La localizzazione nei sistemi radiomobili

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1 MOBILE La localizzazione nei sistemi radiomobili GIANLUCA BOIERO MASSIMO COLONNA DARIO PARATA I servizi di localizzazione si possono definire come quei servizi che integrano l informazione di posizione di un utente con altre informazioni per fornire un valore aggiunto all utente stesso. I servizi basati sulla localizzazione vantano una lunga tradizione. Sin dalla fine degli anni Settanta, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti gestisce una infrastruttura satellitare, il GPS (Global Positioning System) [1, 2]. Questo sistema, concepito per scopi militari, è stato aperto alla fine degli anni Ottanta all industria civile e da quel momento molte aziende si sono avvalse dei dati GPS per migliorare i propri prodotti e servizi. Tuttavia un interesse diffuso verso i servizi basati sulla localizzazione si sta manifestando solo dalla fine degli anni Novanta grazie alla diffusione capillare dei sistemi cellulari, e del GSM in particolare, che hanno abilitato nuove tecniche di localizzazione e soprattutto hanno aperto un vasto mercato di potenziali utilizzatori di questo tipo di servizi. L articolo descrive i diversi aspetti della localizzazione cellulare. In particolare, dopo un introduzione in cui si evidenzieranno i servizi basati sulla localizzazione e le relative prospettive di mercato, si illustreranno le principali tecniche di localizzazione utilizzabili nei sistemi radiomobili, comprese quelle che prevedono l integrazione con la localizzazione GPS; saranno presentate le architetture di rete standardizzate in ambito 3GPP (3 rd Generation Partnership Project) e OMA (Open Mobile Alliance) e si descriveranno infine le piattaforme realizzate da TILab. Saranno descritte sia la piattaforma NIMBLE (Non Intrusive MoBile Location Environment) in esercizio presso TIM sia le piattaforme prototipali ESkyLo (Earth-Sky Location) e LocHNESs (Localizing & Handling Network Event Systems) evidenziando i principali servizi abilitati. 1. Introduzione I servizi di localizzazione su rete radiomobile sono servizi a valore aggiunto che si basano sulla conoscenza della posizione dell utente; per definizione, quindi, il ruolo centrale nella catena del valore è riservato all operatore di rete, in quanto detentore dell informazione essenziale allo sviluppo dei servizi. Esistono due categorie distinte di LBS (Location Based Services): servizi in cui è l utente che richiede l informazione sulla propria posizione e servizi in cui è la rete che autonomamente determina la posizione dell utente. In questo secondo caso, l operatore può o inoltrare a terze parti ovvero utilizzare per propri scopi l informazione di posizione (per esempio in modo statistico per migliorare la gestione della propria rete). Nel caso di localizzazione generata dalla rete, quindi di localizzazione effettuata senza una specifica richiesta da parte dell utente, emergono problematiche legate alla privacy che richiedono la giusta attenzione onde evitare che questi riceva una percezione negativa da questo tipo di servizi. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

2 Gli LBS si possono raggruppare in quattro macrocategorie: servizi trigger; servizi informativi basati sulla posizione dell utente; servizi di tracking per terze parti; servizi di emergenza/assistenza (figura 1). Trigger services Location Sensitive Billing Location based Call-Routing Automated Advertising Services Location based Information Services Wireless Location Services Where am I?/Where is... Services Vehicle Traffic and Navigation Services Location-based News (weather, events) Tourist Information FIGURA 1 Classificazione dei servizi basati sulla localizzazione. Network Enhancing Services 3rd Party Tracking Services Fleet Management People Finding Asset Tracking I servizi trigger, o anche di geo-fencing, si attivano nel momento in cui l utente raggiunge una determinata posizione o entra in una area predefinita senza alcun intervento diretto da parte sua; appartengono a questa classe l invio di informazioni pubblicitarie localizzate oppure una tariffazione delle chiamate dipendente dalla posizione in cui si trova l utente stesso (casa, ufficio,...). I servizi informativi basati sulla localizzazione offrono all utente la possibilità di accedere, su sua richiesta, ad un insieme di contenuti via SMS, WAP, ; questa categoria di servizi include la fornitura di informazioni localizzate sul modello pagine gialle (ad esempio nomi ed indirizzi di hotel, ristoranti, negozi,... posti nelle vicinanze dell utente ed eventualmente sul percorso migliore per raggiungerli), informazioni sullo stato del traffico nelle vicinanze dell utente o sul percorso da esso individuato, informazioni meteorologiche, orari degli autobus e dei treni locali,.... I servizi di tracking per terze parti prevedono la localizzazione continua, ad intervalli abbastanza regolari, dei terminali e comprendono i servizi di gestione di un parco macchine e di flotte aziendali, i servizi di tracking di beni (ad esempio oggetti di particolare valore da monitorare durante spostamenti o in caso di furto) e persone (ad esempio bambini da parte dei genitori). I servizi di assistenza ed emergenza consentono di aiutare i clienti in difficoltà e possono anche attivarsi autonomamente nel momento in cui il cliente effettua una chiamata d emergenza all apposito numero come ad esempio accade con il 911 negli Stati Uniti. Esiste poi un ultima classe di servizi, denominata network-enhancing, in cui la localizzazione degli utenti viene sfruttata in modo statistico dall operatore per monitorare le prestazioni della rete radiomobile (QoS monitoring) e per valutare in tempo reale l effetto degli interventi su di essa (Real-time planning). Gli attributi principali che End-User Assistance Services Emergency Services Notification Roadside Assistance consentono di caratterizzare gli LBS sono costituiti dalla copertura del servizio e dall accuratezza della localizzazione. La copertura del servizio rappresenta l area geografica in cui l utente percepisce una qualità adeguata alle sue aspettative e, per i servizi più interessanti, può andare dall ambito cittadino nel caso di servizi di informazioni localizzate fino all ambito nazionale e oltre nel caso di tracking di flotte e di gestione di parco auto. L accuratezza della localizzazione, e cioè la differenza fra la posizione reale del cliente e la posizione stimata, può variare da pochi metri nel caso dei servizi di navigazione fino ad alcuni chilometri nel caso della gestione del parco macchine; i servizi più interessanti prevedono comunque un livello di accuratezza della posizione compresa tra 25 e 200 metri. Altre caratteristiche importanti sono rappresentate dal tempo di risposta, cioè dal ritardo con cui il sistema di localizzazione determina la posizione di un terminale, e dalla priorità con cui vengono gestite le diverse richieste, che deve ovviamente essere più elevata nel caso di servizi di emergenza o di servizi destinati ad una clientela pregiata. Il tempo di risposta, in particolare, può essere legato in modo inverso all accuratezza sulla posizione per cui il sistema che fornisce il servizio deve essere in grado di gestire il trade-off tra le esigenze di accuratezza e di tempo di risposta. Da numerosi anni si portano avanti sperimentazioni con i servizi di localizzazione ed oramai sono diversi gli operatori mobili che offrono servizi a valore aggiunto legati alla localizzazione. Un esempio è rappresentato dall operatore svedese Telia che già da alcuni anni presenta ai propri clienti, sia di tipo corporate sia di tipo consumer, un offerta articolata costituita da una decina di servizi. Altri esempi sono forniti dagli operatori nipponici KDDI, 28 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

