eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.30.35
Во второй части исследования, посвященного эволюции технологий позиционирования в сотовых сетях подвижной радиосвязи, приводится хронология развития стандартов сетевого позиционирования абонентского терминала с использованием базовых станций сети радиодоступа и дополнительной инфраструктуры. Представленные стандарты классифицированы по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, а также по категориям вычислений в сети или терминале. Рассмотрены оценки пределов точности, на основе которых формулируются перспективы развития сетевого позиционирования в экосистеме 5G.
Во второй части исследования, посвященного эволюции технологий позиционирования в сотовых сетях подвижной радиосвязи, приводится хронология развития стандартов сетевого позиционирования абонентского терминала с использованием базовых станций сети радиодоступа и дополнительной инфраструктуры. Представленные стандарты классифицированы по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, а также по категориям вычислений в сети или терминале. Рассмотрены оценки пределов точности, на основе которых формулируются перспективы развития сетевого позиционирования в экосистеме 5G.
Теги: a-gnss base station cell id cellular mobile radio networks e-cid gps otd otdoa-idpl pe positioning prs rfpm rtt subscriber terminal ta ul-toa uplink tdoa абонентский терминал базовая станция позиционирование сотовые сети подвижной радиосвязи
Г.Фокин, к.т.н., доцент СПбГУТ
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.969.36, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.30.35
Во второй части исследования, посвященного эволюции технологий позиционирования в сотовых сетях подвижной радиосвязи, приводится хронология развития стандартов сетевого позиционирования абонентского терминала с использованием базовых станций сети радиодоступа и дополнительной инфраструктуры. Представленные стандарты классифицированы по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, а также по категориям вычислений в сети или терминале. Рассмотрены оценки пределов точности, на основе которых формулируются перспективы развития сетевого позиционирования в экосистеме 5G.
ВВЕДЕНИЕ
В англоязычной литературе определение местоположения обозначается двумя терминами: positioning – позиционирование (определение географических координат объекта; позиция может быть представлена точкой в декартовых координатах местоположения (МП) объекта) и localization – локализация (отображение координат на карте; идентификация МП на местности / электронной карте), которые обычно используются как синонимы [1].
Определение местоположения (ОМП) в сетях радиодоступа (СРД), сотовых сетях подвижной радиосвязи (СПРС) основано на принципах радиолокации и радионавигации для измерения координат объектов с помощью радиоволн. Радиолокация отличается от радионавигации тем, что в последней более активную роль играет объект, координаты которого измеряются. Рассмотрим классификацию стандартов сетевого ОМП в СПРС 2G–4G по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, а также категориям вычислений в сети.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНДАРТОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
При позиционировании абонентских терминалов (АТ) используются опорные станции с известным местоположением: базовые станции (БС) в СПРС или спутники в глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС). Позиционирование в СПРС применяется в случаях, когда прием сигнала ГНСС/GNSS затруднен, например, в условиях плотной городской застройки и/или внутри помещений. Для сбора первичных измерений в СПРС подходит не только канал "вниз" DL (Downlink) от БС к АТ, но и канал "вверх" UL (Uplink) от АТ к БС. В результате обработки первичных измерений с использованием алгоритма ОМП и знания координат опорных БС вычисляются координаты АТ.
В зависимости от того, где производятся вычисления, различают позиционирование с вычислениями в терминале и сети. При позиционировании с вычислениями в терминале АТ оценивает координаты самостоятельно на основе первичных измерений, полученных от передающих опорных БС или спутников; данные сопровождения (координаты опорных станций) поступают из сети. При позиционировании с вычислениями в сети оценка производится сетевым сервером геолокации; первичные измерения при этом могут формироваться двумя способами: а) АТ передает сигналы, по которым опорные БС выполняют первичные измерения; б) опорные БС передают сигналы, по которым АТ осуществляет первичные измерения и отправляет их обратно в сеть.
При ОМП в СПРС наиболее широко распространено позиционирование с вычислениями в опорной сети; такой подход обеспечивает централизованное управление сервисами мобильной геолокации. В зависимости от степени вовлечения АТ и сетевой инфраструктуры – опорных БС и сервера геолокации – различают следующие способы позиционирования:
а) на основе мобильной станции (Mobile-based) без участия сетевой инфраструктуры, когда АТ измеряет уровень сигнала и определяет МП независимо от сети;
б) с поддержкой сети (Network-assisted), когда процедура ОМП выполняется в АТ, но при поддержке от сети;
в) с поддержкой АТ (MS-assisted), когда АТ измеряет уровни принимаемых от БС сигналов, а сеть определяет МП АТ;
г) на базе сети (Network-based), когда сеть выполняет все функции, связанные ОМП.
