CC BY
45
PREGLEDNI ČLANCI REVIEW PAPERS
RADIO-LOCIRANJE MOBILNE STANICE U MREŽAMA TREĆE GENERACIJE
Milan M. Šunjevarić, Institut za sisteme zasnovane na računarima RT-Rk, Novi Sad, Srbija Mladen B. Veletić, Elektrotehnički fakultet, Banja Luka, Republika Srpska, Bosna i Hercegovina,
Branislav M. Todorović, Institut za sisteme zasnovane na računarima RT-RK, Novi Sad, Srbija
OBLAST: telekomunikacije VRSTA ČLANKA: pregledni članak
Sažetak:
Radio-lociranje mobilnih stanica u radio-mrežama počelo je jed-nostavnijim metodama (npr. Cell-ID metoda) koje su zahtevale samo manje modifikacije na mreži i uglavnom se radilo o mrežnom lociranju pomoću kojeg je ova usluga bila raspoloživa za sve vrste mobilnih tele-fona. Zbog male preciznosti pokrenut je razvoj sofisticiranijih metoda koji još uvek nije završen. Među naprednijim lokacijskim metodama na-laze se i one koje se zasnivaju na merenju lokacijskih parametara u vremenskom domenu. U ovom radu prikazana su opšta razmatranja radio-lokacijskih metoda u radio-mrežama sa detaljnom analizom metoda lociranja mobilne stanice u 3G (UMTS) mrežama na bazi merenja lokacijskih parametara u vremenskom domenu. Zbog ograničenog obi-ma članka, primena ostalih metoda za lociranje u 3G mrežama (na ba-zi merenja snage, na bazi merenja radio-smerova, na bazi identifikacije ćelije - Cell ID i na bazi globalnog sistema pozicioniranja) nisu detaljni-je prikazane u ovom članku.
Ključne reči: radio-lociranje, mobilna stanica, mreže treće generacije, li-nija položaja, angulacija, lateracija, vreme dolaska, razlika vremena dolaska.
Ovaj članak je nastao u okviru rada na projektima TR-32030 i TR-36029 koje je delimično fi-nansiralo Ministarstvo za prosvetu i nauku Republike Srbije.
DOI: 10.5937/vojtehg61-1754
micosun@eunet.rs
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
Uvod
Radio-lociranje1) mobilne stanice (MS)2) unutar savremenih ćelij-s kih mreža treće generacije povećava nivo bezbednosti korisni-ka i otvara široke komercijalne mogućnosti za operatere koji omogućuju ovu uslugu. Najveća prepreka za realizaciju ove usluge, koja ograničava njegovu praktičnu primenu, jeste potreba za modifikacijom postojeće mrežne infrastrukture.
U zavisnosti od korišćene infrastrukture, metode radio-lociranja dele se na dve grupe: integrisane i samostalne metode (Simić, 2009).
Integrisane metode radio-lociranja odnose se na lociranje u radio-mrežama čija primarna funkcija nije lociranje. Najčešće, ovakve mreže su prvenstveno projektovane za komunikaciju, a mogućnost lociranja kori-snika predstavlja samo još jednu novu uslugu u okviru radio-mreža. Tipi-čan primer su ćelijske mreže poput GSM i UMTS (Melikov, 2011). Posto-jeće komponente i protokoli dobijaju dodatne funkcije i bivaju modifikova-ni u skladu sa zahtevima konkretne usluge koja se bazira na poznavanju lokacije/pozicije korisnika ili objekta od interesa (LBS - engl. Location Based Services). Prednost integrisanih metoda lociranja je u tome što predstavljaju nadogradnju na postojeću infrastrukturu, tako da nije po-trebna zasebna mreža namenjena samo lociranju, čime su znatno sma-njeni troškovi implementacije. Nedostatak integrisanih metoda je u tome što usluga lociranja dodatno opterećuje mrežu. Sva merenja neophodna u postupku lociranja obavljaju se na postojećoj radio-opremi, koja je opti-mizovana za komunikaciju, a ne za lociranje, što može negativno uticati na saobraćaj u mreži.
Samostalne metode lociranja odnose se na lociranje u okviru infra-struktura koje su potpuno nezavisne od komunikacione mreže u kojoj je korisnik čija se lokacija određuje. Za razliku od integrisanih metoda, ra-dio-oprema je u ovom slučaju isključivo namenjena za potrebe lociranja. Tipičan primer sistema koji koristi ovaj tip infrastrukture je sistem za glo-balno pozicioniranje (GPS - engl. Global Positioning System) (Grewal, Weill, Andrews, 2001). Osim GPS, važni predstavnici za ovakvu infrastrukturu su sistemi koji su posebno projektovani za potrebe lociranja u zatvorenom prostoru (indoor), kao što su kancelarije, poslovni centri i aerodromi. Nedostatak samostalnih metoda jeste što one zahtevaju da
11 Drugi naziv za radio-lociranje (engl. Radio-location) je radio-pozicioniranje (engl. Radio-positioning).
2) U ovom radu termin mobilna stanica (MS) koristi se za označavanje mobilne stanice (Mobile Station - MS) u GSM mrežama, korisničke opreme (User Equipment - UE) u UMTS mrežama i mobilnog terminala u bežičnim mrežama generalno. Takođe, termin bazna stanica (BS) kori-stiće se za označavanje bazne stanice (Base Station - BS) u GSM mrežama, čvora B (Node B) u UMTS mrežama i pristupne tačke u bežičnim mrežama generalno. Prema tome, MS i BS su skraćenice srpskih izraza.
korisnik poseduje posebne mobilne stanice kako bi se mogla odrediti lo-kacija, što poskupljuje implementaciju. Nekada to predstavlja modifikaciju standardnih mobilnih stanica za komunikaciju, ali vrlo često su to i potpu-no specifični uređaji. Takođe, potrebni su mehanizmi za razmenu podata-ka između komunikacione i potpuno nezavisne lokacijske mreže.
Metode radio-lociranja, zavisno od mesta gde se vrše merenja lo-kacijskih parametara, dele se na: mrežne (engl. Network-based) metode i metode zasnovane na merenjima na individualnoj radio-stanici ili stanične metode lociranja (engl. Mobile-based). Mrežne metode locira-nja su metode gde sva neophodna merenja, kao i sam proračun lokaci-je mobilne stanice, vrši mreža. Stanične metode lociranja su metode gde mobilna stanica vrši sva neophodna merenja i na osnovu njih raču-na sopstvenu lokaciju. Postoje i hibridna rešenja, kada sva neophodna merenja vrši mobilna stanica, te podatke šalje mreži gde se vrši konačni proračun lokacije mobilne stanice. Ove metode nazivaju se mrežne metode podržane mobilnom stanicom (mobile-assisted-network-based) ili, češće, samo stanicom podržane metode (mobile-assisted). Konačno, postoji i scenario kada sva neophodna merenja vrši mreža, te podatke šalje mobilnoj stanici gde se vrši konačni proračun lokacije. Ove metode nazivaju se stanične metode podržane mrežom (network-assisted-mobile-based), ali gotovo da se u praksi ne primenjuju. Treba naglasiti da mrežne metode ne zahtevaju nikakve promene na postojećim mobil-nim stanicama, što je vrlo značajna prednost u odnosu na stanične ili hibridne metode lociranja. Zbog ove prednosti, bez obzira na to za koje se rešenje odluče, operateri najčešće ostavljaju bar jednu mrežnu me-todu kao alternativno rešenje lociranja u sopstvenoj mreži, kako ne bi izgubili korisnike koji nisu raspoloženi da zbog dodatne usluge kupuju nove mobilne terminale.
Određivanje lokacije mobilnog korisnika u ćelijskim mrežama omo-gućava niz značajnih usluga koje mogu da ponude postojeći ćelijski si-stemi. Mobilni operateri u okviru svojih mreža uvode nove protokole, a često i nove hardverske komponente koje bi podržale lociranje zadovolja-vajuće tačnosti (CGALIES, 2002). Počev od 1996. god. kada se prvi put javila ideja o lociranju korisnika u ćelijskim radio-mrežama, razvijen je veliki broj ćelijskih metoda lociranja. Za razliku od satelitskog, ćelijsko lociranje uvek se realizuje kao integrisana infrastruktura. Dostupnost je dobra, naročito ako se ima u vidu da ovu uslugu treba realizovati na nivou jedne države, jer je to najčešće područje rada jednog operatera, za razliku od satelitskog koje ima globalno pokrivanje. Takođe, za razliku od satelitskog, ćelijsko lociranje nema ograničenja samo na outdoor uslove. Štaviše, najvećim delom i funkcioniše u indoor okruženju. Ipak, jedan od velikih problema ćelijskog lociranja predstavlja mogući negativni uticaj LBS usluge na kapacitet ovih sistema. Naime, LBS usluga zahteva do-
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
datnu signalizaciju u mreži i, naročito kada se zahteva visoka tačnost, zahteva prilične resurse koji se zbog toga ne mogu koristiti za prenos go-vora ili podataka.
