ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Ассоциация промышленности связи (TIA) приняла стандарт IS-801 на определение местоположения аппарата беспроводной связи (т. е., на позиционирование).

Стандарт IS-801 позволяет использовать GPS-систему для определения местонахождения мобильного телефона. Это значительно упростило жизнь производителей, которые начали в массовом порядке выпускать позиционирующие устройства по технологии Wireless Assisted GPS.

Новый этап развития систем позиционирования

Особое внимание вопросу позиционирования мобильных телефонов было уделено и FCC (Федеральной комиссией по электросвязи США). В июне 1996 г. FCC утвердила специальный набор требований (документ 94-102). Данный документ предусматривает, что не позднее 1 октября 2001 г. местонахождение любого мобильного абонента, позвонившего по телефону службы спасения 911, должно быть не менее чем в 67% случаев определено с погрешностью не более 410 футов (около 125 м).

Это вызвано тем, что в настоящее время звонки с мобильных телефонов в США составляют около 25% от всех обращений в службу 911, а общее число аварийных вызовов с мобильных телефонов доходит до 100.000 звонков в сутки. При этом, мало кто из мобильных абонентов знает свое точное местонахождение, и их поиск может занять немало времени.

Принятый FCC план создания систем автоматического определения местоположения людей, позвонивших в службу 911, распространяется на операторов почти всех классов систем связи (мобильных телефонов любых сотовых сетей, специализированных систем подвижной радиосвязи и др.). В сентябре 1999 г. FCC также утвердила пересмотренные правила обеспечения потребителям расширенных услуг 911, использующих мобильные телефоны. Теперь специализированные мобильные телефоны (с функцией позиционирования) должны обеспечивать более высокую точность, чем обычные телефоны: среднюю квадратическую погрешность (СКП) 50 м (для 67% вызовов) и максимальную не более 150 м (для 95% вызовов). Эти требования должны быть выполнены радиооператорами не позднее 31 декабря 2004 г.

Необходимость единых стандартов

Анализ требований FCC и всех существующих технологий позиционирования, проведенный ведущими телекоммуникационными компаниями, показал, что необходимая точность позиционирования может быть достигнута посредством сравнительно небольших модификаций существующих сетей сотовой связи (и даже без модификации пользовательских терминалов).

В настоящее время десятки компаний занимаются разработкой различных вариантов систем позиционирования мобильных терминалов. Уже создано несколько десятков вариантов таких систем, в основе которых лежит использование: угла прихода сигналов; разности времени их прихода; силы сигналов; интеллектуальных антенн; GPS-системы, а также комбинации этих методов. Достигаемые точности определения координат мобильного телефона находятся в диапазоне от единиц до сотен метров. Следует подчеркнуть, что большинство разрабатываемых технологий не требует замены пользовательских телефонов.

В мире ведутся, действительно, масштабные разработки систем позиционирования мобильных телефонов. Однако существующие в настоящее время системы позиционирования недостаточно совместимы друг с другом (как оборудование, так и приложения), и большой головной болью для разработчиков систем мобильной связи является отсутствие стандартов на такие услуги в сетях разных компаний. Эти вопросы особенно остро стоят перед международными операторами, работающими с множеством сетей с различными стандартами (например, GSM&IS-136 и GSM&IS-95), или перед любым оператором, собирающимся развертывать 3G сети.

Для стандартизации систем позиционирования в сентябре этого года компании Ericsson, Motorola и Nokia объявили о создании Форума стандартизации систем определения местонахождения абонентов мобильных устройств Location Interoperability Forum (LIF, www.locationforum.org). В LIF предполагается широкое участие сетевых операторов, производителей оборудования и сервис-провайдеров. Компании, участвующие в Форуме, займутся совместной разработкой, стандартизацией, документированием и продвижением систем позиционирования мобильных устройств на рынок. LIF будет продвигать семейство стандартизированных методов позиционирования и поддерживающих их архитектур, базирующихся на Cell-ID и Timing Advance, E-OTD (GSM), AFLT (IS-95) и MS Based Assisted GPS. Первые системы под кураторством LIF будут выпущены в 2001 г. С их помощью будет определяться местонахождение абонентов мобильных устройств. Кроме того, абоненты смогут получить подробную информацию о регионе, в котором они находятся. По заявлениям участников LIF, созданные ими системы позиционирования будут использоваться в сетях как 2G, так и 3G.

