Повышение точности позиционирования в сетях мобильной связи

доступа к разделяемой среде требуется передача 216 бит служебной информации протокола маршрутизации, что составляет 1/35 часть от передачи 10 пакетов информации пользователя при реактивном режиме работы протокола маршрутизации.

Использование при построении узкополосной радиосети предложенного протокола маршрутизации позволяет своевременно реагировать на изменение топологии сети, поддерживая актуальные маршруты между узлами сети. Возможно использование следующих режимов работы протокола при построении маршрута: гибридный; проактивный; реактивный.

Особенности работы алгоритма протокола маршрутизации, и использование механизмов уменьшения объема собственной служебной информации за счет поэтапного перехода с гибридного режима на создающий меньшую нагрузку реактивный, помогают избежать излишней нагрузки на сеть, при этом предоставляя возможность принятия решения о выборе наилучшего маршрута исходя из оценки качества маршрута, числа ретрансляций, времени последнего обновления маршрута.

Наличие указанных режимов работы протокола позволяет адаптировать процедуру маршрутизации к меняющейся интенсивности входного потока заявок, динамике узлов сети, адаптировать сеть к внешним воздействиям.

список литературы

1. Николаев, В.И. Системы, сети и устройства радиосвязи [Текст] / В.И. Николаев, Ю.Б. Нечаев, В.В. Прилепский [и др.]. -Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004.- С. 321-329.

2. Нечаев, Ю.Б. Особенности построения узкополосной радиосети с ячеистой топологией [Текст] / Ю.Б. Нечаев, С.И. Григорьев, М.Ю. Сидоров, А.А. Епифанцев // Теория и техника радиосвязи. -2009. -№3. -С. 25-29.

3. Вишневский, В. Маршрутизация в широкополосных беспроводных mesh-сетях стандарта IEEE 802.11s [Текст] / В. Вишневский, Д. Лаконцев, А. Сафонов [и др.] // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2008. -№6. -С. 64-69.

4. Вишневский, В.М. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G [Текст] / В.М. Вишневский, С.Л. Портной,

И.В. Шахнович. -М.:Техносфера, 2009. -С. 206-212.

5. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов [Текст]/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. -СПб.: Питер, 2006. -С. 394-395.

6. Interoperability and performance standards for medium and high frequency radio systems, Appendix D [Текст] / HF Radio Networking, MIL-STD-188-141B, 1999. -P. 578.

7. Бояршинов, М.А. Реализация пакетной передачи данный в КВ радиостанциях с адаптацией к условиям связи [Текст] / М.А. Бояршинов, К.С. Третьяков // Матер. IX Междунар. науч.-техн. конф.: Физика и технические приложения волновых процессов. -Челябинск, 2010. -С. 229-230.

УДК 621.394./.396

В.Ю. Бабков, А.Н. Степутин

повышение точности позиционирования в сетях мобильной связи

Для оказания пользователям сотовых сетей мобильной связи таких услуг, как помощь при авариях, срочная медицинская помощь, решение специальных задач в плане розыскных мероприятий и др., требуется высокая точность определения географических координат абонентских станций и их однозначная привязка к цифровой карте местности.

Существующие методы, использующиеся в сетях мобильной связи, не обеспечивают требуемую точность позиционирования АС, необходима разработка и внедрение новых подходов без применения спутниковых систем позиционирования.

В данной статье рассматривается решение этой задачи на основе совместно функционирующих сетей мобильной связи и специальной пе-

Рис. 1. Пеленгационные кластеры сети

А - БС, Д - БС + ИП

ленгационной сети, измерительные пункты (ИП) которой располагаются в позиционных районах базовых станций (БС) сети мобильной связи и имеют в своем составе аналогичное базовое оборудование, адаптивные антенные устройства в виде фазированных антенных решеток (ФАР) с электронным управлением.

Задача позиционирования в функционирующих совместно сетях решается в два этапа. На первом этапе решение производится методами, реализованными в действующей сети мобильной связи, на втором этапе это решение уточняется средствами пеленгационной сети [1].

Рассмотрим возможную методику построения пеленгационной сети, наложенной на действующую сеть мобильной связи. При построении пеленгационной сети будем использовать пеленгационные кластеры, параметры которых (число ИП и их размещение по структуре сети мобильной связи) должны обеспечивать требуемые параметры позиционирования АС и минимальное число ИП в составе стационарной пеленгацион-ной сети.

