CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

SADRŽAJ

Radio mreže pružaju korisnicima jednu vrlo osobenu prednost koju ostale mreže ne mogu da pruže, a to je da budu mobilni. Sa funkcijom mobilnosti, ključni atribut postaje lokacija, pa određivanje lokacije korisnika u radio mrežama postaje glavno oruđe koje mobilnim korisnicima omogućava pravi servis, u pravo vreme i na pravom mestu. Problem lociranja korisnika u radio mrežama je vrlo aktuelan u svetu u poslednjih desetak godina. Ipak, razvoj metoda za određivanje lokacije korisnika u okviru tih mreža je sporiji nego što se očekivalo. Najveći problem predstavljaju dva oprečna zahteva: ostvarivanje zadovoljavajuće tačnosti određivanja lokacije i korišćenje postojeće mrežne infrastrukture i terminala, bez dodatnih modifikacija. U ovom preglednom radu izložen je razvoj servisa lociranja u ćelijskim radio mrežama. Opisane su neophodne modifikacije u okviru postojećih ćelijskih radio mreža kako bi iste mogle podržati novi servis i prikazane osnovne karakteristike i principi rada standardizovanih metoda lociranja korisnika u GSM i UMTS.

1. UVOD

Ideja o lociranju (pozicioniranju) korisnika u radio mrežama počinje u okviru ćelijskih radio mreža. Nastala je u Sjedinjenim Američkim Državama za potrebe servisa 911, tj. servisa za hitne pozive. Razvojem ćelijskih radio sistema, porastao je i broj korisnika ovih sistema, pa samim tim i broj hitnih poziva upućenih sa mobilnih stanica. Problem je bilo pravovremeno reagovanje na ovakve pozive, s obzirom na to da korisnik često nije znao svoju lokaciju. Zbog toga je američka Federalna komisija za komunikacije, FCC (Federal Communication Commission), još 1996. godine napravila program u nekoliko faza kojim je obavezala operatore mobilne telefonije da u predviđenom vremenskom intervalu u okviru svojih ćelijskih radio mreža obezbede automatsku identifikaciju lokacije korisnika koji sa mobilnih stanica koriste usluge servisa za hitne pozive. Novi servis bezbednosti u okviru ćelijskih radio mreža nazvan je Enhanced 911 (E-911). Osim bezbednosti, poznavanje lokacije korisnika u ćelijskim radio mrežama otvorilo je operatorima mobilne telefonije i velike komercijalne mogućnosti.

Prema definiciji međunarodne organizacije za standardizaciju, 3GPP (The Third Generation Partnership Project), servisi koji se baziraju na poznavanju lokacije korisnika, LBS (Location Based Services), su servisi u okviru ćelijskih radio mreža koji koriste dostupne informacije o lokaciji korisnika (mobilne stanice, terminala). Ista organizacija standardizovala je osam kategorija LBS servisa [1], što je prikazano u Tabeli 1.

Tabela 1. LBS kategorije i standardizovani tipovi servisa

U skladu sa 3GPP, podservis koji je neophodan za realizaciju LBS i koji obezbeđuje podatke o lokaciji korisnika u ćelijskim radio mrežama (GSM, UMTS) naziva se servis lociranja, LCS (Location Services). LCS specificira sve neophodne elemente u mreži, njihove funkcije, interfejse i protokole, kako bi u okviru ćelijskih radio mreža bilo moguće locirati mobilne korisnike.

2. FAZE RAZVOJA SERVISA LOCIRANJA

Kao što je već rečeno, ideja o pozicioniranju korisnika u ćelijskim radio mrežama nastala je u Sjedinjenim Američkim Državama za potrebe servisa za hitne pozive - 911. 1996. godine FCC je napravio program u nekoliko faza kojim se operatori mobilne telefonije obavezuju da u predviđenom vremenskom intervalu omoguće lociranje mobilnih korisnika u okviru svojih ćelijskih radio mreža. Ova naprednija verzija servisa za hitne pozive u kojoj je obezbeđena automatska identifikacija lokacije korisnika nazvana je Enhanced 911 (E-911).

Servis za hitne pozive u Evropi nastao je tek 1998. godine. Evropska komisija, EC (European Commission), ustanovila je jedinstveni broj 112 kao podršku hitnim servisima, kako za fiksnu tako i za mobilnu telefoniju. Ovaj broj je ekvivalent američkom 911. Jula 2000. godine, Кomisija Evropske zajednice, CEC (Commission of European Communities), izdala je zahtev po kojem se operatori mobilne telefonije u zemljama unutar Evropske Unije obavezuju da u okviru svojih ćelijskih radio mreža omoguće automatsku identifikaciju lokacije mobilnih korisnika. Ovaj servis je nazvan Enhanced 112 (E-112).

2.1. E-911

FCC pravila za E-911 ustanovljena su u cilju povećanja bezbednosti ljudi, preciznije, da bi korisnicima servisa za hitne pozive upućene preko mobilnih stanica pomoć mogla biti pružena u što kraćem vremenskom periodu. Takođe, propisani su i vremenski intervali u okviru kojih operatori mobilne telefonije moraju ispuniti ove zahteve.

Prva faza razvoja servisa E-911 počela je aprila 1998. godine zahtevom da, u slučaju kada se 911 poziv generiše u okviru mobilne mreže, operatori mobilne telefonije moraju obezbediti informaciju o broju mobilne stanice sa koje je upućen hitni poziv, identifikovati baznu stanicu koja u tom trenutku opslužuje mobilnu stanicu sa koje je poziv upućen i ove informacije dostaviti agenciji za reagovanje na hitne pozive. Ovakva informacija omogućila bi grubo određivanje lokacije sa koje je poziv upućen, kao i mogućnost ponovnog uspostavljanja veze sa korisnikom kome je pomoć potrebna, a ukoliko je u međuvremenu došlo do prekida veze.

