Ειδικά Θέματα Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος Καθ. Λάζαρος Μεράκος ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ. Τεχνολογίες Εντοπισμού Θέσης

Transcript

1 Ειδικά Θέματα Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος Καθ. Λάζαρος Μεράκος ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ Γιάννης Μαριάς Υποψήφιος Διδάκτορας ΕΚΠΑ

2 Υπηρεσίες Βασισμένες στη Γεωγραφική Θέση Location Based Services (LBS) Services Public Safety Services Emergency Services (U.S. E911) Location Based Charging Tracking Services Fleet and Asset Management Services Location Based Information Services Navigation City Sightseeing Location Dependent Content Broadcast Mobile Yellow Pages (*find-nearest*) Traffic Monitoring Mobile Games

3 Υπηρεσίες Βασισμένες στη Γεωγραφική Θέση Location Based Services (LBS) Services Wireless Location Industry Value Chain G2C Vendors Location Technology Application Developers Location Based Service Providers (ASPs) ISPs Mobile Carriers C2G C2B B2C C2C

4 Υπηρεσίες Βασισμένες στη Γεωγραφική Θέση Location Based Services (LBS) Services Eco System - Business Model [7] Drivers Supporters Influencers Contents Providers Government Regulators Positioning Technologies Vendors Standards Setting Organizations Network Equipment Vendors Applications Developers Network Platforms & Middleware Vendors Platform & Application Infrastructure Vendors Mobile Devices Vendors Mobile Mobile Network Operator End Users Communities Value Added Service Providers Provides Influences Offers Service

5 Υπηρεσίες Βασισμένες στη Γεωγραφική Θέση Location Based Services (LBS) Services GIS provider στην αλυσίδα Map Service. Representation of aspecific area with amap Route Service. A map point out a route from one point to another. Track Service. A map showing the position of another user

6 Υπηρεσίες Βασισμένες στη Γεωγραφική Θέση Location Based Services (LBS) Services Είδη αιτήσεων προσδιορισμού θέσης Request Respond (RR) Μετά από αίτηση μία απόκριση για τη θέση του κινητού Event type Request (ER) Ενημέρωση θέσης μετά από συμβάν (π.χ., είσοδος σε μία γεωγραφικήπεριοχή) Periodic Request (PR) Ενημέρωση θέσης περιοδικά

7 Architecture SMLC PCF LBS LBS ASP1 GIS1 A bis LMU A/B Lb BSC A Ls MSC/ VLR Reference Receiver Lg Carrier s PLMN HLR Lh GMLC Minicomputer Internet (ISP) LBS ASP 2 Minicomputer Government Individuals Corporate Business

8 Categories Of LBS Clients [5] LCS can be offered with/without subscription to basic telecommunication services: Value Added Services LBS Clients use LCS to support various value added services. These clients can include UE subscribers as well as non-subscribers to other services. PLMN Operator LCS Clients use LCS to enhance or support certain O&M related tasks, supplementary services, IN related services and bearer services and teleservices. Emergency Services LCS Clients use LCS to enhance support for emergency calls from subscribers.

9 Carrier s Positioning Architecture [4], [5] SMLC PCF PCF: Positioning Calculation Function LMU: Location Measurement Unit (type A and B) CBC: Cell Broadcast Center SMLC: Serving Mobile Location Center GMLC Gateway Mobile Location Center PCF Um Assistance Data Lb Ls Reference Receiver HLR Lh Le LCS Clients A bis BSC A MSC/ VLR Lg GMLC A bis LMU A/B LMU A/B Location Interoperability Forum s MLP (Mobile Location Protocol)

10 LCD Logical Reference Model[5] An LCS Client is a logical functional entity that makes a request to the PLMN An LCS server consists of a number of location service components and bearers needed to serve the LCS clients. The Target MS is the object to be positioned by the LCS Server. Positioning is the basic function that performs the actual positioning of a specific target MS. The input to this function is a positioning request from a LCS Client with a set of parameters such as QoS requirements. The end results of this function are the location information for the positioned target MS.

