Upload
velibor-miki-menjic
View
238
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8/12/2019 LTE i WLAN
1/63
Principi pozicioniranja u radio sistemima
8Doc. dr Mirjana Simi
8/12/2019 LTE i WLAN
2/63
LTE pozicioniranje
8/12/2019 LTE i WLAN
3/63
LTE pozicioniranje
Procena je da danas (podatak sa poetka 2012. god) postoji oko 5.8milijardi mobilnih pretplatnika u svetu.
Udeo LTE korisnika u ovom broju svakodnevno raste, tako da npr. uSAD njihov broj premauje 50% od svih mobilnih korisnika.
Pojava LTE sistema daje novi fokus E911 i komercijalnim LBSservisima u okviru 4G mrea, dok istovremeno omoguava postepeni
prelaz izmeu LTE i 2G/3G servisa pozicioniranja.
8/12/2019 LTE i WLAN
4/63
LTE LCS arhitektura
LTE LCS mrea podrava i user plane
(U-plane, gde je tok podataka na slici
oznaeno plavom bojom) i control plane
(C-plane, gde je tok podataka na slici
oznaeno crvenom bojom) tip LCS arhitekture.
8/12/2019 LTE i WLAN
5/63
LTE LCS arhitektura
Pistupna mrea u LTE (RAN -
radio access network), Evolved-UTRAN
(E-UTRAN): sastoji se samo od eNodeB. LMU komponente se po
potrebi mogu instalirati, ali ne kao posebne komponente ve
su
integrisane u eNodeB.
Core
mrea u LTE:
MME (Mobility Management Entity)
S-GW (Serving GateWay)
P-GW (Packet Data Network GateWay)
SLP (SUPL (Secure User Plane Location) Location Platform): koristise u U-plane LCS opciji
E-SMLC (Evolved Serving Mobile Location Center): koristi se u C-
plane LCS opciji GMLC (Gateway Mobile Location Center)
8/12/2019 LTE i WLAN
6/63
LTE LCS arhitekturaprotokoli
Razmena LCS informacija izmeu UE
(MS)
i LTE mree omoguena je uvoenjem dva
protokola:1.
novog LTE protokola za pozicioniranje, tj. LPP protokola (LTE PositioningProtocol), namenjen prvenstveno za C-plane, ali se po potrebi koristi i u U-plane
LCS opciji (plava boja sa slike)2.
SUPL
(Secure User Plane Location) protokola (namenjen U-plane LCS opciji,
postojao i u 2G/3G LCS mreama u okviru U-plane opcije) (crvena boja sa slike)
Osnovne funkcije LPPLPP protokola su:
da obezbedi informacije za E-SMLC o LCS mogunostima UE (npr. koje metode
podrava mobilni terminal)
da prenese pomone podatke od E-SMLC do UE (za metode pozicioniranja koje tozahtevaju, npr. OTDOA)
da obezbedi E-SMLC rezultatima merenja koje vri UE (u sluaju npr. mobile-
assisted ili network-assisted
metoda)
da obavetava o grekama u toku postupka pozicioniranja.
Postoji i LPPaLPPa
varijanta LPP protokola (slika) koja se koristi u sluaju kada E-SMLC
zahteva podatke sa eNodeB (npr. za merenje timing advance parametra koji se, kao to ebiti rei, koristi za pozicioniranje i u LTE, ...)
8/12/2019 LTE i WLAN
7/63
LTE LCS arhitekturaC-plane pozicioniranje
U LTE mreama
C-plane LCS arhitektura se u najveoj meri koristi za hitne
servise (E-911, E-112).
Ovu vrstu LCS arhitekture omoguava novi LPP protokol, a LCS poruke se
izmeu terminala (UE) i mree razmenjuju preko signalizacionih veza.
U LTE mreama, C-plane pozicioniranje je omogueno preko MME elementa,koji rutira LPP poruke od E-SMLC ka UE (plave linije na slici sa slajda 4).
C-plane pozicioniranje je brzo, pouzdano i sigurno.
8/12/2019 LTE i WLAN
8/63
LTE LCS arhitektura
U-plane pozicioniranje
U U-planevrsti LCS arhitekture, LCS poruke se izmeu terminala (UE) i mreerazmenjuju kao korisniki podaci.
Ovu vrstu LCS arhitekture omoguava SUPL protokol. On podrava pozicioniranje prekoLTE kao i 2G i 3G mrea, i obezbeuje zajedniku platformu za sve radio interfejse.
U-plane pozicioniranje osim SUPL protokola, moe korstiti i LPP protokol (koji je C-
plane protokol), to je npr. sluaj sa prenosom pomonih podataka za metodepozicioniranja koje to zahtevaju (npr. OTDOA).
U LTE mreama, U-plane pozicioniranje je omogueno preko SLP elementa koji prenosiSUPL poruke, dok je istovremeno u vezi i sa E-SMLC od kojeg dobija pomone podatke.
SUPL poruke se kao korisniki podaci rutiraju preko P-GW i S-GW elemenata core
mree LTE (crvene linije na slici sa slajda 4).
8/12/2019 LTE i WLAN
9/63
LTE LCS arhitekturaU-plane pozicioniranje
U-plane pozicioniranje omoguava sloeni skup LCS karakteristika bitnih zamobilne aplikacije kao to su prostorno trigerovanje (spatial triggering),
periodino izvetavanje o lokaciji (periodic reporting), kao i grupno
izvetavanje.
