scouting sui metodi di localizzazione

R/R-PR

METODI DI LOCALIZZAZIONE

Analisi tecnica delle metodologie di localizzazione applicabili nel

sistema GSM e stima dei costi

VERSIONE 2

21 luglio 1999

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SOMMARIO

1 INTRODUZIONE .................................................................................................................................................. 4

2 LO STANDARD ETSI ........................................................................................................................................... 6

3 CI+TA (CELL IDENTITY + TIMING ADVANCE) ............................................................................................ 10

3.1 Principio di funzionamento ........................................................................................................................... 10

3.2 Accuratezza raggiungibile ............................................................................................................................ 10

3.3 Applicazione in ambito GSM ........................................................................................................................ 11

3.4 Tempi di calcolo della posizione ................................................................................................................... 12

3.5 Impatto sulla rete .......................................................................................................................................... 12

3.6 Impatto sui terminali mobili.......................................................................................................................... 13

3.7 Cenni sul dimensionamento .......................................................................................................................... 13

3.8 Fornitori, disponibilità e costi ...................................................................................................................... 13

4 U-TOA (UPLINK - TIME OF ARRIVAL) ........................................................................................................... 16





4.5 Impatto sulla rete .......................................................................................................................................... 22 4.5.1 BTS ed LMU .......................................................................................................................................................... 22

4.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR ........................................................................................................................................... 23

4.5.3 MLC ....................................................................................................................................................................... 23




5 E-OTD (ENHANCED – OBSERVED TIME DIFFERENCE) ............................................................................. 27

5.1 Principio di funzionamento ........................................................................................................................... 27 5.1.1 Approccio con le iperboli........................................................................................................................................ 27

5.1.2 Approccio con le circonferenze .............................................................................................................................. 31



5.4 Tempi di calcolo della posizione ................................................................................................................... 38 5.4.1 Versione ETSI ........................................................................................................................................................ 38

5.4.2 Versione CPS .......................................................................................................................................................... 38


5.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR ........................................................................................................................................... 40

5.5.3 MLC ....................................................................................................................................................................... 40



5.8 Fornitori, disponibilità e costi ...................................................................................................................... 41 5.8.1 Infrastrutture ........................................................................................................................................................... 41

5.8.2 Terminale mobile .................................................................................................................................................... 43

6 GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) ......................................................................................................... 44

6.1 Principio di funzionamento ........................................................................................................................... 44 6.1.1 GPS base ................................................................................................................................................................. 45

6.1.2 GPS differenziale (DGPS) ...................................................................................................................................... 47

6.1.3 Fase di start e GPS Network Assisted ..................................................................................................................... 48


6.3 Applicazione in ambito GSM ........................................................................................................................ 53 6.3.1 Versione ETSI ........................................................................................................................................................ 53

6.3.2 Versione non ETSI.................................................................................................................................................. 55


6.5 Impatto sulla rete .......................................................................................................................................... 57 6.5.1 BTS, LMU e GPS di riferimento ............................................................................................................................ 57

6.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR, MLC ................................................................................................................................. 57



6.8 Fornitori, disponibilita’ e costi ..................................................................................................................... 59 6.8.1 Infrastrutture ........................................................................................................................................................... 59

6.8.2 Terminale mobile .................................................................................................................................................... 62

7 STK (SIM TOOL KIT) ......................................................................................................................................... 64



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7.5 Impatto sulla rete .......................................................................................................................................... 67



7.8 Fornitori, disponibilità e costi ...................................................................................................................... 69 7.8.1 Infrastrutture ........................................................................................................................................................... 69

7.8.2 Terminale Mobile ................................................................................................................................................... 69

8 AOA (ANGLE OF ARRIVAL) ............................................................................................................................ 71






8.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR, MLC ................................................................................................................................. 74




9 COMPARAZIONI TRA I VARI METODI DI LOCALIZZAZIONE .................................................................. 76

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1 INTRODUZIONE

I metodi analizzati nel presente documento, in relazione all’applicazione in ambito GSM, sono i

seguenti:

CI + TA (Cell Identity + Timing Advance)

Il metodo utilizza, oltre all’identità della cella (CI) sotto cui è “accampato” il mobile, anche la misura

del tempo che il segnale radio impiega nel propagarsi tra la stazione radio ed il mobile (TA).

U-TOA (Uplink - Time Of Arrival)

Il mobile viene indotto ad effettuare un handover intracella; durante tale procedura elementi di rete

specifici denominati LMU (Location Measurement Unit), dislocati in almeno tre punti geografici

distinti, misurano i tempi di arrivo del segnale emesso dal mobile. La posizione del mobile è

determinata con metodi di trilaterazione iperbolica.

E-OTD (Enhanced – Observed Time Difference)

Il mobile osserva i tempi di arrivo del segnale emesso da almeno tre stazioni radio circostanti.

Anche in questo caso è possibile risalire alla posizione del mobile con metodi di trilaterazione

iperbolica.

GPS (Global Positionig System)

Il metodo presuppone l’utilizzo di un ricevitore GPS incorporato o comunque collegato al terminale

mobile. La posizione si ottiene dalla misura delle distanze da almeno tre satelliti GPS (quattro se

occorre anche la quota). Accuratezze elevate possono essere raggiunte se si utilizza il GPS

differenziale (DGPS); in questo caso la posizione del mobile è affinata sulla base di comparazioni

con le misure effettuate da ricevitori GPS di riferimento opportunamente distribuiti sul territorio.

STK (SIM Tool Kit)

In questo metodo si utilizzano le informazioni ottenibili direttamente dal terminale mobile via SIM

Tool Kit (identità della cella servente e, se possibile, livello del segnale della cella servente e

identità e livelli dei segnali delle celle adiacenti).

AOA (Angle Of Arrival)

Elementi di rete specifici misurano la direzione da cui arriva il segnale trasmesso dal mobile. La

posizione si ottiene dall’intersezione di almeno due rette così determinate.

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Nel seguito di questo documento si fornirà per ciascuno di questi metodi una descrizione del

principio di funzionamento, le accuratezze raggiungibili determinate sulla base di simulazioni e/o

prove sperimentali, l’applicazione in ambito GSM, una stima dei tempi necessari per il calcolo di

una posizione, l’impatto sulla rete GSM TIM e sui terminali mobili, un cenno sul dimensionamento

ed una lista di possibili fornitori completa, quando possibile, di un’indicazione sulla disponibilità

delle tecnologie proposte e sui costi relativi.

Le tecniche CI+TA, U-TOA, E-OTD e GPS sono in corso di standardizzazione in ambito

ETSI/SMG. In particolare a giugno 1999 è stata completata la prima fase di standardizzazione

(LCS fase 1) che riguarda solo le prime due tecniche (CI+TA e U-TOA). Entro novembre ‘99 sarà

completata anche la standardizzazione dell’E-OTD e del GPS (LCS fase 2). Successivamente sarà

avviata una terza fase di standardizzazione (LCS fase 3) che prevede l’integrazione dei servizi di

localizzazione con il GPRS ed il CAMEL.

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2 LO STANDARD ETSI

Lo standard ETSI (LCS fase 1) introduce due nuovi elementi nell’architettura della rete GSM:

- MLC (Mobile Location Center): presiede a tutte le funzioni che supportano il servizio di

localizzazione (LCS, Location Services); amministra le risorse che servono per effettuare la

localizzazione e calcola la posizione del mobile nonché l’accuratezza della stessa. Si

interfaccia tramite MSC e BSS con un gruppo di unità LMU (Location Measurement Unit)

dalle quali raccoglie i dati necessari per effettuare i calcoli. Sempre tramite MSC si

interfaccia con le Applicazioni (LA, Location Application) che utilizzano le informazioni di

localizzazione per fornire un determinato servizio. L’MLC che si interfaccia con l’LA può

essere distinto da quello che effettua i calcoli; in tal caso il primo fa da Gateway (GMLC) ed

il secondo da Serving (SMLC). GMLC e SMLC si interfacciano via MSC. L’MLC inoltre si

interfaccia direttamente (in qualità di GMLC) anche con l’HLR. In una rete possono essere

presenti uno o più GMLC ed uno o più SMLC.

- LMU (Location Measurement Unit): le unità LMU eseguono le misure necessarie per

effettuare il calcolo della posizione. Il tipo di misura effettuato dipende dal metodo di

localizzazione utilizzato. L’unità LMU si connette alla rete PLMN via radio come un normale

terminale mobile. Tali unità hanno un proprio IMSI ed un profilo di utenza registrato

nell’HLR e supportano tutte le funzioni radio e di mobilità necessarie. Il numero di LMU

necessari è dipendente dal metodo di localizzazione utilizzato.

MSC

VLRMS BSS

HLR

Serving

MLC

Gateway

MLC

External

LA

Ls

LeLg

Lg

Lh

Gateway

MLC

Other PLMN

LMU

Lm

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Con Lm, Ls, etc.. sono indicate le varie interfacce introdotte nello standard ai fini della

localizzazione.

L’MLC comunica con le unità LMU e con l’MSC utilizzando i normali canali di segnalazione GSM.

In particolare comunica con le unità LMU tramite messaggi DTAP e con l’MSC tramite messaggi

MAP. Si ricorda che i messaggi DTAP sono completamente trasparenti al BSS (BSC +BTS).

Lo standard assume che il metodo di localizzazione di base sia il CI + TA. In aggiunta a tale

metodo può essere utilizzato l’U-TOA, l’E-OTD o il GPS. Il calcolo della posizione è sempre

effettuato sul lato rete (MLC).

Sono indicate tre possibili procedure per attuare la localizzazione di un terminale mobile:

- Mobile Terminating Location Request (MT-LR):

1) Una LA richiede al GMLC la localizzazione di un determinato terminale mobile.

2) Il GMLC interroga l’HLR per sapere sotto quale MSC/VLR è registrato il mobile e per

controllare se l’LA è autorizzata a richiederne la localizzazione.

3) Il GMLC, ricevuto l’OK dall’HLR e l’indirizzo dell’MSC/VLR, si mette in contatto con

quest’ultimo passandogli l’IMSI del terminale mobile da localizzare più altre informazioni

correlate alla qualità del servizio richiesto (es.: accuratezza).

4) L’MSC/VLR controlla l’eventuale presenza di restrizioni al servizio di localizzazione nel

profilo del terminale mobile.

5) Se è tutto OK ed il terminale è in stato di idle, viene attivata una chiamata fittizia (call

positioning) al terminale mobile che così è forzato a fornire indietro l’informazione relativa

all’identità della cella (CI) in cui si trova ed il BSS è forzato a misurare il TA (Timing

Advance). Se il terminale è già connesso (dedicated mode) l’MSC/VLR richiede l’identità

della cella ed il TA direttamente al BSC sotto cui è accampato il terminale mobile.

6) L’MSC/VLR invia al SMLC un messaggio che avvia la procedura che serve per stabilire la

posizione del mobile. Tale messaggio include il CI, il TA e le informazioni correlate alla

qualità del servizio richiesto.

7) Se il CI ed il TA sono sufficienti per calcolare la posizione con l’accuratezza richiesta, la

procedura si completa con l’invio dall’SMLC all’LA (via MSC/VLR e GMLC)

dell’informazione di localizzazione. In caso contrario l’SMLC avvia la parte di procedura di

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localizzazione specializzata per il metodo scelto (la procedura varia a seconda del metodo

di localizzazione impiegato: U-TOA, E-OTD o GPS. Per i dettagli su tali procedure si

vedano le sezioni corrispondenti).

8) L’SMLC riceve i risultati delle misure ed effettua i calcoli. Infine invia il risultato all’LA (via

MSC/VLR e GMLC).

- Mobile Originating Location Request (MO-LR)

In questo caso la richiesta di localizzazione è effettuata dal mobile. La richiesta perviene

all’MSC/VLR e la procedura risulta identica a quella precedente a partire dal punto 4 in poi

ad eccezione del fatto che il risultato della localizzazione è inviato al mobile e non ad una

LA (in altre parole l’LA è residente sullo stesso terminale mobile).

- Network Induced Location Request (NI-LR)

Anche in questo caso la richiesta di localizzazione è effettuata dal mobile per motivi di

emergenza. La procedura risulta simile a quella attuata per l’MO-LR ad eccezione del fatto

che non vengono attuati controlli di nessun genere (in particolare il mobile può essere

identificato anche solo con l’IMEI) ed il risultato della localizzazione è inviato all’LA che

gestisce le chiamate di emergenza.

