Позиционирование мобильных телефонов

Опубликовано 2000.11.06

К архиву новостей, посвященных позиционированию
К материалам о применениях систем позиционирования

(с) Игорь Сколотнев, к.т.н.

Что это такое и зачем?

Задача позиционирования мобильных телефонов нацелена на осуществление автоматического определения их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом определение места здесь понимается не обязательно в строго навигационном смысле этого термина (т. е. путем нахождения, например, его географических координат - широты и долготы), но тем не менее оно должно обеспечивать возможность однозначной идентификации положения телефона на местности.

Одной из задач позиционирования является обеспечение отслеживания местоположения мобильных устройств в случае экстренных ситуаций, например нахождение места абонента, позвонившего в одну из служб экстренной помощи с сотового телефона. Это, естественно, должно способствовать упрощению и ускорению прибытия спасательных служб. А абоненты, благодаря внедрению этой технологии, получат возможность обращаясь за помощью в аварийных ситуациях, быть уверенными, что помощь придет.

Новый этап развития

На принципиально новом уровне вопрос позиционирования мобильных телефонов был поставлен Федеральной комиссией по электросвязи США (FCC). Разработанный ею набор требований, известный как документ 94-102, принятый 12 июня 1996 г., предусматривает, чтобы к 1 октября 2001 г. местоположение любого беспроводного абонента, позвонившего по телефону службы спасения "911", могло быть не менее чем в 67% случаев определено с погрешностью не более 410 футов (около 125 м).

Столь жесткие требования обусловлены тем, что в настоящее время звонки с сотовых телефонов в США составляют уже приблизительно 25% от всех обращений в службу "911", а общее число аварийных вызовов с мобильных телефонов доходит до 100 тысяч звонков в сутки. При этом многие из звонящих не знают своего точного места и их отыскание занимает большое количество времени, доходящее до часов. А в некоторых случаях точное знание местонахождения звонящих является буквально вопросом жизни и смерти.

Принятый пятилетний план создания систем автоматического определения местоположения людей, позвонивших в службу "911", распространяется на операторов почти всех классов систем, из которых может поступить такой звонок - с мобильных телефонов любых сотовых сетей, из специализированных систем подвижной радиосвязи и т. п. Из систем общего пользования в этот список пока не включены только спутниковые средства связи.

Тремя годами позже - 15 сентября 1999 г. - FCC утвердила пересмотренные правила обеспечения потребителям "расширенных" услуг "911", использующих беспроводные телефоны. Теперь специализированные мобильные телефоны, имеющие функцию определения положения, должны обеспечивать более высокую точность, чем обычные: среднюю квадратическую погрешность (СКП) 50 метров (для 67% вызовов) и максимальную - не более 150 м (для 95% вызовов). Радиооператоры должны обеспечить выполнение этих требований к 31 декабря 2004 г.

Немного теории, или как это может быть сделано?

Задача позиционирования мобильных средств связи возникла не сегодня и усилия по ее решению уже предпринимались. Применительно к сотовым телефонам такое решение, в частности, основывалось на попытке определить, в какой соте абонент находится. Именно на этом принципе основан метод Cell ID, базирующийся на простых проверках и несложных геометрических расчетах. Исходя из того, что зоны приема базовых станций сети на местности имеют вид кругов, сначала выясняется, какие из станций могут принять, а в случае использования секторных антенн - и грубо запеленговать, сигналы телефона. После этого определяется территория, в пределах которой находится пользователь. Погрешность нахождения места таким способом может доходить до 30 км.

В специализированных же системах, для определения положения радиопередающего устройства могут быть использованы три основных параметра радиосигналов: их амплитуда в месте приема (Signal Strength), направление прихода (Angle of Arrival - AOA) и время задержки при распространении. Пути реализации измерений по каждому из этих параметров хорошо известны в радионавигации.

Возможные технологии

Амплитуда принимаемых сигналов способна характеризовать расстояние между передатчиком и приемником. Однако на практике сила сигналов мобильного телефона в месте приема зависит от столь большого числа причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точность определения места.

Направление прихода сигналов сейчас может автоматически определяться, например, по различию фаз сигналов на элементах антенной решетки, установленной на базовой станции сотовой сети. Пересечение пеленгов из двух (или большего числа) мест обеспечивает однозначное определение положения мобильного телефона. К числу достоинств данного метода относится независимость работы станций, каждая из которых дает информацию об азимуте мобильного телефона. При этом необходимые калибровки приемников для компенсации разброса их параметров, влияния изменений температуры и т. п. локальны для каждой станции и не налагают дополнительных требований на всю сеть. Однако для достижения требуемой точности необходимо определение пеленгов с весьма малой погрешностью. Так, например, при точности определения углов в 1 градус, требования FCC выполняются только на расстояниях до 7 км.

