بخشی از مقاله
1 مقدمه
در سال های اخیر علاقهمندی زیادی در زمینه تخمـین موقعیـت کاربر در شبکه هـای مخـابراتی ایجـاد شـده اسـت. عـلاوهبـر کـاربرد موقعیت یابی کاربر در موارد اضطراری و امنیتی، این مسئله پیشـرفت چشمگیری در تبلیغات و امور تجاری دارد. بازار خـدمات مکـان یـابی یکی از سرویس های قدیمی بـازار سـرویس خـدمات ارزش افـزوده در صنعت ارتباطات بی سیم بوده و تاکنون مقـالات متعـددی در زمینـه تخمین موقعیت کاربر در شبکه های مخابراتی ارائه شده اسـت. اغلـب سیستم های تخمـین موقعیـت مبتنـی بـر انـدازه گیـری پارامترهـای مختلفی می باشند. در این راستا می توان بـه بهـرهگیـری از اطلاعـات اختلاف زمان ورود سیگنال ( TDOA) 1 در [1] و [2]، شدت سـیگنال دریــافتی2 در [3]، شناســه ســلول3 در [4]، زاویــه ورود ســیگنال4 و پارامترهای دیگر و نیز ترکیبی از این پارامترها در سایر مقالات اشاره نمود. بهطور نمونه برای روش های ترکیبی ارائـه شـده، بـه دو مقالـه اشاره می گردد. در [5] با تلفیقی از شدت سـیگنال دریـافتی و زاویـه ورود به تخمین موقعیت کاربر در ایستگاه های پایـه مبتنـی بـر چنـد کاربر پرداخته شده است و یا در [6] از ترکیب سه پارامتر زاویـه ورود
طیف چگالی توان
ســیگنال (AOA)، زمــان ورود (TOA) و تغییــرات فرکانســی داپلــر5 (DSF) برای مکان یابی کاربر در محیط بـا شـرایط دیـد غیرمسـتقیم استفاده شده است.
از جمله اطلاعاتی که می تواند در تخمین موقعیت مورد اسـتفاده قرار گیرد، فاصلهیابی اولیه 6 در برخی شبکههای OFDMA7 می باشـد. بهعنوان مثال فرایند فاصله یابی اولیه در شبکه وایمکس به این شـرح است که وقتی کاربری قصـد ورود بـه شـبکه را دارد، اطلاعـاتی را بـا ایستگاه پایه مبادله می کند که در این اطلاعات اختلاف مرجع زمان-فرکانسی کاربر و ایستگاه پایه وجود دارد. بحـث مرجـع فرکانسـی در اینجا مدنظر نمی باشد اما از اختلاف مرجع زمـانی در بحـث تخمـین موقعیت به این شرح استفاده می گردد. می دانیم کـه امـواج بـی سـیم ارسال شده با یک تأخیر انتشار به ایستگاه پایه میرسند. بهطور مثال وقتی که یک ایستگاه پایه در کانال فروسو8 به کاربر اعلام میکند که در لحظه زمانی بعد از دریافت سیگنال راهنما9 ارسال داشته باشد، چون کاربر یک فاصله مکانی با ایستگاه پایه دارد و با توجه به سرعت انتشار امواج برابر 3 108 متر بر ثانیه، سیگنال ارسالی کاربر در زمـان + ϵ به ایستگاه پایه میرسد. تأخیر ϵ باعث میشود که سـیگنال در زمان درست توسط ایستگاه پایه دریافت نشـود. بنـابراین کـاربر بایـد
رایانامه نویسنده مسئول: g9012471958@ihu.ac.ir 5. Doppler-Shifted Frequency
1. Time Difference of Arrival 6. Initial Ranging
2. Received Signal Strength 7. Orthogonal Frequency Division Multiple Access
3. Cell ID 8. Down link
4. Angle of Arrival 9. Pilot
2
کمی زودتر، عمل ارسال را انجام دهد تا این تأخیر جبران شـود. ایـن کار در فاصله یابی اولیه انجام میشود. مقدار ϵ برای اولین بـار توسـط ایستگاه پایه اندازه گیری شده سپس در کانال فروسـو اصـلاح زمـانی لازم به کاربر بازخورد داده می شود. اگـر توسـط سـامانه ای اطلاعـات فاصله یابی دریافت شود، می توان فهمید که کاربر مورد نظـر از لحـاظ زمانی و در نتیجه آن از نظر مکانی، در چه ناحیه ابهـامی از ایسـتگاه پایه قرار دارد.
