eng
В первой части исследования, посвященного эволюции технологий позиционирования в сотовых сетях подвижной радиосвязи, анализируются и систематизируются стандартизированные методы решения задачи определения местоположения абонентского терминала с использованием базовых станций сети радиодоступа и дополнительной сетевой инфраструктуры. Рассмотренные методы классифицируются по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, кроме того, в первом приближении оценивается сложность процедур и программно-аппаратной реализации каждого из них.
Теги: a-gnss base station cell id cellular mobile radio networks e-cid gps otd otdoa-idpl pe positioning prs rfpm rtt subscriber terminal ta ul-toa uplink tdoa абонентский терминал базовая станция позиционирование сотовые сети подвижной радиосвязи
ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ позиционирования в сетях 2G–4G
Часть 1. Методы позиционирования
Г.Фокин, к.т.н., доцент СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.969.36, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.87.2.32.38
Введение
Традиционно позиционирование рассматривалось как дополнительная/опциональная возможность в процессе стандартизации, реализации и эксплуатации сотовых сетей подвижной радиосвязи (СПРС). Однако обширная инфраструктура сетей радиодоступа (СРД), по сути, всегда располагала техническими возможностями для определения местоположения (ОМП) абонентов. По мере эволюции СПРС, начиная с первого поколения (1G) с частотным разделением каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access), совершенствовались методы и средства сетевого позиционирования [1]. Второе поколение (2G) СПРС ознаменовало переход к цифровым системам с частотно-временным FDMA/TDMA (Time Division Multiple Access) GSM и кодовым CDMA (Code Division Multiple Access) разделением каналов. Глобализация СПРС связана с партнерским проектом 3GPP, реализованным для стандартизации систем третьего поколения (3G) UMTS.
Начиная с 3G, в процессе стандартизации СПРС разработчики стали предъявлять требования к решению задачи ОМП в случаях экстренного вызова. Данная тенденция получила продолжение в сетях четвертого поколения LTE, ожидается ее дальнейшее развитие в перспективных сетях 5G.
Помимо СПРС задача позиционирования традиционно решается глобальными навигационными спутниковыми системами ГНСС/GNSS (BeiDou, Galileo, ГЛОНАСС, GPS), а также вспомогательными СРД, такими как Wi-Fi/Bluetooth, TBS (Terrestrial Beacon Systems), инерциальными измерительными модулями IMU. Возможна комбинация всех перечисленных технологий ОМП. Цель настоящего обзора – анализ эволюции методов позиционирования в СПРС.
Эволюция методов позиционирования
В наиболее простом методе Cell ID используются уникальный идентификатор соты Cell ID и географические координаты базовой станции (БС). Местоположение абонентского терминала (АТ) определяется с точностью до зоны обслуживания БС, в которой АТ зарегистрирован. Значение Cell ID находится в памяти АТ; при смене соты Cell ID обновляется. Погрешность ОМП АТ в Cell ID соизмерима с размерами соты; за местоположение АТ принимается географическое расположение обслуживающей БС.
В крупных городах размер соты минимальный, и точность метода может составлять сотни метров. В пригородных и сельских районах, где плотность БС ниже, точность метода – десятки километров. Повысить точность можно методом TA (Timing Advance) в GSM [2] и RTT (Round Trip Time) в UMTS [3], а также путем измерений уровня принимаемого сигнала RxLev в GSM и RSCP (Received Signal Code Power) в UMTS.
Метод Cell ID ТА основан на определении задержки распространения сигнала ТА от БС до АТ в пределах соты. Для определения ТА система ОМП инициирует пейджинг АТ, в результате сеть получает идентификатор обслуживающей БС и значение временной задержки ТА, с помощью которой рассчитывается, насколько удален АТ от БС. В результате измерения задержки в секторе выделяется дуга шириной около 550 м. Для GSM разрешение TA определяется временем передачи бита; если RTT = 3,69 мкс, то d = RTT/2 · c – ~550 м. Cell ID может быть реализован в любой СПРС без дополнительной аппаратной или программной модернизации. Недостатком Cell ID является низкая точность ОМП, которая ограничена размером соты, а также разрешением TA и RTT.
Еще один метод – Cell ID RTT – предусматривает измерение времени между отправкой запроса и получением ответа. По такому принципу рассчитывается расстояние от БС или модуля измерения местоположения LMU (Location Measurement Unit) до АТ с использованием радиуса соты БС, равного:
d = RTT / 2 · c + e, c + e g + l 1 + 2+3,
где c = 3,0 · 108 м/с, e = δ · c – погрешность измерений расстояния, δ – погрешность измерения времени.
Для более точной оценки местоположения АТ методом RTT следует использовать в вычислениях измерения RTT от соседних БС. Тогда АТ будет находиться в точке пересечения трех окружностей соседних БС, расположенных в центрах этих окружностей. Для радиоинтерфейса UMTS длительность чипа равна 0,26 мкс, поэтому точность оценки дальности составляет 78 м (3,0 · 108 м/с × 0,26 мкс).
Метод E-CID (Enhanced Cell ID) был специфицирован в десятом релизе UMTS [3], девятом релизе LTE [4] и совмещал позиционирование Cell ID с измерениями AоA (Angle of Arrival), TA, RTT, RSS (Received Signal Strength).
Относящийся к категории анализа сцен и сопоставления образов метод RFPM (Radio Frequency Pattern Matching) требует предварительного составления базы данных (БД) измерений. Путем сопоставления их с текущими измерениями можно оценить местоположение АТ. Позиционирование методом RFPM в гетерогенных сетях в условиях города и пригорода исследовалось в 3GPP TR 36.809 [5]. Для сетей LTE-A-Pro, начиная с 13-го релиза TS 36.305 [4], метод RFPM основывался на измерениях в СРД WLAN и Bluetooth внутри помещений. Принцип действия RFPM основан на измерении фазовых, временных и амплитудных параметров радиосигнала, принятого в условиях прямой видимости или отраженного от естественных и/или искусственных препятствий при распространении радиоволн (РРВ). Измеренные параметры радиосигнала формируют образ, или радиоотпечаток; совокупность радиоотпечатков образует радиокарту. При ОМП принятый образ сравнивается с образами из БД и путем выбора наиболее близкого к принятому получают координаты АТ.