В принципе, задержка сигналов при распространении может быть использована для определения положения в дальномерном, разностно-дальномерном и суммарно-дальномерном режимах.

При точно известном моменте времени передачи радиосигналов, время их прихода (Time of Arrival - TOA) в приемник позволяет вычислить расстояние от телефона до антенны базовой станции. Однако условие "известности" времени передачи сигналов каждым из передатчиков налагает очень жесткие требования на необходимость постоянного поддержания чрезвычайно точной (до долей микросекунды) временной синхронизации всех элементов системы. Данный метод измерений реализован в спутниковой навигационной системе GPS, однако применительно к задаче позиционирования многочисленных портативных сотовых телефонов он совершенно нереален.

Несравнимо более простым по реализации является метод определения положения по разности моментов времени прихода сигналов (Time Difference of Arrival - TDOA). Этот способ основан на точном определении времени приема сигналов радиотелефона в трех или более различных станциях сети. По различию времени поступления сигналов в парах мест, вычисляются гиперболические линии положения передатчика. Точка пересечения двух гипербол отображает положение источника сигнала на местности.

Точность, достигаемая при этой технологии, определяется ограничениями ширины полосы частот сигнала, точностью синхронизации элементов системы и средой распространения сигнала - флуктуациями скорости распространения радиоволн в атмосфере в зависимости от изменений температуры, влажности, давления и т. п.

Как показывают расчеты, требования FCC при реализации измерений последним методом могут быть достигнуты без модификация мобильных телефонов, но она потребуется для достижения точности определения положения выше 125 метров

Различие теории и практики

Указанные ранее, достаточно однозначные зависимости между значениями параметров сигналов и положением телефона, имеют место только в теории при распространении радиосигналов в так называемом "свободном пространстве". На практике параметры сигналов в месте приема всегда зависят от очень многих факторов. Так, например, в условиях мегаполиса при плотной городской застройке всегда имеет место многолучевой прием, при котором как на трубку, так и на базовую станцию может приходить как прямой радиосигнал, так и отраженный от стен домов и других объектов. В связи с этим амплитуда сигналов, угол их прихода и значение расстояния база-трубка - могут непрерывно "скакать" в очень больших пределах, а определение фактических координат становится делом очень трудным, почти невозможным.

В сельской же местности прием сигналов телефона обычно может быть осуществлен всего одной станцией, что исключает возможность нахождения нескольких пеленгов или расстояний.

Некоторые из существующих проектов

Несмотря на перечисленные проблемы, анализ требований FCC и всех доступных технологий показал, что необходимые точности во многих случаях могут быть достигнуты с относительно небольшими модификациями существующих беспроводных сетей и даже без модификации терминалов пользователей.

В результате этого, целый ряд компаний начал разработку различных вариантов систем. Сейчас все они находятся на разных стадиях разработки и пока не ясно какая из технологий окажется наилучшей для решения данной задачи в комплексе. Уже имеется более двух десятков проектов систем, использующих угол прихода сигналов, разность времени их прихода, силу сигналов, "интеллектуальные" антенны, систему GPS, и комбинации этих методов. Достигаемые точности определения координат сотового телефона варьируются в пределах от единиц до сотен метров. Большинство разрабатываемых технологий не требует замены пользовательских телефонов.

Угломерные системы

Одним из разработчиков подобных систем является компания KSI Inc. Основные решения ее системы TeleSentinel защищены патентом США 4728959. Для определения направления прихода сигналов сотовых телефонов или радиостанций используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых станциях сети (и подключаемые к существующему оборудованию системы связи) или других фиксированных пунктах. Пеленгование осуществляется как по сигналам канала управления, так и речевым сигналам, без внесения каких-либо модификаций в мобильное оборудование. А так как канал управления телефона активен даже когда он не используется для переговоров, информация о положении может генерироваться независимо от наличия вызовов. Система может применяться и с любым форматом сигнала.

Нахождение местоположения беспроводных устройств связи система TeleSentinel осуществляет при приеме сигналов всего двумя приемниками. В случае, если сигнал получен только одним приемником, для определения местоположения может использоваться дополнительная информация на основе оценки амплитуды сигнала.

Разностно-дальномерные системы

Данный метод принят в качестве основы в большинстве разрабатываемых сейчас систем. Одна из них - Cellocate System - разработана Cell-Loc Inc. Система не требует доработки сотовых телефонов или оборудования сети. Система ориентирована на телефоны стандарта CDMA, но может использоваться и в аналоговых системах сотовой связи. На испытаниях была достигнута результирующая точность позиционирования (СКП) - 90 метров, но в большинстве экспериментов достигалась точность лучше 55 метров, а иногда и 15 метров.

