Controlul mobilității. Tehnici de stabilire a poziției terminalului mobil . [611412]

UMTS
Controlul mobilității. Tehnici de stabilire a poziției terminalului mobil .

CUPRINS

Introducere
Capitolul 1: Handover
1.1 Introducere
1.2 Hard Handover
1.3 Soft Handover
Capitolul 2: Metode de stabilire a poziție terminalui mobil
2.1 Introducere
2.2 Metode generale de localizare a poziției terminalului mobil
2.2.1 Cell -coverage -based positioning
2.2.2 Round Trip Time (RTT)
2.2.3 Time of Arrival (TOA)
2.2.4 Time Difference Of Arrival (TDOA)
2.2.5 Global Positioning System (GPS)
2.3 Metode de localizare a poziției terminalului mobil utilizate în UMTS
2.3.1 Cell Coverage Based Positioning
2.3.2 Observed Time Difference Of Arrival with idle period downlink support
(OTDOA -IPDL)
2.3.3 Assisted GPS (A -GPS)
Bibliografie

Introducere

UMTS – Universal Mobile Telecommunications System – este unul din standardele
generației a treia de comunicație radio mobilă 3G . Pentru a diferenția UMTS din celelalte
tehnologii de rețea, UMTS mai este numit și 3GSM, subliniind combinația dintre o natură 3G a
tehnologiei și standardele GSM, care sunt proiectate să fie folosite și în următoarea generație de
standarde de telefonie mobilă.
Aceste sisteme trebuie să facă față creșterii necesarului de comunicații mobile, precum și
mobilității din ce în ce mai mare a utilizatorilor.
În cadrul acestei lucrări se vor prezenta aspecte referitoare la conceptul de handover –
utilizarea acestuia în comunicații radio, dar și modificările aduse asupra acestuia prin
implementarea UMTS.
De asemenea, vor fi prezentate metodele de poziționare utilizate în UMTS, pornind de la
metodele generale de localizare folosite în generațiile anterioare.

Capitolul 1: Handover

1.1 Introducere
Unul dintre elementele cheie ale sistemelor de telecomunicații celulare este faptul că
sistemul este împărțit în mai multe celule care asigura acoperire și reutilizare a frecventelor.
Acest concept mărește capacitatea sistemului radio, cu cât celulele sunt mai mici, cu atât
este utilizat mai eficient spectrul radio. Ȋn schimb, implic ă costuri mai mari, fiind necesar un
număr mai mare de stații. Este de dorit să se optimizeze combinarea structurii rețelei cu
reutilizarea frecvențelor astfel ȋncât să se evite o creștere nedorită a numărului de stații . Aceste
soluții stabilesc noi cerințe pe ntru ca sistemul să funcționeze(de exemplu: mobilitatea
utilizat orului și funcțiile de handover). Deoarece utilizatorul se deplaseaz ă ȋn timpul convorbirii,
trebuie să fie posibilă menținerea conexiunii. Procesul prin care se realizează acest lucru este
handover -ul.
1.2 Hard Handover
Ȋn GSM este folosit tipul break before make (hard handover). Astfel, trecerea pe canalul
din celulă dest inație se face abia după eliberarea canalului din celulă curentă.
Statiile emit în permanen ță codul ariei de localizare(LAI) prin canalul logic de control
(BCCH Broadcast Control Channel ). Stațiile mobile cunosc de la BTS -uri frecven țele de
referință ale tuturor stațiilor învecinate, menținând o list ă cu nivelele de semnal. Se vor realiza
măsurători, aceste rapoarte fiind transmise pe canalulde transport ( FACH Forward A ccess
Channel ) către transceiver -ul la care este conectat mobilul și mai departe către B SC.
Controler -ul stațiilor menține o lista ordonată cu cei mai buni vecini, astfel când calitatea
transmisiei pe canalul respectiv scade sub un anumit nivel al puterii de recepție sau există
interferenț e, un fail pe echipament, frecve nță sau celulă, BSC -ul care deservește stația mobilă va
lua decizia de a transfer a legătur a: se schimbă canalul de trafic (TCH Traf fic Channel) utilizat în
timpul unei convorbiri). Astfel, MS primește un nou LAI, de asemenea, se compară cu cel vechi
pentru a se decide dacă se realizează Location Update.
Acesta este procesul de handover și poate fi cu intreupere de serviciu, precum s -a
prezentat mai sus, sau fără, în funcție de planning -ul radio. Această setare a vecinilor este
importantă, deoarece pot există fenomene de tip drop-call. Se dorește că aceste procese să fie
instantanee, ceea ce ar conduce la o minimizarea a întreuperilor apelurilor.

