تکنولوژیهای تعیین موقعیت
تکنولوژی های تعیین موقعیتی که اغلب توسط حامل های Wireless بکار می روند، handset-centric هستند . این تکنولوژیها سطوح مختلفی از دقت موقعیتی، سطوح سرمایه گذاری سخت افزار و نرم افزار و محتوا را برای کاربران متحرک فراهم می کنند.
1- تکنولوژیهای موقعیتی Handset- Centric
1-1- CELL-ID
Cell-ID در شبکه‌های WCDMA و GPRS و GSM کار می‌کند. این تکنولوژی به شبکه نیاز دارد تا BTS ای (ایستگاه اصلی) که Cell Phone با آن در ارتباط است و موقعیت آن را شناسایی کند.
خدمات موقعیتی Cell-ID، موقعیت MS یا UE را به عنوان موقعیت ایستگاه اصلی شناسایی کرده و این اطلاعات را به کاربرد خدمات موقعیتی می‌فرستد. در ابتدا Cell-ID زمانی استفاده می‌شد که سطوح بالایی از دقت مکانی نه واجب و نه لازم بود.
اگر یک Handset برای یک تماس مورد استفاده قرار گیرد آنگاه اطلاعات درباره Cell Site ای که در آن قرار دارد باید برای شبکه بصورت آنی به روز شود. با این وجود اگر Handset ایده آل باشد، انگاه آخرین موقعیت انتقال معلوم توسط شبکه در ثبت کننده موقعیت خانگی (HLR) ذخیره میشود.
برای به روز کردن اطلاعات شبکه در موقعیت یک Hand set، شبکه وسیله را فراخوانده و آن را وادار به پویش قدرت سیگنال BTS اطراف می‌کند و بدین طریق شبکه را از Cell-ID اش با خبر می‌نماید. دقت این روش به اندازه Cell بستگی دارد و در بسیاری از حالات می‌تواند بسیار ضعیف باشد زیرا GSM Cell معمول قطری بین 2km تا 20km دارد. با Pico cell می‌توان به دقت 150 متر رسید. با استفاده از یکی از تکنیک‌های TA و یا قدرت سیگنال می‌توان به سطوح بالاتری از دقت رسید.
1-2- Timing Advance (TA) + CELL-ID
زمانی که در آن یک ترمینال سیگنال انتقال را می‌فرستد، برای عملکرد کارای یک شبکه GSM/GPRS حیاتی است. هر ایستگاه متحرک در یک Cell داده شده در فاصله متغیری از ایستگاه اصلی ارائه دهنده خدمات خواهد بود اما سیگنال از هر وسیله باید دقیقا در همان زمانی که timelot های آنها قابل دسترسی می‌شوند، به ایستگاه اصلی برسد.
بنابراین برای ایستگاه متحرک لازم است تا با ایستگاه اصلی در زمان مناسب هماهنگ شود. از آنجا که دوره زمانی TA برای هر ایستگاه متحرک وابسته به فاصله آن از ایستگاه اصلی است بنابراین می‌توان این اطلاعات را برای تعیین میزان دوری تماس گیرنده استفاده کرد. اطلاعات TA برای cell های با شعاعی بیش از 550 متر برای افزایش دقت موقعیت یابی بلا استفاده است. دلیل این موضوع این است که سرشکنی های انجام شده برای TA مربوط به انتقال‌های ایستگاه متحرک بر مبنای اینکه ایستگاه متحرک چند 550-500 متر
دور تر از ایستگاه اصلی است، محاسبه میشود.
1-3- (RX Mcasurement/NMR) Signal Strength + CELL – ID
ایستگاه متحرک بصورت پیوسته قدرت سیگنال را از هر ایستگاه اصلی اندازه گیری کرده و این اطلاعات را به ایستگاه اصلی ارائه دهنده خدمات بر می‌گرداند. این کار به گونه‌ای است که ایستگاه متحرک قادر به انتقال و دریافت از ایستگاه اصلی ای است که قدرت سیگنال بهینه‌ای دارد. به این طریق کیفیت تماس برای کاربر نهایی بهبود می‌یابد و استفاده کاراتر از زیر ساختار شبکه امکان پذیر خواهد بود.