Методы позиционирования мобильных средств связи

Попытки решения задачи позиционирования мобильных устройств уже предпринимались ранее. В частности, для мобильных телефонов такое решение основано на определении того, в какой соте находится владелец мобильного телефона. Именно этот принцип лежит в основе метода Cell ID. Так как зоны приема базовых станций сети на местности имеют вид кругов, то сначала определяется, какие из них могут принять (а при использовании секторных антенн и приближенно запеленговать) сигналы телефона. На основе полученных данных определяется территория, в пределах которой находится пользователь мобильного телефона (с погрешностью до 30 км).

Для решения задачи позиционирования в ряде режимов (дальномерном, разностно-дальномерном и суммарно-дальномерном) может быть использована задержка сигналов при распространении. При этом, если точно известно время начала передачи радиосигналов, то на основе значения времени их прихода (Time of Arrival TOA) в приемник можно вычислить расстояние от мобильного телефона до антенны базовой станции. Данный метод предъявляет очень жесткие требования к временной синхронизации всех элементов системы позиционирования (до долей микросекунды). Он реализован в GPS-системе (см. КИ 22/2000, стр. 6), однако его практически нереально использовать для позиционирования мобильных телефонов.

Существует также метод позиционирования по разности моментов времени прихода сигналов (Time Difference of Arrival TDOA), основанный на точном определении времени приема сигналов сотового телефона в 3 (или более) базовых станциях сети. На основе вычисления разницы значений времен поступления сигналов в парах мест вычисляются гиперболические линии положения передатчика. Источник сигнала будет находиться в точке пересечения двух гипербол. Точность, достигаемая при использовании данной технологии, зависит от: ограничений ширины полосы частот сигнала; точности синхронизации элементов системы и среды распространения сигнала (флуктуаций скорости распространения радиоволн в атмосфере в зависимости от изменений температуры, влажности, давления и др.).

Следует отметить, что точность позиционирования зависит от очень многих факторов. Например, для городских условий характерен многолучевой прием сигналов, при котором как на мобильный телефон, так и на базовую станцию приходят как прямые, так и отраженные от различных объектов радиосигналы. При этом параметры сигналов (их амплитуда в месте приема (Signal Strength), угол прихода (Angle of Arrival AOA) и значение расстояния базовая станция мобильный телефон) непрерывно изменяются в широком диапазоне, что значительно затрудняет определение фактических координат. Сложность решения проблемы точности позиционирования в системах мобильной связи и определяет достаточно большое число видов систем мобильного позиционирования.

Угломерные системы

Системы такого типа разрабатывает, например, компания KSI (система TeleSentinel). Для определения направления прихода сигналов с мобильных телефонов или радиостанций используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых станциях сети и подключаемые к оборудованию системы связи. При этом, пеленг снимается как с сигналов канала управления, так и с речевых сигналов (без внесения модификаций в мобильное оборудование). Система TeleSentinel работает с любыми форматами радиосигнала. При ее использовании мобильные телефоны позиционируются в случае приема сигналов всего двумя приемниками. Если сигнал получен только одним приемником, то для позиционирования может использоваться дополнительная информация на основе оценки амплитуды сигнала. Так как канал управления мобильного телефона всегда активен (даже в режиме ожидания), то телефон позиционируется независимо от наличия вызовов.

Разностно-дальномерные системы

Таких систем сейчас большинство. Одна из них Cellocate System, разработанная компанией Cell-Loc. В ходе испытаний Cellocate System была достигнута точность позиционирования (СКП) в 90 м. В настоящее время решается задача достижения точности позиционирования с СКП, равной 15 м. Cellocate System может стать эффективным решением проблемы позиционирования, так как не требует доработки мобильных телефонов или оборудования сотовой связи. Еще важнее то, что при ее использовании не нужно вносить изменения в сам промышленный стандарт CDMA. Кроме того, данную систему можно использовать не только для CDMA, но и для аналоговых систем сотовой связи.

