Lokalizace výkonnostních úrovní

Každý účastník mobilní sítě je obsloužen signálem z jedné nebo více základnových stanic. Základnové stanice představují rádiové vysílače vybudované mobilním operátorem. Mobilní telefon monitoruje úrovně signálu z okolních vysílačů a vybere si ten, od kterého dostává nejsilnější radiový signál. Informace o síle signálů z jednotlivých vysílačů by bylo možné využít k zjištění polohy mobilního telefonu. Právě na tuto možnost bych se chtěl zaměřit ve svém projektu.

V projektu bych se chtěl zabývat vytvořením lokalizačního serveru, který z předaných úrovní signálu určí, v kterých místech se účastník pravděpodobně nachází. Výpočet bude založen na modelu šíření radiových vln a znalosti rozmístění základnových stanic.

Získané informace od serveru bude možné prohlížet v uživatelsky přívětivém grafickém klientovi. Tento klient bude zobrazovat polohy základových stanic, pravděpodobnou polohu mobilního telefonu a předpokládanou odchylku od této polohy.

V libovolném prostředí platí, že velikost přijatého signálu je nepřímo závislá na vzdálenosti od vysílače. Míru závislosti určuje koeficient prostředí alpha.

        Rx(d) = Rx(d0) * (d0/d)^alpha [W]
        Rx(d) ... received power at distance d
        d ... distance between transmitter and receiver
        d0 ... reference distance
        alpha ... path-loss factor
    

Hodnota koeficientu prostředí alpha se pohybuje od 2 pro volný prostor do 6 pro velmi hustou městkou zástavbu. Referenční velikost přijatého signálu Rx(d0) můžeme ve vztahu nahradit pomocí výkonu zdrojového vysílače a útlumu L(d0).

        Rx(d) = PWR / L(d) [W]
        L ... path loss
        PWR ... transmit power
        Rx ... received power
    

Hodnota útlumu L(d0) není závislá na výkonu zdrojového vysílače. Hodnotu lze předpočítat podle parametrů vysílače nebo experimentálně zjistit pro dané prostředí.

Hlavním cílem projektu je vyvinout lokalizační server, který na základě předložených úrovní signálů a identifikátorů základnových stanic určí pravděpodobné místo výskytu takových podmínek. Komunikace se serverem se uskuteční pomocí RMI rozhraní. Informace o poloze základových stanic bude server získávat z databáze.

Server bude konfigurovatelný pomocí konfiguračních souborů psaných v jazyce XML. Jednou z nejdůležitějších nastavení bude volba vyhledávacího algoritmu. Dále bude možné algoritmy parametrizovat.

Zdrojový kód serveru bude dokumentován pomocí systému JavaDoc. K problematice lokalizace výkonnostních úrovní bych sepsal středně obsáhlý ucelený nadhled jako součást dokumentace projektu. Další součástí dokumentace serveru bude instalační a uživatelská příručka napsaná v systému DocBook.

Dále v rámci projektu vznikne grafický klient, který na základě informací od serveru vykreslí zadanou situaci včetně základnových stanic a nalezené místo pravděpodobného výskytu. Dále graficky zobrazí předpokládanou odchylku skutečné polohy od tohoto místa.

Zdrojový kód klienta bude rovněž dokumentován pomocí systému JavaDoc. Součástí dokumentace klienta bude i uživatelská příručka napsaná v systém DocBook.

Obrázek 1. Určené vzdálenosti od vysílačů podle přijatých úrovní signálu

Vývoj serveru a klienta bude třeba provádět paralelně, aby bylo možné tyto programy testovat.

Na následujícím UML diagramu 3 – „Class diagram pro Guesstor server“ je konceptuální návrh architektury lokalizačního serveru. Význam UML symbolů lze pochopit z Umbrello nápovědy.

