SATELITSKA GEODEZIJA IN NAVIGACIJA DOLOČANJE POLOŽAJA V OMREŽJU MOBILNE TELEFONIJE. Mentor: prof. dr. Bojan Stopar Avtorica: Benja Režonja

Transcription

1 Fakulteta za matematiko in fiziko Univerza v Ljubljani SATELITSKA GEODEZIJA IN NAVIGACIJA DOLOČANJE POLOŽAJA V OMREŽJU MOBILNE TELEFONIJE Mentor: prof. dr. Bojan Stopar Avtorica: Benja Režonja Ljubljana, januar 2013

2 KAZALO 1. UVOD METODE DOLOČANJA POLOŽAJA TRIANGULACIJA IN TRILATERACIJA CELIČNA IDENTIFIKACIJA (Cell ID) METODA TIME OF ARRIVAL (TOA) METODA TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL (TDOA) METODA ENHANCED OBSERVED TIME DIFFERENCE (E-OTD) METODA ANGLE OF ARRIVAL (AOA) METODA MERJENJA MOČI SIGNALA GPS METODA ASSISTED GPS (A-GPS) HIBRIDNE METODE PRIMERJAVA METOD ZAKLJUČEK LITERATURA IN VIRI

3 1. UVOD Ugotavljanje položaja uporabnika lahko določimo na osnovi različnih metod določanja položaja mobilne postaje. Za pozicioniranje so se iz najosnovnejše možnosti na podlagi informacije o strežni celici, ki ponuja le zelo grobo informacijo o lokaciji, razvile različne metode. Nekatere so omrežno temelječe, druge pa so mobilno temelječe. Merijo pa čas potovanja signala ali razliko le-teh, moč radijskega signala, kot potovanja signala ipd. Možna je tudi kombinacija z drugimi tehnologijami, npr. satelitsko. V seminarski nalogi sem se osredotočila na različne metode pozicioniranja in sem tudi opisala njihov princip delovanja. 3

4 2. METODE DOLOČANJA POLOŽAJA Metode za določanje položaja mobilnih postaj uporabljajo signale z baznih postaj, ki se povežejo z mobilno postajo in določijo njen položaj. Poznamo več različnih metod, ki na podlagi različnih stvari določijo položaj mobilne postaje. Na podlagi različnih funkcij mobilne postaje in omrežja te metode razdelimo v tri kategorije: Omrežno temelječe Mobilno temelječe in Mobilno podprte metode Pri omrežno temelječih metodah opravi ena ali več baznih postaj potrebne meritve in pošlje podatke k centru za določanja položaja, ki izračuna potrebne koordinate. Pri mobilno temelječih metodah naredi potrebne meritve mobilna postaja. To omogoča tudi pozicioniranje v stanju pripravljenosti z merjenjem kontrolnih kanalov, ki stalno posredujejo meritve. Potrebno pa je vedeti koordinate najbližje bazne postaje za natančno določitev položaja. Pri mobilno podprti metodi pa izvede meritve mobilna postaja, ki pošlje podatke na center za določanje položaja. Vendar pa pri pošiljanju podatkov pride do zakasnitve signala, kar pomeni, da določitev položaja ni tako natančna in to povzroči problem posebej, če rabimo podatke o položaju na mobilni postaji. Glede na zgornjo razdelitev so v spodnji tabeli razvrščene različne metode katerih natančnejša razlaga sledi v nadaljevanju. Metode temelječe na omrežju Metode temelječe na mobilni postaji Tabela 1: Metode pozicioniranja Celična identifikacija (Cell-ID) Predučasenje (TA) Čas prihoda (TOA) Kot prihoda (AOA) Sprejeta moč radijskega signala Global Positioning System (GPS) Podprti GPS (A-GPS) Zapažena časovna razlika (E-OTD) Druga klasifikacija pa temelji na načinu izvajanja meritev. Princip merjenja pri vsaki metodi spada v eno izmed spodnjih treh kategorij: Multilateralno Unilateralno Bilateralno Pri multilateralni tehniki več baznih postaj naenkrat opravlja meritve. To tehniko uporabljajo omrežno temelječe metode. Pri unilateralni tehniki mobilna postaja meri signal poslan z več baznih postaj. To tehniko uporabljajo mobilno temelječe ali mobilno podprte metode. Pri bilateralni tehniki pa ni potrebo narediti več meritev. Mobilna postaja lahko meri signal poslan z ene bazne postaje ali pa ena bazna postaja meri signal poslan z mobilne postaje. To tehniko pa lahko uporabljajo vse tri metode. 4

