автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Повышение точности позиционирования абонентских станций в сотовых сетях мобильной радиосвязи

На правах рукописи

005010.54*.

Степутин Антон Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ В СОТОВЫХ СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Специальность 05.12.13. -системы, сети и устройства телекоммуникаций

9 ФЕЗ 2072

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

005010302

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Валерий Юрьевич Бабков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Виктор Аркадьевич Жиров

кандидат технических наук, доцент Евгений Александрович Попов

Ведущая организация ФГУП ЛО ЦНИИС (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится « сг* 03 гъ/лхъ -/О часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан _

Ученый секретарь диссертационного совета <

кандидат технических наук, доцент

^ё^Харш/к

оное

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С развитием телекоммуникационной отрасли, разработкой и внедрением новых стандартов связи и безопасности возникает необходимость предоставления точных данных о местоположении абонентских станций для оказания пользователям сетей мобильной связи навигационных услуг, помощи при авариях, обеспечения их безопасности, а также для использования в системе оперативно-розыскных мероприятий (СОРМ). При этом требуется высокая точность определения географических координат абонентских станций (АС) и их однозначная привязка к цифровой карте местности. Сейчас операторы мобильной связи не обеспечивают высокой точности позиционирования абонентских станций, что существенно затрудняет решение вышеуказанных задач.

Спутниковые системы позиционирования обладают более высокой точностью позиционирования абонентских станций, но им, в свою очередь, свойственны следующие серьезные недостатки, существенно ограничивающие область их применения:

- усложнение абонентского и базового оборудования сотовых сетей мобильной связи;

- зависимость точности позиционирования от морфоструктуры местности;

- повышение энергопотребления АС;

- ощутимые временные задержки при оценке местоположения («холодный старт»);

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

- зависимость от состояния глобальной космической группировки и воли ее владельцев;

- слабая помехозащищённость, особенно от преднамеренных радиопомех.

В связи с этим необходима разработка и внедрение новых подходов без

применения спутниковых систем позиционирования. Приведенные факты являются предпосылкой для внедрения комплексных решений задачи точного позиционирования абонентских станций, поэтому решение на основе совместно функционирующих сетей мобильной связи и специальной пеленгационной сети представляется актуальным.

Объектом исследования является сеть мобильной связи и позиционирования, осуществляющая определение местоположение АС стандартов С8М-90(Ш8М-1800/иМТ8.

Предметом исследования являются вопросы построения и функционирования сети мобильной связи и позиционирования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении точности при решении задач позиционирования абонентских станций в сотовых сетях мобильной радиосвязи.

Научная задача заключается в разработке методики построения и процедур совместного функционирования сетей сотовой мобильной радиосвязи

и позиционирования, обеспечивающих требуемую точность определения местоположения абонентских станций.

Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории вероятности и статистики, теории распространения радиоволн, теории антенных решеток, методы математического и имитационного моделирования.

Достоверность полученных результатов обеспечена адекватным применением математических методов, корректностью постановок решаемых задач, вводимых допущений, ограничений и формулировок выводов, непротиворечивостью полученных результатов известным результатам предшествующих исследований, обсуждением полученных научных результатов на научно-технических конференциях, имитационным моделированием, публикацией основных результатов работы в периодических научных изданиях, проведением патентных исследований и получением патента на полезную модель, применением полученных рекомендаций для коммерческой сети GSM/UMTS ОАО «Мобильные ТелеСистемы» Филиал Макро-регион «Северо-Запад».

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты.

1. Предложена структура многодиапазонной сотовой сети мобильной связи и пеленгационной сети, обеспечивающая решение задач предоставления услуг мобильной связи в стандартах GSM/UMTS и позиционирования абонентских станций сети.

2. Разработан алгоритм функционирования сети мобильной связи и позиционирования в режиме пеленгации.

3. Разработана методика построения пеленгационной сети на основе пеленгационных кластеров.

4. Разработаны предложения по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи. В частности,

• за счет априорных данных об идентификаторе соты (Cell-ID), в котором находится АС, и данных о трассе распространения радиоволн от Cell-ID до измерительных пунктов (ИП);

• за счет применения мобильных измерительных пунктов (МИЛ).

Получен патент на полезную модель «Система определения

местоположения мобильных объектов».

Практическая ценность работы. Результаты проведенного исследования применимы для практических приложений при проектировании сетей позиционирования абонентских станций. Разработанные алгоритмы позволяют оценить структуру пеленгационной сети в зонах с различной электромагнитной доступностью. В связи с этим результаты работы могут быть использованы при построении начального приближения пеленгационной сети, оценке числа и параметров измерительных пунктов, необходимых для позиционирования абонентских станций на определенной территории с заданной погрешностью.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича и ОАО «Мобильные ТелеСистемы».

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 61-й и 62-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010); II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010); IV Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, 2010); II Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2010); Международной научной школе для молодежи «Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий» (г. Санкт-Петербург, 2010); 7-й Международной молодежной НТК студентов, аспирантов и ученых «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2011» (г. Севастополь, 2011); 65-й НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ (г. Санкт-Петербург, 2011). Получен патент на полезную модель №93545 от 27.04.2010 «Система определения местоположения мобильных объектов».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименования, и приложений. Работа содержит 210 страниц текста, 93 рисунка и 32 таблицы.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Структура, алгоритм работы и процедуры функционирования сети мобильной связи и позиционирования.

