Бурное развитие систем мобильной связи предложило новые варианты решения проблем местоопределения за счет интеграции технологий сотовой связи и AVL-систем.
Предпосылки создания новых технологий
С одной стороны, при построении диспетчерских AVL-систем, с помощью которых осуществляется централизованный контроль за местоположением и перемещением подвижных объектов в определенной зоне, одну из наиболее сложных проблем представляет организация надежного канала связи между контролируемыми объектами и диспетчерским центром.
Построение специальной сети радиосвязи для системы местоопределения – весьма дорогое удовольствие, которое может быть экономически оправданным только в случае небольших зон, т.к. затраты на создание инфраструктуры сети растут прямо пропорционально размерам территории и количеству контролируемых объектов. Наибольший же интерес представляет создание крупных систем местоопределения, зона действия которых охватывает какой-либо город или регион, а число контролируемых объектов может расширяться в широких пределах.
Поэтому использование в качестве транспортной среды каналов систем сотовой связи с уже реализованной инфраструктурой сети позволяет наиболее оптимально с экономической точки зрения решить данную проблему. Кроме того, сотовые сети поддерживают высокую интенсивность связи и имеют широкую зону охвата.
С другой стороны, заложенные в основу различных стандартов сотовой связи технические принципы их построения, способность расширения функциональных возможностей сотовых телефонов и базовых станций, возможности модификации программного обеспечения центрового оборудования создают предпосылки для реализации AVL-систем на новых технических принципах. Например, для определения координат местонахождения абонента сотовых систем можно использовать результаты работы канала синхронизации систем стандарта GSM или данные, получаемые от имеющейся в оборудовании стандарта CDMA подсистемы точного управления мощностью передатчиков радиотелефонов.
Очевидно, понимая преимущества интеграции технологий и открывающимся на ее основе возможностям, Федеральная комиссия по электросвязи США приняла 12 июня 1996 г. постановление (документ 94-102) об обязательном оснащении служб экстренной помощи системами местоопределения подвижных объектов и определила технические требования к таким системам. Согласно этому распоряжению к октябрю 2001 г. все операторы сетей мобильной связи должны обеспечить свои сети средствами определения местоположения абонентов, позвонивших по телефону службы спасения 911. При этом точность местоопределения должна быть не хуже 410 футов (около125 м) в 67 % случаев. Распоряжение Федеральной комиссии по электросвязи США дало мощный стимул для компаний, занимающихся разработкой систем местоопределения и желающих внедриться на американский рынок.
Позднее, 15 сентября 1999 г., Федеральная комиссия утвердила новые требования к предоставлению абонентам сотовых сетей услуг службы спасения. В соответствии с этими требованиями специализированные мобильные телефоны с функцией определения положения должны обеспечивать среднеквадратическую погрешность определения местоположения не хуже 50 метров (для 67% вызовов), а максимальную – не более 150 м (для 95% вызовов). Операторы сетей сотовой связи должны обеспечить выполнение этих требований к 2005 г.
Подобные решения могут быть приняты в ближайшее время и Европейской комиссией по связи.
Технологии местоопределения в сетях сотовой связи
Решение задачи местоопределения радиотелефонов в сетях сотовой связи началось с простейшего метода, который получил название Cell ID. Это метод базируется на определении местоположения абонента с точностью до соты путем фиксации базовой станцией сигнала радиотелефона, а при приеме несколькими станциями – определения максимальной амплитуды сигнала. Территория, в которой может находиться абонент, может быть уточнена, если используются секторные антенны. В этом случае, при приеме сигнала несколькими базовыми станциями грубо вычисляются направления его прихода. Погрешность местонахождения таким способом достаточно низка и может доходить до 30 км.
Поэтому большинство существующих предложений систем местоопределения на основе сотовых сетей базируется на трех более современных конкурирующих технологиях:
- технологии времени прибытия TOA (Time of Arrival), основанной на измерении и сравнении интервалов времени прохождения сигнала от мобильного телефона абонента до нескольких базовых станций;
- технологии разности времен OTD (Observed Time Difference), основанной на измерении и сравнении интервалов времени прохождения сигналов от нескольких базовых станций до мобильного телефона абонента;
- технологии совмещения сотовых телефонов с приемниками спутниковой радионавигации A-GPS (Assisted Global Positioning System), основанной на встраивании GPS-приемников в мобильные телефоны.
