Localizarea Terminalelor Mobile
CUPRINS
LISTA FIGURILOR………………………………………………………………….…….3
LISTA TABELELOR……………………………………………………………………4
Cap.1 INTRODUCERE………………………………………………………………………….5
Cap.2 SERVICII BAZATE PE LOCALIZARE………………………………………7
Cap.3 METODE DE LOCALIZARE……………………………………………………..11
3.1. Considerații generale…………………………………………………………………………11
3.2. Tehnici de localizare………………………………………………………………………….12
3.3 Metode de localizare cu ajutorul senzorilor…………………………………………..19
3.4. Performanțele metodei hibride TOA-AOA…………………………………………..27
3.5 Reducerea erorilor datorate lipsei undei directe……………………………………..32
Cap.4 POZIȚIONAREA TERMINALELOR MOBILE PENTRU SERVICII DEPENDENTE DE LOCALIZAREA ÎN REȚELELE GSM…43
4.1. Considerații generale…………………………………………………………………………43
4.2. Infrastructura rețelei GSM………………………………………………………………….44
4.2.1 Entități tipice …………………………………………………………………………………44
4.2.2 Entități specifice ……………………………………………………………………………45
4.3. Localizarea în GSM…………………………………………………………………………..48
5. SERVICIUL DE URGENȚĂ……………………………………………………………..53
5.1. Considerații generale…………………………………………………………………………53
5.2. Soluții de localizare a apelurilor de urgență………………………………………….55
Cap. 6 CONCLUZII ……………………………………………………………………………..62
Lista figurilor
Fig. 1. Parametrii fizici, simbolici și de mișcare ________________________6
Fig. 2.1. (a) Harta cu diverse POI __________________________________9
Fig. 2.1. (b) Adaugarea unui nou POI ________________________________9
Fig. 2.2 Centru de preluare a apelurilor de urgență 112 ________________10
Fig. 3.1. Localizarea bazată pe identificarea celulei ____________________13
Fig. 3.2. Localizarea bazată pe direcția de sosire ______________________15
Fig. 3.4 Arhitectura sistemului Spotlight _____________________________23
Fig. 3.5 Măsurarea AOA _________________________________________27
Fig. 3.6.(a) Deviația standard funcție de ___________________________30
Fig. 3.6.(b) Deviația standard funcție de __________________________31
Fig. 3.6.(c) Funcția densitate de probabilitate a erorii totale funcție de ___31
Fig. 3.7 Lipsa undei directe (NLOS) ________________________________32
Fig . 3.8 Metoda hibridă de localizare TDOA/AOA _____________________35
Fig. 3.9 Funcția f.d.p. asociată unei estimări TDOA (4 stații de bază)_______37
Fig. 3.10 Funcția f.d.p. asociată unei estimări TDOA/AOA (4 stații de bază)_37
Fig. 3.11 Comparație a ratelor alermelor false ________________________42
Fig. 3.12 Comparație a ratelor detecțiilor omise _______________________42
Fig. 4.1 Schema retelei GSM ______________________________________45
Fig. 4.2 Arhitectura generală a rețelei GSM __________________________46
Fig. 4.3 Infrastructura GSM modificată pentru a suporta localizarea ______ 48
Fig. 4.4 Metoda de semnalizare în rețelele GSM pentru achiziția localizării _51
Fig. 5.1 Componentele Sistemului Național Unic pentru Apeluri de Urgență_55
Fig. 5.2 Metoda generală de localizare a apelurilor de urgență ___________56
Fig. 5.3 Procedura normală a metodei A-number ______________________58
Fig. 5.4 Metoda Cell-ID __________________________________________58
Fig. 5.5 Modul generic de lucru ____________________________________59
Lista tabelelor
Tabelul 1. Sisteme ce utilizează parametrii fizici și de mișcare_____________6
Tabelul 3.1 Comparația metodelor de localizare _______________________18
Tabelul 3.2 Rata de identificare când se dispune numai de măsurători TDOA utilizând localizarea aproximativă __________________________________41
Tabelul 3.3 Rata de identificare când se dispune numai de măsurători TDOA și AOA utilizând localizarea aproximativă ______________________________41
Cap.1 INTRODUCERE
Interesul pentru localizarea terminalelor mobile și serviciile mobile bazate pe localizare este în continuă creștere. Dacă în sensul clasic localizarea utilizatorilor constă în determinarea grupului de celule în care se află fiecare utilizator, în noua accepțiune localizarea constă în determinarea poziției geografice absolute a acestora cu o eroare de sub 150 metri.
Progresul tehnologiei mobile a dat naștere unei noi clase de sisteme care au că scop furnizarea unor date despre felul în care oamenii interacționează în diferite spații fizice. Aceste interacțiuni diferă de acelea care au loc într-un spațiu caracterizat de stabilitate în mișcare și un aranjament static al obiectelor și a subiecților, așa cum ar fi într-un mediu tipic de birou. Aceste interacțiuni se referă de cele mai multe ori, la spații unde poziția obiectelor se schimbă în mod regulat.
Specificarea locației este determinată de aflarea parametrilor fizici cât și cei ce determină mișcarea. Astfel, cei fizici sunt de fapt acele coordonatele fizice ce descriu poziția unui obiect în spațiu, îndeosebi în spațiul XYZ, acestea fiind utilizate când avem un spațiu închis (depozit, interiorul unei clădiri). Coordonata z, este mai puțin folosită, deoarece semnificația ei este oarecum limitată, adică, ea se referă la înălțimea față de sol la care se află un obiect ceea ce în cazul persoanelor rămâne mereu constantă.
Parametri de mișcare sunt cei referitori la direcție și viteză. Aceștia sunt de obicei utilizați când ne dorim aflarea punctului în care se va afla obiectul la un moment ulterior. Direcția, este importantă când ne referim la persoane, deoarece mișcarea lor, contrar obiectelor, nu poate fi determinată precis. Direcția este calculată de obicei cu ajutorul parametrilor x și y și este utilizată că și parametru doar de câteva sisteme de localizare. Că și direcția, viteza este de asemeni un parametru care nu poate fi prezis în cazul mișcării persoanelor.
Fig. 1. Parametrii fizici, simbolici și de mișcare
În tabelul următor avem câteva exemple de sisteme de localizare cu descrierea lor și perametri utilizați pentru localizarea persoanelor în interiorul unui spațiu închis .
Tabelul 1. Sisteme ce utilizează parametri fizici și de mișcare
Mobilitatea utilizatorilor de telefonie mobilă are un impact deosebit asupra infrastructurii care trebuie să poata gestiona informațiile cu privire la poziția curentă a acestuia, cât și asupra serviciilor oferite utilizatorului, care se pot schimba în timp datorită condițiilor de propagare radio, limitarea geografică a abonamentului sau preluarea abonatului de diverși operatori care oferă servicii diferite.
Sistemul GSM european este divizat în mai multe entitați ce operează separat și care, fiecare în parte, sunt administrate, într-o mare masură, independent una de cealaltă; fiecare astfel de entitate reprezintă o rețea de comunicații mobile terestre (PLMN). S-a impus că ariile de acoperire a fiecărei PLMN să nu depășească granițele unei țari, deși există inevitabil, în special în zonele de graniță, porțiuni unde ariile acoperite de aceste rețele se suprapun. O cerință esențială este aceea că rețele trebuie să comunica între ele, fapt ce necesita mijloace standardizate de comunicare.
Cap.2 SERVICII BAZATE PE LOCALIZARE
Serviciile bazate pe localizare oferite de operatorii de telefonie mobilă se adresează atât simplilor posesori de telefoane mobile, cât și companiilor, dar mai ales serviciului de urgență (112 în România). Accesând un astfel de serviciu, putem afla rapid cel mai scurt drum spre destinația noastră sau putem localiza diverse obiective aflate în apropiere. În cazul companiilor, se oferă o soluție de monitorizare a flotei de automobile, ce permite localizarea pe harta României a telefoanelor mobile aparținând companiei-client și oferă persoanei autorizate din cadrul companiei informații personalizate despre poziția și traseul unuia sau mai multor telefoane mobile. El se adresează companiilor din domenii precum transporturi, vânzări, distribuție, logistică, intervenție etc. Practic, sistemul elimină timpii morți din activitatea angajaților de pe teren. Desigur, utilizatorii vor constata cât timp se pierde pe drum din cauza blocajelor de trafic. Folosind o conexiune Internet securizată, persoana autorizată accesează aplicația și poate localiza instantaneu oricare dintre telefoanele mobile incluse în lista de monitorizare. Aceasta poate verifica traseele și parcursul realizat.
Este de ajuns să ne imaginăm o zi din viața unui posesor de telefon mobil pentru a ne da seama de utilitatea serviciilor oferite de localizarea terminalelor mobile.
Astfel, Maria Ionescu se trezește dimineață și se pregătește să plece la servici. Își va folosi mobilul pentru a afla prognoza meteo locală. Se urcă în mașină, și imediat primește pe mobil un mesaj alertă ce o informeaza că pe traseul ei spre locul de muncă este un blocaj în trafic iar coloana de mașini are o lungime d 6 km. Își dă seama că cea mai buna variantă în acest caz este metroul. Dar cum a trecut ceva timp de când nu a mai folosit transportul în comun, Maria va căuta cea mai apropiată stație și va verifica traseele metroului cu ajutorul telefonului mobil. În drum spre stația de metrou trece prin dreptul unei cafenele, și va primi un mesaj publicitar cu oferta zilei. În timp ce astepta metroul, își verifica agenda zilei și își dă seama că are întâlniri și în partea opusă a orașului, unde de altfel, nu a mers niciodată. Astfel apelează la harta zonei și își rezervă taxiurile care o vor duce la destinațiile respective, tot cu ajutorul terminalului mobil. Ziua trece, iar la ora 6 fix primește un mesaj ce o anunță că la restaurantul din vecinatate este ora reducerilor. Cum ziua a fost destul de încarcată se hotăraște să accepte invitația, nu înainte de a verifica lista de prieteni de pe telefonul mobil. Se pare că o veche colegă de liceu se află la un alt restaurant din apropiere, astfel îi trimite un mesaj cu invitația de a se bucura împreună de ora reducerilor. După o oră în care au depănat amintiri cele două părăsesc restaurantul, iar Maria apelează numărul Taxi din agenda mobilului. Este redirecționată de către terminalul mobil către cea mai apropiată stație de taxiuri, care transmite totodată și locația unde este așteptat taxiul. În câteva minute Maria este în drum spre casă, încheind înca o zi de muncă.
Există câțiva factori ce determină încrederea utilizatorului în serviciile oferite de localizarea terminalului mobil: intimitate, securitate și accesibilitatea. Din cele scrise mai sus și ținând cont de cei trei factori, observăm că “intimitatea” este pusă în pericol de unul din serviciile oferite de localizare, și anume publicitatea. Soluția este una simplă. Utilizatorul își dă acceptul de a primi astfel de mesaje în scop publicitar în schimbul unor beneficii din partea operatorului de telefonie mobilă.
Serviciul Mobile POI (Point Of Interest) este conceput așa încât utilizatorul să primească informații despre locațiile care în mod normal pot prezenta interes (instituții publice, benzinării, hoteluri, etc.) considerate importante de către producătorul programului de navigație, și totodată, utilizatorul are posibilitatea de a adăuga, edita sau chiar elimina unele puncte de interes după cum dorește acesta. Întregul sistem este format dintr-un server ce pune la dispoziția clientului hărțilcă ariile de acoperire a fiecărei PLMN să nu depășească granițele unei țari, deși există inevitabil, în special în zonele de graniță, porțiuni unde ariile acoperite de aceste rețele se suprapun. O cerință esențială este aceea că rețele trebuie să comunica între ele, fapt ce necesita mijloace standardizate de comunicare.
Cap.2 SERVICII BAZATE PE LOCALIZARE
Serviciile bazate pe localizare oferite de operatorii de telefonie mobilă se adresează atât simplilor posesori de telefoane mobile, cât și companiilor, dar mai ales serviciului de urgență (112 în România). Accesând un astfel de serviciu, putem afla rapid cel mai scurt drum spre destinația noastră sau putem localiza diverse obiective aflate în apropiere. În cazul companiilor, se oferă o soluție de monitorizare a flotei de automobile, ce permite localizarea pe harta României a telefoanelor mobile aparținând companiei-client și oferă persoanei autorizate din cadrul companiei informații personalizate despre poziția și traseul unuia sau mai multor telefoane mobile. El se adresează companiilor din domenii precum transporturi, vânzări, distribuție, logistică, intervenție etc. Practic, sistemul elimină timpii morți din activitatea angajaților de pe teren. Desigur, utilizatorii vor constata cât timp se pierde pe drum din cauza blocajelor de trafic. Folosind o conexiune Internet securizată, persoana autorizată accesează aplicația și poate localiza instantaneu oricare dintre telefoanele mobile incluse în lista de monitorizare. Aceasta poate verifica traseele și parcursul realizat.
Este de ajuns să ne imaginăm o zi din viața unui posesor de telefon mobil pentru a ne da seama de utilitatea serviciilor oferite de localizarea terminalelor mobile.