Druga faza razvoja servisa E-911 počela je oktobra 2001. godine dodatnim zahtevom, a to je obezbeđivanje automatske identifikacije lokacije, ALI (Automatic Location Identification). Ovaj zahtev pokrenuo je razvoj tzv. network‑based metoda, kod kojih se proračun lokacije korisnika vrši na nivou mreže. Narednih godina, FCC je, u cilju realizacije druge faze, dozvolila i razvoj handset-based metoda, kod kojih se proračun lokacije korisnika vrši na nivou mobilne stanice. Istovremeno, ustanovljeni su i zahtevi po pitanju tačnosti određivanja lokacije i to u zavisnosti od toga da li je reč o network-based ili handset-based tehnologiji. Zahtevi FCC-a vezani za drugu fazu razvoja servisa E-911 prikazani su u Tabeli 2.

Tabela 2. Zahtevane tačnosti određivanja lokacije korisnika u ćelijskim radio mrežama, E-911 [2]

2.2. E-112

Iako se činilo da će evropski servis E-112 biti vrlo sličan američkom E-911, ispostavilo se da će razvoj servisa E-112 ipak zahtevati rešavanje dodatnih problema, pa samim tim i duže vreme implementacije. Razlog su razlike u servisima za hitne pozive u zemljama članicama Evropske Unije. Jula 2000. godine, CEC je napravila program u nekoliko faza kojim je najpre zahtevana jedinstvena organizacija servisa za hitne pozive u zemljama članicama EU, a zatim i mogućnost lociranja mobilnih korisnika koji su u okviru mobilnih mreža koristili servis za hitne pozive. U tom cilju, iste godine CEC je pokrenula projekat pod nazivom LOCUS (Location of Cellular Users for Emergency Services project). Takođe, formirana je i radna grupa pod nazivom CGALIES (Coordination Group on Access to Location Information by Emergency Services). Osnovni zadatak ove grupe bio je implementacija servisa E-112 u propisanom vremenskom periodu, koji bi bio finansijski prihvatljiv i usvojen od strane svih zemalja unutar EU. Radna grupa CGALIES završila je konačan izveštaj o svim zahtevima koje treba ispuniti u tom cilju februara 2002. godine.

U Тabeli 3. prikazani su zahtevi vezani za tačnost određivanja lokacije korisnika, uz pretpostavku da informacije o lokaciji korisnika moraju biti dostupne najkasnije 30s od trenutka poziva. Dodatno, zahtev je i da gruba lokacija korisnika, tačnosti od oko 300m za sve tipove okruženja, bude dostupna već 7s od trenutka poziva. Takođe, razdvojeni su slučajevi za razne tipove okruženja kao i slučajevi kada korisnik može dati bar neku informaciju o lokaciji na kojoj se nalazi, kao i kada to ne može. Statistika je pokazala da ovi drugi predstavljaju svega 6% od ukupnog broja hitnih poziva.

Tabela 3. Zahtevane tačnosti određivanja lokacije korisnika u ćelijskim radiomrežama, E-112 [3]

3. STANDARDIZACIJA ZA LCS

Od nastanka ideje o pozicioniranju korisnika u radio mrežama do danas, razvijeno je više različitih metoda. Neke od njih se oslanjaju na sisteme i infrastrukture koje su isključivo namenjene u svrhe lociranja (GPS, Galileo). Druge se oslanjaju na sisteme i infrastrukture čiji primarni cilj nije navigacija, već komunikacija. Zbog toga je, u slučaju ovih drugih, bilo neophodno razviti posebne standarde kako bi se obezbedila implementacija servisa koji se baziraju na poznavanju lokacije korisnika u ćelijskim radio mrežama. Ti standardi se zovu LCS standardi.

Proces standardizacije počeo je razvojem LCS standarda za GSM mreže i pokrenut je od strane FCC. Standardizaciju vrši globalna organizacija za razvoj standarda, 3GPP.

3.1. GERAN LCS

U okviru pristupne mreže sistema GSM/EDGE, GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network), razvijen je veći broj metoda pozicioniranja koje se razlikuju kako po tačnosti, tako i po kompleksnosti kontrolnih mehanizama u pristupnim mrežama i terminalima koji su neophodni za potrebe pozicioniranja.

3.1.1. Standardizacija metoda pozicioniranja za GERAN LCS

Prema [4], za GERAN su standardizovane četiri metode pozicioniranja:

• Cell-ID+TA (Cell Identification + Timing Advance),
• E-OTD (Enhanced Observed Time Difference),
• U-TDOA (Uplink Time Difference of Arrival), i
• A-GNSS (Assisted Global Navigation Satellite System).

Implementacija Cell-ID+TA i A-GNSS u postojeće GSM mreže je relativno jednostavna, dok implementacija E-OTD i U-TDOA zahteva suštinske modifikacije i uvođenje novih komponenata.

3.1.2. Arhitektura LCS u mreži GERAN

U skladu sa [4], za potrebe implementacije LCS u mreži GERAN, neophodne su dve dodatne komponente: SMLC (Serving Mobile Location Center) centar i LMU (Location Measurement Unit) jedinica.

LMU jedinica je dodatni hardver koji zahtevaju neke od metoda pozicioniranja (E-OTD, U-TDOA). Koristi se za precizna merenja vremena prenosa signala i na downlink-u i na uplink-u. Na downlink-u, LMU jedinica se koristi za merenje vremenskog ofseta između vremenskih slotova sa različitih baznih stanica, čime se obezbeđuje a posteriori sinhronizacija koju zahteva metoda pozicioniranja E-OTD. Na uplink-u, LMU jedinica služi za vremenska merenja prenosa signala od mobilne stanice, što zahteva metoda pozicioniranja U-TDOA. Najzad, da bi se podatak o vremenu izmeren od strane LMU jedinice mogao iskoristiti za potrebe pozicioniranja, moraju biti poznate i geografske koordinate LMU jedinica. LMU jedinice mogu se instalirati kao samostalne komponente ili mogu biti integrisane u okviru bazne stanice BTS (Base Transceiver Station).