با این اطلاعات مربوط به قدرت سیگنال، بصورت تئوری این امکان وجود دارد که موقعیت تماس گیرنده، با لحاظ کردن نرخی که قدرت یک سیگنال RX با افزایش فاصله بین فرستنده و گیرنده کاهش می‌یابد، محاسبه شود.
با این وجود فاکتورهایی وجود دارند که کارایی این روش را محدود می‌کنند و فاصله تنها فاکتور مؤثر نیست. خصوصیت زمین بین فرستنده و گیرنده تأثیر مهمی بر روی این اندازه گیریها دارد. هرچه ماده‌ای که یک ساختمان از آن ساخته شده چگال تر باشد و هرچه طبقه‌ای که تماس گیرنده در آن قرار گرفته بالاتر باشد تأثیر منفی فزاینده‌ای بر روی قدرت سیگنال دریافت شده دارد. اندازه گیریهای قدرت سیگنال یا RX گاهی تحت عنوان “نتایج اندازه گیری شبکه (NMR)” نامیده میشود.
2- تکنولوژیهای موقعیتی Network-Centric
2-1- تکنولوژیهای مثلث بندی شبکه مبنا
تعدادی از تکنولوژیهای اندازه گیری شبکه مبنای مختلف می‌توانند برای تعیین موقعیت یک تماس گیرنده بکار روند که برخی از انواع اصلی آن در زیر شرح داده می‌شوند.
2-1-1- اختلاف زمان مشاهده شده افزوده (E-OTD)
E-OTD تنها بر روی شبکه‌های GPRS و GSM کار می‌کند. در GSM، MS سیگنال انتقال را از چند BTS همسایه پویش می‌کند و شیفت‌های زمانی بین رسیدن فریم‌های GSM از BTS ها به آن هایی که با آن در ارتباط اند را اندازه گیری می‌کند. این اختلاف های زمان مشاهده شده اندازه گیریهای اصلی روش
E-OTD هستند و برای تعیین موقعیت وسایل متحرک بکار می‌روند. دقت روش E-OTD تابعی از رزولوشن اندازه گیریهای اختلاف زمان، هندسه ایستگاه اصلی همسایه و محیط سیگنال می‌باشد. Handset متحرک باید اختلاف زمان را از حداقل 3 ایستگاه اصلی اندازه گیری کند تا تعیین موقعیت دو بعدی را حمایت نماید (هیچ اندازه گیری ارتفاعی تهیه نمی‌شود). E-OTD نیاز به اطلاعات زمانی دقیق دارد.
واحدهای اندازه گیری موقعیت (LMUs) در شبکه‌های GPRS و GSM برای اطلاعات زمانی دقیق موردنیاز هستند. مهمترین نیازمندی برای این تکنولوژی این است که BTS در شبکه بوسیله حداقل یک LMU مشاهده شود. علاوه بر آن در MS نرم افزار خاص برای حمایت از E-OTD لازم است. نیاز LMU ها تغییرات زیر ساختاری مهمی را معرفی می‌کند که نیازمند نصب هزاران LMU در شبکه های GSM/GPRS می‌باشد. در این تکنولوژی طراحی شبکه، پیروی از مقررات محلی در جاییکه با Site های جدید سر و کار داریم و هزینه طراحی، نصب، تست و نگهداری شبکه LMU ها اهمیت زیادی دارد. این سطح از حساسیت و پیچیدگی توانایی اپراتور جهت تأمین حمایت برای خدمات موقعیت مبنای E-OTD را پیچیده تر می‌کند و زمان موردنیاز برای استقرار خدمات موقعیتی شبکه‌ای را طولانی‌تر می‌نماید.
