روش دیگر بر اساس زمان رسیدن سیگنال در گیرنده کار می کند. به طوری که اگر همزمانی، بین گرههای مرجع و گره هدف وجود داشته باشد میتوان زمان پرواز سیگنال را پیدا کرده و با توجه به سرعت انتشار موج در آن محیط فاصله را استخراج نمود.
با پیشرفتهای اخیر، سیستمهای فراپهنباند هم از لحاظ سیگنالینگ و هم از لحاظ سخت افزار، دارای پتانسیلهای کافی برای استفاده در سیستمهای مکانیاب زمانی هستند [۱۴] .
درحالت ساده برای تخمین زمان رسیدن فرض می شود که تنها منبع نویز، نویز گوسی بوده و سایر منابع ایجاد خطا مانند چند مسیره شدن سیگنال و غیره با شرط وجود همزمانی بین فرستنده و گیرنده وجود ندارد. بنابراین:
اگر سیگنال ارسالی p(t) باشد، سیگنال دریافتی با فرض کانال با نویز سفید گوسی به صورت زیر در می آید:
مسئله، پیداکردن بهترین تخمین از مقدارτ بر اساس سیگنال مشاهده شده است.
گیرنده و آشکارساز برای این سیستم با بهره گرفتن از تخمینگر ML [۴۳] به صورت زیر پیادهسازی میگردد.
مینیمم انحراف استاندارد در این نوع روش اندازه گیری نسبت به سیگنال به نویز با مقادیر مختلف پهنای پالس در زیر رسم شده اند[۱۵] .
همانطور که مشخص است در این روش لازم است تا گرههای مرجع و گره هدف دارای همزمانی باشند.
بنابراین همانگونه که مشخص است بهترین راه برای افزایش دقت در این سیستمها افزایش پهنای باند و یا افزایش توان سیگنال ارسالی میباشد.
البته روشها و پروتکلهایی وجود دارند که نیاز به همزمان بودن هدف و گرههای مرجع را از میان بر میدارند که در ادامه به تفصیل آمده است.
شکل۳‑۶: منحنی تغییرات کمینه خطای فاصلهیابی با بهره گرفتن از زمان رسیدن سیگنال بر حسب نسبت سیگنال به نویز
یکی از روشهای پیدا کردن زمان رسیدن سیگنال بدون نیاز به همزمانی گره هدف و گرههای مرجع این است که تفاضل سیگنال دریافتی از سیگنال دیگری که به سیگنال مرجع معروف است (TDOA[44])محاسبه شود [۱۵] . در این صورت زمان رسیدن تفاضل هر سیگنال به صورت زیر محاسبه می شود:
در این روش اگر گره هدف با گرههای مرجع همزمان نشده باشند با بهره گرفتن از روش قبلی و اعمال یک تفاضل، پارامتر مورد نظرمشخص می شود.
روش دوم پیدا کردن زمان تفاضل استفاده از انتگرال همبستگی و تعیین کردن زمان ماکزیمم شدن آن است که به فرم زیر میتوان نوشت [۱۶] :
بنابراین برای محاسبهی مکان با توجه به اینکه مختصات گره مرجع معین است، از روی تفاضل زمانها مکان هدف را پیدا می کنند. دراین حالت یک هذلولی به مرکزیت دو گره مرجع، مکان هندسی نقاطی است که تفاضلشان از نقطه هدف برابر فاصله محاسبه شده از رابطه بالاست.
اگر بتوان از روش اول (TOA) زمان تفاضل را بدست آورد میتوان به دقت بهتری رسید [۱۶] .
شکل ۳- ۷: مکان یابی با بهره گرفتن از تفاضل زمان رسیدن سیگنال
واضح است که برای استفاده از این روش نیاز به حداقل چهار گره مرجع میباشد.
روشهای مکان یابی بر اساس زمان دارای دقتهای بهتری نسبت به سایر روشهاست. مسلما در این روشها بایدسیگنال رسیده از مسیر مستقیم را در نظر گرفت.
