Методы локализации мобильных терминалов в беспроводных инфокоммуникационных сетях

Телекоммуникационные системы и компьютерные сети

УДК 621.396.2

А.А. Мошкин, М.А. Сиверс

МЕТОДЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ МОБИЛЬНЫХ ТЕРМИНАЛОВ В БЕСПРОВОДНЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ

В статье описываются некоторые результаты исследований методов локализации (позиционирования) мобильных терминалов МТ в беспроводных телекоммуникационных сетях (БИТС).

Наибольшее применение получили БИТС, основанные на следующих стандартах, принятых мировым сообществом:

• персональных сетей IEEE 802.15;

• локальных сетей IEEE 802.11;

• региональных сетей IEEE 802.16;

• глобальных сетей сотовой связи:

2G поколения - GSM (Global System for Mobile Communications);

3G поколения - UMTS (Universal Mobile Telecommunications System);

4G поколения - LTE (Long Term Evolution).

Среди возможных методов локализации наиболее интересными представляются методы, основанные только на использовании аппаратных и информационных ресурсов БИТС.

Прежде всего следует отметить, что авторы широко известных работ [1, 2, 4] по локализации (позиционированию) МТ в указанных сетях часто используют названия методов (способов), игнорируя установившиеся в классической литературе по радиолокации, радиопеленгации и радионавигации термины; при этом создается впечатление, что предлагаются какие-то новые методы локализации МТ.

Методическая задача статьи состоит в возвра-

те к традиционным названиям методов локализации МТ в БИТС.

Материалы статьи содержат также информацию о двух новых методах локализации и некоторые результаты их экспериментальных исследований в сетях сотовой связи стандарта GSM.

Локализация МТ в БИТС основывается на поэтапном выполнении нескольких измерительно-вычислительных операций (рис. 1).

На первом этапе МТ и оборудование БИТС измеряют параметры сигналов, используемых при обмене сообщениями. Видов измеряемых параметров электромагнитных сигналов немного:

время прохождения сигнала от передатчика до приемника;

направление (азимут) распространения сигнала в пространстве;

мощность принимаемого сигнала.

На втором этапе по полученным результатам измерений вычисляются геометрические данные, необходимые для решения уравнений локализации:

расстояние между передающим и приемным устройствами;

углы направлений (пеленгов) на приемник от передатчика.

На третьем этапе определяются координаты МТ на основе решения уравнений локализации, свойственных выбранному методу. Местоположение МТ определяется относительно базовых

Рис. 1. Этапы решения задачи локализации

Таблица 1

Инвариантные методы локализации

Число базовых точек Метод локализации Измеряемые параметры сигнала Вычисляемые геометрические величины Инвариантные параметры сигнала

1 Локационный Время распространения сигналов Расстояние Мощность принимаемого сигнала

Азимут Пеленг

2 Пеленгационный Азимут Пеленг Мощность принимаемого сигнала и время распространения

3 Дальномерный Время распространения сигналов Расстояние Мощность принимаемого сигнала и азимут

Гиперболический Время распространения сигналов Разность расстояний Мощность принимаемого сигнала и азимут

точек (базовых станций, точек доступа), координаты которых должны быть известны с достаточной точностью.

Точность локализации определяется отклонением рассчитанных координат МТ от их истинных значений. Точность обусловлена прежде всего погрешностями измерений параметров принимаемых сигналов, зависящих от условий распространения электромагнитных волн и инструментальной точности аппаратных средств.

При дальнейшем рассмотрении методов локализации удобно использовать понятие инвариантность - отсутствие влияния на точность локализации некоторых параметров принимаемого сигнала, например мощности (в пределах чувствительности приемных устройств).

В табл. 1 приведены известные методы локализации МТ в БИТС, обладающие инвариантностью к мощности принимаемых МТ сигналов.

Среди известных инвариантных методов локализации МТ в БИТС [2] существуют такие, которые инвариантны ко всем обозначенным параметрам принимаемых сигналов. Один из таких методов, в котором местоположение МТ определяется лишь известными координатами обслуживающей базовой станции (БС), получил в сетях сотовой связи стандарта GSM название «Cell ID» (Cell Geographic Identification). Точность локализации определяется предельным расстоянием

распространения электромагнитных колебаний между БС и МТ и естественно низкая. Единственный способ повышения точности локализации -увеличение плотности размещения БС, уменьшающее расстояние между ними и МТ.

