Новые модели:

Новые обзоры:

Системы позиционирования в сотовых сетях, принципы и существующие технологии.

Система глобального позиционирования (GPS) в представлении не нуждается, о ней уже написано множество материалов. GPS-приемники можно увидеть на улице в руках у людей, технология нашла применение в различных областях жизни. В то же время, немногие знают, что на основе существующих GSM-сетей возможно построение локальных систем позиционирования, которые будут применяться в зоне действия сети. Если взять в расчет тот факт, что покрытие GSM-сетей в развитых странах, как правило, соответствует территории всей страны, то становятся понятны перспективы, открывающиеся перед технологией позиционирования, не требующей покупки дополнительных приспособлений. В роли устройства позиционирования будет выступать обычный сотовый телефон, что позволит захватить широкие слои населения. По различным прогнозам объем рынка позиционирования в сотовых сетях к 2005 году составит от 5 до 33 млрд. долларов, причем многие эксперты сходятся в том, что сервисы будут востребованы.

Уже сегодня существует возможность построения интересных сервисов, некоторые их прообразы мы видим среди предложений операторов. К примеру, вы можете узнать адреса близлежащих заправок или супермаркетов. Эта услуга определяет номер базовой станции (наилучший сигнал), с которой поступил ваш запрос (звонок, короткое сообщение, wap-обращение) и, уже зная местоположение последней, отыскивает в базе адреса. Как видите, точного позиционирования нет, тут все весьма приблизительно.

В будущем, очевидным применением системы позиционирования станет предоставление актуальной информации, привязанной к вашему местоположению. Чтобы лучше понять смысл этой фразы, рассмотрим простой пример.

Вы находитесь в незнакомом районе или вообще в другом городе, плохо ориентируетесь, а нужно срочно добраться до определенного пункта. Сейчас вы кидаетесь к прохожим и теряете драгоценное время, пытаясь объяснить, куда вам нужно, и запомнить их сбивчивые объяснения. За рубежом проблема приобретает еще большие масштабы - те, кто хоть раз заезжал к черту на куличики, следуя уверенным советам обывателей, поймут меня. А теперь давайте представим ситуацию, когда вы, достав свой мобильный телефон, набираете (выбираете из стандартных) запрос, и получаете карту района, в котором вы находитесь. Более того, можно попросить карту с отмеченными остановками общественного транспорта, это уже интереснее. Теперь конкретизируем наши поиски и указываем, что нам нужно попасть в определенный район - на карте отображаются только те остановки, что нужны нам для достижения этой цели. И наконец, на телефон приходит расписание движения транспорта (в Европе городской транспорт действительно ходит по расписанию). А если вы не будете слишком опаздывать, то, передав свои координаты, вы сможете вызвать такси, которое достаточно быстро вас подберет. В этом случае вы просто передадите информацию о своем местоположении. Причем в рассматриваемом примере информация на телефон может поступать как в графическом виде, так и текстовом, вы вольны выбирать ее формат сами. Сразу оговорюсь, что всего лишь один небольшой пример применения подобных технологий в жизни, есть множество других: поиск знакомых поблизости, контроль за больными людьми, отслеживание грузов и т.п.

Системы мобильного позиционирования

Все технологии связанные с определением местоположения в сотовых сетях называют Mobile Location Service (MLS). При этом следует различать услуги по определению точного положения (координаты х, у, location-based service) и сервисы, привязанные к местонахождению пользователя (район, область, location-dependent service). В первом случае это услуги по навигации, получению актуальной информации, связанной с координатами, во втором же знания точных координат не требуется, система оперирует понятием “район” (location). Для предоставления услуг связанных со знанием района, в котором находится пользователь, не требуется практически никаких вложений со стороны как оператора, так и пользователя. Используется существующее оборудование, в том числе и мобильные телефоны. Примером подобной услуги могут служить широковещательные сообщения, они изменяются в зависимости от местоположения абонента. Так, в московской сети МТС при нахождении в городе это зона “Столица”, за ее пределами - “Область”. Это простейшая услуга, которая организована по территориальному принципу, подобным же образом организован поиск ближайших заправок, больниц, кинотеатров и прочих необходимых мест: с телефона просто поступает запрос, при этом на стороне оператора имеется информация, с какой базовой станции он поступил. По базе данных объектов производится поиск ближайших, затем в том или ином виде они передаются на телефон пользователя. Интересно, что качество услуги в данном случае зависит лишь от того, насколько скрупулезно была составлена база объектов, к каким станциям они были отнесены. Ведь зачастую близко расположенный объект может быть практически недоступен из-за отсутствия дорог к нему, а тот, что лежит чуть далее, наоборот, более удобен. На этом рассказ о location-dependent сервисах можно закончить, отметив лишь, что подобные услуги весьма популярны в стандарте I-mode.