Каждый из перечисленных способов ОМП поддерживается одним или несколькими методами позиционирования, которые постоянно развиваются и/или дополняются новыми стандартами, позволяющими устранить или минимизировать недостатки предыдущих. Независимо от того, где выполняется обработка первичных измерений и производится оценка координат, а также независимо от степени вовлечения АТ и сети в процесс ОМП различают принципы позиционирования в СПРС, представленные на рис. 1.
Трилатерация (Trilateration) – принцип оценки координат на основе вычисления точки пересечения геометрических фигур (рис.1а). Для дальномерного метода TоA (Time of Arrival) измеренное время прихода сигнала на плоскости образует окружности, а в пространстве – сферы. Для разностно-дальномерного метода TDоA (Time Difference of Arrival) измеренная разность времени прихода сигнала на плоскости образует гиперболы, а в пространстве – гиперболоиды. Помимо времени прихода, можно измерять уровень принимаемого сигнала RSS (Received Signal Strength) или разность уровней DRSS (Difference of RSS).
Триангуляция (Triangulation) – метод оценки координат на основе вычисления точки пересечения углов прихода сигнала AоA (Angle of Arrival) или направлений прихода сигнала DоA (Direction оf Arrival) (рис.1б).
Метод триангуляции источника радиоизлучения (ИРИ) основан на определении угла/направления прихода сигнала на нескольких позициях AоA/DоA. Для определения угла прихода сигналов используются антенные решетки, устанавливаемые на БС.
Соседство/близость (Proximity) – метод оценки координат на основе известного местоположения ближайшего опорного узла. Примером может служить распространенный метод идентификатора соты Cell ID, который определяет местоположение АТ с точностью до сот (БС) (рис.1в).
Анализ сцен (Scene Analysis, Fingerprinting) – метод оценки координат на основе анализа соответствия текущих первичных измерений (RSS, TоA) имеющимся в базе данных (БД), когда каждому набору измерений в БД соответствует свое местоположение АТ (рис.1г). В качестве примера можно привести так называемый метод радиокарты, полученной по измерениям уровня сигнала RSS; данный метод требует заблаговременного построения радиокарты для заданного участка, то есть предварительные измерения RSS следует занести в БД в зависимости от местоположения АТ. Недостаток метода состоит в том, что любое изменение обстановки на данном участке, способное повлиять на условия распространения радиоволн (РРВ) и таким образом на измерения RSS, требует актуализации радиокарты.
Гибридный (Hybrid) – метод оценки координат на основе комбинации результатов разных методов – применяется для повышения точности ОМП.
В настоящее время системы, использующие перечисленные принципы, активно развиваются, и точность лучших из них достигает единиц метров [1]. Однако на пути реализации таких систем немало проблем, основная из них – многолучевое распространение радиоволн (МРРВ) в условиях города.
Теперь рассмотрим стандарты позиционирования в контексте эволюции СПРС за последние 20 лет.
ЭВОЛЮЦИЯ СТАНДАРТОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Основным стимулом появления и развития стандартов ОМП в СПРС послужило позиционирование в случае экстренного вызова E911/E112. Данная техническая возможность не тарифицируется оператором и является обязательной к реализации национальным регулятором. Помимо регулятора, возможности ОМП представляют интерес как для операторов в целях оптимизации работы радиосети, так и для третьих сторон в целях коммерциализации различных услуг геолокации.
Организация радиосвязи на основе местоположения LAC (Location Aware Communication) позволяет оператору повысить пропускную способность и эффективность радиосети благодаря управлению радиоресурсами и пространственному уплотнению одновременных передач при адаптивном диаграммообразовании. Несмотря на это, операторы долгое время без энтузиазма относились к инвестициям в сетевую инфраструктуру для позиционирования, так как ожидаемый выигрыш мог быть нивелирован затратами; препятствием служила также конфиденциальность МП АТ [1].
Начало стандартизации требований к позиционированию в СПРС было положено в 1996 году, когда Федеральная комиссия по электросвязи FCC (Federal Communications Commission) в отчете FCC 96-264 [2] определила фазы внедрения служб ОМП в СПРС для случаев экстренного вызова. В результате апробации возможностей ОМП на функционирующих сетях в 1999 году в отчете FCC 99-245 [3] было решено дифференцировать требования в зависимости от того, где осуществляется обработка измерений. При позиционировании в терминале требовалась точность 50 м для 67% и 150 м для 95% вызовов. При позиционировании сетью нужна точность 100 м для 67% и 300 м для 95% вызовов. Точность в первом случае оказывалась выше благодаря возможности комбинирования различных измерений.
В 2010 году требования ОМП в СПРС были актуализированы в FCC 10-176 [4] для приведения к показателям общественной безопасности. При позиционировании в терминале нужно было обеспечивать точность 50 м для 67% и 100 м для 90% вызовов; при ОМП сетью требовалась точность 100 м для 67% и 300 м для 90% вызовов.
