главная . информация . каталог . форум . faq . контакты

вход
 
логин
пароль
 

Разделы
Статьи (1)
Статьи (2)
Статьи (3)
Статьи по нелинейной радиолокации
Книги
Защита информации от утечки по техническим каналам. Технические каналы утечки информации
Методы и средства поиска электронных устройств перехвата информации.
Способы и средства защиты информации
Учебно-методический курс "Информационная безопасность волоконно-оптических технологий"
Документы
Ссылки
СМИ о техническом шпионаже
Обнаружение СТС
Зарубежные спецслужбы
О прослушке
Общие вопросы безопасности
Галерея

Поиск

 Поиск по форуму


       





RadioInspector_Wi-Fi

статьи (2)

Статья размещена с разрешения редакции журнала "Специальная техника",
в котором она была опубликована в № 6 за 2001 год (стр. 28-36).

С полным циклом статей журнала "Специальная техника" Вы можете ознакомиться здесь: http://elibrary.ru/contents.asp?titleid=9851


Рыжиков Сергей Сергеевич,
кандидат технических наук
Рыжиков Александр Сергеевич

Обзор современных систем позиционирования мобильных телефонов

Задача позиционирования мобильных телефонов предполагает автоматическое определение их местоположения в пределах сотовых сетей. При этом под термином «местоположение» следует понимать не нахождение географических координат - широты и долготы (что в принципе также возможно), а однозначную идентификацию положения владельца мобильного телефона на местности (электронной карте).
Эксперты отмечают возможность двойного назначения подобных технологий, ведь теоретически можно отследить любого владельца мобильного телефона. Тем более что способы определения положения, основанные на использовании только оборудования сети, могут выдавать данные непрерывно и без всякого уведомления абонента или его разрешения.

Возможные технологии

     Применительно к сотовым телефонам для решения задачи их позиционирования с точностью до соты может быть при­менен метод COO (Cell of Origin), базирующийся на геомет­рических расчетах. Так как зоны приема базовых станций сети на местности известны, то существует возможность
оп­ределить, какие из них могут принять (а при использовании секторных антенн и приближенно запеленговать) сигналы телефона. На основе полученных данных определяется тер­ритория, в пределах которой находится пользователь мо­бильного телефона: в лучшем случае 150 м (пикосота), в худ­шем - до 30 км.
     Для определения положения радиопередающего устройства могут быть использованы три основных параметра радио­сигналов: их амплитуда в месте приема, направление прихо­да и время задержки при распространении.
     Амплитуда принимаемых сигналов способна характеризо­вать расстояние между передатчиком и приемником. Одна­ко на практике уровень сигналов мобильного телефона в ме­сте приема зависит от столь большого числа причин, что в большинстве случаев не может обеспечить требуемую точ­ность определения места и используется в качестве вспомо­гательного параметра.
     Направление прихода сигналов может автоматически опре­деляться, например, по различию фаз сигналов на элемен­тах антенной решетки, установленной на базовой станции сотовой сети. Пересечение пеленгов из двух (или большего числа) мест обеспечивает (с определенной точностью) опре­деление положения мобильного телефона.
     Задержка сигналов при распространении может быть также использована при решении задачи позиционирования. При точно известном моменте времени передачи радиосигна­лов, измеряя время их прихода в приемник базовой стан­ции, можно вычислить расстояние от мобильного телефона до базовой станции при условии жесткой временной синхро­низации (желательно до долей микросекунды) всех элемен­тов системы. Именно эта технология позиционирования со­товых телефонов легла в основу большинства применяемых в настоящее время систем местоопределения.
     В специализированных системах при определенном дооснащении базовых станций специальной аппаратурой может быть реализовано позиционирование абонентов сети, осно­ванное на классических методах радиопеленгации - угло­мерном, дальномерном и разностно-дальномерном.
     При реализации угломерного метода (метод направления прихода сигналов - Angle of Arrival - AOA) измеряемыми па­раметрами являются углы направления прихода излучения радиотелефона α1 и α2 [град] относительно линии (базы), со­единяющей две сотовые станции сети (рис. 1).