Перейдем к технологиям, которые используются для определения местоположения в сотовых сетях. На сегодняшний день их можно разделить на три больших группы по методам расчета координат.

GPS(Global Positioning System) - применение стандартных GPS-приемников, вмонтированных в телефоны или технология A-GPS; в последнем случае для расчета координат дополнительно используется информация из сети.
Cell Identifications - у метода расчета координат на основе ячеек сети есть множество вариаций, это Service Area Identity для 3G, LocWAP, enhanced Cell-ID, Timing Advance(TA), round Trip Time(RTT), RX levels.
Методы, основанные на расчете задержки сигнала - Enhanced Observed Time Difference (E-OTD GSM), Advanced Forward Link Triangulation (AF-LT CDMA), Idle Period Downlink(IP-DL WCDMA).

Предлагаю посмотреть на рисунок показывающий точность различных методов определения координат. Как видите, лидирует по этому параметру традиционный GPS, а также A-GPS, с них и начнем наш экскурс.

GPS и A-GPS. Наиболее простым и логичным решением было встроить обыкновенные GPS-приемники в такие же обыкновенные сотовые телефоны. В этом случае не нужно затрачивать большие суммы на разработку сетевых устройств и протоколов, а пользователь моментально получал аппарат с наибольшей точностью определения координат. Первый недостаток, с которым столкнулись производители - это высокая цена устройства, а также его большие размеры и малое время работы в режиме определения координат. К сожалению, до сегодняшнего дня решить эти вопросы так и не удалось: устройства громоздки, время их работы около 1-2 суток, а при постоянном отслеживании координат - всего несколько часов. Но при этом получаемые координаты очень точны.

В ближайшее время можно ожидать миниатюризации GPS-приемников, применяемых в сотовых телефонах, уменьшится и энергопотребление. Пока же на европейском рынке представлены лишь аппараты от Benefon: Benefon ESC!, а также Benefon Track. Последний предназначен для профессионального применения. К сожалению, компания Benefon в начале этого года сообщила о намерении уйти с рынка пользовательских терминалов, как следствие эти модели будут поддерживаться, но новых мы уже не увидим. Аналогичных предложений от других компаний пока нет, лишь Nokia начала продажи GPS-модуля для своего коммуникатора 9210. Рассматривать этот продукт нужно как отдельное устройство, каковым он и является. Подобные 12-канальные приемники для КПК давно уже присутствуют на рынке, это устройство не исключение. Просто впервые был создан GPS-приемник именно для GSM-смартфона в виде отдельного устройства.

В будущем применение мобильных телефонов со встроенными GPS-приемниками позволит создать множество интересных сервисов (тот же вызов такси на место). Но в данный момент существует еще несколько технических проблем, которые ждут своего разрешения. Так, пользователи обычных GPS-приемников знают, что определение координат возможно лишь на открытых пространствах, в зданиях приемники не работают - не хватает мощности сигналов со спутников. В больших городах зачастую сигнал экранируется расположенными вокруг зданиями. Последний минус заключается в долгом времени расчета первоначальных координат, оно в среднем составляет около минуты, что недопустимо для услуг в сотовых сетях. Производители и операторы сотовой связи постарались обойти эти ограничения, задействовав в определении координат саму сотовую сеть. Именно поэтому технология называется A-GPS (от английского слова assisted), т.е. это система глобального позиционирования с поддержкой от сотовой сети.

Процесс определения координат в этом случае выглядит несколько иначе. Сигнал также поступает на мобильный телефон, но затем он передается на базовую станцию, которая и рассчитывает координаты телефона, передавая затем их обратно. Точность расчетов может составить от 5 до 50 метров, в то время как обычный GPS обеспечивает от 0,1 до 30.

Более того, в некоторых сетях, (к примеру, CDMA) базовые станции могут быть оснащены своими GPS-антеннами и, соответственно, приемниками. Они могут выступать в качестве ретранслятора сигнала от спутников, при этом по понятным причинам возникает дополнительная погрешность, и точность определения координат уменьшается (от 5 до 400 метров). Таким образом, достигается работа сервиса даже там, где в прямой видимости нет спутников или сигнал достаточно слабый (помещения в том числе). Время расчета текущих координат составляет от 20 до 40 секунд, в среднем это все-таки 20 секунд.

