Richiami sulla telefonia cellulare

Transcript

1 Richiami sulla telefonia cellulare Riuso delle frequenze

2 I Sistemi Sistemi : prima analogici (TACS) poi numerici (GSM, UMTS, LTE ) con codifica LPC della voce e crittografia Accesso (per ciascuna cella) : TDMA nel GSM (otto time slot per cella) in altri casi : CDMA.

3 Un terminale GSM

4 La rete GSM

5 Localizzazione su reti mobili Il termine localizzazione mobile fa riferimento all attribuzione attribuzione o all individuazione della posizione spaziale (ed anche temporale) di persone o mezzi di trasporto, dotati di dispositivi di comunicazione mobile, con livelli di accuratezza che possono variare dal chilometro a pochi centimetri, possibilità che è oggi offerta da vari tipi di tecnologie. Inizialmente i i sistemi i cellulari l non erano progettati ti per il posizionamento, l implementazione di questa funzionalità ha richiesto l introduzione di nuovi apparati

6 Servizi di emergenza Automobilisti ti Motivazioni Persone Navigazione Automobilisti Persone Informazioni turistiche e commerciali Home-zone billing Gestione Logistica (flotte aziendali ) Tempo libero (sport individuali )

7 Localizzazione su reti mobili In generale i metodi di localizzazione possono appartenere ad una delle seguenti categorie: A) Sistemi di localizzazione basati sulla rete (anche dette NETWORK BASED ) dette NETWORK-BASED ), il calcolo della posizione dell utente viene eseguito da specifici nodi della rete, con o senza interazioni con il dispositivo mobile. Nel caso in cui la localizzazione sia supportata da specifiche misure effettuate dal mobile si parla di localizzazione assistita dal mobile (o Mobile-Assisted ). Il dato di posizione geografica viene poi comunicato periodicamente, o su richiesta, al terminale o a terze parti (fornitori di specifici servizi) su autorizzazione dell utente stesso.

8 Localizzazione su reti mobili In generale i metodi di localizzazione possono appartenere ad una delle seguenti categorie: B) Sistemi di localizzazione basati sul mobile (anche dette MOBILE BASED ) dette MOBILE-BASED ), il terminale mobile (personale o veicolare) effettua il calcolo della posizione attraverso triangolazioni tra segnali ricevuti da satelliti per la navigazione, o stazioni radio base della rete stessa. Nel caso in cui tale processamento avvenga anche sulla base di specifiche informazioni provenienti dalla rete si parla allora di localizzazione assistita dalla rete (o Network- Assisted ) ).

9 Schema di un Sistema di Localizzazione per GSM

10 Localizzazione su reti mobili Le tecniche di localizzazione si differenziano principalmente per il tipo di misura: Cell Identity and Timing Advance (CI+TA) Enhanced Cell Global Identity (E CGI) Simple Mobile Positioning System (SMPS) Angle Of Arrival (AOA) Sistemi i di Antenne Adattative ti Data Fit Location (DFL) Signal Signature Patterns Time Difference Of Arrival (TDOA) Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) Uplink Time Of Arrival (U-TOA) Sistemi di Posizionamento Satellitari (GPS convenzionale, sistema GALILEO in futuro) GPS assistito (A-GPS)

11 Cell-ID (Identificativo di Cella) La soluzione più ovvia per determinare la posizione di un terminale mobile in un sistema di telefonia cellulare è quella di utilizzare l identificativo della cella con la quale il mobile è connesso. Nel GSM tale identificativo è univoco e dal suo valore si può risalire alle coordinate della cella e supporre che il terminale mobile si trovi nelle sue vicinanze La posizione della cella è generalmente nota all operatore con una accuratezza che varia tra i 10 e i 30 metri. L errore nella localizzazione non potrà essere inferiore a questo valore. L accuratezza con questo sistema dipende anche da: tipo di cella che si utilizza (antenna omnidirezionale, a fasci direzionali o n- settoriale); densità delle celle; grandezza della cella (tipo di stazione base o antenna alla quale il cellulare l è connesso: macro, micro, pico-cella).

