Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Классификация методов и систем сотового позиционирования 27
1.1 Принцип оценивания позиции 27
1.1.1 Привязка к объекту с известными координатами 27
1.1.2 Угломерное позиционирование 28
1.1.3 Дальномерное позиционирование 30
1.1.4 Эмпирическое позиционирование 42
1.2 Методы реализации 44
1.2.1 Источники измерений 44
1.1.1 Модификация программно-аппаратных средств 45
1.1.2 Расположение расчетного модуля 45
1.3 Сравнение методов и систем позиционирования 46
1.2 Выводы по главе 1 48
Глава 2 Экспериментальные исследования радиопокрытия 49
2.1.1 Стабильность уровня принимаемого сигнала 49
2.1.2 Пространственное распределение значений уровня приема52
2.1.3 Пространственная уникальность наборов уровней приема ..57
2.1.4 Зависимость времени прохождения сигнала между базовой и мобильной станциями от расстояния между ними 58
2.2 Выводы по Главе 2. 59
Глава 3 Синтез алгоритмов расчета позиции 60
3.1 Математическая модель затухания 60
3.2 Метод ближайшего соседа 63
3.3 Многослойная нейронная сеть прямого распространения 66
3.4 Нейронная сеть радиального базиса 73
3.5 Нейронная сеть обобщенной регрессии 78
3.6 Синтез ситуационно-адаптивной нейросетевои структуры для сотового позиционирования 82
3.7 Правила подготовки экспериментальных данных 97
3.8 Методы повышения точности 98
Выводы по главе 3 100
Глава 4 Техническая реализация системы позиционирования 101
4.1 Автономная система сотового позиционирования 101
4.1.1 Техническое обоснование реализуемости 101
4.1.2 Логическая структура 102
4.1.3 Программно-аппаратная структура 103
4.1.4 Структура данных 104
4.1.5 Передача данных 107
4.1.6 Формирование и передача ответа 107
4.1.7 Этапы построения системы позиционирования 107
4.1.8 Состав системы сбора данных 108
4.1.9 Клиентская часть 112
4.1.10 Серверная часть 114
4.2 Реализация системы позиционирования в соответствии с рекомендациями стандартов GSM и UMTS 115
4.3 Сравнение способов реализации системы позиционирования. 118
4.4 Рекомендации по внедрению системы позиционирования 119
4.5 Выводы по главе 4 120
Глава 5 Результаты тестирования системы позиционирования 121
5.1 Позиционирование вне зданий 121
5.2 Позиционирование внутри здания 123
5.3 Позиционирование в здании по внешним измерениям 124
5.4 Выводы по главе 5 125
Заключение 126
Литература 131
Приложение
- Угломерное позиционирование
- Пространственная уникальность наборов уровней приема
- Нейронная сеть радиального базиса
- Этапы построения системы позиционирования
Введение к работе
Актуальность
Сотовому позиционированию - определению местоположения пользователя в сотовых сетях связи, в настоящее время, уделяется значительное внимание, как со стороны разработчиков оборудования и операторов связи, так и со стороны потенциальных потребителей услуг позиционирования. Основная причина интереса операторов - необходимость в предложении новых услуг связи, усугубляемая задержкой внедрения сетей 3-го поколения, в то время как современный рынок сотовой связи диктует необходимость применения сервиса позиционирования для уже существующих технологий, таких KaKGSM.
Сотовое позиционирование открывает широкие перспективы, связанные с реализацией множества актуальных приложений: коммерческих - управление транспортом, персональная навигация, локальная информация; внутрисетевых - локальная тарификация, управление подсистемой базовых станций, динамическое распределение каналов; приложений экстренных ситуаций, связанных с персональной безопасностью, аварийными ситуациями и т.п. Потребность рынка в наличии таких приложений очень высока и формируется всеми сторонами - производителями оборудования связи, товаров и услуг, информационными и рекламными агентствами, потребителями и государственными органами.
Спутниковое позиционирование, обеспечивая высокую
точность и глобальный охват, обладает серьезными недостатками: встраивание спутникового приемника в сотовый телефон увеличивает габариты, массу, энергопотребление и цену аппарата; неработоспособность в помещениях снижает оперативность и удобство получения информации; неспособность проникновения спутникового сигнала сквозь препятствия (стены, кроны деревьев, одежда) значительно снижает эффективность автомобильных охранных систем и других услуг безопасности. Основное отличие и преимущество сотового позиционирования от спутникового в том, что сотовое позиционирование решает задачу определения координат, основываясь только на измерениях радиосигналов самой сотовой сети.