По методу RFPM измеряются, как правило, уровни принимаемого сигнала RSS. Точность определяется предварительно составленной БД радиокарт. Недостатком метода является необходимость заблаговременного создания БД радиокарт для всех БС сети, а также их актуализации при пространственных изменениях, которые могут повлиять на уровни принимаемых сигналов RSS.
Специфицированный в 1999 году для сетей GSM [2] метод UL-TоA (Uplink TоA) основан на измерении задержки времени прихода сигналов в канале "вверх" от АТ до нескольких БС по пакетам доступа или другим пакетам, периодически излучаемым АТ. UL-TоA, относящийся к категории Network-based с вычислениями в сети, обеспечивает точность, которая зависит от количества БС. Для реализации метода требуются: а) наличие модуля измерения местоположения LMU (Location Management Unit) на каждой БС (рис.1); б) синхронизация часов на каждой БС, например с помощью GPS; в) организация связи АТ с БС, участвующими в измерениях. Первичные дальномерные измерения собираются в модулях LMU и отправляются в сервисный центр позиционирования SMLC (Serving Mobile Location Center). Для позиционирования АТ решается система:
, (1)
где t0 – время излучения сигнала АТ, ti – время приема сигнала БСi, i = 1,…,N, N – число БС, участвующих в измерениях, c – скорость света. Время t0 в SMLC неизвестно и (1) можно преобразовать к виду:
, (2)
где Δdij = di−dj – линии постоянной разности расстояний – гиперболы (рис.1), пересечение которых определяет местоположение АТ; Δdij можно выразить через известные SMLC-координаты БС (xi, yi). Следовательно, решение (2) с двумя неизвестными координатами АТ (х, y) становится тривиальным.
Метод Uplink TDоA (Time Difference of Arrival) был специфицирован в 2005 году для сетей UMTS в седьмом релизе 3GPP TS 25.305 [3] и в 2012 году для сетей LTE-A в 11-м релизе [4]. Uplink TDоA – аналог метода UL-TоA в GSM с тем отличием, что модули LMU могут сами обмениваться принятыми от АТ сигналами и вычислять их кросс-корреляцию, то есть получать измерения разностно-дальномерным методом (РДМ). Затем измерения РДМ поступают в сервисный центр позиционирования SMLC для вычисления координат АТ.
В основе метода OTD (Observed Time Difference) – механизм синхронизации OTD-измерения и сравнения моментов прихода сигналов от разных БС на АТ. E-OTD (Enhanced OTD), специфицированный для GSM в 1999 году [2], является развитием механизма синхронизации OTD. Различают гиперболический (разностно-дальномерный) TDоA/Hyperbolic и круговой (дальномерный) TоA/TDоA/Circular методы позиционирования E-OTD. Для пояснения методов E-OTD введем следующие понятия.
OTD (Observed Time Difference) – наблюдаемая разность времени прихода сигнала: фиксируемый АТ временной интервал между приемом сигналов в DL (Downlink) от двух БС в разных сотах. Если сигнал от БС1 принят в момент времени t1, а сигнал от БС2 в момент времени t2, OTD = t2−t1; если сигналы приняты одновременно, OTD = 0.
RTD (Real Time Difference) – неточность временной синхронизации между двумя БС. Если БС1 передает сигнал в момент t3, а БС2 – в момент t4, то RTD = t4−t3; если БС1 и БС2 синхронизированы точно и осуществляют передачу одновременно, то RTD = 0.
GTD (Geometric Time Difference) – геометрическая разность времени прихода сигналов. Если расстояние между БС1 и АТ d1, а между БС2 и АТ – d2, то разность времени прихода сигналов от БС1 и БС2 на АТ определяется как GTD = (d2−d1)/c. Наблюдаемая разность времени прихода OTD связана с геометрической разностью времени прихода GTD и неточностью синхронизации RTD между двумя БС соотношением GTD = OTD − RTD.
Метод Hyperbolic E-OTD проиллюстрирован на рис.1 и 4. OTD измеряется АТ, а RTD − LMU1, следовательно, GTD может быть вычислен. GTD21 определяет гиперболу Δd21 = d2 − d1, а GTD31 − гиперболу Δd31 = d3 − d1; пересечение GTD21 и GTD31 указывает на местоположение АТ. Для функционирования E-OTD необходимо наличие как минимум одного модуля LMU с известным местоположением для измерения параметра RTD рассинхронизации разных БС. Параметр GTD, характеризующий время распространения сигнала от БС к АТ, получается путем вычитания RTD из OTD. При оценке координат самим устройством АТ вычисляет свои координаты с использованием принимаемых из сети параметра RTD и известных координат БС. При оценке координат сетью АТ отправляет OTD, на основе которого координаты определяются в SMLC с использованием RTD и известных координат БС. Принцип действия метода Hyperbolic E-OTD поясняется в сравнении с методом OTDоA-IDPL ниже.
Проиллюстрированный на рис.2 метод Circular E-OTD основан на измерении времени прихода сигнала в DL от БС до АТ и модуля измерения LMU, координаты которого точно известны. Для ОМП на плоскости необходимы как минимум три БС; часы БС, как и часы АТ и модуля измерения LMU, несинхронизированы.
Допустим, БСi излучает сигнал в канале BCCH/SCH. На АТ и модуле измерений LMU регистрируется время прихода сигнала от БСi: ti – время прихода сигнала от БСi на АТ, Ti – время прихода сигнала от БСi на LMU. Пусть ε – рассинхронизация АТ и LMU, di – расстояние от БСi до АТ, а Di – известное расстояние от БСi до LMU, тогда справедливо:
di – Di = c(ti – Ti + ε). (3)
При оценке координат сетью значение ti, зарегистрированное АТ, отправляется на модуль измерения LMU. Для позиционирования на плоскости эта операция повторяется минимум три раза с участием разных БС, после чего получается система уравнений:
. (4)
Расстояния di можно выразить через координаты АТ (x, y), поэтому для ОМП АТ необходимо решить (4) с тремя неизвестными: координаты АТ (х, y) и рассинхронизация ε.