Для другой системы - Cursor, разработанной английской компанией Cambridge Positioning Systems (CPS), также практически не требуется установка у оператора дополнительного оборудования, но необходимо обновление программного обеспечения терминалов. Достигнутая погрешность определения местоположения в реальных городских условиях, в помещениях и автомобилях составила примерно 75 метров и компания ведет работы по ее снижению до 50 метров. Система Cursor также может работать и с терминалами, не оснащенными соответствующим ПО, но в этом случае погрешность позиционирования составляет около километра.

Для определения своего положения пользователь совершает обычный звонок. При этом его телефон, до установки речевого соединения, посылает специальное короткое сообщение. Для этого используется SMS, но возможно и просто изменение формата передачи сообщений. Данное SMS включает информацию о сигналах, непрерывно транслируемых базовыми станциями при нормальной работе сети и уже полученных телефоном в неактивном режиме в предшествующий период.

Получив сообщение от телефона, центр расчетов положения (Mobile Location Centre - MLC) запрашивает подобную информацию из ближайших к телефону измерительных модулей системы (Location Measurement Units - LMU) и, сравнивая относительные времена приема сигналов в известных фиксированных пунктах, вычисляет положение телефона. Весь процесс занимает не более нескольких секунд, зависящих, главным образом, от времени ожидания пакета данных.

Модули LMU размещаются в пределах сотовой сети в таких известных фиксированных пунктах, где они могут контролировать соседние базовые станции. Ориентировочно один LMU необходим на каждые четыре станции сети. Модули могут размещаться обособленно или на базовых станциях.

Компания CPS планирует развертывание систем CURSOR в Великобритании, Европе и Северной Америке, а также создание решений для GSM-900, 1800 и 1900. Также компания CPS ведет работы по внедрению своего программного обеспечения для сотовых телефонов в изделия Philips, Siemens, Ericsson, Nokia и Motorola.

2001.02.22 Nokia представила систему определения местонахождения абонентов мобильной связи под названием Enhanced Observed Time Difference (E-OTD).

2000.09.18 Компания Ericsson приобрела лицензию на технологию Cursor британской компании CPS (Cambridge Positioning system), использующую технологию E-OTD. Ранее аналогичную лицензию приобрел Siemens. Стандарт E-OTD одобрен ETSI и ANSI. Точность локализации составляет 50 м, что отвечает требованиям Федеральной комиссии связи США. Успешные испытания Cursor проведены в США GSM-оператором VoiceStream.

Еще одна система, разработанная компанией CELLTRAX, Inc., ориентирована на применение в системах AMPS, TDMA (IS-136) и других. Она осуществляет измерения по сигналам канала управления, но может работать и по речевым сигналам.

Приемники CELLTRAX также могут размещаться на базовых станциях или независимо от них. Система способна передавать данные на центральный вычислитель по целому ряду стандартных линий связи. Это позволяет одной независимой системе CELLTRAX контролировать размещение телефонов сразу нескольких операторов.

Вычисления трехмерных гиперболических поверхностей положения выполняются центральным блоком системы. Для снижения влияния многолучевости и других эффектов, в системе используется передача дополнительных тестовых импульсов, а также специальные алгоритмы обработки, создававшиеся компанией в течение ряда лет.

Угломерно-разностно-дальномерные системы

На основе многих лет опыта и после проведения обширного моделирования и тестирования, компания SigmaOne Communications Corp. пришла к заключению, что для надежного выполнения требований FCC необходима комбинация технологий. По этой причине компания разработала угломерно-разностно-дальномерную систему позиционирования Sigma-5000. Эта система использует сразу два метода измерений, вместе с запатентованной SigmaOne технологией определения положения PowerBoost, включающей специализированные алгоритмы учета многолучевости.

Такая комплексная система, вместе с дополнительными операциями обработки, устраняет недостатки каждой из входящих в нее технологий определения положения. В итоге система Sigma-5000 обеспечивает определение положения в тех условиях, где другие технологические подходы будут просто терпеть неудачу - система уверенно обеспечивает определение положения даже если только две станции приняли вызов.

Система Sigma-5000 выполняется как независимое дополнение к инфраструктуре сотовой сети. Система не требует никаких модификаций радиоинтерфейса, сотовых телефонов или оборудования сотовой сети. Для реализации угломерной технологии используются специально разработанные антенные фазированные решетки, устанавливаемые на базовых станциях.

