eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #3/2023
Г.А.Фокин, В.А.Григорьев, К.Е.Рютин
ТЕХНОЛОГИЯ СЕТЕВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ LTE. ЧАСТЬ 3. SDR-ДЕМОНСТРАТОР В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
ТЕХНОЛОГИЯ СЕТЕВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ LTE. ЧАСТЬ 3. SDR-ДЕМОНСТРАТОР В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Просмотры: 1060
DOI: 10.22184/2070-8963.2023.111.3.72.78
Использование инфраструктуры базовых станций (eNB) сотовых сетей подвижной
радиосвязи LTE позволяет решить задачу определения местоположения
пользовательских устройств (UE) по опорным сигналам eNB гиперболическим
разностно-дальномерным методом независимо от ГНСС. Представленные в составе демонстратора макеты eNB и UE, построенные с использованием технологий
программно-конфигурируемого радио, показали точность сбора и обработки
первичных измерений в единицы метров в лабораторных условиях.
Использование инфраструктуры базовых станций (eNB) сотовых сетей подвижной
радиосвязи LTE позволяет решить задачу определения местоположения
пользовательских устройств (UE) по опорным сигналам eNB гиперболическим
разностно-дальномерным методом независимо от ГНСС. Представленные в составе демонстратора макеты eNB и UE, построенные с использованием технологий
программно-конфигурируемого радио, показали точность сбора и обработки
первичных измерений в единицы метров в лабораторных условиях.
Теги: lte mobile radio networks lte network positioning technology lte network positioning technology sdr demonstrator sdr-демонстратор технологии сетевого позиционирования lte software-configurable radio (sdr) technology сети подвижной радиосвязи lte технология программно-конфигурируемого радио (sdr) технология сетевого позиционирования lte
ТЕХНОЛОГИЯ СЕТЕВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ LTE
Часть 3. SDR-демонстратор в лабораторных условиях
Г.А.Фокин, д.т.н., проф. СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича /grihafokin@gmail.com,
В.А.Григорьев, д.т.н., проф. НИУ ИТМО,
генеральный директор ООО "ЛИС"/ vgrig@labics.ru,
К.Е.Рютин, магистрант СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / ryutin.sut@gmail.com
УДК 621.396.969, DOI: 10.22184/2070-8963.2023.111.3.72.78
В третьей части исследования, посвященного технологиям сетевого позиционирования LTE, представлено описание вновь разработанного демонстратора для решения задач сбора и обработки первичных измерений с целью определения местоположения пользовательских устройств. Интерес к технологиям сетевого позиционирования обусловлен проблемой ненадежного приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в условиях плотной городской застройки. Использование инфраструктуры базовых станций (eNB) сотовых сетей подвижной радиосвязи LTE позволяет решить задачу определения местоположения пользовательских устройств (UE) по опорным сигналам eNB гиперболическим разностно-дальномерным методом независимо от ГНСС. Представленные в составе демонстратора макеты eNB и UE, построенные с использованием технологий программно-конфигурируемого радио, показали точность сбора и обработки первичных измерений в единицы метров в лабораторных условиях.
Введение
Настоящая работа продолжает цикл "Технология сетевого позиционирования LTE" [1, 2] и представляет SDR-демонстратор для сбора и обработки первичных разностно-дальномерных измерений с целью определения местоположения пользовательских устройств.
Вопросы практической реализации и апробации технических решений с использованием технологий модельно-ориентированного проектирования и программно-конфигурируемого радио SDR (Software-Defined Radio) уже давно получили распространение в научной [3, 4] и образовательной [5, 6] среде применительно к системам радиосвязи. Данный подход позволяет сократить путь разработки от моделирования до прототипирования, оперативно апробировать перспективные алгоритмы и макеты устройств и, таким образом, реализовать функционал будущих изделий для анализа работы системы в целом [7]. Помимо систем радиосвязи, прототипирование оказалось востребованным и в области навигации при отработке алгоритмов сетевого позиционирования, что нашло отражение в ряде работ отечественных [8–10] и зарубежных [11–20] авторов.
Целью настоящей работы является описание разработанного SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE на оборудовании мобильного широкополосного доступа (МШБД) производства ООО "ЛИС" [21]. Материал настоящей работы организован далее следующим образом. Сначала приводится краткий обзор анализа состояния проблемы в области разработки SDR-макетов технологии сетевого позиционирования, на основе которого уточняется задача настоящего исследования. Затем описывается разработанный демонстратор и результаты первичных измерений, полученные в лабораторных условиях.