Для работы системы позиционирования Cursor английской компании Cambridge Positioning Systems (CPS) также практически не требуется установки у оператора дополнительного оборудования, однако необходимо обновление ПО мобильных терминалов (в них встраивается дополнительный чип). Точность позиционирования системы Cursor составляет около 75 м, однако CPS планирует улучшить ее до 50 м. Cursor работает и с терминалами, не оснащенными соответствующим ПО, но в этом случае СКП достигает 1 км.

Для позиционирования владелец мобильного телефона делает обычный звонок. При этом, его телефон до установки речевого соединения посылает специальное короткое сообщение (SMS, но возможно и просто изменение формата передачи сообщений). SMS-сообщение содержит информацию о сигналах, непрерывно транслируемых базовыми станциями при нормальной работе сети, и уже полученных телефоном в режиме ожидания в предшествующий период. Получив SMS-сообщение от телефона, центр расчетов положения (Mobile Location Centre MLC) запрашивает аналогичную информацию из ближайших к телефону измерительных модулей системы (Location Measurement Units LMU) и, сравнивая значения относительных времен приема сигналов в известных фиксированных пунктах, вычисляет положение телефона. Весь процесс позиционирования длится несколько секунд. Модули LMU размещаются в пределах сети мобильной связи в таких известных фиксированных пунктах, где они могут контролировать соседние базовые станции. Один LMU-модуль необходим, примерно, на каждые 4 станции сети. Модули могут размещаться автономно или на базовых станциях.

Кроме выполнения обязательной функции обеспечения позиционирования Cursor предназначена также для оказания различных услуг, основанных на знании местонахождения мобильного абонента (например, Где я?, Где ближайший ресторан?) и для использования в корпоративных приложениях (управлении инженерами, коммивояжерами, трафиком транспорта и др.). Ранее подобные приложения приходилось реализовывать на основе достаточно дорогой GPS-технологии или малоточной технологии cell-ID.

В настоящее время компания CPS развертывает систему Cursor в Великобритании, Европе и Северной Америке, а также разрабатывает решения для стандартов GSM-900, 1800 и 1900. Кроме того, CPS интегрирует свое ПО в сотовые телефоны Philips, Siemens, Ericsson, Nokia и Motorola. В частности, компания Ericsson собирается включить в свои GSM-сети систему Cursor. Испытания системы начнутся в 2001 г., а на рынке она должна появиться в 2002 г. Эта система будет использоваться на стандартных мобильных телефонах Ericsson, как необязательная опция. Ericsson намерена также вместе с CPS вести работы по реализации этой технологии в инфраструктуре других стандартов, например, CDMAOne, распространенного в США, а также UMTS. Ранее Ericsson рассматривала для аналогичных целей возможности GPS-системы, однако, решила, что технология CPS, основанная на триангуляционном методе определения координат по сигналам от нескольких базовых станций, более приемлема для ее сетей.

Вслед за Ericsson и компания Nortel Networks подписала соглашение с CPS по совместной разработке технологии позиционирования мобильного абонента с использованием сетей сотовой связи 3G стандарта UMTS. Компания CPS будет разрабатывать эту технологию на основе стандарта OTDOA (Observed Time Difference of Arrival), являющегося развитием аналогичного стандарта для мобильных сетей связи второго поколения E-OTD (Enhanced Observed Time Difference). Nortel Networks интегрирует продукты CPS в свое решение e-mobility Location Center, что позволит мобильным абонентам получать информацию об услугах, предлагаемых ближайшими к нему компаниями и организациями, на любой тип мобильного устройства.