L’architettura sopra descritta è denominata Network Based ed è supportata principalmente da

Ericsson. Recentemente in ambito T1P1.5 (gruppo di standardizzazione USA collegato all’ETSI),

su proposta della Nokia e con il supporto di Motorola è stato avviato il lavoro di definizione di un

altro tipo di architettura, denominata BSS Based, alternativa alla Network Based.

L’architettura BSS based prevede la connessione dell’MLC al BSC tramite un’interfaccia da

standardizzare, mentre l’LMU diventa parte della BTS. L’LMU comunica con l’MLC tramite le

connessioni O&M della BTS e con il BSC tramite messaggi di Radio Resource. Opzionalmente

l’LMU potrebbe connettersi alla BTS via radio come nel caso Network Based.

Gli MLC sono collegati tra loro tramite interfacce logiche o fisiche, anch’esse da standardizzare.

Anche in questa architettura permane la necessità di un MLC avente le funzioni di gateway verso

applicazioni esterne, in modo del tutto simile a quanto già visto per l’architettura Network Based.

9/85

MSC

VLR

MS

BSC

HLRServing

MLC

Gateway

MLC

External

LA

LeLg

Lg

Lh

Gateway

MLC

Other PLMN

LMU

Lm

MLC

BTS

LMU

BTS

Il principale vantaggio che offre l’architettura BSS Based rispetto alla Network Based

consisterebbe in una drastica riduzione del carico di segnalazione imputabile alle procedure di

localizzazione sull’interfaccia A (BSC-MSC).

Nel seguito di questo documento se non altrimenti detto, si farà riferimento all’architettura Nertwork

Based.

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3 CI+TA (CELL IDENTITY + TIMING ADVANCE)

3.1 Principio di funzionamento

Nell’ambito del GSM per Timing Advance si intende l’avanzamento temporale (anticipo o ritardo)

con cui il mobile deve iniziare la trasmissione del burst all’interno dello slot temporale, per tenere

conto della sua distanza dalla BTS.

All’accensione, il mobile si aggancia su una cella e riceve da essa le informazioni che ne

permettono la sincronizzazione temporale (canale logico SCH).

Quando il mobile accede alla rete invia un Access Burst. Quest’ultimo è inviato dal mobile al

momento della ricezione dell’SCH ed è ricevuto dalla BTS con un ritardo pari al tempo necessario

al segnale per percorrere la distanza mobile-BTS. La BTS misura il ritardo rispetto all’SCH inviato;

questo valore prende il nome di Timing Advance e, opportunamente codificato con una sequenza

di bit, viene trasmesso al mobile che lo utilizza per sincronizzare nel tempo le sue successive

trasmissioni. La metà del Timing Advance rappresenta il tempo che il segnale impiega a percorrere

la tratta MS-BTS. Detto TA questo valore, la distanza D tra mobile e BTS è data quindi da:

D = v TA / 2

dove v è la velocità di propagazione del segnale.

Conoscendo l’identità della cella (e le coordinate della BTS) sotto cui è accampato un mobile ed il

valore di Timing Advance, è possibile individuare la posizione del mobile come un punto di una

circonferenza (se la cella è omnidirezionale) o di una sezione di una circonferenza (se la cella è

settoriale) con centro coincidente con la BTS e raggio pari a D.

3.2 Accuratezza raggiungibile

Il Timing Advance si misura in numero di tempi di bit intercorsi tra l’invio dell’SCH e la ricezione

dell’access burst. L’incertezza della misura è quindi pari al tempo equivalente di un bit.

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Dato che il tempo di un bit è pari a 3,69 s , lo spazio B percorso in un periodo di bit è dato da:

B = 3,69 10-6 3 108 = 1100 metri

B rappresenta l’incertezza sulla doppia tratta BTS-MS-BTS. Pertanto basta dividere per due per

avere l’incertezza sulla tratta BTS-MS. L’accuratezza raggiungibile nella direzione radiale è quindi

nel caso peggiore pari a 550 metri.

Dato che non si ha nessuna informazione sulla direzione in cui si trova il terminale mobile, si

conclude che l’accuratezza raggiungibile è corrispondente ad una corona circolare (nel caso di

celle omnidirezionali) o sezioni di corona circolare (nel caso di celle settoriali) di ampiezza pari a

550 metri.

E’ ovvio che se il raggio della cella è inferiore a 550 metri oppure per qualche motivo non è

disponibile l’informazione relativa al TA, l’accuratezza coincide con la dimensione della stessa

cella.

3.3 Applicazione in ambito GSM

Come già detto, lo standard ETSI introduce un nuovo elemento della rete denominato MLC (Mobile

Location Center). Non sono necessarie le unità denominate LMU (Location Measurement Unit).

CI CI+TA

Accuracy depending on max cell radius and sector size. Ranging from below 100 m up to 35 km

Accuracy depending on distance from base station and the sector size. The depth of the arc depending on TA measur.

step.

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Sia le funzioni dell’MLC sia la procedura di localizzazione sono già state descritte nella sezione

“Standard ETSI”.

3.4 Tempi di calcolo della posizione

Se il mobile è in stato di idle è necessario che la rete effettui una chiamata fittizia al mobile (call

positioning) affinché sia possibile identificare la cella dove è accampato il mobile ed effettuare la

misura del TA. La call positionig richiede circa 1 secondo.

Se il mobile è in stato dedicated, le informazione del CI e del TA sono già presenti nel BSC,

pertanto devono solo essere prelevate dall’MLC; il tempo necessario per prelevare queste

informazioni è trascurabile.

Anche il tempo che impiega l’MLC a calcolare la posizione del mobile è estremamente ridotto

(inferiore a ½ secondo). Complessivamente si stima un tempo inferiore ai 2 secondi per rilevare la

posizione di un mobile.

3.5 Impatto sulla rete

Non vi è alcun impatto sulla BTS.

Si richiedono modifiche di tipo software sul BSC, MSC/VLR e HLR.

L’MLC deve essere dotato di un data base in cui siano contenute le informazioni relative alla

posizione geografica delle BTS con le relative identità di cella. Per ciascuna cella dovrebbe anche

essere specificato se si tratta di cella settoriale (con relativa ampiezza del settore) o

omnidirezionale e la dimensione nominale della cella. E’ opportuno che l’MLC sia collegato al Data

Base di Rete ai fini di automatizzare quanto più possibile l’inserimento/aggiornamento dei dati

relativi alle celle.

13/85

3.6 Impatto sui terminali mobili

Nessuno

3.7 Cenni sul dimensionamento

L’MLC è sostanzialmente un server multiprocessore che va collocato tipicamente presso l’MSC. La

capacità di calcolo, misurabile in numero di posizioni al secondo, può essere aumentata nel tempo

aggiungendo nuovi moduli. L’MLC proposto da Ericsson è in grado di calcolare 30 posizioni al

secondo nella sua configurazione base.

3.8 Fornitori, disponibilità e costi

L’introduzione del sistema di localizzazione basato su CI+TA a standard ETSI implica

l’aggiornamento del SW di alcuni elementi della rete GSM. E’ quindi d’obbligo richiedere a

Ericsson ed ad Italtel il rilascio degli aggiornamenti SW necessari per gli apparati da loro forniti

(MSC/VLR, HLR, BSC per Ericsson e solo BSC per Italtel).

L’MLC potrebbe teoricamente essere acquisito da fornitori diversi da Ericsson in quanto l’ETSI

standardizza l’interfaccia tra MSC ed MLC.

Il sistema proposto da Ericsson prende il nome di MPS (Mobile Positioning System); l’offerta

include l’aggiornamento SW degli elementi della rete e l’MLC (qui chiamato MPC: Mobile

Positioning System). Attualmente è già disponibile la release 2.0 dell’MPS (collegata alla release

CM20 R7). Tale release non è però a standard ETSI (con particolare riferimento all’aggiornamento

software degli elementi di rete), quindi non è compatibile con la tecnologia Italtel. In sostanza

l’introduzione in rete dell’MPS 2.0 consentirebbe un servizio di localizzazione basato su CI+TA

solo nelle aree in tecnologia Ericsson. A metà del 2000 sarà invece disponibile la release MPS 3.0

(collegata alla release CM20 R8) che recepirà completamente lo standard ETSI.

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Per quanto riguarda Italtel/Siemens, ancora non vi è una proposta ben delineata. A fine 2000

dovrebbe comunque essere disponibile l’aggiornamento SW del BSC come parte integrante della

release BR 6.0. Probabilmente per questa data Italtel/Siemens potrà offrire anche un MLC.

Ovviamente le modifiche SW sul BSC Italtel risulterebbero utili solo se attuate insieme

all’aggiornamento SW degli elementi di rete da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0. In

altre parole per consentire il funzionamento della metodologia CI+TA in qualsiasi regione è

necessario che vi sia un rigoroso allineamento allo standard ETSI sia del BSC, sia dell’MSC/VLR e

dell’HLR. Tale considerazione vale anche nel caso in cui si optasse per acquisire un MLC di marca

Italtel/Siemens o anche di qualsiasi altra marca diversa da Ericsson

FORNITORI DISPONIBILITÀ’ COSTI

(Lire)

ERICSSON Soluzione di marca già

disponibile (MPS 2.0 / R7)

Soluzione a standard ETSI

(MPS 3.0 / R8): metà 2000

Aggiorn. SW (BSC, MSC/VLR,

HLR) + MLC = 7,3 miliardi

[Nota 1]

ITALTEL/SIEMENS Fine 2000 (release BR 6.0) Aggiorn. SW (BSC) = 0,5 miliardi

[Nota 2]

MLC = ?

Nota 1: L’offerta è relativa alla sola MPS 2.0 ed è così composta:

1) Prezzo di release: 300.000.000

2) HW MPC: 170.000.000

3) Installazione HW MPC: 78.000.000

4) Installazione SW MPS: 470.000.000

(per 188 nodi di rete)

5) Commissioning sui nodi di rete: 470.000.000

6) Front up free: 5.800.000.000

TOTALE: 7,288 miliardi

Ericsson propone in alternativa al prezzo fisso un modello “pay per grow” il cui

scopo è quello di avere una condivisione iniziale dei rischi tra Ericsson e TIM. Il

costo del sistema alla fine della curva di crescita sarà più elevato rispetto al modello

a prezzo fisso.

15/85

Il modello pay per grow si compone di un costo fisso rappresentato dalle voci da 1 a

5 viste precedentemente (1,488 miliardi complessivi) più un costo variabile, da

pagare annualmente, descritto come segue:

Licenza annuale variabile: 3.000 lire per utente posizionato almeno una volta

nell’anno

Licenza variabile (PAYG): 500 lire per singolo posizionamento

La PAYG in realtà prevede un decremento del prezzo unitario all’aumentare del

numero di posizionamenti, fino a raggiungere il valore nullo. La soglia oltre la quale

si annulla il valore non è stata ancora determinata da Ericsson.

Non tenendo conto del decremento di PAYG, se ad esempio in un anno sono stati

posizionati almeno una volta 500.000 utenti ed il numero di posizionamenti calcolati

in un anno per utente è stato in media pari a 52, il costo annuale sarebbe pari a 13

miliardi.

Per quanto riguarda la release MPS 3.0, il costo non è ancora stato reso noto ma

dovrebbe differire di poco rispetto alla release MPS 2.0 e solo per quanto riguarda il

prezzo di release.

Nota 2: Italtel non ha ancora presentato un’offerta ma si ritiene che il costo

dell’aggiornamento SW dei BSC non dovrebbe superare i 500 milioni.

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4 U-TOA (UPLINK - TIME OF ARRIVAL)


Il terminale mobile (MS) trasmette un segnale in un certo istante to. Questo segnale è ricevuto da

apposite unità di misura (in ambito ETSI denominate LMU = Location Mobile Unit) in istanti

differenti (nell’esempio: t1, t2 e t3). Si assume che tali unità facciano riferimento alla stessa base

temporale.

Indicando con d1 e d2 rispettivamente le distanze tra le unità LMU(1) e LMU(2) ed il mobile, si ha:

d1 = v (t1-to)

d2 = v (t2-to)

dove v è la velocità con cui si propaga il segnale. Sottraendo membro a membro si ha:

d1-d2 = v (t1-t2)

Questa relazione rappresenta un’iperbole i cui fuochi coincidono con LMU(1) ed LMU(2). Il punto in

cui si trova il terminale mobile si trova su un ramo dell’iperbole.

