Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема позиционирования абонентских станций в сетях мобильной связи GSM/UMTS 13
1.1. Введение в проблему позиционирования. Термины и определения 13
1.2. Структура сети мобильной связи GSM/UMTS с поддержкой функции позиционирования 17
1.3. Классификация технологий позиционирования в сетях мобильной связи
1.3.1. Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта GSM 27
1.3.2. Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта UMTS 37
1.3.3. Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта GSM/UMTS 47
1.3.4. Сравнительный анализ технологий позиционирования в сетях мобильной связи 58
1.4. Постановка задач исследования 61
ГЛАВА 2. Принципы функционирования сети мобильной связи и позиционирования. алгоритмы и процедуры 63
2.1. Постановка задачи 63
2.2. Структура сети мобильной связи и позиционирования. Принципы функционирования 64
2.3. Разработка частных алгоритмов работы и процедур функционирования сети мобильной связи и позиционирования J
2.3.1. Разработка алгоритма работы пеленгационной сети 66
2.3.2. Процедура определения сектора сети мобильной связи, в котором находится абонентская станция 69
2.3.3. Процедура определения списка измерительных пунктов, пеленгующих искомую абонентскую станцию 70
2.3.4. Алгоритмы перехода АС в режим работы в стандарте GSM 1800 71
2.3.5. Алгоритмы выхода абонентской станции на максимальную мощность передачи 79
2.3.6. Процедура позиционирования абонентской станции средствами
пеленгационной сети 87
Выводы 89
ГЛАВА 3. Методика построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами позиционирования 91
3.1. Постановка задачи 91
3.2. Построение пеленгационных кластеров 92
3.3. Оценка электромагнитной доступности АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети
3.4. Оценка точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи 112
3.5. Примеры построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами позиционирования 133
Выводы 141
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по повышению точности и вероятности позиционирования ас в зоне действия сети мобильной связи 143
4.1. Постановка задачи 143
4.2. Компенсация влияния многолучевого распространения радиоволн 147
4.3. Использование данных сети мобильной связи 158
4.4. Применение мобильных измерительных пунктов 167
4.5. Результаты экспериментальных исследований
4.5.1. Экспериментальные исследования, позволяющие оценить точность позиционирования АС с помощью метода Cell-ID 172
4.5.2. Оценка корректности и эффективности разработанной методики с использованием специализированного программного
комплекса OnePlan RPLS Peleng 179
Выводы 191
Заключение 193
Список используемых источников 195
Приложения
- Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта UMTS
- Процедура определения сектора сети мобильной связи, в котором находится абонентская станция
- Оценка электромагнитной доступности АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети
- Использование данных сети мобильной связи
Введение к работе
Актуальность работы. С развитием телекоммуникационной отрасли, разработкой и внедрением новых стандартов связи и безопасности возникает необходимость предоставления точных данных о местоположении абонентских станций для оказания пользователям сетей мобильной связи навигационных услуг, помощи при авариях, обеспечения их безопасности, а также для использования в системе оперативно-розыскных мероприятий (СОРМ). При этом требуется высокая точность определения географических координат абонентских станций (АС) и их однозначная привязка к цифровой карте местности. Сейчас операторы мобильной связи не обеспечивают высокой точности позиционирования абонентских станций, что существенно затрудняет решение вышеуказанных задач.
Спутниковые системы позиционирования обладают более высокой точностью позиционирования абонентских станций, но им, в свою очередь, свойственны следующие серьезные недостатки, существенно ограничивающие область их применения:
усложнение абонентского и базового оборудования сотовых сетей мобильной связи;
зависимость точности позиционирования от морфоструктуры местности;
повышение энергопотребления АС;
ощутимые временные задержки при оценке местоположения («холодный старт»);
отсутствие возможности активировать функцию позиционирования со стороны сети, что зачастую бывает необходимо в экстренных ситуациях;
зависимость от состояния глобальной космической группировки и воли ее владельцев;
- слабая помехозащищённость, особенно от преднамеренных радиопомех.