Обзор состояния проблемы разработки SDR-макетов сетевого позиционирования
В [11–13] представлены результаты экспериментальной апробации позиционирования по опорным сигналам соты CRS (Cell Specific Reference Signals) стандарта LTE на SDR-макете пользовательского устройства (UE); в качестве аппаратной основы используется платформа USRP (Universal Software Radio Peripheral). В качестве первичных измерений выступает параметр времени прихода сигнала TOA (Time of Arrival) от каждой базовой станции (eNB). По набору TOA затем рассчитываются наблюдаемые разности времен прихода сигнала OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival); из набора измерений OTDOA и известных координат eNB макет UE вычисляет оценку координат (ОК).
Среднеквадратическое отклонение (СКО) точности ОК в результате ряда экспериментов составило десятки метров.
В [14] описана структура приемника и процедуры обработки опорных сигналов соты CRS и опорных сигналов позиционирования PRS (Positioning Reference Signals). Эксперимент с макетом приемного устройства на плате USRP при работе в полосе 1,4 МГц показал точность ОК в несколько метров.
Продолжение эксперимента с более доступной платой RTL-SDR [15] подтвердило возможность использования подхода SDR для решения задачи сетевого позиционирования по опорным сигналам базовых станций LTE с шириной полосы 1,4 МГц.
При увеличении ширины полосы частот до 100 МГц и использовании опорных сигналов 5G NR точность сетевого позиционирования может достигать менее 1 м [16]. В [17] обозначена крайне важная для навигационных задач проблема синхронизации SDR-макетов устройств.
Одним из наиболее последовательных в исследовании вопросов сетевого позиционирования посредством прототипирования на SDR-платах являются авторы [18–20]. Ими вводится термин позиционирования "на лету" пользовательскими устройствами, которым не обязательно быть абонентами сети данного оператора. Решение навигационной задачи SDR-макетом UE основано на знании координат базовых станций из открытых баз данных, например OpenCellid [22], и разностно-дальномерных измерениях OTDOA, собранных по опорным сигналам CRS.
Результаты экспериментов в сетях LTE при комплексировании радиотехнических измерений с инерциальными показывают достижение точности в единицы метров [19]. В работе [20] описываются одни из первых экспериментальных результатов позиционирования в сетях 5G NR с использованием SDR-макета UE.
Представленный краткий анализ состояния проблемы в области SDR-макетирования и прототипирования технологий сетевого позиционирования по открытым зарубежным источникам [11–20] позволяет сделать вывод о том, что предметом разработок является преимущественно подсистема приема и обработки опорных сигналов. Назначение разрабатываемого демонстратора − отработка технических решений на существующих и проектируемых сетях связи по повышению точности сбора и первичной обработки разностно-дальномерных измерений при позиционировании устройств по опорным сигналам базовых станций стандарта LTE, для чего одного SDR-макета пользовательского устройства оказывается недостаточно.
Структура и состав демонстратора
Структуру демонстратора иллюстрирует рис.1. Предлагаемый демонстратор включает подсистемы синхронизации, формирования и передачи, а также приема и обработки опорных сигналов. Формирование и передача опорных сигналов осуществляются SDR-макетами eNB стандарта LTE, а прием и обработка опорных сигналов осуществляются SDR-макетом пользовательского устройства.
SDR-макеты eNB стандарта LTE функционируют на аппаратной платформе оборудования системы радиосвязи мобильного широкополосного беспроводного доступа с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G производства ООО "ЛИС" [21] под управлением программного модуля формирования опорного сигнала позиционирования базовой станцией МШБД [23].
SDR-макет UE стандарта LTE функционирует на той же аппаратной платформе под управлением программного модуля первичной обработки опорных сигналов стандарта LTE при позиционировании устройств [24]. Оценка координат макета пользовательского устройства осуществляется посредством программного модуля определения местоположения устройств с использованием опорных сигналов позиционирования и разностно-дальномерного метода в сетях МШБД [25].
На рис.2 показан стенд разработанного демонстратора.
Подсистема синхронизации организована посредством двух устройств:
сервер точного времени "Метроном-PTP-1U-V2" [26], выступающий источником сигналов временной PPS (pulse per second) и частотной (10 МГц) синхронизации (рис.3);
транслятор "Метроном-Т" [27], выступающий устройством раздачи сигналов 10 МГц/PPS на четыре порта (рис.4).
