Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/LCS standardizacija 1.pdf · Ćelijsko pozicioniranje • Ć elijsko pozicioniranje odnosi se na uvođenje

Principi

pozicioniranja

u radio sistemima5

Doc. dr Mirjana Simić

Ćelijsko pozicioniranje

•

Ćelijsko pozicioniranje odnosi se na uvođenje dodatnih servisa u okviru postojećih ćelijskih sistema, koji se baziraju na poznavanju lokacije korisnika.

•

Obzirom da ovi sistemi podržavaju mobilnost korisnika, na prvi pogled, procedura upravljanja mobilnošću bi se mogla iskoristiti i za potrebe određivanja lokacije korisnika.

•

Ipak, zahtevi koji su nametnuti mobilnim operatorima (E-911, E-112), naročito po pitanju tačnosti, daleko nadmašuju skromne mogućnosti koje bi ovakva procedura omogućila.

•

Zbog toga, mobilni operatori u cilju implementacije LBS servisa,

u okviru svojih mreža moraju uvesti nove protokole, a često i nove hardverske komponente koje bi podržale pozicioniranje zadovoljavajuće tačnosti.

•

Od

nastanka

ideje

o lociranju

korisnika

u radio mrežama

do danas, razvijeno

je više

različitih

metoda

pozicioniranja.

•

Kako se metode pozicioniranja u ćelijskim sistemima oslanjaju

na infrastrukture

čiji

primarni

cilj

nije

pozicioniranje, već

komunikacija,

bilo

je

neophodno

razviti

posebne

standarde

kako

bi se obezbedila implementacija

servisa

koji

se baziraju

na

poznavanju

lokacije

korisnika

u ćelijskim

radio-mrežama. Ti standardi

se zovu

LCS standardi.

•

Proces

standardizacije

počeo

je razvojem

LCS standarda

za

GSM mreže a pokrenut

je od

strane

FCC. Standardizaciju

vrši

globalna

organizacija

za

razvoj

standarda, 3GPP.

Ćelijsko pozicioniranje

Sadržaj

1.

LCS standardizacija u GSM (GERAN LCS)

2.

LCS standardizacija u UMTS (UTRAN LCS)

3.

LCS arhitektura mreže (GSM/UMTS)

4.

Standardizovane metode pozicioniranja u GSM

5.

Standardizovane metode pozicioniranja u UMTS

GERAN LCS

•

U okviru pristupne mreže GSM/EDGE sistema, GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network), razvijen je veći broj metoda pozicioniranja koje se razlikuju kako po tačnosti tako i po kompleksnosti kontrolnih mehanizama u pristupnim

mrežama i terminalima koji su neophodni za potrebe pozicioniranja.

•

Prema GSM LCS standardu, za GERAN su standardizovane četiri metode pozicioniranja:1.

Cell-ID+TA

(Cell Identification

+ Timing Advance),2.

E-OTD

(Enhanced Observed Time Difference),3.

U-TDOA

(Uplink Time Difference of Arrival) i4.

A-GNSS

(Assisted Global Navigation Satellite System).

•

Implementacija Cell-ID+TA i A-GNSS u postojeće GSM mreže je relativno jednostavna, dok implementacija E-OTD i U-TDOA zahteva suštinske modifikacije i uvođenje dodatnih novih komponenata

(u odnosu na minimalne koje zahteva proces pozicioniranja).

•

U skladu sa 3GPP LCS, za potrebe implementacije LCS u GERAN, neophodne su dodatne dve komponente: SMLC

(Serving Mobile Location Center) i LMU

(Location Measurement Unit).

Na slici je prikazana integracija ovih komponenata u okviru pristupne mreže GSM.

GERAN LCS arhitektura

••

LMULMU

je dodatni hardver koji zahtevaju neke od metoda pozicioniranja

(E-OTD, U-TDOA).

•

Koristi se za precizna merenja vremena

transmisije signala i na downlink-u i na uplink-u.

•

Na downlink-u, LMU se koristi za merenje vremenskog ofseta između vremenskih slotova sa različitih baznih stanica, čime obezbeđuje a posteriori

sinhronizaciju (koju zahteva npr. E-OTD metoda pozicioniranja).

•

Na uplink-u, LMU služi za vremenska merenja transmisije signala od mobilne stanice (što zahteva npr. U-TDOA metoda pozicioniranja).

•

Da bi se podatak o vremenu izmeren od strane LMU mogao iskoristiti za potrebe pozicioniranja, moraju biti poznate i geografske koordinate LMU jedinica.

•

Sva neophodna merenja, LMU jedinica obavlja ili u odnosu na izabranu baznu stanicu ili u odnosu na GPS vreme, u kom slučaju LMU jedinice moraju biti opremljene GPS prijemnikom.

GERAN LCS arhitektura LMULMU

jedinice


jedinice, tip A

•

U zavisnosti od vrste veze sa pristupnom mrežom, postoje dva tipa LMU jedinica: –

tip A LMU i –

tip B LMU.

•

A-LMU jedinica je povezana sa pristupnom mrežom samo preko radio veze, odnosno, radio interfejsa.

•

Na taj način, LMU jedinicu tipa A mreža vidi kao konvencionalnu mobilnu stanicu, sa razlikom što je LMU jedinica stacionarna i ima poznate geografske koordinate.


jedinice, tip B

•

LMU jedinica tipa B je sa pristupnom mrežom povezana preko žičanog linka i može se koristiti ili kao samostalna komponenta ili integrisana u okviru bazne stanice.

LMU(tip B)

BTS/LMU (tip B)

BSCMS

Abis

Abis

MS - Mobile StationBTS - Base Transceiver StationBSC - Base Station ControllerLMU - Location Measurement Unit

••

SMLC SMLC je komponenta koja upravlja kompletnim procesom pozicioniranja, uključujući: –

alokaciju resursa, –

izbor odgovarajuće metode pozicioniranja, –

organizaciju potrebnih merenja, kao i –

proračun nepoznate lokacije mobilne stanice. –

u zavisnosti od konkretne metode pozicioniranja, SMLC kontroliše i upravlja radom jedne ili više LMU jedinica.

