Seminario Comunicaçoes Moveis

Seminario Comunicaçoes Moveis

(Parte 1 de 2)

Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP Facauldade de Tecnologia – FT

Relatório Detalhado Sobre a Tecnologia de Localização Física via Sistema Celular

Nomes: João Vitor Stoppa Guerreiro RA: 085900

Diego Moraes Teodoro RA: 060164 Felipe Alexandre Curti RA: 066642 Italo Miler Gomes RA: 083649 Yuri Vincki Ribeiro RA: 083116

1.Sumário

2. Introdução3
3. Objetivo3
4. Sistema de Funcionamento3
4.1 Desafios na Localização da Estação Móvel4
4.2 Intensidade do Sinal5
4.3 Tempo de Chegada (ToA)5
4.4 Diferença de Tempo de Chegada (TDoA)7
4.5 Medida de Angulo de Chegada (AoA)7
4.6 Técnicas Híbridas7
4.6.1 Sistemas GPS assistidos pela rede (A-GPS)8
4.6.2 Técnica Híbrida (TDoA+AoA)8
5. Tipos de Tecnologia9
5.1 Cell-ID9
5.2 Cell-ID Timing Advance (CI/TA)10
5.3 Cell Site Sector10
5.4 Enhanced Cell-ID Timing Advance (E-CI/TA)1
5.5 Comparação das Técnicas e Tecnologias1
6. Exemplo Prático da Aplicação da Tecnologia12
6.1 Exemplo12
7. Diferenciais de mercado em termos tecnológicos e financeiros14
7.1 Vivo14
7.1.1 Vivo Localiza14
7.1.2 Vivo Aqui Perto14
7.1.3 Vivo Onde Estou ?15
7.2 Tim15
8. Observações Adcionais15
9. Conclusão16

2. Introdução

rastreamento em celulares CDMA, TDMA ou GSM

O algoritmo do sistema da tecnologia de Localização Física via Sistema Celular permite obter estimativas de localização mais exatas. Esse sistema pode ser usado para Esse algoritmo confere excelente precisão à localização de usuários por sistema celular. O sistema de localização já é usado nos Estados Unidos e na Europa em situações de emergência e também para prestação de serviços personalizados pelas operadoras de telefonia, mas a margem de erro pode atingir um raio maior do que 50 metros.

3. Objetivo

Explicação detalhada do funcionamento da tecnologia de Localização Física via Sistema Celular com ênfase nos conceitos da disciplina de TT602, exemplos práticos de aplicação da tecnologia e diferenciais de mercado em termos tecnológicos e financeiros.

4. Sistema de Funcionamento

Começaremos a descrever o sistema de funcionamento passo a passo com os conceitos da disciplina TT602 para a perfeita compreensão e entendimento da tecnologia. Para a localização, costuma-se usar três estações fixas (torres) que enviam o sinal. Pelo tempo de propagação até chegar ao usuário, calcula-se a distância e, a partir da intersecção entre as três circunferências, obtém-se a sua localização. Uma localização 100% exata só poderia ser feita em condições ideais, em que não houvesse barreiras físicas para propagação das ondas (linha divisada). Entretanto, obstáculos como montanhas, prédios e construções refletem as ondas, ocasionando um espalhamento do sinal e ampliando assim seu tempo de propagação. A propagação do sinal em multipercursos, com ausência de visada direta e sombreamento devido às estruturas, tanto as feitas pelo homem como as naturais, degradam a qualidade do sinal e introduzem atrasos na sua propagação (Fast Fading). Esse efeito influi no resultado dos cálculos da distância. Além de reduzir o raio da localização para valores menores do que 50 metros em 70% das medidas em ambientes urbanos, o mesmo algoritmo pode ser utilizado para rastreamento em qualquer tipo de rede celular, seja CDMA, TDMA ou GSM.

As exigências de precisão e frequência da estimativa de localização foram inicialmente fixadas dentro de 100m para 67% dos usuários e dentro de 300 metros para 95% dos usuários, entretanto, foram subsequentemente reduzidas para dentro de 50m e 150 m para os respectivos percentuais em soluções baseadas no terminal móvel.