Astfel, Maria Ionescu se trezește dimineață și se pregătește să plece la servici. Își va folosi mobilul pentru a afla prognoza meteo locală. Se urcă în mașină, și imediat primește pe mobil un mesaj alertă ce o informeaza că pe traseul ei spre locul de muncă este un blocaj în trafic iar coloana de mașini are o lungime d 6 km. Își dă seama că cea mai buna variantă în acest caz este metroul. Dar cum a trecut ceva timp de când nu a mai folosit transportul în comun, Maria va căuta cea mai apropiată stație și va verifica traseele metroului cu ajutorul telefonului mobil. În drum spre stația de metrou trece prin dreptul unei cafenele, și va primi un mesaj publicitar cu oferta zilei. În timp ce astepta metroul, își verifica agenda zilei și își dă seama că are întâlniri și în partea opusă a orașului, unde de altfel, nu a mers niciodată. Astfel apelează la harta zonei și își rezervă taxiurile care o vor duce la destinațiile respective, tot cu ajutorul terminalului mobil. Ziua trece, iar la ora 6 fix primește un mesaj ce o anunță că la restaurantul din vecinatate este ora reducerilor. Cum ziua a fost destul de încarcată se hotăraște să accepte invitația, nu înainte de a verifica lista de prieteni de pe telefonul mobil. Se pare că o veche colegă de liceu se află la un alt restaurant din apropiere, astfel îi trimite un mesaj cu invitația de a se bucura împreună de ora reducerilor. După o oră în care au depănat amintiri cele două părăsesc restaurantul, iar Maria apelează numărul Taxi din agenda mobilului. Este redirecționată de către terminalul mobil către cea mai apropiată stație de taxiuri, care transmite totodată și locația unde este așteptat taxiul. În câteva minute Maria este în drum spre casă, încheind înca o zi de muncă.
Există câțiva factori ce determină încrederea utilizatorului în serviciile oferite de localizarea terminalului mobil: intimitate, securitate și accesibilitatea. Din cele scrise mai sus și ținând cont de cei trei factori, observăm că “intimitatea” este pusă în pericol de unul din serviciile oferite de localizare, și anume publicitatea. Soluția este una simplă. Utilizatorul își dă acceptul de a primi astfel de mesaje în scop publicitar în schimbul unor beneficii din partea operatorului de telefonie mobilă.
Serviciul Mobile POI (Point Of Interest) este conceput așa încât utilizatorul să primească informații despre locațiile care în mod normal pot prezenta interes (instituții publice, benzinării, hoteluri, etc.) considerate importante de către producătorul programului de navigație, și totodată, utilizatorul are posibilitatea de a adăuga, edita sau chiar elimina unele puncte de interes după cum dorește acesta. Întregul sistem este format dintr-un server ce pune la dispoziția clientului hărțile necesare și informațiile despre zona geografică în care se află. Aceste POI sunt împărțite în categorii distincte (Sănătate, transport, restaurante, etc.) Prin accesarea unui anumit POI, pe ecranul telefonul mobil sunt afișate informații despre acesta, se pot adăuga comentarii sau citi comentariile altor utilizatori asupra acelui POI. Interfața grafică a aplicației permite mărirea sau micșorarea zonei de interes de pe hartă, deplasarea sau chiar schimbarea zonei.
(a) (b)
Fig.2.1. (a) Harta cu diverse POI, (b)Adaugarea unui nou POI
Servicul de urgență, reprezentat în Europa de sistemul 112, vizează asigurarea protecției cetățenilor și a unui grad înalt de asistența indiferent de locul în care se află aceștia. Sistemul Național Unic pentru Apeluri de Urgență (SNUAU) este construit prin crearea centrelor de preluare a apelurilor de urgență și dotarea acestora cu un sistem operativ de telecomunicații, destinat anunțării, recepționării, prelucrării și transmiterii către serviciile solicitate a apelurilor de urgență, în mod centralizat și unitar. Sistemul este folosit și pentru comunicarea între serviciile specializate de intervenție ale Poliției, Pompierilor, Ambulanței, care au obligația de a acționa în cazul apelurilor de urgență. Centrele de preluare a apelurilor de urgență dispun de o bază de date care îi ajută pe operatorii de la 112 să localizeze apelul, incidentul produs și resursele de intervenție cele mai apropiate. Acest lucru este posibil cu ajutorul a doi indici de identificare: ANI (identificarea automată a numărului de telefon) – pe monitorul operatorului apare numărul postului telefonic de unde apelantul sună; și ALI (identificarea automată a locației) – pe monitorul operatorului apar adresa apelantului, locul de unde acesta sună și o serie de informații suplimentare necesare pentru a exploata toate resursele în vederea găsirii soluției optime pentru a ajunge în timp util la locul incidentului.
Fig.2.2 Centru de preluare a apelurilor de urgență 112
În vederea soluționării cazurilor de urgență, se folosește și aplicația AVL (Automatic Vehicle Location) care indetifică poziția autovehiculelor angajate în procesul de intervenție la situațiile de urgență dotate cu echipamente de comunicații radio (convenționale sau digitale) care conțin un subsistem GPS. Pentru a putea transmite datele între terminalele mobile și serverul AVL, aplicația AVL utilizează rețelele radio digitale și/sau analogice (convenționale), pentru poziționarea vehiculelor de intervenție și identificarea traseelor optime de deplasare a acestora.
Cap.3 METODE DE LOCALIZARE
3.1. Considerații denerale
Cu toate că există un număr destul de mare de tehnologii ce permit poziționarea , o clasificare clară a metodelor de localizare atât de interior cât și de exterior nu poate fi facută.
Tehnicile de poziționare pot fi implementate în două moduri, și anume : poziționarea cu ajutorul semnalelor sistemului celular sau poziționarea la distantă. În primul caz, terminalul mobil folosește semnalele transmise de stația de bază pentru a-și calcula singur poziția (GPS); iar în al doilea caz, terminalul mobil poate fi localizat prin măsurarea semnalului transmis și primit de către mai mulți receptori.
Există trei categorii de metode de localizare:
poziționare realizată de rețea (Network-based)
poziționare realizată de terminalul mobil (Mobile-based)
poziționare asistată de terminalul mobil (Mobile-assisted )
În cazul implementării Network-based una sau mai multe stații de bază (BSs) realizează măsurătorile necesare și trimit rezultatele acestora unui centru de localizare unde este calculată poziția. Această metodă nu necesită schimbarea terminalului mobil, ceea ce reprezintă un avantaj semnificativ față de celălalte două tipuri de implementări. Totuși, MS (mobile station) trebuie să fie activă pentru a face posibile măsurătorile de localizare, deci poziționarea în mod inactiv este imposibilă.
Implementarea Mobile-based este caracterizată de faptul că MS realizează măsurătorile și calculul poziției . Aceasta permite localizarea și în mod inactiv prin efectuarea de măsurători la nivelul canalului de control care sunt transmise continuu. Unele informații suplimentare, cum ar fi cordonatele BS, ar putea fi cerute de la rețea pentru a permite determinarea locației în MS. Acest tip de implementare nu este suportată de modele vechi de telefoane mobile.
A treia metoda de implementare, Mobile-assisted, include soluții unde MS realizează măsurători și trimite rezultatele unui centru de localizare din rețea pentru procesări ulterioare. Astfel, povara calculelor este transferată unui centru de localizare unde sunt disponibile procesoare puternice pentru efectuarea acestora. Totuși, făcând comparație cu implementarea anterioară , întarzierile și timpul de transmitere a semnalizării cresc, mai ales dacă rezultatul localizării este cerut la stația mobilă. Deși de obicei soluțiile oferite de Mobile-assisted nu sunt compatibile cu modele vechi de telefoane, este posibilă folosirea rapoartelor de măsurători care sunt trimise continuu rețelei în mod activ de către terminalele GSM. Tehnici care folosesc aceste rapoarte ale măsurătorilor, de exemplu nivelul măsurat al puterii recepționate de mobil, sunt adeseori clasificate ca Network-based de vreme ce nu necesită nici un fel de modificare a telefonului mobil. Totuși, măsurătorile sunt realizate de către MS și de aceea aceste tehnici vor fi denumite în final Mobile-assisted.
O altă clasificare este facută din punct de vedere al principiului măsurătorilor:
Multilaterale – în acest caz sunt făcute măsurători simultane de către mai multe BSs (base stations). Acest principiu este regăsit în implementarea Network-based.
Unilateral – MS măsoară semnalele trimise de la mai multe BS și astfel se ajunge la implementări de tip Mobile-based sau Mobile-assisted.
Bilateral – nu sunt necesare măsurători multiple: ori un singur MS măsoară semnalul de la o singură BS ori o singură BS măsoară semnalul de la MS. Această tehnică nu exclude nici una dintre cele trei categorii de implementare.
3.2. Tehnici de localizare
Identitatea celulei (Cell ID) – Identificarea celulei în care se află terminalul mobil este cea mai simpla metodă de localizare. Din moment ce aceasta este o trasatură moștenită de toate sistemele celulare de până acum, sistemele deja existente vor suferi schimbări minime . În acest caz trebuiesc cunoscute doar coordonatele stației de bază (BS). Acesta este un principiu de localizare bilateral care poate fi implementat ca o tehnică Network Based sau Mobile Based. Un alt avantaj al acestei metode constă în faptul că nu este necesară realizarea nici unui calcul pentru a obține informații cu privire la locație. Astfel, localizarea bazată pe identitatea celulei este rapidă și potrivită pentru aplicații ale caror cerințe sunt de capacitate mare. Din păcate această localizare este cu precizie scazută în zonele rurale unde celulele sunt de arie foarte mare. În zonele urbane aglomerate acuratețea localizării este considerabil mai bună datorită arie mici a microcelulelor și picocelulelor. Totuși, această metodă nu este destul de precisă, cu o eroare de poziționare satisfăcător de mica pentru marea majoritatea aplicațiilor.
Fig. 3.1 Localizarea bazată pe identificarea celulei
Nivelul măsurat al puterii recepționate de mobil (Signal strength) – Un mobil angajat într-o comunicație realizează periodic masurători ale nivelului semnalului receționat pe canalul pilot al celulei în care se află și pe canalele pilot ale celulelor învecinate. Folosind aceste măsuratori putem estima distanța dintre terminalul mobil și BSs. Dacă presupunem că antenele stațiilor de bază sunt omnidirecționale, că aria celulei este plană și că propagarea undelor radio se face identic în toate direcțiile din spațiu, atunci curbele de nivel constant în jurul unei stații de bază sunt cercuri concentrice și intersecția cercurilor corespunzatoare la trei stații de bază pentru nivelele de putere raportate de mobil furnizează poziția mobilului. Din păcate, propagarea undelor radio într-un mediu real este departe de a respecta ipotezele de mai sus, astfel încât curbele de nivel constant al puterii recepționate au forme extrem de complicate și dificil de estimat. Mai mult, nivelul puterii la recepție este variabil în timp (fading) și poate varia în limite largi, 30 – 40 dB, pe distanțe de ordinul unei zecimi de lungimi de undă. Diferite variații ale acestei magnitudini produc erori foarte mari în estimarea distanței . Totuși , erorile introduse de fadingul rapid (estomparea rapida a semnalului) pot fi eliminate prin medierea pe un interval de timp mare a măsurătorilor raportate de mobil. Contrar acestora, erorile introduse de fadingul lent ,datorat efectului de umbrire , de exemplu, sunt greu de estimat și de eliminat. Astfel variațiile în orientarea antenei, și efectul de umbire locală din jurul terminalului mobil (în incinta unu imobil sau a unui vehicul etc) sunt văzute că diferite erori în estimările de distanță , și în consecinîă în estimările de poziție.
Acest parametru, nivelul măsurat al puterii recepționate de mobil, este unilateral și poate fi implementat atât cu metoda mobile-assited cât și cu mobile-based , aceasta necesitând transmiterea coordonatelor stației de bază către terminalul mobil.
Metoda nivelului măsurat al puterii recepționate de mobil este usor de implementat în GSM fiind bazată pe rapoartele de măsurători care sunt transmise continuu de la MS înapoi către rețea în mod activ. Astfel, nu este necesară o înlocuire a terminalelor mobile vechi fiind denumită deseori metoda Network-based chiar dacă MS realizează măsurătorile. O metodă de implementare alternativă este aceea de a modifica terminalele mobile astfel încât transmiterea rapoartelor de măsurători să fie posibilă și în mod inactiv. Telefoanele GSM cu această capacitate sunt deja dsponibile .
Utilizarea valorilor măsurate ale puterii recepționate pentru localizarea mobilelor se poate introduce cu prețuri de cost mici însă precizia rămane scăzută, metoda fiind recomandată pentru aplicații nu foarte pretențioase.
În rețelele UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) stația de bază transmite cu o putere constantă de 33 dBm ( 10% din puterea maximă) pe un canal propriu (CPICH – Common Pilot Channel). În UMTS eliminarea fadingului rapid prin medierea măsurătorilor este mult mai eficientă datorită lărgimii benzii de frecvența mai mari.
Direcția de sosire (Angle of Arival – AOA) – Informațiile deținute de direcția de sosire a undei radio, măsurate de stația de bază echipată cu un șir de antene, pot fi folositoare în determinarea poziției terminalului mobil. Într-un mediu plan sunt necesare doar două stații de bază pentru a localiza în mod unic un utilizator, poziția acestuia aflându-se în punctul de intersecție a două linii emise de către stațiile de bază. Pntru rezultate cât mai exacte, această tehnică are nevoie de camp liber între MS și BSs, deci este inutilizabilă în medii urbane dens construite. De asemenea, incertitudinile măsurătorilor determină erori de localizare ce cresc odata cu distanța față de stația de bază.