Što se tiče primene metoda lociranja u ćelijskim mrežama treće ge-neracije, Evropski institut za standardizaciju u telekomunikacijama ETSI (European Telecommunications Standards Institute) odgovoran je za standardizaciju tehnika lociranja za UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) mreže u okviru Grupe za standardizaciju treće genera-cije mobilnih mreža (3GPP Third Generation Partnership Project). Posto-je četiri standardizovane metode koje koriste zemaljske UMTS mreže (UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN) (Functional specification of UE positioning in UTRAN, 2007):
- metod na bazi ćelijske identifikacije (Cell ID),
- metod na bazi procene razlike vremena dolaska OTDoA (Observed Time Difference of Arrival),
- metod na bazi procene razlike vremena dolaska na uzlaznoj vezi U-TDoA (Uplink - Time Difference of Arrival) i
- metod na bazi globalnog satelitskog navigacionog sistema GNSS (Global Navigation Satellite System).
U ovom radu, nakon generalne analize metoda radio-lociranja, prika-zani su principi i tehnike koje se koriste u UMTS mreži radi određivanja lokacije MS metodama lociranja zasnovanim na merenjima koja se vrše u mreži i metodama zasnovanim na merenjima koja se vrše na MS.
Metode radio-lociranja
Da bi se odredila lokacija mobilne stanice, potrebno je odrediti linije položaja. One predstavljaju skup tačaka na kojima se mobilna stanica može nalaziti. Lokacija mobilne stanice nalazi se u preseku dve ili više li-nija položaja (izolinija) dobijenih nekom lokacijskom metodom. Linija po-ložaja može biti: (a) prava, ako je određena smerom na neki objekat, (b) kružnica, ako je određena merenjem udaljenosti od nekog objekta, ili (c) hiperbola, ako je određena merenjem razlike udaljenosti između dva objekta. Kod ćelijskih mreža lokacija mobilne stanice može grubo da se proceni tzv. blizinskim metodama (engl. proximity sensing) i metodama baziranim na proceni obeležja baznih stanica (engl. fingerprinting).
Blizinske metode lociranja ili blizinsko lociranje bazira se na iden-tifikaciji najbližeg predajnika poznatih koordinata (referentnih tačaka: bazne stanice, pristupne tačke) (Kupper, 2005a), (Zhao, 2002), (Sun, et al, 2005), (Simic, Pejovic, 2008). One predstavljaju najjednostavnije i najrasprostranjenije metode lociranja. Ideja je zasnovana na činjenici da je zona pokrivanja radio-predajnika ograničenog dometa. U termi-
nologiji ćelijskog lociranja, mobilnoj stanici čija se lokacija određuje pridružuju se poznate koordinate bazne stanice koja trenutno opslužu-je posmatranu mobilnu stanicu, odnosno pridružuju joj se koordinate uslužne bazne stanice. U terminologiji indoor WLAN lociranja, mobilnoj stanici se pridružuju poznate koordinate pristupne tačke. Blizinska metoda je vrlo popularna u ćelijskim radio-sistemima, gde je poznatija pod nazivom identifikacija ćelije (Cell-Identification - Cell-ID ili Cell Global Identity - CGI). U okviru ćelijskih radio-sistema, metode bazira-ne na blizinskom principu zahtevaju: identifikaciju najbliže referentne tačke (BS) i pristup bazi podataka u kojoj se nalaze geografske koordinate svih baznih stanica u mreži.
Metode bazirane na blizinskom principu mogu se realizovati i kao mrežna i kao stanična rešenja. Očigledne prednosti ove metode su goto-vo nikakve modifikacije u postojećoj infrastrukturi, što rezultira malim tro-škovima implementacije. Osnovni nedostatak je nedovoljna tačnost, s ob-zirom na to da direktno zavisi od poluprečnika servisne ćelije i kreće se između 100 m u urbanim zonama do nekoliko desetina kilometara u ru-ralnim oblastima (teorijski do 35 km u GSM). Osim kod ćelijskog, ova metoda prisutna je i kod indoor lociranja. Tu pokazuje bolju tačnost s obzi-rom na manji domet radio, infracrvenih i ultrazvučnih tehnologija koje se primenjuju u indoor uslovima.
Angulacione metode baziraju se na određivanju linija položaja u obliku pravaca u čijem preseku se nalazi lokacija posmatranog objekta. Metode pozicioniranja bazirane na angulaciji nazivaju se AoA (Angle of Arrival) metode pozicioniranja, što u srpskom prevodu znači metode za-snovane na merenju ugla dolaska radio-talasa. U ćelijskim mrežama li-nije položaja predstavljaju pravce između mobilne stanice i baznih stanica, koji se određuju merenjem smera prostiranja radio-talasa koji do-laze do merne stanice od druge stanice. Za tako određene smerove ko-risti se naziv radio-smerovi (Šunjevarić, 1991). Budući da se bazna stanica i mobilna stanica, u opštem slučaju, ne nalaze u istoj horizontalnoj ravni, za određivanje linije položaja nije dovoljno merenje samo azimuta (ugao koji radio-smer zaklapa sa referentnim pravcem, tj. pravcem me-ridijana koji prolazi kroz mernu tačku) nego i ugla koji pravac prostiranja radio-talasa zaklapa sa horizontalnom ravni koji se naziva elevacija ili elevacioni ugao. Dakle, linije položaja određene su smerom prostiranja radio-talasa (azimutnim i elevacionim uglom) koji se određuje merenjem smera prostiranja radio-talasa koji dolaze od baznih stanica na poziciji mobilne stanice (stanična metoda) ili merenjem smera prostiranja radio-talasa koji dolaze od posmatrane mobilne stanice na mestima nekoliko baznih stanica (mrežna metoda). Postupak određivanja radio-smera naziva se radio-goniometrisanje. Da bi se odredili radio-smerovi potrebno je da bilo mobilne, bilo bazne stanice budu opremljene specijalnim an-
dr>
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
tenskim sistemima (antenskim nizovima) koji omogućavaju njihovo me-renje. Metode zasnovane na angulaciji mogu se realizovati i kao mre-žna i kao stanična rešenja, ali zbog ekonomičnosti i kompleksnosti an-tenski nizovi obično se instaliraju na baznim stanicama, pa su to uvek metode mrežnog tipa.
U slučaju mrežne metode, bazna stanica meri uglove pod kojim nai-lazi signal sa mobilne stanice i time ograničava lokaciju mobilne stanice na pravac koji prolazi i kroz mobilnu i kroz baznu stanicu koja vrši mere-nje. Ako se ovakva merenja izvrše sa dve bazne stanice, dobijaju se dve linije položaja u čijem presecištu leži posmatrana mobilna stanica. Za pri-kaz geometrijskih odnosa između baznih stanica i mobilne stanice, u op-štem slučaju trebalo bi koristiti sfernu geometriju zbog zakrivljenosti Ze-mljine površine. Ipak, dimenzije ćelija (u većini slučajeva ispod 10 km) u ćelijskim mrežama su takve da se deo sfere pokrivene jednom ćelijom može smatrati ravnom površinom, pa se mogu koristiti pravougaoni koor-dinatni sistemi. Ako se koordinate i-te bazne stanice u trodimenzional-nom koordinatnom sistemu označe sa (Xi,Yi,Zi) i koordinate mobilne stanice sa (x, y, z), tada, prema slici 1, uglovi 0i i pi predstavljaju azimut i elevaciju pod kojim se mobilna stanica vidi sa lokacije i-te bazne stanice. Ovi uglovi određeni su jednačinama (Šunjevarić, 1991):
0 = arctg
x - X
i
Pi = arctg
z - Z
V(x - X )2 + (y - Yt )2
(1)
(2)
Referentni pravac prema kojem se mere azimutni i elevacioni ugao, koji u stvarnosti predstavlja meridijan, tj. pravac jug-sever koji prolazi kroz mernu tačku (i-tu baznu stanicu), poklapa se sa y osom pravouglog koordinatnog sistema. Ako se pretpostavi da su koordinate mobilne stanice (x, y, z) nepoznate, očigledno da se sa dva merenja sa dve bazne stanice mogu formirati dva para ovakvih jednačina koje su dovoljne za odre-đivanje tri nepoznate koordinate (x, y, z). Osnovni problem kod ove metode predstavlja činjenica da izmerene vrednosti azimuta i elevacije nisu tačne, već približne, zbog čega ovaj sistem jednačina nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se za njegovo rešavanje primenjuju različi-te statističke metode, čija tačnost je utoliko veća što su procenjene vrednosti uglova tačnije i što se koristi više merenja (na više BS). Kada se ko-riste tri BS na kojim se mere linije položaja (azimuti i elevacije), angulaci-ja se zove triangulacija.
