Ключевые слова
Резюме
1. Введение
2. Системы позиционирования мобильных терминалов
3. Решение фирмы Эрикссон: система позиционирования мобильных терминалов
  3.1. Основной сценарий определения позиции мобильного терминала
  3.2. Типичная процедура позиционирования мобильного терминала
  3.3. Методы позиционирования и точность
4. Эволюция системы MPS в сетях третьей генерации
5. Примеры приложений используемых в MPS
6. Вывод
7. Список сокращений
Литература

Вследствие введения все большего числа услуг в мобильной сети, увеличения скорости коммуникации (GPRS - General Packet Radio Services), а также подготовки сетей третьей генерации, стал видимым недостаток еще одной услуги, обеспечивающей возможность позиционирования мобильного терминала. Эта услуга позволяет передачу информации, обусловленной текущим местоположением оконечного пользователя (Location Based Services), на телефон пользователя. Также, Федеральная комиссия связи США (FCC – Federal Communications Commission) потребовала услугу определения местоположения всех срочных вызовов с мобильных телефонов (emergency calls, 911) с определенной точностью. Одной из самых важных причин для введения такой услуги были требования операторов сети, рассчитывающих на повышенный интерес пользователей и создание целого ряда новых услуг, основывающихся на услуге позиционирования. Фирма Эрикссон ответила на эти требования разработкой системы позиционирования мобильных терминалов, (MPS - Mobile Positioning System). 

Согласно некоторым исследованиям, услуги, основанные на возможности позиционирования мобильных терминалов (пользователей), наряду с услугой мультимедийных сообщений (MMS - Multimedia Messaging Service), в будущем станут одним из важных источников прибыли мобильных операторов. Число новых услуг, в которых позиция пользователя играет ключевую роль, очень большое. Например, система позиционирования может применяться в отслеживании транспортных средств, навигации и даже для развлечений в разных играх, таких как "Bomber". Дополнительной выгодой от применения услуг, основанных на позиционировании мобильных терминалов, является увеличение трафика посредством беспроводного прикладного протокола (WAP - Wireless Application Protocol) и услуги передачи кратких сообщений (SMS - Short Messaging Service), из чего проистекает еще большая прибыль операторов и поставщиков услуг. Конечно, соблюдается конфиденциальность пользователя, который может разрешить или запретить определение местоположения его мобильного телефона.
Определение позиции мобильного терминала основывается на измерении мощности сигнала и оценки локации, высчитанной на основании этого сигнала. Важно напомнить, что концепция и интерфейсы в системе позиционирования мобильных терминалов (MPS - Mobile Positioning System) соответствуют стандартам сети GSM, определенным Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI – European Telecommunications Standard Institute), что обеспечивает и облегчает возможность наращивания системы MPS в будущем.

2. Системы позиционирования мобильных терминалов

На рис.1. представлена обобщенная система позиционирования. Справа на рисунке просматривается архитектура GSM, в средине видим центр для позиционирования мобильных терминалов (MPC – Mobile Positionig Center), являющийся главным элементом системы, а с левой стороны находятся приложения для позиционирования.
Существуют несколько методов позиционирования:

• позиционирование, основанное на сети;

• позиционирование с помощью мобильного терминала;

• гибридные решения;

• будущие технологии.

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ, ОСНОВАННОЕ НА СЕТИ

Метод позиционирования мобильного терминала, основывающийся на сети, содержит четыре варианта позиционирования:

• Идентификация ячейки (Cell sector Identification – Cell-ID)
  Cell-ID вариант позиционирования, применяется на основании уже существующих возможностей позиционирования, встроенных в мобильные сети в настоящее время. Точность зависит от плотности базовых станций и степени охвата, что не достаточно для удовлетворения требований организации FCC. Область, которую охватывают своим сигналом существующие базовые станции, может быть разной величины и зависит от географического положения и плотности населения (город, сельская местность). Единственным преимуществом этого метода определения местоположения мобильного терминала является то, что он может быть введен немедленно, т.к. не требует никаких изменений, используя существующее оборудование.