Obrázek 3. Class diagram pro Guesstor server

Rozhraní GuesstorFacade je poskytnuté pro vzdálené volání od klienta. Poskytuje metody pro zjištění informací o vysílači a pro hledání pozice na základě úrovní signálů.

Informace o vysílačích se získávají z databáze. Je to jen jedna tabulka, takže vystačíme s použitím JDBC (Java DatabaBase Conectivity). Pro zajištění rozšiřitelnosti, však bude přístup probíhat přes implementačně nezávislé rozhraní DataService.

Implementace GuessAlgorithm vyhledávajícího algoritmu je jeden z hlavních cílů projektu. Náznak jedné možné implementace je uveden v následující sekci.

Na následujících řádkách je zapsána pseudokódem idea pro iterační vyhledávací algoritmus.

V budoucnu by šlo do algoritmu začlenit i úpravy teoretických vzdáleností na základě natočení vysílače (azimuth). Pokud hrubý odhad určí, že hledané místo leží na odvrácené straně některého vysílače, sníží se u toho vysílače teoreticky určená distance. Postupně se bude iterovat k dalším změnám hodnot.

Projekt je umístěn ve společném CVS na project.rdc.cz.

    $ cvs -d :pserver:USERNAME@project.rdc.cz:/osp login
    $ cvs -d :pserver:USERNAME@project.rdc.cz:/osp co guesstor
    $ cd guesstor
    $ ant
        

Konfigurace se provádí v etc/appContext.xml. Spojení do databáze se zatím nepoužívá, je zde však již připraveno k nastavení. Formát konfiguračního souboru je daný použitou Spring Framework knihovnou.

Spring Framework umožňuje snadno nastavit spojení do databáze, řeší závislosti mezi definovanými objekty a v případě potřeby sám spuští rmiregistry pro zpřístupnění rozhraní vzdálenému klientovi. Stručně řečeno, pomáhá se startem aplikace.

Hlavní rozhraní čekající na implementaci je GuessAlgorithm. Zatím jen používá jen hloupá implementace, která vždy odhadne pozici [100, 200].

V adresáři guesstor/client se nachází jednoduchý klient do příkazové řádky. Slouží k předvedení rozhraní. Grafický klient bude pravděpodobně ve vlastním CVS modulu.

    guesstor$ ant run &
     [java] 00:29:06 INFO: Loading XML bean definitions from file [/home/ivo/0data/prog/java/prace/lbs/vyvoj/guesstor/etc/appContext.xml]
     [java] 00:29:06 INFO: Creating shared instance of singleton bean 'rpc'
     [java] 00:29:06 INFO: Creating shared instance of singleton bean 'guesstor'
     [java] 00:29:06 INFO: Creating shared instance of singleton bean 'dataService'
     [java] 00:29:06 INFO: Creating shared instance of singleton bean 'dataSource'
     [java] 00:29:06 INFO: Loaded JDBC driver: com.mysql.jdbc.Driver
     [java] 00:29:06 INFO: Creating shared instance of singleton bean 'guessAlgorithm'
     [java] 00:29:06 INFO: Looking for RMI registry at port '1099'
     [java] 00:29:06 WARN: Could not detect RMI registry - creating new one
     [java] 00:29:06 INFO: Binding RMI service 'GuesstorFacade' to registry at port '1099'


    guesstor$ cd client
    guesstor/client$ ant run
     [java] 00:29:45 INFO: guess request; infos=[[cell=1,rx=20.0], [cell=2,rx=12.0], [cell=3,rx=7.0]]
     [java] position=[100.0,200.0]
        

Ve výpisu je vidět start serveru. V metodě Main.main() se načte konfigurační server a získá se object "rpc". Ten závisí na "guesstor" objektu, který se tudíž také vytvoří. Závislost lze v konfiguračním etc/appContext.xml souboru zadefinována na místě <ref local="guesstor"/>.

Po spuštění klienta server zaloguje příchozí požadavek a vrátí odpověď. Jednoduchý klient vypisuje nalezené [100, 200] souřadnice do konsole. Úroveň logování lze u serveru nastavit v souboru classes/log4j.properties.