Sigma-5000 обеспечивает позиционирование в сотовых сетях стандартов AMPS и TDMA (IS-136). Пропускная способность системы - до 500 определений в секунду. Время получения первого отсчета - в пределах 1 секунды после прихода вызова. Расчетная погрешность определения положения: средняя квадратическая (67%) - менее 90 м, максимальная (95%) - 125 м. Длительные испытания системы Sigma-5000 на реальной сети показали во всей рабочей зоне результирующую погрешность не хуже 105 м для 67% случаев и точность лучше 150 м для 95% отсчетов.

Аналогичная комбинация технологий реализована и в системе Geometrix, разработанной отделением Grayson Wireless компании Allen Telecom Inc. В большинстве случаев Geometrix удовлетворяет требованиям FCC по точности используя только разностно-дальномерные отсчеты. Однако при определенных обстоятельствах угломерные отсчеты позволяют улучшить покрытие и точность. Один из примеров этого - покрытие загородной дороги, где ячейки сотовой сети часто находятся на одной линии вдоль скоростной трассы. Такая геометрия размещения базовых станций неудобна и для угломерных и для разностно-дальномерных систем. Однако комбинация этих технологий позволяет осуществлять точное определение положения.

Во всех режимах система Geometrix использует алгоритмы пространственной селекции сигналов для снижения ошибок, вызванных многолучевостью. В условиях очень большой многолучевости система может переходить в режим проведения измерений с четырех станций.

Система Geometrix может работать с аналоговыми и цифровыми системами связи стандартов AMPS, TDMA (IS-136), CDMA (IS-95), TDMA/AMPS, CDMA/AMPS и системой iDEN фирмы Motorola. Она может совместно использоваться сразу несколькими операторами услуг беспроводной связи, так как даже в базовой конфигурации Geometrix способна обеспечить выполнение сотен определений в секунду.

Позиционирование по "радиоотпечаткам"

Несколько необычную систему RadioCamera, которая может быть отнесена к классу корреляционно-экстремальных, разработала компания U.S. Wireless Corp. В отличие от других технологий позиционирования, данный метод не требует выполнения измерений из нескольких фиксированных пунктов. Здесь вполне достаточно, чтобы только одна базовая станция обработала сигнал вызова.

Система RadioCamera обеспечивает определение как начального положения, так и перемещений телефона, и работает как в условиях плотной городской застройки, где случаи прямой видимости базовой станции весьма редки, так и в сельской местности, где сигнал к базовой станции обычно идет напрямую.

Работа системы RadioCamera по определению места беспроводного телефона основана на использовании технологии анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения. Измеряя фазовые, временные и амплитудные параметры фрагментов радиосигнала телефона, принятого базовой станцией, RadioCamera оценивает структуру подобного "радиоотпечатка" ("fingerprint") сигнала и вычисляет его "сигнатуру" ("signature"). Полученная информация сравнивается системой со своей базой образцов таких "сигнатур", соответствующих разным вариантам расположения телефонов на местности.

Процесс определения положения включает следующие основные этапы:

1. Мобильный телефон излучает радиосигналы.
2. Сигналы, отражаясь от строений и других препятствий претерпевают определенные искажения и достигают базовой станции по многочисленным маршрутам.
3. В базовой станции, система RadioCamera анализирует уникальные характеристики сигнала, включая следы его "многомаршрутного" распространения и компилирует его "сигнатуру".
4. Данная "сигнатура" сравнивается с базой данных предварительно идентифицированных мест расположения телефонов и соответствующих им образцов "сигнатур", и находится соответствие.

Для идентификации положения система RadioCamera не требует прямой видимости многочисленных базовых станций, что делает ее работу высокоэффективной в условиях плотной городской застройки, где сейчас постоянно находятся более 70% всех радиотелефонов. Система RadioCamera также совместима с существующей сетевой инфраструктурой, легко интегрируется и не требует никаких модификаций базовых станций или абонентских телефонов. Интеллектуальная база данных системы начинает формироваться сразу после начала ее развертывания и становится работоспособной уже через несколько дней.

В апреле 1999 года система RadioCamera успешно прошла испытания по обеспечению позиционирования абонентов с сотовыми телефонами AMPS в реальных условиях и показала превышение требований FCC по точности.

Системы на основе GPS

Кроме методов определения положения телефонов по их радиосигналам возможно решение этой задачи и с помощью других средств. Наиболее реальным претендентом на эту роль сейчас является система GPS, что нашло отражение даже в стандарте. В конце октября 1999 г. Ассоциация промышленности связи приняла стандарт на определение местоположения аппаратов беспроводной связи. Первый в мире стандарт IS-801 позиционирования мобильных телефонов позволяет использовать систему GPS для определения их местоположения.

Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System) использует сеть спутников для обеспечения позиционирования наземных приемников, основанного на оценке времени распространения радиосигналов со спутников. В системе GPS реализованы два канала измерений, обеспечивающих достижение двух разных уровней точности определения координат. В канале, открытом для общего использования, возможно определение места с погрешностью около 100 м, хотя в некоторых случаях может быть достигнута и более высокая точность.

Применительно к использованию GPS для решения задачи позиционирования сотовых телефонов, основные достигаемые при этом преимущества включают: достаточно высокую точность определений и глобальное покрытие. Однако данному методу свойственны и определенные недостатки:

- требуется модификация радиотелефона путем добавления в него GPS приемника и средств передачи координатной информации в сотовую сеть; при этом включение GPS приемника в состав радиотелефона увеличивает его стоимость, вес и сокращает время работы батареи;

- зона определения координат имеет ограничения, связанные с возможностью потери сигналов спутников в закрытых помещениях, низинах, центрах городов или под плотной листвой;

- медленный приход в состояние готовности после включения питания - если приемник был выключен, то может потребоваться 30-90 секунд (а в некоторых случаях и до 15 минут) для получения первого отсчета.

Технически использование системы GPS для целей позиционирования мобильных телефонов возможно путем простейшего агрегатирования на уровне устройств или интегрированием технологий на основе совместной обработки сигналов.

Метод "агрегатирования"

Данный способ олицетворяет собой подход к решению проблемы позиционирования, основанный на "дополнительном оборудовании на стороне клиента", которое встраивается непосредственно в пользовательский терминал, для чего используется специальный чип стоимостью $10-40. Две модели терминалов со встроенным приемником GPS уже выпускает компания Benefon (Финляндия). Это сотовые телефоны Benefon Esc! и Benefon Locus.

На сходном решении основана и система компании Integrated Data Communications, Inc. (IDC), использующая "GPS в телефоне" и собственную технологию In-Place для передачи GPS-информации о положении по речевому каналу в течение времени звонка. Протокол In-Place может интегрироваться в любой беспроводный телефон и функционирует на любом радиоинтерфейсе, включая аналоговые и двух-трех режимные телефоны, работающие в различных частотных диапазонах.

Специальный контроллер LSC 2000TM (Location Services Controller - LSC) получает информацию о положении и отображает размещение звонящего на карте. Дополнительные определения положения могут делаться по запросу в течение всего времени разговора.

Программное обеспечение, находящееся в LSC 2000TM, обеспечивает повышение точности позиционирования за счет реализации дифференциального режима работы GPS. Достигнутая точность определения положения - 12,3 м.

Технология компании IDC нейтральна относительно оператора, и может быть реализована с любым "GPS в телефоне". Пригодные для этой технологии телефоны могут работать в стандартах CDMA, TDMA, AMPS-A, AMPS-B, N-AMPS, GSM, и в сети iDEN фирмы Motorola.

"Интегрирование" технологий

Пример системы позиционирования данного типа создала компания SnapTrack, Inc. Ее система объединяет GPS с инфраструктурой сети беспроводной связи и дает точность от 5 до 75 м (в среднем - 10-20 м).

Разработанная архитектура тесно интегрирует возможности "GPS в телефоне" и сотовой сети. Технически система SnapTrack опирается на возможности системы GPS, но с существенным их расширением, путем распределения задачи обработки цифровых данных между запатентованными программными алгоритмами, исполняемыми процессором сотового телефона, и специализированным программным обеспечением, установленным на сервере системы. В итоге, если традиционные приемники GPS постоянно ведут обработку данных, то в системе SnapTrack он работает только непосредственно при определении положения. А конкретно, когда абонент запрашивает услугу определения местоположения, его терминал, оборудованный системой SnapTrack, принимает пакет данных GPS, обрабатывает его и передает полученную информацию на сервер системы. Сервер вычисляет долготу и широту и осуществляет целый ряд процедур для достижения более высокой точности определений путем использования дифференциального режима работы и учета большого числа поправок, снижающих влияние многолучевости и других искажений сигналов.

