iv.
06.04.2007, 01:35
Немного подредактированная мной статья Сергея Бескрестнова (www.gsm.net.ua). Особого внимания заслуживает последняя часть статьи "Методы реализации системы точного позиционирования".
Стандартные возможности
Как известно, мобильный телефон во включенном состоянии всегда следит за ближайшими базовыми станциями*, при этом он принимает сигналы от одной (самой сильной станции) и постоянно отслеживает уровень сигнала от еще нескольких. При любом общении с сетью (звонок, SMS и т.д.) телефон устанавливает в большинстве случаев** связь с самой сильной по уровню сигнала станцией. Обычно эта же станция является самой ближней.
* базовые станции - приемопередающие станции установленная на крышах домов, на вышках, башнях. С помощью таких станций, расположенных в необходимых местах, обеспечивается покрытие местности.
** бывают случаи, когда уровень сигнала очень сильный, но присутствует помеха, поэтому телефон выбирает другой канал для связи с меньшим уровнем сигнала, но с лучшим качеством.
Расстояние от телефона до ближайшей станции может быть разным и зависит от того, насколько большое количество станции имеет оператор. В большом городе это обычно до 400 метров. В областном центре до километра. В сельской местности и по трассам до 15-20 км. MSC (коммутатор мобильной связи) при каждом общении с сетью определяет и сохраняет в журнал (CDR) серийный номер телефона и номер соты Cell ID*** в которой терминал находится. Таким образом в стандартной GSM сети можно определить местоположение абонента с точностью до передатчика (соты), что дает точность определения в большом городе максимум 200-400 метров. В городе областного значения погрешность 800 метров – километр. В сельской местности 15-20 км.При этом примерный вид зоны возможного нахождения абонента будет следующим (на рисунке 1 указан синим цветом).
*** базовая станция может иметь несколько передатчиков. Каждый передатчик обеспечивает связь на определенном географическом участке местности образуя соту. Обычно базовые станции имеют три передатчика, антенны которых направлены в разные стороны.
http://img214.imageshack.us/img214/5535/position1zq1.jpg
Рис. 1
Более ясно понять, как выглядят соты в сети GSM, поможет рисунок 2. На нем условно крестиками помечены базовые станции, а создаваемые ими соты, выделены разными цветами. Как мы видим соты, имеют разный размер и напрямую зависят от места установки базовых станций.
http://img218.imageshack.us/img218/9461/position2jm4.jpg
Рис.2
Некоторые производители GSM оборудования наделяют коммутаторы мобильной связи возможностью определять местоположения абонента не только по номеру соты, но и уточнять его по критерию дальности нахождения абонента от текущей базовой станции. Так, как технология GSM использует частотно-временное разделение каналов, существует возможность определять дальность нахождения абонента от базовой станции с точность 550 метров использую параметр TA (Time Advanced). В этом случае местоположение абонента определяется полукруглой полосой шириной 550 метров (на рисунке 3 обозначена красным цветом). Если абонент перемещается по местности, то отслеживая параметры Cell ID и TA можно достаточно точно определить направление его движения особенно на крупных дорогах и автомагистралях.
http://img214.imageshack.us/img214/2072/position3bb4.jpg
Рис.3
Дополнительные возможности
Конечно же сеть GSM несет в себе гораздо больше возможностей которые могут быть реализованы за счет интеграции специального оборудования со стороны оператора мобильной связи. Данное оборудование является достаточно дорогостоящим и устанавливается оператором обычно в случае запуска новых услуг основанных на определении местоположения мобильных абонентов. Давайте попробуем разобраться, как такие системы работают и какой набор сервисов предлагают. В основе определения абонента в сети сотовой связи (без применения систем спутниковой навигации) лежит два основных метода: метод EOTD (метод разности времен) и TOA (метод оценки времени получения). Существует еще несколько методов, но они получили меньшую распространенность или являются разновидностью описанным методов. И тот и другой метод дают точность определения местоположения абонента 50-150 метров и отличаются только технологией реализации. Возможность определения положение абонента с точность до соты широко используется в западной Европе (операторы ORANGE, VODAPHONE). Эти операторы предоставляют сервисы позволяющие определять расположение ближайших магазинов, точек приема платежей. Любой абонент послав SMS на специальный номер получит информацию, где он находиться, что особенно полезно для туристов. Заключительная часть статьи вряд ли будет интересна простому обывателю, так как в ней будут описаны основные технические аспекты двух методов точного позиционирования.