• Разность во времени поступления сигнала (Time Difference Of Arrival - TDOA).
  TDOA вариант позиционирования, использует разницу во времени приема сигнала на нескольких смежных базовых станциях. Сравнивая время поступления сигнала от мобильного терминала до базовой станции, позиция может быть определена триангуляцией. Этот метод определения местоположения мобильного терминала также возможен с применением уже существующего оборудования, но требует принятия сигнала хотя бы тремя базовыми станциями (BTS – Base Transceiver Station), чтобы было возможно высчитать позицию.

• Угол поступающего сигнала (Angle Of Arrival – AOA).
  АОА вариант позиционирования, определяет позицию мобильного телефона на основании угла, под которым сигнал поступил на две разные базовые станции. Такой способ определения позиции мобильного терминала не обеспечивает удовлетворительную точность.

• RF "отпечаток" (RF fingerprinting).
  Позицию мобильного терминала можно определить с помощью радио волн, которые отражаются от окружающей среды, в которой терминал в настоящий момент находится. Волны отражаются и таким образом создают специфический "отпечаток" местности, в зависимости от позиции. Сравнением такого "отпечатка" с хранимыми картами в базе данных, можно определить приблизительное местоположение. Этот способ требует установку сервера на базовой станции в сети оператора, но не нужны изменения в мобильных терминалах.

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ МОБИЛЬНОГО ТЕРМИНАЛА

Позиционирование с помощью мобильного терминала возможно, если применяется A-GPS технология (Assisted Global Positioning System). При этом для определения позиции мобильного телефона используется сеть GPS спутников. На центральном сервере регистрируются позиции всех GPS спутников в данный момент. Поэтому мобильный терминал тратит меньше времени на поиск GPS сигнала, а когда найдет сигнал, посылает его центральному серверу. Затем сервер высчитывает географические координаты. В результате экономится расход батареи и сокращается время, требуемое для определения позиции. Такой способ позиционирования требует наращивания мобильного терминала с определенными аппаратными средствами, а также введения новых узлов в сеть оператора.

ГИБРИДНЫЕ РЕШЕНИЯ

E-OTD (Enhanced Observed Time Difference) улучшенный метод позиционирования мобильных терминалов, действует противоположно методу TDOA. Базовые станции посылают сигнал в направлении мобильного терминала, измеряют время ответного сигнала и на основании полученного результата определяют позицию. Это решение требует определенного наращивания мобильных терминалов и применимо лишь в сети GSM.
Из всех выше перечисленных, стандарт предлагает три основных метода позиционирования:

• CGI+TA (Cell Global ID + Timing Advance)

• E-OTD (Enhanced Observed Time Difference)

• A-GPS (Assisted GPS)

В соответствии с пожеланиями пользователей формированы три основных требования, которые должны обеспечить удовлетворительную работу системы позиционирования, а именно:

• несложность в использовании

• точность позиционирования

• важность и полезность данных

3. Решение фирмы Эрикссон: система позиционирования мобильных терминалов

Решение системы позиционирования мобильных терминалов фирмы Эрикссон, состоит из узлов GMPC (Gateway Mobile Positioning Center) и SMPC (Serving Mobile Positioning Center). Эти узлы подключаются к мобильной сети оператора. Решение также предусматривает наращивание программных средств в: центре коммутации мобильных связей (MSC-Mobile Switching Center), базе данных пользователей-посетителей (MSC/VLR – Visitor Location Register), управлении базовыми станциями (BSC – Base Station Controller) и базе данных опорных пользователей (HLR – Home Location Register).
Архитектура основывается на объединении SMPC с BSC, реализованном согласно спецификации SMG#31bis (рис.2).
Информация для опознавания (identity) ячейки и временном сдвиге (timing advance – CGI+TA) поступают от мобильного терминала в SMPC, который высчитывает координаты, т.е. позицию. Эти координаты затем могут использовать остальные приложения (LCS клиенты услуги позиционирования – Location Service Clients), которым требуется такая информация. Это могут быть приложения оператора, или поставщика услуг Интернет.
GMPC служит для связи между наземной сотовой сетью общего пользования PLMN (Public Land Mobile Network) и SMPC, генерирования данных для оплаты услуги и санкционирования доступа в SMPC (т.е. данным о позиции пользователя). А именно, GMPC, как интерфейс между PLMN и SMPC, может запретить определенным LCS клиентам доступ данным о местонахождении пользователя согласно требованию пользователя.
Исключением являются т.н. центры срочных вызовов (Emergency Centers), которым позволено позиционирование всех пользователей.
LCS клиент содержит приложения, использующие данные о позиции. LCS клиент является частью общего решения MPS. Взаимосвязь между LCS клиентом и GMPC выполняется с помощью предусмотренного программного интерфейса (API). Есть две версии LCS клиентов:

• Внешние приложения (3rd party), использующие для коммуникации с GMPC протокол MPP (XML через HTTP). Такой подход обеспечивает доступ к GMPC не только из локальной сети оператора, но и из сети Интернет. Все это возможно вследствие упрощения методов развития новых приложений.

• Внутренние приложения, например, срочные вызовы, которые обслуживает опросный пункт PSAP (Public Service Answering Point). Эти приложения для коммуникации с SMPC используют протокол, основанный на системе сигнализации SS-7 (Signalling System № 7).
  Характеристикой такой структуры является независимость LCS клиентов-приложений, использующих информацию о координатах мобильного телефона и процедуры позиционирования. Система MPS использует открытый интерфейс API (Application Programming Interface), который обеспечивает доступ широкому спектру приложений, а с целью упрощения дальнейшего развития доступен и инструментарий SDK (Service Development Kit), находящийся на Mobility World web сервере фирмы Ерикссон (http:/www.ericsson.com/mobilityworld/).

SDK инструментарий для разработки программных средств обеспечивает:

• реализацию функциональности MPS в приложении;

• тестирование реализации с помощью программной эмуляции MPS;

• демонстрацию MPS, с использованием имитированных данных о позиции.

Инструментарий SDK состоит из библиотеки Java class, протокола эмулятора MPC (программно эмулированная система MPC) и инструментов MPC MAP для имитации данных о позиции.
SMPC одновременно может обслуживать несколько запросов о позиционировании.
Одним из самых деликатных вопросов при определении позиции является конфиденциальность пользователя. Чтобы предотвратить нелегальное использование услуги позиционирования пользователя, нужно создать необходимые предпосылки прежде, чем будут получены данные о текущей позиции. Каждый пользователь располагает списком LCS клиентов, которым разрешено его позиционирование (эти данные хранятся в HLR и VLR).
GMPC и SMPC находятся на двух отдельных серверах, что содействует расширяемости (scalability) архитектуры решения в целом.
Для обеспечения возможности позиционирования в мобильных терминалах не требуется внесение никаких изменений, возможно определение местоположения уже существующих терминалов. А это предоставляет операторам возможность стопроцентного охвата услугой всех пользователей с самого начала.

3.1. Основной сценарий определения позиции мобильного терминала

Существуют три варианта инициирования запроса об определении позиции пользователя:

• "побужденный с терминала" (Mobile-Originated Location Request – MO-LR);

• "законченный на терминале" (Mobile-Terminated Location Request – MT-LR);

• "инициированный из сети" (Network-Induced Location Request – NI-LR), используемый только в США.

Запрос "побужденный с терминала" (MO-LR) начинается на терминале. Терминал запрашивает позицию от сети, сеть определяет требуемую точность и в зависимости от этого использует один из методов позиционирования, CGI+TA или A-GPS (метод A-GPS требует изменений в терминале). Затем данные о позиции возвращаются на терминал посредством SMS сообщения, и / или LCS клиенту, если так требует пользователь. На рис.3. представлен процесс сигнализации при использовании метода MO-LR.
Запрос "законченный на терминале" (MT-LR) инициирует LCS клиент передачей HTTP запроса центру GMPC (рис.4). В зависимости от требуемой точности сеть выберет CGI+TA или A-GPS метод и вернет LCS клиенту данные о позиции мобильного терминала, которые содержат код опознавания терминала (MSID – Mobile Station ID), его географическое местоположение и время.
Запрос "инициированный из сети" (NI-LR) побуждает сеть, если установит, что мобильный терминал послал срочный вызов (требование организации FCC в США). Этот вариант запроса используется пока только в США.