Две первые из перечисленных технологий используют так называемый разностно-дальномерный принцип позиционирования и отличаются местом измерения интервалов прохождения сигнала (или на базовых станциях, или в самом мобильном телефоне). Основные принципы, положенные в основу каждой из технологий, достигаемая точность, достоинства и недостатки методов приведены в таблице 1.
Технология TOA
При точно известном моменте времени приема сигнала сотового телефона возможно вычисление расстояния от абонента до антенны базовой станции. Однако в случае измерения интервала времени прохождения сигнала одной базовой станцией для определения расстояния требуется жесткая синхронизация работы всех элементов системы с точностью до долей мимкросекунды, что практически неприемлемо для существующих сетей сотовой связи.
Поэтому более просто реализуется требующий менее жесткой синхронизации метод местоопределения абонента сети сотовой связи по разности моментов времени прихода сигнала радиотелефона в трех или более различных базовых станциях. В ряде источников эту модификацию технологии TOA обозначают как TDOA (Time Difference of Arrival).
Базовые станции, принимающие сигнал радиотелефона, должны быть оснащены блоками определения местоположения LMU (Location Measurement Unit). По различию времени поступления сигнала управляющим компьютером сети сотовой связи с помощью алгоритма, который называется триангуляционным, рассчитывается местоположения передатчика. Процесс позиционирования инициируется абонентом и заканчивается передачей абоненту данных о месте его нахождения.
При использовании технологии TOA достигается достаточно высокая точность местоопределения, которая зависит от ширины полосы частот сигнала, точности синхронизации и среды распространения сигнала. Расчетные данные показывают возможность определения местоположения абонентов сотовых сетей с точностью до 125 м без модификации радиотелефонов. Дальнейшее повышение точности может быть достигнуто при изменении аппаратных и программных ресурсов сотовых телефонов.
К недостаткам данной технологии относится необходимость оснащения практически всех базовых станций блоками LMU, что требует больших затрат на модификацию инфраструктуры сети сотовой связи. Для обеспечения высокой точности необходима синхронизация работы этих блоков в пределах всей сети, что обычно приводит к использованию в составе каждого блока приемника GPS. Программное обеспечение сети также должно быть подвергнуто серьезной модификации для обеспечения приема сигнала сотового телефона не менее чем тремя базовыми станциями.
Технология OTD
Гораздо меньших затрат в модификацию инфраструктуры сети требует технология OTD, при использовании которой измерение времен прибытия сигнала производятся не базовыми станциями, а самим радиотелефоном.
Управляющий контроллер сотового телефона измеряет время прохождения сигнала от нескольких базовых станций, одна из которых оснащена блоком LMU. Для получения информации о своем местоположении абонент совершает звонок, при котором его телефон до установки речевого соединения посылает специальное короткое сообщение. Данное сообщение включает информацию о временах получения сигналов, непрерывно транслируемых базовыми станциями при нормальной работе сети.
Получив сообщение от телефона, специальный центр мобильной локализации MLC (Mobile Location Centre) производит необходимые вычисления для расчета местоположения, после чего пакет данных с координатами места нахождения абонента пересылается на сотовый телефон. Весь процесс, как правило, занимает не более нескольких секунд.
По сравнению с методом TDOA технология OTD требует меньшего количества LMU, ориентировочно достаточно одного модуля на четыре базовые станции. Модули могут входить в состав базовых станций или размещаться отдельно.
Другим преимуществом является отсутствие необходимости жесткой временной синхронизации работы модулей LMU, т.к. в данном случае известны расстояния между LMU и интервалы времени прохождения сигнала от базовых станций до телефона. Система позиционирования может быть обучаемой, теоретически все возможные положения абонентов на конкретной территории с определенной точностью могут быть вычислены и занесены в базу данных, хранящуюся в памяти центра мобильной локализации.
