Kapalı Navigasyon Meydanlarına Giriş

Kapalı navigasyon, modern altyapı için kritik bir gereklilik haline geldi, ancak çok zor bir teknik problem olmaya devam ediyor. Global Positioning System (GPS) sinyalleri, güvenilir açık havalarda çalışan on iki katlı inşaat malzemeleri ile geçiş yaparken hızla, beton, çelik ve cam gibi geniş kapalı alanlarda, hem de endüstriyel gelişimde dikkat çeken bir yaklaşım, GPS veya tamamen başarısız oluyor veya bu yerel konumlama sistemlerinin alternatif yerelleştirilmesi için araştırma yapıyor.

FSK-Based Localization nedir?

FSK, ikili verilerin bir taşıyıcı sinyalinde ayrık frekans değişiklikleri tarafından temsil edildiği dijital bir modülasyon şemasıdır. Basit bir ikili FSK (BFSK) sistemi, mantıksal 0, bir frekansa ve mantıksal 1'in başka bir şekilde karşılık gelir.FSK sinyalinin kendisi, alıcının kimlik veya özel bir lokasyon koordinatları hakkında bilgi taşır. Bir alıcının onları bilinen bir temel çizgisine kıyasla veya zaman-of-flight yöntemleri kullanarak karşılaştırır.

Yaygın veya faz tabanlı yöntemlerden farklı olarak, FSK, iletişim kanalına doğal olarak katılaşan dalgalanmalara karşı dirençlidir ve kapalı ortamlara rahatsız edici çoklu yansımaları tolere edebilir. Anahtar fikir, aynı frekans değişim desenleri farklı bölgeler için eşsiz imzalar olarak kullanılabilir olmasıdır, iletişim kanalına etkili bir şekilde encoding space information into the flat deployment where line-of-sight is rare ve sinyal yansımaları bol bol miktardadır.

FSK yerelleştirmenin iki geniş kategorisi vardır: aktif ve pasif. Aktif sistemlerde, mobil bir cihaz (örneğin, bir akıllı telefon veya giyilebilir) FSK sinyalleri, binada bulunan sabit alıcılar tarafından tespit edilen FSK sinyalleri ile belirlenir. pasif sistemlerde, sabit FSK beacons, daha sonra alınan sinyal özelliklerine dayanarak yerini alan bir mobil alıcı tarafından alınan sinyalleri dağıtır.

Teknik Temelleri FSK Modulation for Positioning

FSK neden iyi kapalı çalıştığını anlamak için, alıcıya farklı gecikmeler ve aşamalar ile gelen sinyal yayılımını incelemeye yardımcı olur.Bu fenomen, kapalı alanlarda radyo dalgaları, orijinal bilgilerin kurtarılamayacağı kadar sert bir şekilde sabit kalır. FSK, frekans geçişleri içinde birden fazla kopya oluşturabilir, frekans geçişleri ve fazları ile bilinen bu fenomen, çok fazla fark etmez, çok fazla sinyale sahip olmayan bir sinyale sahip olmayan bir sinyalin frekansının aşırı derecede sabit kalmasına neden olur.

Başka bir önemli konsept frekans çeşitliliğidir. Birden fazla frekans çiftlerini kullanarak (örneğin, bir dizi veya uçlu frekans), FSK yerelleştirme sistemleri farklı bölgelere ulaşmak için farklı sinyal imzalarını oluşturabilir. alıcı, alınan frekansın hem belirli bir vericinin varlığını tahmin etmek için alınan sinyali hem de alınan bir sinyal gücü (RSS) veya uçuş zamanı (ToF) ile FSK yerelleştirme sistemleri FSK'yi bir araya getirebilir.

FSK yerelleştirmenin matematiksel temeli zaman-freze analizi ve Bayesian tahminlerinden gelmektedir.FSK'nın bilinen bir FSK'nın artı gürültüye dayalı olarak, bir alıcı en muhtemel frekansı değiştirmelerini elde etmek için eşleştirilmiş filtreler uygulayabilir.

Diğer Kapalı Yerelleştirme Yöntemleri ile Karşılaştırma

FSK basitlik ve sağlamlık arasında tatlı bir nokta kapmaktadır. Wi-Fi Round Trip Time (RTT) ölçüm cihazı ve cihaz desteği sağlayabilir, Bluetooth Low Enerji (sol) zikonları ucuzdur, ancak sinyal dalgalanması ve sınırlı aralıkta çalışır.

