Báo cáo Đề tài mobile positioning

Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 1 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM Khoa: Điện Tử ÷Viễn Thông 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 Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 2 Lời Giới Thiệu Thông tin di động ngày nay đã phát triển vượt bậc cùng với đó là hàng loạt các công nghệ mới và hiện đại ra đời, thay thế nhau. Điều này ngày càng phục vụ tốt hơn cho nhu cầu trao đổi thông tin toàn cầu, chất lượng các hệ thống thông tin ngày càng tốt hơn và đa năng hơn, giúp việc thực hiện truyền tải thông tin một cách nhanh nhất, bảo mật nhất và hiệu quả nhất. Chính vì tầm quan trọng và tính phát triển mau lẹ của thông tin di động đối với đời sống con người, trong phần tìm hiểu về thông tin di động này chúng em xin trình bày đề tài Mobile Positioning – Định vị di động, đây là một đề tài không mới và công nghệ này đã phát triển từ rất lâu về trước trong thông tin di động, nhưng qua đây chúng em muốn đóng góp một phần hiểu biết của mình về công nghệ trong thông tin di động, đồng thời cũng muốn giới thiệu tới các bạn sinh viên khác muốn quan tâm tới vấn đề này nhưng có thể chưa hoặc chưa hoàn toàn hiểu hết về nguyên lý và sự hoạt động của các hệ thống định vị di động mà không sử dụng GPS. Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 3 Nội dung chính. I. Sơ lược cấu trúc của hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM. II. Sự đo lường trong 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. Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 4 I. Cấu trúc của hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM. Bất kỳ mạng di động nào đều bao gồm nhiều trạm gốc và các ăng ten tương ứng quản lý hoạt động các điện thoại di động gần đó hoặc các thiết bị di động tương ứng với điện thoại di động. Mỗi điện thoại di động được coi là một trạm di động nhỏ(MS_Mobile station). Đối với mạng GSM các trạm gốc được gọi là trạm thu phát gốc (Base Transciever_BTS). Một số trạm BTS được gộp lại và được kiểm soát bởi một trạm kiểm soát gốc (Base Station Controller_BSC). Các hệ thống cấp bậc cao hơn kế tiếp là các trung tâm chuyển mạch di động (Mobile swiching center_MSC) thực hiện định tuyến các cuộc gọi giữa các trạm di động với nhau và giữa các trạm di động với mạng không dây cố định. Khu vực kiểm soát bởi một MSC còn thường được gọi theo một cách khác là vùng định vị (LA) có đóng một vai trò quan trọng đối với các kỹ thuật định vị, ta có thể thấy rõ trong phần sau. Số lượng của các BSC được kiểm soát bởi một MSC cũng như số lượng các trạm BTS được kiểm soát bởi một BSC và số lượng này có thể khác nhau giữa các nhà cung cấp cũng như giữa các vùng, miền. Dữ liệu, và dữ liệu định vị có liên quan, có thể thu được bằng các giao diện khác nhau. Giữa BTS và BSC là các giao diện Abis (Abis-interface) xác định. Các dữ liệu có tại một trong những giao diện được giới hạn cho tất cả các BTS mà được phân bổ cho một BSC quản lý, điều này đòi hỏi chi tiết và phức tạp hơn đối với các giao diện cấp cao hơn. Hệ thống cấp bậc tiếp theo là một giao diện được xác định giữa BSC và MSC đó là: A-interface. Tất cả dữ liệu của BSC giao cho một MSC có thể được thu bởi một trong những giao diện. Hình 1 cho bạn một cái nhìn tổng quan về cấu trúc mạng GSM và tương ứng giao diện có liên quan cho các tác vụ định vị. Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 5 II. Sự đo lường trong mạng di động toàn cầu GSM. Tại giao diện A cũng như tại các giao diện Abis rất nhiều dữ liệu có sẵn. Một ví dụ điển hình đối với một MSC khoảng 6 GB cho giao diện A và giao diện Abis mỗi ngày. Những giá trị này là xác định bằng thực nghiệm và đã được giảm thiểu chỉ bao gồm các thông tin liên quan đến định vị. Chúng có thể khác nhau đối với số lượng BSC kiểm soát cũng như cho tải thông tin liên lạc. Một thông tin có sẵn trong mạng GSM là ID tế bào (số duy nhất được gán cho một ô tương ứng BTS). Đây là thông tin cơ bản cho tất cả các tác vụ thông tin, bởi vì nó chỉ ra cho các nhà cung cấp một vị trí MS nào đó trong hệ thống mạng. Trong thời điểm khi một MS thay đổi từ một trạm tế bào (BTS) sang một trạm tế bào khác, khi đó sẽ tồn tại cả hai địa chỉ định dạng (ID). Khi đó sẽ có phần thực thi nhiệm vụ bàn giao vùng. Mỗi một vùng định vị (LA) được xác định bởi một địa chỉ duy nhất LA ID. Nếu một MS(trạm di động) thay đổi vị trí của nó từ vùng này qua một vùng khác, thông tin này cũng có sẵn trong hệ thống mạng. Trong trường hợp này ID tế bào của vùng LA mà MS thâm nhập vào được đưa thêm vào cả hai LA ID. Các địa chỉ vùng định vị(ID LA) cũng có thể được thu được trong mạng GSM căn cứ vào các khoảng thời gian xác định. Nhà cung cấp dịch vụ xác định khoảng thời gian này bằng sự phụ thuộc của tải thông tin liên lạc nói chung. Để thiết lập truyền thông giữa BTS và MS, các khe thời gian được sử dụng. Các khe thời gian này phải được đồng bộ. Để đạt được sự đồng bộ này, sự chậm trễ truyền tín hiệu phải được tính đến(Roth 2002). Điều này Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 6 được đảm bảo bằng giá trị định thời ứng trước(TA), là giá trị liên quan tới khoảng cách giữa MS và trạm tế bào. Giá trị TA cho biết thời gian delay để cho MS gửi một gói dữ liệu với độ chính xác trong khoảng 550 m. Sự chính xác để xác định khoảng cách được giới hạn trong khoảng. 1.100 m và phụ thuộc vào khoảng cách giữa MS và BTS. Giá trị định thời này tăng lên tới tiếp cận đến BTS (Wiesmann 2000). Hệ thống đo lường giá trị TA là hệ thống nội tại, do đó nó cho phép định vị dựa trên mạng(Reed et al 1998). Các cường độ tín hiệu nhận được (Reception level / RXLEV value) tại các trạm điện thoại di động là một thông tin quan trọng cho quyết định sự bàn giao vùng. Vì vậy, MS có thể đo cường độ tín hiệu của các trạm tế bào đang thực hiện dịch vụ và tối đa sáu BTS lân cận. MS truyền các thông số đo này tới hệ thống mạng trong suốt quá trình truyền thông (Walke 2001). Tính chính xác của cường độ tín hiệu là tùy thuộc vào sự biến động, vì nó phụ thuộc vào đo lường, đường truyền dẫn, các hiệu ứng che khuất (đối tượng di chuyển và cố định) và short-term-fast fading(Wiesmann 2000). Các cường độ tín hiệu được đo giữa - 110 dBm và - 48 dBm. Các dBm là đơn vị truyền tải điện có liên quan đến 1 mW (Detlefsen & Siart 2005). Sự chênh lệch của hai cấp độ truyền tải được đưa ra trong kết quả dBm là một đơn vị không có cùng thứ nguyên decibel(db). Độ chính xác lý thuyết cho cường độ tín hiệu được đưa ra với 4 dB ( các tín hiệu có công suất trên -70 dBm) tương ứng là 6 dB (Walke 2001). Độ chính xác bị giảm, nói cách khác độ lệch tiêu chuẩn cao hơn khi khoảng cách tăng lên. III. Các phương pháp định vị. Có nhiều phương pháp định vị bằng hình học khác nhau có thể sử dụng cho các thiết bị di động. Tất cả các phương pháp đều dựa trên các nguyên lý trác địa hình học nổi tiếng. Bảng số 1 cung cấp cho chúng ta cái nhìn tổng quát về các phương pháp định vị di động và phép trắc địa loại suy của chúng. Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 7  Cell Global Identity-CGI(Tế bào định vị toàn cầu ).  Tế bào gốc (COO) hay Cell-ID là một giải pháp hoàn toàn là định vị vị trí trên mạng cơ sở. Giải pháp này sử dụng các vĩ độ và kinh độ của trạm cơ sở phục vụ cho thiết bị di động như vị trí của người dùng. Như vậy, COO có thời gian đáp ứng cao nhất và là giải pháp định vị triển khai rộng rãi nhất trong năm 2001. Nó, tuy nhiên, có thể rất không chính xác. Độ chính xác phụ thuộc vào kích thước của các tế bào mạng. Các mạng di động đơn giản có các máy phát được đa hướng, phát như nhau theo mọi hướng và tạo ra một vòng tròn. Bởi vì vòng tròn tessellate không tốt, kiến trúc sư mạng di động cố gắng để gần đúng cho hình lục giác. Và COO cũng thường được gọi là CGI. Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 8  Các nhà cung cấp thương mại cung cấp các sản phẩm có hỗ trợ định vị bao gồm các phương pháp COO Cellpoint ( Ericsson ( và Nokia ( . Sản phẩm có hỗ trợ COO cũng thường hỗ trợ các phương pháp định vị khác chính xác hơn nên được sử dụng khi có thể. Đây là phương pháp định vị đơn giản nhất, phương pháp này cho biết kết quả vị trí định vị trong khu vực lớn tương đương với vùng tế bào của (Cell) đó. Tại các vùng thành thị vùng định vị thường dưới 250m2. Tại các vùng nông thôn, vùng tế bào định vị lớn hơn một vài km2 do đó độ chính xác tương ứng giảm xuống. Như thể hiện trong hình số 2, phương pháp định vị này được quét theo hình quạt trong các vùng định vị tế bào hoặc có thể kết hợp với phương pháp xác định khoảng cách theo TA(đã trình bày ở trên). Để quét được toàn vùng(theo diện tích hình tròn) ta chỉ cần bố trí 3 anten trên mỗi trạm BTS định vị theo các hướng xen kẽ nhau 1200. Để tăng độ chính xác người ta dùng sector-ID hoặc có thể kết hợp với một hay cả hai kỹ thuật TA (Timing Advance) và dựa vào độ mạnh của tín hiệu. Cả hai kỹ thuật này ban đầu được dành cho các mục đích khác do đó khi dùng để xác định vị trí thì có thể sử dụng các thiết bị đã tồn tại trong mạng GSM/GPRS. Kỹ thuật TA sử dụng thông tin về sai lệch thời gian được gửi từ BTS tới hiệu chỉnh thời gian phát của MS sao cho tín hiệu từ MS tới BTS đúng với khe thời gian dành cho MS để tính ra khoảng cách từ MS tới BTS. Tuy nhiên, kỹ thuật TA chỉ cho biết MS trong vùng địa lý của BTS đang phục vụ nó với bán kính xác định được nhờ TA. Ngoài ra, trong mạng thông tin di động MS thường đo độ mạnh của tín hiệu từ một số BTS và gửi thông tin này đến BTS đang phục vụ nó, vì vậy có thể dựa vào thông tin độ mạnh tín hiệu này để tính ra được vị trí MS với độ chính xác cao hơn TA. Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tố làm hạn chế hiệu quả của phương pháp này như địa hình, suy hao ở môi trường trong nhà (các vật liệu xây dựng, hình dạng, kích cỡ toà nhà Như vậy, cell-ID và các kỹ thuật tăng cường hỗ trợ nó mặc dù có một số ưu điểm như ít phải thay đổi phần cứng của mạng, ít tốn kém Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 9 thì độ kém chính xác, tính phụ thuộc vào mật độ cell ..làm cho phương pháp xác định này chỉ có khả năng hỗ trợ cho một số ít các dịch vụ  Handover /Location Area Update. Phương pháp này được thực hiện khi một điện thoại di động chuyển vùng từ một BTS này qua một BTS kế tiếp. Nếu như chất lượng tín hiệu truyền thông thấp, thì cường độ thu nhận tín hiệu cũng chỉ thị ở mức thấp(low RXLEV value). Ưu điểm của phương pháp này là tồn tại cả hai Cell ID tại thời điểm chuyển giao vùng. Do đó để xác định vị trí của thiết bị di động chỉ cần căn cứ vào đường giới tuyến của hai Cell đó. Mặt hạn chế của phương pháp này đó là không phải lúc nào cũng đảm bảo độ chính xác. Độ lợi của độ chính xác phụ thuộc vào độ lớn của các tế bào ô(Cell). Hình số 3 cho ta mô hình hình học của phương pháp chuyển giao vùng. Với nguyên lý tương tự Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 10 như thế, nếu một điện thoại di động chuyển từ vùng định vị(LA) nào đó sang vùng định vị kế tiếp trong trường hợp này tính chính xác giảm xuống bởi vì phạm vi quản lý của các LA lớn hơn rất nhiều so với các BTS. Đối LA mới các Cell ID tương ứng cũng được phân phối trong đó, do vậy sẽ bù lại được phần nào sự hao hụt của độ chính xác.  Time of Arrival(TOA).  