В настоящее время разработка систем позиционирования ведется такими фирмами как: Cambridge Positioning Systems, Snaptrack (Великобритания), Siemens (Германия), Philips (Голландия), Telefonica (Испания), Teleplan (Норвегия), Bell Labs, Lucent Technologies, Signatron Technology Corporation, Qualcomm, U.S. Wireless (США), Benefon, Nokia, Radiolinja, VTT (Финляндия),
3\ !4)ChAUAjr:JUtH**'l
tHS.'iJfO'HiJ.A I
Sonera, Telia (Швеция), NTT Laboratories (Япония) и др. Системы
позиционирования разрабатываются такими научными
учреждениями как: National Technical University of Athens (Греция), Aalborg University (Дания), Universitat Politecnica de Catalunya (Испания), Georgia Institute of Technology, New Jersey Institute of Technology, Stanford University, Virginia Polytechnic Institute, University of Massachusetts (США), National Taiwan University (Тайвань), Tampere University of Technology, Helsinki University of Technology (Финляндия) и др.
Базовым методом сотового позиционирования в настоящее
время является метод идентификатора соты, заключающийся в
оценке координат пользователя координатами обслуживающей
базовой станции. Этот метод является наименее затратным, однако
обеспечивает низкую точность позиционирования. В
разрабатываемых сейчас системах позиционирования расчет местоположения пользователя основан на измерении азимута или расстояния между базовыми станциями системы связи и сотовым телефоном, с последующим проведением геометрических расчетов. Такой принцип безупречно работает в пространстве, свободном от препятствий для радиосигнала (например при спутниковом позиционировании), однако в сотовых сетях, в связи с наличием на пути прохождения радиосигнала препятствий, вызывающих непредсказуемые затухания и переотражения, достижение высоких показателей точности связано с большими (не всегда преодолимыми) трудностями и затратами. Кроме того, для обеспечения работоспособности таких методов в уже развернутых сетях стандарта GSM, требуется установка дополнительного радиооборудования, что значительно снижает экономическую оправданность их внедрения.
На данный момент начаты разработки принципиально иной концепции определения местоположения пользователя, основанной на принципе максимального использования особенностей среды распространения сигнала в сотовой системе связи. Это концепция так называемого эмпирического сотового позиционирования, которая предусматривает использование априорной информации о затуханиях и переотражениях, заключенной в измеримых параметрах радиосигнала. Ее появление связано с тем, что в условиях города с большим количеством препятствий на пути распространения сигнала, традиционные методы позиционирования оказались недостаточно эффективными. Суть же концепции эмпирического сотового позиционирования в том, что в условиях хаотичного распределения препятствий для радиосигнала (например, в городе), на территории охвата сотовой сети
существует множество областей, которым присущ уникальный набор характеристик радиосигнала. И, следовательно, заранее измерив параметры радиосигнала в точках с известными координатами, можно построить отображение пространства параметров в пространство географических координат. Система позиционирования, основанная на этой концепции, не требует ни установки дополнительного, ни модификации существующего радиооборудования, ни модификации сотовых телефонов, обеспечивая низкую стоимость внедрения и эксплуатации системы.
Еще одним важным аспектом разработки и внедрения комплексов сотового позиционирования, является возрастающая роль независимых поставщиков информации и услуг. Разработанные к настоящему времени системы сотового позиционирования рассчитаны на внедрение операторами сотовой связи и не удовлетворяют полностью требованиям независимых поставщиков информационных и навигационных услуг. Таким образом, разработка алгоритмов и программных средств эмпирического сотового позиционирования, а также распределенных систем сотового позиционирования, способных функционировать независимо от операторов сотовой связи, позволяющих повысить эффективность процессов обработки данных и знаний в комплексах сотового позиционирования, снизить затраты материальных ресурсов и сократить сроки их создания является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы
Целью работы является синтез алгоритмов и программных средств позиционирования, основанных на измерении параметров радиосигналов, полученных мобильным терминалом и разработка и внедрение системы сотового позиционирования на основе разработанных алгоритмов.
Для определения позиции требуется разработать алгоритм отображения параметров радиолокационной обстановки в пространственно-географические координаты, и систему сотового позиционирования на его основе, удовлетворяющую следующим требованиям:
Обеспечение работоспособности в уже существующей сотовой сети стандарта GSM.
Обеспечение работоспособности в сотовой сети стандарта UMTS.
Отсутствие необходимости внедрения нового или модификации установленного радиооборудования сети связи.
Обеспечение работоспособности для 90% используемых и 99% новых сотовых телефонов.
Достижение показателей точности, значительно превосходящих показатели метода идентификатора соты.
В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:
Проведение классификации методов и систем сотового позиционирования.
Анализ алгоритмов сотового позиционирования.
Исследование применимости и повышение эффективности нейросетевых алгоритмов для определения местоположения приемника сотовой связи.
Исследование области эффективного применения нейроалгоритмов для определения местоположения приемника сотовой связи.
Формирование набора правил подготовки экспериментальных данных для обучения искусственных нейронных сетей (ИНС).