2. Методика построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети.

3. Рекомендации по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи, показана новизна и практическая ценность работы. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена классификация и описание методов позиционирования АС в сетях мобильной связи стандартов GSM и UMTS. Показано, что существующие технологии позиционирования в сетях мобильной связи дают большую погрешность позиционирования АС либо требуют значительных затрат на их реализацию. В связи с этим большинство операторов мобильной связи на практике используют самый простой и дешевый метод позиционирования, основанный на определении идентификатора соты (Cell-

з

Ю), в котором находится АС. Данный метод позволяет определить местоположение АС с точностью, соизмеримой с размером соты, в которой находится искомая АС. Данная точность позиционирования не является достаточной для оказания пользователям сетей мобильной связи навигационных услуг, помощи при авариях, обеспечения их безопасности, а также для использования в СОРМ.

В заключение главы сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе поставлена задача разработки структуры сети, которая включает в себя два сегмента: сеть мобильной радиосвязи и пеленгационную сеть. Структура сети мобильной связи и позиционирования приведена на рис. 1. Измерительные пункты пеленгационной сети располагаются в позиционных районах базовых станций (БС) и имеют в своем составе приемники С8М-1800 и антенные устройства, представляющие собой приемные фазированные антенные решетки (ФАР) с электронным управлением. Управление и обработка результатов работы пеленгационной сети производится в специальном пульте управления, который взаимодействует с контроллерами и системой коммутации сети мобильной связи. Задача позиционирования решается в несколько этапов: 1-й этап - позиционирование АС методами, реализованными в действующих сетях мобильной связи. На дальнейших этапах происходит уточнение местоположения АС средствами пеленгационной сети.

Элементы сети

сети

Рис.1. Общая структурная схема сети мобильной связи и позиционирования

В общем виде алгоритм совместного функционирования сети мобильной связи и пеленгации при решении задач позиционирования АС приведен на рис. 2. Схема передачи команд между элементами сети мобильной связи и позиционирования представлена на рис. 3.

Поступление запросаот пульта управления на позиционирование АС по ее ШБММН/ МвГСОМ

ЭТАП 1 Запрос СеП-ГО сектора, в

котором находится АС

Если известно последнее местоположения АС, то решается вопрос о выезде мобильной пелснгационной группы

Запрос ва обновление информации о местонахождении

АС всетв__

Определение измерительных пунетов, • которые обслуживают территорию сектора с заданным СеЛ-Ш

ЭТАП 5

Передача команды на измерительные пункты запеленговать искомую АС

Нет Проведение повторных

измерений

Расчет местоположения абонентской станции н погрешности. Входные параметры: координаты измерительных пушсгов, участвовавших в пеленгации, и пеленга на абонентскую станцию.

Возвращаемые параметры: координаты абонентской станции и погрешность _позиционирования

Решается вопрос о выезде мобильной пеленгационной группы

Передача результатов на пульт управления

Рис. 2. Алгоритм работа сети мобильной связи и позиционирования в режиме пеленгации

Элементы сети Элемент сета

Рис. 3. Сигнальный обмен между элементами сети в режиме пеленгации

Частные алгоритмы работы и процедуры функционирования сети мобильной связи и позиционирования включают следующие этапы:

Этап 1. Процедура определения сектора сети мобильной связи, в котором находится абонентская станция.

Этап 2. Процедура определения списка измерительных пунктов, пеленгующих искомую абонентскую станцию. На данном этапе после поступления в пульт управления информации о Cell-ID, в котором находится АС, происходит сопоставление «Cell-ID - ИП». Пульт управления содержит базу данных соответствия «Cell-ID - ИП, которые обслуживают данный Cell-ID». Информация о зоне нахождения АС поступает с пульта управления через контроллер базовых станций на соответствующие ИП для позиционирования АС с более высокой точностью.

Этап 3. Алгоритм перехода АС в режим работы в стандарте GSM-1S00. Поскольку большинство GSM-телефонов, используемых в России, поддерживают протоколы GSM-900 и GSM-1800 и почти все UMTS-телефоны могут работать в сетях GSM, то на третьем этапе предлагается на короткий промежуток времени осуществить перевод АС в сеть стандарта GSM-1800, в течение которого будет произведено позиционирование искомой АС. Использование данного алгоритма способствует унификации оборудования в

б

составе ИП и, как следствие, уменьшению его конструктивной сложности и стоимости. Помимо этого, ФАР, работающие в диапазоне частот 1800-1900 МГц, обладают, по сравнению с ФАР 900-го диапазона, меньшими конструктивными размерами, более узкой диаграммой направленности и большим коэффициентом усиления. Также необходимо отметить, что принудительный перевод АС из стандарта UMTS в стандарт GSM-1800 на время пеленгования является перспективным решением в плане повышения электромагнитной доступности АС средствами пеленгационной сети, поскольку стандарт связи GSM-1800 имеет большую дальность действия по сравнению с UMTS за счет меньших рабочих частот и большей мощности АС. Варианты процедур перехода в GSM-1800 в зависимости от режима и стандарта работы АС приведены в табл. 1.