 Рис. 1        Увеличить

     Для определения направления прихода сигналов сотовых те­лефонов используются фазированные антенные решетки, устанавливаемые на базовых станциях сети и подключае­мые к существующему оборудованию системы связи. На­хождение местоположения абонента осуществляется при приеме сигналов его мобильного телефона хотя бы двумя приемниками. В случае если сигнал получен только одним приемником, для определения местоположения может ис­пользоваться дополнительная информация на основе оцен­ки амплитуды сигнала.
     К числу достоинств данного метода относится независи­мость работы станций, каждая из которых дает информа­цию об азимуте мобильного телефона. При этом все необхо­димые калибровки приемников для компенсации разброса их параметров, влияния изменений температуры и т.п.
ло­кальны для каждой станции и не налагают дополнительных требований на всю сеть. Однако для достижения требуемой точности необходимо определение пеленгов с весьма малой погрешностью.
     Погрешность определения положения абонента относитель­но его истинного местонахождения σп [км] при известной величине расстояния  [км] между соседними базовыми станциями, принявшими его сигнал, и измеренных углах α1 и α2 с ошибкой σα [град] составляет 

                                               Увеличить 
     Минимальная погрешность достигается при соотношении (α1 + α2) = 90° и может быть рассчитана по формуле

                                               Увеличить 
     При реализации дальномерного метода (рис. 2) измеряемы­ми параметрами являются временные задержки ∆τ1 [с] и ∆τ2 [с] распространения сигнала радиотелефона абонента не менее чем до двух сотовых станций сети относительно их временных шкал, которые должны быть синхронизиро­ваны между собой, а рассчитываемыми параметрами - дальности от сотовых станций до места расположения абонента D1 = 3105τ1 [км] и D2 = 3105τ2 [км].


 Рис. 2        Увеличить

     Для расстояния между базовыми станциями  [км], известной ошибке измерения временных интервалов  [с] (одинаковой для каждой базовой станции) и рассчитанных дальностях D1 и D2 погрешность положения абонента относительно его истинного местонахождения σп [км] может быть рассчитана как

                                               Увеличить
     При реализации разностно-дальномерного метода (рис. 3) измеряемыми параметрами являются временные задержки ∆τ1 [с], ∆τ2 [с] и ∆τ3 [с] распространения сигнала радиотеле­фона абонента
не менее чем до трех базовых станций сети относительно их синхронизированных временных шкал,
а рассчитываемыми параметрами - дальности от сотовых стан­ций до места расположения абонента
D1 = 3105τ1 [км], D2 = 3105τ2 [км] и D3 = 3105τ3 [км] и базовые углы β1 и β2.


 Рис. 3        Увеличить

     При расстояниях между сотовыми станциями  [км],  [км], известной ошибке измерения временных интервалов  [с] (равной для каждой сотовой станции), рассчитанных дальностях D1 и D2 базовые углы определяются по формулам

                                               Увеличить
     Погрешность положения абонента относительно его истинного местонахождения σп [км] в данном методе меньше, чем в дальномерном, и определяется как

                                               Увеличить
     В современных системах позиционирования мобильных телефонов дальномерный и разностно-дальномерный методы пеленгования представлены многочисленными вариациями. Далее представлены лишь некоторые из них.
     Метод фиксации времени прибытия сигналов (TOA - Time of Arrival) [1] основан на измерении интервалов времени, за которые сигнал мобильного телефона доходит до нескольких базовых станций, оснащенных блоками определения место­положения LMU (Location Measurement Unit).
     По этим временам прибытия компьютер сети может опреде­лить время прохождения сигнала до соответствующих базо­вых станций, сравнить полученные результаты с расчетными и с помощью алгоритма триангуляции рассчитать местополо­жение пользователя. Такая система обладает хорошей точ­ностью, но требует оснащения блоками LMU почти всех базовых станций. Кроме того, сеть должна подключать к про­слушиванию телефона, запрашивающего свои координаты, другие соты, соседствующие с той, которая нормально об­служивает зону его текущего местоположения.
     Для обеспечения требуемой точности возможна синхрониза­ция внутренних часов сети с помощью спутниковой системы GPS (Global Positioning System). Такой метод получил назва­ние UL-TOA (Uplink TOA). Все данные через сеть оператора связи поступают в вычислительный центр, где устанавливает­ся местонахождение абонента с точностью не хуже 125 м. Наглядно метод UL-TOA представлен на рис. 4.


