Báo cáo mobile positionting

Position Mobile (Not GPS) HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM Khoa: Điện Tử ÷Viễn Thơng BÁO CÁO ĐỀ TÀI MOBILE POSITIONING MÔN HỌC: THÔNG TIN DI ĐỘNG Giảng Viên : Vũ Văn Tấn  Sinh Viên Thực Hiện Đề Tài:  LÊ THÀNH ĐẠT  NGUYỄN VĂN QUYỀN  NGUYỄN VĂN QUYẾT Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) Lời Giới Thiệu Thông tin di động ngày phát triển vượt bậc với hàng loạt công nghệ đại đời, thay Điều ngày phục vụ tốt cho nhu cầu trao đổi thơng tin tồn cầu, chất lượng hệ thống thông tin ngày tốt đa hơn, giúp việc thực truyền tải thông tin cách nhanh nhất, bảo mật hiệu Chính tầm quan trọng tính phát triển mau lẹ thông tin di động đời sống người, phần tìm hiểu thơng tin di động chúng em xin trình bày đề tài Mobile Positioning – Định vị di động, đề tài không công nghệ phát triển từ lâu trước thông tin di động, qua chúng em muốn đóng góp phần hiểu biết cơng nghệ thông tin di động, đồng thời muốn giới thiệu tới bạn sinh viên khác muốn quan tâm tới vấn đề chưa chưa hoàn toàn hiểu hết nguyên lý hoạt động hệ thống định vị di động mà khơng sử dụng GPS Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) Nội dung I Sơ lược cấu trúc hệ thống truyền thơng di động tồn cầu GSM II Sự đo lường mạng di động toàn cầu GSM III Các phương pháp định vị mà không sử dụng GPS 3.1 Phương pháp Cell Global Identity-CGI (Tế bào định vị toàn cầu ) 3.2 Handover /Location Area Update 3.3 Time of Arrival(TOA) 3.4 Time Difference of Arrival 3.5 Angle of Arrival(AOA) 3.6 Signal Strength Matching 3.7 SIM ToolKit IV Các ứng dụng Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) I Cấu trúc hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM Bất kỳ mạng di động bao gồm nhiều trạm gốc ăng ten tương ứng quản lý hoạt động điện thoại di động gần thiết bị di động tương ứng với điện thoại di động Mỗi điện thoại di động coi trạm di động nhỏ(MS_Mobile station) Đối với mạng GSM trạm gốc gọi trạm thu phát gốc (Base Transciever_BTS) Một số trạm BTS gộp lại kiểm soát trạm kiểm soát gốc (Base Station Controller_BSC) Các hệ thống cấp bậc cao trung tâm chuyển mạch di động (Mobile swiching center_MSC) thực định tuyến gọi trạm di động với trạm di động với mạng không dây cố định Khu vực kiểm soát MSC thường gọi theo cách khác vùng định vị (LA) có đóng vai trị quan trọng kỹ thuật định vị, ta thấy rõ phần sau Số lượng BSC kiểm soát MSC số lượng trạm BTS kiểm soát BSC số lượng khác nhà cung cấp vùng, miền Dữ liệu, liệu định vị có liên quan, thu giao diện khác Giữa BTS BSC giao diện Abis (Abis-interface) xác định Các liệu có giao diện giới hạn cho tất BTS mà phân bổ cho BSC quản lý, điều đòi hỏi chi tiết phức tạp giao diện cấp cao Hệ thống cấp bậc giao diện xác định BSC MSC là: A-interface Tất liệu BSC giao cho MSC thu giao diện Hình cho bạn nhìn tổng quan cấu trúc mạng GSM tương ứng giao diện có liên quan cho tác vụ định vị Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) II Sự đo lường mạng di động toàn cầu GSM Tại giao diện A giao diện Abis nhiều liệu có sẵn Một ví dụ điển hình MSC khoảng GB cho giao diện A giao diện Abis ngày Những giá trị xác định thực nghiệm giảm thiểu bao gồm thơng tin liên quan đến định vị Chúng