خدمات مکان مبنا (LBS) – بخش پنجم (تعیین موقعیت)

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