Badanie metod i projektowanie usług lokalizacyjnych w sieciach radiokomunikacyjnych

Opis

Badanie metod i projektowanie usług lokalizacyjnych w sieciach radiokomunikacyjnych

Autor: Stefański Jacek

Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej

W pracy przedstawiono wybrane problemy lokalizowania obiektów w sieciach radiokomunikacyjnych, w tym komórkowych. W pierwszej kolejności zostały przedstawione nowe zasady budowy i działania systemu wywołania w niebezpieczeństwie na morzu, z wykorzystaniem infrastruktury sieci komórkowej. Na podstawie zebranych danych pomiarowych w warunkach morskich została opracowana nowa, bardziej dokładna metoda estymacji położenia terminala ruchomego na morzu, w porównaniu z metodą stosowaną w platformie lokalizacyjnej operatora sieci komórkowej. Następnie autor pracy zajął się eksperymentalno-pomiarową weryfikacją dokładności estymacji położenia kontenerów w bazie kontenerowej, w skrajnie trudnych warunkach propagacyjnych. Zostały opracowane nowe empiryczne modele propagacyjne do wspomagania procesu projektowania sieci radiokomunikacyjnych w środowisku kontenerowym, które mogą być z powodzeniem stosowane do estymacji położenia obiektów w tym środowisku z wykorzystaniem metody RSS(Received Signal Strength). W dalszym ciągu została zaprezentowana nowa metoda poprawy jakości estymacji położenia terminala ruchomego w sieciach komórkowych UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), wykorzystująca zjawisko propagacji wielodrogowej. Obok prac eksperymentalnych, zostały także zrealizowane prace analitycznosymulacyjne, prowadzące do nowych rozwiązań algorytmicznych usług LCS (Location Service), w ramach istniejących standardów sieci komórkowych. W efekcie tych działań został opracowany nowy algorytm, usprawniający realizację usług lokalizacyjnych w asynchronicznych sieciach UMTS.

Ważną częścią pracy jest także metodologia projektowania i implementacji usług lokalizacyjnych w sieciach komórkowych. Dla jej przedstawienia opracowano kilka usług lokalizacyjnych, a część z nich została zaimplementowana w rzeczywistych sieciach komórkowych. W końcowej części pracy przedstawiono zasady działania i budowy oryginalnego systemu radiolokalizacyjnego z widmem rozproszonym do zastosowań specjalnych, który został wykonany w formie demonstratora technologicznego. Wyniki eksperymentalne jego funkcjonowania w warunkach rzeczywistych stanowią istotny wkład w rozwój rodzimych systemów lokalizacyjnych, które mogą uzupełniać, a w pewnych warunkach zastępować, satelitarne systemy radionawigacyjne/radiolokalizacyjne.

