eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #4/2023
Г.А.Фокин, В.А.Григорьев, К.Е.Рютин, А.Е.Комиссаров, Д.Б.Волгушев
ТЕХНОЛОГИЯ СЕТЕВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ LTE. ЧАСТЬ 4. SDR-ДЕМОНСТРАТОР В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
ТЕХНОЛОГИЯ СЕТЕВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ LTE. ЧАСТЬ 4. SDR-ДЕМОНСТРАТОР В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
Просмотры: 687
DOI: 10.22184/2070-8963.2023.112.4.34.41
В заключительной части исследования, посвященного технологиям сетевого позиционирования LTE, представлены результаты экспериментальной апробации SDR-демонстратора в полевых условиях в части проверки работоспособности реализованных на ПЛИС процедур сбора первичных измерений разностей дальностей от макетов базовых станций (eNB) и их вторичной обработки макетом пользовательского устройства (UE) с итоговой оценкой координат в среде Matlab. Полевые испытания SDR-демонстратора проведены в условиях синхронизации макетов eNB, близкой к идеальной, в отсутствие вероятных переотражений при распространении радиоволн между макетами eNB и UE.
В заключительной части исследования, посвященного технологиям сетевого позиционирования LTE, представлены результаты экспериментальной апробации SDR-демонстратора в полевых условиях в части проверки работоспособности реализованных на ПЛИС процедур сбора первичных измерений разностей дальностей от макетов базовых станций (eNB) и их вторичной обработки макетом пользовательского устройства (UE) с итоговой оценкой координат в среде Matlab. Полевые испытания SDR-демонстратора проведены в условиях синхронизации макетов eNB, близкой к идеальной, в отсутствие вероятных переотражений при распространении радиоволн между макетами eNB и UE.
Теги: difference-dimensional method field conditions tests lte mobile radio networks lte network positioning technology lte network positioning technology sdr demonstrator matlab environment software sdr-демонстратор технологии сетевого позиционирования lte software-configurable radio (sdr) technology полевые испытания разностно-дальномерный метод сети подвижной радиосвязи lte среда matlab технология программно-конфигурируемого радио (sdr) технология сетевого позиционирования lte
ТЕХНОЛОГИЯ СЕТЕВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ LTE
Часть 4. SDR-демонстратор в полевых условиях
Г.А.Фокин, д.т.н., проф. СПбГУТ им. проф. М. А.Бонч-Бруевича,
аналитик НИО ООО "ЛИС" / 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,
инженер НИО ООО "ЛИС" / ryutin.sut@gmail.com,
А.Е.Комиссаров, инженер НИО ООО "ЛИС" / comiss2000@mail.ru,
Д.Б.Волгушев, инженер НИО ООО "ЛИС" / d.volgushev@yandex.ru
УДК 621.396.969, DOI: 10.22184/2070-8963.2023.112.4.34.41
В заключительной части исследования, посвященного технологиям сетевого позиционирования LTE, представлены результаты экспериментальной апробации SDR-демонстратора в полевых условиях в части проверки работоспособности реализованных на ПЛИС процедур сбора первичных измерений разностей дальностей от макетов базовых станций (eNB) и их вторичной обработки макетом пользовательского устройства (UE) с итоговой оценкой координат в среде Matlab. Полевые испытания SDR-демонстратора проведены в условиях синхронизации макетов eNB, близкой к идеальной, в отсутствие вероятных переотражений при распространении радиоволн между макетами eNB и UE.
Введение
В настоящей работе, завершающей цикл "Технология сетевого позиционирования LTE" [1–3], представлены результаты полевых испытаний SDR-демонстратора определения местоположения (ОМП) макета пользовательского устройства (UE) по опорным сигналам макетов базовых станций (eNB) радиотехническим разностно-дальномерным методом. Данным испытаниям предшествовала разработка, программная реализация и экспериментальная апробация подсистемы формирования и передачи опорных сигналов LTE на макете eNB [4], а также подсистемы приема и обработки опорных сигналов LTE на макете UE [5, 6]. В качестве инструмента при реализации и экспериментальной апробации данных подсистем использовался известный при разработке систем радиосвязи подход модельно-ориентированного проектирования [7, 8] на основе технологии программно-конфигурируемого радио (SDR, Software-Defined Radio) [9, 10]. В отличие от предыдущего опыта разработки экспериментального стенда оценки точности позиционирования на основе SDR [11–13], а также предшествующей стадии лабораторных испытаний [3], в SDR-демонстраторе на текущем этапе полевых испытаний процедуры формирования и передачи опорных сигналов LTE на макетах базовых станций (eNB), а также процедуры приема и обработки опорных сигналов LTE на макете пользовательского устройства (UE) реализованы в ПЛИС на языке HDL (Hardware Description Language). Данный подход впервые позволил добиться близкой к синхронной передачи опорных сигналов LTE макетами eNB, а также реализовать прием и обработку опорных сигналов LTE на макете UE в режиме реального времени с выдачей первичных измерений разностей дальностей до 100 раз в секунду, что принципиально важно в сценариях позиционирования транспортных средств [14–18].
