تطوير نظم محلية قائمة على مكاتب الاستقبال للملاحة الداخلية

وقد أصبح الملاحة الداخلية شرطاً حاسماً للهياكل الأساسية الحديثة، ومع ذلك لا تزال مشكلة تقنية صعبة، إذ أن إشارات النظام العالمي لتحديد المواقع، التي تعمل بشكل موثوق في الهواء الطلق، تخفف بسرعة عند مرورها بمواد البناء مثل الخرسانة والصلب والزجاج، وفي أماكن داخلية كبيرة مثل محطات المطارات ومراكز التسوق والمستشفيات ومراكز العبور الجوفية، إما أن تفشل نظم تحديد المواقع في مواقع البحث عن بعد أو توفر أخطاء في مواقعها.

ما هو "إف إس كي" ؟

ومؤسسة FSK هي مخطط رقمي للتعديلات تمثل فيه البيانات الثنائية بتغييرات متفاوتة في الترددات في إشارة الناقلة، وفي نظام ثنائي بسيط من نظام FSK (BFSK)، لا يتوافق أي نظام منطقي مع تواتر واحد ويقابل الآخر، ولأغراض تحديد الموقع، فإن إشارة FSK ذاتها تحمل معلومات عن هوية جهاز الإرسال أو إحداثيات محددة للمواقع.

وعلى عكس الأساليب القائمة على التعددية أو على أساس المرحلة، فإن مؤسسة " FSK " هي في جوهرها مقاومة لتقلبات الكم الهائل ويمكن أن تتسامح مع الأفكار المتعددة التعاطف التي تصيب البيئات الداخلية، والفكرة الرئيسية هي أن أنماط التحول ذات التردد يمكن أن تستخدم كتوقيعات فريدة لمختلف المناطق، وتدمج المعلومات المكانية بصورة فعالة في قناة الاتصال، مما يجعل من البرمجيات الحرة صالحة للوضع الداخلي حيث نادرا ما تكون مضمونة وتظهر.

وهناك فئتان واسعتان من مواقع شبكة المعلومات المالية: نشطة وسارية، وفي النظم النشطة، يقوم جهاز محمول (مثل جهاز هاتف ذكي أو قابل للزراعة) ببث إشارات من طراز FSK يتم اكتشافها بواسطة أجهزة استقبال ثابتة تم تركيبها في المبنى، وفي نظم سلبية، توجد إشارات ثابتة من جهاز استقبال متنقل، وتستنتج من ذلك وجود موقعها استنادا إلى خصائص المرور التي يتم الحصول عليها.

Technical Fundamentals of FSK Modulation for Positioning

وفهما لما تعمل عليه شبكة المعلومات والاتصالات في الأماكن المغلقة، يساعد على استعراض الفيزياء التي تبثها الإشارات في الأماكن المغلقة، حيث أن موجات الراديو في نطاق الترددات ISM التي تبلغ 2.4 غيغاهيرتز أو في إطارات التردد العالي المنخفض يمكن أن تخترق الجدران، بل أن تنعكس على السطح، وتخلق نسخا متعددة من الإشارة التي تصل إلى جهاز الاستقبال مع اختلاف فترات التأخير والمراحل.

وثمة مفهوم هام آخر هو تنوع الترددات، إذ يمكن لنظم تحديد المواقع في جمهورية كوريا الشعبية الديمقراطية أن تخلق توقيعات مميزة لمختلف المناطق، ويمكن للمتلقي أن يربط الإشارة الواردة بالترددات المتوقعة لتقدير وجود جهاز إرسال محدد والمسافة النسبية عن طريق أجهزة قياس الترددات المتلقاة أو وقت الطيران الفرعية (الإطار المتكامل).

ويستمد الأساس الالرياضي للوضع المحلي في منطقة FSK من تحليل التردد الزمني وتقدير بايزيا، ويمكن، من خلال نموذج الإشارة الواردة كخليط من طن الكرونات المفلورة المعروفة بالإضافة إلى الضجيج، أن يستخدم جهاز استقبال مرشحات متطابقة لاستخراج أكثر تقلبات التردد احتمالا، وتشكل سلسلة التحولات المكتشفة نمطا يمكن رسمه إلى موقع يستخدم إما قاعدة بيانات مثبتة مسبقا أو نظام ثلاثي.

