Методы определения местоположения

Вычисление координат абонента с помощью E-OTD (Circular E-OTD)

В системе работают: мобильная станция, три базовые и станция измерения. Координаты станции измерения и БС известны. Часы мобильной станции и станции измерения не синхронизированы - на каждых свое время. Первая БС посылает импульс на мобильную станцию и на станцию измерения. На телефоне абонента и на станции измерения отмечается время прибытия сигнала; значение времени, отмеченное на телефоне, отправляется на станцию измерения (возможен вариант, когда расчеты ведутся на самом мобильном терминале). Эта операция совершается минимум три раза c участием разных БС. Конечно, все нужно проделывать быстро, чтобы абонент не успел переместиться на значительное расстояние. После того, как данные о времени поступления сигналов собраны, можно начинать расчеты. Для вычисления координат абонента необходимо решить простую систему уравнений:

R₁-r₁=v(T₁-t₁+dt)

R₂-r₂=v(T₂-t₂+dt)

R₃-r₃=v(T₃-t₃+dt),

где R_x - расстояние от БС до мобильной станции, r_x - расстояние от БС до станции измерения, T_x - время поступления сигнала на МС, t_x - время поступления сигнала на станцию измерения, v - скорость распространения радиоволн, dt - смещение во времени между МС и станцией измерения. Как мы видим, в системе три неизвестные величины (R_x можно выразить через x, y) - координаты МС (х, y) и dt, так что вычисление координат становится тривиальной задачей.

Метод на основе определения разности времен (Observed Time Difference, OTD). Этот метод близок к разностно-дальномерному. Суть его заключается в том, что МТ измеряет время прохождения сигнала до него от базовой станции (рис. 1). Первое измерение МТ выполняет для сигнала, посланного к БС, обслуживающей радиосоту, в которой находится данный телефон. Затем аналогичные измерения выполняются для сигналов двух соседних БС. Поскольку расстояния между базовыми станциями известны, то с помощью классической триангуляции сравнением трех измеренных временных интервалов можно определить местоположение мобильного терминала.

Есть два варианта этого метода. В первом все вычисления выполняются непосредственно в МТ. Тогда ему необходимо "сообщить" дополнительную информацию: расстояния между базовыми станциями, параметры синхронизации и т. п. Во втором варианте МТ только измеряет параметры и передает их в вычислительный блок, входящий в состав сетевой инфраструктуры. Результат обработки пересылается в МТ. Очевидно, метод эффективен в том случае, когда МТ находится вблизи не менее трех базовых станций.

Особенность метода OTD в том, что на каждой четвертой БС необходимо установить блок определения местоположения (Location Measurement Unit, LMU), который выполняет основные вычисления. Метод OTD также требует доработки программного обеспечения всех базовых станций и мобильных терминалов (см. таблицу).

Модификация этого метода - (E-OTD) использует дополнительное измерение относительной разности времен (Relative Time Difference, RTD), что увеличивает точность.

Вычисление координат абонента с помощью UL-TOA

UL-TOA - метод, основанный на измерении времени прибытия сигнала от мобильной станции до нескольких базовых. Измеряя разницу во времени поступления сигнала на каждую из БС, можно определить координаты мобильного терминала (см. врезку). Для работы системы необходимо синхронизировать время всех БС с помощью атомных часов или GPS (замечу, что в сетях CDMA синхронизация заложена изначально). Внедрение UL-TOA требует значительных доработок оборудования сети, и стоимость внедрения оценивается как очень высокая. К тому же мало кому понравится, что за ним следят - контролировать работу системы с мобильного аппарата невозможно.

В системе работают мобильная и три базовые станции. Координаты БС известны. На каждой БС стоит специальное оборудование, измеряющее время получения сигнала от мобильной станции, часы на всех БС синхронизированы. Как только все три БС получают сигнал от мобильной станции (это может быть любое «телодвижение» МС - попытка позвонить или запрос на доступ к БС), данные о времени получения сигнала всеми БС поступают в центр измерений, где и рассчитываются координаты абонента. Для их вычисления необходимо решить систему:

R₁=v*t

R₂=v(t+t₁)

R₃=v(t+t₂),

где R_x - расстояние от БС до мобильной станции; t - время прохождения сигнала до «первой» БС; t₁ и t₂ - разница во времени поступления сигнала на первую БС и на остальные БС; v - скорость распространения радиоволн. Снова три неизвестные величины (R_x выражается через x, y): t, x, y. Иногда для повышения точности задействуют четыре БС, а не три.