Takoe, ovaj vid pozicioniranja omoguava i automatsko prebacivanje LCSfunkcije sa elijskih mrea na WiFi (WLAN) mree kada npr. korisnik izoutdooruslova ue u neki objekat (indoor uslove)
tzv. opcija multi-location
tehnologije.
8/12/2019 LTE i WLAN
10/63
U LTE standardizovane su tri/etiri metode pozicioniranja(Release 9, 2009. god):
1.
Enhanced Cell-ID (E-CID)
2. OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival)
3. A-GNSS (Assisted Global Navigation Satellite System).
4. U-TDOA (Uplink Time Difference Of Arrival),
standardizovana je poev od Release 11 (kraj 2011. god).
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
8/12/2019 LTE i WLAN
11/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
E-CID
E-CID metoda pozicioniranja
bazira se na blizinskom lociranju, tj. Cell-
ID metodi (kao i u svim sistemima do sada, poziciji terminala MS,
prodruuje se pozicija najblie bazne stanice).
Obzirom na nedovoljnu tanost Cell-ID metode koja zavisi od veliine
elije, u LTE je standardizovana verzija koja koristi dodatne parametre ucilju poveanja tanosti izvorne Cell-ID metode. Ta naprednija verzijaCell-ID u LTE zove se Enhanced Cell-ID tj, E-CID.
Dodatni parametri koji se u LTE mrei koriste u cilju poveanja tanostiCell-ID metode su:
1. RTT (Round Trip Time, tj. Timing Advance)
2. AOA (Angle Of Arrival)
8/12/2019 LTE i WLAN
12/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
E-CID
RTT parametarje povratno vreme propagacije signala izmeu UE i eNodeB idobija se na osnovu merenja Timing Advance
(TA) parametra.
U LTE mreama, postoje dve vrste TA parametra:1.
TA tip 1
2.
TA tip 2
TA tip 1
je vreme definisano kao zbir vremenske razlike prijema-slanja signala
na baznoj stanici, eNodeB (povratno vreme propagacije signala od
BS ka MS,
dakle BS-MS-BS) i vremenske razlike prijema-slanja signala na terminalu, UE
(povratno vreme propagacije signala od MS ka BS, dakle MS-BS-MS) (Ovo jedonekle slino poveanju tanosti merenja RTT u UMTS kada se uvodi
parametar UERx-Tx time difference)
TA tip 2
se definie standardno, tj. kao vremenska razlika prijema-slanja signala
na baznoj stanici (round trip time od BS ka MS, tj. BS-MS-BS).
8/12/2019 LTE i WLAN
13/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
E-CID
Tanost merenja parametra TA tip 1 u LTE iznosi oko 0.3s, to odgovararastojanju od 45m, dok tanost merenja parametra TA tip 2 u LTE iznosi oko 1-
2s, to odgovara rastojanju od oko min. 300m, to znai da se vea tanostpostie primenom TA tip 1.
Kao to je reeno, osim RTT, za poveanje tanosti Cell-ID u LTE se koristi i
parametar
AOA. LTE je prvi od elijskih sistema koji koristi ugao prispea
signala za poveanje tanosti pozicioniranja, a to je omogueno primenomantenskih nizova na strani eNodeB u LTE mreama.
Time je omoguna dobra rezolucija merenja ugla prispea signala od MS kaeNodeB, a time i tanije pozicioniranje.
Merenja AOA parametra se vre iskljuivo na uplinku, obzirom da su antenskinizovi instalirani na strani eNodeBs.
8/12/2019 LTE i WLAN
14/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
E-CID
Princip merenja AOA parametra zasniva se na tome da je signal koji dolazi saMS fazno pomeren za neku vrednost izmeu sukcesivnih antenskih elemenata.
Stepen tog faznog pomeraja zavisi od ugla prispea signala AOA, razmakaizmeu antenskih elemenata kao i radne uestanosti.
Merenjem faznog pomeraja a znajui karakteristike antenskih sistema baznihstanica kao i radnu uestanost, mogue je dobiti paramnetar AOA.
AOA parametar se obino meri na uplink LTE signalu na kanalu koji eNodeBkoristi za procenu propagacionih uslova na uplink
smeru za svakog korisnika
kako bi sprovela optimalni uplink scheduling (raspodela raspoloivih fizikihresursa u cilju maksimizacije ukupnog kapaciteta u mrei). Ova vrsta signala u
LTE poznata je kao Sounding Reference
Signals
(SRS).
8/12/2019 LTE i WLAN
15/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
E-CID
Primenom parametara RTT i AOA, tanost Cell-ID se moe poveati, tako da E-CID metoda ima tanost izmeu 50m -
150m.
Ovo je alternativna metoda pozicioniranja u LTE kada one tanije, iz nekograzloga, ne mogu dati rezultat.
ECID
8/12/2019 LTE i WLAN
16/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
OTDOA
OTDOA metoda pozicioniranja u LTE je slina kao istoimena metode uUMTS ili E-OTD u GSM.
Kao i ove metode, OTDOA u LTE se bazira na:
merenjima na downlinku;
merenju vremenskih razlika prispea signala sa eNodeBs do UE(MS);
primeni postupka hiperbolike lateracije u cilju prorauna nepoznatelokacije MS.