На оценке времени распространения радиосигналов со спутников основан метод GPS (Global Positioning System). Преимущества GPS – высокая точность и глобальное радиопокрытие. К недостаткам метода относятся: а) необходимость добавления в АТ GPS-приемника; б) ОМП с использованием GPS возможно на открытых пространствах в условиях уверенного приема спутникового сигнала; в зданиях и центрах городов GPS-приемники могут не работать; в) медленная инициализация GPS-приемника. Задействовав СПРС, можно повысить скорость инициализации GPS-приемника (рис.3); метод называется A-GPS (Assisted-GPS).
Метод A-GPS предполагает передачу вспомогательных данных (эфемериды и временные параметры спутников) на АТ не со спутников, как обычно, а через каналы СРД GSM, UMTS и LTE для повышения скорости инициализации встроенных GPS-приемников. СПРС служит транспортом для передачи в АТ вспомогательной информации.
GPS и A-GPS используют спутниковую систему GPS. В настоящее время эксплуатируется и российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Принцип ОМП в ГЛОНАСС такой же, как и в GPS. Системы GPS и ГЛОНАСС не зависимы, но совместимы, что позволяет использовать их как единую Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС).
Метод A-GNSS (Assisted Global Navigation Satellite System) предусматривает позиционирование в СПРС с использованием ГНСС. Метод A-GNSS специфицирован для СПРС GSM [2], UMTS [3] и LTE [4]. Суть метода A-GNSS состоит в том, что позиционирование GNSS ускоряется/уточняется за счет предварительной загрузки в ГНСС-приемник необходимой сопровождающей информации через СПРС, благодаря чему при включении навигации АТ, оснащенный спутниковым приемником, может существенно сократить время ОМП. Требования к функционированию A-GNSS в сетях LTE были специфицированы в 2010 году в девятом релизе [6]. Помимо выигрыша в скорости первичного определения координат, метод A-GNSS предоставляет возможность фиксировать координаты даже в случае слабого приема спутникового сигнала.
Метод OTDоA-IDPL (Observed TDоA IDPL) как аналог метода E-OTD для GSM был специфицирован для сетей UMTS в 1999 году [3]. Местоположение АТ вычисляется с использованием измерений, полученных по сигналам DL общего пилотного канала CPICH (Common Pilot Channel) или сетью в SMLC, либо самим АТ. Для снижения интерференции при приеме первичных измерений по каналу CPICH в сетях UMTS были организованы интервалы молчания IDPL (Idle Period Downlink). Поясним суть метода IDPL подробнее.
Ограничение точности позиционирования в сетях UMTS обусловлено известной проблемой ближней-дальней зоны, которая является следствием работы устройств радиосети с кодовым разделением каналов на одной частоте. Для функционирования гиперболического метода позиционирования на плоскости требуется надежный радиоприем трех и более сигналов от опорных пунктов – базовых станций. В сетях UMTS, если АТ находится в зоне обслуживания данной БС NodeB и располагается значительно ближе к ней, чем к другим БС, уровень принимаемого радиосигнала обслуживающей БС намного превысит уровень сигналов других БС и тем самым затруднит сбор первичных дальномерных измерений. Функционирование гиперболического метода для радиосетей UMTS станет возможным, когда АТ, находясь в зоне обслуживания данной БС, сможет с сопоставимой помехоустойчивостью вести радиоприем сигналов CPICH не менее чем от трех других БС.
Для компенсации проблемы ближней-дальней зоны при позиционировании в сетях UMTS был предложен механизм OTDоA-IDPL, который адаптировал гиперболический метод E-OTD в GSM для сетей WCDMA. Суть метода OTDоA-IDPL заключается в добавлении периодов молчания (Idle Periods) базовых станций в канале DL, когда при передаче сигналов CPICH данной БС в определенные интервалы времени передачи других БС должны быть приостановлены; периоды молчания БС сети могут быть организованы синхронно или случайно. АТ в период молчания обслуживающей БС сможет принять сигналы других БС и таким образом собрать первичные дальномерные измерения. Результаты моделирования показывают, что метод OTDоA-IDPL позволяет повысить помехоустойчивость сбора первичных дальномерных измерений с 30 (без периодов молчания) до 70% [7].
В четвертом релизе [8] был предложен метод OTDоA-PE – усовершенствованный вариант гиперболического метода позиционирования в сетях UMTS за счет добавления сетевых модулей/элементов позиционирования PE (Positioning Element). Модули PE являются портативными устройствами, располагаются в отличных от обслуживающей их БС NodeB местах с известными сети координатами, синхронизированы с ней и обмениваются с БС посредством радиоинтерфейса. Модули PE излучают короткие сообщения в канале DL в период молчания БС. Принимая сигналы от PE, АТ собирает первичные дальномерные измерения TоA. Преимуществом метода OTDоA-PE в сетях UMTS по сравнению с методом E-OTD в сетях GSM является то, что модули PE синхронизированы с обслуживающей их БС NodeB, и это освобождает систему позиционирования в СПРС от необходимости измерения RTD с использованием LMU.
На рис.4 представлен сценарий позиционирования E-OTD в GSM с использованием четырех БС и одного LMU; БС несинхронизированы, местоположение БС и отдельного модуля LMU-A точно известны сети. На временной диаграмме рис.4 проиллюстрировано измерение разности времени прихода сигналов для BTS2 и BTS4. Моменты начала передачи BTS2 и BTS4 несинхронизированы: BTS2 начинает передачу в момент времени ts2, а BTS4 – в момент времени ts4. Параметр RTD между BTS2 и BTS4 – RTD24 = (ts4 – ts2). Сигнал от BTS2 приходит на UE в момент t2 через время d2/c, где d2 – расстояние между BTS2 и UE, а c – скорость света. Сигнал от BTS4 приходит на UE в момент t4 через время d4/c, где d4 – расстояние между BTS4 и UE; при этом момент t4 = RTD24 + d4/c. Далее АТ может оценить параметр наблюдаемой разности времени прихода сигналов от BTS2 и BTS4, равный OTD24 = (t4 – t2). В модуле измерения местоположения LMU сигналы, переданные BTS2 и BTS4, будут приняты в моменты времени t'2 = D2/c, и t'4 = RTD24 + D4/c соответственно, где D2 – расстояние между BTS2 и LMU, D4 – расстояние между BTS4 и LMU.