Sistem Mimarisi ve Bileşenleri

Tam FSK yerelleştirme sistemi üç ana katmandan oluşur: fiziksel donanım katmanı, iletişim protokolü katmanı ve yerelleştirme algoritması.

Donanım Katmanı

Donanım seviyesinde, sistem vericiler (askerler veya mobil etiketler) ve alıcılar (Eklenen demirler veya mobil birimler) gerektirir.(ler genellikle bir mikro kontrol cihazı, bir FSK modüllator (as Instruments CC1101 veya Nordic nRF24 serisi gibi bir radyoloji çipleri entegre eder) ve bir anten oluşturur.

Alıcılar genellikle kapalı alanda bilinen pozisyonlarda yer alan sabit düğümlerdir. Her bir alıcı FSK frekansı bandına ayarlanmış, maliyet ve güç tüketimi azaltma eğilimine eğilimlidir. Modern yazılım tanımlı radyolar (SDRs) ayrıca prototyping parametreleri için kullanılabilir.

İletişim Protokolü Katmanı

Protokol, vericilerin ve alıcıların nasıl koordine edildiğini tanımlar. pasif arıt sistemleri için, her bir beacon defalarca FSK modulation kullanarak ID'sini gönderir. Mobil cihaz bu iletileri dinler ve alınan sinyal özelliklerini kaydeder. protokol, birden fazla yataklatlı iletişimin aynı anda iletişim kurması gerekir. Zaman bölme birden fazla erişim (TDMA) veya frekans bölümü birden fazla erişim (FDMA) şemaları ortaktır. Aktif sistemlerde, mobil cihaz bir sinyal iletileri ile yanıt verir ve sabit alıcılara yanıt verir.

Yerelleşme Algoritma Katmanı

Algoritma tabakası, FSK sinyal ölçümlerini bir pozisyon tahminine dönüştürür. İki baskın yaklaşım vardır: çeşitli tabanlı yöntemler ve parmak izi tabanlı. Range-based methods, verici ve alıcı arasında sinyaldeki ölçüm veya zaman aralığı değiştiricileri (örneğin FSK sinyal işaretlerinin iyi tanımlanmış frekans kenarları, zaman-of-flight tahminleri, belirli frekans geçişleri kullanarak yenilenen veritabanına uygun ölçümler ile yapılabilir. Parmak tabanlı yöntemler, diğer yandan, alınan FSK sinyal kalıplarının veritabanını toplamayı içerir (örneğin, farklı işaretli kimliklerin göreceli güçlü yönleri, daha sonra en yakın konumlara göre, yeni analog giriş yöntemi kullanarak yeni ölçümler kullanarak yenilenen ölçümler ile yapılabilir.

Örneğin, parmak izi eşleştirme ile aralık tahminleri birleştiren Hybrid yaklaşımlar genellikle pratikte en iyi doğruluğu verir. Örneğin, bir Kalman filtre, FSK aralık ölçümlerini sabit ölçüm ünitesi (IMU) bir akış kullanıcının yörüngesini düzeltebilir.

FSK Localizasyon Sistemleri için Geliştirme Süreci

Güvenilir bir FSK tabanlı iç konum sistemi inşa etmek, birden çok alanda dikkatli bir mühendislik gerektirir. Orijinal makale burada daha derin teknik detayla genişletdiğimiz dört adım belirledi.

1. Signal Design ve Optimizasyon

İlk adım FSK sinyal parametrelerini tasarlamaktır: taşıyıcı frekansı, işaretler ve alanlar arasındaki frekans sapması, biraz hız ve paket yapısı. Bu seçenekler doğrudan aralık, gürültü bağışıklığı ve çok fazla direnç gösterir. Kapalı kullanım için, tipik taşıyıcı frekansı, 868 inç daha iyi bir penetrasyon sunmak için yaygındır, ancak daha yüksek frekanslar daha küçük antenler ve daha yüksek veri oranlarına izin verir, ancak duvarların frekansına göre daha fazla değer verir.

Sinyal aynı zamanda senkronizasyon için bir önsöz içerir, paket algılama için eşsiz bir kelime ve site kimlik veya değişen bilgi içeren ödeme yükü. Preamble alıcının otomatik kazanç kontrolü ve saat kurtarma için yeterince uzun olmalıdır. Tasarımcılar genellikle MATLAB veya GNU Radio gibi simülasyon araçlarını prototypingden önce çeşitli multipath kanal modellerinde değerlendirmek için kullanır.