Аналогом локационного метода МТ в сетях сотовой связи стандарта GSM можно считать метод Cell ID +TA, в котором измерение времени распространения сигналов (TA - Time Advance) между БС и МТ с низкой инструментальной точностью (1,8 мкс), позволяет увеличить точность локализации по сравнению с методом Cell ID. В сотовых сетях UMTS измерение времени распространения сигналов между БС и МТ проводится с более высокой инструментальной точностью (0,27 мкс), что приводит к соответствующему уменьшению погрешности локализации.

Погрешности измерений времени распространения сигнала. На измеренную величину времени распространения сигналов, естественно, влияет скорость прохождения электромагнитных колебаний в среде. Например, локальная скорость электромагнитных волн с частотой ю определяется электрофизическими параметрами среды распространения в данной области пространства:

V = — = 1 I2'cos

эм а + cos(S)'

8 = arg(—X

а -е

где ц — абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; е - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; о - удельная электропроводимость, См/м.

В неоднородных средах (помещения с множеством перегородок) указанные параметры являются пространственно зависимыми и их значения, как правило, неизвестны для реальных условий, в которых работает БИТС.

Погрешности измерений азимута. Измерение азимутов принимаемых (передаваемых) сигналов в радиолокации и радиопеленгации основано на применении антенн с управляемыми диаграммами направленностями в пространстве, например фазированных антенных решеток. Инструментальная точность измерения азимута связана со сложностью конструкции антенны. Такие антенны по экономическим соображениям пока не применимы в БИТС.

Азимут может быть измерен не для прямого, а для отраженного сигнала, или сигнала, изменившего направление распространения при преломлении в неоднородной среде распространения. В этом случае возникает погрешность в измерении направления принимаемого (передаваемого) сигнала.

Погрешности измерений уровня мощности. Современные MT могут выполнять измерения мощности принимаемых сигналов. Например, в сотовых сетях стандарта GSM измеряется уровень мощности принимаемого сигнала RxL (RxLevel - Received Signal Level). В БИТС дру-

гих стандартов приемниками измеряется уровень мощности, называемый RSS (Received Signal Strength). Инструментальная точность измерения уровней мощности, как правило, невысокая 2-6 дБм.

На рис. 2 показано изменение уровня мощности принимаемого МТ сигнала в действующей сети стандарта GSM в сельской местности. Передатчик БС находился на расстоянии 6200 м от МТ; измерения проведены нами.

Средний уровень рассматриваемого сигнала RxL = -73,2 дБм, среднеквадратичное отклонение равно 3,3 дБм.

Уровень мощности принимаемого сигнала следует признать параметром, измеряемым с наибольшими погрешностями. Однако в ряде практических случаев результат его измерения может быть единственно пригодным для локализации МТ.

Погрешности локализации. На втором и третьем этапах локализации случайные погрешности измеренных параметров переходят в ошибки определения местоположения МТ. Существенное влияние на точность локализации оказывает так называемый «геометрический фактор», т. е. взаимное расположение БС и МТ, проявляющий себя на заключительном этапе локализации.

Рисунок 3 иллюстрирует результаты статистического моделирования задачи локализации МТ дальномерным методом по сигналам двух БС, равноудаленным от МТ при одинаковых погрешностях измерений расстояний (5 %) и двух вариантах геометрического фактора (а и б).

Погрешности определения местоположения

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ВО 65 70 75 80 85

Рис. 2. Изменение уровня мощности принимаемого сигнала

Рис. 3. Влияние геометрического фактора

точки М отличаются в рассматриваемом примере приблизительно в три раза.

Рассмотрим далее новые методы локализации МТ в БИТС, обладающие инвариантностью к мощности принимаемых сигналов с изложением некоторых результатов их экспериментальных исследований.