SMLC je komponenta koja upravlja kompletnim procesom pozicioniranja, uključujući alokaciju resursa, izbor odgovarajuće metode pozicioniranja, organizaciju potrebnih merenja, kao i sam proračun nepoznate lokacije mobilne stanice. SMLC komponente moraju imati i mogućnost međusobne komunikacije u slučaju da pripadaju različitim pristupnim mrežama, a u cilju podrške pozicioniranju za korisnike koji se kreću između tih pristupnih mreža. Takođe, SMLC može biti instaliran kao samostalna komponenta u pristupnoj mreži ili može biti integrisan u okviru BSC (Base Station Controller).

U zavisnosti od metoda pozicioniranja koje podržava, pristupna mreža obično sadrži jednu SMLC komponentu i nekoliko LMU jedinica.

3.2. UTRAN LCS

Kao i u slučaju GERAN-a, u okviru pristupne mreže sistema UMTS, UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) razvijen je veći broj metoda pozicioniranja, od koji su neke i standardizovane.

3.2.1. Standardizacija metoda pozicioniranja za UTRAN LCS

Prema specifikaciji [5], za UTRAN su standardizovane četiri metode pozicioniranja:

• Cell-ID (Cell Identification),
• OTDOA-IPDL (Observed Time Difference Of Arrival-Idle Period Downlink),
• A-GNSS (Assisted Global Navigation Satellite System), i
• U-TDOA (Uplink Time Difference of Arrival).

3.2.2. Arhitektura LCS u mreži UTRAN

Kao i u slučaju GSM, implementacija servisa LCS u UMTS zahteva dodatne komponente, SMLC centar i LMU jedinicu. Ipak, za razliku od GSM mreža, LCS komponente u UMTS mrežama su uglavnom integrisane u okviru baznih stanica (Node B) ili RNC (Radio Network Controller).

U slučaju UTRAN-FDD (UTRAN - Frequency Division Duplex), LMU jedinice su obično integrisane u okviru baznih stanica i služe za postizanje sinhronizacije između baznih stanica. Ipak, u uslovima kada između baznih stanica od interesa postoje loši ili uslovi prostiranja bez optičke vidljivosti, NLOS (Non-Line of Sight), što najčešće i jeste slučaj, LMU jedinice se mogu koristiti i kao samostalne komponente postavljene na mesta koja obezbeđuju bolje uslove prostiranja signala, a time i tačnija merenja. U tim slučajevima, LMU jedinice su u vezi sa pristupnom mrežom preko radio-interfejsa. U slučaju UTRAN-TDD (UTRAN - Time Division Duplex), bazne stanice su a priori sinhronizovane pa ne postoji potreba za instalacijom LMU jedinica u okviru takvih baznih stanica. Druga LCS komponenta, SMLC, najčešće je integrisana u okviru RNC, ali se, kao i u slučaju pristupne mreže GERAN, može instalirati samostalno, tj. kao SAS (Stand-Alone SMLC).

3.3. LCS arhitektura mreže

Osim pomenutih komponenata koje se za potrebe pozicioniranja moraju instalirati u pristupnim mrežama GERAN i UTRAN, čitav postupak pozicioniranja zahteva dodatnu komponentu i na nivou core mreže. Sa druge strane, s obzirom na postepenu migraciju od 2G ka 3G mrežama, pristupne mreže UTRAN i GERAN funkcionišu u okviru integrisane arhitekture core mreže, što omogućava zajedničke komponente infrastrukture, protokole i mehanizme upravljanja. Isti koncept prihvaćen je i za LCS, što podrazumeva različite metode pozicioniranja razvijene u okviru oba tipa pristupnih mreža, sa jedne strane, i zajednički element smešten u okviru core mreže, sa druge strane, koji kontroliše proces pozicioniranja nezavisno od tipa pristupne mreže.

Slika 1. 3GPP LCS arhitektura

Nova komponenta na nivou core mreže koja upravlja postupkom pozicioniranja je GMLC (Gateway Mobile Location Center), i predstavlja interfejs između LCS klijenta od koga i potiče zahtev za pozicioniranjem, i SMLC komponenata u raznim pristupnim mrežama. U zavisnosti od veličine, mreža može imati jedan ili više GMLC-ova. Takođe, za podršku servisu pozicioniranja za korisnike u romingu, GMLC komponente različitih operatora su međusobno povezane. GMLC prima zahtev za pozicioniranjem koji upućuje LCS klijent, koordiniše ceo proces pozicioniranja i najzad dostavlja LCS klijentu proračunate koordinate ciljane mobilne stanice. Treba naglasiti da LCS klijent može biti i sama mobilna stanica koja u tom slučaju upućuje zahtev LCS mreži u cilju dobijanja sopstvenih koordinata. Na Slici 1. prikazana je arhitektura 3GPP LCS sa svojim najvažnijim elementima [6].

4. STANDARDIZOVANE METODE POZICIONIRANJA

Kao što je rečeno, metode pozicioniranja koje su do sada standardizovane su Cell-ID, Cell-ID+TA, E-OTD, U‑TDOA, OTDOA i A‑GNSS.

4.1. Cell-ID

Metoda pozicioniranja Cell-ID [6, 7, 8] zasniva se na principu proximity sensing, odnosno, na identifikaciji najbližeg predajnika poznatih koordinata. Ovo je najjednostavnija i najrasprostranjenija metoda pozicioniranja. Alternativni nazivi ove metode su i COO (Cell Of Origin) i CGI (Cell Global Identity).

Po metodi Cell-ID, procenjene koordinate mobilne stanice su geografske koordinate bazne stanice koja trenutno opslužuje tu mobilnu stanicu, odnosno, geografske koordinate servisne bazne stanice iz baza podataka. Oblast u kojoj se korisnik nalazi je krug koji odgovara zoni pokrivanja servisne ćelije u slučaju omnidirekcionih ćelija, odnosno, kružni isečak koji odgovara zoni pokrivanja servisne ćelije u slučaju sektorskih ćelija. Metoda pozicioniranja Cell-ID se može primeniti bilo da je mobilna stanica u dedicated ili u idle režimu rada.

