principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/propagacija i...

Principi

pozicioniranja

u radio sistemima

Propagacija, parametri u pozicioniranju i parametriza procenu kvaliteta pozicioniranja

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⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

dGGPP RTTR π

λ

•

PL: propagaciono slabljenje (Path Loss)•

PR

: snaga

signala

na

prijemu

(Rx snaga)•

GR

: dobitak

prijemne

antene•

PT

: snaga

predajnika

Tx

241⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==λπd

GGPPPL

RTR

T

•

GT

: dobitak

predajne

antene•

λ: radna

talasna

dužina

•

d: rastojanje

između predajnika i prijemnika

ili

3 4


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

PGGPd

πλ

4= d

Tx Rx

5

•

U slučaju realnog radio kanala propagacija 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.


realni radio kanal

•

Refleksija nastaje kada radio talas u toku propagacije naiđe na ravnu 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 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.


realni radio kanal -

Refleksija -

•

Difrakcija nastaje kada između predajnika i prijemnika ne postoji linija direktne optičke vidljivosti, LOS (Line-Of-Sight), već

je propagacija ometana objektom čije su dimenzije, kao i u slučaju refleksije, veće od talasne dužine prenošenog signala, λ.

•

Na taj način se iza objekta koji narušava LOS stvaraju sekundarni talasi. •

Ovim efektom se objašnjava fenomen da 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).



Difrakcija -

•

Rasejanje (rasipanje) nastaje kada radio talas naiđe ili na hrapavu prepreku velikih dimenzija, ili 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,...



Rasejanje -


realni radio kanal

•

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 nije

dovoljno, 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).


realni radio kanal

•

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 rspodelom tog slabljenja.


realni radio kanal LSF


realni radio kanal LSF, 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

dddPLdPL ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

00 ( ) ( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

00 10

ddlogndPLdPL dBdB

•


: srednja vrednost propagacionog slabljenja

•

d: rastojanje prijemnika od predajnika•

d0

: referentno rastojanje•

n: eksponent slabljenja na putanji (path loss

eksponent)

PL

6 7



•

Snaga signala na prijemu u tom slučaju je:

( )( )0dPPdPL

R

T=

( ) ( )n

RR dddPdP ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= 0

0

( ) ( )00 dP

PdPLR

T=

•


: srednja vrednost propagacionog slabljenja•

: srednja snaga na rastojanju d od predajnika

•

PR

(d0

): snaga na referentnom rastojanju

•

d: rastojanje Tx -

Rx•

d0


n: eksponent slabljenja na putanji (path loss

eksponent)

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 (indoor

uslovi)



0ZHE=

λ

22Drff =

•

Vrednost

slabljenja

propagacije

PL ili

snage

PR

na

referentnom rastojanju

d0 se može proceniti na dva načina:

–

merenjem–

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

GGPPdPL

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 outdoor okruženja.

nn TIP OKRUTIP OKRUŽŽENJAENJA

2 Slobodni

prostor

2.5 Outdoor -

rural

2.7 -

3.5 Outdoor -

urban

3 -

5 Outdoor -

dense urban (shadowed)

1.6 -

1.8 Indoor -

LOS

4 -

6 Indoor -

NLOS

•

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



( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

00 10

ddlogndPdP 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 outdoor

i indoor

okruženju.

•

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



( ) ( ) dBdBdB XdPLdPL +=

( ) ( ) dBdBdB XddlogndPLdPL +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

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(X2

dB

=σ2, σdB

)



•

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


realni radio kanal SSF

•

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

prenošenog 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 u slovima višestruke propagacije ima jednu od dve raspodele, u zavisnosti da li se propagacija obavlja u LOS uslovima (postoji direktna komponenta) ili ne. –

višetruka

propagacija, LOS: Rice-ov feding:



( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

+−

202

22

22

σσσ rAIerrp

Ar

–

višetruka

propagacija, NLOS: Rayliegh-ov feding :

( ) 2

2

22

σ

σ

r

errp−

=

12 2

2

<<σA

17

18

•

A: amplituda direktne komponente•

σ2: srednja snaga prenošenog signala•

I0

: modifikovana Bessel-ova funkcija nultog reda

00 ≥≥ A,r


realni radio kanal PL, LSF, SSF

LSF margina: 6 –

10dB

SSF margina: 20 –

30dB

•

SSF se manifestuje u dva mehanizma:–

vremenska disperzija

(time dispersion)–

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).



manifestacije

•

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).



manifestacije

•

Frekvencijska disperzija: nastaje kao posledica Doppler-ovog efekta. •

U vremenskom domenu ova pojava odgovara tome da je kanal vremenski selektivan (vremenski selektivan feding).

•

Javlja se kada se predajnik, prijemnik, ili oba kreću u toku transmisije →

direktna posledica toga je (neželjena) frekvencijska modulacija signala na prijemu.

•

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



manifestacije



manifestacije

•

Doppler-ov pomeraj:

α

αλ

cosvfd =

•

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:

λvfd =

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 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).



manifestacije

Raspoloživi parametri za pozicioniranje u radio sistemima

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima

•

Posmatramo scenario:–

imamo referentne tačke poznatih koordinata (npr. bazne stanice, access point-e)

–

tražimo nepoznatu lokaciju mobilne stanice/mobilnog korisnika/terminala, ...

•

Lokacija

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

rastojanja–

ugla.