Таблица 1

^\Режим работы Стандарт Активный Ожидания

Коммутация каналов Коммутация пакетов

GSM-900 Жесткий хэвдовер Реселекция соты Реселекция соты

UMTS Межсетевой хэндовер Реселекция соты Реселекция соты

Этап 4. Алгоритм выхода абонентской станции на максимальную мощность передачи. В процессе позиционирования, когда АС приближается к БС, ее мощность уменьшается и возникает проблема электромагнитной доступности по восходящей линии от АС к ИП (так называемый эффект «ближний - дальний»), что в свою очередь существенно уменьшает точность позиционирования. В качестве метода устранения этого негативного явления предлагается использовать алгоритм принудительного вывода на максимальную мощность передатчика АС на короткий промежуток времени, во время которого будет осуществляться позиционирование АС за счет средств пеленгационной сети. Процедура выхода АС в режим максимальной мощности зависит от режима, в котором работает в момент позиционирования АС. Соответствие режима работы АС и процедуры выхода АС в режим максимальной мощности представлено в табл. 2.

Этап 5. Процедура позиционирования абонентской станции средствами пеленгационной сети. Измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения АС относительно линии (базы), соединяющей два ИП сети.

Таблица2

Режим работы АС Способ перевода АС в режим максимальной мощности

Активный 1) Отправка контроллером БС управляющего сообщения MS_TXPWR_MAX_CCH = РМАХ. В результате на 1 следующий кадр передатчик АС включится на максимальную мощность.

2) Кратковременное повышение порога pcLowerThresholdsLevUL для выполнения неравенства AV_RXLEV_bT_PC<MS_TXPWR-MSTxPwrMax+pcLowerThresholdsLevUL, в результате чего выполняется экстренный режим повышения мощности до максимального значения

Ожидания Выполнение процедуры пейджинга АС. При обращении к сети на PRACH или RACH и до получения первых указаний на управление мощностью АС использует максимальную выходную мощность.

Разработанные структура, алгоритм работы и процедуры функционирования сети мобильной связи и позиционирования способствуют:

• унификации оборудования в составе ИП и, как следствие, уменьшению его конструктивной сложности и стоимости;

• снижению сигнальной нагрузки на пеленгационную сеть;

• повышению электромагнитной доступности АС средствами пеленгационной сети;

• уменьшению эффекта «ближний - дальний».

В третьей главе разработана методика построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами позиционирования.

При построении пеленгационной сети предлагается использовать пеленгационные кластеры, параметры которых (число ИП и их размещение по структуре сети мобильной связи) должны обеспечивать требуемые параметры позиционирования АС и минимальное число ИП в составе стационарной пеленгационной сети.

При построении пеленгационных кластеров полагается, что исходный фрагмент сети мобильной связи является однородным, т.е. размеры всех сот и секторов одинаковы, а морфоструктура местности однотипна.

Берется за основу фрагмент сети мобильной связи, соответствующий базовому частотному кластеру 7/21, где 7 - это число БС, а 21 - количество секторов в кластере. На этом фрагменте сети мобильной связи строится пеленгационный кластер в виде структуры, в которой ИП размещены в позиционных районах БС на одинаковом расстоянии от исходной точки привязки, в качестве которой выступает БСО. Структура пеленгационного кластера зависит от секгорированности ФАР в составе ИП.

Выявлено, что по количеству требуемых ИП наиболее оптимальным является пеленгационный кластер в виде равностороннего треугольника, имеющий место, если в составе ИП применяются трехсекторные ФАР с углом сканирования 120°. ИП размещаются в позиционных районах первого кольца окружения (рис. 4).

s

Для обеспечения необходимой точности пеленгации необходимо иметь не менее трех пеленгационных засечек АС, поскольку при применении двух ИП могут быть участки территории, на которых определение АС не возможно или дает большую погрешность позиционирования. При применении трех ИП зона пеленгации (ЗП) пеленгационного кластера представляет собой шестиугольник, который можно аппроксимировать окружностью с радиусом

RP= Щ -А'ко

где R: - радиус соты.

Ако — параметр, который показывает расположение ИП относительно БСО, значение которого определяется по формуле:

A d

В нашем случае Ако=1. Расстояние между ИП определяется по формуле: dKoj2<f = • cos30° ■ Ак0

Пеленгационная сеть развертьшается путем совмещения пеленгационных кластеров со структурой сети мобильной связи. Пример построения пеленгационной сети показан на рис. 5.

Основные параметры пеленгационного кластера при различных значениях Ако трехсекторного сценария сведены в табл. 3, где R¡ — радиус соты, Rp -радиус зоны пеленгации, М- число секторов сети мобильной связи, входящих в зону пеленгации, d - расстояние между ИП; k - отношение числа ИП к числу БС.

Рис. 4. Пеленгационный кластер (где А - БС, А-БС + ИП)

Рис. S. Примеры построения пеленгационной сети на основе пеленгационных кластеров

Ако Кр <1 М к,

1 зю 5Д65А 9 1/3

2 6Ш 10,53» 36 1/12

3 9т 15,795» 81 1/27

4 12» 21,06» 144 1/48

Погрешность позиционирования АС обычно оценивается относительно истинного положения АС на местности и характеризуется величиной среднеквадратической ошибки (СКО) пеленга

Ем7

где в, - действительное значение азимута на передатчик;

в, - текущее измеренное пеленгатором значение азимута на передатчик;

п - число разовых измерений.