••

SMLCSMLC

organizuje čitav postupak merenja koja realizuju LMU jedinice, i rezultate merenja koristi za pripremu pomoćnih podataka u postupku pozicioniranja (npr. kod E-

OTD), ili za proračun same lokacije mobilne stanice (npr. kod U-TDOA).

•

U vezi SMLC SMLC treba napomenuti i sledeće:–

SMLC komponente moraju imati i mogućnost međusobne komunikacije u slučaju da pripadaju različitim pristupnim mrežama, a u cilju podrške pozicioniranju za korisnike koji se kreću između tih pristupnih mreža.

–

SMLC može biti samostalna komponenta u pristupnoj mreži ili može biti integrisana u okviru BSC (Base Station Controller).

GERAN LCS arhitektura SMLCSMLC

GERAN LCS arhitektura SMLC i LMUSMLC i LMU

SMLC LMU

•

Kao podrška postupku pozicioniranja može se zahtevati (neke metode pozicioniranja to zahtevaju) još

jedna dodatna komponenta, CBC (Cell

Broadcast Center).

•

Ova komponenta je naročito važna u slučaju mobile-based metoda pozicioniranja.

•

Preko CBC komponente šalju se pomoćni podaci (npr. geografske koordinate baznih stanica, korekcije vremena, vidljivost satelita, ...) ka mobilnoj stanici (npr. u E-OTD i A-GNSS metodama pozicioniranja).

•

Kao što je rečeno, te pomoćne podatke priprema SMLC, dostavlja ih u CBC koji ih zatim prosleđuje odgovarajućem BSC za transmisiju ka MS (slika sa slajda No 6).

GERAN LCS arhitektura CBCCBC

•

U pristupnoj mreži GERAN, postupak pozicioniranja mora biti koordinisan signalizacijom između SMLC, BSC, LMU, CBC i mobilne stanice.

•

Pregled odgovarajućih protokola dat je u tabeli i u potpunosti standardizovan u okviru 3GPP.

GERAN LCS arhitektura ProtokoliProtokoli

•

Fukcionalni opis LCS u GSM/GERAN dat je u 3GPP specifikaciji 3GPP TS 43.059

•

Kao i u slučaju GERAN, u okviru pristupne mreže UMTS sistema, UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) razvijen je veći broj metoda pozicioniranja, od koji su neke i standardizovane.

•

Prema specifikaciji UMTS LCS standardu, za UTRAN su standardizovane četiri metode pozicioniranja:1.

Cell-ID (Cell Identification),

2.

OTDOA-IPDL

(Observed Time Difference

Of Arrival-Idle Period Downlink),

3.

A-GNSS

(Assisted Global Navigation Satellite System) i 4.

U-TDOA

(Uplink Time Difference of Arrival).

UTRAN LCS

•

Kao i u slučaju GSM, implementacije LCS servisa u UMTS zahteva dodatne komponente: SMLC i LMU.

•

Ipak, za razliku od GSM, nove komponente (SMLC i LMU) su uglavnom integrisane u okviru baznih stanica (Node B) ili RNC (Radio Network Controller). Na slici je dat prikaz UTRAN 3GPP LCS arhitekture.

UTRAN LCS

arhitektura

•

U slučaju UTRAN-FDD (UTRAN -

Frequency Division Duplex), LMU LMU jedinice služe za postizanje sinhronizacije između baznih stanica (Node B) i su obično integrisane u okviru baznih stanica.

•

Ipak, u uslovima kada između baznih stanica od interesa postoje loši ili NLOS uslovi prostiranja signala, što najčešće i jeste slučaj, LMU jedinice se mogu koristiti i kao samostalne komponente postavljene na mesta koja obezbeđuju bolje uslove prostiranja signala a time i tačnija merenja.

•

U tim slučajevima, LMU jedinice su u vezi sa pristupnom mrežom preko radio interfejsa.

•

U slučaju UTRAN-TDD (UTRAN -

Time Division Duplex), bazne stanice su a priori

sinhronizovane pa ne postoji potreba za instalacijom LMU jedinica u okviru takvih baznih stanica.

UTRAN LCS

arhitektura LMU LMU jedinice

•

Druga LCS komponenta, SMLCSMLC, najčešće je integrisana u okviru RNC, ali se, kao i u slučaju GERAN pristupne mreže, može instalirati samostalno, tj. kao SAS (Stand-Alone

SMLC).

•

Treba primetiti da UTRAN LCS arhitektura ne zahteva CBC komponentu kao što je slučaj sa GERAN LCS arhitekturom, obzirom da slanje pomoćnih podataka koje u ovom slučaju zahtevaju neke metode pozicioniranja (npr. OTDOA-IPDL i A-GNSS) koordiniše SMLC u okviru RNC.

UTRAN LCS

arhitektura SMLCSMLC

•

Slično kao u GERAN, u pristupnoj mreži UTRAN, postupak pozicioniranja mora biti koordinisan signalizacijom između RNC, SAS, LMU (slučaj samostalne instalacije) i mobilne stanice.

•

Pregled odgovarajućih protokola dat je u tabeli i u potpunosti je standardizovan u okviru 3GPP.

UTRAN

LCS arhitektura ProtokoliProtokoli

•

Fukcionalni opis LCS u UTRAN dat je u 3GPP specifikaciji 3GPP TS 25.305.

LCS arhitektura mreže

•

Osim pomenutih komponenata koje se za potrebe pozicioniranja moraju instalirati u GERAN i UTRAN pristupnim mrežama, čitav postupak pozicioniranja zahteva dodatnu komponentu i na nivou core

mreže –

GMLCGMLC

(Gateway Mobile Location Center).

•

Sa druge strane, obzirom na migraciju od 2G ka 3G mrežama, UTRAN i GERAN pristupne mreže funkcionišu u okviru integrisane arhitekture core

mreže, što omogućava zajedničke komponente infrastrukture, protokole kao i mehanizme upravljanja.

