ГЛАВА 10

ПРИНЦИПЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

10.1. Общие положенияЗадачи обнаружения, определения координат и параметров движения источника

радиоизлучения (ИРИ) относятся к задачам радионавигации. Теоретические основы радионавигации, методы и устройства позиционирования ИРИ разработаны достаточно подробно [32].

Процедура позиционирования включает в себя определение координат и параметров движения ИРИ. Сети мобильной радиосвязи с поддержкой функции позиционирования могут содержать измерительные пункты (ИП), осуществляющие позиционирование абонентских станций с требуемой погрешностью и вероятностью.

Погрешность позиционирования характеризует ошибку определения координат абонентской станции относительно ее истинного положения.

Вероятность позиционирования характеризует вероятность нахождения абонентской станции в зоне, определенной допустимой погрешностью позиционирования.

При решении задачи позиционирования абонентских станций в сотовых системах мобильной связи необходимо использовать решения, базирующиеся на определении положения и вычислении координат абонентских станций относительно известных координат базовых станций сети. В противном случае решение задач позиционирования связано с необходимостью модернизации базовой сети и абонентских станций.

Системы позиционирования могут быть угломерные, дальномерные, разностно-дальномерные и комбинированные[32].

Угломерные системы позиционирования. Содержат в своем составе радиопеленгаторы – устройства, определяющие азимут прихода радиоволн в точку приема относительно опорного направления. Результатом работы радиопеленгатора является значение азимута. Как правило, применяют три и более радиопеленгаторов, расположенных в различных точках зоны охвата системы позиционирования. Достоинством угломерных систем является небольшой объем информации, передаваемой от радиопеленгаторов на пункт вычисления координат, и возможность асинхронной работы системы. Недостатком является зависимость ошибки вычисления координат абонентских станций от взаимного расположения радиопеленгаторов и абонентских станций в пределах зоны охвата системы позиционирования.

Дальномерные системы позиционирования. Измеряемыми параметрами в дальномерных системах позиционирования являются временные задержки распространения сигнала абонентских станций. При этом необходимо иметь не менее двух ИП, временные параметры которых должны быть синхронизированы между собой. Расчетными параметрами являются расстояния от измерительных пунктов до абонентских станций.

Разностно-дальномерные системы позиционирования. Координаты абонентских станций вычисляются на основе измеренных значений разности задержек при распространении радиоволн от абонентских станций. При этом необходимо иметь не менее трех измерительных пунктов. Рассчитываемыми параметрами являются дальности от измерительных пунктов до абонентских станций. Здесь необходимо обеспечить синхронизацию измерительных пунктов сети и иметь возможность передачи большого объема информации от измерительных пунктов к пункту вычисления координат.

Комбинированные системы позиционирования. Могут быть угломерно-дальномерные, угломерно-разностно-дальномерные и др.

Сотовые системы мобильной связи для решения задач позиционирования абонентских станций должны иметь центр позиционирования, который осуществляет координацию и выделение ресурсов сети мобильной радиосвязи для проведения измерений, определяет технологию позиционирования с учетом заданного качества обслуживания, вызывает функцию измерения параметров сигнала при позиционировании (Positioning Signal Measurement Function, PSMF), передает параметры местоположения (Position Calculation Function, PCF) и др.

Центр позиционирования (Mobile Location Center, MLC) включает сервисный центр (Serving Mobile Location Center, SMLC) и шлюзовый центр (Gateway Mobile Location Center, GMLC), которые могут выполняться в виде отдельных модулей или совмещаться с существующими элементами сети (например, с центром коммутации мобильной связи (см. п.2.2).

Сервисный центр позиционирования (SMLC) обрабатывает и рассчитывает данные позиционирования абонентских станций и, как правило, относится к подсистеме базовых станций (BSS) или к центру коммутации мобильной связи (MSC). В процессе функционирования SMLC получает данные измерений от стационарных измерительных модулей (Line Measurement Unit, LMU), которые находятся в контроллере базовых станций (BSC). Информация из сервисного центра поступает в шлюзовый центр.

Шлюзовый центр позиционирования (GMLC) является защищенным элементом сети, как например центр аутентификации, и выполняет функции поддержки абонентов системы позиционирования. В процессе функционирования GMLC использует данные постоянно зарегистрированных абонентских станций, которые хранятся в HLR - регистре справочных данных. GMLC предоставляет данные о местоположении абонентских станций и взаимодействует с HLR. Решение о предоставлении услуг позиционирования принимает оператор сети.