СКО пеленга (аа) и ширина диаграммы направленности пеленгационной антенны (0а) взаимосвязаны и зависят от метода пеленгования и отношения сигнал/шум (д) на входе пеленгационного приемника.

При оптимальных методах пеленгования и обработки сигналов в пеленгационном приемнике можно определить значение СКО по формуле:

еа 2 е л/я"? N<1 где е - энергия сигнала за время измерения;

спектральная плотность мощности белого шума.

Вероятность позиционирования характеризует вероятность нахождения АС в зоне, определенной допустимой погрешностью позиционирования и зависит от местоположения АС в зоне пеленгации. Это можно пояснить, используя различные варианты размещения АС внутри зоны пеленгации пеленгационного кластера. Варианты размещения АС внутри зоны пеленгации пеленгационного кластера при Ако~\ показаны на рис. 6.

Произведены расчеты погрешности и вероятности позиционирования в зависимости от СКО пеленга и расположения АС в зоне пеленгации. Результаты расчетов приведены в табл. 4, где оа- СКО пеленга; г0,5 - значение погрешности позиционирования АС с вероятностью 95%, нормированное к радиусу соты Лко - порядок кольца окружения (КО).

Таблица 4

№ позиция 0"«. град Погрешность позиционирования, /*0>95

и А»=2 А»-3 А0=4

1 1 0,06 0,12 0,18 0,25

2 0,12 0,25 0,37 0,49

4 0,25 0,49 0,74 0,98

6 0,37 0,74 1,11 1.47

2 1 0,09 0,18 0,27 0,36

2 0,18 0,36 0,54 0,72

4 0,36 0,72 1,07 1,43

6 0,54 1,07 1,61 2,15

3 1 0,1 0,2 0,3 0,39

2 0,2 0,39 0,59 0,79

4 0,39 0,79 1,18 1.57

6 0,59 1.18 1,77 2,36

4 1 0,13 0,26 0,39 0,26

2 0,26 0,52 0,78 1,04

4 0,52 1,04 1,56 2,08

6 0,78 1,56 2,34 3,12

5 1 0,11 0,21 0.32 0,42

2 0,21 0,42 0,63 0,84

4 0,42 0,84 1,26 1,68

6 0,63 1.26 1.9 2,53

Анализ результатов, приведенных в табл. 4, показывает, что:

• Наименьшая погрешность позиционирования соответствует расположению АС в центре пеленгационного кластера (позиция №1). Это связано с тем, что АС находится на одинаковом удалении от ИП, и площадь, в которой находится запеленгованная АС, представляет собой - ромб, что позволяет минимизировать выбросы ошибок пеленгации.

• Наибольшая погрешность позиционирования соответствует позиции №4, когда АС находится внутри пеленгационного кластера на линии, представляющей собой биссектрису между сторонами пеленгационного

кластера, на расстоянии от ИП = . Это связано с плохим геометрическим

фактором, т.к. АС находится вблизи одного из ИП, а по отношению к остальным ИП находится на большом удалении, в связи с чем пеленги от удаленных ИП дают большую погрешность.

При известных характеристиках абонентского оборудования сети мобильной связи и ИП (ввМ-ШО) производится оценка электромагнитной доступности АС. В качестве пеленгационных антенн ИП использовались

приемные ФАР с коэффициентом усиления 24 дБи. Передатчик АС на момент пеленгования выводился на максимальную мощность Рт = ЗОдБм.

Результаты расчета электромагнитной доступности (d) АС средствами пеленгационной сети показывают, что в центре города расстояние между ИП d=4,5 км, в пригороде - 6 км, а в сельской местности - 35 км. Отсюда можно сделать вывод о том, что в условиях центра крупного города при радиусе соты Д = 216 метров ИП могут находиться максимум на четвертом КО, в среднем городе (при R, - 577 метров) - на втором КО, а в условиях сельской местности (при Rj - 6736 метров) - в позиционных районах размещения БС.

Рассчитанные значения погрешностей позиционирования в зависимости от СКО пеленга и расстояния между ИП для различных топологий местности приведены в табл. 5, где г0,9 и г0.в7 - погрешность позиционирования с вероятностью 90% и 67% соответственно, d - расстояние между ИП, R, -радиус соты, Ако - порядок кольца окружения, сга- СКО пеленга.

Таблица 5

Тип местности Погрешность позиционирования, м

rf, км К,, м Лко = 1° аа = 2° сга = 4° о. = 6°

г0.9 г<ш Го.9 Г0.67 ГО.9 Го.67

192 1

1 96 2 17 15 35 30 70 60 105 90

64 3

48 4

385 1

2 192 2 35 30 70 60 140 120 210 180

128 3

Крупный город 96 4

577 1

3 289 2 52 45 105 90 210 180 315 270

192 3

144 4

770 1

4 385 2 69 60 140 120 280 240 420 360

257 3

192 4

5 962 1 87 75 175 150 350 300 525 450

Средний 481 2

город 6 1155 1 105 90 210 180 420 360 630 540

577 2

Сельская местность 35 6736 0 612 525 1225 1050 2450 2100 3675 3150

Выполненный расчет необходимого числа стационарных ИП для г. Санкт-Петербург показал, что для полного покрытия пеленгационной сетью территории, ограниченной кольцевой автомобильной дорогой, необходимо минимум 49 ИП. В этом случае при аа =1° погрешность позиционирования в 90% случаев не должна превышать 72 метра. В случае необходимости уточнения местоположения АС предлагается использовать мобильные измерительные пункты, либо использовать кольца окружения меньшего порядка.

