Monday, 16 February 2004

Мобильное позиционирование в GSM-сетях

The article is dedicated to methods for subscriber location (positioning) in GSM-network
Может ли оператор сотовой связи определить нахождение его абонента, и с какой точностью? Да может.

Позиционирование абонента сотовой связи нацелено на осуществление автоматического определения его местоположения в пределах сот и имеет принципиально два аспекта: безопасность и коммерцию, когда абоненту предлагаются различные варианты информационных сервисов или их наполнения в зависимости от текущего местоположения. Одна из частных задач определения местоположения - это отслеживание точного местоположения мобильных устройств в экстренных ситуациях, позиционирование абонента, позвонившего с мобильного телефона в службу экстренной помощи. Следствием этого может быть и нарушение приватности абонента в связи с выдачей местоположения при включенной сотовой трубке.

Задача позиционирования местоположения абонента допускает два решения: строго навигационное – нахождение его географических координат - широты и долготы, декартовых координат, или упрощенное - однозначная определение положения на местности, что, тем не менее, достаточно для большинства коммерческих приложений. Поэтому следует различать определение точного положения (позиционирование) и местонахождению пользователя (район, область) без знания точных координат. Примером этого могут служить широковещательные сообщения о районе нахождения (информационный канал 050), которые меняются в зависимости от местоположения абонента.

Данная статья – это обзор технических принципов лежащих в основе локализации сотовой трубки на доступном языке, которая, однако, не претендует на то, чтобы охватить все технические аспекты этой проблемы.

Здесь же я не стану вдаваться в морально-этические проблемы или проблемы нарушения приватности и соответственно безопасности абонентов. Пусть каждый сам решает хорошо это или плохо и нужно ли этого опасаться.

В качестве введения в тему статьи опишу одну черту присущую GSM-протоколу и необходимую для обеспечения работы сотовой сети.

В сети GSM существует процедура Periodic Location Update (периодическое обновление местоположения), которая запускается в результате любого «события»: входящий или исходящий звонок, прием или передача SMS, включение или выключение самого аппарата, смена LAC у сот (Location Area Code – локальный код зоны), принудительная перерегистрация в сети в период кратный 6 минутам. На Velcom, к примеру, он равен 180 минутам. Ну, и естественно при смене оператора при роуминге. Последнее я добавил только ради полноты изложения. Стоит отметить, что телефон регистрируется в группе сот с одинаковым LAC, а не в отдельной соте. При поступлении входящего вызова, поиск мобильного аппарата ведется по все зоне и сигнал передается сразу на все антенны, принадлежащие группе сот с одинаковым «локальным кодом зоны». У соседних сот должен быть один «локальный код зоны». Должен, но не обязан. LAC для своих сот назначает сам оператор, как правило, они завязаны на географический регион нахождения соты. Это, за редким исключением, соблюдается в Velcom, где первая цифра отвечает за область, последующие за районы и крупные города. Для Минска я наблюдал четыре значения для «кодов зоны»: 100, 101, 120, 121. И «локальные коды зон» странно, но старательно перемешаны, что вызывает постоянную перегистрацию и корректировку местоположения мобильного телефона.

«Периодическое обновление местоположения» наводит помехи на различное радиооборудование. В колонках или наушниках слышны характерные импульсные наводки, постепенно затухающие с уменьшением излучаемой мощности аппаратом, который автоматически подстраивается под минимально необходимый уровень. Эти же наводимые мобильным телефоном помехи вызовут появление на мониторе компьютера или телевизоре красивых горизонтальных полос, а оптическую мышь заставят рвано перемещать курсор по экрану.

Это, кроме всего прочего, приводит к ускоренному разряду батарей.
В одном из зданий в Минске, адрес которого я намеренно оставлю в тайне, проход по коридору сменил шесть сот. Буквально каждые два-три метра.

Чтобы сотовый телефон передал свое местонахождение необходимо, чтобы он вошел в активное соединение автоматически или принудительно.

В режиме ожидания сотовый телефон прослушивает несколько соседних сот, и, когда уровень сигнала в соседней станет больше, мобильник туда и переходит. Мобильный телефон предпочтет диапазону 900 МГц соту с диапазоном 1800 МГц, даже если разница уровня сигнала в ней меньше чем в 900 на величину в пределах, как правило, 12-ци дБ. Приоритет в 12 дБ может меняться оператором. Так происходит передача абонента из соты в соту.

В нашей белорусской реальности мобильник начинает излучать не только при смене сот, но даже при смене их секторов. Соты Velcom-а, в большинстве случаев, имеют три лепестка, делящих соту на три сектора по 120 градусов, реже, в местах повышенного скопления абонентов, – четыре.

Метод идентификаторов сот
Метод Cell ID (идентификатор соты) - самый простой в реализации метод, в котором местоположения пользователя определяют по активной соте, в которой он находился. Метод не требует модификации сотового телефона, только минимального изменения программного обеспечения GSM-оператора. Точность определения положения в до 150 метров в городе при плотно расположенных сотах и до 35 километров на открытой местности (сельская местность, шоссе, пригород).