 Рис. 4        Увеличить 

     Метод позиционирования по разности моментов времени прихода сигналов TDOA (Time Difference of Arrival) основан на точном определении времени приема сигналов сотового телефона в трех (или более) базовых станциях сети. На ос­нове вычисления разницы значений времен поступления сигналов в парах мест вычисляются гиперболические линии положения передатчика. Источник сигнала будет находиться в точке пересечения двух гипербол. Точность, достигаемая при использовании данной технологии, зависит от ограниче­ний ширины полосы частот сигнала, точности синхрониза­ции элементов системы и среды распространения сигнала (флуктуаций скорости распространения радиоволн в атмо­сфере в зависимости от изменений температуры, влажнос­ти, давления и др.).
     Метод фиксации разности времен прихода сигналов (OTDOA - Observed Time Difference of Arrival) в значительной степени по­добен методу TOA. Телефонный аппарат измеряет время про­хождения сигнала до него от ближайшей базовой станции, ос­нащенной блоком LMU, и сравнивает его с соответствующими временами не менее чем еще для двух таких станций.
     Расстояния между базовыми станциями известны, что поз­воляет рассчитать расстояния от каждой из них до сотового телефона и определить его местоположение. Все сложные вычисления выполняет имеющийся в сети центр локализа­ции мобильных телефонов MLC (Mobile Location Center).
     Преимущество этой системы состоит в том, что она позволяет обойтись меньшим числом LMU (всего примерно лишь для чет­верти базовых станций). Кроме того, системе не нужно давать команду базовым станциям слушать мобильные телефоны, не находящиеся непосредственно в их зонах действия. Для этого используется опция самого мобильного телефона, который и так всегда слушает другие сайты сотовой связи, чтобы не по­терять связь при перемещении из одной соты в другую.
     Кроме того, в данном случае не нужна и дорогая спутнико­вая система для синхронизации часов в сети LMU. Посколь­ку известны расстояния между LMU в сети и времена про­хождения сигнала от мобильного телефона до различных LMU и обратно, уравнение для определения местоположе­ния решается однозначно.
     Некоторые компании идут по пути встраивания GPS-приемников в мобильные телефоны, чтобы те могли принимать сигналы от ряда спутников и по этим сигналам вычислять свое местоположение. При установке в радиотелефоны або­нентов дополнительных модулей (чипов) могут быть реализо­ваны способы их позиционирования, основанные на косми­ческих методах радионавигации.
     При реализации радионавигационного метода в телефонный аппарат абонента должен быть встроен специальный навигационный модуль. На него возложены функции расчета дальности от абонента до трех ИСЗ Di (i = 1, 2, 3) и геоцентрических (декартовых) координат ИСЗ xsi, ysi, zsi (i = 1, 2, 3) на основе дальномерных и информационных сигналов, передаваемых с ИСЗ. Далее из решения системы 3 уравнений вида

                                              Увеличить 
определяются геодезические координаты абонента ха, уа, za. Данный радионавигационный метод получил название лока­лизация с помощью дополненной системы GPS (A-GPS - Assisted GPS).
     Процесс, когда обычный приемник GPS вычисляет местопо­ложение, начинается с попытки найти первый навигацион­ный спутник, идентификации, определения его положения. Затем находится следующий и так далее. С каждого спутни­ка загружаются информация, измеренные временные задержки и лишь затем вычисляется местоположение данного приемника. Процесс местоопределе-
ния может занимать от 40 с до нескольких минут, а также требует прямой видимос­ти по крайней мере трех спутников.
     Метод A-GPS (рис. 5) объединяет классическую информацию GPS с географическим программным обеспечением и мо­бильной информацией сети.