5 3. TRIANGULACIJA IN TRILATERACIJA Triangulacija in trilateracija sta postopka določanja natančnega položaja mobilne postaje s pomočjo vsaj treh baznih postaj. Pri tem lahko uporabimo poljubno omrežno temelječo metode (npr. angle of arrival, time difference of arrival, time of arrival, merjenje sprejetih moči signala, ). S triangulacijo se določa položaj merilne postaje z merjenjem kotov in dveh točk z znanima koordinatama. Neznano točko določimo kot tretjo točko trikotnika z eno znano stranico in dvema poznanima kotoma. Slika 1: Določanje tretje točke pri triangulaciji Trilateracija pa je postopek določevanja lege točke na presečišču treh razdalj z znanimi središči in radiji teh krogov. V geometriji vemo, da točka leži v presečišču treh krogov s središči v svojih baznih postajah. Za določitev natančne lokacije mobilne postaje moramo poznati radij teh treh krogov. S pomočjo treh baznih postaj dobimo tri kroge, ki se sekajo v skupni točki oz. območju, ki predstavlja položaj mobilne postaje z določeno mero natančnosti oz. negotovosti. Slika 2: Trilateracija na osnovi meritve razdalj (d1, d2, d3) 4. CELIČNA IDENTIFIKACIJA (Cell ID) Najenostavnejša metoda pozicioniranja je metoda, ki temelji na identifikaciji celic. Ker je uporaba podatkov o trenutni celici sestavni del vsakega celičnega omrežja, je potrebno vnesti v sistem le minimalno sprememb. Cell ID telefona mora biti povezan z lokacijo strežne bazne postaje, torej poznati moramo njene natančne koordinate. To je dvostranski 5

6 način pozicioniranja, ki je lahko omrežno temelječa metoda ali mobilno temelječa metoda. Če je mobilno temelječa mora omrežje konstantno oddajati koordinate na kontrolni kanal. Druga prednost te metode je, da niso potrebne nobene izračuni da lahko obdržimo podatke o lokaciji. Cell ID metoda je hitra in primerna za aplikacije z veliko porabo. Natančnost je odvisna od radija celice, ki pa je lahko zelo velik še posebej na ruralnih območjih. V gostih urbanih območjih je natančnost boljša zaradi majhnih radijev mikro- in piko- celic. Natančnost te metode se spreminja glede na velikosti celic. Radij ene celice se lahko giblje med 100m in 35km. V celicah, ki pokrivajo določeno geografsko območje je natančnost še dokaj dobra vendar pa se hitro zmanjšuje, ko se razdalja med oddajnikom in sprejemnikom povečuje. Slika 3: Metoda Cell-ID [3] 5. METODA TIME OF ARRIVAL (TOA) Metoda Time of arrival je omrežno temelječa metoda in deluje na osnovi merjenja časa prihoda signala. Meri čas potovanja signala iz mobilne na bazno postajo. Za določitev so potrebne vsaj tri meritve (tri razdalje in presečišče treh krožnic). Iz znane hitrosti širjenja radijskega valovanja c, ki podaja relacijo med časom in potjo, lahko iz izmerjenega časa t izračunamo razdaljo d med mobilno in bazno postajo. Tako dobimo za rezultat pozicioniranja krožnico z radijem d in središčem v bazni postaji. Z meritvijo časov prihoda signala na vsaj tri bazne postaje dobimo tri krožnice, katerih presečišče je natančen položaj mobilne postaje (Slika 4). 6

