מבוא לאתגרי ניווט פנימיים

ניווט פנימי הפך לנדרש קריטי לתשתיות מודרניות, אך הוא נותר בעיה טכנית קשה.התת מערכת מיקום גלובלית (GPS) אותות, אשר עובדים באופן אמין בחוץ, עמידים במהירות כאשר עוברים דרך חומרי בניין כגון בטון, פלדה וזכוכית. בחללים גדולים כמו מסופי שדה תעופה, מרכזי קניות, בתי חולים, ומרכזי תחבורה תת-קרקעיים, GPS נכשל לחלוטין או מספק שגיאות מיקום של עשרות מטרים אלה יש גישה יעילה לפיתוח תעשייתי אחד.

מה זה FSK-based Localization?

FSK היא תוכנית מודולציה דיגיטלית שבה נתונים בינאריים מיוצגים על ידי שינויים בתדר דיסקרטי בסימן נושא. במערכת פשוטה של FSK (BFSK), 0 לוגי מתאים לתדירות אחת ו 1 לוגי מתאים לקוד אחר.למטרות מקומיות, אות FSK עצמו נושאת מידע על זהות השידור או המיקום הספציפי של A מנתח מקבל את התדרים המוכרים - לעתים קרובות על בסיס זמן או מיקום ידוע של מיקום.

בניגוד לשיטות מבוססות אבהדות או מבוססות שלב, FSK עמיד בפני תנודות אמפליטוניות ויכול לסבול השתקפות רב-פת המגיפה סביבות מקורה.הרעיון המרכזי הוא כי אותם דפוסי שינוי תדירות ניתן להשתמש בהם כחתימות ייחודיות לאזורים שונים, ביעילות אופטימיזציה של מידע מרחבי לתוך ערוץ התקשורת.זה הופך את FSK להתאמה טבעית לעמדה פנימית שבה קו הראייה הוא לעתים רחוקות מובטח אותות בשפע ומשנה אותות.

ישנם שתי קטגוריות רחבות של ה-FSK Localization: פעיל ופאסיבי במערכות פעילות, מכשיר נייד (למשל, טלפון חכם או עונד) משדר אותות FSK אשר מזוהים על ידי מקלטים קבועים המותקנים במבנה. במערכות פאסיביות, משואות FSK קבוע פולטות אותות אשר נאספים על ידי מקלט נייד, אשר לאחר מכן מדגימה את המיקום שלו על בסיס המאפיינים המתקבלים.

מימון טכני של FSK Modulation עבור מיקום

כדי להבין מדוע FSK עובד היטב בתוך מבנים, זה עוזר לבחון את הפיזיקה של הפצת אותות במרחבים סגורים. גלי רדיו ב-2.4 GHz ISM או להקות UHF נמוך יותר יכול לחדור קירות אבל ישקף משטחים, יצירת עותקים מרובים של האות שמגיע בסיר עם אותות שונים ושלבים.תופעה זו, המכונה ריבוי phopathding, יכול לעוות או שלב משתנה באופן דרמטי יותר מאשר תדירות מוגבלת של מידע לא מוגדר יותר, אך לא ניתן לתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר, אך לא ברורה.

רעיון חשוב נוסף הוא מגוון תדרים.על ידי שימוש במספר זוגות תדרים (למשל, קבוצה של תדרים אורטוקונים), מערכות FSK Localization יכולות ליצור חתימות אותות נפרדים לאזורים שונים.ה המקלט יכול לקשור את האות המתקבל נגד תדרים צפויים להעריך הן את נוכחותו של משדר ספציפי ואת המרחק היחסי באמצעות אות שהתקבל (RSS) או זמן טיסה (לחלק מתקדם משלב בין יישום FK עם דיוק מבוסס כדי להשיג.

הבסיס המתמטי של ה- FSK Localization שואב מניתוח זמן- ⁇ ו- Bayesian estimation. על ידי מודל האות המתקבל כתערובת של טונים ידועים FSK בתוספת רעש, מקלט יכול ליישם מסננים מתאימים כדי לחלץ את השינויים התדירות הסבירים ביותר.סדרה של שינויים מזוהים טפסים דפוס שניתן למפות למיקום באמצעות מסד נתונים טרום-מבוסס או משולש מבוסס על אלגוריתם מבוסס על עמדות משואות.

