Ασύρματα Ηλεκτρονικά Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Group 1. Εκφώνηση Άσκησης

Transcript

1 Ασύρματα Ηλεκτρονικά Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Group 1. Εκφώνηση Άσκησης Ζητούμενο σε αυτήν τη άσκηση είναι ολιγοσέλιδη αναφορά που όμως θα απαντάει επαρκώς στα ερωτήματα που δίνονται παρακάτω. Σημειώνεται ότι σκοπός είναι να εκτιμηθεί η ευκολία και η αξιοπιστία με την οποία οι χρήστες αλλά και οι προγραμματιστές εφαρμογών του ασύρματου τηλεπικοινωνιακού συστήματος που σας δίνεται μπορούν να επιβεβαιώσουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά του καθώς και την ορθή του λειτουργία. Για αυτό δεν θα αξιολογηθούν τόσο αυτά κάθε αυτά τα αποτελέσματα των μετρήσεων σας και οι αποκλίσεις τους από τις ονομαστικές τιμές όσο η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε και η προσπάθεια που έγινε ώστε να εξασφαλιστεί η σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο βαθμό αξιοπιστία των μετρήσεων. Γι αυτό δώστε ιδιαίτερη προσοχή στην πειραματική διαδικασία αξιοποιώντας παράλληλα τις γνώσεις που αποκομίσατε από τα θεωρητικά θέματα που αναλύθηκαν στις διαλέξεις του μαθήματος. Ερωτήματα A. Ποια είναι η εμβέλεια μετάδοσης του CC40: Α.1 σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος έτσι όπως τα δίνει ο κατασκευαστής. Α. Προσπαθήστε να μετρήσετε την εμβέλεια και πειραματικά. Για το σκοπό αυτό μπορείτε να χρησιμοποιήσετε εφαρμογή από αυτές που σας δίνονται ή να δημιουργήσετε δική σας. Εργαστείτε σε ανοικτό χώρο όπου πιθανόν να περιορίζονται οι παρεμβολές και οι ανακλάσεις. Για αυτό το σκοπό θα τροφοδοτήσετε τα CC40 με ειδικές μπαταρίες θα σας δοθούν. Κάντε περισσότερες από μία μετρήσεις και βγάλτε έναν μέσο όρο ώστε να περιορίσετε το πειραματικό λάθος. Α.3 Στην αναφορά σας θα περιγράψετε το χώρο στον οποίον εργαστήκατε σε σχέση με τις σχετικές αναφορές στη βιβλιογραφία. Θα σχολιάσετε σχετικά με τις πηγές του θορύβου που μπορεί να επηρεάζουν τη μετάδοση στο συγκεκριμένο χώρο. Θα καταγράψετε τις παρατηρήσεις σας μετρήσεις και το μέσο όρο. Πόση είναι η απόκλιση μεταξύ της τιμής που δίνει ο κατασκευαστής και αυτής που μετρήσατε πειραματικά; Πού πιστεύεται ότι οφείλεται; Σχολιάστε σχετικά. B. Εντοπισμός θέσης κόμβου με RSSI. Επιθυμούμε να ερευνήσουμε το κατά πόσο είναι σε πρώτη φάση δυνατόν και έπειτα αξιόπιστο να εντοπίσουμε στο χώρο έναν ασύρματο πομπό από την πληροφορία που μεταδίδει δηλαδή μόνο από την εκπομπή του. Για το σκοπό αυτό θα πειραματιστείτε με μία τεχνική που στη βιβλιογραφία αναφέρεται συνήθως ως tringultion vi RSSI ltertion. Η τεχνική αυτή αναλύεται εκτενώς στο Παράρτημα συνοπτικά μόνο αναφέρεται ότι πάντα? μπορούμε να εντοπίσουμε ένα αντικείμενο στο τρισδιάστατο καρτεσιανό χώρο κάθε σημείο του χώρου αυτού ορίζεται από συντεταγμένες αν γνωρίζουμε την απόστασή του από τέσσερα 4 σημεία αναφοράς των οποίων οι θέσεις θεωρούνται γνωστές. Για τον σκοπό 1