Перекладывание части функций на сетевое оборудование позволяет уменьшить размеры телефонов, увеличить их время работы - сегодня они практически ничем не отличаются от обычных сотовых аппаратов. Правда, это модели высшего ценового диапазона, так как требуется не только изменение самой трубки, но и сетевой инфраструктуры. Тем не менее, стоимость мобильных телефонов с A-GPS меньше, чем стоимость просто телефонов с GPS. Объясняется это тем, что на услуге A-GPS операторы связи способны заработать деньги и берут за ее предоставление абонентскую плату. При покупке же устройства оно частично дотируется ими, за счет этого и получается меньшая цена.

Уже сейчас действует несколько сетей A-GPS, одной из первых в коммерческую эксплуатацию в ноябре 2001 года в Японии вступила сеть GPSOne от KDDI. Сервис получил название eznavigation, его поддерживает три модели телефонов от Hitachi: C3001H, C3002H и C5001T, а также SANYO A3011SA. Причем одновременно с запуском определения координат стали доступны и дополнительные услуги. За плату в 300-600 йен ( долл.) в месяц, пользователь получает возможность загружать карты местности на телефон, создавать и сохранять свои маршруты, отправлять их другим пользователям по электронной почте. Также есть поиск объектов на карте, создание маршрута до выбранного объекта с выбором транспорта (общественный, автомобиль, пешком).

Интересна функция по защите жизни людей - при нажатии на выделенную клавишу ваши координаты отправляются в службу спасения. Как один из вариантов систем безопасности - услуга, при которой любое отклонение от заданного маршрута регистрируется, и на ваш домашний или рабочий ПК приходит извещение об этом.

Такой сервис полезен для больных расстройствами памяти, для контроля прогулок детей.Если говорить о технических характеристиках самих телефонов, то они весьма примечательны. Это обычные по дизайну трубки, с цветными дисплеями (4096 цветов в C3001H, уже в следующей модели будет 65 тысяч цветов), разрешением экрана 120х162 точки (это минимальное разрешение, максимальное - 144х176 у C5001T). При этом размеры и вес телефонов весьма небольшие, все аппараты весят от 86 до 100 г. Заявленное время работы в режиме ожидания от 200 до 230 часов, что не может не впечатлять.

Технически определение координат в системе A-GPS в этой сети реализовано следующим образом. При наличии сигнала со спутников идет определение координат по трем спутникам, расчет производится сетевым оборудованием. Если сигнала со спутников нет, то расчет производится на основе показаний не менее чем 20 базовых станций.

В ближайшие годы появится множество подобных устройств, во всяком случае, для сетей третьего поколения. Одна из первых ласточек - это телефон Motorola A820, его размеры также весьма невелики, да и вес около 100 г.

Cell Identifications. Из одной крайности перейдем к другой, рассмотрим наименее точные системы, а именно расчет координат на основании информации от базовой станции. Итак, метод Cell ID предполагает, что пользователя можно идентифицировать по активной соте, в которой он расположен. При этом не требуется доработки телефона, да и изменения в программном обеспечении оператора минимальны. Но точность определения координат может составлять от 150 метров в городе до 35 километров за его чертой. Назвать эти величины приемлемыми нельзя.

Поэтому появилась более точная методика определения координат под названием CI+TA, где ТА - Time Advanced, время прохождения сигнала от телефона до базовой станции. Это время замеряется любым аппаратом, в частности, параметр ТА доступен из инженерного меню. Итак, на первом этапе определяется базовая станция, с которой работает телефон, при этом расстояние и направление до него неизвестны. С помощью временной задержки рассчитывается удаление телефона, получаем окружность, на которой может располагаться терминал. Учитывая, что базовые станции имеют антенны, расположенные по секторам, можно узнать, в каком секторе находится аппарат. Вот и все, мы получили примерные координаты телефона. Проблема в том, что сектор составляет от 30 до 45 градусов, и разброс величин остается достаточно большим (в среднем точность около 200-300 метров).

Существует еще один интересный способ определения координат в сотовых сетях, который задействует базовые станции. UpLink Time Of Arrival (UL-TOA) - расчет, при котором измеряется время прохождения сигнала не от одной базовой станции, а сразу от трех. Основным условием работы является синхронность времени на всех станциях (относится больше к GSM, в CDMA время синхронизировано по умолчанию). Итак, получив со стороны телефона запрос, все три базовых станции передают время его получения в центр расчета координат. Далее достаточно решить систему уравнений, и текущие координаты пользователя будут получены.

R1=v*t

R2=v(t+t1)

R3=v(t+t2)

Здесь Rx - расстояние от базовой станции до терминала; t - время прохождения сигнала до “первой” БС; t1 и t2 - разница во времени поступления сигнала на первую БС и на остальные БС; v - скорость распространения радиоволн. Три неизвестные величины (Rx выражается через x, y): t, x, y. Для повышения точности можно использовать четыре БС, а не три.