U sluaju GSM E-OTD merenja vri na BCCH kanalima, u UMTSOTDOA vri merenja na pilot signalima, dok u LTE OTDOA merenja
vre na tzv.cell Reference Signals (RS) (elijski referentni signali).
8/12/2019 LTE i WLAN
17/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
OTDOA
U OTDOA u LTE se dakle mere vremenske razlike prispea RS signala odnekoliko baznih stanica (eNodeBs) do UE. To su tzv.Reference Signal Time
Difference
(RSTD) vremenske razlike, gde se zatim kada se one izmere
standardno primenjuje hiperbolika lateracija.
Tanost merenja RSTD vremena iznosi oko 160ns to je ekvivalentno rastojanju
od oko 48m.
8/12/2019 LTE i WLAN
18/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
OTDOA
Kao i u sluaju OTDOA u UMTS, i OTDOA metoda pozicioniranja pati
od
problema hearability, koji kao to je poznato moe dovesti do toga da usled
dominacije jedne bazne stanice (eNodeB) bude onemoguen prijem RS signalasa ostalih eNodeBs neophodnih za lateraciju (hearability
problem smo zvali
problemom blizu-daleko
na downlinku).
U OTDOA u UMTS ovaj problem je reavan na vie naina (npr. prekidimatransmisije baznih stanica IPDL (OTDOA-IPDL), ubacivanjem novih
elemenata
PE (positioning elements) OTDOA-PE, ...)
U OTDOA u LTE se za reavanje ovog problema uvode specijalni signalinamenjeni iskljuivo za potrebe pozicioniranja. To su tzv.PositioningReference Signals (PRS) (referentni signali za pozicioniranje).
Primetimo da je ovo prva pojava signala namenjenih samo za pozicioniranje,koja nije postojala u sistemima pominjanim do sada (GSM, UMTS).
8/12/2019 LTE i WLAN
19/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
OTDOA
PRS signali se periodino emituju zajedno sa RS signalima u grupamauzastopnih downlink
podfrejmova. Uestanost emitovanja mora biti dovoljno
velika kako bi se izvrila neophodna merenja vremena.
Poveanje hearability referentnih taaka(eNodeBs) usled ubacivanja PRS signala
Umetanje PRS signala uResource block
u LTE
8/12/2019 LTE i WLAN
20/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
OTDOA
Ova metoda moe takoe zahtevati da UE mora imati informaciju u kojim
podfrejmovima su PRS signali kako bi znala kada da ih oekuje a u cilju
neophodnih merenja vremena.
To su tzv. pomoni podaci koji se dostavljaju UE u OTDOA metodi.
Red veliine tanosti pozicioniranjaOTDOA u LTE sa 4 referntne take(eNodeBs);
U svakom od scenarija u 90%sluajeva greka je manja od 150m, a u67% ispod 100m.
8/12/2019 LTE i WLAN
21/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
A-GNSS i U-TDOA
A-GNSS u LTE ima iste karakteristike kao i istoimena metoda u GSM i UMTSobzirom da koriste satelitsku infratsukturu i imaju isti princip
rada.
to se tie U-TDOA performanse su sline kao kod istoimene metode u UMTS,stim to se merenja vre takoe na uplinku ali se kao signali ija se vremena
prispea od UE do eNodeBs mere koriste ve
pominjani Sounding reference
signals
(SRS).
I U-TDOA se mogu koristiti LMU jedinice za potrebe sinhronizacije, i one su usluaju LTE mrea gotovo uvek integrisane u okviru eNodeBs (trokovi znatnosmanjeni).
8/12/2019 LTE i WLAN
22/63
Standardizovane metode pozicioniranja u LTE
hibridna metoda
Konano, postoji ideja o integraciji svih downlink
metoda pozicioniranja u LTE
u hibridnu metodu: E-CID+OTDOA+A-GNSS.
Smatra se da bi ovakva metoda
omoguila najveu tanost pozicioniranja u svim vrstama okruenja i u
potpunosti zadovoljiti FCC E911 zahteve!
hibridno pozicioniranje u LTE:
E-CID+OTDOA+A-GPS
8/12/2019 LTE i WLAN
23/63
LCS Evolucija
Multi-RAT pozicioniranje
Kao to se moglo videti, evolucija razliitih RAT (Radio AccessTechnology) tehnologija tokom godina (GSM, UMTS, LTE) imala je za
posledicu i razliite LCS arhitekture pripadajue i standarde.
Vei broj razliitih LCS standarda generalno predstavlja problem to je
dovelo do ideje o tzv. multi-RAT reenjima pozicioniranja.
U dananjim elijskim sistemima, servisna RAT tehnologija diktira koje
metode pozicioniranja su na raspolaganju korisniku.
To znai da bi mogao koristiti metode pozicioniranja druge RAT,
korisnik bi najpre morao da se prebaci na tu drugu tehnologiju.
8/12/2019 LTE i WLAN
24/63
LCS EvolucijaMulti-RAT pozicioniranje
Imajui u vidu sadanji trend harmonizacije standarda od strane 3GPP, kao to jetzv. multi-standard radio (MSR), neizbena je i integracija funkcionalnosti
pozicioniranja, tj. multi-RAT pozicioniranje.
U takvom multi-RAT sistemu za pozicioniranje, element pozicioniranja (tzv.
positioning node) mora imati sposobnost operativnosti sa razliitim RATtehnologijama kao i mogunost izbora optimalne metode pozicioniranja, U-plane
ili C-plane varijante,....
