НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НЕМЦЕВА ДІАНА МУФІДІВНА

УДК 621.396.96:005.6

Розробка засобів та синтез пристроїв визначення місцезнаходження мобільних станцій в мережі мобільного зв’язку

Спеціальність 05.12.04 – Радіолокація і радіонавігація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацію є рукопис.

Робота виконана на кафедрі комп’ютерних інформаційних технологій Інституту комп’ютерних технологій Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор Віноградов Микола Анатолійович, Національний авіаційний університет, Інститут комп’ютерних технологій, професор кафедри комп’ютерних інформаційних технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Іванов Володимир Олександрович, Національний авіаційний університет, професор кафедри електродинаміки Інституту електроніки та систем управління;

кандидат технічних наук, доцент Родіонов Сергій Сергійович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, доцент кафедри радіомоніторингу та радіочастотного менеджменту.

Провідна установа:

Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова

Захист відбудеться 22 травня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.01 Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, пр.Комарова,1, корп. 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, пр.Комарова,1.

Автореферат розісланий 22 квітня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.062.01,

кандидат технічних наук В.С. Єременко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Серед сучасних засобів телекомунікацій найбільш стрімко розвиваються мережі мобільного зв’язку. Їх впровадження дозволило вирішити проблему раціонального використання виділеної смуги радіочастот шляхом передачі повідомлень на одних й тих самих частотах й збільшити пропускну спроможність телекомунікаційних мереж.

В Україні розвиток мобільного зв’язку йде бурними темпами: за оцінками експертів, число абонентів мобільного зв’язку в Україні на кінець 2006 р. складало більше 49 млн. чоловік, тобто перевищило чисельність населення і перевищує число користувачів стаціонарних телефонів. (Мобільні телефони ще називають мобільними терміналами або мобільними станціями. В подальшому будемо використовувати скорочення МС за аналогією з базовою станцією - БС.) В Європі число користувачів в цілому становить 608 млн. Найбільш поширеним стандартом мобільного зв'язку в країнах Європи та в світі є GSM. Його доля на світовому ринку складає близько 75%, і на нього приходиться більш ніж 80% нових підключень.

Широке коло питань, пов’язаних з дослідженням якості мережі мобільного зв’язку, розглядаються в роботах вітчизняних та зарубіжних вчених В.Г.Карташевського, Е.А.Якубайтіса, Ю.А.Громакова, В.П.Іпатова, М.В.Ратинського, В.Н.Троїцького, V.Zingarelli, K.Allsebrook та ін. Суто навігаційні задачі (без застосування у мережах мобільного зв’язку) розглядалися та вирішувалися вітчизняними вченими М.С.Ярликовим, Г.І.Тузовим, Ю.М.Казаріновим, Л.С.Бєляєвським та ін. Але внаслідок значної складності проблем визначення місцезнаходження (позиціонування) мобільних терміналів (станцій, телефонів) з достатньою точністю навігаційними методами багато питань залишаються відкритими.

У той же час, наприклад, в США загальне число аварійних викликів з мобільних телефонів доходило до 100000 дзвінків у добу вже в 2000 р. Позиціонування МС має вельми велике значення не тільки для служб рятування, але й для численних служб та систем безпеки великих підприємств, аеропортів, вокзалів, автотранспортних підприємств тощо. Тому тема дисертації представляється актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання роботи пов’язано з реальними потребами галузі мобільного зв’язку як на національному, так і міжнародному рівнях. Питання, які розглядаються в дисертаційній роботі, безпосередньо випливають із задач у сфері науки і техніки, сформульованих у “Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України № 223/8 від 09.12.99 р.

Результати дисертаційних досліджень були використані при проведенні науково-дослідних робіт, що проводилися в Національному авіаційному університеті.

Роль автора в зазначених науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає в аналізі існуючих методів оцінки та засобів забезпечення надійності та ефективності визначення характеристик розповсюдження сигналів в радіомережах передачі даних, а також у розробці нових моделей і методів розрахунку завадостійкості та електромагнітної сумісності радіомереж.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка системи навігаційного визначення (позиціонування) носіїв МС з точністю, достатньою для візуального пошуку в щільній міській забудові або в лісовій (парковій) зоні без використання додаткових технічних засобів.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі основні задачі:

- аналіз і систематизація існуючих та таких, що знаходяться у стані розробки, засобів позиціонування носіїв МС, ступеню їх точності, зручності, економічних аспектів впровадження та ринкової привабливості для пересічного клієнта – фізичної особи;

- розробка уточнених електродинамічних моделей розповсюдження хвиль у проміжній зоні та зоні Фраунгофера для діапазону, який застосовується у мобільному зв’язку, за умов функціонування системи у місті з щільною міською забудовою, у приміський та сільській місцевостях;

- розробка математичних моделей корисних та завадових сигналів як носіїв інформації для системи навігаційного визначення, що входить до складу загальної системи мобільного зв’язку;

- порівняльний аналіз методів навігації носіїв МС та вибір найбільш придатного методу за умов обмежень на втручання в інфраструктуру та зміну параметрів БС та МС;

- статистичний синтез пристрою визначення-вимірювання координат та параметрів руху МС у просторовій системі БС;

- розрахунки асимптотичних оцінок точності визначення синтезованого вимірювача та аналіз потрібного часу для досягнення бажаної точності;

- видача рекомендацій з побудови та методів апаратно-програмної реалізації системи позиціонування.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є системи мобільного зв'язку стандарту GSM з модифікацією за етапами GPRS-EDGE-HSDPA до стандарту 3G.