Относительно-дальномерный метод локализации. Один из новых методов, рассмотренный в [5], получил название относительно-дальномерного. Рассмотрим известное энергетическое соотношение [6], связывающее уровни мощности сигналов передающего и приемного устройств:

ЯхЬ = Р1 + а0 + ау + ан + ак + аЯ  ^

где Р1 - уровень мощности передающего устройства; ЯхЬ - уровень мощности принимаемого сигнала; а. - слагаемое, учитывающее влияние частоты колебания; ан - слагаемое, учитывающее влияние передающей антенны Н; ак - слагаемое, учитывающее влияние приемной антенны к; аК - множитель в слагаемом, учитывающим влияние расстояния между передающим и приемным устройствами Я.

Если в БИТС выбрать две базовые точки А и В с одинаковыми высотами ненаправленных передающих антенн, излучающих колебания с близкими частотами (аА/ = ав) и известными мощностями передающих устройств (РА; РВ1), то при одинаковых условиях распространения электромагнитного поля и ненаправленной приемной ан-

тенне, получаем соотношение

dRxLBA = dRxLB - dRxLA =

= P2B - P2A + aR • [lg(RMB ) - lg(RMA )] дБм,

откуда следует выражение

dRxLBA -P2B - P2A

qRBA =

R

R

= 10

дБм,

связывающее отношение расстояний (RMA и RMB) между МТ, находящимся в неизвестной точке М и БТ, с разностью уровней принимаемых МТ сигналов.

Отношение расстояний позволяет построить окружность Аполлония (рис. 4), одна из точек которой является точкой местонахождения локализуемого МТ.

Другая пара базовых точек A и C позволяет построить вторую окружность Аполлония, которая пересекается с первой окружностью в двух точках, одна из которых является локусом МТ.

Выбор нужного локуса из двух возможных можно провести с привлечением дополнительного условия, определяемого особенностями БИТС, расположением МТ или использованием сигнала еще одной БС.

Метод локализации по отношениям расстояний инвариантен условиями распространения электромагнитных колебаний в однородной среде.

На рис. 5 представлен для иллюстрации один из результатов экспериментальных исследований локализации МТ в действующей сети сотовой связи стандарта GSM оператора «МегаФон».

Локус МТ определяется точкой пересечения:

200

-200

-250

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150

Рис. 4. Локализация по отношениям расстояний

200

окружности Аполлония, построенной по сигналам двух базовых станций (БС № 1483 и БС № 149), расположенных в районе Мурманского шоссе Ленинградской области;

окружности, соответствующей времени распространения ТА, измеренного обслуживающей БС № 1483.

Погрешность локализации в рассмотренном примере составила 270 м или 10 % от расстояния между МТ и БС-149, что практически соответствует погрешности измерения ТА = ±275 м.

Метод локализации по пеленгу. Другой ме-

-14000 -12000 -10000 ^000 ШЮ -4000 -2000

Рис. 5. Локализация по отношениям расстояний и ТА

тод локализации, инвариантный к уровню мощности принимаемого сигнала, основан на определении пеленга от БС на МТ с использованием информации о характеристиках направленности передающих антенн БС.

В сотовых сетях стандарта GSM и UMTS часто возникает ситуация, при которой возможно оценить пеленг на МТ. Такая ситуация появляется, если МТ измеряет уровни мощности двух передатчиков A и B одной БС с близкими несущими частотами. Как правило, мощности передающих устройств равны, передающие антенны одного типа, с известными диаграммами направленности. В этом случае на основе двух энергетических соотношений (2) получаем выражение:

dRxLBA = RxLB - RxLA = aHB - aHA дБм.

Разность уровней мощности принимаемых сигналов связана с характеристиками направленности передающих антенн передатчиков A и B одной базовой станции.

На рис. 6 отражены данные эксперимента, когда от одной БС № 1350 (район Мурманского шоссе Ленинградской области) МТ принимает сигналы с рабочими частотами в диапазоне 900 МГц и уровнями мощности -55,2 дБм и -59,7 дБм от двух передающих устройств, азимуты которых 160° и 90° соответственно.

-2000

-3000

-4000

-5000

5000 6000 7000

Рис. 6. Локализация с применением пеленга и ТА

8000

В этом случае пеленг определен по разности уровней мощности с использованием известных диаграмм направленности антенн в горизонтальной плоскости.