Takoe, element pozicioniranja mora imati mogunost merenja kako unutarjedne tako i izmeu razliitih tehnologija, a u cilju postizanja optimalnogkvaliteta servisa (QoS).
U takvom sistemu, integracija i harmonizacija standarda e smanjiti i brojelemenata LCS mree a istovremeno omoguiti maksimalnu kompatibilnost.
Ovo e posledino omoguiti ekonominija i efikasnija reenja pozicioniranja,fleksibilniji razvoj standarda i laki razvoj i migraciju mree.
8/12/2019 LTE i WLAN
25/63
LCS EvolucijaMulti-RAT pozicioniranje
Multi-RAT arhitektura pozicioniranja
8/12/2019 LTE i WLAN
26/63
Indoor pozicioniranje
8/12/2019 LTE i WLAN
27/63
Indoor pozicioniranje
Poznavanje
informacije
o lokaciji
korisnika
u radio mreama
gde
se
podrazumeva
mobilnost
korisnika
upotpunila
je cilj
o dostupnosti
servisa
ne
samo u pravom trenutku ve i na pravom mestu.
Veliki broj aplikacija u radio mreama na osnovu poznate informacije o lokacijikorisnika u outdoor uslovima inicirao je ideju o odreivanju lokacije korisnika i
u unutranjosti objekata, u indoor uslovima.
Iako se pod indoorpozicioniranjem podrazumeva pozicioniranje u raznim
short-range
tehnologijama kao to su:
bluetooth,
RFID (Radio Frequency IDentification),
infracrvene (IrDA
Infrared Data Association) i
ultrazvune tehnologije,
ova vrsta pozicioniranja najee se odnosi na pozicioniranje u beinimlokalnim mreama (WLAN).
8/12/2019 LTE i WLAN
28/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
WLAN sistem je specificiran od strane IEEE kao 802.11 serija, i dostupan je u vievarijanti.
WLAN instalacija unutra zgrade u osnovi je elijska mrea koja se sastoji od nekolikoelija, gde svaku opsluuje po 1 bazna stanica.
U 802.11 terminologiji: bazna stanica se zoveaccess point (AP), dok se
zona pokrivanja jednog AP naziva se osnovna servisna zona (Basic Service Area,BSA) a
skup svih terminala koje opsluuje AP zove se osnovni servisni skup (Basic ServiceSet, BSS).
Nekoliko BSS moe biti povezano (preko iane infrastrukture) tako da formira tzv.proireni servisni skup (Extended Service Set, ESS)
8/12/2019 LTE i WLAN
29/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Opisana infrastruktura sa BSS i ESS predstavlja tzv. infrastrukturni mod IEEE802.11.
Takoe, postoji i mod IEEE 802.11 u kojem je mogua i direktna veza izmeuterminala (bez ikakve posredne infrastrukture, tj. AP), to je poznato kao ad hocmod.
Za pozicioniranje u WLAN mreama od interesa je samo infrastrukturni mod
IEEE 802.11 tako da se pria u nastavku odnosi samo na ovaj WLAN mod infrastrukturni mod (jer su AP referentne take!).
infrastrukturni modad hoc mod
referentna taka
8/12/2019 LTE i WLAN
30/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Kao to je reeno za outdoorpozicioniranje, i za bilo koji tipindoor
tehnologije, pa tako i WLAN, postoje etiri parametra
signala koji se mogu koristiti u postupku pozicioniranja.
To su:
1. nivo signala na prijemu,Rxlev, u terminilogiji indoor pozicioniranja esto oznaavan kao RSS (Received Signal
Strength),
2. vreme prispea signala, TOA (Time Of Arrival),3. vremenska razlika prispea signala, TDOA (Time DifferenceOf Arrival) i
4.
ugao prispea signala, AOA (Angle Of Arrival).
8/12/2019 LTE i WLAN
31/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Parametar AOAje vrlo osetljiv na NLOS uslove prostiranja i viestruku
propagaciju, koje upravo odlikuju indoor
okruenje, a zahteva i priline
hardverske modifikacije na predajniku/prijemniku, pa stoga nije pogodan zaindoor
pozicioniranje.
Vreme kao parametar (bilo TOA ili TDOA)je generalno vrlo pouzdano za
pozicioniranje, ali, kao i AOA, nije pogodan za indoor
uslove.
Razlozi su drugaiji nego u sluaju AOA:
glavni problem predstavlja zahtev za vrlo velikom rezolucijom merenjavremena, to je posledica propagacije brzinom svetlosti na malimrastojanjima (unutranjost objekata);
dodatno, sinhronizacija koje zahtevaju metode bazirane na vremenu je vrlo
teko ostvarivo u WLAN mrei.
8/12/2019 LTE i WLAN
32/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Jedini preostali parametar na raspolaganju je nivo signala na prijemu, RSS,koji zahteva procenu signala na odreenom rastojanju od predajnika, odnosno,
modelovanje propagacije.
Prostiranje signala u indoor
okruenju je izuzetno sloen proces, pa samo
modelovanje propagacije zahteva veliki broj ulaznih parametara.