Синтез алгоритмов отображения параметров
радиолокационной обстановки в пространственно-географические координаты.
Программная реализация разработанного метода сотового позиционирования.
Разработка и реализация универсального модульного программно-аппаратного комплекса сотового позиционирования.
Тестирование созданной системы сотового
позиционирования в различных условиях.
Методыисследования
Поставленные задачи решаются на основе общих принципов анализа и синтеза сложных программных систем. Используются методы статистического анализа, стохастической аппроксимации, теории информации, математической теории программирования, математический аппарат теории искусственных нейронных сетей. Для исследования разработанных алгоритмов широко применяется моделирование на ЭВМ. При проведении измерений применялись GSM модуль "Siemens ТС35" и GPS приемник "Pretec Compact GPS" под управлением программного обеспечения, функционирующего на портативном компьютере. Разработка и отладка программного обеспечения для SIM-карт производились с использованием программно-аппаратного комплекса "Gemplus GemXplore Case З".
Научная новизна
Для системного решения задач исследования автором создана и представлена классификация алгоритмов, методов и систем сотового позиционирования, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию средств определения местоположения данного класса.
Впервые приведены сравнительные результаты натурных экспериментальных исследований и испытаний систем сотового позиционирования, основанных на разных математических методах.
В диссертационной работе впервые решена задача логико-
динамического ситуационно-адаптивного управления неиросетевои
структурой, разработана модель проектирования и анализа
алгоритмов и программ, основанная на принципе логико-
динамического управления процессом комбинирования абстрактно-
обобщающей и ассоциативно-мнемонической структур
нейросетевого ансамбля, впервые представлен метод ситуационно-
адаптивного нейро-преобразования параметров радиолокационной
обстановки в пространственно-географические координаты,
обеспечивающий ситуационно-адаптивное управление
вычислительными процессами, предложен и реализован- метод
эмпирического определения позиции приемника в беспроводной
сотовой сети, основанный на информации о соотношении уровней
сигнала соседних базовых станций, разработана и реализована
распределенная система сотового позиционирования, независимая
от оператора сотовой связи, достигнуты результаты точности
определения местоположения, превосходящие результаты других
систем, не использующих дополнительное приемо-передающее
оборудование, получены и приведены сравнительные результаты
натурных экспериментальных исследований систем сотового
позиционирования, основанных на разных математических методах.
Введено новое понятие - эмпирическое сотовое позиционирование.
Разработанные методы, алгоритмы и программные средства носят общий характер и могут быть использованы для создания, сопровождения и эксплуатации программных средств различного назначения для повышения эффективности процессов обработки данных и знаний в вычислительных машинах, комплексах и компьютерных сетях и сокращения сроков их создания.
Теоретическая и практическая ценность
Разработанные в диссертационной работе новые положения теории создания, сопровождения и эксплуатации систем сотового
позиционирования позволяют повысить эффективность и сократить сроки проведения НИР и ОКР при создании новых образцов и модернизации известных в КБ предприятий отрасли, повысить качественные результаты разработок.
Полученные автором решения задач теории проектирования и анализа алгоритмов, программ и распределенных систем сотового позиционирования позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий. Кроме этого, отдельные теоретические результаты являются определенным вкладом в общую теорию таких наук, как теория распознавания образов и теория искусственных нейронных сетей.
Результаты экспериментальных исследований различных алгоритмов и программных средств сотового позиционирования и свойств радиопокрытия, приведенные в работе, представляют практический интерес при проектировании новых и модернизации известных систем и методов сотового позиционирования, позволяют уточнить представление о процессах и свойствах распространения радиоволн в сотовых системах связи в условиях города. Разработанная модель проектирования и анализа алгоритмов и программ, основанная на принципе логико-динамического управления процессом комбинирования абстрактно-обобщающей и ассоциативно-мнемонической структур нейросетевого ансамбля является дальнейшим развитием таких научных направлений как математическая теория программирования, теория распознавания образов, теория искусственных нейронных сетей.
Разработанный метод ситуационно-адаптивного нейро-преобразователя, обеспечивающий управление вычислительными процессами в соответствии с параметрами ситуации, позволяет значительно улучшить точность определения координат сотового позиционирования, повысить эффективность процессов обработки данных и знаний в комплексах сотового позиционирования и сократить сроки их создания. Предложенная распределенная система, позиционирования позволяет внедрить услуги позиционирования для сотовой сети стандарта GSM и сохранить всю функциональность при переходе на стандарт UMTS. Возможность внедрения разработанной системы позиционирования независимо от оператора сети связи позволяет диверсифицировать бизнес провайдеров информационных услуг.