S-a observat că în mediul urban valoarea efectivă a erorii de localizare este de aproximativ 300 metri utilizând două stații de bază și 200 metri utilizând trei stații de bază.
Un mare obstacol în implementarea acestei metode în rețeaua 2G existentă, este nevoia de un șir de antene pentru fiecare stație de bază, atașându-se rețelei deja existente senzori pentru detecția direcției de sosire a unde radio, ceea ce ar fi foarte costisitor. În sistemele 3G măsurătorile AOA pot deveni disponibile fără a folosi un hardware separat dacă antenele stației de bază sunt desfășurate la mare depărtare.
Un alt dezavantaj, pe langă cel financiar, ar fi imposibilitatea satisfacerii unui număr mare de utilizatori deoarece principiul măsurătorilor multilaterale cere coordonarea măsurătorilor simultane la câteva stații de bază.
Fig.3.2. Localizarea bazată pe direcția de sosire
Diferența timpilor de sosire – Măsurătorile timpului de sosire a undei radio, efectuate fie la stațiile de bază fie la nivelul terminalului mobil, pot fi folosite pentru localizare. Dacă BSs și MS sunt sincronizate perfect, atunci se poate calcula timpul necesar undei radio pentru a parcurge distanța dintre MS și BS, fiind necesare încă trei măsurători pentru o localizare unică în plan.
Totuși , dacă rețeaua nu este sincronizată, că în cazul rețelelor GSM și UMTS, se pot măsura doar diferențele timpilor de sosire a undelor radio, stațiile de bază trebuid să aibă aceeași referința de timp. Cum două măsurători ale timpului de sosire definesc o hiperbolă, sunt necesare astfel patru măsurători de acest tip pentru o localizare în plan fară ambiguități.
Avantajul acestei metode constă în faptul că este funcțională și pe vechile terminale mobile.
Diferența observată a timpilor de sosire – În cazul acestei tehnici, MS observă diferențele de timp ale semnalelor de la diferite BSs. Acestea sunt semnale obișnuite de la canalele de control, astfel MS poate efectua măsurătorile atât în mod inactiv cât și în mod activ. Diferențele de timp dintre semnalele de tact ale stațiilor de bază pot fi rezolvate prin utilizarea unui receptor de referința la o locație cunoscută care măsoară continuu diferențele de timp. Aceasta este o metodă mult mai simplă și mai economică decat sincronizarea transmisiilor BS. Eroarea de localizare depinde în primul rând de eroarea de măsură a timpilor de sosire, dar este influențată și de alți factori cum ar fi absența undei directe, prezența unui număr mare de unde reflectate sau distribuția geografică a stațiilor de bază în jurul terminalului mobil. În general este bine să se efectueze cât mai multe măsurători posibile.
La durata de cca 3,69μs a bitului de informație în rețelele GSM , dacă se efectuează câte o măsurătoare pe durata unui bit, rezultă o eroare de estimare a distanței emițător-receptor de aproximativ 554 metri. În rețelele UMTS, durata unui bit este de cca 0,26μs , ceea ce conduce la o eroare de estimare a distanței de aproximativ 78 metri.
Aceasta este o metodă unilaterală Mobile-assisted sau Mobile-based. În primul caz, terminalul mobil trimite rezultatele diferențelor de timp la un centru de localizare, unde poziția este calculată pe baza acestor măsurători și a măsurătorilor efectuate de către receptorul de referință. În al doilea caz coordonatele stației de bază la fel că și rezultatele măsurătorilor de la receptorii de referință, sunt transmise către terminalul mobil.
EOTD (Enhanced Observed Time Differences) – Prin metoda îmbunătățită bazată pe diferența observată a timpilor de sosire calculul poziției mobilului se realizează de către centrul de localizare al rețelei. Se rezolvă problema sincronizării stațiilor de bază întalnită la OTD.
OTDOA(Observed Time Differences of Arrival)- În cazul acestei metode calculul poziție mobilului se realizează chiar de către acesta. OTDOA poate fi operată în două moduri, MS-assisted sau MS-based, alegerea modului depinzând de locul în care este calculată poziția. În modul UTRA TDD, stațiile de bază sunt sincronizate, dar în modul UTRA FDD, stațiile de bază transmit informații nesincronizate, așa că diferențele de timp relative ale semnalelor transmise sunt necesare pentru calcularea poziției estimative a terminalului mobil. Sincronizarea stațiilor de bază trebuie să fie cât mai exactă deoarece o eroare de 10ns este echivalentă cu o eroare de 3 metri a poziției estimate.
IPDL (Idle Period Downlink – Din cauza controlului puterii de emisie în rețelele UMTS, terminalele mobile care se află foarte aproape de o statție de bază nu mai au posibilitatea să recepționeze și semnalele pilot de la alte stații de bază, poziționarea devenind imposibilă din cauza numărului prea mic de stații de bază în raport cu care se pot face măsurători. Pentru a evita această situație în UMTS se definește un mod special de funcționare al stațiilor de bază în care în una din ferestrele timp dintr-un cadru de 10 ms stația de bază proprie nu emite și, că urmare, terminalele mobile din acea celulă au posibilitatea să recepționeze semnalele pilot de la stațiile vecine și să măsoare diferențele timpului de sosire. Ferestrele IPDL se pot organiza grupat, dar nu în fiecare cadru.
TA-IPDL (Time Aligned- Idle Period Downlink) – Metoda TA-IPDL este o modificare a metodei standard IPDL. În acest caz perioadele de inactivitate sunt sincronizate în mod itenționat cu aproximativ 30μs peste BSs. Sincronizarea acestor perioade crează o perioadă de inactivitate comună, în timpul căreia fiecare stație de bază fie va înceta transmisia, de obicei aproximativ 70% din timp, sau va transmite pe canalul pilot, de obicei 30% din timp. Deci ferestrele IPDL se pot defini pentru a aprea simultan în toate celulele.
Metode hibride – Tehnicile de localizare hibride combină mai multe metode descrise mai sus pentru a furniza estimări ale poziției terminalului mobil cu o mai bună acuratețe, mai de încredere, cu o arie de acoperire mai mare, incluzând zonele urbane și rurale, de interior și exterior. Aceste metode nu sunt standardizate și s-ar putea că semnalizarea de care este nevoie în rețea să nu fie disponibilă. Dezavantajele sistemelor hibride sunt: costuri mari pentru rețea și echipamente pentru procesoare mai complexe. De exemplu, când se folosește o metodă hibridă care implică două tehnici, costul ar fi la fel de mare că în cazul folosirii a două metode separate.Totuși eroarea de localizare scade simțitor.
AOA+RTT(Angle of Arrival + Round Trip Time)
Este o metoda aplicabilă în zonele rurale sau suburbane care face posibilă localizarea numai cu stația de bază proprie. La informația privind direcția de sosire a undei se adaugă timpul total de propagare stație de bază-mobil-stație de bază, ținând cont că unda directa este recepționată pe toată aria celulei.
Eroarea de localizare , în acest caz, va crește odata cu creșterea distanței dintre terminalul mobil și stația de bază.
OTDOA + AOA(Observed Time Differences of Arrival+ Angle of Arrival)
În UMTS, măsurătorile OTDOA vor fi disponibile la toate terminalele mobile, iar folosirea șirurilor de antene vor face posibile măsurătorile direcției de sosire fără costuri suplimentare. Metoda OTDA+AOA permite micșorarea erorii de localizare în zonele unde unda directa este mai puțin sau deloc prezentă. Acuratețea hibridului este mai bună decât a metodei OTDOA sau doar când se calculează direcția de propagare, iar aria de acoperire crește fiind necesare doar două stații de bază.
Corelarea bazei de date – Aceasta este o metoda generică de localizare care poate fi aplicată oricărei rețele telefonice celulare. Ideea de bază este stocarea informației primită de terminalul mobil, de la toate stațiile de bază din aria de acoperire al sistemului de localizare, într-o bază de date care este folosită de un server de localizare. Baza de date poate conține orice informație asupra semnalului, nivelul măsurat al puterii recepționate, întârzieri ale semnalului sau chiar răspunsul la impuls al canalului. Orice informație legată de calculul poziției măsurate la nivelul terminalului mobil sau la nivelul rețelei, este folositoare în cadrul acestei metode. Astfel, pentru localizarea unui utilizator sunt necesare măsurători care vor fi transmise către un server de localizare, iar acesta va calcula poziția terminalului făcând comparație între informațiile transmise și cele existente în baza de date.
Serverul de localizare trebuie să fie suficient de puternic pentru a putea procesa toate cererile de localizare într-un timp rezonabil. Efortul cel mai mare în aplicarea acestei metode este crearea și actualizarea bazei de date, însă este compensată de precizia localizării în medii urbane dens construite când unda directa ,de cele mai multe ori, nu este prezentă.
În GSM parametrul esențial pentru localizarea terminalului mobil este LAC (Location Area Code) din care reiese identitatea celulei în care se află utilizatorul, și nivelul măsurat al puterii recepționate. Dacă terminalul mobil se află în comunicație atunci acești parametri sunt cunoscuți atât la nivelul rețelei cât și al mobilului (nivelul măsurat al puterii este măsurat pentru până la 6 celule vecine și este retransmis rețelei), iar în mod inactiv doar parametrul LAC cunoscut de rețea.
Tabel 3.1 Comparația metodelor de localizare
3.3 Metode de localizare cu ajutorul senzorilor
Rețelele de senzori fără fir reprezintă un domeniu de cercetare de mare interes. Progresele recente ale tehnologiei au dus la posibilitatea dezvoltării unor senzori cu un cost redus, cu un consum de putere redusă și în același timp multifuncțional, care pot comunica pe arii restrânse. Un număr mare de astfel de dispozitive de dimensiune redusă, conectate într-o rețea de comunicație fără fir au dus la dezvoltarea de aplicații de monitorizare și control al locuințelor, al orașelor, a mediului. Într-o astfel de rețea o caracteristică extrem de importantă și dorită este cea de localizare.
Problema localizării nodurilor unei rețele de senzori, reprezintă una dintre cele mai dificile și spinoase probleme ce trebuie rezolvate, ținând cont de realitatea înconjurătoare. Deoarece marea parte a aplicațiilor bazate pe rețele de senzori, au nevoie de localizarea pentru a putea asista operațiile pe care le execută, ca de exemplu pentru a-și adnota datele cu locația curentă, este absolut nevoie ca senzorul să poată fi capabil să își găsească propria locație.
Există diferite soluții de localizare a unor microsisteme digitale, ce pot fi împărțite pe trei mari categorii: sistem de localizare globală, sisteme de localizare pe arii extinse bazate pe rețeaua celulară, sisteme de localizare interne.
Din punct de vedere a metodelor de calcul a distanței, există două metode, cea bazată pe calculul distanțelor între noduri utilizând echipamente suplimentare pentru localizare ultrasonică sau bazată pe măsurarea puterii semnalului. O altă categorie este cea a soluțiilor care se bazează pe stabilirea conectivității la nivelul rețelei pentru a stabili pozițiile nodurilor bazându-se pe proximitate.
Algoritmii de localizare estimează locația senzorilor, despre care inițial nu dețin nici o informație cu referire la poziția acestora, folosind cunoașterea poziției absolute a câtorva senzori și efectuarea de măsurători dintre senzori precum distanța și raportul măsurătorilor. Senzorii a căror locație este cunoscută se numesc ancore iar poziția lor se poate obține folosind un sistem de poziționare globală (GPS), sau prin instalarea de ancore în poziții a căror coordonate sunt cunoscute. În aplicații care necesită un sistem de coordonate global, aceste ancore vor determina locația senzorilor rețelei în acel sistem global de coordonate. În aplicații în care este suficient doar un sistem de coordonate local (de exmplu aplicații de genul casei inteligente), aceste ancore definesc sistemul local de coordonate, ce va servi drept referință pentru calculul tuturor locațiilor senzorilor. Datorită constrângerilor legate de costul și dimensiunea senzorilor, de consumul de energie, etc. majoritatea senzorilor nu dețin informații cu referire la propria locație. Acești senzori se numesc non-ancore, iar coordonatele lor vor fi estimate pe baza algoritmilor de localizare.
Cu toate că există dezvoltate o multitudine de soluții teoretice, din punct de vedere practic nu este foarte clar care dintre acestea pot fi realizate cu rezultate remarcabile și care se opresc doar la stadiul de idee. Una din soluțiile ce funcționează cu succes din ambele puncte de vedere, este soluția clasică de a unui sistem bazată pe localizare globală, adică Sistemul de Poziționare Globală (GPS). GPS-ul este un sistem de radio-navigație globală format dintr-o constelație de 24 de sateliți și stațiile lor de la sol. GPS-ul folosește sateliții ca puncte de referință pentru a calcula pozițiile cu o acuratețe de domeniul metrilor, dar cu variante avansate de GPS se pot face masuratori cu o acuratețe mai mica 10 metri. Într-un fel e ca și cum s-ar aloca o adresă unică fiecarui metru pătrat al planetei. Receptoarele GPS au fost miniaturizate până la nivelul a câteva circuite integrate astfel devenind și foarte economice. Aceasta face tehnologia foarte accesibila practic tuturor. Toată ideea din spatele GPS-ului este de a folosi sateliții în spațiu ca puncte de referință pentru localizarea la sol.