1.3. Soft Handover
Ȋn UMTS, se implementează soft handover( make before break ). Comparativ cu procesul
precedent, canalul din celulă folosită este reținut și folosit în paralel cu cel țintă, pentru o
perioad ă de timp mai lungă sau scurtă, astfel SH este perceput că o stare a apelului. Este posibilă
folosirea conexiunilor mai multor celule, din acest motiv, terminalul mobil poate alege cel mai
calitativ canal sau chiar o combinare a tuturor.

Figura 1.3.1
De asemenea, se introduce conceptul de celular tracking, adică se determin ă poziția unui
terminal mobil staționat sau în mi șcare.

Capitolul 2: Metode de stabilire a poziție terminalui mobil
2.1 Introducere
Determinarea poziție i terminalului mobil a devenit o caracteristică importantă a
sistemelor celulare. Există diferite că i de a dezvolta aceste servicii de localizare, despre care vom
discuta în cadrul acestei lucrări. Aplicațiile bazate pe acest proces sunt: gestionarea flotelor,
gestionarea traficului de informații, servicii de urgență, servicii de navigare etc.
Tehnologia celulară permite abonatului să se deplaseze și să utilizeze diferite servicii
indiferent de poziția sa. Această libertate poate aduce dificultăți în stabilirea locație i. În
continuare se vor prezenta diferite metode de aflare a poziției care au fost dezvoltate de către
rețelele mobile.
Cele mai importante metode de stabilire a poziție i geografice a unu i terminal mobil într -o
rețea sunt:
 Cell-coverage -based positioning
 Round Trip Time RTT
 Time Difference Of Arrival TDOA
 Enhanced Observed Time Difference E -OTD
 Global Positioning System GPS
 Time of Arrival TOA
 Angle of Arrival AOA
 Reference Node Based Positioning RNBP
 Galileo’s positioning system

2.2 Metode generale de localizare a poziției terminalului mobil
2.2.1 Cell-coverage -based positioning
Se vor aminti identificator ii din rețeaua GSM, care se utiliz ează și în UMTS.
 MMC( Mobile Country Code ) = reprezint ă codul de identificare al unei țări la nivel global
si este alcătuit din 3 digi ți;
 MNC( Mobile Network Code ) = reprezintă codul de i dentificare al operatoru lui de rețea la
nivel global; fi ecărui operator i se alocă un MNC(2,3 dig iți) sau chiar mai mult de unul;
 PLMNC( Public Land Mobile Network Code ) – este format din MCC si MNC ;
 LAC( Location Area Code ) = este un cod format din maxim 16 biți si identifică o anumită
arie in rețea. Fiecare arie de localizare este deservită de un VLR, deci fiecare VLR are
asignat un LAC. Deoarece a fost menționat termenul de VLR, se va detalia in continuare
ce presupune.

Visitor Location Register este o baz ă de date, ce conține informații privind abonații care
se afl ă ȋn aria de deservire a unui MSC(Mobile Switching C enter) precum: IMS I, MSISDN,
serviciile permise fiecărui abo nat, inf ormații de autentificare. Acestea sunt stocate de regul ă
ȋn mod temporar, deoarece MS ȋsi poate schimba poziția, ieșind astfel din aria de deservire a
VLR -ului.
 LAI(Location Area Identity) = este un cod unic la nivel global care indic ă țara, operatorul
de telefonie mobilă, LAC -ul unei arii de localizare; este compus din MCC, MNC si LAC;
 CI(Cell Identity ) – fiecare stație BTS are asignat un CI, un număr pe 16 biți care
identifică o celulă dintr -o arie anume;
 CGI( Cell Global Identification ) = este un număr unic compus din MCC, MNC, LAC și
CI.

Figura 2.2.1.1
 IMSI(I nternat ional Mobile Subscriber Identity) = este un număr unic alocat fiecărui
utilizator i stocat pe SIM-ul abonatului. Este utlizat ȋn comunicațiile interne ȋn rețea si
este format din: MCC Mobile Country Code, MNC Mobile Network Code și
MSIN(Mobile Subscribe Identity Number), care identific ă ȋn mod unic un user ȋn re eaua
proprie;
 MSISDN( Mobile Station International Subscriber Directory Number ) = numărul de
telefon al utilizatorului. IMSI are asociat un MSISDN , iar aceasta legătura este stocată ȋn
HLR. Când se realizează un apel, rețeaua folosește MSISDN -ul apelat pentru a identifica
IMSI -ul corespunzător, făcând apel la HLR. MSISDN este format din: CC Country Code,
NDC National Destination Code(cod asociat fiecărui operator de telefonie), SN
Subscriber Number(număr asignat utilizatorului de către operator).
Putem menționa și un identificator de echi pament: IMEI( Internat ional Mobile Equipment
Identity) care identifică ȋn mod unic un echipament mobil și este alocat telefonului de către
producător, fără a putea fi modificat.