Таким образом, LMU может оценить рассинхронизацию BTS2 и BTS4 как RTD24 = (t'4 – t'2) – GTD24, где GTD24 = (D4 – D2)/c. Расстояния D4 и D2 известны, так как определены координаты БС и LMU-A; параметр OTD24, измеренный АТ, отправляется в SMLC, так же как и параметр RTD24, измеренный LMU-A. Наблюдаемая разность времени прихода сигнала OTD связана с геометрической разностью времени прихода сигнала GTD и неточностью синхронизации RTD между двумя БС соотношением GTD = OTD − RTD.
На рис.5 представлен сценарий позиционирования OTDоA-PE в UMTS с одной обслуживающей БС NodeB и тремя модулями PE.
Координаты БС NodeB0 и модулей PE известны. На временной диаграмме (рис.5) проиллюстрировано измерение разности времени прихода сигналов для БС NodeB0 и модулей PE1 и PE2. БС NodeB0 начинает передачу сигнала в момент времени ts; в моменты времени ta = D1/c и tb = D2/c переданный NodeB0 сигнал принимается модулями PE1 и PE2 соответственно, где D1 – расстояние между PE1 и NodeB0, D2 – расстояние между PE2 и NodeB0. Через интервал T после начала передачи БС NodeB0 модули PE начинают передачу своих коротких сообщений: PE1 – в момент времени t'a, PE2 – в момент времени t'b. Сообщение от БС NodeB0 принимается АТ UE в момент времени t0, а сообщения модулей PE1 и PE2 в моменты времени t1 и t2 соответственно: t0 = d0/c, где d0 – расстояние между БС NodeB0 и АТ UE; t1 = D1/c + T + d1/c, где d1 – расстояние между PE1 и АТ UE, D1 – расстояние между PE1 и БС NodeB0; t2 = D2/c + T + d2/c, где d2 – расстояние между PE2 и АТ UE, D2 – расстояние между PE2 и БС NodeB0. Таким образом, UE может оценить параметр OTDоA1 = (t1 – t0) и OTDоA2 = (t2 – t0). Так как модули PE синхронизированы с обслуживающей БС NodeB0, необходимость вычисления параметра RTD отпадает, а модули LMU становятся лишними. Передачи модулей PE в рассмотренном примере осуществляются в момент молчания (Idle Period) обслуживающей базовой станции NodeB0.
Метод OTDоA PRS (Positioning Reference Signal) был специфицирован для сетей LTE в девятом релизе [4]. Разностно-дальномерные измерения выполнялись в АТ с использованием специальных сигналов позиционирования PRS. Данные сигналы отличались гибкостью регулирования параметров мощности передачи, разноса по времени и частоте, а также включали набор шаблонов молчания для снижения интерференции.
Специфицированный в 13-м релизе LTE 3GPP TS 36.305 [4] метод TBS (Terrestrial Beacon Systems) наземного позиционирования с использованием маяка основан на сети наземных станций – маяков, передающих сигналы позиционирования для дополнения системы ГНСС внутри помещений для сценариев слабого приема спутникового сигнала. Система TBS, работающая с сигналами PRS и дополняющая метод OTDоA, специфицирована для сетей LTE в 14-м релизе [4].
Метод барометра, или барометрического высотомера, появился в 13-м релизе LTE 3GPP TS 36.305 [4] для определения этажа внутри помещений. Принцип его действия основан на измерении давления атмосферы: по мере увеличения высоты уменьшается текущее атмосферное давление. Для корректного определения высоты необходима калибровка прибора.
Гибридный метод основан на сочетании различных технологий позиционирования. Наиболее распространенными технологиями для комбинации являются методы ГНСС и дальномерные/разностно-дальномерные методы СПРС.
Заключение
Анализ эволюции методов позиционирования в СПРС позволяет сделать ряд выводов. Первый – рассмотренные методы можно классифицировать по следующим принципам: а) соседства с БС (методы CID + TA/CID + RTT, E-CID); б) трилатерации (дальномерные и РДМ методы Uplink TоA, UTDоA, E-OTD, OTDоA, TBS); в) анализа сцен уровня принимаемого сигнала (метод радиокарты/RFPM). В отдельную группу можно выделить методы: г) спутниковой навигации GNSS/GPS и A-GNSS/A-GPS; д) инерциальной навигации/барометра. Второй вывод – наиболее простыми для программно-аппаратной реализации в СПРС являются методы на основе принципа соседства. Третий вывод состоит в том, что дальномерные и разностно-дальномерные методы, функционирующие по принципу трилатерации, требуют синхронизации базовых станций и/или модулей сбора измерений и программно-аппаратного дополнения сетевой инфраструктуры СПРС, а также организации дополнительных сетевых процедур.
ЛИТЕРАТУРА
del Peral-Rosado J.A., Raulefs R., López-Salcedo J.A., Seco-Granados G. Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: From 1G to 5G // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. Vol. 20. No. 2. P. 1124–1148.
3GPP TS 03.71. Location services (LCS); Functional description; Stage 2. Rel. 98, V7.0.0, June 1999.
3GPP TS 25.305. Stage 2. Functional specification of user equipment (UE) positioning in UTRAN. Rel. 99, V3.0.0, Dec. 1999.
3GPP TS 36.305. Stage 2. Functional specification of UE positioning in E-UTRAN, Rel. 11, V11.0.0, Jul. 2012.
3GPP TR 36.809. RF pattern matching location method in LTE. Rel. 12, V12.0.0, Sep. 2013.