Цель настоящей работы – обоснование достижения точности позиционирования менее одного метра по опорным сигналам LTE в результате экспериментальной апробации SDR-демонстратора в полевых условиях при синхронизации макетов eNB, близкой к идеальной, а также при распространении радиоволн (РРВ) между макетами eNB и UE в радиоэфире в условиях вероятного исключения переотражений.
Задачами настоящей работы являются: 1) проверка работоспособности и оценка точности подсистемы сбора первичных измерений разностей дальностей от макетов базовых станций (eNB) с реализацией на ПЛИС, а также их вторичной обработки в макете пользовательского устройства (UE) с результирующей оценкой координат и реализацией в среде Matlab; 2) отработка специального программного обеспечения (СПО) представления результатов первичных измерений и вторичной обработки с оценкой координат макета UE, включая визуализацию траектории макета UE в режиме реального времени в локальной и глобальной системе координат в среде Matlab.
Условия полевых испытаний SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE
SDR-демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE включает четыре макета базовых станций (eNB), макет пользовательского устройства (UE) и макет подсистемы синхронизации. Описание структуры SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования формализовано в [3]. Рис.1 иллюстрирует схему полевых испытаний.
SDR-макеты базовых станций (eNB) реализованы на аппаратной платформе блока формирования и обработки сигналов (ЛАД-БС-350-БФ, БФОС), а SDR-макет пользовательского устройства (UE) – на аппаратной платформе модуля сетевого доступа системы радиосвязи мобильного широкополосного беспроводного доступа (МШБД) с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G производства ООО "ЛИС" [19].
Подсистема синхронизации размещается в стойке макета первой базовой станции eNB1 и включает сервер точного времени "Метроном-PTP-1U-V2" [20], выступающий источником сигналов временной PPS (pulse per second) и частотной (10 МГц) синхронизации, а также транслятор "Метроном-Т" [21] – устройство раздачи сигналов 10 МГц/PPS на четыре SDR-макета eNB через соответствующие порты. На рис.2 представлен макет eNB1 с подсистемой синхронизации.
Синхронизация макетов eNB, близкая к идеальной, обеспечивается единым источником опорных сигналов временной и частотной синхронизации, а также одинаковой длиной коаксиальных кабелей [22], по которым распределяются сигналы 1PPS/10 МГц на площадке проведения полевых испытаний. На рис.3 показан сценарий полевых испытаний демонстратора технологии сетевого позиционирования на объекте Новоселки ФГУП "ГРЧЦ" в СЗФО.
Макет eNB1 размещен в правом верхнем углу на рис.3, остальные макеты eNB нумеруются по часовой стрелке так, что eNB2 располагается в правом нижнем углу, eNB3 – в левом нижнем углу, eNB4 – в левом верхнем углу, макет UE находится в геометрическом центре прямоугольника, в углах которого расположены eNB. Размер прямоугольной площадки, в углах которой размещены макеты eNB, составляет примерно 16 × 21 м. За начало локальной системы координат (СК) выбрано местоположение SDR-макета базовой станции eNB1. Координаты eNB2, eNB3 и eNB4 фиксируются в локальной СК относительно eNB1 измерительной рулеткой с ценой деления 1 мм.
Калибровка SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE
Калибровка SDR-макетов eNB для реализации сценария идеальной синхронизации должна учитывать случайный характер начального смещения времени, сопоставимого с интервалом дискретизации, каждого SDR-приемопередатчика eNB при запуске его работы на передачу [3]. Поэтому предлагается процедура компенсации смещения разностей дальностей при известном местоположении SDR-макета UE в опорной точке UE0 xUE0 = [xUE0, yUE0, zUE0] – геометрическом центре прямоугольника, в вершинах которого расположены SDR-макеты eNB. На рис.4 изображена схема калибровки SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования при расположении SDR-макета UE в опорной точке UE0 с известными координатами xUE0 = [xUE0, yUE0, zUE0], в которой дальности d1, d2, d3, d4 между UE и eNB1, eNB2, eNB3 и eNB4 соответственно равны, а разности дальностей Δd21, Δd31, Δd41 между eNB2, eNB3 и eNB4 и опорной eNB1 равны нулю. Будем считать, что eNB1 расположена в начале локальной СК с координатами xeNB1 = [xeNB1, yeNB1, zeNB1] = [001] м.
Суть калибровки заключается в добавлении таких поправочных коэффициентов δ(Δd21), δ(Δd31), δ(Δd41) к первичным измерениям разности дальностей Δd^21, Δd^31, Δd^41, при которых их значения в опорной точке UE0 становятся равными нулю. Пример вектора-столбца для калибровки при испытаниях представлен ниже:
dCalib=-[3.18; 6.75; 0.35]; % калибровка разностей дальностей до UE0.