Внедрение
Полученные в работе результаты были использованы в научно-исследовательских разработках, проводимых на кафедре Математического и программного обеспечения систем обработки информации и управления МИЭМ. Разработанная система сотового позиционирования и комплексная методика ее развертывания и поддержки внедрены на предприятии ООО «Единая Европа -Телеком».
Апробацияработы
Результаты работы докладывались и были обсуждены на:
Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2003 г.)
Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов института, посвященная 40-летию МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2002 г.)
Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2001 г.)
VII Всероссийской конференции "Нейрокомпьютеры и их применение" (Москва, ИПУРАН, 2001 г.)
Научно-технической конференции студентов, аспирантов и
молодых специалистов МИЭМ (Москва, МИЭМ, 2000 г.)
Публикации
Основные положения диссертации изложены в 8-ми публикациях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения. Библиография содержит 122 наименования, из них 97 на иностранном языке.
Угломерное позиционирование
Информация об азимутах (a, Р) расположения мобильной станции относительно как минимум двух базовых станций, позволяет определить положение мобильной станции относительно этих базовых станций (см. рис. 1.1). Влияние погрешности измерений (да, д(3) увеличивается с ростом расстояния от базовых станций. Направление прихода сигналов может определяться по различию фаз сигналов (фазовая интерферометрия), или измерением спектральной плотности сигнала на элементах антенной решетки приемника. При высокой степени секторизации антенн БС, когда используется несколько узконаправленных антенн вместо одной всенаправленной, направление прихода сигналов может определяться по номеру антенны, на которой сигнал имеет набольшую амплитуду - это самый неточный, но и самый дешевый способ реализации данного метода [81]. Пересечение пеленгов из двух (или большего числа) мест обеспечивает определение местоположения мобильного телефона. Тесты показывают, что в условиях городской застройки точность определения направления прихода сигнала не позволяет добиться достаточной точности позиционирования, не прибегая к помощи других методов [62].
Однако антенные решетки планируются к использованию в сетях 3-го поколения для направленной передачи сигналов с целью повышения емкости сети. Поэтому угол прихода сигнала может быть использован для повышения точности позиционирования. В системах сотового позиционирования расстояние между передатчиком и приемником может быть оценено по затуханию сигнала или времени его прохождения между объектами. В зависимости от метода, в расчете позиции используются абсолютные расстояния или их соотношение. Информация о расстоянии от мобильной станции до трех базовых станций позволяет решить систему уравнений триангуляции и вычислить положение мобильной станции относительно базовых станций (см. рис. 1.2). Для реализации этого метода необходимо наличие информации о координатах всех БС, а также высокая точность измерения расстояния между передатчиком и приемником. Соотношение расстояний Разности расстояний между передатчиками и приемником (или передатчиком и приемниками) трансформируются в систему нелинейных гиперболических уравнений. Решение этой системы представляет оценку позиции МС. Рассмотрим двумерный случай (см. рис 1.3). Пусть имеются измерения расстояний dj, i=1,...,n между мобильной станцией и п базовыми станциями и известны разности этих измерений. Пусть (х0,Уо) -координаты мобильной станции, (Xj,yj) i=1,...,n - координаты базовых станций. Тогда расстояния d, можно выразить так: d, = V( / " о)2 + ІУ, -Уо)2 = Vх/2 + УЇ 2х хо 2у Уо + хо + у\ (1.1) Не ограничивая общности, будем использовать в вычислениях разность расстояний относительно 1-й БС: dtl=dt -dt = V( , - о)2 +(УІ -Уо)2 -V(xi хо)2 +(Уі -Уо)2 , (1.2) где d; t - разность измерений расстояний 1-й и і-й БС - известная величина.
Тогда получим систему уравнений, нелинейную относительно х0,уо. Если координаты базовых станций известны, то можно найти решение этой системы уравнений, которое является позицией мобильной станции. Обычно для решения этой системы применяются методы, использующие линеаризацию. Один из способов линеаризации -разложение в ряд Тейлора [94]. Также используется альтернативный метод преобразования системы уравнений, в котором решение ищется относительно 3-х переменных - х0) Уо и tit [94]. Выражение (1.2) можно переписать в виде: где X/ff и у/(ї равны xrxj и yryj, соответственно. Получившаяся система уравнений линейна относительно неизвестных х0) уо и d?. Для системы из 3-х БС в двумерной системе координат решение может быть получено через df в (1.5). Решение представляется в форме: При подстановке (1.6) в (1.1) при i=1 получается квадратное уравнение относительно d . Подставляя положительный корень обратно в (1.6) получим решение. Могут получиться два положительных корня, и возникнет неоднозначность, которая разрешается использованием априорной информации. Один из корней почти всегда отрицательный. В тех же редких случаях, когда оба корня положительные, один из корней дает решение, лежащее далеко за пределами соты. В данном случае, если квадратное уравнение по d имеет вид: Для реализации этого метода необходимо наличие информации о координатах всех БС, а также высокая точность измерения расстояния между передатчиком и приемником. Время прохождения сигнала Время прохождения сигнала между передатчиком и каждым из приемников (или приемником и каждым из передатчиков) используется для оценки расстояний между ними. На этом принципе основаны следующие методы сотового позиционирования: Метод временной задержки (ТА - Timing Advance) [29, 49, 99]. Для того чтобы избежать перекрытия пакетов (кадров) от мобильных станций, находящихся на разном расстоянии от БС вводится временная задержка передачи для близких станций.