4.1 Desafios na Localização da Estação Móvel

Os regulamentos para localização móvel estabelecidos pela FCC (Comissão Federal de Comunicações), determinam que a precisão de localização para fase I seja de 100m (50m) em 67% do tempo e 300m (150m) em 95% do tempo para sistemas de localização baseados na rede (no terminal). Os métodos principais de localização do terminal móvel previstos são por intensidade de sinal, ângulo de chegada (AoA), tempo de chegada (ToA) e diferença de tempo de chegada (TDoA). Infelizmente, seja qual for o método utilizado, o ambiente adverso de propagação impõe grandes obstáculos para a determinação precisa dos parâmetros envolvidos, mesmo utilizando múltiplas estações base, resultando em grandes erros na estimativa da localização do móvel. Esse problema não é tão complicado, quando os receptores estão distribuídos ao longo de uma linha reta, onde muitos processos ótimos foram desenvolvidos por Carter, Han e Tretter. Quando os receptores estão distribuídos arbitrariamente, contudo, a estimativa é mais complexa. Em ambientes urbanos típicos e adversos na maior parte das vezes, não há visada direta entre o móvel e a estação base. Devido à reflexões e difrações do sinal, as ondas de propagação podem percorrer distâncias adicionais na ordem de centenas de metros devido aos multipercursos e a onda direta é bloqueada. Este fenômeno, denominado erro de ausência de visada direta (NloS), leva a uma estimativa enviesada da localização do móvel e transforma a localização em um problema muito mais complexo. Este problema é considerado o mais crítico no processo de localização. Vários algoritmos foram propostos para tentar resolver esse problema de localização. Chan e Ho propuseram um algorítmo de localização baseado no critério de máxima verossimilhança, que utiliza a diferença de tempo de chegada (TDoA) e que trabalha em dois passos, sendo muito preciso quando se tem visada direta entre terminal e bases e o ruído adicionado é de natureza gaussiana. Ao considerar o problema de ausência de visada direta, Wang propôs um algorítmo que utiliza programação matemática para se obter a estimativa de máxima verossimilhança da posição da fonte em domínio restrito definido pelas desigualdades induzidas pela propagação na ausência de visada direta (NloS). Em vários ambientes de propagação, foram observados que o espalhamento do atraso aumenta quando não há visada direta e, portanto, este fato foi usado para melhorar a estimativa de localização. Dados reais apresentados pela Motorola e

Ericcson através de Jeong mostraram que τm (atraso em excesso) é essencialmente correlacionado com τrms (espalhamento do atraso) do canal de propagação. As propostas de estimativas recentes incorporam direção, intensidade de sinal ou medidas de tempo ou uma combinação dessas três medidas, de ou para várias estações bases vizinhas, para solucionar a função de localização via triangularização. Seja qual for o método utilizado, fica claro que a interface aérea na comunicação móvel não provê um ambiente ideal para fazer tais medidas . O principal problema é o da ausência de visada direta. Nesta condição, a comunicação é estabelecida via multipercursos. Contudo, estes multipercursos terão diferentes trajetórias e diferentes distâncias percorridas em relação à de visada direta, acarretando erros na estimativa de localização final. Esses erros são frequentemente enviesados e suficientemente grandes de modo a degradar a precisão final.

4.2 Intensidade do Sinal

A intensidade do sinal recebido varia com a distância entre as estações base e terminal, de forma que a medida deste parâmetro pode ser convertida em distância. Medidas de três distâncias do móvel às estações bases permitem a estimativa de sua posição. A atenuação pelo meio de propagação pode variar entre 20 a 60 dB por década. Para modelar essas variações, são introduzidos modelos de sombreamento, os quais possuem uma distribuição lognormal em torno de uma atenuação média do caminho, com um desvio-padrão de 8 a 12 dB. Numa escala menor, desvanecimentos rápidos ocorrem na intensidade do sinal, os quais apresentam uma função densidade de probabilidade Rayleigh. Estas flutuações podem apresentar variações de até 30 dB, quando o móvel se desloca numa fração de comprimento de onda, segundo Fujimoto e James. Uma média do sinal em longo prazo é necessária para remover o efeito do desvanecimento Rayleigh. Quanto ao desvanecimento por sombreamento, infelizmente, não é possível tornar-se uma média, pois esta teria que ser tomada sobre grandes distâncias nas quais os valores verdadeiros apresentarão grandes variações.