7 Slika 4: TOA princip 6. METODA TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL (TDOA) To je metoda na osnovi časovne razlike prihodov. Uporablja razlike v časih prihodov med baznimi postajami. Izvaja se lahko na bazni ali mobilni postaji. Če je omrežje sinhronizirano, je meritev TOA direktno povezana z razdaljo bazne in mobilne postaje, za določitev pa so potrebne vsaj tri meritve (presečišče treh krožnic). Če pa omrežja niso sinhronizirana (GSM; UMTS) se meritve TOA lahko uporabijo le z diferencialnimi izračuni TDOA. Dve TOA meritvi v tem primeru predstavljata hiperbolo z gorišči v baznih postajah za kar potrebujemo vsaj tri bazne postaje. Slika 5: TDOA metoda 7. METODA ENHANCED OBSERVED TIME DIFFERENCE (E-OTD) Metoda na osnovi opažene časovne razlike, v GSM standardih bolj znana kot izpopolnjena metoda OTD. Resolucija meritev OTD je samo 554m in potrebna sinhronizacija bazne postaje z mobilno ni zagotovljena. Te probleme so rešili v izpopolnjeni OTD metodi. Temelji na samostojnemu določanju lokacije s pomočjo časovnih razlik prihoda signala iz 7

8 baznih na mobilne postaje. Meritve se izvajajo na mobilni postaji zato je to mobilno temelječa metoda. Določanje položaja mobilne postaje lahko dobimo na tri načine: Observed Time Differences (OTD). Ta časovni interval je med dvema različnima baznima postajama v okolici in ga meri mobilna postaja. Signal iz prve bazne postaje (BTS 1 ) je zaznan ob trenutki t Rx1 in signal iz druge bazne postaje (BTS 2 ) ob trenutku t Rx2. Časovna razlika OTD v tem primeru je OTD = t Rx1 - t Rx2. Če pa signala prispeta na mobilno postajo v istem trenutku, pa je OTD = 0. Real Time Difference (RTD). To je relativna razlika v sinhronizaciji med dvema baznima postajama. Če BTS 1 pošlje signal ob času t Tx1 in BTS 2 ob času t Tx2 potem je RTD = t Tx1 - t Tx2. Če obe bazni postaji pošljeta signal ob istem trenutku pa to pomeni, da je omrežje sinhronizirano in ni potrebe po računanju časovne razlike (RTD = 0). Geometric Time Difference (GTD). To je časovna razlika zaznana na mobilni postaji med sprejemom signala iz dveh različnih baznih postaj, zaradi geometrije. Če je dolžina širjenja signala med BTS 1 in mobilno postajo d 1 in med BTS 2 in mobilno postajo d 2, potem je kjer je c hitrost svetlobe. Če pa sta obe bazni postaji isto oddaljeni od mobilne, je GTD = 0. Zveza med vsemi tremi količinami je: GTD = OTD RTD. Za uspešno pozicioniranje je potrebna časovna sinhronizacija vseh treh baznih postaj. Določanje položaja mobilne postaje s pomočjo GTD-ja med dvema baznima postajama da kot rezultat hiperbolo z gorišči v baznih postajah. Točno lokacijo mobilne postaje lahko dobimo na preseku dveh hiperbol za kar potrebujemo tri bazne postaje. Če je prisotnih več baznih postaj, je natančnost določitve položaja večja. 8. METODA ANGLE OF ARRIVAL (AOA) AOA je metoda na osnovi kota prihoda. Meri kot pod katerim bazna postaja pošilja in sprejema signale iz mobilne postaje. Za to metodo so potrebne bazne postaje s posebnimi antenskimi nizi, ki omogočajo usmerjen prenos signala. Usmerjene antene imajo običajno zelo ozke snope sevanja, ki se prilagajajo in usmerjajo glede na smer mobilne postaje, s katero komunicirajo. Iz trenutne orientacije glavnega snopa antene lahko tako določimo kot prihoda signala (angl. Angle Of Arrival AOA) oz. smer mobilne postaje. Pri usmerjenih antenah gre za nize sevalnih elementov oz. anten, ki sprejemajo vpadni signal. Merijo se časovne razlike, iz teh pa fazne razlike, med prihodi signala na različne sevalne elemente. Iz informacije o fazni razliki Δφ in razdalji med sevalnimi elementi d se lahko določi vpadni kot signala. Za pozicioniranje je dovolj, da merimo kot prihoda signala na dveh baznih postajah, vendar se običajno uporabljajo vsaj tri za večjo natančnost. Ta metoda določa položaj mobilne postaje na podlagi triangulacije. AOA metoda zahteva direktno vidljivost med mobilno in bazno postajo. Opazovani signal mora pripotovati po direktni poti, da lahko izmerimo pravi kot. Ta pogoj je slabost za natančnost lociranja v mestnih območjih, kjer direktne vidljivosti med dvema baznima postajama ne moremo vedno zagotoviti. Je pa ta metoda zelo uporabna v gorskih področjih, kjer je vidljivost zelo dobra. 8