2. Donanım Uygulama Uygulamasını Uygulamayı

sinyal tasarımından sonra, bir sonraki aşama donanımı uyguluyor. For vericis, hedef minimum frekans sürüklenme ile temiz bir FSK dalgaformu üretmektir. Birçok düşük maliyetli mikro kontrol cihazı FSK modulationa sahip radyo periferileri inşa edilebilir, ancak bakım düşük hacimli bir yükselticiyi sağlamak için alınmalıdır.A 20 ppm oscillator genellikle 50 metreye kadar kapalı kullanım için yeterlidir.For alıcılar için, ön uçlu bir bant müdahalesi, düşük hacimli bir amplifikatör dahil etmek için bir bant genişliği gerekir.

Prototipleme, ABDRP veya ADALM-PLUTO gibi SDR platformlarını kullanarak yapılabilir, bu da modulation parametrelerinin hızlı bir şekilde işlenmesine izin verir.Bir tasarım onaylandığında, seçilen transceiver IC ile özel bir PCB'yi kullanarak, bir mikro kontrol cihazı, bir hücrede işlem aylarca geliştirilebilir.

3. Algorithm Development

Algoritma gelişimi, UWB sistemlerinde kullanılan iki yönlü sinyalleri kullanarak yapılan bir donanım yazmayı içerir.For range tabanlı sistemler için, algoritma FSK sinyalinin uçuş süresini ölçmek zorundadır. Ancak, FSK ile yapılan bir zaman damgasını yapıştırarak yapılır (UWB sistemlerinde kullanılanlar için) ancak FSK ile daha az hassastır.

Parmak izi için, algoritmanın bir referans noktasında toplanan veriler üzerinde eğitilmesi gerekir. toplanan parmak izi, tüm görünürdeki beaconların ve opsiyonel olarak, varsayılan frekansın modellerini çalıştırması gerekir; bu nedenle, kod düşük gecikme ve en az hafıza kullanımı için optimize edilebilir.

4. Test ve Kalibrasyon

Dördüncü adım ayrıntılı test ve kalibrasyon. Kapalı ortamlar muazzam ölçüde değişir: cam duvarlarla açık bir lobi daha sonra metal raflarla uyumlu bir koridordan farklı çoklupati özellikleri sunar. Bu nedenle, sistem parmak izi için bir referans verici hareket eder ve alıcı ölçümlerini kaydetmek için bir referans verici yapar.

Kalibrasyondan sonra, sistemin doğruluğu, 5-10 metre boyunca zemin gerçeğe karşı tahmin edilen pozisyonları karşılaştırarak doğrulanmalıdır. $ hata, 90th sentile hatası ve güncelleme oranı standart ölçümler için gerekli olan iş miktarını azaltmaktadır.

FSK Localization Avantajları

FSK tabanlı sistemler, onları kapalı navigasyon için çekici kılan farklı avantajlar sağlar:

  • [FONT:0) Hiçbiri bağışıklık: [Dönder:[Dönder: 1) Bilgi frekansta kodlanır, FSK, tamamen basitleştirilmiş sinyallerle 15-20 dB'ye dayanabilir. Bu özellikle metal helving veya hareketli nesnelerle ortamlarda değerlidir.
  • DÖRT:0) Düşük güç tüketimi: [DÜDÜT:1] FSK vericileri çok düşük görev döngüsü ile çalışabilir ve çoğu zaman uyur. Tipik bir yatak, iletim sırasında 10 mA'yı alır; FSK'nın benzer veya daha düşük bir tüketime sahip olabileceği, çünkü modulation programı doğrusal bir yükseltici gerektirmez - sınıf C amplifikatörler yeterlidir.
  • [FONT:0]Cost-t-tamamlık: [Dönetici:0] [FONTT:2|Texas Instruments CC1101) hacminde 2 $ altında maliyet ve aynı çip hem de her iki verici ve alıcı için kullanılabilir.
  • [FONT:0)Proven güvenilirlik: [Dönetici: [Dönetici:0] FSK, garaj kapı açıkları, anahtarsız giriş ve düşük güç IoT ağları gibi kablosuz sistemlerde kullanılan olgun bir teknolojidir.
  • [FONT=0]License-free operation: Çoğu FSK sistemleri ISM gruplarında çalışır (Avrupa'da 868 MHz, ABD'de 915 MHz, 2.4 GHz global olarak), özel spektrum lisanslarına ihtiyaç duymaz.