Таким образом, предложенная методика построения пеленгационной сети, наложенной на действующую сеть мобильной связи, позволяет создать пеленгационную сеть с требуемыми параметрами точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети. Выполненная оценка показывает, что на точность позиционирования АС основное влияние оказывает СКО пеленга, расстояние между ИП и положение АС в зоне действия сети мобильной связи.

В четвертой главе сформулирована задача повышения точности и вероятности позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн. В рамках поставленной задачи предложен алгоритм компенсации многолучевости (рис. 7).

Показано, что информация о Cell-ID, уровнях пришедших сигналов от АС с разных направлений одной соты, а также результаты измерений со всех ИП пеленгационного кластера позволяют компенсировать влияние многолучевости и тем самым уменьшить погрешность позиционирования АС. Так априорная информация о Cell-ID позволяет уменьшить сектор сканирования ФАР со 120° до меньших угловых значений, которые зависят от размерности кольца окружения и удаленности АС от ИП. Это позволяет, не только фильтровать пеленги из др. Cell-ID, но повышает быстродействие ИП при поиске АС. Данная ситуация особо актуальна с увеличением размерности КО. Помимо этого, зная максимальную мощность излучения АС в стандарте GSM-1800: Л«л=30дБм, Cell-ID (а, следовательно, и приблизительное расстояние до ИП), типовую застройку и расположение улиц внутри каждого сектора, можно оценить, сколько раз дифрагировал сигнал при распространении от АС до ИП и найти значение коэффициента затухания в зависимости от числа дифракций. Поскольку ИП оценивает уровень сигнала, пришедшего от АС, то можно определить является ли луч прямым или дифрагированным. Признаком того, что принятые сигналы искажены многолучёвостью, является нестабильность разности времён прихода сигналов (например, в пределах одной пачки импульсов) на какую-либо тройку ИП, входящих в состав пеленгационного кластера.

Предложена методика повышения точности и вероятности позиционирования за счет данных сети мобильной связи, которая позволяет отбрасывать часть площади, принадлежащей другим секторам, тем самым повышая вероятность позиционирования АС с заданной точностью средствами пеленгационной сети. Это, в свою очередь, позволяет оптимизировать траекторию движения мобильных измерительных пунктов при их задействовании. Уточняющие свойства Cell-ID особо актуальны для случаев: 3 и 4 колец окружения, СКО пеленга: 4, 6 градусов и более, при расположении АС от края соты на расстоянии 0... 0,6 Я, (причем уточняющие свойства Cell-ID тем больше, чем ближе АС находится к границе соты).

Произведена оценка точности и вероятности позиционирования при применении мобильных измерительных пунктов, которая показала, что их использование позволяет добиться увеличения точности позиционирования в

среднем на порядок по отношению к той погрешности позиционирования, которую обеспечивают стационарные ИП. Так, например, при позиционировании АС с помощью стационарных ИП в сельской местности с погрешностью 300 метров применение мобильных ИП сокращает это значение до 30 метров и ниже за счет использования метода привода, основанного на движении МИП в зону расположения АС по направлению пеленга. С уменьшением расстояния до источника увеличивается амплитуда пеленгуемого сигнала, что служит дополнительным признаком движения МИП в правильном направлении.

Рис. 7. Алгоритм компенсации многолучевости 14

В результате проведения экспериментальных исследований с помощью действующего программного продукта ОпеР1ап ЯРЬБ Ре1е^ компании «Инфотел» была показана корректность и эффективность разработанной методики. Так во время проведения моделирования были подтверждены следующие теоретические результаты:

1) погрешность позиционирования АС прямопропорциональна среднеквадратическому отклонению пеленга;

2) погрешность позиционирования АС прямопропорциональна расстоянию между ИП;

3) при применении мобильных ИП погрешность позиционирования уменьшается на порядок и более по сравнению со стационарными ИП.

Таким образом, предложенные рекомендации по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи позволяют повысить эффективность разработанной сети мобильной связи и позиционирования при решении задач определения местоположения АС.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

Приложения содержат математические выкладки, использованные при расчете электромагнитной доступности абонентских станций средствами пеленгационной сети, и описание патента на полезную модель «Система определения местоположения мобильных объектов».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура сети мобильной связи и позиционирования.

2. Разработаны алгоритмы и процедуры функционирования сети мобильной связи и позиционирования.

3. Разработана методика построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами позиционирования.

4. Произведена оценка точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи.

5. Предложен алгоритм компенсации многолучевости для сети мобильной связи и позиционирования.

6. Даны рекомендации по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи.

7. Получен патент на полезную модель «Система определения местоположения мобильных объектов».

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс и ОАО «Мобильные ТелеСистемы».