Стенд лабораторных испытаний демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE (рис.2) включает эквиваленты среды распространения −
коаксиальные кабели длиной 3, 30, 50 и 100 м макетов eNB с идентификаторами Cell ID 1, 2, 3 и 4 соответственно. Подробное описание процедур формирования опорных сигналов SDR-макетом eNB представлено в [9], а формализация моделей приема и обработки SDR-макетом UE − в [10].
Сценарий лабораторных испытаний следующий: четыре группы опорных сигналов макетов базовых станций eNB с идентификаторами сот Cell ID 1, 2 и 3 и 4 программно формируются в SDR-макетах, переносятся на несущую частоту 360 МГц и аппаратно излучаются по коаксиальным кабелям 5D-FB [28] длиной 3, 30, 50 и 100 м соответственно. SDR- макеты eNB при этом аппаратно синхронизированы подсистемой синхронизации "Метроном", представленной на рис.3 и 4. SDR-макет UE принимает сумму четырех сигналов через сумматор/делитель Baltic Signal BS-700/2700-1/4 [29], выполняет понижающее преобразование частоты и дискретизацию выборок, которые далее обрабатываются как baseband-сигналы в автоматизированном рабочем месте с предустановленным специальным программным обеспечением (СПО) Matlab.
Результаты лабораторных испытаний
На приеме осуществляется измерение разностей времен прихода сигналов с переводом в разность расстояний Δ21 для макета базовой станции eNB2 с идентификатором соты Cell ID = 2, Δ31 для макета eNB3 с идентификатором соты CellID = 3 и Δ41 для макета eNB4 с идентификатором соты CellID = 4 относительно макета опорной базовой станции eNB1 с идентификатором соты Cell ID = 1.
На рис.5 представлена экранная форма работы программного модуля первичной обработки опорных сигналов стандарта LTE при позиционировании устройств [24], в частности, процедуры обнаружения идентификаторов сот Cell ID с фильтрацией ложных срабатываний по критерию RSRQ (Reference Signal Received Quality). Показатель RSRQ указывает на качество принятых опорных сигналов от данной базовой станции eNB по измерениям RSSI и RSRP, где RSSI (Received Signal Strength Indicator) −
это значение всей мощности принятого сигнала, а RSRP (Reference Signal Received Power) характеризует значение мощности опорных сигналов, поступающих от данной базовой станции eNB. RSRP не зависит от ширины канала, не учитывает и помехи и всегда меньше, чем RSSI.
На рис.6 представлена экранная форма первичных разностно-дальномерных измерений времени и расстояния на макете пользовательского устройства UE для отдельного сеанса проверки. В целом измерения стабильны на интервале нескольких кадров, однако наблюдаются и периодические отклонения, которые обусловлены кратковременной утратой состояния захвата на границе кадров в контурах частотно-временной автоподстройки в составе подсистемы приема и обработки.
В табл.1 сведены результаты трех сеансов проверки первичных разностно-дальномерных измерений SDR-макетом UE при синхронизации четырех SDR-макетов eNB устройствами "Метроном" согласно схеме испытаний, приведенной на рис.1.
В предположении корректной работы измерительной подсистемы приема и обработки SDR-макета UE [10] можно сделать следующие выводы:
в лабораторных условиях устройства "Метроном" обеспечивают близкую к идеальной синхронизацию четырех SDR-макетов eNB; для количественной оценки погрешности синхронизации потребуются измерения осциллографом с разрешением в доли наносекунд;
погрешность работы устройства приема и обработки опорных сигналов в СПО Matlab SDR-макета UE составляет единицы метров;
погрешность синхронной работы SDR-макетов eNB на передачу в составе подсистемы формирования опорных сигналов в аппаратном исполнении от испытания к испытанию составляет один период дискретизации с частотой 30,72 МГц (+/–9 м).
Заключение
Представленный демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE, построенный с использованием технологии программно-конфигурируемого радио SDR, позволяет проводить проверку технических решений по сбору и обработке первичных разностно-дальномерных измерений в лабораторных условиях. Дальнейшим этапом работы станет проведение полевых испытаний с территориально разнесенными источниками опорных сигналов синхронизации SDR-макетов базовых станций LTE.
ЛИТЕРАТУРА
Фокин Г., Григорьев В., Авдонин И. Технология сетевого позиционирования LTE. Ч. 1. Архитектура // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 34–41.
Фокин Г., Григорьев В., Аксенов В. Технология сетевого позиционирования LTE. Ч. 2. Форматы оценок координат // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 7. С. 78–88.
Фокин Г.А., Лаврухин В.А., Волгушев Д.А., Киреев А.В. Модельно-ориентированное проектирование на основе SDR // Системы управления и информационные технологии. 2015. № 2 (60). С. 94–99.
