Интеграция в навигационных системах спутниковых радионавигационных систем с системами сотовой связи является перспективным направлением для их развития и дальнейшего совершенствования. Поэтому необходимо выбрать наиболее подходящую для нужд навигации технологию позиционирования в сотовых сетях.
Целью статьи является анализ точности позиционирования в наземных сотовых сетях GSMи UMTSи выбор наиболее целесообразной технологии позиционирования для каждой из них. Сбор необходимых данных проводился путем рассмотрения нескольких технологий позиционирования с последующим анализом погрешностей определения местоположения для каждой из них. Результаты показали что, наиболее приемлемой с точки зрения точности технологией позиционирования в сотовых сетях GSMможно считать усовершенствованную технологию измерения разности времени приема сигналов(E-OTD) и её модификации. Для UMTSтакими технологиями являются: технология измерения разности времени приема сигналов (OTDoA) стехнологией совокупного виртуального подавления сигналов (OTDoA — CVB) для нормального уровня сигнала и технология OTDoAпо опорным узлам (OTDoA-RNBP) в местах со слабым уровнем сигнала, а так же модификации технологии CellID. Применение указанных технологий тесным образом связано с применением спутниковых систем навигации.
Введение
Задача повышения точности определения координат местоположения объекта является одной из основных для разработчиков навигационных систем. В настоящее время спутниковые радионавигационные системы(СРНС) являются основными из радиотехнических систем коррекции, используемых в навигационных системах для решения задачи позиционирования. При всех своих достоинствах СРНСимеют ряд недостатков при их применении, обусловленных в первую очередь из-за распространения сигналов в условиях города при плотной застройке улиц. Для обеспечения связи сегодня широко используются наземные системы сотовой связи (НСС). В НСС доступна функция определения координат местоположения клиентского оборудования. Поэтому целесообразно использование НСС в навигационных системах совместно с СРНС для определения координат местоположения.
Точность определения местоположения, полученная с помощью НСС, напрямую зависит от технологий позиционирования применяемых в них. Поэтому появляется необходимость сравнения точностей позиционирования в НСС при применении различных технологий и выбора оптимальной технологии из уже имеющихся в соответствии с предъявляемыми требованиями. Данному вопросу посвящено множество публикаций. Так в [1] производится обзор технологий позиционирования в сетях GSM, в [2] приводится классификация технологий позиционирования в сотовых сетях и дается обзор систем зарубежного производства, использующие данные технологии. В [3] приводится пример использования комбинации сотовых сетей и спутниковых навигационных систем с целью изучения их характеристик в экспериментальных условиях. Однако обзор технологий позиционирования в сетях GSMи UMTS с выбором наиболее подходящего варианта как для GSM, так и для UMTS в литературе не встречается. Целью статьи является анализ точности позиционирования в наземных сотовых сетях GSM и UMTS и выбор наиболее целесообразной технологии определения местоположения для каждой из них.
Общие сведения о навигационных системах для подвижных наземных объектов и классификация технологий позиционирования в системах сотовой связи.
Обычно под термином навигационная система принято понимать совокупность приборов, алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих произвести ориентирование объекта в пространстве. Навигационные системы можно разделить на множество категорий в зависимости от назначения, объема получаемой навигационной информации и используемых методов навигации. Например, в зависимости от области применения навигационные системы разделяют на системы морской, наземной и воздушной навигации. Система навигации ПНО решает задачи определения координат местоположения, параметров движения и углов ориентации подвижного объекта и выдачу необходимой информации. Анализу состава навигационных систем ПНО и обзору существующих систем посвящены отдельные публикации. Можно лишь отметить, что в качестве основной радиотехнической системы коррекции используется система спутниковой навигации.
При всех своих преимуществах таких как высокая точность позиционирования, глобальное покрытие и др., у спутниковых систем есть и недостатки. Так применение СРНС затруднено в густо застроенных городских кварталах из-за многолучевого распространения радиосигнала, вследствие отражения сигналов СРНС от зданий и сооружений. В условиях города дополнительным источником данных о текущем местоположении объекта могут стать системы сотовой связи по причине их широкого распространения в большинстве городов. При их использовании в зависимости от применяемой технологии определения местоположения, возможно, получить точность до 50 м. Поэтому целесообразно рассмотреть существующие технологии позиционирования в наземных сотовых сетях (НСС) и проанализировать возможность их применения для нужд навигации. Далее приведем классификацию данных технологий.
Технологии позиционирования классифицируются по тому, где измеряются параметры сигнала и определяется местоположение абонента:
1. На основе мобильной станции (MS-based);
2. .С поддержкой данных сети (Network-assisted);
3. .С поддержкой мобильной станции (MS-assisted);
4. .На базе сети (Network-based).
Данная классификация является наиболее распространенной и представлена в [4,5].
Анализ точности позиционирования в НСС и выбор оптимальной технологии определения местоположения.
В таблице 1 и 2 приведены точность определения местоположения, достигнутая с помощью различных технологий и принципы работы данных технологий.
