Исследование и разработка алгоритма внутреннего позиционирования с использованием мобильных устройств на основе МЭМС-технологии
.pdfширокополосные соединения, GSM точки и т.д. Эта технология очень сильно напоминает WiFi дальнего покрытия, но может использоваться на гораздо больших расстояниях.
Простыми словами технология WiMax является ярким представителем беспроводной сети с высокой зоной покрытия в масштабе радиуса нескольких километров, что применимо в городах.
В массовом применении WiMAX не применялся в качестве способа навигации технических устройств в замкнутом пространстве из-за очень маленькой точности позиционирования, как и Wi-Fi.
Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
высокая область покрытия связи в несколько километров;
высокая пропускная способность;
высокая надежность.
Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
низкая точность;
высокая стоимость оборудования и его обслуживания.
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: TDoA, RSSi.
4) Навигация на основе беспроводного протокола MiWi, который был разработан компанией Microchip и предназначался для построения дешевых радиосетей для передачи данных на малые расстояния, является одним из возможных способов беспроводного позиционирования в замкнутом пространстве. Эта технология буквально является упрощённым аналогом ZigBee.
В основе MiWi использует небольшие радиомодули, которые основаны на стандарте
IЕЕЕ 802.15.4, и предназначен для маломощных сетей с ограниченными затратами, таких как промышленный мониторинг и управление, домашняя и строительная автоматизация,
дистанционное управление, беспроводные датчики, освещение. контроль и автоматическое считывание показаний счетчиков.
Протокол MiWi поддерживается на устройствах и модулях Microchip SAMR30
(субГГц) и SAMR21 (2,4 ГГц) ARM Cortex-M0+. Устаревший код протокола MiWi,
поддерживающий микроконтроллеры PIC и dsPIC, был заморожен и больше не рекомендуется для новых проектов; однако он по-прежнему доступен в библиотеке приложений Microchip
(MLA) для интегрированной среды разработки MPLAB.
Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы
позиционирования являются:
использование шифрования данных;
использование различных топологий соединения;
дешевый аналог ZigBee;
возможность использования без лицензии Microchip;
отличное решение для устройств передачи и приема данных с малым запасом внутренней памяти.
Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
использование дополнительного ПО;
частная, патентная технология;
низкая скорость передачи данных;
высокая стоимость обслуживания.
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: RSSi.
5) Навигация на основе типовой спецификации ZigBee на базе стандарта IЕЕЕ 802.15.4
используемая для обеспечения протоколов связи высокого уровня, которые используются для того, чтобы создавать персональные сети с малогабаритными устройствами, например,
мобильными телефонами, характеризующиеся малым энергопотреблением, для автоматизации в домашних условиях, получения сведений с медицинских устройств и подобных приборов, и устройств малой мощности, нуждающиеся в малой пропускной способности, в свою очередь применяемых в скромных проектах, которым необходимо беспроводное соединение, является одним из бюджетных и энергоэффективных способов беспроводного позиционирования в замкнутом пространстве, использующий простые топологии сети с маленькой скоростью приема и передачи данных.
Технологии, основанные на спецификации ZigBee практически в ста процентов случаев просты в своей структуре и требуют меньших трудовых и денежных затрат по сравнению с персональными сетями на основе Bluetooth или Wi-Fi. К устройствам, которые используют технологии на основе спецификации ZigBee, относятся дорожные светофоры, мониторы,
дистанционные переключатели света и др. оборудования, используемые в быту и на промышленных производствах, которым требуется подобная беспроводная передача данных на малой частоте и в малом диапазоне работы.
Из-за энергоэффективности данного подхода, ограничивается диапазон передачи от десяти до ста метров, который напрямую зависит от мощности на выходе и параметров внешней среды. До этого момента могло показаться что устройства на базе ZigBee могут передавать данные только на малые расстояния, но это не так, они могут передавать данные на дальние расстояния, используя ячеистую сеть.
Как упоминалось ранее стандарт ZigBee применяется в приложениях, где стоит необходимость в обеспечении безопасности сети и продолжительной работы в автономном режиме с низкой скоростью приема и передачи информации. Сети, в которых работает ZigBee,
очень хорошо зашифрованы (128-битное шифрование), что касается скорости, то она составляет около 250 Кбит/с.
Проще говоря ZigBee это стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи,
использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте
IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей. Этот стандарт используется устройствами, которым требуется обеспечение максимальной безопасности и продолжительной работы от автономных источников питания, а также не требующие высокой скорости передачи данных.
Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
энергоэффективность;
использование простых сетевых топологий, а также топологий с приемом и одновременной передачей данных и дальнейшей маршрутизацией;
многогранность алгоритмов маршрутизации, исходя из условий и задач функционирования приложения и состояния используемой сети;
возможность самовосстановлению/самоорганизации;
легкость размещения, технического обслуживания и улучшения.
Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
маленькая скорость приема и передачи данных;
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: TDoA/RSSi/ToF.
6) NFER (near-field electromagnetic ranging) является достаточно новой беспроводной радиотехнологией позиционирования в пространстве, основанной на использовании радиометок и устройств приема и передачи радиоволн. По мере удаления от радиометки
(антенны), наблюдается сдвиг фаз относительно магнитного и электрического компонента
электромагнитного поля, в этом и заключается принцип работы этой беспроводной технологии позиционирования. При малом расстоянии до радиометки (антенны) наблюдается сдвиг по фазе на девяносто градусов магнитной и электрической составляющих поля радиоволны. Если увеличивать расстояние до радиометок (антенн), то сдвиг по фазе будет стремиться к нулю, а при определенном расстоянии будет равен нулю. Было рассчитано, что приемлемым расстоянием между радиометкой и принимающим устройством должно составлять примерно половины длины радиоволны.
Поэтому, для того чтобы максимально увеличить дальность действия необходимо использовать низкочастотные каналы приема и передачи радиоволн. Зачастую это частоты в диапазоне от 1 до 10 МГц, что соответствует длине волны от 300 до 30 метров, соответственно,
а так как приемлемым расстоянием между приемником и передатчиком принято считать половину длины волны, то оптимальной дистанцией будет от 150 до 15 метров,
соответственно.
Технология NFER представляет собой другой подход к поиску систем. Он имеет несколько неотъемлемых преимуществ по сравнению с другими системами позиционирования в реальном времени, такие как:
отсутствие необходимости использования синхронизации принимающих устройств между собой, потому что все расчеты могут быть выполнены с помощью одного принимающего устройства;
отсутствие необходимости использования способов модуляции сигнала, так как для того чтобы определить дальность действия можно воспользоваться любой узкой полосой пропускания сигнала;
из-за того, что разность фаз магнитной и электрической составляющей поля радиоволны остается неизменной после изменения сигнала, сопровождающимся уменьшением частоты в полосе модулирующих частот, то поэтому достигается высокая точность при малом количестве времени позиционирования.
Для того чтобы разобраться в этом для примера возьмем радиоволну,
распространяющуюся на частоте 1 МГц, значит период этой волны будет равняться одной микросекунде, а разность фаз магнитной и электрической составляющей поля радиоволны будет составлять в районе сорока пяти градусов на дистанции в диапазоне 30-60 метров.
Исходя из этого разность фаз магнитной и электрической составляющей поля радиоволны в один градус при частоте в 1 МГц будет составлять расстоянию примерно равному 60-70 см или 1/360 периода или разнице во времени в 27,78 нс между электрическим и магнитным сигналами. При преобразовании с понижением частоты в аудиосигнал с частотой 1 кГц период становится равным 1 мс, а разница во времени, необходимая для измерения, становится равной
27,78 мкс. Сопоставимой системе ToF или TDoA потребуется от 2 нс до 4 нс для выполнения
того же измерения.
Использование относительно низких частот также дает дополнительные
преимущества:
низкие частоты обычно более проникающие, чем высокие. Например, на частоте
2,4 ГГц железобетонная стена может ослаблять сигналы на 20 дБ;при использовании низких частот, радиоволны не подвержены явлению
распространения, когда они достигают приемника по нескольким путям, что называется многолучевостью. Из-за этого явления распространения радиоволн утрачивается возможность применять микроволны и волны ультравысоких частот, что отрицательно сказывается на надежности такой навигации.
Основными недостатками при работе на низких частотах является прямая зависимость размера антенны и ее характеристик на эффективность работы. Устройства приема и передачи радиоволн наиболее эффективны на тех частотах, где длина волны соразмерна с размерами устройства. Большой размер низкочастотных антенн представляет из себя значительный барьер, который системы электромагнитной локации (СЭЛ) ближнего поля не могут преодолеть без снижения коэффициента усиления. Применение фрактальных антенн к СЭЛ требует сложного адаптивного управления.
7) NanoLOC – это одна из технологий беспроводного позиционирования разработанная компанией Nanotron, которая по своим спецификациям напоминает предыдущую версию рассматриваемой технологии под названием NanoNET. С помощью этой технологии
(NanoLOC) можно определять расстояние между устройствами приема и передачи данных,
дальность действия составляет около 100 метров, а что касается скорости передачи данных то она составляет один мегабит в секунду. Ошибка позиционирования данной технологии составляет около двух метров, что дает возможность достаточно точно устанавливать координаты расположения устройств приема и передачи данных по отношению друг к другу.