مقارنة مع طرق أخرى للإقامة الداخلية

فنظام " FSK " يُحتل مكاناً لطيفاً بين البساطة والقوة، في حين أن نظام " TT " الذي يُستخدم في إطار جولة ويبز على الشبكة العالمية (Wi) يمكن أن يوفر قدراً كبيراً من الدقة ولكنه يتطلب دعماً من الهياكل الأساسية والأجهزة المتخصصة، فالأجهزة التي تستخدم أجهزة الاستطلاع ذات القدرة المنخفضة لا تُعتمد على أي شكل من أشكال الترددات، وتعاني من تقلبات الترددات.

الهيكل التنظيمي والمكونات

ويتألف نظام تحديد المواقع في إطار نظام المعلومات المالية المتكامل من ثلاث طبقات رئيسية هي: طبقة المعدات المادية، وطبقة بروتوكول الاتصالات، وطبقة خوارزمية التمركز.

شركة هارد واير

وعلى مستوى الأجهزة، يتطلب النظام أجهزة إرسال (الأجهزة أو بطاقات الهاتف المحمول) ومستقبل (المراسي الثابتة أو الوحدات المتنقلة) وعادة ما تتألف أجهزة النقل من جهاز موصل صغير، ومحرك للأجهزة اللاسلكية (ويُدمج في كثير من الأحيان في رقاقة جهاز إرسال لاسلكي مثل مجموعة أدوات تكساس C1101 أو سلسلة أجهزة الترددات الأوروبية NRF24)، وجهاز للبث يولد لوحات نقل متحركة تمثل موجة نقل وتُرسلها.

والمستقبلات عادة ما تكون مواضع ثابتة في مواقع معروفة في جميع أنحاء الحيز الداخلي، ويشمل كل جهاز استقبال لاسلكي يُدرس في نطاق الترددات FSK، وجهاز للخفض الرقمي، ودائرة التبسيط الزمني، ويمكن أيضا استخدام أجهزة الراديو الحديثة المحددة بالبرمجيات في وضع البطاقات، مما يتيح إجراء تغييرات مرنة في معايير الاستهلاك.

بروتوكول الاتصالات

ويحدد البروتوكول كيفية تنسيق أجهزة الإرسال والاستقبال، وبالنسبة لنظم الاتصال السلبية، يقوم كل جهاز من أجهزة الاتصال مرارا بإحالة هويته باستخدام نظام البرمجيات المزودة بأجهزة الترددات، ويستمع الجهاز المحمول إلى هذه الإرسالات ويسجل خصائص الإشارة الواردة، ويجب أن يتولى البروتوكول مراقبة الدخول عند إرسال أجهزة الاتصال المتعددة في وقت واحد، كما أن نظاما متعددا من أجهزة الاتصال بالأجهزة الترددية، هما نظامان مركبان نشطان.

محلة أغوريثم لاير

وتحوّل طبقة الخوارزمية قياسات الإشارات الخام في نظام رصد الرحلات الجوية إلى تقدير للمواقع، وهناك نهجان مهيمنان هما: تحديد النطاقات وقاعدة البيانات القائمة على البصمات، والطرق القائمة على أساس الترسبات، والبعد عن الترددات أو وقت الطيران، وبما أن إشارات الترددات في الترددات المزودة بمقياس زمني محدد، يمكن أن تؤدي إلى قياسات متطابقة مع قواعد بيانات الترددات الأخرى المعروفة.

وكثيرا ما تُدرَج النُهج الهجينة التي تجمع بين تقديرات النطاقات وبين مضاهاة البصمات أفضل دقة في الممارسة العملية، مثلاً يمكن لمرشاة كالمان أن يُستخدم قياسات النطاقات التي تستخدمها شركة FSK مع بيانات وحدة القياس غير الجوي من أجل سلاسة مسار مستخدم متحرك.

عملية تطوير نظم تحويل المواقع إلى مصادر خارجية

ويتطلب بناء نظام موثوق به للوضع الداخلي في الداخل في إطار نظام FSK هندسة دقيقة عبر مجالات متعددة، وقد حددت المادة الأصلية أربع خطوات، نتوسع فيها هنا بتفصيل تقني أعمق.