Таблица 1
Технологии позиционирования в сотовых сетях и их принципы работы
|
Технология позиционирования |
Принцип работы |
|
Технология идентификации соты (CellID) |
Сеть мобильной связи может определить приблизительное положение мобильного телефона, зная в какой ячейке соты, устройство используется в данный момент времени |
|
Технология определения местоположения на основе вычисления времени распространения сигнала по линии «вверх» (ToA) |
Информацию о местоположении можно получить из абсолютного времени распространения сигнала между передатчиком и приемником, или наоборот |
|
Технология определения местоположения на основе вычисления наблюдаемого времени приема сигнала (OToA) |
Принцип аналогичен, что и для ToA |
|
Усовершенствованная технология измерения разности времени приема сигналов (E-OTD) |
Технология основана на измерении времени прохождения сигнала от базовой станции (БС) до мобильной и до специальной станции измерения, координаты которой известны |
|
Технология измерения разности времени приема сигналов(OTDoA) |
Аналог технологии E-OTD |
|
Технология определения местоположения по направлению приема сигнала(АоА) |
Данная технология основана на измерении углов направления прихода радиосигнала от телефона абонента относительно линии, соединяющей две базовые станции сотовой сети |
Таблица 2
Технологии позиционирования, используемые в сетях GSMи UMTS.
|
Технология позиционирования |
Тип сотовой сети |
Точность, м. |
|
Технология идентификации соты (CellID) |
GSM |
500 |
|
Технология определения местоположения на основе вычисления времени распространения сигнала по линии «вверх» (ToA) |
GSM |
125 |
|
Технология определения местоположения на основе вычисления наблюдаемого времени приема сигнала (OToA) |
UMTS |
100–300 |
|
Усовершенствованная технология измерения разности времени приема сигналов (E-OTD) |
GSM |
40–150 |
|
Технология измерения разности времени приема сигналов(OTDoA) |
UMTS |
50 |
|
Технология определения местоположения по направлению приема сигнала(АоА) |
UMTS |
100–200 |
Наиболее целесообразной технологией позиционирования в НСС можно считать технологию E-OTD для сетей GSM. Остальные технологии либо имеют низкие показатели точности (CellID) либо не могут применяться по техническим причинам, таким как сложность приема сигналов от нескольких базовых станциях, которая характерна для технологииOTDoA.
Таким образом, можно выделить несколько направлений повышения точности технологий позиционирования в НСС:
1. Внедрение более совершенных приемопередающих устройств (секторных и адаптивных антенн). Первое направление в настоящее время слабо реализовано из-за необходимости значительных затрат со стороны сотового оператора на дополнительные функции, к которым и относится функция определения местоположения.
2. Определение дополнительных параметров при позиционировании:
- Задержки распространения сигнала (TimingAdvance, ТА) от базовой станции до мобильной в пределах ячейки;
- Разницы между временем приема сигнала и реальным временем (Real Time Difference, RTD);
- Отклонения времени приема (Rx Timing Deviation, RxTD);
- Задержки времени распространения сигнала от абонентского оборудования (User Equipment Timing Advance, UETA);
- Параметра RSPB — параметр дает информацию о потере мощности сигнала передатчика базовой станции.
Широко известной технологией реализующий данный принцип является технология CellID — ТА для сети GSM и CellID — RSPB для сети UMTS.
3. Объединение с другими технологиями позиционирования реализующееся в:
1. Соединении между собой технологий представленных в таблице 1;
2. Соединении между собой технологий представленных в таблице 1 и технологий, которые не используются в качестве основных для позиционирования в НСС. В качестве дополнительных технологий позиционирования могут быть использованы технология позиционирования по времени прохождения сигнала «туда и обратно» (RTT), технология позиционирования по опорному узлу (RNBP), технология позиционирования с применением специальных модулей позиционирования (PE).Принципы работы данных технологий подробно описаны в [6].
Результатом реализации данного направления стали следующие технологии: OTDoA– АоА [7], АоА — RTT [8], CellID–RTT [9,10].
4. Применение дополнительных методов для обеспечения работоспособности в настоящее время применяется только для технологии OTDoA и реализовано в следующих её модификациях:
- Технология определения местоположения OTDoA с периодическим отключением сигнала по линии «вниз» (Idle Period Downlink, IPDL) — OTDoA — IPDL;
- Технология определения местоположения OTDoA с технологией совокупного виртуального подавления сигналов (Cumulative Virtual Blanking, CVB) — OTDoA — CVB;
- Технология определения местоположения OTDoA по опорным узлам (OTDoA-RNBP, Reference-Node-Based Positioning)
- Технология определения местоположения OTDoA с применением специальных модулей позиционирования (OTDoA-PE, Positioning Elements)OTDoA — IPDL с выравниванием по времени — OTDoA –TA- IPDL.
Принципы работы, оценка точности и другие параметры данных технологий описывается в [11–13]. Различие между OTDoA –TA — IPDL и OTDoA — IPDL описывается в [14].
5. Комбинация выше перечисленных направлений. Примером реализации является технология OTDoA — IPDL с применением специальных модулей позиционирования — OTDoA — PE — IPDL, которая описывается в [15,16].