Фокин Г.А., Буланов Д.В., Волгушев Д.Б. Модельно-ориентированное проектирование систем радиосвязи на основе ПКР // Вестник связи. 2015. № 6. С. 26–30.
Фокин Г.А. Технологии программно-конфигурируемого радио. М.: Горячая Линия – Телеком, 2019. 316 c.
Фокин Г.А. Основы программно-конфигурируемого радио. Учебно-методическое пособие. СПб: СПбГУ. Т. 2022. 180 c.
Модельно-ориентированное проектирование. Экспонента. [Электронный ресурс]. URL: https://exponenta.ru/mbd (дата обращения 26.01.2023).
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия − Телеком, 2021.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б., Харин В.Н. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Формирование опорных сигналов LTE // T-Comm: Телекоммуникации и транспор. Т. 2022. Т. 16. № 5. С. 28–47.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Модели приема и обработки опорных сигналов LTE // Вестник СибГУТИ. 2022. Т. 3. С. 62–83.
Knutti F., Sabathy M., Driusso M., Mathis H., Marshall C. Positioning using LTE signals // Proceedings of Navigation Conference in Europe. 2015. PP. 1–8.
Driusso M., Babich F., Knutti F., Sabathy M., Marshall C. Estimation and tracking of LTE signals time of arrival in a mobile multipath environment // 2015 9th International Symposium on Image and Signal Processing and Analysis (ISPA). 2015. PP. 276–281.
Driusso M., Marshall C., Sabathy M., Knutti F., Mathis H., Babich F. Vehicular Position Tracking Using LTE Signals // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2017. V. 66. No. 4. PP. 3376–3391.
del Peral-Rosado J.A. et al. Software-defined radio LTE positioning receiver towards future hybrid localization systems // Proceedings of 31st AIAA International Communications Satellite Systems Conference. 2013. PP. 14–17.
del Peral-Rosado J.A. et al. Comparative results analysis on positioning with real LTE signals and low-cost hardware platforms // 2014 7th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing (Navitec). 2014. PP. 1–8.
del Peral-Rosado J.A., López-Salcedo J.A., Kim S., Seco-Granados G. Feasibility study of 5G-based localization for assisted driving // 2016 International Conference on Localization and GNSS (ICL-GNSS). 2016. PP. 1–6.
Bartolucci M., Del Peral-Rosado J.A., Estatuet-Castillo R., Garcia-Molina J.A., Crisci M., Corazza G.E. Synchronization of low-cost open source SDRs for navigation applications // 2016 8th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing (NAVITEC). 2016. PP. 1–7.
Shamaei K., Khalife J., Kassas Z.M. Exploiting LTE Signals for Navigation: Theory to Implementation // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2018. V. 17. No. 4. PP. 2173–2189.
Kassas Z.M., Maaref M., Morales J.J., Khalife J.J., Shamei K. Robust Vehicular Localization and Map Matching in Urban Environments Through IMU, GNSS, and Cellular Signals // IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine. 2020. V. 12. No. 3. PP. 36–52.
Shamaei K., Kassas Z.M. Receiver Design and Time of Arrival Estimation for Opportunistic Localization With 5G Signals // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2021. V. 20. No. 7. PP. 4716–4731.
Система радиосвязи МШБД с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G. ООО "ЛИС". [Электронный ресурс]. URL: https://labics.ru/msbd.html#msbd350 (дата обращения 26.01.2023).
OpenCelliD. [Электронный ресурс]. URL: https://opencellid.org/ (дата обращения 26.01.2023).
Аксенов В.О., Фокин Г.А. Программный модуль формирования опорного сигнала позиционирования базовой станцией мобильного широкополосного беспроводного доступа (МШБД). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022617913, 26.04.2022. Правообладатель: ООО "Лаборатория инфокоммуникационных сетей". Заявка № 2022616361 от 11.04.2022.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Программный модуль первичной обработки опорных сигналов стандарта LTE при позиционировании устройств. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022619804, 26.05.2022. Правообладатель: ООО "Лаборатория инфокоммуникационных сетей". Заявка № 2022618875 от 16.05.2022.
Аксенов В.О., Фокин Г.А. Программный модуль определения местоположения устройств с использованием опорных сигналов позиционирования и разностно-дальномерного метода в сетях мобильного широкополосного беспроводного доступа. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022617911, 26.04.2022. Правообладатель: ООО "Лаборатория инфокоммуникационных сетей". Заявка № 2022616359 от 11.04.2022.