Tato dokumentace je v CVS modulu guesstor_spec.

Jak již bylo řečeno v oddílu popisujícím model šíření signálu, klesá úroveň signálu s rostoucí vzdáleností od vysílače.

    Rx(d) = Rx(d0) * (d0/d)^alpha
    Rx(d) [W] ... received power at distance d
    d     [m] ... distance between transmitter and receiver
    d0    [m] ... reference distance
    alpha []  ... path-loss factor
        

Koeficient útlumu alpha má hodnotu 2 pro volný prostor. To je dáno tím, že ve vesmíru je signál rozprostřen na povrchu koule, tj. 4*pi*r^2. Konstanty se při sledování poměru úrovní pokrátí a zbude jenom druhá mocnina vzdálenosti.

Pro městské prostředí se hodnota koeficientu útlumu pohybuje od 3 do 6. Pokles úrovně signálu je s rostoucí vzdáleností strmější. Je to způsobeno sčítáním přímého signálu s odrazy. Na krátké vzdálenosti by tedy signál byl městě silnější něž ve vesmíru, ale s rostoucí vzdáleností bude signál rychleji ubývat.

Uvedený model šíření signálu je použitelný, pokud dokážeme dosadit za Rx(d0), tj. úroveň signálu v referenční vzdálenosti d0. Referenční vzdálenost se volí kolem 1000m, kde už je model šíření ustálený, počítají se pak úrovně signálu pro vzdálenosti od 1000m výše.

Hodnota úrovně signálu v určité vzdálenosti je určitě závislá na výkonu zdrojového vysílače. Proto se místo referenční úrovně signálu používá útlum prostředí "path-loss", což je podíl zdrojového výkonu a naměřeného v určité vzdálenosti.

            L(d) = PWR / Rx(d)
            L(d)  [] ... path loss for distance d
            PWR   [W]... transmit power
            Rx(d) [W]... received power at distance d
        

Referenční útlum prostředí je nezávislý na výkonu zdrojového vysílače. Lze ho pro dané prostředí předpočítat, nebo experimentálně změřit. Jednu možnou závislost útlumu prostředí na frekvenci a výšce antén popsal Okumara-Hata, viz. odkazy.

Nyní dosadíme útlum prostředí do původního vzorečku popisujícího model šíření radiového signálu a vyjádříme z něj vzdálenost d.

    Rx(d) = Rx(d0) * (d0/d)^alpha
    Rx(d) = (PWR / L(d0)) * (d0/d)^alpha
    Rx(d) * L(d0) / PWR = (d0/d)^alpha
    (Rx(d) * L(d0) / PWR)^(1/alpha) = d0/d
    d = d0 * (PWR / (Rx(d) * L(d0)))^(1/alpha)
        

Při počítání s výkony antén se často počítá s poměrovými jednotkami, tj. s decibely. Výkon se vztahuje k 1W nebo 1mW, od toho jsou odvozeny jednotky dBW, resp. dBm.

    decibel ... 10 * log10(a/b)
    dBW     ... 10 * log10(PWR/1W)
    dBm     ... 10 * log10(PWR/0.001W) = 10 * (3 + log10(PWR/1W))
    1 dBW = 30 dBm

    W       ... 10^(PWR_db/10)
        

Převedeme-li vztah pro výpočet vzdálenosti na použití dBW, získáme jednoduší výraz:

    d = d0 * (10^(PWR_db/10) / (10^(Rx_db(d)/10) * 10^(L_db(d0)/10)))^(1/alpha)
    d = d0 * 10^((PWR_db - Rx_db(d) - L_db(d0)) / (10 * alpha))
        

Výkony PWR a Rx jsou vyjádřeny v dBW nebo v dBm, to je jedno, protože 10^-3 se pokrátí. Bezrozměrný útlum prostředí je vyjádřen v dB.