Tačnost metode pozicioniranja Cell-ID zavisi od tačnosti geografskih koordinata baznih stanica u bazi podataka operatora, veličine servisne ćelije i tipa ćelije (omnidirekciona/sektorska) i kreće se od par desetina metara za slučaj pikoćelija pa do nekoliko desetina kilometara za slučaj makro ćelija u ruralnim zonama. Dakle, metoda Cell-ID daje rezultate loše (u ruralnim oblastima) do umerene tačnosti (u urbanim oblastima). Dodatno, ionako skromna tačnost može biti dalje smanjena zato što, usled prirode propagacije, servisna ćelija ne mora uvek biti ona ćelija koja je najbliža mobilnoj stanici čija se lokacija određuje [9].

Metoda pozicioniranja Cell-ID se može primeniti u svim mobilnim mrežama (GSM, UMTS). Ipak, primena metode Cell-ID u UMTS mrežama [6, 7] je nešto komplikovanija u odnosu na GSM mreže. Razlog je taj što mobilna stanica, odnosno UE (User Equipment) u UMTS mreži, može istovremeno biti povezana sa više ćelija ili baznih stanica koje čine aktivni set. U tom slučaju, od svih ćelija iz aktivnog seta potrebno je izabrati jednu koja najbolje odgovara trenutnoj lokaciji mobilne stanice. Izbor referentne bazne stanice može biti na osnovu parametara kvaliteta signala na ulazu u prijemnik bazne stanice. Takođe, referentna bazna stanica može biti poslednja servisna bazna stanica, bazna stanica koja je najčešće bila u aktivnom setu, bazna stanica koja je poslednja primljena u aktivni set ili bazna stanica koja je najbliža mobilnoj stanici od svih ostalih iz aktivnog seta. Tačan kriterijum na osnovu kojeg će biti izabrana referentna bazna stanica za metodu pozicioniranja Cell-ID u UMTS mreži nije predmet 3GPP specifikacija, pa je to ostavljeno pojedinačnim operatorima da odluče [6].

Nezavisno od tipa mobilne mreže, metoda pozicioniranja Cell-ID ima vrlo visoku dostupnost unutar mreže,s obzirom da je za rad ove metode potrebna radio veza samo sa jednom baznom stanicom. Pored dostupnosti, metoda Cell-ID pokazuje dobre karakteristike i po pitanju kašnjenja, jer vreme potrebno da se dobije podatak o lokaciji mobilne stanice iznosi oko 1s. Metoda Cell-ID se najčešće koristi kao alternativna metoda pozicioniranja kada neka od preciznijih metoda pod nekim okolnostima nije primenljiva.

4.2. Cell-ID+TA

Da bi se sačuvale prednosti, a ublažile mane koje karakterišu metodu Cell-ID, razvijeno je nekoliko modifikacija ove metode, koje se uglavnom baziraju na merenju dodatnih radio parametara koji bi trebalo da redukuju oblast u kojoj se predviđa lokacija mobilne stanice. Jedan od najčešće korišćenih parametara u primeni metode Cell-ID u GSM mrežama je parametar timing advance (TA) [4, 10, 11, 12]. Parametar ТА odnosi se na povratno vreme propagacije signala emitovanog od bazne stanice ka mobilnoj stanici, što je proporcionalno dvostrukom rastojanju između bazne i mobilne stanice, pa se na taj način zona u kojoj se nalazi mobilna stanica ograničava na prsten u čijem se centru nalazi bazna stanica. U GSM standardu [13], parametar ТА se definiše као celobrojni umnožak vremenskog trajanja jednog bita, što omogućava rezoluciju određivanja rastojanja u kvantima od 553,46 m. U praksi se za kvant rastojanja parametra TA obično uzima vrednost od 550 m. S obzirom da je vrednost parametra TA proporcionalna rastojanju između mobilne i bazne stanice, parametar TA u kombinaciji sa Cell-ID formira varijantu naprednije verzije metode pozicioniranja Cell-ID. Štaviše, metoda pozicioniranja Cell-ID nikada i nije standardizovana za GSM, dok je njena naprednija verzija, Cell-ID+TA ušla u standard GSM LCS od Verzije 98.

Poboljšanje Cell-ID+TA u odnosu na metodu pozicioniranja Cell-ID, ogleda se u povećanju tačnosti određivanja lokacije mobilne stanice. Primena parametra TA značajno smanjuje oblast u kojoj se nalazi mobilna stanica, s obzirom da je sužava na kružni prsten (u slučaju omnidirekcionih antena) širine 550 m, odnosno na isečak kružnog prstena (u slučaju sektorskih antena) širine 550 m, Slika 2.

Slika 2. Metoda pozicioniranja Cell-ID+TA sa omnidirekcionim i sektorskim antenama

Raspoloživost podatka o procenjenoj lokaciji mobilne stanice i vreme potrebno da se on dobije isti su kao i za osnovnu metodu Cell-ID. Ipak, ograničenja Cell-ID+TA su uglavnom nasleđena, pa čak i proširena iz osnovne metode Cell-ID. Naime, parametar TA je dostupan samo kada se mobilna stanica nalazi u dedicated režimu rada. Najozbiljniji problem ipak predstavljaju NLOS uslovi prostiranja između bazne i mobilne stanice, kada izmerena vrednost parametra TA može biti veća od one koja odgovara stvarnoj udaljenosti između bazne i mobilne stanice. Ovaj problem može uzrokovati velike greške pozicioniranja, ili metodu svesti na običnu Cell-ID.