12 Cell -ID La precisione dipende fortemente dalla zona nella quale si opera, e di conseguenza dalla grandezza della cella utilizzata: in aree densamente popolate, dove si trovano celle, con raggio tra 100 e 500 metri (micro-celle), si può arrivare a valori dell ordine di poche centinaia di metri; in aree suburbane, dove le celle hanno un raggio di pochi chilometri, la precisione ha un errore che varia tra 1 e 10 chilometri; in aree rurali, dove le celle hanno grandezza del raggio inferiore i ai 35 chilometri (macro-celle), l entità degli errori andrà da 1 a 35 chilometri; la precisione ottenibile in questi casi è quindi molto ridotta.

13 Cell -ID

14 CI+Cell Sector CI+Cell Sector (Identificativo e Settore di Cella) Si utilizzano antenne a fasci direzionali, in cui la localizzazione di un terminale è definita da un area non più circolare bensì da un settore circolare. Nel caso di antenne tri-settoriali, tale settore ha in linea teorica un angolo al centro di 120 definito dalla posizione e direzione dell elemento radiante. Nel caso in cui l antenna riesca a definire più settori all interno della cella, si può risalire alla posizione del terminale mobile, identificando il settore dal quale proviene il segnale Naturalmente in questo caso l errore di posizionamento sarà delimitato dalla superficie del settore circolare ipotizzando l utente nel baricentro dello stesso.

15 CI+TA CI+TA (Identificativo di Cella con Compensazione del ritardo) aggiunta dell informazione Timing Advance ; si parla così di Identificativo di Cella con Compensazione del ritardo (detto anche Cell-ID+Timing Advance). Questa informazione aggiuntiva è legata al tempo di propagazione p dei segnali GSM e viene fornita dalla rete al terminale per mantenere il sincronismo dell accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA). il Timing Advance è normalmente usato per sincronizzare correttamente la stazione radio base ed il terminale mobile: questo parametro è una misura del tempo di percorrenza del segnale. L informazione è pari solamente ad 1/2 del tempo di bit GSM (1.85 μs), equivalente ad un incertezza di ± 277 m sulla distanza assoluta del mobile dalla stazione base. L accuratezza dipende dal diametro della cella e dalla distanza del mobile dal centro della cella (l area della regione anulare aumenta, infatti, al crescere del raggio) e la precisione stimata è dell ordine di 550 metri.

16 CI+TA

17 Reti di Terza Generazione In analogia a quanto descritto sopra, per le reti di terza generazione si è definita la tecnica SAI+RTT. La Service Area Identity (SAI) è una tecnologia di localizzazione impiegata nelle reti WCDMA, dove la copertura della cella è in questo caso la Service Area ed il parametro utilizzato per ottimizzare il sistema è il Round Trip Time (RTT). La BTS invia un segnale al mobile che immediatamente gli risponde; misura il tempo che il segnale impiega i nel viaggio i di ritorno (dal mobile alla BTS) e con questa informazione la rete calcola la distanza tra il mobile e l antenna, equivalente alla metà del Round Trip Time. Le celle UMTS sono più piccole rispetto a quelle GSM ed inoltre Le celle UMTS sono più piccole rispetto a quelle GSM ed inoltre l RTT può essere calcolato con un incertezza pari ad 1/16 di chip UMTS pari a circa 5 m.

18 E-CGI (Enhanced Cell Global ID) Questa tecnica si basa sulla misurazione dell intensità del segnale ricevuto per determinare la distanza tra il mobile e la stazione radio base. Avendo a disposizione più elementi trasmittenti e misurando le distanze relative da essi, sarà poi possibile determinare l esatta posizione dell oggetto ricevente mediante tri-laterazione. La misurazione dell intensità del segnale viene normalmente fornita dal mobile alla rete per più celle adiacenti. Questo sistema ha dimostrato un intrinseca fragilità, oltre che per problemi di affievolimento da percorsi multipli (multipath fading) anche per la presenza del rumore ed interferenze che si sommano al segnale. Le accuratezze nella misura delle distanze e la conseguente precisione nella determinazione della posizione risultano molto basse soprattutto in aree rurali dove la densità di stazioni radio base è sicuramente più bassa. Tipicamente si ottengono accuratezze dell ordine di 250 m-8 km in aree rurali, 250 m-2.5 5kminaree suburbane, 50 m-550m in aree urbane.

