ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ
СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВВ СЕТЯХ СОТОВОЙ СВЯЗИ

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1.

3ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОТОВЫХ СИСТЕММ О Б И Л Ь Н О Й СВЯЗИ

42.

СТАНДАРТ G S M Н А Ч А С Т О Т Н О - В Р Е М Е Н Н О Й П Л О С К О С Т И

73.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ СОТОВЫХ
СЕТЕЙ СВЯЗИ

4.

ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫС О Т О В О Й СВЯЗИ

5.

8

13

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВ

14

5.1.

М Е Т О Д C E L L OF O R I G I N

15

5.2.

МЕТОД НАПРАВЛЕНИЯ ПРИХОДА СИГНАЛОВ

15

5.3.

ДАЛЬНОМЕРНЫЙ МЕТОД

16

5.4.

РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНЫЙ МЕТОД

17

5.5.

МЕТОД ФИКСАЦИИ ВРЕМЕНИ ПРИБЫТИЯ СИГНАЛОВ

18

5.6.

МЕТОД ФИКСАЦИИ ПО РАЗНОСТИ МОМЕНТОВ ВРЕМЕНИ
ПРИХОДА СИГНАЛОВ

5.7.

19

Л О К А Л И З А Ц И Я С П О М О Щ Ь Ю Д О П О Л Н Е Н Н О Й С И С Т Е М Ы АGPS

19

5.8.

М Е Т О Д П О З И Ц И О Н И Р О В А Н И Я П О " Р А Д И О О Т П Е Ч А Т К А М " .... 21

5.9.

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

6.

Т Е Х Н О Л О Г И Я L B S ДЛЯ П О З И Ц И О Н И Р О В А Н И Я М О Б И Л Ь Н Ы Х22Т Е Л Е Ф О Н О В В С О Т О В Ы Х СЕТЯХ

22

6.1.

ПАРАМЕТРЫ ТОЧНОСТИ СИСТЕМЫ L B S

23

7.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВ

8.

26ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯМ Е С Т О П О Л О Ж Е Н И Я М О Б И Л Ь Н О Г О Т Е Л Е Ф О Н А Н А БАЗЕРАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНОГО МЕТОДА

26ЗАКЛЮЧЕНИЕ

33ЛИТЕРАТУРА

34

2

ВВЕДЕНИЕ
Задача
позиционирования
мобильных
телефонов
нацелена
наосуществление автоматического определения их местоположения в зонеобслуживания сотовых сетей. При этом под термином «определение места
положения» следует понимать не только нахождение географических координат широты и долготы, но и обеспечение возможности однозначной идентификации
положения телефона на местности.
Одной из задач позиционирования является обеспечение отслеживания
местоположения мобильных устройств в случае экстренных ситуаций, например
нахождение места абонента, позвонившего в одну из служб экстренной помощи ссотового телефона. Это, естественно, должно способствовать упрощению иускорению прибытия спасательных служб. А абоненты, благодаря внедрению
этой технологии, получат возможность, обращаясь за помощью в аварийных
ситуациях, быть уверенными, что помощь придет.
На принципиально новом уровне вопрос позиционирования мобильных
телефонов был поставлен Федеральной комиссией по электросвязи С Ш А (FCC).
Разработанный ею набор требований, известный как документ 94-102, принятый
12 июня 1996года, предусматривающий определение местоположения любого
беспроводного абонента, позвонившего по телефону службы спасения "911",могло быть выполнено с точностью не менее чем в 67% случаев определено спогрешностью не более 410 футов (около 125м). Столь жесткие требования
обусловлены тем, что в настоящее время звонки с сотовых телефонов в С Ш Асоставляют уже приблизительно 25% от всех обращений в службу "911", а общее
число аварийных вызовов с мобильных телефонов доходит до 100 тысяч звонковв сутки. При этом многие из звонящих не знают своего точного места и ихотыскание занимает большое количество времени, доходящее до часов. А внекоторых случаях точное знание местонахождения звонящих является буквально
вопросом жизни и смерти. Принятый план создания систем автоматического
определения
местоположения
людей,
позвонивших
вслужбу
"911",
распространяется на операторов почти всех классов систем, из которых может
поступить такой звонок - с мобильных телефонов любых сотовых сетей, изспециализированных систем подвижной радиосвязи и т.п. Тремя годами позже 15 сентября 1999 года - F C C утвердила пересмотренные правила обеспечения
потребителям
"расширенных" услуг "911", использующих
беспроводные
телефоны. Теперь специализированные мобильные телефоны, имеющие функцию
определения положения, должны обеспечивать более высокую точность, чемобычные: среднюю квадратическую погрешность (СКП) 50 метров (для 67%вызовов) и максимальную - не более 150 метров (для 95% вызовов).

3

1. Ф И З И Ч Е С К И Е П Р И Н Ц И П Ы П О С Т Р О Е Н И Я С О Т О В Ы Х С И С Т Е ММОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
Изначально для связи с подвижными объектами (абонентами) создавались
отдельные
ведомственные
радиотелефонные
станции(РТС),
например
железнодорожные, речные, авиационные. Увеличение числа абонентов, аследовательно и радиостанций (РС), отсутствие координационных принципов приразработке и их эксплуатации привели к неэффективному
использованию
радиочастотного спектра, к их плохой электромагнитной совместимости, кневозможности дальнейшего увеличения числа абонентов. Устранение недостатков
ведомственных РТС было достигнуто за счет развития радиотелефонных сетей
общего пользования (РТСОП). РТСОП — это радиоавтоматическая телефонная
станция, которая обеспечивает связью абонентов между собой, а также с абонентами
телефонной сети общего пользования. Соединение между абонентами выполняется вдуплексном (двустороннем) режиме с автоматическим поиском канала связи [1-3,4].
Зоновая сеть радиосвязи — это радиотелефонная сеть общего пользования сбольшой зоной обслуживания (действия). Под зоной обслуживания будем понимать
часть поверхности Земли, на которой обеспечивается радиосвязь с заданным
качеством. Большая зона обслуживания — это зона обслуживания, в которой
дальность радиосвязи Ь ограничивается прямой видимостью между антеннами
(Х=40-60км). Отметим, что на практике зона обслуживания может уменьшаться засчет снижения мощности передатчика, применения направленных антенн,«затенения» препятствий и т.д.
Принцип построения зоновой сети радиосвязи с абонентами основан наиспользовании центральной радиостанции (ЦРС), антенна которой располагается внаиболее высокой точке зоны обслуживания в центре большого количества абонентов
(рис.1). Топографическая структура этой сети является радиальной. Радиостанция
предназначена для работы во время движения или во время остановок внеопределенных пунктах зоны обслуживания 7?<50 километров. Организация
взаимодействия с другими телефонными сетями осуществляется через ЦРС, которая
связана кабелем Е1 с АТС [5].

ЦРСРис. 1. Зоновая сеть подвижной

АТСрадиосвязи

Недостатки зоновой радиосвязи: большая мощность передатчиков, ЦРС до 60
Вт, РС до 15 Вт; «затенение» РС препятствиями; неэффективное использование
частотного диапазона, потому что рабочая частота занимается одной РС во всейзоне обслуживания [6].
4Повысить эффективность использования выделенного для подвижной
радиосвязи спектра частот возможно путем разбивки зоны обслуживания нанебольшие участки — соты, с целью реализовать принцип повторного
использования радиочастот, как это показано на рис.2. [7]К - радиус сотыО - защитный интервал

<Рис. 2. Принцип повторного

использования

ичастот для семи сотГеометрически оптимальное разделение всей зоны обслуживания (безперекрытий и пропусков) может быть выполнено тремя геометрическими фигурами:равносторонний треугольник, квадрат, правильный шестиугольник, — соты. Отсюдаи название — сотовая связь.
Различают макросоты (R=1,5-35км), микросоты (2?=100-600м) и т к о с т ш ь н и к и(2?=10-60м). Каждая сота обслуживается отдельной многоканальной базовой
радиостанцией (БРС) небольшой мощности, которая находится в центре сота. Б Р Сустанавливает радиосвязь с Р Т С абонента, который находится в ее зоне [8].
При перемещении Р Т С в другую соту автоматически обеспечивается
переключение Р Т С на частоту Б Р С новой соты. Этот принцип обслуживания
абонентов получил название процедуры эстафетной передачи (handover). Б Р Ссоединяется с центром коммутации подвижной связи Ц К П С , где в памяти
центрального компьютера сохраняются как статические, так и динамические,данные о подвижных объектах — Р Т С абонентов всей сети (рис.3).