Если ставится задача нахождения координат устройства в трехмерном пространстве, то необходимо использовать более 4-х устройств приема и передачи данных с уже заранее известными координатами в пространстве.
Основной метод, который положен в основу рассматриваемой технологии локального позиционирования, был предложен разработчиками компании Nanotron. Этот метод носит название SDS-TWR (symmetrical double-sided two-way ranging), идея этого метода состоит в определении расстояния между двумя устройствами приема и передачи радиоволн, на основе задержек, которые появляются при передаче данных. Первое устройство запрашивает
сведения о дальности до второго принимающего устройства с регистрацией времени приема и передачи данных. После чего второе устройство, получив пакет данных высылает ответный сигнал первому устройству о подтверждении приема данных, временя приема и передачи данных также регистрируется. Дальнейшим этапом является обработка регистрируемых данных. Так как скорость радиоволны равна скорости света, то на основе данных о времени приема и передачи данных от первого устройства ко второму и наоборот, можно с легкостью определить дистанцию между ними. Для того чтобы значительно увеличить точность определения расстояния нужно выполнить, описанные выше манипуляции, необходимое количество раз.
Если сравнивать технологию NanoLOC с системой спутниковой навигации (ССН), то рассматриваемая технология специализирована на работе в замкнутом пространстве, что говорит о узкой направленности этой технологии и устройств использующих данную технологию. Основными ограничениями для позиционирования устройств на основе технологии NanoLOC это большое количество вредного для организма человека радиоизлучения, требование к высокой степени помехоустойчивости, так как в замкнутых помещениях велика вероятность наличия устройств способных отражать или искажать радиосигналы. Поэтому в таких системах устройства функционируют на базе линейной частотной модуляции сигналов.
Главными плюсами рассматриваемой технологии являются:
большое количество программного обеспечения в открытом доступе;
отсутствие лицензионных ограничений работы при определенных интервалах мощности вплоть до 90-100 мВт;
технология является помехоустойчивой из-за возможности сигнала к автокорреляции;
предложенные методы позиционирования могут работать за границами официальной области обслуживания.
Главными минусами рассматриваемой технологии являются:
частная, патентная технология;
маленькое значение используемых устройств.
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: TDoA /RSSi/ToF.
8) Навигация на основе стандарта DECT (Digital European cordless telecommunications,
применяемого для формирования беспроводных телекоммуникационных систем, может применяться в качестве способа беспроводного позиционирования в замкнутом пространстве.
Этот стандарт появился в Европе и на данный момент считается общепринятым стандартом, заменив такие стандарты, как СТ1 и СТ2 работающие на частоте 900 МГц.
Стандарт DECT использовался для предоставления услуг сотовой связи между основными стационарными телекоммуникационными станциями, в тот момент он имел название Net3. Так или иначе, этот стандарт очень широко использовался для беспроводных домашних или офисных телефонов, которые были подключены стационарному домашнему или офисному телефону.
Структура стандарта (DECT) представляет собой:
общий профиль доступа (ОПД);
общий профиль взаимодействия (ОПВ).
Что касается стандарта NG-DECT, то он раскрывает весь потенциал стандарта DECT,
давая возможность использовать ряд дополнительных функций для стационарных и беспроводных мобильных телефонов в области действия основных стационарных телекоммуникационных станций.
DECT-2020 New Radio, продаваемый как NR+ (New Radio plus), представляет собой протокол передачи данных 5G, который соответствует требованиям ITU-R IMT-2020 для сверхнадежной связи с малой задержкой и массивной машинной связью и может сосуществовать с более ранние устройства DECT.
DECT является устаревшей технологией радиолокационной связи на высоких частотах,
которая использует Гауссовскую частотную модуляцию с минимальным сдвигом равным 0.5
на частоте в диапазоне от 1880 до 1900 МГц, применяемой в радиотелефонах. Точность позиционирования устройства измеряется расстоянием до станции приема радиочастотных сигналов, если не применять специализированное ПО, но точность позиционирования может достигать вплоть до 5 или 10 метров вне или внутри замкнутого помещения, если все же применить это специализированное персональное оборудование.
Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
простота обслуживания оборудования;
легкость размещения подобных сетей;
нет необходимости в покупке лицензии на использование данной технологии;
простота использования и объединения с системами домашней и офисной
телефонии.
Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы
позиционирования являются:
маленькая дистанция связи в сравнении с другими системами позиционирования, обусловленная мощностью DECT;
маленькая скорость приема, а самое главное передачи данных;
необходимость использования, специализированного ПО.