Phương pháp này bao gồm việc phân tích các góc đến (AOA) của một tín hiệu giữa các điện thoại di động và di động ăng ten. AOA PDE (AOA position determination equipment) được sử dụng để nắm bắt thông tin AOA để tính toán và xác định một ước tính của các vị trí thiết bị di động. Các đại lượng đo lường nội tại của hệ thống di động toàn cầu GSM đó là khoảng định thời sớm TA(timing advance), giá trị độ thu nhận RXLEV(Receive level) cho biết cường độ tín hiệu thu được Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 11 của một MS đối với BTS đang quản lý và các BTS kế cạnh đó. Cả hai thông số này có thể được chuyển đổi thành khoảng cách và được sử dụng cho việc định vị qua các vùng cung giao nhau(giao tuyến cung). Một cách tổng quát, phương pháp này được gọi là Time of Arrival(TOA). Nhưng trong thực tế, với nhiều hơn 3 khoảng cách định vị trở lên thì không đơn thuần là chỉ có duy nhất một giải pháp để xác định vị trí định vị, ví dụ ta có thể dùng giản đồ vuông giới hạn tối đa. Vị trí có thể được xác định một cách có định hướng bởi user, hay nói cách khác đối với một user, đương ứng với đó có một giá trị định thời sớm(TA) thích hợp hay các đại lượng đo lường khoảng thời gian truyền sẽ cho phép định vị một cách chính xác hơn. Trong trường hợp này độ chính xác có thể đạt trong khoảng 500m đối với định vị 2D(2D position). Đối với phương pháp giản đồ cung giao nhau, với giá trị RLXV vị trí có thể được định vị với độ chính xác từ 800m÷1000m. Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 12  Time Difference of Arrival.  Phương pháp định vị được gọi là thời gian đường lên đến (TOA) là dựa trên thời điểm xuất hiện của một tín hiệu được biết đến gửi từ các thiết bị di động và nhận được ba hoặc nhiều trạm gốc (xem hình dưới). Các khoảng cách đo đạc suy từ các giá trị TA và RXLV thường có độ chính xác thấp trong thực tế, độ sai lệch chính xác tỉ lệ với độ sai lệch về khoảng cách do đó ta có thể xử lý độ sai lệch về khoảng cách định vị bằng cách loại bỏ độ lệch định thời của MS. Phương pháp hình học được sử dụng tới ở đây cho ứng dụng định vị khoảng cách được gọi là giao tuyến hy-pec-pôn.(hyperbola- section). Phương pháp định vị đang nói tới đây là phương pháp định vị căn cứ vào khoảng sai lệch thời gian đến(Time Difference of Arrival- TDOA). Để tăng độ chính xác các BTS sử dụng cho việc tính sai số phải được đồng bộ một cách chính xác qua sử dụng một thiết bị được gọi là Local Measurement Units(Thiết bị đo đạc cục bộ). Phương pháp thực hiện đồng bộ này gọi là Enhanced Obseverd Time Difference(EOTD) nhằm tăng khả năng quan sát độ sai lệch về thời gian, do đó cụm từ EOTD có thể được xem như là thuật ngữ viết tắt TDOA. Phương pháp có thể được thực hiện dựa trên Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 13 thiết bị cầm tay hoặc thiết bị hỗ trợ cầm tay. Đầu tiên là đo giá trị TA và xác định vị trí của MS, sau đó chuyển giao phần định vị tới mạng GSM. Độ chính xác định vị cũng có thể đạt xấp xỉ 500m với định vị 2D(2D position).  Angle of Arrival(AOA). Nếu bộ anten của trạm BTS được trang bị với hai an-ten giàn, góc tới(góc xung kích, góc đụng) của tín hiệu lan truyền(sóng lan truyền) được xác định như theo hình 6, nếu vị trí của hai an-ten đã được biết. c là vận tốc ánh sáng. d là khoảng cách đồng hàng biết trước giữa hai an-ten. δ là góc đụng(góc xung kích). dt là độ khác biết thời gian đo được giữa hai anten. Giải pháp của phương thức trắc địa sử dụng cho AOA đó là tính toán góc đụng với việc sử dụng ít nhất hai trạm BTS cho một điểm giao nhau, hình 6 chỉ ra dạng hình học đối với một điểm giao nhau. Các góc cần được tìm là α, β có thể tính toán dễ dàng nhờ vào góc đụng tương ứng(angle of attack). Nếu đối với nhiều hơn hai BTS trở lên thì có thể tái sử dụng phương pháp trên. Đối với phương Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 14 pháp này cần phải có sự đồng bộ hóa và cần hai giàn anten trên mỗi BTS đo đó dẫn tới một điều là nó hiếm được sử dụng. Độ chính xác của phương pháp này có thể lên tới 50 hoặc 200m.  