В свою очередь, система позиционирования, разработанная компанией CELLTRAX, ориентирована на применение в системах AMPS, TDMA (IS-136) и других. Позиционирование осуществляется на основе измерения сигналов канала управления (возможно и по речевым сигналам). Приемники CELLTRAX также могут размещаться автономно или на базовых станциях. Система способна передавать данные на центральный вычислитель по целому ряду стандартных линий связи. Это позволяет одной независимой системе CELLTRAX контролировать сразу нескольких операторов. Вычисления трехмерных гиперболических поверхностей положения выполняются центральным блоком системы. Для снижения влияния факторов, снижающих точность позиционирования (например, многолучевости), в CELLTRAX используются передача дополнительных тестовых импульсов, а также специальные алгоритмы обработки сигналов.

Угломерно-разностно-дальномерные системы

Компания SigmaOne Communications считает, что для выполнения требований FCC необходима комбинация технологий. Поэтому SigmaOne Communications разработала угломерно-разностно-дальномерную систему позиционирования Sigma-5000, использующую сразу 2 метода измерений: технологию определения положения PowerBoost и специализированные алгоритмы учета многолучевости. В результате объединения технологий позиционирования значительно уменьшаются погрешности каждой из них, взятых по отдельности. В результате, Sigma-5000 уверенно позиционирует объект, даже если только 2 базовые станции приняли вызов. Sigma-5000 реализуется, как автономное дополнение к инфраструктуре сети мобильной связи. Она не требует модификаций радиоинтерфейса, мобильных телефонов или оборудования сотовой сети. Для реализации угломерной технологии используются специально разработанные антенные фазированные решетки, устанавливаемые на базовых станциях.

Sigma-5000 обеспечивает позиционирование в сетях сотовой связи стандартов AMPS/TDMA (IS-136). Пропускная способность системы до 500 определений в секунду. Время получения первого отсчета в пределах 1 секунды после прихода вызова. Расчетная погрешность определения положения: СКО (в 67% случаев) менее 90 м, максимальная (в 95% случаев) 125 м. Испытания Sigma-5000 в реальных условиях показали во всей рабочей зоне результирующую погрешность не хуже 105 м для 67% случаев и точность лучше 150 м для 95% случаев.

Подобная комбинация технологий реализована и в системе Geometrix, разработанной отделением Grayson Wireless компании Allen Telecom. Geometrix может работать с аналоговыми и цифровыми системами связи стандартов AMPS, TDMA (IS-136), CDMA (IS-95), TDMA/AMPS, CDMA/AMPS и системой iDEN производства компании Motorola. В большинстве случаев Geometrix удовлетворяет требованиям FCC по точности, используя только разностно-дальномерные отсчеты (в определенных случаях, угломерные отсчеты позволяют также улучшить покрытие и точность). Во всех режимах Geometrix использует алгоритмы пространственной селекции сигналов для снижения ошибок, вызванных многолучевостью. В условиях очень большой многолучевости Geometrix может переходить в режим проведения измерений с 4 станций. Система может совместно использоваться сразу несколькими операторами услуг мобильной связи, т. к. даже в базовой конфигурации Geometrix способна обеспечить выполнение сотен позиционирований в секунду.

Позиционирование по радиоотпечаткам

Своеобразную систему позиционирования RadioCamera (см. также КИ 22/2000, стр. 11) (которая может быть отнесена к классу корреляционно-экстремальных) предлагает компания US Wireless. В отличие от прочих технологий позиционирования, в RadioCamera не требуются измерения из нескольких фиксированных пунктов (вполне достаточно обработки сигнала вызова только одной базовой станцией). RadioCamera обеспечивает определение как начального положения, так и перемещений мобильного телефона. Она работает как в городе, так и в сельской местности.

Работа RadioCamera по позиционированию мобильных телефонов основана на использовании технологии анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения. Измеряя фазовые, временные и амплитудные параметры фрагментов радиосигнала телефона, принятого базовой станцией, система оценивает структуру подобного радиоотпечатка сигнала и вычисляет его сигнатуру. Полученная информация сравнивается системой со своей БД образцов таких сигнатур, соответствующих разным вариантам расположения телефонов на местности.

Процесс позиционирования включает следующие основные этапы:

1. Телефон излучает радиосигналы.

2. Сигналы, отражаясь от строений и других препятствий, искажаются и достигают базовой станции различными путями.