khác số lượng BSC kiểm soát cho tải thông tin liên lạc Một thông tin có sẵn mạng GSM ID tế bào (số gán cho ô tương ứng BTS) Đây thông tin cho tất tác vụ thơng tin, cho nhà cung cấp vị trí MS hệ thống mạng Trong thời điểm MS thay đổi từ trạm tế bào (BTS) sang trạm tế bào khác, tồn hai địa định dạng (ID) Khi có phần thực thi nhiệm vụ bàn giao vùng Mỗi vùng định vị (LA) xác định địa LA ID Nếu MS(trạm di động) thay đổi vị trí từ vùng qua vùng khác, thơng tin có sẵn hệ thống mạng Trong trường hợp ID tế bào vùng LA mà MS thâm nhập vào đưa thêm vào hai LA ID Các địa vùng định vị(ID LA) thu mạng GSM vào khoảng thời gian xác định Nhà cung cấp dịch vụ xác định khoảng thời gian phụ thuộc tải thông tin liên lạc nói chung Để thiết lập truyền thơng BTS MS, khe thời gian sử dụng Các khe thời gian phải đồng Để đạt đồng này, chậm trễ truyền tín hiệu phải tính đến(Roth 2002) Điều Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) đảm bảo giá trị định thời ứng trước(TA), giá trị liên quan tới khoảng cách MS trạm tế bào Giá trị TA cho biết thời gian delay MS gửi gói liệu với độ xác khoảng 550 m Sự xác để xác định khoảng cách giới hạn khoảng 1.100 m phụ thuộc vào khoảng cách MS BTS Giá trị định thời tăng lên tới tiếp cận đến BTS (Wiesmann 2000) Hệ thống đo lường giá trị TA hệ thống nội tại, cho phép định vị dựa mạng(Reed et al 1998) Các cường độ tín hiệu nhận (Reception level / RXLEV value) trạm điện thoại di động thông tin quan trọng cho định bàn giao vùng Vì vậy, MS đo cường độ tín hiệu trạm tế bào thực dịch vụ tối đa sáu BTS lân cận MS truyền thông số đo tới hệ thống mạng suốt q trình truyền thơng (Walke 2001) Tính xác cường độ tín hiệu tùy thuộc vào biến động, phụ thuộc vào đo lường, đường truyền dẫn, hiệu ứng che khuất (đối tượng di chuyển cố định) short-term-fast fading(Wiesmann 2000) Các cường độ tín hiệu đo - 110 dBm - 48 dBm Các dBm đơn vị truyền tải điện có liên quan đến mW (Detlefsen & Siart 2005) Sự chênh lệch hai cấp độ truyền tải đưa kết dBm đơn vị khơng có thứ ngun decibel(db) Độ xác lý thuyết cho cường độ tín hiệu đưa với dB ( tín hiệu có cơng suất -70 dBm) tương ứng dB (Walke 2001) Độ xác bị giảm, nói cách khác độ lệch tiêu chuẩn cao khoảng cách tăng lên III Các phương pháp định vị Có nhiều phương pháp định vị hình học khác sử dụng cho thiết bị di động Tất phương pháp dựa nguyên lý trác địa hình học tiếng Bảng số cung cấp cho nhìn tổng quát phương pháp định vị di động phép trắc địa loại suy chúng Nhóm Page Position Mobile (Not GPS)  Cell Global Identity-CGI(Tế bào định vị toàn cầu )  Tế bào gốc (COO) hay Cell-ID giải pháp hồn tồn định vị vị trí mạng sở Giải pháp sử dụng vĩ độ kinh độ trạm sở phục vụ cho thiết bị di động vị trí người dùng Như vậy, COO có thời gian đáp ứng cao giải pháp định vị triển khai rộng rãi năm 2001 Nó, nhiên, khơng xác Độ xác phụ thuộc vào kích thước tế bào mạng Các mạng di động đơn giản có máy phát đa hướng, phát theo hướng tạo vòng tròn Bởi vịng trịn tessellate khơng tốt, kiến trúc sư mạng di động cố gắng để gần cho hình lục giác Và COO thường gọi CGI Nhóm Page Position Mobile (Not GPS)  Các nhà cung cấp thương mại cung cấp sản phẩm có hỗ trợ định vị bao gồm phương pháp COO Cellpoint (http://www.cellpt.com), Ericsson (http://www.ericsson.com), Nokia (http://www.nokia.com) Sản phẩm có hỗ trợ COO thường hỗ trợ phương pháp định vị khác xác nên sử dụng Đây phương pháp định vị đơn giản nhất, phương pháp cho biết kết vị trí định vị khu vực lớn tương đương với vùng tế bào (Cell) Tại vùng thành thị vùng định vị thường 250m2 Tại vùng nông thôn, vùng tế bào định vị lớn vài km2 độ xác tương ứng giảm xuống Như thể hình số 2, phương pháp định vị quét theo hình quạt vùng định vị tế bào kết hợp với phương pháp xác định khoảng cách theo TA(đã trình bày trên) Để qt tồn vùng(theo diện tích hình trịn) ta cần bố trí anten trạm BTS định vị theo hướng xen kẽ 1200 Để tăng độ xác người ta dùng sector-ID kết hợp với hay hai kỹ thuật TA (Timing Advance) dựa vào độ mạnh tín hiệu Cả hai kỹ thuật ban đầu dành cho mục đích khác dùng để xác định vị trí sử dụng thiết bị tồn mạng GSM/GPRS Kỹ thuật TA sử dụng thông tin sai lệch thời gian gửi từ BTS tới hiệu chỉnh thời gian phát MS cho tín hiệu từ MS tới BTS với khe thời gian dành cho MS để tính khoảng cách từ MS tới BTS Tuy nhiên, kỹ thuật TA cho biết MS vùng địa lý BTS phục vụ với bán kính xác định nhờ TA Ngồi ra, mạng thông tin di động MS thường đo độ mạnh tín hiệu từ số BTS gửi thơng tin đến BTS phục vụ nó, dựa vào thơng tin độ mạnh tín hiệu để tính vị trí MS với độ xác cao TA Tuy nhiên, có nhiều yếu tố làm hạn chế hiệu phương pháp địa hình, suy hao mơi trường nhà (các vật liệu xây dựng, hình dạng, kích cỡ tồ nhà Như vậy, cell-ID kỹ thuật tăng cường hỗ trợ có số ưu điểm phải thay đổi phần cứng mạng, tốn Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) độ xác, tính phụ thuộc vào mật độ cell làm cho phương pháp xác định có khả hỗ trợ cho số dịch vụ  Handover /Location Area Update Phương pháp thực điện thoại di động chuyển vùng từ BTS qua BTS Nếu chất lượng tín hiệu truyền thơng thấp, cường độ thu nhận tín hiệu thị mức thấp(low RXLEV value) Ưu điểm phương pháp tồn hai Cell ID thời điểm chuyển giao vùng Do để xác định vị trí thiết bị di động cần vào đường giới tuyến hai Cell Mặt hạn chế phương pháp khơng phải lúc đảm bảo độ xác Độ lợi độ xác phụ thuộc vào độ lớn tế bào ơ(Cell) Hình số cho ta mơ hình hình học phương pháp chuyển giao vùng Với nguyên lý tương tự Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) thế, điện thoại di động chuyển từ vùng định vị(LA) sang vùng định vị trường hợp tính xác giảm xuống phạm vi quản lý LA lớn nhiều so với BTS Đối LA Cell ID tương ứng phân phối đó, bù lại phần hao hụt độ xác  Time of Arrival(TOA)  Phương pháp bao gồm việc phân tích góc đến (AOA) tín hiệu điện thoại di động di động ăng ten AOA PDE (AOA position determination equipment) sử dụng để nắm bắt thơng tin AOA để tính tốn xác định ước tính vị trí thiết bị di động Các đại lượng đo lường nội hệ thống di động tồn cầu GSM khoảng định thời sớm TA(timing advance), giá trị độ thu nhận RXLEV(Receive level) cho biết cường độ tín hiệu thu Nhóm Page 10 Position Mobile (Not GPS) MS BTS quản lý BTS kế cạnh Cả hai thơng số chuyển đổi thành khoảng cách sử dụng cho việc định vị qua vùng cung giao nhau(giao tuyến cung) Một cách tổng quát, phương pháp gọi Time of Arrival(TOA) Nhưng thực tế, với nhiều khoảng cách định vị trở