Сервер точного времени Метроном-PTP-1U. Metrotek. [Электронный ресурс]. URL: http://metrotek.ru/?p=4209 (дата обращения 26.01.2023).
Транслятор Метроном-Т. КБ "МЕТРОТЕК". [Электронный ресурс]. URL: https://kbmetrotek.ru/metronom-t/ (дата обращения 26.01.2023).
Кабель 5D-FB CCA PVC (черный). [Электронный ресурс]. URL: https://gsm-repiteri.ru/prodazha/cable/kabel-5d-fb-pvc-chernyy (дата обращения 26.01.2023).
Делитель мощности Baltic Signal BS-700/2700-1/4. [Электронный ресурс]. URL: https://gsm-repiteri.ru/prodazha/deliteli/delitel-moshhnosti-bs-700-2700-1-4 (дата обращения 26.01.2023).
Часть 3. SDR-демонстратор в лабораторных условиях
Г.А.Фокин, д.т.н., проф. СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича /grihafokin@gmail.com,
В.А.Григорьев, д.т.н., проф. НИУ ИТМО,
генеральный директор ООО "ЛИС"/ vgrig@labics.ru,
К.Е.Рютин, магистрант СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / ryutin.sut@gmail.com
УДК 621.396.969, DOI: 10.22184/2070-8963.2023.111.3.72.78
В третьей части исследования, посвященного технологиям сетевого позиционирования LTE, представлено описание вновь разработанного демонстратора для решения задач сбора и обработки первичных измерений с целью определения местоположения пользовательских устройств. Интерес к технологиям сетевого позиционирования обусловлен проблемой ненадежного приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в условиях плотной городской застройки. Использование инфраструктуры базовых станций (eNB) сотовых сетей подвижной радиосвязи LTE позволяет решить задачу определения местоположения пользовательских устройств (UE) по опорным сигналам eNB гиперболическим разностно-дальномерным методом независимо от ГНСС. Представленные в составе демонстратора макеты eNB и UE, построенные с использованием технологий программно-конфигурируемого радио, показали точность сбора и обработки первичных измерений в единицы метров в лабораторных условиях.
Введение
Настоящая работа продолжает цикл "Технология сетевого позиционирования LTE" [1, 2] и представляет SDR-демонстратор для сбора и обработки первичных разностно-дальномерных измерений с целью определения местоположения пользовательских устройств.
Вопросы практической реализации и апробации технических решений с использованием технологий модельно-ориентированного проектирования и программно-конфигурируемого радио SDR (Software-Defined Radio) уже давно получили распространение в научной [3, 4] и образовательной [5, 6] среде применительно к системам радиосвязи. Данный подход позволяет сократить путь разработки от моделирования до прототипирования, оперативно апробировать перспективные алгоритмы и макеты устройств и, таким образом, реализовать функционал будущих изделий для анализа работы системы в целом [7]. Помимо систем радиосвязи, прототипирование оказалось востребованным и в области навигации при отработке алгоритмов сетевого позиционирования, что нашло отражение в ряде работ отечественных [8–10] и зарубежных [11–20] авторов.
Целью настоящей работы является описание разработанного SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE на оборудовании мобильного широкополосного доступа (МШБД) производства ООО "ЛИС" [21]. Материал настоящей работы организован далее следующим образом. Сначала приводится краткий обзор анализа состояния проблемы в области разработки SDR-макетов технологии сетевого позиционирования, на основе которого уточняется задача настоящего исследования. Затем описывается разработанный демонстратор и результаты первичных измерений, полученные в лабораторных условиях.
Обзор состояния проблемы разработки SDR-макетов сетевого позиционирования
В [11–13] представлены результаты экспериментальной апробации позиционирования по опорным сигналам соты CRS (Cell Specific Reference Signals) стандарта LTE на SDR-макете пользовательского устройства (UE); в качестве аппаратной основы используется платформа USRP (Universal Software Radio Peripheral). В качестве первичных измерений выступает параметр времени прихода сигнала TOA (Time of Arrival) от каждой базовой станции (eNB). По набору TOA затем рассчитываются наблюдаемые разности времен прихода сигнала OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival); из набора измерений OTDOA и известных координат eNB макет UE вычисляет оценку координат (ОК).
Среднеквадратическое отклонение (СКО) точности ОК в результате ряда экспериментов составило десятки метров.