Созданный SnapTrack режим использования GPS имеет еще несколько существенных преимуществ:

- более высокая надежность: благодаря запатентованному методу получения крайне высокой чувствительности GPS приемника, система SnapTrack может эксплуатироваться фактически всюду, где используются мобильные телефоны, в том числе, и в условиях, где спутниковые сигналы заметно ослабляются; в экспериментах, проведенных в Европе, США и Японии, система SnapTrack точно позиционировала абонентов в небоскребах деловой части города, на местности, покрытой лесом, в "каньонах" современных жилых массивов, внутри зданий и в движущихся автомобилях;

- меньшее время определения местоположения абонента и получения первого отсчета, составляющее всего несколько секунд, а также радикальное снижение потребляемой мощности за счет того, что технология SnapTrack не требует непрерывного отслеживания приемником сигналов спутников - "кадр" GPS-информации берется без предварительной подготовки и непосредственно только при определении положения, в остальное время приемник GPS не используется;

- меньшая стоимость мобильного оборудования - совместное использование схемотехнических и программных решений, реализованных на телефонном процессоре обработки цифровых сигналов (DSP), предъявляет меньшие требования к аппаратным средствам, чем стандартная GPS-технология; стоимость узлов, добавляемых в цифровой радиотелефон, составляет не более $5-10 и может быть еще снижена при массовом производстве.

SnapTrack обладает и еще одним преимуществом, весьма привлекательным для операторов. Система не требует установки никаких новых станций в сети или модернизирования ее оборудования. Но главное, за счет разделения функций, реализующих определение координат, между сотовыми телефонами и сетью, вычислительная мощность и производительность системы автоматически растут по мере подключения к ней новых специализированных телефонов. При других технологиях оператору сразу приходится нести заметные расходы на развертывание полноформатной системы позиционирования.

В целях внедрения своей системы компания SnapTrack, Inc. вступила в союз с фирмой Motorola, намеренной включить аппаратную часть SnapTrack в свой набор СБИС для мобильных телефонов. Кроме этого, поскольку SnapTrack может работать с любым радиоинтерфейсом, системой могут пользоваться и абоненты сетей GSM. Для анализа целесообразности такого решения, международный консорциум операторов и поставщиков оборудования GSM в 1999 г. приступил к оценке системы позиционирования SnapTrack.

О намерении совместной разработки своего варианта интегрированной "GPS-телефонной" технологии позиционирования объявили и компании Qualcomm Inc. и Lucent Technologies Inc. Ожидается, что их решение сможет обеспечить позиционирование вне помещений с погрешностью 4,5 м, а в помещениях - около 30 м.

Еще одна компания, работающая в данной области, SiRF Technology Inc., сообщила, что ей удалось полностью реализовать функции GPS-чипа в стандартном процессоре мобильного телефона. Телефоны, изготавливаемые по этой технологии, намерена выпускать компания Ericsson.

Что это в итоге даст?

"Плюсы"

Технология позиционирования уже рассматривается, не только как средство для создания систем обеспечения большей безопасности для абонентов сотовых систем, но и как возможность оказания целого ряда дополнительных услуг, основанных на знании местоположения абонента.

Согласно прогнозу консалтинговой фирмы Renaissance Strategy из Бостона, рынок услуг, связанных с определением местонахождения абонента, будет к 2003 г. приносить операторам сетей доходы в размере до $500 млн., а эксперты исследовательского центра Ovum оценивают рынок навигационных сервисов даже в $9,75 млрд. при 376 млн. абонентов к 2005 году.

Наиболее перспективными областями применения информацию о местонахождении сегодня признаны направления обеспечения безопасности, создание систем управления автотранспортом, персоналом и информационные сервисы. Навигационные сервисы прекрасно помогут ориентироваться на незнакомой местности, а специальная служба, располагающая информацией о местоположении абонента, поможет добраться до пункта назначения, "на ходу" подправляя действия "подопечного". Незаменимы они и для обеспечения личной безопасности - сигнал тревоги, поступивший с мобильного телефона в соответствующие службы, уже не будет нуждаться в дополнительных комментариях относительно местоположения потерпевшего.

Еще один пример применения результатов новой технологии нашла компания U.S.Wireless, реализовавшая его в своей системе RadioCamera. Знание текущего местоположения позволяет отслеживать перемещения мобильных телефонов и, как надеются изобретатели, это позволит оперативно находить места пробок автомобилей. Позиционируя каждый отдельный телефон оператор может определить место, скорость и направление движения. Если скорость "потока" составляет 5-10 километров в час - значит, там пробка, а если же телефон стоит на месте - возможно, там авария. Таким образом, оператор получает возможность оповестить желающих о том, что у них на пути возможен затор.

Информация о местоположении абонентов может быть основой для оказания целого ряда услуг для получения пользователем ответов на вопросы типа "Где я?", "Где ближайший?", "Как добраться до места назначения на машине, общественном транспорте или пешком?". Это могут быть и информационные службы для корпоративных клиентов, нацеленные на управление перемещениями ремонтных бригад, коммивояжеров, транспорта и т. п.