4.3. E-OTD

E-OTD je metoda standardizovana za pozicioniranje u GSM mrežama. Metoda pozicioniranja E-OTD zasniva se na merenju vremena i primenjuje princip cirkularne ili hiperboličke lateracije. U slučaju cirkularne lateracije, mobilna stanica meri vreme prispeća signala, TOA (Time of Arrival) od obližnjih baznih stanica, dok u slučaju hiperboličke lateracije, mobilna stanica meri vremenske razlike prispeća signala, TDOA (Time Difference of Arrival) od obližnjih baznih stanica. U skladu sa tim, cirkularna lateracija zahteva sinhronizaciju između mobilne stanice i baznih stanica koje učestvuju u postupku lateracije, dok hiperbolička lateracija zahteva međusobnu sinhronizaciju između baznih stanica. S obzirom da u GSM mrežama nijedan od ovih uslova nije ispunjen, za ostvarivanje a posteriori sinhronizacije mora se koristiti dodatna komponenta u pristupnoj mreži GERAN, LMU jedinica. Princip rada E-OTD prikazan je na Slici 3.

Slika 3. E-OTD metoda pozicioniranja

Bilo da je u pitanju hiperbolička ili cirkularna metoda E-OTD, merenja vremena na strani LMU jedinica uvek se vrše u odnosu na referentnu baznu stanicu. Referentna bazna stanica postaje ona bazna stanica koja sa LMU jedinicom ostvaruje propagaciju na bazi optičke vidljivosti, LOS (Line of Sight). Takođe, sva merenja vremena LMU jedinica vrše se na kanalu BCCH (Broadcast Control Channel), i s obzirom da je u pitanju kontrolni kanal, obezbeđen je kontinualni prenos, što je preduslov za bilo kakva merenja.

Metoda pozicioniranja E-OTD se može realizovati i kao handset-based i kao handset-assisted rešenje. U prvom slučaju, proračun lokacije vrši sama mobilna stanica, dok se u drugom slučaju proračun vrši na nivou mreže, ali uz pomoć podataka koje je mobilna stanica izmerila i dostavila mreži.

Novije studije [8] pokazuju da se tačnost metode pozicioniranja E-OTD procenjuje od 50 m do 500 m, sa kašnjenjem do 10 s. Metoda pozicioniranja E-OTD zahteva modifikacije i na strani mobilne stanice i na strani mreže. Na strani mreže to su standardne komponente neophodne za podršku servisu pozicioniranja, sa napomenom da se ne zahteva da svaka bazna stanica ima instaliranu LMU jedinicu, s obzirom da jedna LMU jedinica obezbeđuje funkcionalnost za nekoliko obližnjih baznih stanica (obično do pet). Neophodne modifikacije na strani mobilne stanice uglavnom su softverske prirode, što ipak znači da metodu E-OTD ne podržavaju standardni terminali.

4.4. U-TDOA

4.4.1 U-TDOA u GSM mrežama

Metoda U-TDOA standardizovana za pozicioniranje u GSM mrežama zasniva se na merenju vremena i primenjuje princip hiperboličke lateracije, kao i E‑OTD. Za razliku od E‑OTD, ovo je network-based rešenje. U okviru metode pozicioniranja U‑TDOA meri se vreme prispeća (TOA) poznatog signala sa mobilne stanice do tri ili više LMU jedinica, Slika 4. Od izmerenih vrednosti TOA, SMLC računa TDOA, a zatim primenjuje hiperboličku trilateraciju u cilju dobijanja nepoznatih koordinata mobilne stanice. Prvi bitan preduslov koji zahteva metoda U‑TDOA je da mobilna stanica mora biti u dedicated režimu rada, s obzirom da LMU jedinice mogu meriti neophodna vremena samo ako mobilna stanica emituje signal. U slučaju kada se mobilna stanica nalazi u idle režimu, a javi se zahtev za pozicioniranjem, mreža mora stimulisati emisiju signala sa mobilne stanice (asinhroni handover) kako bi se obavila neophodna merenja.

Slika 4. Metoda pozicioniranja U-TDOA

Sledeći bitan preduslov koji zahteva metoda U-TDOA je dovoljan broj LMU jedinica u okruženju mobilne stanice čija se pozicija određuje. Prema uslovu trilateracije, u bliskom okruženju mobilne stanice čija se pozicija određuje moraju se nalaziti barem tri LMU jedinice, ali je za veće tačnosti poželjno da ih bude i više od tri.

Tačnost određivanja lokacije mobilne stanice primenom metode pozicioniranja U-TDOA veća je u ruralnim i suburbanim područjima u poređenju sa urbanim, i to prvenstveno zbog problema višestruke propagacije koji je izraženiji u urbanim zonama. Isti argument za manju tačnost važi i za zatvoren prostor. Brojne simulacije su pokazale da se tačnost metode U-TDOA može značajno poboljšati povećanjem broja LMU jedinica u sistemu.

Vreme potrebno da se ovom metodom dobije podatak o procenjenoj lokaciji je oko 10s. Osnovna prednost u odnosu na metodu E-OTD je što je U-TDOA network‑based metoda, što znači da se sva merenja i proračuni vrše na strani mreže, pa nisu potrebne nikakve promene na postojećim terminalima (mobilnim stanicama). Veliki nedostatak je cena, s obzirom da je, za razliku od E-OTD, neophodno instalirati znatno veći broj LMU jedinica. Nedostatak predstavlja i to što metoda U‑TDOA doprinosi dodatnoj signalizaciji na radio-interfejsu.

4.4.2. U-TDOA u UMTS mrežama

U-TDOA je metoda standardizovana i za pozicioniranje u UMTS mrežama. Ovo je metoda koja je od svih pomenutih metoda pozicioniranja u UMTS mrežama poslednja uključena u standard, tačnije, tek od Verzije 7 u okviru 3GPP TS 25.305, 2005. godine. Uopšte, princip U-TDOA, bilo da je u UMTS ili GSM mrežama, nastao je kao rezultat devetogodišnjeg istraživanja od strane TruePosition, vodećeg provajdera u oblasti lokalizacije korisnika u bežičnim mrežama za potrebe javne i nacionalne bezbednosti. Metoda U-TDOA se zasniva na merenju vremena i primenjuje princip hiperboličke lateracije. U pitanju je network-based rešenje u okviru kojeg se meri vreme prispeća (TOA) poznatog signala sa mobilne stanice do tri ili više LMU jedinica. Od izmerenih vrednosti TOA, RNC/SAS računa TDOA, a zatim primenjuje hiperboličku lateraciju u cilju dobijanja nepoznatih koordinata mobilne stanice. Dakle, princip rada je isti kao i kod istoimene metode standardizovane u GSM.