Printr-o măsurare foarte corectă a distanței de la trei sateliți putem "triangula" poziția oriunde pe pământ. De asemena, puterea semnalului unui satelit este prea mica pentru a putea penetra pereții clădirilor, și astfel au apărut GPS-uri de interior, ce utilizează niște pseudo-sateliți (dispozitive care generează semnalul util navigării GPS).
O altă soluție care suferă însă de acceași problemă ca și cea prezentată mai sus este cea bazată pe triangulație ultrasonică care impune montarea pe fiecare nod a unui transmițător/receptor ultrasonic precum și circuistica necesară prelucrării semnalelor în vederea calculării poziției nodului.
Se propune, de asemenea, un algoritm probabilistic pentru estimarea localizării într-o rețea de senzori ce este formată din noduri-senzori și noduri-ancoră, proporționalitatea dintre cei doi fiind net superioară primului tip de senzori. Nodurile-ancoră sunt la rândul lor de două tipuri: noduri ancoră ce sunt echipați cu GPS și noduri ancoră care își descoperă poziția folosind altă metodă. Soluția prezentă presupune o desfășurare controlată a nodurilor în perimetru, sub forma unei grile și în care se presupune că unitatea de măsură folosită este cunoscută de către toate nodurile din rețea. Problema care trebuie rezolvată este aceea de identificare a poziției corecte în grila creată. Fie o grilă de dimensiune M x N, S mulțimea nodurilor-senzori și A mulțimea nodurilor-ancoră. Fiecare nod din mulțimea A și S conțin și perechea (i,j) ce reprezintă coordonatele matricii unde un anumit nod este localizat. Pentru , se definește vectorul Hk ce reprezintă un vector format din contorizarea pașilor pentru fiecare nod-ancoră k din A . Astfel:
(3.1)
Probabilitatea grilei se poate reprezenta, prin folosirea unei matrici de dimeniuniile MxN astfel:
(3.2)
unde este probabilitatea că nodul – senzor k să fie gasit la poziția (i,j) , dacă sau este 0 dacă . În aceste condiții, fiecare element al probabilității de mai sus se poate scrie astfel:
(3.3)
unde reprezintă probabilitatea ca nodul k poziționat la (i,j) să fie la pași de al l-lea nod-ancoră.
Se mai declară doi parametri: λ repezentând distanța dintre nodul de mai sus și un nod-ancoră, iar τ numărul de pași ce există între cele noduri. Astfel distribuția noduruilor e dată de formula:
(3.4)
unde
După crearea unei matrici de probabilității a grilei, fiecare nod își va alege poziția (i,j) în grilă, unde probabilitatea sa va fi maximă. Dacă de notează imax și jmax că fiind pozițiile din grilă unde pentru nodul k , elementul , pentru și . Nodul k își va calcula locația că fiind unde U_m_g reprezintă unitatea de masură a grilei.
Pentru determinarea localizării, nodurile ancoră vor trimite în continuu pachete, ce conțin numărul lor de identificare, locația și contorul de pași, care inițial va fi pus pe zero. Dacă rețeaua de senzori este de dimensiuni mai reduse, aceste pachete vor fi trimise către toată suprafața, iar dacă dimeniunea este mare, atunci pachetele vor fi trimise doar pe o anumită suprafață, iar în acest caz fiecare nod se asteaptă să primescă pachete de la cel puțin 3 noduri-ancore. În tipul acestor trimiteri de pachete, nodurile-senzori vor reține care este distanța minimă, de la fiecare nod-ancoră ce ia trimis pachete. Când un nod-ancoră primește informații de la un alte noduri-ancoră, se realizează o estimare a distanței Euclidiene a unui pas, denumită factor de corecție (CF) și il propagă controlat în rețea.
Pentru un nod-ancoră ce se află poziționat la ( xi, yi ), formula factorului de corecție este:
(3.5)
unde, reprezintă numărul de pași dintre poziția curentă (xi, yi) a nodului ancoră și nodul-ancoră ce se află poziționat la (xj, yj). Acest factor este important deoarece prin calcularea acestuia se trece la invocarea algoritmului probabilității grilei. Informația care este valabilă pentru fiecare senzor în acest moment este legată de numărul de salturi a unui set de noduri-ancoră, poziția acestora și unitatea de măsură folosită. Fiecare nod-senzor va evalua probabilitatea de a fi localizat în fiecare punct al grilei, necesitând a se calcula mai întâi λ , adică distanța în număr de pași dintre punctul evaluat al grilei și un nod-ancoră, după formula:
(3.6)
Cunoscând λ, și actualul contor de pași , se poate calcula probabilitatea a nodului k de a se afla la poziția (i,j) și de a fi până la al l-lea nod-ancoră. Se pot obține mai departe valorile a matrici probabilății grilei pentru fiecare nod, urmată de evaluarea totală Fk. Astfel localizarea estimării finale a poziției nodului k, se obține prin identificarea maximului din lista elementelor matricii Fk . Indicii imax și jmax denotă elementul maxim și se obține estimarea locației (xk ,yk) pentru nodul k.
Spotlight reprezintă o altă metodă de localizare, realizată cu un buget restrâns, performanțele obținute în exterior având o eroare de maxim 20cm. Se folosește o arhitectura asimetrică, în care nodurile ce conțin senzori nu au nevoie de o arhitectură hardware adițională, astfel încât toată circuistica mai sofisticată este centralizată într-un dispozitiv central. Acesta dispune de un fascicul laser care luminează nodurile ce conțin senzori și care se află poziționati în locuri fixe. Ideea principală a acestei soluții este aceea de a genera evenimente controlate în perimetrul de desfășurare al nodurilor. Un astfel de eveniment controlat, ar putea fi de exemplu un fascicul de lumină emis de către dispozitivul central. O aplicație militată ar putea reprezenta un exemplu în care se poate folosi un asemenea sistem. Dacă un elicopter echipat cu un sistem Spotlight ar survola peste un perimetru în care ar exista noduri, și ar fi trimite fascicule către senzori, aceștia ar detecta evenimentele și ar trimite către stația principală timpul când au detectat aceste evenimente. Astfel sistemul Spotlight va localiza poziția nodului fix.
Fig.3.4 Arhitectura sistemului Spotlight
Sistemul dispune de o funcție de detectare a evenimentelor D(t) folosită de către noduri și care este folosită pentru a se determina dacă avem evenimente externe, returnează durata de când evenimentului a fost lansat și momentul când evenimentul a fost observat de către nod. Astfel evenimentul i va fi corelat cu timpul ti dacă citirea de la senzorul dti indeplinește condiția :
(3.7)
unde dmax reprezintă valoarea maximă raporată de senzorul dti înaintea ti și Δ este o constantă care asigură că prima detecție de valoare mare (variațiile de valoare mică sunt zgomote) reprezintă de fapt durata evenimentului și mai departe garantează că doar schimbările importante de semnal sunt evenimente observate de către senzori.
Dispozitivul central este cel care va implementa funcția de localizare L(t) și evenimentul distribuit E(t). Acesta din urmă are rolul de a descire distribuția evenimentelor de-a lungul timpului, fiind de fapt elementul principal al sistemului, și desigur și funcția cea mai sofisticată. Prin realizarea ei, componentele hardware se vor reduce la minim.
Funcția E(t) se aplică astfel:
Dacă nodurile se află plasate pe o dreaptă, atunci spațiul A se poate scrie după formula A=[0,l], unde , atunci funcția va genera evenimentele (spoturi de lumină) sub formă de puncte de-a lungul dreptei păstrând viteza de deplasare a fascicului laser constantă. Lista de evenimente de mai sus generată de E(t) în plan unidimensional poartă denumirea de PointScan și pentru nodul i se notează .
Dacă emițătorul laser este o dioda laser, atunci, se poate genera o intreaga linie de evenimente simultan cu aceași viteză de deplasare a fascicului. Astfel nodurile se află plasate într-un plan bidimensional A=[l x l], iar lista de evenimente generată de către E(t) se numește LineScan și pentru nodul i se notează
c) Dacă emițătorul laser este un proiector, atunci se poate genera evenimente ce acoperă o arie și care poată denumirea de AreaCover. Spațiul A va fi partajat în secțiuni multiple și pentru fiecare se va asigna un identificator binar (cod).
Funcția de localizare L(t) folosită în sistemul Spotlight, compara de fapt durata returnata de către E(t) cu duratele reportate de către noduri. Această funcție are că intrare pentru PointScan secvența de timp corespunzătoare nodului i. Se va realiza o căutare simplă pentru evenimentul a cărui durată este cea mai apropiată de t1. Dacă t1 îndeplinește relația:
(3.8)
unde en și en+1 sunt două evenimente consecutive, atunci locația obtinuta pentru nodul I va fi:
și (3.9)
Pentru LineScan, intrarea corespunzătoare este , raportată la nodul i. Respectand conditiile:
și (3.10)
unde en și en+1 sunt două evenimente consecutive orizontale iar și em și em+1 sunt două evenimente consecutive verticale, atunci locația obtinuta pentru nodul i va fi
și (3.11)
Pentru AreaCover, intrarea corespunzătoare pentru n evenimente raportate la nodul i este . Intrarea se poate renota pentru m evenimente generale generate că fiind . Astfel pentru fiecare nod i se construiește codul, unde fiecare dacă și dacă . Dacă conditia:
(3.12)
este adevarată, unde en este un eveniment cu codul den , atunci locația obținută pentru nodul i va fi:
și (3.13)
Folosindu-ne de aceste functii, procesul de localizare va fi urmatorul:
dispozitivul central al sistemului (plasat de exemplu în elicopter) distribuie evenimentele în perimetrul A într-un anumit interval de timp
pe durata distribuției, nodurile înregistrează secvența de timp, ce reprezintă un set format din duratele evenimentelor detectate de nodul i
După distribuirea evenimentelor, fiecare nod i va trimite secvența corespunzătoare Ti către dispozitivul central.
Dispozitivul Spotlight va estima locația fiecărui nod i folosind secvența Ti și funcția E(t).
Diferite sistemele de localizare interne au fost concepute, folosind unde inflaroșii, ultrasunete, supraveghere video, unde radio, sau emergente. Localizarea internă se bazează pe metode ce diferă considerabil față de cele pentru exterior. Sistemele de localizare interne, bazate pe unde radio, adică WLAN (IEEE 802.11b denumite și Wi-Fi), au diferite avantaje față de celelalte metode. Pe de o parte, reprezintă o soluție economică, deoarece infrastructura acestora deja există în majoritatea clădirilor de interes general spre deosebire de celelate sisteme interne, iar pentru sistemele digitale ce dispun de propriul sistem de operare, se poate implementa destul de ușor un program de localizare. Din punct de vedere al conectivității, în vederea utilizării în sisteme colaborative, modul de propagare a undelor radio este sistemul cel mai robust, față de localizarea video, ce depinde de factorii de lumină existenți în apropiere, sau față de localizarea prin unde inflaroșii ce depinde de obstacolele ce pot aparea între receptor și emițător.
RADAR este un sistem de localizare și urmărire bazat pe WLAN. Sistemul măsoară la echipamentul de transmisie puterea semnalul emis, RSSI (Radio Signal Strength Indicator), după care folosesște aceste date pentru a descoperi poziționarea 2D în clădire. Microsoft a implementat două tipuri de radar: unul ce folosește analiza scenei și altul ce folosește triangulația. Aceste sisteme de localizare oferă două avantaje majore: pe de o parte sunt necesare un număr restrâns de echipamente, iar pe de altă parte poate folosi infrastructura rețelelor wireless ce există în clădiri. Folosind sistemele RADAR ce implementează metoda de analiză a scenei se pot detecta obiecte aflate în interiorul unei raze de acuratețe de 3 metri față de poziția sa, cu o probabilitate de 50 de procente, în timp ce sistemele RADAR ce implementează cealaltă soluție, la aceeași probabilitate raza ariei de acuratețe este de 4,3 metri.
Active Bat, reprezintă un sistem de localizare, ce folosește ultrasunetele. Elementele mobile au nevoie de atașarea unei etichete care va primi o cerere trimisa de la controllerul principal pe banda radio de unde scurte, și va emite un puls ultrasonic către o matrice ce celule, ce au rol de receptoare. În același timp, controllerul transmite din nou pe frecvența radio un pachet de cerere și un semnal de sincronizare către matricea de celule. Fiecare celulă măsoară intervalul de timp dintre reset și pulsul ultrasonic primit de la etichetă, trimițând măsurătorile mai departe la controllerul central, care va executa algoritmul necesar pentru detectarea locației, eliminând datele ce par a fi incorecte, datorită erorilor de transmisie ce pot apărea. Sistemul poate detecta etichetele cu o acuratețe de 9cm pentru 95% din testele efectuate. Deasemenea poate oferi informații computerizate despre locul unde sunt plasate pe obiecte etichetele, precum și care ultrasunete sunt obstrucționate. Fiecare etichetă are un cod unic de identificare și adresare, GUID.
Tehnologia WIMAX reprezintă generația următoare de comunicații mobile de bandă largă. Implementarea comercială a acestui tip de rețea se va efectua în decursul anului 2008 în lume și în România. Acesta tehnologie permite realizarea triangulației necesare pentru localizarea și poziționarea în interiorul clădirilor, tuneluri ș.a., acolo unde semnalul de la sateliți nu mai este posibil să fie recepționat. Prin aceasta se asigură, cu o precizie mai mică, continuitatea localizării și poziționării în totate situațiile în care recepția semnalului de la sateliți GPS nu mai este posibilă.