Предмет дослідження – моделі, методи й засоби позиціонування носіїв МС з точністю, достатньою для їх візуального визначення неозброєним оком.

Методи дослідження. У дисертації застосовані методи електродинаміки, теорії розсіяння хвиль від статистично шорсткої поверхні, крайових хвиль та фізичної теорії дифракції, статистичної радіотехніки та теорії радіонавігації, статистичного синтезу радіотехнічних систем визначення-вимірювання, моделювання та розрахунки на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше запропоновано та обгрунтовано різницево-дальномірний метод і алгоритм навігаційного визначення МС в просторовій системі БС з послідовним зняттям та сумісною обробкою інформації.

2. Розроблено нову методику визначення електродинамічних характеристик корисних та завадових сигналів при прийомі радіохвиль дециметрового діапазону системи мобільного зв’язку як у зоні Фраунгофера, так і у проміжній зоні.

3. Вперше синтезовано пристрій послідовного визначення-вимірювання координат та параметрів руху МС з прогнозом положення носія на наступному етапі на основі врахування динаміки руху носія. За результатами аналізу потенційних статистичних характеристик синтезованого пристрою показано, що розроблений пристрій дає потрібну точність визначення при різних маневрах носія в зоні визначення.

4. При вирішенні навігаційної задачі реалізовано процедуру оптимального прийому сигналів каналу даних та каналу управління системи мобільного зв’язку як складних шумоподібних сигналів з фазорізницевою модуляцією. Це дозволяє позбутися проблеми фазової синхронізації елементів навігаційної підсистеми.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Вона випливає з таких міркувань. Математичний апарат використаний на достатньому для інженерних задач рівні суворості та коректності. Отримані нові наукові результати узагальнюючого характеру при відповідних спрощеннях та припущеннях можуть бути зведені до добре відомих часткових результатів, багатократно перевірених теоретично та експериментально. Результати комп’ютерних розрахунків та моделювання можуть вважатися досить адекватним відображенням реальних процесів, що протікають у системах мобільного зв’язку, побудованих на базі цифрових пристроїв та обчислювальних машин загального і спеціального призначення.

Практична цінність отриманих результатів

1. Усі запропоновані методи та алгоритми доведені до кінцевих результатів – функціональних схем пристроїв, розрахункових формул у замкненій формі, методик реалізації, кількісних оцінок характеристик.

2. При розробці теоретичних передпосилань та окремих методів навігаційного визначення носія МС однією з основних умов було мінімальне втручання в інфраструктуру мереж мобільного зв’язку. Це є неодмінною умовою виключення або хоча б мінімізації проблем технічної модернізації мережного устаткування і особливо МС, заміна яких створить фінансові труднощі для клієнтів і, як наслідок, ускладнить широке впровадження даної послуги.

3. Методика визначення електродинамічних характеристик корисних та завадових сигналів при прийомі радіохвиль дециметрового діапазону системи мобільного зв’язку як у зоні Фраунгофера, так і у проміжній зоні має порівняльно малу трудомісткість та припускає високий ступень комп’ютеризації.

4. Синтезовані пристрої визначення-вимірювання координат та параметрів руху носіїв МС дають достатні статистики процесів, що аналізуються, і тому не потребують надмірних обчислювальних ресурсів. Вони можуть бути реалізовані як в апаратній формі, на базі спеціалізованих процесорів цифрової обробки сигналів, так і в програмній формі, на базі універсальних ЕОМ.

Особистий внесок здобувача полягає в самостійному виконанні теоретичної та розрахункової й розрахункової частин роботи та інтерпретації отриманих результатів. В дисертаційній роботі узагальнено результати поточних досліджень автора. Всі основні наукові та теоретичні положення, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

В дисертації узагальнено результати досліджень, виконаних автором у співавторстві [1-2,4-8]. Особисто автором здійснена розробка загальної концепції дисертації та вибір об’єктів, визначено мету і задачі роботи, обрано та обгрунтовано методи досліджень.

У роботах, виконаних у співавторстві, особисто Немцевій Д.М. (до 17.11.2006 р. - Абу-Бакер Д.М.) належать такі наукові результати:

- в роботі [1] – ретельний аналіз проблеми інтеграції комп’ютерних та телекомунікаційних технологій стосовно мереж мобільного зв’язку;

- в роботі [2] – вибір та обгрунтування шляхів подолання апріорної невизначеності статистичних характеристик завад при синтезі квазиоптимального пристрою визначення-вимірювання;

- в роботах [4], [6] та [7] – детальне вивчення статистичних характеристик сигналів, завад та шумів, розробка математичних моделей та оцінки кількісних характеристик співвідношень сигнал/(завади плюс шуми) на вході приймача МС та БС;

- в роботі [5] – розрахунки точності та завадостійкості квазиоптимального пристрою визначення-вимірювання системи позіціонування;

- в роботі [8] – розробка методу синтезу, алгоритму та схеми пристрою визначення-вимірювання системи позіціонування.