На рис.5 продемонстрирована калибровка первичных измерений SDR-демонстратора по первичным измерениям разностей дальности для сценария, когда SDR-макет UE располагается в геометрическом центре прямоугольника (опорной точке UE0), в углах которого размещены SDR-макеты eNB. В данном сценарии дальности распространения радиоволн между eNB и UE оказываются равны, следовательно, разности дальностей также должны быть равны нулю. В левой части рис.5, где показаны измеренные разности дальностей Δd^21, Δd^31, Δd^41 до калибровки, видно постоянное смещение, обусловленное рассинхронизацией начала передачи каждой eNB на некоторый интервал дискретизации при запуске работы SDR-макетов на передачу. В правой части рис.5 представлены измеренные разности дальностей Δd^21, Δd^31, Δd^41 после калибровки на значения, указанные в векторе-столбце dCalib=-[3.18; 6.75; 0.35].
На рис.6 представлены результаты вторичной обработки первичных измерений с оценкой координат SDR-макета UE в точке UE0 при известных координатах четырех SDR-макетов eNB. Видно, что после калибровки оценка координат UE соответствует его расположению в опорной точке UE0.
Методика полевых испытаний SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE
Методика полевых испытаний сводится к оценке погрешности первичных измерений и погрешности оценок координат по метрике среднеквадратического отклонения (RMSE – Root-Mean-Square Error) в опорных точках с известными координатами.
Обозначим через xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] вектор координат i-й опорной точки с известными координатами [xUEi, yUEi, zUEi], i = 0, ..., 13, которые измерены рулеткой и/или лазерным дальномером в заданном сценарии полевых испытаний (рис.3). Вектор xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi], i = 0, ..., 13 образует набор истинных координат SDR-макета UE. Обозначим через xeNBj = [xeNBj yeNBj zeNBj], j = 1, ..., 4 вектор известных координат j-й базовой станции для eNB1, eNB2, eNB3 и eNB4, которые измерены рулеткой и/или лазерным дальномером в заданном сценарии полевых испытаний (рис.3).
Истинные дальности между eNB1, eNB2, eNB3, eNB4 и UE в i-й опорной точке xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] можно оценить по формулам:
d1i = ||xeNB1 – xUEi||2; d2i = ||xeNB2 – xUEi||2;
d3i = ||xeNB3 – xUEi||2; d4i = ||xeNB4 – xUEi||2,
где || · || оператор нормы вектора в евклидовом пространстве. Например, для d1i справедливо выражение:
.
Истинные разности дальностей Δd21, Δd31, Δd41 между eNB2, eNB3, eNB4 и опорной eNB1 при расположении UE в i-й опорной точке xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] можно оценить по формулам:
Δd21i = Δd2i, – Δd1i; Δd31i = Δd3i, – Δd1i; Δd41i = Δd3i, – Δd1i.
Методика оценки погрешности RMSE(Δd^i) вектора первичных измерений Δd^i = [Δd^21i, Δd^31i, Δd^41i] при расположении UE в i-й опорной точке xUEi сводится к сопоставлению вектора истинных разностей дальностей Δdi = [Δd21i, Δd31i, Δd41i] с вектором измеренных разностей дальностей Δd^i = [Δd^21, Δd^31, Δd^41] и вычислению среднеквадратического отклонения (СКО):
,
где {·} – оператор математического ожидания на интервале усреднения до 100 выборок Δd^i измеренных разностей дальностей.
Методика оценки погрешности RMSE(x^UEi) оценок координат (ОК) x^UEi = [x^UEi, y^UEi, z^UEi] при расположении UE в i-й опорной точке xUEi сводится к сопоставлению вектора истинных координат xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] с вектором оценок координат x^UEi = [x^UEi, y^UEi, z^UEi] и вычислению среднеквадратического отклонения:
,
где {·} – оператор математического ожидания на интервале усреднения до 100 выборок x^UEi рассчитанных оценок координат.
Оценка координат осуществляется по нелинейному алгоритму Гаусса – Ньютона за пять итераций с начальной точкой итеративного поиска x^0UEi, определяемой как среднее от координат SDR-макетов базовых станций xeNBj = [xeNBj yeNBj zeNBj], j = 1, ..., 4:
.
На рис.7 представлена схема расположения SDR-макетов eNB и опорных точек UE с указанием их координат (рис.3).
Результаты оценки точности SDR-демонстратора технологии
сетевого позиционирования LTE
Таблица 1 содержит результаты оценки точности первичных измерений и оценок координат в заданных опорных точках на рис.7. Также в таблице указано значение геометрического фактора снижения точности позиционирования по горизонтали HDOP (Horizontal Dilution of Precision), который рассчитан для разностно-дальномерного метода позиционирования. HDOP является безразмерной величиной и обусловлен геометрической топологией взаимного расположения SDR-макетов eNB и макета UE в заданных опорных точках. Физический смысл HDOP заключается в том, что при условии независимых и равных погрешностей всех первичных измерений он связывает СКО первичных измерений и СКО оценок координат по формуле:
RMSE (x^UEi) = HDOP · RMSE(Δd^i).