В 2014 году FCC 14-13 [5] установила требования к точности ОМП внутри помещений: 50 м по горизонтали и 3 м по вертикали для 67% вызовов E911. В 2015-м в FCC 15-9 [6] было предусмотрено ограничение на задержку ОМП не более 30 с; также появились требования к 3D-позиционированию с точностью до квартиры в многоквартирном доме.
В СПРС 2G GSM стандартов для позиционирования изначально не было. Для целей радиосвязи были специфицированы два способа синхронизации передачи. В GSM фазе 1 для улучшения хэндовера была предложена процедура синхронизации по метрике двойного оборота RTT в UL. В GSM фазе 2 была предусмотрена процедура синхронизации OTD, основанная на измерении в DL разности времени прихода сигналов от двух БС. Таким образом, возможности позиционирования в СПРС 2G GSM были ограничены использованием дальномерных измерений по сигналам пакетов синхронизации. Опыт ОМП в GSM показал необходимость синхронизации БС как опорных пунктов приема для реализации трилатерации в перспективе. В 1998 году был создан консорциум 3GPP (3rd Generation Partnership Project), разрабатывающий спецификации СПРС. Функциональное описание сервисов геолокации LCS (Location Service) в СПРС 2G GSM было представлено в 1999 году в 3GPP TS 03.71 [7]. Для GSM были определены следующие методы ОМП: Cell ID, TA, uplink TоA, E-OTD (enhanced OTD). В 2000-х был предложен метод A-GPS, в котором СПРС дополняли возможности спутниковой навигации.
В СПРС 3G UMTS функциональное описание сервисов геолокации было разработано в 1999 году в 3GPP TS 25.305 [8]. Для UMTS были определены следующие методы ОМП: Cell ID, OTDоA с периодами Idle Periods в канале "вниз" DL (IDDL) и A-GPS. Задержки прихода измерялись в DL по пилотному каналу CPICH. В 2005 году в седьмой релиз 3GPP TS 25.305 была включена поддержка метода UTDоA (Uplink TDоA). В 2010 году в десятом релизе 3GPP TS 25.305 добавили поддержку метода сопоставления образов местоположения по радиокарте RFPM (RF Pattern Matching) для повышения точности позиционирования методом Cell ID.
В СПРС 3.9G LTE поддержка технологий позиционирования в LTE релизов 8 и 9 была специфицирована в 2008 году и включала разработку протокола позиционирования АТ в DL, а также систем A-GNSS в части определения методов поддержки систем спутниковой навигации в местах слабого приема спутникового сигнала. Метод позиционирования в канале DL был похож на уже реализованные методы E-OTD в GERAN (GSM) и OTDоA в UTRAN (UMTS). Для эволюционного развития сетей UMTS возможности позиционирования рассматривались в целях не только ОМП в случае экстренного вызова, но и оптимизации работы самоорганизующейся радиосети SON (Self-organizing network).
Объектом совершенствования в сетях LTE был метод OTDоA с IDDL из UMTS, эволюция которого проявилась в том, что предлагалось использовать выделенные опорные сигналы для позиционирования PRS (Positioning Reference Signals) и временное отключение сигнала обслуживающей соты. Сигнал PRS мог располагаться в разных подкадрах для измерения RSTD (Reference Signal Time Difference). В 2009 году в девятом релизе 3GPP TS 36.305 [9] в LTE были специфицированы методы enhanced Cell ID (E-CID), OTDоA с выделенным сигналом позиционирования PRS, а также A-GNSS. В четвертом релизе 3GPP TR 25.847 [10] были предложены методы OTDоA-PE, а также дифференциальная ГНСС DGPS-A.
СПРС 4G LTE-Advanced введено понятие гетерогенных сетей с макро- и микросотами и такими техническими решениями, как агрегация полос CA (Carrier Aggregation), координированная многоточечная передача/прием CoMP (Coordinated Multipoint) и технологии MIMO; ширина частотного канала могла достигать 100 МГц. В LTE-A для ОМП рассматривались следующие возможности.
Во-первых, в 2012 году в 11-м релизе 3GPP TS 36.305
было включено позиционирование UTDоA для дополнения систем A-GNSS в условиях слабого приема спутникового сигнала, а также для поддержки станций без возможности обработки сигналов в DL по методу OTDоA. Измерения в UTDоA производятся в LMU по сигналам UL в физическом канале PUSCH (Physical Uplink Shared Channel).
Во-вторых, в 2013 году в 12-м релизе 3GPP TR 36.809 [11] был специфицирован метод радиокарты RF fingerprinting.
