Sistemi di Location Based

per gentile concessione di Ottavio Crivaro 
    
In questa pagina sono contenute, a titolo informativo, indicazioni di dettaglio sulla tecnologia della localizzazione attraverso gli apparecchi telefonici cellulari.
Si ringrazia il Ottavio Crivaro per la disponibilità a pubblicarlo.                                

Introduzione:

Localizzazione


La determinazione della posizione geografica di uomini e mezzi è da sempre un problema, tecnicamente affascinante e allo stesso tempo di estremo interesse pratico ed economico per le innumerevoli applicazioni che esso favorisce.
E’ dalla fine del XVII secolo che la ricerca in questo campo non si è mai interrotta ed ha portato oggi a sistemi di localizzazione sofisticatissimi come il Global Positioning System (GPS) Statunitense e il nascente ed Europeo Galileo.

Location Based Services

La diffusione delle comunicazioni wireless e la loro connotazione sempre più legata alla persona e alla mobilità ha poi portato all’idea di localizzare i terminali mobili ed usare questa informazione ad es. per favorire le operazioni di soccorso in caso di chiamate d’emergenza, per fornire informazioni sensibili al contesto, per la navigazione personale fino ad arrivare ai semplici giochi.
Si intende con Location Based Services (LBS) appunto tutta quella gamma di servizi, basata sulle informazioni di localizzazione, che vengono resi disponibili nell’ambito delle reti di comunicazione mobili.

Metodi di Localizzazione

Handset Based
Sono i metodi di calcolo della posizione basati sull’hardware e firmware del cellulare (algoritmi di calcolo specifici, con o senza assistenza della rete)

Network Based
Sono i metodi di calcolo della posizioni basati su software e hardware installato a livello rete radiomobile (con eventuale contributo del terminale)

Considerazione generale per i gestori
La scelta tecnologica di ogni operatore deve tener conto si della Qualità del Servizio [QoS] che si vuole offrire (accuratezza della misura, tempo necessario ad ottenerla) ma anche del carico di messaggi di segnalazione, della complessità dei cellulari, del costo degli apparati di rete e dei telefoni, della complessità architetturale e non ultima dell’affidabilità della stessa soluzione.

Cell ID:

è l’identificativo di cella dove è connesso il cellulare

  • Ogni cellulare può esser localizzato (no specifico HW o FW sul cell.)
  • L’Operatore conosce la posizione (X, Y) delle sue celle e quindi grazie al CellID risale alla posizione dell’utente servito da una data cella
  • E’ una tecnologia sfruttabile solo nelle zone dove sono installate celle dell’Operatore
  • La QoS (accuratezza) dipende dalla densità delle celle  

Timing Advance

E' un parametro di controllo e gestione della rete GSM. E’ la misura del tempo di percorrenza del segnale tra la BTS ed il cellulare (Round Trip Time in UMTS).


E’ normalmente usato per sincronizzare correttamente stazione radio base e terminale. La risoluzione del TA è di circa 500 metri (1/2 bit alla velocità della luce).
Non sono necessari particolari interventi sugli apparati di rete e neppure sul terminale.



Enanched Cell Global Identity

Potenza misurata sul cell = Potenza trasmessa dalla BTS + GA della BTS Pathloss + GA del cell.

In tutte le reti cellulari il terminale esegue misure dell’interfaccia radio (RxLev), ad es. per decidere quando effettuare l’handover su altre celle adiacenti. Da queste misure è possibile stimare la distanza terminale-antenna che può essere usata per incrementare l’accuratezza di localizzazione dei metodi cellID o cellID + TA. Plus necessari sono ovviamente un modello attendibile di Pathloss ed un buon algoritmo di “Stima della Distanza vs. Potenza Ricevuta”



 

UL-TOA (Uplink Time Of Arrival)

UL-TOA: metodo basato sulla misurazione (a livello di tempo) del segnale trasmesso dal cellulare e ricevuto in 3 (o più) “punti fissi”, LMU



Conoscere il tempo di arrivo di un segnale è come conoscere la distanza percorsa (“v” nota) Eseguendo una triangolarizzazione si risale alla posizione.