3 che nel suo portale dedicato agli LBS presenta numerose applicazioni, e NTT DoCoMo che offre gli LBS attraverso il portale I-mode. Lo sviluppo degli LBS non è stato però così diffuso e rapido come ci si attendeva: nel 2005, quindi circa cinque anni dopo il lancio di questo tipo di servizi, le revenue dovute agli LBS sono ammontate a circa 144 milioni di euro [3]. Tuttavia, la necessità per gli operatori mobili di mantenere, se non incrementare, i livelli di ARPU attuali, le decisioni degli enti regolatori orientati, così come già avviene negli Stati Uniti, a rendere obbligatoria la localizzazione per i servizi di emergenza e infine la maturità delle tecnologie di localizzazione, ed in special modo quella dei terminali d utente, portano ad un maggiore ottimismo relativamente allo sviluppo di questi servizi per cui Berg Insight stima una crescita annua del 34% delle revenue da LBS nel mercato europeo fino a raggiungere una quota complessiva di 622 milioni di euro nel A dominare questo mercato saranno i servizi di navigazione, con una quota di circa il 48%, favoriti dalla diffusione di terminali in tecnologia A-GPS (Assisted-GPS) [3]. 2. Le tecniche di localizzazione cellulare Le tecniche di localizzazione sono tante e diverse tra loro e si basano tutte sulla misura di una o più grandezze quali angoli, tempi, distanze,, che sottintendono una relazione spaziale tra il terminale da localizzare e uno o più punti fissi disposti nell ambiente circostante e la cui posizione è ben nota. Nel caso dei sistemi radiomobili, queste grandezze sono misurate sfruttando le proprietà fisiche delle onde radio e cioè la velocità di propagazione e l attenuazione. La posizione del terminale viene quindi determinata, in seguito alla misura dei parametri fisici di interesse, a partire dalla posizione delle BTS (Base Transceiver Station) di riferimento utilizzando una metodologia diversa a seconda del parametro fisico misurato. Il risultato della localizzazione può essere espresso in vari modi in base alla tecnica impiegata e al sistema di riferimento rispetto al quale sono espresse le posizioni delle BTS: la posizione del terminale può essere quindi rappresentata dal piano di un edificio, dal numero di una stanza, dal nome di un quartiere o di una zona geografica o da un punto nello spazio espresso in coordinate WGS-84 (World Geographic reference System), UTM (Universale Trasversa di Mercatore),. Le misure fondamentali alla base delle principali tecniche di localizzazione utilizzabili nei sistemi radiomobili sono: misure di prossimità; misure di tempi e di differenze di tempi; misure di potenza. È inoltre possibile ottenere sia delle tecniche di localizzazione miste in cui vengono utilizzate le misure di più grandezze tra quelle elencate o altre informazioni messe a disposizione dalla rete cellulare, quali l Identificativo di cella o il Timing Advance, sia delle tecniche di localizzazione ibride in cui le misure sulla rete radiomobile vengono integrate con quelle provenienti dal sistema satellitare GPS (si veda il riquadro di approfondimento Quale tecnologia di localizzazione ). 2.1 Misure di prossimità: Cell-Id e Cell-Id+TA La localizzazione tramite misure di prossimità è la tecnica più semplice e più rapida per stimare la posizione di un terminale e si basa sulla limitatezza della copertura delle BTS causata dall attenuazione che le onde radio subiscono propagandosi nello spazio. In questo caso, la posizione di un terminale è approssimata con la posizione della BTS con la quale il terminale stesso è in comunicazione o dalla quale esso riceve un segnale. Nei sistemi radiomobili, questa tecnica è denominata CI (Cell-Id) e sfrutta la conoscenza da parte del terminale in ogni istante, quindi anche quando è nello stato di idle, dell identificativo della cella nella quale esso si trova (figura 2a e 2b) [4, 5]. Questo tipo di localizzazione ha il notevole pregio di non porre alcun vincolo hardware né sul terminale nè sulle BTS ma ha lo svantaggio di fornire un accuratezza molto bassa e soprattutto fortemente legata alle dimensioni delle celle. a. CI con antenne omnidirezionali b. CI con antenne settoriali c. CI+TA con antenne settoriali d. E-CI+TA con antenne settoriali CI Cell Id E Enhanced TA Timing Advance FIGURA 2 Tecniche di localizzazione CI con antenne omnidirezionali (a) e settoriali (b), CI+TA (c) ed E-CI+TA. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

4 Quale tecnologia di localizzazione garantendo un ottimo livello di accuratezza, impone all utente di possedere un ricevitore GPS integrato o comunque collegato al terminale mobile; esistono inoltre problemi per l utilizzo del ricevitore in ambienti con scarsa visibilità dei satelliti. I metodi basati su misure di tempo (E-OTD/OTDOA) sono caratterizzati da un alta intrusività in rete e nel terminale e di conseguenza un elevato costo d implementazione. Le prestazioni in termini di accuratezza, seppur buone, non sembrano garantire sempre il salto di qualità necessario per la fornitura di servizi specifici (es. servizi di emergenza, navigazione, route guidance). In virtù di queste considerazioni, negli ultimi anni quasi tutti gli operatori e manifatturiere si sono orientati verso roadmap tecnologiche (tabella A) che prevedono, in una prima fase, l implementazione di soluzioni di tipo CI (spesso E-CI) e, in una seconda fase, l integrazione di queste ultime con la tecnologia GPS attraverso l utilizzo di terminali evoluti (dotati di chipset GPS) e l invio di opportuni dati di assistenza dalla rete (A-GPS). Questa La scelta della tecnologia adatta per la localizzazione dipende principalmente da ragioni di tipo economico e tecnologico. Per quanto riguarda le motivazioni economiche si dovranno tenere in conto il costo della tecnologia, le previsioni di utilizzo e soprattutto di ricavi previsti per l insieme dei servizi che si vogliono erogare. Per ciò che riguarda gli aspetti tecnologici, il dato che maggiormente pesa è la precisione con cui viene fornita l informazione di localizzazione, anche se nel complesso occorre tenere in considerazione il tempo necessario al calcolo della posizione, la disponibilità di copertura che tale tecnologia può assicurare, la scalabilità e la complessità della tecnologia e il tempo necessario per metterla in campo e renderla operativa. Un ruolo importante può essere giocato da altri fattori quali le imposizioni di tipo regolamentare come probabilmente accadrà per i servizi di emergenza. Nel caso l operatore decida di orientarsi verso servizi che richiedono un livello di accuratezza non molto spinto, come l individuazione di esercizi commerciali o alcuni tipi di pubblicità localizzata, e posto che non vi siano vincoli regolamentari che impongano maggiore precisione nelle applicazioni di emergenza, la scelta può certamente ricadere su metodi basati sull identificativo di cella. Il metodo che si basa sul GPS, pur Metodo Modifiche al Modifiche terminale alla rete Costi Accuratezza Copertura CI + TA/RTT Tempo di calcolo Da 500 m (aree Nessuna Nessuna Bassi urbane) fino a Totale Basso 10 km (aree rurali) E-CI Nessuna Nessuna Bassi km Totale Basso OTDOA/ E-OTD U-TDOA Modifiche software (E- OTD/OTDOA) Nessuna per U-TDOA Aggiunta unità di misura (LMU) A-GPS Modifiche Aggiunta unità hardware di riferimento Medi 5-50 m A-GPS Assisted - GPS CI Cell Id E-Cl Enhanced Cell Id E-OTD Enhanced - Observed Time Difference Alti LMU OTDOA RTT TA U-TDOA m TABELLA A Caratteristiche della tecnica di localizzazione. Totale con alcuni problemi nelle aree rurali Totale con problemi in condizioni indoor Basso Medio Location Measurement Uni Observed Time Difference Of Arrival Round Trip Time Timing Advance Uplink-Time Difference Of Arrival strategia sembra essere, al momento, la scelta più appropriata, in quanto permette, con un investimento graduale da parte dell operatore, la fornitura di una gamma di servizi sempre più completa. L implementazione di soluzioni integrate che utilizzano congiuntamente dati/misure cellulari e satellitari (tecniche ibride) permetterà inoltre di raggiungere buone prestazioni di localizzazione (accuratezza e disponibilità di servizio) sia in ambiente urbano sia in zone rurali. L accuratezza della tecnica CI può essere migliorata utilizzando un altra informazione sempre disponibile nei terminali durante una connessione: il TA (Timing Advance) nel GSM e il RTT (Round Trip Time) nell UMTS; la tecnica risultante è denominata CI+TA (CI+RTT). Il TA rappresenta una stima del ritardo con cui si propagano i segnali sulla tratta radio, e quindi della distanza che separa il terminale dalla BTS, è calcolato dalla rete con continuità durante la chiamata, è quindi trasmesso al terminale in caso di sua variazione e consente ai pacchetti trasmessi da esso di allinearsi correttamente sulla trama TDMA [6]. Anche il RTT rappresenta una stima del ritardo di propagazione sulla tratta radio anche se l uso che ne fa la rete è differente [7]. Il TA ed il RTT consentono di individuare una corona circolare all interno della cella identificata dal Cell-Id, che delimita ulteriormente l area in cui è posizionato il terminale da localizzare (figura 2c). Questa tecnica migliora la precedente, ma ha come limiti principali da un lato il numero di bit con cui sono rappresentati il TA e il RTT, per cui la corona circolare che ne risulta ha uno spessore radiale di circa 550 metri per il GSM e di circa 70 metri per l UMTS, e dall altro l eventuale errore che la rete commette nella stima del TA a causa dei fenomeni di propagazione radio ed in special modo del multipath; per questi motivi, la tecnica CI+TA, come si vedrà nel seguito, sarà utilizzata in combinazione con misure di potenza. 30 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