•

Isti koncept prihvaćen je i za LCS (slika na sledećem slajdu), što podrazumeva različite metode pozicioniranja razvijene u okviru oba tipa pristupnih

mreža, sa jedne strane, i zajednički element smešten u okviru core

mreže (GMLC), sa druge strane, koji kontroliše proces pozicioniranja nezavisno od tipa pristupne mreže.

3GPP LCS arhitektura mreže

•

Nova komponenta na nivou core

mreže koja upravlja postupkom pozicioniranja, GMLCGMLC, predstavlja interfejs između LCS klijenta od koga i potiče zahtev za pozicioniranjem, i SMLC komponenata u raznim pristupnim mrežama.

•

U zavisnosti od veličine, mreža može imati jedan ili više GMLC.

•

Takođe, za podršku servisu pozicioniranju za korisnike u roaming-u, GMLC komponente različitih operatora su međusobno povezane.

•

Funkcije GMLC: –

prima zahtev za pozicioniranjem koji upućuje LCS klijent, –

koordiniše ceo proces pozicioniranja i –

proračunate koordinate ciljane mobilne stanice dostavlja LCS klijentu.

•

Treba naglasiti da LCS klijent može biti i sama mobilna stanica koja u tom slučaju upućuje zahtev LCS mreži u cilju dobijanja sopstvenih koordinata.

3GPP LCS arhitektura mreže GMLCGMLC

LCS interfejsi i protokoli

•

Na slici 3GPP LCS arhitekture prikazani su i interfejsi između komponenata u okviru core

mreže. •

Za svaki od njih postoje i odgovarajući protokoli koji su neophodni za razmenu LCS podataka.

•

U tabeli je dat pregled interfejsa, protokola kao i odgovarajuće 3GPP specifikacije.

LCS arhitektura: C-plane i U-plane

•

U okviru pozicioniranja u ćelijskim mrežama postoje dva tipa LCS arhitekture:–

Control plane (C-plane)–

User plane (U-plane).

••

CC--planeplane

je tip LCS arhitekture u kojoj se LCS poruke transportuju preko

logičkih signalizacionih kanala u okviru ćelijskih mreža.

•

Ova arhitektura je dizajnirana u skladu sa E-911 zahtevima: zadatak joj je da omogući visoku tačnost i široku dostupnost LBS u okviru ćelijskih mreža.

•

Ovo rešenje iskorišćava mogućnosti ćelijskih radio mreža i obezbeđuje transport LCS informacija kontrolnim kanalima preko radio interfejsa: govor i LCS podaci se mogu simultano razmenjivati.

••

UU--planeplane

je tip LCS arhitekture u kojoj se LCS poruke pojavljuju kao korisnički podaci u okviru ćelijskih mreža.

•

U okviru U-plane tipa arhitekture, LCS poruke između terminala i mreže se razmenjuju preko IP konekcije.

•

U-plane pristup je predložen kao alternativna/komplementarna varijanta C-plane soluciji kako bi se izbeglo eventualno veliko signalizaciono opterećenje (koje zahtevaju neke metode pozicioniranja).

•

Predstavljene

LCS arhitekture

na

prethodnim

slajdovima

su

C-plane

tipa i one će i ubuduće biti arhitekture koje će se izučavati u okviru ovog

kursa.

LCS arhitektura: C-plane i U-plane

Standardizovane metode pozicioniranja u ćelijskim sistemima

Cell-ID

Cell-ID+TA

E-OTD

U-TDOA

OTDOA

A-GNSS

Cell-ID u GSM

Standardizovane metode pozicioniranja Cell-ID

••

CellCell--ID ID metoda pozicioniranja zasniva se na proximity sensing

principu, odnosno, na identifikaciji najbližeg predajnika poznatih koordinata.

•

Ovo je najjednostavnija i najrasprostranjenija metoda pozicioniranja.

•

Alternativni nazivi ove metode su i COO (Cell Of Origin) i CGI (Cell Global Identity).

•

Po Cell-ID metodi, procenjene koordinate mobilne stanice su geografske koordinate bazne stanice koja trenutno opslužuje tu mobilnu stanicu, odnosno, geografske koordinate servisne bazne stanice iz baza podataka.

•

Oblast u kojoj se korisnik nalazi je krug koji odgovara zoni pokrivanja servisne ćelije u slučaju omnidirekcionih ćelija, odnosno, kružni isečak koji odgovara zoni pokrivanja servisne ćelije u slučaju sektorskih ćelija.

(XBS,YBS)(XMS,YMS)

(XBS,YBS)

(XMS,YMS)

(XMS,YMS)= (XBS,YBS)

D1

(XMS,YMS)= (XBS,YBS, D1)

D2

D3

N


•

Cell-ID metoda pozicioniranja se može primeniti bilo da je mobilna stanica u dedicated

ili u idle

modu rada.

•

Prvi slučaj (dedicated mod) predstavlja network-based

rešenje, obzirom da je mreži poznato koja bazna stanica opslužuje mobilnu stanicu, pa se nepoznate koordinate mobilne stanice dobijaju čitanjem koordinata servisne bazne stanice.

•

U drugom slučaju mobilna stanica je u idle modu

u kojem samo prima broadcast

podatke koje emituje obližnja bazna stanica. Na osnovu parametra CI (Cell Identifier) koji dobija na ovaj način, mobilna stanica identifikuje baznu stanicu od koje prima broadcast

podatke, i pretragom baze podataka očitava koordinate bazne stanice sa tim parametrom CI, koje usvaja kao sopstvene koordinate.

•

Pristup bazi podataka sa koordinatama baznih stanica moguće je dobiti od operatora, ali je mnogo jednostavnije da ovi podaci budu uključeni u broadcast

poruke, što su mnogi operatori i implementirali.

•

U svakom slučaju, Cell-ID pozicioniranje kada je mobilna stanica u idle

modu predstavlja mobile-based

rešenje.


•

Tačnost Cell-ID metode pozicioniranja zavisi od: 1.

tačnosti geografskih koordinata baznih stanica u bazi podataka operatora, 2.

veličine servisne ćelije (zapravo, od tipa okruženja) i 3.

tipa ćelije (omnidirekciona/sektorska).