Slika 1 - Položaj i-te bazne stanice i mobilne stanice u pravouglom koordinatnom sistemu Figure 1 - The position of the i-th base station and the mobile station in the Cartesian
coordinate system
Tačnost procene azimuta i elevacije zavisi od više faktora. Ozbiljan problem metoda baziranih na angulaciji je i višestruka propagacija, naro-čito u uslovima kada ne postoji direktna optička vidljivost između mobilne i bazne stanice (Non Line of Sight - NLoS). U tom slučaju, signal sa mobilne stanice trpi višestruke refleksije i do bazne stanice može doći pod bilo kojim uglom. Zbog toga se obično preporučuje da se i angulacija radi bar sa tri bazne stanice, iako su teorijski dovoljne samo dve. Drugi problem triangulacije je loša rezolucija antenskih nizova, naročito ako bi se merenje vršilo na mobilnoj stanici čije dimenzije ne omogućavaju prime-nu antenskih nizova sa velikom rezolucijom.
Lateracija je postupak koji se primenjuje kada su linije položaja u ob-liku kružnica ili hiperbola, odnosno kada su poznata rastojanja ili razlike rastojanja između mobilne stanice i bar tri bazne stanice. U oba slučaja dobija se sistem od n nelinearnih jednačina, gde je n broj baznih stanica. Rešavanjem ovog sistema dobija se nepoznata lokacija mobilne stanice. Lateracija u slučaju kada je n = 3, zove se trilateracija. Lateracija se ja-vlja u dva oblika:
- cirkularna lateracija: kada su poznata rastojanja između mobilne stanice i baznih stanica,
- hiperbolna lateracija: kada su poznate razlike rastojanja između mobilne stanice i baznih stanica.
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
Inače, rastojanja koja su osnova oba lateraciona metoda dobijaju se merenjem: vremena propagacije signala između BS i MS (Time of Arrival - ToA), vremenskih razlika propagacije signala između mobilne i baznih stanica (Time Difference of Arrival - TDoA) ili merenjem snage signala na prijemu, a zatim procenom rastojanja primenom nekog od propagacio-nih modela.
Cirkularna lateracija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice na osnovu poznatih rastojanja između mobilne stanice i bar tri bazne stanice (Melikov, 2011). Neka je r poznato rastojanje između mobilne stanice i i-te bazne stanice, gde je i = 1, n. Poznata vrednost rastojanja ri ograničava moguće lokacije mobilne stanice na kružnicu po-luprečnika r oko i-te bazne stanice. Ako se iskoristi poznato rastojanje iz-među mobilne stanice i druge bazne stanice, lokacija mobilne stanice do-datno se ograničava na dva moguća položaja koja se nalaze u preseku dve kružnice. Poslednja neodređenost položaja mobilne stanice otklanja se merenjem rastojanja mobilne od treće bazne stanice. Proračun nepoznate lokacije mobilne stanice (slika 2) ostvaruje se na sledeći način. Neka (Xi ,Yi ) predstavljaju poznate koordinate i-te bazne stanice u pravou-glom koordinatnom sistemu, a (x,y) nepoznate koordinate mobilne stanice. Rastoianie^ n između i-te bazne stanice i mobilne stanice određeno je
jednačin.^ = J(X, - x
1 v 1 (3
Merenjem ovog rastojanja od tri ili više baznih stanica (merenjem vremena ili snage signala) može se napisati sistem nelinearnih jednačina (i > 3) u kojima su nepoznate koordinate mobilne stanice (x,y).
)2 ^)2
Slika 2 - Ilustracija cirkularne lateracije u horizontalnoj ravni Figure 2 - Illustration of the circular lateration in the horizontal plane
C6D
Rastojanje r, dobijeno merenjem vremena ili snage signala na prije-mu, nije potpuno tačno i sadrži grešku usled nepotpune sinhronizacije i vi-šestruke propagacije. To ima za posledicu da presek tri kružnice određene jednačinom (3) nije jedna tačka, već zona čija površina zavisi od tačnosti merenja rastojanja. Takođe, sistem jednačina (3) nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se za njegovo rešavanje primenjuju različite mate-matičke metode. Metode pozicioniranja bazirane na cirkularnoj lateraciji i proceni rastojanja na osnovu merenja vremena nazivaju se ToA metode lociranja. Najpoznatiji sistem koji je baziran na ovom principu je GPS.
Hiperbolna lateracija je postupak određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice na osnovu poznatih razlika rastojanja između mobilne stanice i bar tri bazne stanice (Melikov, 2011), (Šunjevarić, 1991). U ovom slučaju linije položaja imaju oblik hiperbola. Hiperbola je geometrij-sko mesto tačaka za koje je razlika rastojanja od dve fiksne tačke (A i B), koje se nazivaju žiže, konstantna. Između ove dve tačke može se nacrta-ti odgovarajuća hiperbola za svaku tačku (poziciju objekta) i na taj način dobija se polje hiperbola. Ako se u tačkama A i B nalaze bazne stanice, tada svakoj zadatoj vrednosti razlike rastojanja mobilne stanice od ba-znih stanica odgovara jedna hiperbola. Za određivanje pozicije mobilne stanice potrebne su najmanje dve hiperbole određene pomoću dva para baznih stanica, koje se seku pod povoljnim uglom (što bližem 90°). Razlika udaljenosti posmatrane mobilne stanice od ove dve bazne stanice meri se pomoću radio-talasa koji putuju od predajnika bazne stanice do prijemnika mobilne stanice približno konstantnom brzinom (c~3-108m/s). Ako je pređeni put radio-talasa suviše dug, moraju se uračunati određene korekcije zbog promene brzine i puta prostiranja. Razlika udaljenosti od-ređuje se zračenjem impulsnih signala i merenjem vremenske razlike iz-među trenutaka pristizanja signala do prijemnika od jednog i drugog predajnika ili merenjem fazne razlike između signala koji dolaze od ova dva predajnika. Metode lociranja bazirane na proceni vremenskih razlika nazivaju se TDoA metode lociranja. Postoje i sistemi koji koriste obe vrste merenja. Određivanje lokacije merenjem razlike vremena je manje preci-zno od metoda na bazi merenja fazne razlike (Šunjevarić, 1991).
Neka su sa r i r označena rastojanja između mobilne stanice i /-te, odno-sno j-te bazne stanice, respektivno, gde je i, j = 1, ..., n i iФ j. Poznata vrednost razlike rastojanja r - r određuje moguće lokacije mobilne stanice na hiperboli u čijim se žižama nalaze bazne stanice i i j. Ova hiperbola definisana je sku-pom tačaka za koje je razlika rastojanja od dve fiksne tačke konstantna.
Ako se u sistem uvede i treća bazna stanica, k, i ako je poznata razlika rastojanja r - rk, gde je rk rastojanje između mobilne stanice i k-te bazne stanice, lokacija mobilne stanice nalazi se i na drugoj hiperboli u či-jim se žižama nalaze bazne stanice i i k. Konačna lokacija mobilne stanice nalazi se u preseku ove dve hiperbole (slika 3).
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
Slika 3 - Određivanje lokacije MS u presecištu tri hiperbole Figure 3 - Determination of the MS location at the intersection of three hyperbolas
Kao i u slučaju cirkularne lateracije, i ovde se formira sistem neline-arnih jednačina, od kojih svaka predstavlja razliku rastojanja mobilne stanice u odnosu na par baznih stanica:
r = r - r = V(X - x)2 + ( - у)2 -^X, - x)! +Y - y)!, (4)
gde je dj razlika rastojanja između:
- mobilne stanice i bazne stanice i, ri ,i
- mobilne stanice i bazne stanice j, rj , pri čemu važi i Ф j.
Merenja razlike rastojanja nisu imuna na greške, pa presek hiperbo-la nije tačka već zona konačne površine. S tim u vezi, sistem jednačina (4) nije konzistentan i nema jedinstveno rešenje, pa se za njegovo reša-vanje primenjuju različite statističke metode.
Metode lociranja zasnovane na proceni obeležja baznih stanica (Fingerprinting) vrlo su popularne, kako u ćelijskim sistemima, tako i za potre-be pozicioniranja u indoor uslovima (Simic, Pejovic, 2008). Osnovna ideja kod ovih metoda zasniva se na utvrđivanju lokacije mobilne stanice na osnovu propagacionih karakteristika radio-signala koje ta mobilna stanica meri na određenom mestu u mreži. Iako se pod pojmom lociranja prime-nom ove metode podrazumevaju različiti algoritmi, u svom izvornom obliku lociranje zasnovano na proceni obeležja baznih stanica izvodi se u dve faze: 1. pripremnoj fazi (Off-line faza) i 2. izvršnoj fazi (On-line faza).