Teoricamente per definire con esattezza dove si trova il punto è sufficiente costruire un’altra

iperbole sfruttando la misura effettuata da una terza unità, indicata nella figura come LMU(3). Ad

esempio si può costruire l’iperbole:

LMU

(1) LMU

(2)

LMU

(3)

MS

t1

t2

t3

to

LMU=Location Measurement Unit

MS=Mobile Station

17/85

d1-d3 = v (t1-t3)

Nelle due relazioni rappresentanti le iperboli si ha che:

v è noto

t1, t2 e t3 sono misurati rispettivamente da LMU(1), LMU(2) ed LMU(3)

di = [(xi - x)2 + (yi – y)2]1/2 dove xi, yi sono le coordinate (note) di LMU(i) ed x, y le

coordinate (incognite) del mobile

Le due iperboli così ottenute si intersecano in un punto che individua la posizione del terminale

mobile.


L’accuratezza è legata principalmente alla presenza del multipath. Altri fattori importanti sono:

- precisione dei punti in cui sono collocate le unità LMU, ossia precisione delle coordinate xi,

yi. E’ sufficiente che l’accuratezza di xi, yi sia nell’ordine del metro.

- sincronizzazione tra gli orologi delle unità LMU. Tale sincronizzazione si può ottenere ad

esempio dotando ogni LMU di un ricevitore GPS di basso costo. In questo caso la

differenza dei tempi di arrivo del segnale trasmesso dal mobile verso due LMU è affetto da

un errore valutabile in circa 100 ns (deviazione standard).

- disposizione delle unità LMU rispetto al mobile da localizzare. Il caso ideale è la

distribuzione uniforme di tali LMU in tutte le direzioni possibili rispetto al mobile.

Nell’ambito del gruppo T1P1.5 sono state eseguite una serie di simulazioni a cura di Ericsson che

hanno fornito i seguenti risultati:

Tabella 1

Environment MS

speed

[km/h]

Perc. At

125m [%]

Error at

67% [m]

Error at

90% [m]

RMSE of

90% [m]

(*)

Number of

LMU

Bad Urban 3 22

34

47

>500

242

180

>500

475

361

460

212

156

3

5

7

18/85

Bad Urban 50 30

50

60

477

202

153

>500

404

328

438

166

132

3

5

7

Urban A 3 51

79

85

221

97

83

>500

173

139

238

82

70

3

5

7

Urban A 50 59

86

91

181

79

60

>500

146

113

192

66

53

3

5

7

Urban B 3 64

95

98

133

56

43

313

88

67

114

45

35

3

5

7

Urban B 50 76

97

98

89

40

29

270

74

57

88

34

25

3

5

7

Suburban 3 80

99

99

93

49

40

225

75

61

85

40

33

3

5

7

Suburban 50 83

99

99

82

42

31

178

69

53

75

35

27

3

5

7

Rural 3 81

99

99

80

36

30

205

61

52

72

30

25

3

5

7

Rural 100 87

99

99

63

29

24

146

50

36

54

24

19

3

5

7

Urban A (Indoor) 3 46

77

87

238

98

88

>500

194

152

259

87

71

3

5

7

Urban B (Indoor) 3 64

94

96

138

54

45

356

95

85

129

46

39

3

5

7

Suburban (Indoor) 3 75

98

98

100

55

41

341

94

64

101

46

33

3

5

7

(*) Il criterio “RMSE of 90%” valuta l’RMS relativo al 90% delle misure (si scartano le misure

peggiori fino alla quota parte del 10% del totale delle misure effettuate).

La tabella sopra riportata si riferisce al caso di reti GSM 900 in cui è attivo la Discontinuous

Transmission (DTX), il Power Control in uplink ed il Frequency Hopping (FH) su 4 frequenze.

Inoltre si è assunto una LMU per ogni sito radio, l’utilizzo della diversità di spazio in ricezione (LMU

19/85

con due antenne Rx), la conoscenza esatta della posizione delle LMU e la perfetta

sincronizzazione di questi ultimi. Infine non si sono considerati effetti di cattiva disposizione delle

LMU rispetto al mobile. Il numero di burst inviati dal mobile è pari a 70 (si veda più avanti).

Lo scenario Urban A si riferisce ad un ambiente urbano denso mentre lo scenario Urban B si

riferisce ad un ambiente urbano tipico.

Le distanze tra le unità LMU considerate nella simulazione sono date nella seguente tabella:

Tabella 2

Environment

Distance Between

LMU [m]

Bad Urban 1500

Urban A 1500

Urban B 1500

Suburban 4500

Rural 30000

Indoor Urban A 1500

Indoor Urban B 1500

Indoor Suburban 4500

Ericsson ha effettuato un ulteriore simulazione in cui si è assunto una unità LMU ogni 4 siti radio, i

cui risultati sono mostrati nella seguente tabella:

Tabella 3

Environment Error at 67% [m]

Urban A 225

Urban B 118

Suburban 79

Rural 40

I risultati riportati sono attinenti solo il caso di un MS a 3 km/h e 5 LMU coinvolte nelle misure.

Inoltre è stata considerata una distanza tra le stazioni come dalla seguente tabella:

20/85

Tabella 4

Environment Distance

(m)

Urban A 700

Urban B 1000

Suburban 1500

Rural 5000

Nelle simulazioni si è ipotizzata la perfetta sincronizzazione delle LMU tra di loro. Per ottenere la

sincronizzazione la soluzione migliore è dotare ciascuna LMU di un ricevitore GPS. In questo caso

la differenza dei tempi di arrivo del segnale trasmesso dal mobile verso due LMU è affetto da un

errore valutabile in circa 100 ns (deviazione standard). Ciò corrisponde ad un peggioramento

dell’accuratezza secondo la seguente tabella (si sono presi come valori di riferimento quelli dati in

tabella 2 relativamente al caso di MS a 3 km/h e 5 LMU coinvolte nelle misure):

Tabella 5

Errore nel 67% dei

casi (con perfetta

sincronizzazione)

Errore nel 67% dei casi

(deviazione standard =

100 ns)

Bad Urban 242 m 248 m

Urban A 97 m 103 m

Urban B 56 m 65 m

Suburban 49 m 61 m

Rural 36 m 44 m


Come già detto, lo standard ETSI introduce due nuovi elementi nell’architettura della rete GSM

denominati MLC (Mobile Location Center) ed LMU (Location Measurement Unit).

Le funzioni dell’MLC sono già state illustrate nella sezione “Standard ETSI”.

Per quanto riguarda le unità LMU, nel caso U-TOA hanno il compito di effettuare le misure degli

istanti di arrivo del segnale trasmesso dal terminale mobile che si vuol localizzare. Il numero di

21/85

LMU necessarie è dipendente dal grado di accuratezza che si vuol raggiungere. Ad esempio per

raggiungere le accuratezze indicate nella tabella 1 è necessario prevedere una LMU per ogni sito

radio.

La procedura di localizzazione prevista dall’ETSI nel caso del metodo U-TOA si particolarizza

come segue:

1) L’SMLC chiede al BSC, via MSC/VLR, di forzare il mobile ad effettuare un handover intracell

asincrono (handover positioning: il nuovo canale di traffico da assegnare coincide con il

vecchio canale di traffico). Inoltre indica all’MSC/VLR anche quale trama TDMA deve esser

utilizzata sull’interfaccia radio, quanti handover access burst deve inviare il mobile e dopo

quanto tempo (delta timer) deve essere effettivamente comandato l’handover.

2) L’SMLC decide quali LMU devono mettersi in ascolto del terminale mobile. L’SMLC invia alle

LMU selezionate (via MSC/VLR e BSS) le informazioni necessarie ad effettuare la misura, tra

cui l’istante in cui deve partire l’ascolto del mobile.

3) Allo scadere del delta timer il BSC comanda l’handover al terminale mobile. Nel frattempo le

unità LMU selezionate si preparano a ricevere ed a misurare gli istanti di arrivo degli access

burst trasmessi da quel mobile.

4) A conclusione del processo di handover le unità LMU inviano i dati misurati all’SMLC (via BSS

ed MSC/VLR)

5) L’SMLC effettua i calcoli ed invia il risultato all’LA (via MSC e GMLC). Se la richiesta era

pervenuta dal terminale mobile, il risultato è inviato a quest’ultimo (via MSC e BSS).

Si nota che il processo di handover non viene mai portato a termine, ossia la procedura di

handover si completa sempre con un handover failure. Tal fatto consente al mobile di inviare più

volte l’handover access burst (fino a 70 volte, per una durata complessiva di 320 ms).

I burst sono inviati sullo stesso canale di traffico (che può essere soggetto a Frequency Hopping).

Nel caso in cui il mobile è in stato di idle, come si è detto occorre effettuare prima di tutto una

chiamata allo stesso mobile. Tale chiamata è fittizia ed è trasparente all’utente.

Nel caso di terminali dual-band, se quest’ultimo è in stato di idle, la stessa call positionig lo forza a

connettersi su un canale a 900 MHz; se invece è in stato dedicated su un canale a 1800 MHz, il

comando di handover lo forza a tentare un handover su di un canale a 900 MHz.

22/85


Per quanto riguarda i tempi necessari ad effettuare la localizzazione del mobile (dal momento in

cui arriva la richiesta all’MLC fino al momento in cui è disponibile il risultato finale), si stima un

tempo massimo di circa 4 secondi nel caso di mobile in stato di idle e 3 secondi nel caso in cui il

mobile sia già connesso (dedicated mode).


Si ipotizza che la localizzazione avvenga sempre utilizzando la rete GSM a 900 MHz.

4.5.1 BTS ed LMU

Le unità LMU possono essere collocate in qualsiasi punto della rete essendo completamente

indipendenti dalle BTS. D’altra parte è opportuno collocarli presso le BTS per poter condividere le

antenne Rx già esistenti.

Nel caso di siti radio a tre settori utilizzanti la diversity (2 antenne Rx per settore) è possibile

equipaggiare l’LMU con 6 ricevitori in modo che possa essere connessa a tutte le antenne Rx del

sito. La connessione può avvenire sfruttando output RF supplementari se già presenti nei telai BTS

(esempio: modello BS 60, tecnologia Italtel). In caso non fossero disponibili tali uscite è necessario

introdurre degli splitter.

Come già detto, l’LMU si interfaccia con la rete GSM via radio come se fosse un normale terminale

mobile, pertanto non è prevista alcuna connessione terrestre con la BTS o altri elementi della rete.

Sarebbe comunque opportuno connetere le unità LMU alle BTS ai fini della gestione degli allarmi.

Questa soluzione consentirebbe di utilizzare gli OMC già esistenti anche per la gestione delle unità

LMU.

Le dimensioni delle LMU dovrebbero essere estremamente contenute, anche includendo eventuali

DC-DC converter e ricevitore GPS. La disposizione dell’antenna del ricevitore GPS per questo tipo

di utilizzo non è critica.

Assume invece particolare importanza la conoscenza della posizione precisa (almeno nell’ordine

del metro) della collocazione delle antenne Rx utilizzate dall’LMU per le misure di tempo, nonché

del ritardo che subisce il segnale sul percorso antenna-ricevitore.

23/85

La BTS è del tutto trasparente alla procedura di localizzazione.

4.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR

Non vi sono ulteriori impatti sul BSC oltre a quelli necessari per consentire il reperimento delle

informazioni sul CI (e sul TA) di cui si è già parlato nella sezione dedicata al CI+TA. L’HLR e

l’MSC/VLR sono interessati solo da modifiche di tipo software.

4.5.3 MLC

L’MLC deve essere dotato di un data base in cui siano contenute le informazioni relative alla

posizione geografica delle unità LMU ed alla associazione di queste ultime con le identità di cella

(CI). In tal modo, ogni volta che si richiede il posizionamento di un terminale mobile che si trova in

una certa cella, l’MLC è in grado di decidere quali sono le unità LMU più adatte ad effettuare la

misura.

E’ opportuno che l’MLC sia collegato al Data Base di Rete ai fini di automatizzare quanto più

possibile l’inserimento/aggiornamento dei dati relativi alle celle.


Nessuno




aggiungendo nuovi moduli.