•

Najčešće, operator zna koordinate svake bazne stanice sa greškom od oko 10m. Zbog toga, minimalna greška koju treba očekivati kod ove metode ne može biti manja od greške nastale određivanjem lokacije bazne stanice.

•

Realno, situacija sa ovom metodom je takva da je greška koju unosi lokacija bazne stanice isuviše mala da bi značajnije uticala na ukupnu grešku pozicioniranja.


•

Dominantni uticaj na tačnost Cell-ID metode ima veličina ćelije, odnosno, tip okruženja u kojem se nalazi bazna stanica.

•

Naime, veličine ćelija u mobilnoj mreži se veoma razlikuju: –

ćelije u ruralnim područjima imaju poluprečnike veličine par desetina kilometara (do 35km, što predstavlja i teorijski maksimum u slučaju GSM);

–

u suburbanim tj. rezidencijalnim područjima, veličina ćelija je uglavnom par kilometara u poluprečniku;

–

u gušće naseljenim, urbanim, područjima poluprečnik ćelije uglavnom nije veći od 1km;

–

takođe, u urbanim oblastima, mogu se sresti mikro kao i piko ćelije koje se namenski postavljaju kako bi pokrivale veoma usku oblast kao što su: trg, stadion, poslovni centar, stanica metroa, itd. Poluprečnik mikro ćelije je od 100m do 500m dok je poluprečnik piko ćelije par desetina metara.


•

Dakle, Cell-ID metoda daje lošu (u ruralnim oblastima) do umerenu tačnost (u urbanim oblastima).

•

Dodatno, ionako skromna tačnost može biti dalje smanjena imajuću u vidu da, zbog prirode propagacije, servisna ćelija (BS) ne mora uvek biti ona ćelija koja je najbliža mobilnoj stanici čija se lokacija određuje.

•

Naime, zbog NLOS propagacije, razlika u snagama predajnika koji pokrivaju određene ćelije, kao i zbog samog algoritma selekcije ćelija i saobraćaja u mreži, može se desiti da servisna bazna stanica (ćelija) ne bude i najbliža bazna stanica.

•

Ekspermentalna studija (Italija) upravo i pokazuje da u 43% slučajeva u urbanom okruženju

mobilnu stanicu zaista i ne opslužuje najbliža bazna stanica!

•

Srednja vrednost razlike u udaljenosti između mobilne stanice i najbliže bazne stanice, i mobilne stanice i servisne bazne stanice (u slučaju kada servisna bazna stanica nije i najbliža bazna stanica) iznosi oko 90m.

•

Ista studija pokazuje da je u ruralnim i suburbanim područjima kao i na autoputevima, servisna bazna stanica češće je i najbliža bazna stanica nego u urbanim zonama.


•

Kao što je već

rečeno, na tačnost Cell-ID metode pozicioniranja utiče i tip ćelije (omnidirekciona/sektorska ćelija).

•

Iako je u oba slučaja neodređenost, tj. maksimalana greška pozicioniranja ista, i zavisi od poluprečnika ćelije, oblasti u kojima se korisnik nalazi se po obliku razlikuju.

•

U slučaju sektorske ćelije, oblast u kojoj se korisnik nalazi je kružni isečak čija površina predstavlja oko trećinu površine kruga koji se dobija kao oblast u slučaju omnidirekcione ćelije.

•

Ovakva, smanjena, oblast u kojoj se korisnik nalazi logično ima za posledicu i veću tačnost pozicioniranja.


•

Dobre strane Cell-ID metode (nezavisno od tipa mobilne mreže) je da ova metoda pozicioniranja ima vrlo visoku dostupnost

unutar mreže, obzirom da je za rad ove metode potreban radio kontakt samo sa jednom baznom stanicom.

•

Pored dostupnosti, Cell-ID metoda pokazuje dobre karakteristike i po pitanju kašnjenja

jer vreme potrebno da se dobije podatak o lokaciji mobilne stanice iznosi oko 1s.

•

Dobra strana Cell-ID metode pozicioniranja je da ona ne izaziva skoro nikakav priraštaj opterećenja

(ni signalizacionog ni računarskog) kao i da ima dobru energetsku efikasnost

jer ne uzrokuje skoro nikakvu potrošnju baterije mobilne stanice (osim uobičajene –

kao da nema pozicioniranja).

•

Ipak, kao što je rečeno, Cell-ID metoda ima lošu tačnost

a zbog zavisnosti tačnosti i od okruženja, Cell-ID metoda pozicioniranja nema ni dobar parametar

konzistencija.

•

Zbog svega rečenog, Cell-ID metoda se najčešće koristi kao alternativna metoda pozicioniranja kada neka od preciznijih metoda pozicioniranja pod nekim okolnostima ne bude primenjiva.


Standardizovane metode pozicioniranja Cell-ID -

experiment

lokacija: Beograd(gusto urbani

deo)

dan:min greška pozicioniranja~21m

noć:min greška pozicioniranja~9m

•

Da bi se sačuvale prednosti, a ublažile mane koje karakterišu Cell-ID metodu pozicioniranja, razvijeno je nekoliko modifikacija ove metode.

•

Sve modifikacije se uglavnom baziraju na merenju dodatnih radio parametara koji bi trebalo da redukuju oblast u kojoj se predviđa lokacija mobilne stanice.

•

Jedan od najčešće korišćenih parametara u slučaju Cell-ID metode pozicioniranja u GSM je parametar timing advance

(TA).

•

ТА

parametar odnosi se na povratno vreme propagacije signala emitovanog od bazne stanice ka mobilnoj stanici, što je proporcionalno dvostrukom rastojanju između bazne i mobilne stanice, pa se na taj način zona u kojoj se nalazi mobilna stanica ograničava na prsten u čijem se centru nalazi bazna stanica.

Standardizovane metode pozicioniranja Modifikacije Cell-ID u GSM –

Cell-ID+TA


Cell-ID+TA

Organizacija GSM radio interfejsa

Hijerarhijska struktura GSM frejmova

tbit

=4.615ms/8/156.25~3.7μs


Cell-ID+TA

Timing advance –

adaptivna sinhronizacija frejmova

234μs

tslot

~577μs

40%


Cell-ID+TA

•

U GSM standardu

ТА

parametar se definiše

као

celobrojni umnožak vremenskog trajanja jednog bita (~3.7μs), što omogućava rezoluciju određivanja rastojanja u kvantima od RQ

=553.46m.