Veliki uticaj na propagaciju signala ima sam tip zgrade, konstruktivnainfrastruktura, debljina zidova, raspored prozora i povrina prostorija.
ak ni poznavanje svih ovih parametara ne moe garantovati dobru procenusignala u zatvorenom prostoru, jer i brojnost i poloaj ljudi koji se kreu unutarzgrade takoe utiu na varijaciju signala.
Ipak, bez obzira na brojne nedostatke, parametar RSS
je najei izbor za
pozicioniranje u indoor
uslovima, uglavnom zbog nepostojanja alternative.
8/12/2019 LTE i WLAN
33/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Procene RSS parametra u WLAN zasnivaju se na merenjima na tzv.
beacon signalima, koji se broadcast-uju bilo na uplinku
bilo na
downlinku (tj. bilo da ih emituje AP ili terminal).
Nakon prijema beacona, prijemnik meri nivo signala, tj. parametar RSS, i
ini ga dostupnim na nivou korisnikih aplikacija, to je inae standardnakarakteristika veine WLAN opreme.
Za merenja na uplinku, mobilni terminali moraju generisati ove beaconsignale, koje primaju svi AP koji su u dometu. Ovo je varijanta network-based
WLAN pozicioniranja.
8/12/2019 LTE i WLAN
34/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Za merenja na downlinku, koristi se standardna karakteristika WLAN-a poznata
kao pasivno skeniranje (passive scanning).
U tom sluaju, mobilni terminali kontinualno vre pasivno skeniranje
u cilju
detekcije najbliih AP i selekcije najboljeg za transmisiju.
U tom cilju, svaki AP periodino emituje beacon signale, koji sadre nekoliko
parametara kao to su vreme, podrani protok podataka, i AP identifikator elije,tzv.Basic Service Set Identifier
(BSSI)
identifikator osnovnog servisnog
skupa.
Vremenski interval izmeu dva beacona
moe se dinamiki podeavati i obino
se kree u opsegu izmeu nekoliko desetina do nekoliko stotina milisekundi.
8/12/2019 LTE i WLAN
35/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Terminal neprekidno oslukuje
mogue kanale za prijem beacon
signala sa
najbliih AP i pri tome belei njihove parametre kao i izmerenu vrednost
parametra RSS.
Zatim selektuje AP sa najboljim kvalitetom signala (RSS) za svoju transmisiju.Ovaj postupak je inae veoma slian procesu selekcije najpogodnije baznestanice/elije (cell selection) od strane mobilnog terminala u GSM.
Ukoliko se desi da terminal tokom pasivnog skeniranja u toku nekog odreenogvremenskog perioda ne prima beacon
signale (npr. ako je konfigurisani
vremenski interval suvie dug), on alje tzv. probni zahtev (probe request) nakoji svi AP koji su u dometu odgovaraju slanjem beacon
signala. Ovo je poznato
kao aktivno skeniranje (active scanning).
U svakom sluaju, bilo pasivno ili aktivno, ova dva moda rada predstavljajuosnovu za realizaciju terminal-based
ili terminal-assisted
pozicioniranja u
WLAN.
8/12/2019 LTE i WLAN
36/63
Indoor pozicioniranje, WLAN
Nakon pribavljanja podataka o parametru RSS, primenjuje se nekaod sledeih tehnika pozicioniranja:
1. Blizinsko lociranje (Proximity sensing), poznatije i kao Cell-ID
(u WLAN bi to bilo AP-ID).
2. Lateracione metode (cirkularna
ili
hiperbolika)
3. Fingerprinting
8/12/2019 LTE i WLAN
37/63
Indoor pozicioniranje, WLAN, Cell-ID
Cell-ID (AP-ID)je najjednostavnija tehnika pozicioniranja koja sezasniva na tome da se nepoznatoj lokaciji korisnika/terminala dodeljuje
lokacija AP sa najboljim kvalitetom signala (najvea vrednost parametraRSS).
Kao i su sluaju elijskih sistema, ova metoda ima lou tanost ali jenajjednostavnija za implementaciju.
U sluaju Cell-ID u WLAN postoji i varijanta da se identifikatori AP(BSSI) mapiraju u brojeve soba iznad kojih se nalaze, ili, u naprednijojverziji, AP mogu i broadcastovati brojeve soba iznad kojih su postavljeni(slino kao to se u elijskim sistemima mogu broadcastovati
koordinate
baznih stanica).
8/12/2019 LTE i WLAN
38/63
Indoor pozicioniranje, WLAN, Cell-ID
Tanost Cell-ID u WLAN je od nekoliko desetina do nekoliko stotinametara, u zavisnosti od jaine signala na predaji kao i gustine AP u
samoj zgradi (objektu).
U najgorem sluaju, ova metoda moe samo detektovati da li je nekaosoba/terminal prisutna u zgradi, ili npr. u nekom delu zgrade.
Ukoliko zgrada ima vie spratova, Cell-ID ne bi mogla razlikovati nakojem je spratu odreeni terminal.
U najboljem sluaju, tanost Cell-ID zavisi od broja AP (tzv.granularnosti) na nain da maksimalna greka pozicioniranja iznosi okopolovine rastojanja izmeu AP-a.
8/12/2019 LTE i WLAN
39/63
Indoor pozicioniranje, WLAN, lateracije
Lateracione metode: u ovom sluaju pozicija terminala dobija se reavanjemlateracionih algoritama (cirkularna i hiperbolika), gde se nepoznata rastojanja ili
razlike rastojanja dobijaju na osnovu merenog parametra RSS i primenom nekogmodela propagacije u indoor uslovima.