Рис.3. Сотовая сеть подвижной

радиосвязи
5Мощность передатчика БРС — незначительная в сравнении с мощностью
передатчика ЦРС (рис.1), потому влияние его сигнала на другие P C , которые
находятся на удалении защитного интервала D (рис.2), несущественно. Более того, вданное время разрабатываются новые, более эффективные, модели повторного
использования частот [9].
Модель с круговой диаграммой направленности антенн допускает передачу
сигнала одинаковой мощности во всех направлениях, что для РТС эквивалентно
приему помех из всех направлений. Использование секторных направленных антенн
позволяет снизить уровень помех. Ясно, что в самом простом случае для того, чтобы
обеспечить связью неограниченную плоскую территорию, в сотовой связи
достаточно, например, семь рабочих частот Fl, F2, F3, F4, F5, F6, F7 (рис.2). Врезультате этого многоразово используется частотный ресурс и многоразово
увеличивается
количество
абонентов
сети.
Наивысшую
эффективность
использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети ввыделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США)модель повторного использования частот (рис.4). Из анализа этой модели видно, чтокаждая частота, в пределах модели, которая состоит из четырех БРС, используется
точно дважды. Благодаря этому каждая из четырех БРС в пределах действия шести
60-градусных антенн может работать на 12 группах частот.

Рис.4. Модель повторного

использования

частот в каждых двух соседних

сотахСледует отметить, что проблемы частотно территориального планирования иоптимального разделения каналов в системах подвижной связи являются достаточно
сложными, однако решаемыми.

6

2. С Т А Н Д А Р Т G S M Н А Ч А С Т О Т Н О - В Р Е М Е Н Н О Й П Л О С К О С Т ИСтандарт G S M на цифровую общеевропейскую сотовую систему наземной
подвижной связи (рис.5) предусматривает работу передатчиков P C и Б С в двухдиапазонах частот, соответственно 890-915 М г ц и 935-960 М г ц [10].

F, М Г ц >
960

935

915-,

890-'

••••••••••••••••••••••••П Е Р Е Д А Ч А Б С : 124 ч а с т о т н и х к а н а л а(слотів)несучих. К о ж н а Б С м а є 16-20£ к а н а л і в з 124 м о ж л и в и х . Н а одній
несучій організується о д н о ч а с н о 8 мов­них каналів. Загальне число каналів
8 х 124 = 992••••••••••••••••••••••••П Е Р Е Д А Ч А Р С : 124 ч а с т о т н і х к а н а л а( с л о т а ) , несучих. К о ж н а Р С м о ж еп е р е д а в а т и н а 124 ч а с т о т а х .
Д/слота = 200 к Г ц , Долота ~576,9 м к с .

^8 ч а с о в и х слотів
Г = 4,615 мск^tРис.5. Принцип

организации

связи стандарту
плоскости.

GSMnaчастотно-временной

Дуплексный разнос частот приема и передачи (для организации дуплексного
канала) составляет 45 Мгц. Ширина полосы одного канала составляет 200 кГц,потому максимальное число каналов связи 25000/200 — 1 = 124. Максимальное
количество каналов, которые организуются в Б Р С — 16-20. В и д модуляции —0,ЗСМ8К — гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом, индекс
манипуляции равняется 0,3 [11].
В стандарте G S M достигается высокая степень безопасности передачи
сообщений; осуществляется шифровка сообщений алгоритмом RSA-шифрования соткрытым ключом.
Обработка языка осуществляется в рамках принятой системы прерывистой
передачи языка DTX-Discontinuous Transmission (рис.6), который обеспечивает
включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор иотключает его в паузах и в конце разговора. Система D T X управляет детектором
активности речи ДАР ( V A D - Voice Activity Detector), что обеспечивает выявление ивыделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда
уровень шума равен уровню речи [12,13]. В качестве речепреобразующего
устройства избранный языковой кодер (вокодер) с регулярным импульсным
сдвигом, долгосрочным предсказанием и линейной кодировкой, с предсказанием —RPE/LTP-LPC-кодек. Общая скорость превращения языкового сигнала — 13 кбит/с.
7

:Рис.6. Структурная схема обработки языка в стандарте GSM: ДАР — детектор
активности речи; ИС — источник сообщений; РК—речевой
кодер; СППР —система прерывистой передачи речи; ЕРК— екстраполятор речевого кадра; РД—речевой декодер; ФКШ — формирователь комфортного шума; ПС — получатель
сообщений.
3. С Т Р У К Т У Р Н А Я С Х Е М А И С О С Т А В О Б О Р У Д О В А Н И Я С О Т О В Ы ХСЕТЕЙ СВЯЗИ
Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте G S M ,иллюстрируются
структурной
схемой
(рис.7),
гдеPC—подвижные
радиотелефонные станции; БС — базовые станции; К Б С — контролер базовых
станций; ТК — транскодер; ПБС — подсистема базовых станций; Ц У О — центр
управления и обслуживания; Ц К П С — центр коммутации подвижной связи; Р М Р —регистр места расположения; Р П М — регистр перемещения; Ц А — центр
аутентификации; Р И О — регистр идентификации оборудования; ПК — подсистема
коммутации; ТСОП — телефонные сети общего пользования; М П П — сетипакетной передачи данных; Ц М И О — цифровые сети интегрального обслуживания;А, В, С, D , Е, M , A-bis, U m — сетевые и радиоинтерфейсы.

8

Рис. 7. Структурная

схема сетей связи GSM

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом
интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте G S Mвзаимодействуют в соответствии с системой сигнализации М К К Т Т № 7.
Центр коммутации подвижной связи (ЦКПС) обслуживает группу сотов иобеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы
подвижная станция (PC). ЦКРЗ аналогичный I S D N коммутационной станции иявляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, P D N , I S D N и такдалее) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов ифункции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной I S D N
коммутационной
станции,наЦКРЗвозлагаются
функции
коммутации
радиоканалов. К ним относятся «эстафетная передача», в процессе которой
достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты всоту и переключение рабочих каналов в соте или с появлением помех инеисправностей.
Центр коммутации осуществляет постоянное наблюдение за подвижными
станциями, используя регистры места расположения (РМР) и перемещения (РПМ).
В Р М Р сохраняется та часть информации о месте расположения какой-либоподвижной станции, что позволяет при коммутации доставить вызов станции.
Регистр Р М Р содержит международный идентификационный номер подвижного
абонента (IMSI). Он используется для определения подвижной радиотелефонной
станции в центре аутентификации (ЦА) (рис.8 и 9).
Второе основное устройство, которое обеспечивает контроль за перемещением
подвижной станции из зоны в зону — регистр перемещения РПМ. С его помощью
достигается
функционирование
подвижной
станцииза пределами
зоны,контролируемой Р М Р . Когда в процессе перемещения подвижная станция переходитиз зоны действия одного контролера базовой станции (КБС), которая совмещает
группу базовых станций, в зону действия другого К Б С , она регистрируется новымК Б С и в Р П М заносится информация о номере области связи, которая обеспечит
9доставку вызовов подвижной станции. Для сохранения данных, которые находятся вР М Р и Р П М , в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этихрегистров.
Состав долгострочных данных, которые сохраняются вРМР и Р П М
РМР

РПМ

1 IMSI — международный идентификационный номер подвижного абонента
2 Номер подвижной станции в международной сети I S D N
3 Категория подвижной радиотелефонной станции
4 Ключ аутентификации
5 Виды обеспечения вспомогательными службами
6 Индекс закрытой группы пользователей
7 Код блокировки закрытой группы пользователей
8 Состав основных вызовов, которые могут быть переданы
9 Оповещение абонента, который вызывается
10 Идентификация номера абонента, который вызывается
11 График работы
12 Оповещение абонента, который вызывается
13 Контроль сигнализации при соединении абонентов
14 Свойства (средства) закрытой группы пользователей
15 Льготы закрытой группы пользователей
16 Запрещены исходные вызовы в закрытой группе пользователей
17 Максимальное количество абонентов
18 Используемые пароли
19 Класс приоритетного доступа

РМР

20 Запрещены входные вызовы в закрытой группе абонентов
Рис.8. Состав долгосрочных

данных, которые сохраняютсяв РМР и РПМ.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы
связивводятся
механизмы
аутентификации
—засвидетельствования
действительности абонента. Центр аутентификации (ЦА) состоит из нескольких
блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью
проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. Ц Апринимает решение о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи
10шифровки абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в РИУ, —регистре идентификации оборудования.
Состав долгострочных данных, которые сохраняются в РМР и
РПМ
РМР