RTT=2RQ

=3.7μs*3*108

m/s~1100m

•

U praksi se za kvant rastojanja TA parametra obično uzima vrednost od RQ

=RTT/2~550m.

•

Vrednost TA parametra meri servisna bazna stanica a zatim ga preko SACCH (Slow Associated Control Channel) kanala šalje mobilnoj stanici koja ga primenjuje na svojoj uplink

transmisiji.

•

Obzirom da je vrednost TA parametra proporcionalna rastojanju između mobilne i bazne stanice, TA parametar se u kombinaciji sa Cell-ID formira varijantu naprednije verzije Cell-ID metode pozicioniranja. Štaviše, Cell-ID metoda pozicioniranja nikada i nije standardizovana u GSM, dok je njena

naprednija verzija, Cell-ID+TA

ušla u GSM LCS standard

od Release

98.

•

Poboljšanje Cell-ID+TA u odnosu na Cell-ID metodu pozicioniranja, ogleda se u povećanju tačnosti određivanja lokacije mobilne stanice.

•

Primena TA parametra značajno smanjuje oblast u kojoj se nalazi mobilna stanica, obzirom da je sužava na kružni prsten (u slučaju omnidirekcionih antena) širine 550m, odnosno na isečak kružnog prstena (u slučaju sektorskih antena) širine 550m.


Cell-ID+TA

( ) QiQi RTArRTA 1+≤≤

RQ

=550m

TAi

=0, 1, 2, ...,63

→ rmax

= 64*550m ≈

35km

•

Dostupnost

i vreme potrebno da se dobije podatak o procenjenoj lokaciji mobilne stanice (kašnjenje) isti su kao i za osnovnu Cell-ID metodu.

•

Ipak, ograničenja Cell-ID+TA su uglavnom nasleđena, pa čak i proširena iz osnovne Cell-ID metode pozicioniranja.

•

Naime, TA parametar je dostupan samo kada se mobilna stanica nalazi u dedicated modu rada.

•

Ukoliko se mobilna stanica nalazi u idle

modu, TA parametar nije poznat pa se najpre od strane mreže (BSC) inicira paging request, kako bi se odazivanje ciljane mobilne stanice na ovaj zahtev iskoristilo za određivanje TA parametra.


Cell-ID+TA

•

Najozbiljniji problem Cell-ID+TA metode pozicioniranja ipak predstavlja višestruka propagacija signala, tačnije NLOS uslovi prostiranja između bazne i mobilne stanice, kada izmerena vrednost TA parametra može biti veća od one koja zaista odgovara stvarnoj udaljenosti između bazne i mobilne stanice.

•

Ovaj problem može uzrokovati velike greške pozicioniranja, ili metodu svesti na običnu Cell-ID.


Cell-ID+TA


Cell-ID+TA

-

scenario pozicioniranja, MS u dedicated modu-

1.

U dedicated modu, veza je u toku i terminalu (MS) je dodeljen određen time slot

u okviru TDMA frejma.

2.

Kada

se javi zahtev

za pozicioniranjem, SMLC šalje

tzv.

TA request ka BSC koji

trenutno opslužuje

terminal.

3.

Kao rezultat, BSC vraća

TA response u okviru kojeg je parametar CI (Cell Identity)

servisne

bazne

stanice

kao

i trenutna

vrednost

parametra timing advance

(TA). TA response može

sadržati

poslednja

radio merenja

servisne

kao

i svih

susednih

baznih

stanica

koja

MS periodično

šalje

ka

BSC u slučaju

potrebe

za

handover-om. Ova merenja

obezbeđuju

podatke

o snazi

signala

i kvalitetu

signala

servisne

i susednih

stanica

(Measurement report) koji

se mogu

koristiti

za

povećanje tačnosti pozicioniranja.

Potrebno

je napomenuti

da

je u GSM mreži

terminal u jednom trenutku povezan

samo

sa

jednom

baznom

stanicom

tako

da

TA vrednosti

za

susedne

bazne

stanice

nisu

poznate.


Cell-ID+TA

-

scenario pozicioniranja, MS u idle modu-1.

U idle modu, ne postoji

veza kao

ni data

transfer između terminala

i mreže, pa je TA parametar potpuno nepoznat. Kao i u prethodnom slučaju, pozicioniranje inicira SMLC slanjem TA request ka BSC.

2.

Nakon prijema ove poruke, BSC inicira navodni dolazeći poziv za ciljani terminal (lažna veza), tako što šalje paging request na sve bazne stanice u okviru registrovane location area u okviru koje je terminal.

4.

Proces uspostavljanja lažne veze se blagovremeno prekida, tako da korisnik i ne primeti paging request. Najzad se ovako određena vrednost TA parametra prosleđuje ka SMLC

u okviru poruke TA response.

3.

Terminal, koji uvek osluškuje paging poruke sa bazne stanice sa najboljim kvalitetom signala, odgovara na paging request slanjem odgovarajuće poruke (data burst) u predefinisanom vremenskom slotu signalizacionog kanala. Merenjem vremena prispeća ovog burst-a do bazne stanice dobija se vrednost TA parametra.

•

Naprednijoj verziji Cell-ID metode pozicioniranja u GSM, koja se dobija primenom TA parametra, Cell-ID+TA, može se nadalje povećati tačnost ukoliko se primeni i tehnika forsiranog handover-a (FHO).

•

Ova tehnika obezbeđuje podatke o TA parametrima za nekoliko BS, što u kombinaciji sa poznatim parametrom Cell-ID tih baznih stanica omogućava tačnije lociranje mobilne stanice.

