Mobilní komunikace Seminární práce č. 59 LOKALIZACE V BEZDRÁTOVÝCH SÍTÍCH Vypracoval Pavel Valián 15.5.2007
V součastné době se stále více dostávají do popředí zájmu odborníků i běžných uživatelů technologie pro určení aktuální polohy uživatele v terénu. Pokud máme k dispozici tuto informaci, jsme z ní schopni vyvodit kvalitativně zcela nový druh informací. Pro určení polohy uživatele můžeme použít tři technologicky zcela odlišné metody, přičemž každá z nich má své klady a zápory: 1. samostatný navigační přístroj GPS výhodou tohoto řešení je velmi přesné určení polohy uživatele a minimální provozní náklady určení polohy je zdarma. Nevýhodami jsou stále zatím poměrně velké počáteční náklady na pořízení přístroje GPS, jednoúčelovost, nízká škála poskytnutých doplňkových služeb 2. klient používající běžný MT sítě GSM výhodou tohoto řešení jsou minimální vstupní náklady, multifunkčnost přístroje a široké spektrum doplňkových služeb (tyto služby se také někdy nazývají jako Location based services služby založené na znalosti lokace). Největší nevýhodou určení polohy pomocí mobilního telefonu sítě GSM je přesnost určení polohy uživatele, která je řádově nižší při srovnání s navigačním přístrojem GPS. Další nevýhodou je to, že každé zjištění aktuální polohy je zpoplatněno finanční částkou podle tarifu jednotlivých operátorů. 3. kombinace navigačního přístroje GPS, který slouží ke zjištění polohy uživatele a mobilního telefonu sloužícího k přenosu informace o poloze klienta do logistické centrály, která je schopna klientovi na základě znalosti jeho aktuální polohy mu poskytnout některé doplňkové služby. Obr. 1 Možnosti lokalizace polohy mobilního telefonu
Zaměřením této semestrální práce je principem lokalizace klienta pomocí mobilního telefonu GSM, její praktické nasazení, úskalími s tím souvisejícími. Jedná se o zajímavou alternativu ke známému principu lokalizace pomocí navigačního přístroje GPS. V součastné době mají na tyto služby víceméně monopol provozovatelé jednotlivých mobilních sítí, neboť pouze oni mají k dispozici údaje o přesné poloze svých základnových stanic BTS, které jsou k úspěšné lokalizaci klienta pomocí mobilního telefonu GSM nezbytné. Vhledem k této situaci není určování polohy klienta pomocí mobilního telefonu sítě GSM příliš rozšířeno. Technologický princip lokalizace mobilního telefonu sítě GSM Pro účel lokalizace mobilního telefonu můžeme z výše popisované struktury sítě GSM vymezit tyto dva nejpodstatnější technické prvky - základnová stanice (BTS) a MT. K určení polohy mobilní stanice lze použít různých metod měření resp. jejich kombinací.při zjištění polohy můžeme vycházet z těchto informací: - operátor přirozeně ví, kde přesně se nachází jeho základnové stanice BTS - ví také, s jakou základnovou stanicí (BTS) resp. s jakým jejím sektorem komunikuje MT - ví, v jaké vzdálenosti od této stanice se mobil nachází (zná hodnotu TA) Lokalizace podle BTS Nejhrubší metoda je lokalizace podle BTS komunikující s mobilem. Potíž tohoto způsobu je v tom, že umožňuje určit pouze okruh (o teoretickém průměru 35 km) resp. výseč tohoto kruhu u vícesektorových BTS. Vzhledem k hustotě buněk lze sice s vysokou pravděpodobností předpokládat, že MT se nachází blíže, než oněch 35 km, ale i tak touto metodou nelze získat více, než např. víceméně spolehlivý odhad, v jakém okrese se volající nachází. V okrajových oblastech pochopitelně bude docházet k přesahům do sousedních okresů, ale z hlediska počtu volání nepůjde o příliš významný počet chyb (nicméně je s nimi potřeba počítat a např. v příhraničních oblastech při komunikaci přes státní hranici může jít o závažný problém). Pokud volající nevolá zrovna z extrémně řídce osídlené oblasti, lze při dnešní hustotě BTS předpokládat pravděpodobnou polohu volajícího v okruhu do 10 km od BTS, ve větších městech v okruhu stovek metrů či nejvýše jednotek kilometrů. Nejhorší situace nastane, pokud MT komunikuje s některou z "vykrývacích" buněk umístěných na vysokých kopcích - zde je skutečně reálná komunikace až do maximální vzdálenosti 35 km. Naopak zpravidla dostatečně přesná je tato lokalizace v případě tzv. "mikrocell", nízkovýkonných základnových stanic BTS, vykrývajících např. supermarkety, stanice metra, stadiony apod., i když i zde může být výjimečně přesah dosahu v řádu desítek až stovek metrů mimo daný objekt.