1

2

РПМ

Параметры аутентификации
шифровки
Временный
номеркоторая
двигается,назначается Р П Ми1станции,который
2

3Адреса регистров перемещения

3

4

Зоны
перемещения
станции

подвижной

4

5

Номер
соты
передаче

эстафетной

6
7
8
9

при

5

ТМБ1
—
временный
международный
идентификационный
номерпользователя
Идентификаторы
зонырасположения
Указания
относительно
использования основных служб
Номер
соты
при
эстафетной
передаче
Параметры
аутентификации
ишифровки

Регистрационный статус
Таймер
отсутствия
ответа
(отключение соединения)Состав использованных в данный
момент паролей
Активность связи
Рис.9. Состав временных

данных, которые сохраняютсяв РМР и РПМКаждый подвижной абонент на время пользования системой связи получает
стандартный модуль действительности абонента (SIM), который содержит:международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключаутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).
С помощью заложенной в S I M информации, в результате взаимного обмена
данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный циклаутентификации и позволяется доступ абонента к сети.
Процедура проверки сетью действительности мобильного телефона абонента
реализуется таким способом. Сеть передает случайный номер ( R A N D ) наподвижную станцию. На ней за помощью K i и алгоритму аутентификации A 3
определяется значение отзыва (SRES), то есть SRES =Ki»[RAND].
Мобильный телефон посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая
сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Еслиоба значения совпадают, Мобильный телефон приступает к передаче сообщений. Впротивоположном случае связь перерывается, и терминал мобильного телефон
показывает, что его определение в сети не состоялось. Для обеспечения
11секретности, вычисления SRES происходят в SIM-карте. Несекретная информация
(например Ki) не поддается обработке в модуле S I M .
Оборудование базовой станции состоит из контролера базовой станции (КБС)и приемопередающих базовых станций (БС).
Контролер базовой станции может руководить несколькими приемнопередаточными блоками. ПБС руководит разделением радиоканалов, контролирует
соединение, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы со стрибковою
частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодировки и декодирования
сообщений, кодировки языка, адаптацию скорости передачи, для языка, данных ивызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.
П Б С вместе с Ц К П С , Р М Р , Р П М выполняет некоторые функции, например
освобождение канала, главным образом под контролем Ц К П С , но Ц К П С может
пригласить базовую станцию, обеспечить освобождение канала, если вызов непроходит через радиопомехи. ПБС и ЦКРЗ совместно осуществляют приоритетную
передачу информации для некоторых категорий подвижных станций. Центр
управления и обслуживания обеспечивает разделение функций и организацию
взаимодействия между П Б С и Ц К П С . Его функции совпадают с функциями Ц У О вобычных сетях связи. Отличие заключается в том, что в сетях стандарта G S M центрЦ У О обеспечивает управление работой радиоподсистемы.
Подвижная станция состоит из оборудования, которое служит дляорганизации доступа абонентов сетей G S M к существующим фиксированным сетям
электросвязи. В рамках стандарта G S M приняты пять классов подвижных станцийот модели 1-го класса с исходной мощностью 20 Вт, которая установлена натранспортном средстве, к портативной модели 5-го класса максимальной
мощностью 0,8 Вт (табл.1).
Таблица 1Пять классов подвижных станций
Класс мощности
1
2
3
4
5

Максимальный уровень мощности
передатчика
20 Вт
8 Вт
5Вт
2Вт
0,8 Вт

Допустимые
отклонения
1,5 Дб
1,5 Дб
1,5 Дб
1,5 Дб
1,5 ДбПри передаче сообщений предусматривается адаптивная регуляция мощности
передатчика, который обеспечивает необходимое качество связи.
Подвижной абонент и станция независимы одно от другого. Как ужеотмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный
номер (SIM), записанный на карточку. Такой подход позволяет устанавливать
радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, которые берутся на прокат.
Каждой подвижной станции также присваивается свой международный
идентификационный номер (ИМЕЙ). Этот номер используется для предотвращения
доступа к сетям G S M похищенной станции или станции без полномочий.
12

4. П Р И Н Ц И П Ы Ф У Н К Ц И О Н И Р О В А Н И Я Э Л Е М Е Н Т О В С И С Т Е М ЫСОТОВОЙ СВЯЗИ
Рассмотрим взаимодействие элементов системы сотовой связи мобильного
оператора. Она состоит из трех компонентов: радиопередатчиков (мобильных
телефонов), систем базовых станций и коммуникационного центра M T S O (Mobile
Telephone Switching Office), который управляет работой всей системы.
Мобильный телефон — это миниатюрная приемопередающая радиостанция.
Каждому мобильному телефону присваивается свой электронный серийный номер
(ESN), который кодируется в его микрочипе при его изготовлении и сообщается
изготовителями аппаратуры специалистам, осуществляющим его обслуживание.
Кроме того, некоторые изготовители указывают этот номер в руководстве дляпользователя. При подключении аппарата к сотовой системе связи в микрочип
телефона заносится мобильный идентификационный номер - M o b i l Identification
Number (MIN).
Вся территория, обслуживаемая оператором мобильной связи, разделена наотдельные прилегающие друг к другу зоны связи (соты).
Обмен информацией между мобильным телефоном и сетью оператора
мобильной связи в каждой такой зоне управляется базовой станцией, способной
принимать и передавать сигналы на большом количестве радиочастот. Кроме того,эта станция подключена к обычной проводной телефонной сети и оснащена
аппаратурой преобразования высокочастотного сигнала сотового телефона внизкочастотный сигнал проводного телефона и наоборот, чем обеспечивается
сопряжение обеих систем.
Периодически базовая станция излучает служебный сигнал. Приняв его,мобильный телефон автоматически добавляет к нему свои M I N и ESN-номера ипередает получившуюся кодовую комбинацию на базовую станцию. В результате
этого осуществляется идентификация конкретного сотового телефона, номера счетаего владельца и привязка аппарата к определенной зоне, в которой он находится вданный момент.
Когда абонент звонит по своему телефону, базовая станция выделяет ему однуиз свободных частот той зоны, в которой он находится, вносит соответствующие
изменения в его счет и передает его вызов по назначению.
Коммуникационный центр M T S O — это мозг сети. Его главный компьютер
управляет сотнями тысяч соединений в зоне, обслуживаемой данным центром.
Центр M T S O назначает частоты для радиосвязи базовым станциям и подвижным
радиотелефонам, а также распределяет вызовы в пределах своей зоны между
сотовой сетью и обычными телефонными станциями общего пользования. Базыданных сотовой сети содержат информацию так и об интерфейсах с другими такимиже сетями, что необходимо для идентификации абонентов и проверки их права надоступ в сеть, о местонахождении всех ее клиентов.
Текущее
положение
мобильного
телефона
выявляется
черезкоммуникационный центр M T S O мобильного оператора, который постоянно
регистрирует, где он находится в данный момент времени даже в том случае, когдаон не ведет никаких разговоров (по идентифицирующим служебным сигналам,автоматически передаваемым на базовую станцию).
13Точность определения места положения мобильного телефона в этом случае
зависит от целого ряда факторов: топографии местности, наличия помех ипереотражений его сигнала от зданий, положения базовых станций, количества
работающих в настоящий момент телефонов в данной «соте». Большое значение
имеет и размер «соты», в которой находится абонент, поэтому точность определенияего положения в городе гораздо выше, чем в сельской местности (размер «соты» вгороде составляет около 1 кв. км против 50-70 кв.км на открытой местности).
Анализ данных о сеансах связи абонента с различными базовыми станциями
(через какую и на какую базовую станцию передавался вызов, дата вызова и т.п.)позволяет восстановить все перемещения абонента в прошлом. Такие данные
автоматически регистрируются в центре M T S O , где могут храниться от 60 дней донескольких лет.
Таким образом, задача позиционирования мобильных телефонов предполагает
автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. Приэтом под термином "местоположение" следует понимать не нахождение
географических координат - широты и долготы (что в принципе также возможно), аоднозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона наместности (электронной карте мобильного оператора).
5. О С Н О В Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И П О С Т Р О Е Н И Я С И С Т Е МПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВ
Существуют несколько видов систем мобильного позиционирования (СМП).
Согласно принятой классификации, С М П делятся на два основных типа [14]:1. системы, для функционирования которых необходима доработка или замена
мобильных телефонов.
2. системы, работающие с мобильными телефонами (системы позиционирования
внутри сотовой сети).
В первом случае потребуется либо новая SIM-карта, либо новый аппарат (авозможно, и то и другое). В о втором случае никаких изменений аппаратной части
мобильного телефона не требуется, а необходимо только изменение егопрограммного обеспечения, таким образом, все затраты на развертывание системы
несет оператор сети.
В общем случае для определения положения
радиопередающего
устройства могут быть использованы три основных параметра радиосигналов:их амплитуда в месте приема, направление прихода и время задержки прираспространении.
Амплитуда принимаемых сигналов (Signal Strength) способна характеризовать
расстояние между передатчиком и приемником. Однако на практике уровень
сигналов мобильного телефона в месте приема зависит от столь большого числа
причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точность
определения места и используется в качестве вспомогательного параметра.
Направление прихода сигналов (Angle of Arrival - А О А) может автоматически
определяться, например, по различию фаз сигналов на элементах антенной решетки,установленной на базовой станции сотовой сети. Пересечение пеленгов из двух (илибольшего числа) мест обеспечивает однозначное определение
положения
14мобильного телефона. К числу достоинств данного метода относится независимость
работы станций, каждая из которых дает информацию об азимуте мобильного
телефона. При этом необходимые калибровки приемников для компенсации
разброса их параметров, влияния изменений температуры и т. п. локальны длякаждой станции и не налагают дополнительных требований на всю сеть. Однако длядостижения требуемой точности необходимо определение пеленгов с весьма малой
погрешностью. Так, например, точность определения углов в 1 градус выполняется
только для расстояний до 7 км.
Время задержки сигналов при распространении
(Time of Arrival - ТОА) может
быть также использована при решении задачи позиционирования. При точно
известном моменте времени передачи радиосигналов, измеряя время их прихода вприемник базовой станции, можно вычислить расстояние от мобильного телефона добазовой станции при условии жесткой временной синхронизации (желательно додолей микросекунды) всех элементов системы.
В настоящее время системы позиционирования мобильных телефонов
претерпевают значительные совершенствование и развитие. В связи с этим ихможно разделить на следующие типы [15]:5.1 Метод Cell of Origin.
5.2. Угломерный метод (метод направления прихода сигнала).
5.3. Дальномерный метод.
5.4. Разностно-дальномерный метод.
5.5. Метод фиксации времени прибытия сигналов.
5.6. Метод фиксации по разности моментов времени прихода сигналов.
5.7. Локализация с помощью дополненной системы A - G P S .
5.8. Метод позиционирования по "радиоотпечаткам".
5.9. Интегрированные системы.
5Л.