11 Le Interface Characteristics supported Per Request, or Per User, or Per LBS Service (e.g., navigation) Basic Set Accuracy (QoS) Horizontal and/or vertical Response Time (QoS) for RR Priority (QoS) Location Requests for different services may be processed with different levels of priority. Extended Set Categorization, i.e., the capability to identify or locate active or idle Ues Supported coordinate reference system. For cellular users the system will support WGS84, for Wrapper Cartesian coordinates. Location determination method requested Whether altitude information is requested Security Set Security, Service Registration, Service Authorisation, Service Activation and De-Activation (user side)

12 Accuracy Locationindependent Most existing cellular services, Stock prices, sports reports PLMN or country Services that are restricted to one country or one PLMN Regional (up to 200km) Weather reports, localized weather warnings, traffic information (pre-trip) District (up to 20km) Local news, traffic reports Up to 1 km Vehicle asset management, targeted congestion avoidance advice 500m to 1km Rural and suburban emergency services, manpower planning, information services (where are?) 100m (67%) U.S. FCC mandate (99-245) for wireless emergency calls 300m (95%) using network based positioning methods 75m-125m Urban SOS, localized advertising, home zone pricing, network maintenance, network demand monitoring, asset tracking, information services (where is the nearest?) 50m (67%) U.S. FCC mandate (99-245) for wireless emergency calls 150m (95%) using handset based positioning methods 10m-50m Asset Location, route guidance, navigation Example of location services with decreasing accuracy requirement [5]

13 Handset Based vs. Handset Assisted Οι μέθοδοι Handset Based/Network Assisted στηρίζονται σε μετρήσεις που πραγματοποιούνται στην κινητή συσκευή. Οι μέθοδοι Handset Assisted/Network Based στηρίζονται σε μετρήσεις που πραγματοποιούνται στο δίκτυο (ΣΒ). Πρόσθετες απαιτήσεις σε operators/vendors: signalling overheads, handset complexity, capacity, privacy risks, Αλλά για τον συνδρομητή κάθε μέθοδος θα πρέπει να φαίνεται ίδια... Για τη συνέχεια της παρουσίασης: MS: Mobile Station BS: Base Station

14 Cell ID CGI only Cell Global ID (CGI) είναι το cell στο οποίο εξυπηρετείται ένα MS Οι Operators γνωρίζουν που είναι εγκατεστημένα τα BSs και ποια γεωγραφική περιοχή εξυπηρετούν Έτσι ένα κινητό μπορεί να «εντοπιστεί» αν είναι ενεργό και συνδέεται με ένα ΣΒ Η ακρίβεια εξαρτάται από το μέγεθος του cell

15 Timing Advance Η Timing Advance (TA) είναι συγκεκριμένη παράμετρος του GSM Πρόκειται για το BS <-> < > MS Round Trip Delay Χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει ότι τα σήματα από το MS λαμβάνονται από το BS τη σωστή χρονική στιγμή The measurement is based on the delay between the beginning of a time slot and the arrival of bursts from the MS The resolution of TA is 1GSM bit, i.e., 3.69µs. Since it is a round trip measure, the resolution for one hop is 1/2 bit = 1.85µs s or 550 metres

16 Cell ID + Timing Advance CGI only CGI only on sectorised cell CGI + TA CGI + TA on sectorised cell 550m

17 Cell ID + Timing Advance Technology Rural Suburban Urban Indoor Cell ID Range 1-35km Typically ~15km Extreme 100km Range 1-10km Typically 5km Macro cells: Range 500m-5km Typically 2km Micro cells Range 50m-500m Typically 200m If Pico Cells are deployed then Typically 10m-50m Cell ID + TA No major improvements in accuracy. However, is a good check against connecting to cell which is not the nearest.

18 Cell ID + Timing Advance Μετάβαση στο UMTS: Ανάλογο με τον TA (GSM) μηχανισμό είναι και Round Trip Time μηχανισμός που υποστηρίζεται στο UMTS Στο UMTS το Round Trip Time αναφέρετε κάθε 1/16 chip resolution (δίνοντας ~5m). Οι μηχανισμοί Timing Advance και Round Trip Time «υποφέρουν» από τις μεταβλητές καθυστερήσεις εναλλαγής κατάστασης στο εξοπλισμό του MS.