Эта задержка назначается системой для каждой мобильной станции на основе информации о времени прохождения сигнала между данной мобильной станцией и БС. Можно использовать этот параметр для оценки расстояния между ними. Точность этого метода зависит, в том числе, от точности измерения времени прохождения сигнала. В стандарте GSM точность измерения временной задержки соответствует 554м, что не позволяет значительно повысить точность позиционирования по сравнению с методом идентификатора соты (см. рис. 1.4). Расчет позиции производится по формулам для абсолютных расстояний. Метод времени прихода сигнала (ТОА - Time Of Arrival) [29, 49, 99]. Измеряется время прибытия сигнала от МС на БС. Для корректного оценивания расстояния требуется синхронизация базовых станций. Базовые станции в сети стандарта GSM не синхронизированы, в сетях IS-95 и UTRA TDD синхронизированы. Расчет позиции производится по формулам для абсолютных расстояний. Метод разницы времен прибытия сигнала с мобильной станции на несколько базовых станций (TDOA - Time Difference Of Arrival) [29, 49, 99]. Сигнал, переданный мобильной станцией, принимается на, как минимум, 3-х БС, которые измеряют ТОА. Параметр TDOA рассчитывается вычитанием соответствующих ТОА с учетом временного сдвига между базовыми станциями. Конвертация ТОА в TDOA может улучшить точность в случае, если сигнал, пришедший на пару базовых станций, отражен от одного препятствия. Вместо или дополнительно к базовым станциям могут использоваться устройства измерения позиции (LMU - Location Measurement Unit). Расчет позиции производится по формулам для соотношения расстояний (1.1-1.8).
Метод разницы времен прибытия сигнала от нескольких базовых станций на мобильную станцию (E-OTD - Enhanced Observed Time Difference или OTDOA - Observed Time Difference Of Arrival) [49, 63, 100]. Идея метода аналогична методу TDOA, за исключением направления измеряемых сигналов. Вместо или дополнительно к базовым станциям могут использоваться устройства измерения позиции (LMU - Location Measurement Unit). Расчет позиции производится по формулам для соотношения расстояний. Возможно использование абсолютных расстояний, в таком случае метод называется Окружностным (Circular) E-OTD [59], по форме кривых позиции. Обе разновидности метода стандартизированы для применения в стандартах GSM 03.71 [34] и UMTS 25.305 [49]. В сети стандарта GSM метод реализован компанией Cambridge Positioning Systems в системе Cursor [59]. Метод оценки расстояния по времени прохождения сигнала используется также в системах спутникового позиционирования GPS и ГЛОНАСС [25, 78], которые, ввиду повышенного интереса к ним и для лучшего понимания их недостатков, будут рассмотрены подробно. Система Navstar (Navigation System with Time and Ranging -Навигационная система определения времени и дальности) Министерства обороны США более известна как GPS (Global Positioning System - Глобальная навигационная система) [25, 78]. Введена в эксплуатацию в 1995 г.
Состоит из 3-х сегментов -космический (спутники), наземный (приемники) и сегмент управления (сеть наземных станций управления). Космический сегмент состоит из 24-х спутников, орбиты которых расположены в 6-ти плоскостях. Высота орбиты - 20 000 км. Наклон орбиты относительно экватора 55. Период обращения - 12 часов. Спутники равномерно распределены в пространстве - над каждой полусферой Земли находится не более 12 спутников. Поэтому большинство современных GPS-приемников являются 12-канальными, т.е. могут одновременно принимать сигналы с 12 спутников. Рабочие частоты - 1.1=1575,42 МГц, 1.2=12275,6 МГц. Каждый спутник излучает навигационный сигнал в виде фазоманипулированной псевдослучайной последовательности. В сигнале содержатся два вида кода.