Радиус окружности, соответствующей ТА, определяется с погрешностью ±275 м. В сочетании с ошибкой вычисления пеленга в рассматриваемом случае погрешность локализации (точка

Таблица 2

Точность методов локализации МТ в БИТС

Число базовых точек Метод локализации 5М (Р = 0,9) Примечание

1 Локационный < 011 Погрешности вычислений: расстояние - 5 %; угол - 3°

2 Пеленгационный 0,11 .„0,3 Погрешности вычислений: пеленг - 3°. Геометрический фактор

Дальномерный 0,11 .0,15 Погрешности вычислений: расстояние - 5 %. Геометрический фактор

3 Гиперболический 0,047 .1,5 Погрешности вычислений: разности расстояние - 5 %. Геометрический фактор

Относительно-дальномерный 0,07 .0,6 Погрешности вычислений: отношения расстояний - 10 %; альтернативная точка. Геометрический фактор

МТх1) составила 310 м.

Сравнение точности методов локализации.

В табл. 2 приведены оценки точности методов локализации при заданных погрешностях вычисления геометрических данных.

Результаты получены статистическим моделированием различных методов локализации. Доверительный интервал относительных отклонений вычисленных координат 5М соответствует доверительной вероятности р = 0,9 при объемах выборки 100 000 измерений. Расстояния между БС и МТ одинаковы для всех методов.

Худшие значения точности в таблице получены при учете влияния геометрического фактора, который проявляется во всех методах локализа-

ции, за исключением локационного.

Локализация МТ в БИТС может выполняться на основе множества методов, выбор которых должен проводиться в зависимости от возможности измерений МТ и БС параметров принимаемых сигналов с требуемой точностью.

Особое внимание следует обратить на методы локализации, инвариантные к условиям распространения электромагнитных колебаний в неоднородной среде.

Сравнительно низкая точность локализации МТ в БИТС, зависящая от расстояний между МТ и БС, определяется использованием только имеющихся аппаратно-программных ресурсов БИТС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Smith, W. Passive Location of Mobile Cellular Telephone Terminals [Электронный ресурс] / W. Smith // Security Technology, IEEE International Carnahan Conf. Oct. 1991.

2. Громаков, Ю.А. Технология определения местоположения в GSM и UMTS [Текст] / Ю.А. Громаков. -М.: ЭКО - ТРЕНДЗ, 2005.

3. Шебшаевич, В.С. Сетевые спутниковые радионавигационные системы [Текст] / В.С. Шебшаевич [и др.]. -2 изд. -М.: Радио и связь, 1993.

4. Анализ состояния и тенденции развития российского рынка LBS-услуг на основе сетей СПС: Аналитический обзор [Текст]. -М.: ЗАО «Современные Телекоммуникации», 2007.

5. Сиверс, М.А. Способ определения местонахождения мобильного терминала в беспроводной информационной сети [Текст] / М.А. Сиверс, О.В. Кустов [и др.]: Патент № 2360378 от 18.12.2007.

6. Милютин, Е.Р. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона [Текст] / Е.Р. Милютин [и др.]. -СПб.: Триада, 2003.

УДК 621.391;621.394/396;654.1

В.Ю. Садовников

ОПТИМИЗАЦИЯ ДОСТУПА К FMC-УСЛУГАМ НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЯ РАВНОМЕРНОй БАЛАНСИРОВКИ НАГРУЗКИ

между сетями доступа при миграции абонента

Происходящая в области телекоммуникаций конвергенция фиксированной и мобильной связи (FMC - Fixed-Mobile Convergence) призвана объединить существующее сегодня множество гетерогенных сетей, порой несовместимых между собой и представляющих различные услуги, в единое целое - мультисервисную сеть.

Попытка создания мультисервисной сети на базе ISDN потерпела неудачу в связи с ограниченностью ресурса и дороговизной реализации, но по мере развития сети ОКС J№ 7 возникла идея досту-

па к инфокоммуникационным услугам, адаптируемого в согласии с сетевыми конфигурациями. Появившаяся необходимость объединения услуг в рамках мультисервисных услуг привела к концепции NGN (NGN - Next Generation Networks) и вытекающему из нее новому стандарту IMS (IP Multimedia Subsystem). Однако вопрос доступа к услуге остается по-прежнему открытым: абонент ограничен в перемещении. Сегодня современной полномасштабной трактовкой такого доступа является концепция Always Best