При построении пеленгационных кластеров будем полагать, что исходный фрагмент сети мобильной связи является однородным, т. е. разме-

ры всех сот и секторов одинаковы, а морфострук-тура местности однотипна.

Представим, что фрагмент сети мобильной связи соответствует базовому частотному кластеру 7/21, где 7 - число базовых станций (БС), а 21 - количество секторов в кластере [2]. Построим на этом фрагменте сети мобильной связи пе-ленгационный кластер (ПК) в виде структуры, в которой ИП размещены в позиционных районах БС на одинаковом расстоянии от исходной точки привязки, в качестве которой выступает БС0. Структура пеленгационного кластера зависит от секторированности ФАР в составе ИП.

Пусть в пеленгационной сети используются трехсекторные ФАР с углом сканирования 120°. Разместим ИП в позиционных районах первого кольца окружения (рис. 1).

Для обеспечения необходимой точности пеленгации необходимо иметь не менее трех пелен-гационных засечек АС. Тогда зона пеленгации (ЗП) пеленгационного кластера представляет собой шестиугольник, который можно аппроксимировать окружностью с радиусом

Я =3R•AКО,

где Я. - радиус соты; АКО - параметр, который показывает расположение ИП относительно БС0, значение которого определяется по формуле:

Рис. 2. Примеры построения пеленгационной сети на основе пеленгационных кластеров

Таблица 1

Основные параметры пеленгационного кластера с трехсекторными ФАР

АКО Я р а М к

1 3Я 1 5,265Я 9 1/3

2 6Я 10,53Я 36 1/12

3 9Я 15,795Я 81 1/27

4 12Я 21,06Я 144 1/48

= -

а

6Я, •cos30

В нашем случае АКО = 1. Расстояние между

ИП определяется по формуле

ак0_120°= Щ  COS30 • АкО.

Пеленгационная сеть развертывается путем совмещения пеленгационных кластеров со структурой сети мобильной связи. Пример построения пеленгационной сети показан на рис. 2.

Основные параметры пеленгационного кластера при различных значениях АКО трехсектор-ного сценария сведены в табл. 1, где Я. - радиус соты; Яр - радиус зоны пеленгации; М - число секторов сети мобильной связи, входящих в зону пеленгации; а - расстояние между ИП; к - отношение числа ИП к числу БС.

Рассмотрим погрешность и вероятность позиционирования. Погрешность позиционирования АС обычно оценивается относительно истинного положения АС на местности и характеризуется величиной среднеквадратической ошибки (СКО) пеленга [3]:

=

I (6,-6, )2

где 0, - действительное значение азимута на передатчик; 0, - текущее значение азимута на передатчик, измеренное пеленгатором; п - число разовых измерений.

СКО пеленга (оа) и ширина диаграммы направленности пеленгационной антенны (0а) взаимосвязаны и зависят от метода пеленгования и отношения сигнал/шум (д) на входе пеленгационного приемника.

При оптимальных методах пеленгования и обработки сигналов в пеленгационном приемнике можно определить значение СКО по формуле [4]:

=

=2Е

4 = N '

где Е - энергия сигнала за время измерения; N -спектральная плотность мощности белого шума.

Вероятность позиционирования характеризует вероятность нахождения АС в зоне, определенной допустимой погрешностью позиционирования и зависит от местоположения АС в зоне пеленгации. Это можно пояснить, используя различные варианты размещения АС внутри зоны пеленгации пеленгационного кластера. Варианты размещения АС внутри зоны пеленгации пеленга-ционного кластера при АКО = 1 показаны на рис. 3.

Рис. 3. Варианты размещения АС внутри зоны пеленгации

п

Произведем соответствующие расчеты и найдем значения погрешности и вероятности позиционирования в зависимости от среднеква-дратической ошибки (СКО) пеленга и расположения АС в зоне пеленгации. Результаты расчетов приведены в табл. 2, где о - СКО пеленга; г0 95 - значение погрешности позиционирования АС с вероятностью 95 %, нормированное к радиусу соты Я. ; АКО - порядок кольца окружения.

Анализ результатов, приведенных в табл. 2, показал следующее.