Метод Cell of OriginВ самом простом случае, решение задачи определения места положения
мобильного телефона с точностью до соты, может быть решено применением
метода Cell of Origin. Его точность позволяет всего лишь определить, к какой
базовой станции ближе всего находится мобильный телефон. То есть, в ответ назапрос мобильного оператора, будет установлен предполагаемый район нахождения
от 1, 2 или 3 базовых станций.
Так как зоны приема базовых станций сети на местности известны, тосуществует возможность определить, какие из них могут принять сигналы телефона.
На основе полученных данных определяется территория, в пределах которой
находится пользователь мобильного телефона: в лучшем случае до 150 метров
(пикосота), в худшем - до 30 километров.
5.2.

МЕТОД НАПРАВЛЕНИЯ ПРИХОДА СИГНАЛОВПри реализации угломерного метода (метод направления прихода сигналов Angle of Arrival - А О А ) измеряемыми параметрами являются углы направления
прихода излучения радиотелефона a i и осг (в °) относительно линии (базы),соединяющей две сотовые станции сети (рис.10).

15

Рис.10. Реализация

угломерного

методаДля определения направления прихода сигналов сотовых телефонов
используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых
станциях сети и подключаемые к существующему оборудованию системы связи
[16]. Нахождение местоположения абонента осуществляется при приеме сигналовего мобильного телефона хотя бы двумя приемниками. В случае если сигнал
получен только одним приемником, для определения местоположения может
использоваться дополнительная информация на основе оценки амплитуды сигнала.
К числу достоинств данного метода относится независимость работы станций,каждая из которых дает информацию об азимуте мобильного телефона. П р и этомвсе необходимые калибровки приемников для компенсации разброса их параметров,влияния изменений температуры и т.п. локальны для каждой станции и не налагают
дополнительных требований на всю сеть. Однако для достижения требуемой
точности необходимо определение пеленгов с весьма малой погрешностью.
Погрешность определения положения абонента относительно его истинного
местонахождения а (км) при известной величине расстояния D (км) между
соседними базовыми станциями, принявшими его сигнал, и измеренных углах oci и
0С2 с ошибкой а а (в °) составляет:
п

a

2

2

1,7 • 10 • с

2• D J s i n ос-, + s i n ос

2

°п=

•

2

/

\

/ 1 Л

(I)

Ч

sin \pc +а )l2Минимальная погрешность достигается при соотношении (ai+a2)=90° и может
быть рассчитана по формуле
2<7 =1,7.10- .<7 .Д.
я

5.3.

а

(2)

ДАЛЬНОМЕРНЫЙ МЕТОДПри реализации дальномерного метода (рис.11) измеряемыми параметрами
являются временные задержки D i и D 2 (с) распространения сигнала радиотелефона
абонента не менее чем до двух сотовых станций сети относительно их временных
шкал, которые должны быть синхронизированы между собой, а рассчитываемыми
параметрами - дальности от сотовых станций до места расположения абонента
Di=3«10 Aii (км) и D = 3 « 1 0 « A i (км).
t

5

t

5

2

2

16

Рис.11. Реализация

далъномерного

метода.

Для расстояния между базовыми станциями О , известной ошибке измерения
временных интервалов а (одинаковой для каждой базовой станции) и рассчитанных
дальностях Б ] ипогрешность положения абонента относительно его истинного
местонахождения а может быть рассчитана как
а

г

п

4,2«Ю

5

«ст,

( П2
аг сое
5.4.

(3)

2\
2 Д А

РАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНЫИ МЕТОДПри реализации разностно-дальномерного метода (рис.13) измеряемыми
параметрами являются временные задержки Ат1 (с), Дт(с) и Дт(с)распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до трех базовых
станций сети относительно их синхронизированных временных шкал, арассчитываемыми
параметрами
- дальности от сотовых станций до места
расположения абонента В1=3»10 Ах1 (км), и В = 3 » 1 0 » А 1 (км) и В = 3 » 1 0 » А 1 (км)и базовые углы Р1 и р .
2

5

3

5

2

5

2

3

2

2

Рис.13. Реализация

разностно-дальномерного

метода.

При расстояниях между базовыми станциями(км), О(км), известной
ошибке измерения временных интервалов а (с) (равной для каждой сотовой
а 2

т

17

станции), рассчитанных дальностях Т)\ и Т>2 базовые углы определяются поформулам
2

Га +A - ъ ЛА • or COS
2

2AA

V

2

(4)
J

2

Га +A - Dl А
2or COS
V

2AA

(5)

J

Погрешность положения мобильного телефона абонента относительно егоистинного местонахождения а (км) в данном методе меньше, чем в дальномерном,и определяется как
п

5

2

2

_ 1,5 • 10 а д/sin (0,5 Д ) + s i n (0,5 р )т

2

sin[0,5(^ + ß )] + sin ( 0 , 5 ^ ) ^ ( 0 , 5 ^ )

(6)

2

В
современных
системах
позиционирования
мобильных
телефонов
дальномерный и разностно-дальномерный методы определения представлены
следующими вариациями.
5.5.

МЕТОД ФИКСАЦИИ ВРЕМЕНИ ПРИБЫТИЯ СИГНАЛОВ

Данный метод основан на измерении интервалов времени, за которые сигнал
мобильного телефона доходит до нескольких базовых станций, оснащенных
блоками определения местоположения Location Measurement Units ( L M U ) . МодулиL M U размещаются в пределах сотовой сети в таких известных фиксированных
пунктах, где они могут контролировать соседние базовые станции. Ориентировочно
один L M U необходим на каждые четыре станции сети. Модули могут размещаться
обособленно или на базовых станциях.
Получив
сообщение
от
OPS. спич игтелефона,центррасчетов
положения
MobileMeasurement
Units
(MLC)
запрашивает
U L - T O Aинформациюиз ближайшихкИ н ф ф и э и р я D времени
телефону измерительных модулей
лрсуоудеиия сигналаL M U и, сравнивая относительные
перцдапя по сетивремена
приема
сигналов
визвестных фиксированных пунктах,вычисляет
положение
телефона.
Весь процесс занимает не более
нескольких секунд и зависит от
Рис.14. Метод Uplink ТО А.
времени ожидания пакета данных.
Для обеспечения требуемой точности возможна синхронизация внутренних
часов сети с помощью спутниковой системы G P S . Такой метод получил название
U L - T O A (Uplink Time of Arrival). Все данные через сеть оператора связи поступаютв вычислительный центр, где устанавливается местонахождение мобильного
телефона абонента. Наглядно метод U L - T O A представлен на рис.14.