24/85

Per ottenere le accuratezze indicate nella tabella 1 sarebbe necessario prevedere una LMU per

sito radio. In questa ipotesi sarebbero necessarie circa 4500-5000 LMU per la rete TIM. D’altra

parte se fosse accettabile avere accuratezze ad esempio non peggiori di circa 100 metri (67%) su

tutto il territorio, si potrebbero ridurre drasticamente il numero delle unità LMU; infatti nelle aree

rurali o suburbane sarebbe sufficiente una unità LMU ogni 4 siti radio (rif. tabella 3). Ipotizzando

circa il 30% dei siti urbani, ne deriva che per la rete TIM sarebbero necessarie circa 2100-2400

LMU.


L’introduzione del sistema di localizzazione basato su U-TOA a standard ETSI implica che sia

aggiornato il SW degli elementi di rete MSC/VLR, HLR e BSC. Tali aggiornamenti sono coincidenti

con quelli richiesti per l’introduzione del CI+TA. La specificità dell’U-TOA potrebbe inoltre

richiedere un ulteriore aggiornamento di lieve entità a livello di MSC. E’ quindi d’obbligo richiedere

a Ericsson ed ad Italtel il rilascio degli aggiornamenti SW necessari per gli apparati da loro forniti

(MSC/VLR, HLR, BSC per Ericsson e solo BSC per Italtel).

L’MLC potrebbe teoricamente essere acquisito da fornitori diversi da Ericsson in quanto l’ETSI

standardizza l’interfaccia tra MSC ed MLC.

Se si decidesse di introdurre prima il CI+TA e successivamente l’U-TOA, l’MLC acquisito per il

CI+TA potrebbe essere riutilizzato per l’U-TOA, aggiornando opportunamente il SW.

Anche le LMU potrebbero essere teoricamente acquisite da fornitori diversi da Ericsson ed Italtel.

D’altra parte, nell’ipotesi di utilizzare le antenne delle BTS già presenti in campo e di connettere a

queste ultime le unità LMU per l’O&M, è opportuno che tali unità siano acquisite da Ericsson ed

Italtel per le rispettive aree di servizio.

Il sistema proposto da Ericsson inizialmente per il CI+TA (MPS: Mobile Positioning System) sarà

pronto come release 4.0 a metà del 2001, per supportare anche l’U-TOA come da standard ETSI.

L’MPS 4.0 (collegato alla release CM20 R9) includerà l’aggiornamento SW degli elementi della

rete e dell’MLC (qui chiamato MPC: Mobile Positioning System) e la fornitura delle unità LMU.

Per quanto riguarda Italtel/Siemens, ancora non vi è una proposta ben delineata. A fine 2000

dovrebbe comunque essere disponibile l’aggiornamento SW del BSC (necessario per il CI+TA)

25/85

come parte integrante della release BR 6.0. Probabilmente per questa data Italtel/Siemens potrà

offrire anche l’MLC e le unità LMU.

Ovviamente le modifiche SW sul BSC Italtel risulterebbero utili solo a valle dell’aggiornamento SW

degli elementi di rete da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0. In altre parole per

consentire il funzionamento delle metodologie CI+TA e U-TOA in qualsiasi regione è necessario

che vi sia un rigoroso allineamento allo standard ETSI sia del BSC, sia dell’MSC/VLR e dell’HLR.

Tale considerazione vale anche nel caso in cui si optasse per acquisire MLC e/o LMU solo di

marca Italtel/Siemens o anche di qualsiasi altra marca diversa da Ericsson

Oltre ad Ericsson ed Italtel/Siemens, è stato contattata anche SigmaOne (USA - California). Tale

società offre un sistema di localizzazione, denominato 5000 basato su U-TOA, da solo oppure in

congiunzione con il metodo AOA (Angle Of Arrival). Per i dettagli sulla metodologia AOA si veda la

sezione dedicata. Il sistema 5000 è in via di sviluppo/sperimentazione per i sistemi radiomobili

AMPS, TDMA e CDMA. Per quanto riguarda il GSM 900, SigmaOne prevede di completarne lo

sviluppo entro la fine del 1999, come da standard ETSI. Anche se questa data fosse affidabile, il

prodotto potrebbe essere utilizzato da TIM soltanto a valle dell’aggiornamento del SW degli

elementi della rete GSM come già evidenziato in precedenza.

Vi sono anche altre società (in particolar modo in USA) che offrono sistemi di localizzazione basati

su U-TOA (si veda la tabella seguente). Ovviamente anche per queste valgono le stesse

considerazioni fatte per SigmaOne.

FORNITORE DISPONIBILITÀ’ COSTI

(lire)

ERICSSON MPS 4.0 (R9): metà 2001 Agg. SW (MSC, MLC) = ?

2400 LMU = ?

ITALTEL/SIEMENS Fine 2000 MLC = ?

2400 LMU < 45,6 miliardi

(1 LMU = 9 – 19 milioni)

[Nota 1]

SIGMAONE 5000 = 4Q 1999

MLC = ?


(1 LMU < 37 milioni)

[Nota 2]

TRUEPOSITION 1Q 2000

RADIX TECHNOLOGY 1Q 2000

26/85

Nota 1: La stima fornita per l’LMU da Italtel si riferisce al caso di condivisione delle antenne

Rx già esistenti nei siti radio

Nota 2: La stima fornita da SigmaOne si riferisce ad LMU che integrano sia le funzioni

necessarie per l’U-TOA sia le funzioni ed il sistema di antenne necessarie per l’AOA

(per quest’ultimo si veda la sezione corrispondente). SigmaOne ha comunque

inaspettatamente sottolineato che l’AOA incide solo per circa il 20% sul costo

dell’LMU.

27/85

5 E-OTD (ENHANCED – OBSERVED TIME DIFFERENCE)


5.1.1 Approccio con le iperboli

Con riferimento alla figura si supponga che le stazioni BTS(1) e BTS(2) trasmettano un segnale

negli istanti t1 e t2. Il mobile (MS) deve essere in grado di misurare la differenza tra gli istanti di

arrivo dei due segnali (OTD: Observed Time Difference).

Detta d1 la distanza della BTS(1) dal mobile, si ha.

d1 = v (t1’ – t1)

dove v è la velocità con cui si propaga il segnale.

Affinché sia vera questa relazione è necessario che t1’ e t1 siano misurati secondo la stessa base

temporale; in realtà le basi temporali del mobile e della BTS risultano sfasate di un tempo pari a

t1, pertanto, se t1 è il tempo misurato secondo la base temporale della BTS e t1’ secondo la base

temporale del mobile, la relazione precedente va riscritta, prendendo come riferimento la base

temporale del mobile, come segue:

d1 = v (t1’ – t1 - t1)

Un analoga relazione si può ottenere considerando la BTS(2):

BTS

(1) BTS

(2)

BTS

(3)

MS

t1

t2

t3

t1’ t2’

t3’ FIGURA 1

BTS=Base Transceiver Station MS= Mobile Station

28/85

d2 = v (t2’ – t2 - t2)

Sottraendo membro a membro si ha:

d1 – d2 = v (t1’ – t2’) - v (t1+ t1 – t2 - t2)

Se le BTS sono sincronizzate tra loro si ha che t1 = t2 e t1 = t2, ne consegue:

d1- d2 = v (t1’- t2’)

Tale relazione rappresenta un’iperbole i cui fuochi sono coincidenti con le BTS(1) e BTS(2). Il

mobile si trova su un ramo dell’iperbole.

Teoricamente per definire con esattezza dove si trova il punto è sufficiente costruire un’altra

iperbole sfruttando la misure effettuate dal mobile considerando una terza BTS, indicata nella

figura come BTS(3). Si può pertanto costruire, ad esempio, l’iperbole:

d1- d3 = v (t1’-t3’)

Nelle due relazioni rappresentanti le iperboli si ha che:

v è noto

le differenze (t1’- t2’) e (t1’- t3’) sono misurate dal mobile

di = [(xi-x)2 + (yi – y)2]1/2 dove xi, yi sono le coordinate (note) di BTS(i) ed x, y le


Le due iperboli così ottenute si intersecano in un punto che individua la posizione del terminale

mobile.

Nel caso in cui le BTS non sono sincronizzate è necessario introdurre nella rete le entità chiamate

LMU (Location Measurement Unit) che hanno il compito di osservare i tempi di trasmissione delle

BTS. La posizione di ciascuna LMU deve essere nota.

29/85

Dato che le BTS non sono sincronizzate risulta t1 # t2; ne consegue:

d1 - d2 = v (t1’ - t2’) – v (t1 + t1 – t2 - t2)

Indichiamo con D1a e D2b rispettivamente le distanze (note) BTS(1)-LMU(a) e BTS(2)-LMU(b).

Ovviamente deve essere:

D1a = v (t1a + ta – t1 - t1)

D2b = v (t2b + tb – t2 - t2)

Con ta e tb si indicano gli sfasamenti temporali tra le basi temporali delle LMU(a) e LMU(b)

rispetto a quella del terminale mobile. Supponendo che le unità LMU siano sincronizzate tra loro si

ha ta = tb. Sottraendo membro a membro si ha:

D1a – D2b = v (t1a – t2b) – v (t1 + t1 - t2 -t2)

da cui si ricava:

t1 + t1 - t2 -t2 = t1a – t2b - (D1a – D2b) / v

e quindi si può scrivere:

d1 – d2 = v (t1’ – t2’) – v (t1a – t2b) + (D1a – D2b)

BTS

(1) BTS

(2)

t1

t2

t1’ t2’

MS

LMU

(b)

LMU

(a)

t2b

t1a

BTS

(3)

t3’

t3b t3

FIGURA 2 BTS=Base Trasceivers Station MS=Mobile Station LMU=Location Measurement Unit

30/85

che costituisce ancora un’iperbole. Ovviamente anche in questo caso per trovare la posizione del

mobile è necessario costruire un’altra iperbole sfruttando le misure relative ad una terza BTS ed

all’LMU che la osserva.

Per quanto riguarda le unità LMU, una singola LMU, in dipendenza dalla sua posizione in rete, può

misurare i tempi di arrivo di una o più BTS. Nell’esempio della figura sono state considerate due

unità distinte: LMU(a) misura l’istante di arrivo del segnale trasmesso da BTS(1); LMU(b) misura

gli istanti di arrivo dei segnali trasmessi dalle BTS(2) e BTS(3).

Dato che in generale nel processo di misura della posizione di un mobile sono coinvolte più unità

LMU, è necessario che queste misurino i tempi di arrivo dei segnali trasmessi dalle BTS secondo

la stessa base temporale. In precedenza si è supposto, per semplicità, che le unità LMU siano

sincronizzate tra loro. Se ciò non fosse vero è comunque possibile valutare la differenza tra gli

scostamenti temporali degli orologi tra due unità LMU purché queste ultime “vedano” almeno una

stessa BTS.

Nell’esempio di figura 3, se le LMU non sono sincronizzate, si ha:

d1 – d2 = v (t1’ – t2’) – v (t1a – t2b) – v (ta – tb) + (D1a – D2b)

Nel secondo membro della relazione precedente l’unica grandezza non nota è costituita da (ta –

tb). Per ricavarla si deve fare riferimento alle misure di LMU(a) ed LMU(b) relative alla BTS(3)

“vista” da entrambe:

BTS

(1) BTS

(2)

t1

t2

t1’ t2’

MS

LMU

(b)

LMU

(a)

t2b

t1a

BTS

(3)

FIGURA 3 BTS=Base Trasceivers Station MS=Mobile Station LMU=Location Measurement Unit

t3

t3a

t3b

31/85

D3a = v (t3a + ta – t3 – t3)

D3b = v (t3b + tb – t3 – t3)

Dove D3a e D3b sono le distanze BTS(3)-LMU(a) e BTS(3)-LMU(b). Con t3 si indica lo

scostamento temporale dell’orologio della BTS(3) rispetto a quello del mobile. Mediante semplici

passaggi si ricava:

ta – tb = (D3a – D3b) / v - (t3a – t3b)

Utilizzando la precedente si può scrivere la seguente:

d1 – d2 = v (t1’ – t2’) – v (t1a – t2b) – (D3a – D3b) + v (t3a – t3b) + (D1a – D2b)

La procedura precedentemente descritta può diventare ancora più complessa se le LMU non

vendono direttamente una stessa BTS ma BTS differenti che a loro volta sono viste da una

ulteriore LMU. Se ne deduce che l’utilizzo di LMU non sincronizzate tra loro richiede un’attenta

pianificazione della dislocazione in campo di tali unità: ciascuna LMU deve vedere un congruo

numero di BTS e ciascuna BTS a sua volta deve essere vista da un congruo numero di LMU.

