20.10.2006

Задача позиционирования мобильных телефонов предполагает автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом под термином "местоположение" следует понимать не нахождение географических координат - широты и долготы (что в принципе также возможно), а однозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона на местности (электронной карте). Эксперты отмечают возможность двойного назначения подобных технологий, ведь теоретически можно отследить любого владельца мобильного телефона. Тем более, что способы определения положения, основанные на использовании только оборудования сети, могут выдавать данные непрерывно и без всякого уведомления абонента или его разрешения...

Специальная техника № 6, 2001

Задача позиционирования мобильных телефонов предполагает автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом под термином "местоположение" следует понимать не нахождение географических координат - широты и долготы (что в принципе также возможно), а однозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона на местности (электронной карте). Эксперты отмечают возможность двойного назначения подобных технологий, ведь теоретически можно отследить любого владельца мобильного телефона. Тем более, что способы определения положения, основанные на использовании только оборудования сети, могут выдавать данные непрерывно и без всякого уведомления абонента или его разрешения.

Применительно к сотовым телефонам для решения задачи их позиционирования с точностью до соты может быть применен метод СОО (Сell of Origin), базирующийся на геометрических расчетах. Так как зоны приема базовых станций сети на местности известны, то существует возможность определить, какие из них могут принять (а при использовании секторных антенн и приближенно запеленговать) сигналы телефона. На основе полученных данных определяется территория, в пределах которой находится пользователь мобильного телефона: в лучшем случае 150 м (пикосота), в худшем - до 30 км.

Для определения положения радиопередающего устройства могут быть использованы три основных параметра радиосигналов: их амплитуда в месте приема, направление прихода и время задержки при распространении.

Амплитуда принимаемых сигналов способна характеризовать расстояние между передатчиком и приемником. Однако на практике уровень сигналов мобильного телефона в месте приема зависит от столь большого числа причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точность определения места и используется в качестве вспомогательного параметра.

Направление прихода сигналов может автоматически определяться, например, по различию фаз сигналов на элементах антенной решетки, установленной на базовой станции сотовой сети. Пересечение пеленгов из двух (или большего числа) мест обеспечивает (с определенной точностью) определение положения мобильного телефона.

Задержка сигналов при распространении может быть также использована при решении задачи позиционирования. При точно известном моменте времени передачи радиосигналов, измеряя время их прихода в приемник базовой станции, можно вычислить расстояние от мобильного телефона до базовой станции при условии жесткой временной синхронизации (желательно до долей микросекунды) всех элементов системы. Именно эта технология позиционирования сотовых телефонов легла в основу большинства применяемых в настоящее время систем местоопределения.

В специализированных системах при определенном дооснащении базовых станций специальной аппаратурой может быть реализовано позиционирование абонентов сети, основанное на классических методах радиопеленгации - угломерном, дальномерном и разностно-дальномерном.

При реализации угломерного метода (метод направления прихода сигналов - Angle of Arrival - АОА) измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения радиотелефона a1 и a2 [град] относительно линии (базы), соединяющей две сотовые станции сети (рис. 1).


Для определения направления прихода сигналов сотовых телефонов используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых станциях сети и подключаемые к существующему оборудованию системы связи. Нахождение местоположения абонента осуществляется при приеме сигналов его мобильного телефона хотя бы двумя приемниками. В случае если сигнал получен только одним приемником, для определения местоположения может использоваться дополнительная информация на основе оценки амплитуды сигнала.

К числу достоинств данного метода относится независимость работы станций, каждая из которых дает информацию об азимуте мобильного телефона. При этом все необходимые калибровки приемников для компенсации разброса их параметров, влияния изменений температуры и т.п. локальны для каждой станции и не налагают дополнительных требований на всю сеть. Однако для достижения требуемой точности необходимо определение пеленгов с весьма малой погрешностью.

Погрешность определения положения абонента относительно его истинного местонахождения sn [км] при известной величине расстояния D6 [км] между соседними базовыми станциями, принявшими его сигнал, и измеренных углах a1 и a2 с ошибкой sa [град] составляет


Минимальная погрешность достигается при соотношении (a1 + a2) = 90o и может быть рассчитана по формуле


При реализации дальномерного метода (рис. 2) измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1 [c] и Dt2 [c] распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до двух сотовых станций сети относительно их временных шкал, которые должны быть синхронизированы между собой, а рассчитываемыми параметрами - дальности от сотовых станций до места расположения абонента D1 = 3×105×Dt1 [км] и D1 = 3×105×Dt2 [км].


