LTE i WLAN

8/12/2019 LTE i WLAN

1/63

Principi pozicioniranja u radio sistemima

8Doc. dr Mirjana Simi


2/63

LTE pozicioniranje


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.


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.


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)


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, ...)


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.


8/63

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).


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.


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


11/63


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)


12/63


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).


13/63


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.


14/63


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).


15/63


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


16/63


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).


17/63


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.


18/63


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).


19/63


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


20/63


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.


21/63


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).


22/63


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


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.


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.


25/63

LCS EvolucijaMulti-RAT pozicioniranje

Multi-RAT arhitektura pozicioniranja


26/63

Indoor pozicioniranje


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).


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)


29/63


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


30/63


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).


31/63


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.


32/63


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.


33/63


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.


34/63


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.


35/63


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.


36/63


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


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).


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.


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


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.


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.


42/63


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.


43/63


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.


44/63


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).


45/63


Dve

faze fingerprinting-a: a) off-line faza b) on-line faza


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=

=


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

).


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.


49/63


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.


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.


51/63


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.


52/63


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


53/63


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.


54/63


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,

...).


55/63


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).


56/63


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, ...


57/63


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


58/63


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.


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


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


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


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)


63/63

Hvala na panji!

LTE i WLAN

Documents

Transcript of LTE i WLAN