Апробація та публікації. Основні положення роботи доповідалися на міжнародній конференції з управління “Автоматика 2002” у Донецькому національному технічному університеті, міжнародній науково-технічній конференції студентства та молоді 2003 року в державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій (ДУІКТ), м. Київ, на конференції аспірантів та студентів “Політ-2005” у Національному авіаційному університеті (НАУ), на наукових семінарах кафедри комп’ютерних інформаційних технологій НАУ. Статті [4 – 8] опубліковані у фахових виданнях переліку ВАК України.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація містить список скорочень, вступ, чотири розділи, висновки та список використаних джерел. Рисунків – 51, таблиць – 3. Загальний об’єм дисертації – 170 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертаційної роботи обгрунтовано актуальність і доцільність обраної теми, запропоновано методику наукового дослідження, сформульовано мету і задачі роботи, зазначено практичну цінність, наукову новизну, показано зв’язок роботи з науковими темами, планами, програмами.

У першому розділі детально проаналізовано стан та перспективи, технічні та економічні аспекти розвитку нових поколінь систем мобільного зв’язку. Показано, що для успішного впровадження послуг позиціонування у мережах мобільного зв’язку різних стандартів та поколінь необхідно мінімальне втручання в інфраструктуру мережі; особливо небажаною є необхідність модернізації (заміни) МС і пов’язані з нею фінансові витрати клієнтів. Розглянуті особливості методів позиціонування, що пропонуються, проведено їх порівняльний аналіз, визначено достоїнства та вади. Доведено необхідність вдосконалення методів позиціонування для підвищення їх точності та оперативності.

З позицій загальної теорії радіонавігації проаналізовано можливості та путі рішення поставленої задачі в мережі мобільного зв’язку. Показано, що найбільш придатним методом є різницево-дальномірний метод в просторовій системі з трьох сусідніх БС, які є найближчими до МС, що подав сигнал позиціонування. При програмній реалізації розроблених методів забезпечується мінімальне втручання в апаратну частину системи мобільного зв’язку та спрощуються технічні проблеми, оскільки всі системи управління мережами мобільного зв’язку повністю комп’ютеризовані.

У першому розділі поставлено загальну мету дослідження та часткові задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей сигналів, шумів та завад, що поступають на вхід приймачів БС та МС при вирішенні задачі визначення сигналу та оцінювання його параметрів. В задачах, що розглядаються, внутрішня інформація, що міститься у слотах каналів даних та каналів управління, ніяким чином не може бути використана. Тому вхідні сигнали розглядаються просто як складні шумоподібні сигнали з модуляцією спеціального виду.

У різних стандартах мобільного зв’язку використовують частотну чи фазову маніпуляцію або їх комбінації. На рис. 1 та 2 зображені графіки автокореляційної функції (АКФ) та енергетичного спектру одного зі зразків таких сигналів. Рівень бічних пелюсток автокореляційної функції такого сигналу складає приблизно , а відносна дисперсія бічних пелюсток дорівнює приблизно, де – число елементів коду. Ці співвідношення важливі для розрахунку ефективності визначення-вимірювання за умов багатопроменевості та інтерференції.

В каналі зв’язку “базова станція – мобільний термінал” присутні шуми та завади різної природи. Внутрішні завади – це теплові шуми приймачів, стандартною моделлю яких є модель білого Гаусівського шуму, та помилки синхронізації (швидкі та повільні тремтіння фази), які представляють собою лінійні та квадратичні зміни фази (поліноміальний тренд), а також зміни фази типу гармонічного тренду.

Зовнішні завади – це віддзеркалення від підстеляючої поверхні, вторинні віддзеркалення від кромок об’єктів штучного походження. Із-за таких складових виникає так звана багатопроменевість при розповсюдженні електромагнітних хвиль (ЕМХ) від передавача до приймача. У дисертації розроблено методику розрахунку таких завад за умов розповсюдження як в дальній зоні (Фраунгофера), так і у проміжній зоні (між зонами Френеля та Фраунгофера), що відповідає реальним геометричним співвідношенням у мікро- та пікосотах мережі мобільного зв’язку. Вирішено задачу врахування затінень при розповсюдженні ЕМХ над статистично шорсткою поверхнею з використанням моделі двохмасштабних шорсткостей з кореляційною функцією висот виду

(1)

де – дисперсія висот, та – так звані характеристичні довжини поверхні, якими характеризуються довгі плавні неоднорідності та дрібні шорсткості рельєфу відповідно.

Для урахування затінень в умовах, коли кут падіння не завжди можна вважати постійним, використано результати теорії викидів випадкових процесів щодо числа перетинань випадкової функції висот із заданою безперервною функцією, де - кут падіння ЕМХ. Для обчислення середньої довжини затіненої ділянки використано вираз для зв’язку між дисперсією висот та нахилів опромінюваної поверхні:, де - друга похідна кореляційної функції висот у точці нуль. На рис. 3 зображено графіки реалізації профілю випадкової функції висот вздовж вісі , функції нахилів поверхні та детермінованої функції . Функцію виражено через геометричні координати та при постійній висоті підвісу випромінювача. Штриховкою виділені так звані повторні затінення – максимуми, які затінюються передуючими, більш високими максимумами висот поверхні. На рис. 3 як приклад показані один з перепадів висот та відстань між сусідніми максимумами . Повторні затінення необхідно виключати з загального розгляду для усунення завищених оцінок функцій затінення.