Распределение описанных выше функций позиционирования по элементам сети мобильной связи вариативно и зависит от применяемой технологии позиционирования и выбранного варианта размещения сервисного центра.

Позиционирование абонентских станций в сетях мобильной связи включает две функции: измерение параметров сигнала и вычисление координат позиционирования. Выделяют методы позиционирования на основе абонентских станций, с поддержкой сети и на основе сети мобильной радиосвязи [32,33].

Методы позиционирования на основе абонентских станций заключаются в том, что абонентские станции осуществляют свое позиционирование независимо от сети мобильной связи. Например, по сигналам спутниковых навигационных систем. Для этого используются, встроенные в абонентские радиостанции приемники спутникового позиционирования.

Методы позиционирования с поддержкой сети заключаются в том, что процесс позиционирования происходит в абонентской станции, которая получает поддержку от сети. Примером может служить технология, когда абонентские станции, осуществляя свое позиционирование по сигналам спутниковых навигационных систем, получают через сеть мобильной связи уточненные данные от эталонного навигационного приемника, позволяющие абонентской станции значительно улучшить результаты позиционирования. Другим примером служит технология позиционирования на основе определения наблюдаемой разности времени приема сигналов на абонентской станции от базовых станций сети и др.

Методы позиционирования на базе сети заключаются в том, что только сеть выполняет все функции, связанные с позиционированием. Здесь наиболее распространенной является технология идентификации соты (Cell Identifier, Сеll-ID), для которой не требуется определения параметров сигналов. Другим примером является технология определения времени поступления сигналов (Time of Arrival, ToA), когда базовые станции (не менее трех) производят измерение времени поступления сигналов доступа от позиционируемой абонентской станции и по результатам измерений сеть определяет координаты позиционируемой абонентской станции и др.

Рассмотрим более детально некоторые из отмеченных выше методов позиционирования.

10.2. GPS позиционирование с сетевой поддержкой

В [33,34] описан метод, названный как метод GPS позиционирования с сетевой поддержкой (Network-assisted GPS positioning method, A-GPS). A-GPS технология ускоряет «холодный старт», на этапе которого происходит поиск навигационных спутников, запись в базу данных GPS приемника абонентской станции альманаха (данных об орбитах спутников для быстрого поиска и «захвата» их сигналов включения после GPS приемника) и эфемерид (информации для вычисления точных координат абонентской станции). Версия альманаха действительна в течение 28 суток, а набор данных эфемерид действителен в течение нескольких часов. Ускорение происходит за счет предоставления необходимой информации абонентской станции через альтернативный канал связи, по которому передаются данные, необходимые для проведения расчетов и определения местоположения, а именно – альманах, эфемериды и приблизительная оценка доплеровского сдвига. Это

приводит к сокращению времени позиционирования с десятков до единиц секунд. Система A-GPS впервые внедрена в США с 2001 года в сети службы спасения «911».

Метод предусматривает установку в абонентские радиостанции приемников спутникового позиционирования, а в сети – «эталонных» приемников спутникового позиционирования. Основным элементом сети, обеспечивающим сетевую поддержку и передачу вспомогательной информации о координатах участка сети, где находится абонентская станция, является обслуживающий контроллер базовых станций (КБС). Опционально в процедуре позиционирования может быть задействован и сервисный центр позиционирования (SMLC). Здесь возможны два варианта: абонентская станция выполняет только необходимые измерения, а координаты

рассчитывает КБС или SMLC;

абонентская станция сама рассчитывает свои координаты, что требует загрузки в нее дополнительного программного обеспечения.

Такая сетевая поддержка имеет следующие преимущества: снижается время измерений (знание кодов GPS сигналов в начале процедуры

сокращает начальный этап измерений с 30 секунд до единиц секунд, дальнейшие измерения также идут быстрее);

обеспечивается экономия источников питания абонентской станции;

повышается качество измерений, т.к. через сеть мобильной связи абонентская станция получает дополнительную информацию о местоположении, и GPS приемник может работать при более низких отношениях сигнал/шум.

К недостаткам можно отнести: усложнение абонентского и базового оборудования сотовых сетей мобильной

связи;

зависимость точности позиционирования от морфоструктуры местности;

повышение энергопотребления абонентской станцией;

временные задержки при оценке местоположения;

отсутствие возможности активировать функцию позиционирования со стороны сети, что зачастую бывает необходимо в экстренных ситуациях;

зависимость от состояния глобальной космической группировки.