В-третьих, для повышения точности позиционирования в 13-м релизе 3GPP TR 36.855 [12] были специфицированы следующие возможности: а) разнесенная передача/прием сигналов PRS; б) гетерогенная сеть с макро- и микросотами (последние при этом могли улучшить прием сигналов PRS); в) множественные соты с CA/CoMP для повышения точности позиционирования E-CID.
На рис.2 представлена хронология развития стандартов ОМП в СПРС 2G–4G.
В СПРС 4,5G LTE-Advanced Pro консорциум 3GPP отводил особое внимание позиционированию внутри помещений, что объяснялось повышенными требованиями к точности ОМП, регламентированными FCC для служб E911; доработки были специфицированы в 2016 году в 3GPP TR 37.857 [13]. Благодаря влиянию FCC стандартизация технологий позиционирования получила новый стимул; было предложено несколько улучшений существующих методов 3GPP: OTDоA, UTDоA, E-CID, RFPM, а также технологий позиционирования, отличных от 3GPP, таких как A-GNSS, маяки TBS (Terrestrial Beacon Systems), СРД WiFi/Bluetooth, использование барометра.
В СПРС 4,5G LTE-A Pro для ОМП рассматривались следующие возможности.
Во-первых, улучшение метода OTDоA путем: а) повышения характеристик передачи сигнала PRS в полосе частот более 20 МГц за счет агрегации полос; б) использования новых форматов PRS в нелицензируемых диапазонах (LTE-U); в) повышения вероятности радиоприема сигналов PRS в сценариях CoMP с большим числом пикосот.
Во-вторых, использование режима D2D (Device-to-Device): устройства UE, выполняющие роль опорных пунктов с известным местоположением, могли кооперироваться с устройствами UE – объектами позиционирования – для повышения точности ОМП посредством дальномерных и мощностных измерений по каналу PS-DCH (Physical Sidelink Discovery Channel).
В-третьих, использование MIMO позволяло улучшить ОМП по вертикали посредством множественных антенн и технологии диаграммообразования по высоте elevation beamforming.
В-четвертых, дальномерные и мощностные измерения в СРД WLAN/Bluetooth могли комбинироваться с измерениями сети 3GPP.
В-пятых, включение маяков TBS в пределах развернутой инфраструктуры СПРС позволяло повысить точность ОМП.
В-шестых, включение барометра в перечень средств ОМП дало возможность повысить вертикальную точность позиционирования. Средства повышения точности позиционирования, такие как TBS, WLAN/Bluetooth и барометр, были специфицированы в 2016 году в 13-м релизе 3GPP TS 36.305.
В табл.1 представлены достижимые параметры точности ОМП в существующих СПРС [1].
На рис.3 показаны пределы точности ОМП снаружи и внутри помещений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ возможностей технологий позиционирования позволяет сделать вывод о том, что рассмотренные методы, средства и стандарты сетевого определения местоположения на протяжении последних 20 лет совершенствовались по мере эволюции поколений сетей мобильной радиосвязи и позволили приблизиться к параметрам точности в единицы метров. Технологии позиционирования, как входящие в 3GPP, так и сторонние, такие как GNSS, TBS, IMU, WiFi/Bluetooth, удовлетворяют достаточно широкий спектр требований к точности ОМП в различных сценариях, особенно при условии их совместного использования. Однако в ряде сценариев существующие технологии позиционирования не обеспечивают требуемой точности, поэтому актуально проведение исследований технологий позиционирования в радиосетях 5G. Особенно это касается сценариев внутри помещений и в условиях плотной городской застройки. Ожидается, что сверхплотные сети радиодоступа 5G будут призваны решить задачу позиционирования с точностью менее одного метра.
ЛИТЕРАТУРА
del Peral-Rosado J.A., Raulefs R., López-Salcedo J.A., Seco-Granados G. Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: From 1G to 5G // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. Vol. 20. No. 2. P. 1124–1148.
FCC 96-264, Report & order and further notice of proposed rulemaking on revision of the FCC rules to ensure compatibility with enhanced 911 emergency calling systems, tech. rep., 1996.
FCC 99-245, Third report and order on E-911 phase II requirements, tech. rep., Sept. 1999.
FCC 10-176, Second report and order on wireless E911 location accuracy requirements, tech. rep., Sept. 2010.
FCC 14-13, Third further notice of proposed rulemaking on wireless E911 location accuracy requirements, tech. rep., Feb. 2014.
FCC 15-9, Fourth report and order on wireless E911 location accuracy requirements, tech. rep., Jan. 2015.
PP TS 03.71, Location services (LCS); Functional description; Stage 2, Rel. 98, V7.0.0, June 1999.
PP TS 25.305, Stage 2 functional specification of user equipment (UE) positioning in UTRAN, Rel. 99, V3.0.0, Dec. 1999.