השוואה עם שיטות מקומיות אחרות

FSK תופסת נקודה מתוקה בין פשטות ועוצמה. Wi-Fi Round Trip Time (RTT) יכול לספק דיוק ברמת מטר, אך דורש תשתיות מיוחדות ותמיכה במכשירים. Bluetooth Low Energy (BLE) זול אך סובלים מתנודות וטווח מוגבל של מערכות אולטרה סאונד מציעים דיוק גבוה, אך הם רגישים לרעש תחרותי ודורשים קו-of-KSK-based מערכות, לעומת זאת, לפעול על ידי רדיו סטנדרטי, צריכת חשמל סטנדרטי, כלומר, כלומר, בתנאי יעילות נמוכה יותר, בטווח של 1 של פחות מ-S, בדרך כלל, כלומר, כלומר, היא נמוכה יותר, בתנאי יעילות, היא נמוכה יותר, כאשר הם לעתים קרובות, כלומר, כלומר, כאשר הם יכולים להיות פחות מטווח העבודה של פחות יעילה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר בתנאי יעילות, כאשר הם יכולים להיות פחות מטווח של אבטחה של מערכת יעילה יותר מאשר אבטחה של אבטחה נמוכה יותר, כאשר הם לעתים קרובות, כלומר, כלומר, בתנאי אבטחה נמוכה יותר, כלומר, שימוש בתדירות גבוהה של אבטחה נמוכה יותר, שימוש בתדירות גבוהה יותר מאשר שימוש בתדירות גבוהה יותר, כלומר, כאשר הם, היא נמוכה יותר, כלומר, היא נמוכה יותר של מערכת אבטחה נמוכה יותר, היא נמוכה יותר, היא נמוכה יותר מאשר שימוש בתדירות גבוהה של אבטחה

אדריכלות מערכת ושותפים

מערכת ההקצאה המלאה כוללת שלוש שכבות עיקריות: שכבת החומרה הפיזית, שכבת פרוטוקול התקשורת ושכבת האלגוריתם של ההיבריזציה.

תגית: Hardware Layer

ברמת החומרה, המערכת דורשת משדרים (בקטונים או תגים ניידים) ומקבלים (עוגנים תואמים או יחידות סלולריות) טרמיטרים מורכבים בדרך כלל ממיקרו-בקר, מנטרולציה FSK (לעתים קרובות משולבים לתוך שבב רדיו טרנזיסטיבי כמו טקסס מכשירים CC1101 או סדרת NKRF הנורדית), ואנטנה.The משדרת נושאת גל ודרים על פי פרוטוקולים פעילים כדי לשלוח את הקודים הפעילים שלה.

מקבלים הם בדרך כלל צמתים נייחים להציב במיקומים ידועים בכל החלל הפנימי.כל מקלט כולל מקלט רדיו מכוון ל-FSK תדירות להקה, דמודור דיגיטלי, ולוחמת זמן.רדיוים מוגדרים תוכנה מודרנית (SDRs) ניתן גם לשמש עבור prototyping, המאפשר שינויים גמישים לפרמטרים מודולציה.

פרוטוקול תקשורת שכבת

הפרוטוקול מגדיר כיצד משדרים ומקלטים לתאם.עבור מערכות משואה פסיביות, כל משואה מעבירה שוב ושוב את מזהה באמצעות FSK Modulation.המכשיר הנייד מקשיב לשידורים אלה ומקליטת את המאפיינים המתקבלים.הפרוטוקול חייב להתמודד עם בקרת גישה כאשר משואות מרובות משדרות בו זמנית. חלוקת זמן (TDMA) או חלוקת תדירות גישה (FDMA) הן נפוצות במערכות, המכשיר הנייד, המכשיר יכול להגיב עם הודעות מידע קבוע, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כולל הודעות אבטחה והודעות אבטחה והודעות אבטחה תזמון יכול לכלול את התזמון ידניות, כך, כך, כולל הגדרות התזמון מותאם אישית, כך, כך, כולל הגדרות הפעלה.

המונחים: Algorithm Layer

שכבת האלגוריתם הופכת מדידות אותות FSK לערכת עמדה.יש שתי גישות דומיננטיות: שיטות מבוססות טווח ומבוססות טביעת אצבע.טווח טווח להעריך את המרחק בין משדר לבין מקלט מעצימות אות או זמן טיסה. מאחר שאות FSK יש מדידות מוגדרות היטב, לוחות זמנים של העברת אותות, בזמן של שידור טיסה יכול להתבצע על ידי ניתוח של זמן של תדירות ספציפית טביעות אצבע, לאחר מכן, לאחר מכן, איסוף של עמדות חדשות של תכונות חדשות של זיהוי.