19

20 SMPS (Simple Mobile Positioning System) Utilizza la normale trasmissione di informazioni dalle BTS per inviare anche tutta una serie di dati necessari per il calcolo della posizione, come ad esempio: le coordinate geografiche della BTS e dell area di copertura della specifica cella, informazioni sul guadagno g e diagramma d antenna, ecc. Analogo all E-CGI ma implementato nel mobile, non soffre di problemi di capacità di segnalazione e copertura Il terminale mobile usa tipicamente misure RxLevel: non sono richieste né modifiche hardware alla stazione mobile e alla rete Il l l d ll i i ò ì ff tt t i d Il calcolo della posizione può essere così effettuato in modo continuo con un accuratezza abbastanza elevata per la maggior parte delle applicazioni mobili.

21 TDOA

22 La caratteristica principale di una soluzione di questo tipo è che diviene necessario sincronizzare gli orologi delle stazioni fisse, ma non quello del terminale mobile. La misura di propagazione è generalmente affetta in quanto, si hanno problemi di fluttuazione del segnale ricevuto a causa del multipath Questo è tipico della propagazione reale delle onde elettromagnetiche, influenzata dalla presenza di ostacoli tra l apparato portatile in movimento e l antenna trasmittente fissa che provoca variazioni del campo ricevuto dell ordine di parecchi db (fading) In realtà l irradiazione omnidirezionale dell antenna e i numerosi oggetti che, soprattutto nell area urbana si comportano come riflettori del segnale radio, fanno sì che i percorsi del segnale siano molteplici e addirittura il percorso diretto, sopra ipotizzato, può talvolta non esistere.

23 A causa di tale fenomeno, noto come cammini multipli, sull antenna ricevente arrivano contemporaneamente segnali provenienti da più percorsi, e ciò crea i seguenti ulteriori problemi alla propagazione Dispersione del ritardoper cui lo stesso elemento informativo arriva sul ricevitore con tempi diversificati, con errori di distanza anche di diverse decine di metri; Rotazione casuale di fase: ogni onda riflessa nel segnale può sottostare a drastiche alterazioni nella fase e nell ampiezza lungo il percorso tra il trasmettitore ed il ricevitore, con possibili effetti anche su eventuali misure di potenza.

24 E OTD (Enhanced Observed Time Difference) L E-OTD è l implementazione, in reti non sincronizzate, della tecnica TDOA descritta nella sezione precedente e si basa sulla misura, da parte del terminale mobile, delle differenze dei tempi di arrivo di una stessa sequenza di bit BCCH proveniente da più stazioni radio base. Essendo le reti non sincronizzate, occorre ricostruire attraverso opportune misure idisallineamenti titemporali lidei itempi idi trasmissione per le varie BTS, informazione strettamente necessaria alla risoluzione del dato di posizione. Complicazione: le stazioni radio base non sono, di solito, sincronizzate tra loro Occorre un ulteriore elemento, per misurare anche i tempi di trasmissione (o di partenza) dei segnali dalle stazioni fisse

25 Generalmente questa tecnica è implementata in modalità Network based-mobile assisted Tale calcolo può essere effettuato anche nel mobile stesso; in questo caso sarà la rete a fornire al mobile le misure effettuate dalle LMU distribuite sul territorio, generalmente in rapporto uno-auno con i siti delle BTS. Mobile based-network assisted, e per le sue diverse implementazioni possibili l E-OTD è talvolta menzionata anche come tecnica ibrida. La risoluzione dipende principalmente dall accuratezza delle misure dei tempi di arrivo, da cui si risale poi alle distanze. Per stimare, ad esempio, una distanza con un errore di 10 metri occorre misurare i tempi con una precisione di circa 30 ns, che non è sempre facile, data la natura del segnale GSM e la presenza di varie forme di disturbi alla propagazione radio (interferenze, riflessioni, ecc.).