19 Enhanced - Cell Global Identity BSC Στα κυψελωτά συστήματα τα κινητά τερματικά παίρνουν μετρήσεις για το air interface προκειμένου να προσδιορίσουν τις συνθήκες για εκτέλεση hand-over. A bis Minicomputer L b A Minicomputer MSC/ VLR Στο GSM οι μετρήσεις αυτές περιέχουν το power level από τον ΣΒ που εξυπηρετεί το κινητό και τους ΣΒ των cells της γειτονιάς. Minicomputer SMLC Η στάθμη ισχύς (power( level) που λαμβάνει το MS (RxLev( RxLev) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υπολογισμό της απόστασης BS-MS με χρήση Path Loss Formulas. Power Measured at MS = Power transmitted from BS + BS Antenna Gain Pathloss + Antenna Gain at MS

20 Enhanced - Cell Global Identity Η πιο κοινή Path Loss formula είναι το μοντέλο Hata-Okumura η οποία συσχετίζει την απόσταση κινητού και ΣΒ με την στάθμη ισχύος. Σφάλματα οφείλονται σε φαινόμενα fading (τα( standards προσδιορίζουν RxLev measured accurately to +/- 4dB) PL = log(f) log(h t ) - a(h m ) + [ log(h t )] log(d) ) db a(h m ) = [1.1 log(f) - 0.7] h m - [1.56 log(f) - 0.8] db for midsize city where f operating frequency (MHz) h t transmitting station antenna height (m) h m mobile unit antenna height (m) a(h m ) correction factor for mobile unit antenna height (db) d distance from transmitting station

21 Enhanced - Cell Global Identity Άρα για ΣΒ antenna height των 30m σε GSM δίκτυο: Mean Path Loss log(d) Ο μηχανισμός Positioning συνεπικουρείται από συγκρίσεις μέσω ενός prediction tool database ή με μετρήσεις τριγωνοποίησης (triangulation in SMLC) Triangulation: Power measurements from adjacent sectors of the same cell site can c provide an estimate of the angle of the MS from the site Prediction: Pattern recognition algorithms can be used with multiple measurement ment reports to give improvements in accuracy Technology Rural Suburban Urban Indoor E-CGI 250m-8km 250m-2.5km m Highly variable More accurate than Cell ID + TA

22 TOA - Uplink Time Of Arrival Uplink Time Of Arrival (TOA) είναι μια μέθοδος βασισμένη σε μετρήσεις χρόνου Σήματα από το κινητό μπορούν να ανιχνευθούν σε απομακρυσμένους γεωγραφικά δέκτες, δηλαδή σε «TOA LMUs» (συνήθως γειτονικών BS) Υπολογίζεται η TOA των σημάτων που λαμβάνονται, συγκρίνεται με την a propagation delay και η θέση του κινητού υπολογίζεται με triangulation

23 TOA - Uplink Time Of Arrival Η TOA εισήχθη αρχικά ως λύση στο E911 mandate. Αρχική θεωρητική απαίτηση του US E911.carriers are required to have the capability to identify the latitude and longitude of the mobile units making 911 calls within a radius of no more than 125 meters, using Root Mean Square calculations (which roughly equate to success rates of approximately 67 percent)...

24 TOA - how it works Απαιτείται ένα MS να ενεργοποιηθεί από το δίκτυο ώστε να εκτελέσει εικονικό handover request (forced handover) Τα σήματα του κινητού μετριούνται κατόπιν στον «TOA LMU» των BS sites TOA = T L + T P + T T + T E { T L T P T T T E LMU reference time Propagation Delay from handset to LMU Transmission time from handset Errors in measurement (noise, interference, multipath etc ) Συνδυάζονται αποτελέσματα από 2 LMUs για να δώσουν την TDOA TDOA = TOA 1 - TOA 2 = (T L1 - T L2 ) + (T P1 - T P2 ) + (T 1 T - T T2 ) + (T 1 E - T E2 ) Αν κάθε LMU μοιράζεται common clock reference (e.g. GPS) τότε ο παράγοντας (T L1 - T L2 ) μηδενίζεται