E-OTD کارایی (Performance) بهبود یافته‌ای نسبت به Cell-ID دارد. اما نیازمند استفاده از LMU ها می‌باشد. این امر هزینه و پیچیدگی اجرا را افزایش می‌دهد. E-OTD همچنین نیاز دارد که تعداد زیادی از پیام‌های داده برای تأمین اطلاعات موقعیتی مبادله شود. و این اطلاعات به صورت دائم به روز گردد. این رفت و آمد پیام ها بسیار بیشتر از آنچه در A-GPS یا Cell-ID استفاده میشود، می‌باشد و E-OTD عرض باند شبکه بیشتری را نسبت به این تکنولوژی ها بکار می‌برد. دقت بوسیله انعکاس‌های سیگنال و خطای چند مسیری (Multipath) تحت تأثیر قرار می‌گیرد. چون حداقل 3 ایستگاه اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرند این سیستم در مناطق روستایی که تعداد کمتری BTS وجود دارد تقریباً غیر دقیق می‌باشد.
2-1-2- اختلاف زمان ورود مشاهده شده (OT DOA)
OTDOA تنها بر روی شبکه‌های WCDMA کار می‌کند. OTDA عموما یک نسخه WCDMA از E-OTD در نظر گرفته میشود. تکنیک خدمات موقعیتی OT DOA، موقعیت یک Handset را با رجوع به زمان دریافت سیگنال ها در UE از حداقل 3 ایستگاه نود B (BTS) تخمین می‌زند. موقعیت Handset در تقاطع حداقل دو هذلولی تعریف شده توسط اختلاف زمان ورود مشاهده شده فریم‌های WCDMA از چند نود B می‌باشد. نقطه ضعف آن بصورت مشابه است که نتیجه ضعیف در مناطقی بدون حداقل 3 نود B، دقت کم در طول شبکه‌های خطی، خطای چند مسیری و سازگاری با تنها یک شبکه و… می‌باشد. از آنجا که شبکه WCDMA بر مبنای CDMA است، برای قدرت کم و استفاده کارا از عرض باندهای ارتباطی بهینه شده است. توانایی Handset جهت مشاهده و استفاده از چند ایستگاه نود B به صورت جدی محدود شده است که این موضوع بر روی دقت اثر می‌گذارد و کارآیی کلی OTDOA (Performance) در بسیاری از حالت بدتر از
E-OTD می‌باشد. این روش برای هماهنگ کردن یک شبکه با درجه دقت موردنیاز برای حمایت از موقعیت OT DOA نیاز به واحدهای زمانی پر هزینه تر مانند LMU دارد.
2-1-3- زاویه ورود (AOA)
AOA آنتن‌های چند آرایه‌ای را بکار می‌برد و سعی می‌کند تا جهت ورود سیگنال موردنظر را تخمین بزند. بنابراین یک اندازه گیری AOA تنها، موقعیت منبع در طول یک خط در AOA تخمین زده شده را محدود می‌کند. اگر حداقل دو تخمین AOA این چنینی از دو آنتن و در دو موقعیت مختلف موجود باشند، موقعیت منشاء سیگنال می‌تواند در تقاطع خط های حامل از 2 آنتن تعیین موقعیت شود. معمولا چند تخمین AOA برای بهبود دقت تخمین توسط اطلاعات اضافی استفاده میشود.
شکل زیر روشی را نشان می‌دهد که موقعیت منبع با تقاطع سیگنال های سه آرایه آنتن پیدا شده است. تخمین AOA اغلب با Baseline کوتاه بکار می‌رود تا ابهام ها را کاهش داده یا حذف نماید در سایر موارد که با Baseline بلند به کار می‌رود، هدف بهبود رزولوشن می‌باشد.
برای تخمین AOA، الگوریتمهایی استفاده می‌شوند که از اختلاف فاز یا سایر خصوصیات سیگنال بین المان آنتن نزدیک در آرایه آنتن استفاده کرده و روش تنظیم فاز برای هدایت اشعه به خدمت گرفته میشود.