3.4. Performanțele metodei hibride TOA-AOA
Localizarea terminalului mobil poate fi realizată utilizând o metoda hibridă TOA-AOA (Time-of-arrival – Angle-of-arrival) masurand deci timpul și unghiul de sosire.
Timpul de sosire a undei radio se poate determina dacă terminalele mobile și stațiile de bază din rețea sunt sincronizate (au aceeași referință de timp) și dacă emițătorul introduce în semnalul emis un marker de timp care să indice receptorului momentul emisiei putandu-se asstfel calcula timpul necesar undei radio pentru a parcurge distanța emițător-receptor și, de aici, valoarea acestei distanțe.
Insa, metoda AOA se poate aplica dacă stațiile de bază sunt echipate cu șiruri de antene ce au posibilitatea să determine direcția din care sosește unda emisă de terminalul mobil. Într-un mediu plan sunt suficiente doar două stații de bază pentru a localiza un terminal mobil și acesta este principalul avantaj al metodei. Eroarea de localizare depinde de eroare de măsurare a direcției de sosire a undei radio și crește pe măsură ce crește distanța față de stația de bază (figura 3.5). În plus, metoda presupune că se recepționează numai unda directă și, deci, este de neutilizat în medii urbane dens construite unde unda directă nu se recepționează pe o fracțiune importantă din aria celulei și este însoțită și de un număr mare de unde multiplu reflectate.
Fig. 3.5 Măsurarea AOA
Combinand cele două metode putem creste acuratetea localizării și reduce numărul stațiilor de bază necesare masuratorilor. Pentru a analiza această metoda hibridă vom considera o singura stație de bază, analiza putand fi usor exitinsa la un număr mai mare de BS.
Astfel, direcția și timpul de sosire a undei radio poate fi modelata matematic prin:
(3.14)
(3.15)
unde τ repreyintă valoarea reala a timpului de sosire, este valoarea reala a directiei de sosire iar și erorile masuratorilor corespunzatoare.
Pentru o analiza cât mai simplista consideram cazul în care există unda de vizibilitate directa intre stația de bază și terminalul mobil, deci și sunt Variabile de tip zgomot gaussian necorelate de medie zero cu variantele , respectiv .
Poziția terminalului mobil este astfel dat de parametrii =[,]=[x,y] și este estimata că fiind Punctul unic de intersectie al cercului avand că centru stația de bază și dreapta ce constituie direcția în care se află mobilul în raport cu stația de bază caracterizate de , respectiv :
(3.16)
(3.17)
unde (xs , ys) sunt coordonatele statiei de bază, iar c este viteza luminii. Ținând cont de presupunerile facute, este usor de aratat că poziția estimata este nepolarizata (adică neafectata de erori sistematice) ceea ce insemna că E{}= x și E{}=y, unde E repreyintă opeator asteptare (expectation operator). Pentru și suficienti de mici, așa incat , și , atunci variatia lui poate fi calculată astfel :
(3.18)
Similar, variatia lui este data de :
(3.19)
Ținând cont de ultimile două relatii, variatia erorii totale, , are forma urmatoare :
(3.20)
și este o funcție de , și .
De asemenea, se dorește cresterea performantelor din punct de vedere al valorii maxime pentru localizarea hibridă în conditiile unei variatii minime realizabile, iar aceasta poarta denumirea de Cramer-Rao lower bound (CRLB). CRLB ne da o marginire cât mai favorabila a variatiei prin orice estimare impartiala și, din acest motiv poate fi utilizat că și cota de nivel, în contradictie cu eroarea medie patratica a algoritmului de localizare.
Astfel, CRLB pentru x și y este dat de relatia:
, pentru i=1,2 (3.21)
unde pentru i=1,2 și j=1,2 (3.22)
iar funcția densitate de probabilitate a lui z=[,] parametrizat de poziția terminalului mobil este data de :
(3.23)
repreyintă elementul (i,j) a matricii , cunoscuta și sub denumirea de matricea informationala Fisher și are forma:
(3.24)
Calculand inversa acestei matrici, vom avea
(3.25)
(3.26)
ceea ce ne demonstreaza faptul că algoritmul hibrid TOA – AOA este optim în conditii de zgomot suficient de mic.
Simulari pentru evaluarea algoritmului prezentat au fost realizate în conditiile unei singure stații de bază echipata cu un sir de antene, presupunandu-se existenta undei directe, masuratorile fiind facute într-o microcelula cu raza de 500 metri iar erorile de masuratoare fiind procese aleatoare gaussiene.
Fig. 3.6.(a) Deviația standard funcție de
Astfel, figura 3.6.(a) ne arata deviația standard a erorii totale pentru [-80,-50]dBs la =0 și =0.1 rad. Se poate observa că în ambele cazuri estimatorul hibrid are aceeasi comportare că și CRLB. De remarcat este faptul că la =0.1rad deviația standard este aproximativ egala cu 17dBm sau 50 m, pentru < -68dBs deoarece erorile dominante provin de la AOA.
În figura 3.6.(b) se considera =0 și =0.1μs. Și în acest acest caz deviația standard are aceeasi coportare că și CRLB
Fig. 3.6.(b) Deviația standard funcție de
Figura 3.6.(c) ne prezinta funcția densitate de probabilitate pentru diferite valori ale lui λ , λ fiind dat de relatia . Se observa că pentru λ=100 și λ=10, functiile densitate de probabilitate sunt aproape identice ce cele pentru λ=0.01, respectiv λ=0.1.
Fig. 3.6.(c) Funcția densitate de probabilitate a erorii totale funcție de
3.5 Reducerea erorilor datorate lipsei undei directe
Erorile datorate lipsei undei directe, după cum bine se stie, ocupa un loc important în lista erorilor aparute în cazul localizării terminalelor mobile. Cauza aparitiei lor este una simpla, și anume cladirile și mediile urbane dens construite blocheaza unda directa.
Fig. 3.7 Lipsa undei directe (NLOS)
În general, utilizând principiile clasice de localizare, masurand timpul de sosire (TOA), diferenta timpilor de sosire (TDOA) sau direcția de sosire a undei radio (AOA) se poate determina, destul de precis, poziția unui terminal mobil. Din pacate insa, principalul neajuns al acestor metode este acela că este obligatorie existenta undei directe pentru o estimare cât mai precisa a localizării.
În practica, sistemele celulare sunt afectate de două probleme: (1) numărul stațiilor de bază este tot timpul limitat; și (2) există probabilitatea de a aparea și alte stații de bază care să nu fie în vizibilitate directa cu terminalul mobil. În macrocelule, propagarea intre stația mobilă și stația sa de bază este modelata prin unde indirecte atunci când distanta dintre cele două este mare, și le putem considera că fiind în vizibilitate directa dacă neglijam micile erori cauzate de imprastierea locala din jurul statiei mobile. În microcelule, cu toate că se considera că mobilul și stația sa de bază sunt în vizibilitate directa, nu ne putem astepta că acestu lucru să se inample și în cazul altor stații de bază din apropiere.
Distributia erorilor cauzate de inexistenta unde directe este dependenta de locatie. Când terminalul mobil este stationar sau se misca foarte incet, atunci erorile pot fi considerate statice. Considerand modelul static al puterii semnaluli receptionat, sistemul poate determina dacă un utilizator a ajuns sau este în apropierea unei anumite locatii. Datorită atenuarii puterii semnalului cauzate de efectele multipath și de umbrire, acesta poate fi utilizat insa, doar pentru o estimare grosolana a locației. Dacă ne dorim că estimarea să fie cât mai precisa și să se asigure o corespondenta biunivoca intre model și locatie, atunci trebuiesc cercetate alte caracteristici ale semnalului. S-ar putea utiliza o bază de date ce contine harti de corectie a erorilor, aceasta corectand masuratorile ce au fost afectate de erori. Datale provin din masuratori ale campului din timpul proiectarii sistemelor celulare și/sau predictii asistate de calculator bazate pe informații asupra aspectului terenului. O verificare a campului realizată în New York ne-a aratat că este nevoie de 500 de ore de munca pentru a realiza o harta exacta a erorilor, care să acopere o arie de 500 km2 dintr-o zona metropolitana și un cost extimativ de 1000 dolari pentru fiecare celula cu raza de 1 km. Astfel, este mult mai practic să fie create baze de date empirice care să includa informații despre lipsa undei directe în toate locațiile posibile ale statiei mobile.
În continuare se vor cerceta problemele ce apar la reducerea erorilor datorate lipsei undei directe în schemele de localizare bazate pe măsurarea diferentei timpilor de sosire și a directiei de sosire. Vom considera un sistem celular CDMA de banda larga și o localizare în plan (2D) în macrocelule.
Stația de bază care serveste terminalul mobil pentru a fi localizat poate fi denumita stația de bază proprie a terminalului respectiv. Totodată, celalalte stații din vecinatate pot fi de asemeni implicate în procesul de localizare, avand prevazut un raport semnal – zgomot plus interferente deasupra unui anumit prag la nivelul terminalului mobil.
Este cunoscut faptul că atunci când stația mobilă trebuie să fie localizata, aceasta primește semnale pilot prin legatura directa de la stația de bază proprie și macar unul de la o stație din vecinatate. Pe langa cererea de localizare primita mai există inca două tipuri de masuratori ce au că scop localizarea:
măsurarea diferentei timpilor de sosire (TDOA) la nivelul terminalului mobil (MS)
Receptorul terminalului mobil poate masura diferenta timpulor de sosire intre semnalul pilot de la stația de bază proprie și unul de la o stație din vecinatate printr-o bucla de depistare a codului pseudo-aleator care va corela cele două semnalepilot. Masuratorile TDOA pot fi obtinute cu o precizie de jumatate de CHIP atât timp cât canalul de propagare nu este foarte deteriorat. Totusi fadingul și intarzierile produse de propagarea multicai de la nivelul stațiilor de bază invecinate pot cauza grave erori la masuratorile TDOA.
măsurarea directiei de sosire (AOA) la nivelul statiei de bază proprii)
Folosind un sir de antene, stația de bază proprie orienteaza lobul principal al antenei sale în direcția semnalului pilot dedicat de pe legatura inversa cu scopul imbunatatirii condițiilor de receptie Acesta furnizeaza unghiul azimuth receptionat al semnalului de la stația mobilă. În macrocelule, masuratorile AOA pot fi obtinute cu o precizie de câteva grade.
Pentru usurinta, vom nota cu LOS BS stația de bază care se află în vizibiliatate directa cu terminalul mobil. Cum pe noi ne intereseaza erorile datorate inexistentei undei directe, vom neglija acele erori rezultate în urma imprastierii locale din jurul MS, care sunt de altfel relativi mici. Similar, NLOC BS sunt acele stații de bază care nu sunt în vizibilitate directa cu MS iar semnalul trebuie să parcurga o distanta cu câteva sute de metri mai mare pentru a ajunge la MS prin diverse reflexii.
Problema generalizata de estimare a localizării în forma matriceala se poate scrie în forma urmatoare:
M=f(θ)+n+e (3.25)
unde m=[m1 , m2 , … , mN ]T este matricea masuratorilor, N este numărul ecuatiilor, θ repreyintă locația reala a terminalului mobil, f(θ)este o funcție de θ de obicei neliniara, n este vectorul zgomotului de tip Gaussian iar e este vectorul eroare.
Fie L numărul minim de stații de bază necesar localizării. L = 3 în cazul masuratorilor TDOA și L = 2 pentru localizarea hibridă TDOA/AOA. Când avem N (≥L) stații de bază disponibile, stațiile de bază redundante (nefolositoare) vor furniza N-L grade de libertate în determinarea NLOS BS.
Fig 3.8 Metoda hibridă de localizare TDOA/AOA
Așa cum este ilustrat în figura 3.7, ecuatiile localizării prin metoda hibridă TDOA/AOA ce incorporeaza masuratori ale zgomotului și erori datorate lipsei undei directe sunt urmatoarele:
(i=2 , … , N) (3.26)
(3.27)
unde C este viteza luminii, ti repreyintă TDOA masurat intre stația de bază proprie (BS1) și a i-a stație de bază (BSi), Di este distanta dintre terminalul mobil și BSi , D1 distanta dintre MS și BS1, ni și ei sunt zgomotul și erorile datorate lipsei undei directe la masuratorile TDOA, respectiv zgomotul aparut la masuratorile AOA, (x,y) și (x1,y1) sunt coordonatele statiei mobile, respectiv a statiei de bază prorpii.
Consideram că ni și sunt variabile aleatoare cu medie zero și varianta și respectiv, . Dacă BSi este în vizibilitate directa cu MS, atunci ei=0, altfel ei este o variabila aleatoare pozitiva cu media și varianta . În plus, vom presupune că .
Depinzand de cantitatea de informații ce o avem, legata de probabilitatile și distributiile erorilor prealabile datorate inexistentei undei directe, se pot distinge trei cazuri:
se cunoaste distributia exacta a erorilor aleatoare pentru fiecare stație de bază în locația unde se află terminalul mobil. (Este cazul ideal dar fara aplicatie practica)
sunt disponibile doar câteva informații despre erorile NLOS; acestea pot proveni de la o bază de date ce contine masuratori ale campului
nu există nici o informatie cu privire la erorile NLOS. Această situatie este cel mai interesant caz din punct de vedere practic, și totodată și cel mai dificil de studiat.