Si osserva che le misure effettuate dalle unità LMU possono riferirsi a segnali trasmessi dalla BTS

in tempi differenti da quelli misurati dal terminale mobile, purché tale differenza temporale non sia

eccessiva (non più di 2 minuti).

5.1.2 Approccio con le circonferenze

In alternativa alle iperboli è possibile trovare la posizione del mobile come intersezione di

circonferenze. Per brevità, nel seguito si considera solo il caso in cui le BTS non sono

sincronizzate tra loro.

Con riferimento alla figura 2, come già visto la distanza del mobile dalla stazione BTS(1) è data da:

d1 = v (t1’ – t1 - t1)

Analogamente la distanza tra BTS(1) ed LMU(a) è data da:

32/85

D1a = v (t1a+ ta – t1 - t1)

Dalla precedente si ricava:

t1 + t1 = t1a+ ta – D1a / v

Sostituendo nella relazione che fornisce d1 si ha:

d1 = v (t1’ - t1a - ta) + D1a

Questa relazione rappresenta una circonferenza con centro coincidente con la BTS(1). Il mobile si

trova su di un punto della circonferenza.

Si possono scrivere due relazioni analoghe alla precedente considerando la BTS(2) e la BTS(3):

d2 = v (t2’ – t2b - tb) + D2b

d3 = v (t3’ – t3b - tb) + D3b

Assumendo che le unità LMU siano sincronizzate tra loro si ha che ta = tb = . Le tre relazioni

precedenti diventano pertanto:

d1 = v (t1’ - t1a - T) + D1a

d2 = v (t2’ – t2b - T) + D2b

d3 = v (t3’ – t3b - T) + D3b

In queste tre ultime relazioni si ha che:

v è nota

t1’, t2’, t3’ sono misurati dal terminale mobile

t1a, t2b, t3b sono misurati dalle unità LMU

D1a, D2b, D3b sono noti

di = [(xi-x)2 + (yi – y)2]1/2 dove xi, yi sono le coordinate (note) di BTS(i) ed x, y le


è incognita

33/85

Le tre relazioni costituiscono un sistema di tre equazioni nelle tre incognite x, y e T. La risoluzione

del sistema consente quindi di trovare il punto in cui si trova il mobile eliminando nel contempo

l’ambiguità temporale.

Nel caso in cui le unità LMU non siano sincronizzate tra loro valgono le stesse considerazioni fatte

per il caso di approccio con le iperboli.

Anche per l’approccio con le circonferenze si osserva che le misure effettuate dalle unità LMU

possono riferirsi a segnali trasmessi dalla BTS in tempi differenti da quelli misurati dal terminale

mobile, purché tale differenza temporale non sia eccessiva (non più di 2 minuti).



- precisione dei punti in cui sono collocate le BTS e le unità LMU. E’ sufficiente che

l’accuratezza sia nell’ordine del metro.

- sincronizzazione tra gli orologi delle unità LMU. Tale sincronizzazione si può ottenere ad

esempio dotando ogni LMU di un ricevitore GPS di basso costo.

- disposizione delle BTS rispetto al mobile da localizzare. Il caso ideale è la distribuzione

uniforme di tali BTS in tutte le direzioni possibili rispetto al mobile.

Per tale metodologia sono state eseguite nell’ambito del gruppo T1P1.5 una serie di simulazioni da

parte di Ericsson, Motorola, Nokia e Nortel. Nella tabella seguente si forniscono i valori trovati da

Ericsson:

Environment MS speed

[km/h]

Perc. At 125

m [%]

Error at

67% [m]

Error at

90% [m]

RMSE of

90% [m]

(*)

Number

of BS

Bad Urban 3

11

21

22

-

359

310

-

-

-

-

-

-

3

5

7

Bad Urban 50 21

30

32

-

283

234

-

-

-

-

-

-

3

5

7

34/85

Urban A 3

32

54

62

308

159

140

-

320

294

-

138

127

3

5

7

Urban A 50 37

66

72

256

131

110

-

239

193

-

110

95

3

5

7

Urban B 3 52

79

81

185

98

91

-

173

174

417

82

78

3

5

7

Urban B 50 58

89

92

164

78

68

-

131

117

491

65

58

3

5

7

Suburban 3

64

88

91

142

76

70

315

133

121

121

64

58

3

5

7

Suburban 50 83

99

99

65

46

42

200

82

64

66

39

34

3

5

7

Rural 3

77

96

98

96

55

45

202

86

80

82

45

40

3

5

7

Rural 100 88

99

99

54

40

34

156

63

56

51

32

29

3

5

7

Suburban (Indoor) 3 58

87

85

141

78

75

-

139

152

420

66

65

3

5

7

Urban A (Indoor) 3

35

46

50

304

206

192

-

367

364

-

170

162

3

5

7

Urban B (Indoor) 3 50

75

79

202

102

92

461

192

186

181

88

79

3

5

7



La tabella sopra riportata si riferisce al caso di reti GSM 900 in cui le BTS trasmettono in modo

continuo ed alla massima potenza sul canale BCCH. Inoltre si è assunto la conoscenza esatta

della posizione delle BTS e delle LMU e la perfetta sincronizzazione di queste ultime. Infine non si

sono considerati effetti di cattiva disposizione delle BTS rispetto al mobile. Il numero di burst

misurati dal mobile è pari a 10 (si veda più avanti).

35/85

La differenza tra gli scenari indicati come Urban A ed Urban B consiste nel fatto che il primo si

riferisce ad un ambiente urbano denso mentre il secondo si riferisce ad un ambiente urbano tipico.

Le distanze tra le BTS considerate nella simulazione sono date nella seguente tabella:

Environment

Distance Between

LMU [m]

Bad Urban 1500

UrbanA 1500

UrbanB 1500

Suburban 4500

Rural 30000

Indoor UrbanA 1500

Indoor UrbanB 1500

Indoor Suburban 4500

Nella tabella seguente sono forniti i risultati ottenuti da Cambridge Positionig System (CPS - UK)

nel corso di una sperimentazione effettuata nell’area di Cambridge:

Environment Error at

67% [m]

RMSE of

90% [m]

(*)

Urban 103 93

Indoor Urban

(Convent Garden)

68 56

Indoor Urban

(Devonshire Road)

89 75

Indoor Suburban

(Arbury)

76 62

Indoor Suburban

(Cavendish

Laboratory)

137 117



CPS utilizza l’approccio con le circonferenze e non effettua la sincronizzazione delle unità LMU.

36/85


Come già detto, lo standard ETSI introduce due nuovi elementi nell’architettura della rete GSM

denominati MLC (Mobile Location Center) ed LMU (Location Measurement Unit).


Per quanto riguarda le unità LMU, nel caso E-OTD effettuano le misure degli istanti di arrivo del

segnale trasmesso dalle BTS e sono necessarie solo se queste ultime non sono sincronizzate tra

loro.

Ciascuna LMU misura i tempi di arrivo dei segnali provenienti da un certo numero di BTS ben

identificate. L’associazione LMU/BTS deve essere nota all’MLC. Una LMU è tipicamente associata

a 6-7 BTS.

Le misure sono effettuate in modo continuo e vengono memorizzate localmente per un certo

periodo di tempo (nell’ordine di un paio di minuti). Opzionalmente possono essere riportate

periodicamente all’MLC (il periodo può andare da 30 secondi a 2 minuti).

Il numero di LMU necessarie è dipendente dalla distribuzione geografica delle BTS. In media si

deve prevedere una LMU ogni 4 siti radio.

La procedura di localizzazione prevista dall’ETSI nel caso del metodo E-OTD si particolarizza

come segue:

9) l’SMLC chiede al mobile via MSC/VLR e BSS, di avviare la misura dei segnali provenienti

dalle BTS circostanti. I risultati della misura, completi dell’identificativo delle BTS misurate,

sono quindi inviati a ritroso dal mobile all’MLC. Se è il mobile a richiedere la procedura di

localizzazione, contemporaneamente alla richiesta può inviare all’MLC anche i risultati delle

misure effettuate preventivamente; in questo caso la parte di procedura di localizzazione

specializzata per il metodo E-OTD prosegue immediatamente con il punto successivo.

10) L’SMLC identifica quali sono le LMU che osservano le BTS misurate dal mobile e richiede a

tali unità (via MSC/VLR e BSS) i risultati delle misure. Se le misure sono già disponibili

presso l’MLC, la procedura prosegue immediatamente con il punto successivo.

37/85

11) L’SMLC effettua i calcoli ed invia il risultato all’LA (via MSC/VLR e GMLC). Se la richiesta

era pervenuta dal terminale mobile, il risultato è inviato a quest’ultimo (via MSC e BSS).

Il mobile misura i tempi di arrivo dei burst trasmessi dalle BTS circostanti sul canale logico SCH

(sulla portante BCCH). Allo stato attuale dello sviluppo dello standard non è ancora stato definito il

numero di burst da misurare; nelle simulazioni effettuate da Ericsson si sono considerati 10 burst

per BTS che impegnano un tempo complessivo di 0,46 secondi.

Nel caso che il mobile è in stato di idle, come si è detto occorre effettuare prima di tutto una

chiamata allo stesso mobile. Tale chiamata è fittizia ed è trasparente all’utente.

Nel caso di terminali dual-band, l’MLC può richiedere la misura solo delle BTS a 900 MHz oppure

anche quelle relative alle BTS a 1800 MHz. Ovviamente in quest’ultimo caso le unità LMU devono

essere in grado di effettuare le misure anche a 1800 MHz.

Come già detto, nello standard ETSI al momento si assume che sia sempre la rete (MLC) a fare il

calcolo della posizione. D’altra parte il metodo E-OTD si presta anche ad essere utilizzato da

applicazioni che risiedono nel terminale mobile e che richiedono che il calcolo della posizione sia

effettuato direttamente dallo stesso terminale.

In questo caso è necessario che, su richiesta del terminale mobile, la rete invii i dati necessari ad

effettuare il calcolo della posizione. La richiesta del terminale mobile deve indicare quali sono le

BTS misurate dallo stesso mobile. I dati inviati dalla rete in risposta devono includere le coordinate

delle BTS misurate dal mobile, le distanze tra queste BTS e le LMU che le osservano, le misure

effettuate dalle LMU degli istanti di arrivo dei segnali trasmessi dalle BTS. Per quanto riguarda le

coordinate delle BTS, sarebbe opportuno utilizzare una trasmissione cifrata trattandosi di

informazioni riservate. Tale questione è in fase di analisi nell’ambito del gruppo T1P1.5

Ovviamente in questo caso il ruolo dell’MLC si riduce alla sola individuazione delle unità LMU ed

all’invio delle misure effettuate da tali unità al terminale mobile unitamente alle altre informazioni

sopra accennate.

La società CPS sta sperimentando, insieme con Vodafone e AA (Automobile Association) un

sistema di localizzazione, denominato CURSOR, basato sulla metodologia E-OTD ma non

conforme allo standard ETSI. In tale sistema sono individuabili elementi di rete con funzioni del

38/85

tutto simili alle LMU ed all’MLC, con la differenza che MLC ed LMU costituiscono una rete a se

stante indipendente dalla rete GSM. Le LMU si interfacciano con l’MLC tramite collegamenti

terrestri. Il terminale mobile invia le misure all’MLC tramite Short Message. Nella realizzazione

CPS è sempre l’MLC che effettua il calcolo della posizione.

CPS ha dichiarato l’intenzione di aggiornare il suo sistema di localizzazione secondo lo standard

ETSI non appena quest’ultimo sarà definito.


5.4.1 Versione ETSI

Si stima che il tempo massimo necessario ad effettuare la localizzazione del mobile (dal momento

in cui arriva la richiesta all’MLC al momento in cui è disponibile la posizione), sia di circa 4,5

secondi nel caso di mobile in stato di idle e 3 secondi nel caso in cui il mobile sia già connesso

(dedicated mode).

Nel caso di richieste successive di posizionamento, l’intervallo di tempo intercorrente tra due

calcoli è non più grande di circa 3-4 secondi.

I valori sopra indicati si riferiscono al caso in cui il mobile effettua le misure solo su richiesta

dell’MLC. Se invece il mobile è in grado di effettuare le misure in modo continuo, ovviamente

quando arriva la richiesta dall’MLC, tali misure risultano già disponibili facendo risparmiare un

tempo di circa 1-2 secondi

Il tempo si ridurrebbe ulteriormente di circa 1 secondo se le misure effettuate dalle unità LMU

fossero già disponibili presso l’MLC.