Рис. 3. Геометричні співвідношення при розповсюдженні у проміжній зоні

Для випадкового процесу , що має неперервну першу похідну, середнє число перевищень функцією заданого змінного рівня визначається виразом, в якому враховано зміни кута падіння хвилі:

(2)

де – щільності імовірностей висот та нахилів поверхні відповідно.

Для визначення всієї долі затіненої поверхні виведено вираз для середньої довжини інтервалу , на якому виконується умова:

, де – заданий рівень перевищення. Загальний вираз для середньої довжини затіненої ділянки з урахуванням повторних затінень має такий вид:

, (3)

де – щільність імовірності функції нахилів ; – рельєф висот поверхні на площині ;; – умова відсутності повторного затінення на окремій ділянці поверхні, що опромінюється. Функція затінення ділянки поверхні визначається як, де – загальна довжина ділянки поверхні, що опромінюється по напрямах розповсюдження сигналу.

На рис. 4 та 5 зображені графіки функцій затінення, розраховані з використанням виразів (2 – 3), в які введена КФ виду (1) з різними характеристичними висотами. – кути падіння та розсіяння відповідно.

Перевагою розробленої методики є автоматичне виключення з розгляду повторних затінювань. Крім того, в одержаних виразах статистичні характеристики підстеляючої поверхні не конкретизуються, у той час, як при традиційному підході необхідно конкретизувати вид кореляційної функції висот, накладати обмеження на радіуси кривизни нерівностей і розкладати функцію висот в ряд в точках торкання променя. Отримані вирази можна застосовувати для поверхонь із довільним імовірнісним законом розподілу висот. Ті просторові характеристики поверхні, які використовуються для розрахунків (кореляційні функції висот, масштаби нерівностей), порівняльно легко визначити експериментально або шляхом аналізу векторних або растрових електронних карт місцевості.

При обгрунтуванні моделей розсіяння в умовах міського ландшафту був використаний метод крайових хвиль у фізичній теорії дифракції, розроблений П.Я. Уфімцевим. У роботі проаналізовані кількісні характеристики хвиль первинної дифракції на клиновидних неоднорідностях та діаграми складових дифрагованого поля для різних кутів падіння та для клинів різної форми. Показано, що внесок цих складових в сумарне поле може бути суттєвим не тільки в області тіні, але й в області опромінення, де - кут спостереження, - кут падіння.

За результатами проведених досліджень дані попередні кількісні оцінки компонентів сигналів та завад. З урахуванням усіх розглянутих складових були отримані такі оцінки очікуваних співвідношень сигнал/(шум плюс завади):

- для сільської місцевості з порівняно рідкими вкрапленнями штучного походження – від 10 дБ до -10 дБ;

- для міста з досить щільною забудовою (типу великого обласного або промислового центра) – від 5 дБ до -20 дБ.

У третьому розділі розроблено загальний алгоритм навігації МС у такій послідовності.

1. МС передає сигнал тривоги (наприклад, набір номера “112”).

2. БС, в зоні якої знаходиться МС, приймає сигнал и з найвищим пріоритетом передає його на контролер базової станції (КБС).

3. КБС фіксує сигнал тривоги, заносить в БД и запитує точні координати БСi, із списку, що раніше був зафіксований та переданий даною мобільною станцією.

4. С точністю до соти визначається місцезнаходження МС.

5. За результатами аналізу координат сусідніх БС и відносних рівнів потужності сигналів цих БС на вході приймача МС вибираються три БС (включаючи основну, в зоні дії якої знаходиться МС; означимо її БС1).

6. Від КБС через основну БС дається команда мобільній станції перейти в режим сканування по частотам вибраних БС.

7. МС дає сигнальну інформацію про вибрані БС.

8. Уточнюється місце МС в зоні перекриття сигналів БС1, БС2, БС3 .

9. МС переходить в режим послідовного переключення зв’язку: МС – БС1; МС – БС2; МС – БС3.

Положення об’єкта навігації задається в деякому просторі станів за допомогою вектора , компоненти якого представляють собою координати об’єкта і їх похідні.

При маневруванні об’єкта вектор швидкості є випадковим з деяким апріорним імовірнісним розподілом. Для задачі переміщення об’єкта по земній поверхні у прямокутній системі координат прийнято значення та . Зміни координати та її похідної із-за нерівностей поверхні враховані за допомогою відповідних геометричних співвідношень між горизонтальними та похилими складовими координат .

На входах системи вимірювань є вектор спостереження

. (4)

У роботі прийнято, що сума всіх завад та шумів представляє собою адитивну суміш з полігаусівським (полімодальним) розподілом. Таке припущення вельми логічно за умов багатократних перевідзеркалень, наявності порівняно великого числа дифракційних компонентів завад.