В связи с этим необходима разработка и внедрение новых подходов без
применения спутниковых систем позиционирования. Приведенные факты являются предпосылкой для внедрения комплексных решений задачи точного позиционирования абонентских станций, поэтому решение на основе совместно функционирующих сетей мобильной связи и специальной пеленгационной сети представляется актуальным.
Объектом исследования является сеть мобильной связи и позиционирования, осуществляющая определение местоположение АС стандартов GSM-900/GSM-1800/UMTS.
Предметом исследования являются вопросы построения и функционирования сети мобильной связи и позиционирования.
Цель диссертационной работы состоит в повышении точности при решении задач позиционирования абонентских станций в сотовых сетях мобильной радиосвязи.
Научная задача заключается в разработке методики построения и процедур совместного функционирования сетей сотовой мобильной радиосвязи
и позиционирования, обеспечивающих требуемую точность определения местоположения абонентских станций.
Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории вероятности и статистики, теории распространения радиоволн, теории антенных решеток, методы математического и имитационного моделирования.
Достоверность полученных результатов обеспечена адекватным применением математических методов, корректностью постановок решаемых задач, вводимых допущений, ограничений и формулировок выводов, непротиворечивостью полученных результатов известным результатам предшествующих исследований, обсуждением полученных научных результатов на научно-технических конференциях, имитационным моделированием, публикацией основных результатов работы в периодических научных изданиях, проведением патентных исследований и получением патента на полезную модель, применением полученных рекомендаций для коммерческой сети GSM/UMTS ОАО «Мобильные ТелеСистемы» Филиал Макро-регион «Северо-Запад».
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты.
-
Предложена структура многодиапазонной сотовой сети мобильной связи и пеленгационной сети, обеспечивающая решение задач предоставления услуг мобильной связи в стандартах GSM/UMTS и позиционирования абонентских станций сети.
-
Разработан алгоритм функционирования сети мобильной связи и позиционирования в режиме пеленгации.
-
Разработана методика построения пеленгационной сети на основе пеленгационных кластеров.
-
Разработаны предложения по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи. В частности,
за счет априорных данных об идентификаторе соты (Cell-ID), в
котором находится АС, и данных о трассе распространения
радиоволн от Cell-ID до измерительных пунктов (ИП);
за счет применения мобильных измерительных пунктов (МИЛ).
Получен патент на полезную модель «Система определения
местоположения мобильных объектов».
Практическая ценность работы. Результаты проведенного исследования применимы для практических приложений при проектировании сетей позиционирования абонентских станций. Разработанные алгоритмы позволяют оценить структуру пеленгационной сети в зонах с различной электромагнитной доступностью. В связи с этим результаты работы могут быть использованы при построении начального приближения пеленгационной сети, оценке числа и параметров измерительных пунктов, необходимых для позиционирования абонентских станций на определенной территории с заданной погрешностью.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича и ОАО «Мобильные ТелеСистемы».
Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 61-й и 62-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010); II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010); IV Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, 2010); II Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2010); Международной научной школе для молодежи «Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий» (г. Санкт-Петербург, 2010); 7-й Международной молодежной НТК студентов, аспирантов и ученых «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2011» (г. Севастополь, 2011); 65-й НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ (г. Санкт-Петербург, 2011). Получен патент на полезную модель №93545 от 27.04.2010 «Система определения местоположения мобильных объектов».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименования, и приложений. Работа содержит 210 страниц текста, 93 рисунка и 32 таблицы.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Структура, алгоритм работы и процедуры функционирования сети мобильной связи и позиционирования.
-
Методика построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети.
-
Рекомендации по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи.
Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта UMTS
Распределение описанных выше функций клиента и сервера позиционирования по элементам структурной схемы сети GSM вариативно, многие функции могут реализовываться различными элементами сети. Это зависит от применяемой технологии позиционирования и выбранного варианта размещения сервисного центра SMLC.
Как отмечалось выше, отличия в архитектуре системы позиционирования сетей GSM и сетей UMTS обусловлены более выраженным в UMTS разделением опорной сети (Core Network) и сети доступа (Access Network), а также принципиальной возможностью различных реализаций сетей доступа.