Cazul ideal: se dispune de informații exacte despre erorile NLOS
Fie PLOSi probabilitatea că stația de bază i (BSi) să fie în vizibilitate directa cu terminalul mobil. Atunci PNLOSi=1- PLOSi . Ecuatiile de localizare ce caracterizeaza BSi sunt:
LOS: (3.28)
NLOS: (3.29)
După cum am mai mentionat, zgomotul și sunt variabile aleatoare gaussiene cu media 0 și varianta , respectiv . Teoretic, dacă se cunoaste valoarea exacta a distributiei erorilor NLOS, ei, se poate face detectia probabilitatii maxime (PM) optimale pentru stațiile de bază ce nu sunt în vizibilitate directa. Estimarea PM are că scop maximizarea funcției desnsitate de probabilitate (f.d.p.) a matricii m
(3.30)
unde este f.d.p. asociată masuratorilor erorilor .
Cum erorile NLOS sunt variabile aleatoare independente de tip gaussian, atunci:
(3.31)
unde este f.d.p. a zgomotului Gaussian și este f.d.p. a erorilor NLOS plus zgomot.
Estimarea PM combina, de fapt, identificarea NLOS BS și corectarea erorilor NLOS într-un singur pas și poate obtine rezultatul optim când distributia empirica a erorilor NLOS este precisa.
Dacă dispunem de un set de masuratori TDOA, atunci funcția f.d.p. din relatia 3.31 ce caracterizeaza stația de bază prorpie are, de obicei, maxime locale multiple, corespunzatoare unor posibile LOS / NLOS BS, amplitudinea fiind data de probabilitatea relativa din fiecare caz (figura 3.8)
Fig. 3.9 Funcția f.d.p. asociată unei estimări TDOA (4 stații de bază)
„Varful” cel mai inalt din figura (maximul global) ne da estimarea locației statiei mobile. Dar dacă am considera metoda hibridă de localizarea, TDOA/AOA, atunci o parte din acele „varfuri” vor fi suprimate iar localizarea va fi mai puțin ambigua (figura 3.9)
Fig. 3.10 Funcția f.d.p. asociată unei estimări TDOA/AOA (4 stații de bază)
Luarea unei decizii gresite cu privire la LOS/NLOS BS poate cauza o radacina patratica medie (rms) a erorii de localizare destul de importanta, de aceea se preferă o decizie de finete luand în considerare câteva locatii posibile a statiei mobile și probabilitatile corespunzatoare. Cum la nivelul statiei mobile se fac continuu noi masuratori, datele din arhiva vor reduce ambiguitatea localizării deoarece,după cum bine se stie, deplasarea statiei mobile într-o perioada mica de timp este limitată.
Consideram că dispunem de N stații de bază și, în cel mai defavorabil caz, nici una din acestea nu se află în vizibilitate directa cu mobilul. Vom nota cu S=(s1 , s2 , . . . , sN ) spațiul starilor sistemului, unde și=1 dacă BSi este NLOS și zero în caz contrar. Sunt în total 2N stari posibile. Fie S0 starea sistemului când toate stațiile de bază comunica cu terminalul mobil prin unda directa. Algoritmul de estimare a starii NLOS contine urmatorii pasi:
pentru fiecare stare din cele 2N posibile se obtine o estimare a locației
utilizând informațiile desponibile despre NLOS
utilizam pentru a aproxima locația reala a mobilului și calculam
probabilitate pentru fiecare stare posibila
(3.32)
unde este valoarea atribuita starii S, și
calculam raportul pentru fiecare din cele 2N-1 stari NLOS
selectam starea ce corespunde raportului cu valoarea cea mai mare iar
estimarea PM asociate acestei stari ne va da locația mobilului. Insa, pentru o
mai buna precizie, se vor selecta acele stari a caror raport are o valoare mai
mare decat o anumita valoare și corespunde probabilitatii relative a starii
NLOS respective.
Acest algoritm poate fi implementat în sistemele de localizare ce utilizează atât metoda TDOA cât și TDOA/AOA cu conditia că erorile NLOS, erorile masuratorilor TDOA și cele ale masuratorilor AOA să fie independente.
sunt diponibile informații limitate despre NLOS
În realitate, crearea unui aparat matematic ce ar descrie erorile NLOS este destul de dificila deoarece acestea depind de locatie, și sunt influentate în principal de formele de relief și de clădiri. O presupunere mult mai realistica s-ar putea face dacă se cunosc media erorilor NLOS () și corespunzatoare fiecărei stații de bază, pentru diferite locatii.
Pentru a aproxima vom trata eraorile NLOS că fiind constante suprapuse peste zgomotul de tip Gaussian . În aceste conditii avem :
(3.33)
cazul nefavorabil: nu există informații despre erorile NLOS
Este, fara nici o indoiala, situatia cea mai nedorita. Dacă sunt disponibile un număr limitat de stații de bază și majoritatea sunt de tipul NLOS BS, atunci s-ar putea putea reduce erorile NLOS. Dacă insa doar o mica parte din numărul de BS sunt NLOS BS, algoritmul de reducere a erorilor NLOS devine din ce în ce mai complex și mai dificil. Este important de mentionat că un număr cât mai mare de NLOS BS nu inseamna neaprat o localizare cât mai precisa a locației mobilului. Stațiile de bază NLOS tind să influenteze estimarea finala a locației în așa fel incat dacă mobilul se departeaza de acele BS, cu atât mai mult NLOS BS vor spori sansa că erorile NLOS să se anuleze unele pe altele.
Avand date masuratorile m=[m1 , m2 , … , mN ]T și o locatie de referință , valoarea erorilor NLOS poate fi generalizata la forma reziduala : atât timp cât și dacă . Incercand diferite combinatii a stațiilor de bază și ordonand rezidurile corespunzatoare, putem indetifică cu o anumita probabilitate NLOS BS.
Acest algoritm bazat pe reziduri are câteva limitari. În primul rand, varianta zgomotului gaussian n nu este utilizată. Semnalele de la diferita stații de bază au, de obicei, rapoarte semnal zgomot plus interferenta diferite, deci și varianțe diferite. Rezidurile ar trebui să cresca comform astfel că stațiile de bază ce au o componeneta a zgomotului mai mare contribuie mai puțin la valoarea rezidului global. În al doila rand, erorile NLOS e sunt mereu pozitive. Dacă corespunzator BSi atunci probabilitatea că acea BS să fie de tipul NLOS BS este destul de mica comparativ cu BSj () pentru care ; insa ridicarea la pătrat a elimina problema semnului.
Avem nevoie astfel de un alt algoritm rezidual. Cum nu există informații despre erorile NLOS vom considera că probabilitatea conditionala are forma urmatoare:
(3.34)
Pentru o valoare masurata mi și o locatie de referință , funcția conditionala de repartitie cumulativa ne va furniza o masură a cât va influenta zgomotul Gaussian masuratorile TDOA așa incat acestea să fie mai mici decat mi, și este data de relatia:
(3.35)
Vom denumi valoarea acestei functii că fiind un nou reziduu, iar stația de bază este cu atât mai afectata de erorile NLOS cu cât acest reziduu este mai mare. Se observa de asemeni că funcția este asimetrica, fiind preponderent pozitiva () și totodată ia în calcul și varianta zgomotului Gaussian.
Algorituml prezentat se poate aplica atât pentru masuratorile TDOA cât și pentru cele TDOA/AOA și poate fi structurat în urmatoarele etape:
folosim masuratorile TDOA de la toate stațiile de bază mai puțin de la cea proprie, pentru a obtine o estimare a locației initiale (dacă ne referim la metoda hibridă atunci avem în plus și masuratorile AOA de la aceleasi BS)
calculam valoarea reziduala din relatia (###) pentru fiecare din cele N-1 stații de bază
dacă oricare din aceste valori este mai mare decat un anumit prag , se va emite o atentioanre că acele stații de bază sunt de fapt NLOS. Alegerea acestui prag trebuie facută cu mare atentie,deoarece acesta influenteaza atât detectia cât și probabilitatea de a avea alarma false.
Dacă se cunoaște numărul total de stații de bază fără vizibilitate directă, atunci se poate calcula rata de identificare în diferite ipoteze pe bază unei localizări aproximative corectate cu algoritmul prezentat mai sus. În Tabelul 3.2 se prezintă numărul stațiilor de bază fără vizibilitate directă și rata de identificare atunci când se dispune numai de măsurători TDOA.
Tabelul 3.2 Rata de identificare când se dispune numai de măsurători TDOA utilizând localizarea aproximativă
Dacă în plus dispunem și de masuratori AOA , aproximarea localizării este mult mai precisa (tabelul 3.3)
Tabelul 3.3 Rata de identificare când se dispune numai de măsurători TDOA și AOA utilizând localizarea aproximativă
Insa dacă numărul stațiilor de bază disponibile nu este cunoscut, atunci vom lua în considerare acel prag pentru valorile reziduale. Se face un compromis intre rata detecțiilor omise și rata alermelor false la alegerea pragului,așa cum se arata în figurile urmatoare:
Fig. 3.11 Comparație a ratelor alermelor false
Fig. 3.12 Comparatie a ratelor detecțiilor omise
Se observa că un mic reduce numărul detecțiilor omise, insa creste numărul alarmelor false. De asemena, pentru un anumit prag , masuratorile AOA aditionale celor TDOA, determina o usoara crestere a ratei alarmelor false, dar reduce simtitor rata detecțiilor omise, mai ales când avem un număr mic de stații de bază.
Cap.4 POZIȚIONAREA TERMINALULUI MOBILE PENTRU
SERVICII DEPENDENTE DE LOCALIZAREA ÎN
RETELEL GSM
4.1. Considerații generale
În perioada 1980, sistemele de telefonie celulara analogica au inregistrat o dezvoltare rapida în Europa, în special în tarile Scandinave și Marea Britanie, dar și în Franta și Germania. Fiecare tara și-a dezvoltat propriul sistem care era incompatibil cu oricare altul în materie de echipament și operare. S-a generat astfel o situatie indezirabila, deoarece echipamentul mobil era limitat la granitele fiecărei tari și oferta de echipamente specifice era limitată. Tarile europene au realizat acest lucru și, în 1982, Comitetul European de Posta și Telegraf (CEPT) a format un grup numit Grup Special Mobil (GSM) pentru a studia și dezvolta un sistem public pan-European de telefonie mobilă. Sistemul propus trebuia să indeplineasca urmatoarele cerinte: calitate buna a transmisiei, costuri mici pentru servicii și terminal, suport pentru deplasari internaționale, capacitate de a suporta terminale portabile, suport pentru servicii și facilitati noi, eficienta spectrala și compatibilitate cu sistemul ISDN.
În 1989, responsabilitatea GSM a fost transfetata Institutului European de Standarde în Telecomunicatii (ETSI), și faza I a specificatiilor GSM au fost publicate în 1990. Serviciile comerciale au inceput pe la mijlocul anului 1991, și până în 1993 s-au creat 36 de rețele în 22 de tari, iar inca 25 de tari ce au aderat la acest sistem. Desi a fost standardizat în Europa, GSM nu este doar un standard European. REȚELELE GSM (inclusiv DCS1800 și PCS1900) sint operationale sau planificate în peste 80 de tari din toată lumea. La inceputul anului 1994 s-au inregistrat 1,3 millioane de utilizatori în toată lumea, la inceputul anului 1995, peste 5 millioane iar până în Decembrie 1995, 10 millioane de utilizatori numai în Europa. Cu Statele Unite, avind un sistem derivat din GSM numit PCS1900, systemele GSM există pe fiecare continent, și acronimul GSM se aplica acum pentru Sistemul Global pentru comunicații Mobile.
Initiatorii GSM au ales un sistem digital, opus sistemelor celulara analogice standardizate, cum ar fi AMPS în Statele Unite și TACS în Marea Britanie, avind credinta că dezvoltarea algoritmilor de compresie și a procesoarelor de semnal digitale vor permite indeplinirea cerintelor mentionate și vor inbunatati sistemul în ceeace priveste costul și calitatea. Cele aproape 6000 de pagini ale recomandarilor GSM incearca să permita flexibilitate și suficienta standardizare pentru a garanta interconectarea componentelor sistemului. Acest lucru este realizat prin oferirea unei descrieri functionale pentru fiecare entitate functionala definita în sistem.
GSM oferă trei nivele de securitate:
Nivelul de securitate I: Datele utilizatorului GSM sint inregistrate în cartela SIM; cartela SIM poate fi inserata în orice terminal GSM; tariful este inregistrat pentru proprietarul cartelei SIM; sistemul GSM verifica validitatea utilizatorului.
Nivelul de securitate ÎI: Sistemul GSM indetifică localizarea utilizatorului; terminalele furate pot fi depistate sau folosirea lor invalidata; utilizatorul poate fi identificat inainte de acceptarea convorbirii.
Nivelul de securitate III: Sint utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face imposibila interceptarea convorbirii.