4.3 Tempo de Chegada (ToA)

Com a utilização da alta taxa de bits em comunicação digital, medidas temporais podem ser usadas para localizar a estação móvel. Se o tempo de transmissão do sinal é conhecido, então o tempo de recepção (com referência ao tempo de transmissão), τi , pode ser usado para calcular uma distância como di = cτi onde c é a velocidade da luz. Três medidas fornecem uma estimativa de localização única. As medidas de ToA‟s exigem o perfeito sincronismo entre o transmissor e receptor o que não é o caso de redes móveis. Portanto, o método geralmente utilizado é o cálculo do tempo completo de transmissão do sinal e seu retorno. O valor de ToA é simplesmente metade deste tempo. Na técnica de localização por meio de tempos de chegada (ToA), a distância entre a estação base e terminal é obtida através da determinação do tempo de propagação do sinal entre as mesmas, e multiplicando-se o resultado pela velocidade da luz (c). Em termos geométricos, tem-se uma circunferência que passa pelo terminal e com o centro na base. Com três ou mais medidas de ToA, determina-se a posição do terminal, conforme a figura abaixo:

Figura 1 - Intersecção de circunferências originadas de três medidas de tempos de chegada (ToA‟s).

Admita-se que ti é o tempo de propagação do sinal em visada direta entre a estação base e terminal, logo, tem-se:

ti =

onde di representa a distância entre base e terminal e ni é o ruído de medida. A distância di tem relação não-linear com as coordenadas (x, y) do terminal:

di = ||X – Si|| = √() ( )

onde X = [x y]T representa as coordenadas do terminal, Si = [xi yi]T contém as coordenadas da i-ésima base e ||.|| representa a distância euclidiana. Com três medidas de ToA as coordenadas do terminal podem ser analiticamente determinadas, ou seja:

x = () ( )
()( ) ( )( )
y = () ( )
()( ) ( )( )

4.4 Diferença de Tempo de Chegada (TDoA)

Esta técnica baseia-se em medidas da diferença de tempo de chegada de um determinado sinal, recebido em diferentes estações rádio-base. Desta forma, a técnica TDoA tem a vantagem de não ter a necessidade de conhecer o instante exato em que a estação móvel respondeu à solicitação enviada pela estação rádio-base. Se duas estações bases enviarem, num mesmo instante de tempo, uma solicitação à estação móvel, as duas versões dos sinais recebidos serão correlacionadas, a fim de estimar a diferença de tempo de chegada entre as duas estações bases. Esta diferença de tempo entre as duas estações base projeta uma hipérbole, que tem como foco elas próprias. Colhendo medidas similares de outra estação base, outra hipérbole é definida, e a intersecção das hipérboles resulta na localização estimada da estação móvel. A vantagem desta técnica é que todo processamento para a localização dá-se em termos de infra-estrutura da estação base. Outras vantagens são: o baixo custo, a não necessidade de uma referência de tempo absoluto e a capacidade de atuar com as atuais antenas.

4.5 Medida de Angulo de Chegada (AoA)

Este método faz uso de um conjunto de receptores e de um arranjo de antenas nas estações bases, para estimar a direção de chegada do sinal de interesse. A localização provável do móvel pode ser determinada pela intersecção de duas ou mais linhas, se duas ou mais estimativas AoA são exigidas para estimar a posição de uma estação móvel. A estimativa de AoA‟s é efetuada com o uso de algoritmos que exploram diferenças de fase, ou outras características de sinais entre elementos de antena da estação base com pequenos espaçamentos entre si. Embora o princípio básico do método AoA pareça muito simples, o método possui algumas desvantagens. Para medições mais precisas, é importante que a estação móvel e a estação base em conexão estejam em total visibilidade, fato este pouco provável numa rede celular urbana.

4.6 Técnicas Híbridas

Combinações de técnicas previamente descritas são possíveis e podem ser mais robustas aos ruídos de medidas. Entretanto, devem ser tomadas certas precauções para que erros provenientes de um dos métodos não alterem a precisão da localização.

4.6.1 Sistemas GPS assistidos pela rede (A-GPS)

Soluções baseadas no terminal fazem uso do Global Positioning System (GPS), um sistema mundial de 24 satélites e suas estações terrestres. Pela medição acurada das distâncias a três satélites, o receptor triangulariza sua posição em qualquer lugar da Terra. Soluções baseadas no terminal esbarram em alguns problemas, tais como: tempo de aquisição de sinais e a incapacidade do terminal receber o sinal do satélite, devido a obstruções físicas como prédios, folhagem e topografia. A solução híbrida composta pela rede mais GPS complementam-se, embora individualmente seja inadequada em prover uma solução comercial para posicionamento Por exemplo, em áreas suburbanas e rurais poucas estações bases podem “ouvir” o terminal, mas um receptor GPS pode freqüentemente “ver” quatro ou mais satélites. Ao contrário, em áreas densas urbanas e dentro de edifícios, os receptores de GPS não detectam satélites em número suficiente, mas o terminal móvel pode “ver” duas ou mais estações bases. A idéia básica desta rede é possibilitar a coleta de informações de posição disponibilizadas pelo GPS, de forma mais rápida e precisa para o sistema de localização. Os principais componentes da rede A-GPS (Assisted GPS) são o terminal móvel com receptor GPS, um servidor A-GPS com receptor (referência) de GPS, que deve “enxergar” os mesmos satélites que o terminal e a infra-estrutura da rede sem fio, isto é, estações bases e MSC‟s (Mobile Switching Center). A Qualcomm desenvolveu esta solução para redes CDMA, chamada GPS-One.