Один из них - код С/А (coarse/acquisition - грубый) - доступен всем. Передача кода С/А осуществляется на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Период повторения С/А-кода -1 мс. Тактовая частота -1,023 МГц. Другой код - Р (precision - точный), обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен. В основном Р-код предоставляется военным и федеральным службам США. Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота - 10,23 МГц. Кроме этих кодов в сигнале GPS может присутствовать так называемый Y-код, являющийся шифрованной версией Р-кода. На частотах L1 и L2 передается навигационное сообщение, которое содержит дополнительную информацию: системное время,
Пространственная уникальность наборов уровней приема
Производились замеры уровней обслуживающих базовых станций на территории размером 6.5 км на 5.4 км и площадью 35 кв. км в г.Москва в районе м. Бабушкинская, МКАД, Ярославское ш. при перемещении приемника по автомобильным и пешеходным дорогам. Полученные данные анализировались на пространственную уникальность. Исследовались только те наборы измерений, в которых присутствуют измерения как минимум от 4-х соседних базовых станций.
Были обнаружены несколько наборов измерений, соотношения уровней принятых сигналов в которых были идентичными, либо незначительно различались, в то время как точки, в которых были проведены эти измерения, находились на значительном расстоянии друг от друга. Например, наборы уровней принятых сигналов, приведенные в таблице №2.2, отличаются на единицу, притом, что расстояние между соответствующими точками составляет 919,6м. 58 Также было обнаружено, что количество таких наборов незначительно по сравнению с наборами, обладающими пространственной уникальностью. Таким образом, не все наборы уровней принятых сигналов обладают пространственной уникальностью и, следовательно, из близости наборов уровней принятых сигналов не всегда следует близость точек измерений. С целью выявления возможности применения дальномерных методов позиционирования в городских условиях производились замеры параметра Timing Advance (ТА) в нескольких точках в г.Москва в районе м. Бабушкинская. Полученные данные анализировались на взаимное соответствие. Были обнаружены две точки с координатами 55.8692 градусов северной широты, 37.6580 градусов восточной долготы и 55.86922 градусов северной широты, 37.65815 градусов восточной долготы, находящиеся на расстоянии 10м друг от друга, в котррых параметр ТА для соты №4482 был равен, соответственно 2 и 4, то есть отличался на 2 единицы. Таким значениям параметра ТА соответствуют расстояния между МС и БС в 1108м и 2216м, а значит минимальное расстояние между точками с такими значениями параметра ТА не может быть меньше 1108м. 59
Таким образом, в условиях города время прохождения сигнала между МС и БС не является точной оценкой расстояния между ними. Однако этот параметр может быть использован в методах эмпирического позиционирования в качестве дополнительного источника информации, как еще одна характеристика каждой точки пространства. По результатам проведенных исследований установлено, что: значение уровня принимаемого сигнала в конкретной точке пространства можно считать постоянной величиной, искажаемой шумом измерения и являющейся характеристикой данной точки пространства уровень приема сигналов различных базовых станций не является монотонной функцией координат, следовательно, для каждого значения уровня принятого сигнала может существовать несколько значений координат существуют одинаковые наборы значений уровней приема сигналов нескольких базовых станций, соответствующие сильно удаленным точкам пространства, однако количество таких точек мало, что позволяет считать их аномальными в условиях города время прохождения сигнала между МС и БС не является точной оценкой расстояния между ними, однако этот параметр может быть использован в методах эмпирического позиционирования как еще одна характеристика каждой точки пространства.
Расчет координат пользователя основан на свойствах распространения радиоволн в пространстве: 1. амплитуда сигнала уменьшается с ростом расстояния от источника, 2. амплитуда сигнала уменьшается при прохождении сигнала сквозь препятствие, 3. амплитуда сигнала уменьшается при отражении от препятствия, а также на специфическом свойстве сотовых радиосетей: мощность передатчиков такова, что обеспечивается перекрытие зон охвата разных базовых станций, т.е. в каждой точке пространства принимаются (амплитуда выше порогового значения) сигналы от нескольких базовых станций. Из сказанного выше следует, что амплитуда сигнала каждой базовой станции меняется с ростом расстояния от нее и увеличением количества препятствий, каждая точка пространства характеризуется определенным набором базовых станций, сигнал от которых принимается в данной точке, каждая точка пространства характеризуется определенным набором уровней сигналов всех принимаемых базовых станций.
Для выражения уменьшения амплитуды сигнала при его распространении в пространстве в стандарте GSM 05.50 [71] принята эмпирическая формула Окумура-Хата [75]: gf - логарифмически нормальное затухание (определяется из «карты логарифмически нормального затухания», которая определяет избыточное затухание в различных точках плана соты [71]). Таким образом, значение принятой мощности определяется постоянными величинами - 4i&a Lp,y t а также величинами, зависящими от местоположения приемника - " /. То есть существует возможность по известной принятой мощности гг определить расстояние до передатчика. Значения всех перечисленных величин могут быть известны в достаточном количестве точек, если систему позиционирования внедряет оператор сотовой сети. Для лучшего описания затухания в условиях города была разработана модель затухания Уолфиша-Икегами (Walfisch-lkegami) [121], приведенная на рис. № 3.1.