C6i>
Pripremna faza (off-line): područje u kojem se želi koristiti ova metoda najpre se izdeli na manje celine - zone, a zatim se u svakoj od zona izvrši merenje karakterističnih parametara za bazne stanice koje se mogu „vide-ti” iz posmatrane zone (najčešće snage signala od više baznih stanica koje mobilna stanica „vidi” sa tog mesta). Vektor vrednosti snage signala baznih stanica koje je mobilna stanica izmerila u poznatoj tački naziva se vektor obeležja (fingerprint). Ovi vektori i odgovarajuće koordinate na koji-ma su dobijeni pamte se u bazi podataka operatora mobilne mreže.
Druga (on-line) faza: mobilna stanica čija se pozicija određuje, na osnovu standardne procedure merenja snaga signala (ili drugih obeležja) sa okolnih baznih stanica, formira vektor obeležja i šalje ga serveru u mreži; server pronalazi vektor u bazi podataka koji je po određenom kri-terijumu najbliži procenjenom vektoru obeležja i na taj način proceni gde se nalazi mobilna stanica.
Najčešće korišćeni algoritam u ove svrhe je traženje euklidskog ra-stojanja između procenjenog vektora obeležja i svih dostupnih u bazi podataka. Neka je procenjeni vektor obeležja (npr. vektor vrednosti snage signala baznih stanica koji je izmerila mobilna stanica na nekoj lokaciji):
P = [[,-. P,n 1 (5)
Pretpostavimo da je za M lokacija sa koordinatama (xm ,ym) formirana baza podataka sastavljena od koordinata ovih M lokacija i vektora obeležja (određenih u fazi 1), pri čemu se kao obeležja koriste snage signala baznih stanica koje su izmerene na lokacijama sa koordinatama (xm, ym):
Pm = [PDBm,1 PDBm,n 1 m G {l,---,M}. (6)
Mera razlike između vektora procenjenog na lokaciji (xm, ym) i vektora iz baze podataka određuje se kao euklidsko rastojanje:
5
2
m
P - Pm
2
i(Pok
k=1
P
DBm,k ,
(7)
Koordinate koje su pridružene vektoru obeležja u bazi podataka koji je imao najmanje euklidsko rastojanje od procenjenog vektora (sa indek-som mMS) predstavljaju koordinate lokacije mobilne stanice:
5
2
mMS
min 5
1<m<M ‘
(8)
tako da se nepoznate koordinate mobilne stanice dobijaju kao (xmMS,ymMS).
Problem u primeni metode zasnovane na bazi podataka koja sadrži vektore obeležja može se desiti u slučaju kada formula (8) da više rešenja za mis , odnosno više lokacija mobilne stanice za procenjeni vektor obeležja.
(jšT)
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
Ovaj problem može se izbeći pažljivim izborom vektora obeležja na osnovu kojih će se procenjivati lokacija mobilne stanice, kao i dovoljnom rezolucijom, što merenja izabranog obeležja, što koordinata tačaka u ko-jima se prikupljaju podaci sa terena i smeštaju u bazu podataka.
U ćelijskim sistemima pozicioniranje bazirano na vektoru obeležja uglavnom se realizuje kao mobilnom stanicom podržana (mobile-assisted) varijanta, s obzirom na to da neophodna merenja vrši mobilna sta-nica koja izmerene podatke šalje mreži gde se i vrši proračun lokacije.
Lokacijska metoda na bazi formiranja vektora obeležja često se kori-sti u indoor uslovima, gde je najpopularnija primena u kombinaciji sa WLAN mrežama.
Radi povećanja tačnosti lokacijskog postupka često se kombinuju metode koje se zasnivaju na proceni različitih lokacijskih parametara za potrebe određivanja nepoznate lokacije mobilne stanice. Iako su teorijski moguće sve kombinacije, u praksi su u većem obimu zaživele samo dve:
- kombinacija identifikacije najbližeg predajnika (proximity sensing) i podatka o rastojanju i/ili uglu i
- kombinacija lateracije i angulacije.
Prva kombinacija (proximity sensing i rastojanje) posebno je popu-larna u ćelijskim radio-mrežama. Najčešći je slučaj kombinacije identifikacije najbližeg predajnika, tj. uslužne bazne stanice, i rastojanja između mobilne i uslužne bazne stanice. Rastojanje između mobilne i uslužne bazne stanice procenjuje se na osnovu parametra koji se u ćelijskim sistemima koristi za sinhronizaciju i izvorno nema nikakve veze sa locira-njem. Ovaj parametar bazna stanica određuje merenjem vremena za koje signal pređe put od uslužne bazne stanice do mobilne i nazad (round trip time - RTT3>), i na osnovu njega procenjuje rastojanje između mobilne i uslužne bazne stanice. Primeri ovih parametara su: TA (timing advance) u GSM i RTT u UMTS. Dakle, koristeći dodatne parametre (TA, RTT) lokacija mobilne stanice dodatno je ograničena na kružni prsten (slika 4) ili na deo kružnog prstena oko uslužne bazne stanice. Debljina ovog prstena određena je rezolucijom RTT parametra iz kojeg se i procenjuje nepoznato rastojanje.
Ako je bazna stanica dodatno opremljena i antenskim nizom, mogu-će je dalje ograničiti lokaciju mobilne stanice na sektor određen usmere-nošću antenskog niza.
Ipak, sve ove kombinacije pokazuju manju tačnost od metoda za-snovanih na lateraciji i angulaciji. Sa druge strane, ukoliko je geometrija baznih stanica koje učestvuju u merenju potrebnih parametara loša, kao 3
3) Round Trip Time ili Round Trip Delay Time su metode koje su zasnovane na proceni ukup-nog vremena potrebnog signalu da stigne od predajnika do prijemnika i vremena potrebnog za prenos signala u suprotnom smeru.
što je slučaj na auto-putu, lateracija i angulacija ponaosob pokazuju loše rezultate. U tom slučaju pribegava se kombinaciji lateracije i angulacije.
Pi У)
_____1
< n(d2 -
2 \ ’
d2)
za d1 < r < d 2
0, drugde
(9)
Slika 4 - Određivanje lokacije MS merenjem nivoa primane snage:
(X, Yi ) - koordinate bazne stanice
Figure 4 - Determination of the MS location by measuring the received power level: (Xi , Yi ) - base station coordinates
Osnovne karakteristike UMTS standarda
Mobilni radio-sistemi treće generacije (3G) zasnivaju se na CDMA konceptu. Evropski 3G sistem UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) zasnovan je na širokopojasnom CDMA (Wideband CDMA - WCDMA), koji predstavlja DS-CDMA pristup na bazi pseudoslučajnih sekvenci visoke učestanosti.
Arhitektura UMTS sistema na najvišem nivou sadrži mobilne stanice (User Equipment - UE), radio-pristupnu mrežu (UMTS Terrestrial RAN = UTRAN) i jezgro mreže (Core Network - CN), a prikazana je na slici 5 (Val-tanen, 2008). Međuveza MS i UTRAN mreže označava se kao Uu interfejs, a međuveza UTRAN mreže i jezgra mreže označava se kao lu interfejs.
Slika 5 - Arhitektura UMTS sistema Figure 5 - UMTS system architecture
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
Kontroler radio-mreže (RNC) jeste element mreže čija je uloga ras-polaganje i upravljanje radio-resursima, tj. baznim stanicama koje su po-vezane na njega. U različitim situacijama on ima tri različite uloge, sagla-sno kojima se naziva:
- upravljački RNC (Controlling RNC - CRNC),
- uslužni RNC (Serving RNC - SRNC) i
- usmeravajući RNC (Drifting RNC - DRNC).
RNC koji upravlja jednom BS naziva se upravljački RNC (CRNC) i odgovoran je za upravljanje saobraćajnim opterećenjem i zagušenjem u njegovim ćelijama. Takođe, izvršava algoritam za upravljanje pristupom i dodelom koda novim radio-vezama (novim pozivima) koje se uspostavlja-ju u ovim ćelijama.
Ako mobilna UTRAN veza koristi resurse više od jednog RNC, kon-troleri radio-mreže (RNC) koji su uključeni u vezu imaju dve različite lo-gičke uloge. Uslužni RNC (Serving RNC - SRNC) jeste RNC koji završa-va lu vezu koja obuhvata prenos korisničkih podataka prema i od jezgra mreže i signalizacije koja se koristi za aplikacioni deo radio-pristupne mreže (Radio Access Network Application Part - RANAP). Uslužni RNC takođe završava signalizaciju vezanu za upravljanje radio-resursima (Radio Resource Control - RRC) na nivou 3 između MS i UTRAN mreže. BS koja je povezana na UTRAN mrežu ima jedan i samo jedan SRNC. Sve osnovne upravljačke funkcionalnosti koje se odnose na radio-resurse iz-vršavaju se u SRNC, ali kako kašnjenje i zahtevi za bitskom brzinom stal-no rastu dolazi do pomeranja upravljačkih funkcija prema baznoj stanici. Usmeravajući RNC (Drifting DRNC - DRNC) jeste bilo koji RNC, ako nije SRNC, koji upravlja ćelijama koje koristi mobilna stanica. DRNC je odgovoran za podršku SRNC u upravljanju radio-resursima; može da izvršava makrodiverziti kombinovanje i deljenje, ali transparentno usmerava po-datke na korisničkoj ravni prema SRNC između lub i lur interfejsa. Jedna mobilna stanica ne mora da ima DRNC, može da ima jedan ili, ako je moguće, i više.