При реализации систем позиционирования в сетях UMTS более остро встает проблема дефицита информации о местоположении АС. Предполагается, что многие сети UMTS обеспечивают зоны покрытия только на территории крупных населенных пунктов, поэтому для позиционирования предполагается использовать все доступные сигналы сети доступа, обслуживающей АС, а также сигналы других доступных для мобильной станции сетей. Например, если АС может работать в сети GSM, измерения сигналов сети GSM могут быть использованы для дополнения результатов радиоизмерений в UMTS [7]. Операторы действующих в одном районе сетей UMTS также могут заключать соглашения по обмену необходимой для позиционирования информацией.
По этим причинам реализация ряда функций системы позиционирования в UMTS должна быть перенесена в другие элементы сети. Структурная схема сети UMTS с поддержкой функций позиционирования приведена на рис. 1.2, где показано взаимодействие клиентов и серверов позиционирования опорной сети с сетью доступа. Принципиальным отличием от структуры сети GSM является окончательное закрепление функций сервисного центра определения местоположения (SMLC) за контроллером радиосети (Radio Network Controller, RNC) - аналогом контроллера базовой станции BSC в сети GSM. Операторы могут устанавливать дополнительные выделенные центры определения местоположения (Stand-Alone SMLC, SAS). Кроме того, GMLC функционально более четко выделен в отдельный модуль. На рис. 1.2 также показано, что GMLC других сетей мобильной связи могут обращаться к сервисному узлу поддержки услуг GPRS (3G-SGSN) за необходимой для позиционирования информацией.
Структурная схема сети UMTS с поддержкой функций позиционирования. Штриховым контуром показан автономный SMLC (Stand-Alone SMLC, SAS)
Взаимодействие компонентов системы позиционирования опорной сети UMTS с компонентами сети доступа осуществляется по интерфейсу 1и. Взаимодействие компонентов системы позиционирования, связанных с контроллером радиосети, АС и с TMU типа А происходит по радиоинтерфейсу Uu. Для обеспечения взаимодействия GMLC и SMLC с другими элементами сетей UMTS партнерский проект 3GPP рекомендует применение тех же интерфейсов, что и в сетях GSM.
Применение центра сотового широковещания (Cell Broadcast center, СВС) для передач вспомогательных данных местоположения стандартизовано в [10, 11]. В спецификации [12] приведена структурная схема сети GSM/UMTS с поддержкой функции позиционирования (рис. 1.3), где HSS (Home Subscriber Server) - это сервер совмещающий функции HLR второго и третьего поколений (2G и 3G); GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) -GSM/EDGE сеть с радиодоступом; UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) - наземная сеть радиодоступа UMTS; MSC Server - MSC 3G; SGSN (Serving GPRS Support Node) - узел обслуживания абонентов GPRS; PPR (Privacy Profile Register) - регистр приватности профиля - предназначен для регулирования приватности; PMD (Pseudonym Mediation Device) - выполняет функции отображения или расшифровки используемого псевдонима в истинный идентификатор АС (в международный идентификатор мобильного оборудования - IMEI или телефонный номер абонента - MSISDN); OSA SCS (Open Service Architecture Service Capability Server) - открытая сервисная архитектура - сервер обеспечения возможности реализации услуг - одна из альтернатив внешнего клиента, который может получать информацию напрямую от GMLC [13-17]; LIMS-IWF (Location IP Multimedia Subsystem -Interworking Function) - Функция обеспечения межсетевого обмена для определения мультимедийной подсистемы на базе протокола IP -обеспечивает возможность маршрутизации запросов на позиционирование на основании публичного идентификатора AC IMS с помощью унифицированного индикатора ресурса для протокола инициации сеанса связи (Session Initiation Protocol- Uniform Resource Identifier , SIP-URI) [12]. Определяется
Позиционирование АС в сетях мобильной связи включает две функции, которые непосредственно касаются самого процесса получения координат: функцию измерения параметров сигнала при позиционировании (уровень сигнала, время приема сигнала) PSMF (Position Signal Measurement Function) и функцию вычисления координат позиционирования PCF (Positioning Calculation Function).