В [14] описана структура приемника и процедуры обработки опорных сигналов соты CRS и опорных сигналов позиционирования PRS (Positioning Reference Signals). Эксперимент с макетом приемного устройства на плате USRP при работе в полосе 1,4 МГц показал точность ОК в несколько метров.
Продолжение эксперимента с более доступной платой RTL-SDR [15] подтвердило возможность использования подхода SDR для решения задачи сетевого позиционирования по опорным сигналам базовых станций LTE с шириной полосы 1,4 МГц.
При увеличении ширины полосы частот до 100 МГц и использовании опорных сигналов 5G NR точность сетевого позиционирования может достигать менее 1 м [16]. В [17] обозначена крайне важная для навигационных задач проблема синхронизации SDR-макетов устройств.
Одним из наиболее последовательных в исследовании вопросов сетевого позиционирования посредством прототипирования на SDR-платах являются авторы [18–20]. Ими вводится термин позиционирования "на лету" пользовательскими устройствами, которым не обязательно быть абонентами сети данного оператора. Решение навигационной задачи SDR-макетом UE основано на знании координат базовых станций из открытых баз данных, например OpenCellid [22], и разностно-дальномерных измерениях OTDOA, собранных по опорным сигналам CRS.
Результаты экспериментов в сетях LTE при комплексировании радиотехнических измерений с инерциальными показывают достижение точности в единицы метров [19]. В работе [20] описываются одни из первых экспериментальных результатов позиционирования в сетях 5G NR с использованием SDR-макета UE.
Представленный краткий анализ состояния проблемы в области SDR-макетирования и прототипирования технологий сетевого позиционирования по открытым зарубежным источникам [11–20] позволяет сделать вывод о том, что предметом разработок является преимущественно подсистема приема и обработки опорных сигналов. Назначение разрабатываемого демонстратора − отработка технических решений на существующих и проектируемых сетях связи по повышению точности сбора и первичной обработки разностно-дальномерных измерений при позиционировании устройств по опорным сигналам базовых станций стандарта LTE, для чего одного SDR-макета пользовательского устройства оказывается недостаточно.
Структура и состав демонстратора
Структуру демонстратора иллюстрирует рис.1. Предлагаемый демонстратор включает подсистемы синхронизации, формирования и передачи, а также приема и обработки опорных сигналов. Формирование и передача опорных сигналов осуществляются SDR-макетами eNB стандарта LTE, а прием и обработка опорных сигналов осуществляются SDR-макетом пользовательского устройства.
SDR-макеты eNB стандарта LTE функционируют на аппаратной платформе оборудования системы радиосвязи мобильного широкополосного беспроводного доступа с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G производства ООО "ЛИС" [21] под управлением программного модуля формирования опорного сигнала позиционирования базовой станцией МШБД [23].
SDR-макет UE стандарта LTE функционирует на той же аппаратной платформе под управлением программного модуля первичной обработки опорных сигналов стандарта LTE при позиционировании устройств [24]. Оценка координат макета пользовательского устройства осуществляется посредством программного модуля определения местоположения устройств с использованием опорных сигналов позиционирования и разностно-дальномерного метода в сетях МШБД [25].
На рис.2 показан стенд разработанного демонстратора.
Подсистема синхронизации организована посредством двух устройств:
сервер точного времени "Метроном-PTP-1U-V2" [26], выступающий источником сигналов временной PPS (pulse per second) и частотной (10 МГц) синхронизации (рис.3);
транслятор "Метроном-Т" [27], выступающий устройством раздачи сигналов 10 МГц/PPS на четыре порта (рис.4).
Стенд лабораторных испытаний демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE (рис.2) включает эквиваленты среды распространения −
коаксиальные кабели длиной 3, 30, 50 и 100 м макетов eNB с идентификаторами Cell ID 1, 2, 3 и 4 соответственно. Подробное описание процедур формирования опорных сигналов SDR-макетом eNB представлено в [9], а формализация моделей приема и обработки SDR-макетом UE − в [10].
Сценарий лабораторных испытаний следующий: четыре группы опорных сигналов макетов базовых станций eNB с идентификаторами сот Cell ID 1, 2 и 3 и 4 программно формируются в SDR-макетах, переносятся на несущую частоту 360 МГц и аппаратно излучаются по коаксиальным кабелям 5D-FB [28] длиной 3, 30, 50 и 100 м соответственно. SDR- макеты eNB при этом аппаратно синхронизированы подсистемой синхронизации "Метроном", представленной на рис.3 и 4. SDR-макет UE принимает сумму четырех сигналов через сумматор/делитель Baltic Signal BS-700/2700-1/4 [29], выполняет понижающее преобразование частоты и дискретизацию выборок, которые далее обрабатываются как baseband-сигналы в автоматизированном рабочем месте с предустановленным специальным программным обеспечением (СПО) Matlab.