PP TS 36.305, Stage 2 functional specification of UE positioning in E-UTRAN, Rel. 9, V9.0.0, Sep. 2009.
PP TR 25.847, UE positioning enhancements, Rel. 4, V4.0.0, Mar. 2001.
PP TR 36.809, RF pattern matching location method in LTE, Rel. 12, V12.0.0, Sep. 2013.
PP TR 36.855, Feasibility of positioning enhancements for EUTRA, Rel. 13, V13.0.0, Jan. 2015.
PP TR 37.857, Study on indoor positioning enhancements for UTRA and LTE, Rel. 13, V13.1.0, Jan. 2016.
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.969.36, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.30.35
Во второй части исследования, посвященного эволюции технологий позиционирования в сотовых сетях подвижной радиосвязи, приводится хронология развития стандартов сетевого позиционирования абонентского терминала с использованием базовых станций сети радиодоступа и дополнительной инфраструктуры. Представленные стандарты классифицированы по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, а также по категориям вычислений в сети или терминале. Рассмотрены оценки пределов точности, на основе которых формулируются перспективы развития сетевого позиционирования в экосистеме 5G.
ВВЕДЕНИЕ
В англоязычной литературе определение местоположения обозначается двумя терминами: positioning – позиционирование (определение географических координат объекта; позиция может быть представлена точкой в декартовых координатах местоположения (МП) объекта) и localization – локализация (отображение координат на карте; идентификация МП на местности / электронной карте), которые обычно используются как синонимы [1].
Определение местоположения (ОМП) в сетях радиодоступа (СРД), сотовых сетях подвижной радиосвязи (СПРС) основано на принципах радиолокации и радионавигации для измерения координат объектов с помощью радиоволн. Радиолокация отличается от радионавигации тем, что в последней более активную роль играет объект, координаты которого измеряются. Рассмотрим классификацию стандартов сетевого ОМП в СПРС 2G–4G по принципам соседства, трилатерации и анализа сцен, а также категориям вычислений в сети.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНДАРТОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
При позиционировании абонентских терминалов (АТ) используются опорные станции с известным местоположением: базовые станции (БС) в СПРС или спутники в глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС). Позиционирование в СПРС применяется в случаях, когда прием сигнала ГНСС/GNSS затруднен, например, в условиях плотной городской застройки и/или внутри помещений. Для сбора первичных измерений в СПРС подходит не только канал "вниз" DL (Downlink) от БС к АТ, но и канал "вверх" UL (Uplink) от АТ к БС. В результате обработки первичных измерений с использованием алгоритма ОМП и знания координат опорных БС вычисляются координаты АТ.
В зависимости от того, где производятся вычисления, различают позиционирование с вычислениями в терминале и сети. При позиционировании с вычислениями в терминале АТ оценивает координаты самостоятельно на основе первичных измерений, полученных от передающих опорных БС или спутников; данные сопровождения (координаты опорных станций) поступают из сети. При позиционировании с вычислениями в сети оценка производится сетевым сервером геолокации; первичные измерения при этом могут формироваться двумя способами: а) АТ передает сигналы, по которым опорные БС выполняют первичные измерения; б) опорные БС передают сигналы, по которым АТ осуществляет первичные измерения и отправляет их обратно в сеть.
При ОМП в СПРС наиболее широко распространено позиционирование с вычислениями в опорной сети; такой подход обеспечивает централизованное управление сервисами мобильной геолокации. В зависимости от степени вовлечения АТ и сетевой инфраструктуры – опорных БС и сервера геолокации – различают следующие способы позиционирования:
а) на основе мобильной станции (Mobile-based) без участия сетевой инфраструктуры, когда АТ измеряет уровень сигнала и определяет МП независимо от сети;
б) с поддержкой сети (Network-assisted), когда процедура ОМП выполняется в АТ, но при поддержке от сети;
в) с поддержкой АТ (MS-assisted), когда АТ измеряет уровни принимаемых от БС сигналов, а сеть определяет МП АТ;
г) на базе сети (Network-based), когда сеть выполняет все функции, связанные ОМП.
Каждый из перечисленных способов ОМП поддерживается одним или несколькими методами позиционирования, которые постоянно развиваются и/или дополняются новыми стандартами, позволяющими устранить или минимизировать недостатки предыдущих. Независимо от того, где выполняется обработка первичных измерений и производится оценка координат, а также независимо от степени вовлечения АТ и сети в процесс ОМП различают принципы позиционирования в СПРС, представленные на рис. 1.