 Рис. 5        Увеличить

     Сеть указывает мобильному телефону, какие именно спутни­ки следует искать. При этом количество шагов, необходимое для вычисления его местоположения, уменьшается пример­но с 10
до 3. Для уменьшения потребления энергии от бата­реи мобильного телефона данные спутниковых измерений передаются в сеть и на нее возлагается выполнение необхо­димых расчетов. Пользователям придется приобретать но­вые мобильные телефоны со встроенными GPS-приемниками и антенной.
     Точность позиционирования при использовании данного ме­тода значительно выше, что обусловлено жесткой синхрони­зацией временных шкал всех элементов системы.
     Недостатком технологии A-GPS является то, что она может рабо­тать лишь тогда, когда в пределах прямой видимости от мобиль­ного телефона находятся не менее трех спутников системы GPS.
     Уникальным методом позиционирования мобильных телефо­нов, не имеющим аналогов в классической радиопеленгации, является метод сопоставления образов (сигнатур) мест распо­ло-
жения абонентов
(LPM - Location Pattern Matching) мобиль­ного абонента, разработанный компанией U.S. Wireless и ис­пользующий технологию анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения.
     Измеряя фазовые, временные и амплитудные параметры фрагментов радиосигнала мобильного телефона, отраженного от препятствий (зданий, возвышенностей и т.п.), базовая стан­ция оценивает структуру подобного «радиоотпечатка» (finger­print) сигнала и вычисляет его «сигнатуру» (signature). Получен­ная информация сравнивается системой со своей базой об­разцов таких «сигнатур», соответствующих равным вариантам расположения мобильного абонента на местности (рис. 6).


 Рис. 6                       Увеличить

Основные виды систем мобильного позиционирования

Разностно-дальномерные системы
     В качестве основы в большинстве разрабатываемых сейчас систем (Mobile Positioning System [2], Cellocate System [3] и других) принят метод прибытия TOA и различные его моди­фикации.
В частности, система Cellocate System (компании Cell-Loc Inc.) не требует доработки сотовых телефонов или оборудования сети. Система ориентирована в основном на телефоны стандарта CDMA, но может использоваться и в аналоговых системах сотовой связи.
     Получив сообщение от телефона, центр расчетов положения MLC запрашивает подобную информацию из ближайших к телефону измерительных модулей системы LMU и, сравни­вая относительные времена приема сигналов в известных фиксированных пунктах, вычисляет положение телефона. Весь процесс занимает не более нескольких секунд и зави­сит от времени ожидания пакета данных. Модули LMU раз­мещаются в пределах сотовой сети в таких известных фик­сированных пунктах, где они могут контролировать соседние базовые станции. Ориентировочно один LMU необходим на каждые четыре станции сети. Модули могут размещаться обособленно или на базовых станциях.
     На испытаниях была достигнута среднеквадратическая погреш­ность (СКП) позиционирования -
90 м, но в большинстве экспе­риментов достигалась точность лучше 55 м, а иногда и 15 м.
     Для системы позиционирования Cursor [4] английской ком­пании Cambridge Positioning Systems (CPS) также практи­чески не требуется установки у оператора дополнительно­го оборудования, однако необходимо обновление про­граммного обеспечения (ПО) мобильных терминалов (в них встраивается дополнительный чип). Точность позициониро­вания системы Cursor в реальных городских условиях и по­мещениях составляет около 75 м, однако CPS планирует улучшить ее до 50 м. Cursor работает и с терминалами, не оснащенными соответствующим ПО, но в этом случае СКП достигает 1 км.
     Для позиционирования владелец мобильного телефона со­вершает обычный звонок. При этом его телефон до уста­новки речевого соединения посылает специальное корот­кое SMS-сообщение (но возможно и просто изменение формата передачи сообщений). SMS-сообщение содер­жит информацию о сигналах, непрерывно транслируемых базовыми станциями при нормальной работе сети и уже полученных телефоном в неактивном режиме в предшест­вующий период.
     Компания CPS планирует развертывание систем CURSOR в Великобритании, Европе и Северной Америке, а также со­здание решений для GSM 900, 1800 и 1900. Также компа­ния CPS ведет работы по внедрению своего программного обеспечения для сотовых телефонов в изделия Philips, Siemens, Ericsson, Nokia и Motorola.

Угломерно-разностно-дальномерные системы
     Первоначально в системе TeleSentinel для определения мес­тоположения сотового телефона использован лишь метод AOA. В объединенной системе TeleSentinel-TruePosition [5] для повышения точности применяется комбинация методов AOA и TDOA (рис. 7). Пеленгование осуществляется как по сигналам канала управления, так и речевым сигналам без внесения каких-либо модификаций в мобильное оборудова­ние. Система может применяться с любым форматом сигна­ла. Точность местоопределения составляет не хуже 125 м, быстродействие системы - не более 10 с.