•

Lokacija mobilne stanice se u ovom slučaju može dobiti:–

deterministički: postupkom cirkularne lateracije, odnosno u preseku prstenova čiji su poluprečnici određeni vrednostima TA parametara dobijenih postupkom forsiranog handover-a, a centri su određeni koordinatama odgovarajućih baznih stanica,

–

probabilistički: metodom kvadrata, prstenova, ili krugova (u okruženjima gde se očekuju česti NLOS uslovi).


Cell-ID+TA+FHO


Cell-ID+TA+FHO

-

deterministički -

r1

r2

r3

(xBS1, yBS1)

(xBS2, yBS2)

(xBS3, yBS3)

(xBS1, yBS1)

(xBS2, yBS2)

(xBS3, yBS3)

r2

r1

r3

(xMS, yMS)


Cell-ID+TA+FHO

-

probabilistički -

•

Nedostatak Cell-ID+TA+FHO metode pozicioniranja je da postupak forsiranog handover-a na baznu stanicu koja nije optimalna degradira kvalitet signala i smanjuje kapacitet sistema. Ovo rešenje ima za posledicu i povećano signalizaciono opterećenje

i eventualno veće računarsko

opterećenje

(probabilistički pristup).

•

Nedostatak je i manja dostupnost

u odnosu na Cell-ID metodu jer se zahteva da mobilna stanica “vidi”

više baznih stanica a ne samo jednu kao

kod Cell-ID.

•

Dostupnost ove metode može biti dodatno smanjena kod determinističkog pristupa i delom kod probabilističkog (metoda prstenova) u urbanim zonama gde se očekuju česti NLOS uslovi prostiranja. Oni mogu rezultirati pogrešnom procenom rastojanja između mobilne stanice čija se lokacija određuje i bazne stanice koja šalje podatak o TA parametru i onemogućiti određivanje lokacije mobilne stanice (dovoljan broj baznih stanica ali nemogućnost lociranja MS).


Cell-ID+TA+FHO

•

Problem Cell-ID+TA+FHO metode može biti i veće kašnjenje, obzirom da se moraju prikupiti podaci o TA parametrima za više baznih stanica.

•

Metoda se može realizovati i kao network-based

i kao mobile-based

stim što u slučaju mobile-based

rešenja može doći do smanjenja energetske

efikasnosti

mobilne stanice (zbog kontrole snage i handover-a na neoptimalne bazne stanice, mobilna stanica ima veću predajnu snagu a time i veću potrošnju baterije).

•

Ova metoda ima bolju tačnost

u odnosu na Cell-ID kao i u odnosu na Cell- ID+TA.

•

Mali troškovi implementacije

zadržani su kao i kod Cell-ID i Cell- ID+TA.


Cell-ID+TA+FHO

Cell-ID u UMTS

Standardizovane metode pozicioniranja Cell-ID u UMTS

•

Cell-ID metoda pozicioniranja se može primeniti u svim mobilnim mrežama (GSM, UMTS, ...).

•

Ipak, Cell-ID metoda u UMTS (gde je i standardizovana) je nešto komplikovanija u odnosu na GSM.

(XMS,YMS)(XBS1,YBS1)

(XBS2,YBS2)

(XBS3,YBS3)

•

Razlog je to što mobilna stanica, odnosno UE (User

Equipment) u UMTS, može istovremeno biti povezana sa više ćelija ili baznih stanica, što je direktna posledica činjenice da se sve bazne stanice rade na istoj učestanosti (5MHz nosilac!).

•

Ovo u značajnoj meri doprinosi kvalitetu veze, kao i boljem (sigurnijem) handover-u.

•

Podsetimo se da ovo ne postoji u GSM jer je tu MS uvek u vezi samo sa jednom BS! (različiti nosioci, FDMA).


•

Broj baznih stanica/ćelija sa kojima je MS u UMTS istovremeno u vezi čine tzv. aktivni set, AS.

•

Bazna stanica/ćelija se prima u AS kada pilot signal sa te BS na mestu MS bude (dovoljno dugo vremena, time-to-trigger) iznad određenog praga (add threshold), a biva izbačena iz aktivnog seta kada njen pilot signal na mestu MS padne (dovoljno dugo) ispod drugog praga (drop threshold).

•

Ove vrednosti praga postavljaju se u odnosu na onu BS čiji je pilot signal najjači na mestu MS. Podsetimo se da se ta bazna stanica zove best server.


•

SHO (Soft handover): MS u istovremenoj vezi za više BS.•

SfHO (Softer handover): MS u istovremenoj vezi za više ćelija iste BS.•

Broj

baznih

stanica/ćelija u AS kreće se najčešće od 1 do 3, a maksimum ih je 6. •

Problem za pozicioniranjem primenom Cell-ID u ovom slučaju:

(XMS,YMS)(XBS1,YBS1)

(XBS2,YBS2)

(XBS3,YBS3)

(XMS,YMS)=(XBS1,YBS1), (XBS2,YBS2), ili (XBS3,YBS3)?

koju BS iz aktivnog seta uzeti za Cell-ID

metodu????

?

•

U tom slučaju, od svih BS/ćelija iz aktivnog seta potrebno je izabrati jednu koja najbolje odgovara trenutnoj lokaciji mobilne stanice.

•

Izbor referentne bazne stanice može biti: –

na osnovu parametara kvaliteta signala na ulazu u prijemnik bazne stanice (nivo signala -

Rxlev, verovatnoća greške –

Rxqual, ...),–

poslednja servisna bazna stanica, –

bazna stanica koja je najčešće bila u aktivnom setu, –

bazna stanica koja je poslednja primljena u aktivni set,–

bazna stanica koja je najbliža mobilnoj stanici od svih ostalih iz aktivnog seta (najmanja vrednost RTT parametra) ili

–

bazna stanica koja je servisna (mobilna stanica je u aktivnoj vezi sa tom baznom stanicom) u trenutku kada se javi zahtev za pozicioniranjem.

•

Tačan kriterijum na osnovu kojeg će se izabrati referentna bazna stanica u Cell-

ID metodi pozicioniranja u UMTS nije predmet 3GPP specifikacija,

pa je to ostavljeno pojedinačnim operatorima da odluče.


1.

Zahtev za pozicioniranjem (Location request) stiže do SRNC-a.