1 - تصميم الإشارات وتحقيق الاستخدام الأمثل

وتتمثل الخطوة الأولى في تصميم بارامترات الإشارة الخاصة بمؤسسة FSK: تردد الناقل، وانحراف التردد بين العلامات والأماكن، والمعدلات الضيق، وهيكل الحزم، وهذه الخيارات تؤثر مباشرة على النطاق، وحصانة الضوضاء، والقدرة على التكيف المتعدد الاختلاف، إذ تتراوح معدلات الترددات النموذجية للناقلات بين 868 ميغاهيرتز و2.4 جيرتز، وتزيد الترددات التي توفر تغلغلغلبا أكبر ولكنها تتطلب قدرا أكبر من التواتر؛

وتشمل الإشارة أيضاً ديباجة للتزامن، والكلمة الفريدة لكشف الحزمة، والحمولة التي تحتوي على هوية الموقع أو المعلومات التي تتفاوتها، ويجب أن تكون الديباجة طويلة بما يكفي لمراقبة المكسب التلقائي للمستقبل واستعادة الساعات إلى القفل، وكثيراً ما يستخدم المصممون أدوات محاكاة مثل MATLAB أو إذاعة GNU لتقييم معدل الخطأ المتوقع في مختلف نماذج القنوات المتعددة الاختراع قبل البدء.

2- تنفيذ برامجيات البرمجيات الصلبة

بعد تصميم الإشارة، المرحلة التالية هي تنفيذ المعدات، أما بالنسبة للمرسلين، فإن الهدف هو توليد موجة نظيفة من طراز FSK مع الحد الأدنى من الترددات، وقد قام العديد من المتحكمين في الترددات المتناهية الصغر ببناء محيطات إذاعية قادرة على نقل الترددات، ولكن يجب توخي الحذر لضمان استقرار الترددات على درجة الحرارة والفولط، وعادة ما يكون جهاز الفرز غير المتزامن كافيا للاستخدام في الأماكن المغلقة حيث يصل إلى 50 مترا.

ويمكن القيام بالاختبار باستخدام منابر نزع السلاح والتسريح وإعادة الإدماج مثل نظام USRP أو ADALM-PLUTO، التي تتيح سرعة تسرب بارامترات العزل، وعندما يتم التحقق من التصميم، يمكن وضع خماسي كلور البنزين مع مترجم مختار وجهاز ملوثات صغيرة للإنتاج الجماعي، وإدارة السلطة هي الاعتبار الرئيسي: بالنسبة للأجهزة المحمولة بالبطارية، يجب أن تظل دورة العمل منخفضة (مثلاً).

3 - تنمية الحوريات

أما تطوير الخوارزميات فيشمل كتابة البرمجيات الثابتة التي تُعالج الأجزاء المخفضة لإنتاج تقديرات المواقع، أما بالنسبة للنظم القائمة على النطاق، فيجب أن تقيس الخوارزمية وقت تحليق الإشارة FSK، ويمكن القيام بذلك عن طريق اختلاس مصباح في النقل واستخدام مسافات ذات اتجاهين (تشبه المستعمل في نظم الترددات الموحدة) ولكن مع وجود مسافات معدة من النموذج المحتوي على إشارات مثبتة.

ومن أجل طبع الأصابع، يلزم تدريب الخوارزميات على البيانات التي يتم جمعها في شبكة من النقاط المرجعية، وينبغي أن تشمل البصمات المجمعة نقاط الإشارة لجميع المقاييس الظاهرة، وأن تكون أنماط التردد المخفضة اختياريا، وأن تطبق تقنيات الحد من الذاكرة، مثل تحليل المكونات الرئيسية، للحد من الحمولة الحسابية، وأن يتم تدريب مصنف مثل شبكة حرجية أو عصبية عشوائية على تحديث البصمات الضوئية للإحداثيات.