18

5.6.

МЕТОД ФИКСАЦИИ ПО РАЗНОСТИ МОМЕНТОВ ВРЕМЕНИ
ПРИХОДА СИГНАЛОВ

Метод фиксации разности времен прихода сигналов ( O T D O A - Observed Time
Difference of Arrival) в значительной степени подобен методу ТОА. Метод основанна точном определении времени приема сигналов мобильного телефона в трех (илиболее) базовых станциях сети. Телефонный аппарат измеряет время прохождения
сигнала до него от ближайшей базовой станции, оснащенной блоком L M U , исравнивает его с соответствующими временами не менее чем еще для двух таких
станций.
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, достигаемаяпри использовании данной технологии, зависит от ограничений ширины полосы
частот
сигнала,точности
синхронизации
элементов
системы
исредыраспространения сигнала (флуктуаций скорости распространения радиоволн ватмосфере в зависимости от изменений температуры, влажности, давления и др.).
Расстояния между базовыми станциями известны, что позволяет рассчитать
расстояния от каждой из них до сотового телефона и определить егоместоположение. Все вычисления выполняет центр локализации мобильных
телефонов M L C Преимущество этой системы состоит в том, что она позволяет
обойтись меньшим числом L M U (всего примерно лишь для четверти базовых
станций). Кроме того, системе не нужно давать команду базовым станциям слушать
мобильные телефоны, не находящиеся непосредственно в их зонах действия. Дляэтого используется опция самого мобильного телефона, который и так всегда
принимает сигналы базовых станций сотовой связи, чтобы не потерять связь приперемещении из одной соты в другую.
Кроме того, в данном случае не нужна и дорогая спутниковая система длясинхронизации часов в сети L M U . Поскольку известны расстояния между L M U всети и времена прохождения сигнала от мобильного телефона до различных L M U иобратно, уравнение для определения местоположения решается однозначно.
5.7.

Л О К А Л И З А Ц И Я С П О М О Щ Ь Ю Д О П О Л Н Е Н Н О Й С И С Т Е М Ы АGPSСистема A - G P S (Assistant Global Positioning System) основывается наприменении
радионавигационного
метода.
Онаобъединяет
классическую
информацию GPS с географическим программным обеспечением и мобильной
информацией сети [17].
Необходимым условием реализации системы является оснащение мобильных
телефонов GPS-приемниками, чтобы они могли принимать сигналы от рядаспутников и по этим сигналам вычислять свое местоположение. Процесс
функционирования системы протекает следующим образом. Встроенный приемник
GPS находит последовательно несколько навигационных спутником (как правило 3спутника). Каждого спутник регистрирует временные задержки прихода сигнала отмобильного телефона. Сеть мобильного опрератора указывает мобильному
телефону, какие именно спутники следует искать. Для уменьшения потребления
энергии от батареи мобильного телефона данные спутниковых измерений
19передаются в сеть мобильного опрератора и на нее возлагается выполнение
необходимых расчетов. Процесс определения местоположения может занимать от
40 с до нескольких минут, а также требует прямой видимости по крайней мере трехспутников.
Применение системы позволяет определить местоположение мобильного
телефона относительно нескольких спутников на геостационарных орбитах ирассчитать его точные географические координаты (вплоть до Зм).
При реализации радионавигационного метода в телефонный аппарат абонента
должен быть встроен специальный навигационный модуль. На него возложены
функции расчета дальности от абонента до трех спутников D i (i=l,2,3) игеоцентрических (декартовых) координат xsi, ysi, zsi (i=l,2,3) на основе
дальномерных и информационных сигналов, передаваемых со спутников. Далее изрешения системы 3-х уравнений вида:Д2= {xs. + xaf+ (ys + xaf + {zsi + zaf,t(7)Определяются геодезические координаты абонента ха, уа, za. Данный
радионавигационный метод получил название локализации с помощью дополненной
системы GPS (A-GPS - Assistant GPS).
Процесс, когда обычный приемник GPS вычисляет местоположение,начинается с попытки найти первый навигационный спутник, идентификации,определения его положения. Затем находится следующий и так далее. С каждого
спутника загружаются информация, измеренные временные задержки и лишь затем
вычисляется местоположение данного приемника. Процесс местоопределения
может занимать от 40 с до нескольких минут, а также требует прямой видимости покрайней мере трех спутников.
Метод A - G P S (рис.15) объединяет классическую информацию GPS сгеографическим программным обеспечением и мобильной информацией сети.

Рис.15. Реализация

радионавигационного

метода.

Сеть указывает мобильному телефону, какие именно спутники следует искать.
При этом количество шагов, необходимое для вычисления его местоположения,уменьшается примерно с 10 до 3. Для уменьшения потребления энергии от батареи
мобильного телефона данные спутниковых измерений передаются в сеть и на нее20возлагается
выполнение
необходимых
расчетов.
Пользователям
придется
приобретать новые мобильные телефоны со встроенными GPS-приемниками иантенной.
5.8.

МЕТОД ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО "РАДИООТПЕЧАТКАМ"Уникальным методом позиционирования мобильных телефонов, не имеющим
аналогов в классической радиопеленгации, является метод сопоставления образов
(сигнатур) мест расположения мобильного телефона L R M (Location Pattern
Matching) и использующий технологию анализа параметров радиосигнала ихарактеристик его многолучевого распространения. Измеряя фазовые, временные иамплитудные
параметры
фрагментов
радиосигнала
мобильного
телефона,отраженного от препятствий (зданий, возвышенностей и т.п.), базовая станция
оценивает структуру подобного "радиоотпечатка" (fingerprint) сигнала и вычисляет
его "сигнатуру" (signature). Полученная информация сравнивается системой сосвоей базой образцов таких "сигнатур", соответствующих разным вариантам
расположения мобильного абонента на местности (рис.16).

Рис.16. Метод

"радиоотпечатков".

В отличие от других технологий позиционирования мобильных телефонов, вданной системе вполне достаточно, чтобы только одна базовая станция обработала
сигнал вызова. Система обеспечивает определение как начального положения, так иперемещений мобильного телефона, и работает как в условиях плотной городской
застройки, где случаи прямой видимости базовой станции весьма редки, так и всельской местности, где сигнал к базовой станции обычно идет напрямую.
Процесс определения положения включает следующие основные этапы:1. Мобильный телефон излучает радиосигналы.
2. Сигналы, отражаясь от строений и других препятствий претерпевают
определенные искажения и достигают базовой станции по многочисленным
маршрутам.
3. В базовой станции, система анализирует уникальные характеристики сигнала,включая следы его "многомаршрутного" распространения и компилирует его"сигнатуру".
4. Данная
"сигнатура"сравниваетсяс базой
данных
предварительно
идентифицированных мест расположения телефонов и соответствующих имобразцов "сигнатур", и находится соответствие.

21Для идентификации места положения система не требует прямой видимости
многочисленных базовых станций, что делает ее работу высокоэффективной вусловиях плотной городской застройки, где сейчас постоянно находятся более 70%всех радиотелефонов. Система также совместима с существующей сетевой
инфраструктурой Она легко интегрируется в инфраструктуру сети мобильного
оператора и не требует никаких модификаций базовых станций или мобильных
телефонов. Точность определения местоположения составляет 50 метров.
5.9.