Для расстояния между базовыми станциями D6 [км], известной ошибке измерения временных интервалов st [с] (одинаковой для каждой базовой станции) и рассчитанных дальностях D1 и D2 погрешность положения абонента относительно его истинного местонахождения sn [км] может быть рассчитана как


При реализации разностно-дальномерного метода (рис. 3) измеряемыми параметрами являются временные задержки Dt1 [c], Dt2 [c] и Dt3 [c] распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до трех базовых станций сети относительно их синхронизированных временных шкал, а рассчитываемыми параметрами - дальности от сотовых станций до места расположения абонента D1 = 3×105×Dt1 [км], D1 = 3×105×Dt2 [км] и D3 = 3×105×Dt3 [км] и базовые углы b1 и b2.


При расстояниях между сотовыми станциями D61 [км], D62 [км], известной ошибке измерения временных интервалов st [с] (равной для каждой сотовой станции), рассчитанных дальностях D1 и D2 базовые углы определяются по формулам



Погрешность положения абонента относительно его истинного местонахождения sn [км] в данном методе меньше, чем в дальномерном, и определяется как


В современных системах позиционирования мобильных телефонов дальномерный и разностно-дальномерный методы пеленгования представлены многочисленными вариациями.

Далее представлены лишь некоторые из них.

Метод фиксации времени прибытия сигналов (ТОА - Time of Arrival [1]) основан на измерении интервалов времени, за которые сигнал мобильного телефона доходит до нескольких базовых станций, оснащенных блоками определения местоположения LMU (Location Measurement Unit).

По этим временам прибытия компьютер сети может определить время прохождения сигнала до соответствующих базовых станций, сравнить полученные результаты с расчетными и с помощью алгоритма триангуляции рассчитать местоположение пользователя. Такая система обладает хорошей точностью, но требует оснащения блоками LMU почти всех базовых станций. Кроме того, сеть должна подключать к прослушиванию телефона, запрашивающего свои координаты, другие соты, соседствующие с той, которая нормально обслуживает зону его текущего местоположения.

Для обеспечения требуемой точности возможна синхронизация внутренних часов сети с помощью спутниковой системы GPS (Global Positioning System). Такой метод получил название UL-ТОА (Uplink ТОА). Все данные через сеть оператора связи поступают в вычислительный центр, где устанавливается местонахождение абонента с точностью не хуже 125 м. Наглядно метод UL-TOA представлен на рис. 4.


определяются геодезические координаты абонента ха, уа, zа. Данный радионавигационный метод получил название локализация с помощью дополненной системы GPS (A-GPS - Assistant GPS).

Процесс, когда обычный приемник GPS вычисляет местоположение, начинается с попытки найти первый навигационный спутник, идентификации, определения его положения. Затем находится следующий и так далее. С каждого спутника загружаются информация, измеренные временные задержки и лишь затем вычисляется местоположение данного приемника. Процесс местоопределения может занимать от 40 с до нескольких минут, а также требует прямой видимости по крайней мере трех спутников.

Метод А-GPS (рис. 5) объединяет классическую информацию GPS с географическим программным обеспечением и мобильной информацией сети.


Сеть указывает мобильному телефону, какие именно спутники следует искать. При этом количество шагов, необходимое для вычисления его местоположения, уменьшается примерно с 10 до 3. Для уменьшения потребления энергии от батареи мобильного телефона данные спутниковых измерений передаются в сеть и на нее возлагается выполнение необходимых расчетов. Пользователям придется приобретать новые мобильные телефоны со встроенными GPS-приемниками и антенной.

Точность позиционирования при использовании данного метода значительно выше, что обусловлено жесткой синхронизацией временных шкал всех элементов системы.

Недостатком технологии А-GPS является то, что она может работать лишь тогда, когда в пределах прямой видимости от мобильного телефона находятся не менее трех спутников системы GPS. Уникальным методом позиционирования мобильных телефонов, не имеющим аналогов в классической радиопеленгации, является метод сопоставления образов (сигнатур) мест расположения абонентов (LRM - Location Pattern Matching) мобильного абонента, разработанный компанией US Wireless и использующий технологию анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения.

Измеряя фазовые, временные и амплитудные параметры фрагментов радиосигнала мобильного телефона, отраженного от препятствий (зданий, возвышенностей и т.п.), базовая станция оценивает структуру подобного "радиоотпечатка" (fingerprint) сигнала и вычисляет его "сигнатуру" (signature). Полученная информация сравнивается системой со своей базой образцов таких "сигнатур", соответствующих разным вариантам расположения мобильного абонента на местности (рис. б).



В качестве основы в большинстве разрабатываемых сейчас систем (Mobile Positioning System [2], Cellocate System [3] и других) принят метод прибытия ТОА и различные его модификации. В частности, система Cellocate System (компании Cell-Loc Inc. ) не требует доработки сотовых телефонов или оборудования сети. Система ориентирована в основном на телефоны стандарта СDМА, но может использоваться и в аналоговых системах сотовой связи.