25 TOA - Position Estimation TDOA 12 = (T P1 - T P2 ) + Λάθη TDOA 13 = (T P1 - T P3 ) + Λάθη LMU 2 d2 TDOA 12 d3 LMU 3 d1 TDOA 13 LMU 1

26 TOA - Pros and Cons Τα «TOA«LMUs» συσκευές είναι πολύπλοκες και υψηλού κόστους Απαιτείται μία ανά BS Υπάρχει ένα capacity limit για το TOA system (είναι( OK for emergency services αλλά προβληματικό για commercial services) Each time a handset requests positioning, 3+ TOA LMUs will be assigned to measurements from that handset Η απόδοση εξαρτάται από το traffic στο δίκτυο και από τις καταστάσεις αλληλοπαρεμβολών. Πρόσθετες αλληλοπαρεμβολές παράγονται στο δίκτυο από handsets που αιτούνται positioning service και χρησιμοποιούν forced handover μηχανισμό

27 Enhanced Observed Time Difference Η E-OTD είναι μια μέθοδος βασισμένη σε μετρήσεις χρόνου, όπου το MS πραγματοποιεί TOA measurements σε σήματα που εκπέμπονται από 3+ BSs Η Propagation delay που μετριέται συσχετίζεται με την απόσταση από BS στο MS E-OTD απαιτεί πρόσθετη functionality στο ΜS. Μ Assistance data Χρησιμοποιούνται από το MS τα σήματα από το broadcast control channel (BCCH). Πληροφορίες για βοήθεια (assisted( data) αποστέλλονται στο MS για υπολογισμό κατά E-OTD και αφορούν Reference BTS Neighbour BTS Identity elements: BCCH, BS Co-ordinates ordinates

28 E-OTD - How it works TOA measurements πραγματοποιούνται στο κινητό TOA = T H + T P + T T + T E { T H Handset clock reference T P Propagation Delay from BTS to Handset T T Transmission time of signal from BTS Errors in measurement (noise, interfence, multipath etc ) T E Αποτελέσματα από 2 BS χρησιμοποιούνται στην TDOA equation OTD = TOA 1 - TOA 2 = (T H1 - T H2 ) + (T P1 - T P2 ) + (T 1 T - T T2 ) + (T 1 E - T E2 ) Η (T 1 T - T T2 ) αναστέλλεται αν η το δίκτυο είναι synchronised. Διαφορετικά η (T 1 T - T T2 ) υπολογίζεται Αν υπάρχουν ειδικού σκοπού E-OTD LMUs στο MS τότε η εξίσωση τροποποιείται ως: RTD = TOA 1 - TOA 2 = (T L1 - T L2 ) + (T P1 - T P2 ) + (T 1 T - T T2 ) + (T 1 E - T E2 )

29 E-OTD - How it works OTD 12 = (T P1 - T P2 ) + Λάθη OTD 13 = (T P1 - T P3 ) + Λάθη Neighbour cell TDOA 12 Serving cell (T T 1 -T T 2 ) LMU TDOA 13 Neighbour cell

30 E-OTD - How it works Η E-OTD διακρίνεται σε: Network-assisted Το MS υπολογίζει την OTD και υπολογίζει τη θέση του (για να το κάνει, το δίκτυο του αποστέλλει συμπληρωματική πληροφορία, όπως BS coordinates); ή MS-assisted Το MS υπολογίζει την OTD και αποστέλλει αυτήν την πληροφορία στο δίκτυο, το οποίο υπολογίζει τη θέση του MS. Ακρίβεια: ~60 meters in rural areas ~200 meters in urban area.