• Наименьшая погрешность позиционирования соответствует расположению АС в центре пеленгационного кластера (позиция 1). Это связано с тем, что АС находится на одинаковом удалении от ИП, и площадь, в которой находится запеленгованная АС, представляет собой ромб, что позволяет минимизировать выбросы ошибок пеленгации.

• Наибольшая погрешность позиционирования соответствует позиции 4, когда АС находится внутри пеленгационного кластера на линии, представляющей собой биссектрису между сторонами пеленгационного кластера, на расстоянии от Я

ИП = . Это связано с плохим геометрическим

фактором, т. к. АС находится вблизи одного из ИП, а по отношению к остальным ИП находится на большом удалении, в связи с чем пеленги от удаленных ИП дают большую погрешность.

При известных характеристиках абонентского оборудования сети мобильной связи и ИП (GSM-1800) произведем оценку электромагнитной доступности АС [2]. В качестве пеленгаци-онных антенн ИП используем адаптивные ФАР с коэффициентом усиления 24 дБи. Передатчик АС на момент пеленгования выводится на максимальную мощность Р = 30дБм.

Таблица 2

Значения погрешностей позиционирования (нормированных к радиусу соты) в зависимости от СКО пеленга, значения А и расположения АС в зоне пеленгации

Позиция оа, град Погрешность позиционирования, г0 95

АКО = 1 АКО = 2 АКО = 3 АКО = 4

1 1 0,06 0,12 0,18 0,25

2 0,12 0,25 0,37 0,49

4 0,25 0,49 0,74 0,98

6 0,37 0,74 1,11 1,47

2 1 0,09 0,18 0,27 0,36

2 0,18 0,36 0,54 0,72

4 0,36 0,72 1,07 1,43

6 0,54 1,07 1,61 2,15

3 1 0,1 0,2 0,3 0,39

2 0,2 0,39 0,59 0,79

4 0,39 0,79 1,18 1,57

6 0,59 1,18 1,77 2,36

4 1 0,13 0,26 0,39 0,26

2 0,26 0,52 0,78 1,04

4 0,52 1,04 1,56 2,08

6 0,78 1,56 2,34 3,12

5 1 0,11 0,21 0,32 0,42

2 0,21 0,42 0,63 0,84

4 0,42 0,84 1,26 1,68

6 0,63 1,26 1,9 2,53

Результаты расчета электромагнитной доступности (а) АС средствами пеленгационной сети показывают, что в центре города а = 4,5 км, в пригороде - 6 км, а в сельской местности - 35 км. Используя результат, приведенный в табл. 2, можно сделать вывод о том, что в условиях центра мегаполиса при радиусе соты Я. = 216 м ИП могут находиться максимум на четвертом КО, в пригороде (при Я. = 577 м) - на втором КО, а в условиях сельской местности (при Я. = 6736 м) -в позиционных районах размещения БС.

Рассчитанные значения погрешностей позиционирования в зависимости от СКО пеленга и расстояния между ИП для различных топологий местности приведены в табл. 3, где г09 и г07 -ошибка пеленгации с вероятностью 90 и 70 %

соответственно; а - расстояние между ИП; Я. -радиус соты; АКО - порядок кольца окружения; ста - СКО пеленга.

Таким образом, можно сделать вывод, что значение параметра АКО зависит от нескольких факторов, основными из которых являются:

электромагнитная доступность АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети; тип местности;

требуемая точность позиционирования АС. Алгоритм позиционирования АС предполагает позиционирование за счет средств мобильной сети и, далее, за счет средств наложенной пелен-гационной сети. При этом часть площади зоны, принадлежащей другому сектору, отбрасывается и, тем самым, возрастает вероятность позиционирования АС.