Cell-coverage -based positioning se bazează pe identificarea celulei radio sub care se află
terminalul mobil sau a fost recent. Controlerul 3G RNC(Radio Network Controller) estimează
aproximativ coordonatele geografice ale celulei respective și trimite rezu ltatul către server -ul de

locație din rețea. Identitatea celulei este văzută ca informație radio deci, nu poate fi transportată
către Core Network. Ȋn schimb ID -ul celulei(CI) este mapat in „Service Area Identification”,
care ar putea fi trimis către CN.
Deoarec e această metodă depinde de car acteristicile canalelor radio și de strategia de
planificare a rețelei, calitatea acesteia nu este suficient de bună pentru anumite servicii. De aceea,
este deseori ȋmbinată cu metoda RTT pentru a determina coordonatel e mai precis.

2.2.2 Round Trip Time (RTT)

În teleco municații, timpul de raspuns al unui semnal este durata de timp necesară pentru
trimiterea unui semnal plus durata de timp necesară pentru primirea unei confirmări a recepției
semnalului respectiv.
RTT -ul unui semnal radio poate fi utilizat pentru creșterea preciziei ȋn determinarea
pozi iei.
Calcularea poziției terminalului poate utiliza măsuratorile RTT -urilor semnalelor de la
mai multe stații(Base Stations BSs). Round Trip Time reprezintă timpul de propagare al unui
semnal: de la terminalul mobil la statie și ȋnapoi, dupa cum se observă ȋn figura de mai jos. Prin
urmare distanța dintre MS si BS se poate obține pe baza timpului t si vitezei c a undei radio.
D=
c +Ꜫ
D reprezinta distanța cău tată, c este viteza de propagare a undelor radio c=3x m/s ȋn
spațiul liber, RTT este timpul de deplasare , iar Ꜫ este eroarea de măsurare. Ȋn realitate, D este
raza unui cerc din jurul stației.
Pentru estimări mai precise, locația terminalui mobil poate fi determinată prin utilizarea
unor măsuratori suplimentare de la stații ȋnvecinate, dacă sunt disponibile. Estimarea va fi
intersecția a trei cercuri, razele fiind determinată după principiul descris mai sus. Ȋn final se
estimează și marjele de eroa re ce privesc măsurătorile.

Figura 2.2.2.1

2.2.3 Time of Arrival (TOA)
În metoda TOA, calculul poziției se bazează pe întârzierea propagării semnalului radio de
la dispozitivul mobil la BS. Atunci când există cel puțin trei măsurători disponibile ale TOA,
poziția terminalului poate fi stabilită, minimizând distanțele dintre terminal și cercurile
corespondente.

Figura 2.2.3.1
Aceasta se face prin măsurarea TOA a trei BS învecinate. În metoda TOA distanța de la
terminal la BS este proporțională cu timpul de propagare. Astfel, dacă exis tă un LOS între
receptor și BS, distanța între ele este dată de relația:

unde c este viteza unei unde electromagnetice și ti este timpul de întârziere al semnalului
transmis de la un BS la terminal sau invers.
Cu toate acestea, în practică există întotdeauna unele erori în ceea ce privește
măsurătorile TOA din cauza Non Line of Sight (NLOS), scăderea semnalului,reflecție și umbrire
și, prin urmare, variații de acoperire la marginea celulelor. Prin urmare, atunc i când se estimează,
trebuie luată în considerare o marjă de eroare asupra exactit ății poziționării TOA.

2.2.4 Time Difference Of Arrival (TDOA)
În metoda T DOA, terminalul observă diferența de timp de recepție a semnalelor radio
între staț ii vecine. Poz iția terminalului este estimată prin procesarea măsuratorilor TDOA între
terminal și cel puțin 3 BS vecine, cu coordonate cunoscute. Măsuratorile se bazează pe doi
parametrii:
GTD – Geometric Time Difference – parametru care conține informația utilă, privind
poziția terminalului
RTD – Relative Time Difference – parametru care constă în diferența de timp a
transmiterii semnalelor între stații vecine .

TDOA = RTD + GTD

Figura 2.2.4.1
Ideea de bază în metoda TDOA este de a determina poziția relativă a terminalului ,
examinând diferența de timp în care semnalul ajunge la ținta, mai degrabă decât timpul absolut
de sosire.