Signal Strength Matching. Đây là phương pháp trong định vị di động không sử dụng GPS được đề cập tới ở đây. Phương pháp này còn được gọi là so sánh đa đường(multipath matching), hay so sánh mẫu(pattern matching) cường độ của tín hiệu đo được được so sánh với số liệu chuẩn qua 7 BTS. Các số liệu chuẩn(số liệu tham khảo) được cho thông qua số liệu đo hiệu chỉnh bằng sử dụng các trạm di động MS hoặc những thiết bị đo đạc đặc biệt. Đó có thể là thời gian, giá trị cường độ mạnh, yếu, và kết quả so sánh còn tùy thuộc vào môi trường.  SIM ToolKit Bộ công cụ SIM (STK), như là một API giữa Identity Module thuê bao (SIM) của một điện thoại di động GSM và ứng dụng, cung cấp các phương tiện định vị một đơn vị di động. Định vị thông tin có thể là gần đúng như COO (cell of origin) hay chính xác hơn thông Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 15 qua các phương tiện khác như sử dụng mạng lưới hoạt động thời gian trước được gọi là điện thoại di động (TA) hoặc thủ tục được gọi là mạng lưới báo cáo đo lường (NMR). Trong mọi trường hợp, STK cho phép giao tiếp giữa các SIM (có thể chứa các thuật toán bổ sung cho vị trí) và vị trí máy chủ ứng dụng (có thể chứa các thuật toán bổ sung để hỗ trợ định vị di động). STK là một kỹ thuật tốt để có được thông tin vị trí, trong khi các thiết bị di động là ở trạng thái nhàn rỗi. Ngoài ra còn 1 số phương pháp khác như : Phương pháp Hybrid ( kết hợp AOA và TOA). IV. Các ứng dụng. Dịch vụ định vị di động tại Việt Nam : - Hiện tại, các mạng GSM (kể cả các mạng CDMA) đang khai thác ở Việt Nam đều chưa ứng dụng khả năng xác định vị trí của thuê bao theo toạ độ, góc hướng một cách chính xác mà thường chỉ căn cứ vào vị trí của các BTS theo địa danh địa lý tương đối. Ví dụ, khi thuê bao đang ở BTS A, ta có thể hiểu là thuê bao đó đang ở trong khu vực bán kính từ 500m-15km xung quanh A mà thôi. Tuy nhiên, đối với các mạng 3G (W-CDMA), khả năng xác định vị trí của thuê bao là rất chính xác với sai số được tính bằng mét do các hệ thống này sử dụng công nghệ định vị toàn cầu (GPS) qua vệ tinh để xác định vị trí thuê bao. Công nghệ này rất hữu ích khi triển khai các ứng dụng như: tìm đường qua điện thoại di động hay tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn. - Vinafone là nhà cung cấp đầu tiên ứng dụng các phương pháp định vị Cell-ID để vụ xác định vị trí thuê bao di động ở nước ta, và dịch vụ đó có tên là “ Family Care” và đang trong quá trình thử ngiệm. - Mục đích của dịch vụ : là dịch vụ cung cấp các tiện ích giúp cho các thuê bao VinaPhone có thể nhận được thông tin về vị trí (thông qua bản tin SMS) của người thân, thành viên trong gia Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 16 đình như: Bố mẹ có thể tìm kiếm, quản lý vị trí của con cái hoặc của các thành viên khác… - Yêu cầu : Cả 2 thuê bao đều thuộc mạng Vinafone, người sử dụng chỉ cần soạn tin nhắn cung cấp số điện thoại rồi gửi tới tổng đài, hệ thống của VinaPhone sẽ tự động xác định chính xác vị trí của thuê bao cần tìm. Và để đạt được kết nối Tổng đài sẽ gửi tin nhắn xác nhận cho thuê bao được tìm kiếm(có cho phép hay không). - Đặc biệt, theo VinaPhone, ứng dụng kỹ thuật định vị Cell-ID kết hợp với A-GPS còn giúp dịch vụ FamilyCare có thể xác định tên đường mà thuê bao bị kiểm soát dừng chân. Và ở những công sở có diện tích lớn, có đặt trạm BTS (trạm phát sóng) thì dịch vụ FamilyCare còn xác định được đúng số nhà. Hơn thế nữa, vì được phát triển trên nền tảng SMS nên Family Care rất tiện lợi với người dùng , ngay cả các máy điêṇ thoaị đời cũ nhất cũng có thể dùng được . Position Mobile (Not GPS) Nhóm 8 Page 17 Tài liệu tham khảo. 1. 07.pdf 2. 3. 4. 5. 6. 7. Mobile Location Servies: The Definitive Guide by Andrew Jagoe