26 Le prestazioni in termini di accuratezza dell E-OTD si aggirano in media tra i 100 e i 200 m sia in zone rurali che urbane. Nel contesto UMTS, la tecnica E-OTD non è applicabile in quanto richiede specificatamente il supporto di alcune funzionalità di base del GSM, ma è sostituita da un sistema con caratteristiche analoghe, denominato OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival) Il sistema di terza generazione associato a questa tecnica, il WCDMA,,presenta il problema del self-jamming, causato dalla trasmissione della base station servente, quando il mobile si trova in prossimità di essa: il terminale riceve perfettamente il segnale dalla base station, ma qualsiasi altro segnale che arriva da base station più lontane viene disturbato. L accuratezza stimata dell OTDOA è compresa tra 40 e 150 m.

27 U TOA (Uplink Time Of Arrival) Viene misurato il tempo di arrivo in salita (uplink) del segnale, dal mobile alla stazione radio base. si sfruttano principi analoghi alla tecnica TDOA: il mobile trasmette un segnale noto (burst di accesso generato in fase di handover asincrono); almeno 3 unità LMU, sincrone tra loro e generalmente co-locate (stesse coordinate) con le BTS, misurano gli istanti ti di arrivo di quel segnale trasmesso dal mobile In questa tecnica, i ricevitori devono essere tutti perfettamente sincronizzati (o essere noti i disallineamenti temporali dei vari ricevitori). L U TOA ha il vantaggio di non richiedere alcuna elaborazione o misura dei tempi di arrivo da parte del terminale mobile; è infatti un sistema puramente network-based, pertanto qualsiasi terminale mobile è adatto per il rilevamento della propria posizione con questo tipo di tecnica.

28 Il vantaggio più rilevante di questa tecnica, rispetto alla E OTD, è l assenza del ritardo di sincronizzazione, in quanto sono le LMU a misurare it tempi idi arrivo (generalmente sincronizzate i sul ltempo GPS). Per contro, si impone un considerevole carico alla rete, in quanto, sono necessarie misure del tempo di arrivo effettuate da molte stazioni di misura (LMU), L accuratezza di questa tecnica è migliore in aree rurali e suburbane, mentre, peggiora in aree urbane, a causa della distorsione del segnale dovuta ai multipath, che ne riducono le prestazioni. Accuratezza, Esempio: nel caso in cui le LMU fossero 3, si avrebbe un accuratezza media di 70 m nelle zone rurali, 75 m nelle zone suburbane, 100 m in quelle urbane; se invece le LMU fossero 7 si avrebbe un accuratezza di 25 m in zone rurali, 30 m in zone suburbane, 85 m in zone urbane.

29 AOA (Angolo Di Arrivo) E necessario usare antenna ad array di ricevitori, in modo da capire quale di questi ha ricevuto il segnale migliore. La precisione del sistema, si basa sull accuratezza con cui viene calcolato l angolo di arrivo E da tener presente che, nell AOA non è necessario sincronizzare le stazioni base, come per altre tecniche, e per la sua implementazione non si deve apportare nessuna modifica al terminale dell utente. t L accuratezza della posizione, che di solito va dai 100 ai 200 metri, diminuisce se il terminale si sposta allontanandosi dalla stazione base. Anche in questo caso possono sorgere problemi dovuti ai multipath

30 DFL (Data Fit Location ) Questa tecnica è non intrusiva, ed utilizza per il I dati riportati dal mobile vengono confrontati con i dati calcolo della posizione un opportuna combinazione delle seguenti informazioni: della pianificazione di rete per individuare l area in cui si potrebbe trovare il terminale; dati presenti nel cellulare (cell id, misure di potenza); dati di configurazione di rete più accurati sono i dati di rete e delle antenne dislocate sul territorio più accurata sarà la (posizione stazione base, stima di posizione puntamento antenne, potenza Precisione dell ordine di 200 di trasmissione, cioè dati 300 metri in aree urbane e relativi alla pianificazione di 500m 1 Km in aree rete); suburbane. diagrammi di irradiazione delle antenne. Il vantaggio maggiore di questo algoritmo è il proprio adattamento in tempo quasi reale ai mutamenti che riguardano la rete.