Многочисленные методы [18], предлагаемые отдельными компаниями для реализации этих функций, представленные к стандартизации, в общем можно классифицировать по тому, где измеряются параметры сигнала и осуществляется позиционирование АС. Выделяют следующие категории методов позиционирования (рис. 1.4) [7]:
На основе абонентской станции (Mobile Station - based): AC измеряет уровень сигнала и осуществляет позиционирование независимо от сети мобильной связи. К числу технологий позиционирования на базе АС относится измерение координат с помощью спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) или технология A-GPS (Assisted GPS). Причем, в случае A-GPS вспомогательные данные (дифференциальные поправки) могут поступать не через сеть мобильной связи, а через отдельные, вспомогательные передатчики сигналов GPS, установленные в зоне действия сети мобильной связи. Например, информация может передаваться вместе с данными в ансамбле сигналов цифрового аудиовещания (Digital Audio Broadcasting, DAB).
С поддержкой данных сети (Network - assisted): процесс позиционирования происходит главным образом в АС, однако АС получает поддержку от сети. Примером может служить технология A-GPS в том случае, когда от эталонного навигационного приемника на терминал через внешнюю наземную сеть поступают уточненные данные, позволяющие терминалу значительно повысить результаты измерений от созвездия спутников GPS. Другим примером служит технология определения наблюдаемой разности времени приема сигналов (Observed Time Difference of Arrival, OTDoA).
Процедура определения сектора сети мобильной связи, в котором находится абонентская станция
Затем в списке сот-кандидатов остаются только те, которые удовлетворяют условиям хэндовера. Уровень загрузки сот, принадлежащих одному КБС, контролируют при помощи параметра BtsLoadTreshold (0... 100%) и системы приоритетов HoLevPriority (0...7). При превышении загрузки соты-кандидата величины BtsLoadTreshold приоритет соты понижают на HoLoadFactor (0...7). Таким образом, список сот-кандидатов выстраивают в зависимости от степени их загрузки. После проверки загрузки сот-кандидатов КБС производит сравнение их приоритетов и выбирает соту с наивысшим приоритетом в качестве той, куда будет переведен вызов. Если в списке предпочтительных присутствует несколько сот с одинаково большим уровнем приоритета, КБС дополнительно сравнивает уровни принимаемых сигналов от этих сот и выбирает имеющую наибольший уровень сигнала.
Таким образом, по вышеописанному принципу предлагается на этапе проведения процедуры хэндовера формировать на КБС список лучших сот-кандидатов, состоящий из сот, принадлежащих стандарту GSM-1800, и, исходя из этого списка, выбирать соту с наивысшим приоритетом в качестве той, куда будет переведен вызов.
Межсетевой хэндовер UTRAN - GSM. Межсетевой хэндовер от наземной сети радиодоступа UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network, UTRAN) к сети GSM возможен при использовании услуг коммутации каналов (Circuit Switched, CS) [58]. Эта процедура (рис. 2.5) может использовать выделенные каналы (Dedicated Channel, DCH) и прямые каналы доступа (Forward Access Channe, FACH). AC определяет параметры соседней ячейки GSM [59] либо из сообщений широковещательного канала управления (Broadcast Control Channel, ВССН), информирующих о системе, либо из сообщения управления измерением, содержащегося в индивидуальном канале управления AC (Dedicated Control Channel, DCCH). Эти параметры необходимы для того, чтобы позволить измерить уровни целевых сот GSM. Основываясь на отчетах АС об измерениях радиосигналов, включая измерения GSM, RNC принимает решение о хэндовере. После того, как зарезервированы ресурсы от подсистемы базовых станций GSM (Base Station Subsystem, BSS), контроллер RNC передает сообщение «команда на хэндовер между системами», которое содержит команду на хэндовер для сети GSM. В этот момент протокол управления радиоресурсами GSM в АС передает сообщение «доступ к хэндоверу на GSM» в контроллер базовых станций (КБС). После успешного завершения процедуры хэндовера BSS GSM инициализирует освобождение ресурса из UTRAN, в результате чего будет разорвано радиосоединение и удалена вся контекстовая информация для рассматриваемой АС.