3GPP TR 36.171. Requirements for support of A-GNSS. Rel. 9, V9.0.0, Mar. 2010.
Campos R.S. Evolution of Positioning Techniques in Cellular Networks, from 2G to 4G // Wireless Communications and Mobile Computing. 2017. Art. ID 2315036.
3GPP TR 25.847.UE positioning enhancements. Rel. 4, V4.0.0, Mar. 2001.
Часть 1. Методы позиционирования
Г.Фокин, к.т.н., доцент СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.969.36, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.87.2.32.38
Введение
Традиционно позиционирование рассматривалось как дополнительная/опциональная возможность в процессе стандартизации, реализации и эксплуатации сотовых сетей подвижной радиосвязи (СПРС). Однако обширная инфраструктура сетей радиодоступа (СРД), по сути, всегда располагала техническими возможностями для определения местоположения (ОМП) абонентов. По мере эволюции СПРС, начиная с первого поколения (1G) с частотным разделением каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access), совершенствовались методы и средства сетевого позиционирования [1]. Второе поколение (2G) СПРС ознаменовало переход к цифровым системам с частотно-временным FDMA/TDMA (Time Division Multiple Access) GSM и кодовым CDMA (Code Division Multiple Access) разделением каналов. Глобализация СПРС связана с партнерским проектом 3GPP, реализованным для стандартизации систем третьего поколения (3G) UMTS.
Начиная с 3G, в процессе стандартизации СПРС разработчики стали предъявлять требования к решению задачи ОМП в случаях экстренного вызова. Данная тенденция получила продолжение в сетях четвертого поколения LTE, ожидается ее дальнейшее развитие в перспективных сетях 5G.
Помимо СПРС задача позиционирования традиционно решается глобальными навигационными спутниковыми системами ГНСС/GNSS (BeiDou, Galileo, ГЛОНАСС, GPS), а также вспомогательными СРД, такими как Wi-Fi/Bluetooth, TBS (Terrestrial Beacon Systems), инерциальными измерительными модулями IMU. Возможна комбинация всех перечисленных технологий ОМП. Цель настоящего обзора – анализ эволюции методов позиционирования в СПРС.
Эволюция методов позиционирования
В наиболее простом методе Cell ID используются уникальный идентификатор соты Cell ID и географические координаты базовой станции (БС). Местоположение абонентского терминала (АТ) определяется с точностью до зоны обслуживания БС, в которой АТ зарегистрирован. Значение Cell ID находится в памяти АТ; при смене соты Cell ID обновляется. Погрешность ОМП АТ в Cell ID соизмерима с размерами соты; за местоположение АТ принимается географическое расположение обслуживающей БС.
В крупных городах размер соты минимальный, и точность метода может составлять сотни метров. В пригородных и сельских районах, где плотность БС ниже, точность метода – десятки километров. Повысить точность можно методом TA (Timing Advance) в GSM [2] и RTT (Round Trip Time) в UMTS [3], а также путем измерений уровня принимаемого сигнала RxLev в GSM и RSCP (Received Signal Code Power) в UMTS.
Метод Cell ID ТА основан на определении задержки распространения сигнала ТА от БС до АТ в пределах соты. Для определения ТА система ОМП инициирует пейджинг АТ, в результате сеть получает идентификатор обслуживающей БС и значение временной задержки ТА, с помощью которой рассчитывается, насколько удален АТ от БС. В результате измерения задержки в секторе выделяется дуга шириной около 550 м. Для GSM разрешение TA определяется временем передачи бита; если RTT = 3,69 мкс, то d = RTT/2 · c – ~550 м. Cell ID может быть реализован в любой СПРС без дополнительной аппаратной или программной модернизации. Недостатком Cell ID является низкая точность ОМП, которая ограничена размером соты, а также разрешением TA и RTT.
Еще один метод – Cell ID RTT – предусматривает измерение времени между отправкой запроса и получением ответа. По такому принципу рассчитывается расстояние от БС или модуля измерения местоположения LMU (Location Measurement Unit) до АТ с использованием радиуса соты БС, равного:
d = RTT / 2 · c + e, c + e g + l 1 + 2+3,
где c = 3,0 · 108 м/с, e = δ · c – погрешность измерений расстояния, δ – погрешность измерения времени.
Для более точной оценки местоположения АТ методом RTT следует использовать в вычислениях измерения RTT от соседних БС. Тогда АТ будет находиться в точке пересечения трех окружностей соседних БС, расположенных в центрах этих окружностей. Для радиоинтерфейса UMTS длительность чипа равна 0,26 мкс, поэтому точность оценки дальности составляет 78 м (3,0 · 108 м/с × 0,26 мкс).
Метод E-CID (Enhanced Cell ID) был специфицирован в десятом релизе UMTS [3], девятом релизе LTE [4] и совмещал позиционирование Cell ID с измерениями AоA (Angle of Arrival), TA, RTT, RSS (Received Signal Strength).
Относящийся к категории анализа сцен и сопоставления образов метод RFPM (Radio Frequency Pattern Matching) требует предварительного составления базы данных (БД) измерений. Путем сопоставления их с текущими измерениями можно оценить местоположение АТ. Позиционирование методом RFPM в гетерогенных сетях в условиях города и пригорода исследовалось в 3GPP TR 36.809 [5]. Для сетей LTE-A-Pro, начиная с 13-го релиза TS 36.305 [4], метод RFPM основывался на измерениях в СРД WLAN и Bluetooth внутри помещений. Принцип действия RFPM основан на измерении фазовых, временных и амплитудных параметров радиосигнала, принятого в условиях прямой видимости или отраженного от естественных и/или искусственных препятствий при распространении радиоволн (РРВ). Измеренные параметры радиосигнала формируют образ, или радиоотпечаток; совокупность радиоотпечатков образует радиокарту. При ОМП принятый образ сравнивается с образами из БД и путем выбора наиболее близкого к принятому получают координаты АТ.
По методу RFPM измеряются, как правило, уровни принимаемого сигнала RSS. Точность определяется предварительно составленной БД радиокарт. Недостатком метода является необходимость заблаговременного создания БД радиокарт для всех БС сети, а также их актуализации при пространственных изменениях, которые могут повлиять на уровни принимаемых сигналов RSS.