5 2.2 Misure di tempo assoluto e di differenze di tempo: E-OTD, OTDOA, U-TOA La localizzazione realizzata tramite misure di tempo assoluto è conosciuta con l acronimo TOA (Time Of Arrival) e si basa sul noto principio della trilaterazione. In sintesi, misurato il tempo t i impiegato dal segnale a propagarsi tra terminale e trasmettitore e nota la velocità con cui il segnale si propaga nello spazio (c m/s), si individua una circonferenza centrata sulle coordinate del trasmettitore (X i, Y i ) e di raggio pari a: dove (x, y) sono le coordinate incognite del punto in cui si trova il terminale. Dalla misura dei tempi di propagazione con almeno tre trasmettitori, si individuano tre circonferenze la cui intersezione costituisce il punto cercato; in altre parole dalle tre misure si ottiene un sistema di tre equazioni risolvendo il quale si determina la posizione del terminale [1, 8]. In realtà, le misure di tempo sono affette da un errore causato sia da una sincronizzazione dei clock poco accurata sia dai fenomeni di propagazione per cui le tre circonferenze non si intersecano in un punto ma individuano un area all interno della quale è compresa la posizione del terminale. Il sistema di equazioni è quindi inconsistente e non presenta una soluzione unica; il metodo di risoluzione più comunemente usato prevede la minimizzazione dell errore quadratico medio tramite un processo iterativo. La tecnica TOA è impiegata nella localizzazione GPS [8], mentre non ha applicazione nei sistemi radiomobili per la difficoltà ad ottenere una sincronizzazione accurata tra le BTS e per la necessità di avere un timestamp nei segnali per indicarne l istante di trasmissione. La tecnica di localizzazione TDOA (Time Difference Of Arrival) prevede la misura della differenza dei tempi di propagazione dei segnali tra il terminale e due BTS; ciascuna misura, riferita ad una coppia di BTS poste nei punti di coordinate (X i, Y i ) e (X j, Y j ), individua una iperbole, nei cui fuochi sono posizionate le BTS stesse, di equazione dove (x, y) sono sempre le coordinate incognite del punto in cui si trova il terminale. Realizzando questa misura con due coppie indipendenti di BTS, si individuano due iperboli la cui intersezione costituisce il punto cercato (figura 3). Anche in questo caso, l errore sulle misure di tempo fa sì che il sistema di equazioni non abbia soluzione unica. La tecnica TDOA è di più semplice realizzazione rispetto alla TOA in quanto non è necessario inserire alcun timestamp nei segnali trasmessi, ma richiede sempre la sincronizzazione delle BTS. Nel GSM la localizzazione TDOA viene realizzata secondo due modalità differenti: una prima denominata E-OTD (Enhanced-Observed Time Difference) in cui le misure sono effettuate dal terminale ed una seconda denominata U-TDOA (Uplink-Time Difference Of Arrival) in cui le misure sono effettuate dalla rete [4]. Nell UMTS la tecnica E-OTD assume il nome di OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival) [5]. La tecnica E-OTD sfrutta le misure TDOA realizzate dal terminale rispetto a più BTS e risolve il problema della sincronizzazione di queste ultime utilizzando delle unità, denominate LMU (Location Measurement Unit), con il compito di determinare l errore relativo di sincronizzazione RTD (Real Time Difference) tra le diverse coppie di BTS coinvolte nelle misure TDOA. Detta OTD (Observed Time Difference) la differenza dei tempi di arrivo, misurata dal terminale, tra i segnali trasmessi da due BTS e detta GTD (Geometric Time Difference) la differenza dei tempi di arrivo che il terminale misurerebbe esclusivamente per ragioni geometriche (la GTD è determinata quindi dalla posizione relativa delle due BTS), l equazione dell iperbole su cui si trova il terminale è data dalla seguente relazione: Le unità LMU e la loro sincronizzazione rappresentano la complessità aggiuntiva che occorre introdurre in rete per far fronte alla sincronizzazione non accurata dei clock delle BS. Un implementazione di questo metodo può richiedere un rapporto LMU/BTS compreso tra 1:3 e 1:5. Nel caso in cui anche le LMU non siano sincronizzate tra loro, la differenza tra gli scostamenti temporali dei loro clock può essere misurata a patto che ogni coppia di LMU sia in grado di ricevere il segnale da almeno due BTS. L impiego di LMU non sincronizzate richiede una loro attenta dislocazione in campo e può portare ad un incremento del rapporto LMU/BTS; la localizzazione può inoltre essere difficoltosa in aree a bassa densità di BTS quali quelle rurali. FIGURA 3 Principio della tecnica di localizzazione TDOA. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