גישות היברידיות המשלבות הערכות טווח עם טביעת אצבע התאמת לעתים קרובות מניבות את הדיוק הטוב ביותר בפועל.לדוגמה, מסנן קלמן יכול למזג את מדדי טווח FSK עם יחידת מדידה לא רצויה (IMU) כדי לחלק את המסלול של משתמש נע.

פיתוח מערכות FSK Localization

בניית מערכת מיקום מקורה מבוססת FSK אמינה מחייבת הנדסה זהירה על פני תחומים מרובים.המאמר המקורי המפורט ארבעה שלבים, אשר אנו מרחיבים כאן עם פרטים טכניים עמוקים יותר.

1. עיצוב אותות ואופטימיזציה

הצעד הראשון הוא לעצב את הפרמטרים של האות FSK: תדירות נושאת, סטיית תדירות בין סימנים ומרחבים, את קצב ה bit rate ואת מבנה החבילה. האפשרויות האלה משפיעות ישירות על טווח, חסינות רעש, וגמישות רב-פתטית. לשימוש מקורה, תדרי נושא טיפוסיים בין 868 MHz ל-2.4 GHz.

האות כולל גם preamble עבור סינכרוניזציה, מילה ייחודית עבור זיהוי החבילה, ואת המטען המכיל את מזהה המיקום או החלפה מידע. preamble חייב להיות ארוך מספיק עבור בקרת הרווח האוטומטי של המקלט ושיקום השעון כדי לנעול. מעצבים לעתים קרובות להשתמש בכלים סימולציה כמו MATLAB או GNU רדיו כדי להעריך את שיעור השגיאה הצפוי מתחת מודלים מרובים לפני הסתברות.

המונחים: Hardware Implementation

לאחר עיצוב אותות, השלב הבא הוא יישום החומרה.עבור משדרים, המטרה היא ליצור גלפי FSK נקיים עם סחף תדר מינימלי.מיקרו-בקרים זולים רבים נבנות בגלימות רדיו המסוגלות ל-FSK Modulation, אך הטיפול חייב להיות מופצה כדי להבטיח את יציבות התדר על פני טמפרטורה ומתח. A 20 pm oscill בדרך כלל מספיק לשימוש מקורה עם חוט משותף, כדי לדחות את לוחמת הזמן, כדי לדחות את ה-Fon-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

Prototyping ניתן לעשות באמצעות פלטפורמות SDR כגון USRP או ADALM-PLUTO, המאפשרת השקיה מהירה של פרמטרים מודולציה. ברגע שהעיצוב הוא תוקף, מותאם אישית עם ה- PCB שנבחר IC ומיקרובקר יכול להיות מפותח לייצור המוני. Power ניהול הוא שיקול מפתח: עבור משואות מופעלות סוללות, מחזור החובה חייב להיות נמוך (למשל, שידור של 2 חודשים) כדי להשיג תיקוני של תאים על כל אחד.

3.Algorithm Development

פיתוח Algorithm כרוך בכתיבת הקושחה אשר מעבד את ביטים הדמוגרפיים לייצר הערכות מיקום.עבור מערכות מבוססות טווח, האלגוריתם חייב למדוד את זמן הטיסה של אות FSK. זה יכול להיעשות על ידי הטמעת תזמון פעמים שידור ושימוש בשני מסלולים (דומה לזה בשימוש במערכות UWB) אבל עם FSK לחלופין, את הכוח ניתן להמיר אותות קלים יותר מאשר קוד פתוח עם ה-Squareative הוא פחות יציב עם ה-Squareative הוא בעל ה-FKude הוא פחות יציב עם ה-FKude.