9 Slika 6: AOA metoda 9. METODA MERJENJA MOČI SIGNALA Za iskanje položaja mobilne postaje obstaja več metod, ki temeljijo na merjenju moči signala. Z merjenjem moči signala na različnih baznih postajah lahko ocenimo razdaljo med mobilno in bazno postajo. Če predpostavimo, da ima signal prosto pot širjenja, so signalni valovi okrog bazne postaje v obliki kroga. Če imamo signal iz treh različnih baznih postaj, se mobilna postaja nahaja na skupnem preseku vseh treh krogov. V praksi so pogoji za širjenje signala, sploh pa v mestih, daleč od idealnih. V mestih se oddan signal z mobilne postaje hitreje slabi z razdaljo kot pa v obmestnih krajih. Ozek nivo signala lahko niha tudi za 30-40dB na razdalji samo delčka valovne dolžine. Naključna nihanja takšnega velikostnega reda povzročijo velike napake pri določanju razdalje med mobilno in bazno postajo. Te napake se da zmanjšati s povprečenjem moči signala po času in frekvenci. Ta metoda je lahko mobilno podporna ali mobilno temelječa. Če je mobilno temelječa metoda se koordinate bazne postaje prenesejo do mobilne postaje. Metoda merjenja moči signala je preprosta za uporabo v GSM sistemih, ki nenehno pošiljajo meritve z mobilne postaje na omrežje. 10. GPS GPS je satelitski navigacijski sistem, ki omogoča sprejemnikom na zemlji preko satelitskih signalov določitev svoje natančne lokacije. Sprva je bil izdelan za vojaške namene, danes pa se uporablja tudi množično. GPS zagotavlja posebno kodiranje satelitskih signalov, ki jih je mogoče obravnavati samo z GPS sprejemnikom, ki mu omogoča izračun položaja, hitrosti in časa. Sistem je sestavljen iz 24 aktivnih satelitov, ki krožijo v šestih enakomerno razmaknjenih (za 30 ) ravninah. Obhodni čas satelita znaša 11 ur 58 minut. V vsaki ravnini se nahajajo 4 sateliti, ki imajo vsak svojo tirnico. Tirnice imajo inklinacijo 55 glede na ekvatorialno ravnino, sateliti se nahajajo približno km nad zemeljsko površino. S poljubne točke na Zemlji je v določenem trenutku zaznanih od 6 do 11 satelitov, običajno okrog 8. Za ustrezno določitev položaja sprejemnika je potrebna informacija z najmanj štirih satelitov. Vsak GPS sprejemnik vsebuje računalnik, ki s pomočjo trilateracije določi svoj položaj. Rezultat so koordinate v terestričnem koordinatnem sistemu, geografske dolžine in širine z natančnostjo položaja od 10 do 100m hitrosti med 0,1 0,2 m/s, in časa s točnostjo okrog 9