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Степутин А.Н. Принципы построения и функционирования наложенной пеленгационной сети / А.Н. Степутин // Естественные и технические науки. - 2011. - №2. -С. 363-375 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

2. Степутин А.Н. Повышение точности позиционирования в сетях мобильной связи / Бабков В.Ю., Степутин А.Н // НТВ СПбГПУ. - СПб, 2011. - № 4 - С. 14-20 (из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

3. Степутин А.Н. Позиционирование абонентов в системах мобильной связи третьего поколения / В.Ю. Бабков, А.Н. Степутин // Мобильные телекоммуникации. - 2008. - № 3. -С. 8-15.

4. Степутин А.Н. Определение местоположения мобильных станций с помощью метода локального позиционирования (позиционирования в «малом») // 61-я НТК: тез. докл. / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб, 2009. - С. 97-98.

5. Система определения местоположения мобильных объектов: патент на полезную модель РФ / А.Н. Степутин; № 93545; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12. - 2с.

6. Степутин А.Н. Метод сопоставления сигнатур и схема постоценочной обработки / А.Н. Степутин, В.Ю. Садыгов // 2-я Международная научная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии»: докл. - Липецк, 2010. - С. 204208.

7. Степутин А.Н. Алгоритмы повышения точности локализации для пеленгационной сети, наложенной на действующую сеть мобильной связи / А.Н. Степутин // Материалы четвертого всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» / Издательство Политехи, ун-та - СПб, 2010. - С. 36-37.

8. Степутин А.Н. Система определения местоположения мобильного объекта и области ее применения / АН. Степутин // Методология и организация инновациоиной деятельности в сфере высоких технологий: сборник трудов Международной научной школы для молодежи / Издательство Политехи, ун-та. - СПб, 2010. - С. 90-96.

9. Степутин А.Н. Высокоточное позиционирование в сетях сотовой связи // 62-я НТК: тез. докл. / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб, 2010. - С. 141-142.

10. Степутин А.Н. Использование угломерных методов позиционирования мобильных объектов с применением антенных решеток / В.Ю. Бабков, А.Н. Степутин // Труды учебных заведений связи 1 ГОУВПО СПбГУТ. - СПб, 2010. № 182/183. - С. 110-118.

11. Степутин А.Н. Программное моделирование работы наложенной пеленгационной сети / А.Н. Степутин, А.И. Кошкин // 7-я Международная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2011»: тез. докл.-Севастополь, 2011.-С. 157.

Подписано к печати 24.11.2011 Объем 1 печ. л. Тир. 80 экз. Зак.№40

Отпечатано в СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

61 12-5/1849

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

На правах рукописи

Степутин Антон Николаевич

Повышение точности позиционирования абонентских станций в сотовых сетях мобильной

радиосвязи

Специальность 05.12.13. - «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Бабков Валерий Юрьевич

Санкт-Петербург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................8

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ GSM/UMTS........................13

1.1. Введение в проблему позиционирования. Термины и определения...........................................................................13

1.2. Структура сети мобильной связи GSM/UMTS с поддержкой функции позиционирования....................................................................17

1.3. Классификация технологий позиционирования в сетях мобильной связи.....................................................................................24

1.3.1. Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта GSM.....................................................................................27

1.3.2. Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта UMTS....................................................................................37

1.3.3. Методы позиционирования в сетях мобильной связи стандарта GSM/UMTS...........................................................................47

1.3.4. Сравнительный анализ технологий позиционирования в сетях мобильной связи.....................................................................58

1.4. Постановка задач исследования.............................................61

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ. АЛГОРИТМЫ И ПРОЦЕДУРЫ........63

2.1. Постановка задачи..............................................................63

2.2. Структура сети мобильной связи и позиционирования. Принципы функционирования....................................................................64

2.3. Разработка частных алгоритмов работы и процедур функционирования сети мобильной связи и позиционирования..........66

о Л

2.3.1. Разработка алгоритма работы пеленгационной сети.................66

2.3.2. Процедура определения сектора сети мобильной связи, в котором находится абонентская станция..................................................69

2.3.3. Процедура определения списка измерительных пунктов, пеленгующих искомую абонентскую станцию............. ...................70

2.3.4. Алгоритмы перехода АС в режим работы в стандарте

1800......................................................................................71

2.3.5. Алгоритмы выхода абонентской станции на максимальную мощность передачи...................................................................79

2.3.6. Процедура позиционирования абонентской станции средствами

пеленгационной сети..................................................................87

Выводы.................................................................................89

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ПЕЛЕНГАЦИОННОЙ СЕТИ С ТРЕБУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ.................91

3.1. Постановка задачи.............................................................91

3.2. Построение пеленгационных кластеров....................................92

3.3. Оценка электромагнитной доступности АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети...............................................110

3.4. Оценка точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи..................................................112

3.5. Примеры построения пеленгационной сети с требуемыми

параметрами позиционирования................................................133

Выводы...............................................................................141

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ТОЧНОСТИ И ВЕРОЯТНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АС В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ......................................