Межсетевой хэндовер GSM-UTRAN. В случае необходимости обратного межсетевого хэндовера GSM к UMTS на заключительном этапе позиционирования средствами пеленгационной сети рассмотрим данную процедуру (рис. 2.6). АС, работающая в дуальном режиме, принимает параметры соседней ячейки UTRAN в сообщении «информация о системе GSM», передаваемом либо в широковещательном канале ВССН, либо в низкоскоростном совмещенном канале управления (Slow Associated Control Channel, SACCH). Параметры, требуемые для измерения ячеек UTRA FDD, включают центральную частоту нисходящего канала или номер канала на номинальной радиочастоте UTRA (UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number, UARFCN), ширину полосы нисходящего канала, код скремблирования в нисходящем канале или группу кодов скремблирования для основного общего пилот-канала (Common Pilot CHannel, CPICH) и опорную разность по времени для ячейки UTRA (синхронизация между текущей ячейкой GSM и ячейкой UMTS, которая должна измеряться).
После получения сообщения АС об измерениях от GSM, включая измерения UTRA, и после принятия решения о хэндовере, КБС GSM начинает резервирование ресурсов от UTRAN RNC. На следующем этапе КБС GSM передает команду на межсистемный хэндовер GSM, включая добавленное сообщение UMTS «команда на хэндовер к UTRAN», которое содержит всю информацию, необходимую для установления соединения с ячейкой UTRA. Сообщение о хэндовере GSM (команда на межсистемный хэндовер) должно подгоняться к одному 23-х октетному блоку протокольных данных (Protocol Data Unit, PDU) на уровне канала передачи данных. Так как величина информации, которая может быть включена в команду на хэндовер к UTRAN, велика, то включается механизм предварительной конфигурации. Под предварительной конфигурацией понимают то, что в сообщение включаются только данные для предопределенного ряда параметров UTRA. АС завершает процедуру сообщением «хэндовер к UTRAN завершен» в RNC. После успешного завершения процедуры хэндовера RNC начинает освобождение ресурсов из BSS GSM.
Существует 2 типа процедуры реселекции соты [60]: нормальная процедура реселекции соты, когда АС проводит реселекцию автономно, а сеть влияет на процесс реселекции лишь посредством параметров, передаваемых на ВССН; прямое вмешательство сети в процесс реселекции соты. В этом случае сеть запрашивает у АС отчеты о результатах измерений, на их основании проводит выбор новой соты и посылает АС команду на переход в новую соту. При получении команды на переход в новую соту АС немедленно производит реселекцию соты.
При GPRS процедура реселекции соты может быть выполнена абонентской станцией при нахождении контекста управления мобильностью (MM Context) в состояниях STANDBY (ожидание) и READY (готов) [60].
Если в Packet Transfer Mode (состояние ММ-контекста READY) AC принимает решение о переходе в другую соту, то АС оставляет режим Packet Transfer Mode (режиме передачи пакетов), переходит в Packet Idle Mode (AC свободна), переключается на новую соту, принимает системную информацию этой соты, и после этого может возвратиться в Packet Transfer Mode в новой соте. Хэндовер при GPRS не выполняют. В состоянии ММ-контекста IDLE (свободен) АС с точки зрения радиоросурса является недоступной и не поддерживает ни Packet Idle Mode, ни Packet Transfer Mode. Исходя из спецификации [61], во время нахождения АС в режиме Packet transfer mode со стороны сети существует возможность отправить управляющее сообщение PACKET CELL CHANGE ORDER, которое содержит: характеристики новой соты, на которую необходимо перейти (код идентификации базовой станции (BSIC) + ВССН); команду IMMEDIATE_REL, которая указывает АС немедленно изменить соту. При этой процедуре предполагается разрыв временного потока блоков (Temporary Block Flow, TBF) и выполнение процедуры аналогичной обычному процессу реселекции соты.
Для UMTS в состоянии Idle mode АС, также как в GSM, производит анализ сот в соответствие с критерием реселекции (reselection criteria) [62, 63], который сравнивает принимаемый уровень сигнала общего пилотного канала (Common Pilot CHannel, CPICH) обслуживающей соты UMTS со средним принимаемым уровнем сигнала (Received signal Level Averaged, RLA) сот стандарта GSM. Если в течение определенного промежутка времени {Tres election) будет выполняться одно из условий (2.3) или (2.4), то АС выберет соту стандарта GSM [64].