Крім того, враховано, що всі артефакти вхідної суміші, обумовлені перевідзеркаленнями й дифракційними компонентами, як правило, мають затримку більше, ніж прямий сигнал, що розповсюджується по траєкторії “БС - МС” або у зворотному напрямі. Тому в результуючому імовірнісному розподілі затримок вхідної суміші перша мода розподілу, як правило, буде відповідати саме корисному сигналу.

Зазвичай базова станція БС1, в зоні обслуговування якої знаходиться МС и сигнал якої на вході приймача МС має найбільшу потужність, вибирається ведучою. Базові станції БСi, , підключаються по черзі. Затримка сигналу БСi () відносно БС1 визначається як

(5)

Корисний сигнал на вході пристрою вимірювання, де - сигнал, прийнятий ведучою станцією БС1; - сигнал, прийнятий ведомими станціями БС2 або БС3 ; та - випадкові фазові помилки, обумовлені нестабільністю частот, Допплерівським зсувом, змінами умов розповсюдження і т. ін. Максимальне значення досягається при суміщенні сигналів та , тобто при ,. , – фази сигналів на виході пристою визначення одиночного сигналу. Теоретично вони дорівнюють нулю в момент досягнення максимуму обвідної сигналу.

На основі розглянутих умов та припущень синтезований вимірювач різницево-дальномірної системи у складі мережі мобільного зв’язку.

У відповідності з визначенням (6) корисний сигнал представлено як , де - вектор стану, що підлягає оцінюванню; та - відповідно швидкість переміщення та прискорення носія МС відносно ведучої базової станції БС1; - різниця швидкостей переміщення носія МС, що вимірюються на БС1 та БСi; - різниця прискорень носія МС, що вимірюються на БС1 та БСi. В якості інтервалу спостереження вибрано, де – захисний інтервал, що вибирається, виходячи з максимальних очікуваних похибок оцінювання .

Для спрощення процедури синтезу алгоритму використано метод Гаусівської апроксимації апостеріорної щільності імовірності величини на інтервалі. Апостеріорна щільність імовірності представляється у виді, де - нормуючий множник, що не залежить від ;;– перехідна матриця стану системи; – багатомірна Гаусівська щільність імовірності з матрицею других апостеріорних центральних моментів (кореляційною матрицею), яка має ненульові елементи.

Шляхом розкладання перехідної матриці в ряд Тейлора відносно оцінки в малому околі максимуму апостеріорної щільності імовірності з утриманням перших двох членів отримано рівняння для оптимальної оцінки вектора у такому виді:

(6)

де –

вектор поточних оцінок параметрів вхідного сигналу, – матриця других апостеріорних центральних моментів вектора стану . В елементи вектора входять часткові похідні сигналу, які обчислюються за звичайним ланцюговим правилом диференціювання скалярної функції по векторному аргументу. Алгоритм оцінювання різниць затримок, по суті, представляє собою різновид обчислювальної процедури “предіктор – коректор”. За результатами спостереження K відліків сигналу на інтервалі спостереження від кожної пари станцій БС1 – БС2 и БС1 – БС3 в блоку екстраполяції формується прогнозний вектор стану. На наступному етапі прогноз уточнюється, і формується новий вектор.

На рис. 6 зображено загальну схему пристрою визначення-вимірювання, побудовану з використанням виразів (4 – 6). ДМ – демодулятор, ПЕ – пороговий елемент, ПФПХ – пристрій формування пеленгаційних характеристик (ПХ). Екстраполятор відіграє роль предіктора, а пристрій оцінювання – роль коректора. Регулятор управляє положенням ПХ. Результати вимірювань подаються до обчислювача для розрахунку координат точки перетину ліній рівних різниць дальностей (ЛРРД).

Рис. 6. Функціональна схема пристрою визначення-вимірювання

ПФПХ представляє собою пристрій формування управляючих сигналів для стеження за величинами, що оцінюються: за різницями затримок сигналу станції БС1 відносно станцій БС2 та БС3; за різницями дальностей (різницями дальностей від МС до БС1 та від МС до БС2 , від МС до БС1 та від МС до БС3); за різницями фаз сигналів БС1 і БСi , .

Завершальним етапом задачі визначення місцезнаходження МС є пошук точки перетину ЛРРД в вибраній системі координат. В алгоритмі розрахунку, використано метод одномірного пошуку вздовж гіперболи в системі координат, в якій вісь суміщено з лінією, що поєднує БС1 і БС2, та вздовж гіперболи в системі координат, в якій вісь суміщено з лінією, що поєднує БС1 і БС3. Інтервал зміни координати або вибрано менше або рівним потенціальній СКП . Як показують розрахунки, при відстані між базовими станціями R3000 м необхідно обчислювати близько 500 точок кривої. Обчислення ведуться до тих пор, поки не закінчиться рішення основної задачі пошуку і визначення об’єкта – носія МС.

В четвертому розділі проаналізовані потенційні статистичні характеристики синтезованого пристрою та обгрунтовані загальні рекомендації з побудови системи визначення місцезнаходження мобільних станцій.