Lokalizace podle BTS a TA Určení polohy lze významně zlepšit, pokud vedle příslušnosti k BTS zjistíme i hodnotu TA, která vypovídá o vzdálenosti, na níž mobil se základnovou stanicí BTS komunikuje. Z plochy ohraničené kruhem resp. z výseče tohoto území již získáme pouze mezikruží o šířce asi 1 km, které již - zejména v řidčeji osídlených oblastech - může ve spojení s další informací (např. poloha na dálnici, u rybníka atd.) vést k poměrně přesné lokalizaci mobilního telefonu. Sektory jsou označeny rozdílnými barvami, jejich hranice ovšem nejsou zcela ostré. Přesnější lokalizace můžeme dosáhnout, pokud známe ještě další informaci. Např. víme-li, že volající se nachází na dálnici, v případě jednosektorové BTS může být v úseku dálnice A, nebo B v případě dvousektorové BTS resp. třísektorové je již určení polohy relativně velmi přesné a zahrnuje asi 1 km dlouhý úsek dálnice (označeno B).Pro představu o hrubosti měření TA ještě připojuji obrázek, dovolující udělat si představu o velikosti území ohraničeného nejmenší lokalizovatelnou kružnicí o průměru 550 metrů (TA=0). BTS umístěná na horním okraji Václavského náměstí může obsluhovat MT nejen na celém Václavském náměstí, ale i např. na Hlavním nádraží, v Jindřišské, Vodičkově, náměstí I.P. Pavlova nebo náměstí Míru. Vzhledem k hustotě BTS v dané oblasti to sice nebude časté, ale není to technicky nemožné. Obr. 2 (a) Lokalizace podle BTS, (b) lokalizace podle BTS a TA Lokalizace triangulací z více BTS Triangulace z více BTS je obecně asi nejpřesnější metoda, jak zjistit polohu MT v síti GSM. Spočívá v zaměření polohy MT z několika BTS, pokud možno i se změřením TA. Technicky již ale jde o poměrně složité řešení, vyžadující jednak určitý čas, a jednak buď spolupráci SIM karty mobilu, nebo přímo mobilního telefonu. V takovém případě ovšem musí mobil obsahovat speciální čip. Systém na tomto základě začíná být uváděn do provozu v některých místech USA pod názvem Enhanced Observed Time Difference (E-OTD). Druhou metodou lokalizace polohy založenou na mobilním telefonu je metoda E-OTD (The enhanced observed time difference method). Je založena téměř na stejném principu jako metoda UL-TOA (Uplink time of arrival), vyhodnocuje jenom zpoždění signálu vysílaného z mobilního telefonu. Každý mobilní telefon totiž má svůj interní časovač (můžeme říkat i hodiny), který je synchronizovaný se sítí GSM. U E-OTD je jen ten rozdíl, že vysílajícím
prvkem jsou základnové stanice a výpočet zpoždění signálu provádí přímo mobilní telefon. Pokud zná mobilní telefon přesné umístění všech BTS (má je v paměti nebo BTS sama vysílá informaci o svojí poloze), potom může svoji polohu zjistit sám. V opačném případě může odeslat takto zjištěná data vyhodnocovacímu centru, které vypočítá polohu mobilu a pošle mu ji zpět. Přesnost metody E-OTD je v otevřené krajině přibližně 60 metrů, v městských oblastech se odchylka pohybuje okolo 200 metrů. Odeslání informací do vyhodnocovacího centra a výpočet polohy na základě odpovědi z tohoto centra (případně z údajů o poloze BTS) zvládne i aplikace SIM toolkit. Pokud by telefon k zjištění polohy musel mít v paměti informace o umístění základnových stanic a ty zpracovávat, potom už by potřeboval přídavné zařízení na zpracování těchto dat. Takový mobil ovšem v současnosti neexistuje. Pokud si odmyslíme v praxi zcela nepoužitelné sítě vybavené A-GPS, potom můžeme uvažovat pouze o metodě E-OTD. Ta se ovšem v praxi také příliš nepoužívá, protože vyžaduje upravené mobilní telefony. Kvůli tomu je méně potenciálních zákazníkům a o takovou službu operátoři nemají zájem. Investice do sítě by navíc rozhodně nebyly o mnoho menší oproti metodám založeným na spolupráci se sítí GSM přinejmenším by operátor musel postavit vyhodnocovací centrum a upravit svoje základnové stanice. Obr. 2 Možnosti metod E-OTD a UL-TOA
Závěr Určení polohy klienta pomocí mobilního telefonu sítě GSM je zajímavou alternativou k stávajícímu hojně využívanému způsobu pomocí navigátoru GPS. Mezi jeho největší klady patří zajisté nízké počáteční náklady, které mohou vést v případě masivnějšího nasazení (kupříkladu ve větší dopravní firmě) k významným finančním úsporám. Další výhodou může být rovněž jednoduchost obsluhy takového zařízení (laický uživatel bude obsluhovat MT, který důvěrně zná). Největší nevýhodou tohoto způsobu určování polohy je její možná nízká přesnost (v odlehlejších částech republiky s nízkou hustotou základnových stanic BTS), která se v extrémních případech může pohybovat v řádech kilometrů. Naopak v centrech velkých měst se přesnost určení polohy může blížit desítkám metrů, což je například pro sledování služebních vozidel dopravní firmou zcela dostačující hodnota. Další nevýhodou je provázanost na mobilního operátora, který je z technologického hlediska jako jediný schopen provést určení polohy klienta. Vzhledem k tomuto faktickému monopolu jsou ceny za určení polohy relativně vysoké. Jistým možný řešením této situace by bylo vytvoření mapy základnových stanic BTS nezávislé na mobilním operátoru.