Поскольку условие независимых и равных погрешностей всех трех первичных измерений Δd^i = [Δd^21, Δd^31, Δd^41] на практике маловероятно, соотношение RMSE (x^UEi) = HDOP · RMSE(Δd^i) носит скорее информативный характер, однако в то же время отражает существенное снижение точности оценок координат RMSE (x^i) при увеличении HDOP, например, в опорной точке UE13 за пределами периметра расположения SDR-макетов eNB [23].
Результаты полевых испытаний, представленные в таблице, позволяют сделать вывод о достижении точности до одного метра при нахождении UE внутри периметра расположения SDR-макетов eNB, когда геометрический фактор точности меньше единицы. На рис.8 показан пример вывода первичных измерений и их вторичной обработки в командном окне СПО Matlab по результатам усреднения 20 значений разности дальностей в опорной точке UE9.
Вывод на рис.8 включает следующие показатели: 1) истинные разности дальностей Δd21i, Δd31i, Δd41i относительно eNB1, рассчитываемые в опорной точке xUEi по известным координатам xeNBj ; 2) измеренные разности дальностей Δd^21i, Δd^31i, Δd^41i относительно eNB1 в опорной точке xUEi; 3) СКО измерения разности дальностей RMSE(Δd^j1i) между eNBj и eNB1 в опорной точке xUEi, полученные по результатам сравнения истинных разностей дальностей и результатов усреднения 20 значений разности дальностей при условии, что UE стационарно в данной опорной точке; 4) СКО первичных измерений RMSE(Δd^i), вычисленное как корень квадратный из суммы квадратов значений RMSE(Δd^j1i); 5) геометрический фактор снижения точности по горизонтали HDOP, вычисленный в опорной точке xUEi по известным координатам xeNBj для разностно-дальномерного метода; 6) истинные координаты UE на плоскости xUEi; 7) оценка координат UE на плоскости x^UEi; 8) СКО оценки координат UE на плоскости по осям x RMSE (x^UEi) и y RMSE (y^UEi); 9) СКО местоположения RMSE (x^UEi), вычисленное как корень квадратный из суммы квадратов значений RMSE (x^UEi) и RMSE (y^UEi).
Заключение
Экспериментально апробированный в условиях полевых испытаний демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE, построенный с использованием технологии программно-конфигурируемого радио SDR, подтвердил обоснованность выбранных технических решений по сбору и обработке первичных разностно-дальномерных измерений. Достигнутая точность позиционирования макета пользовательского устройства UE на плоскости менее одного метра при геометрическом факторе топологии макетов базовых станций (eNB) менее единицы позволяет говорить о соблюдении требований к точности позиционирования в ряде сценариев сетей пятого и последующих поколений. Дальнейший этап работ заключается в создании специального программного обеспечения, реализующего вторичную обработку первичных измерений, оценку координат и их отображение в локальной и глобальной системах координат без использования среды и пакетов расширения Matlab.
ЛИТЕРАТУРА
Фокин Г., Григорьев В., Авдонин И. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 1. Архитектура // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 34–41.
Фокин Г., Григорьев В., Аксенов В. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 2. Форматы оценок координат // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 7. С. 78–88.
Фокин Г.А., Григорьев В.А., Рютин К.Е. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 3. SDR-демонстратор в лабораторных условиях // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 3. С. 72–80.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б., Харин В.Н. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Формирование опорных сигналов LTE // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 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. № 3. С. 62–83.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Процедуры приема и обработки опорных сигналов LTE // Вестник СибГУТИ. 2023. № 1. С. 52–65.
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: СПбГУТ, 2022. 180 c.
Борисов Е.Г., Машков Г.М., Фокин Г.А. Экспериментальный стенд оценки точности позиционирования на основе программно-конфигурируемого радио // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании. Сборник научных статей V международной научно-технической и научно-методической конференции. 2016. Т. 1. С. 120–125.
Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Experimental validation of multipoint joint processing of range measurements via software-defined radio testbed // 2016 18th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), Pyeongchang. 2016. PP. 268–273.
Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Positioning accuracy experimental evaluation in SDR-based MLAT with joint processing of range measurements // 2016 International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications, Jakarta. 2016. PP. 7–12.
Фокин Г.А. Сценарии позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2020. № 2. С. 3–9.
Фокин Г.А. Сценарии позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2020. № 3. С. 13–21.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб: СПбГУТ, 2020. 558 c.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия − Телеком, 2021.
Фокин Г.А. Комплекс моделей и методов позиционирования устройств в сетях пятого поколения. Дис. ... докт. техн. наук. СПб: СПбГУТ, 2021. 499 c.