31 SIGNAL SIGNATURE PATTERNS Questa tecnica si basa sulla mappatura del campo a radiofrequenza ed è utile per tutti quei casi in cui le condizioni di ricezione non sono adatte ad un buon funzionamento dei sistemi visti in precedenza. Per esempio all interno di un aeroporto o di un centro commerciale Queste tecniche possono essere viste come un complemento al metodo basato sull identificativo di cella, in cui la stima di posizione viene raffinata confrontando il modello (pattern) formato dalle intensità dei diversi segnali ricevuti con una mappa precalcolata..

32 SIGNAL SIGNATURE PATTERNS L algoritmo di localizzazione relativo è anche in questo caso non intrusivo, e si basa su: previsioni di intensità di campo generato dalle stazioni base; concomitanti misure di livelli di segnale effettuate, in campo, dai terminali mobili; algoritmi ottimizzati di confronto tra livelli di potenza previsti e misurati, in grado di individuare nella base dati teorica di signature, quella che meglio approssima quella misurata, determinando la localizzazione del terminale stesso. Il principale svantaggio di questa tecnica è dato dal fatto che è necessaria un attività preliminare per costruire le mappe di riferimento, sia tramite simulazioni di propagazione elettromagnetica, sia attraverso vere e proprie campagne di misura. Questa tecnica rispetto alla DFL ha una minore attitudine nell adattarsi in tempo reale ai mutamenti della rete, ma conduce ad accuratezza attesa sicuramente migliore (dell ordine del centinaio di metri).

33 A-GPS Migliora le prestazioni del GPS, sia in termini di TTFF che in termini di sensibilità del ricevitore GPS, con l uso di dati provenienti dalla rete. Introduce una serie di stazioni di riferimento GPS nella rete di telefonia mobile in grado di monitorare i satelliti e di fornire al mobile attraverso la rete stessa, alcuni dati iniziali, detti di assistenza, all atto della richiesta di posizionamento da parte dell utente utente. Tempo di riferimento Posizione di riferimento Correzioni i differenziali i GPS Modello di navigazione per i satelliti visibili (derivato dalle effemeridi) Modello degli errori ionosferici Modello per la correzione del tempo UTC Almanacco della costellazione GPS Dati di assistenza all acquisizione dei segnali GPS (dati Doppler e di fase del codice per ridurre i tempi di ricerca e acquisizione i i del segnale) Informazioni sullo stato di salute dei satelliti visibili (Real-time Integrity) al fine di scartare i satelliti malfunzionanti

34 A-GPS I dati di assistenza sono usati dal terminale, per velocizzare la fase di start up (tempo di acquisizione del segnale satellitare), per migliorare la sensibilità del ricevitore GPS, pervenendo in tempi brevi ad una soluzione di posizionamento anche con segnali a più bassa potenza (ad esempio nei canyon urbani). La posizione del terminale può essere calcolata sia dalla rete che dal lterminale mobile, nei idue casi si parla allora diagps A-GPS MSassisted o MS-based GPS. Nella prima soluzione, il terminale mobile, con funzionalità GPS limitate, trasmette le misure di pseudo range ad un centro di elaborazione di rete, che esegue il calcolo della posizione d utente. Nella seconda, il terminale d utente, dotato di un vero e proprio p ricevitore GPS, cioè completo, acquisisce i segnali, misura gli pseudo range e si localizza, calcolando la propria posizione.

35 EOTD - 1/3

36 EOTD - 2/3

37 EOTD - 3/3

38 Assisted GPS 1 /2

39 Assisted GPS - 2/2

40 Standardizzazioni Nella standardizzazione GSM sono incluse 3 tipologie di determinazione della posizione: TOA, E OTD A GPS. In aggiunta, lo standard definisce anche le caratteristiche della tecnica basata sul Cell ID e TA In Europa, l ETSI responsabile per i servizi di localizzazione e le relative tecniche anche per l UMTS. 3 tecniche di localizzazione standard gestite da UTRAN (UMTS terrestrial radio access network): cell ID, OTDOA A GPS.