Nella migliore delle ipotesi il tempo per effettuare la localizzazione del mobile è quindi pari a circa

1-2 secondi.

5.4.2 Versione CPS

Nel caso CPS il tempo necessario per ottenere la localizzazione del mobile a livello centralizzato è

molto più lungo in quanto il trasporto delle informazioni avviene tramite Short Message. Ad

39/85

esempio se la richiesta di localizzazione parte da una LA esterna, sono necessari due Short

Message: uno da MLC a MS ed uno da MS a MLC. Il tempo impiegato per la localizzazione è

quindi nell’ordine dei 20-30 secondi.


5.5.1 BTS ed LMU

Le unità LMU possono essere collocate in qualsiasi punto della rete essendo completamente

indipendenti dalle BTS.

Come già detto, l’LMU nella versione ETSI si interfaccia con la rete GSM via radio come se fosse

un normale terminale mobile, pertanto non è prevista alcuna connessione terrestre con la BTS o

altri elementi della rete.

Nella versione di CPS le LMU si connettono all’MLC tramite collegamenti terrestri, ad esempio

tramite PSTN, ISDN, etc.

Per fornire il servizio di localizzazione ai mobili dual-band è necessario che le unità LMU siano in

grado di effettuare le misure sia a 900 MHz sia a 1800 MHz.

Le dimensioni delle unità LMU dovrebbero essere estremamente contenute, anche includendo

eventuali DC-DC converter e ricevitore GPS. La disposizione dell’antenna del ricevitore GPS per

questo tipo di utilizzo non è critica.

Assume invece particolare importanza la conoscenza della posizione precisa (nell’ordine del

metro) della collocazione delle BTS e delle unità LMU, nonché del ritardo che subisce il segnale

sul percorso antenna-ricevitore nell’LMU.

La BTS è del tutto trasparente alla procedura di localizzazione.

40/85

5.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR

Nella versione ETSI non vi sono ulteriori impatti sul BSC oltre a quelli necessari per consentire il

reperimento delle informazioni sul CI (e sul TA) di cui si è già parlato nella sezione dedicata al

CI+TA. L’HLR e l’MSC/VLR sono interessati solo da modifiche di tipo software.

Nella versione CPS non vi è alcun impatto sugli elementi di rete GSM.

5.5.3 MLC

Sia nella versione ETSI sia nella versione CPS è necessario che l’MLC sia dotato di un data base

in cui siano contenute le informazioni relative alla posizione geografica delle BTS (con associato

anche il CI) e delle unità LMU. Il data base deve inoltre contenere le associazioni tra LMU e BTS

osservate. In tal modo, ogni volta che si richiede il posizionamento di un terminale mobile, l’MLC è

in grado di decidere quali sono le unità LMU da considerare sulla base della conoscenza di quali

BTS sono state misurate dal terminale mobile.



Nella versione CPS, l’MLC si collega allo SMSC (Short Message Service Center) tramite

collegamenti standard.


Si richiede l’utilizzo di un software ad hoc sul terminale mobile.




41/85

aggiungendo nuovi moduli. L’MLC proposto da CPS è in grado di calcolare 30 posizioni al secondo

nella configurazione base.

Come già anticipato, è necessario una LMU ogni quattro siti radio. Per la rete TIM sono necessarie

circa 1200 LMU.


5.8.1 Infrastrutture

Al momento solo Cambridge Positionig System (CPS – UK) è grado di offrire in tempi brevi un

sistema di localizzazione, denominato CURSOR, basato su E-OTD, anche se non a standard

ETSI. Come già detto, CPS ha dichiarato che aggiornerà il proprio sistema secondo lo standard

ETSI non appena quest’ultimo sarà definito.

CPS sta attualmente sperimentando il proprio sistema insieme con Vodafone e AA (Automobile

Association). La commercializzazione del sistema è prevista a partire da novembre 1999.

Si nota esplicitamente che un sistema di localizzazione basato su E-OTD secondo lo standard

ETSI potrà essere utilizzato sulla rete TIM solo a valle dell’aggiornamento SW degli elementi di

rete MSC/VLR, HLR e BSC da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0 e 4.0 (si veda la

sezione dedicata all’U-TOA) che saranno rilasciate rispettivamente a metà 2000 e metà 2001 e del

BSC Italtel previsto con la release BR 6.0 a fine 2000 (si veda la sezione dedicata al CI+TA).

Oltre a CPS, anche Nokia e Motorola sono intenzionate a realizzare un sistema di localizzazione

basato su E-OTD.

Sia Nokia che Motorola prevedono di utilizzare un’architettura di tipo BSS Based, con la differenza

che Nokia pensa ad una soluzione in cui l’MLC è integrato al BSC mentre Motorola pensa ad un

MLC collegabile al BSC tramite l’apposita interfaccia in corso di standardizzazione. Per quanto

riguarda le LMU, sia Nokia che Motorola prevedono la possibilità di scegliere sia la soluzione

integrata alla BTS sia la soluzione della connessione via radio (similmente al caso di Network

Based).

42/85

La soluzione Nokia non è applicabile alla rete GSM TIM in quanto, come noto, quest’ultima adotta

BSC di marca Ericsson ed Italtel (a parte un piccolo nucleo di rete sperimentale in Trentino Alto

Adige composto da 1 BSC e 7 BTS Nokia).

La soluzione di Motorola è più realistica per un’eventuale applicazione alla rete TIM. Bisogna

comunque tenere presente che anche questa soluzione richiede modifiche software sugli elementi

di rete (BSC, MSC/VLR, HLR). Le modifiche SW, soprattutto quelle relative al BSC, sono differenti

da quelle necessarie nel caso di architettura Network Based. Al momento questo tipo di modifiche

non sono nei piani di Ericsson; pertanto se si decidesse di adottare una soluzione BSS Based sarà

necessario esercitare una notevole pressione su Ericsson per ottenere gli opportuni aggiornamenti

SW degli elementi di rete. Per quanto riguarda Italtel, ancora non ha fornito un’indicazione chiara

su quale è il suo interesse per il metodo E-OTD, né tantomeno se predilige un’architettura,

piuttosto che l’altra.

FORNITORE DISPONIBILITÀ COSTI

(lire)

CPS Novembre 99 MLC = per transazione

1200 LMU = 18,6 miliardi

(1 LMU = 15,5 milioni)

[Nota 1]

Nokia Metà-fine 2001 1200 LMU = 17,2 miliardi


[Nota 2]

Motorola Nel corso del 2000

Nota 1: CPS ha proposto un pagamento dell’MLC su base transazione (da stabilire). La

proposta originale di CPS considera LMU in grado di effettuare misure solo a 900

MHz (1 LMU = 2,9 milioni per l’Hw + 6,8 milioni per il Sw + 3,9 milioni per

l’installazione); nella tabella si è riportata direttamente una stima che tiene in conto

l’incremento del costo dovuto alla capacità di effettuare misure anche a 1800 MHz

(+20% sul costo dell’Hw/Sw).

43/85

Nota 2: Nokia ha fornito anche le stime dei costi delle modifiche SW degli elementi di rete e

dell’integrazione dell’MLC all’interno del BSC. Tali costi non sono però significativi in

quanto si riferiscono a reti realizzate con elementi di marca Nokia. A titolo di

comparazione nella tabella è stato riportato solo il costo dell’LMU non integrato alla

BTS. Si nota che ci si riferisce ad un LMU funzionante in entrambe le bande 900

MHz e 1800 MHz.

5.8.2 Terminale mobile

Allo stato attuale solo Maxon (Corea) produce un terminale mobile (MX3204, distribuito in Italia da

Startel) compatibile con il sistema di localizzazione proposto da CPS. Il terminale della Maxon

utilizza il software prodotto da TTPCom.

Nokia immetterà sul mercato terminali compatibili con l’E-OTD (calcolo della posizione a livello

centralizzato) a metà del 2001. A fine 2001 saranno commercializzati terminali E-OTD in grado di

effettuare loro stessi il calcolo della posizione.

Motorola prevede di commercializzare i primi terminali E-OTD nel corso del 2001.

L’incremento del costo del terminale dovuto all’utilizzo di un software compatibile con l’E-OTD è

marginale.

44/85

6 GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)


Il GPS è nato negli USA come sistema militare per il posizionamento di precisione di un qualsiasi

punto della superficie terrestre (GPS – NAVSTAR: NAVigation Satellite Timing And Ranging) su

progetto della Marina Militare USA. Si basa sulla misura dei tempi di arrivo di segnali inviati da una

costellazione di 24 satelliti disposti su sei orbite quasi circolari inclinate di 55° sul piano

equatoriale, ad intervalli di longitudine di 60°, e ad un’altezza (media) di circa 20.200 Km.

Il sistema attualmente è gestito dal DoD (Department of Defence) statunitense che, oltre ad

occuparsi del controllo e della manutenzione della rete satellitare, stabilisce in quali parti del globo

e con quali precisioni il sistema è fruibile (gratuitamente) per applicazioni civili. Il sistema è infatti

reso artificialmente meno accurato mediante l’introduzione ad arte di un errore denominato

Selective Availability (SA). A seguito delle pressioni da parte di diversi enti pubblici e privati, il

governo USA sta valutando la possibilità di eliminare l’SA.

Ciascun satellite invia due segnali L1 ed L2 a frequenze entrambe multiple della frequenza

fondamentale (f0 = 10,23 MHz) degli oscillatori atomici di bordo:

L1 = 154 x f0 = 1.575,42 MHz (1 = 19,05 cm)

L2 = 120 x f0 = 1.227,60 MHz (2 = 24,45 cm)

Tali portanti sono modulate (spread spectrum) per trasmettere due codici:

C/A (“Coarse”), di pubblico dominio: sequenza pseudorandom (codice Gold) di 1.023 bits che

si ripete ogni ms (fC/A = f0/10 = 1,023 MHz);

P (“Precise” o “Protected”), cifrabile (nel qual caso si definisce Y) ed usato solo a scopi militari:

sequenza pseudorandom di 1.023 bits che si ripete ogni 267 giorni (fP = f0 = 10,23 MHz).

In particolare, il segnale portante L1 è modulato da entrambi i codici C/A e P, mentre la portante L2

è modulata dal solo codice P (Y).

45/85

In futuro probabilmente sarà utilizzata un’ulteriore frequenza (L5) che consentirà misure ancora più

accurate.

6.1.1 GPS base

Per determinare la posizione di un punto è necessario prima di tutto misurare il tempo che il

segnale emesso dal satellite impiega per raggiungere il ricevitore GPS a terra.

Per determinare l’intervallo temporale un ricevitore GPS può effettuare due tipi di misurazioni:

Misura di pseudorange: è il caso di ricevitori di basso costo, che consentono basse

precisioni (dell’ordine del centinaio di metri nel 95% dei casi).

Il ricevitore confronta la particolare sequenza pseudorandom

di 1.023 bit ricevuta con una copia analoga generata

localmente, e determina lo sfasamento temporale tra i due

segnali osservando il numero di bit di distanza delle due

sequenze pseudorandom identiche, e conoscendo la durata

del singolo bit.

Misura di fase: disponibile su ricevitori più costosi in aggiunta alla misura di

pseudorange; consente di ottenere precisioni anche centimetriche. In

questo caso l’intervallo temporale si determina confrontando le fasi

della portante ricevuta dal satellite con quella generata localmente.

Nel caso delle misure di pseudorange, una volta calcolato l’intervallo temporale, si può scrivere un

equazioni del tipo:

)( 0

2

0

2

0

2

0 ttcZtZYtYXtX PSPSPS (1)

dove Xs, Ys, Zs sono le coordinate (note) del satellite, Xp, Yp, Zp sono le coordinate incognite del

punto, t t0 è il tempo di percorrenza (misurato) del segnale dal satellite al ricevitore.

Nella relazione precedente si dovrebbe utilizzare l’integrale della velocità nel tempo al posto del

prodotto velocità per tempo, perché la velocità del segnale non è costante ma varia con le

caratteristiche fisiche degli strati atmosferici attraversati.

46/85

L’istante t che compare nella relazione precedente rappresenta l’istante di arrivo del segnale a

terra misurato dall’orologio del satellite. In realtà il ricevitore misura un istante t’ di arrivo che

differisce da quello teorico t di una quantità pari all’offset tra il suo orologio e quello del satellite:

t’ = t + dt (2)

Le incognite sono pertanto 4: le coordinate del punto XP, YP e ZP più lo sfasamento dt, per cui sono

necessarie 4 equazioni del tipo (1), ovvero le misure da almeno 4 satelliti (oppure 3 se non

necessita la conoscenza della coordinata Zp).