2.

a) Ukoliko

se MS (UE)

nalazi

u idle modu

rada, odnosno

ukoliko

ne postoji

veza

između

MS

i mreže, mreža

zna

samo

okvirno

područje

gde

se MS

nalazi

RA (routing area). Stoga, mreža

inicira

SRNC da

pronađe

najbližu

baznu

stanicu, tj NB (paging request na nivou RA).

U slučaju

kada

se MS nalazi

u aktivnom

modu

rada

razlikuju

se cell_connected i ura_connected stanje:

b) U slučaju

cell_connected stanja

postoji

neprekidna

razmena

podataka

(komutacija

kola ili

paketa), tako

da

se parametar cell identity

(CI) može

jednostavno

dobiti

od

servisne

bazne

stanice. U tom slučaju

nije

potrebno

slati

paging request.

c) U ura_connected stanju

mreža

zna

lokaciju

MS, ali

na

nivou

URA (UTRAN Registration Area), stoga

je neophodno

odrediti

najbližu

baznu

stanicu

(paging request na nivou URA).

Standardizovane metode pozicioniranja, Cell-ID u UMTS -

scenario poziciranja -

3.

Nakon

što

se nekom

od

ovih

metoda

odredi

CI

parametar, paging response poruka

se vraća do

SRNC-a.

4.

Opciono, SRNC može

pored CI

parametra

da

traži

od

bazne

stanice

informacije

i o dodatnim parametrima za povećanje tačnosti pozicioniranja (RTT, AoA, ...).

5.

5), 6) i 7) Nakon

što

se sve

informacije

dostave

SRNC-u, proračunava

se pozicija

MS

i odgovor

se prosleđuje

mreži

(Location response).

Standardizovane metode pozicioniranja, Cell-ID u UMTS -

scenario poziciranja -

•

Slično kao i kod GSM, jedan od najčešće korišćenih parametara u slučaju Cell-ID metode pozicioniranja u UMTS je parametar koji se odnosi na povratno vreme propagacije signala emitovanog od bazne stanice ka mobilnoj stanici.

•

Kao i u slučaju GSM, ovo vreme je proporcionalno rastojanju između bazne i mobilne stanice, pa se na taj način zona u kojoj se nalazi mobilna stanica ograničava na prsten u čijem se centru nalazi bazna stanica.

•

Odgovarajući parametar u slučaju UMTS zove se round trip time

(RTT).

•

Širina prstena od parametra RTT u UMTS iznosi oko 39m, što je značajno povećanje tačnosti u odnosu na parametar TA u GSM (550m).

Standardizovane metode pozicioniranja, Modifikacije Cell-ID u UMTS

•

RTT parametar se u slučaju FDD moda definiše kao:

Standardizovane metode pozicioniranja, Modifikacije Cell-ID u UMTS, Cell-ID+RTT

TxRx ttRTT −=

gde tRx

predstavlja vremenski trenutak početka transmisije downlink

DPCH (Dedicated Physical Channel) frejma ka mobilnoj stanici, dok tTx

predstavlja vremenski trenutak početka prijema uplink

DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) frejma od mobilne stanice (prva detektovana putanja u vremenu).

•

RTT meri bazna stanica, tačnije, Node B.

•

U TDD modu se umesto RTT parametra za potrebe pozicioniranja u kombinaciji sa Cell-

ID može koristiti tzv. Rx timing deviation

parametar. Rx timing deviation

parametar se definiše kao

RXpathTSRXdev ttT −=

gde tRXpath

predstavlja vremenski trenutak prijema prve detektovane uplink

komponente signala u baznoj stanici , dok tTS

predstavlja početak odgovarajućeg slota u odnosu na interno vreme bazne stanice.

•

Očigledno, i ovaj parametar meri bazna stanica, odnosno, Node B.

Standardizovane metode pozicioniranja, Modifikacije Cell-ID u UMTS

•

Tačnost Cell-ID+RTT metode pozicioniranja zavisi od topologije mreže kao i greške merenja vremena.

•

Grešku merenja vremena uzrokuje višestruka propagacija i NLOS uslovi prostiranja, kao i tip Rake

prijemnika koji je implementiran na strani baznih stanica.

•

Tačnost RTT merenja iznosi 1

čip, što iznosi oko 78m. Tačnost se može povećati korišćenjem dodatnog parametra, UE Rx-Tx time difference

parametar. Ovaj parametar meri mobilna stanica definiše se kao vremenska razlika između početka transmisije uplink

DPCCH frejma i prve detektovane komponente downlink

DPCH frejma sa merenog radio linka (obrnuto od RTT).

•

Upotrebom ovog parametra rezolucija merenja vremena može se popraviti na 1/16 trajanja čipa, odnosno, 5m.

Standardizovane metode pozicioniranja, Modifikacije Cell-ID u UMTS, Cell-ID+RTT

•

Ipak, Cell-ID+RTT metoda pozicioniranja ne može se u potpunosti analizirati na način kao što je to bilo sa Cell-ID+TA u slučaju pozicioniranja u GSM.

•

Pažnja u slučaju Cell-ID+RTT mora biti dodatno usmerena na činjenicu da se mobilna stanica u UMTS može nalaziti u SHO (Soft Handover –

MS u istovremenoj vezi sa više BS, više Cell-ID, više RTT)/SfHO (Softer Handover –

MS u istovremenoj vezi sa sektorima iste BS, više Cell-ID, jedan RTT) modu rada, što ima direktne posledice na tačnost pozicioniranja.

•

Naime, oblast u kojoj se procenjuje lokacija mobilne stanice koja se nalazi u SHO je dodatno smanjena obzirom da svaka bazna stanica u aktivnom setu meri RTT parametar, i tako doprinosi većoj tačnosti pozicioniranja.

•

Preciznije rečeno, lokacija mobilne stanice u ovom slučaju određuje se primenom cirkularne lateracije (ili nekom od probabilističkih metoda), odnosno, u preseku RTT prstenova koji potiču od baznih stanica u aktivnom setu.