3. В базовой станции RadioCamera анализирует уникальные характеристики сигнала, включая следы его многомаршрутного распространения, и компилирует его сигнатуру.

4. Полученная сигнатура сравнивается с БД предварительно идентифицированных мест расположения мобильных телефонов и соответствующих им образцов сигнатур.

5. Определяется соответствие.

Система RadioCamera не требует прямой видимости многочисленных базовых станций, что делает ее работу особенно эффективной в городских условиях. Она также совместима с существующей сетевой инфраструктурой, легко интегрируется и не требует модификаций базовых станций или мобильных телефонов. БД системы начинает формироваться сразу же после начала ее развертывания и становится работоспособной уже через несколько дней. Еще в апреле 1999 г. RadioCamera успешно прошла испытания по позиционированию абонентов с мобильными телефонами AMPS в реальных условиях и превысила требования FCC по точности.

Интегрированные системы

В настоящее время разрабатываются и интегрированные системы позиционирования. Примером такой системы является Personal Location System SnapTrack, созданная компанией с одноименным названием (недавно она приобретена корпорацией Qualcomm). В SnapTrack интегрированы возможности GPS в телефоне и сети сотовой связи, что обеспечивает точность позиционирования 5 м 75 м (тестирование проводилось на базе CDMA-системы). SnapTrack опирается на возможности GPS, но с их существенным расширением (за счет распределения задачи обработки цифровых данных между программными алгоритмами, выполняемыми процессором мобильного телефона, и специализированным ПО, установленным на сервере системы). Вследствие этого, если традиционные GPS-приемники постоянно обрабатывают данные, то в SnapTrack приемник работает только непосредственно при позиционировании. Система SnapTrack не требует установки дополнительных сайтов или модификации существующего оборудования. Она разработана так, чтобы минимально влиять на стоимость и дизайн сотовых трубок. Основную роль играет специализированное ПО для мобильного телефона и сервера сети, а также данные GPS.

Когда абонент запрашивает услугу позиционирования, его терминал, оборудованный системой SnapTrack, принимает пакет данных GPS, обрабатывает его и передает полученную информацию на сервер системы. Сервер вычисляет долготу и широту, и выполняет ряд процедур коррекции погрешностей позиционирования (за счет использования дифференциального режима работы и учета большого числа поправок, снижающих влияние многолучевости и других искажений сигналов). В то время, как обычному GPS-приемнику требуется до нескольких минут, чтобы зафиксировать местоположение абонента, система SnapTrack, как правило, справляется с этой задачей за 2-3 секунды. У SnapTrack есть также ряд достоинств:

Высокая надежность. За счет использования метода получения высокой чувствительности GPS-приемника, SnapTrack может эксплуатироваться везде, где используются мобильные телефоны (в том числе, и в условиях, где спутниковые сигналы заметно ослабляются).

Небольшое время позиционирования мобильного абонента и получения первого отсчета (не более нескольких секунд).

Значительное снижение потребляемой мощности за счет того, что технология SnapTrack не требует непрерывного отслеживания приемником сигналов спутников (кадр GPS-информации берется без предварительной подготовки и непосредственно только при определении положения, в остальное время GPS-приемник не используется).

Меньшая стоимость мобильного оборудования. Совместное использование схемотехнических и программных решений, реализованных на телефонном DSP-процессоре, предъявляет меньшие требования к аппаратным средствам, чем стандартная GPS-технология.

Не требуется установки новых базовых станций в сети сотовой связи (или модернизации ее оборудования).

За счет разделения функций, реализующих позиционирование, между мобильными телефонами и сетью сотовой связи, вычислительная мощность и производительность системы автоматически увеличивается по мере подключения к ней новых специализированных телефонов (в прочих случаях оператору связи сразу же приходится тратить ощутимые суммы на развертывание полномасштабной системы позиционирования).

В экспериментах, проведенных в Европе, США и Японии, система Personal Location System SnapTrack точно позиционировала абонента в небоскребах деловой части города, местности, покрытой лесом, каньонах современного жилого массива и движущихся автомобилях. Компания NTT DoCoMo (крупный японский оператор мобильной связи) выбрала систему SnapTrack в качестве основы для построения навигационной системы для своих абонентов.