Для оцінки точності та завадозахищеності вимірювача необхідно рішити рівняння для апостеріорних дисперсій похибок фільтрації, тобто для діагональних елементів кореляційної матриці

де матриця находиться шляхом рішення рівняння типу диференційного рівняння Ріккаті; .

Для аналізу синтезованого алгоритму була використана стандартна обчислювальна процедура – метод Рунге-Кутта четвертого порядку при таких вихідних даннях:–

відношення енергії одиночного сигналу до спектральної щільності завад та шумів не менше 9,6 дБ; –

об’єкт – носій мобільної станції не рухається, або рухається прямолінійно й рівномірно зі швидкістю 5 км/год, або здійснює маневри (зміни напряму руху на 180 або поворот з постійною кутовою швидкістю по дузі радіусом 10 м);–

в якості вихідної кореляційної матриці задавалася діагональна матриця. Елементи матриці вибирались, виходячи із загальних характеристик сигналів в системі мобільного зв’язку та реальних можливостей переміщення пересічної людини – носія МС.

Деякі результати оцінки потенціальної точності розробленого пристрою наведені на рис. 7 - 8. Приведені залежності відносних середньоквадратичних похибок (СКП) вимірювань від довжини інтервалу спостереження. Похибки мірялись в долях від довжини елементарної посилки в пакеті (в стандарті GSM вона дорівнює приблизно 3,7 мкс). Скачкоподібний характер змін величини та знаків похибок обумовлений дискретністю поступлення нової інформації про стан об’єкта.

При достатньому об’ємі статистики середні значення похибок оцінювання асимптотично наближаються до нуля незалежно від характеру руху об’єкта. Це досягається не тільки завдяки згладжуванню поточних результатів вимірювань, але й завдяки екстраполяції координат об’єкта на наступний цикл вимірювань. Екстраполятор якби “пристосовується” до характеру руху об’єкта і з часом все точніше завбачує його майбутній стан.

Рис. 7. Відносні СКП оцінювання різностей затримок сигналів БС1 – БС2 и БС1 – БС3. Об’єкт нерухомий або рухається прямолінійно з постійною швидкістю.

Рис. 8. Відносні СКП оцінювання різностей затримок сигналів БС1 – БС2 та БС1 – БС3. Об’єкт рухається з постійною кутовою швидкістю по дузі радіусом 10 м.

Також розраховані залежності сталих значень середньоквадратичних похибок оцінювання різностей затримок сигналів від відношення сигнал/(завади плюс шум) . Деякі результати розрахунків наведені на рис. 9. В середньому при збільшенні від 10 до 17 дБ величина похибки зменшується на 50 % … 75 % в залежності від характеру руху об’єкта.

Рис. 9. Асимптотична СКП оцінювання різностей затримок сигналів

У розділі 4 також дані рекомендації з вибору методу реалізації системи.

Можна значно прискорити процес обчислень шляхом заміни прямого розрахунку АКФ подвійним перетворенням Фур’є. Теоретичною основою такої заміни є теорема Хінчина. Щоб отримати автокореляційну функцію сигналу, треба виконати таку послідовність дій.

1. Обчислити спектр сигналу на виході демодулятора, тобто виконати пряме дискретне перетворення Фур’є (ДПФ) періодограми сигналу.

2. Піднести результат в квадрат.

3. Шляхом застосування зворотного ДПФ к квадрату спектра обчислити автокореляційну функцію сигналу.

Для порівняльного аналізу методів прямого обчислення АКФ і обчислення з використанням прямого і зворотного швидких перетворень Фур’є були виконані розрахунки для сигналів з модуляцією типу GMSK и 8PSK. Відмічено, що тонка структура АКФ, особливо в околі центрального пику, практично однакова. Тому для побудови пристрою визначення такий підхід є ефективним та доцільним.

Що стосується способів реалізації обчислювального алгоритму, то цифровий пристрій визначення на базі процесорів ШПФ доцільно будувати за схемою з двома квадратурними каналами. По-перше, фаза вхідного сигналу невідома, а по-друге, за самим принципом обчислення перетворення Фур’є на виході цифрового пристрою отримуємо дійсну та уявну складові спектра, які, по суті, як раз и представляють собою фазну та квадратурну складові сигналу.

Виходячи з даних міркувань, слід вибрати для процесора ШПФ період дискретизації, де – довжина елементарного імпульсу, тобто для умов задачі, що розглядається, . Тоді число точок ШПФ. Найближче більше число, кратне ступеню 2, дорівнює 512. Це вельми прийнятна величина.

Після виділення сигналу на виході пристрою визначення для забезпечення потрібної точності вимірювань необхідно використовувати вже більш високу и частоту дискретизації. При цьому високочастотній “оцифровці” піддається лише пеленгаційна характеристика дискримінатора.

Реалізація цієї частини схеми на спеціалізованих цифрових процесорах обробки сигналів (ЦПОС) не представляє технічних труднощів. Номенклатура и архітектура ЦПОС постійно розширюються и вдосконалюються, тому можна підібрати вельми прийнятні пристрої за критерієм “ефективність/вартість”.

Алгоритм екстраполяції, з одного боку, більш складний, а, з другого боку, для його роботи не потрібна така велика швидкодія, як для вимірювача. Тому його можна реалізувати програмно на універсальній ЕОМ.