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Внастоящее
времяразработаны
интегрированные
системы
позиционирования. Данный способ олицетворяет собой подход к решению
проблемы местоопределения, основанный на "дополнительном оборудовании настороне клиента", которое встраивается непосредственно в пользовательский
терминал, для чего используется специальный чип, реализующий "GPS в телефоне".
Компания Snap Track Inc. создала систему, объединяющую G P S с инфраструктурой
сети беспроводной связи и дающую точность от 5 до 75 м (в среднем 10 - 20 м).
В итоге, если традиционные приемники GPS постоянно ведут обработку
данных, то в системе SnapTrack он работает только непосредственно приопределении положения. А конкретно, когда абонент запрашивает услугу
определения местоположения, его терминал, оборудованный системой SnapTrack,принимает пакет данных G P S , обрабатывает его и передает полученную
информацию на сервер системы. Сервер вычисляет долготу и широту иосуществляет целый ряд процедур для достижения более высокой точности
определений путем использования дифференциального режима работы и учета
большого числа поправок, снижающих влияние многолучевости и других
искажений сигналов.
В настоящее время известны более двух десятков систем, использующих
"интеллектуальные" антенны, угол прихода сигналов, разность времени их прихода,амплитуду сигналов, систему GPS и комбинации этих методов. Достигаемые точности
определения координат сотового телефона варьируют в пределах от единиц до сотен
метров.
6. Т Е Х Н О Л О Г И Я LBS Д Л Я П О З И Ц И О Н И Р О В А Н И Я М О Б И Л Ь Н Ы ХТЕЛЕФОНОВ В СОТОВЫХ СЕТЯХВ системах L B S (Location-Based Services) для местоопределения активного
терминала используются преимущественно ресурсы беспроводных сетей. Дляреализации подобных услуг обычно не требуется дополнительное оборудование,поскольку L B S — это программное решение, которое поддерживается каксовременными, так и старыми моделями сотовых телефонов. Информация оместонахождении мобильного телефона абонента может быть получена, как отспутниковых систем навигации, так и от инфраструктуры, содержащей специально
предназначенные для этих целей элементы (Орис.17). Но в обоих случаях дляреализации системы L B S необходимо наличие сервера системы определения
местоположения (СОМ) [18].

22ГЛОНАСС
GPS
4 р

csv

"Vi
::i

•мм
CPS

мгшои
Сгреби етормрл
вашс:едепвм1'.'F--.-T ri. r i г /с. "1П|' М *бзшые станции

»К)0рЧа11Ч1|'1аСслу*Ь
Рис. 17. Структура

сотовой сети связи с функциями

определения

местоположения

Партнерство 3GPP (разработчик спецификаций и технических требований
сетей G S M и U M T S ) предложило логическую модель системы определения
местоположения для GSM-сетей, которая практически без изменений может бытьрекомендована и для сетей U M T S (рис.18).
Он**?**MF • л •<Л(ОПсистемы
определения
местопомнечт

Рис.18. Логическая

Сервер

СИСТв» tfМобильная
ТОнцие

иестогопо«еив1модель системы определения

Процесс функционирования
последовательности:системы

LBS

местоположения

происходит

вследующей

1. Клиент С О М запрашивает информацию о местоположении одной илинескольких мобильных станций у сервера системы
определения
местоположения. (Клиент С О М - чисто логическое понятие. Он может
располагаться как внутри наземной сети сотовой связи, являясь, например,мобильным абонентом, так и вне ее.)2. СерверС О М включает
функцию
определения
местоположения,обрабатывает полученную информацию и передает ее абоненту.
Определение места положения мобильного телефона выполняется сзаданной погрешностью, а ответ на запрос передается в строго
определенном, стандартном формате.
6.1.

П А Р А М Е Т Р Ы Т О Ч Н О С Т И С И С Т Е М Ы LBS

Горизонтальная
точность
абсолютное
значение
отклонения
местоположения в горизонтальной плоскости, предоставляемого сервером абоненту,от истинного местоположения абонента в момент формирования запроса от клиента
СОМ. Для L B S требуемая горизонтальная точность может быть выражена взначениях погрешности измерения местоположения, допустимой для той или инойуслуги этого типа. Обеспечивается различными технологиями и зависит от целого
ряда факторов, многие из которых по своей природе динамичны (условия
23распространения радиоволн, включая ослабления и многолучевость сигнала,топология сети в терминах чувствительности базовых станций) [19].
Согласно документу ЕТ81
22.071 у.7.4.0 для услуг и операторов сотовой
связи справедливо следующее:• необходимая горизонтальная точность определяется базовой технологией
сети, а значит, выбором оператора (для разных участков сети требования кгоризонтальной точности могут быть различными);• система должна обеспечивать требуемую (или максимально близкую)точность места положения при условии отсутствия конфликтов с другими
параметрами качества.
Вертикальная точность - абсолютное значение отклонения местоположенияв вертикальной плоскости, предоставляемого сервером абоненту, от истинного
местоположения абонента в момент формирования запроса от клиента С О М .
Требования ЕТ81 к вертикальной точности:• система должна определять местоположение мобильного телефона повысоте, выраженное в значениях абсолютной илиотносительной
высоты/глубины относительно поверхности земли в данном месте
поверхности;• система должна обеспечивать требуемую (или максимально близкую)точность места положения при условии отсутствия конфликтов с другими
параметрами качества.
Время ответа - определяется с момента запроса клиента С О М к серверу С О Мдо ответа сервера в сторону клиента. Требования разных услуг местоположения
(или же разных клиентов СОМ) в отношении времени получения ответа могут
различаться
взависимости
отсрочности
формирования
запроса
напозиционирование. Возможно, серверу С О М придется искать компромисс между
требованиями к точности позиционирования и времени ответа.
Схема соединения и взаимодействия отдельных элементов С О М и сотовой
сети, описана в документе ЗОРР ТБ 03.71 у.8.9.0 (рис.19).

Рис.19. Структура

сети мобильного оператора с поддержкой
местоположения

функции

определенияВ рамках сети G S M система определения местоположения логически реализуетсяв виде соответствующего центра - M L C (Mobile Location Center), а точнее, в виде двухего компонентов: сервисного центра - S M L C (Serving M L C ) и шлюзового центра 24

G M L C (Gateway M L C ) . После авторизации абонентов G M L C направляет запросы наопределение местоположения абонента в центр коммутации мобильной связи. Функции
остальных подсистем сервера определения местоположения выполняет S M L C :обрабатывает сообщения о местоположении, в используемой системе координат
(например, декартовой) производит окончательный расчет координат и определяет
точность результата. За необходимыми данными S M L C обращается к стационарным
измерительным модулям - L M U , которые могут быть двух типов: А (подключается порадиоканалу); В (подключается по Abis-интерфейсу, может совмещаться сконтроллером базовых станций). Из S M L C информация поступает в G M L C , который
является защищенным граничным пунктом для внешних модулей, запрашивающих
данные о конкретном абоненте. Шлюзовой центр G M L C не только обеспечивает связь свнешним миром, но и предоставляет данные о местоположении, определяя
идентификационный номер (ID) абонентского терминала. Для сопоставления этого
номера с пользующимся услугой абонентом G M L C взаимодействует с домашним
регистром H L R , хранящим данные о пользователях. Центр сотового широковещания СВС (Cell Broadcast Center) - может быть использован для распространения
вспомогательных данных, обязательных при некоторых методах определения
местоположения. Все процедуры взаимодействия описанных выше модулей С О Мстандартизованы 3GPP, так же как и протоколы их взаимодействия между собой.

25

7.
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВ
Достигаемые точности определения координат мобильного
телефона
варьируют в пределах от единиц до сотен метров. В таблице 2 приведены
сравнительные характеристики систем позиционирования, применяемых в сетях
мобильной связи.
Таблица 2Система
позиционирования

Фирма производитель

Точность,MБыстродействие,сОсобенности

Mobile Positioning
SystemEricsson

100

5

-

Cellocate System

Cell-Loc Inc.

150/AMPS/
15-90/CDMA/1-CURSOR

Cambridge
Positioning
Systems

50

5Дополнительныйчип с П О вм о б и л ь н о м телефонеTeleSentinel

K S I Inc. & True
Position

125

< 10

-

Sigma - 5000

SigmaOne
Communication
Corp.

<2

Дополнительные
фазированные
решетки на базовых
станциях

90-150

Geometrix

A l l e n Telecom

<150

<1

Дополнительные
фазированные
решетки на базовых
станциях

RadioCamera

U . S . Wireless
Corp.

50

2

-

Snap Track

SnapTrack Inc.