 Рис. 7        Увеличить

     Компания SigmaOne Communications Corp. в угломерно-разностно-дальномерной системе позиционирования Sigma-5000 [6] также использует указанные методы измерений вместе с за­патентованной SigmaOne технологией определения положе­ния PowerBoost, включающей специализированные алгорит­мы учета многолучевости.
     В результате объединения технологий позиционирования значительно уменьшаются погрешности каждой из них, взя­тых по отдельности. Sigma-5000 уверенно позиционирует объект, даже если только две базовые станции приняли вы­зов. Она реализуется, как автономное дополнение к инфра­структуре сети мобильной связи и не требует модификаций радиоинтерфейса, мобильных телефонов или оборудования сотовой сети. Для реализации угломерной технологии ис­пользуются специально разработанные антенные фазиро­ванные решетки, устанавливаемые на базовых станциях.
     Sigma-5000 обеспечивает позиционирование в сетях сотовой связи стандартов AMPS/TDMA (IS-136). Пропускная способность системы - до 50 местоопределений в секунду. Время получения первого отсчета - в пределах 2 с после прихода вызова. Расчет­ная погрешность определения положения: СКО (в 67% случа­ев) - менее 90 м, максимальная (в 95% случаев) - 125 м. Испы­тания Sigma-5000 в реальных условиях показали во всей рабо­чей зоне результирующую погрешность не хуже 105 м для 67% случаев и точность лучше 150 м для 95% случаев.
     Подобная комбинация технологий реализована и в системе Geometrix [7], разработанной отделением Grayson Wireless компании Allen Telecom. Geometrix может работать с аналого­выми и цифровыми системами связи стандартов AMPS, TDMA (IS-136), CDMA (IS-95), TDMA/AMPS, CDMA/AMPS
и системой iDEN производства компании Motorola. В большинстве случаев Geometrix удовлетворяет требованиям по точности, используя только метод TDOA, а комбинация методов AOA и TDOA
приме­няется лишь в некоторых случаях. Во всех режимах Geometrix также использует алгоритмы пространственной селекции сиг­налов для снижения ошибок, вызванных многолучевостью. В условиях очень большой многолучевости Geometrix может пе­реходить в режим проведения измерений с четырех станций. Система может совместно использоваться сразу несколькими операторами услуг мобильной связи, т.к. даже в базовой кон­фигурации Geometrix способна обеспечить выполнение более сотни позиционирований в секунду.

Система позиционирования по «радиоотпечаткам»
     Система RadioCamera [8], разработанная компанией U.S. Wireless Corp. для определения местоположения пользовате­лей мобильных телефонов стандарта CDMA, использует ме­тод сопоставления образов местонахождения LPM и может быть отнесена к классу корреляционно-экстремальных. Осо­бенность ее функционирования заключается в следующем. Сигналы, отражаясь от строений и других препятствий, претер­певают определенные искажения и достигают базовой стан­ции по многочисленным маршрутам. Система RadioCamera анализирует уникальные характеристики сигнала, включая ва­рианты его «многомаршрутного» распространения и компили­рует его «отпечаток», который автоматически сравнивается с базой данных предварительно идентифицированных мест рас­положения телефонов в районе данной базовой станции. В от­личие от других технологий позиционирования в данной систе­ме вполне достаточно, чтобы только одна базовая станция об­работала сигнал вызова.
     Для идентификации положения система RadioCamera не тре­бует прямой видимости многочисленных базовых станций, что делает ее работу высокоэффективной в условиях плот­ной городской застройки, где сейчас постоянно находятся более 70% всех радиотелефонов. Система RadioCamera так­же совместима с существующей сетевой инфраструктурой, легко интегрируется и не требует никаких модификаций ба­зовых станций или абонентских телефонов. Интеллектуаль­ная база данных системы начинает формироваться сразу после начала ее развертывания и становится работоспособ­ной уже через несколько дней.
     В апреле 1999 года система RadioCamera успешно прошла испытания по обеспечению позиционирования абонентов с сотовыми телефонами AMPS в реальных условиях и показала превышение требований по точности Федеральной ко­миссии США по связи (FCC).