Алгоритм обчислення ЛРРД ще простіше, ніж алгоритм екстраполяції, тому рекомендація реалізувати його на універсальній ЕОМ вельми очевидна. Для уніфікації програмного забезпечення бажано використовувати ті ж мови програмування, що й в основній системі мобільного зв’язку, хоча, з іншого боку, для досягнення максимальної ефективності, звичайно, краще застосувати мови низького рівня (типу Асемблера). Остаточну відповідь, очевидно, можна отримати у процесі конкретної реалізації та впровадження даної розробки.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розроблено метод визначення місцезнаходження об’єкта – носія мобільної станції у мережі мобільного зв’язку з точністю, достатньою для візуального пошуку в щільній міській забудові або в лісовій (парковій) зоні. Метод полягає у послідовних вимірюваннях ліній рівних різниць дальностей у просторовій системі базових станцій. і

Поставлені задачі дисертаційної роботи вирішені повністю. Основні результати і висновки опубліковані.

Найбільш істотні наукові і практичні результати дисертаційної роботи заключаються у наступному.

1. Розроблено уточнену електродинамічну модель розповсюдження хвиль над поверхнею зі складними (двохмасштабними) нерівностями природного або штучного походження. Модель є придатною для використання як у зоні Фраунгофера, так і в проміжній зоні за умов великого діапазону кутів падіння та суттєвих затінень ділянок поверхні нерівностями. Розроблено методику розрахунку зон “тіні” з виключенням повторних затінень та методику врахування складових результуючого сигналу при дифракції на неоднорідностях будівель та споруд.

2. Обгрунтовані математичні моделі корисних сигналів, шумів та завад на вході приймачів базових та мобільних станцій з попередньою кількісною оцінкою очікуваних співвідношень сигнал/завади.

3. Запропоновано метод послідовних вимірювань різниць дальностей у системі з трьох базових станцій та сумісної обробки інформації з урахуванням динамічних характеристик об’єкта. З використанням статистичної теорії радіонавігації синтезовано алгоритм визначення корисних сигналів та вимірювання координат та параметрів руху об’єкта, розроблено схеми відповідних пристроїв.

4. Проаналізовані характеристики потенційної точності синтезованих пристроїв та дані рекомендації з вибору структури та засобів апаратної і програмної реалізації синтезованого вимірювача за умов мінімального втручання в інфраструктуру існуючих або перспективних мереж мобільного зв’язку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стеклов В.К., Віноградов М.А., Беркман Л.Н., Абу-Бакер (Немцева) Д.М. Проблеми інтеграції комп’ютерних і телекомунікаційних технологій. – Товариство „Знання” України: Вісник українського будинку економічних та науково-технічних знань. – 2002. – №2. – С. 122-124.

2. Стеклов В.К., Беркман Л.Н., Абу-Бакер (Немцева) Д.М. Виявлення сигналів в умовах апріорної невизначеності: Міжнародна конференція з управління „Автоматика 2002”. – Донецьк: Донецький Національний Технічний Університет, 2002. – С. 161-162.

3. Абу-Бакер (Немцева) Д.М. GPRS – The bridge to 3G: Міжнародна науково-технічна конференція студентства та молоді. – К.: Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, 2002. – С. 9-15.

4. Виноградов Н.А., Абу-Бакер (Немцева) Д.М. Статистические характеристики и методы расчета отраженных сигналов от подстилающей поверхности в системах мобильной связи // Проблеми підвищення ефективності інфраструктури. – К.: Київський університет економіки і технологій транспорту. – 2005. – Вип. 11. С. 142-149.

5. Абу-Бакер (Немцева) Д.М., Дрововозов В.И., Халимон Н.Ф. Асимптотические оценки эффективности системы позиционирования мобильных станций // Проблеми інформатизації та управління. – 2006. – №1(16). – С. 6-11.

6. Виноградов Н.А., Абу-Бакер (Немцева) Д.М. Математические модели сигналов и помех в системах позиционирования мобильных терминалов // Зв’язок. – 2006. – №3 (63). – С. 46-54.

7. Виноградов Н.А., Абу-Бакер (Немцева) Д.М. Математические модели сигналов и помех в системах позиционирования мобильных терминалов в условиях городского ландшафта // Зв’язок. – 2006. – №5 (65). – С. 44 – 48.

8. Н.А. Виноградов, Д.М. Абу-Бакер (Немцева). Синтез оптимального обнаружителя-измерителя системы позиционирования мобильных терминалов // Зв’язок. – 2006. – №8 (68). – С. 42 – 49.

АНОТАЦІЯ

Немцева Д.М. Розробка засобів та синтез пристроїв визначення місцезнаходження мобільних станцій в мережі мобільного зв’язку - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.04. – Радіолокація і радіонавігація. – Національний авіаційний університет, Київ, 2007.

Захищаються метод та пристрої навігаційного визначення з потрібною точністю місцезнаходження об’єкта – носія мобільної станції у просторовій системі базових станцій мережі мобільного зв’язку.