В таблице 3 представлена точность некоторых из перечисленных выше модифицированных технологий позиционирования в НСС.
Таблица 3
Модифицированные технологии позиционирования, используемые в сетях GSMи UMTS
|
Технология позиционирования |
Тип сотовой сети |
Точность, м. |
|
CellID — ТА |
GSM |
200 |
|
CellID–RTT |
UMTS |
16–440 |
|
АоА — RTT |
UMTS |
100–300 |
|
OTDoA — IPDL |
UMTS |
100 |
|
OTDoA — CVB |
UMTS |
58–81 |
|
OTDoA– АоА |
UMTS |
125 |
Наиболее целесообразной с точки зрения точности позиционирования являются улучшенные технологии CellID–RTT и OTDoA — CVB. Применение данных технологий в качестве основных в НСС для определения местоположения может обеспечить относительно точными данными о месте положения как абонентов сотовой связи, так и пользователей навигационных систем.
Однако применение НСС в комбинации с СРНС не дает значительного уменьшения погрешностей позиционирования. По причине того, что значения погрешностей, полученные при применении данных технологий в 10–100 раз больше, чем значения, полученные при применении спутниковых радионавигационных систем. Это проиллюстрировано в статье [17] и приведены соответствующие значения погрешностей при проведении моделирования. Так же следует учитывать рост затрат на производство данных систем, дополнительные затраты на её отладку и проверку всех её модулей, усложнение данной системы и возникающие сложности при ремонте. Применение НСС в навигационных системах целесообразно лишь при пропадании сигналов от СРНС посредством использования адаптивных алгоритмов обработки информации в ЭВМ навигационной системы.
Литература:
1. Комраков Д. В. Технологии позиционирования наземных подвижных объектов в сетях GSM [Текст] / Д. В. Комраков // Технические науки в России и за рубежом (II): материалы междунар. заоч. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). — М.: Буки-Веди, 2012. — С. 38–40.
2. Николаев В. П. Местоопределение абонентов в сетях сотовой связи // Специальная Техника. — 2001. — № 5.
3. Shanmugam S. K., A. Lopez, D. Lu and others. Wireless Location in IS–95 CDMA Cellular Radio Systems. Proceedings of Wireless 2005, Calgary, Canada
4. Дворкина Н. Б., Д. Е. Намиот, и Б. А. Дворкин. Мобильные навигационные сервисы и применение технологии OpenCellID для определения местоположения. Геоматика, 2(7):80–87, 2010
5. K. I. Adusei, K. Kyamakya, K. Jobmann: Mobile Positioning Technologies in Cellular Networks: An Evaluation of their Performance Metrics, presented at MILCOM 2002, California, USA, 2002
6. КааренХ., АхтиайненА., ЛаитиненЛ., Найян С., Ниеми В. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы. М: Техносфера. 2007. — 464 с.
7. N. J. Thomas, D. G. M Cruickshank, D. I. Laurenson. “Performance of a TDOA- AOA Hybrid Mobile Location System”. The First International Conference on 3G Mobile Communication Technologies, 2000, pp.216–220.
8. 3GPP, TS 25.215. “UMTS: Physical layer measurements (FDD)”. Version 5.3.0, Release 5.
9. J. Borkowski, j.niemela, j.lempiainen, “Performance of Cell ID + RTT hybrid positioning methods for UMTS radio networks” EuropeanWireless Conf., February 2004
10. J. Borkowski, j.niemela, j. lempiainen, “Performance of Cell ID + RTT hybrid positioning method for UMTS” Master Thesis, Tampere University of Technology, Finland, January 2004.
11. P.j. duffett- smith, m.d. macnaughtan. “precise UE positioning in UMTs using CumulativeVirtualBlanking”. The third international conf. on 3G mobile communication technologies, 2002, pp. 335–339
12. Heikki Laitinen (editor), Suvi Ahonen, Sofoklis Kyriazakos, Jaakko Lähteenmäki, Raffaele Menolascino, Seppo Parkkila. “Cellular network optimisation based on mobile location” CELLO Consortium, 2001.
13. Ю. А. Громаков, А. В. Северин, В. А. Шевцов. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS: Учеб. пособие. — М.: Эко-Трендз, 2005. — 144 с.: ил.
14. B. ludden, l. lopes, “cellular based location technologies for UMTS: acomparison between IPDL and TA-IPDL”. IEEE 51 vehicular technology conf. vol 2, 2000, pp. 1348–1353.,
15. W.y. park, w.r. lee, s.h. kong, w. c. lee. “High resolution time delay estimation technique for position location, 15 may 2003”. The 2002 international technical conf. On circuits/systems, computers and communication, pp. 1610–1614
16. 3gpp, TR 25.847. “technical specification group radio access network: ue positioning enhancements”. Version 4.0.0, release 4.
17. Иванов,А. В. Совместная обработка информации спутниковых радионавигационных систем и наземных сетевых систем в навигационных системах подвижных наземных объектов / Иванов А. В., Гостев А. В., Семенов А. А., Соколовская Л. В. / Радиотехника. — Москва, № 4, с.16–19.