3-20

FinderCellPoint75Дополнительныйчип с П О вм о б и л ь н о м телефоне
5Нет данных

Приведенные
характеристики
существующих
систем
позиционирования
мобильных телефонов позволяют наглядно сделать вывод о реальных возможностях
определения места положения мобильного телефона абонента.
8. П Р А К Т И Ч Е С К А Я Р Е А Л И З А Ц И Я А Л Г О Р И Т М А О П Р Е Д Е Л Е Н И ЯМ Е С Т О П О Л О Ж Е Н И Я М О Б И Л Ь Н О Г О Т Е Л Е Ф О Н А Н А БАЗЕРАЗНОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНОГО МЕТОДА
Сравнительный
анализ
рассмотренных
систем
определения
местаположения мобильного телефона показал, что наиболее
приемлемыми
точностными характеристиками
обладает разностно-дальномерный
метод.
Именно этот метод и представляет наибольший интерес с точки зрения егореализации с использованием существующих программных средств.
26В качестве базового примера
обслуживает
мобильный
оператор,треугольник, представленный на рис.20.

рассмотрим модель
Онапредставлена

Рис.20. Модель соты мобильного

зоны, которую
равносторонний

оператораДля реализации алгоритма расчета места положения мобильного телефона
необходимо выполнить необходимые расчеты по формулам:5

01=3*10 Ат ;г

5

02=3*10

Ат ;

(8)

2

5

D3=3*10 А т , ,где &\ —расстояния от мобильного телефона до базовых радиостанций
соответственно; А г \ - А г з время задержки прихода сигналов от мобильного
телефона до базовых радиостанций.
2

ß =arccos(—
x

Х> +Д

2

2

2 Д Д

•
д
-), ß =arccos(—
1

п

2

2

2

+д

•D

K

2

2 Д Д

(9)

где ßi и ß - углы, определяющие направление прихода радиосигнала отмобильно телефона до базовых станций.
Автоматизация расчетов рассмотренной задачи была выполнена на языке
программирования P H P с целью демонстрации результатов расчета в режиме online в сети Интернет по адресу http://f-russia.xost.ru/aver.plip.
2

27

Листинг программы
<html><body><?
If ($_POST[action]=='add'){$c=3000000;$rl=$c*$_POST[tl];$r2=$c*$_POST[t2];$r3=$c*$_POST[t3];$fn_c=fopen("a3",'w+');
fwrite($fn_c,$_POST[xl]);
fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c, $_POST [у 1 ]);fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c, $_POST [x2]);
fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c, $_POST [y2]);fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c, $_POST [x3 ]);fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c, $_POST [y3 ]);fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c, $r 1);
fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c,$r2);
fwrite($fn_c," ");fwrite($fn_c,$r3);
fwrite($fn_c," ");?><tr><td><img src=l .php></tr></td><P><td></tr></P><?
function solve ($a,$b,$c,$p,$q,$r){$partl=l/(2*($a-$p)*(($a-$p)*($a-$p)+($b-$q)*($b-$q)));$part2=$a*$a*$a*$a-2*$a*$a*$p+2*$a*$p*($c*$c+$p*$p-$r*$r)$p*$p*($c*$c+$p*$p+($b-$q)*($b-$q)-$r*$r)+$a*$a*(-$c*$c+$r*$r+($b-$q)*($b-$q));$e=-($a-$p)*($a-$p)*(($a*$a-$c*$c-2*$a*$p+$p*$p+($b-$q)*($b-$q))*($a*$a-$c*$c2*$a*$p+$p*$p+($b-$q)*($b-$q))-2*($c*$c+($a-$p)*($a-$p)+($b-$q)*($b-$q))*$r*$r+$r*$r*$r*$r);$d[0]=$part 1 *($part2+$b * sqrt($e)-$q* sqrt($e));$d[2]=$partl*($part2-$b*sqrt($e)+$q*sqrt($e));$partl=$b*$b-$b*$b*$q+$a*$a*($b+$q)-2*$a*$p*($b+$q)+$q*($c*$c+$p*$p+$q*$q$r*$r)+$b*(-$c*$c+$p*$p-$q*$q+$r*$r);$part2=-($a-$p)*($a-$p)*($a*$a-2*$a*$p+($b-$q)*($b-$q)-($c$p+$r)*($c+$p+$r))*(($a-$p)*($a-$p)+($b+$c-$q-$r)*($b-$c-$q+$r));$part3=2*(($a-$p)*($a-$p)+($b-$q)*($b-$q));$d[ 1 ]=($part 1 -sqrt($part2))/$part3;$d[3 ]=($part 1+sqrt($part2))/$part3;
return $d;}$rl=$c*$_POST[tl];$r2=$c*$_POST[t2];$r3=$c*$_POST[t3];$coorl=solve($_POST[xl],$_POST[yl],$rl,$_POST[x2],$_POST[y2],$r2);

28

$coor3=solve($_POST[x3],$_POST[y3],$r3,$_POST[x2],$_POST[y2],$r2);$coorl [O]=round($coorl [0]);$coor 1 [ 1 ]=round($coor 1 [ 1 ]);$coorl [2]=round($coorl [2]);$coorl [3]=round($coorl [3]);$coor3 [0]=round($coor3 [0]);$coor3 [ 1 ]=round($coor3 [ 1 ]);$coor3 [2]=round($coor3 [2]);$coor3 [3]=round($coor3[3]);?><DIV align=center><SPANокружностей</8РАМ></ГЛУ>style="COLOR:#000000">Координаты

пересечения

<tr><td></td></tr><td>l и 2 окружностей<Лё><?
echo' xl='.$coorl[0].' y l = ' . $ c o o r l [ l ] . ' x2='.$coorl[2].' y2='.$coorl[3].'<br>';?><tr><td>2 и 3 окружностей<М></гг><?
echo' xl='.$coor3[0].' yl='.$coor3[l].' x2='.$coor3[2].' y2='.$coor3[3].'<br>';IF(($coorl[0]==$coor3[0] and $coorl[l]==$coor3[l]) or ($coorl[0]==$coor3[2]$coorl[l]==$coor3[3]))and{$_POST[x4]=$coorl[0];$_POST[y4]=$coorl[l];}ElseIF(($coorl[2]==$coor3[0] and $coorl[3]==$coor3[l]) or ($coorl[2]==$coor3[2] and$coorl[3]==$coor3[3])){$_POST[x4]=$coorl[2];$_POST[y4]=$coorl[3];}?><tr><td>мecтoпoлoжeниe a6oHeHTa</td></tr><?
echo $_POST[x4].'; '.$_POST[y4];

}
Else

{
?>
<table><tr><td><form method=post action='aver.php'><table><tr><td>BBeflHTe задержку времени прихода р а д и о сигнала до 1й базовой станции, дельта
tl</td><td><input type=text name=tl></td></tr><tr><td>BBeflHTe задержку времени прихода р а д и о сигнала до 1й базовой станции, дельта
t2</td><td><input type=text name=t2></td></tr><tr><td>BBeflHTe задержку времени прихода р а д и о сигнала до 1й базовой станции, дельта
t3</td><td><input type=text name=t3></td></tr><tr><td>BBeflHTe координату x базовой станции l</td><td><input type=text name=xl></td></tr><tr><td>BBeflHTe координату у базовой станции l</td>29

<ІсІ><іпрШ; Іуре=ІехІ пате=у1><ЛсІ></ігХіг><ІсІ>Введите координату х базовой станции 2<ЛсІ><ІсІ><іпрШ; Іуре=ІехІ пате=х2><ЛсІ></Хг><Хг><ІсІ>Введите координату у базовой станции 2<ЛсІ><ІсІ><іпрШ; Іуре=ІехІ пате=у2><ЛсІ></ігХіг><ІсІ>Введите координату х базовой станции 3<ЛсІ><ІсІ><іпрШ; Іуре=ІехІ пате=хЗ><ЛсІ></Хг><Хг><ІсІ>Введите координату у базовой станции 3<ЛсІ><ІсІ><іпрШ; Іуре=ІехІ пате=уЗ><ЛсІ><Лг><Іг><ІсІ
соІ8рап=2><іпрШ;1уре=Ыс1с1епуа1ие='ок'><ЛсІ><Лг><ЛаЬ1е></6)гт><Лсі><Лг><ЛаЬ1е>пате=аспоп