6 La tecnica U-TDOA, invece, si basa sulla misura degli istanti di arrivo di un segnale trasmesso dal terminale ad almeno tre unità LMU sincrone tra loro; questo segnale è il burst di accesso che viene trasmesso dal terminale alla rete per effettuare un tentativo di handover asincrono forzato dalla rete stessa (l handover viene poi abortito). La posizione del terminale è determinata, secondo i principi del TDOA, calcolando la differenza dei tempi di arrivo di almeno due coppie di segnali ricevuti dalle LMU. Measurements collected from Handset NETWORK DATABASE DFL ALGORITHM RADIATION PATTERNS Handset position estimate 2.3 Misure di potenza: E-CI+TA e DFL Anche la localizzazione realizzata con misure di potenza, così come la tecnica TOA, si basa sul principio della trilaterazione con la differenza che in questo caso ciò che viene misurato è l attenuazione dei segnali radio nel percorso tra trasmettitore e ricevitore che risulta legata alla distanza che li separa attraverso le leggi della propagazione radio [9]. Questa tecnica non richiede modifiche al terminale in quanto utilizza le misure che il terminale stesso effettua periodicamente anche nello stato di idle ma risente notevolmente delle fluttuazioni di potenza del segnale radio causate dal multipath per cui viene solitamente utilizzata in combinazione con la tecnica CI+TA (in questo caso viene denominata E-CI+TA, Enhanced-CI+TA); l identificativo della cella ed il TA consentono di delimitare l area all interno della quale può trovarsi il terminale (figura 2d). Una particolare tecnica di localizzazione basata sui principi del E-CI+TA è rappresentata dalla tecnica DFL (Data Fit Location) sviluppata in TILab [10, 11]; il processo di localizzazione attuato dal DFL è suddiviso in due fasi distinte: nella prima, tramite un analisi della topologia della rete e delle caratteristiche delle antenne delle BTS, viene delimitata un area di ricerca all interno della quale il terminale si trova con una probabilità molto alta, nella seconda fase avviene la selezione di un punto all interno dell area di ricerca in base ai valori di potenza misurati dal terminale sui segnali trasmessi dalla BTS servente e dalle BTS adiacenti, al valore di TA ed alle previsioni di campo realizzate tramite opportuni modelli di propagazione (figura 4). 2.4 Tecniche Hybrid/Assisted GPS Il sistema GPS stand-alone è ottimale per tutti gli impieghi in ambienti outdoor in condizione di piena visibilità dei satelliti disponibili (presenza del cammino diretto tra satellite e ricevitore). Volendo utilizzare il sistema GPS come tecnologia di localizzazione nell ambito della telefonia mobile, si osservano alcuni grossi problemi: power dissipation: la potenza dissipata dal ricevitore è abbastanza elevata 1, per cui, al fine di (1) Il consumo è dell ordine dei 100 mah, mentre un terminale commerciale in stato di idle ne consuma un decimo ed un terminale in conversazione ne consuma poco più del doppio. DFL Data Fit Location PROPAGATION MODEL FIGURA 4 Elementi della tecnica di localizzazione DFL. massimizzare la durata della batteria, è bene che esso rimanga spento e si accenda solo su richiesta; start-up time o TTFF (Time To First Fix): il tempo di acquisizione dei segnali satellitari, in condizioni di funzionamento a freddo (cold start), cioè con risveglio del ricevitore GPS dopo un tempo relativamente lungo di inutilizzo, è molto lungo (da 45 secondi a qualche minuto); localizzazione in ambienti indoor e canyon urbani: in condizioni di scarsa visibilità dei satelliti la potenza ricevuta scende al di sotto della sensibilità del ricevitore 2 e non è più sufficiente all acquisizione dei segnali GPS; questa condizione si presenta in mancanza del cammino diretto tra satellite e ricevitore cioè proprio nei luoghi quali canyon urbani e ambienti indoor dove potenzialmente è maggiore l impiego dei terminali radiomobili. All inizio degli anni Ottanta, per porre rimedio ai problemi sopra descritti, è stata proposta la tecnica A-GPS (Assisted-GPS) [12]. Un sistema di tipo A-GPS prevede, oltre alle necessarie modifiche hardware e software del terminale d utente necessarie per incorporare un ricevitore GPS, la trasmissione da parte della rete radiomobile di opportuni dati di assistenza in grado di migliorare le prestazioni del ricevitore (figura 5). L idea dell A-GPS consiste nell introdurre una serie di stazioni di riferimento GPS 3 in grado di monitorare i satelliti in modo continuo: esse controllano ininterrottamente lo stato della costellazione e producono informazioni precise riguardanti la visibilità dei satelliti, le (2) (3) Valori tipici di sensibilità sono pari a circa -135 dbm. Per una nazione come l Italia sono sufficienti due stazioni di riferimento. 32 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

7 Dati di Assistenza Server A-GPS Misure GSM + GPS Calcolo X, Y, Z Rete radiomobile A-GPS Assisted GPS FIGURA 5 Schema del principio della tecnica Assisted GPS. disponibilità di servizio del 100% in tutti gli ambienti compresi quindi quelli in cui il numero di satelliti in visibilità non consentirebbe il funzionamento del GPS stand-alone; accuratezza migliore in tutte le condizioni di visibilità dei satelliti grazie alla possibilità di utilizzare un maggior numero di informazioni; TTFF ridotto ulteriormente rispetto a una soluzione A-GPS grazie al fatto che il calcolo della posizione può essere effettuato con un numero minore di misure satellitari. Una particolare tecnica di localizzazione Hybrid/A-GPS è stata sviluppata da TILab nella piattaforma ESkyLo che sarà descritta in seguito. effemeridi, le correzioni di clock dei satelliti, l effetto doppler, la fase di codice,... [8]. La rete di stazioni è collegata all infrastruttura cellulare che può, ad ogni richiesta dell utente, inviare questi dati di assistenza al telefono in modo da velocizzare la fase di start-up, che può scendere fino ad un secondo, e migliorare la sensibilità del ricevitore GPS, che può ridursi fino a circa -150/-160 dbm anche in cold start rendendo praticamente possibile la localizzazione in ambienti light -indoor. In aggiunta o anche in alternativa alle funzionalità di assistenza, la disponibilità della rete radiomobile rende possibile l implementazione di algoritmi di localizzazione ibrida satellitare-terrestre, cioè di algoritmi che combinano le informazioni di Cell-Id, TA e le misure di potenza sulla rete radiomobile con le misure effettuate sui segnali GPS, con l obiettivo di realizzare prestazioni migliori rispetto a quelle offerte dalle diverse tecniche di localizzazione usate singolarmente [11] (figura 6). I miglioramenti che si ottengono con una soluzione Hybrid A-GPS rispetto ad una con GPS standalone o A-GPS sono i seguenti: Area di incertezza risultante FIGURA 6 Schema del principio della tecnica Hybrid/Assisted GPS. 3. Le Architetture standard per la localizzazione cellulare L attività di standardizzazione delle architetture di localizzazione nei sistemi radiomobili viene condotta sia in ambito ETSI 3GPP sia in ambito OMA. I due enti si sono però orientati verso due architetture che differiscono tra loro principalmente per la modalità con cui le informazioni necessarie alla localizzazione transitano nella PLMN: attraverso i link di segnalazione (architettura over control plane ) per il 3GPP, attraverso i normali canali dati (architettura over user plane ) per OMA. 3.1 Architettura 3GPP over control plane L attività di standardizzazione di questa architettura e delle relative funzionalità di rete è stata avviata con la Release 98 e può considerarsi ormai conclusa; è tutt ora in corso, invece, l attività di definizione per la Release 7 di UMTS delle funzionalità che consentiranno il supporto della tecnica di localizzazione di tipo A-GPS con il nuovo sistema satellitare Galileo (Assisted Gallileo) 4. L architettura di una rete radiomobile per servizi di localizzazione (chiamati LCS - LoCation Services in 3GPP) in ambito 2G e 3G è rappresentata nella figura 7; in essa sono evidenziati i nuovi nodi e le funzionalità LCS distribuite all interno degli apparati [13]. Questi sono: MLC (Mobile Location Center): presiede a tutte le funzioni che supportano il servizio di localizzazione; in particolare amministra le risorse che servono per effettuare la localizzazione e calcola la posizione del mobile nonché l accura- (4) Galileo è un sistema civile di navigazione satellitare sviluppato in Europa come alternativa al GPS statunitense a controllo miltare (con cui è garantita però l interoperabilità). La sua entrata in esercizio è prevista per il NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