Этот метод также не требует изменения мобильных телефонов, но требует серьезных инвестиций в инфраструктуру сети, как следствие при точности от 100 до 300 метров, назвать его чрезвычайно перспективным нельзя.

Расчет задержки сигнала.

Рассмотрим здесь лишь технологию Enhanced Observed Time Difference (E-OTD), предназначенную для сетей GSM, принципы работы других систем схожи. В E-OTD измеряется время одновременного прохождения сигнала от базовой станции до мобильного терминала, а также до другой известной точки(базовой станции), которая называется Location Measurement Unit (LMU). Для точного расчета координат нужно, по меньшей мере, три базовых станции, затем методом триангуляции находится положение терминала. Расчет координат может проводиться как в сети оператора, так и на мобильном терминале. Во втором случае на само устройство накладываются некоторые требования, в первом случае доработка телефона не нужна. Итак, различают два метода получения координат: круговой (circular) и гиперболический (hyperbolic). Они отличаются лишь в степени погрешности определения координат, заложенных в расчет, а также изначальном положении терминала относительно базовых станций. В остальном расчеты идентичны, рассмотрим ниже E-OTD-С.

E-OTD-С. В методе измеряется время получения сигнала от базовой станции на мобильный терминал, а также на контрольной точке (базовой станции). При расчетах используется 5 величин:

Mobile Observed Time - время, за которое сигнал приходит от базовой станции до терминала. Время рассчитывается согласно показаниям часов мобильного терминала.
Location Observed Time - время, за которое сигнал приходит от базовой станции до контрольной точки измерений. Время рассчитывается согласно показаниям часов точки измерения(базовой станции).
Смещение(разница) времени между внутренними часами телефона и часами контрольной точки.
DMB(Distance from MS to BTS) - геометрическое расстояние от мобильного телефона до базовой станции.
DLB(Distance from LMU to BTS) - геометрическое расстояние от контрольной точки измерений до базовой станции.

Эти величины связаны между собой следующим образом:

При этом V - это скорость сигнала(скорость радиоволн). Для каждой базовой станции составляется свое такое уравнение. Это делается из-за того, что в системе присутствует три неизвестных величины: позиция мобильного терминала (x,y), а также неизвестная величина смещения. Таким образом, мы получаем именно три базовых станции, необходимых для расчета. Приблизительное положение терминала определяется пересечением трех окружностей, в центре каждой находится базовая станция. Радиус окружностей определяется как время задержки сигнала. Невозможность определения точного радиуса получила название степени погрешности определения координат(measurement error margin). Впрочем, взгляните на иллюстрацию, думаю, все станет понятно.

Напоследок стоит отметить, что стоимость внедрения этой технологии относительно невысока, требуется затраты лишь на сетевую часть инфраструктуры, замены мобильных терминалов не требуется, хотя она и возможна. Все, это позволяет считать E-OTD достаточно взвешенным решением, которое наверняка будет популярно у операторов. Точность измерений составляет от 40 до 150 метров.

Подведение итогов

С появлением технологий позиционирования в сетях сотовой связи на первый план выходят проблемы безопасности. Думаю, не нужно объяснять, что координаты вашего местоположения, которые могут быть получены третьей стороной, представляют угрозу вашей безопасности (как физической, так и информационной). Механизмов, которые обеспечили бы с одной стороны прозрачность и простоту сервера, а с другой защитили бы пользователей, пока не существует. Более того, некоторые технологии позволяют получать координаты мобильных терминалов без участия пользователя в этом процессе. Применяться эти координаты могут как с благими целями, например, для отслеживания пробок на дорогах и скоплений людей, прогнозирования наиболее удобных объездных путей, так и в фискальных целях третьими лицами. На первый план выходят проблемы аутентификации запросов, защиты информации, т.е. оснащение телефонов и сетей криптографическими функциями.

Если говорить о собственно технологиях позиционирования, то они будут доступны уже в ближайшие несколько лет, их прообразы мы видим сегодгя в уже существующих сетях. Наиболее активно внедряются технологии позиционирования в американских сетях связи, там к этому операторов связи вынуждают принятые федеральные законы после событий 11 сентября. Несомненно одно, что с появлением дешевых и относительно точных систем позиционирования мир сильно изменится. С однйо стороны он станет более удобным, с другой появятся новые ограничения, нам же осталось подождать всего нескольколет и увидеть это своими глазами.

Эльдар Муртазин ([email protected])
Опубликовано — 23 июля 2002 г.

Есть, что добавить?! Пишите... [email protected]

Новости:

13.05.2021 MediaTek представила предфлагманский чипсет Dimensity 900 5G