Симбиоз услуг мобильной связи и определения места открывает массу возможностей для маркетинга и рекламы: телефон может сообщать пользователю о ближайших ресторанах, заправочных станциях, гостиницах и пр., быть незаменимым для родителей, которые с его помощью всегда будут знать, где находятся их дети, и даже помогать отслеживать украденные автомашины или портативные компьютеры.

Другими словами, приход в индустрию мобильной связи новой экономичной технологии под названием "wireless geolocation" ("беспроводное геопозиционирование") ведет не просто к получению новой информации, а создает основу для перехода на качественно другой уровень обслуживания пользователей радиотелефонов.


"Минусы"

Позиционирование телефонов развивается такими темпами, что это уже начинает вызывать тревогу всех, кому небезразлична "тайна личной жизни". Эксперты отмечают возможность двойного назначения подобных технологий, ведь теоретически можно отследить необходимого владельца мобильника, а это уже начало вторжения в личную жизнь. Тем более, что способы определения положения, основанные на использовании только оборудования сети, могут выдавать данные непрерывно и без всякого уведомления абонента или его разрешения. Многие "силовые структуры" могли только мечтать о столь удобном способе наблюдения за перемещениями владельцев мобильных телефонов - раньше подобные средства стоили довольно дорого и не поддерживались в качестве стандартных функций.

Беспокойство пользователей по поводу возможного отслеживания их перемещений привело к тому, что CPS уже ввела в свою систему позиционирования Cursor опцию отключения системы по желанию клиента. Аналогичная возможность предусмотрена и у Cellpoint Systems. В системе SnapTrack также реализована защита "персональной секретности" при определении положения - пользователь может инициировать этот процесс только набором номера "911" или по специальному требованию. Без такого прямого запроса пользователя никакая информация о расположении телефоном вообще не генерируется.

Заключение

Данный краткий обзор различных аспектов нового направления развития средств беспроводной связи, конечно, охватил далеко не все стороны этого бурно развивающегося процесса. Среди технических вопросов, здесь, в частности, не нашли отражения, уже объективно существующие в самом порядке работы оборудования, предпосылки для определения дистанций по результатам работы канала синхронизации систем стандарта GSM или на основе функционирования, имеющейся в оборудовании стандарта CDMA, подсистемы точного управления мощностью передатчиков радиотелефонов.

Непрерывно расширяется и ряд разрабатываемых систем. Так например, уже в феврале этого года на Конгрессе GSM в Каннах, фирмой Alcatel была продемонстрирована еще одна система позиционирования сотовых телефонов, обеспечивающая точность около 150 м. О разработке системы позиционирования мобильных телефонов сообщила и Nippon Telegraph and Telephone (NTT). Другими словами, уже весь мир уделяет большое внимание проведению работ в этом направлении.

Когда подобные системы появятся в России пока говорить трудно, но их актуальность для нашей страны, с ее огромной территорией, не вызывает сомнений.


Статья подготовлена на основании материалов, опубликованных фирмами-разработчиками в сети Internet
С автором можно связаться по E-mail: sia@mail.ru

Статья была опубликована в газете Северо-Западный Телеком (Санкт-Петербург), 3(11), 2000 г.

Технологии определения местоположения

 (фрагмент статьи Шона Харгрейва, Mobile Communications International / RE , 7-2000)

Существуют три основные соперничающие технологии. Каждая из них имеет несколько вариантов, но общие принципы, лежащие в основе этих трех технологий, четко различаются.

Метод времени прибытия

Как говорит само его название, метод времени прибытия (Time of Arrival - TOA) основан на измерении интервалов времени, за которые сигнал мобильного телефона доходит до нескольких (не менее 3-х) базовых станций, оснащенных блоками определения местоположения (Location Measurement Unit, LMU). 

Компьютер сети может по этим временам прибытия определить время прохождения сигнала до соответствующих базовых станций и затем с помощью алгоритма триангуляции рассчитать местоположение пользователя. Процесс запускается пользователем, включающим свой мобильный телефон. Сеть выполняет необходимые расчеты и передает пользователю на мобильный телефон сведения о его местоположении.  

Такая система обладает хорошей точностью, но требует огромных затрат на оснащение блоками LMU почти всех базовых станций. Кроме того, сеть необходимо "понуждать", чтобы она подключала к слушанию телефона, запрашивающего свои координаты, соты, соседствующие с той, которая нормально обслуживает зону его текущего местоположения.

Далее, для обеспечения требуемой точности необходимо синхронизировать внутренние часы сети с помощью системы GPS, что также требует больших затрат.