Osim standardnih uslova koje zahteva trilateracija, preduslov rada metode pozicioniranja U‑TDOA je i da mobilna stanica bude povezana, u connected režimu rada, tačnije u CELL_DCH ili CELL_FACH režimu. Metoda U-TDOA ne zahteva izmene ni na nivou postojećih baznih stanica, ni na nivou postojećih mobilnih stanica, i može se primeniti i u FDD i u TDD režimu. Takođe, dalja unapređenja metode bilo bi lako implementirati jer bi sve modifikacije bile softverske, i to na nivou RNC i LMU jedinica.

Za razliku od OTDOA, U-TDOA ne zahteva implementaciju idle perioda na downlinku, što značajno utiče na stabilnost čitavog sistema. Testiranja metode U-TDOA pokazala su njenu superiornost i u odnosu na A‑GPS po pitanju dostupnosti, naročito u okruženju smanjene optičke vidljivosti sa GPS satelitima (zatvoreni prostor i gusta urbana okruženja).

Greška pozicioniranja i kašnjenje u najboljem slučaju iznose 40 m i 5 s, respektivno [14]. Treba naglasiti da je U-TDOA metoda za koju se predviđa da će obezbediti najbolje performanse u najrazličitijim tipovima okruženja i pod različitim uslovima za pozicioniranje, a pod pretpostavkom minimalne kompleksnosti i uticaja na postojeću mrežnu infrastrukturu.

4.5. OTDOA

OTDOA je metoda standardizovana za pozicioniranje u UMTS mrežama i predstavlja ekvivalent metode E-OTD u GSM mrežama. To znači da su princip rada i uslovi koje zahteva ova metoda isti kao i u E-OTD, a to su cirkularna ili hiperbolička lateracija, dostupnost i u dedicated i u idle režimu rada, i najzad, mogućnost implementacije kao handset-based ili handset-assisted rešenje. Ključna razlika proističe iz merenja vremena, što je posledica drugačije strukture radio-interfejsa u UMTS mrežama.

Kao što je već rečeno u okviru E-OTD metode pozicioniranja, za merenje neophodnih vremena koja će se koristiti u svrhe pozicioniranja, zahteva se sinhronizacija između mobilne i baznih stanica, ili baznih stanica međusobno. Ako ovaj zahtev nije ispunjen, mora se ostvariti a posteriori sinhronizacija, primenom dodatne komponente u sistemu, LMU jedinice. Za potrebe pozicioniranja u UMTS mrežama, LMU jedinice je neophodno instalirati samo za bazne stanice koje rade u UTRAN‑FDD režimu, s obzirom da su bazne stanice u UTRAN-TDD režimu već međusobno sinhronizovane. Kao i u slučaju metode E-OTD, LMU jedinice vrše neophodna merenja vremena prispeća signala sa referentne i susednih baznih stanica, samo što se merenja u ovom slučaju vrše na pilot signalima, CPICH (Common Pilot Channel).

Nedostaci metode OTDOA su nepostojanje a priori sinhronizacije baznih stanica u UTRAN-FDD režimu, osetljivost na geometrijski raspored baznih stanica u prostoru, smanjenje kapaciteta, kao i neophodne modifikacije mobilne stanice.

Ozbiljan problem metode pozicioniranja OTDOA predstavlja i nedovoljan broj pilot signala neophodnih u postupku proračuna lokacije mobilne stanice. Naime, da bi imala zadovoljavajuću tačnost, metoda pozicioniranja OTDOA zahteva merenja vremena prispeća signala sa što više predajnika, što često nije zadovoljeno [15]. Praktično, da bi ova metoda imala prihvatljivu tačnost, potrebno je da mobilna stanica čija se lokacija određuje „vidi“ bar šest baznih stanica [16].

Ipak, najveći nedostatak metode pozicioniranja OTDOA ipak predstavlja tzv. problem čujnosti (hearability). Ovaj problem je inače karakterističan za sisteme bazirane na tehnologiji CDMA, a dešava se kada se mobilna stanica nalazi blizu servisne bazne stanice koja u tom slučaju može blokirati prijem signala sa ostalih baznih stanica koje rade na istoj učestanosti. Konkretno, s obzirom da OTDOA zahteva više baznih stanica u cilju procene lokacije mobilne stanice, može se desiti da, kao posledica problema čujnosti, ova metoda bude dostupna praktično samo na ivici servisne ćelije, što je nedopustivo. Kako bi se prevazišao ovaj problem, svaka bazna stanica mora u nekom kratkom vremenskom periodu stopirati svoj prenos kako bi mobilna stanica mogla detektovati pilot signale (CPICH) sa susednih baznih stanica i izvršiti neophodna merenja. Ovi vremenski periodi se zovu prazni (idle) periodi, dok se mehanizam koji upravlja povremenim prekidima emisije signala sa baznih stanica zove IPDL (Idle Period Downlink). Varijanta metode pozicioniranja OTDOA koja koristi IPDL se shodno tome naziva OTDOA-IPDL. Greška pozicioniranja koju treba očekivati od OTDOA-IPDL metode iznosi 125 m (u 67% merenja), odnosno, 400 m (u 90% merenja), pod pretpostavkom da mobilna stanica „vidi“ šest pilot signala.