U ovom sluaju najpre je potrebno odrediti tanu lokaciju referentnih taaka, to
se esto radi na osnovu plana zgrade i prebacicanjem u Dekartov sistem.ETF
8/12/2019 LTE i WLAN
40/63
Indoor pozicioniranje, WLAN, lateracije
U poreenju sa lateracionim metodama u elijskim sistemima (tj. sa outdoor
pozicioniranjem), lateracione metode u indoor uslovima generalno imajuproblem sa viestrukom propagacijom i NLOS propagacijom, koja je uovakvom okruenju dosta izraena.
Signali od predajnika ka prijemniku u indoor uslovima izloeni su viestrukimrefleksijama i rajesanju kako na zidovima tako i na podu, pa je signal naprijemu vrlo teko predikovati.
Samim tim, teko je i proceniti potrebna rastojanja ili razlike rastojanja zalateracione metode.
Imajuu u vidu sve to je reeno za prethodne dve tehnike pozicioniranja uWLAN, tehnika izbora u indoor
okruenju je
fingerprinting.
8/12/2019 LTE i WLAN
41/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Osnovna
ideja
kod
metoda
baziranih
na
fingerprinting-u zasniva
se na
detekciji
lokacije
mobilnog
korisnika/terminala
na
osnovu
propagacionih
karakteristika
radio signala koje taj terminal meri na odreenom mestu u mrei.
Iako
se pod pojmom
pozicioniranja
primenom
fingerprinting-a podrazumevaju
razliiti
algoritmi, izvornom
obliku
fingerprintingpozicioniranje
se izvodi
u
dve
faze:
1.
pripremnoj
(off-line ili
training) i
2.
izvrnoj
(on-line ili
positioning).
Cilj
off-line
faze je generisanje
baze
podataka
koja
e
biti
koriena
tokom
procesa pozicioniranja. Kako
bi se sakupili
potrebni
podaci
moraju se
paljivo
izabrati referentne
take, RPs
(Reference Points), tj. take u kojima se meri
parametar RSS u pripremnoj fazi i koje e biti u bazi podataka.
8/12/2019 LTE i WLAN
42/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Referentne
take
treba
da
budu
to
je mogue
ravnomernije
rasporeene
u
oblasti
od
interesa, tj. u oblasti
u kojoj
e
se odreivati
lokacija
mobilnog
korisnika.
8/12/2019 LTE i WLAN
43/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
U svakoj
od
referentih
taaka
se vri
merenje
nivoa
snage
signala
(RSS) od
svih
AP
koji
pripadaju
datom
WLAN i na
taj
nain
se dobija
vektor
RSS
vrednosti za svaku od taaka.
Tom vektoru
se dodaju
koordinate
referentne
take
u kojoj
je dobijen
i
rezultujui
vektor
se smeta
u bazu
podataka
(DB
data base). Taj
vektor
za
k-tu referentnu taku je oblika:],...,,,[ ,,2,1 kDBnkDBkDBDBkDBkDBk RSSRSSRSSyxRSS =
gde
su
xDBk
i yDBk
Dekartove
koordinate
k-te
RP, a n je broj
Access Point-a u
okviru
posmatrane
infrastrukture.
8/12/2019 LTE i WLAN
44/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Ponavljanjem
ovog
postupka
za
sve
referentne
take
kompletira
se off-line, tj.
training
faza
fingerprinting metode. Kreirana
baza
podataka
se esto
naziva
i
radio mapa(radio map
).
Proces
stvarnog
pozicioniranja
zapoinje
u drugoj
fazi, on-line fazi. Mobilni
terminal koji se nalazi
na
nekoj
poziciji
unutar
zone u kojoj
se vri
pozicioniranje
meri
u toj
taki
snage
signala
od
svih
AP-ova i formira
fingerprint
(vektor snage
signala RSS sa svih AP u toj taki):
],...,,[ 21 nRSSRSSRSSRSS=
Tajfingerpint
se zatim poredi
sa
onima
iz
baze
(formiranih u off-line fazi) i na
osnovu nekog
od
algoritama
nalazi
lokacija
mobilne
stanice, tj. terminala.
Najee korieni algoritam u ove svrhe je traenje rastojanja u prostoru signala(SSD-Signal Space Distance) izmeu dobijenog
fingerprint-a i onih
iz
baze
podataka (radio mape).
8/12/2019 LTE i WLAN
45/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Dve
faze fingerprinting-a: a) off-line faza b) on-line faza
8/12/2019 LTE i WLAN
46/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting, NN
Vei
broj
algoritama
se moe
koristiti
za
estimaciju
pozicije
mobilnog
korisnika, i oni se
dele na deterministike i probabilistike..
Osnovni determinsitiki predstavnik je algoritam najblieg suseda,Nearest Neighbour inSignal Space (NNSS) ili
samo
Nearest Neighbour (NN).
Rastojanje
u prostoru
signala
izmeu
izmerenog
vektora
snage
signala
i m-tog
fingerprint-a u bazi
podataka
se rauna
po
formuli:
Vrednost
parametra
q je najee
1 ili
2. Za
q=1 dobijamo
Manhattan rastojanje,
a za
q=2 Euklidsko rastojanje.