lên khơng đơn có giải pháp để xác định vị trí định vị, ví dụ ta dùng giản đồ vng giới hạn tối đa Vị trí xác định cách có định hướng user, hay nói cách khác user, đương ứng với có giá trị định thời sớm(TA) thích hợp hay đại lượng đo lường khoảng thời gian truyền cho phép định vị cách xác Trong trường hợp độ xác đạt khoảng 500m định vị 2D(2D position) Đối với phương pháp giản đồ cung giao nhau, với giá trị RLXV vị trí định vị với độ xác từ 800m÷1000m Nhóm Page 11 Position Mobile (Not GPS)  Time Difference of Arrival  Phương pháp định vị gọi thời gian đường lên đến (TOA) dựa thời điểm xuất tín hiệu biết đến gửi từ thiết bị di động nhận ba nhiều trạm gốc (xem hình dưới) Các khoảng cách đo đạc suy từ giá trị TA RXLV thường có độ xác thấp thực tế, độ sai lệch xác tỉ lệ với độ sai lệch khoảng cách ta xử lý độ sai lệch khoảng cách định vị cách loại bỏ độ lệch định thời MS Phương pháp hình học sử dụng tới cho ứng dụng định vị khoảng cách gọi giao tuyến hy-pec-pôn.(hyperbolasection) Phương pháp định vị nói tới phương pháp định vị vào khoảng sai lệch thời gian đến(Time Difference of ArrivalTDOA) Để tăng độ xác BTS sử dụng cho việc tính sai số phải đồng cách xác qua sử dụng thiết bị gọi Local Measurement Units(Thiết bị đo đạc cục bộ) Phương pháp thực đồng gọi Enhanced Obseverd Time Difference(EOTD) nhằm tăng khả quan sát độ sai lệch thời gian, cụm từ EOTD xem thuật ngữ viết tắt TDOA Phương pháp thực dựa Nhóm Page 12 Position Mobile (Not GPS) thiết bị cầm tay thiết bị hỗ trợ cầm tay Đầu tiên đo giá trị TA xác định vị trí MS, sau chuyển giao phần định vị tới mạng GSM Độ xác định vị đạt xấp xỉ 500m với định vị 2D(2D position)  Angle of Arrival(AOA) Nếu anten trạm BTS trang bị với hai an-ten giàn, góc tới(góc xung kích, góc đụng) tín hiệu lan truyền(sóng lan truyền) xác định theo hình 6, vị trí hai an-ten biết c vận tốc ánh sáng d khoảng cách đồng hàng biết trước hai an-ten δ góc đụng(góc xung kích) dt độ khác biết thời gian đo hai anten Giải pháp phương thức trắc địa sử dụng cho AOA tính tốn góc đụng với việc sử dụng hai trạm BTS cho điểm giao nhau, hình dạng hình học điểm giao Các góc cần tìm α, β tính tốn dễ dàng nhờ vào góc đụng tương ứng(angle of attack) Nếu nhiều hai BTS trở lên tái sử dụng phương pháp Đối với phương Nhóm Page 13 Position Mobile (Not GPS) pháp cần phải có đồng hóa cần hai giàn anten BTS đo dẫn tới điều sử dụng Độ xác phương pháp lên tới 50 200m  Signal Strength Matching Đây phương pháp định vị di động không sử dụng GPS đề cập tới Phương pháp gọi so sánh đa đường(multipath matching), hay so sánh mẫu(pattern matching) cường độ tín hiệu đo được so sánh với số liệu chuẩn qua BTS Các số liệu chuẩn(số liệu tham khảo) cho thông qua số liệu đo hiệu chỉnh sử dụng trạm di động MS thiết bị đo đạc đặc biệt Đó thời gian, giá trị cường độ mạnh, yếu, kết so sánh cịn tùy thuộc vào mơi trường  SIM ToolKit Bộ công cụ SIM (STK), API Identity Module thuê bao (SIM) điện thoại di động GSM ứng dụng, cung cấp phương tiện định vị đơn vị di động Định vị thơng tin gần COO (cell of origin) hay xác thơng Nhóm Page 14 Position Mobile (Not GPS) qua phương tiện khác sử dụng mạng lưới hoạt động thời gian trước gọi điện thoại di động (TA) thủ tục gọi