Специфицированный в 1999 году для сетей GSM [2] метод UL-TоA (Uplink TоA) основан на измерении задержки времени прихода сигналов в канале "вверх" от АТ до нескольких БС по пакетам доступа или другим пакетам, периодически излучаемым АТ. UL-TоA, относящийся к категории Network-based с вычислениями в сети, обеспечивает точность, которая зависит от количества БС. Для реализации метода требуются: а) наличие модуля измерения местоположения LMU (Location Management Unit) на каждой БС (рис.1); б) синхронизация часов на каждой БС, например с помощью GPS; в) организация связи АТ с БС, участвующими в измерениях. Первичные дальномерные измерения собираются в модулях LMU и отправляются в сервисный центр позиционирования SMLC (Serving Mobile Location Center). Для позиционирования АТ решается система:
, (1)
где t0 – время излучения сигнала АТ, ti – время приема сигнала БСi, i = 1,…,N, N – число БС, участвующих в измерениях, c – скорость света. Время t0 в SMLC неизвестно и (1) можно преобразовать к виду:
, (2)
где Δdij = di−dj – линии постоянной разности расстояний – гиперболы (рис.1), пересечение которых определяет местоположение АТ; Δdij можно выразить через известные SMLC-координаты БС (xi, yi). Следовательно, решение (2) с двумя неизвестными координатами АТ (х, y) становится тривиальным.
Метод Uplink TDоA (Time Difference of Arrival) был специфицирован в 2005 году для сетей UMTS в седьмом релизе 3GPP TS 25.305 [3] и в 2012 году для сетей LTE-A в 11-м релизе [4]. Uplink TDоA – аналог метода UL-TоA в GSM с тем отличием, что модули LMU могут сами обмениваться принятыми от АТ сигналами и вычислять их кросс-корреляцию, то есть получать измерения разностно-дальномерным методом (РДМ). Затем измерения РДМ поступают в сервисный центр позиционирования SMLC для вычисления координат АТ.
В основе метода OTD (Observed Time Difference) – механизм синхронизации OTD-измерения и сравнения моментов прихода сигналов от разных БС на АТ. E-OTD (Enhanced OTD), специфицированный для GSM в 1999 году [2], является развитием механизма синхронизации OTD. Различают гиперболический (разностно-дальномерный) TDоA/Hyperbolic и круговой (дальномерный) TоA/TDоA/Circular методы позиционирования E-OTD. Для пояснения методов E-OTD введем следующие понятия.
OTD (Observed Time Difference) – наблюдаемая разность времени прихода сигнала: фиксируемый АТ временной интервал между приемом сигналов в DL (Downlink) от двух БС в разных сотах. Если сигнал от БС1 принят в момент времени t1, а сигнал от БС2 в момент времени t2, OTD = t2−t1; если сигналы приняты одновременно, OTD = 0.
RTD (Real Time Difference) – неточность временной синхронизации между двумя БС. Если БС1 передает сигнал в момент t3, а БС2 – в момент t4, то RTD = t4−t3; если БС1 и БС2 синхронизированы точно и осуществляют передачу одновременно, то RTD = 0.
GTD (Geometric Time Difference) – геометрическая разность времени прихода сигналов. Если расстояние между БС1 и АТ d1, а между БС2 и АТ – d2, то разность времени прихода сигналов от БС1 и БС2 на АТ определяется как GTD = (d2−d1)/c. Наблюдаемая разность времени прихода OTD связана с геометрической разностью времени прихода GTD и неточностью синхронизации RTD между двумя БС соотношением GTD = OTD − RTD.
Метод Hyperbolic E-OTD проиллюстрирован на рис.1 и 4. OTD измеряется АТ, а RTD − LMU1, следовательно, GTD может быть вычислен. GTD21 определяет гиперболу Δd21 = d2 − d1, а GTD31 − гиперболу Δd31 = d3 − d1; пересечение GTD21 и GTD31 указывает на местоположение АТ. Для функционирования E-OTD необходимо наличие как минимум одного модуля LMU с известным местоположением для измерения параметра RTD рассинхронизации разных БС. Параметр GTD, характеризующий время распространения сигнала от БС к АТ, получается путем вычитания RTD из OTD. При оценке координат самим устройством АТ вычисляет свои координаты с использованием принимаемых из сети параметра RTD и известных координат БС. При оценке координат сетью АТ отправляет OTD, на основе которого координаты определяются в SMLC с использованием RTD и известных координат БС. Принцип действия метода Hyperbolic E-OTD поясняется в сравнении с методом OTDоA-IDPL ниже.
Проиллюстрированный на рис.2 метод Circular E-OTD основан на измерении времени прихода сигнала в DL от БС до АТ и модуля измерения LMU, координаты которого точно известны. Для ОМП на плоскости необходимы как минимум три БС; часы БС, как и часы АТ и модуля измерения LMU, несинхронизированы.
Допустим, БСi излучает сигнал в канале BCCH/SCH. На АТ и модуле измерений LMU регистрируется время прихода сигнала от БСi: ti – время прихода сигнала от БСi на АТ, Ti – время прихода сигнала от БСi на LMU. Пусть ε – рассинхронизация АТ и LMU, di – расстояние от БСi до АТ, а Di – известное расстояние от БСi до LMU, тогда справедливо:
di – Di = c(ti – Ti + ε). (3)
При оценке координат сетью значение ti, зарегистрированное АТ, отправляется на модуль измерения LMU. Для позиционирования на плоскости эта операция повторяется минимум три раза с участием разных БС, после чего получается система уравнений:
. (4)
Расстояния di можно выразить через координаты АТ (x, y), поэтому для ОМП АТ необходимо решить (4) с тремя неизвестными: координаты АТ (х, y) и рассинхронизация ε.