10 0,1 μs. Sateliti neprestano pošiljajo signale, ki jih lahko sprejemajo vsi sprejemniki hkrati in na podlagi katerih le-ti dobijo ustrezne informacije. Sateliti oddajajo množico podatkov. Ena glavnih podatkovnih komponent so efemeride, ki vsebujejo informacije o natančnih tirnicah satelitov. Slika 7: Tirnice GPS satelitov 11. METODA ASSISTED GPS (A-GPS) V primerjavi z mobilno temelječim samostojnim GPS, A-GPS nudi večjo natančnost, razpoložljivost in pokritost. Kot kaže spodnja slika (slika 8), lahko vidimo da je A-GPS sestavljen iz brezžičnega telefona z GPS sprejemnikom, strežnika A-GPS s povezavo z GPS srejemnikom, da lahko strežnik istočasno vidi iste satelite kot mobilna postaja in iz brezžične omrežne infrastrukture sestavljene iz baznih in mobilnih postaj. Omrežje lahko zelo natančno predpostavi GPS signal, ki ga bo prejela mobilna postaja. A- GPS sprejemnik v mobilni postaji lahko zazna šibkejše signale (npr. v mestih, kjer se signal odbija od stavb ali prehaja skozi stene in drevesa in se pri tem oslabi) od tistih, ki jih zahtevajo običajni GPS sprejemniki. Natančnost te metode je do 50m, ko je mobilna postaja v zaprtem prostoru in do 15m, ko je na prostem. Ker uporabniki delijo podatke z mobilnim operaterjem, jim A-GPS omogoča da uporabljajo podatke tudi za zasebno uporabo. Slika 8: Koncept A-GPS [4] 10

11 12. HIBRIDNE METODE Hibridne metode pozicioniranja združujejo več različnih prej omenjenih metod. S kombinacijami različnih metod dosežemo natančnejše določanje položaja in večjo pokritost okolice. Kombiniramo predvsem metode z veliko natančnostjo, ki v slabših okoliščinah hitro odpovejo s tistimi, ki so manj natančne vendar niso toliko odvisne od okolice. Vključujejo tako notranja in zunanja kot urbana in ruralna območja. Hibridne metode niso standardizirane v vseh potrebnih signalih. Slabosti hibridnih metod so po navadi večje zahteve za obdelavo in večji stroški omrežja. Če npr. uporabimo hibridno metodo, ki združuje dve drugi metodi so stroški po navadi takšni kot pa da bi uporabili dve ločeni metodi. Dobre kombinacije so: Angle of Arrival + Round Trip Time (AOA+RTT) (dovolj je že ena bazna postaja za lokalizacijo) TDOA + AOA (AOA metoda omogoča natančno delovanje že pri dosegljivih le dveh baznih postajah ) 13. PRIMERJAVA METOD METODA NATANČNOST PREDNOSTI SLABOSTI Cell ID 100m 35km Nizki stroški Nizke zakasnitve Visoka zmogljivost AOA m Možno doplolnilo TDOA metodi v goratih predelih z majhno gostoto celic E-OTD m Možno dopolnilo TDOA metodi Zmerni stroški A-GPS 15 50m Visoka razširljivost Nizki stroški TDOA m Učinkovitost in natančnost je ista tudi znotraj stavb in vozil MOČ SIGNALA Možno dopolnilo Cell-ID metodi GPS Nekaj metrov Velika natančnost Tabela 2: Prednosti, slabosti in natančnosti posameznih metod sateliti neprestano pošiljajo signale hitra določitev položaja Natančnost je odvisna od gostote celic Veliki začetni stroški Nizka razširljivost Potrebuje vsaj tri bazne postaje Slab sprejem znotraj stavb in avtomobilov vpad natančnosti, ko sateliti niso vidni Nizka razširljivost Potrebuje vsaj tri bazne postaje Odvisnost sprejetih moči od različnih okoliščin Potrebuje vsaj tri bazne postaje Potrebuje vsaj 4 satelite za doočitev položaja 11

12 14. ZAKLJUČEK Vsaka metoda ima svoje prednosti in slabosti. Ugotovila sem da se vse te različne metode pozicioniranja med seboj razlikujejo po kompleksnosti izvedbe, natančnosti rezultatov, robustnosti delovanja. Videli smo tudi da lahko za boljše delovanje in natančnejše določanje položaja združimo dve ali več metod. 12

13 15. LITERATURA IN VIRI [1] D. K. Jonsson, J. Olavesen: Estimated accuracy of location in mobile networks using E-OTD, Master Thesis in Information and Communication Technology, Grimstad, maj [2] D. Nikolai: Mobile Positioning Solutions for GSM, Alcatel R&I Stuttgart, januar [3] Heikki Laitinen (editor), Suvi Ahonen: Cellular network optimisation based on mobile location, november 2001 [4] G. M. Djuknic, R. E. Richton: Geolocation and Assisted-GPS, Bell Laboratories, Lucent Technologies. [5] Overview of Location Technologies, Openwave, november