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии RSSi
9) Навигация на основе GSM (Global System for Mobile Communications) представляет собой позиционирование устройства на базе метода COO (Cell Of Origin), где местоположение отслеживаемого устройство осуществляется по значениям координаты соты, к которой подключено устройство. Точность данного способа навигации измеряется в районе ста или ста пятидесяти метров для так называемых «пикосот», но обычно она достигает километра и более. Как вы понимаете точность такого позиционирования оставляет желать лучшего, но есть методы, которые можно применить для улучшения точности позиционирования,
например, OTDoA или EoTD.
При грубом позиционировании COO местоположение базовой станции считается местоположением вызывающего абонента. Это не очень точно, так как большинство ячеек мобильной сети проецируются антенной с разбросом 120 (т. е. три, установленные на мачте,
чтобы обеспечить полное покрытие), что дает зону покрытия сигнала с базовой станцией в одном углу, а не чем центр. Всенаправленные соты могут использоваться в сельской местности (которые обычно имеют большие радиусы действия и, следовательно,
неопределенные местоположения для телефонов внутри них) и в городах (где они могут иметь радиус действия в несколько сотен метров). Основная проблема заключается в том, что сети мобильных телефонов оптимизированы для пропускной способности и обработки вызовов, а
не для обнаружения телефонов.
Большинство коммерчески внедренных систем полагаются на «расширенный» COO. В
системе GSM это основано на том факте, что телефоны постоянно измеряют уровень сигнала от ближайших 6 базовых станций и фиксируются на самом сильном сигнале (реальность немного сложнее и включает параметры, которые может оптимизировать каждая отдельная сеть, в том числе качество сигнала и изменчивость. Большинство сетей стремятся оптимизировать потребление энергии до минимума, но общий эффект приближается к тому,
что каждый телефон фиксируется на самом сильном сигнале).
Все сети создают «карты всплесков», прогнозируя покрытие сигнала при планировании и управлении своими сетями. Эти карты можно обрабатывать для анализа области, в которой будет доминировать каждая базовая станция, и для аппроксимации каждой области
окружностью (фактическая зона покрытия может не совпадать с предсказанной... и в любом случае будет иметь неправильную форму, а не круг).
На практике сеть, предлагающая услуги определения местоположения третьим сторонам, будет представлять API, к которому могут быть отправлены запросы проверенными пользователями, на который будет отправлен ответ, состоящий из центра круга и радиуса,
представляющего ожидаемую ошибку (размер круга в котором предполагается находиться телефон).
Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
развитая инфраструктура сотовой связи, которая позволяет эффективно использовать зоны покрытия телекоммуникационных вышек для обеспечения навигации в сочетании с корректирующими методами;
Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
необходимость получения доступа к закрытым диапазонам рабочих частот для передачи данных;
очень низкая точность позиционирования в пространстве без использования дополнительных методов.
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: OTDoA или EoTD.
10) Навигация на основе стандарта Bluetooth представляет собой технологию беспроводного позиционирования небольшого диапазона передачи сигнала, применяемая для передачи данных между заранее установленных датчиков приема и передачи данных и переносными устройствами (мобильный телефон, планшет, карманный персональный компьютер (КПК) и т.п.) на небольшие расстояния на основе применения ультравысоких радиоволн в интервале от 2.4-2.5 ГГц и создания персональных сетей (ПС). Он в основном используется в качестве альтернативы проводным соединениям, для обмена файлами между соседними портативными устройствами и подключения мобильных телефонов и музыкальных плееров с беспроводными наушниками. В наиболее широко используемом режиме мощность передачи ограничена 2,5 мВт, что обеспечивает очень малую дальность до десяти метров.
В этой технологии частота смены частоты передаваемого сигнала составляет 1.6 КГц,
которая меняется случайно, благодаря этому получается исключить проблемы работы
технических устройств, находящихся достаточно близко к приемнику, а также обеспечивает безопасность канала передачи данных между устройством и приемником.
Главными плюсами рассматриваемой технологии в качестве системы позиционирования являются:
использование миниатюрных модулей приема и передачи данных;
энергоэффективность;
помехозащищенность;
низкая стоимость оборудования.
Главными минусами рассматриваемой технологии в качестве системы
позиционирования являются:
низкая точность позиционирования без возможности улучшения.
Подходы, которые зачастую используются в позиционировании на основе рассмотренной технологии: RSSi.
В таблице 1.1 представлены технические характеристики рассмотренных ранее технологий беспроводного радиолокационного позиционирования и не только [1-13].