Osim standardne OTDOA-IPDL, postoje i drugi brojni pokušaji da se na račun cene i kompleksnosti terminala poveća čujnost pilot signala. Najuspešnije varijante ovoga tipa su: TA-IPDL (Time Aligned IPDL) [17, 18], PE-IPDL (Positioning Elements IPDL) [19], IC-IPDL (Interference Cancelation IPDL) [20] i CVB (Cumulative Virtual Blanking) [21]. Procena je da bi CVB tehnika ostvarila najznačajnija poboljšanja, kako po pitanju tačnosti pozicioniranja, s obzirom da je očekivana greška pozicioniranja oko 20 m u 67% slučajeva procene pozicije, tako i po pitanju implementacije, s obzirom da zahteva samo sitne softverske izmene na nivou mobilne i baznih stanica.

4.6. A-GNSS

A-GNSS je metoda pozicioniranja standardizovana i u GERAN i u UTRAN mrežama. Za razliku od prethodnih metoda pozicioniranja koje su čisto ćelijske, A-GNSS se oslanja na satelitsku infrastrukturu, tj. postojeće sisteme za globalno pozicioniranje. Najpopularniji od postojećih satelitskih sistema za globalno pozicioniranje je GPS, pa se pod pojmom A‑GNSS zapravo podrazumeva metoda pozicioniranja A-GPS (Assisted Global Positioning System).

Imajući u vidu činjenicu da GPS ima globalno pokrivanje i visoku tačnost, logično je da se nametnula ideja o mogućoj primeni GPS za potrebe pozicioniranja korisnika u ćelijskim mrežama, odnosno, za potrebe LCS. Ipak, imajući u vidu zahteve FCC-a vezane za LCS, GPS pokazuje vrlo ozbiljne nedostatke, kao što su loša energetska efikasnost, odnosno, velika potrošnja baterije GPS prijemnika, moguće veliko kašnjenje usled visoke vrednosti TTFF (Time To First Fix), kao i loša dostupnost, naročito u zatvorenom prostoru. Sa druge strane, GPS je samostalan sistem za pozicioniranje i ne poseduje nikakvu mogućnost korišćenja za potrebe komunikacije. U cilju korišćenja dobre tačnosti GPS sistema u pogledu pozicioniranja, uz istovremeno izbegavanje prethodno pomenutih problema, nastala je ideja o integraciji GPS sistema i ćelijskih mreža, koja je proizvela novu, satelitsko-ćelijsku metodu pozicioniranja, A-GPS.

Osnovna ideja metode pozicioniranja A-GPS je formiranje tzv. referentne GPS mreže. Alternativni naziv ove mreže je wide-area DGPS (Differential GPS) mreža. Lokacija referentne GPS mreže unutar postojeće ćelijske mreže birana je tako da uvek bude obezbeđena optička vidljivost prijemnika referentne mreže i satelita koji se u tom trenutku nalaze iznad tog dela zemljine kugle. Ova mreža je povezana sa ćelijskom mrežom, a zadatak joj je da kontinualno nadgleda konstelaciju i obezbeđuje pomoćne podatke za potrebe pozicioniranja, kao što su gruba lokacija mobilne stanice (najčešće je to lokacija servisne bazne stanice), vidljivost satelita, efemeris korekcije, korekcije vremena kao i Doplerov pomeraj. Za potrebe metode pozicioniranja A-GPS nije neophodno da se svaka ćelija opremi sopstvenom referentnom mrežom. Umesto toga, jedna referentna mreža dovoljna je za pokrivanje područja poluprečnika od oko 200 km [22]. Osim izmena na nivou mreže, metoda A-GPS zahteva i izmene na nivou mobilne stanice, koja mora biti opremljena GPS prijemnikom (handset-based rešenje) ili GPS senzorom (handset-assisted rešenje). Princip rada metode pozicioniranja A‑GPS prikazan je na Slici 5 [6].

Slika 5. Metoda pozicioniranja A-GNSS (A-GPS)

Metoda A-GPS pokazuje najbolju tačnost u odnosu na ostale metode pozicioniranja. Greška pozicioniranja je najmanja u ruralnim oblastima, i iznosi oko 10 m, dok u urbanim zonama dolazi do izražaja problem senki, naročito između visokih zgrada, pa raste i greška pozicioniranja. Kašnjenje metode A-GPS se procenjuje na do 10 s. Priraštaj opterećenja metode A-GPS zavisi od toga da li je primenjena handset-based ili handset-assisted varijanta. Generalno, handset-based rešenje zahteva manje signalizaciono, ali veće računarsko opterećenje (na strani mobilne stanice). Ozbiljan nedostatak ove metode predstavljaju neophodne izmene, i softverske i hardverske, u okviru mobilne stanice, pa ovu metodu zato ne podržavaju standardni terminali.

5. ZAKLJUČAK

Počev od 1996. godine, kada se prvi put javila potreba za određivanjem lokacije korisnika u ćelijskim radio mrežama, pa do danas, razvijen je veliki broj metoda, od kojih su u okviru ovog rada prikazane one standardizovane u GSM i UMTS mrežama. Ipak, ključni problemi koji usporavaju implementaciju servisa koji se zasnivaju na poznavanju lokacije korisnika u ćelijskim radio mrežama još uvek nisu rešeni. Rešenja koja obezbeđuju zadovoljavajuću tačnost u značajnoj meri povećavaju kompleksnost, kako na nivou mreže, tako i na nivou samih terminala, a time i cenu. Istovremeno, popularne tehnike pozicioniranja koje se zasnivaju na identifikaciji najbliže ćelije u ćelijskim radio mrežama, jednostavne su za implementaciju, ali nemaju zadovoljavajuću tačnost. Dakle, i pored brojnih tehnika pozicioniranja u ćelijskim radio mrežama, univerzalno rešenje ovog problema još uvek ne postoji. To znači da se operatorima mobilne telefonije ostavlja sloboda da sami izaberu odgovarajuću tehniku pozicioniranja u cilju implementacije mnoštva servisa koji se baziraju na poznavanju lokacije korisnika. 2005. godina je bila krajnji rok za operatore u zemljama Evropske unije da u okviru svojih mreža implementiraju najjednostavniju tehniku pozicioniranja, Cell-ID. Za implementaciju tačnijih tehnika ostavljeni su duži vremenski rokovi i sloboda kompromisa između tačnosti i cene uz pretpostavku da su zadovoljene minimalne tačnosti koje zahtevaju servisi za hitne pozive. Bez obzira za koje se rešenje odluče, operatori mobilne telefonije gotovo uvek ostavljaju bar jednu network-based metodu kao alternativno rešenje pozicioniranja u sopstvenoj mreži, kako ne bi izgubili korisnike koji nisu raspoloženi da zbog dodatnog servisa kupuju nove mobilne terminale.