Методы реализации системы точного позиционирования
Как говорилось ранее основных методов два:
- Метод разности времен (Enhanced Observed Time Difference, EOTD).
- Метод времени получения (Time of Arrival - TOA).
Оба метода требуют установки на базовые станции специального модуля LMU (модуль определения место положения). Только при интеграции системы EOTD блоков LMU необходимо в три-четыре раза меньше, что существенно снижает расходы оператора. Метод времени получения (Time of Arrival - TOA) схож с технологией спутниковой навигации GPS и базируется на измерении задержки в сдвиге фрейма при прохождении сигнала от базовой станции до телефона (который в свою очередь является показателем определяющим расстояние до базовых станций). Чтобы определить координаты нужно, как минимум три одновременных пеленга (замера расстояния) до разных базовых станций, оборудованных LMU. В идеале более точные координаты можно получить при измерении времени прохождения сигнала до четырех-пяти базовых станций. Все вычисления делает оборудование, установленное у оператора (используя алгоритмы триангуляции), при этом, так как речь идет о разнице в получении сигналов в микросекунды, остро встает вопрос синхронизации всех LMU (например используя сигналы GPS). Инициировать процесс определения местоположения может как сам пользователь, так и оператор. Конечно, такой метод неизбежно увеличивает нагрузку на служебные каналы сети в момент запроса координат.
Метод разности времен (Enhanced Observed Time Difference, EOTD) разработан компанией Cambridge Positioning Systems и имеет в основе похожие принципы, что и ТОА, только измерения происходят до двух трех ближайших доступных LMU и измеряется разница во времени задержки сигналов. В дальнейшем эта разница конвертируется в расстояние от мобильного телефона до двух конкретных базовых станций(рисунок 4). В систему обработки данных водятся точные координаты базовых станций, дальнейшее вычисление не составляет труда. По некоторым оценкам точность такого метода даже превышает метод ТОА. Особенность метода EOTD заключается в необходимости интеграции в мобильный терминал модуля вычислений. Этот метод получил распространение в США (CDMA сети) и лишь начинает внедряться производителями терминалов GSM. Сейчас рынок предлагает следующие популярные модели терминалов с поддержкой EOTD: Siemens A56, Nokia 3650, 7610, 6610, Samsung S100, Sony Ericsson T610 и многие другие.
http://img214.imageshack.us/img214/8017/position4mk4.jpg
Рис.4
Бонус:
ещё два метода, взятые из материала господина Valient Newman.
WAP
В WAP версии 1.1 есть функция WTAI (Wireless Telephony Application Interface — интерфейс для разработки приложений для беспроводных телефонов), позволяющая через язык сценариев WML (Wireless Markup Language — язык разметки для беспроводных телефонов) сделать запрос Cell ID. WAP версии 1.2 позволяет запросить NMR. Метод не оказывает влияния на сеть. Для него характерна низкая стоимость интеграции с WAP-обозревателем мобильного аппарата. Работает только с WAP. Обладает высокой скоростью, потому что информация о местоположении передается в потоке данных. Точность зависит от плотности сети. Может нарушать приватность пользователей, так как владелец WAP-ресурса получает доступ к информации из сети.
Вспомогательный GPS
В английском варианте метод носит название Assisted Global Positioning System (вспомогательная система глобального позиционирования). Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System — система позиционирования на земле) — это сеть американских военных спутников Navstar, используемая для наведения корабельных ракет на цели и — в коммерческих целях — для позиционирования наземных приемников. Метод определения местоположения в GPS основан на оценке времени распространения сигналов со спутников. Для определения местоположения GPS-приемнику может потребоваться до 40 секунд. Главный принцип вспомогательного GPS — это интеграция приемника GPS, мобильного телефона и средств передачи координатной информации в сотовую сеть. Военным доступна точность в 10 метров, для коммерческого применения точность, обеспечиваемая данным методом, составляет от 5 до 50 метров. Требует минимальной модификации сети. Высокая стоимость мобильного аппарата: антенна, аппаратное и программное обеспечение. Возрастают не только цена, но и размеры и потребление энергии. Работает только вне зданий. Для работы абонент должен находиться в пределах прямой видимости не менее трех спутников системы.
