Определение местоположения для 4G
Продолжаем ранее начатую тему про определения местоположения.
Сначала введем некоторые ограничения на то, что в качестве мобильного устройства будет использоваться обычный телефон, на котором нет никаких дополнительных программ, которые могли бы определить местоположение абонента с помощью приемника GPS или же принять служебные сигналы от базовых станций и отправить результаты измерений на специализированный сервис, который с помощью специальных алгоритмов рассчитал бы местоположение абонента. Итого, наша задача сводится к тому, чтобы определить местоположение мобильного устройства, зная только его номер телефона.
Давайте пройдемся немного по теории и определим какая информация есть в наших руках относительно нашего абонента. Когда вы включаете телефон, происходит большое количество “магических процедур”. Во-первых, ваш телефон выполняет поиск базовых станций и может одновременно прослушивать до 16 широковещательных каналов. Далее, он выбирает только 6 из них, которые удовлетворяют его по качеству сигнала. И, в итоге, в конкретный момент времени он может подключится только к одной соте.
Каждая базовая станция имеет свой номер CellId, следовательно, у нас в распоряжении появляются точные координаты местоположения базовой станции. Теперь в пределах этих координат мы можем обнаружить наше устройство. Обычно базовая станция подразделяется на сектора с уникальным CellId, которые покрывают определенный угол в пространстве (например, 120 градусов), а это позволяет получить азимут на мобильное устройство (UE).
Как происходит процесс подключения к базовой станции, мы уже рассказывали в прошлых наших статьях (здесь и тут). Стоит отметить, что это процесс достаточно интересный, и нам потребуется оттуда один параметр, который передает базовая станция в сообщении msg2 (Random Access Response) в ответ на сообщения PRACH от мобильного устройства. Этот параметр TA (Timing Advance) позволяет синхронизировать передаваемые данные между базовой станцией и мобильным устройством.
Зная TA между мобильным устройством и базовой станцией, мы можем определить расстояние между ними. В стандарте 3GPP для 4G определено значение одной единицы TA в секундах:
TA = 16*Ts = 16/30720000 сек = 0.5208 мкс,
где Ts - основная единица времени для LTE = 1/(2048x15000) = 1/30720000 сек
Следовательно расстояние от базовой станции до абонента(UE):
D = c*TA/2 = ((3*10+E8)*(0.5208*10-E6))/2 = 78.12м,
где c - скорость света, TA - timing advance измеряемый базовый станцией.
Следовательно, точность определения расстояния до мобильного устройства в пределах одной базовой станции будет составлять примерно 78 метров.
Давайте теперь посмотрим, какие же, в итоге, данные доступны базовой станции для определения местоположения мобильного устройства:
- точное местоположение базовой станции, к которой подключен абонент;
- расстояние до него с точностью, равной 78м;
- азимут на абонента с погрешностью 120 градусов для нашего примера.
При текущих обстоятельствах, вряд ли мы сможем определить местоположение абонента с высокой точностью. Ведь чем дальше будет мобильное устройство от базовой станции, тем больше будет погрешность при переходе от полярных координат к декартовым. В итоге, определить местоположение возможно только с большой погрешностью, то есть в пределах 78 метров по дальности и 120 градусов по азимуту для нашего примера .
Видно, данной точности недостаточно для получения точного местоположения мобильного устройства. Тогда почему бы не использовать метод определения местоположения с помощью триангуляции? Ответ на этот вопрос достаточно прост. Как уже говорилось раньше, мобильное устройство одновременно может работать только с одной базовой станцией, а для применения метода триангуляции нам потребовались бы данные как минимум от трех базовых станций. Решить этот вопрос можно с помощью принудительного переключения устройства между базовыми станциями, но это в свою очередь повысило бы нагрузку на сеть оператора. Другой проблемой является то, что оператор не всегда располагает свои базовые станции с большой частотой покрытия, это часто связано с тем, что нет технической или административной возможности. И как следствие у нас не всегда будет возможность подключится к более, чем одной вышке в определенном месте.
Давайте представим теперь другую ситуацию, когда абонент перемещается из одной точки города в другую. Обновление данных о местоположении мобильного устройства происходит с определённой периодичностью, при перемещении абонента и при переключении между базовыми станциями. В таких условиях мобильный оператор может выполнять трекинг перемещений абонента, то есть сохранять последние координаты в базу данных и при изменении местоположения абонента выполнять аппроксимацию полученных данных и повышать точность определения местоположения мобильного устройства. При таком подходе точность определения местоположения будет зависеть от множества факторов.
Как пример, для повышения точности определения местоположения абонента, в рамках некоторого сервиса одного крупного оператора, “на помощь приходят данные других абонентов в сети. Система обезличивает, анализирует и агрегирует полученную из сети информацию, а на выходе получает статистические показатели о подключении всех абонентов к сотам за последнее время. Эти данные сравниваются с информацией абонента, подключенного к трекингу: переключения между сотами, азимуты и временные слоты. В итоге система определяет наиболее вероятное местоположение абонента”.
Подводя итоги, в реальных условиях, в зависимости от плотности расположения базовых станций, точность определения местоположения абонента может достигать 50-100 метров в городской черте и до 1 км за ее пределами. И в большинстве случаев, эту точность можно получить только при условии регулярного использования услуг связи абонентом.