2 αυτό χρειαζόμαστε ένα χαρακτηριστικό της μετάδοσης που επηρεάζεται από την απόσταση της μετάδοσης. Θεωρούμε ότι η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος είναι ένα τέτοιο χαρακτηριστικό καθώς ως γνωστόν το σήμα εξασθενεί κατά τη μετάδοσή του στον αέρα ή το κενό και μάλιστα η εξασθένηση είναι ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης. Επομένως μετρώντας την ισχύ λήψης ενός πακέτου από τέσσερα διαφορετικά σημεία αναφοράς θα είμαστε θεωρητικά σε θέση να εκτιμήσουμε τη θέση του πομπού. Τα CC40 όπως και όλοι σχεδόν οι σύγχρονοι trnseivers ενσωματώνουν δυνατότητα ένδειξης της ποιότητας της λήψης ενός πακέτου LQI Link Qulit Inition προς τα ανώτερα δικτυακά στρώματα. Για την εκτίμηση του LQI σύμφωνα με το πρωτόκολλο ο κόμβος χρησιμοποιεί και την ισχύ του σήματος όπως αυτή μετράται από τον λαμβανόμενο trnseiver μέσω της energ etetion δυνατότητας που διαθέτει. Προφανώς το LQI μειώνεται με την απόσταση και μάλιστα μειώνεται με όλο και μεγαλύτερο ρυθμό για αποστάσεις μακριά από τον πομπό. Επομένως μας προσφέρει ένα μέσο για να εκτιμήσουμε απόσταση. Επομένως υπάρχει μία σχέση ανάμεσα σε LQI και απόσταση η σχέση αυτή περιγράφεται στο παράρτημα ωστόσο σας αρκεί ένα πίνακας συσχέτισης τιμών LQI σε RSSI και έπειτα σε απόσταση όπως είναι ο ακόλουθος: LQI reing RSSI reing Distne epete m m m m Β.1 Αναφερόμενοι σε σχετική βιβλιογραφία π.χ. στο κείμενο του πρωτοκόλλου προσπαθήστε να περιγράψετε τη σχέση που συνδέει LQI και RSSI στην υλοποίηση του πρωτοκόλλου για τα ΑΗΤΣ που έχετε στη διάθεσή σας. Σε κάθε περίπτωση αναφέρατε τις πηγές σας έγγραφο σελίδα παράγραφος στην απάντηση του ερωτήματος. Β. Προσπαθήστε να δημιουργήσετε έναν πίνακα αντιστοίχησης τιμών LQI σε RSSI σε αποστάσεις όπως ο παραπάνω ακολουθώντας την εξής διαδικασία σε κλειστό χώρο: 1. Εντοπίστε μια αρκετά μεγάλη διάσταση του χώρου εργασίας σας. Ορίστε μια απόσταση μήκους l επί της διάστασης αυτής φροντίστε ώστε οπωσδήποτε l > 5μ. και χωρίστε την σε ικανοποιητικό αριθμό έστω n από διαστήματα ορίζοντας n1 σημεία Α 0 Α 1 Α n. Τα ενδιάμεσα διαστήματα δεν είναι ανάγκη να είναι ισομεγέθη.. Συνδέστε ένα 40DK δέκτης με έναν υπολογιστή που τρέχει το Pket Sniffer και τοποθετήστε το στο σημείο Α Ενεργοποιήστε το πομπό 40DB ώστε να εκτελεί αδιάλειπτη μετάδοση μικρού μήκους πακέτων π.χ. απλή επαναλαμβανόμενη