( ) ( ) ( )22222112 nDBnDBDBm, RSSRSS...RSSRSSRSSRSSL +++=
q
qn
i
im,DBim,q )RSSRSS(L
1
1=
=
8/12/2019 LTE i WLAN
47/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting, NN
Kod NN algoritma, procenjene
koordinate
mobilne
stanice
su
koordinate
one referentne
take
iji
fingerprint
ima
najmanje
rastojanje
u prostoru
signala sa izmerenim vektorom snage signala u taki u kojoj sepozicioniranje vri
tj.
mqMm
mMSq LL ,1
, min
=
gde
je M ukupan
broj
referentnih
taaka
(podataka u bazi, tj. radio mapi), a
procenjene
koordinate
terminala su
(xmMS
,ymMS
).
8/12/2019 LTE i WLAN
48/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting, kNN
Umesto
da
uzmemo
samo
RP sa
najmanjim
rastojanjem
u prostoru
signala, mogu
se dobijena
rastojanja
poreati
u neopadajuem
redosledu
i uzeti
prvih
K taaka sa
najmanjim rastojanjima.
Procenjena
lokacija
mobilnog
korisnika
(xMS
,yMS
), se onda
nalazi
usrednjavanjem
koordinata, tih
K referentnih
taaka:
K
x
x
K
i
i
MS
== 1
K
y
y
K
i
i
MS
== 1
Ovo
je nain
realizacije
KNN (K Nearest Neighbours) algoritma.
Kao i
prethodni (NN), pripada grupi determinstikih
algoritama procene pozicije.
8/12/2019 LTE i WLAN
49/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Kao to je reeno, algoritmi procene pozicije u fingerprintingu mogu biti i
probabilistiki.
Naime, u sluaju deterministikih algoritama posmatra se samo jedna RSSvrednost, i obino je to neka vrednost parametra RSS usrednjena u toku odreenogvremenskog intervala.
Ipak, zbog velikih varijacija signala u ovom tipu okruenja, esto srednja vrednostnije dobar izbor jer moe dovesti do velikih greaka. Sofisticiranije reenje bi bilone uzimati srednju vrednost parametra RSS, ve
njegove varijacije tokom off-line
faze opisati nekom funkcijom gustine verovatnoe.
U on-line fazi se u tom sluaju uzimaju u obzir funkcije gustine verovatnoe odsvih AP-a koje se primenjuju na merni RSS parametar kako bi se pronalanajverovatnija pozicija.
Na ovaj nain, mogue je poveati tanost pozicioniranja u odnosu nadeterministike algoritme procene pozicije.
8/12/2019 LTE i WLAN
50/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprintingscenario pozicioniranja
Fingerprinting u WLAN se moe realizovati u sva tri oblika
pozicioniranja:
a)
terminal-assisted
b)
terminal-based
c)
network-based.
8/12/2019 LTE i WLAN
51/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprintingscenario pozicioniranja
U sluaju terminal-assisted
fingerprintinga, u toku on-line
faze terminal
rezultate merenja koja se rade na downlinku
(measurement report
kao i
kod GSM) alje serveru u mrei.
Server odrava radio mapu i vri poreenje merenog RSS fingerprinta ionog u bazi i pomoi nekog od prethodno opisanih algoritama nalazi
procenjenu lokaciju terminala.
8/12/2019 LTE i WLAN
52/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprintingscenario pozicioniranja
U sluaju terminal-based
fingerprintinga u toku on-line
faze, radio mapu
odrava sam terminal, pa se poreenje merenog RSS fingerprinta i onog
u bazi vri lokalno, tj. sam terminal procenjuje sopstvenu lokaciju.
I d i i i j WLAN fi i i
8/12/2019 LTE i WLAN
53/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprintingscenario pozicioniranja
U sluaju network-based fingerprintinga, radio mapa se kreira na osnovu RSSmerenja na uplinku.
U toku off-line faze, terminal periodino emituje beacon signale, koje primajuokolni AP-i i belee RSS parametre. Ti rezultati se alju ka serveru koji od istihformira radio mapu.
U toku on-line
faze, scenario je isti, terminal povremeno alje beacon
signale,
koje mere okolni AP-i, koji zatim te rezultate alju serveru koji trai najslinijifingerprint u radio mapi sa onim pristiglim tokom on-line faze i tako procenjujelokaciju terminala.
8/12/2019 LTE i WLAN
54/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Ozbiljan nedostatak fingerpinting metode jeste priprema podataka
i merenja u
off-line
fazi.
Naime, u ovoj fazi radi pripreme baze podataka tj. radio mape, neophodno jevriti prilino obimna merenja RSS parametara u objektu od interesa. Ovo moe
biti dugotrajan, sloen i skup proces. Dodatno, izbor broja referentnih taaka za
formiranje radio mape mora biti oprezan, kako bi se izbegla neodreenostpozicioniranja, tj. situacija u kojoj vie pozicija u objektu daje isti fingerprint!
Situacija je dodatno pogorana time da je itav postupak neophodno ponovitisvaki put kada se u postojeoj WLAN infrastrukturi bilo ta promeni! (npr.postavi se novi AP, neki se sklone, promeni se snaga predajnika,
...).
8/12/2019 LTE i WLAN
55/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Alternativna varijanta je da se potrebna baza podataka, tj. radio mapa, formira nena osnovu merenja, ve
na osnovu odgovarajueg modela propagacije sa
ulaznim parametrima kao to su: snage predajnika AP-a,path-loss, sve preprekena putu signala, npr. zidovi, nametaj, ...