Метод идентификаторов сот и временной компенсации
В англоязычных источниках этот метод называется CI+TA (Cell ID + Timing Advance).
В момент разговора или регистрации определяется величина TA (Timing Advance -временная компенсация) - время задержки распространения сигнала, позволяющее определить расстояние до антенны, - параметр необходимый для корректного прохождения пакетов в GSM. Она же имеет смысл расстояния до антенны. Принимает значения от 0 до 63. Одна единица равна 547м. Отсюда и предел размера соты по стандарту GSM – 34.5 км. Для того чтобы узнать расстояние в метрах, нужно значение «временной компенсации» умножить на 547. Параметр ТА доступен из инженерного меню (сетевого монитора). Учитывая, что, как правило, все соты могут иметь сектора точность метода в пределах 200-300 метров при плотных сотах и до 500 м за городом. Метод заложен в самом стандарте GSM и не требует модификации оборудования.

Метод времени прибытия
В английском варианте этот метод называется TOA - Time of Arrival (время прибытия).

Позиционирование основано на измерении интервалов времени, за которые сигнал с мобильного телефона достигает трех или более точек, оснащенных LMU (Location Measurement Units - измерительных модулей системы). MLC (Mobile Location Centre - центр расчетов положения) запрашивает ближайшие к мобильному телефону LMU и вычисляет положение телефона на основании времени приема сигналов (временных задержек) в фиксированных пунктах. Скорость всего процесса обработки зависит от времени ожидания пакета данных и доходит до нескольких секунд. Модули LMU размещаются в пределах сотовой сети в фиксированных пунктах отдельно или на базовых станциях там, где они могут контролировать территорию соседних сот. В среднем один LMU ставиться на четыре базовых станции.

Не оказывает никакого влияния на сотовую трубку. Обеспечивает точность позиционирования 125 метров в более чем 50 процентов случаев. Для реализации требует высокой плотности сети, высокая стоимость дополнительного оборудования и затрат на обслуживание. Внутренние часы сети для обеспечения точности требуют высокой синхронизации с использованием GPS. Возрастает загруженность сети, так как сеть должна подключить к приему сигнала телефона, запрашивающего свои координаты, кроме той, в которой он находится, еще и смежные соты.

Метод разности времен (задержки сигнала)
По-английски метод называется E-OTD - Enhanced Observed Time Difference. Представлен 22 февраля 2001 финской компанией Nokia. Метод основан на измерении разницы во времени прибытия сигнала в одну базовую станцию, имеющую блок LMU и в еще, как минимум, две соты с таким же оборудованием. Для разгрузки телефонного аппарата все сложные вычисления выполняет MLC (Mobile Location Center - центр локализации мобильных телефонов). Различают два алгоритма получения координат: круговой (circular) и гиперболический (hyperbolic), отличающиеся степенью погрешности определения координат, и изначальным положением сотового телефона относительно базовых станций.

Для реализации метода нет необходимости в подключении смежных сот для приема сигнала телефона, запрашивающего свои координаты, требуется меньшее количество LMU. Метод не требует синхронизации часов с помощью дорогостоящей GPS. Обеспечивает точность до 100 метров. Для получения информации о местоположении на мобильном аппарате требуется модификация его программного обеспечения. Метод требует применения нового оборудования для оператора сотовой связи, установку модулей синхронизации.

SIM Toolkit
Большинство сотовых телефонов имеют доступ к параметрам текущей соты – Cell ID (идентификатор соты). Часть поддерживает также доступ к NMR (Network Measure Radio – измерение радиопараметров сети). Вручную к этим параметрам можно получить доступ через инженерное меню («сетевой монитор»). На этих параметрах основан метод SIM Toolkit (набор инструментальных средств для SIM). Для своей реализации метод не требует модификации существующей инфраструктуры GSM-сети. Применим как внутри зданий так и вне их. Точность метода зависит от плотности сети и находиться в пределах от 50 м до 1 км в городе и до 35 км за городом. Быстрота обновления местоположения во времени – 5 секунд при запроса инициированного пользователем, 10 секунд при автоматическом запросе.

WAP
В WAP версии 1.1 есть функция WTAI (Wireless Telephony Application Interface – интерфейс для разработки приложений для беспроводных телефонов) позволяющая через язык сценариев WML (Wireless Markup Language – язык разметки для беспроводных телефонов) сделать запрос Cell ID. WAP версии 1.2 позволяет запросить NMR. Метод не оказывает влияния на сеть. Для него характерная низкая стоимость интеграции с WAP-обозревателем мобильного аппарат. Работает только с WAP. Высокая скорость, потому что информация о местоположении передается в потоке данных. Точность зависит от плотности сети. Может нарушать приватность пользователей, так как владелец WAP-ресурса получает доступ к информации из сети.

Вспомогательный GPS
В английском варианте метод носит название Assisted Global Positioning System (вспомогательная система глобального позиционирования).

Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System – система позиционирования на земле) - это сеть американских военных спутников Navstar, используемая для наведения корабельных ракет на цели и, в коммерческих целях, для позиционирования наземных приемников. Метод определения местоположения в GPS основан на оценке времени распространения сигналов со спутников. Для определения местоположения GPS-приемнику может потребоваться до 40 секунд.

Главный принцип вспомогательного GPS – это интеграция приемника GPS, мобильного телефона и средств передачи координатной информации в сотовую сеть. Военным доступна точность в 10 метров, для коммерческих применений точность, обеспечиваемая данным методом, от 5 до 50 метров. Требует минимальной модификации сети. Высокая стоимость мобильного аппарата – антенна, аппаратное и программное обеспечение. Возрастает не только цена, но размеры и потребление энергии. Работает только вне зданий. Для работы абонент должен находится в пределах прямой видимости не менее трех спутников системы.

Впервые напечатано в Компьютерной Газете.
Оригинальная подпись в статье не приведена