4.2.Infrastructura rețelei GSM
Entități tipice
Rețeaua GSM are multe elemente tipice rețelelor celulare. Fiecare celulă este acoperită cu semnal radio de o stație de bază, BTS (Base Tranceiver Station), formată dintr-un set de echipamente de emisie/recepție, câte unul pentru fiecare canal radio duplex. Mai multe stații de bază sunt comandate de o unitate de control, BSC (Base Station Controller). Unitatea de control împreună cu stațiile de bază pe care le coordonează formează un sub-sistem de stații de bază, BSS (Base Station sub-System). Mai multe sub-sisteme sunt interconectate prin intermediul unei centrale pentru abonați mobili, MSC (Mobile Services Switching Centre), folosind trunchiuri de linie, cu fir sau herțiene. Sub-sistemul de stații de bază administrează resursele radio și realizează comutarea între canalele radio și canalele temporale pentru conexiunile stație mobilă (MS)-centrala de comutare al serviciilor (MSC). Centrala de comutare, MSC reprezintă punctul de conectare al rețelei celulare cu rețeaua telefonică publică comutată (PSTN) sau cu rețeaua ISDN. Centrala de comutare răspunde de prelucrările cerute de un apel, controlează funcțiile de semnalizare implicite și coordonează procesele de transfer ale abonatului mobil.
Fig.4.1 Schema rețelei GSM
Stația mobilă (MS) consta din echipamentul mobil (terminalul) și o cartela inteligenta numita "Subscriber Identity Module" (SIM). Cartela SIM oferă mobilitate personala, astfel incit utilizatorul poate avea acces la serviciile la care a subscris prin inserarea acesteia în orice terminal.Echipamentul mobil este unic identificat de "Internațional Mobile Equipment Identity" (IMEI). Cartela SIM contine "Internațional Mobile Subscriber Identity" (IMSI) utilizat la identificarea de către sistem a utilizatorului, o cheie secreta pentru autentificare, și alte informații. IMEI și IMSI sint independente, permitind mobilitate personala. Cartela SIM poate fi protejata impotriva utilizarii neautorizate printr-o parola sau un număr personal de identitate.
Subsistemul statiei de bază este compus din două parti, "Base Transceiver Station" (BTS) și "Base Station Controller" (BSC). Acestea comunica prin interfața standardizata "Abis", permitind (as în the rest of the system) operarea intre componente fabricate de diferiti producatori. BTS contine unitatile de emisie-receptie radio ce definesc o celula și controleaza protocoalele de legatura radio cu MS. Într-o arie urbana intinsa pot există un număr mare de BTS-uri dispuse, astfel incit cerintele pentru un BTS sint performanta, portabilitate și cost minim. BSC controleaza resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalele radio și alocarea frecventelor. BSC este conexiunea dintre MS și "Mobile service Switching Center" (MSC).
Entități specifice
GSM conține o serie de baze de date cu ajutorul cărora sunt realizate funcțiile legate de tratarea mobilității și a apelurilor. Se disting patru tipuri de baze de date:
bază de date primară a abonaților mobili, HLR (Home Location Register), care conține toate datele cu privire la abonații care aparțin de centrală;
baza de date temporară a abonaților mobili în trecere (vizitatori), VLR (Visitors Location Register), care conține o serie de date cu privire la abonații aflați temporar în zona centralei;
centrul de autorizare AUC (Authentification Centre);
baza de date pentru identificarea echipamentelor mobile EIR (Equipment Identity Register).
Cu toate că VLR este definită că o entitate de sine stătătoare, cei mai mulți fabricanți o înglobează în centrală. Bazele de date, în terminologia proprie rețelelor inteligente, reprezintă puncte de control a serviciilor (SCP). Centrala de comutare este echipată cu un modul de comutare a serviciilor (SSP), cu ajutorul căruia interoghează bazele de date pentru a obține informații cum ar fi: aria în cadrul rețelei, în care este localizat un abonat mobil, profilul său de servicii, indicații de rutare și prelucrare a apelurilor etc.
Fig.4.2 Arhitectura generală a rețelei GSM
Procedurile de actualizare a localizării și respectivele rutari ale apelurilor, folosesc MSC și două registre de localizare, HLR și VLR. Cind o stație mobilă se deplaseaza într-o arie de localizare, sau într-o rețea diferita, trebuie să se inregistreze în rețea pentru a indica localizarea curentă. În mod normal, un mesaj de actualizare este trimis la un nou MSC/VLR, care inregistreaza informatia despre localizare și apoi o trimite la HLR. Informatia trimisa la HLR este în mod normal adresa SS7 a noului VLR, dar poate fi și un număr de rutare. Motivul pentru care în mod normal nu este alocat un număr de rutare, este că, într-un nou MSC/VLR, există un număr limitat de numere de rutare disponibile și ele sint alocate la cerere pentru apeluri. Dacă utilizatorul este titularul serviciului, HLR trimite un subset de informații de inregistrare, necesare pentru controlul apelului, către noul MSC/VLR apoi trimite un mesaj către MSC/VLR-ul anterior pentru a sterge vechea inregistrare. Din motive de performanta, GSM are de asemenea o procedura periodica de actualizare a localizării. Dacă un HLR sau MSC/VLR nu raspunde, a avea fiecare stație mobilă inregistrata simultan și a aduce baza de date la zi, va cauza o supraincarcare. Astfel, daza de date este actualizata doar dacă apare un eveniment de actualizare a localizării. Actualizarile periodice și intervalele dintre acestea sint controlate de operator și repreyintă un compromis intre viteza de reactualizare și incarcarea traficului. Dacă o stație mobilă nu se inregistreaza după perioada de timp de actualizare, ea este radiata.
Soluții pentru implementarea sistemelor de localizare pot fi clasificate și în poziționare realizată de rețea și poziționare realizată de terminalul mobil. Dacă la prima metoda este nevoie doar de câteva reglari a stațiilor de bază, a două metoda necesita insa, reproiectarea terminalelor mobile pentru a putea raspunde noilor cerinte. În literatura de specialitate s-au propus câteva metode de localizare realizate de telefonul mobil, și anume diferenta observata a timpilor de sosire – metoda imbunatatita (EOTD – Enhanced Observed Time Difference) sau sistemul de localizare globală (GPS) .
Pe de altă parte, localizarea realizată de rețea cere modificari a infrastructurii stațiilor de bază, a unitatii de control (BSC) sau a centralei de comutare a serviciilor (MSC). În plus,acestea sunt mai puțin costisitoare și mai usor de implementat, totusi mai puțin precise. Cele mai cunoscute metode sunt măsurarea directiei de sosire (AOA), a timpului de sosire (TOA) și a diferentei timpilor de sosire(TDOA). Deasemena, au fost propuse și metode hibride,cum ar fi TDOA/AOA, ce reduct erorile de localizare. Metodele bazate pe « timp » calculeaza cu precizie timpul de sosire estimat cu ajutorul tehnicilor de corelare și de urmarire și achizitie a codului, în timp ce metodele bazate pe direcția de sosire utilizează șiruri de antene pentru a masura unghiul sub care este receptionat semnalul.
4.3. Localizarea în GSM
Serviciul de localizare (LoCation Services – LCS) propune câteva modificari la nivelul arhitecturii GSM așa cum se arata în figura urmatoare :
Fig.4.3 Infrastructura GSM modificată pentru a suporta servicii de localizare
Clientul extern LCS trimite cererea de localizare a unui anume terminal mobil (MS). Informațiile primite sunt procesate așa incat să poate fi utilizate în aplicatii și servicii de localizare. Primul nod la care are acces clientul extern este GMLC (Gateway Mobile Location Centre – centrul de localizare a terminalelor mobile definit și că nod de tip poarta de acces). Acesta poate transmite cererea de routare a informatiei de la registrul HLR prin interfața Lh. După autorizarea inregistrarii, sunt trimise cereri de de localizare și sunt primite estimările pozitiei finale de la GMSC prin interfața Lg. Centrul de localizare a terminalului mobil (Service Mobile Location Centre – SMLC) care este responsabil de calcularea estimării pozitiei finale repreyintă de fapt o actualizare a BSC. SMLC coordoneaza un număr de unitati de măsurare a locației (LMU) și colecteaza masurarile efectuate de acestea pe interfața radio pentru a localiza mobilele aflate în aria să de serviciu. Poziția estimate este trimisa inapoi către MSC/VLR corespunzator. LMU este alimentat de SMLC și este raspunzator de măsurarea și analiza locației, putand fi atât de tip A, dacă este accesat prin interfața obisnuita a GSM sau de tip B dacă este accesat prin interfața Abis. Metoda de față utilizează doar LMU de tip B. Centrul de localizare comunica cu GMLC prin interfața Lg și cu SMLC prin interfața Ls.
În continuare, vom cerceta care sunt modificarile minime necesare în semnalizarea intre MSC/VLR și terminalul mobil, sau în cererile de localizare trimise de GMSC către MSC.
Terminalul mobil este considerat în modul incativ când se conceteaza la reteaua publica terestra mobilă (PLMN) iar canalul de trafic (TCH) nu este la dispoziția sa. Cursul logic al mesajelor de semnalizare pentru a realiza procedura de localizare este demonstrat în figura 4.4.
În GSM, VLR stocheaza codul zonei de localizare (Location Area Code – LAC) în care se află abonatul, pentru că în cazul unui apel acesta să poata să-l receptioneze. Pentru a actualiza codul zonei în VLR, centrala de comutare al serviciilor (MSC) incepe semnalizarea perioadica a actualizarii locației terminalului mobil. Parametrul de timp este trimis către MS prin Canalul de Control al Transmisiei (BCCH), iar VLR isi reinoieste codul LAC corespunzator inainte de a incepe procesul de poziționare mai precisa.
Imediat după actualizarea periodica, va urma o procedura de semnalizarea pentru a obtine o estimare a timpului de la stațiile de bază ce deservesc terminalul mobil. În GSM este obigatoriu că stația de bază și cea mobilă să nu transmita simultan, altfel MS este obligata să transmita la trei perioade de timp după BS.
În perioada de inactivitate, la nievlul statiei mobile se stocheaza masuratorile puetrii de semal de la cele mai apropiate 6 stații de bază. Pentru primi aceste masuratori de la MS este transmis un mesaj de cerere de masuratori prin canalul SDCCH (Canal de Control Dedicat Autonom), MS trimitand raspunsul prin acelasi canal. Din cele 6 stații de bază, BSC alege două dintre ele care detin cea mai mare putere de semnal pe care le va controla. Astfel semnalizarea suplimentara prin MSC este evitata.
Figura 4.4 Metoda de semnaliare în REȚELELE GSM pentru achiziția localizării
În plus, pentru a obtine timpul estimat și masuratori AOA de la alte 2 stații de bază este necesar să fie introdus un alt mesaj de comanda de paging LAPD. După ce BSC a luat o decizie, terminalul mobil este coordonat secvential către fiecare din cele 2 stații de bază selectate, utilizând o procedura de semnalizare de reselectare fortata a celulei. BSC activeaza un nou canal SDCCH către a două stație de bază, forteaza MS să fie coordonata cu noul canal (prin prima stație de bază) și il dezactiveaza pe urmatorul. Atunci, BS2 coordonata de BSC, transmite un mesaj de solicitare pentru lansarea unui mesaj unic (singular) de paging către MS prin canalul de paging (PCH) iar MS transmite un mesaj Channel Request message prin canalul cu acces (RACH). Când semnalizarea de la BS2 este finalizata, BSC obtine masuratorile AOA, se aciveaza un canal SDCCH în BS3, MS este fortata să fie coordonata cu acesta (prin BS2) fiind apoi eliberat canalul SDCCH precedent din BS2. Și similar se va elibera și canalul SDCCH din BS3.
În final, datele cerute (timpul estimat și masuratorile AOA) au fost receptionate de BSC și se realizeaza estimarea pozitiei statiei mobile.
Modificarile din mesajul de semnalizare necesare implementarii algoritmului prezentat mai sus sunt:
Paging for Positioning Command (MSC to BSC, BSSMAP) – Aceste mesaj este creat la nivelul BSSMAP, servind tuturor BSC din aria de localizare (LA) și contine datele necesare pozitionarii, cum ar fi IMSI, TMSI, LAC, etc. și totodată, cererea abonatului de a fi localizate. Acest mesaj este receptionat când cererea de poziționare este trimisa de la clientul extern la MSC prin GMSC.
Idle Measurement Request (BSC to BS1, BTSM L3)– BSC transmite urmatorul mesaj LAPD DCM L3 prin interfața Abis pentru a furniza masuratorile AOA și puterea de semnal. Stația de bază transfera cererea pentru măsurarea puterii de semnal terminalului mobil prin canalul SDCCH stabilit.
Single Paging Command (BSC to BS2, BTSM) – nouatatea consta în faptul că mesajul contine CGI (Cell Global Identity) a statiei de bază în loc de LAC a intregii suprafete, deci este prevenita astfel semnalizarea inuila.
AOA Measurement Results (BS to BSC, BTSM) – acest mesaj cuprinde numărul canalelor SDCCH și CCCH pentru care au fost effectuate masuratori AOA, masuratorile propriu-zise și valoarea lor medie.
Paging for Positioning Response (BSC to MSC, BSSMAP) – contine IMSI, TMSI, LAC și coordonatele pozitiei abonatului.