Система радиосвязи МШБД с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G. ООО "ЛИС". [Электронный ресурс]. URL: https://labics.ru/msbd.html#msbd350 (дата обращения 30.05.2023).
Сервер точного времени Метроном-PTP-1U. Metrotek. [Электронный ресурс]. URL: http://metrotek.ru/?p=4209 (дата обращения 30.05.2023).
Транслятор Метроном-Т. КБ "МЕТРОТЕК". [Электронный ресурс]. URL: https://kbmetrotek.ru/metronom-t/ (дата обращения 30.05.2023).
Кабель 5D-FB CCA PVC (черный). [Электронный ресурс]. URL: https://gsm-repiteri.ru/prodazha/cable/kabel-5d-fb-pvc-chernyy (дата обращения 30.05.2023).
Fokin G., Kireev A. Al-odhari A.H.A. TDOA positioning accuracy performance evaluation for arc sensor configuration // 2018 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on-Board Communications. Moscow. 2018. PP. 1–5.
Часть 4. SDR-демонстратор в полевых условиях
Г.А.Фокин, д.т.н., проф. СПбГУТ им. проф. М. А.Бонч-Бруевича,
аналитик НИО ООО "ЛИС" / 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,
инженер НИО ООО "ЛИС" / ryutin.sut@gmail.com,
А.Е.Комиссаров, инженер НИО ООО "ЛИС" / comiss2000@mail.ru,
Д.Б.Волгушев, инженер НИО ООО "ЛИС" / d.volgushev@yandex.ru
УДК 621.396.969, DOI: 10.22184/2070-8963.2023.112.4.34.41
В заключительной части исследования, посвященного технологиям сетевого позиционирования LTE, представлены результаты экспериментальной апробации SDR-демонстратора в полевых условиях в части проверки работоспособности реализованных на ПЛИС процедур сбора первичных измерений разностей дальностей от макетов базовых станций (eNB) и их вторичной обработки макетом пользовательского устройства (UE) с итоговой оценкой координат в среде Matlab. Полевые испытания SDR-демонстратора проведены в условиях синхронизации макетов eNB, близкой к идеальной, в отсутствие вероятных переотражений при распространении радиоволн между макетами eNB и UE.
Введение
В настоящей работе, завершающей цикл "Технология сетевого позиционирования LTE" [1–3], представлены результаты полевых испытаний SDR-демонстратора определения местоположения (ОМП) макета пользовательского устройства (UE) по опорным сигналам макетов базовых станций (eNB) радиотехническим разностно-дальномерным методом. Данным испытаниям предшествовала разработка, программная реализация и экспериментальная апробация подсистемы формирования и передачи опорных сигналов LTE на макете eNB [4], а также подсистемы приема и обработки опорных сигналов LTE на макете UE [5, 6]. В качестве инструмента при реализации и экспериментальной апробации данных подсистем использовался известный при разработке систем радиосвязи подход модельно-ориентированного проектирования [7, 8] на основе технологии программно-конфигурируемого радио (SDR, Software-Defined Radio) [9, 10]. В отличие от предыдущего опыта разработки экспериментального стенда оценки точности позиционирования на основе SDR [11–13], а также предшествующей стадии лабораторных испытаний [3], в SDR-демонстраторе на текущем этапе полевых испытаний процедуры формирования и передачи опорных сигналов LTE на макетах базовых станций (eNB), а также процедуры приема и обработки опорных сигналов LTE на макете пользовательского устройства (UE) реализованы в ПЛИС на языке HDL (Hardware Description Language). Данный подход впервые позволил добиться близкой к синхронной передачи опорных сигналов LTE макетами eNB, а также реализовать прием и обработку опорных сигналов LTE на макете UE в режиме реального времени с выдачей первичных измерений разностей дальностей до 100 раз в секунду, что принципиально важно в сценариях позиционирования транспортных средств [14–18].
Цель настоящей работы – обоснование достижения точности позиционирования менее одного метра по опорным сигналам LTE в результате экспериментальной апробации SDR-демонстратора в полевых условиях при синхронизации макетов eNB, близкой к идеальной, а также при распространении радиоволн (РРВ) между макетами eNB и UE в радиоэфире в условиях вероятного исключения переотражений.
Задачами настоящей работы являются: 1) проверка работоспособности и оценка точности подсистемы сбора первичных измерений разностей дальностей от макетов базовых станций (eNB) с реализацией на ПЛИС, а также их вторичной обработки в макете пользовательского устройства (UE) с результирующей оценкой координат и реализацией в среде Matlab; 2) отработка специального программного обеспечения (СПО) представления результатов первичных измерений и вторичной обработки с оценкой координат макета UE, включая визуализацию траектории макета UE в режиме реального времени в локальной и глобальной системе координат в среде Matlab.