8 2G 3G LMU typea BTS LMU typea NodeB LMU typeb SMLC BSC SMLC RNC SMLC MSC/VLR SGSN MSC/VLR SGSN HLR GMLC HLR GMLC LCS client LCS client lare il CI+TA per il GSM e il CI+RTT per l UMTS con la possibilità per entrambi di utilizzare le misure di potenza se disponibili; metodi basati su TDOA ed in particolare i metodi E- OTD per il GSM, OTDOA per l UMTS e U-TDOA per entrambi (in UMTS solo a partire dalla Release 6); metodi di tipo A-GPS per entrambi i sistemi. 3.2 Architettura OMA over user plane tezza della stessa. L MLC che si interfaccia con l LCS client 5 può essere distinto da quello che effettua i calcoli; in tal caso il primo è detto GMLC (Gateway Mobile Location Center) ed il secondo è detto SMLC (Serving Mobile Location Center). In una rete possono essere presenti uno o più GMLC ed uno o più SMLC. LMU (Location Measurement Unit): esegue le misure necessarie in alcune tecniche al calcolo della posizione; il tipo di misura effettuato dipende dal metodo di localizzazione utilizzato. L LMU può essere integrata nella BTS/NodeB (LMU type B) oppure connettersi alla PLMN attraverso l interfaccia radio standard, come un normale terminale mobile (LMU type A); in quest ultimo caso essa dispone di un proprio IMSI e di un profilo di utenza registrato nell HLR e supporta tutte le funzionalità radio e di mobilità necessarie. Il numero di LMU è dipendente dal metodo di localizzazione utilizzato. Oltre ai nuovi nodi sopra descritti, lo standard 3GPP richiede l introduzione all interno degli apparati preesistenti (MSC, SGSN, HLR, BSC, RNC,...) di nuove funzionalità per il supporto della segnalazione LCS. I metodi di localizzazione supportati dallo standard sono: metodi basati su Cell-ID e in partico- (5) BSC BTS GMLC HLR LCS LMU Base Station Controller Base Transceiver Station Gateway Mobile Location Center Home Location Register LoCation Service Location Measurement Unit MSC RNC SGSN SMLC VLR FIGURA 7 Architettura standard 3GPP per il supporto della localizzazione. L LCS client è l entità logico funzionale che richiede la localizzazione di un terminale. Questa entità può essere esterna alla rete radiomobile o interna ad essa (potrebbe risiedere sul terminale). LCS features Mobile service Switching Centre Radio Network Controller Serving GPRS Support Node Serving Mobile Location Center Visitor Location Register Client SUPL SUPL (Secure User Plane Location) è lo standard di localizzazione definito nel 2005 dal WG OMA- LOC a conclusione di un attività, iniziata nel 2003, fortemente voluta degli operatori mobili della GSMA (GSM Association). La versione 1.0 [14] sarà definitivamente approvata al termine della fase di Interoperability Tests che dovrebbe concludersi entro la fine del 2006 e l inizio del La soluzione OMA è di tipo client-server e si basa sull utilizzo dello user plane della PLMN, in pratica di un canale TCP/IP, come mezzo per trasportare le informazioni tra il client residente sul terminale mobile e il server di localizzazione; alla rete radiomobile non sono quindi richieste funzionalità, nodi e segnalazione ad hoc per la localizzazione per cui, rispetto all approccio 3GPP, quest architettura risulta essere a più basso costo e a più alta velocità di dispiegamento (figura 8). Canale TCP/IP Rete radiomobile Server SUPL LCS LoCation Services SUPL Secure User Plane Location TCP/IP Transmission Control Protocol/ Internet Protocol External LCS Client FIGURA 8 Architettura logica a standard OMA per il supporto della localizzazione. In breve quindi l architettura OMA over user plane si può schematizzare in due entità: il client che risiede sul terminale mobile e un server che si colloca nella PLMN e utilizza i canali dati resi disponibili da questa per comunicare con il primo attraverso un protocollo di comunicazione definito 34 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

9 appositamente da OMA. Il client effettua le misure e in alcuni casi calcola la posizione mentre il server si occupa della gestione della privacy dell utente, delle richieste di localizzazione, di fornire i dati di assistenza per la localizzazione e, in alcuni casi, di calcolare la posizione e colloquiare con i client LCS esterni. Altre entità possono essere inserite in funzione della particolare tecnica di localizzazione implementata. Nel caso del metodo A-GPS, come detto, è necessario avere una rete di ricevitori di riferimento al fine di collezionare i dati di assistenza necessari, mentre nel caso delle tecniche E- OTD od OTDOA deve essere installata una rete estesa di LMU. Lo standard OMA SUPL nasce per supportare la tecnologia di posizionamento A-GPS, ma può essere utilizzato anche per gli altri metodi di localizzazione già previsti dallo standard 3GPP (ad esclusione della tecnica U-TDOA). Oggi, l attività di standardizzazione si sta concentrando sulla definizione della nuova release SUPL v2.0 che includerà il supporto delle procedure di trigger per servizi di geo-fencing, il supporto dei servizi di emergenza, l interoperabilità con il mondo WiFi e la gestione delle hystorical positions. Nella rete di TIM è disponibile una piattaforma di localizzazione, denominata NIMBLE (Non Intrusive MoBile Location Environment) e sviluppata internamente da TILab, che fornisce la localizzazione con modalità client-server per tutti i terminali GSM o UMTS che dispongano di un client residente sulla SIM, scaricabile Over-The-Air come servizio TIM. Pur essendo basata su un protocollo di comunicazione proprietario, anticipa l'architettura SUPL client server che è stata poi in seguito standardizzata da OMA (figura 9). La piattaforma NIMBLE utilizza la tecnica di localizzazione DFL, descritta nel paragrafo 2.3, la cui accuratezza misurata in diversi trial sulla rete TIM è mostrata in tabella 1. La tabella riporta l'errore al 67% che significa che nel 67% dei casi la piattaforma fornisce una localizzazione con un Ambiente Accuratezza (67%) Urbano 163 m Suburbano 295 m TABELLA 1 Prestazioni della piattaforma NIMBLE. Rurale 1235 m 4. Le piattaforme di localizzazione Telecom Italia 4.1 Piattaforma client-server NIMBLE CS-VAS GGSN GPRS GSM HTTP NIMBLE Intranet NIMBLE Gateway Applicazioni esterne al CS/VAS Amministrazione Visualizzazione allarmi & provisioning Dati di Rete Centro Servizi VAS HTTP-S SFTP TCP/IP, HTTP-XML FleetNet NIMBLE HTTP-XML TCP/IP, HTTP-XML Gateway GPRS Support Node General Packet Radio Service Global System for Mobile communications Hyper Text Transfer Protocol Non Intrusive MoBile Location Environment FIGURA 9 Architettura della piattaforma NIMBLE. UCP BEAT3 412TimNavigator SFTP TCP/IP SMS-C UCP VAS XML UCP Gw TCP/IP errore inferiore al valore indicato. Il terminale è localizzabile ovunque all'interno della rete indipendentemente dal fatto che esso sia all'aperto o all'interno di edifici. L'applicazione (client) residente sulla SIM (o anche su una applicazione del telefono in caso di dispositivo dedicato), su richiesta del centro servizi (server) o dell'utente, raccoglie le misure disponibili e le invia al server che calcola la posizione. La comunicazione fra client e server avviene sullo user-plane via SMS o un canale dati GPRS. Affinché il telefono sia localizzabile con questa tecnica è necessario che supporti alcune specifiche funzionalità standard del STK (SIM application ToolKit) GSM/GPRS oggi largamente disponibili sui telefoni commerciali. La disponibilità di queste funzioni non ha impatto sul costo del terminale. SMS-C GGSN Inter@cTIM Client Inter@cTIM Localizzazione NIMBLE Secure File Transfer Protocol Transmission Control Protocol/IP Short Message Service - Centre Universal Computer Protocol Value Added Services extensible Markup Language Un applicazione può accedere all informazione di localizzazione in tre modalità: MO (Mobile Originated) - ad esempio autolocalizzazione: la richiesta di servizio è iniziata dal mobile tramite un menù di richiesta STK. Alla richiesta sono associate le informazioni per la localizzazione (cella, misure di potenza). NIMBLE utilizza le misure di potenza per calco- NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

