Základní lokalizační metody v GSM

Localization methods in mobile networks GSM

Abstract

Lokalizační metody se rozdělují do tří skupin: metody založené na lokalizaci pomocí sítě, mobilního zařízení a kombinované metody. Každá lokalizační metoda je charakterizována tím, jaké změny v síti resp. mobilním zařízení je nutné provést pro její realizaci a z toho plynoucí náklady pro provozovatele. Další jejich důležitou vlastností je úroveň kvality lokalizační služby, kterou nám daná metoda přinese. Nejběžnějším parametrem pro její posouzení je přesnost určení polohy.

Dále jsou uvedeny metody lokalizace pomocí síte GSM a pro úplnost také lokalizace pomocí mobilního zařízení s využitím satelitních navigačních systémů.

Lokalizace pomocí sítě

U těchto lokalizačních metod dochází k přenosu žádosti o lokalizaci z mobilního zařízení do sítě, kde se s využitím dat zjištěných z tohoto zařízení a sítě stanoví jeho poloha. Mobilní zařízení pak zpětně přijme informaci o poloze. Dochází zde tedy k nárůstu přenosu dat mezi sítí a mobilním zarízením, což vede k určitému omezení výkonnosti těchto metod.

Cell ID

Cell ID je identifikační číslo přiřazené mobilním operátorem buňce v síti, které slouží pro určení přístupového bodu pro mobilní zařízení. Poloha všech základnových stanic vytvářející buňkovou strukturu je operátorovi známa s přesností kolem 30m. Poloha uživatele v síti může být stanoven s využitím metody Cell ID s přesností odpovídající velikosti buňky, která se pohybuje od 100m do 500m v městských oblastech a v jednotkách i desítkách kilometrů ve venkovských oblastech. Mobilní zařízení v praxi přijímá signál od více základnových stanic, což umožňuje výpočet průniku buněk, které tyto stanice vytvářejí. Dosáhne se tak zvýšení přesnosti určování polohy na hodnoty kolem 300m.

Obr.1: Lokalizace s využitím metody Cell ID

Timing advance

Přesnost lokalizace může být významně zvýšena při použití parametru Timing advance (TA). Tento parametr představuje čas šíření signálu mezi mobilním zařízením a sítí. Při znalosti rychlosti šíření signálu může být určena jejich přibližná vzdálenost s přesností kolem 550m. Stejně jako u předchozí metody i zde mobilní zařízení v praxi přijímá signál od několika základnových stanic a výsledná poloha uživatele může být tedy stanovena na základě jednoduché triangulace. Určení polohy v tomto případě je možné i s přesností několika desítek metrů.

Obr.2: Metoda Timing advance

Enhanced Observed Time Difference

Metoda Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) je založená na sledování časových rozdílů mezi příchody signálů od tří a více základnových stanic. To ovšem předpokládá zajištění synchronnosti základnových stanic v síti, což v praxi nebývá dodrženo. U metody E-OTD je tedy síť vybavena zařízením LMU (Location Measurement Unit), které provádí měření reálných časových rozdílů vysílání signálu základnových stanic (Real Time Difference - RTD). Pokud by základnové stanice vysílaly synchronně, hodnota RTD by byla nulová. Po stanovení časových rozdílů v příjmu signálu, je mezi dvojicemi základnových stanic provedeno určení oblasti, od které mají stejnou vzdálenost (viz. Obr.3). V této oblasti jsou časové rozdíly příchodu signálu označované GTD (Geometric Time Difference), pro které platí vztah GTD12 = (d2 - d1)/c, kde c je rychlost světla a di je vzdálenost. Pro časové rozdíly zjištené v mobilním zarízení OTD (Observed Time Difference) a GTD platí převodní vztah GTD=OTD-RTD. Pozice mobilního zařízení je pak vypočtena jako průnik oblastí GTDi s přesností 30-300m.