2.2.5 Global Positioning System (GPS)
GPS este un sistem global de navigație prin satelit și unde radio. Sistemul GPS este o
rețea de sateliți care orbitează în jurul Pământului în puncte fixe deasupra planetei, transmițând
semnale tuturor receptorilor aflați la sol.
În aceast ă metod ă, impor tant pentru calcularea poziției este timpul în care semnalul a
părăsit satelitul și timpul la care a fost recepționat de receptorul GPS. Diferența de timp poate fi
utilizată pentru a calcula distanța dintre satelit și receptorul GPS. Dacă distanța este obținută,
știm că receptorul GPS trebuie să fie undeva pe o sferă în jurul satelitului. Desigur, aceasta este o
poziție ambiguă și de aceea este necesar mai mult de cât un satelit pentru a obține o pozitie
corect ă.

Figura 2.2.5.1

Poziționarea GPS este unul dintre cele mai exacte sisteme de poziționare aflate în
prezent. Cu toate acestea, receptoarele GPS ar trebui să aibă în mod normal un LOS la
aproximativ patru sateliți, și uneori acest lucru provoacă probleme. Mai mult, recepto rul GPS are
un sistem dedicat antena -satelit care este în mod obișnuit relativ mare și poate interfera cu
utilizarea celulară. Receptorul GPS mărește costurile de producție și consumul de energie al
terminalului mobil.

2.3 Metode de localizare a poziție i terminalului mobil utilizate în UMTS
2.3.1 Cell Coverage Based Positioning
Serving RNC, controler -ul ȋn 3G, mapează ID -ul celulei ȋn SAI corespunzătoare. Sunt
necesare operații su plimentare ȋn cazul ȋn care UE( User Equipment) este ȋn soft -handover sau ȋ n
RRC(Radio Resource Control). RRC are rolul de a stabili o legătură radio ȋntre terminalul mobil
și UTRAN(UMTS Terrestr ial Access Network) , acest termen referindu -se la UMTS cu tehnica
de acces multiplu WCDMA.
Ȋn cazul soft -handover -ului, deoarece este posibilă folosirea conexiunilor mai multor
celule, se pot raporta mai multe ID -uri de celule. Prin urmare se pot combina toate informațiile
valabile ȋn S RNC pentru stabilirea poziției.
Ȋn mod normal, alegerea ID -ului celulei se bazează pe parametrii ce definesc calitatea
semnalului recepționat. Astfel SRNC selectează ID -ul celulei ce are cel mai puternic semnal,
fiind utilizat ca referință.
ID-ul celulei mai poate fi determinat conform Primary Common Pilot Channel= CPICH
din setul activ de stații prim ite de către terminal. CPICH este un canal de cod nemodulat, ce
utlizează un cod specific, folosit pentru estimarea canalul ui(atunci când sunt implicate canale
comune).

2.3.2 Observed Time Difference Of Arrival with idle period downlink support
(OTDOA -IPDL )
Aceast ă metod ă de pozi ționare a terminalului mobil are la baz ă metoda TDOA descris ă
anterior.
Metoda OTDOA poate fi operată în două moduri: OTDOA asistată de terminal și
OTDOA bazată pe terminal. Cele două moduri diferă la modul în care se efectuea ză calculul
locației efective. În modul asistat de termin al, acesta măsoară diferența în timpul de sosire a mai
multor celule și semnalează rezultatele măsurătorilor în rețea, unde un element de retea
efectuează calculul locației. În modul OTDOA bazat pe t erminal, terminalul face măsurători și,

de asemenea, efectuează calculul locației. În aceast ă situa ție, sunt necesare in forma ții
suplimentare cum ar fi locația stațiilor de referin ță.

Figura 2.3.2.1
2.3.3 Assisted GPS (A-GPS)
În A -GPS nu numai sateliții, ci și re țeaua celular ă terestr ă este folosit ă pentru a afla
poziția terminalului mobil. În rețeaua celulară trebuie să fie implementate servere de GPS asistat
(numite și stații de referință) care pot furniza datele solicitate.
Aceste stații de referință monitorizează aceiași sateliți ca și statia mobil ă prin receptorul
GPS aferent. Rețeaua trebuie să cunoască pozi ția inițială a utilizatorului, prin ID -ul celulei. Cu
aceste informații rețeaua poate oferi sta ției mobile informa țiile disponibile d espre pozițiile
sateliți lor care ar trebui să fie vizibili pentru aceasta. Cu cât rețeaua poate localiza sta ția mai
bine, rezultatul va fi mai rapid. În acestă tehnologie, calculul poziției poate fi făcută fie doar prin
stația mobilă, fie prin trimiter ea măsuratorilor realizate de stația mobilă către sateliții din rețea,
care se ocupă de aflarea poziției exacte.

Figura 2.3.3.1

Bibliografie