Метод на основе определения времени прибытия (приема) сигнала от МТ к БС (Time of Arrival, TOA). При использовании этого метода каждая базовая станция должна быть оснащена измерительным блоком, аналогичным вышеупомянутому LMU. При этом МТ вместе с запросом определения местоположения посылает тестовый сигнал, который принимается несколькими базовыми станциями (оптимально четырьмя и более, минимум - тремя) и передается в LMU. Сравнение времени задержки прихода сигнала позволяет определить местоположение (рис. 2). В этом варианте также применен разностно-дальномерный принцип, алгоритм триангуляции аналогичен алгоритму, используемому в методе OTD.

Метод TOA и его модификация UL-TOA (Uplink Time of Arrival) обеспечивают высокую точность, которая зависит от числа базовых станций, участвующих в измерении. Отметим, что метод ТОА не требует модернизации МТ. Однако этот метод значительно сложнее в реализации. Во-первых, необходимо постоянно синхронизировать внутренние часы каждой БС с помощью внешних высокоточных сигналов, например системы GPS. Во-вторых, кроме наличия блока LMU на каждой БС необходимо иметь программу, которая будет вызывать дополнительные базовые станции и принудительно выводить их на связь с МТ.

Однозоновый метод (Cell Geographic Identification, CGI).

Этот метод является наиболее простым. В нем используются уникальный идентификатор соты - Cell ID и географические координаты ее центра (базовой станции), которые точно известны. Известен также и радиус соты. В этом методе местоположение мобильного терминала определяется с точностью до зоны обслуживания той базовой станции, в которой этот терминал зарегистрирован. При использовании секторных антенн местоположение МТ может быть определено с точностью до сектора (рис. 3).

Значение Cell ID постоянно находится в памяти МТ. При переходе из соты в соту это значение обновляется. Если абонент запрашивает услугу на базе определения местоположения, соответствующая программа пересылает значение Cell ID вместе с запросом на сервер, обслуживающий данное приложение.

В крупных городах размер соты минимальный, и точность метода может быть порядка 150 м. В пригородных и сельских районах плотность установки базовых станций ниже, поэтому и точность метода значительно меньше (до 35 км). Достоинства метода - возможность использования стандартного оборудования - и базовых станций, и мобильных терминалов.

Варианты работы технологии CGI-TA

Одиночная сота, радиус от 150 метров (пикосота) до 35 километров. Сота-сектор, сота в сочетании с Timing Advance, сота-сектор в сочетании с Timing Advance.

Однозоновый метод с временной коррекцией (Cell Geographic Identification-Time Advance, CGI-TA). Этот вариант предыдущего метода дает более точные результаты. В нем измеряется задержка между поступлением начала тайм-слота и сигналом от МТ. В результате в круге (секторе) выделяется дуга шириной около 550 м, соответствующая параметрам временных интервалов радиоинтерфейса сети GSM (рис. 4). Метод требует доработки ПО базовых станций, но чрезвычайно эффективен при невысокой плотности расположения базовых станций.

Метод сопоставления образов местоположения (Location Pattern Matching, LPM).

Этот метод разработан в компании U.S. Wireless. Он основан на том, что в процессе работы передатчика МТ на базовую станцию поступает несколько сигналов, как "прямых", так и отраженных - от зданий, возвышенностей либо других препятствий. Совокупность параметров этих сигналов (амплитуда, задержка, фаза) представляет некий "образ", который характерен для определенного местоположения МТ в пространстве (рис. 5). Для каждой базовой станции предварительно создается библиотека "образов". При определении местоположения принятый "образ" сравнивается с хранимыми и, определив образ, наиболее близкий к принятому, получают текущие координаты МТ.

Для реализации метода LPM разработана система RadioCamera. Она устанавливается на каждой базовой станции и позволяет определять местоположение с хорошей точностью. Так, при тестировании в Сиэтле (США) в 67% случаев точность составила 61 м. Недостатком метода является необходимость установки дополнительного блока на каждой базовой станции, а также необходимость предварительного создания библиотеки "образов" для всей сети. Однако при использовании метода LPM нет необходимости вносить изменения в уже установленную аппаратуру и ПО базовой станции и сетевой инфраструктуры. С системой RadioCamera взаимодействуют стандартные МТ.

Параметры и особенности рассмотренных методов приведены в таблице. Как можно видеть, каждый метод - это баланс между точностью измерения местоположения и затратами на ее достижение.

Дата добавления: 2015-05-09