Nel caso di misure di fase, come già accennato il sistema si basa sul confronto tra la fase della

portante generata dal satellite e ricevuta a terra e la fase di un segnale del tutto simile, generato

all’interno del ricevitore. La misura è resa più complicata a causa del fatto che satellite e ricevitore

si muovono l’uno rispetto all’altro e quindi la frequenza del segnale ricevuto non è costante a

causa dell’effetto Doppler (la variazione è compresa nell’intervallo + 4 kHz).

La differenza di fase è data da una frazione di lunghezza d’onda (misurata) più un numero intero di

cicli d’onda. Quest’ultimo costituisce una ulteriore incognita, definita ambiguità iniziale, che viene

determinata con altri metodi, ad esempio mediante misure di pseudorange.

Il procedimento per misurare la distanza dal satellite sulla base della misura della fase consiste in

quanto esegue. Miscelando le due portanti si ottiene una serie di battimenti, la cui fase corrisponde

alla differenza di fase delle due portanti. Per ciascun istante t si può scrivere un’equazione del tipo:

dtfNtFFF PS (3)

ove F(t) è la fase dei battimenti, N è l’ambiguità iniziale, f è la frequenza, dt è lo sfasamento tra i

due orologi (sul satellite e nel ricevitore), FS ed Fp sono le fasi dei segnali del satellite e del

ricevitore. Moltiplicando la (3) per la lunghezza d’onda della portante si ottiene:

dtfNtFtPSFF PS (4)

ove tPS è la distanza satellite-ricevitore, che può essere espressa nella forma della (1), per

cui:

47/85

dtfNtF

ZtZYtYXtX PSPSPS

2

0

2

0

2

0 (5)

I ricevitori attualmente in commercio consentono di rilevare anche 8 o 12 satelliti; quando sono

disponibili le misure relative a più di quattro satelliti, la posizione viene determinata con la tecnica

dei minimi quadrati. Solo i ricevitori più costosi sono in grado di effettuare misure anche di fase e

sulle due frequenze L1 e L2. Nel seguito si considereranno, salvo avviso contrario, esclusivamente

ricevitori GPS in grado di ricevere il segnale sulla portante L1 e di decodificare il solo codice C/A.

6.1.2 GPS differenziale (DGPS)

La tecnica differenziale consente di eliminare o ridurre drasticamente diversi errori che inficiano la

precisione teoricamente ottenibile (posizione e clock del satellite, clock del ricevitore, ritardi

ionosferici e troposferici ecc., cfr. paragrafo successivo).

Per effettuare rilevazioni differenziali occorre utilizzare due ricevitori GPS, di cui uno fisso la cui

posizione è nota (ricevitore di riferimento) e l’altro mobile o rover, da posizionare nel punto di cui si

vuole determinare la posizione.

Il più semplice tipo di correzione differenziale prevede che la stazione di riferimento calcoli la

propria posizione in base alle misure da lei effettuate e la confronti con il valore di progetto

(esatto). Ne deriva un vettore di correzione, che può essere utilizzato per correggere le misure

effettuate da un ricevitore mobile che si trovi nella stessa area del ricevitore fisso.

Metodi differenziali più complessi consistono nell’effettuare le differenze tra le distanze calcolate

dal rover e dal ricevitore di riferimento con il metodo del pseudorange e/o con il metodo delle fasi.

Le differenze sono effettuate più volte ottenendo le cosiddette differenze multiple, che consentono

di eliminare o ridurre drasticamente i cosiddetti errori di modo comune, presenti in ogni

misurazione con uguale segno ed intensità.

La tecnica differenziale si basa sull’ipotesi che i segnali provenienti dai satelliti giungano ai

ricevitori nello stesso istante temporale. La validità di questa assunzione decresce al crescere

della distanza tra i due ricevitori (si deve considerare un errore aggiuntivo di 1 cm per ogni

48/85

chilometro di distanza tra GPS di riferimento e GPS mobile). Inoltre vi è un limite di applicabilità del

metodo differenziale con le misure di fase: la distanza tra GPS di riferimento e GPS mobile non

deve superare i 30 km al fine di contenere la differenza tra i ritardi con cui il segnale arriva ai due

ricevitori al di sotto di una lunghezza d’onda.

I sistemi differenziali possono essere suddivisi in:

Diretti La correzione differenziale è effettuata dal ricevitore mobile, per cui la

posizione precisa è ottenuta direttamente nel punto da misurare;

Inversi La correzione differenziale è effettuata dal ricevitore di riferimento o da

un’entità centralizzata nel caso di una rete di ricevitori di riferimento.

6.1.3 Fase di start e GPS Network Assisted

Quando un ricevitore GPS viene acceso dopo più di 2 ore dall’ultimo spegnimento (cold start),

deve innanzitutto ricercare i satelliti utilizzabili per la misura, ossia quelli presenti nel proprio campo

di visibilità.

La ricerca dei satelliti è resa più difficile anche a causa del movimento relativo di questi rispetto al

ricevitore (effetto Doppler).

Una volta trovati i satelliti, il ricevitore deve decodificare il Navigation Message (NM) contenuto

all’interno dei segnali ricevuti dai satelliti. Questo messaggio contiene tutta una serie di

informazioni necessarie al ricevitore per identificare il satellite da cui riceve il segnale, per

correggere l’errore dovuto all’attraversamento della ionosfera e della troposfera (correzione

standard), ma soprattutto per informare il ricevitore sulla traiettoria futura del satellite (almanacco

ed effemeridi). Il tempo necessario per ricevere e decodificare il NM è non inferiore ai 30 secondi.

Queste informazioni, una volta decodificate, sono utilizzabili per un certo periodo di tempo (in

media per un’ora).

Complessivamente il tempo impiegato per agganciare i satelliti (TTFF: Time To First Fix) può

arrivare anche a una decina di minuti. Per ridurre il tempo è necessario che un centro operativo ad

hoc trasmetta su richiesta o diffonda periodicamente (con aggiornamento di almeno una volta ogni

ora), ad esempio su un canale radio broadcast, le informazioni relative alla posizione dei satelliti

maggiormente visibili nell’area geografica dove si trova il ricevitore rover. In questo caso i tempi di

aggancio si riducono a pochi secondi, consentendo un notevole risparmio delle batterie del

49/85

terminale. Un sistema GPS che utilizza tale opportunità è denominato GPS Network Assisted (A-

GPS).

Se la trasmissione del messaggio di assistenza è frequente (nell’ordine di 5-20 minuti), le

informazioni contenute possono essere ridotte e complessivamente la lunghezza del messaggio

arriva a circa 50-100 byte. Se invece la trasmissione avviene con periodicità bassa (ad esempio

dell’ordine dell’ora) o su richiesta, il messaggio deve contenere sostanzialmente tutte le

informazioni del NM e arriva ad una lunghezza di circa 600 byte.

Nel caso di misure in tempo reale, la presenza di un’assistenza di rete determina un aumento

virtuale della sensibilità dei ricevitori, con maggiori possibilità di operare anche in ambienti “ostili”

come i canyon urbani o addirittura indoor.

Ciò è dovuto al fatto che per poter decodificare il NM è necessario che il rover riceva un segnale

dal satellite non inferiore a –135 dBm. Tale livello di segnale include i margini necessari per tenere

conto dell’affievolimento da cui potrebbe essere affetto lo stesso segnale nel corso del tempo

necessario per ricevere e decodificare il NM. Le misure di pseudorange possono invece essere

effettuate con segnali più bassi di –135 dBm. Ne consegue che, se non c’è la necessità di

decodificare il NM, la sensibilità del ricevitore aumenta virtualmente anche di 15-20 dB.

Nel caso in cui si utilizza l’assistenza della rete, è utili che nel messaggio di assistenza sia fornita

anche l’informazione che consenta di associare il tempo GPS al tempo GSM (con particolare

riferimento alla temporizzazione delle trame TDMA trasmesse sul canale BCCH nella cella sotto

cui è accampato il mobile). In tal modo si riesce a mantenere uno scostamento tra i riferimenti

temporali della rete e del mobile sotto i 10 ms. Ciò consente di ridurre ulteriormente il TTFF; inoltre

consente di migliorare la sensibilità dei ricevitori in ambienti critici (ad esempio indoor). Non si

hanno al momento indicazioni quantitative sul grado di miglioramento.

Per realizzare tale associazione una soluzione consiste nel disporre in campo le unità denominate

LMU (Location Measurement Unit) con il compito di osservare e misurare i tempi di trasmissione

delle BTS. Dotando tali unità anche di un ricevitore GPS (di basso costo), queste sono in grado di

ricavare l’associazione tra il tempo GPS e la temporizzazione TDMA delle BTS osservate. Il

numero di LMU necessarie è stimato in media di 1 ogni 4 siti radio (come nel caso E-OTD).

Nell’ambito del gruppo T1P1.5 sono allo studio altre soluzioni che però al momento non sono note

nei contenuti.

50/85

Nel caso in cui il calcolo della posizione venga effettuato sul lato mobile, il messaggio di assistenza

potrebbe contenere anche le seguenti informazioni:

- posizione geografica della BTS sotto cui è accampato il mobile con un’accuratezza

dell’ordine dei 30 km (utile per inizializzare e quindi rendere più rapido il calcolo del

posizionamento del mobile)

- correzione differenziale (utile solo se il ricevitore GPS su lato mobile è anche differenziale)


La precisione teorica (prescindendo dagli errori sistematici, discussi successivamente) ottenibile

con il metodo del pseudorange nel caso di GPS base è limitato dal bit rate del segnale con cui si

opera. Utilizzando il codice C/A, il cui bit rate è 1,023 Mbit/s, la durata di un bit è pari a circa

9,775x10-7 s, tempo in cui alla velocità della luce il segnale percorre circa 293 m. Poiché è

possibile misurare lo sfasamento temporale dei due segnali con precisione pari all’1% della durata

di un bit, l’errore teorico di posizione è pari a circa 2,93 m. Analogamente utilizzando il codice P,

con bit rate pari a 10,23 MHz, si ottiene una precisione teorica pari a circa 29 cm.

Se invece le misure sono effettuate con il metodo della fase, considerato che la lunghezza d’onda

della portante è minore dello spazio percorso dal segnale in un intervallo di tempo pari alla durata

di un bit, la precisione ottenibile con la misura di fase è superiore, dell’ordine di qualche millimetro.

Infatti, analogamente a quanto detto per le misure di pseudorange, la precisione è legata alla

capacità di discriminare l’inizio di un ciclo (ovvero ad esempio il passaggio per lo zero della

portante). Supponendo anche in questo caso tale accuratezza pari ad 1/100 del ciclo, abbiamo

una precisione pari a:

mm 2cm 100

05,19

100

1

Nei casi reali l’accuratezza è limitata dalle seguenti fonti di errore:

51/85

Posizione del satellite (errore introdotto ad arte dal Dipartimento della Difesa USA, e noto

come Selective Availability), eliminabile con tecnica differenziale;

Clock del satellite (errore introdotto ad arte dal Dipartimento della Difesa USA, e noto come

Selective Availability), eliminabile con tecnica differenziale;

Clock del ricevitore, eliminabile con tecnica differenziale;

PDOP (Position Diluition Of Precision) dovuta alla disposizione non ottimale dei satelliti nel

campo visibile, difficilmente eliminabile;

Ritardi ionosferici e troposferici, quasi completamente eliminabili utilizzando o i valori di

correzione emessi dai satelliti, o le misure effettuate su due frequenze diverse per ricevitori a

doppia frequenza (ricevitori per usi professionali);

Multipath in ricezione, difficilmente eliminabile (nel DGPS si determina una volta per tutte il suo

contributo per il ricevitore fisso);

Rumore al ricevitore dovuto all’attraversamento degli strati bassi dell’atmosfera (difficilmente

eliminabile).

In tabella 1 e 2 sono riportati i risultati ottenuti da Ericsson mettendo assieme risultati di

simulazioni e risultati di test sperimentali rispettivamente per un sistema GPS base e per un

sistema DGPS diretto entrambi Network Assisted. I risultati di Ericsson sono state ottenuti

considerando un sistema operante su richiesta da parte della rete (position-on-demand),

nell’ipotesi di un rapporto C/N0 pari a 30 dB e di un errore sulla misura di pseudorange con

distribuzione gaussiana di valor medio nullo e deviazione standard pari a 3 metri. Si è inoltre

considerata un’antenna di 4 dB di guadagno montata all’interno di un autoveicolo, in modalità di

misurazione continua (navigation mode). Con riferimento al caso DGPS (tabella 2) si è incluso una

latenza di 30 secondi nell’invio dei dati di correzione (si veda la nota a fine paragrafo).