4- الاختبار والمعايرة

والخطوة الرابعة هي الاختبارات والمعايرة الشاملة: فالبيئات الداخلية تتباين تباينا كبيرا: فهرس مفتوح به جدران زجاجية يميز بخصائص مختلفة متعددة التعاطف عن الممر الذي يربط برفوف معدنية، ولذلك يجب أن يُعيَّن النظام لكل موقع من مواقع النشر، ويشمل الاحتكاك نقل جهاز إرسال مرجعي إلى مواقع معروفة وتسجيل قياسات أجهزة الاستلام، ثم تستخدم بيانات المعايرة لتعديل بارامترات ذات المقياس المرجعي، على سبيل المثال،

وبعد معايرة النظام، يجب التحقق من دقة النظام بمقارنة المواقف المقدرة بواقع الأرض على طول مسار اختباري، والخطأ الحاد والخطأ في ال ٩٠ في المئة، ومعدل التحديث هي مقاييس قياسية، ومن الشائع تحقيق خطأ متوسط قدره ١ إلى ٣ متر في بيئة مكتبية نموذجية مع تباعد منارة يتراوح بين ٥ و ١٠ مترات، ويمكن أن تؤدي أساليب المعايرة الآلية باستخدام الروبوتات أو الطائرات الآلية إلى الحد من العمل المطلوب.

مزايا إقامة محلية في جمهورية صربسكا

وتوفر النظم القائمة على أساس نظام المعلومات المالية والملاحية فوائد متميزة تجعلها جذابة للملاحة الداخلية:

Noise immunity:] Because information is encoded in frequency, FSK can withstand up to 15 -20 dB of multipath interference that would completely obliterate amplitude-based signals. This is particularly valuable in environments with metal shelving or moving objects.
Low power consumption:] FSK transmitters can operate with very low duty cycles and sleep most of the time. A typical BLE beacon draws around 10 mA during transmission; an FSK beacon can achieve similar or lower consumption because the modulation scheme does not require a linear amplifier -class C amplifiers are sufficient.
]Cost-effective:] FSK transceiversiversivers are commodities components. For example, the ] Texas Instruments CC1101 costs under $2 in volume, and the sameرق can be used for both transmitter and receiver. This is far cheap than UWB modules10 which can cost $5-$.
Proven reliability:] FSK is a grown technology used in wireless systems such as garage door openers, keyless entry, and low-power IoT networks. Developers can leverage extensive existing knowledge and tools.
License-free operation:] Most FSK systems operate in the ISM bands (868 MHz in Europe, 915 MHz in the US, 2.4 GHz globally), avoiding the need for dedicated spectrum licenses.

التحديات والحدود الحالية

وعلى الرغم من هذه القوة، فإن تمركز القوات المسلحة لجمهورية كوريا ليس حلاً للخنازير، ويواجه المهندسون عدة عقبات عملية:

الإشارة إلى تجاوز عدد النشرات الكثيفة

وعندما يوضع العديد من المنارات على مقربة من بعضها البعض، يمكن للمستقبل أن يكتشف في الوقت نفسه إشارات متعددة من نوع FSK، مما يؤدي إلى حدوث تصادمات وأخطاء في التشفير، ويستلزم الأمر تخطيط إعادة الاستخدام في حالات التردد: يجب على أجهزة الاتصال المجاورة أن تستخدم إما أزواجا مختلفة للتواتر أو فترات زمنية مختلفة، مما يعقِّد إدارة الشبكة ويقلل من معدل التحديث الفعلي لكل جهاز منارة.

التواتر المتكاثر

وفي حين أن الفرنك الزعنف أقوى من العزلة التراكمية، فإن التعددية الشديدة في البيئات المظهرية للغاية (مثلاً، قد تسبب فريوماً يحتوي على عدة سراويل زجاجية) تزييفاً متسارعاً يدمر التمييز بين الترددات، ويحدث ذلك عادة عندما يكون التأخير مقارناً بفترة الرمز أو أكبر منها، ويمكن أن يؤدي اتساع نطاق الترددات FSK مع تنوع الترددات إلى التخفيف من هذا، ولكنه يزيد من اتساع نطاق الترددات.