Kada se skupu aktivnih ćelija neke mobilne stanice doda nova ćelija (radio-linije su simultano uključene u vezu) i ona poveže u mrežu preko RNC koji nije SRNC, taj novi RNC preuzima „drift ulogu. Kasnije, kada mobilna stanica koja se kreće ažurira skup aktivnih ćelija, moguće je da se relocira SRNC, tako da dolazi do promene kod DRNC, pa ona deluje kao nova SRNC (Holma, Toskala, 2004), (Laiho, Wacker, 2002).
Princip lokalizovanja mobilne stanice u UMTS mreži prikazan je na slici 6. Glavne funkcije izvršavaju se unutar uslužnog kontrolera radio-mreže SRNC, koji može da radi u dva režima: centralni RNC i centralni SAS (Standalone SMLC). RNC u režimu cenralnog RNC upravlja tokom zahteva za lokalizaciju, bira metod lokalizacije, obezbeđuje podatke uko-liko je potrebno i, konačno, estimira lokaciju korisnika. SAS režim, ili SAS
C6Đ
mod, izvršava procedure zasnovane na zahtevima uslužnog kontrolera radio-mreže (SRNC). SAS izvršava globalno lociranje GNSS (Global Navigation Satellite System) i lociranje na uzlaznoj trasi na bazi merenja razlike vremena U-TDoA (Uplink - Time Difference of Arrival). Takođe, u ovom režimu SRNC ima aktivnu ulogu u komunikaciji između MS i jezgra mreže (Core Network) (Borkowski, 2008).
Upravljački CRNC odlučuje u kolikoj meri će se pojedini elementi UMTS mreže aktivirati, te koja su merenja neophodna. Lokalna jedinica za merenje (Local Measurement Unit - LMU) izvršava radio-merenja (merenje kašnjenja signala od baznih stanica do LMU) i prosleđuje po-datke do CRNC. U UTRAN-FDD4 mrežama bazne stanice poseduju do-deljeni LMU koji obezbeđuje vremensku sinhronizaciju sa susednim ba-znim stanicama. U slučaju da ne postoji optička vidljivost između baznih stanica, operatori mogu konfigurisati samostalnu LMU (stand-alone LMU). Bazne stanice UTRAN-TDD mreža su a priori sinhronizovane, tako da nemaju potrebu za LMU.
Slika 6 - Infrastruktura UMTS mreže koja se koristi za lokalizaciju Figure 6 - UMTS infrastructure used for localization
Metode lociranja MS u UMTS mreži
U UMTS mreži, u zavisnosti od korišćene mrežne infrastrukture, mogu da se koriste i stanične i mrežne lokacijske metode, tj. određivanje lo-kacije MS može da se vrši na strani MS ili na strani mreže. U UMTS mre-žama mogu se koristiti: metode na bazi merenja u vremenskom domenu (time-based), metode na bazi merenja nivoa primljene snage (Received Signal Strength - RSS) i metode na bazi merenja ugla pod kojim signal
4 UTRAN mreža može da radi u dva moda (sa frekvencijskim i sa vremenskim dupleksom): UTRAN-FDD i UTRAN-TDD
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
dolazi do prijemne antene, koje zahtevaju korišćenje adaptivnih anten-skih nizova. Mrežne metode koje koriste GNSS informacije, zajedno sa pojedinim izmerenim podacima, predstavljaju posebne metode. Isto tako, može da se koristi kombinacija svih pomenutih metoda, a u tom slučaju govori se o tzv. hibridnim metodama sa boljim karakteristikama.
U većini pomenutih metoda tačnost je umnogome ograničena zbog ne-postojanja optičke vidljivosti između radio-prijemnika i radio-predajnika, te vi-šeputne propagacije. Postojanje optičke vidljivosti između radio-prijemnika i radio-predajnika u znatnoj meri utiče na tačnost u proceni lokacije MS.
Metode lociranja na bazi merenja u vremenskom domenu (Time-based)
Metode na bazi merenja vrednosti parametara propagacije radio-signala u vremenskom domenu dele se prema vrsti korišćenih lokacijskih parametara na: RTT, ToA i TDoA metode. Ovi parametri mogu se meriti različitim metodama koje se ostvaruju u vremenskom ili faznom domenu.
Metode merenja lokacijskih parametara radio-signala
Prema (Caffery, 2000), u CDMA mrežama mogu se koristiti tri metode za merenje lokacionih parametara radio-signala u vremenskom domenu: impulsno merenje daljine (Pulse ranging). Vrši se pomoću pilot signala koji ima oblik jednog radio-impulsa. ToA se meri na prijemnoj strani (slika 7a). Trenutak emitovanja impulsa mora biti poznat prijemnoj strani. U sluča-ju da se meri TDoA, tačno vreme emisije nije potrebno, ali radio-impuls mora emitovati više radio-predajnika (baznih stanica) u istom trenutku;
fazno merenje daljine (Carrier phase ranging). Primljeni pilot signal poredi se sa referentnim signalom kojeg generiše prijemnik (slika 7b). U trenutku emitovanja, pilot signal i referentni signal moraju biti u fazi. Ovaj metod merenja pati od problema integer ambiguity, odnosno višeznačno-sti koja se manifestuje nepoznatim brojem faznih ciklusa (perioda). Naj-lakši način da se prevaziđe ovaj problem je korišćenje pilot signala jako male frekvencije,a samim tim talasne dužine reda kilometra. Međutim, ovo nije praktično zbog dimenzija antena, tako da je potrebno koristiti na-predne metode koje se baziraju na brojanju faznih ciklusa;
kodno merenje daljine (Code phase ranging). Princip je veoma sličan prethodno opisanom, uzimajući u obzir da je pilot signal modulisan pozna-tom sekvencom (kodom). Predajnik i prijemnik generišu sekvence u istom trenutku (slika 7c). Vreme propagacije signala određuje se na osnovu merenja razlike faznih stanja primljenih sekvenci sa jedne i druge BS (pomeraj či-pova), koja se određuje međukorelisanjem primljenih signala.
C7D
Slika 7- Ilustracija merenja lokacijskih parametara u vremenskom domenu Figure 7 - Ilustration of the local parameters measurement in the time domain
Vreme dolaska (Time of Arrival - ToA)
ToA predstavlja vreme koje prijemna strana „vidi” na svom internom takt signalu kada primi signal. Kod ovog tipa merenja, jedan od faktora koji umnogome utiče na procenjenu vrednost je perioda ponavljanja internog takt signala. Imajući u vidu da se posmatrana vrednost inkrementuje samo u trenutku kada se pojavi pozitivna ili negativna ivica takt signala, promena bilo kog signala između dve rastuće ili opadajuće ivice takta
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
uneće grešku. Prema tome, u bilo kom trenutku unutar pomenutog perio-da procenjena vrednost ToA biće ista. Ukoliko se ova vrednost preslika na udaljenost, maksimalna greška koja se može napraviti zbog konačnog trajanja periode (frekvencije) takta može da se izračuna prema formuli:
stakt = C (10)
gde je c brzina svetlosti, a f je frekvencija takt signala. Kada je vrednost greške ista kao tipična dužina komunikacionog kanala, postaje neizvodlji-vo da se proceni lokacija korisnika na osnovu ToA merenja.
Iako izmerena vrednost najviše zavisi od tehnologije, uobičajeno je da se ona modeluje sumom konstantne i promenljive komponente. Prema tome, vrednost t dobija se sumiranjem konstantne komponente ttx, koja pred-stavlja vremenski trenutak predaje i vremena propagacije, tj. vremena koje je potrebno signalu da pređe put od predajnika do prijemnika:
t = t
tx
r
+ — + S
c
sync
(11)
U prethodnoj relaciji c predstavlja brzinu propagacije (obično se radi o brzini svetlosti), dok r predstavlja fizičku dužinu komunikacione linije. Vrednost esync kompenzuje razliku u sinhronizaciji predajne i prijemne strane.
Takođe, uočava se da prethodna relacija ima smisao samo u slučaju kada su predajnik i prijemnik ili sinhronizovani (£sync = 0) ili nesinhronizo-vani, ali sa poznatim £sync Ф 0. Kao što se vidi, upravo je poznavanje £sync od krucijelnog značaja kod ToA metode, ali je svakako i njegov glavni ne-dostatak, imajući u vidu da je sinhronizacija celokupne mreže često sku-pa za implementaciju i održavanje.