مکان یابی بر اساس زمان رفت و برگشت سیگنال:
این روش از جمله روشهای مهمی است که نیاز به همزمانی را در بین گرهها برای فاصلهیابی از بین میبرد.
فرض شود قرار است گره A با گره B ارتباط برقرار نماید طوریکه بتواند عملیات فاصلهیابی را انجام دهد. بنابراین مراحل زیر به ترتیب عملی می شود:
ابتدا گره A یک بسته داده به نشانهی درخواست فاصله برای گره B میفرستد و زمان را از لحظه جداشدن سیگنال ارسالی از آنتن فرستنده ضبط مینماید.
گره B بلافاصله بعد از رسیدن درخواست، فاصله پاسخ خود را برای گره A میفرستد.
دقیقا پس از دریافت سیگنال پاسخ، گره A عملیات شمردن و ضبط زمان را متوقف می کند.
با بهره گرفتن از زمان طی شده از لحظه ارسال تا لحظه دریافت پاسخ و سرعت عبور سیگنال از محیط، فاصله را محاسبه مینماید.
البته واضح است که نمی توان زمان بین دریافت سیگنال، پردازش آن و ارسال مجدد آن را به گرهی A توسط گره B صفر فرض کرد. بنابراین دقت فاصلهیابی در این روش وابسته به تفکیک پذیری سیگنال ارسالی و زمان پردازش گره B است.
برای جلوگیری از خطای زمان پردازش بسته، که گره B باعث آن می شود، معمولا گره B بلافاصله مقدار زمان تاخیر را برای گره A میفرستد و گره A پس از دریافت آن یک بسته تصدیق دریافت برای گره B ارسال مینماید.
استراتژی های تشخیص پیک برای سیستمهای مکانیاب زمانی:
در این قسمت دو مورد از پر کاربردترین روشهای استخراج زمان برای استفاده در سیستمهای مکانیاب بررسی می شود.
آشکارسازی اولین پیک سیگنال دریافتی:
اولین روش بر مبنای آشکار کردن اولین پیک در دسترس است. در این سیستمها توان اولین مسیر رسیده بالاتر از سطح آستانه آشکارسازی قرار میگیرد. این روش بهترین روش آشکارسازی زمان رسیدن سیگنال است.
به هر حال دقت آشکارسازی میزان سیگنال به نویز وابسته است.
آشکارسازی قویترین پیک سیگنال دریافتی:
این روش بسیار سادهتر از روش قبلی قابل پیادهسازی است. مشکل استفاده از این روش خطاهایی است که به دلیل تطابق نداشتن اولین پیک سیگنال دریافتی با قویترین سیگنال دریافتی بوجود می آید.
این ناهماهنگی معمولا در شرایطی ایجاد می شود که سیگنال دریافتی دارای دید مستقیم نبوده و توسط اشیا درون محیط بلوک شود.
مشکلات مکان یابی براساس زمان:
شکل زیر پروفایل یک نمونه از سیگنالهای دریافتی فراپهنباند با پهنای باند ۱ گیگا هرتز رانشان میدهد. همانگونه که در شکل نیز واضح است قویترین پیک سگنال دریافتی اولین جزء سیگنال دریافتی است.
این حالت بهترین حالت برای آشکارسازی زمان رسیدن سیگنال است [۱۷] .
شکل۳‑ ۸: پروفایل تاخیر زمانی کانال
در این حالت استفاده هریک از روشهای بالا (آشکار سازی اولین پیک یا آشکارسازی قویترین پیک ) که استفاده شود، عملکرد تقریبا یکسان و کارایی بهینه دارند.
در ادامه پروفایل دیگری در شرایط یکسان نمایش داده می شود که سیگنال دریافتی دارای جزء مسیر مستقیم نیست یا به عبارت دیگر سیگنال دید مستقیم فرستنده و گیرنده قابل آشکار سازی نمی باشد.