در [7] براساس اطلاعات زمانی به دست آمده در بخش فاصلهیابی اولیه شبکه وایمکس، اقدام به تخمین موقعیت کاربر شده است. ابتـدا با بهکارگیری یک ایسـتگاه مشـترک( SS) 1 و یـک ایسـتگاه پایـه در آزمایش میدانی، به اندازهگیری میزان همبستگی بین زمـان تنظـیم2 (TA) و مسافت، طی چندین مرتبه آزمایش متعـدد در مسـافتهـای ثابت مختلف پرداخته شده است. سپس از اندازه گیری دامنه تغییرات TA براساس مسافت، از طریق شبیهسـازی رایانـه ای و بـر مبنـای آن اندازه گیری ها، نتایج به چندین ایستگاه پایه توسعه داده شده است. با استفاده از TA و سرعت انتشار، محدوده ای دایروی اطراف هر برج BS تشکیل شده و با تقاطع دادن محـدوده چنـدین BS، مکـان تقریبـی ایستگاه مشترک بهدست آمده است. سپس آزمایشـات بـرای حـالات مختلف زوایا و فواصل ایستگاه های پایه نسبت به یکدیگر انجام گردید و نتایج بر این مطلـب دلالـت دارد کـه مکـان یـابی کـاربر در شـبکه وایمکس براساس اندازه گیری TA در فاصله یابی اولیه 10 بار دقیق تـر از بهکارگیری روش مشابه در شبکه GSM مـی باشـد. بررسـی انجـام شده در مقاله مذکور در شرایط دید مستقیم بوده و همچنین به چند مسیرگی و اثرات آن بر سیگنال نپرداخته است.
در [8] به بررسی تخمین موقعیت برای سیگنالهـای OFDM بـا کاربرد در شبکه های 3LTE ، 4WLAN و وایمکس پرداخته شده است. هدف مقاله مذکور به دست آوردن روشی مناسب برای تخمین هر چه دقیق تر موقعیت کاربر با ارسال OFDM می باشد. از این رو روش هـای مبتنی بر الگوریتمهای سنکرونسازی زمانی و دیباچه های مختلفـی5 که در سیگنال OFDM جاسازی شده اند، مورد مطالعـه قـرار گرفتـه است. همچنـین روش هـای مبتنـی بـر همبسـتگی6 و کـلاس بنـدی چندگانه سـیگنال( MUSIC) 7 بررسـی شـده انـد. مـؤلفین بـا انجـام شبیهسازی و استفاده از معیار ریشه میانگین مربع خطا یا RMSE8 به تحلیل الگوریتم های مختلف تخمین پرداختهاند. به نظر مـؤلفین ایـن مقاله، برخی معیارهای ارائه شده در مقالات نتایج بهتـری نسـبت بـه سایر معیارها دارند به این دلیل که به جای اسـتفاده از محـیط دارای چند مسیر، تنها از یک مسیر استفاده نموده اند. براسـاس مطالعـات و نتایج شبیهسازی انجام شده، هنگامی که دیباچه از دو بخش مسـاوی
1. Sub-Carrier Station 2. Timing Adjust 3. Long-Term Evolution
4. Wireless Local Area Network 5. Various Preambles 6. Correlation-Based Approaches 7. Multiple Signal Classification 8. Root Means Square Error
مجله علمی- پژوهشی » پدافند الکترونیکی و سایبری«؛ سال دوم، شماره 3، پاییز 1393
تشکیل شده باشد، الگوریتم MUSIC کارایی بهتری خواهـد داشـت. همچنــین الگــوریتم همبســتگی براســاس ســنکرونســازی زمــانی9 (CBTS) نیز از کارایی بالایی برخـوردار اسـت. کـارایی سیسـتمهـای مبتنی بر OFDM با افزایش طول FFT بهتر میگردد اما دو الگوریتم MUSIC و CBTS از این امر مستثنی بـوده و مسـتقل از طـول FFT می باشند. قابل ذکر است که در [8] دو الگـوریتم MUSIC و CBTS، الگوریتم های کارایی برای تخمـین موقعیـت کـاربر در سیسـتمهـای مبتنی بر OFDM تشخیص داده شدهاند.