Результаты лабораторных испытаний
На приеме осуществляется измерение разностей времен прихода сигналов с переводом в разность расстояний Δ21 для макета базовой станции eNB2 с идентификатором соты Cell ID = 2, Δ31 для макета eNB3 с идентификатором соты CellID = 3 и Δ41 для макета eNB4 с идентификатором соты CellID = 4 относительно макета опорной базовой станции eNB1 с идентификатором соты Cell ID = 1.
На рис.5 представлена экранная форма работы программного модуля первичной обработки опорных сигналов стандарта LTE при позиционировании устройств [24], в частности, процедуры обнаружения идентификаторов сот Cell ID с фильтрацией ложных срабатываний по критерию RSRQ (Reference Signal Received Quality). Показатель RSRQ указывает на качество принятых опорных сигналов от данной базовой станции eNB по измерениям RSSI и RSRP, где RSSI (Received Signal Strength Indicator) −
это значение всей мощности принятого сигнала, а RSRP (Reference Signal Received Power) характеризует значение мощности опорных сигналов, поступающих от данной базовой станции eNB. RSRP не зависит от ширины канала, не учитывает и помехи и всегда меньше, чем RSSI.
На рис.6 представлена экранная форма первичных разностно-дальномерных измерений времени и расстояния на макете пользовательского устройства UE для отдельного сеанса проверки. В целом измерения стабильны на интервале нескольких кадров, однако наблюдаются и периодические отклонения, которые обусловлены кратковременной утратой состояния захвата на границе кадров в контурах частотно-временной автоподстройки в составе подсистемы приема и обработки.
В табл.1 сведены результаты трех сеансов проверки первичных разностно-дальномерных измерений SDR-макетом UE при синхронизации четырех SDR-макетов eNB устройствами "Метроном" согласно схеме испытаний, приведенной на рис.1.
В предположении корректной работы измерительной подсистемы приема и обработки SDR-макета UE [10] можно сделать следующие выводы:
в лабораторных условиях устройства "Метроном" обеспечивают близкую к идеальной синхронизацию четырех SDR-макетов eNB; для количественной оценки погрешности синхронизации потребуются измерения осциллографом с разрешением в доли наносекунд;
погрешность работы устройства приема и обработки опорных сигналов в СПО Matlab SDR-макета UE составляет единицы метров;
погрешность синхронной работы SDR-макетов eNB на передачу в составе подсистемы формирования опорных сигналов в аппаратном исполнении от испытания к испытанию составляет один период дискретизации с частотой 30,72 МГц (+/–9 м).
Заключение
Представленный демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE, построенный с использованием технологии программно-конфигурируемого радио SDR, позволяет проводить проверку технических решений по сбору и обработке первичных разностно-дальномерных измерений в лабораторных условиях. Дальнейшим этапом работы станет проведение полевых испытаний с территориально разнесенными источниками опорных сигналов синхронизации SDR-макетов базовых станций LTE.
ЛИТЕРАТУРА
Фокин Г., Григорьев В., Авдонин И. Технология сетевого позиционирования LTE. Ч. 1. Архитектура // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 34–41.
Фокин Г., Григорьев В., Аксенов В. Технология сетевого позиционирования LTE. Ч. 2. Форматы оценок координат // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 7. С. 78–88.
Фокин Г.А., Лаврухин В.А., Волгушев Д.А., Киреев А.В. Модельно-ориентированное проектирование на основе SDR // Системы управления и информационные технологии. 2015. № 2 (60). С. 94–99.
Фокин Г.А., Буланов Д.В., Волгушев Д.Б. Модельно-ориентированное проектирование систем радиосвязи на основе ПКР // Вестник связи. 2015. № 6. С. 26–30.
Фокин Г.А. Технологии программно-конфигурируемого радио. М.: Горячая Линия – Телеком, 2019. 316 c.
Фокин Г.А. Основы программно-конфигурируемого радио. Учебно-методическое пособие. СПб: СПбГУ. Т. 2022. 180 c.
Модельно-ориентированное проектирование. Экспонента. [Электронный ресурс]. URL: https://exponenta.ru/mbd (дата обращения 26.01.2023).
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия − Телеком, 2021.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б., Харин В.Н. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Формирование опорных сигналов LTE // T-Comm: Телекоммуникации и транспор. Т. 2022. Т. 16. № 5. С. 28–47.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Модели приема и обработки опорных сигналов LTE // Вестник СибГУТИ. 2022. Т. 3. С. 62–83.