10 lare la posizione ed invia le coordinate e la richiesta di servizio al SP (Service Provider) competente. Quest ultimo può erogare il servizio direttamente o tramite NIMBLE. Su questa modalità di funzionamento si basano ad esempio i servizi di informazioni localizzate in prossimità della posizione dell'utente (ad esempio cerco un Bancomat qui vicino ): l'utente deve solo selezionare l'informazione di interesse (ad esempio Sportello Bancomat) ma non deve indicare la propria posizione che viene calcolata automaticamente da NIMBLE prima di inoltrare la richiesta di informazione al SP (ad esempio Pagine Gialle). MT (Mobile Terminated) - ad esempio FleetNet: il SP richiede a NIMBLE la localizzazione di un mobile tramite interfaccia standard Le 6, con protocollo LIF-MLP [15], o tramite altro tipo di interfaccia (HTTP, web-service, TCP). NIMBLE invia la richiesta al mobile che effettua le misure necessarie al server per la stima della posizione; quest ultima è poi restituita ai SP che l hanno richiesta 7. Applicazioni che impiegano questa modalità di funzionamento sono quelle per il tracking delle persone o delle flotte. PS (Position Services) - ad esempio 412TIMNavigator: il SP invia direttamente a NIMBLE i dati di localizzazione (cella, misure di potenza) ricevuti da un mobile e NIMBLE risponde con la posizione calcolata. In questo caso è quindi l'applicazione che dialoga direttamente con il client applicativo sul terminale mentre NIMBLE svolge esclusivamente il ruolo di motore di calcolo della posizione. 4.2 Piattaforma di localizzazione statistica networkbased LocHNESs LocHNESs (Localizing & Handling Network Event Systems) è un sistema sviluppato in TILab che consente di localizzare in modo anonimo gli eventi rilevati sulle interfacce di segnalazione di una rete radiomobile (chiamate, SMS, handover, ecc.). Gli eventi localizzati, cioè gli eventi con associate le coordinate geografiche della posizione in cui ciascuno di essi accade, sono poi forniti alle applicazioni esterne che le impiegano per la stima del traffico automobilistico, per il monitoraggio della QoS e la pianificazione in tempo reale della rete (figura 10). (6) (7) L interfaccia Le è quella tra GMLC e LCS client esterno. Se più SP richiedono la localizzazione dello stesso mobile, NIM- BLE invia un solo SMS al terminale e distribuisce la risposta a tutti i SP. BSC BTS DB GSM Sonde HLR BTS BTS BSC Interfacce A-bis Base Station Controller Base Transceiver Station Data Base Global System for Mobile communications Home Location Register BSC LAN LAN LocHNESs MSC VLR FIGURA 10 Principio di funzionamento di LocHNESs. MSC/ VLR GSM Network DB LocHNESs HLR Applicazioni e Servizi Local Area Network Localizing & Handling Network Event Systems Mobile service Switching Centre Visitor Location Register Il messaggio più importante che transita sulla interfaccia A-bis è il Measurement Result [16]; per ogni connessione attiva all interno della cella e con periodicità pari a circa 480 ms, la BTS invia al BSC questo messaggio che contiene tutte le misure di potenza effettuate dal terminale e dalla BTS e il valore di TA che si sta impiegando nella chiamata. Di particolare importanza sono le misure di potenza in downlink relative alla BTS servente ad al massimo a sei BTS adiacenti, quelle che il terminale riceve con la potenza più elevata, che consentono a LocHNESs, utilizzando la tecnica di localizzazione DFL di tracciare con continuità la posizione di tutti i terminali in stato connected nella rete. La lettura di questo messaggio è realizzata da opportune sonde installate sulle interfacce A-bis della rete. Altre informazioni fornite dalle sonde, attraverso l elaborazione sia dei protocolli di comunicazione BTS-BSC sia dei protocolli di livello superiore (RRM, MM,...), sono: Connection Failure - indica la caduta di una connessione attiva ad esempio in seguito a un failure del collegamento radio; Handover Detection - indica la riuscita di un handover; Channel Required - indica la richiesta di attivazione di un canale da parte di un terminale per una chiamata entrante o uscente; Location Update - indica l avvio della procedura di location update da parte del terminale; 36 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

11 Handover Failure - indica il fallimento di un handover; SMS Channel Request - indica la richiesta di attivazione di un canale per l invio o la ricezione di un SMS da parte del terminale; Voice Channel Release - indica il rilascio di un canale di traffico voce. Ciascuna di queste informazioni viene associata ad un messaggio di Measurements Result relativo allo stesso terminale in modo da consentirne la localizzazione; questa associazione viene effettuata sempre dalle sonde attraverso l analisi dei messaggi dell intera pila protocollare dell interfaccia A-bis. La localizzazione degli eventi sopraelencati abilita immediatamente due delle applicazioni definite in precedenza di network-enhancing: il monitoraggio della QoS reale e la pianificazione in tempo reale della rete. La prima discende immediatamente dalla localizzazione degli eventi sopraelencati e da una loro elaborazione e aggregazione ad esempio su base cella o meglio ancora suddividendo in zone appropriate l area di interesse; è possibile quindi avere in tempo reale mappe di traffico (in Erlang), di cadute delle chiamate, di handover, di livelli di potenza ricevuta dal terminale,..., come mostrato ad esempio in figura 11. La pianificazione in tempo reale di una rete consiste nella modifica di alcuni suoi parametri di configurazione in funzione della distribuzione degli utenti in tempo reale, delle loro richieste di servizio e della qualità che essi stanno avendo; una pianificazione così fatta consente ad un operatore di offrire un miglior servizio ai propri clienti e nello stesso tempo di sfruttare al meglio le risorse di rete. Sfruttando la localizzazione degli eventi realizzata da LocHNESs, avendo quindi in tempo reale le distribuzioni di traffico e i dati di QoS, è possibile da un lato intervenire sulla rete effettuando una nuova pianificazione e dall altro verificare immediatamente l effetto delle modifiche apportate (figura 12). Sono anche possibili ed in via di sperimentazioni applicazioni commerciali di questa piattaforma. L'idea di base è che seguendo in modo anonimo lo spostamento degli utenti della rete cellulare è possibile derivare informazioni statistiche sullo spostamento della popolazione e sull'utilizzazione del territorio utili per varie applicazioni (si veda il riquadro LocHNESs e la stima del traffico automobilistico ). FIGURA 11 Mappa del traffico voce (Erlang) su una zona di Roma. 4.3 Piattaforma di localizzazione Hybrid/A-GPS ESkyLo ESkyLo (Earth-Sky Location) è una piattaforma Hybrid/A-GPS conforme allo standard SUPL v1.0 descritto nel paragrafo 3.2; i dati di assistenza consentono di ridurre il TTFF e aumentare la sensibilità del ricevitore GPS con conseguente miglioramento della disponibilità e della percezione del servizio. Inoltre, la piattaforma implementa un algoritmo di localizzazione ibrida satellitare-terrestre che garantisce prestazioni migliori in termini di accuratezza e disponibilità di servizio rispetto alle tecniche usate singolarmente. LocHNESs Rete radiomobile Informazioni localizzate Planning real time LocHNESs Localizing & Handling Network Event Systems FIGURA 12 Schema di funzionamento della pianificazione in tempo reale. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