Условия полевых испытаний SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE
SDR-демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE включает четыре макета базовых станций (eNB), макет пользовательского устройства (UE) и макет подсистемы синхронизации. Описание структуры SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования формализовано в [3]. Рис.1 иллюстрирует схему полевых испытаний.
SDR-макеты базовых станций (eNB) реализованы на аппаратной платформе блока формирования и обработки сигналов (ЛАД-БС-350-БФ, БФОС), а SDR-макет пользовательского устройства (UE) – на аппаратной платформе модуля сетевого доступа системы радиосвязи мобильного широкополосного беспроводного доступа (МШБД) с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G производства ООО "ЛИС" [19].
Подсистема синхронизации размещается в стойке макета первой базовой станции eNB1 и включает сервер точного времени "Метроном-PTP-1U-V2" [20], выступающий источником сигналов временной PPS (pulse per second) и частотной (10 МГц) синхронизации, а также транслятор "Метроном-Т" [21] – устройство раздачи сигналов 10 МГц/PPS на четыре SDR-макета eNB через соответствующие порты. На рис.2 представлен макет eNB1 с подсистемой синхронизации.
Синхронизация макетов eNB, близкая к идеальной, обеспечивается единым источником опорных сигналов временной и частотной синхронизации, а также одинаковой длиной коаксиальных кабелей [22], по которым распределяются сигналы 1PPS/10 МГц на площадке проведения полевых испытаний. На рис.3 показан сценарий полевых испытаний демонстратора технологии сетевого позиционирования на объекте Новоселки ФГУП "ГРЧЦ" в СЗФО.
Макет eNB1 размещен в правом верхнем углу на рис.3, остальные макеты eNB нумеруются по часовой стрелке так, что eNB2 располагается в правом нижнем углу, eNB3 – в левом нижнем углу, eNB4 – в левом верхнем углу, макет UE находится в геометрическом центре прямоугольника, в углах которого расположены eNB. Размер прямоугольной площадки, в углах которой размещены макеты eNB, составляет примерно 16 × 21 м. За начало локальной системы координат (СК) выбрано местоположение SDR-макета базовой станции eNB1. Координаты eNB2, eNB3 и eNB4 фиксируются в локальной СК относительно eNB1 измерительной рулеткой с ценой деления 1 мм.
Калибровка SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE
Калибровка SDR-макетов eNB для реализации сценария идеальной синхронизации должна учитывать случайный характер начального смещения времени, сопоставимого с интервалом дискретизации, каждого SDR-приемопередатчика eNB при запуске его работы на передачу [3]. Поэтому предлагается процедура компенсации смещения разностей дальностей при известном местоположении SDR-макета UE в опорной точке UE0 xUE0 = [xUE0, yUE0, zUE0] – геометрическом центре прямоугольника, в вершинах которого расположены SDR-макеты eNB. На рис.4 изображена схема калибровки SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования при расположении SDR-макета UE в опорной точке UE0 с известными координатами xUE0 = [xUE0, yUE0, zUE0], в которой дальности d1, d2, d3, d4 между UE и eNB1, eNB2, eNB3 и eNB4 соответственно равны, а разности дальностей Δd21, Δd31, Δd41 между eNB2, eNB3 и eNB4 и опорной eNB1 равны нулю. Будем считать, что eNB1 расположена в начале локальной СК с координатами xeNB1 = [xeNB1, yeNB1, zeNB1] = [001] м.
Суть калибровки заключается в добавлении таких поправочных коэффициентов δ(Δd21), δ(Δd31), δ(Δd41) к первичным измерениям разности дальностей Δd^21, Δd^31, Δd^41, при которых их значения в опорной точке UE0 становятся равными нулю. Пример вектора-столбца для калибровки при испытаниях представлен ниже:
dCalib=-[3.18; 6.75; 0.35]; % калибровка разностей дальностей до UE0.
На рис.5 продемонстрирована калибровка первичных измерений SDR-демонстратора по первичным измерениям разностей дальности для сценария, когда SDR-макет UE располагается в геометрическом центре прямоугольника (опорной точке UE0), в углах которого размещены SDR-макеты eNB. В данном сценарии дальности распространения радиоволн между eNB и UE оказываются равны, следовательно, разности дальностей также должны быть равны нулю. В левой части рис.5, где показаны измеренные разности дальностей Δd^21, Δd^31, Δd^41 до калибровки, видно постоянное смещение, обусловленное рассинхронизацией начала передачи каждой eNB на некоторый интервал дискретизации при запуске работы SDR-макетов на передачу. В правой части рис.5 представлены измеренные разности дальностей Δd^21, Δd^31, Δd^41 после калибровки на значения, указанные в векторе-столбце dCalib=-[3.18; 6.75; 0.35].
На рис.6 представлены результаты вторичной обработки первичных измерений с оценкой координат SDR-макета UE в точке UE0 при известных координатах четырех SDR-макетов eNB. Видно, что после калибровки оценка координат UE соответствует его расположению в опорной точке UE0.