Knutti F., Sabathy M., Driusso M., Mathis H., Marshall C. Positioning using LTE signals // Proceedings of Navigation Conference in Europe. 2015. PP. 1–8.
Driusso M., Babich F., Knutti F., Sabathy M., Marshall C. Estimation and tracking of LTE signals time of arrival in a mobile multipath environment // 2015 9th International Symposium on Image and Signal Processing and Analysis (ISPA). 2015. PP. 276–281.
Driusso M., Marshall C., Sabathy M., Knutti F., Mathis H., Babich F. Vehicular Position Tracking Using LTE Signals // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2017. V. 66. No. 4. PP. 3376–3391.
del Peral-Rosado J.A. et al. Software-defined radio LTE positioning receiver towards future hybrid localization systems // Proceedings of 31st AIAA International Communications Satellite Systems Conference. 2013. PP. 14–17.
del Peral-Rosado J.A. et al. Comparative results analysis on positioning with real LTE signals and low-cost hardware platforms // 2014 7th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing (Navitec). 2014. PP. 1–8.
del Peral-Rosado J.A., López-Salcedo J.A., Kim S., Seco-Granados G. Feasibility study of 5G-based localization for assisted driving // 2016 International Conference on Localization and GNSS (ICL-GNSS). 2016. PP. 1–6.
Bartolucci M., Del Peral-Rosado J.A., Estatuet-Castillo R., Garcia-Molina J.A., Crisci M., Corazza G.E. Synchronization of low-cost open source SDRs for navigation applications // 2016 8th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing (NAVITEC). 2016. PP. 1–7.
Shamaei K., Khalife J., Kassas Z.M. Exploiting LTE Signals for Navigation: Theory to Implementation // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2018. V. 17. No. 4. PP. 2173–2189.
Kassas Z.M., Maaref M., Morales J.J., Khalife J.J., Shamei K. Robust Vehicular Localization and Map Matching in Urban Environments Through IMU, GNSS, and Cellular Signals // IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine. 2020. V. 12. No. 3. PP. 36–52.
Shamaei K., Kassas Z.M. Receiver Design and Time of Arrival Estimation for Opportunistic Localization With 5G Signals // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2021. V. 20. No. 7. PP. 4716–4731.
Система радиосвязи МШБД с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G. ООО "ЛИС". [Электронный ресурс]. URL: https://labics.ru/msbd.html#msbd350 (дата обращения 26.01.2023).
OpenCelliD. [Электронный ресурс]. URL: https://opencellid.org/ (дата обращения 26.01.2023).
Аксенов В.О., Фокин Г.А. Программный модуль формирования опорного сигнала позиционирования базовой станцией мобильного широкополосного беспроводного доступа (МШБД). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022617913, 26.04.2022. Правообладатель: ООО "Лаборатория инфокоммуникационных сетей". Заявка № 2022616361 от 11.04.2022.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Программный модуль первичной обработки опорных сигналов стандарта LTE при позиционировании устройств. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022619804, 26.05.2022. Правообладатель: ООО "Лаборатория инфокоммуникационных сетей". Заявка № 2022618875 от 16.05.2022.
Аксенов В.О., Фокин Г.А. Программный модуль определения местоположения устройств с использованием опорных сигналов позиционирования и разностно-дальномерного метода в сетях мобильного широкополосного беспроводного доступа. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022617911, 26.04.2022. Правообладатель: ООО "Лаборатория инфокоммуникационных сетей". Заявка № 2022616359 от 11.04.2022.
Сервер точного времени Метроном-PTP-1U. Metrotek. [Электронный ресурс]. URL: http://metrotek.ru/?p=4209 (дата обращения 26.01.2023).
Транслятор Метроном-Т. КБ "МЕТРОТЕК". [Электронный ресурс]. URL: https://kbmetrotek.ru/metronom-t/ (дата обращения 26.01.2023).
Кабель 5D-FB CCA PVC (черный). [Электронный ресурс]. URL: https://gsm-repiteri.ru/prodazha/cable/kabel-5d-fb-pvc-chernyy (дата обращения 26.01.2023).
Делитель мощности Baltic Signal BS-700/2700-1/4. [Электронный ресурс]. URL: https://gsm-repiteri.ru/prodazha/deliteli/delitel-moshhnosti-bs-700-2700-1-4 (дата обращения 26.01.2023).
Отзывы читателей