Интегрированные системы
     В настоящее время разработаны и интегрированные систе­мы позиционирования. Данный способ олицетворяет собой подход к решению проблемы местоопределения, основан­ный на «дополнитель-
ном оборудовании на стороне клиента», которое встраивается непосредственно в пользовательский терминал, для чего используется специальный чип, реализу­ющий «GPS в телефоне». Компания SnapTrack Inc. [9] созда­ла систему, объединяющую GPS с инфраструктурой сети бес­проводной связи и дающую точность от 5 до 75 м (в сред­нем 10 - 20 м).
     Технически система SnapTrack опирается на возможности системы GPS, но с существенным их расширением, путем распределения задачи обработки цифровых данных между запатентованными программными алгоритмами, исполняе­мыми процессором сотового телефона, и специализирован­ным программным обеспечением, установленным на серве­ре системы.
     В итоге, если традиционные приемники GPS постоянно ве­дут обработку данных, то в системе SnapTrack он работает только непосредственно при определении положения. А кон­кретно, когда абонент запрашивает услугу определения ме­стоположения, его терминал, оборудованный системой SnapTrack, принимает пакет данных GPS, обрабатывает его и передает полученную информацию на сервер системы. Сервер вычисляет долготу и широту и осуществляет целый ряд процедур для достижения более высокой точности опре­делений путем использования дифференциального режима работы и учета большого числа поправок, снижающих влия­ние многолучевости и других искажений сигналов.

Точность позиционирования
     Сложность решения проблемы точности позиционирования в системах мобильной связи и определяет достаточно боль­шое число видов систем мобильного позиционирования. Из­вестны более двух десятков систем, использующих «интел­лектуальные» антенны, угол прихода сигналов, разность вре­мени их прихода, амплитуду сигналов, систему GPS и комби­нации этих методов. Достигаемые точности определения ко­ординат сотового телефона варьируются в пределах от еди­ниц до сотен метров (табл. 1).


 Таблица 1                                                     Увеличить

     Достаточно однозначные зависимости между значениями параметров сигналов и положением телефона имеют место только в теории при распространении радиосигналов в так называемом «свободном пространстве». На практике точ­ность позиционирования зависит от очень многих факто­ров. Например, для городских условий характерен многолу­чевой прием сигналов, при котором как на мобильный телефон, так и на базовую станцию приходят как прямые, так и отраженные от различных объектов радиосигналы. При этом параметры сигналов непрерывно изменяются в широ­ком диапазоне, что значительно затрудняет определение фактических координат. Вместе с тем с помощью систем по­зиционирования, задействующих GPS, можно отслеживать и перемещение абонента в автомобиле на автомагистрали.

Заключение
     Позиционирование мобильных телефонов развивается в настоящее время такими темпами, что уже начинает вызывать тревогу. Ведь анализ данных о сеансах связи абонента с раз­личными базовыми станциями (через какую и на какую станцию передавался вызов, дата вы­зова и т.д.) позволяет восстановить все перемещения абонента в прошлом. Такие данные автоматически регистрируются компьютерами компаний, предоставляющих услуги сото­вой связи, поскольку оплата этих услуг основана на длительности использования системы связи, и хранятся достаточно длительное время.
     Беспокойство пользователей по поводу возможного отслеживания их перемещений привело к тому, что CPS уже ввела в свою систему позиционирования Cursor опцию отключения си­стемы по желанию клиента. В системе SnapTrack также реализована защита «персональ­ной секретности» при определении положения - пользователь может инициировать этот процесс по специальному требованию. Без прямого запроса пользователя никакая информа­ция о его расположении телефоном вообще не передается (во всяком случае, так декларируется).


Литература
1. Северо-Западный Телеком, № 3 (11), Санкт-Петербург, 2000 г.
2. www.ericsson.com
3. www.cell-loc.com
4. www.cursor-system.com
5. www.trueposition.com
6. www.sigma-1.com
7. www.geometrix911.com
8. www.uswcorp.com
9. www.snaptrack.com
 

Страницы: 1 |

Вернуться назад

 




Copyright © 2006 analitika.info
Подробнее об авторских правах

Дизайн: $SMax$
Создание сайта - рекламное агентство Sparkler
Система управления сайтом - SiteInBox