OTD = GTD + e

OTD: Observed Time Difference = diff. di tempo, sugli LMU, con cui viene ricevuto il segnale trasmesso dal cellulare.
GTD: Geometric Time Difference = diff. di tempo sugli LMU dovuta al diverso cammino percorso.

  • Una volta calcolato l’OTD tra due LMU, diventa noto il termine GTD e quindi diventa noto il valore della differenza tra due distanze di, dj.
     
  • Con 3 equazioni come quelle di sopra relative a 3 LMU si risale alla conoscenza di “d1, d2, d3”.

     

Pro e Contro

Vantaggi:
è una tecnologia implementabile su tutti i sistemi cellulari esistenti la precisione ottenibile è superiore a quella del CellID.

Svantaggi:
inserimento degli LMU in rete (costi per installazione e manutenzione) rapporto LMU/BTS pari a 1/1, costi elevati elevato traffico in rete limitato numero di utenti localizzabili contemporaneamente.

E-OTD (Enhanched Observed Time Difference)




E-OTD: metodo basato sulla misurazione (a livello di tempo) dei segnali ricevuti sul telefono da 3 o più Base Station.

Conoscere il tempo impiegato da un segnale è come conoscere la distanza percorsa (“v” è nota)

Con un sistema di 3 (o più) equazioni in cui compaiano le distanze tra il telefono e le BTS si risale alla posizione del cellulare.

OTD = RTD + GTD +

OTD: Observed Time Difference = diff. di tempo sul cell. tra segnali ricevuti da due BTS.
RTD: Real Time Difference = diff. di tempo tra i segnali trasmessi da due BTS.
GTD: Geometric Time Difference = diff. di tempo sul cell. tra segnali ricevuti da due BTS, ma dovuta al diverso cammino percorso.
OTD: è un valore misurato sul cellulare.
RTD: valore uguale a 0 se la rete fosse (perfettamente) sincrona

Una volta calcolato l’RTD (vedi LMU), diventa noto il termine GTD e quindi diventa noto il valore della differenza tra due distanze di, dj.
Con 3 equazioni come quelle di sopra relative a 3 BTS si risale alla conoscenza di “d1, d2, d3”.

Pro e Contro

Vantaggi:
rapporto LMU/BTS pari a 1/3 (minimo) buona precisione in zone ad elevata densità di BTS.
Svantaggi:
impatto su infrastrutture di rete (costi aggiuntivi per installazione e manutenzione) scarse prestazioni in zone rural modifiche FW terminali.

Conventional GPS

Il GPS è un sistema di localizzazione che utilizza i segnali emessi da una costellazione di 24 satelliti militari USA.

Il sistema è stato dichiarato “fully operational” nel 1995 dopo più di venti anni di attività di ricerca, implementazione e test e attualmente è utilizzato anche in applicazioni commerciali e pubbliche.

Come UL-TOA ed E-OTD, GPS è un sistema di localizzazione basato sulla stima dei tempi di percorrenza di segnali e sulla triangolarizzazione delle distanze.


I satelliti GPS trasmettono continuamente un flusso di bit che contiene l’indentificativo satellite (Sat ID), il tempo GPS e la traiettoria del satellite (almanacchi ed effemeridi).

Il ricevitore cerca i segnali dei satelliti nella volta celeste e decodifica le informazioni necessarie per effettuare la stima della posizione.


Quando si accende un ricevitore GPS questo ha uno spazio tridimensionale (S/T/F) da controllare per acquisire e demodulare i segnali dei satelliti. Per ricevere questi primi segnali è necessario che l’antenna abbia il minor numero di “ostacoli” (es: edifici).

Questi sono i tre casi tipici allo startup:
• Cold Start - 12 minuti (2 minuti se l’almanacco è già presente).
• Warm Start - ~1 minuto, già presenti posizione, ora e almanacco.
• Hot Start - ~15 secondi con l’ultima posizione calcolata massimo un minuto prima.