Analiza faktora koji utiču na vrednost promenljive komponente vremena u prethodnoj relaciji može da se razdvoji na uticaj frekvencije takt signala i uticaj propagacije. Greška usled frekvencije takta je uniformna: ima vrednost od 0 do one definisane izrazom (10). S druge strane, pro-pagacioni efekti su stohastički i zavise od izabranog scenarija, pa greška nastala usled toga može da se opiše funkcijom gustine raspodele, npr. Gausovom raspodelom. Na taj način dolazi se do:
t = t
tx
r
+ - + s c
sync
+ Mtakt + V
prop ’
Maakt = Unif (0, c / f)
Vprop = Norm(0,°prop У
(12)
gde Opr0p predstavlja standardnu devijaciju greške izazvane propagacio-nim efektom.
Razlika vremena dolaska (Time Difference of Arrival - TDoA)
TDoA predstavlja razliku dva ToA merenja dobijena od dva ekviva-lentna signala emitovana u istom trenutku. Za ovaj tip merenja nije po-trebna sinhronizacija između predajnika i prijemnika koja je potrebna kod ToA merenja. Pošto TDoA predstavlja razliku između dva ekvivalentna signala emitovana u istom trenutku, onda se ttx iz izraza (12) gubi. Dakle, uz pretpostavku da su u trenutku ttx emitovani signali sa dve bazne sta-nice, te da je mobilna stanica od prve bazne stanice na udaljenosti r1, a od druge na udaljenosti r2, razlika vremena dolaska signala od baznih stanica do mobilne stanice t određena je sa:
r I r2
t = ttx + — + Ssync -| ttx + — + Ssync
Г - r2
c
(13)
TDoA se može meriti na uzlaznoj (uplink) i na silaznoj (downlink) tra-si. Na uzlaznoj trasi MS emituje signal koji se prima na dve BS. Ovaj na-čin merenja može imati problem usled skalabilnosti, jer se sve operacije izvršavaju na strani mreže. Nasuprot tome, pri merenju na silaznoj trasi, dve BS emituju, u isto vreme, dva ekvivalentna signala koje prima MS. Ovaj režim je očigledno skalabilniji od prethodnog. Ali, bez obzira na mod koji je odabran, obe BS moraju biti međusobno sinhronisane, mada BS i MS ne moraju.
Uvodeći promenljivu komponentu u TDoA, dobija se:
Г - r2 \Мш = Tri (-c 1 f ,c / f)
c + A* +Hr„,, iprop . Norm(0,2<7prop)'
(14)
U prethodnoj relaciji figuriše trougaona raspodela greške od -c/f do c/f, nastala oduzimenjem dve uniformne raspodele. Takođe, pretpostavlja se da su komponente šuma iste u komunikacionom kanalu od MS do BS1 i MS do BS2.
Važno je uočiti da metode na bazi merenja vremena propagacije signala zahtevaju sinhronizaciju predajne i prijemne strane (ToA) ili sinhroni-zaciju više predajnika (TDoA). Koliki je uticaj greške u vremenskoj sinhro-nizaciji najbolje pokazuje činjenica da, prilikom lokalizovanja korisnika, vremenski offset od 1^s unosi grešku lokalizacije od 300 m.
U slučaju da se za pozicioniranje MS koristi ToA, lokacija MS se estimira na preseku procenjenih udaljenosti:
r = ctt =yl(xt - x)2 +(yt - y )2. (15)
C^3>
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
x, y, su koordinate i-te BS, x, y su nepoznate koordinate MS, r je udalje-nost između MS i /-te BS izračunata na osnovu propagacionog vremena (t) . U praksi, r = т, - т , gde je т izmerena vrednost ToA od /-te BS, a т greška merenja. Jednoznačno rešenje može se dobiti na osnovu najma-nje tri izmerena ToA vremena.
Alternativno, pozicija MS može se odrediti rešavanjem sistema jed-načina u kojima figuriše TDoA između dva para BS. Na osnovu izmerene vrednosti razlike vremena dolaska signala TDoA od dva para BS (tri ba-zne stanice), mogu se odrediti dve hiperbole u čijem preseku se nalazi potencijalna lokacija MS. Prema tome, procenu lokacije daje rešenje neli-nearnog sistema jednačina predstavljenog hiperbolama:
c(ti -12) = <J(Xl - X)2 +(У1 - y)2 -<J(x2 - X)2 + (y2 - y)2 (16)
c(ti -13) = yj{x - x)2 +X1 - y)2 -V(X3 - x)2 + (Уз -y)2
gde tb t2, t3 predstavljaju merena vremena propagacije signala od odgo-varajuće BS sa koordinatama x, y, dok x, y označavaju nepoznate koordinate MS (Borkowski, 2008). Uticaj greške merenja u prethodnim relaci-jama manifestuje se pomerajem hiperbola.
Lociranje na osnovu merenja TDoA zahteva podatke o lokaciji ba-znih stanica i stvarnu vrednost razlike vremena prostiranja RTD (Real Time Difference) signala na silaznim trasama, jer bazne stanice UTRAN mreže nisu sinhronizovane, pa prema tome i RTD nije konstantno. Ovu informaciju može da dostavi LMU na fiksnoj lokaciji koja verifikuje UTRAN ramove ili meri vremensku razliku između ramova SFN-SFN5) uzimajući u obzir sve lokalne BS.
Treba napomenuti da tehnika zasnovana na merenju TDoA nije imu-na na realne uslove prostiranja i hardverska ograničenja. Glavna prepre-ka implementaciji metode lokalizacije na bazi merenja TDoA odnosi se na potrebu za modifikacijom mobilne stanice, realizaciju i održavanje LMU i ograničenu dostupnost pilot signala u tipičnom ćelijskom scenariju.
Standardizovana TDoA metoda koristi tzv. vreme „spavanja” na sila-znoj trasi (Idle Period Downlink - IPDL). Prema toj metodi, BS prekida emisiju kako bi se povećao broj pilota i time omogućila primena TDoA tehnike. Nasuprot ovoj, moguće je realizovati i tehniku koja se primenjuje na uzlaznoj trasi (Uplink Time Difference of Arrival - U-TDoA). Time se izbegavaju periodi mirovanja i potreba za modifikacijom mobilne stanice. Međutim, merenje razlike vremena dolaska na uzlaznoj trasi zahteva, pored LMU, dodatna merenja na strani mreže, što znači da nije jeftina.
5 SFN System Frame Number - broj sistemskog rama.
Metode lociranja merenjem lokacijskih parametara na silaznoj trasi
Princip rada OTDoA-IPDL (Observed Time Difference of Arrival - Idle Periods Downlink) metode prikazan je na slici 8. Merenje vremena korišće-njem strukture vremenskih intervala koje generiše bazna stanica vrši se i na strani mobilne stanice i na strani LMU. Merenja na strani MS vrše se radi od-ređivanja razlike udaljenosti baznih stanica od MS i određivanja udaljnosti od svake bazne stanice, dok se merenja na strani LMU vrše zbog određivanja vremenskog pomeraja između trenutaka emitovanja signala sa baznih stanica (offset) koji je posledica nepostojanja sinhronizacije između baznih stanica (Initial Simulation Results for the OTDOA-PE positioning method, 2000).
Slika 8 - OTD (Observed Time Difference) i RIT (Radio Interface Timing) merenja Figure 8 - OTD (Observed Time Difference) and RIT (Radio Interface Timing) measurements
OTDoA-IPDL merenja mogu se koristiti za određivanje linija položaja u obliku kružnica ili hiperbola merenjem ToA i TDoA, respektivno. Ukoliko se želi primeniti jedna od ove dve OTDoA metode (merenje ToA ili TDoA), merenja vremena moraju biti obavljena na MS i LMU. Merenja izvršena na LMU nazivaju se RIT (Radio Interface Timing) merenja (merenje vremenskog pomeraja između trenutaka emitovanja signala sa baznih stanica), dok se merenja izvršena na strani MS označavaju kao OTD (Observed Time Difference) merenja (merenje razlike vremena koja se vidi na MS).
Hiperbolna OTDoA. Ova metoda lokalizacije može se prikazati na sledeći način: neka postoje dve bazne stanice, BS1 i BS2; neka je ^ geo-
C^5>
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
metrijska udaljenost prve bazne stanice od MS, a r2 udaljenost druge ba-zne stanice od iste MS. Lokacija MS nalazi se na onim koordinatama (li-niji položaja) koje zadovoljavaju uslov da je razlika r2-r1 konstantna. Po definiciji, tačke čije koordinate zadovoljavaju ovaj uslov leže na hiperboli. Ukoliko se, na isti način, ali korišćenjem drugog para baznih stanica (BS1 i BS3), odredi još jedna hiperbola, tada se lokacija MS nalazi određiva-njem tačke preseka dve pomenute hiperbole (slika 10).