3 μετάδοση eons βλπ. IEEE και τοποθετήστε τον στο σημείο Α k k 1 n. 4. Ξεκινήστε την καταγραφή στο Pket Sniffer ώστε να καταγράψετε αρκετά μεγάλο πλήθος μετρήσεων 1 για τα LQI και RSSI. 5. Πριν τη μεταφορά του πομπού στην επόμενη θέση κάντε παύση στο Pket Sniffer για να διακοπεί η καταγραφή πακέτων. 6. Επαναλάβετε τα βήματα 4 και 5 για κάθε k n. 7. Εφαρμόστε κατάλληλη στατιστική επεξεργασία των μετρήσεων ώστε για κάθε σημείο Α k να προκύψουν αντιπροσωπευτικές τιμές των LQI και RSSI και δώστε σε διάγραμμα τα εξής: o RSSI fistne o LQI fistne o RSSI LQI. Όταν θα έχετε ολοκληρώσει την παραπάνω διαδικασία θα έχετε στη διάθεσή σας τον πίνακα αντιστοίχησης LQI σε RSSI σε αποστάσεις καθώς και χρήσιμες γραφικές παραστάσεις που θα χρησιμοποιήσετε στη συνέχεια. Β.3 Τώρα πειραματιστείτε στον υπολογισμό της θέσης κόμβων ακολουθώντας την εξής διαδικασία: 1. Ενεργοποιήστε ένα 40DB ώστε να εκτελεί αδιάλειπτη μετάδοση μικρού μήκους πακέτων π.χ. απλή επαναλαμβανόμενη μετάδοση eons.. Θεωρώντας ένα συγκεκριμένο σημείο του κλειστού χώρου ως αρχή των αξόνων του συστήματος συντεταγμένων δηλαδή το 000 τοποθετήστε το 40DB σε σημείο με γνωστή θέση [π.χ. στο Χ n 31]. 3. Συνδέστε ένα 40DK με έναν υπολογιστή που τρέχει το Pket Sniffer και τοποθετήστε το και αυτό σε γνωστή θέση διαφορετικής του 40DB. 4. Ξεκινήστε την καταγραφή στο Pket Sniffer ώστε να καταγράψετε αρκετά μεγάλο πλήθος μετρήσεων 1 για τα LQI και RSSI. 5. Σταματήστε την καταγραφή πακέτων στο Pket Sniffer αλλάξτε θέση στο 40DK και επαναλάβετε τα βήματα 1-4. Η διαδικασία αυτή θα πρέπει να γίνει συνολικά τέσσερις φορές. Εκτελέστε τη διαδικασία που περιγράφεται από τα 1 5 παραπάνω για εκπομπή από τρία διαφορετικά «άγνωστα σημεία». Καταγράψτε στην αναφορά σας όλες τις μετρήσεις LQI και RSSI αλλά και τις αντιπροσωπευτικές τους τιμές για κάθε διαφορετική θέση του 40DK. Συμπεριλάβετε τους υπολογισμούς στην αναφορά σας. Χρησιμοποιείστε τη μέθοδο που περιγράφεται στο παράρτημα για να υπολογίσετε τη θέση των 1 Ο στόχος είναι μετά από κατάλληλη στατιστική επεξεργασία των μετρήσεων να προκύπτουν για το συγκεκριμένο σημείο αντιπροσωπευτικές τιμές. Προσπαθήστε ώστε διαφορετικές μετρήσεις να μη γίνονται από σημεία που είναι πολύ κοντά μεταξύ τους. 3

4 τριών «άγνωστων σημείων». Συγκρίνετε για κάθε «άγνωστο» σημείο την πειραματικά υπολογισμένη θέση του με την πραγματική του θέση. Β.4 Από τις μετρήσεις που πήρατε στο Β.3 υπολογίστε το σφάλμα στη μέτρηση και σχολιάστε. Στα συμπεράσματά σας δώστε απάντηση και στα εξής: 1. Είναι η μέθοδος αξιόπιστη;. Σε ποιες περιπτώσεις πιστεύετε ότι ο εντοπισμός θέσης: I. είναι αδύνατος; Γιατί; II. παρουσιάζει μεγάλο σφάλμα απόκλιση πραγματικής με υπολογισμένη θέση; Γιατί; 4