Meydanlar ve Güncel Sınırlar

Bu güçlülüğe rağmen, FSK yerelleşme bir panacea değil. Mühendisler birkaç pratik engelle karşı karşıya:

Dense Deployments'da Sinyal Overlap

Birçok beacons birbirine yakınlaştığında, alıcı aynı anda birden fazla FSK sinyalleri tespit edebilir, çarpışmalara ve kesintiye yol açan hataları tespit edebilir. Frekans yeniden planlama gereklidir: komşuluk arıları farklı frekans çiftlerini veya farklı zaman yuvalarını kullanmalıdır. Bu, ağ yönetimini zorlayabilir ve arıtımı azaltacaktır.

Multipath-Indük Frekans Domain Distortion

FSK, frekans aralığı ile karşılaştırılabilir veya daha büyük olan aşırı derecede sağlam ortamlardan daha sağlam olsa da, birçok cam panle ile bir dengede bulunur.)

Kalibrasyon

Dikkate alındığında, her dağıtım sitesi site özel kalibrasyon gerektirir. Kalibrasyon için maliyet ve zaman, kabul etmek için önemli bir engel olabilir, özellikle de kendi yapılandırılmış RFID sistemleri üzerinde bulunan alanlar için.) Doğru zamanda parmak izi veritabanını öğrenmek ve güncellemek aktif bir araştırma alanıdır (bakınız, e.g.

Doğru Sınırlamalar

FSK tabanlı sistemler nadiren ek sensörler olmadan sub-50 cm doğruluk elde eder. İyi hazırlanmış navigasyon (örneğin, bir robota belirli bir rafa rehberlik), UWB veya vizyon tabanlı yöntemler üst kalır. ancak, yaya seviyesindeki navigasyon için 1-3 metre hatası kabul edilebilirdir, FSK rekabetçi bir seçenektir.

Future Yol ve Entegrasyon

FSK yerelleştirme sistemlerinin bir sonraki nesli, mevcut zayıf yönlerin üstesinden gelmek için modulation tekniğini büyük ölçüde bir araya getirecektir.

Inersal Sensörlerle Fısıltı

Bir umut verici yön, yüksek bir Kalman filtresi kullanarak, sistem geçici olarak bloke edildiğinde (örneğin, bir kullanıcı bir köşeye dönüştüğünde) sabit bir konum sağlar.Bu füzyon yüksek füzyon yoğunluğuna ve FSK sistemi için sınırlı bir güncelleme oranı kullanarak veri telafi eder.

Robust Parmaklama için Makine Öğrenme

Derin öğrenme modelleri, özellikle de geleneksel sinir ağları ve tekrarlayan sinir ağları, Bilimsel Raporlarda ) ile ilgili olarak, FSK spektroskoplarında kullanılan bazı özelliklerin 100 m2 açık bir ofisde daha iyi hale getirilmesi ve ihtiyaçlarını azaltmak için uygulanır.

Bluetooth 5 ve IEEE 802.15.4 ile entegrasyon

Bluetooth 5 ve IEEE 802.15.4 (Zigbee, Thread) ile desteklenen modern radyo fişleri, bu radyoları yerelleştirme için kullanabilir miyiz? Evet, araştırmacılar, ekstra donanıma sahip olmak için mevcut olan sabit cihazlara sahip olan yöntemleri geliştiriyorlar.

Komp ve UWB

Ultra-bölge yüksek doğruluk sağlar, ancak yüksek güç tüketimi. Bir hibrit sistem FSK'yi hem yerelleşme hem de düşük güç uyanması için kullanabilir, ardından UWB'yi sadece gerektiğinde (örneğin, yüksek doğruluk gerektiren bir odaya girer).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

FSK tabanlı yerelleştirme sistemleri, GPS'in başarısız olduğu ortamlarda iç mekan navigasyon için pratik ve maliyet-malzemesel bir çözüm temsil ediyor. Çok fazla empati ve gürültü, düşük güç tüketimi ve ucuz transiver donanımın kullanılabilirliği, onları perakende, sağlık, lojistik ve kamu taşımacılığında büyük ölçekli dağıtımlar için çekici bir seçim yapıyor.