Obr.3: Oblasti konstantních časových rozdílů u metody E-OTD

Angle of Arrival

Metoda Angle of Arrival (AOA) vyžaduje použití směrových antén a znalosti vyzařovacích charakteristik. Měření úhlu, pod kterým je signál přijímán, se provádí v základnové stanici nebo mobilním zařízení. Výsledkem jsou přímky, které stanicí a mobilním zařízením procházejí. Poloha je poté stanovena jako průnik těchto přímek (viz. Obr.4) s přesností kolem 300m.

Obr.4: Metoda Angle of Arrival

Enhanced Cell Global Identity

Lokalizační metody Cell ID a Timing advance jsou v případě metody Enhanced Cell Global Identity (E-CGI) vylepšeny o měření úrovní signálů. E-CGI používá pro výpočet vzdálenosti mezi mobilním zařízením a základnovou stanicí model šíření signálů. Podle naměřených úrovní signálů v místě mobilního zařízení a znalosti vysílacích výkonů základnových stanic jsou tak predikovány oblasti s nejpravděpodobnějším výskytem uživatele. Jeho poloha je poté obvykle stanovena jako těžiště této oblasti. Přesnost metody E-CGI je kolem 50-550m pro městské oblasti a 250m-8km pro venkovské oblasti.

Tabulka 1: Přesnosti metody E-CGI

Lokalizace pomocí mobilního zařízení

Tyto metody umožňují lokalizaci přímo v uživatelském zařízení zpravidla bez komunikace s mobilní sítí. Jsou v tomto článku uvedeny vzhledem k jejich současné implementaci do zařízení používaných v GSM a sítí třetích generací.

Global Positioning System (GPS) umožňuje určení přesné třírozměrné polohy, rychlosti, směru pohybu objektu a času. Jedná se o systém založený na satelitní komunikaci s přesností lokalizace v jednotkách metrů. Pro zvýšení přesnosti GPS byly vyvinuty systémy D-GPS (Differential GPS) dodávající do zařízení informace ze stacionárních stanic, které jsou použity pro korekci naměřených dat. Může tak být dosaženo až sub-metrové a v některých případech dokonce sub-centimetrové přesnosti.

Problémem u GPS je dlouhá doba ke zjištění času a polohy po zapnutí přístroje. Ke zkrácení této doby mobilní síť nebo mobilní stanice dodá po zapnutí GPS přístroji počáteční informace. Tyto systémy jsou označovány jako asistované GPS (Assisted GPS – A-GPS). Ze sítě může být počáteční informace dodána do mobilní stanice z lokalizačního centra (Serving Mobile Location Center - SMLC) nebo formou broadcast zpráv. Díky asistenci sítě se dosahuje zrychlení lokalizace a snížení spotřeby energie. Navíc může být použita lokalizace mobilní sítí v místech nedostupných pro GPS signál.

Dalším satelitním navigačním systémem použitelným v blízké budoucnosti (po roce 2008) je evropský systém Galileo, který je tvořen konstelací 30 satelitů na střední oběžné dráze (Medium Earth Orbit - MEO) a přidruženou pozemní infrastrukturou. Galileo by měl poskytovat vysokou přesnost lokalizace a integritu pro veřejné, záchranné a komerční aplikace. Stejně jako u GPS se i zde pracuje na integraci terminálů mobilních buňkových sítí a Galilea do jednoho zařízení.

Literatura

[1] Svein Yngvar Willassen, A method for implementing Mobile Station Location in GSM, prosinec 1998

[2] Motorola, Inc., Overview of 2G LCS Technnologies and Standards, LCS Workshop London, 2001

[3] Openwave, Overview of Localion Technologies, listopad 2002

[4] W. Lindsay, M. Bilgic, G. Davis, B. Fox, R. Jensen, T. Lunn, M. Macdonald a W.-C. Peng, GSM Mobile Location Systems, Omnipoint, červenec 1999.

[5] Y. Zhao, Mobile Phone Location Determination and Its Impact on Inteligent Transportation Systems, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, březen 2000.