31 E-OTD Pros and Cons Πλεονεκτήματα E-OTD: Μη ουσιώδεις αλλαγές - επιδράσεις στις λειτουργίες του MS Καλή ακρίβεια και απόδοση σε περιοχές πυκνής κάλυψης με ΣΒ Καλή απόδοση και σε indοor Σε σύγκριση με τα TOA τα E-OTD LMUs είναι απλούστερα και μπορούν να αναπτυχθούν σε αναλογία 1 για κάθε 3 BSS Disadvantages of E-OTD: E Υψηλή επίδραση στο δίκτυο κόστος ανάπτυξης εγκατάστασης planning συντήρηση. Η ανάπτυξή (penetration)( του ξεκινά από το 0% Κακή ακρίβεια και χαμηλή απόδοση σε περιοχές αραιής κάλυψης με ΣΒ

32 Conventional Global Positioning System Το συμβατικό GPS είναι ένα σύστημα πλοήγησης που βασιζεται σε μεταδόσεις από ένα αστερισμό δορυφόρων (US( government satellites). Το σύστημα είναι σε υπηρεσία από τα τέλη του 1970και χρησιμοποιείται πλέον και για εμπορικές εφαρμογές GPS consists of a network of 24 satellites in six different 12-hour orbital paths spaced so that at least five are in view from every point on the globe [9] The satellites continuously transmit data on two L-bandL frequencies. Five monitor stations and four ground antennas located around the world passively gather range data on each satellite s exact position. The system relays this information to the master control station at Schriever Air Force Base in Colorado [9] Όπως το TOA και το E-OTD, το GPS είναι μια μέθοδος βασισμένη σε μετρήσεις χρόνου Το συμβατικό GPS έχει ήδη ολοκληρωθεί επιτυχώς σε GSM handsets

33 Conventional GPS -how it works GPS satellites continuously transmit a bit stream, containing: satellite id, GPS time and satellite trajectory models almanac, ephemeris Almanac - approximate long term model Ephemeris - accurate short term model The receiver searches for satellites, then decodes the information on transmitted, which enables it to perform position Σε σχέση με τους υπόλοιπους μηχανισμούς το GPS έχει δυσκολίες σεtime Τo o First Fix, δηλαδή το χρόνο μέχρι ένας αδρανής GPS πάρει το πρώτο σήμα positioning To GPS δεν παρέχει data return channel. H positioning πληροφορία είναι διαθέσιμη μόνο στο GPS δέκτη (μέχρι να μεταφερθεί π.χ., με GSM δίκτυο) Η ESA αναπτύσσει το Galileo που είναι ένα GPS-like σύστημα με δορυφόρους σε τροχεία το οποίο παρέχει αναβαθμισμένες υπηρεσίες (π.χ., data return channel)

34 Conventional GPS - how it works [8] To obtain an accurate fix on a moving object, GPS determines how long it takes a satellite signal to reach a receiver, which generates its own signal. Assuming that the signals are synchronous, GPS compares the satellite signal s s pseudorandom number code a a digital signature unique to each satellite with the receiver s s PNC to determine the signal s travel time. The system multiplies this value by the speed of light to compute the satellite s s distance from the receiver. Because the satellites are nearly 11,000 miles away, miscalculating signal travel time by even a few millisecs causes a location error measuring as much as 200 miles. Satellites therefore use extremely precise and expensive atomic clocks. A receiver s s clock doesn t need to be as accurate because it measures the distance to a fourth satellite to synchronize its PNC with the satellites and correct for any timing offset.

35 Conventional GPS TDOA = TOA 1 - TOA 2 = (T H1 - T H2 ) + (T P1 - T P2 ) + (T 1 T - T T2 ) + (T 1 E - T E2 ) TDOA 12 = (T P1 - T P2 ) + Λάθη TDOA 13 = (T P1 - T P3 ) + Λάθη 3 Satellites gives a 2D position estimate 4+ Satellites gives an 3D position estimate

36 Conventional GPS Technology Rural Sub-urban Urban Indoor user GPS ~10m ~20m m No indoor coverage Το συμβατικό GPS παρέχει ακρίβεια, αλλά : has no indoor coverage works poorly when the sky is even partially obscured has a slow time to fix unless it is permanently tracking satellites tes