•

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:–

nivo signala na prijemu

(received signal strength): Rxlev,

RSSI, ...–

vreme propagacije signala

(češće se zove vreme prispeća

signala) (Time Of Arrival): TOA–

vremenska razlika propagacije signala

(vremenska razlika

prispeća signala) (Time Difference of Arrival)–

ugao nailaska (prispeća) signala

(Angle Of Arrival).

Parametri za pozicioniranje u radio sistemima

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 dddPdPRxlev ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛== 0

0

•

PR

(d0

): srednja snaga na rastojanju d od predajnika (na pirjemu)

•

PR

(d0

): snaga na referentnom rastojanju

•

d: rastojanje Tx -

Rx•

d0


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 loss

eksponenta, n. Zato se za procenu rastojanja

na osnovu nivo 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 rastojanju

d 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 nepouzdan za procenu rastojanja u postupku pozicioniranja! Jako je osetljiv na multipath propagation.



•

Dodatna otežavajuća okolnosti za primenu parametra Rxlev je i primena adaptivne kontrole snage (u nekim sistemima): dinamičko podešavanje snage predajnika u zavisnosti od raznih faktora:–

rastojanja Tx-Rx–

verovatnoće greške–

broja korisnika u ćeliji (CDMA-based

sistemi).

•

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 uslovi indoor

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).




Vreme prispeća signala, TOA (Time Of Arrival) -

•

Na osnovu vremena propagacije signala između Tx i Rx, 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 prispeća signala do prijemnika Rx, 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 cdtt 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 TOA zahtevaju da mreža bude sinhronizovana, (ili barem da znamo vrednost

parametra εsync

).

•

Poznavanje parametra εsync

je najteži zadatak u metodama baziranim na TOA (većina mreža kao GSM, UMTS FDD, ... nisu sinronizovane i εsync

je praktično nemoguće odrediti).





•

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 stzanice (LOS)

•

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


Vremenska razlika prispeća signala -

TDOA (Time Difference Of Arrival)•

Na osnovu razlike vremena propagacije signala između Tx i Rx, 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


Vremnska razlika prispeća signala -

TDOA (Time Difference Of Arrival)

•

U opštem slučaju, parametar TDOA se dobija kao: 1

1

Tx1

TDOA

2 Tx2

2

21 TOATOATDOA ttt −= 7

syncTxTOA cdtt ε++= 1

11

syncTxTOA cdtt ε++= 2

22

cddttt 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 εsync

se potire

(formula No8) → nema

zahteva 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.


Vremnska razlika prispeća signala -

TDOA (Time Difference Of Arrival)


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!

•

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):

BS

BS

MS

MS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=BSMS

BSMS

xxyyarctgθ

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:–

tačnost,

–

dostupnost i konzistencija,–

priraštaj opterećenja,

–

energetska efikasnost,–

kašnjenje i

–

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 baš

one 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.

Parametri

procene


•

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, ...).

•

Neodređenost pozicioniranja 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.

Parametri

procene


neodređenost

Parametri

procene


•

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 pouzdanosti u procenjenu lokaciju, pa se i performanse i zahtevi vezani za pozicioniranje predstavljaju njihovom kombinacijom.

Parametri

procene


•

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%.

Rešenje 67% 95%

Mobile-based 50m 150m

Network-based 100m 300m

•

Mnoge aplikacije koje se baziraju na poznavanju lokacije korisnika, zahtevaju da primenjena metoda pozicioniranja bude dostupna u 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.

•

Dostupnost pokazuje koliko je neka metoda pozicioniranja primenjiva u različitim okruženjima

(metode koje zahtevaju više referentnih tačaka

(BS) u ruralnom okruženju?).

•

Konzistencija

je

mera stabilnosti tačnosti metode pozicioniranja u različitim okruženjima (metode koje se zasnivaju na najbližoj referntnoj 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: –

signalizaciono i

–

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 pitanju

memorijskih 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, tačnije metode unose veće signalizaciono i računarsko opterećenje.

•

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

-

•

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:–

odabrati odgovarajuća metoda pozicioniranja u skladu sa zahtevanim tipom servisa

–

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

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

–

obezbediti zahtevani resursi, –

izvršiti sva neophodna merenja i –

najzad proračunati nepoznata lokacija mobilne stanice.

Parametri

procene

lokacije -

Kašnjenje

-

•

Kod većine metoda pozicioniranja kašnjenje iznosi nekoliko sekundi.

•

Treba ipak naglasiti da ovaj parametar dosta zavisi od konkretne aplikacije 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 starta

GPS-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

implementiranih metoda

pozicioniranja, sama cena tog 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

koji

će

podržati

dati

lokacijski

servis, –

troškove

na

strani

operatora, tj. cena

modifikacije

ili

dodavanja

novih

komponenata

postojećoj

arhitekturi, kreiranje potrebnih baza podataka,

instalaciju novih procesora, ... kao i rizik u pogledu

troškova na strani korisnika–

planirane

troškove

buduće

ekspanzije

prilikom

porasta

broja

korisnika

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 profit to opravdava. Nasuprot

tome, jeftiniji

pristup

ulaganja

operatera

može

biti

potpuno

beskoristan

ako

prihodi

nisu

prisutni

u planiranom vremenskom

roku

usled

slabog

odziva

korisnika

ili

loših

performansi

metode.

Parametri

procene

lokacije -

Cena

implementacije

i ROI

-

Hvala na pažnji!

principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/propagacija i...

Documents