Оценка электромагнитной доступности АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети
Поясним разработанную выше методику построения пеленгационной сети на конкретных примерах. При этом оценим необходимое число ИП и получаемую при этом погрешность позиционирования.
В условиях крупного города. Произведем расчет необходимого числа ИП для г. Санкт-Петербург. С этой целью оценим плотность расположения БС в центре крупного города и на его окраинах. Площадь рассматриваемой территории ограничим круговой автодорогой (КАД).
Анализ данных действующего оператора мобильной связи в г. Санкт-Петербург (рис. 3.29) показывает, что наибольшая плотность БС находится в Центральном, Петроградском, Василеостровском и Адмиралтейском районах, где среднее расстояние между БС составляет 600 метров. Из формулы (3.8) получим значение Ако где J=4500 метров - это максимальное расстояние электромагнитной доступности АС средствами пеленгационной сети в условиях центра крупного города (табл. 3.2). В остальных районах Санкт-Петербурга в пределах КАД среднее расстояние между БС составляет 1000 метров. В этом случае значение Ак0 составит: - d 4500 = ко S2R, 5,2-333 Исходя из табл. 3.1, получим параметры пеленгационного кластера для рассматриваемых районов г. Санкт-Петербург. Полученные значения сведены в табл. 3.8, в которой Rt - радиус соты, Rp - радиус зоны пеленгации, М - число секторов сети мобильной связи, входящих в зону пеленгации, d - расстояние между ИП; к - отношение числа ИП к числу БС. 134 Таблица 3.8. Параметры пеленгационного кластера с трехсекторными ФАР для г. Санкт-Петербург Район Расстояниемежду БС,И КоличествоБСврайоне Дім Ri,M Rp.KM сі, км М к ЦентральныйПетроградскийВасилеостровкийАдмиралтейский 600 300 4 200 2,4 4,2 144 1/48
Таким образом, произведенные расчеты показывают, что в Центральном, Петроградском, Василеостровском и Адмиралтейском районах г. Санкт-Петербург вместе взятых нужно установить, по крайней мере, 300/48=7 ИП. На оставшейся территории г. Санкт-Петербург, ограниченной КАД, необходимо 500/12=42 ИП. Итак, в общей сложности для покрытия пеленгационной сетью г. Санкт-Петербург необходимо установить не менее 49 ИП.
Исходя из данных табл. 3.7 рассчитаем погрешность позиционирования АС для г. Санкт-Петербург. Данные по погрешности позиционирования в зависимости от СКО пеленга и расстояния между ИП приведены в табл. 3.9.
Например, при СКО оа = 1 при d = 4,2 км погрешность позиционирования составит 73 и 63 метра с вероятностью 90 и 67% соответственно. Для случаев оа = 1 при d = 3,5 км погрешность позиционирования составит 61 и 53 метра с вероятностью 90 и 67% соответственно.
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при расположении ИП на 4-ом кольце окружения, необходимо задействовать наименьшее число ИП, но при этом погрешность позиционирования будет довольно высокой: в 5 раз больше погрешности спутниковой системы позиционирования и лишь в 6 раз меньше погрешности позиционирования средствами мобильной сети связи (при R[ =200 метров, что соответствует расстоянию между БС 600 метров).
В случае применения ИП на первом кольце окружения получаем погрешность позиционирования близкую к спутниковым системам позиционирования. Но данная топология является избыточной, поскольку приемлемую точность обеспечивают ИП, расположенные во втором кольце окружения.
В условиях среднего города. По данным действующего оператора мобильной связи расстояние между БС в среднем городе составляет 1000 -1500 метров (рис. 3.30).
В условиях сельской местности. По данным действующего оператора мобильной связи расстояние между БС в сельской местности может варьироваться от единиц километров и достигать 35 км. Более того, на территории возможны белые пятна, где установка БС по тем или иным причинам не целесообразна. Данный фактор будет сказываться на электромагнитной доступности АС средствами пеленгационной сети и, как следствие, на точности и возможности позиционирования АС в целом.