37 Assisted GPS Για να αντιμετωπιστούν οι περιορισμοί του παραδοσιακού GPS, προτάθηκε το Assisted GPS was proposed (T1P1.5 standards for E911) Assisted GPS is based upon providing GPS satellite information to the handset, via the cellular network Assistance Data Position Data A-GPS gives improvements in Time to First Fix Battery Life Cost

38 A-GPS Evolution to UMTS GPS satellites Reference GPS receiver GMLC Mobile with partial GPS receiver Assistance information BS BS MSC or or SGSN SMLC LMU BS An AGPS server with a reference GPS receiver that can simultaneously see the same satellites as the handset

39 A-GPS Evolution to UMTS With Assisted GPS: A reference receiver provides navigation and signal timing data to a location server (SMLC or AGPS server The Server relays this information to a GPS-enabled MS or PDA. The client device (MS or MDA) preprocesses The client device returns basic GPS measurements along with statistical measures that characterize the signal environment to the Server The Server performs a series of complex calculations on data received from the client to determine the user s position.

40 A-GPS Pros and Cons Advantages of A-GPS: A Low impact on Network Infrastructure Excellent outdoor performance Good evolution path to UMTS Disadvantages of A-GPS: A Major modification to handset functionality Penetration starts at 0% Improved yet variable indoor coverage

41 Summary Υπάρχει πληθώρα τεχνολογιών positioning Κάθε μία έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Κάθε μία έχει τον δικό της τρόπο υλοποίησης Αν και κάθε Location Service έχει διαφορετικές απαιτήσεις σε accuracy, time to fix και response time Η επιλογή είναι κατά κανόνα του operator.

42 Summary Method Cell ID E-CGI E-OTD Standalone GPS Basic Assistance A-GPS GSM Location Technologies Time To First Fix 1 second 1-5 seconds 1-5 seconds seconds 8-15 seconds Accuracy Varies with cell Size 500m-1km Medium, ~100m High, ~30m High, ~10m Coverage Network wide Network wide Urban & In-building, Good; Rural, Poor Urban & In-building, Poor; Rural, Good Urban & In-building, Fair; Rural, Good Συγκριτικά στοιχεία τεχνολογιών positioning [9] Impact: Infras re; Handset Low; None. Medium; Low High; Medium. Low; High. Medium; High.

43 Relationship Required accuracy GPS-based OTDOA Cell-ID++ Cell-ID Network planning, optimization, resources locating Medical, roadside, traffic, routing Require info, entertainm ent locally Fleet management Commercials push to users, with the counterbalance of reduced fee C2B B2B B2C Τεχνολογίες positioning και υπηρεσίες LBS [4] Information share: friendfinder, info to third party Info C2C Assistance, Emergency Telecom operator info

44 Βιβλιογραφία Location Interoperability Forum, IST Project Integrated Platform for Location-Based Services-PoLoS, Public Deliverable D111, PoLoS Platform Architecture and Services Specification, (~5MB) 5. ETSI TS V7.9.0 ( ) Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Location Services (LCS); Functional description; Stage 2 (3GPP TS version Release 1998) 6. 3GPP TS V5.1.1 ( ) Technical Specification 7. Location Interoperability Forum, LIF Overview, May 29th, S. Ranaweera, R. Bajaj, and D. Agrawal, GPS: Location-Tracking Technology, ComputerCfommunications, April Brendan Ludden Location Technology Vodafone Presentations used: Chris Mooney DMTS, Mobility Systems Engineering, Location Services, Overview Boston University, November 30, 2001, Additional reading LoVEUS, IST , User Requirements of theloveus system Deliverable D01, FCC (1996), FCC Adopts Rules to Implement Enhanced 911 for Wireless (CC Docket No ), June FCC (2000), FCC Adjusts Its Rules to Facilitate The Development of Nationwide Enhanced Wireless 911 Systems, September. C. Drane, M. Macnaughtan, and C. Scott, Positioning GSM Telephones, IEEE Comm. Magazine, Apr. 1998, pp G.M. Djuknicand R.E. Richton, Geolocation and Assisted GPS, Computer, Feb. 2001, pp