Получив сообщение от телефона, центр расчетов положения MLC запрашивает подобную информацию из ближайших к телефону измерительных модулей системы LMU и, сравнивая относительные времена приема сигналов в известных фиксированных пунктах, вычисляет положение телефона. Весь процесс занимает не более нескольких секунд и зависит от времени ожидания пакета данных. Модули LMU размещаются в пределах сотовой сети в таких известных фиксированных пунктах, где они могут контролировать соседние базовые станции. Ориентировочно один LMU необходим на каждые четыре станции сети. Модули могут размещаться обособленно или на базовых станциях.

На испытаниях была достигнута среднеквадратическая погрешность (СКП) позиционирования - 90 м, но в большинстве экспериментов достигалась точность лучше 55 м, а иногда и 15 м.

Для системы позиционирования Cursor [4] английской компании Cambridge Positioning Systems (СРS) также практически не требуется установки у оператора дополнительного оборудования, однако необходимо обновление программного обеспечения (ПО) мобильных терминалов (в них встраивается дополнительный чип). Точность позиционирования системы Cursor в реальных городских условиях и помещениях составляет около 75 м, однако СРS планирует улучшить ее до 50 м. Cursor работает и с терминалами, не оснащенными соответствующим ПО, но в этом случае СКП достигает 1 км.

Для позиционирования владелец мобильного телефона совершает обычный звонок. При этом его телефон до установки речевого соединения посылает специальное короткое SМS-сообщение (но возможно и просто изменение формата передачи сообщений). SМS-сообщение содержит информацию о сигналах, непрерывно транслируемых базовыми станциями при нормальной работе сети и уже полученных телефоном в неактивном режиме в предшествующий период.

Компания CPS планирует развертывание систем Cursor в Великобритании, Европе и Северной Америке, а также создание решений для GSМ 900, 1800 и 1900. Также компания СР8 ведет работы по внедрению своего программного обеспечения для сотовых телефонов в изделия Рhilips, Siemens, Еricsson, Nokia и Моtorolа.


Первоначально в системе TeleSentinel для определения местоположения сотового телефона использован лишь метод АОА. В объединенной системе TeleSentinel-TruePosition [5] для повышения точности применяется комбинация методов АОА и ТDОА (рис.7). Пеленгование осуществляется как по сигналам канала управления, так и речевым сигналам без внесения каких-либо модификаций в мобильное оборудование. Система может применяться с любым форматом сигнала. Точность местоопределения составляет не хуже 125 м, быстродействие системы - не более 10 с.


Компания SigmaOne Communications Corp. в угломерно-разностно-дальномерной системе позиционирования Sigma-5000 [6] также использует указанные методы измерений вместе с запатентованной SigmaOne технологией определения положения PowerBoost, включающей специализированные алгоритмы учета многолучевости.

В результате объединения технологий позиционирования значительно уменьшаются погрешности каждой из них, взятых по отдельности. Sigma-5000 уверенно позиционирует объект, даже если только две базовые станции приняли вызов. Она реализуется, как автономное дополнение к инфраструктуре сети мобильной связи и не требует модификаций радиоинтерфейса, мобильных телефонов или оборудования сотовой сети. Для реализации угломерной технологии используются специально разработанные антенные фазированные решетки, устанавливаемые на базовых станциях.

Sigma-5000 обеспечивает позиционирование в сетях сотовой связи стандартов АМРS/ТDМА (1S-136). Пропускная способность системы - до 50 местоопределений в секунду. Время получения первого отсчета - в пределах 2 с после прихода вызова. Расчетная погрешность определения положения: СКО (в 67% случаев) - менее 90 м, максимальная (в 95% случаев) - 125 м. Испытания Sigma -5000 в реальных условиях показали во всей рабочей зоне результирующую погрешность не хуже 105 м для 67% случаев и точность лучше 150 м для 95% случаев.

Подобная комбинация технологий реализована и в системе Geometrix [7], разработанной отделением Grayson Wireless компании Allen Telecom. Geometrix может работать с аналоговыми и цифровыми системами связи стандартов АМРS, ТDМА (1S-136), СDМА (1S-95), ТDМА/АМРS, СDМА/АМРS и системой iDEN производства компании Motorola. В большинстве случаев Geometrix удовлетворяет требованиям по точности, используя только метод ТDОА, а комбинация методов АОА и ТDОА применяется лишь в некоторых случаях. Во всех режимах Geometrix также использует алгоритмы пространственной селекции сигналов для снижения ошибок, вызванных многолучевостью. В условиях очень большой многолучевости Geometrix может переходить в режим проведения измерений с четырех станций. Система может совместно использоваться сразу несколькими операторами услуг мобильной связи, т.к. даже в базовой конфигурации Geometrix способна обеспечить выполнение более сотни позиционирований в секунду.