В качестве примера расположения БС в сельской местности рассмотрим БС, расположенные в Бежаницком и Новоржевском районах Псковской области (рис. 3.31). Возьмем наиболее удаленные друг от друга БС. Расстояние между ними составляет 27,4; 23,5; 35 км.
Стандарт GSM имеет максимальную дальность связи 35 км. Следовательно, для устойчивой пеленгации АС на территории сельской местности в точках расположения БС должны быть развернуты ИП, что соответствует нулевому кольцу окружения, которое было описано в п.3.2. Как было показано в табл. 3.2, ИП обеспечивает пеленгацию на расстоянии 35 км. Следовательно, исходя из данных, приведенных в табл. 3.7, произведем расчет погрешности позиционирования для d=35 км (табл. 3.12).
Таким образом, на сети мобильной связи возможна разнообразная сетевая топология, в которой БС могут располагаться на различных расстояниях друг от друга. В связи с этим приведем обобщенную табл. 3.14, в которой показана погрешность позиционирования в зависимости от СКО пеленга, расстояния между ИП и топологии местности [70]. В табл. 3.14 r0i9 и r0.67 - погрешность позиционирования с вероятностью 90% и 67% соответственно, d - расстояние между ИП, і?; - радиус соты, АКО - порядок кольца окружения, са- СКО пеленга.
Из табл. 3.14 видно, что погрешность позиционирования АС зависит от расстояния между ИП и СКО приемной ФАР. Соответственно, чем выше плотность размещения ИП на территории, тем выше точность позиционирования АС.
В данной главе решалась задача разработки методики построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами позиционирования, в результате чего были разработаны семейства пеленгационных кластеров, привязанных к структуре сети мобильной связи. Выявлено, что по количеству требуемых ИП наиболее оптимальным является пеленгационный кластер в виде равностороннего треугольника, имеющий место, если в составе ИП применяются трехсекторные ФАР с углом сканирования 120.
Произведенная оценка электромагнитной доступности АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети показывает, что для устойчивой пеленгации АС на всей территории центра крупного города ИП должны находиться не далее четвертого, в условиях среднего города -второго кольца окружения, а для случая сельской местности - в позиционных районах размещения БС.
Показано, что значение кольца окружения зависит от нескольких факторов, основными из которых являются: электромагнитная доступность АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети, тип местности и требуемая точность позиционирования АС. Произведена оценка погрешности и вероятности позиционирования исходя из местоположения АС в зоне действия сети мобильной связи. Выполненная оценка показывает, что на погрешность позиционирования АС основное влияние оказывает СКО пеленга, расстояние между ИП и положение АС в зоне действия сети мобильной связи.
Выполненный расчет необходимого числа стационарных ИП для г. Санкт-Петербург показал, что для полного покрытия пеленгационной сетью территории внутри КАД, необходимо, по меньшей мере, 49 ИП.
Использование данных сети мобильной связи
Сопоставляя полученные данные с результатами расчетов погрешности позиционирования для различных сред распространения радиоволн (табл. 3.14), можно сделать вывод, что мобильный ИП сможет позиционировать АС на любой территории, на которой она будет предварительно позиционирована средствами стационарных ИП.
Аналогично расчету, произведенному для стационарных ИП, произведем расчет погрешности позиционирования АС в случае позиционирования тремя мобильными ИП. Рассмотрим случаи максимальной удаленности ИП друг от друга (табл. 4.6). Данный предельный вариант будет соответствовать, например, случаю, когда стационарные ИП не охватывают интересуемую территорию. Результаты расчета погрешности позиционирования в зависимости от СКО пеленга ( та), расстояния между ИП (d) и типа местности приведены в табл. 4.7.