עבור טביעת אצבע, האלגוריתם צריך להיות מאומן על נתונים שנאספו ברשת של נקודות התייחסות.טביעות האצבע שנאספו צריך לכלול את נקודות האות של כל משואות גלויות ואופציונלית את דפוסי הפחתת התדירות המפרקים.הטכניקות של הפחתת מימדיות כמו ניתוח רכיב העיקרי ניתן ליישם כדי להפחית עומס חישובי, ומגדיר מסווג כגון יער אקראי או רשת עצבית יכול להיות מאומן למפות כדי לתאם את התזמון האמיתי של זמן קצר על ידי שימוש באלגוריתם, ולכן יש צורך באלגוריתם נמוך של שימוש, ולכן יש צורך באלגוריתם נמוך של שימוש, ולכן, ולכן יש צורך באלגוריתם נמוך של שימוש מוגבל, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, ולכן, יש צורך באלגוריתם, יש צורך באלגוריתם, ולכן, כגון יער רגיל, כגון יער רגיל, ולכן, ולכן, כגון יער רגיל או רשת עצבי, כגון יער רגיל, ולכן, ולכן, ולכן, יש להתאים את התכונות של שימוש מינימלי, כגון יער רגיל, ולכן, כגון יער רגיל, כגון יער אקראי, כגון יער או רשת עצבי, כגון יער או רשת עצבי, כגון יער אקראי או רשת עצבי, כדי להתאמה אישית, כגון יער או רשת עצבית, כגון יער או רשת עצבית, יש צורך, כגון יער או רשת עצבית, ולכן, יש צורך באלגוריתם, כגון יער

4.בדיקות ו-Celbration

הצעד הרביעי הוא בדיקה יסודית ו calibration.Indoorסביבות להשתנות במידה עצומה: לובי פתוח עם קירות זכוכית מציג מאפיינים רב-פתים שונים מאשר מסדרון עם מדפים מתכת.לכן, המערכת חייבת להיות מכווצת לכל אתר פריסה.קליברציה כוללת העברת משדר התייחסות לעמדות ידועות ולרשום את מדידת המקלט.

לאחר הסגירה, דיוק המערכת חייב להיות מאומת על ידי השוואת עמדות משוערות נגד אמת הקרקע לאורך מסלול מבחן.טעות משמעית, טעות של 90%, וקצב העדכון הם מדדים סטנדרטיים.זה נפוץ להשיג טעות ממוצעת של 1-3 מטרים בסביבה טיפוסית במשרד עם מקהלת משואות של 5-10 מטרים.

יתרונות של FSK Localization

מערכות מבוססות FSK מספקות הטבות שונות שהופכות אותם אטרקטיביים לניווט מקורה:

  • (FLT:0) חסינות רעש: 1 משום שהמידע מקודד בתדר, FSK יכול לעמוד עד 15–20 dB של התערבות רב-אפתית אשר תשמיד לחלוטין אותות המבוססים על אידוי.
  • (FLT:0) צריכת החשמל של לולא: 1FLT 1 משדרי FSK יכולים לפעול עם מחזורי חובה נמוכים מאוד לישון רוב הזמן. a טיפוסית משוחזרת BLE שואבת בערך 10 מ"א במהלך השידור; מגדלור FSK יכול להשיג צריכת דומה או נמוך יותר כי תוכנית המודולציה אינה דורשת מגבר ליניארי - מגבר C הם מספיק.
  • (ב) [17]הההתייעלות:0 (ה-תועלת:0) ; (ב) ⁇ (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) , למשל, ה-FLT:2Texas Instruments CC1101IRFLT 3 עולה מתחת ל-2 דולר בנפח, ואותו השבב ניתן להשתמש בו גם עבור משדר וגם מקלט.
  • (FLT:0) אמינות פרובן: FSK 1FLT הוא טכנולוגיה בוגרת המשמשת במערכות אלחוטיות כגון פותחי דלת מוסך, כניסה ללא מפתח ורשתות IoT בעלות כוח נמוך יכול למנף ידע רב והכלים הקיימים.
  • (FLT:0) ,License-free Action:FLT:1 רוב מערכות FSK פועלות בלהקות ISM (868 MHz באירופה, 915 MHz בארה"ב, 2.4 GHz ברחבי העולם), תוך הימנעות מצורך ברישיון ספקטרום ייעודי.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות החוזקות הללו, ה-FSK המקומיזציה אינה פאן-אצ'ה מהנדסים מתמודדים עם מספר מכשולים מעשיים:

אות יתר על המידה ב Dense Deployments

כאשר משואות רבות ממוקמות יחד, המקלט עשוי לזהות בו זמנית אותות FSK מרובים, המוביל להתנגשות ולטעון שגיאות. תכוזיות של תכוזיות היא נדרשת: משואות שכנות חייבות להשתמש בזוגות תדרים שונים או חריצים אחרים של זמן.זה מסבך את ניהול הרשת ומקטין את שיעור העדכון היעיל למקומות.