LCS клиент может определить качество услуг (QoS). Качество определяется следующими параметрами:

• временем ответа, которое может быть "0" – минимальная задержка, или "1" – разрешается определенная задержка;

• горизонтальной точностью – различные методы позиционирования обладают различной точностью и временем ответа.

SMPC выбирает метод позиционирования согласно этим параметрам, принятым от GMPC.

3.2. Типичная процедура позиционирования мобильного терминала

1. Приложение, которое соединяется с GMPC, должно быть определено в GMPC как LCS клиент (Location Client Service). Оператор мобильной сети определяет, который из клиентов LCS может быть соединен с GMPC. LCS клиент (приложение) представлен своим кодом опознавания (client identity) или паролем (password).

2. GMPC проверяет, принадлежит ли приложение (LCS клиент) центру срочных вызовов (emergency center, в Европе 112). Если речь идет о таком вызове, дальнейшая проверка прекращается и приложению разрешается позиционирование всех терминалов. Существуют четыре степени полномочий LCS клиентов: client, superclient, super, SuperPLMN. 

3. Если конкретный LCS клиент не является центром срочных вызовов, GMPC проверяет, есть ли у данного клиента соответствующие полномочия для запроса информации о позиции определенного терминала. Оператор мобильной сети определяет профиль LCS клиента, содержащий список тех мобильных терминалов, которые доступны данному клиенту.

4. После всех проверок GMPC, с помощью данных в HLR, посылает запрос о позиционировании коммутационному центру MSC, в области которого находится мобильный терминал в данный момент.

5. В MSC/VLR проверяется профиль пользователя, в котором указаны все LCS клиенты, которым позволено позиционирование данного мобильного терминала. Если какой-то конкретный LCS клиент не обладает соответствующими полномочиями для позиционирования, запрос о позиционировании отбрасывается в MSC/VLR. Этим обеспечивается конфиденциальность пользователя. Только лишь центр срочных вызовов может игнорировать профиль пользователя. В случае запроса о позиционировании нескольких мобильных терминалов, проверяется профиль каждого терминала из этой группы. Если хотя бы у одного из них активна услуга запрета позиционирования, целиком отбрасывается запрос о позиционировании группы пользователей. MSID мобильного терминала не представляется по причине защиты, т.к. этот MSID может находиться в списке запрещенных номеров (barring list) оператора. Однако LCS клиент содержит и дополнительный индикатор, т.н. индикатор отмены конфиденциальности POI (Privacy Override Indicator), который также записан в профиле пользователя. Если поставлен соответствующий бит, он имеет преимущество над запретом и позиционирование данного терминала возможно.

6. Если мобильный терминал свободен, центр MSC/VLR посылает ему сигнализационный вызов и, соответственно, данные о CGI и TA становятся доступными центру MSC, который их посылает в центр SMPC. Если терминал занят текущим вызовом, данные CGI и TA уже доступны, без поискового вызова (paging) мобильному терминалу.

7. SMPC высчитывает позицию на основании данных CGI и TA. Затем это посылается LCS клиенту посредством MSC/VLR и GMPC. Формат посылаемых данных содержит MSID, позицию и данные о времени.

3.3. Методы позиционирования и точность

Географическое местоположение мобильного терминала описывается с помощью сектора круга определенной ширины (рис.5). Информация, используемая в SMPC для описания какого-то сектора, содержит следующее:

• центр (локация BTS), обозначен географическими координатами;
• радиус внутреннего круга (если используется только CGI метод позиционирования, эта величина равна 0);
• радиус внешнего круга (если используется только CGI метод, эта величина значит максимальный размер/охват ячейки);
• начальный угол (0 для омни (omni) ячейки, в центре которой находится BTS); 

• заключительный угол (360 для омни ячейки). 

Вследствие особенностей этого метода, т.н. временной сдвиг (TA – Timing Advance) или разница между величиной внешнего и внутреннего радиусов (ширина зоны) равняется 550 м. Невозможно дать более точную информацию, т.к. точность зависит от нескольких параметров: типа ячейки (омни или секторная), величины поверхности сектора круга (меняется с удалением от BTS) и рассеивания (значение TA может меняться в зависимости от оптической видимости между терминалом и базовой станцией).
Эволюция MPS в будущем будет идти в соответствии со стандартизацией проекта 3GPP, который предусматривает усваивание новых методов позиционирования (A-GPS) в сетях третьей генерации. В настоящий момент MPS может использовать CGI или CGI+TA методы, а введением новых типов терминалов (3G) на рынок, будет возможна реализация GPS технологии, которая обеспечит точность позиционирования в пределах 10 метров.