یکی از نیازمندیهای بسیار مهم برای تخمین صحیح موقعیت این است که سیگنالی که ا00ز منبع به آرایه آنتن می‌رسد باید از طرف خط دید (LOS) بیاید. با این وجود اغلب این موضوع در سیستم سلولی ممکن است در کانال بشدت سایه دار عمل کند موردنظر نیست. نقطه ضعف دیگر، هزینه قابل توجه نصب آرایه‌های آنتن است. خدمات موقعیتی که از AOA برای موقعیت ثابت استخاره می‌کنند، ممکن است نیاز به کالیبراسیون منظم داشته باشند زیرا تغییر کوچکی در ترتیبات فیزیکی آرایه به دلیل باد یا طوفان ممکن است باعث تغییر قابل ملاحظه‌ای در خطای تعیین موقعیت شود. مشکل دیگر در روش AOA پیچیدگی الگوریتم های AOA است.
سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)
GPS در شبکه‌های GPRS, WCDMA و GSM بکار می‌رود. GPS یک سیستم ناوبری ماهواره ای است که توسط وزارت دفاع آمریکا (DOD) بنیان گذاری شده و کنترل میشود. علیرغم میلیون ها کاربر شهری این سیستم در سرتاسر جهان، این سیستم توسط نیروی ارتش آمریکا طراحی و مورد بهره برداری قرار گرفت. GPS سیگنال های ماهواره‌ای با کد خاص را فراهم می‌کند که ممکن است تنها توسط یک گیرنده GPS تحلیل شوند و گیرنده را قادر به محاسبه موقعیت، سرعت و زمان نمایند. اندازه گیری اولیه انجام شده توسط یک گیرنده GPS، زمان لازم برای یک سیگنال است تا از یک نقطه در فضا به نقطه دیگری انتشار یابد. از آنجایی که در حالت کلی سرعت انتقال سیگنال های RF با دقت نسبی معلوم می‌باشد با این اندازه گیری به سادگی می‌تواند به فاصله از منبع RF تبدیل شود. اگر فاصله از گیرنده تا 4 ماهواره محاسبه شود، گیرنده می‌تواند موقعیت خود را در هر جایی از زمین بصورت دقیق مشخص کند. بنابراین 4 سیگنال ماهواره‌ای GPS برای محاسبه موقعیت در سه بعد و تعیین off set زمان نامعلوم در ساعت گیرنده بکار رود. این سیستم به کاربران ارتش این امکان را می‌دهد تا در مجموعه سیگنال ارزشمندی استفاده کنند و به دقت بهتری نسبت به گیرنده‌های غیرنظامی برسند. عملکرد این سیستم اساسا بر ماهواره‌های GPS متکی است. تعداد LEO-SV 28 (Low Earth Orbit – Satellite vehicles) در چنین مدارهایی قرار گرفته‌اند تا تقریبا تمام سطح زمین را پوشش دهند. در هر زمان 4 تا 6 ماهواره کمکی در مدار برای جایگزین با آنهایی که درست کار نمی‌کنند وجود دارند. مدار ماهواره در ارتفاع یازده هزار مایل دریایی است و 6 مسیر مداری مختلف دارد، هر ماهواره دو بار در هر 24 ساعت به دور زمین می‌گردند. ماهواره دو فرکانس دارد: فرکانس تحت عنوان L1 است که در 1575. 42MHZ قرار داشتند و توسط افراد غیرنظامی استفاده میشود و فرکانس دوم که L2 نامیده میشود و 1227.6MHZ است و برای اهداف نظامی استفاده میشود. کاربران سیستم از مزایای گیرنده‌های GPS با اهداف خاص برای تبدیل سیگنال‌ها به موقعیت و تخمین‌های سرعت استفاده می‌کنند درحالیکه گیرنده ممکن است به عنوان یک نسج زمانی دقیق استفاده شود. گیرنده‌های GPS برای ناوبری، تعیین موقعیت، انتشار زمان و سایر تحقیقات بکار گرفته می‌شوند.