هدف اصلی مقاله پیش رو ارائه یک معیار جدیـد جهـت تخمـین موقعیت مکانی کاربر می باشد که همانند سایر معیارها تحت تـأثیرات مخرب چند مسیرگی و شرایط دید غیر مستقیم نبوده و حتی از ایـن خصوصیات به عنوان نقطه قوتی برای تخمین موقعیت کاربر اسـتفاده می کند. معیار استفاده شده طیف فرکانسی شدت کانال در شبکههای مبتنــی بــر ارســال OFDMA پهــنبانــد مــیباشــد. از مزایــای روش پیشنهادی که براساس مقایسه شکل طیـف فرکانسـی شـدت کانـال می باشد، میتوان به سـهولت و قابلیـت اجـرای آن در تمـامی شـبکه مخابراتی OFDMA اشاره کرد. این معیار مستقل از پارامترهای شبکه می باشد. به عبارتی دیگر روش پیشنهادی در کانال چند مسیره دارای محوشدگی از نوع فرکانسگزین10 و نیـز در شـرایط حضـور نـویز در کانال، کاملاً کارا است و ضعف بسیاری از الگوریتم های مکان یابی کـه تنها در شرایط دید مستقیم قابل اجرا و پیادهسازی هستند را نـدارد. از جمله شبکه های مخابراتی رایجی کـه الگـوریتم پیشـنهادی در آن کارایی دارد، شبکه وایمکس است.
اکثــر مقــالات بــه تخمــین موقعیــت از دیــد کــاربر و یــا شــبکه پرداخته اند. اما در مقاله پیشرو فرض بـر آن اسـت کـه یـک سـامانه موقعیت یاب بین کاربر با موقعیت مجهول و شبکه وجود دارد که قصد تخمــین موقعیــت آن کــاربر را دارد. در روش پیشــنهادی، تخمــین موقعیت کاربر با دریافت سیگنال مسیر فراسو11 بـین کـاربر هـدف و ایستگاه پایه انجام میشود.
بهعبارتی دیگـر، اگـر ارسـال از نـوع OFDMA باشـد، اثـر چنـد مسیرگی خود را به صورت تغییرات دامنـه در حـوزه فرکـانس نشـان می دهد که همین موضوع می تواند یـک مشخصـه یـا معیـاری بـرای تخمین موقعیت کاربر باشـد. سـاختار مقالـه پـیش رو بـدین صـورت می باشد که در بخش دوم، مفروضات مسئله و طرح روش پیشـنهادی شرح داده می شود. سپس بخش سوم به نحوه بهبود خطای تخمین از طریق شبکه عصبی میپردازد. در بخش چهارم مدل کانال 12SUI بـه عنوان مدلی که از آن برای شبیه سازی کانال استفاده شده، به همـراه روابط ریاضی شرح داده می شود. بخش پنجم بـه نحـوه شـبیهسـازی انجام شده و نتایج بهدست آمده میپردازد. در نهایت بخش آخـر هـم مروری بر نتایج بهدست آمده در این مقاله خواهد داشت.
9. Correlation-Based Timing Synchronization 10. Frequency Selective 11. Up Link
12. Stanford University Interim
ارائه یک معیار جدید برای تخمین موقعیت کاربر در شبکههای چند کاربره : OFDMA محسن بهرامیان و همکاران 3
.2 مفروضات مسئله و طرح روش پیشنهادی
مفروضات در نظر گرفته شده برای حل مسئله تخمـین موقعیـت کاربر به این شرح می باشد. کاربران به دلیـل آنکـه از محـل ایسـتگاه پایه( BS) 1 اطلاعـی ندارنـد، دارای آنـتن تمـام جهتـی2 مـی باشـند. همچنین تخمین موقعیت در مسیر فراسو انجام می گیرد بنابراین نوع آنتن ایستگاه پایه در اینجا مطرح نمی باشد. سامانه موقعیت یـاب هـم به هـر دو کانـال فراسـو و فروسـو دسترسـی دارد. همچنـین شـبکه مخابراتی مورد نظر، یک شبکه مخابراتی مبتنی بـر ارسـال OFDMA بوده و سیگنال از نوع پهن باند است. کانال مخابراتی نیز، یـک کانـال چند مسیره3 بـا نـویز گوسـی سـفید جمـع شـونده یعنـی AWGn4 می باشد. شبکه براساس یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده یعنـی SISO5 در نظر گرفته شده است و سامانه موقعیت یاب، از محل دقیق ایستگاه پایه و شناسه اتصال6 کاربر هدف اطلاع دارد.