Следует также отметить, что показанные в табл. 4.7 погрешности позиционирования АС, с некоторыми ограничениями, можно достичь за счет применения одного мобильного ИП (МИП). Данный вариант возможен при применении метода привода [102], который основан на движении МИП в зону расположения АС по направлению пеленга. С уменьшением расстояния до источника увеличивается амплитуда пеленгуемого сигнала, что служит дополнительным признаком движения МИП в правильном направлении. При движении МИП по маршруту проводится непрерывное пеленгование АС, и вся совокупность пеленгов от начала сеанса используется для расчета местоположения АС. В процессе сеанса работы по мере накопления пеленгов с большой базой расчетное положение АС рекуррентно уточняется. Более того, пеленгация в движении позволяет более равномерно распределить компоненты интерференционных погрешностей по всему интервалу углов, чем стационарная пеленгация, и препятствует появлению максимумов в распределениях пеленгов, образованных значениями пеленгов на интерферирующие источники. Следовательно, применяя статистическую обработку к пеленгационной информации, полученной в движении, можно из всей совокупности собранных данных выделить информацию о направлении на АС. В [6] описаны алгоритмы, позволяющие достаточно точно позиционировать АС средствами только одного ИП, установленного на мобильную базу. Если целью поиска является неподвижная АС, имеет смысл использовать метод автоматического вычисления координат движения. В процессе движения МИП на основании непрерывно получаемых пеленгов на электронной карте строится распределение вероятности нахождения АС. Данный метод эффективен даже в условиях городской застройки при многолучевом распространении. При этом обеспечивается скрытность работы МИП, поскольку она находится в потоке городского транспорта. Если встречается хорошая позиция, например, на доминирующей высоте, то появляется возможность работы на остановке, а затем продолжить поиск в движении.
Использование метода вычисления координат АС в движении возможно при наличии программного обеспечения [102], позволяющего работать с одиночным МИП, как с территориально распределенной многопозиционной системой.
Существует несколько методов оценки координат АС [102, 103], но во всех методах МИП, находящийся в движении, рассматривается как многопозиционная система с поочередной обработкой принимаемых сигналов из точек, составляющих маршруты МИП. Позиционирование АС осуществляется пространственно-временной обработкой результатов измерения пеленгов.
Оценим возможность минимизации количества стационарных ИП за счет применения МИП. Рассмотрим следующие ситуации: стационарные ИП располагаются в 1-4 кольцах окружения в центре крупного города, в 1-2 кольцах окружения - в среднем городе и в позиционных районах расположения БС - в сельской местности. АС позиционируется стационарными ИП с определенной погрешностью. Затем погрешность позиционирования уменьшается с помощью мобильных ИП. Используя данные табл. 3.8, вычислим, насколько эффективно применение мобильных ИП. В табл. 4.8 представлены результаты расчета погрешности позиционирования для мобильных и стационарных ИП. Расположение МИП соответствует расположению стационарных ИП, но расстояние между МИЛ значительно меньше и соответствует погрешности позиционирования, которая была получена при позиционировании АС средствами стационарных ИП. Как отмечалось выше, эквивалентом данного варианта (с некоторыми ограничениями) является применение одного мобильного ИП, который будет двигаться по траектории, соответствующей расположению трех мобильных ИП.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что применение МИП в среднем на порядок уменьшает погрешность позиционирования АС по отношению к той погрешности позиционирования, которую обеспечивают стационарные ИП.
Как отмечалось ранее, в настоящее время у операторов мобильной связи наиболее популярным является метод позиционирования на основе идентификатора соты Cell-ID. Поскольку на точность позиционирования могут влиять различные факторы, такие как распространение радиоволн до АС, совершаемые АС хэндоверы и другое, то в связи с этим необходимо оценить достоверность данных, получаемых от сети мобильной связи на первом этапе позиционирования АС. По результатам оценки необходимо выработать ряд рекомендаций, позволяющих уменьшить вероятность неточного позиционирования АС с помощью метода Cell-ID.
Опыты проводились на базе действующего оператора мобильной связи в г. Санкт-Петербург. В исследовании с помощью метода Cell-ID осуществлялось позиционирование АС в нескольких контрольных точках, когда АС работала в одном из стандартов связи (GSM или UMTS). Затем производилась проверка точности позиционирования с помощью навигационной системы GPS. Как упоминалось в гл.1, в условиях города погрешность позиционирования GPS составляет 10-15 метров, что необходимо учитывать при оценке достоверности получаемых данных.