Razlika rastojanja r2-r1 proporcionalna je vremenskom intervalu između trenutaka prijema podataka na silaznoj trasi od različitih BS, pretpostavljajući da su podaci sa bS poslati u istom trenutku. Ovaj interval naziva se geometrij-ska razlika vremena (Geometric Time Difference - GTD), a određen je sa GTD = (r2rr1)/c, gde c predstavlja brzinu svetlosti. Zbog odsustva vremenske sinhronizacije, ovaj interval nije moguće meriti zbog čega se koriste vremenski intervali označeni kao: izmerena razlika vremena (Observed Time Difference - OTD) i stvarna razlika vremena (Real Time Difference - RTD).
Slika 9 - Ilustracija određivanja lokacije MS pomoću hiperbolne OTDoA metode Figure 9 - Illustration of determining the MS location using the OTDoA hyperbolic method
Veza između GTD, OTD i RTD ilustrovana je na slici 10. OTD se od-nosi na vreme koje se vidi na mobilnoj stanici. Ukoliko ta1 predstavlja vre-me prijema podatka od BS1, a ta2 vreme prijema podatka od BS2, onda je OTD = ta2 - ta1. Potrebno je napomenuti da su ta1 i ta2 određeni u odnosu na interni takt signal mobilne stanice (Kupper, 2005b).
RTD predstavlja vremenski pomeraj između trenutaka kada su emi-tovani signali sa dve bazne stanice i on se određuje u LMU u odnosu na njegov interni takt. Ukoliko je te1 vreme emitovanja signala sa BS1, a te2 vreme emitovanja signala sa BS2, onda je RTD = te2 - te1. Nakon određi-vanja OTD i RTD, proračunava se GTD kao GTD = OTD - RTD.
Treba napomenuti da RTD nije tačna već procenjena vrednost vre-mena koja je određena u LMU. Svakako, treba uzeti u obzir propagacio-na kašnjenja. Prema tome, vreme prijema signala u LMU ne predstavlja vreme emisije signala od strane BS. Kako bi se mogao otkloniti efekat kašnjenja, moraju se znati tačne lokacije LMU i svih BS. Takođe, treba napomenuti da korekciona tehnika može uneti dodatnu grešku ukoliko lo-kacija LMU i BS nije određena na valjan način, kao i u slučaju da signal ne dolazi linijom optičke vidljivosti do LMU.
Cirkulama OTDoA. Razlika u odnosu na prethodnu konfiguraciju je sle-deća: udaljenosti baznih stanica do mobilnih stanica r1t r2 i r3 ujedno predsta-vljaju poluprečnike kružnica koje se presecaju na mestu lokacije mobilne sta-nice. Za određivanje ovih rastojanja, neophodno je poznavati vreme propaga-cije signala od BS do terminala. Međutim, ovo vreme se ne može odrediti, jer se na BS ne beleži trenutak emitovanja signala od strane BS, a čak i kad bi se ovo vreme registrovalo, ono ne bi moglo da se poveže sa vremenom dolaska signala na MS, jer takt signali na MS i BS nisu vremenski sinhronizovani.
Zbog toga, za određivanje navedenih rastojanja mora da se nađe drugi način. Neka je tiiMS vreme dolaska signala od BSi, mereno prema referent-nom takt signalu MS, a ti>LMU vreme dolaska signala od BSi, mereno prema takt signalu LMU. Dalje, neka r predstavlja traženu geometrijsku udaljenost BSi od MS, a ri:LMU poznatu udaljenost između BSi i LMU. Tada važi:
ri — ri, LMU = C(ti MS — ti,LMU + (1 7)
gde je c brzina svetlosti i £ razlika takt signala MS i LMU. Rešavajući prethodnu relaciju po ri i uvrštavajući dobijene vrednosti u:
r,4(x,- x ) +((- Г )2,
(18)
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
dobija se sistem od tri jednačine sa tri nepoznate, gde su (x, y) i e nepoznate. Treba napomenuti da je pomenuta tehnika izvodljiva samo u slučaju da je f određeno za jedan par takt signala. To znači da se podaci svih BS moraju meriti na jednom LMU ili na više njih ako imaju sinhronizovani takt signal.
Merenje vremena na radio-interfejsu u LMU (RIT merenja)
RIT merenja obavljaju dodeljena ili samostalna LMU, a potrebna su samo kod UTRAN-FDD moda rada, pošto su kod UTRAN-TDD moda ba-zne stanice međusobno sinhronizovane. Merenje vremena vrši se korišće-njem zajedničkog pilotskog kanala CPICH (Common Pilot Indicator CHannel). Takođe, merenja mogu biti obavljena u odnosu na interni takt signal LMU jedinice ili u odnosu na GPS (Global Positioning System) vreme.
Merenje vremena koje se vidi na mestu MS (OTD merenja)
OTD merenja izvršavaju se određivanjem vremenske razlike (pome-raja) između brojeva sistemskog rama SFN-SFN. Međutim, zbog postoja-nja near-far ili hearability efekta kod CDMA sistema, mobilna stanica mo-že biti u situaciji da ne identifikuje dovoljno BS potrebnih za OTD merenja. Kako bi se prevazišao ovaj problem, svaka BS mora da prekine pre-daju unutar kratkih intervala, tokom kojih MS ima mogućnost da detektuje kanal CPICH od susedne BS. Ovi intervali nazivaju se neaktivnim ili spa-vačkim (idle) intervalima, a odgovarajući metod se označava kao IPDL (Idle Periods Downlink) mod. Nepravilnosti u pojavljivanju intervala miro-vanja određene su pseudoslučajnim (Pseudo-Noise - PN) generatorom. Međutim, PN sekvenca može biti predvidiva, pa se, s tim u vezi, početak svakog neaktivnog perioda može jednoznačno odrediti.
Postoje dva moda u kojima IPDL može da radi:
- kontinualni - u ovom modu neaktivni periodi pojavljuju se s vreme-na na vreme,
- eruptivni - neaktivni periodi pojavljuju se u naletima, ali tako da ih ima dovoljno da mobilna stanica obavi merenja. Uzastopni naleti odvojeni su intervalima dugog trajanja koji ne sadrže neaktivne periode.
Postavljanje neaktivnih intervala unutar transmisionog niza podataka bazne stanice ilustrovano je na slici 11. Kod UTRAN-FDD neaktivni intervali imaju tipično dužinu 5-10 čipova. Najviše se pojavljuje jedan neaktivan interval unutar rama, a njegova pozicija određena je PN generatorom. Kao što je ilustrovano na slici 11, neaktivni interval može da zahvati dva susedna ka-nalska intervala. Na drugoj strani, neaktivni period kod UTRAN-TDD ima uvek trajanje jednog kanalskog intervala i nema mogućnost da zahvati dva kanalska intervala. SMLC upravlja IPDL metodom (Borkowski, 2008), (Time Aligned IP-DL positioning technique, 1999).
C7Đ
Slika 11 - Postavljanje neaktivnih perioda Figure 11 - Setting of idle periods
Metode lociranja merenjem lokacijskih parametara na uzlaznoj trasi
Metode lociranja merenjem lokacijskih parametara na uzlaznoj trasi U-TDoA (Uplink TDoA) zasnivaju se na merenju ToA vremena, što oba-vlja mreža. Posmatra se poznati signal emitovan sa MS koji prima najma-nje četiri LMU. Vreme propagacije signala proporcionalno je udaljenosti-ma između MS i LMU. Razlika između vremena prijema na dve LMU de-finiše hiperbolu. Lokacija MS se procenjuje na osnovu preseka više hi-perbola. Prednost ovakvog metoda je u tome što nije potebno znati vreme emitovanja, kao i u tome što se ne traže nikakve dodatne funkcional-nosti na strani MS.
Slika 12. ilustruje kako se određuje lokacija MS (Figueiras, Frattasi,
2010). Dva prijemnika RX1 i RX2 su na fiksnim lokacijama i predstavljaju jedan par LMU. Parovi kružnica sa centrom u RX1 i RX2 imaju radijuse koji su određeni na osnovu vremena koje je potrebno signalu da pređe put od predajnika (MS) do prijemnika (LMU), ttr. Razlika radijusa je kon-stantna i proporcionalna razlici vremena f1 i t^. Razlika f1 - ttr2 predsta-vlja vrednost koju U-TDoA sistem meri. Na slici su nacrtane kružnice konstantnog rastojanja od LMU za par LMU. Tačke u kojim se seku kru-žnice koje imaju konstantne vrednosti razlike njihovih poluprečnika odre-đuju hiperbolu na kojoj može biti locirana MS za izmerenu vrednost razli-
C^9>
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
ke vremena tr1 - f2. Merenjem ovih vremena i za drugi par LMU, može se na isti način nacrtati hiperbola koja se sa prethodnom seče u dve tač-ke. Treći par LMU omogućava crtanje i treće hiperbole koja jednoznačno određuje tačku preseka, odnosno lokaciju MS.