5. SERVICIUL DE URGENȚĂ
5.1. Considerații generale
Unul din cele mai improtante servcii bazate pe localizarea terminalelor mobile este fara indoiala serviciul de urgență, reprezentat în Europa de Sistemul Național Unic pentru Apeluri de Urgență. Potrivit Directivei 98/10/EC (ONP: prevederi pentru rețele telefonice deschise și serviciul universal în telecomunicatii), 112 este numărul unic pentru apeluri de urgență pentru toate statele Uniunii Europene, la care se raspunde în mai multe limbi de circulatie internaționala, apelabil gratuit de la terminalele conectate în REȚELELE de telefonie fixa, mobilă sau alte sisteme, urmand că pentru inceput acesta să fie introdus în paralel cu cele deja existente.
Implementarea în Uniunea Europeana a numărului unic pentru apeluri de urgență 112 a presupus analizarea unor probleme referitoare la realizarea Centrului de preluare a apelurilor de urgență:
multlingvismul (asigurarea preluarii apelului în limbile oficiale ale Uniunii Europene);
alegerea unei metode de coordonare a apelurilor de urgență primite la numărul 112 (specifica fiecaruia din urmatoarele tipuri de centre de urgență):
integrate (care administreaza toate tipurile de apeluri de urgență și care, desi repreyintă soluția cea mai buna pe termen lung, este mai puțin implementata, poate și datorită dezavantajelor pe care unele state le-au precizat, cu privire la compartimentarea muncii și asigurarea secretului profesional);
de coordonare a apelurilor de urgență (care poate fi realizat de Politie, Pompieri sau de Ambulanta);
deja existente (prin simpla deviere a apelurilor);
comerciale (fara nici o competenta în administrarea serviciilor de urgență);
localizarea apelurilor (confidentialitatea, plata costurilor, protocoale cu operatorii de comunicații, prevederile licentelor în momentul acordarii, disponibilitatea și actualizarea bazelor de date, precum și responsabilitati pentru operatorii retelelor și cei ai dispeceratelor serviciilor de urgență);
roamingul;
definirea serviciilor oferite de centrele de preluarea a apelurilor de urgență;
definirea urgentelor (evenimentele care pot periclita viața omeneasca, proprietatea și mediul inconjurator);
informarea cetatenilor privind existenta și stadiul implementarii numărului unic de apel în tarile Europei;
pregatirea operatorilor din centrele de preluare a apelurilor de urgență (uniformizarea pregatirii, dezvoltarea capacitatii de comunicare, pregatirea în domeniul managementului stresului și al crizelor).
Componentele Sistemului Național Unic pentru Apeluri de Urgență sunt :
Centrele de preluare a apelurilor de urgență (PSAP):
Centrul de la sediul central al S.T.S. (Bucuresti);
Centru de rezerva în caz de dezastre;
40 de centre judetene (cate unul în fiecare municipiu resedinta de judet, cu posibilitatea de rezervare);
2. Dispeceratele locale de urgență: cate unul pentru fiecare dintre serviciile de urgență (Politie, Pompieri, Ambulanta);
3. Reteaua naționala de transmisii de date pentru interconectarea acestor centre;
4. REȚELELE locale (40 judetene și una în Bucuresti), pentru interconectarea Centrelor de preluare a apelurilor de urgență cu Dispeceratele de urgență locale. Acestea se realizeaza atât pe infrastructura fixa (circuite telefonice), cât și pe infrastructura radio;
5. Rețele radio administrate de către S.T.S. pentru realizarea cooperarii locale în intervenție:
reteaua Phoenix;
reteaua Dimetra;
rețele conventionale în benzile UHF și VHF;
6. REȚELELE radio ale institutiilor în componenta carora intra servicii de urgență:
Ministerul Administratiei și Internelor;
Ministerul Sanatatii pentru serviciile medicale de urgență;
Alte instituții care vor solicita și primi avizul tehnic.
Fig, 5.1 Componentele Sistemului Național Unic pentru Apeluri de Urgență
Obiectivul serviciului de localizare este de a permite poziționarea unui terminal mobil digital ce initiaza un apel de urgență, facand abstractie de starea abonatului din HLR.
5.2. Soluții de localizare a apelurilor de urgență
O prima metoda de localizare a terminalelor mobile în servicul de urgență a fost creata în conformitate cu standardul suedez SS636394. Acesta verifica forma informatiilor transimse de Rețelele Publice Terestre Mobile (PLMN) prin apelurile de urgență, și deasemenea, interfața și metodele folosite pentru a rezolva cererea de localizare a urgentelor.
Legatura intre operatorii de telefonie mobilă și operatorul serviciului de urgență este realizată în așa fel incat localizarea terminalelor mobile să poate fi efectuata prin două metode, și anume : cererea de localizare bazată pe numărul A și cererea de localizare bazată pe identificarea celulei (Cell-ID).
Cererea de localizare bazată pe numărul A este o metoda c poate fi utilizată de operatorii de telefonie mobilă ce au implementat un server de localizare, iar metoda Cell-ID este utilizată de acei operatori ce detin o bază de date cu coordonatele geografice a tuturor celulelor.
În localizarea terminalelor mobile este nevoie că informațiile să fie transmise de la reteaua mobilă de unde s-a efectuat apelul la operatorul servicului de urgență. Alegerea metodei de localizare folosită de operatorul de telefonie mobile nu influenteaza în nici un fel sistemul servicului de urgență, în plus nici o rețea a unui operator celular nu va afecta reteaua unui alt operator.
Procedura generală de localizare e apelurilor de urgență este descrisa în figura urmatoare:
Fig. 5.2 Metoda generală de localizare a apelurilor de urgență
terminalul mobil initiaza un apel de urgență
apelul este comutat de MSC
apelul este rutat utilizând ISUP (ISDN User Part) fie direct fie prin reteaua naționala de tranzit.
Apelul ajunge la punctul de preluare a apelurilor publice (PSAP – Public Service Answering Point)
Operatorul de la servicul de urgență ce receptioneaza apelul cere localizarea terminalului apelant
O cerere de localizare este trimisa către serverul de localizare sau către bază de date a rețelei de telefonie mobilă
Reteaua va trimite raspunsul cuprinzand locația terminalului mobil
Toti operatorii PLMN trebuie să informeze serviciul de urgență care este adresa unica ce va fi folosită pentru identificarea rețelei de provenienta a apelului, aceasta fiind compusa din N digiti. Lungimea acestei adrese, N, este variabila și depinde de alocarea data rețelei din planul de numerotare suedez. Numărul digitilor trebuie să fie suficient de mare pentru o identificare unica a rețelei.
De aflarea pozitiei unui abonat mobil ce a initiat un apel de urgență se ocupa Servicul de Localizare Imediata, care este raspunzator de transmiterea a două mesaje, și anume: cererea de localizare imediata e urgentei și raspunsul aferent acesteia.
Titlul global este o adersa unica utilizată în sistemul de semnalizare a apelurilor. Primii digiti din GT indetifică reteaua din care este efectuat apelul și care va fi folosită de serviciul de urgență pentru a decide carei rețele îi va fi trimisa cererea de localizare. Digitii ramasi vor fi analizati de una din cele două metode propuse pentru localizare, dar nu vor fi analizati de sistemele serviciului de urgență.
Identificarea și localizarea terminalului mobil se poate realiza fara a ridica alte probleme dacă:
terminalul are un SIM valid în reteaua de apartenenta
SIM-ul este valid într-o altă rețea naționala
SIM-ul este valid într-o rețea dintr-o altă tara
iar apelul de urgență poate fi efectuat și inainte de autentificarea în reteaua GSM, procedurile de actualizare a locației fiind efectuate de rețea.
Există cazuri insa, în care poziționarea abonatului nu poate fi realizată, dar localizarea terminalului mobil ar putea fi efectuata prin metode bazate pe identitatea celulei. Aceste cazuri sunt:
terminalul mobil nu are un SIM valid (nu există acoperire radio, SIM-ul nu este activat sau nu a avut loc autentificare prin codul PIN)
terminalul mobil este fara SIM (nici un SIM introdus în terminal sau SIM-ul este deteriorat)
Procedeele de localizare diferă funcție de metoda folosită. Astfel, o localizare normală prin metoda numărului A, este aceea ce poate fi efectuata fara a schimba sau a adăuga nimic în procedura clasica. Este o metoda clasica și cererea HLR este inclusa. Insa, poate fi aplicata numai în cazul în care terminalul mobil are un SIM valid în reteaua de apartenenta.
Fig. 5.3 Procedura normală a metodei A-number
o cerere de localizare imediata este transmisa de la clientul de localizare a serviciului de urgență către serverul de localizare din PLMN
mesajul “Send Routing Information for Location” este transmis către registrul HLR a apelantului
HLR raspunde transmitand la randul lui parametrul IMSI
Mesajul “Provide Subscriber Location” este trimis către MSC în aria caruia se află terminalul mobil apelant.
MSC raspunde transmitand mesajul “Provide Subscriber Location Ack” către serverul de localizare
Serverul de localizare trimite clientului de localizare mesajul “Emergency Location Immediate Answer”
Metoda de localizare Cell-ID este prezentata în figura urmatoare și contine etapele:
Fig. 5.4 Metoda Cell-ID
cererea de localizare imediata este transmisa de la clientul de localizare a serviciului de urgență către baza de date din PLMN pentru identificarea celulei
baza de date converteste datele despre identitatea celulei în coordonate relevante și raspunde prin trasnmiterea unui mesaj “Emmergency Location Immediate Answer “ clientului de localizare.
Insa acesta metoda propusa de Servicul de Telecomunicatii Speciale din Suedia precede adoptarii standardului GSM în domeniu, deci nu se poate conforma intru-totul prevederilor standardului.
Localizarea apelurilor de urgență din Romania se realizeaza în conformitate cu standardul ETSI TS 102 164 ce se referă la protocoalele de localizare a apelantului pentru serviciile de urgență.
Apelurile de urgență 112 de pe telefoanele mobile sunt rutate pe linkuri SS7 de la operatorii de telefonie mobilă către Romtelecom și mai apoi spre Sistemul Național Unic pentru Apeluri de Urgență (SNUAU). Apelurile de urgență sunt rutate de Romtelecom în două puncte, București și Brașov, preluate în echipamentele STS, extrase informațiile de localizare și transmise IP, de către un server Radius, către Serverul de localizare. În același timp apelul este portat de pe SS7 pe ISDN și rutat prin rețeaua ISDN a STS către județul de destinație. În figura următoare este prezentat modul generic de lucru:
Fig. 5.5 Modul generic de lucru
Pe stațiile de lucru ale SNUAU există aplicația client a Serverului de aplicație SNUAU și o aplicație GIS/AVLS stand alone. Aplicația GIS de pe stațiile de lucru SNUAU va avea un modul de conectare la serverul de localizare a apelurilor de de urgență de pe telefoanele mobile, că back-up pentru situația în care nu funcționează Serverul de aplicație al SNUAU.
Formatul datelor de localizare trimise pe linkurile SS7, asociat fiecărui apel de urgență, este diferit pentru fiecare operator de telefonie. Astfel:
Operatorul Vodafone va transmite informația de localizare a apelantului de tip Cell ID pe semnalizare ISUP/SS7, adresa „ISUP Location number parameter", inclusiv pentru abonații aflați în roaming.
Operatorul Cosmote va transmite informația de localizare a apelantului de tip Cell ID pe semnalizare ISUP/SS7, în mesajul IAM, în câmpul „Location number".
Operatorul Orange va transmite informația de localizare a apelantului de tip Cell ID în Mesajul SS7 IAM, în câmpul „Location number".
Operatorul Telemobil va transmite informația de localizare a apelantului de tip Cell ID și Antenna sector ID în mesajul SS7 IAM, în câmpul „Called number address".
Informația de localizare a apelantului este primită sub forma unui șir de caractere numerice. String-ul identifică unic o înregistrare dintr-o bază de date cu informații geografice. Formatul șirului de caractere este diferit, în funcție de operatorul de telefonie.
Informația de localizare a apelantului este primita pe TCP pe un port configurabil.
Vodafone
Cosmote:
Informația transmisă va fi de forma 40760000abcde, unde:
abcd – identifică stația de bază
e – identifică azimutul
Orange
Telemobil:
Informația va fi de forma „prefix județ” + 112 + CCC + F unde:
CCC – identitatea celulei care procesează apelul
F – sectorul din care s-a inițiat apelul
Informația de localizare a apelantului va fi extrasă și trimisă către serverul de localizare sub forma unui șir de caractere numerice, de lungime variabila: min 12 caractere, max 15 caractere.
Vodafone:
Exemple de string-uri de localizare:
• 407222133551
• 407222120682
• 407222120533
Cosmote:
Exemple de string-uri de localizare:
• 4076000002791
Fiecare operator întreține o bază de date cu informații geografice ce pot oferi date despre localizarea apelantului pe baza string-ului de localizare. Structura acestei baze de date este diferită, în funcție de operatorul de telefonie, iar interogarea online presupune existenta bazei de date cu informații geografice doar la operator.
Baza de date locala presupune actualizarea permanenta a bazei de date cu informații geografice (situata local) cu date din baza operatorului, iar structura ei trebuie să fie configurabila.
Stringul de localizare și coordonatele geografice(din baza de date cu informații geografice) sunt citite simultan la o cerere a serverului de localizare. Într-un fișier configurabil este realizată o mapare intre stringul de localizare și strucutra bazei de date cu informații geografice –în funcție de operator.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Localizarea Terminalelor Mobile (ID: 161207)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.