На оценке времени распространения радиосигналов со спутников основан метод GPS (Global Positioning System). Преимущества GPS – высокая точность и глобальное радиопокрытие. К недостаткам метода относятся: а) необходимость добавления в АТ GPS-приемника; б) ОМП с использованием GPS возможно на открытых пространствах в условиях уверенного приема спутникового сигнала; в зданиях и центрах городов GPS-приемники могут не работать; в) медленная инициализация GPS-приемника. Задействовав СПРС, можно повысить скорость инициализации GPS-приемника (рис.3); метод называется A-GPS (Assisted-GPS).
Метод A-GPS предполагает передачу вспомогательных данных (эфемериды и временные параметры спутников) на АТ не со спутников, как обычно, а через каналы СРД GSM, UMTS и LTE для повышения скорости инициализации встроенных GPS-приемников. СПРС служит транспортом для передачи в АТ вспомогательной информации.
GPS и A-GPS используют спутниковую систему GPS. В настоящее время эксплуатируется и российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Принцип ОМП в ГЛОНАСС такой же, как и в GPS. Системы GPS и ГЛОНАСС не зависимы, но совместимы, что позволяет использовать их как единую Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС).
Метод A-GNSS (Assisted Global Navigation Satellite System) предусматривает позиционирование в СПРС с использованием ГНСС. Метод A-GNSS специфицирован для СПРС GSM [2], UMTS [3] и LTE [4]. Суть метода A-GNSS состоит в том, что позиционирование GNSS ускоряется/уточняется за счет предварительной загрузки в ГНСС-приемник необходимой сопровождающей информации через СПРС, благодаря чему при включении навигации АТ, оснащенный спутниковым приемником, может существенно сократить время ОМП. Требования к функционированию A-GNSS в сетях LTE были специфицированы в 2010 году в девятом релизе [6]. Помимо выигрыша в скорости первичного определения координат, метод A-GNSS предоставляет возможность фиксировать координаты даже в случае слабого приема спутникового сигнала.
Метод OTDоA-IDPL (Observed TDоA IDPL) как аналог метода E-OTD для GSM был специфицирован для сетей UMTS в 1999 году [3]. Местоположение АТ вычисляется с использованием измерений, полученных по сигналам DL общего пилотного канала CPICH (Common Pilot Channel) или сетью в SMLC, либо самим АТ. Для снижения интерференции при приеме первичных измерений по каналу CPICH в сетях UMTS были организованы интервалы молчания IDPL (Idle Period Downlink). Поясним суть метода IDPL подробнее.
Ограничение точности позиционирования в сетях UMTS обусловлено известной проблемой ближней-дальней зоны, которая является следствием работы устройств радиосети с кодовым разделением каналов на одной частоте. Для функционирования гиперболического метода позиционирования на плоскости требуется надежный радиоприем трех и более сигналов от опорных пунктов – базовых станций. В сетях UMTS, если АТ находится в зоне обслуживания данной БС NodeB и располагается значительно ближе к ней, чем к другим БС, уровень принимаемого радиосигнала обслуживающей БС намного превысит уровень сигналов других БС и тем самым затруднит сбор первичных дальномерных измерений. Функционирование гиперболического метода для радиосетей UMTS станет возможным, когда АТ, находясь в зоне обслуживания данной БС, сможет с сопоставимой помехоустойчивостью вести радиоприем сигналов CPICH не менее чем от трех других БС.
Для компенсации проблемы ближней-дальней зоны при позиционировании в сетях UMTS был предложен механизм OTDоA-IDPL, который адаптировал гиперболический метод E-OTD в GSM для сетей WCDMA. Суть метода OTDоA-IDPL заключается в добавлении периодов молчания (Idle Periods) базовых станций в канале DL, когда при передаче сигналов CPICH данной БС в определенные интервалы времени передачи других БС должны быть приостановлены; периоды молчания БС сети могут быть организованы синхронно или случайно. АТ в период молчания обслуживающей БС сможет принять сигналы других БС и таким образом собрать первичные дальномерные измерения. Результаты моделирования показывают, что метод OTDоA-IDPL позволяет повысить помехоустойчивость сбора первичных дальномерных измерений с 30 (без периодов молчания) до 70% [7].
В четвертом релизе [8] был предложен метод OTDоA-PE – усовершенствованный вариант гиперболического метода позиционирования в сетях UMTS за счет добавления сетевых модулей/элементов позиционирования PE (Positioning Element). Модули PE являются портативными устройствами, располагаются в отличных от обслуживающей их БС NodeB местах с известными сети координатами, синхронизированы с ней и обмениваются с БС посредством радиоинтерфейса. Модули PE излучают короткие сообщения в канале DL в период молчания БС. Принимая сигналы от PE, АТ собирает первичные дальномерные измерения TоA. Преимуществом метода OTDоA-PE в сетях UMTS по сравнению с методом E-OTD в сетях GSM является то, что модули PE синхронизированы с обслуживающей их БС NodeB, и это освобождает систему позиционирования в СПРС от необходимости измерения RTD с использованием LMU.
На рис.4 представлен сценарий позиционирования E-OTD в GSM с использованием четырех БС и одного LMU; БС несинхронизированы, местоположение БС и отдельного модуля LMU-A точно известны сети. На временной диаграмме рис.4 проиллюстрировано измерение разности времени прихода сигналов для BTS2 и BTS4. Моменты начала передачи BTS2 и BTS4 несинхронизированы: BTS2 начинает передачу в момент времени ts2, а BTS4 – в момент времени ts4. Параметр RTD между BTS2 и BTS4 – RTD24 = (ts4 – ts2). Сигнал от BTS2 приходит на UE в момент t2 через время d2/c, где d2 – расстояние между BTS2 и UE, а c – скорость света. Сигнал от BTS4 приходит на UE в момент t4 через время d4/c, где d4 – расстояние между BTS4 и UE; при этом момент t4 = RTD24 + d4/c. Далее АТ может оценить параметр наблюдаемой разности времени прихода сигналов от BTS2 и BTS4, равный OTD24 = (t4 – t2). В модуле измерения местоположения LMU сигналы, переданные BTS2 и BTS4, будут приняты в моменты времени t'2 = D2/c, и t'4 = RTD24 + D4/c соответственно, где D2 – расстояние между BTS2 и LMU, D4 – расстояние между BTS4 и LMU.