Таблица 1: Предусматриваемая точность позиционирования с помощью методов CGI и A-GPS.

В таблице 1. представлена предусматриваемая точность позиционирования с помощью методов CGI и A-GPS (сети третьей генерации), в зависимости от окружения, в котором находится мобильный терминал.
Узлы GMPC и SMPC построены на основании модели типа клиент-сервер (client-server model). Узлы состоят из аппаратной платформы, а также программного GMPC и SMPC инструментария с графическим пользовательским интерфейсом (GUI – Graphical User Interface), работающего на любой Java платформе.

MPP протокол
Протокол МРР (Mobile Positioning Protocol) базируется на протоколе НТТР и разработан для передачи данных о позиции терминала. По вертикали согласовывается с предыдущими версиями и обеспечивает возможность использования кодирования (encryption) с помощью технологии SSL (Secure Sockets Layer).

Оплата стоимости
GMPC генерирует данные для оплаты стоимости после каждого выполненного позиционирования. Эти данные сохраняются в формате ASN1/BER (согласуемом с BGw- Billing Gateway). Можно определить когда, где и как генерируются данные.

Данные ячейки
SMPC может использовать данные для высчитывания географической долготы и широты из внешних систем, особенно системы OSS фирмы Эрикссон. Данные можно вводить автоматически или вручную, используя инструментарий SMPC.

Аварийные сигналы
В случае чрезвычайных обстоятельств GMPC и SMPC могут генерировать аварийные сигналы. Приложения предлагают различные функции для обслуживания аварийных сигналов с применением технологии CORBA. Также возможно определить, какое событие инициирует определенный аварийный сигнал.

Новая генерация систем позиционирования MPS
Чтобы увеличить используемость системы MPS, было идейно разработано решение ATI (Any Time Interrogation). В этом решении не применяется отдельный узел SMPC, а вместо него используется узел GMPC, в который встроены и функциональности узла SMPC, т.е. в сети используется только один узел. Также, решение ATI применяет MT-LR вариант позиционирования.
В нормальных обстоятельствах, для высчитывания позиции мобильного терминала, GMPC соединяется с HLR для получения информации об адресе / коде опознавания ячейки (cell-ID). Однако такой подход не гарантирует точность данных о ячейке в настоящий момент, т.е. эти данные могут быть не самыми свежими. Самым надежным способом позиционирования мобильного терминала является поисковая связь (paging).
Для использования этого способа все элементы сети должны поддерживать протокол MAP 3 v3.4.0, с внедренными параметрами для позиционирования. Если это невозможно, подсистеме обслуживания посылается отчет о статусе, но т.к. подсистема обслуживания не запрашивала отчет о статусе, она его не опознает, а пользователь ничего не увидит. Однако этого все-таки достаточно для записи информации о текущей ячейке в HLR.
При использовании метода ATI, информация с параметрами для высчитывания позиции посылается из HLR в ATI-подтверждении. Здесь могут содержаться географические данные о текущей ячейке, если регистр VLR может их определить из ему доступных данных (service area ID, cell global ID, location area ID). В соответствии с доступными данными выполняется позиционирование, от уровня ячейки до уровня целой территории, охватываемой услугой (service area).

4. Эволюция системы MPS в сетях третьей генерации

На рис. 6. представлен основной принцип внедрения системы MPS в сеть третьей генерации, иллюстрирующий связь между LCS клиентом и сервером в сети. LCS клиенты в сети доступа осуществляют коммуникацию с основой сети (core network) посредством Iu интерфейса. LCS клиенты для взаимосвязи используют возможности сети доступа. 
LCS клиенты посылают запросы о позиционировании LCS серверу, которых может быть несколько.
Рассматриваются несколько методов позиционирования в сетях третьей генерации, а именно:

• сетевой GPS (network assisted, A-GPS)

• OTDOA/IP-DL (Observed Time Difference Of Arrival based on Idle Period DownLink)

• Cell/URA ID

• RTT (Round Trip Time).