الگوریتم پیشنهادی شامل دو بخش است. بخش اول ایجاد بانـک اطلاعات میباشد که در حالت غیر بر خط انجام می شـود امـا بخـش دوم به تخمین موقعیت کاربر هدف در حالـت بـرخط مـیپـردازد. در واقع فرض می کنیم که در سلول مخابراتی، یک ایسـتگاه پایـه داریـم که در فروسو برای کاربران سیگنال ارسال می نماید و کاربران نیـز در فراسو برای آن ایستگاه پایه ارسال خواهند داشت. سامانه موقعیتیاب نیز در موقعیت سومی وجود دارد کـه هـدفش تعیـین موقعیـت یـک کاربر مشخص می باشد. بر این مبنا، ابتدا یک سـری نقـاط مشـخص آزمایشی در شبکه و داخل سلول مخابراتی در نظر می گیریم. تعیـین مکان این نقاط خود مسئله ای است که در قسمت بعدی همین بخش شرح داده خواهد شد. این نقاط آزمایشی در اینجـا »نقـاط مرجـع «7 نامیده می شوند. سامانه موقعیتیاب در دو مرحله عمـل مـیکنـد. در ابتدا با فرض آن که جای این نقـاط مرجـع مشـخص اسـت، نخسـت مشخصات موقعیت این نقاط را در یک بانک اطلاعاتی ذخیـره نمـوده سپس در همان باند فرکانسی کـه کـاربران در کانـال فراسـو ارسـال سیگنال دارند، یک ارسال آزمایشی از این نقـاط انجـام مـی شـود. در ادامه طیف فرکانسی شدت کانال در این نقاط اندازه گیری شـده و در یک بانک اطلاعاتی ذخیره می شود. نحوه ذخیره شکل طیف فرکانسی شدت کانال در بانک اطلاعـاتی در ادامـه همـین بخـش، شـرح داده خواهد شد.
در مرحله دوم، سامانه موقعیتیاب با توجـه بـه اطلاعـاتی کـه از کانال فراسـو دریافـت نمـوده اسـت، از طریـق کانـال فروسـو نقشـه فرکانس-زمان کانال مورد نظر را برای کاربر هدف استخراج میکنـد. سپس با استفاده از یک الگوریتم تطبیق8 که در قسـمت هـای بعـدی این بخش شرح داده خواهد شد، موقعیت کاربر مورد نظر تخمین زده
1. Base Station 2. Omni Directional 3. Multi Path
4. Additional white Gaussian Noise 5. Single Input - Single Output 6. CID 7. Reference Points 8. Matching
می شود. ساختار بخش دوم این مقاله، به این شرح می باشـد. در 1-2 نحوه اندازهگیری طیف فرکانسی شـدت کانـال شـرح داده مـیشـود. بخش 2-2 به نحـوه تعیـین نقـاط مرجـع و ایجـاد بانـک اطلاعـاتی می پـردازد. در بخـش 3-2، شـرح الگـوریتم تخمـین موقعیـت ارائـه می شود. در 4-2 نیز توضیحات کاملی درباره نحـوه محاسـبه خطـای تخمین، دستهبندی انواع خطا و بهبود خطا با کمـک شـبکه عصـبی ارائه میگردد.
