GPS позиционирование с сетевой поддержкой

ГЛАВА 10

ПРИНЦИПЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Общие положения

Задачи обнаружения, определения координат и параметров движения источника радиоизлучения (ИРИ) относятся к задачам радионавигации. Теоретические основы радионавигации, методы и устройства позиционирования ИРИ разработаны достаточно подробно [32].

Процедура позиционирования включает в себя определение координат и параметров движения ИРИ. Сети мобильной радиосвязи с поддержкой функции позиционирования могут содержать измерительные пункты (ИП), осуществляющие позиционирование абонентских станций с требуемой погрешностью и вероятностью.

Погрешность позиционирования характеризует ошибку определения координат абонентской станции относительно ее истинного положения.

Вероятность позиционирования характеризует вероятность нахождения абонентской станции в зоне, определенной допустимой погрешностью позиционирования.

При решении задачи позиционирования абонентских станций в сотовых системах мобильной связи необходимо использовать решения, базирующиеся на определении положения и вычислении координат абонентских станций относительно известных координат базовых станций сети. В противном случае решение задач позиционирования связано с необходимостью модернизации базовой сети и абонентских станций.

Системы позиционирования могут быть угломерные, дальномерные, разностно-дальномерные и комбинированные[32].

Угломерные системы позиционирования. Содержат в своем составе радиопеленгаторы – устройства, определяющие азимут прихода радиоволн в точку приема относительно опорного направления. Результатом работы радиопеленгатора является значение азимута. Как правило, применяют три и более радиопеленгаторов, расположенных в различных точках зоны охвата системы позиционирования. Достоинством угломерных систем является небольшой объем информации, передаваемой от радиопеленгаторов на пункт вычисления координат, и возможность асинхронной работы системы. Недостатком является зависимость ошибки вычисления координат абонентских станций от взаимного расположения радиопеленгаторов и абонентских станций в пределах зоны охвата системы позиционирования.

Дальномерные системы позиционирования. Измеряемыми параметрами в дальномерных системах позиционирования являются временные задержки распространения сигнала абонентских станций. При этом необходимо иметь не менее двух ИП, временные параметры которых должны быть синхронизированы между собой. Расчетными параметрами являются расстояния от измерительных пунктов до абонентских станций.

Разностно-дальномерные системы позиционирования. Координаты абонентских станций вычисляются на основе измеренных значений разности задержек при распространении радиоволн от абонентских станций. При этом необходимо иметь не менее трех измерительных пунктов. Рассчитываемыми параметрами являются дальности от измерительных пунктов до абонентских станций. Здесь необходимо обеспечить синхронизацию измерительных пунктов сети и иметь возможность передачи большого объема информации от измерительных пунктов к пункту вычисления координат.

Комбинированные системы позиционирования. Могут быть угломерно-дальномерные, угломерно-разностно-дальномерные и др.

Сотовые системы мобильной связи для решения задач позиционирования абонентских станций должны иметь центр позиционирования, который осуществляет координацию и выделение ресурсов сети мобильной радиосвязи для проведения измерений, определяет технологию позиционирования с учетом заданного качества обслуживания, вызывает функцию измерения параметров сигнала при позиционировании (Positioning Signal Measurement Function, PSMF), передает параметры местоположения (Position Calculation Function, PCF) и др.

Центр позиционирования(Mobile Location Center, MLC) включает сервисный центр (Serving Mobile Location Center, SMLC) и шлюзовый центр (Gateway Mobile Location Center, GMLC), которые могут выполняться в виде отдельных модулей или совмещаться с существующими элементами сети (например, с центром коммутации мобильной связи (см. п.2.2).

Сервисный центр позиционирования (SMLC) обрабатывает и рассчитывает данные позиционирования абонентских станций и, как правило, относится к подсистеме базовых станций (BSS) или к центру коммутации мобильной связи (MSC). В процессе функционирования SMLC получает данные измерений от стационарных измерительных модулей (Line Measurement Unit, LMU), которые находятся в контроллере базовых станций (BSC). Информация из сервисного центра поступает в шлюзовый центр.

Шлюзовый центр позиционирования (GMLC) является защищенным элементом сети, как например центр аутентификации, и выполняет функции поддержки абонентов системы позиционирования. В процессе функционирования GMLC использует данные постоянно зарегистрированных абонентских станций, которые хранятся в HLR - регистре справочных данных. GMLC предоставляет данные о местоположении абонентских станций и взаимодействует с HLR. Решение о предоставлении услуг позиционирования принимает оператор сети.