Трилатерация (Trilateration) – принцип оценки координат на основе вычисления точки пересечения геометрических фигур (рис.1а). Для дальномерного метода TоA (Time of Arrival) измеренное время прихода сигнала на плоскости образует окружности, а в пространстве – сферы. Для разностно-дальномерного метода TDоA (Time Difference of Arrival) измеренная разность времени прихода сигнала на плоскости образует гиперболы, а в пространстве – гиперболоиды. Помимо времени прихода, можно измерять уровень принимаемого сигнала RSS (Received Signal Strength) или разность уровней DRSS (Difference of RSS).
Триангуляция (Triangulation) – метод оценки координат на основе вычисления точки пересечения углов прихода сигнала AоA (Angle of Arrival) или направлений прихода сигнала DоA (Direction оf Arrival) (рис.1б).
Метод триангуляции источника радиоизлучения (ИРИ) основан на определении угла/направления прихода сигнала на нескольких позициях AоA/DоA. Для определения угла прихода сигналов используются антенные решетки, устанавливаемые на БС.
Соседство/близость (Proximity) – метод оценки координат на основе известного местоположения ближайшего опорного узла. Примером может служить распространенный метод идентификатора соты Cell ID, который определяет местоположение АТ с точностью до сот (БС) (рис.1в).
Анализ сцен (Scene Analysis, Fingerprinting) – метод оценки координат на основе анализа соответствия текущих первичных измерений (RSS, TоA) имеющимся в базе данных (БД), когда каждому набору измерений в БД соответствует свое местоположение АТ (рис.1г). В качестве примера можно привести так называемый метод радиокарты, полученной по измерениям уровня сигнала RSS; данный метод требует заблаговременного построения радиокарты для заданного участка, то есть предварительные измерения RSS следует занести в БД в зависимости от местоположения АТ. Недостаток метода состоит в том, что любое изменение обстановки на данном участке, способное повлиять на условия распространения радиоволн (РРВ) и таким образом на измерения RSS, требует актуализации радиокарты.
Гибридный (Hybrid) – метод оценки координат на основе комбинации результатов разных методов – применяется для повышения точности ОМП.
В настоящее время системы, использующие перечисленные принципы, активно развиваются, и точность лучших из них достигает единиц метров [1]. Однако на пути реализации таких систем немало проблем, основная из них – многолучевое распространение радиоволн (МРРВ) в условиях города.
Теперь рассмотрим стандарты позиционирования в контексте эволюции СПРС за последние 20 лет.
ЭВОЛЮЦИЯ СТАНДАРТОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Основным стимулом появления и развития стандартов ОМП в СПРС послужило позиционирование в случае экстренного вызова E911/E112. Данная техническая возможность не тарифицируется оператором и является обязательной к реализации национальным регулятором. Помимо регулятора, возможности ОМП представляют интерес как для операторов в целях оптимизации работы радиосети, так и для третьих сторон в целях коммерциализации различных услуг геолокации.
Организация радиосвязи на основе местоположения LAC (Location Aware Communication) позволяет оператору повысить пропускную способность и эффективность радиосети благодаря управлению радиоресурсами и пространственному уплотнению одновременных передач при адаптивном диаграммообразовании. Несмотря на это, операторы долгое время без энтузиазма относились к инвестициям в сетевую инфраструктуру для позиционирования, так как ожидаемый выигрыш мог быть нивелирован затратами; препятствием служила также конфиденциальность МП АТ [1].
Начало стандартизации требований к позиционированию в СПРС было положено в 1996 году, когда Федеральная комиссия по электросвязи FCC (Federal Communications Commission) в отчете FCC 96-264 [2] определила фазы внедрения служб ОМП в СПРС для случаев экстренного вызова. В результате апробации возможностей ОМП на функционирующих сетях в 1999 году в отчете FCC 99-245 [3] было решено дифференцировать требования в зависимости от того, где осуществляется обработка измерений. При позиционировании в терминале требовалась точность 50 м для 67% и 150 м для 95% вызовов. При позиционировании сетью нужна точность 100 м для 67% и 300 м для 95% вызовов. Точность в первом случае оказывалась выше благодаря возможности комбинирования различных измерений.
В 2010 году требования ОМП в СПРС были актуализированы в FCC 10-176 [4] для приведения к показателям общественной безопасности. При позиционировании в терминале нужно было обеспечивать точность 50 м для 67% и 100 м для 90% вызовов; при ОМП сетью требовалась точность 100 м для 67% и 300 м для 90% вызовов.
В 2014 году FCC 14-13 [5] установила требования к точности ОМП внутри помещений: 50 м по горизонтали и 3 м по вертикали для 67% вызовов E911. В 2015-м в FCC 15-9 [6] было предусмотрено ограничение на задержку ОМП не более 30 с; также появились требования к 3D-позиционированию с точностью до квартиры в многоквартирном доме.