4.1. Постановка задачи............................................................143

4.2. Компенсация влияния многолучевого распространения радиоволн...........................................................................147

4.3. Использование данных сети мобильной связи..........................158

4.4. Применение мобильных измерительных пунктов.....................167

4.5. Результаты экспериментальных исследований........................172

4.5.1. Экспериментальные исследования, позволяющие оценить точность позиционирования АС с помощью метода Cell-ID..........................172

4.5.2. Оценка корректности и эффективности разработанной методики с использованием специализированного программного

комплекса OnePlan RPLS Peleng.................................................179

Выводы..............................................................................191

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................193

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................195

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................202

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

РУССКОЯЗЫЧНЫЕ

АС - абонентская станция АР - антенная решетка АЭ - антенный элемент БС - базовая станция

ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система

ДН - диаграмма направленности

ЗП - зона пеленгации

ИП - измерительный пункт

КО - кольцо окружения

КБС - контроллер базовых станций

МИП - мобильный измерительный пункт (мобильный пеленгатор) ПК - пеленгационный кластер ПО - программное обеспечение

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

СКО - среднеквадратическое отклонение

СОМ - система определения местоположения

КЦ - коммутационный центр

ЭМД - электромагнитная доступность

АНГЛОЯЗЫЧНЫЕ АоА (Angle of Arrival) - направление прихода сигналов (угломерный метод) ВССН (Broadcast Control Channel) - широковещательный канал управления BER (bit error rate) - частота ошибочных бит BSC (base station controller) - контроллер базовых станций

BTS (Base Transceiver Station) - базовая станция Cell ID (Cell Identifier) - идентификатор соты

ETSI (European Telecommunications Standards Institute) - Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций

FACCH (Fast Associated Control Channel) - высокоскоростной совмещенный канал управления

GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) - GSM/EDGE сеть с радиодоступом

GMLC (Gateway Mobile Location Centre) - шлюзовый центр позиционирования абонентских станций

GPRS (General Packet Radio System) - глобальная система пакетной радиосвязи

GPS (Global Positioning System) - глобальная система навигации

GSM (Global System for Mobile Communications ) - глобальная система мобильной связи (стандарт)

CVB (Cumulative Virtual Blanking) - технология совокупного виртуального подавления сигналов

HLR (Home Location Register) - домашний регистр местоположения

IMSI (International Mobile Subscriber Identity) - международный идентификатор абонента мобильной связи

IMEI (International Mobile Equipment Identity) - Международный идентификатор мобильного оборудования

IPDL (Idle Period Downlink) - Нисходящая линия связи с интервалами незанятости

LCS (Location Service Clients) - клиенты услуги позиционирования LMU (Location Measurement Unit) - блок определения местоположения LU (Location Update) - корректировка местоположения MM (Mobile Management) - управление мобильностью

MSISDN (Mobile Station Integrated Services Digital Number) - телефонный номер абонента

PLMN (Public Land Mobile Network) - сеть мобильной связи общего пользования

RACH (Random Access Channel) - канал случайного доступа

SACCH (Slow Associated Control Channel) - медленный совмещенный канал управления

SAS (Stand-Alone SMLC) - автономный SMLC

SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) - выделенный закрепленный канал управления

SMLC (Serving Mobile Location Centre) - обслуживающий центр позиционирования абонентских станций

ТА (Timing Advance) - время упреждения

ТСН (Traffic Channel) - канал трафика

TS (Time Slot) - временной интервал

UE (User Equipment) - абонентское оборудование

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - универсальная система мобильных телекоммуникаций

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) - наземная сеть радиодоступа UMTS

VLR (Visitor Location Register) - гостевой регистр местоположения (регистр перемещения)

ВВЕДЕНИЕ

С развитием телекоммуникационной отрасли, разработкой и внедрением новых стандартов связи и безопасности возникает необходимость предоставления точных данных о местоположении абонентских станций для оказания пользователям сетей мобильной связи навигационных услуг, помощи при авариях, обеспечения их безопасности, а также для использования в системе оперативно-розыскных мероприятий (СОРМ). При этом требуется высокая точность определения географических координат абонентских станций (АС) и их однозначная привязка к цифровой карте местности. Сейчас операторы мобильной связи не обеспечивают высокой точности позиционирования абонентских станций, что существенно затрудняет решение вышеуказанных задач. Приведенные факты являются предпосылкой для внедрения комплексных решений задачи точного позиционирования абонентских станций.

Объектом исследования является сеть мобильной связи и позиционирования, осуществляющая определение местоположение АС стандартов GSM/UMTS.

Предметом исследования являются вопросы построения и функционирования сети мобильной связи и позиционирования.

Цель диссертационной работы состоит в повышении точности при решении задач позиционирования абонентских станций в сотовых сетях мобильной радиосвязи.

Научная задача заключается в разработке методики построения и процедур совместного функционирования сетей сотовой мобильной радиосвязи и позиционирования, обеспечивающих требуемую точность определения местоположения абонентских станций.

Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории вероятности и статистики, теории распространения радиоволн, теории

антенных решеток, методы математического и имитационного моделирования.

Практическая ценность работы. Результаты проведенного исследования применимы для практических приложений при проектировании сетей позиционирования абонентских станций. Разработанные алгоритмы позволят оценить структуру пеленгационной сети в зонах с различной электромагнитной доступностью. В связи с этим результаты работы могут быть использованы при построении начального приближения пеленгационной сети, оценке числа и параметров измерительных пунктов, необходимых для позиционирования абонентских станций на определенной территории с заданной погрешностью.