Таким образом, LMU может оценить рассинхронизацию BTS2 и BTS4 как RTD24 = (t'4 – t'2) – GTD24, где GTD24 = (D4 – D2)/c. Расстояния D4 и D2 известны, так как определены координаты БС и LMU-A; параметр OTD24, измеренный АТ, отправляется в SMLC, так же как и параметр RTD24, измеренный LMU-A. Наблюдаемая разность времени прихода сигнала OTD связана с геометрической разностью времени прихода сигнала GTD и неточностью синхронизации RTD между двумя БС соотношением GTD = OTD − RTD.
На рис.5 представлен сценарий позиционирования OTDоA-PE в UMTS с одной обслуживающей БС NodeB и тремя модулями PE.
Координаты БС NodeB0 и модулей PE известны. На временной диаграмме (рис.5) проиллюстрировано измерение разности времени прихода сигналов для БС NodeB0 и модулей PE1 и PE2. БС NodeB0 начинает передачу сигнала в момент времени ts; в моменты времени ta = D1/c и tb = D2/c переданный NodeB0 сигнал принимается модулями PE1 и PE2 соответственно, где D1 – расстояние между PE1 и NodeB0, D2 – расстояние между PE2 и NodeB0. Через интервал T после начала передачи БС NodeB0 модули PE начинают передачу своих коротких сообщений: PE1 – в момент времени t'a, PE2 – в момент времени t'b. Сообщение от БС NodeB0 принимается АТ UE в момент времени t0, а сообщения модулей PE1 и PE2 в моменты времени t1 и t2 соответственно: t0 = d0/c, где d0 – расстояние между БС NodeB0 и АТ UE; t1 = D1/c + T + d1/c, где d1 – расстояние между PE1 и АТ UE, D1 – расстояние между PE1 и БС NodeB0; t2 = D2/c + T + d2/c, где d2 – расстояние между PE2 и АТ UE, D2 – расстояние между PE2 и БС NodeB0. Таким образом, UE может оценить параметр OTDоA1 = (t1 – t0) и OTDоA2 = (t2 – t0). Так как модули PE синхронизированы с обслуживающей БС NodeB0, необходимость вычисления параметра RTD отпадает, а модули LMU становятся лишними. Передачи модулей PE в рассмотренном примере осуществляются в момент молчания (Idle Period) обслуживающей базовой станции NodeB0.
Метод OTDоA PRS (Positioning Reference Signal) был специфицирован для сетей LTE в девятом релизе [4]. Разностно-дальномерные измерения выполнялись в АТ с использованием специальных сигналов позиционирования PRS. Данные сигналы отличались гибкостью регулирования параметров мощности передачи, разноса по времени и частоте, а также включали набор шаблонов молчания для снижения интерференции.
Специфицированный в 13-м релизе LTE 3GPP TS 36.305 [4] метод TBS (Terrestrial Beacon Systems) наземного позиционирования с использованием маяка основан на сети наземных станций – маяков, передающих сигналы позиционирования для дополнения системы ГНСС внутри помещений для сценариев слабого приема спутникового сигнала. Система TBS, работающая с сигналами PRS и дополняющая метод OTDоA, специфицирована для сетей LTE в 14-м релизе [4].
Метод барометра, или барометрического высотомера, появился в 13-м релизе LTE 3GPP TS 36.305 [4] для определения этажа внутри помещений. Принцип его действия основан на измерении давления атмосферы: по мере увеличения высоты уменьшается текущее атмосферное давление. Для корректного определения высоты необходима калибровка прибора.
Гибридный метод основан на сочетании различных технологий позиционирования. Наиболее распространенными технологиями для комбинации являются методы ГНСС и дальномерные/разностно-дальномерные методы СПРС.
Заключение
Анализ эволюции методов позиционирования в СПРС позволяет сделать ряд выводов. Первый – рассмотренные методы можно классифицировать по следующим принципам: а) соседства с БС (методы CID + TA/CID + RTT, E-CID); б) трилатерации (дальномерные и РДМ методы Uplink TоA, UTDоA, E-OTD, OTDоA, TBS); в) анализа сцен уровня принимаемого сигнала (метод радиокарты/RFPM). В отдельную группу можно выделить методы: г) спутниковой навигации GNSS/GPS и A-GNSS/A-GPS; д) инерциальной навигации/барометра. Второй вывод – наиболее простыми для программно-аппаратной реализации в СПРС являются методы на основе принципа соседства. Третий вывод состоит в том, что дальномерные и разностно-дальномерные методы, функционирующие по принципу трилатерации, требуют синхронизации базовых станций и/или модулей сбора измерений и программно-аппаратного дополнения сетевой инфраструктуры СПРС, а также организации дополнительных сетевых процедур.
ЛИТЕРАТУРА
del Peral-Rosado J.A., Raulefs R., López-Salcedo J.A., Seco-Granados G. Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: From 1G to 5G // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. Vol. 20. No. 2. P. 1124–1148.
3GPP TS 03.71. Location services (LCS); Functional description; Stage 2. Rel. 98, V7.0.0, June 1999.
3GPP TS 25.305. Stage 2. Functional specification of user equipment (UE) positioning in UTRAN. Rel. 99, V3.0.0, Dec. 1999.
3GPP TS 36.305. Stage 2. Functional specification of UE positioning in E-UTRAN, Rel. 11, V11.0.0, Jul. 2012.
3GPP TR 36.809. RF pattern matching location method in LTE. Rel. 12, V12.0.0, Sep. 2013.
3GPP TR 36.171. Requirements for support of A-GNSS. Rel. 9, V9.0.0, Mar. 2010.
Campos R.S. Evolution of Positioning Techniques in Cellular Networks, from 2G to 4G // Wireless Communications and Mobile Computing. 2017. Art. ID 2315036.
3GPP TR 25.847.UE positioning enhancements. Rel. 4, V4.0.0, Mar. 2001.
Отзывы читателей