.1 .2 نحوه اندازهگیری طیف فرکانسی شدت کانال
برای اینکـار، ابتـدا لازم اسـت سـامانه موقعیـتیـاب بـا شـبکه سنکرون9 شود. لازمه سنکرون شدن با شبکه آن است کـه در مسـیر فروسو، بخش مربوط به دیباچه10 دریافت و آشکارسازی گردد. اولـین بخشی که بعد از دیباچه دریافت خواهد شـد، سـرآیند کنتـرل قـاب (FCH) خواهد بود. در FCH، اطلاعات نقشه کانال فروسو و فراسـو11 وجود دارد. یعنی اینکـه کـاربران در کانـال فروسـو و فراسـو در چـه محلهایی از لحاظ زمـان-فرکـانس داده خـود را ارسـال یـا دریافـت میکنند. مدولاسیون، کدینگ و همه اطلاعات مربوط بـه کـاربران در سرآیند کنترل قاب مشخص شده است. با توجه بـه اطلاعـات نقشـه فروسو و فراسو، مشخص میگردد که کاربر بـا CID مشـخص در چـه زمانهایی، در چه شماره سمبلها و در چه تُنهایی سیگنال خـود را ارسال مینماید. همچنین محل حامل های راهنمای کاربر مـورد نظـر مشخص خواهد شد. با اطلاع از محل تنهایی کـه بـهعنـوان راهنمـا استفاده میشوند، در کانال فراسوی کاربر هدف، میـزان بهـره کانـال (شدت کانال) در حاملهای راهنما اندازهگیری خواهد شد. با توجه به این مطلب که حاملهای راهنما در کل محدوده پهنای باند سـیگنال توزیع شدهاند، بـا اسـتفاده از روشهـای متـداولی نظیـر درونیـابی، میتوان طیف فرکانسی شدت کانال را در کل بازه فرکانسی اسـتفاده شده توسط کاربر هدف استخراج نمود. این روال هم در حالت غیر بـر خط برای تمامی نقاط مرجع انجام میشود و هـم در مرحلـه بـرخط یعنی در خلال جریان فعال شبکه، برای کـاربر هـدف انجـام خواهـد گرفت.
.2 .2 ایجاد بانک اطلاعات
همانطور که در ابتدای این بخش اشاره شـد، الگـوریتم تخمـین پیشنهادی نیاز به اطـلاع از طیـف فرکانسـی شـدت کانـال در نقـاط متعددی از سلول مخابراتی مورد نظـر را دارد کـه ایـن نقـاط، نقـاط مرجع نام گذاری شد. دقت در چینش مناسب نقاط مرجع و سـنجش دقیق طیف فرکانسی شدت کانـال در ایـن نقـاط، تـأثیر مسـتقیم در کاهش خطای تخمین دارد. طبق مطالعات حاصل از شبیهسازی اولیه کانال، مشخص شده که رفتار کانال در نواحی مختلف سلول مخابراتی یکسان نمی باشد. در واقع رفتـار کانـال در نـواحی مختلـف متغیـر و
9. Synchronic 10. Preamble 11. DL\UL MAP
4
ناهمگن است که توجه به این موضوع حائز اهمیت می باشد. باید دقت کرد که نقاط مرجع به گونهای انتخاب شوند که طیف فرکانسی شدت کانال در نقاط مرجع مجاور، همبستگی بالایی نسبت به هـم نداشـته باشند. در غیر این صورت الگوریتم تطبیـق در سـامانه موقعیـت یـاب دچار ابهام خواهد شد. بنابراین لازم است نقاط مرجـع براسـاس یـک معیار مناسب در کنار هم در سـلول مخـابراتی تعریـف شـوند. معیـار انتخاب شده با مقایسه بردار طیف فرکانسـی شـدت کانـال در نقـاط مرجع با یکدیگر بهازای اختلاف محسـوس در مشخصـه شـباهت، در انتخاب موقعیت مکانی مناسب برای نقطه یا نقاط مرجع بعدی کمک خواهد کرد. پس از بررسـی الگـوریتم هـای مختلـف ماننـد الگـوریتم کمترین مربعات 1(LS) ، جذر میانگین مربع خطـا (RMSE) و برخـی الگوریتم های دیگر، در نهایت الگوریتم محاسبه میزان همیستگی بین دو بردار، به علت کارایی و حساسیت بهتر و داشتن خروجی نرمـالیزه شده، به عنوان معیاری برای بررسی و مقایسه طیف فرکانسـی شـدت کانال انتخاب گردید. این الگوریتم برای مقایسه طیف فرکانسی شدت کانال در دو بـردار بـا طـول یکسـان A و B، طبـق رابطـه (1) عمـل می کند. مقدار در رابطه (1) بین صـفر (عـدم همبسـتگی) تـا یـک
(همبستگی کامل) تغییر مـی کنـد. و در ایـن رابطـه بـه ترتیـب
̅ ̅
میانگین بردار A و میانگین بردار B میباشند.