Slika 12 - Crtanje hiperbole na osnovu merenja vremenskog kašnjenja Figure 12 - Drawing the hyperbola based on the time delay measurement
Zaključak
Ključni problemi koji usporavaju implementaciju lokacijskih usluga u ćelijskim mrežama do danas nisu u potpunosti rešeni. Ona rešenja koja povećavaju tačnost pozicioniranja, po pravilu povećavaju kompleksnost, ali i cenu, što je presudan faktor. Nasuprot tome, jednostavna i popularna rešenja, bazirana na poznavanju servisne ćelije, ne daju dovoljnu tač-nost. Zbog svega toga operatorima je omogućeno da izaberu metodu koja im najviše odgovara, u smislu kompleksnosti i cene implementacije, ali uz uslov da se ispune zahtevi po pitanju minimalne tačnosti koja je po-trebna srevisima za hitne pozive.
U ovom radu prikazana su opšta razmatranja radio-lokacijskih metoda u radio-mrežama sa detaljnom analizom metoda lociranja mobilne stanice u 3G (UMTS) mrežama na bazi staničnog i mrežnog merenja lokacijskih parametara. Detaljno su analizirane metode lociranja na bazi merenja u vremenskom domenu (ToA, TDoA, OTDoA-IPDL, UTDoA). Ove metode pokazuju veću preciznost u odnosu na blizinske metode (Proximity sensing) i metode bazirane na proceni obeležja baznih stanica (Fingerprinting). Ove metode, takođe, zahtevaju duže vreme za početno lociranje. Nedostaci su potreba za značajnim izmenama na baznim i mobilnim stani-cama, kao i troškovi koje te izmene proizvode. Pored toga, dolazi i do zna-čajnijeg povećanja overhead-a, što utiče na prenosnu moć mreže i dodat-no opterećuje prenosne linije. Radi sveobuhvatnog sagledavanja problema lociranja u 3g (UMTS) mrežama, autori su sproveli istraživanje mogućno-
sti primene i ostalih metoda radio-lociranja na bazi merenja nivoa primlje-nje snage (RSSI), metoda lociranja zasnovanih na merenju radio-smera (AoA), metoda na bazi ćelijske identifikacije i, konačno, satelitskih metoda. Rezultati ovih istraživanja biće prikazani u sledećem radu, zajedno sa upo-rednom analizom i predlogom povoljnog rešenja.
Literatura
Borkowski, J.M., 2008, On Applicable Cellular Positioning for UMTS, PhD Thesis, United Kingdom,
Caffery, J., 2000, Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems, Klu-wer Academic Publishers,
Coordination Group on Access to Location Information for Emergency Services (CGALIES), 2002, ’’Report on implementation issues related to access to location information by emergency services (E112) in the European Union”, available at: http://ec.europa.eu/echo/civjl_protection/civil/pdfdocs/cgaliesfi nalreportv1_0.pdf,
Figueiras, Frattasi, 2010, Mobile Positioning and Tracking, John Wiley and Sons, Ltd.,
Functional specification of UE positioning in UTRAN, 2007, 3GPP TS 25.305, release 8 (v8.0.0), Stage 2,
Grewal, M.S., Weill, L.R., Andrews, A.P., 2001, Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, John Wiley and Sons,
Holma, H., Toskala, A., 2004, WCDMA for UMTS, John Wiley and Sons, Ltd, Initial Simulation Results for the OTDOA-PE positioning method, 2000, 3GPP TSG-RAN WG1R1-00-1186, www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSG-R1_16/docs/PDFs/R1-00-1186.pdf,
Kupper, A., 2005a, “Fundamentals of Positioning in Location-based Services: fundamentals and operation”, Wiley, Chichester, England,
Kupper, A., 2005b, „Location-based Services“, John Wiley and Sons,
Laiho, J., Wacker, A., Novosad, T., 2002, Radio network planning and optimization for UMTS, John Wiley and Sons, Ltd,
Melikov, A., Ed., 2011, Cellular Networks - Positioning, Performance Analysis, Reliability, Rijeka, InTech,
Simić, M., 2009, Lociranje korisnika u ćelijskim radio mrežama, Telekomun-ikacije, Broj 5, Ratel,
Simic, M. & Pejovic, P., 2008, An algorithm for determining mobile station location based on space segmentation. IEEE Communications Letters, Vol. 12, No. 7, July, 499-501,
Sun, G., Chen, J., Guo, W., Liu, K.J.R., 2005, “Signal processing techniques in network-aided positioning—A survey of state-of-the-art positioning designs”, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 22, No 4, July, pp. 12-23,
Šunjevarić, M.M., 1991, Radio-goniometrija, Vojnoizdavački i novinski cen-tar, Beograd,
Time Aligned IP-DL positioning technique, 1999, 3GPP TSG-RAN WG1 R1-99b79, www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_07/Docs/Pdfs/R1-99b79.pdf,
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2013., Vol. LXI, No. 2
Valtanen, J., 2008, Transport Formats in UMTS Radio Network Controller’s Software Implementation, Master’s Thesis, Espoo, January,
Zhao, Y., 2002, “Standardization of mobile phone positioning for 3G systems”, IEEE Communication Magazine, vol. 40, no. 7, July, pp. 108-116.
RADIO LOCATION OF MOBILE STATIONS IN THIRD GENERATION NETWORKS
FIELD: Telecommunications ARTICLE TYPE: Review Paper
Summary
Mobile station localization in mobile networks started with simple methods (e.g. Cell-ID method) which required only slight modifications of network infrastructures. Principally, it was about network localization by which a localization service became available to all types of mobile phones. Due to low precision, the initiated development of more sophisticated methods has not been finished yet. Among the advanced location-based methods are those based on the measurement of location parameters in the time domain. In this paper the general consideration of radio location methods in 3G (UMTS) radio networks is presented. The use of time based measurement methods was analysed in detail. Due to the limited article length, the use of other locating methods in 3G networks (based on power measurements, on radio direction measurement, and on cells identification - Cell ID and global positioning system - GPS) are not described.
Introduction
Mobile station localization within modern cellular networks increases the level of user security and opens wide opportunities for commercial operators who provide this service. The major obstacle for the implementation of this service, which also prevents its practical usage, is the modification of the existing network infrastructure.
In general, depending on the infrastructure used, positioning methods can be divided into two groups: integrated and independent. Integrated methods are primarily created for communication networks. A possibility to locate users represents just an additional service within a radio network. Independent methods are totally detached from the communication network in which the user whose location is being determined is.
Radio location methods
Determining the location of a mobile radio station is performed by determining the intersection of two or more lines of position. These lines represent the position of the set of points at which the mobile station may be located. These lines can be: (a) direction, if specified by a direction on an object, (b) circle, if determined by measuring the distance of an object, or (c) a hyperbola, if the difference is determined by measuring the distance
<j8D
between two objects. In cellular networks, the location of mobile stations can be estimated roughly by proximity sensing methods and methods based on an evaluation of the characteristics of base stations (fingerprinting).
Basic characteristics of the UMTS standard
The radio network controller (RNC) has three different roles and is therefore known as: Controlling RNC (CRNC), Serving RNC (SRNC) and Drifting RNC (DRNC). The Local Measurement Unit (LMU) performs radio measurements (measuring the delay of signals from base stations to the LMU) and forwards the data to the CRNC. The main location functions are performed within the Serving RNC which can operate in two modes: RNC central and central SAS (Standalone SMLC). The RNC in the RNC central mode controls the flow of requirements for the localization, chooses the method of localization, provides information as necessary and, finally, estimates the location of the user. The SAS mode performs the procedures based on the requirements of the service radio network controller (SRNC). The SAS executes the global location (Global Navigation Satellite System) and location on the uplink, based on measuring the time difference U-TDoA (Uplink - Time Difference of Arrival).
Methods of locating the MS in a UMTS network
In the UMTS network, depending on the used network infrastructure, both the station and network-based method can be used, i.e. determining the MS location can be performed on the MS or on the network side. In UMTS networks, the following methods can be used: methods based on measurements in the time domain (time-based), methods based on measurements of a received power level (Received Signal Strength - RSS), methods based on measuring the angle under which the signal arrives to the receiving antenna and methods based on the global location system (Global Navigation Satellite System).
The methods based on measuring the values of the parameters of radio signals propagation in the time domain, analyzed in detail in the work, are divided by the type of location parameters used into: RTT, ToA and TDoA methods.
Conclusion
This paper examines the methods of radio locating in radio networks with a detailed analysis of methods of locating mobile stations in the 3G (UMTS) cellular networks based on station and network measurements of location parameters in the time domain.
Key words: Radio location, mobile station, angulation, lateration, 3G networks, position line, Time of Arrival (ToA), Time Difference of Arrival (TDoA).
Datum prijema članka/Paper received on: 30. 03. 2012.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa/Manuscript corrections submitted on: 25. 04. 2012.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje/ Paper accepted for publishing on: 27. 04. 2012.
Šunjevarić, M. i dr., Radio-lociranje mobilne stanice u mrežama treće generacije, pp. 55-83