Таблица 3

Погрешность позиционирования в зависимости от СКО пеленга, расстояния между ИП и топологии местности

Тип местности Погрешность позиционирования, м

а, км Я ,м АКО = 1° = 2° = 4° = 6°

Г0,9 г 0,7 Г0,9 г 0,7 Г0,9 г 0,7 Г0,9 г 0,7

192 1

1 96 2 17 15 35 30 70 60 105 90

64 3

48 4

385 1

2 192 2 34 30 70 60 140 120 210 180

128 3

Крупный 96 4

город 577 1

3 289 2 51 45 105 90 210 180 315 270

192 3

144 4

770 1

4 385 2 68 60 140 120 280 240 420 360

257 3

192 4

5 962 1 85 75 175 150 350 300 525 450

Средний 481 2

город 6 1155 1 102 90 210 180 420 360 630 540

577 2

Сельская местность 35 6736 0 595 525 1225 1005 2450 2100 3675 3150

Таблица 4

Погрешность позиционирования в зависимости от СКО пеленга, расстояния между ИП и топологии местности

d, км Погрешность позиционирования, м

1° 2° 4° 6°

Г0,9 Г0,7 Г0,9 r 0,7 r 0,9 r 0,7 r 0,9 r 0,7

0,1 1,7 1,5 3,5 3 7 6 10,5 9

0,2 3,4 3 7 6 14 12 21 18

0,4 6,8 6 14 12 28 24 42 36

0,6 10,2 9 21 18 42 36 63 54

0,8 13,6 12 28 24 56 48 84 72

Произведенные расчеты показывают, что уточняющие свойства Cell-ID особо актуальны для случаев АКО = 3 и 4, СКО пеленга 4, 6 градусов и более, при расположении АС от края соты на расстоянии 0...0,6Л., причем уточняющие свойства Cell-ID тем больше, чем ближе АС находится к границе соты.

Повышение точности позиционирования за счет использования данных о Cell-ID проявляется в большей степени при удалении АС от центра пе-ленгационного треугольника и становится максимальным для случая наихудшей геометрии, когда АС находится внутри пеленгационного кластера на линии, представляющей собой биссектрису между сторонами пеленгационного кластера, на

R

расстоянии от ИП = .

Знание сектора, в котором находится АС, позволяет фильтровать сильно искаженные пеленги, что, в свою очередь, уменьшает вероятность ошибочного позиционирования АС.

Таким образом, если всю территорию внутри зоны пеленгации разбить на секторы, соответствующие секторам сети мобильной связи, внутри которых ошибка пеленгации практически одинакова, то это позволит пеленгационной сети осуществлять позиционирование АС с заранее известной погрешностью.

Для повышения точности позиционирования при больших значениях АКО в отдельных случаях

возможно использовать мобильные измерительные пункты дополнительно к стационарным пеленгаторам сети.

Мобильный измерительный пункт (МИП) -это мобильный пеленгатор, предназначенный для уменьшения погрешности позиционирования АС, либо для расширения зоны действия стационарных ИП в тех случаях, когда по каким-либо причинам их установка не является целесообразной. Принцип функционирования МИП и его взаимодействие с сетью мобильной связи рассмотрены в [5].

Результаты расчетов погрешности позиционирования для случаев применения МИП приведены в табл. 4. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что применение МИП в среднем на порядок уменьшает погрешность позиционирования АС по отношению к той погрешности позиционирования, которую обеспечивают стационарные ИП.

Таким образом, предложенный метод позволяет повысить вероятность позиционирования АС с заданной точностью. Использование данных о местоположении АС средствами сети мобильной связи и мобильных измерительных пунктов способствует уменьшению погрешности позиционирования в среднем на порядок по отношению к той погрешности позиционирования, которую обеспечивают стационарные ИП.

список литературы

1. Степутин, А.Н. Принципы построения и функционирования наложенной пеленгационной сети [Текст] / А.Н. Степутин // Естественные и технические

науки. - 2011. - №2.

2. Бабков, В.Ю. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование: Учебн. пособие для

вузов [Текст] / В.Ю. Бабков, М.А. Вознюк, П.А. Михайлов. -2-е изд., испр. -М.: Горячая линия-Телеком, 2007. -224 с.

3. Дотолев, В.Г. Итоги международного эксперимента в ВЧ диапазоне [Текст] / В.Г. Дотолев, А.У. Жильцов, А.Н. Курганов [и др.] // Тр. НИИР. -2003. -С. 30-40.

4. Levanon, Nadav. Radar Principles [Текст]/ Levanon, Nadav. -Wiley Interscience, 1988.

5. Степутин, А.Н. Патент на П.М. № 93545 РФ G01S 5/02. Система определения местоположения мобильных объектов [Текст] / А.Н. Степутин. -№ 2009148483/22.