5 Παράρτημα Tringultion through RSSI ltertion Introutor RSSI lolition metho is se on the RF fiel s griene whih is minl ue to the RF signls ttenution while propgting in the trnsmission mei. So reeive signl s power is ifferent thn the power it ws initill trnsmitte most ommonl smller n it gets smller with the trnsmission istne. This is euse signl s ttenution is getting igger s the istne tht the signl flies through the mei is growing. Signl s ttenution is mesure through n RSSI mesurement proess performe the trnseivers. RSSI stns for Reeive Signl Strength Initor. It is pilit tht lmost ll urrent RF reeivers otin n it is lso n option of the Chipon CC40 trnseivers we use. Eh trnseiver tht is equippe with RSSI pilit n tull mesure the power with whih ever signl is reeive. So RSSI pilit provies us with Signl Strength Inition n therefore enles us to estimte the istne of signl s soure if we know the strength power with whih the signl ws initill trnsmitte n the power to istne lw. This lw hs formul of this tpe: Figure 1 Therefore we n use this formul so s to estimte the istne etween the trnsmitting trnseiver n the reeiving one. So knowing the istne etween trnsmitter n t lest four reeivers 3 enles us lote fin the 3 oorintes of the trnsmitter soure herefter. This is epline in more etil in the setion Tringultion through ltertion tht follows on this oument. Tringultion through ltertion This setion esries the w trnsmitter s oorintes re ompute through four istne estimtions. 3 We n lws lote n point in the 3 spe knowing its istnes from four other referene points tht we hppen to know their lotions. 5

6 6 For two points A n X in the 3D spe their istne is provie the formul: or So for the four given points in the 3D spe A B C n D whih we hppen to know their oorintes n nother point X with istnes BX CX n from the known points A B C n D respetivel we hve: CX BX We n now epn eh of the equtions from 1 to 4. Let s o it for eqution 1: 5 1 Doing tht for ever eqution results in the eqution sstem: A CX BX We n see tht in this eqution sstem ever eqution hs three unknown vriles long with their powers of two. Solving suh eqution sstem is not es t ll. However sutrte the fourth eqution from the rest three we n see tht the powers of the unknown vriles n e eliminte thus mking the sstem liner one. For emple sutrting eqution 4 from eqution 1 eqution 1 eomes: Or: Let:

7 7 CX BX Then the first three of the equtions mke up the sstem: B This is liner 33 sstem tht is represente s following: * n n e solve with n of the known methos like for emple QR ftorition. Rising issues Tringultion through RSSI ltertion s esrie till now rises the following issues: 1. Signls reflet to wlls metls n hr surfes of the environment using unesire phenomen like showing n multipth interferene. Effetive ountermesures ginst suh phenomen will ssure sfe lolition through RSSI.. RSSI grnulrit is not uniform. RSSI ereses fster lose to the trnsmitting soure thn fr w from it. This mkes n istne ssumption me through RSSI reings tht re smple lose to the soure more relile thn those me from RSSI reings me fr w form it. Therefore the tringultion metho shoul e provie with smll istne vlues. 3. Assumptions neee to e me regring the hrteristis of the signl trnsmission so s to utilie RSSI metho. This ssumptions re:. Signl fiel strength is isotropi tht is signl is trnsmitte with the sme pttern for eh possile iretion from the signl s soure.. We refer to point trnsmission rther thn n ntenn trnsmission whih mens tht the trnsmitting evie is onsiere to e ouping speifi point ttriute with Crtesin 3D oorintes. In relit wireless noes will hve omple shpe n shll oup 3D re whih is fr from this ssumption. Also in the ltter se we shoul lso onsier the orienttion of the ntenn insie the Communitions moule PCB.. Assumptions n llow us to onsier signl propgtion to uniform roun the trnsmitting noe whih in most ses is not true.