(X1 , Y1)( ) qq RTArRTA 1+≤≤

TA (0 - 63)Rq≈550m

Hibridna rešenja

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

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

• U tom slučaju pribegava se kombinaciji lateracije i angulacije.

Podela metoda pozicioniranja prema matemetičkom pristupu određivanja lokacije

Determinističke Probabilističke

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

• Kao referentne tačke u npr. ćelijskom radio sistemu koriste se bazne stanice čije su koordinate poznate (referentne tačke).

•• Gotovo svi parametri propagacije signala koji se mogu koristiti Gotovo svi parametri propagacije signala koji se mogu koristiti za za određivanje rastojanja pokazuju osetljivost na viodređivanje rastojanja pokazuju osetljivost na viššestruku estruku propagacijpropagacijuu, odnosno NLOS uslove prostiranja, odnosno NLOS uslove prostiranja.

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

Determinističke i probabilističke metode pozicioniranja

Determinističke metode pozicioniranja

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

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

• Stoga, najveći zadatak u primeni determinističkih metoda je da se

nađe dobar algoritam za rešavanje sistema nelinearnih jednačina.

(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(X3 , Y3)

gre ška

rastojanja


Deterministički pristup


• Predstavnici determinističkog pristupa: angulacioni i lateracioni algoritmi.

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

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

nekonzistencija:

kružnice se ne seku!

višestruka rešenja!

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

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

Probabilističke metode pozicioniranja


(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(X3 , Y3)

gre ška

rastojanja

(X1 , Y1)

(X2 , Y2)

(X3 , Y3)

gre ška

rastojanja

Probabilistički pristup


• Primer: nivo signala na prijemu, probabilistički pristup:

( ) ( )n

RR d

ddPdP

= 00

Xi, Yi

d1

d2

d

21 drd ≤≤

( ) ( )22ii YyXxr −+−=

Funkcija gustine verovatnoće (~ Unif) :

( ) ( )

≤≤−=

drugde,

drdza,ddy,xpi

0

1212

122π

(Xi,Yi): koordinate izvora (bazne stanice) i

(x,y): nepoznate koordinate mobilne stanice

8

9

10

11

• U opštem slučaju, na raspolaganju je n međusobno nezavisnih izvora informacija o lokaciji mobilne stanice, i neka je svaki od njih opisan svojom funkcijom gustine verovatnoće pi(x,y) za i=1, ...n.

• Svaka od funkcija gustine verovatnoće sadrži informaciju o verovatnoći da se mobilna stanica nalazi u zoni prostora ograničenoj sa x1<x<x2, y1<y<y2:


( ) ( )∫ ∫=<<<<2

1

2

1

,, 2121

y

y

x

x

i dydxyxpyyyxxxP

• Svaka funkcija gustine verovatnoće mora zadovoljavati kriterijum normalizacije:

( ) 1, =∫ ∫+∞

∞−

+∞

∞−

dydxyxpi

12

13

• Funkcija gustine verovatnoće koja obezbeđuje kompletnu informacijuo lokaciji mobilne stanice je dvodimenzionalna prostorna Dirac-ova funkcija, obzirom da ona pokazuje da je mobilna stanica locirana tačno na koordinati (x0,y0):


( ) ( )00,, yyxxyxpDI −−= δ

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

( )A

yxpUD

1, =

• Uniformna raspodela: “mobilna stanica je negde unutar zone površine A!”.• Dirac-ova raspodela: “mobilna stanica je tačno na lokaciji (x0,y0)!”

14

15

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

• Logično, krajnji cilj bi bio funkcija gustine verovatnoće koja bi bila dvodimenzionalna prostorna Dirac-ova funkcija – znali bismo tačno gde je mobilna stanica!

• U slučaju da na raspolaganju imamo 2 dostupna izvora informacija poznatih funkcija gustine verovatnoće pi(x,y) i pj(x,y), združena funkcija gustine verovatnoće pij(x,y)dobija se kao:


( ) ( ) ( )

( ) ( )∫ ∫∞+

∞−

∞+

∞−

=dydxyxpyxp

yxpyxpyxp

ji

jiij

,,

,,,

16

• Rezultat No16 se može generalizovati na skup od n dostupnih izvora informacija, gde se dobija:

( )( )

( )∫ ∫∏

∏∞+

∞−

∞+

∞− =

==dydxyxp

yxpyxp

n

ii

n

ii

1

1

,

,,


• Odgovor na zahtev o lokaciji mobilne stanice primenom probabilističkog pristupa predstavljaju koordinate x0 i y0 koje su najbliže stvarnim koordinatama ciljane mobilne stanice. U teoriji verovatnoće,x0 i y0 predstavljaju matematičko očekivanje dvodimenzionalne slučajne promenljive (x,y) čija je funkcija gustine verovatnoće p(x,y):

( )∫ ∫+∞

∞−

+∞

∞−

= dydxy,xpxx0 ( )∫ ∫+∞

∞−

+∞

∞−

= dydxy,xpyy0

17

1819

Hvala na pažnji!

Documents

Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/Klasifikacija... · Satelitske, ćelijske i indoor