В СПРС 2G GSM стандартов для позиционирования изначально не было. Для целей радиосвязи были специфицированы два способа синхронизации передачи. В GSM фазе 1 для улучшения хэндовера была предложена процедура синхронизации по метрике двойного оборота RTT в UL. В GSM фазе 2 была предусмотрена процедура синхронизации OTD, основанная на измерении в DL разности времени прихода сигналов от двух БС. Таким образом, возможности позиционирования в СПРС 2G GSM были ограничены использованием дальномерных измерений по сигналам пакетов синхронизации. Опыт ОМП в GSM показал необходимость синхронизации БС как опорных пунктов приема для реализации трилатерации в перспективе. В 1998 году был создан консорциум 3GPP (3rd Generation Partnership Project), разрабатывающий спецификации СПРС. Функциональное описание сервисов геолокации LCS (Location Service) в СПРС 2G GSM было представлено в 1999 году в 3GPP TS 03.71 [7]. Для GSM были определены следующие методы ОМП: Cell ID, TA, uplink TоA, E-OTD (enhanced OTD). В 2000-х был предложен метод A-GPS, в котором СПРС дополняли возможности спутниковой навигации.
В СПРС 3G UMTS функциональное описание сервисов геолокации было разработано в 1999 году в 3GPP TS 25.305 [8]. Для UMTS были определены следующие методы ОМП: Cell ID, OTDоA с периодами Idle Periods в канале "вниз" DL (IDDL) и A-GPS. Задержки прихода измерялись в DL по пилотному каналу CPICH. В 2005 году в седьмой релиз 3GPP TS 25.305 была включена поддержка метода UTDоA (Uplink TDоA). В 2010 году в десятом релизе 3GPP TS 25.305 добавили поддержку метода сопоставления образов местоположения по радиокарте RFPM (RF Pattern Matching) для повышения точности позиционирования методом Cell ID.
В СПРС 3.9G LTE поддержка технологий позиционирования в LTE релизов 8 и 9 была специфицирована в 2008 году и включала разработку протокола позиционирования АТ в DL, а также систем A-GNSS в части определения методов поддержки систем спутниковой навигации в местах слабого приема спутникового сигнала. Метод позиционирования в канале DL был похож на уже реализованные методы E-OTD в GERAN (GSM) и OTDоA в UTRAN (UMTS). Для эволюционного развития сетей UMTS возможности позиционирования рассматривались в целях не только ОМП в случае экстренного вызова, но и оптимизации работы самоорганизующейся радиосети SON (Self-organizing network).
Объектом совершенствования в сетях LTE был метод OTDоA с IDDL из UMTS, эволюция которого проявилась в том, что предлагалось использовать выделенные опорные сигналы для позиционирования PRS (Positioning Reference Signals) и временное отключение сигнала обслуживающей соты. Сигнал PRS мог располагаться в разных подкадрах для измерения RSTD (Reference Signal Time Difference). В 2009 году в девятом релизе 3GPP TS 36.305 [9] в LTE были специфицированы методы enhanced Cell ID (E-CID), OTDоA с выделенным сигналом позиционирования PRS, а также A-GNSS. В четвертом релизе 3GPP TR 25.847 [10] были предложены методы OTDоA-PE, а также дифференциальная ГНСС DGPS-A.
СПРС 4G LTE-Advanced введено понятие гетерогенных сетей с макро- и микросотами и такими техническими решениями, как агрегация полос CA (Carrier Aggregation), координированная многоточечная передача/прием CoMP (Coordinated Multipoint) и технологии MIMO; ширина частотного канала могла достигать 100 МГц. В LTE-A для ОМП рассматривались следующие возможности.
Во-первых, в 2012 году в 11-м релизе 3GPP TS 36.305
было включено позиционирование UTDоA для дополнения систем A-GNSS в условиях слабого приема спутникового сигнала, а также для поддержки станций без возможности обработки сигналов в DL по методу OTDоA. Измерения в UTDоA производятся в LMU по сигналам UL в физическом канале PUSCH (Physical Uplink Shared Channel).
Во-вторых, в 2013 году в 12-м релизе 3GPP TR 36.809 [11] был специфицирован метод радиокарты RF fingerprinting.
В-третьих, для повышения точности позиционирования в 13-м релизе 3GPP TR 36.855 [12] были специфицированы следующие возможности: а) разнесенная передача/прием сигналов PRS; б) гетерогенная сеть с макро- и микросотами (последние при этом могли улучшить прием сигналов PRS); в) множественные соты с CA/CoMP для повышения точности позиционирования E-CID.
На рис.2 представлена хронология развития стандартов ОМП в СПРС 2G–4G.