Розроблено математичні моделі сигналів та завад у мережі мобільного зв'язку стосовно системи визначення місцезнаходження, оцінені кількісні оцінки співвідношень сигнал/(завади плюс шум).

Виконано статистичний синтез алгоритмів та пристроїв визначення сигналу та вимірювань його параметрів, які відіграють роль достатніх статистик для поточного оцінювання координат об’єкта та екстраполяції координат та параметрів руху об’єкта на наступний крок вимірювань. Розроблено функціональні схеми пристроїв визначення-вимірювання.

Розраховані потенційні статистичні характеристики пристрою визначення-вимірювання в залежності від довжини спостереження та відношення сигнал/(завади плюс шум). Дані практичні рекомендації по засобам апаратної та програмної реалізації синтезованих алгоритмів на спеціалізованих процесорах цифрової обробки сигналів та універсальних ЕОМ.

Ключові слова: мережа зв’язку, мобільна станція, базова станція, радіонавігаційна система, різницево-дальномірний метод, точність, завадостійкість, цифрова обробка.

АННОТАЦИЯ

Немцева Д.М. Разработка способов и синтез устройств определения местоположения в сети мобильной связи – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.04 – Радиолокация и радионавигация. – Национальный авиационный университет, Киев, 2007.

Защищаются метод и устройства навигационного определения с требуемой точностью местоположения объекта – носителя мобильной станции в пространственной системе базовых станций сети мобильной связи.

В диссертационной работе решена актуальная задача разработки алгоритма и устройств позиционирования с требуемой точностью мобильных станций (терминалов, телефонов) как элементов сети мобильной связи в условиях плотной городской застройки или в сельской местности при отсутствии визуального контакта с носителем МС. Разработан разностно-дальномерный измеритель с последовательными измерениями в системе из трех базовых станций и экстраполяцией оценок параметров принимаемых сигналов. Сеть мобильной связи с разработанной системой позиционирования, по существу, представляет собой многоуровневую структуру, в которой задачи собственно связи и передачи данных, управляющей и сигнальной информации и задача определения местоположения объекта решаются параллельно и независимо друг от друга. При этом новая дополнительная задача, которая возлагается на сеть мобильной связи, никак не влияет на качество решения основных задач, а вмешательство в инфраструктуру существующих и перспективных сетей мобильной связи сведено к минимуму.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

- проанализированы состояние и перспективы развития сетей мобильной связи в мире и на Украине, исследованы технические и организационные аспекты этого процесса. Установлено, что в обозримом будущем принципиальной особенностью перспективных систем мобильной связи будет оставаться применение узкополосных (в смысле отношения ширины спектра к несущей частоте) сигналов;

- выполнен сравнительный анализ предлагаемых методов позиционирования МС, оценены принципиальные возможности и специфика их применения в сетях мобильной связи, потенциальные точностные характеристики, достоинства и недостатки;

- обоснованы предложения по выбору наиболее приемлемого метода позиционирования с учетом стоимости, потенциальных возможностей реализации и модификации при переходе на сети новых поколений, условий минимального вмешательства в инфраструктуру существующих и перспективных сетей мобильной связи;

- разработаны математические модели базовых станций как составляющих системы позиционирования, процессов сбора и анализа информации, необходимой для определения местоположения объекта, а также модели полезных сигналов, шумов и помех в каналах передачи сети мобильной связи применительно к задаче позиционирования;

- даны предварительные оценки вероятностных характеристик и ожидаемых относительных интенсивностей полезных сигналов, шумов и помех в задаче позиционирования МС;

- проанализированы геометрические соотношения в системе базовых станций, динамические параметры объекта – носителя МС в процессе его перемещения, аналитические и статистические характеристики вектора полезных (измеряемых) и мешающих параметров принимаемого сигнала;

- поставлена и решена задача синтеза измерителя задержек сигналов при передаче от мобильной станции до базовых станций, которые выбраны для работы в системе позиционирования;

- предложены структуры дискриминаторов системы слежения измерителя за параметрами сигнала, обоснован рациональный выбор структуры и параметров дискриминаторов;

- разработан простой и эффективный алгоритм расчета геометрического положения носителя МС по результатам последовательных измерений в системе базовых станций;

- с использованием разработанных моделей полезных сигналов, шумов и помех выполнены расчеты и моделирование для получения оценок потенциальных статистических характеристик синтезированного обнаружителя-измерителя. Установлено, что требуемая точность определения местоположения объекта – носителя мобильной станции достигается за несколько десятков циклов измерений, что вполне приемлемо по временным характеристикам, которые необходимо обеспечить в системе позиционирования;

- проанализированы общие требования к вычислительной подсистеме сети мобильной связи с позиционированием мобильных станций. С учетом этих требований предложены экономичные методы реализации различных устройств, которые входят в систему позиционирования, на базе специализированных цифровых процессоров обработки сигналов, универсальных вычислительных машин;

- даны общие рекомендации по структуре и методам практической (аппаратной и программной) реализации системы позиционирования мобильных станций в сетях мобильной связи.

Ключевые слова: сеть связи, мобильная станция, базовая станция, радионавигационная система, разностно-дальномерный метод, точность, помехоустойчивость, цифровая обработка.

SUMMARY

Nemtseva