Нейронная сеть радиального базиса
Второй слой состоит из элементов с линейными функциями активации и определяет линейную комбинацию выходов первого слоя (т.е. взвешенную сумму гауссовых функций): W,- . весовой коэффициент і-го радиального элемента первого слоя. Нейронная сеть радиального базиса формирует выход, осуществляя разбиение пространства измерений гиперсферами. Гиперсфера задается своим центром и радиусом. Каждый элемент нейронной сети радиального базиса нелинейно реагирует на расстояние от данной точки до центра, соответствующего этому радиальному элементу. Поверхность отклика радиального элемента представляет собой гауссову функцию колоколообразной формы, с вершиной в центре и понижением к краям. Наклон гауссова радиального элемента и, соответственно, радиус гиперсферы задается параметром -.О".
Обучение нейронной сети радиального базиса происходит в два этапа. На первом определяются центры и отклонения для радиальных элементов. На втором оптимизируются параметры линейного выходного слоя. Расположение центров должно соответствовать кластерам, реально присутствующим в исходных данных. Для этого в качестве центров радиальных элементов выбирается множество точек, являющихся центроидами кластеров в обучающих данных. При N радиальных элементах их центры располагаются таким образом, чтобы каждая обучающая точка относилась к одному центру кластера и лежала к нему ближе, чем к любому другому центру; каждый центр кластера был центроидом множества обучающих точек, относящихся к этому кластеру. В процессе обучения определяется вектор обучающей выборки, на котором ошибка сети максимальна и создается новый радиальный элемент с центром в данном векторе. Так продолжается до тех пор, пока среднеквадратическая ошибка обучения сети не достигнет заданного предела. После того, как определено расположение центров, нужно найти отклонения. Величина отклонения определяет, насколько острой будет гауссова функция. Если эти функции выбраны слишком острыми, сеть не будет интерполировать данные между известными точками, и потеряет способность к обобщению. Если же гауссовы функции взяты чересчур широкими, сеть не будет воспринимать мелкие детали. Поэтому отклонения выбираются таким образом, чтобы колпак каждой гауссовой функций захватывал "несколько" соседних центров.
После того, как выбраны центры и отклонения, параметры выходного слоя оптимизируются с помощью стандартного метода линейной оптимизации - алгоритма псевдообратных матриц (сингулярного разложения) [109]: если представить выход нейронной сети радиального базиса в виде F(x) = w,ht ( ),# = Я, = hj ( ,), то 1=1 матрица весовых коэффициентов второго слоя определяется соотношением Обучение нейронной сети радиального базиса может проводиться по двум различным сценариям: 1. Обучение по всем доступным измерениям 2. Обучение по измерениям каждой соты отдельно Во втором случае, по существу, для каждой соты создается своя нейронная сеть. Преимущество первого сценария заключается в том, что обучение производится по большой выборке, соответственно, теоретически, возможно достижение лучшего качества обучения. Однако параметры нейронной сети становятся общими для всех сот, что не позволяет выделить и учесть особенности каждой соты. Преимущество второго сценария заключается в возможности подстройки параметров обучения и функционирования нейронной сети радиального базиса под особенности каждой соты. Однако объем обучающей выборки для каждой соты намного меньше, чем в первом случае и для некоторых сот может быть недостаточен для качественного обучения. Проведенные исследования показали, что обучение по второму сценарию, даже несмотря на малый объем выборки для каждой соты, позволяет добиться меньшей погрешности позиционирования в целом.
При этом необходима настройка параметров обучения для каждой соты индивидуально. В данной работе реализована нейронная сеть радиального базиса с параметрами, приведенными в таблице №3.2. Нейронная сеть обобщенной регрессии впервые предложена Спектом [108], в 1991г. Сеть функционирует следующим образом [109]: В процессе обучения все обучающие наблюдения копируются внутрь сети и используются для оценки отклика в произвольной точке пространства входов. В точку расположения каждого обучающего наблюдения помещается гауссова ядерная функция. При этом исходят из предположения, что каждое наблюдение свидетельствует о степени уверенности в том, что поверхность отклика в этой точке имеет данную высоту, и эта уверенность убывает при отходе в сторону от точки. Окончательная выходная оценка сети получается как взвешенное среднее выходов по всем обучающим наблюдениям, где величины весов отражают расстояние от этих наблюдений до той точки, в которой производится оценивание, таким образом, более близкие точки вносят больший вклад в оценку. Первый промежуточный слой сети состоит из радиальных элементов. Второй промежуточный слой содержит элементы оценки взвешенного среднего. Каждый выход имеет в этом слое свой элемент, формирующий для него взвешенную сумму. Чтобы получить из взвешенной суммы взвешенное среднее, эта сумма делится на сумму весовых коэффициентов. Последнюю сумму вычисляет специальный элемент второго слоя. После этого в выходном слое производится собственно деление. Таким образом, число элементов во втором промежуточном слое на единицу больше, чем в выходном слое.