Распределение описанных выше функций позиционирования по элементам сети мобильной связи вариативно и зависит от применяемой технологии позиционирования и выбранного варианта размещения сервисного центра.

Позиционирование абонентских станций в сетях мобильной связи включает две функции: измерение параметров сигнала и вычисление координат позиционирования. Выделяют методы позиционирования на основе абонентских станций, с поддержкой сети и на основе сети мобильной радиосвязи [32,33].

Методы позиционирования на основе абонентских станций заключаются в том, что абонентские станции осуществляют свое позиционирование независимо от сети мобильной связи. Например, по сигналам спутниковых навигационных систем. Для этого используются, встроенные в абонентские радиостанции приемники спутникового позиционирования.

Методы позиционирования с поддержкой сети заключаются в том, что процесс позиционирования происходит в абонентской станции, которая получает поддержку от сети. Примером может служить технология, когда абонентские станции, осуществляя свое позиционирование по сигналам спутниковых навигационных систем, получают через сеть мобильной связи уточненные данные от эталонного навигационного приемника, позволяющие абонентской станции значительно улучшить результаты позиционирования. Другим примером служит технология позиционирования на основе определения наблюдаемой разности времени приема сигналов на абонентской станции от базовых станций сети и др.

Методы позиционирования на базе сети заключаются в том, что только сеть выполняет все функции, связанные с позиционированием. Здесь наиболее распространенной является технология идентификации соты (Cell Identifier, Сеll-ID), для которой не требуется определения параметров сигналов. Другим примером является технология определения времени поступления сигналов (Time of Arrival, ToA), когда базовые станции (не менее трех) производят измерение времени поступления сигналов доступа от позиционируемой абонентской станции и по результатам измерений сеть определяет координаты позиционируемой абонентской станции и др.

Рассмотрим более детально некоторые из отмеченных выше методов позиционирования.

GPS позиционирование с сетевой поддержкой

В [33,34] описан метод, названный как метод GPS позиционирования с сетевой поддержкой (Network-assisted GPS positioning method, A-GPS). A-GPS технология ускоряет «холодный старт», на этапе которого происходит поиск навигационных спутников, запись в базу данных GPS приемника абонентской станции альманаха (данных об орбитах спутников для быстрого поиска и «захвата» их сигналов включения после GPS приемника) и эфемерид (информации для вычисления точных координат абонентской станции). Версия альманаха действительна в течение 28 суток, а набор данных эфемерид действителен в течение нескольких часов. Ускорение происходит за счет предоставления необходимой информации абонентской станции через альтернативный канал связи, по которому передаются данные, необходимые для проведения расчетов и определения местоположения, а именно – альманах, эфемериды и приблизительная оценка доплеровского сдвига. Это приводит к сокращению времени позиционирования с десятков до единиц секунд. Система A-GPS впервые внедрена в США с 2001 года в сети службы спасения «911».

Метод предусматривает установку в абонентские радиостанции приемников спутникового позиционирования, а в сети – «эталонных» приемников спутникового позиционирования. Основным элементом сети, обеспечивающим сетевую поддержку и передачу вспомогательной информации о координатах участка сети, где находится абонентская станция, является обслуживающий контроллер базовых станций (КБС). Опционально в процедуре позиционирования может быть задействован и сервисный центр позиционирования ( SMLC). Здесь возможны два варианта:

q абонентская станция выполняет только необходимые измерения, а координаты рассчитывает КБС или SMLC;

q абонентская станция сама рассчитывает свои координаты, что требует загрузки в нее дополнительного программного обеспечения.

Такая сетевая поддержка имеет следующие преимущества:

q снижается время измерений (знание кодов GPS сигналов в начале процедуры сокращает начальный этап измерений с 30 секунд до единиц секунд, дальнейшие измерения также идут быстрее);

q обеспечивается экономия источников питания абонентской станции;

q повышается качество измерений, т.к. через сеть мобильной связи абонентская станция получает дополнительную информацию о местоположении, и GPS приемник может работать при более низких отношениях сигнал/шум.

К недостаткам можно отнести:

q усложнение абонентского и базового оборудования сотовых сетей мобильной связи;

q зависимость точности позиционирования от морфоструктуры местности;

q повышение энергопотребления абонентской станцией;

q временные задержки при оценке местоположения;

q отсутствие возможности активировать функцию позиционирования со стороны сети, что зачастую бывает необходимо в экстренных ситуациях;

q зависимость от состояния глобальной космической группировки.