Методика полевых испытаний SDR-демонстратора технологии сетевого позиционирования LTE
Методика полевых испытаний сводится к оценке погрешности первичных измерений и погрешности оценок координат по метрике среднеквадратического отклонения (RMSE – Root-Mean-Square Error) в опорных точках с известными координатами.
Обозначим через xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] вектор координат i-й опорной точки с известными координатами [xUEi, yUEi, zUEi], i = 0, ..., 13, которые измерены рулеткой и/или лазерным дальномером в заданном сценарии полевых испытаний (рис.3). Вектор xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi], i = 0, ..., 13 образует набор истинных координат SDR-макета UE. Обозначим через xeNBj = [xeNBj yeNBj zeNBj], j = 1, ..., 4 вектор известных координат j-й базовой станции для eNB1, eNB2, eNB3 и eNB4, которые измерены рулеткой и/или лазерным дальномером в заданном сценарии полевых испытаний (рис.3).
Истинные дальности между eNB1, eNB2, eNB3, eNB4 и UE в i-й опорной точке xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] можно оценить по формулам:
d1i = ||xeNB1 – xUEi||2; d2i = ||xeNB2 – xUEi||2;
d3i = ||xeNB3 – xUEi||2; d4i = ||xeNB4 – xUEi||2,
где || · || оператор нормы вектора в евклидовом пространстве. Например, для d1i справедливо выражение:
.
Истинные разности дальностей Δd21, Δd31, Δd41 между eNB2, eNB3, eNB4 и опорной eNB1 при расположении UE в i-й опорной точке xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] можно оценить по формулам:
Δd21i = Δd2i, – Δd1i; Δd31i = Δd3i, – Δd1i; Δd41i = Δd3i, – Δd1i.
Методика оценки погрешности RMSE(Δd^i) вектора первичных измерений Δd^i = [Δd^21i, Δd^31i, Δd^41i] при расположении UE в i-й опорной точке xUEi сводится к сопоставлению вектора истинных разностей дальностей Δdi = [Δd21i, Δd31i, Δd41i] с вектором измеренных разностей дальностей Δd^i = [Δd^21, Δd^31, Δd^41] и вычислению среднеквадратического отклонения (СКО):
,
где {·} – оператор математического ожидания на интервале усреднения до 100 выборок Δd^i измеренных разностей дальностей.
Методика оценки погрешности RMSE(x^UEi) оценок координат (ОК) x^UEi = [x^UEi, y^UEi, z^UEi] при расположении UE в i-й опорной точке xUEi сводится к сопоставлению вектора истинных координат xUEi = [xUEi, yUEi, zUEi] с вектором оценок координат x^UEi = [x^UEi, y^UEi, z^UEi] и вычислению среднеквадратического отклонения:
,
где {·} – оператор математического ожидания на интервале усреднения до 100 выборок x^UEi рассчитанных оценок координат.
Оценка координат осуществляется по нелинейному алгоритму Гаусса – Ньютона за пять итераций с начальной точкой итеративного поиска x^0UEi, определяемой как среднее от координат SDR-макетов базовых станций xeNBj = [xeNBj yeNBj zeNBj], j = 1, ..., 4:
.
На рис.7 представлена схема расположения SDR-макетов eNB и опорных точек UE с указанием их координат (рис.3).
Результаты оценки точности SDR-демонстратора технологии
сетевого позиционирования LTE
Таблица 1 содержит результаты оценки точности первичных измерений и оценок координат в заданных опорных точках на рис.7. Также в таблице указано значение геометрического фактора снижения точности позиционирования по горизонтали HDOP (Horizontal Dilution of Precision), который рассчитан для разностно-дальномерного метода позиционирования. HDOP является безразмерной величиной и обусловлен геометрической топологией взаимного расположения SDR-макетов eNB и макета UE в заданных опорных точках. Физический смысл HDOP заключается в том, что при условии независимых и равных погрешностей всех первичных измерений он связывает СКО первичных измерений и СКО оценок координат по формуле:
RMSE (x^UEi) = HDOP · RMSE(Δd^i).
Поскольку условие независимых и равных погрешностей всех трех первичных измерений Δd^i = [Δd^21, Δd^31, Δd^41] на практике маловероятно, соотношение RMSE (x^UEi) = HDOP · RMSE(Δd^i) носит скорее информативный характер, однако в то же время отражает существенное снижение точности оценок координат RMSE (x^i) при увеличении HDOP, например, в опорной точке UE13 за пределами периметра расположения SDR-макетов eNB [23].
Результаты полевых испытаний, представленные в таблице, позволяют сделать вывод о достижении точности до одного метра при нахождении UE внутри периметра расположения SDR-макетов eNB, когда геометрический фактор точности меньше единицы. На рис.8 показан пример вывода первичных измерений и их вторичной обработки в командном окне СПО Matlab по результатам усреднения 20 значений разности дальностей в опорной точке UE9.