Стандартные возможности
Как известно, мобильный телефон во включенном состоянии всегда следит за ближайшими базовыми станциями*, при этом он принимает сигналы от одной (самой сильной станции) и постоянно отслеживает уровень сигнала от еще нескольких. При любом общении с сетью (звонок, SMS и т.д.) телефон устанавливает в большинстве случаев** связь с самой сильной по уровню сигнала станцией. Обычно эта же станция является самой ближней.
* базовые станции - приемопередающие станции установленная на крышах домов, на вышках, башнях. С помощью таких станций, расположенных в необходимых местах, обеспечивается покрытие местности.
** бывают случаи, когда уровень сигнала очень сильный, но присутствует помеха, поэтому телефон выбирает другой канал для связи с меньшим уровнем сигнала, но с лучшим качеством.
Расстояние от телефона до ближайшей станции может быть разным и зависит от того, насколько большое количество станции имеет оператор. В большом городе это обычно до 400 метров. В областном центре до километра. В сельской местности и по трассам до 15-20 км. MSC (коммутатор мобильной связи) при каждом общении с сетью определяет и сохраняет в журнал (CDR) серийный номер телефона и номер соты Cell ID*** в которой терминал находится. Таким образом в стандартной GSM сети можно определить местоположение абонента с точностью до передатчика (соты), что дает точность определения в большом городе максимум 200-400 метров. В городе областного значения погрешность 800 метров – километр. В сельской местности 15-20 км.При этом примерный вид зоны возможного нахождения абонента будет следующим (на рисунке 1 указан синим цветом).
*** базовая станция может иметь несколько передатчиков. Каждый передатчик обеспечивает связь на определенном географическом участке местности образуя соту. Обычно базовые станции имеют три передатчика, антенны которых направлены в разные стороны.
http://img214.imageshack.us/img214/5535/position1zq1.jpg
Рис. 1
Более ясно понять, как выглядят соты в сети GSM, поможет рисунок 2. На нем условно крестиками помечены базовые станции, а создаваемые ими соты, выделены разными цветами. Как мы видим соты, имеют разный размер и напрямую зависят от места установки базовых станций.
http://img218.imageshack.us/img218/9461/position2jm4.jpg
Рис.2
Некоторые производители GSM оборудования наделяют коммутаторы мобильной связи возможностью определять местоположения абонента не только по номеру соты, но и уточнять его по критерию дальности нахождения абонента от текущей базовой станции. Так, как технология GSM использует частотно-временное разделение каналов, существует возможность определять дальность нахождения абонента от базовой станции с точность 550 метров использую параметр TA (Time Advanced). В этом случае местоположение абонента определяется полукруглой полосой шириной 550 метров (на рисунке 3 обозначена красным цветом). Если абонент перемещается по местности, то отслеживая параметры Cell ID и TA можно достаточно точно определить направление его движения особенно на крупных дорогах и автомагистралях.
http://img214.imageshack.us/img214/2072/position3bb4.jpg
Рис.3
Дополнительные возможности
Конечно же сеть GSM несет в себе гораздо больше возможностей которые могут быть реализованы за счет интеграции специального оборудования со стороны оператора мобильной связи. Данное оборудование является достаточно дорогостоящим и устанавливается оператором обычно в случае запуска новых услуг основанных на определении местоположения мобильных абонентов. Давайте попробуем разобраться, как такие системы работают и какой набор сервисов предлагают. В основе определения абонента в сети сотовой связи (без применения систем спутниковой навигации) лежит два основных метода: метод EOTD (метод разности времен) и TOA (метод оценки времени получения). Существует еще несколько методов, но они получили меньшую распространенность или являются разновидностью описанным методов. И тот и другой метод дают точность определения местоположения абонента 50-150 метров и отличаются только технологией реализации. Возможность определения положение абонента с точность до соты широко используется в западной Европе (операторы ORANGE, VODAPHONE). Эти операторы предоставляют сервисы позволяющие определять расположение ближайших магазинов, точек приема платежей. Любой абонент послав SMS на специальный номер получит информацию, где он находиться, что особенно полезно для туристов. Заключительная часть статьи вряд ли будет интересна простому обывателю, так как в ней будут описаны основные технические аспекты двух методов точного позиционирования.