Standardizovane metode pozicioniranja, Modifikacije Cell-ID u UMTS, Cell-ID+RTT+SHO/SfHO

•

Teorijska analiza Cell-ID+RTT metode pozicioniranja koja obuhvata i SHO/SfHO slučajeve, pokazuje da njena tačnost strogo zavisi od: –

topologije mreže, tačnije, od rastojanja između ćelija (gušće ćelije –

veća tačnost), kao i od

–

konfiguracije antenskih sistema (sektorizacije i širine snopa zračenja) –

veći broj užih sektora –

veća tačnost.

•

Ista analiza pokazuje da se oblast u kojoj se koristi Cell-ID+RTT metoda pozicioniranja može podeliti na tri zone različite tačnosti:1.

najveću tačnost pokazuje zona u kojoj je mobilna stanica u SHO (najbolji slučaj geometrije –

dobar condition number !); 2.

nešto manja tačnost je u zoni gde je mobilna stanica u SfHO 3.

a najmanju u zoni gde nema SHO/SfHO, odnosno, gde aktivni set čini samo jedna bazna stanica.



3-sektor/65°, cell razmak=1km 6-sektor/33°, cell razmak=1km 6-sektor/33°, cell razmak=2km

6-sektor/45°, cell razmak=1km 6-sektor/45°, cell razmak=2km 6-sektor/65°, cell razmak=1km

oblast jednog sektora SHO oblast SfHO oblast SHO i SfHO oblast

1 2 3

4 5 6

2 najveća tačnost 6 najveća dostupnost (35% SHO, 40% SfHO)

•

U skladu sa prethodnim razmatranjem, može se zaključiti da se tačnost pozicioniranja standardne Cell-ID+RTT metode povećava

kada je mobilna stanica u SHO/SfHO zoni, a naročito SHO zoni (slučaj 2 sa prethodnog slajda).

•

Zbog toga se nameće ideja da bi bilo vrlo pogodno da, kad god se javi zahtev za pozicioniranjem, mobilna stanica bude u SHO zoni (što u praksi naravno nije uvek slučaj, ali bi nama za potrebe veće tačnosti pozicioniranja odgovaralo da jeste), odnosno, da SHO zone na neki način budu proširene (što više plavih oblasti na slikama sa prethodnog slajda).

•

Tako se javila naprednija verzija Cell-ID+RTT metode pozicioniranja, koja primenjuje tehniku tzv. forsiranog SHO, FSHO (Forced Soft Handover) u cilju proširivanja SHO zona.

Standardizovane metode pozicioniranja, Modifikacije Cell-ID u UMTS, Cell-ID+RTT+FSHO

•

Ovom tehnikom proširuje se aktivni set sve dok se u njemu ne nađe dovoljan broj baznih stanica koje bi omogućile cirkularnu lateraciju i što tačnije pozicioniranje.

•

Kao što smo rekli, ćelija (ili bazna stanica) se dodaje u aktivni set kada pilot signal te ćelije na mestu mobilne stanice bude dovoljno dugo (time-to-

trigger, ΔT) jači od pilot signala najboljeg servera (ćelije, odnosno, bazne stanice) umanjenog za vrednost parametra tzv. adding range (Window_add).


•

Dakle, ako bi se ovaj parametar (adding range) povećavao, veći broj pilot signala sa okolnih baznih stanica bi ispunjavao prethodni kriterijum i ulazio u aktivni set, odnosno, SHO sa mobilnom stanicom. To bi povećalo tačnost pozicioniranja, jer

se tako povećavaju i SHO zone.



•

Ipak, forsirani SHO (FSHO) bi sa druge strane negativno uticao na downlink

kapacitet.

•

Stoga, forsirani SHO ne bi trebalo primenjivati u slučaju kada je mobilna stanica blizu servisne bazne stanice jer bi postojala velika dominacija pilot signala sa servisne bazne stanice i veliki zahtevi po pitanju izmene parametra adding range.

•

U ostalim slučajevima, FSHO bi se primenjivao, ali samo kada se javi zahtev za

pozicioniranjem i trajao bi samo toliko koliko da se obave RTT merenja, kako bi uticaj na kapacitet bio što manji.

•

Procena

kašnjenja

koje bi ovakav algoritam uneo u proces pozicioniranja ne bi prešao 2s. Procena se odnosi na merenja tri RTT parametra, a eventualno povećanje broja merenih RTT parametara sa drugih baznih stanica ne bi

znatno produžilo algoritam obzirom da trajanje RTT merenja ne prelazi 100ms.

•

Predloženi algoritam pokazuje dobre karakteristike i po pitanju dodatne

interferencije i signalizacionog opterećenja.

•

Naime, obzirom na kratko trajanje samog algoritma, dodatna interferencija uzrokovana primenom FSHO ne bi imala veliki uticaj na kapacitet sistema.

•

Maksimum interferencije očekivao bi se u slučaju kada je signal sa najboljeg servera na mestu mobilne stanice jasno dominantan, što je obično slučaj kada je mobilna stanica blizu bazne stanice koja je najbolji server.

•

Ipak, i ovaj problem je na neki način izbegnut, jer, kao što je rečeno, preporuka je da se FSHO tehnika se ne primenjuje kada je mobilna stanica blizu servisne bazne stanice (tačnije, kada su rastojanja između mobilne i servisne bazne stanice manja od 150m).


•

Najzad, sama FSHO procedura koristi već

standardizovane signalizacione poruke i procedure, i zahteva samo manje softverske izmene na strani mobilne stanice.

•

To znači da se signalizaciono opterećenje FSHO tehnike na radio interfejsu ne razlikuje mnogo od postojećeg signalizacionog opterećenja koje potiče od tradicionalne SHO tehnike.

•

Procena je da bi tehnika FSHO znatno povećala tačnost pozicioniranja, pa bi skoro svi korisnici u mreži imali na raspolaganju LBS servis

tačnosti

veće od 40m!


Hvala na pažnji!

Documents

Principi pozicioniranja u radio sistemimatelekomunikacije.etf.rs/predmeti/ot4ppr/LCS standardizacija 1.pdf · Ćelijsko pozicioniranje • Ć elijsko pozicioniranje odnosi se na uvođenje