Методы A-GPS и OTDOA/IP-DL требуют, наряду со стандартной сетью доступа WCDMA, и т.н. измерительные модули LMU (Location Measurement Unit). Это необходимо для измерения времени и в первом и во втором методах.
Проект 3GPP стандартами охватывает два метода позиционирования для универсальной сети мобильных связей UMTS: Cell URA/Id и OTDOA/IP-DL.

5. Примеры приложений используемых в MPS

Ниже перечислены некоторые приложения, используемые в MPS:
- услуга "вблизи вас" (near you), т.е. позиционирование определенных, находящихся вблизи учреждений или заведений. Это могут быть рестораны, музеи, бензозаправочные станции, полиция, остановки такси, и т.д.; 
- приложение, служащее для уведомления пользователя с помощью SMS о приближающемся приятеле ("friend finder");
- "Bomber", развлекательная игра, в которой угадываются координаты или удаленность "противника" с помощью SMS. Затем игра "Treasure hunt", в которой игроки ищут сокровище, а победитель получает награду; 
- местные информации, например, о погоде, распродажах в магазинах, пробках в транспорте;
- отслеживание транспорта, в комбинации с системой GPS обеспечивается возможность отслеживания груза. Выбор самого короткого пути, нахождение обходного пути в случае непроходимости, обеспечение от краж, все это положительно влияет на эффективность доставки.

6. Вывод

Согласно некоторым ожиданиям, рынок услуг позиционирования мобильного терминала пользователя в следующих несколько лет многократно расширится, что значительно повлияет на прибыль операторов сети. В то же время, появятся новые услуги, полезные в ежедневной жизни, которые будут привлекательными для новых пользователей. Идея заключается в обеспечении пользователям возможности приема информации, которая динамически меняется, в зависимости от позиции, содействуя удовлетворению пользователей. Применения очень разнообразные, для частных и деловых пользователей, для предприятий из различных сфер деятельности. Терминалы новой генерации позволят представление на экране более сложной информации, с цветными изображениями, большей разрешающей способностью, диалоговым взаимодействием пользователя и другими новыми возможностями.

7. Список сокращений

3GPP 3G Partnership Project
Проект сотрудничества в создании мобильных сетей третьей генерации
A-GPS Assisted GPS, Assisted Global Positioning System
Содействующая глобальная система позиционирования
API Application Programming Interface
Программный интерфейс приложения
ASN1/BER Abstract Syntax Notation One/Basic Encoding Rules, Ericsson format for billing data
Формат фирмы Эрикссон для тарифных данных
BTS Base Transceiver Station
Базовая приемопередающая станция
CGI+TA Cell Global ID + Timing Advance
Глобальный код опознавания ячейки + временной сдвиг
E-OTD Enhanced Observed Time Difference
Улучшенное наблюдение за разницей во времени
ETSI European Telecommunications Standard Institute
Европейский институт телекоммуникационных стандартов
GMPC Gateway Mobile Positioning Center
Шлюз системы позиционирования мобильных терминалов
HLR Home Location Register
Регистр местоположения опорных абонентов
HTTP HyperText Transfer Protocol
Протокол передачи гипертекстовых файлов
MSC Mobile Switching Center 
Центр коммутации мобильных связей
MPP Mobile Positioning Protocol
Протокол позиционирования мобильных терминалов
OTDOA Observed Time Difference Of Arrival
Наблюдение за разницей во времени поступления сигнала 
PLMN Public Land Mobile Network
Наземная сотовая сеть общего пользования
RBS Radio Base Station
Радио базовая станция
RNC Radio Network Controller
Управление радио сети
SMPC Serving Mobile Positioning Center
Обслуживающий центр системы позиционирования мобильных терминалов
SS7 Signalling System 7
Система сигнализации №7
SSL Secure Sockets Layer
Протокол защищенных сокетов 
VLR Visitor Location Register
Регистр местоположения посетителей

Литература

[1] Официальные документы Эрикссона 
[2] Эрикссон Интранет