Методы реализации системы точного позиционирования
Как говорилось ранее основных методов два:
- Метод разности времен (Enhanced Observed Time Difference, EOTD).
- Метод времени получения (Time of Arrival - TOA).
Оба метода требуют установки на базовые станции специального модуля LMU (модуль определения место положения). Только при интеграции системы EOTD блоков LMU необходимо в три-четыре раза меньше, что существенно снижает расходы оператора. Метод времени получения (Time of Arrival - TOA) схож с технологией спутниковой навигации GPS и базируется на измерении задержки в сдвиге фрейма при прохождении сигнала от базовой станции до телефона (который в свою очередь является показателем определяющим расстояние до базовых станций). Чтобы определить координаты нужно, как минимум три одновременных пеленга (замера расстояния) до разных базовых станций, оборудованных LMU. В идеале более точные координаты можно получить при измерении времени прохождения сигнала до четырех-пяти базовых станций. Все вычисления делает оборудование, установленное у оператора (используя алгоритмы триангуляции), при этом, так как речь идет о разнице в получении сигналов в микросекунды, остро встает вопрос синхронизации всех LMU (например используя сигналы GPS). Инициировать процесс определения местоположения может как сам пользователь, так и оператор. Конечно, такой метод неизбежно увеличивает нагрузку на служебные каналы сети в момент запроса координат.
Метод разности времен (Enhanced Observed Time Difference, EOTD) разработан компанией Cambridge Positioning Systems и имеет в основе похожие принципы, что и ТОА, только измерения происходят до двух трех ближайших доступных LMU и измеряется разница во времени задержки сигналов. В дальнейшем эта разница конвертируется в расстояние от мобильного телефона до двух конкретных базовых станций(рисунок 4). В систему обработки данных водятся точные координаты базовых станций, дальнейшее вычисление не составляет труда. По некоторым оценкам точность такого метода даже превышает метод ТОА. Особенность метода EOTD заключается в необходимости интеграции в мобильный терминал модуля вычислений. Этот метод получил распространение в США (CDMA сети) и лишь начинает внедряться производителями терминалов GSM. Сейчас рынок предлагает следующие популярные модели терминалов с поддержкой EOTD: Siemens A56, Nokia 3650, 7610, 6610, Samsung S100, Sony Ericsson T610 и многие другие.
http://img214.imageshack.us/img214/8017/position4mk4.jpg
Рис.4
Бонус:
ещё два метода, взятые из материала господина Valient Newman.
WAP
В WAP версии 1.1 есть функция WTAI (Wireless Telephony Application Interface — интерфейс для разработки приложений для беспроводных телефонов), позволяющая через язык сценариев WML (Wireless Markup Language — язык разметки для беспроводных телефонов) сделать запрос Cell ID. WAP версии 1.2 позволяет запросить NMR. Метод не оказывает влияния на сеть. Для него характерна низкая стоимость интеграции с WAP-обозревателем мобильного аппарата. Работает только с WAP. Обладает высокой скоростью, потому что информация о местоположении передается в потоке данных. Точность зависит от плотности сети. Может нарушать приватность пользователей, так как владелец WAP-ресурса получает доступ к информации из сети.
Вспомогательный GPS
В английском варианте метод носит название Assisted Global Positioning System (вспомогательная система глобального позиционирования). Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System — система позиционирования на земле) — это сеть американских военных спутников Navstar, используемая для наведения корабельных ракет на цели и — в коммерческих целях — для позиционирования наземных приемников. Метод определения местоположения в GPS основан на оценке времени распространения сигналов со спутников. Для определения местоположения GPS-приемнику может потребоваться до 40 секунд. Главный принцип вспомогательного GPS — это интеграция приемника GPS, мобильного телефона и средств передачи координатной информации в сотовую сеть. Военным доступна точность в 10 метров, для коммерческого применения точность, обеспечиваемая данным методом, составляет от 5 до 50 метров. Требует минимальной модификации сети. Высокая стоимость мобильного аппарата: антенна, аппаратное и программное обеспечение. Возрастают не только цена, но и размеры и потребление энергии. Работает только вне зданий. Для работы абонент должен находиться в пределах прямой видимости не менее трех спутников системы.