4.6.2 Técnica Híbrida (TDoA+AoA)

É possível combinar as técnicas TDoA e AoA em sistemas híbridos. Por exemplo, o sistema de localização desenvolvido pela E-Systems para o sistema celular aplicado a localização e rastreamento IVHS (Sistema CAPITAL) utiliza esta técnica. O sistema CAPITAL localiza o terminal móvel pela monitoração nas estações bases do enlace reverso do canal de voz transmitido pelo usuário móvel. Múltiplas estações bases recebem o sinal, e a posição do móvel é determinada pela combinação das estimativas de AoA de cada estação base e estimativas de TDoA entre as múltiplas estações. As estimativas de AoA são realizadas através de um arranjo de antenas, e os tempos de chegada dos sinais são medidos em cada estação base e subtraídos de um tempo de referência (GPS), obtendo-se assim, os TDoAs. O sistema híbrido é provavelmente o mais preciso e confiável tipo de localização celular que pode ser usado.

5. Tipos de Tecnologia

O Cell-ID foi um dos primeiros métodos a serem adotados como tecnologia LBS (Location-Based Service). Como a rede tem sempre conhecimento da localização da célula em que o aparelho se encontra, é uma tecnologia barata, porém de pouca precisão. Dentre muitas estações rádio base (ERBs)., só uma é escolhida, de entre muitas possíveis. A escolhida, neste caso, é a que apresenta maior proximidade com o aparelho. Esta proximidade é detectada através da monitorização da qualidade do sinal e do número das diferentes ERBs. Como principais vantagens, este modelo apresenta um baixo custo de implementação, visto não serem necessárias modificações na rede nem no aparelho. Conseqüentemente, pode ser usado para o equipamento existente. E apresenta também uma resposta rápida, pois não são necessários cálculos para localizar.

Ao realizar uma chamada, a localização do terminal é atualizada em tempo-real. No entanto, se este se encontra inativo, então a última localização detectada é armazenada pela rede no Home Location Register (HLR). Para atualizar a localização do aparelho, a rede pode questioná-lo para uma monitorização da qualidade do sinal recebido pelas diferentes células, em ordem a informar a rede da identificação da sua célula – Cell ID.

Figura 2 – Representação do Cell-ID.

5.2 Cell-ID Timing Advance (CI/TA)

O CI/TA é uma evolução do método anterior.Usando a técnica de Timing Advance (TA), pode-se gerar informações de localização mais precisas. A posição do terminal fica em um raio r centralizado na ERB que o está servindo. O TA é o tempo de latência entre o aparelho móvel e a estação base que ele está usando.

Figura 3 – Representação do CI/TA.

5.3 Cell Site Sector

Esta técnica segue o mesmo princípio do Cell-ID, porém, acrescentando-se a informação em qual setor da célula o dispositivo móvel está localizado. Como cada célula se divide em três setores de 120o , o Cell-Sector tem maior precisão do que o Cell-

ID, com redução na imprecisão da ordem de 3%. Ao se combinar esta técnica com o Timing Advance, têm-se ainda maior precisão, pois ocorre a redução da área de localização.

Figura 4 - Representação do Cell Site Sector.

5.4 Enhanced Cell-ID Timing Advance (E-CI/TA)

Esta tecnologia combina Cell ID com uma ou mais tecnologias. O nível de precisão é maior comparado com o Cell-ID puro. Em redes GSM, Cell-ID pode ser combinado com o Timing Advance e/ou com o Nível de Sinal Recebido (que mede a força média do sinal recebido do terminal). Em redes W-CDMA, o Cell-ID pode ser combinado com Round-Trip-Time (versão do Timing Advance para o W-CDMA) para aumentar a precisão.

5.5 Comparação das Técnicas e Tecnologias

Podemos comparar as técnicas em relação à sua precisão (nas figuras 5 e 6), e também em relação aos locais de uso de cada tecnologia.

Figura 5 - Tecnologia x Precisão e Locais de uso.

Figura 6 - Tecnologia x Impacto e Precisão.

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