Zahvalnica

Zahvaljujem se prof. dr Miroslavu L. Dukiću, sa Elektrotehničkog fakulteta Univerziteta u Beogradu, na predloženoj temi i korisnim sugestijama tokom pisanja rada.

Literatura

[1] 3GPP TS 22.071, release 8 (v8.0.0), Location Services (LCS) Service description; Stage 1, 2007.

[2] The FCC,”Fact Sheet—FCC Wireless 911 Requirements,” FCC, January 2001.

[3] Coordination Group on Access to Location Information for Emergency Services (CGALIES), ”Report on implementation issues related to access to location information by emergency services (E112) in the European Union”, (2002), available at: http://ec.europa.eu/echo/civil_protection/civil/pdfdocs/cgaliesfi nalreportv1_0.pdf.

[4] 3GPP TS 43.059, release 8 (v8.0.0), GSM/EDGE Radio Access Network, Functional stage 2 description of Location Services (LCS) in GERAN, 2007.

[5] 3GPP TS 25.305, release 8 (v8.0.0), Stage 2 Functional specification of UE positioning in UTRAN, 2007.

[6] A. Küpper: “Fundamentals of Positioning in Location-based Services: fundamentals and operation”, Wiley, Chichester, England, 2005.

[7] Y. Zhao: “Standardization of mobile phone positioning for 3G systems,” IEEE Communication Magazine, vol. 40, no. 7, July 2002, pp. 108–116.

[8] G. Sun, J. Chen, W. Guo, K.J.R. Liu: “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 2005, pp. 12–23.

[9] E. Trevisani, A. Vitaletti: “Cell‑ID location technique, limits and benefits: an experimental study”, Proceedings of 6th IEEE Workshop on WMCSA, 2-3 December 2004, pp. 51–60.

[10] C. Drane, M. Macnaughtan, G. Scott: “Positioning GSM Telephones,” IEEE Communication Magazine, vol. 36, No 4, pp. 46–54, 59, April 1998.

[11] J. H Reed, K. J. Krizman, B. D. Woerner, T. S. Rappaport: “An overview of the challenges and progress in meeting the E‑911 requirement for location service”, IEEE Communications Magazine, vol. 36, no. 4, 59, April 1998, pp. 30–37.

[12] M. A. Spirito: “On the accuracy of cellular mobile station location estimation”, IEEE Transactions Vehicular Technology, vol. 50, no. 3, May 2001, pp. 674–685.

[13] 3GPP TS 05.10, release 1999 (v8.8.0), GSM/EDGE Radio Access Network, Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio subsystem synchronization, 2001.

[14] 3GPP TSG-RAN WG1 doc. no RP-040164: ”Inclusion of Uplink TDOA UE positioning method in the UTRAN specifications” (2004).

[15] C. Johnson, H. Joshi, J. Khaleb:”WCDMA radio network planning for location services and system capacity”, Proceedings of International Conference on 3G Mobile Communications Technologies, May 2002, pp. 340-344.

[16] 3GPP TSG-RAN WG1 doc. no R1-040567: ”Expected performance of OTDOA-IPDL positioning - initial indications based on live measurements”, 2004.

[17] 3GPP TSG-RAN WG1 doc. no R1-99b79: ”Time Aligned IP-DL positioning technique”, 1999.

[18] B. Ludden, L. Lopes:”Cellular based location technologies for UMTS: a comparison between IPDL and TA-IPDL”, Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 2, May 2000, pp. 1348-1353.

[19] 3GPP TSG-RAN WG1 doc. no R1-00-1186: ”Initial Simulation Results of the OTDOA-PE positioning method”, 2000.

[20] S. Kim, Y. Jeong, C. Lee:”Interference-cancelation based IPDL method for position location in WCDMA systems”, Transactions on Vehicular Technology, vol. 54, issue 1, January 2005, pp. 117-126.

[21] P. J. Duffett-Smith, M. D. Macnaughtan: ”Precise UE positioning in UMTS using cumulative virtual blanking”, Proceedings of International Conference on 3G Mobile Communication Technologies, May 2002, pp. 355-359.

[22] 3GPP TR 25.850, release 4 (v4.3.0), UE positioning in UTRAN Iub/Iur protocol aspects, 2001.

Autor

Mirjana Simić diplomirala je 1998. godine na smeru za Telekomunikacije Elektrotehničkog fakulteta u Beogradu. Magistrirala je 2006. godine, a doktorirala januara 2010. godine na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu radom na temu „Određivanje lokacije korisnika u radio mrežama postupkom segmentacije prostora“. Od decembra 1998. godine zaposlena je na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu najpre kao saradnik, a trenutno se nalazi u zvanju asistenta na Katedri za telekomunikacije. Učestvuje u izvođenju nastave iz većeg broja predmeta iz oblasti radio komunikacija na osnovnim i master studijama. Dr Mirjana Simić je u svom dosadašnjem radu bila angažovana u velikom broju stručnih projekata iz oblasti telekomunikacionih sistema i mreža. Recenzent je časopisa IEEE Communication Letters, i član udruženja IEEE i Društva za telekomunikacije. Objavila je više radova na domaćim i međunarodnim konferencijama kao i u međunarodnim časopisima.