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 61-й и 62-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010); II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010); IV Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, 2010); II Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2010); Международной научной школе для молодежи «Методология и организация инновационной деятельности в сфере высоких технологий» (г. Санкт-Петербург, 2010); 7-й Международной молодежной НТК студентов, аспирантов и ученых «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2011» (г. Севастополь, 2011); 65-й НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ (г. Санкт-Петербург, 2011). Получен патент РФ на полезную модель №93545 от 27.04.2010 «Система определения

местоположения мобильных объектов». Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГУТ им. проф.М.А.Бонч-Бруевича и в ОАО «Мобильные ТелеСистемы».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименования, и приложений. Работа содержит 210 страниц текста, 93 рисунка и 32 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи, показана новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведена классификация и дано описание методов позиционирования АС в сетях мобильной связи стандартов GSM и UMTS. В заключение главы сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе поставлена задача разработки структуры сети, которая включает в себя два сегмента: сеть мобильной радиосвязи и пеленгационную сеть. Предложена последовательность позиционирования АС в сети мобильной связи и позиционирования, описаны этапы взаимодействия между всеми элементами синтезируемой сети. Выполнен анализ существующих способов и осуществлен выбор оптимальных вариантов перевода АС из режима ожидания в активный режим. Дано обоснование целесообразности принудительного перевода АС в стандарт связи GSM-1800 на период позиционирования АС и рассмотрены соответствующие процедуры. Приведено обоснование необходимости вывода АС, работающей в стандарте GSM-1800, в режим максимальной мощности, выявлены и описаны соответствующие процедуры.

В третьей главе сформулирована задача построения пеленгационной сети, с требуемыми параметрами позиционирования, в результате чего были разработаны семейства пеленгационных кластеров, привязанных к структуре сети мобильной связи, и рассчитаны их параметры. Произведена оценка электромагнитной доступности АС сети мобильной связи средствами пеленгационной сети. Выполнены расчеты погрешности и вероятности

позиционирования в зависимости от среднеквадратической ошибки (СКО) пеленга, расстояния между ИП и расположения АС в зоне пеленгации. Произведен расчет необходимого числа стационарных ИП для г. Санкт-Петербург.

В четвертой главе сформулирована задача повышения точности и вероятности позиционирования в условиях многолучевого распространения радиоволн. В рамках поставленной задачи предложена методика компенсации многолучевости для разрабатываемой сети мобильной связи и позиционирования. Разработана методика повышения точности и вероятности позиционирования за счет данных сети мобильной связи. Произведена оценка погрешности и вероятности позиционирования при применении мобильных измерительных пунктов, которая показала, что их использование позволяет добиться уменьшения погрешности позиционирования в среднем на порядок по отношению к той погрешности позиционирования, которую обеспечивают стационарные ИП. Приведены результаты экспериментальных исследований оценки погрешности позиционирования АС на основании данных сети сотовой связи. Решена задача имитационного моделирования созданной пеленгационной сети на основании действующего программного продукта ОпеР1ап ЫРЬ8 Ре1еп£ с целью подтверждения ранее полученных теоретических результатов исследования.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

Приложения содержат математические выкладки, использованные при расчете электромагнитной доступности абонентских станций средствами пеленгационной сети, и описание патента на полезную модель «Система определения местоположения мобильных объектов».

На защиту вынесены следующие научные результаты:

1. Структура, алгоритм работы и процедуры функционирования сети мобильной связи и позиционирования.

2. Методика построения пеленгационной сети с требуемыми параметрами точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети.

3. Рекомендации по повышению точности и вероятности позиционирования АС в зоне действия сети мобильной связи.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АБОНЕНТСКИХ СТАНЦИЙ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

GSM/UMTS

1.1. Введение в проблему позиционирования. Термины и определения

Введем основные определения и термины.

Сеть мобильной связи - совокупность устройств и технических средств, обеспечивающих передачу и прием сигналов и другой информации между абонентскими станциями.

Абонентская станция (АС) - абонентское оборудование, обеспечивающее получение доступа к услугам сети мобильной связи. Состоит из мобильного устройства и sim-карты, связанных друг с другом через пользовательский интерфейс.

Базовая станция (БС) - многоканальная стационарно установленная приемопередающая станция, используемая для организации связи с абонентскими станциями в ограниченной территориальной зоне (обычно располагается в ее центре).

Источник радиоизлучения (ИРИ) - объект, излучающий радиосигнал. В данной работе ИРИ является АС.

Позиционирование - определение координат и параметров движения (скорости, ускорения) источников радиоизлучения (ИРИ).

Измерительный пункт (ИП) - совокупность радиотехнических средств, включающих антенную систему, приемное оборудование и пр., осуществляющих позиционирование АС.

Погрешность позиционирования - это ошибка определения координат АС относительно ее истинного положения.

Задача обнаружения, определения координат и параметров движения подвижных ИРИ в самом широком смысле относится к числу задач пассивной локации. Теоретические основы пассивной локации, методы и устройства позиционирования ИРИ к настоящему времени разработаны достаточно подробно [1-3].

В более узком смысле разработка методов и средств получения информации о местоположении и движении ИРИ относится к задачам радионавигации.

Для позиционирования ИРИ в навигации применяются три основных группы способов:

- обзорно-справочные: ориентировка на местности и/или по географическим картам;

- расчетное определение линий или поверхностей положения и вычисления к