10.3. Позиционирование по идентификатору соты и времени упреждения

Метод позиционирования по идентификатору соты на сегодняшний день является основным методом позиционирования для большинства операторов мобильной связи [33,34]. Позиционирование осуществляется с точностью до размеров соты, где находится абонентская станция. Информацию об идентификаторе соты, где находится абонентская станция, можно получить во время ее регистрации. Погрешность позиционирования определяют размеры соты (сектора) (рис.10.1).

Рис. 10.1. Сектор местонахождения абонентской станции

Метод позиционирования по идентификатору соты и времени упреждения основан на использовании уникального идентификатора соты Cell-ID в пределах зоны обслуживания сети мобильной связи, т.е. идентификатора соты (сектора), в которой в настоящий момент находится абонентская станция, и «времени упреждения» (Timing Advance, ТА) [33,34]. В процессе позиционирования определяется величина задержки распространения сигнала. Значение параметра ТА в системах с частотно-временным разделением каналов может находиться в пределах 0...233 мкс (максимальное значение соответствует соте с радиусом 35 км). Таким образом, при известном параметре ТА можно определить расстояние до абонентской станции. Шаг дискретизации параметра ТА связан с длительностью информационного бита. Пусть длительность бита в системе с частотно-временным разделением каналов равна 3,69 мкс. Тогда расстояние от базовой до абонентской станции, если измеренная задержка соответствует 0-му интервалу (рис.10.2), равно 550 м. Таким образом, дискретность определения расстояния составляет 550 м.

.

Рис. 10.2. Принцип позиционирования по методу Cell-ID+TA

10.4. Позиционирование по идентификатору соты и времени приема-передачи сигналов управления

Метод основан на использовании параметра Cell-ID и суммарного времени передачи сигналов управления "вверх-вниз" (Round Trip Time, RTT), которое измеряется как период времени между моментами начала передачи кадра

выделенного канала управления в направлении «вниз» и приема

соответствующего кадра в направлении «вверх» , т.е. (рис.

10.3) [33,34].

Рис.10.3.Принцип позиционирования по методу Cell ID+ RTT

Измерения RTT выполняет базовая станция. Данный метод не требует специального программного обеспечения в абонентской станции, но предполагает синхронизацию информационного обмена в сотовой сети мобильной связи. В широкополосных системах с кодовым разделением каналов «чиповая» скорость составляет 3,84 Мчип/c. Шаг дискретизации связан с длительность информационного чипа, и можно найти расстояние , соответствующее приращению RTT за 1 чип:

Следует заметить, что величина погрешности (рис. 10.4) зависит от точности синхронизации абонентской и базовой сети, трассовой многолучевости и др.

Рис. 10.4. Позиционирование по методу Cell-ID+RTT

Точность позиционирования может быть повышена, когда при определении RTT абонентскую станцию «сопровождают» одновременно две и более базовых станций (процедура «мягкого» хэндовера.

Рис. 10.5. Позиционирование по методу Cell-TD+RTT при использовании «мягкого» хэндовера

В этом случае зоной местоположения абонента будет считаться пересечение кольцевых секторов, построенных на основе значений параметра RTT, измеренных несколькими БС (рис.10.5).

10.5. Позиционирование по идентификатору соты и разности времен прихода пилотных сигналов

Метод основан на использовании параметра Cell-ID и измерениях разности времен приема пилотных сигналов базовых станций приемником абонентской станции (Observed Time Difference of Arrival, OTDoA) [33,34]. Измерения выполняет абонентская станция. Приемник абонентской станции принимает пилотные сигналы (Common Pilot Channel, CPICH) от ряда базовых станций и оценивает относительные значения разности времени (Relative Time Difference, RTD) передач для расчета координат абонентской станции. Кроме данных измерений, для расчета координат абонентской станции необходима информация о координатах базовых станций и данные синхронизации. Координаты базовых станций определяются по центру излучения передающих антенн. Принцип позиционирования по методу Cell-ID+OTDoA показан на рис.10.6, где местоположение абонентской станции определяется координатами точки пересечения по меньшей мере двух OTDoA гипербол (от двух базовых станций).

