Мобильное позиционирование в GSM-сетях
Мобильное позиционирование в GSM-сетях
Может ли оператор сотовой связи определить место нахождения своего 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 также 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 — однозначное определение положения на местности, тем не менее, достаточно для большинства коммерческих приложений. Поэтому следует различать определение точного положения (позиционирование) и местонахождения 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, не претендующий, однако, на то, чтобы охватить все технические аспекты данной проблемы. Я не стану также вдаваться в морально-этические вопросы или вопросы нарушения приватности и соответственно безопасности абонентов. Пусть каждый сам решает, хорошо это или плохо, и нужно ли этого опасаться.
В качестве введения 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: входящего или исходящего звонка, приема или передачи SMS, включения или выключения самого аппарата, смены LAC у сот (Location Area Code — локальный код зоны), принудительной перерегистрации 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 всей зоне, и сигнал передается сразу на все антенны, принадлежащие группе сот с одинаковым локальным кодом. 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 перерегистрацию и корректировку местоположения мобильного телефона.
Периодическое обновление местоположения вызывает помехи различного радиооборудования. В колонках или наушниках слышны характерные импульсные наводки, постепенно затухающие с уменьшением мощности, излучаемой 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. Кроме всего прочего, это приводит к ускоренной разрядке 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 900 на величину в пределах 12 дБ. Так происходит передача абонента из соты в соту.
Но это в идеале. 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. При его использовании местоположение пользователя определяют по активной соте, в которой он находился. Метод не требует модификации сотового телефона — лишь минимального изменения программного обеспечения GSM-оператора. Точность определения положения — 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 547 м. 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 колеблется в пределах 100-300 м при плотных сотах и до 500 м за городом. Метод заложен в самом стандарте GSM и не требует модификации оборудования — только программного обеспечения.
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 Measu-rement Units — измерительных модулей системы). MLC (Mo-bile 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 ставится на четыре базовые станции.
Метод не оказывает никакого влияния на сотовую трубку. Обеспечивает точность позиционирования 125 метров в более чем 50% случаев. Для реализации требует высокой плотности сети, высокой стоимости 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, еще и смежные соты, кроме той, в которой он находится.
Метод разности времен (задержки сигнала)
По-английски этот метод называется E-OTD — Enhanced Observed Time Difference. Представлен 22 февраля 2001 г. финской компанией Nokia. Метод основан на измерении разницы во времени прибытия сигнала в одну базовую станцию, имеющую блок LMU, и еще, как минимум, в 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. Обеспечивается точность до 100 метров. Для получения информации о местоположении на мобильном аппарате требуется модификация его программного обеспечения. Метод требует применение 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 из них 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 находится в пределах от 50 м до 1 км в городе и до 35 км за городом. Быстрота обновления местоположения во времени — 5 секунд при запросе, инициированном пользователем, и 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 характерна низкая стоимость интеграции с WAP-обозревателем мобильного аппарата. Работает только с WAP. Обладает высокой скоростью, 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 коммерческого применения точность, обеспечиваемая данным методом, составляет от 5 до 50 метров. Требует минимальной модификации сети. Высокая стоимость мобильного аппарата: антенна, аппаратное и программное обеспечение. Возрастают не только цена, но и размеры и потребление энергии. Работает только вне зданий. Для работы абонент должен находиться в пределах прямой видимости не менее трех спутников системы.
Valient Newman
Может ли оператор сотовой связи определить место нахождения своего 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 также 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 — однозначное определение положения на местности, тем не менее, достаточно для большинства коммерческих приложений. Поэтому следует различать определение точного положения (позиционирование) и местонахождения 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, не претендующий, однако, на то, чтобы охватить все технические аспекты данной проблемы. Я не стану также вдаваться в морально-этические вопросы или вопросы нарушения приватности и соответственно безопасности абонентов. Пусть каждый сам решает, хорошо это или плохо, и нужно ли этого опасаться.
В качестве введения 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: входящего или исходящего звонка, приема или передачи SMS, включения или выключения самого аппарата, смены LAC у сот (Location Area Code — локальный код зоны), принудительной перерегистрации 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 всей зоне, и сигнал передается сразу на все антенны, принадлежащие группе сот с одинаковым локальным кодом. 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 перерегистрацию и корректировку местоположения мобильного телефона.
Периодическое обновление местоположения вызывает помехи различного радиооборудования. В колонках или наушниках слышны характерные импульсные наводки, постепенно затухающие с уменьшением мощности, излучаемой 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. Кроме всего прочего, это приводит к ускоренной разрядке 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 900 на величину в пределах 12 дБ. Так происходит передача абонента из соты в соту.
Но это в идеале. 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. При его использовании местоположение пользователя определяют по активной соте, в которой он находился. Метод не требует модификации сотового телефона — лишь минимального изменения программного обеспечения GSM-оператора. Точность определения положения — 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 547 м. 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 колеблется в пределах 100-300 м при плотных сотах и до 500 м за городом. Метод заложен в самом стандарте GSM и не требует модификации оборудования — только программного обеспечения.
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 Measu-rement Units — измерительных модулей системы). MLC (Mo-bile 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 ставится на четыре базовые станции.
Метод не оказывает никакого влияния на сотовую трубку. Обеспечивает точность позиционирования 125 метров в более чем 50% случаев. Для реализации требует высокой плотности сети, высокой стоимости 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, еще и смежные соты, кроме той, в которой он находится.
Метод разности времен (задержки сигнала)
По-английски этот метод называется E-OTD — Enhanced Observed Time Difference. Представлен 22 февраля 2001 г. финской компанией Nokia. Метод основан на измерении разницы во времени прибытия сигнала в одну базовую станцию, имеющую блок LMU, и еще, как минимум, в 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. Обеспечивается точность до 100 метров. Для получения информации о местоположении на мобильном аппарате требуется модификация его программного обеспечения. Метод требует применение 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 из них 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 находится в пределах от 50 м до 1 км в городе и до 35 км за городом. Быстрота обновления местоположения во времени — 5 секунд при запросе, инициированном пользователем, и 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 характерна низкая стоимость интеграции с WAP-обозревателем мобильного аппарата. Работает только с WAP. Обладает высокой скоростью, 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 коммерческого применения точность, обеспечиваемая данным методом, составляет от 5 до 50 метров. Требует минимальной модификации сети. Высокая стоимость мобильного аппарата: антенна, аппаратное и программное обеспечение. Возрастают не только цена, но и размеры и потребление энергии. Работает только вне зданий. Для работы абонент должен находиться в пределах прямой видимости не менее трех спутников системы.
Valient Newman
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 06 за 2004 год в рубрике mobile :: телефоны