Примеры других систем и служб мобильного позиционирования

Компании Qualcomm и Lucent Technologies совместно разработали интегрированную технологию позиционирования, соответствующую требованиям FCC. В ней используются специализированные интегральные микросхемы (ASIC) производства Qualcomm и информация от GPS-системы (вместе с информацией, поступающей от базовых станций CDMA/PCS). Технология обеспечивает точность позиционирования до 4.5 м вне помещения и до 30 м в помещениях. Qualcomm уже выпустила систему мобильных коммуникаций OmniExpress и подписала первые контракты на ее поставку компаниям Averitt Express и Hub Group. OmniExpress позволяет управлять парком автопоездов, осуществляя двустороннюю радиосвязь в реальном времени и отслеживая перемещение транспортных средств с использованием GPS-системы. OmniExpress создана на основе достаточно распространенной системы OmniTRACS. Для передачи данных используется сеть мобильной связи компании Sprint PCS.

Компании Lucent (подразделение Lucent Public Safety Systems) и Xmark создали систему позиционирования мобильных абонентов для службы 911. Для решения задачи Lucent PSS использует платформу Xmark WIISE (Wireless & Internet Infrastructure Software Environment), ESM (Enterprise Spatial Manager) и карты с возможностями позиционирования.

Компании IDO и Cellular Group предлагают услуги позиционирования с использованием мобильных телефонов стандарта cdmaOne. Клиенты смогут получать на мобильные телефоны карты местности, где они в данный момент находятся, с указанием расположения ближайших магазинов. Точность определения зависит от количества базовых станций сотовой связи поблизости, а также от расстояния до них.

Английская компания сотовой связи BT Cellnet предлагает своим клиентам сервис FINDme. Теперь клиенты компании могут определить свое местонахождение с точностью до 100 м в городах и до 15 км в сельской местности. Кроме того, набрав номер 1500, клиент может связаться с автоматизированной голосовой БД, где он получит информацию о расположении ближайших к нему 130000 объектов (банков, ресторанов, увеселительных заведений).

В Стокгольме работает служба, позволяющая знакомиться при помощи сотового телефона, причем, именно в том районе, где находится мобильный абонент. В ноябре этого года компания mobilePosition, разработавшая данную службу, представила операторам сотовой связи новые сервисы houseFinder и brandFinder. Первая служба поможет желающим приобрести недвижимость, последовательно обходя все продающиеся в округе дома. А служба brandFinder поможет найти магазин, где мобильный абонент сможет купить необходимый ему товар. Кроме того, mobilePosition предлагает службы bikePosition (позволяющую мотоциклистам найти ближайшую заправку) и yachtPosition (сообщает яхтсменам с мобильными телефонами информацию о ближайших портах, заправочных станциях и о погодных условиях в районе, в соответствии с местом, откуда был сделан звонок). Сервис YachtPosition пока действует только в Швеции и Флориде.

Заключение

Количество разрабатываемых систем позиционирования мобильных абонентов постоянно растет. Все ведущие телекоммуникационные компании тратят огромные средства на реализацию проектов создания таких систем. В то же время, не следует забывать, что у технологий позиционирования двойное назначение. С их помощью можно проследить местонахождение любого владельца мобильного устройства вне зависимости от его желания. Характерный пример этому турецкий мятежник Оджалан был запеленгован и пойман, когда разговаривал по мобильному телефону стандарта GSM. Вспомним и до конца еще невыясненную историю с гибелью Джохара Дудаева, когда, якобы, ракета, уничтожившая его, наводилась по сигналу с его мобильного телефона. Вследствие озабоченности пользователей по поводу возможного отслеживания их перемещений некоторые компании уже ввели в предлагаемые ими решения опцию отключения системы по желанию клиента (CPS, Cellpoint Systems и др.). И все же, несмотря на все эти вполне обоснованные опасения пользователей, системы позиционирования, безусловно, нужны, и их ждет большое будущее.

Источник: Специальная техника - https://elibrary.ru/contents.asp?titleid=9851&