уа1ие=асІсІ><іпрШ;Іуре=8иЬтії

<?
}/*О81=8яП((х2-х1)*(х2-х1)+(у2-у1)*(у2-у1))*0.001;
Б82=8ді1((х2-хЗ)*(х2-хЗ)+(у2-уЗ)*(у2-уЗ))*0.001;
с о ш « " К а 8 8 І о у а п і е оХ 2 уівілкі сіо 1 " « В 8 1 « " к т , о І 2 сіо 3 " < < В 8 2 « " к т " ;сои1«"\п\пУуес1йе гааеггЫш 11 V т Ш в е к и п с к т п " ;сіп»и;
11=11*0.0000001;
с о ш « " \ у є с і і ї є гасіегеїлки Х2 V тіїезекипсіатп' ;сіп»і2;12=12*0.0000001;
с о т Х ^ у е с Ш е гасіегеїлки ХЗ V тіїезекипсіатп' ;сіп»іЗ;13=13*0.0000001;
Б1=3*1000000*и;В2=3*1000000*12;
ВЗ=3*1000000*іЗ;с о ш « " К а 8 8 І о у а п і е сіо аЬопегйа зовіауіуаеі " « В 1 « " о І 1 уівілкі " < < В 2 « " оХ 2 уівілкі
" < < В З « " оі 3 уізпкі\п";з=((В1*В1+В2*В2+В81*В81)/(2*В1*В2));
з2=((В1*В1+В2*В2+В82*В82)/(2*В2*ВЗ));сош«8«"\п"«82;/1

1§еХс\\();

Ь1=асо8((В1*В1+В2*В2+В81*В81)/(2*В1*В2))*3. 14/180;
Ь2=асо8((В1*В1+В2*В2+В82*В82)/(2*В2*ВЗ))*3. 14/180;сош«"и§о1 Ь1="«Ь1«"\пи§о1 Ь2="«Ь2;§еХс\\();}*/?></Ьос1у></1лШІ>ЗОПри запуске программы открывается окно представленное на рисунке 21.
Введите задержку времени прихода радио сигнала до 1й базовой станции, дельта Н 0.000095
Введите задержку времени прихода радио сигнала до 1й базовой станции, дельта 12 0.000095
Введите задержку времени прихода радио сигнала до 1й базовой станции, дельта И 0.000107
Введите координату х базовой станции 12СС

Введите координату у базовой станции 1ЭОСВведите координату х базовой станции 2ЗгСВведите координату у базовой станции 2450Введите координату х базовой станции 3500Введите координату у базовой станции ЇЭСС|Рис.21. Диалоговое

окно ввода данных

программы.

После заполнения данными диалогового окна открывается карта местности
(рис. 22), где место положения мобильного телефона показывается пересечением
трех окружностей, центрами которых являются базовые станции сотовой сетимобильного оператора.

Рис.22. Карта местностис указанием места положенияна территории
города.

мобильного

телефонаВ нижней части окна будет расположена информация о фактических
координатах места положения мобильного телефона.
Для рассмотренного примера: координаты пересечения окружностей
составляют: 1и 2 окружность х1=210; у1=440; х2=310; у2=340;
2 и 3 окружность х1=490; у1=460; х2=340; у2=310.
Координаты места положения: х1=310; у1=340.
31Пример нахождения места положения мобильного телефона на пересеченной
местности.
В рЪс но зна«Йн к а * " ** "Сербка УНершотравневое— Т Л И |7>.) іШНі, Мигаеео
/Петровка
;,0Барапрво

ободка/.

; Ікрминті^новскоЕ2б\Х ^ - і і рЩерби и Кй^^.

\х'Нерпово
122 >

~

|(Н

Уриногрі

НІ

У / > М1?

Кдгар\ль*кТроицкое

ЯеькиНО^БЕЛЯРЬІ

вВасипевка^Граденнцы
Д

•

**0

Дачное^Шмрмїя

ВаяЩ>•БЕЛЯЕВКА

НерубаЯсщ
\Ус

-*

+

(ЩЕССА

О
65-

о

^

Одіссеї - - -

її"!

*

О?

Николаев*^

/'

'

4

ВС к

Рис.22. Карта местностис указанием места положенияна пересеченной
местности.

мобильногоДля рассмотренного примера: координаты пересечения
составляют: 1и 2 окружность х1=320; у1=340; х2=410; у2=540;
2 и 3 окружность х1=290; у1=460; х2=300; у2=350.
Координаты места положения: х1=345; у1=290.

телефона

окружностей

32ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данный обзор различных технологий позиционирования мобильных
телефонов охватил далеко не все стороны этого развивающегося процесса.
Эксперты
отмечают
возможность
двойного
назначения
подобных
технологий, ведь теоретически можно отследить любого владельца мобильного
телефона. Тем более, что способы определения положения, основанные наиспользовании только оборудования сети, могут выдавать данные непрерывно ибез всякого уведомления абонента или его разрешения.
Повсеместное введение системы мобильного позиционирование (СМП)вызывает тревогу у людей, заботящихся о конфиденциальности личной жизни,ведь положение мобильного телефона можно определить не только в момент
разговора, но и в режиме ожидание вызова. В такой ситуации наиболее
корректным решением является сообщение координат мобильной станции, только
после предварительного согласия ее владельца.
С другой стороны, использование систем мобильного позиционирования
может серьезно облегчить работу экстренных служб. Так как многие из звонящихне знают своего точного места, и их отыскание занимает большое количество
времени, доходящее до часов. А в некоторых случаях точное знание
местонахождения звонящих является буквально вопросом жизни и смерти.
Так же системы мобильного позиционирование применяются для систем
навигации, охраны, сигнализации, противоугонных автомобильных системах
(функция тревоги, управления различными блокировками, сообщения координат).
Сотовые операторы предоставляют услугу - возможность определения
местонахождения абонента в любой точке покрытия сети G S M . Для подключения
услуги необходимо оформить договор от имени абонента, разрешающего
определять свое местоположение.

33

Литература
1. Андрианов В.И., Соколов A . B . Средства мобильной связи. - СПб.: B H V ,1998.-256 с.
2. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения / Под ред. Ю . М .
Горностаева. - М.: М Ц Н Т И «Мобильные коммуникации», 2000. - 208 с.
3. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: ТЭК,1 9 9 6 . - 2 3 9 с.
4. Ламекин В.Ф. Сотовая связь. - Ростов н /Д: Феникс, 1997. - 176 с.
5. Системы подвижной радиосвязи / Пышкин И.М., Дежурный И.И., Толызин
В.Н., Чвелев Г.Д.; Под ред. И.М. Пышкина. - М.: Радио и связь, 1986. - 328 с.
6. Пышкин И.М., Пантикян Р.Т., Шорин O . A . Сухопутная подвижная
радиосвязь.-М.: Радио и связь, 1990. -Т.2.
7. Шорин O . A . Метод частотно-территориального
планированиясистем
подвижной радиосвязи // Электросвязь. - 1993. - №10. - с. 14-16.
8. Сукачев Э.А. Сотовые сети радиосвязи с подвижными объектами: Учеб.
Пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - Одесса: У Г А С , 2000. - 119 с.
9. Шорин O . A . Оптимальная процедура распределения каналов в системах
подвижной радиосвязи // Электросвязь. - 1993. - № 1 0 . - с . 1 4 - 1 6 .
10. Громаков Ю.А. Стандарт на общеевропейскую сотовую систему подвижной
связи G S M // Электросвязь. - 1993. №10. - с. 7-9.
11. Громаков Ю.А. Организация физических и логических каналов в стандартеG S M // Электросвязь. 1993. - №10. - с. 9-12.
12. Коротаев Г. А. Анализ и синтез речевого сигнала методом линейного
предсказания // Зарубежная радиоэлектроника. - 1980. - №10. - с. 49-65.
13. Маркел Дж., Грей А.Х. Линейное предсказание речи: Пер. с англ. / П о д ред .
Прохорова и B . C . Звездина. - М.: Связь, 1980. - 552 с.
14. И. Сколотнев. Позиционирование мобильных телефонов. Газета СевероЗападный Телеком (Санкт-Петербург), 3(11), 2000 г
15.Shon Hargrave, Mobile Communications International / R E , 7-2000.
16.Обзор современных систем позиционирования мобильных телефонов. С.
Рыжиков, А. Рыжиков, Специальная техника № б, 2001.
17. Глобальная навигационная система N A V S T A R / И.Н. Мищенко, А.И.
Волынкин, П.С. Волосов, М.И. Григорьев // Зарубежная радиоэлектроника.
- 1980. - № 8 . - с . 52-83.
18. Стандартизация L B S для обеспечения качества обслуживания. М.Васильев,В.Н. Максименко, Информкурьер-Связь, № 9 2007.
19. Бабков В.Ю., Полынцев П.В., Устюжанин В.И. Качество услуг мобильной
связи. Оценка, контроль и управление. П о д ред. проф. A . A . Гоголя.- М.:Горячая линия - Телеком, 2005.

34