Рис.10.6. Позиционирование по методу Cell-ID+ OTDoA

10.6. Позиционирование по разности моментов времени прихода сигналов по линии «вверх»

Метод позиционирование по разности моментов времени прихода сигналов по линии «вверх» (Uplink-Time Difference Of Arrival, U-TDOA) основан на измерениях сигнала абонентской станции стационарными измерительными модулями (LMU) [33,34]. Время появления сигналов абонентской станции на входах измерительных модулей зависит от расстояния между абонентской станции и LMU. При этом не нужно фиксировать время передачи сигнала, а абонентская станция не требует дополнительного программного обеспечения. Сигналы, поступающие на входы разнесенных в пространстве LMU, испытывают различное затухание и имеют разное отношение сигнал/шум при приеме. Для измерения разности времен прихода

сигналов на LMU используют вычисление их взаимной корреляционной функции. Поясним это на примере использования двух LMU. На рис. 10.7 показаны два сигнала (a и b), принятые двумя LMU. Сигнал a принят LMU, расположенном в непосредственной близости от абонентской станции, а сигнал b принят LMU, находящемся на большом удалении от абонентской станции. За опорное измерение принимается самый сильный сигнал с LMU. Если сдвинуть сигнал b влево, то получим совмещенную во времени копию с сигнала b. Величина этого сдвига и определяет временную задержку прихода сигналов от абонентской станции по линии «вверх».

Рис. 10.7. Принцип определения временной задержки

Принцип позиционирования поясним на плоскости. На рис.10.8 точками Rx1 и Rx2 обозначены координаты двух LMU сети мобильной связи. Обозначим в виде концентрических окружностей (вокруг точек Rx1 и Rx2) зоны возможных задержек принимаемых сигналов абонентской станции. Точки пересечения этих концентрических окружностей будут находиться на так называемой «линии местоположения» абонентской станции. Для позиционирования рекомендуется использовать не менее четырех LMU, поскольку две «линии местоположения» при пересечении определяют координаты абонентской станции. Саму процедуру позиционирования выполняет сервисный центр позиционирования, куда передают принятые различными LMU сигналы. Ошибка в определении разности моментов времени прихода сигналов в 1 нс соответствует ошибке в 0,3 м при позиционировании.

Рис. 10.8. Определение координат абонентской станции

10.7. Сравнительный анализ методов позиционирования

В таблице 10.1 приведены данные рассмотренных выше методов позиционирования, погрешности и вероятности позиционирования с требуемой точностью, а также необходимость модификации инфраструктуры сети мобильной связи и абонентского оборудования при их реализации.

Таблица 10.1

Метод позиционирования

Погрешность (П)

и вероятность (Р) позиционирования

Необходимость

модернизации

инфраструктуры сети

Необходимость

модернизации

абонентских станций

A-GPS

(с поддержкой сети) П<50м, Р>70%. да да

OTDоA

(с поддержкой сети) П<300м, Р>90% да да

Cell-ID

(на базе сети)

Зависит от размера сектора.

Ориентировочно:

- в городе П=50…1000м

- в пригороде

нет нет

П= 1…10км

- в сельской местности

П=10…35км

Cell-ID+TA

(на базе сети)

Зависит от размера сектора.

Ориентировочно:

- в городе П<550 м, Р>90%

- в пригороде и сельской местности погрешность возрастает при удалении от базовой станции

да нет

Cell-ID+RTT

(на базе сети)

1.При размере соты 1 км

П<440м P>90%,

при сопровождении двумя и более базовыми станциями

П <100м, Р>90%

2.При размере соты 3 км

П<1440 м, Р>90%,

при сопровождении двумя и более базовыми станциями

П<130 м, Р>90%

да нет

U-TDOA

(на базе сети)

1.В городе при наличии прямой видимости П<75м, Р>70%.

2.В городе при отсутствии прямой видимости П<100м, Р>70%

да нет

Анализ данных показывает, что рассмотренные выше технологии позиционирования в сетях мобильной связи имеют ограниченные возможности по точности и вероятности позиционирования подвижных абонентов и требуют, как правило, модификации абонентских станций и элементов сети. В связи с этим на практике большинство операторов мобильной связи используют самый простой метод позиционирования Cell-ID. Данный метод позволяет определить местоположение абонентской станции с точностью, соизмеримой с размером соты, в которой она находится. Данная точность позиционирования недостаточна для услуг, требующих привязки к карте местности (например, проведение розыскных мероприятий, оказание помощи на дорогах, скорой медицинской помощи и др.) и требует внедрения комплексных методов позиционирования.