(A-GPS) Wireless Assisted-GPS
همانطور که شرح داده شد، گیرنده GPS فاصله را با اندازه گیری زمان لازم برای رسیدن سیگنال از ماهواره به گیرنده، اندازه گیری می‌کند. برای اطلاعات زمان دقیق، باید سیگنال ماهواره دریافت شد. نسبتا قوی باشد. برای غلبه بر این محدودیت گیرنده A-GPS داده کمکی از یک A-GPS LS را بکار می‌گیرد که اطلاعات گیرنده را تأمین می‌کند که حساسیت اولیه را به اندازه 25 dB افزایش (نسبت به GPS نسبتی) و زمان شروع را به 5 ثانیه کاهش می‌دهد. این رهیافت زمان شروع طولانی GPS نسبتی را حذف می‌کند (یک یا دو دقیقه) و به گیرنده GPS این امکان را می‌دهد تا در محیط‌های دشوار سیگنال GPS عمل کند. نتیجه A-GPS در محیطی می‌افتد که سیگنال‌های ماهواره تقریبا مسدود شده‌اند.
شکل زیر عملکرد A-GPS را نشان می‌دهد. A-GPS به 2 روش اولیه MS/UE-baxd و MS/UE-assisted کار می‌کند. در حالت MS/UE assisted گیرنده A-GPS تنها شبه فاصله سیگنال‌های ماهواره را محاسبه کرده و این اطلاعات را به سرور موقعیتی (LS) A-GPS باز می‌گرداند که موقعیت را محاسبه می‌کند. در MS/UE-based، محاسبه موقعیت در گیرنده انجام میشود که نیاز به مجموعه گسترده‌ای از داده‌های کمکی دارد، A-GPS دقت بهتری را نسبت به E-OTD, CELL-ID یا OTDOA فراهم می‌کند و المان پرتو زمینه‌ای مثل LMV موردنیاز نمی‌باشد. A-GPS تأثیر تقریبا کم اهمیتی بر روی زیر ساختار وارد و می‌تواند به سادگی roaming را حمایت کند اما نیاز به مدار بندی GPS داخل تلفن دارد.
تکنولوژی hybrid
A-GPS hybrid بر روی شبکه‌های GPRS, WCDMA و GSM کار می‌کند. تکنولوژی تعیین موقعیت A-GPS, hybrid را با سایر تکنیک‌های تعیین موقعیت ترکیب می‌کند به صورتی که قدرت یکی، ضعف دیگری را جبران کند بنابراین راه حل های تعیین موقعیت robust و قابل اطمینان تری را فراهم می‌کند. از آنجا که A-GPS مستقل از واسط هوایی (air-Interface) است می‌تواند با هر تکنولوژی اصلی که مورد بحث قرار گرفت ترکیب شود. راه حل hybrid تعیین موقعیت قابل اعتماد و دقیقی را حتی در جایی که راه حل شبکه مستقل و راه حل Unassisted GPS با شکست مواجه می‌شوند، فراهم می‌کند شکل زیر عملکرد تکنولوژی hybrid را نشان می‌دهد. پیاده سازی معمول این تکنولوژی برای GPRS, GSM و WCDMA، ترکیب A-GPS با Cell-ID می‌باشد. این کار نتیجه را در محوطه‌هایی که A-GPS قادر به تهیه اطلاعات موقعیتی نسبت بهبود می‌بخشد و دقت A-GPS را در سایر حالات فراهم می‌کند. دقت A-GPS معمولا مفید است و تنها داخل ساختمان ها یا در محوطه‌های شهری چگال که Cell-ID همچنان قادر به تعیین موقعیت است، کاهش می‌یابد. ترکیب A-GPS و Cell-ID مزایای roaming تعریف شده برای Cell-ID و A-GPS را یکی می‌کند.
A-GPS همچنین می‌تواند با E-OTD یا OTDOA ترکیب شود. این رهیافت نیاز به استقرار E-OTD و OTDOA دارد که این امکان را به A-GPS می‌دهد که در قسمت عمده شبکه بکار رود تا مبنایی را برای بیشتر اطلاعات موقعیتی فراهم کند. رهیافت hybrid عموما نتیجه و Performance تکنولوژی تعیین موقعیت را بهبود می‌بخشد.