U ovom sluaju, radio mape se jednostavno i brzo formiraju bez ikakvih merenjai jednostavno ih je izmeniti i aurirati u sluaju da se bilo ta u WLANinfrastrukturi izmeni.
U literaturi, ovakav pristup je poznat kao pristup modelovanjem (modelingapproach) dok se prethodni koji ukljuuje merenja naziva empirijski pristup(empirical approach).
8/12/2019 LTE i WLAN
56/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Do danas je razvijen vei broj WLAN fingerprinting sistema za pozicioniranje.Za razliku od elijskih sistema, ovi sistemi kao i ostali indoor
sistemi za
pozicioniranje nisu podloni standardizaciji.
Neki od najpoznatijih sistema su:
RADAR (razvijen od strane Microsofta)
prvi razvijen WLAN
fingerprinting sistem
Ekahau
komercijalni sistem koji se moe i kupiti (primenjuje
probabilistiki pristup)
Horus
Nibble (posmatra odnos signal-um, SNR, umesto snage signala na prijemu,RSS)
WhereMops, ...
8/12/2019 LTE i WLAN
57/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
ta: terminal-assisted, tb: terminal-based, nb: network-based
emp: empirijski pristup formiranja radio mape, mod:pristup modelovanjem tj.
primenom modela propagacijeu formiranjuradio mape
det: deterministiki pristup proceni pozicije, prob:probabilistiki pristupproceni pozicije
8/12/2019 LTE i WLAN
58/63
Indoor pozicioniranje, WLAN,fingerprinting
Kao to se vidi iz tabele, tanost pozicioniranja pomenutih sistema jereda veliine nekoliko metara to je najee dovoljno za veinu indoor
LBS aplikacija.
Takoe, u zakljuku je mogue rei da je, osim tanosti, velika prednost
WLAN fingeprintinga i to to se zasniva na postojeim WLANinstalacijama, kojima je opremljena veina javnih objekata danas, kao ipostojeim laptopovima, mobilnim telefonima, PDA od kojih mnogipodravaju WLAN.
Ovo pozicioniranje ne zahteva nikakve modifikacije u hardveru, alizahteva softverske modifikacije neophodne radi formiranja radio mapa i
merenja RSS parametra tokom on-line faze.
8/12/2019 LTE i WLAN
59/63
Primer...zadatak
U objektu
sa
slike
instalirana
su
3 access pointa
(AP).
Radio mapa
formirana
je merenjem
parametra
RSS sa svakog od tri AP u 12
taaka (Tabela 1).
Odrediti nepoznatu lokaciju terminala T primenom k-NN algoritma (gde je k=3)ako je tokom on-line
faze izmereni fingerprint PT od strane ovog terminala:
( )dBmdBmdBmPT 959694 =
Tabela 1. Radio mapa (DB-data base)
( )321 RSSRSSRSSPT=
T(xT
, yT
)=?
*10m
8/12/2019 LTE i WLAN
60/63
Primer...zadatak
Korak 1Korak 1: radi lakeg rauna, normalizovati vektor sa terminala ija se lokacija odreuje(normalizacija vri uodnosu na jedan
AP, u ovom
primeru
u odnosu
na
AP1):
( )dBmdBmdBmPT 959694 = ( )120 =PTN
Korak 2Korak 2: po istom principu normalizovati sve vektore iz radio mape (DB):
( )NNN RSSRSSRSSPTN 321=
Tabela 1. Radio mapa (DB-data base)
Tabela 2. Normalizovana radio mapa
*10m
RSS sa AP1 RSS sa AP2 RSS sa AP3
i
8/12/2019 LTE i WLAN
61/63
Primer...zadatak
Korak 3Korak 3: pronai Euklidsko rastojanje izmeu izmerenog normalizovanog fingerprintaPTN i svakog normalizovanog fingeprinta iz radio mape (i=12), koristei poznatuformulu:
( ) ( ) ( )2
33
2
22
2
11 Ni,APNi,APNi,APii RSSRSSRSSRSSRSSRSSDL ++==
Korak 4Korak 4: Obzirom da se primenjuje k-NN algoritam sa k=3, pronai tri najmanje vrednostirazlike fingerprinta iz baze i merenog fingerprinta. Iz tabele se vidi da su to oni na poziciji:2, 3 i 6. Njihove vrednosti razlika su 6, 8 i 6, respektivno.
Tabela 3. Proraunata Euklidska ratsojanja izmeu merenog fingerprinta PTN i svih u radio mapi
8/12/2019 LTE i WLAN
62/63
Primer
Korak 5Korak 5: Najzad, uvidom u tabelu 1 oitavaju se njihove pozicije (xi
, yi
) i rauna
konana traena pozicija terminala T:
( )323
3
102321 .*
K
x
x
K
i
i
MS =++
==
= ( ) 313
3
102111 .*
K
y
y
K
i
i
MS =++
==
=
T(xT, yT)=(23.3, 13.3)
iz
Tabele
1:
pozicija
2: (x2
, y2
)=(2, 1)
pozicija
3: (x3
, y3
)=(3, 1)
pozicija 6: (x6
, y6
)=(2, 2)
8/12/2019 LTE i WLAN
63/63
Hvala na panji!