 

 TOA = TH + TP + TT + TETH Clock del ricevitore
TP Ritardo di propagazione
TT Tempo di trasmissione
TE Errore

TdOA = TOA1 - TOA2 = (TP1 - TP2) + (TT1 - TT2) + (TE1 - TE2)

(TT1 - TT2) = 0, rete sincrona
TdOA12 = (TP1 - TP2) +
TdOA13 = (TP1 - TP3) +
TdOA23 = (TP2 - TP3) +

 

Il sistema GPS è accurato ma:

• servono ricevitori GPS specifici (installati sul telefoni da localizzare) non è utilizzabile in ambito indoor ed ha scarsi risultati quando la visibilità dei satelliti è parzialmente oscurata (urban canyon).
• il tempo di calcolo della prima posizione è molto elevato a meno che il ricevitore non sia continuamente attivo (problemi di consumo).


Assisted GPS
Per migliorare le performance del GPS convenzionale (risparmio energetico e TTFF minore) si è pensato alla possibilità di “aiutare” il ricevitore GPS nel momento in cui questo ha la possibilità di esser connesso ad una rete mobile.

Il sistema Assisted GPS è basato su una combinazione di informazioni ricevute via satellite e via rete cellulare.


A- GPS fornisce sostanziali miglioramenti nel:
• Tempo di calcolo della prima posizione
• Durata della batteria
• Sensibilità di ricezione
• Costi dei terminali


A-GPS - improvement in TTFF


Pro e Contro

Vantaggi: Basso impatto sulle infrastrutture di rete Performance eccellenti outdoor. Svantaggi: Grosse modifiche sui terminali 0% di penetrazione allo start-up Indoor non da misure migliori.


Introduzione ai Servizi

Classificazione in base all’utente:

  • servizi di emergenza/assistenza (E112-E911)
  • servizi B2B
  • servizi B2C

Classificazione in base all’applicazione:

  • tariffazione sulla base della posizione;
  • tracking e navigazione (guida soccorsi, trasporti pericolosi);
  • posizionamento dell’informazione (servizi);
  • informazioni locali (m-commerce, turismo);
  • assistenza durante il viaggio (route planning, traffic news).

LBS e Accuratezze



Presentazione LBS

Tariffazione sulla base della posizione:

  • tariffazione speciale per chiamate da casa o zona limitrofa (sostituzione telefonia fissa)
  • tariffazione speciale per chiamate da celle e/o orari sotto-utilizzati tariffe ridotte in aree specifiche e legate a gestione advertising tariffe di tipo business/aziendale legate all’area di svolgimento dell’attività lavorativa

Tracking e navigazione:

  • guida soccorsi
  • assistenza anziani/disabili
  • trasporto materiali pericolosi
  • giochi position aware friendly tracking

Posizionamento dell’informazione:

  • identificazione posizione del chiamante in caso di chiamate d’emergenza
  • mapping/raccolta dati, per aggiornamento database
  • localizzazione per enti di manutenzione infrastrutture

Informazioni locali:

  • pagine gialle in area locale (servizi a minima distanza, con mappa)
  • pagine gialle enanched (legate ad orari/festività locali)
  • m-commerce locale (confronto prezzi, info prodotti locali)
  • intrattenimento
  • meteo locale
  • turismo/attività locali
  • servizi di prenotazione

Assistenza durante il viaggio:

  • ottimizzazione percorso informazioni di traffico/lavori
  • informazioni su manifestazioni in corso
  • ricerca miglior percorso per pronto soccorso
  • informazioni su trasporto locale (tram, bus, etc…)

Considerazioni generali su LBS

  • Tecnologie differenti comportano l’implementazione di tecniche differenti (hw terminali, hw rete, firmware, software, etc…)
  • E’ difficile per gli operatori fare una scelta ottimizzando costi e QoS
  • Numerosi sono gli LBS da offrire, altrettante le occasioni di business per gli operatori (ed il mercato sembra pronto), ma i costi non sono irrisori
  • “E112” potrebbe spingere in avanti la tecnologia

Riferimenti:

http://www.openmobilealliance.org/location.html
http://www.ericsson.com/mobilityworld/sub/open/technologies/mobile_positioning/index.html
http://www.fcc.gov/911/enhanced/
http://www.eena.org/
http://www.mercat.com/QUEST/gpstutor.htm
http://www.garmin.com/
http://www.3gpp.org/specs/specs.htm

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