مقایسه و شبیه سازی روش های مکان یابی کاربر با استفاده از زمان ورود سیگنال در شبکه تلفن همراه LTE

(TDoA) و اختلاف زمان ورود (ToA) در این پایان نامه، عملکرد روش های مکان یابی زمان وروددر شبکه های سلولی LTE و نسل پنجم تحت شرایط مختلف عملیاتی مورد بررسی و مﻘایسه قرار گرفته است. با توجه به چالش های سیستم های ماهواره ای ناوبری جهانی )GNSS( در محیط های درون ساختی و شهری، روش های مبتنی بر زیرساخت شبکه سلولی به عنوان جایگزین یا مکمل مطرح شده اند. با این حال، انتخاب بین روش های زمان ورود و اختلاف زمان ورود همواره با ابهام همراه بوده و عملکرد ﺁن ها تحت تاثیر عواملی مانند نویز، خطای همگام سازی ساعت ها، چیدمان ایستگاه های پایه و شرایط دید قرار می گیرد. در این پژوهش، ابتدا مبانی نظری شبکه LTE، ساختار قاب، مدولاسیون OFDM و سیگنال های مرجع شامل PRS ،DMRS ،SSS ،PSS و SRS بررسی شد. سپس روش های اصلی مکان یابی و تخمین گرهای کلیدی شامل کمترین مربعات )LSE(، حداکثر درست نمایی )MLE( و فیلتر کالمن )KF( معرفی گردیدند. روش پیشنهادی این پژوهش با عنوان فیلتر کالمن تطبیﻘی همراه با تخمین حداکثر درست نمایی )AKF-MLE( ارایه شده است که ترکیبی هوشمند از دو تخمین گر با وزن دهی تطبیﻘی بر اساس کیفیت تخمین ها می باشد. شبیه سازی ها در محیط MATLAB با 1000 تکرار مونت کارلو و با استفاده از پنج سیگنال مرجع SRS ،DMRS ،SSS ،PSS و PRS در دو محیط دید مستﻘیم و دید غیرمستﻘیم انجام شد. چهار روش تخمین شامل کمترین مربعات، حداکثر درست نمایی، فیلتر کالمن و روش پیشنهادی AKF-MLE مورد مﻘایسه قرار گرفتند. همچنین روش مکان یابی زمان رفت و برگشت )RTT( با استفاده از سیگنال های PRS و SRS ارزیابی شد. نتایج شبیه سازی نشان داد که سیگنال های مبتنی بر دنباله زادوف‑چو )PSS و SRS( به دلیل خودهمبستگی عالی، بهترین عملکرد را در مکان یابی دارند. روش پیشنهادی AKF-MLE در سیگنال های PSS و SRS بهترین عملکرد را ارایه داد. با سیگنال PSS، این روش در شرایط دید مستﻘیم به ریشه میانگین مربعات خطای 44. 0 متر و در شرایط دید غیرمستﻘیم به خطای 22. 3 متر دست یافت که نسبت به روش کمترین مربعات خطا بهبودی معادل 3. 45 درصد را نشان می دهد. در ردیابی هدف متحرک، روش پیشنهادی با خطای انتهایی تنها 8. 0 متر، عملکرد بسیار بهتری نسبت به فیلتر کالمن معمولی با خطای 4 متر از خود نشان داد. برای سیگنال SRS، روش AKF-MLE در شرایط دید مستﻘیم به خطای 99. 0 متر و در شرایط دید غیرمستﻘیم به خطای 20. 3 متر دست یافت. برای سیگنال PRS، روش حداکثر درست نمایی در شرایطدید غیرمستﻘیم با خطای 34. 3 متر بهترین عملکرد را داشت. برای سیگنال DMRS، روش کمترین مربعات با خطای 57. 0 متر در شرایط دید مستﻘیم و 16. 6 متر در شرایط دید غیرمستﻘیم بهترین بود. برای سیگنال SSS، فیلتر کالمن با خطای 79. 6 متر در شرایط دید مستﻘیم و 99. 7 متر در شرایط دید غیرمستﻘیم بهترین عملکرد را داشت. در روش مکان یابی RTT، در شرایط دید مستﻘیم فیلتر کالمن با خطای 98. 2 متر و در شرایط دید غیرمستﻘیم روش حداکثر درست نمایی با خطای 41. 4 متر و بهبود 3. 35 درصدی نسبت به روش کمترین مربعات خطا بهترین عملکرد را نشان دادند. از نظر خودهمبستگی سیگنال ها، سیگنال SRS با میانگین قله فرعی 12. 2 درصد بهترین خودهمبستگی را داشت. پس از ﺁن به ترتیب سیگنال های PRS با 11. 3 درصد، PSS با 46. 3 درصد، DMRS با 27. 4 درصد و SSS با 31. 8 درصد قرار گرفتند. همچنین در شرایط دید غیرمستﻘیم، روش TDoA در همه موارد خطای کمتری نسبت به ToA ارایه داد. مهمترین نوﺁوری این پژوهش، ارایه روش پیشنهادی AKF-MLE است که ترکیبی هوشمند از تخمین گر حداکثر درست نمایی و فیلتر کالمن با وزن دهی تطبیﻘی می باشد. این روش با استفاده از تخمین MLE به عنوان اندازه گیری و تنظیم تطبیﻘی ماتریس کوواریانس نویز اندازه گیری، توانسته است دقت مکان یابی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. در نهایت، برای کاربردهای مکان یابی دقیق در شبکه های سلولی، استفاده از سیگنال های مبتنی بر دنباله زادوف‑چو )PSS و SRS( به همراه روش پیشنهادی AKF-MLE توصیه می شود. در صورت DMRSبا روش حداکثر درست نمایی یاسیگنال PRS محدودیت در دسترسی به این سیگنال ها، سیگنالبا روش کمترین مربعات گزینه های مناسب بعدی هستند. سیگنال SSS به دلیل خودهمبستگی ضعیف، برای مکان یابی دقیق توصیه نمی شود.

کلیدواژه ها:

زمان ورود ، اختلاف زمان ورود ، زمان رفت و برگشت ، سیگنال LTE ، دنباله زادوف چو