Метод разности времен

Метод разности времен (Observed Time Difference, OTD) в значительной степени подобен методу ТОА, хотя в нем мобильный телефон ишрает более активную роль, что снижает вложения в сеть, необходимые для реализации метода. Принцип метода несложен. Телефон измеряет время прохождения сигнала до него от одной базовой станции, оснащенной блоком LMU, и сравнивает его с соответствующими временами, не менее, чем еще для двух таких станций.

Расстояния между базовыми станциями известны, что позволяет определить и расстояния от каждой из них до сотового телефона, а следовательно, и определить его местоположение. 

Все сложные высчисления выполняет имеющийся в сети центр локализации мобильных телефонов (Mobile Location Center, MLC), что освобождает телефон от обработки слишком больших объемов данных, которая может перегрузить его небольшую память и требует значительного потребления энергии от батареи питания. 

Преимущество этой системы состоит в том, что она позволяет обойтись меньшим числом LMU (всего примерно лишь для четверти базовых станций), что значительно уменьшает затраты на ее реализацию. Кроме того, эту систему не нужно "понуждать" давать команду базовым станциям слушать мобильные телефоны, не находящиеся непосредственно в их зонах действия. Вместо этого телефон, который и так всегда слушает другие сайты сотовой связи, чтобы не потерять связь при перемещении из одной сотвы в другую, делает то, что он и должен делать в первую очередь.

Кроме того, в данном случае не нужна и дорогая спутниковая система для синхронизации часов в сети LMU. Поскольку известны расстояния между LMU в сети и времена прохождения сигнала от мобильного телефона до различных LMU и обратно, уравнение, для определения местоположения решается однозначно.

Поскольку телефон сам собирает данные и передает их поставщику услуг определения местоположения, освобождая сеть от этой работы, затраты на реализацию системы намного уменьшаются без ущерба для точности.

Метод локализации при помощи GPS (Assisted GPS, A-GPS).

Некоторые компании идут по пути развития средств локализации на базе глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Эта технология уже широко применяется моряками и альпинистами, которым знать свое местоположение нужно для обеспечения безопасности или в навигационных целях.

GPS - это сеть американских военных спутников Navstar, которые предназначены, помимо прочего, для наведения корабельных ракет на цели. Пентагон разрешил использовать эти спутники и для коммерческих целей, хотя настаивает на том, что коммерческие пользователи должны получать данные существенно меньшей точности, чем военные. Утверждается, что военные способны определять местоположение с точностью до 10 м. Гражданские потребители борются за то, чтобы им было позволено получать данные сравнимой точности.

Многие телекоммуникационные компании рассматривают вариант встраивания GPS-приемников в мобильные телефоны, чтобы те могли принимать сигналы от ряда спутников, и по этим сигналам вычислять свое местоположение. Преимущества такого подхода очевидны: спутники уже летают, а существенной модернизации беспроводной сети не потребуется.

Однако пользователям придется приобретать новые мобильные телефоны совершенно иного типа - со встроенными GPS-приемниками и антенной.

Таким образом, использование технологии A-GPS потребует дополнительных расходов потребителей. При этом остается неясным насколько большим окажется мобильный телефон со встроенным GPS-приемником и как скажется работа этого приемника и проведение необходимых расчетов на времени работы телефона без подзарядки батареи. Нахождение трех или более спутников системы GPS, измерение времени прохождения сигналов от каждого из них до телефона и проведение сложных вычислений может потребовать значительного расхода энергии от батареи. Сложность расчетов обусловливается в данном случае тем, что Земля вращается относительно геостационарных спутников, и это вращение необходимо учитывать. 

Еще одним недостатком технологии A-GPS является то, что она может работать лишь тогда, когда в пределах прямой видимости от мобильного телефона находится не менее трех спутников системы GPS. Это значит, что в местах, где нет прямой видимости спутников из-за высоких зданий, система может работать недостаточно четко. Еще труднее телефону будет "увидеть" три спутника, когда он находится в здании, особенно вдали от высокого окна.

Однако в модели A-GPS сеть может оказать мобильному телефону помощь, указав ему, какие именно спутники следует искать. Кроме того, для уменьшения потребления энергии от батареи мобильного телефона можно передавать данные спутниковых измерений в сеть и возложить выполнение необходимых расчетов на нее. 

Тем не менее для расчетов потребуется время, а новые мобильные телефоны со встроенными GPS-приемниками почти наверняка будут потреблять больше энергии, чем нынешние.

 (фрагмент статьи Шона Харгрейва, Mobile Communications International / RE , 7-2000)

К архиву новостей, посвященных позиционированию
К материалам о применениях систем позиционирования

К Библиотеке СОТОВИК