Этапы построения системы позиционирования
Передача исходных данных в расчетный центр и ответа пользователю может осуществляться любым доступным способом передачи данных. В настоящее время для этого используется «служба коротких сообщений» - SMS, т.к. этот способ доступен на подавляющем большинстве используемых телефонных аппаратов и на всей территории GSM сетей. С развитием GPRS более предпочтительно использование WAP over GPRS. Модульность системы позволяет изменять отдельные её части без вмешательства в остальные компоненты. Полученные данные измерений передаются в функцию расчета позиции. Рассчитанная позиция, в формате долгота/широта/высота передается в функцию формирования ответа. В соответствии с запросом пользователя посылается запрос в базу данных на поиск объекта с заданными свойствами и местоположением.
Результат поиска отправляется пользователю. Ответом может быть: долгота, широта; улица, номер дома; шоссе, км; путь до интересующего объекта; другая информация, связанная с текущим местоположением. Этапы внедрения системы позиционирования: 108 1) Сбор исходных данных. На данном этапе происходит измерение параметров радиосигнала (в разработанной системе уровней всех доступных в каждой точке местности БС). Привязка к местности осуществляется при помощи спутниковой системы навигации (здесь GPS) там, где ее сигналы доступны, и при помощи карт, планов, стандартных геодезических методов там, где спутниковые сигналы не доступны (в основном внутри зданий), что позволяет реализовать главное преимущество сотового позиционирования перед спутниковым - повсеместное функционирование. При внедрении данной системы оператором сотовой связи, или при его непосредственном участии, данный этап может быть полностью или частично опущен при предоставлении карты радиопокрытия. 2) Построение отображения измеренных параметров радиосигнала в пространство географических координат по разработанному методу. Для сбора данных необходим GSM приемник, обеспечивающий передачу всей необходимой информации на компьютер и устройство точного позиционирования, например GPS приемник. В качестве GSM приемника может быть использовано как специализированное измерительное оборудование (например, Acterna t-ams -www.acterna.com), так и любое другое, обладающее достаточной функциональностью. В данной системе использовался GSM модуль Siemens ТС35-Т. Комплект оборудования состоит из следующих частей (Таблица № 4.6): приемников и их запись на жесткий диск портативного компьютера. GSM модуль подключается к RS-232 порту компьютера. GPS приемник имеет интерфейс Compact Flash и подключается через переходник в PC-card слот. Коммуникация с приемниками осуществляется посредством СОМ-порта, для GPS приемника СОМ-порт эмулируется средствами операционной системы. Управление GSM модулем производится посредством АТ-команд, GPS приемник не требует управления и начинает непрерывно подавать данные на СОМ-порт сразу после подключения. GPS данные представляются в формате NMEA-0183.
Управление GSM модулем производится посредством следующих АТ-команд: АТЛМОІЧІ - мониторинг обслуживающей базовой станции. Позволяет непрерывно получать следующие данные для обслуживающей БС: № канала - ARFCN of ВССН Уровень принятого сигнала - dBm Код сети - PLMN Код зоны - LAC Идентификатор сотьь- CelHD Цветовой код сети - NCC Цветовой код базовой станции - ВСС ATAMONP - мониторинг соседних базовых станций. Позволяет непрерывно получать следующие данные: № канала - ARFCN of ВССН Уровень принятого сигнала - dBm Код сети-PLMN Цветовой код базовой станции - ВСС Производится непрерывный опрос GSM модуля. Полученные данные записываются в файл вместе с метками времени. GPS данные в формате NMEA-0183 состоят из сообщений нескольких типов: GGA Global positioning system fixed data - GPS данные о позиции GSA GNSS DOP and active satellites - информация о геометрической деградации точности и активных спутниках GSV GNSS satellites in view- информация о видимых спутниках RMC Recommended minimum specific GNSS data - минимальная необходимая информация о местоположении Данные имеют следующий формат: $Тип сообщения, параметры через запятую Например: $GPRMC, 161229.487. А, 3723.2475, N, 12158.3416, W, 0.13, 309.62, 120598, , 10 В реализованной системе позиционирования используется тип сообщения RMC, который состоит из следующих параметров: Message ID -тип сообщения ($GPRMC) UTC Position - всемирное время (ччммсс.ссс) Status - статус данных о позиции (А - действительны, V -недействительны) Latitude - широта (ггмм.мммм) N/S Indicator - индикатор широты, северная / южная (N - северная, S - южная) Longitude - долгота (гггмм.мммм) E/W Indicator - индикатор долготы, восточная / западная (Е -восточная, W-западная) Speed Over Ground - скорость относительно земли (узлов) Course Over Ground - курс относительно земли (градусов)