Multipath-Induced Frequency Distortion

בעוד FSK הוא חזק יותר מאשר אמפליטודה, רב-פתים קיצוניים בסביבות רפלקטיביות מאוד (למשל, אטריום עם מחבתות זכוכית רבות) יכול לגרום לנפיחות אלקטרואקטיבית של תדירות המשמידת את ההבחנה בין תדרים בדרך כלל, זה קורה כאשר העיכוב מתפשט הוא דומה או גדול יותר מתקופת הסמל.רחב FSK עם מגוון רחב יכול להקטין את רוחב הפס, אבל זה מגביר את רוחב הפס והצריכה.

המונחים: Effort

כאמור, כל אתר פריסה דורש ריצוף ספציפי באתר.העלות והזמן ל calibration יכולים להיות מחסום משמעותי לאימוץ, במיוחד עבור חללים שלעתים קרובות מופעלים מחדש (כמו אולמות תצוגה) אלגוריתמים הסתגלותיים אשר לומדים ועדכונים את מסד הנתונים טביעת האצבע בזמן אמת ללא כיור מפורש הם אזור מחקר פעיל (ראו, למשל, עבודה על ידי LTF:0Dar et al.

הגבלות יציבות

מערכות מבוססות FSK לעתים רחוקות להשיג דיוק תת--50 ס"מ ללא חיישנים נוספים.עבור ניווט עדין (למשל, המנחה רובוט למדף ספציפי), UWB או שיטות המבוססות על ראייה נותרו גבוהות יותר.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה

הדור הבא של מערכות ה-FSK ישלב ככל הנראה את טכניקת המודולציה עם טכנולוגיות אחרות כדי להתגבר על החולשות הנוכחיות.

ספין עם חיישנים אינפורמטיביים

אחד בכיוון מבטיח הוא שילוב הדוק עם יחידות מדידה לא רצוי (IMUs) זמין ברוב הטלפונים החכמים וניתן ללבוש. על ידי ספין FSK העדכונים עם נתונים accelerometer ו-gyroscope באמצעות מסנן קלמן מורחב, המערכת יכולה לשמור על מיקום מדויק גם במהלך תקופות כאשר אותות FSK חסומים באופן זמני (למשל, כאשר משתמש הופך פינה).

Machine Learning for Robust Fingerprinting

מודלים למידה עמוקה, במיוחד רשתות עצביות אבולוציה ורשתות עצביות חוזרות, כבר הוחלו על מנת לדגום את אותות FSK כדי לחלץ תכונות ספציפיות מיקום כי הם חזקים יותר מתכונות ידניות כמו RSSI. מודלים כאלה יכולים להכלל טוב יותר לסביבות חדשות ולהקטין את הצורך ב- רזולוציה-אמת ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שילוב עם Bluetooth 5 ו- IEEE 802.15.4

שבבי רדיו מודרניים התומכים ב-Bluetooth 5 ו- IEEE 802.15.4 (Zigbee, Messenger) כוללים את FSK Modulators.האם אנו יכולים למנף את הרדיו האלה עבור Localization? כן. החוקרים מפתחים שיטות להטמיע מידע מיקום בחבילות הפרסום תקופתיות של מכשירים אפשריים על ידי שימוש ב- FSK Modulation על גבי תקן GFSK (Gaussian FSK) בשימוש על ידי Bluetooth זה יאפשר לשרת מטרות תקשורתיות קיימות ללא מטרות נוספות - תקשורת מקומיות - ו-

FSK ו- UWB

Ultra-wideband מציע דיוק גבוה אבל צריכת חשמל גבוהה.מערכת היברידית יכולה להשתמש FSK עבור המקומיזציה קוהרזה וצמיחה בעוצמה נמוכה, ולאחר מכן להפעיל UWB עבור הילוך מדויק רק כאשר צריך (למשל, כאשר המשתמש נכנס לחדר הדורש דיוק גבוה). גישה היררכית כזו יכולה להאריך את חיי הסוללה תוך השגת הטוב ביותר של שני העולמות.

מסקנה

מערכות ההיברות מבוססות FSK מייצגות פתרון מעשי ובעלות יעיל לניווט מקורה בסביבות שבהן GPS נכשל.החזקות הטבוע שלהם למולטיפת ורעש, צריכת חשמל נמוכה, וזמינות של חומרה זולה טרנסצנטרית הופכת אותם לבחירה אטרקטיבית עבור פריסות בקנה מידה גדול בקמעונאי, בריאות, לוגיסטיקה, תחבורה ציבורית.