مؤسسة المعايرة

وكما لوحظ، فإن كل موقع من مواقع النشر يتطلب معايرة محددة للمواقع، ويمكن أن تشكل تكلفة المعايرة والوقت اللازمين للتبني حاجزا كبيرا، لا سيما بالنسبة للمساحات التي كثيرا ما تعاد تشكيلها (مثل قاعات المعارض) والأغلاقيم التناسبية التي تتعلم وتستكمل قاعدة بيانات البصمات في الوقت الحقيقي دون معايرة واضحة، هي مجال بحوث نشط (انظر مثلا: العمل بواسطة [FLT:]Dardari et1]).

حدود الاستحقاق

ونادرا ما تحقق النظم القائمة على أساس الترددات الحرة دون 50 سنتيمتر دون أجهزة استشعار إضافية، أما بالنسبة للملاحة الدقيقة (مثل توجيه الروبوت إلى جرف محدد)، فإن اليورانيوم أو الأساليب القائمة على الرؤية تظل أعلى، ولكن بالنسبة للملاحة على مستوى المشاة حيث يكون الخطأ في المتر مقبولا، فإن البرمجيات الحرة والصغيرة المصدر خيار تنافسي.

الاتجاهات والتكامل في المستقبل

ومن المرجح أن يدمج الجيل القادم من نظم تحديد المواقع في منطقة FSK تقنيات التناوب مع التكنولوجيات الأخرى للتغلب على أوجه الضعف الحالية.

Fusion with Inertial Sensors

ومن الاتجاهات الواعدة التكامل الضيق مع وحدات القياس غير المباشر المتاحة في معظم الهواتف الذكية والملابس، ومن خلال إدخال تحديثات لمواقع FSK باستخدام مقياس التسارع وبيانات الجروسكوب باستخدام جهاز قياس ممتد من طراز كالمان، يمكن للنظام أن يحتفظ بوضع دقيق حتى خلال فترات توقف فيها إشارات الترددات (مثلاً عندما ينتقل المستعمل إلى الزاوية).

تعليم الآلات للطباعة الآلية

وقد طبقت نماذج التعلم العميق، ولا سيما الشبكات العصبية الملتوية والشبكات العصبية المتكررة، على مواصفات الإشارة الخام FSK لاستخراج سمات محددة للمواقع تكون أكثر قوة من الملامح اليدوية مثل نظام رصد السجلات والمحفوظات، ويمكن لهذه النماذج أن تعمم بشكل أفضل على البيئات الجديدة وأن تقلل من الحاجة إلى معايرة الأرض.

Integration with Bluetooth 5 and IEEE 802.15.4

- أجهزة لاسلكية حديثة تدعم بلوتون 5 و820-15.4 EEE (Zigbee, Thread) تشمل أجهزة مناورة تابعة لمؤسسة FSK، هل يمكننا أن نستخدم هذه الأجهزة اللاسلكية للتمركز؟ نعم، يقوم الباحثون بوضع أساليب لتضمين المعلومات المتعلقة بالمواقع في مجموعات الإعلانات الدورية لأجهزة BLEK باستخدام نظام FSK على أعلى مستوى GFSK (Gaussian FtoSK) المستخدم.

مجمَّع من طراز FSK وUWB

ويتيح النطاق الترددي الأعلى درجة عالية من الدقة ولكن استهلاكا عاليا من الطاقة، ويمكن لنظام هجين أن يستخدم الحاسب الآلي في تحديد مواقعه المحلية مع انخفاض مستوى الطاقة، ثم ينشط نظام يو دبليو بي لتتراوح بدقة بين الحاجة فقط (مثلا عندما يدخل المستخدم غرفة تتطلب دقة عالية) ويمكن أن يمتد هذا النهج الهرمي إلى حياة البطاريات مع تحقيق أفضل العالمين.

خاتمة

فنظم التمركز القائمة على أساس البرمجيات الحرة والمفتوحة المصدر تمثل حلا عمليا وفعالا من حيث التكلفة للملاحة الداخلية في البيئات التي تفشل فيها الشبكة العالمية لتحديد المواقع، وكونها متأصلة في التعددية والضوضاء، وانخفاض استهلاك الطاقة، وتوافر معدات مرسلة غير مكلفة، يجعلها خيارا جذابا للنشر الفضي على نطاق واسع في التجزئة، والرعاية الصحية، والسوقيات، والنقل العام، وفي حين أن التحديات مثل تداخل بين التداخل بين أجهزة القياس، تظل،