В СПРС 4,5G LTE-Advanced Pro консорциум 3GPP отводил особое внимание позиционированию внутри помещений, что объяснялось повышенными требованиями к точности ОМП, регламентированными FCC для служб E911; доработки были специфицированы в 2016 году в 3GPP TR 37.857 [13]. Благодаря влиянию FCC стандартизация технологий позиционирования получила новый стимул; было предложено несколько улучшений существующих методов 3GPP: OTDоA, UTDоA, E-CID, RFPM, а также технологий позиционирования, отличных от 3GPP, таких как A-GNSS, маяки TBS (Terrestrial Beacon Systems), СРД WiFi/Bluetooth, использование барометра.
В СПРС 4,5G LTE-A Pro для ОМП рассматривались следующие возможности.
Во-первых, улучшение метода OTDоA путем: а) повышения характеристик передачи сигнала PRS в полосе частот более 20 МГц за счет агрегации полос; б) использования новых форматов PRS в нелицензируемых диапазонах (LTE-U); в) повышения вероятности радиоприема сигналов PRS в сценариях CoMP с большим числом пикосот.
Во-вторых, использование режима D2D (Device-to-Device): устройства UE, выполняющие роль опорных пунктов с известным местоположением, могли кооперироваться с устройствами UE – объектами позиционирования – для повышения точности ОМП посредством дальномерных и мощностных измерений по каналу PS-DCH (Physical Sidelink Discovery Channel).
В-третьих, использование MIMO позволяло улучшить ОМП по вертикали посредством множественных антенн и технологии диаграммообразования по высоте elevation beamforming.
В-четвертых, дальномерные и мощностные измерения в СРД WLAN/Bluetooth могли комбинироваться с измерениями сети 3GPP.
В-пятых, включение маяков TBS в пределах развернутой инфраструктуры СПРС позволяло повысить точность ОМП.
В-шестых, включение барометра в перечень средств ОМП дало возможность повысить вертикальную точность позиционирования. Средства повышения точности позиционирования, такие как TBS, WLAN/Bluetooth и барометр, были специфицированы в 2016 году в 13-м релизе 3GPP TS 36.305.
В табл.1 представлены достижимые параметры точности ОМП в существующих СПРС [1].
На рис.3 показаны пределы точности ОМП снаружи и внутри помещений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ возможностей технологий позиционирования позволяет сделать вывод о том, что рассмотренные методы, средства и стандарты сетевого определения местоположения на протяжении последних 20 лет совершенствовались по мере эволюции поколений сетей мобильной радиосвязи и позволили приблизиться к параметрам точности в единицы метров. Технологии позиционирования, как входящие в 3GPP, так и сторонние, такие как GNSS, TBS, IMU, WiFi/Bluetooth, удовлетворяют достаточно широкий спектр требований к точности ОМП в различных сценариях, особенно при условии их совместного использования. Однако в ряде сценариев существующие технологии позиционирования не обеспечивают требуемой точности, поэтому актуально проведение исследований технологий позиционирования в радиосетях 5G. Особенно это касается сценариев внутри помещений и в условиях плотной городской застройки. Ожидается, что сверхплотные сети радиодоступа 5G будут призваны решить задачу позиционирования с точностью менее одного метра.
ЛИТЕРАТУРА
del Peral-Rosado J.A., Raulefs R., López-Salcedo J.A., Seco-Granados G. Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: From 1G to 5G // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. Vol. 20. No. 2. P. 1124–1148.
FCC 96-264, Report & order and further notice of proposed rulemaking on revision of the FCC rules to ensure compatibility with enhanced 911 emergency calling systems, tech. rep., 1996.
FCC 99-245, Third report and order on E-911 phase II requirements, tech. rep., Sept. 1999.
FCC 10-176, Second report and order on wireless E911 location accuracy requirements, tech. rep., Sept. 2010.
FCC 14-13, Third further notice of proposed rulemaking on wireless E911 location accuracy requirements, tech. rep., Feb. 2014.
FCC 15-9, Fourth report and order on wireless E911 location accuracy requirements, tech. rep., Jan. 2015.
PP TS 03.71, Location services (LCS); Functional description; Stage 2, Rel. 98, V7.0.0, June 1999.
PP TS 25.305, Stage 2 functional specification of user equipment (UE) positioning in UTRAN, Rel. 99, V3.0.0, Dec. 1999.
PP TS 36.305, Stage 2 functional specification of UE positioning in E-UTRAN, Rel. 9, V9.0.0, Sep. 2009.
PP TR 25.847, UE positioning enhancements, Rel. 4, V4.0.0, Mar. 2001.
PP TR 36.809, RF pattern matching location method in LTE, Rel. 12, V12.0.0, Sep. 2013.
PP TR 36.855, Feasibility of positioning enhancements for EUTRA, Rel. 13, V13.0.0, Jan. 2015.
PP TR 37.857, Study on indoor positioning enhancements for UTRA and LTE, Rel. 13, V13.1.0, Jan. 2016.
Отзывы читателей