Система RadioCamera [8], разработанная компанией U.S. Wireless Corp. для определения местоположения пользователей мобильных телефонов стандарта СDМА, использует метод сопоставления образов местонахождения LРМ и может быть отнесена к классу корреляционно-экстремальных. Особенность ее функционирования заключается в следующем. Сигналы, отражаясь от строений и других препятствий, претерпевают определенные искажения и достигают базовой станции по многочисленным маршрутам. Система RadioCamera анализирует уникальные характеристики сигнала, включая варианты его "многомаршрутного" распространения и компилирует его "отпечаток", который автоматически сравнивается с базой данных предварительно идентифицированных мест расположения телефонов в районе данной базовой станции. В отличие от других технологий позиционирования в данной системе вполне достаточно, чтобы только одна базовая станция обработала сигнал вызова.

Для идентификации положения система RadioCamera не требует прямой видимости многочисленных базовых станций, что делает ее работу высокоэффективной в условиях плотной городской застройки, где сейчас постоянно находятся более 70% всех радиотелефонов. Система RadioCamera также совместима с существующей сетевой инфраструктурой, легко интегрируется и не требует никаких модификаций базовых станций или абонентских телефонов. Интеллектуальная база данных системы начинает формироваться сразу после начала ее развертывания и становится работоспособной уже через несколько дней.

В апреле 1999 года система RadioCamera успешно прошла испытания по обеспечению позиционирования абонентов с сотовыми телефонами АМРS в реальных условиях и показала превышение требований по точности Федеральной комиссии США по связи (FСС).


В настоящее время разработаны и интегрированные системы позиционирования. Данный способ олицетворяет собой подход к решению проблемы местоопределения, основанный на "дополнительном оборудовании на стороне клиента", которое встраивается непосредственно в пользовательский терминал, для чего используется специальный чип, реализующий "GPS в телефоне". Компания SnapTrack Inc. [9] создала систему, объединяющую GPS с инфраструктурой сети беспроводной связи и дающую точность от 5 до 75 м (в среднем 10 - 20 м).

Технически система SnapTrack опирается на возможности системы GPS, но с существенным их расширением, путем распределения задачи обработки цифровых данных между запатентованными программными алгоритмами, исполняемыми процессором сотового телефона, и специализированным программным обеспечением, установленным на сервере системы.

В итоге, если традиционные приемники GPS постоянно ведут обработку данных, то в системе SnapTrack он работает только непосредственно при определении положения. А конкретно, когда абонент запрашивает услугу определения местоположения, его терминал, оборудованный системой SnapTrack, принимает пакет данных GPS, обрабатывает его и передает полученную информацию на сервер системы. Сервер вычисляет долготу и широту и осуществляет целый ряд процедур для достижения более высокой точности определений путем использования дифференциального режима работы и учета большого числа поправок, снижающих влияние многолучевости и других искажений сигналов.


Сложность решения проблемы точности позиционирования в системах мобильной связи и определяет достаточно большое число видов систем мобильного позиционирования. Известны более двух десятков систем, использующих "интеллектуальные" антенны, угол прихода сигналов, разность времени их прихода, амплитуду сигналов, систему GPS и комбинации этих методов. Достигаемые точности определения координат сотового телефона варьируются в пределах от единиц до сотен метров (табл. 1).


Достаточно однозначные зависимости между значениями параметров сигналов и положением телефона имеют место только в теории при распространении радиосигналов в так называемом "свободном пространстве". На практике точность позиционирования зависит от очень многих факторов. Например, для городских условий характерен многолучевой прием сигналов, при котором как на мобильный телефон, так и на базовую станцию приходят как прямые, так и отраженные от различных объектов радиосигналы. При этом параметры сигналов непрерывно изменяются в широком диапазоне, что значительно затрудняет определение фактических координат. Вместе с тем с помощью систем позиционирования, задействующих GPS, можно отслеживать и перемещение абонента в автомобиле на автомагистрали.


Позиционирование мобильных телефонов развивается в настоящее время такими темпами, что уже начинает вызывать тревогу. Ведь анализ данных о сеансах связи абонента с различными базовыми станциями (через какую и на какую станцию передавался вызов, дата вызова и т.д.) позволяет восстановить все перемещения абонента в прошлом. Такие данные автоматически регистрируются компьютерами компаний, предоставляющих услуги сотовой связи, поскольку оплата этих услуг основана на длительности использования системы связи, и хранятся достаточно длительное время.

Беспокойство пользователей по поводу возможного отслеживания их перемещений привело к тому, что GPS уже ввела в свою систему позиционирования Cursor опцию отключения системы по желанию клиента. В системе SnapTrack также реализована защита "персональной секретности" при определении положения - пользователь может инициировать этот процесс по специальному требованию. Без прямого запроса пользователя никакая информация о его расположении телефоном вообще не передается (во всяком случае, так декларируется).

Источник: BRE.ru

Адрес источника: http://www.bre.ru/security/13022.html