Вывод на рис.8 включает следующие показатели: 1) истинные разности дальностей Δd21i, Δd31i, Δd41i относительно eNB1, рассчитываемые в опорной точке xUEi по известным координатам xeNBj ; 2) измеренные разности дальностей Δd^21i, Δd^31i, Δd^41i относительно eNB1 в опорной точке xUEi; 3) СКО измерения разности дальностей RMSE(Δd^j1i) между eNBj и eNB1 в опорной точке xUEi, полученные по результатам сравнения истинных разностей дальностей и результатов усреднения 20 значений разности дальностей при условии, что UE стационарно в данной опорной точке; 4) СКО первичных измерений RMSE(Δd^i), вычисленное как корень квадратный из суммы квадратов значений RMSE(Δd^j1i); 5) геометрический фактор снижения точности по горизонтали HDOP, вычисленный в опорной точке xUEi по известным координатам xeNBj для разностно-дальномерного метода; 6) истинные координаты UE на плоскости xUEi; 7) оценка координат UE на плоскости x^UEi; 8) СКО оценки координат UE на плоскости по осям x RMSE (x^UEi) и y RMSE (y^UEi); 9) СКО местоположения RMSE (x^UEi), вычисленное как корень квадратный из суммы квадратов значений RMSE (x^UEi) и RMSE (y^UEi).
Заключение
Экспериментально апробированный в условиях полевых испытаний демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE, построенный с использованием технологии программно-конфигурируемого радио SDR, подтвердил обоснованность выбранных технических решений по сбору и обработке первичных разностно-дальномерных измерений. Достигнутая точность позиционирования макета пользовательского устройства UE на плоскости менее одного метра при геометрическом факторе топологии макетов базовых станций (eNB) менее единицы позволяет говорить о соблюдении требований к точности позиционирования в ряде сценариев сетей пятого и последующих поколений. Дальнейший этап работ заключается в создании специального программного обеспечения, реализующего вторичную обработку первичных измерений, оценку координат и их отображение в локальной и глобальной системах координат без использования среды и пакетов расширения Matlab.
ЛИТЕРАТУРА
Фокин Г., Григорьев В., Авдонин И. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 1. Архитектура // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 4. С. 34–41.
Фокин Г., Григорьев В., Аксенов В. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 2. Форматы оценок координат // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2022. № 7. С. 78–88.
Фокин Г.А., Григорьев В.А., Рютин К.Е. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 3. SDR-демонстратор в лабораторных условиях // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 3. С. 72–80.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б., Харин В.Н. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Формирование опорных сигналов LTE // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 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. № 3. С. 62–83.
Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Процедуры приема и обработки опорных сигналов LTE // Вестник СибГУТИ. 2023. № 1. С. 52–65.
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: СПбГУТ, 2022. 180 c.
Борисов Е.Г., Машков Г.М., Фокин Г.А. Экспериментальный стенд оценки точности позиционирования на основе программно-конфигурируемого радио // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании. Сборник научных статей V международной научно-технической и научно-методической конференции. 2016. Т. 1. С. 120–125.
Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Experimental validation of multipoint joint processing of range measurements via software-defined radio testbed // 2016 18th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), Pyeongchang. 2016. PP. 268–273.
Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Positioning accuracy experimental evaluation in SDR-based MLAT with joint processing of range measurements // 2016 International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications, Jakarta. 2016. PP. 7–12.
Фокин Г.А. Сценарии позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2020. № 2. С. 3–9.
Фокин Г.А. Сценарии позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2020. № 3. С. 13–21.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб: СПбГУТ, 2020. 558 c.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия − Телеком, 2021.
Фокин Г.А. Комплекс моделей и методов позиционирования устройств в сетях пятого поколения. Дис. ... докт. техн. наук. СПб: СПбГУТ, 2021. 499 c.
Система радиосвязи МШБД с поддержкой технологии 3GPP LTE 4G. ООО "ЛИС". [Электронный ресурс]. URL: https://labics.ru/msbd.html#msbd350 (дата обращения 30.05.2023).
Сервер точного времени Метроном-PTP-1U. Metrotek. [Электронный ресурс]. URL: http://metrotek.ru/?p=4209 (дата обращения 30.05.2023).
Транслятор Метроном-Т. КБ "МЕТРОТЕК". [Электронный ресурс]. URL: https://kbmetrotek.ru/metronom-t/ (дата обращения 30.05.2023).
Кабель 5D-FB CCA PVC (черный). [Электронный ресурс]. URL: https://gsm-repiteri.ru/prodazha/cable/kabel-5d-fb-pvc-chernyy (дата обращения 30.05.2023).
Fokin G., Kireev A. Al-odhari A.H.A. TDOA positioning accuracy performance evaluation for arc sensor configuration // 2018 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on-Board Communications. Moscow. 2018. PP. 1–5.
Отзывы читателей