mạng lưới báo cáo đo lường (NMR) Trong trường hợp, STK cho phép giao tiếp SIM (có thể chứa thuật tốn bổ sung cho vị trí) vị trí máy chủ ứng dụng (có thể chứa thuật tốn bổ sung để hỗ trợ định vị di động) STK kỹ thuật tốt để có thơng tin vị trí, thiết bị di động trạng thái nhàn rỗi Ngồi cịn số phương pháp khác : Phương pháp Hybrid ( kết hợp AOA TOA) IV Các ứng dụng Dịch vụ định vị di động Việt Nam : - Hiện tại, mạng GSM (kể mạng CDMA) khai thác Việt Nam chưa ứng dụng khả xác định vị trí thuê bao theo toạ độ, góc hướng cách xác mà thường vào vị trí BTS theo địa danh địa lý tương đối Ví dụ, thuê bao BTS A, ta hiểu thuê bao khu vực bán kính từ 500m-15km xung quanh A mà Tuy nhiên, mạng 3G (W-CDMA), khả xác định vị trí thuê bao xác với sai số tính mét hệ thống sử dụng cơng nghệ định vị tồn cầu (GPS) qua vệ tinh để xác định vị trí th bao Cơng nghệ hữu ích triển khai ứng dụng như: tìm đường qua điện thoại di động hay tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn - Vinafone nhà cung cấp ứng dụng phương pháp định vị Cell-ID để vụ xác định vị trí thuê bao di động nước ta, dịch vụ có tên “ Family Care” trình thử ngiệm - Mục đích dịch vụ : dịch vụ cung cấp tiện ích giúp cho thuê bao VinaPhone nhận thơng tin vị trí (thông qua tin SMS) người thân, thành viên gia Nhóm Page 15 Position Mobile (Not GPS) đình như: Bố mẹ tìm kiếm, quản lý vị trí thành viên khác… - Yêu cầu : Cả thuê bao thuộc mạng Vinafone, người sử dụng cần soạn tin nhắn cung cấp số điện thoại gửi tới tổng đài, hệ thống VinaPhone tự động xác định xác vị trí th bao cần tìm Và để đạt kết nối Tổng đài gửi tin nhắn xác nhận cho th bao tìm kiếm(có cho phép hay không) - Đặc biệt, theo VinaPhone, ứng dụng kỹ thuật định vị Cell-ID kết hợp với A-GPS giúp dịch vụ FamilyCare xác định tên đường mà thuê bao bị kiểm soát dừng chân Và cơng sở có diện tích lớn, có đặt trạm BTS (trạm phát sóng) dịch vụ FamilyCare cịn xác định số nhà Hơn thế nữa , phát triển tảng SMS nên Family Care tiện lợi với người dùng , cả các máy điê ̣n thoa ̣i đời cũ nhấ t cũng có thể dùng Nhóm Page 16 Position Mobile (Not GPS) Tài liệu tham khảo http://www.fig.net/pub/costarica_1/papers/ts08/ts08_01_schwieger_24 07.pdf http://www.mobilein.co m/mobile_positioning.ht m http://en.wikipedia.org/wiki/Positioning_(telecommunications) http://www.scribd.com/doc/7066636/Mang-GSM http://www.yallait.com/wireless/presentations/Presentation.pdf http://lcawww.epfl.ch/Publications/Capkun/CapkunHH01a.pdf Mobile Location Servies: The Definitive Guide by Andrew Jagoe Nhóm Page 17 ... thơng Nhóm Page 14 Position Mobile (Not GPS) qua phương tiện khác sử dụng mạng lưới hoạt động thời gian trước gọi điện thoại di động (TA) thủ tục gọi mạng lưới báo cáo đo lường (NMR) Trong trường... dùng Nhóm Page 16 Position Mobile (Not GPS) Tài liệu tham khảo http://www.fig.net/pub/costarica_1/papers/ts08/ts08_01_schwieger_24 07.pdf http://www.mobilein.co m /mobile_ positioning.ht m http://en.wikipedia.org/wiki/Positioning_(telecommunications)... toàn hiểu hết nguyên lý hoạt động hệ thống định vị di động mà khơng sử dụng GPS Nhóm Page Position Mobile (Not GPS) Nội dung I Sơ lược cấu trúc hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM II Sự đo