12 LocHNESs e la stima del traffico automobilistico Una applicazione abilitata da LocHNESs, e in particolare dalla possibilità che esso offre di localizzare ogni 480 ms tutte le chiamate attive nella rete, è costituita dalla stima del traffico automobilistico. L applicazione sviluppata da TILab in proposito, denominata SSTS (Sistema di Stima del Traffico Stradale) (figura A), riceve BTS BSC Rete GSM/UMTS Sonde LocHNESs Sistema di localizzazione Sistema di tracking BSC Base Station Controller BTS Base Transceiver Station LocHNESs Localizing & Handling Network Event Systems FIGURA A Architettura del Sistema di Stima del Traffico Stradale. Sistema di Stima del Traffico Stradale Selezione utenti in automobile Calcolo indici di mobilità in tempo reale da LocHNESs i Measurement Result localizzati relativi ad ogni chiamata attiva, aggrega le localizzazioni di ciascuna chiamata stimando anche le velocità istantanee dei terminale, seleziona le chiamate di utenti in automobile, utilizzando come parametri le durate delle chiamate, le velocità istantanee e le distanze percorse, e genera infine gli indicatori di traffico (ad esempio velocità media, velocità di picco, densità di traffico, ) e le mappe di traffico simili a quella mostrata in figura B. Ogni mappa viene aggiornata ad intervalli regolari, ad esempio ogni cinque minuti, e può essere generata per tutto il territorio italiano ovunque vi sia la copertura della rete cellulare. LocHNESs ha un impatto nullo sui terminali d utente: esso non richiede alcun hardware specifico e non occorre l installazione di alcun client software; qualunque terminale d utente può quindi essere localizzato indipendentemente dalle sue caratteristiche hardware e software. Le mappe di traffico generate da LocHNESs-SSTS abilitano una vasta gamma di servizi. È possibile inviare agli automobilisti, ad esempio tramite SMS, periodicamente o su richiesta esplicita, informazioni sullo stato del traffico o avvisi di blocchi e rallentamenti. Tramite opportuni applicativi installati ad esempio sul telefono cellulare, l automobilista stesso può ricavare il tempo di percorrenza di un dato percorso, oppure può ottenere indicazioni relativamente al percorso più breve da seguire tenendo in considerazione, oltre che della distanza tra origine e destinazione, anche dello stato del traffico in quel momento. Integrando le mappe di traffico con un navigatore satellitare è Mappe di traffico possibile ricalcolare in tempo reale il percorso da seguire in base alla posizione attuale del veicolo. Le stesse informazioni, tempo di percorrenza su un percorso e ricerca del percorso con tempo di percorrenza minimo, possono essere richieste dall utente, in assenza Le funzionalità implementate dalla piattaforma sono: Procedure di localizzazione Terminal-initiated e Network-initiated (tramite WAP-push) con attivazione di connessione TCP/IP tramite i bearer a disposizione (GPRS, EDGE o UMTS). Metodi di localizzazione supportati: - A-GPS terminal-based con la piattaforma che invia i dati di assistenza e il terminale che calcola la posizione finale; - A-GPS terminal-assisted con la piattaforma che invia i dati di assistenza e calcola la posizione finale utilizzando in un algoritmo ibrido le misure terrestri e satellitari; - E-CI nel caso non siano disponibili dati GPS e si impieghino quindi le misure già utilizzate dalla piattaforma NIMBLE. Supporto di funzionalità di security: autenticazione del terminale tramite MSISDN-IP address mapping 8 e cifratura dei messaggi scambiati tramite tecniche standard. La piattaforma ESkyLo attualmente in fase di ingegnerizzazione potrà essere utilizzata da TIM per assistere i terminali A-GPS a standard SUPL v1.0 la cui diffusione sul mercato è attesa nel Le prime campagne di sperimentazione della piattaforma ESkyLo con prototipi di terminali commerciali hanno confermato le aspettative riguardo a questa tecnologia; l'a-gps permet- (8) In pratica si verifica che l indirizzo IP con cui il terminale si presenta al server sia stato assegnato a un utente autenticato dalla rete. 38 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

13 sponsor principale al progetto innovativo Real Time Rome presentato dal SENSEable City Laboratory del MIT (Massachusetts Institute of Technology) alla 10 a Mostra internazionale di architettura alla Biennale di Venezia [17, 18]. Il progetto integra i dati sulla mobilità generati da LocHNESS-SSTS con quelli relativi agli spostamenti degli autobus e dei taxi, li correla con dati geografici e socio-economici e fornisce informazioni su come le aree cittadine sono usate nel corso della giornata e su come beni e servizi sono distribuiti nella città, con la possibilità di distinguere tra differenti gruppi sociali (per esempio quello dei residenti e quello dei turisti). Il tutto con l obiettivo di rendere i cittadini più informati su cosa accade intorno a loro nel momento di prendere delle decisioni (figura C). FIGURA B Mappa del traffico automobilistico su una zona di Roma; il colore dei pixel indica la velocità media in km/h. del client su terminale, tramite SMS o WAP ad un applicazione centralizzata. Le mappe di traffico possono essere impiegate dalle amministrazioni locali per il monitoraggio del traffico automobilistico sia nelle tratte stradali ad alto scorrimento (autostrade, superstrade) sia nelle aree urbane e suburbane. È possibile realizzare analisi statistiche del traffico automobilistico che da un lato possono essere d ausilio nelle decisioni relative alla viabilità, alle politiche dei trasporti (potenziamento di alcune linee di mezzi pubblici, modifiche ai percorsi, modifiche ai sensi di percorrenza delle strade,...) e dall altro possono consentire una valutazione in tempi relativamente brevi delle decisioni prese. Il monitoraggio del traffico è utile anche nel monitoraggio dell inquinamento causato dai veicoli e come ausilio per le politiche ambientali delle amministrazioni. Telecom Italia ha partecipato come FIGURA C Mappa in tempo reale del traffico automobilistico di Roma presentata alla biennale di Venezia nel progetto Real Time Rome. NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