SPIS TREŚCI
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ ORAZ ANGIELSKICH SKRÓTÓW…. 7
1. WPROWADZENIE .. 15
1.1. Rys historyczny metod określania położenia …… 15
1.2. Podstawowe pojęcia …. 18
1.3. Zakres monografii ….. 21
1.4. Podsumowanie głównych tez zawartych w monografii …… 22
2. SYSTEMY GEOINFORMACYJNE W ZASTOSOWANIACH RADIOLOKALIZACYJNYCH . 25
2.1. Pojęcie systemu geoinformacyjnego ….. 25
2.2. Położenie i orientacja lokalizowanego obiektu …….. 26
2.3. Standaryzowany opis parametrów lokalizowanego obiektu …. 28
2.3.1. Współrzędne punktu … 28
2.3.2. Błąd określania współrzędnych punktu … 29
2.3.3. Prędkość poruszania się obiektu … 29
2.3.4. Format danych opisujący parametry lokalizowanego obiektu … 30
2.4. Mobilny GIS … 31
2.5. Geoweb …. 32
2.6. Technika AJAX …. 34
2.7. Podsumowanie rozdziału ….. 35
3. METODY LOKALIZOWANIA OBIEKTÓW ….. 37
3.1. Źródła błędów estymacji położenia obiektów w systemach radiolokalizacyjnych .. 38
3.2. Miary jakości wyznaczania położenia obiektu .. 39
3.3. Metoda Cell ID do określania położenia terminala …. 44
3.3.1. Analiza dokładności metody Cell ID … 45
3.4. Metoda RSS …… 55
3.4.1. Szacowanie tłumienia propagacyjnego zgodnie z modelem Okumura-Hata … 56
3.4.2. Szacowanie tłumienia propagacyjnego zgodnie z modelem COST 231 Hata … 57
3.4.3. Szacowanie tłumienia propagacyjnego zgodnie z modelem Walfish-Ikegami .. 58
3.4.4. Szacowanie tłumienia propagacyjnego w warunkach morskich … 60
3.4.5. Szacowanie tłumienia propagacyjnego w środowisku kontenerowym .. 63
3.4.6. Wykorzystanie zjawiska propagacji wielodrogowej do poprawy jakości estymacji
odległości pomiędzy terminalem ruchomym a stacją bazową w systemach
komórkowych 3G …. 67
3.5. Metoda AOA …. 71
3.6. Metoda TOA …. 72
3.7. Metoda TDOA ….. 73
3.7.1. Matematyczny opis metody TDOA ….. 74
3.7.2. Algorytm Chana ….. 75
3.7.3. Algorytm Foya …… 75
3.7.4. Algorytm Fanga ….. 76
3.7.5. Przyjęty model i badania symulacyjne …… 77
3.8. Podsumowanie rozdziału ……. 79
4. LOKALIZOWANIE OBIEKTÓW W BEZPRZEWODOWYCH SIECIACH SENSOROWYCH 81
4.1. Problem zużycia energii w WSN …. 82
4.2. Wybrane algorytmy lokalizowania obiektów w bezprzewodowych sieciach sensorowych . 83
4.2.1. Algorytm DV-hop …. 83
4.2.2. Algorytm Simic & Sastry …… 85
4 Spis treści
4.2.3. Algorytm ABC ……. 86
4.3. Wybrane standardy i rozwiązania firmowe WSN …. 87
4.3.1. Standardy z rodziny IEEE 802.15 ….. 88
4.3.1.1. Standard IEEE 802.15.1 (Bluetooth) ….. 88
4.3.1.2. Standard IEEE 802.15.3 (WPAN-HR) ….. 89
4.3.1.3. Standard IEEE 802.15.4 (WPAN-LR) … 92
4.3.2. Standard IEEE 1902.1 …. 93
4.3.3. Firmowe rozwiązania WSN … 94
4.4. Lokalizowanie obiektów w standardzie IEEE 802.15.4a ….. 95
4.4.1. Algorytm TWR…. 95
4.4.2. Algorytm SDS-TWR…… 97
4.4.3. Algorytm redukcji niedokładności zegarów w węzłach pomiarowych.. 98
4.5. Podsumowanie rozdziału …… 99
5. METODOLOGIA PROJEKTOWANIA USŁUG LOKALIZACYJNYCH W SIECIACH
RADIOKOMUNIKACYJNYCH ….. 100
5.1. Usługi LCS w sieciach komórkowych …. 100
5.1.1. Serwer usług LCS …. 102
5.1.2. Architektura sieci komórkowej 2G/3G dla potrzeb realizacji usług LCS … 104
5.1.3. Jednostka pomiarowa LMU …. 105
5.1.4. Nowa metoda lokalizowania terminala ruchomego w sieci UMTS .. 107
5.1.5. Przepływ informacji podczas lokalizowania stacji ruchomej w systemie UMTS .. 112
5.1.6. Lokalizowanie terminala ruchomego w sieci LTE …. 114
5.2. Usługi LBS w sieciach komórkowych ….. 115
5.2.1. Ochrona prywatności w usługach LBS ….. 117
5.2.2. Mechanizmy ochrony prywatności w usługach LBS … 118
5.2.2.1. Bezpieczna komunikacja …. 118
5.2.2.2. Polityka prywatności ….. 119
5.2.2.3. Ukrywanie tożsamości …. 120
5.3. Przykłady praktycznej realizacji usług LBS w sieciach komórkowych …. 121
5.3.1. Komórkowy system wywołania w niebezpieczeństwie na morzu . 121
5.3.1.1. Zasada budowy i działania systemu CCDS …. 122
5.3.1.2. Przepływ informacji protokolarnych między urządzeniami realizującymi
usługę wywołania w niebezpieczeństwie na morzu …… 124
5.3.2. Bezprzewodowy, mobilny system monitoringu zagrożeń …. 126
5.3.2.1. Budowa i działanie mobilnego systemu monitoringu zagrożeń … 126
5.3.2.2. Transmisja danych do serwera WWW …. 129
5.3.3. System e-Call do automatycznego powiadamiania o wypadku …. 131
5.3.3.1. Struktura funkcjonalna systemu e-Call ……. 131
5.3.3.2. Model funkcjonalny implementacji usługi LBS dla potrzeb systemu
e-Call … 133
5.4. Podsumowanie rozdziału ….. 134
6. NAZIEMNY SYSTEM RADIOLOKALIZACYJNY Z WIDMEM ROZPROSZONYM
I WYNIKI JEGO BADAŃ … 135
6.1. Opis budowy systemu …… 136
6.1.1. Zastosowane w systemie metody estymacji położenia obiektu lokalizowanego … 136
6.1.2. Budowa stacji referencyjnej typu A …. 137
6.1.3. Budowa stacji referencyjnej typu B …. 138
6.1.4. Budowa lokalizatora ….. 140
6.2. Opis działania systemu …. 141
6.2.1. Schemat logiczny toru nadawczego …. 141
6.2.1.1. Szyfrowanie AES CBC …… 142
6.2.1.2. Funkcja skrótu w procesie uwierzytelniania wiadomości … 143
Spis treści 5
6.2.1.3. Kodowanie kanałowe … 144
6.2.1.4. Pakietyzacja …. 145
6.2.1.5. Generowanie ciągów rozpraszających ….. 145
6.2.2. Ograniczenie zjawiska „near-far” w systemie radiolokalizacyjnym …. 146
6.3. Wiadomość lokalizacyjna … 147
6.4. Synchronizacja w systemie radiolokalizacyjnym … 148
6.5. Praktyczna implementacja systemu radiolokalizacyjnego … 149
6.6. Analiza pracy systemu radiolokalizacyjnego ….. 153
6.6.1. Analiza zasięgowa ….. 154
6.6.2. Metoda TDOA …. 157
6.6.3. Metoda RSS …… 162
6.7. Podsumowanie rozdziału ….. 165
7. PODSUMOWANIE I DALSZE KIERUNKI BADAŃ ….. 167
7.1. Oryginalne osiągnięcia pracy …. 168
7.2. Kierunki dalszych badań … 169
BIBLIOGRAFIA ….. 171
Streszczenie w języku polskim …. 178
Streszczenie w języku angielskim ….. 179
Załącznik 1. Analiza dokładności szacowania wypadkowego błędu estymacji położenia terminala
ruchomego w obszarze 1 … 180
Załącznik 2. Zastosowanie algorytmu Chana do obliczania współrzędnych węzła w bezprzewodowych
sieciach sensorowych .. 183
Załącznik 3. Analiza wpływu częstotliwości próbkowania sygnału na dokładność estymacji
położenia lokalizowanego obiektu w metodzie TDOA …. 186