Вместе с тем, технология OTD требует изменения программного обеспечения мобильных радиотелефонов, что создает неудобства для пользователей, т.к. им придется либо нести свои аппараты в сервисные центры для модификации программного обеспечения (если это еще и возможно!), либо покупать новые модели сотовых телефонов.
Технология A-GPS
Многие компании, разрабатывающие системы местоопределения подвижных объектов, идут по пути интеграции сотовой связи с глобальной системой спутниковой радионавигации – GPS. Для этого GPS-приемники встраиваются в мобильные телефоны, а при реализации централизованной диспетчерской системы контроля за подвижными объектами информация о местоположении абонентов передается по каналам сотовых систем в виде специальных или стандартных коротких сообщений.
Некоторые компании уже начали производство сотовых радиотелефонов с встроенными GPS-приемниками. Подобные модели были представлены на выставке “Связь-Экспокомм-2001” финской фирмой Benefon, продемонстрировавшей два варианта сотовых телефонов, совмещенных с GPS-приемниками: профессиональный телематический телефон Benefon Track Pro и персональный навигационный телефон Benefon Esc .
К несомненным достоинствам подобных систем относится высокая точность местоопределения и глобальное покрытие. После снятия ограничений на точность определения местоположения с помощью системы GPS гражданские потребители имеют возможность узнать координаты своего местонахождения с точностью до 10 м. При этом определение местоположения может производиться и вне зоны действия сети сотовой связи.
При внедрении данной технологии инфраструктура сети сотовой связи затрагивается только в части программного обеспечения, установка дополнительных аппаратных модулей на базовых станциях или в центре коммутации не требуется, а спутниковая группировка уже находится на орбите.
Однако для пользователей переход к технологии A-GPS будет означать существенные дополнительные расходы, т.к. необходима замена сотового телефона. При этом очевидно, что встраивание GPS-приемников в телефоны будет увеличивать их габариты, вес и энергопотребление. По крайней мере, в первые годы выпуска подобные модели будут стоить заметно дороже обычных мобильных телефонов.
Стоит упомянуть и о недостатках, присущих глобальной системе позиционирования GPS.
Во-первых, несмотря на глобальность покрытия, определение координат производится только при прямой видимости GPS-приемником не менее трех спутников. Поэтому определение местоположения зачастую невозможно в закрытых помещениях, низинах, в условиях плотной городской застройки или под плотной листвой.
Во-вторых, GPS-приемники требуют большого времени на начальную установку, для приведения приемника в состояние готовности и получения первого отсчета после включения питания может потребоваться 30 – 90 секунд, а в некоторых случаях и больше.
Следует, правда, отметить, что данные недостатки могут частично компенсироваться за счет интеграции с системой сотовой связи: сеть может “подсказывать” недостающую информацию для определения местоположения или инициализации, а также “брать на себя” часть необходимых сложных вычислений для снижения энергопотребления.
Таблица 1.Сравнение технологий местоопределения абонентов
Конкуренция рассмотренных выше технологий позиционирования подвижных объектов в сетях сотовой связи не привела пока к выбору единого подхода или метода. Тем более, что в конкретных системах местоопределения базовые технологии нередко подвергаются определенной модификации за счет совмещения нескольких технологий или добавления элементов других технологий местоопределения, например, угломерных систем. В этом случае, для повышения точности определения местоположения рассчитываются направления прихода сигналов сотовых телефонов. Один из примеров, когда угломерные системы позволяют существенно улучшить точность позиционирования, – это загородные трассы, где базовые станции часто находятся на одной линии вдоль дороги. Подобное расположение ячеек сотовой сети неудобно как для угломерных, так и для разностно-дальномерных систем. Однако комбинация этих технологий позволяет осуществлять точное местоопределение.
Для использования угломерных методов позиционирования на базовых станциях сети устанавливаются фазированные антенные решетки, а пеленгование источника сигнала осуществляется без внесения каких-либо модификаций в абонентское оборудование.