14 terà di compiere il salto di qualità in termini di accuratezza passando dall'ordine di grandezza delle centinaia di metri di incertezza tipiche delle tecnologie cellulari oggi disponibili a poche decine di metri abilitando quindi anche servizi di navigazione accurata. La modalità di funzionamento Hybrid/Assisted garantirà un'ottima disponibilità di servizio (prossima al 100%) anche nei centri urbani dove la visibilità del cielo è limitata e tempi di risposta di pochi secondi, caratteristiche indispensabili per la fornitura di servizi commerciali. 5. Conclusioni L articolo ha presentato la localizzazione nei sistemi radiomobili relativamente ai suoi diversi aspetti. L informazione di posizione, oltre ad abilitare specifiche applicazioni location-based, permette di riqualificare ed integrare servizi già esistenti; per questo motivo la localizzazione rappresenta un ingrediente di notevole importanza per i servizi in mobilità e per la personalizzazione dei contenuti sempre più richiesta dagli utenti. gianluca.boiero@telecomitalia.it massimo.colonna@telecomitalia.it dario.parata@telecomitalia.it Gli autori ringraziano Piero Lovisolo per i preziosi suggerimenti e Claudio Benenti e Davide Bertinetti per l attenta revisione del testo. BIBLIOGRAFIA [1] E. D. Kaplan: Understanding GPS - Principles and Applications, Artech House Inc., [2] A. El-Rabbany: Introduction to GPS - The Global Positioning System, Artech House Inc., [3] Berg Insight: Strategic analysis of the European mobile LBS market, Settembre [4] 3GPP TS : 3 rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Functional stage 2 description of Location Services (LCS) in GERAN, [5] 3GPP TS , 3 rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Stage 2 functional specification of User Equipment (UE) positioning in UTRAN, [6] O. Bertazioli, L. Favalli: GSM - GPRS - Tecniche - Architetture - Procedure - Evoluzione verso UMTS, Hoepli, [7] H. Holma, A. Toskala: WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications, John Wiley & Sons, [8] D. Coratella: Il sistema GPS, Notiziario Tecnico Telecom Italia, Anno 11, n. 1, Giugno 2002, pp [9] T. S. Rappaport: Wireless Communications - Principles and Practice, Second Edition, Prentice Hall, [10] L. Stola, D. Filizola, L. Ordano: System And Method For Identifying The Position Of Mobile Terminals, Patent Application numero WO , pubblicata il 30/05/2002. [11] G. Boiero, D. Cavallo, F. Dovis, P. Mulassano: Innovative Hybrid NAV/COM Solution for Improving Accuracy and Availability of User Positioning, GNSS Global Navigation Satellite System Conference, Graz, Aprile [12] R. E. Taylor, J. W. Sennott: Navigation system and method, Brevetto n US , Aprile [13] 3GPP TS : 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Functional stage 2 description of Location Services (LCS), [14] OMA SUPL v1.0: Secure User Plane Location Architecture, Agosto [15] OMA LIF-MLP v3.1; Mobile Location Protocol, Febbraio [16] GSM 08.58: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Base Station Controller (BSC) to Base Transceiver Station (BTS) interface - Layer 3 specification, [17] [18] 40 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006

15 ABBREVIAZIONI 3GPP A-GPS ARPU BS BSC BTS CI CI+TA CI+RTT CS-VAS DFL E-CI+TA EDGE E-OTD ESkyLo ETSI GGSN GMLC GPRS GPS GSM GSMA GTD HLR HTTP IMSI IP ISDN LAN LBS LCS LIF-MLP LMU LocHNESs MIT MLC MM MO MSC MSISDN MT NIMBLE OMA OTD 3 rd Generation Partnership Project Assisted-GPS Average Revenue Per User Base Station Base Station Controller Base Transceiver Station Cell-Id Cell-Id + Timing Advance Cell-Id + Round Trip Time Centro Servizi - VAS Data Fit Location Enhanced-CI+TA Enhanced Data rates for GSM Evolution Enhanced-Observed Time Difference Earth-Sky Location European Telecommunications Standards Institute Gateway GPRS Support Node Gateway Mobile Location Center General Packet Radio Service Global Positioning System Global System for Mobile communications GSM Association Geometric Time Difference Home Location Register HyperText Transfer Protocol International Mobile Subscriber Identity Internet Protocol Integrated Services Digital Network Local Area Network Location Based Services LoCation Services Location Interoperability Forum-Mobile Location Protocol Location Measurement Unit Localizing & Handling Network Event Systems Massachusetts Institute of Technology Mobile Location Center Mobility Management Mobile Originated Mobile services Switching Centre Mobile Station ISDN number Mobile Terminated Non Intrusive MoBile Location Environment Open Mobile Alliance Observed Time Difference OTDOA PLMN PS QoS RNC RRM RTT SFTP SGSN SIM SMLC SMS SMS-C SP SSTS STK SUPL TA TCP TDMA TDOA TTFF UCP UMTS U-TDOA UTM VAS VLR WAP WCDMA WG WGS-84 WiFi XML Observed Time Difference Of Arrival Public Land Mobile Network Position Services Quality of Service Radio Network Controller Radio Resource Management Round Trip Time Secure File Transfer Protocol Serving GPRS Support Node Subscriber Identity Module Serving Mobile Location Center Short Message Service Short Message Service - Centre Service Provider Sistema di Stima del Traffico Stradale SIM application ToolKit Secure User Plane Location Timing Advance Transmission Control Protocol Time Division Multiple Access Time Difference Of Arrival Time To First Fix Universal Computer Protocol Universal Mobile Telecommunications System Uplink-Time Difference Of Arrival Universale Trasversa di Mercatore Value Added Services Visitor Location Register Wireless Application Protocol Wideband Code Division Multiplex Access Working Group World Geographic reference System Wireless Fidelity extensible Markup Language NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre

16 Gianluca Boiero si laurea nel 2000 con lode in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Torino, nel 2003 consegue il Master in Telecomunicazioni presso COREP/TILS. Nel 2001 entra in CSELT (oggi Telecom Italia) nell area dei Servizi Mobili dove si dedica principalmente allo studio delle tecnologie di localizzazione su sistemi radiomobili e satellitari. In questo ambito fornisce supporto specialistico nello scouting di soluzioni innovative e consulenza all attività di standardizzazione 3GPP/OMA e in progetti internazionali. Contribuisce alla definizione, alla brevettazione e alla prototipazione di un sistema di posizionamento Hybrid/Assisted GPS, conforme allo standard OMA-SUPL, progettato per migliorare le performance dei ricevitori GPS integrati nei telefoni cellulari. È autore di alcuni depositi brevettuali e di una decina di articoli pubblicati in conferenze e riviste. Massimo Colonna si laurea in Ingegneria Elettronica nel 1997 presso il Politecnico di Torino. Dallo stesso anno è in CSELT, oggi Telecom Italia, dove si occupa di sistemi radio per accesso fisso (WLL, Broadband FWA, WiMAX) e di wireless LAN (IEEE , Bluetooth, HIPERLAN,...), maturando una significativa esperienza nella valutazione tecnica ed economica di sistemi e apparati e nel dimensionamento di reti d accesso radio. Dal 2003 si occupa di tecnologie e servizi basati sulla localizzazione e, in particolare, partecipa allo studio di tecniche di localizzazione innovative in reti wireless LAN basate sull algoritmo DFL e allo sviluppo della relativa piattaforma di localizzazione. Collabora infine alla realizzazione del sistema di localizzazione statistica e di stima del traffico automobilistico. Dario Parata si laurea nel 1996 in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Torino. Nel dicembre 1997 è assunto in Siemens ICN (già Italtel) a Milano dove lavora nell area Reti Mobili e partecipa all attività di System Test ed Acceptance Test sul prodotto OMC. Dal febbraio 2001 è in Telecom Italia (già CSELT) dove lavora su progetti commissionati TIM, riguardanti applicativi per il controllo dei cartellini di tassazione nella rete GSM/GPRS. Dal gennaio 2003 lavora in progetti legati alla localizzazione nelle reti radiomobili che lo vedono coinvolto in attività di standardizzazione in ambito 3GPP, in progetti internazionali per la valutazione e scelta di tecnologie LBS e in progetti di ricerca. Nell ambito dell attività di ricerca approfondisce le tecniche di riconoscimento della posizione rispetto ad un area geografica e l utilizzo della localizzazione statistica per il monitoraggio della QoS, la pianificazione della rete radiomobile e la stima del traffico automobilistico. 42 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006