In tabella 1 inoltre sono indicate tra parentesi i risultati ottenuti da una serie di prove in campo

condotte da SnapTrack (chip GPS fornito da Motorola). Le prove sono state eseguite utilizzando

antenne MACOM a polarizzazione circolare con amplificatore lineare built-in.

Ambito di misura Perc. at

125m [%]

Error at 67%

[m]

Error at 90%

[m]

RMSE of 90%

[m] (*)

Bad urban 67 (98) 125 (90) 250 115

Urban 90 (100) 80 (40) 130 70

Suburban 98 (100) 50 (10) 75 50

Rural 99 40 60 35

Urban (indoor) 30 Non disp. (55) Non disp. Non disp.

Suburban (indoor) 50 (95) Non disp. (30) Non disp. Non disp.

Tabella 1 – precisioni ottenibili per un sistema GPS base Network Assisted

52/85

Ambito di misura Perc. at 125m

[%]

Error at 67%

[m]

Error at 90%

[m]

RMSE of 90%

[m] (*)

Bad urban 75 105 225 95

Urban 97 35 65 30

Suburban > 99 12 25 10

Rural > 99 5 10 5

Urban (indoor) 30 Non disp. Non disp. Non disp.

Suburban (indoor) 50 Non disp. Non disp. Non disp.

Tabella 2 – precisioni ottenibili per un sistema DGPS diretto Network Assisted



SnapTrack ha effettuato anche delle prove sperimentali di un sistema DGPS diretto Network

Assisted in ambienti cosiddetti “bad urban” (ovvero in strade urbane strette) e in situazioni indoor,

utilizzando un ricevitore di riferimento a 12 canali (ossia in grado di ricevere 12 satelliti

contemporaneamente), collegato al rover tramite rete cellulare analogica. Il sensore SnapTrackTM

utilizzato era dotato di un’antenna attiva off-the-shelf, ma alcuni test hanno dimostrato che

analoghi risultati sarebbero stati ottenuti utilizzando un’antenna passiva a microelica, più

facilmente integrabile nel ricevitore rover. I risultati sono riportati in tabella 3:

Ambito di misura Condizioni di misura Error at 67%

[m]

Strada urbana di Tokyo Palazzi di 210 piani, strade strette 15

Interno di autoveicolo Antenna interna all’autoveicolo, parcheggiato in strade

alberate e con palazzi a 2 piani

17

Casa di due piani Piano terra, centro del palazzo 20

Ufficio a due piani 1° piano, stanza interna del palazzo 22

Urban canyon di Denver Palazzi di 2030 piani, strade larghe 29

Palazzo di 50 piani Palazzo di vetro/acciaio, 21° piano, 5 metri dal muro

esterno

84

Tabella 3 – precisioni ottenute per un sistema DGPS diretto Network Assisted di SnapTrackTM

Nota sui tempi di latenza

Con riferimento al caso di DGPS diretto, le misure effettuate dal ricevitore GPS di riferimento in un

dato istante sono utilizzabili dal DGPS rover anche parecchi secondi dopo (tempo di latenza). Si

53/85

stima che l’accuratezza peggiora di circa 0,15 metri per ogni secondo trascorso dall’ultima volta

che sono stati calcolati i valori di correzione. I migliori risultati sono raggiunti con tempi di latenza

inferiori ai 30 secondi. Oltre 100 secondi la correzione non è più applicabile in quanto non vi è più

correlazione con le misure effettuate dal rover.


6.3.1 Versione ETSI

Come già detto, in ambito ETSI, non è ancora stata definita una proposta di integrazione tra GSM

e GPS. Di seguito si ipotizza un sistema DGPS inverso Network Assisted. Il ricevitore GPS rover

deve essere integrato, almeno dal punto di vista funzionale, con il terminale mobile GSM.

L’architettura di principio dovrebbe essere quella già illustrata nella sezione “Standard ETSI”

(Network Based o BSS Based) in cui sono introdotti due nuovi elementi nella rete GSM denominati

MLC (Mobile Location Center) ed LMU (Location Measurement Unit).


Per quanto riguarda le unità LMU, queste devono essere corredate di ricevitore GPS (di basso

costo) e devono essere in grado di misurare gli istanti di arrivo del segnale trasmesso dalle BTS e

quindi associare la temporizzazione delle trame TDMA osservate al tempo GPS.

Ciascuna LMU misura i tempi di arrivo dei segnali provenienti da un certo numero di BTS ben

identificate. L’associazione LMU/BTS deve essere nota all’MLC. Una LMU è tipicamente associata

a 6-7 BTS.

Le misure sono effettuate in modo continuo e vengono memorizzate localmente per un certo

periodo di tempo (nell’ordine di un paio di minuti). Opzionalmente possono essere riportate

periodicamente all’MLC (il periodo può andare da 30 secondi a 2 minuti).

Il numero di LMU necessarie è dipendente dalla distribuzione geografica delle BTS. In media si

deve prevedere una LMU ogni 4 siti radio.

La comunicazione tra LMU ed MLC e tra MS e MLC avviene tramite segnalazione GSM.

54/85

Oltre all’MLC ed alle unità LMU sono necessarie un certo numero di ricevitori GPS di riferimento

fissi. Tali ricevitori devono essere molto precisi (codice e fase, doppia frequenza). Il numero di

ricevitori di riferimento è legato all’accuratezza richiesta. Per ottenere un’accuratezza di circa 10

metri (67% dei casi) è necessario che il GPS rover si trovi a non più di 100 km di distanza da un

ricevitore GPS di riferimento; ne consegue che per il territorio italiano sono necessari circa 20-30

ricevitori di riferimento.

I ricevitori GPS di riferimento potrebbero collegarsi ad un server specializzato a sua volta collegato

con un MLC. Il server potrebbe anche essere integrato con l’MLC stesso. Nel seguito di questo

documento, se non altrimenti detto, si assume questa seconda soluzione.

La diffusione delle informazioni di aiuto ai ricevitori GPS rover che si trovano in una certa cella,

potrebbe essere fatta utilizzando il canale di controllo BCCH (via System Information). L’invio delle

informazioni potrebbe anche essere fatta all’occorrenza direttamente al mobile (punto-punto) per il

quale è stata richiesta la localizzazione.

La gestione delle informazioni di Network Assisted potrebbe essere fatta dall’MLC.

La parte di procedura di localizzazione specializzata per il GPS potrebbe svolgersi come segue

(nell’ipotesi di architettura Network Based):

12) l’SMLC chiede al mobile via MSC/VLR e BSS, di avviare la misura dei segnali provenienti dai

satelliti (positioning on demand). Se le informazioni di Network Assisted sono diffuse su canale

broadcast, il mobile dovrebbe già sapere quali satelliti misurare. Se le informazioni sono troppo

vecchie il mobile ne richiede un nuovo invio all’MLC (punto-punto). I risultati della misura,

completi dell’identificativo dei satelliti misurati, sono quindi inviati a ritroso dal mobile all’MLC.

Se è il mobile a richiedere l’avvio della procedura di localizzazione e le informazioni di Network

Assisted disponibili presso lo stesso mobile sono valide, questi è già in grado di inviare

all’MLC, insieme alla richiesta di localizzazione, anche i risultati delle misure effettuate

preventivamente; in questo caso la parte di procedura di localizzazione specializzata per il

metodo GPS prosegue immediatamente con il punto successivo. Se le informazioni di

assistenza non sono più valide, come nel caso precedente il mobile ne richiede l’invio all’MLC,

quindi effettua le misure ed infine invia i risultati all’MLC stesso.

13) L’SMLC identifica qual è il ricevitore GPS di riferimento più vicino al mobile e richiede a tale

unità i risultati delle sue misure. L’identificazione potrebbe essere fatta sulla base della

55/85

posizione “grossolana” ricavabile dai dati inviati dall’MS oppure sulla base del CI della cella in

cui è accampato il mobile.

14) L’SMLC riceve i risultati dal ricevitore GPS di riferimento, effettua i calcoli ed invia il risultato

all’LA (via MSC/VLR e GMLC). Se la richiesta di localizzazione era pervenuta dal terminale

mobile (Applicazione residente sul mobile), il risultato è inviato a quest’ultimo (via MSC e BSS).

Il metodo di localizzazione basato su GPS si presta anche ad essere utilizzato da applicazioni che

risiedono nel terminale mobile e che richiedono che il calcolo della posizione accurata sia

effettuato direttamente dallo stesso terminale (sistema DGPS diretto).

In questo caso le informazioni di assistenza diffuse in broadcast devono contenere anche i dati di

correzione differenziale. Se i dati di assistenza memorizzati nel mobile sono validi, quest’ultimo è

in grado di rilevare la sua posizione precisa senza interagire con l’MLC. Se i dati sono vecchi il

mobile ne richiede il rinvio (punto-punto) all’MLC. Ovviamente il ricevitore GPS integrato nel mobile

deve essere di tipo DGPS, ossia deve essere in grado di calcolare la posizione precisa del mobile

applicando la correzione differenziale.

Fin qui si è ipotizzato di utilizzare un sistema DGPS (inverso o diretto) Network Assisted.

Ovviamente il sistema si semplifica se si utilizza il GPS base Network Assisted. In questo caso

occorre solo un numero estremamente limitato di ricevitori GPS di riferimento (due o tre), ossia

quelli strettamente necessarie per ricavare i dati di Network Assisted. Anche nel caso di GPS base

si può optare o meno per la soluzione in cui è l’MLC ad effettuare il calcolo della posizione sulla

base delle misure inviategli dal mobile.

6.3.2 Versione non ETSI

Con riferimento al DGPS, la procedura di localizzazione non si avvale di alcuna assistenza di rete

e rimane completamente indipendente dalla rete GSM utilizzando di quest’ultima soltanto le

normali modalità di trasporto delle informazioni (Short Message e/o trasmissione dati) tra mobile

ed il centro che calcola la posizione o che comunque gestisce i ricevitori GPS di riferimento.

Per l’individuazione del ricevitore GPS di riferimento più conveniente è utilizzabile in modo

semplice solo il dato di posizione “grossolano” ricavabile dalle misure inviate dal mobile all’MLC.

56/85

Nel caso di utilizzo del solo GPS base, ovviamente risultano del tutto inutili i ricevitori GPS di

riferimento.


Nell’ipotesi di sistema Network Assisted i tempi di aggancio ai satelliti con una partenza a freddo si

riducono a pochi secondi.

Si ipotizza il caso di richiesta di localizzazione pervenuta da una LA esterna, che sia attuata la

diffusione delle informazioni di Network Assisted tramite canale broadcast e che tali informazioni,

memorizzate nel mobile siano ancora valide al momento in cui si avvia la procedura di

localizzazione.

Nel caso di DGPS inverso il calcolo viene effettuato dall’MLC e quindi bisogna considerare il tempo

necessario affinché l’MLC richieda al mobile di avviare le misure, il tempo di esecuzione delle

misure, il tempo di trasmissione dei risultati a ritroso verso l’MLC, il tempo impiegato per

individuare e ricevere i dati dal ricevitore GPS di riferimento più vicino al mobile ed infine il tempo

necessario per il calcolo della posizione. Nel caso ETSI si stima un tempo complessivo di 3-12

secondi.

Nel caso di DGPS diretto, il calcolo della posizione viene effettuato direttamente nel mobile ed i

tempi si riducono lievemente (2-10 secondi).

Nel caso di GPS base i tempi di localizzazione si riducono ma non in maniera significativa.

Si noti che nel caso si utilizzi un sistema DGPS inverted non ETSI in cui la trasmissione tra mobile

ed MLC avviene via Short Message, il tempo complessivo è molto più lungo, dell’ordine di 20-40

secondi, senza includere il TTFF (si considerano due Short Message, uno da MLC a mobile ed

uno nel verso contrario). Meno critico risulta un sistema DGPS diretto non ETSI in quanto il calcolo

della posizione viene effettuato direttamente nel mobile applicando una correzione differenziale

(inviatagli dalla rete via Short Message) che può essere vecchia anche di 30 s (si veda la nota sui

tempi di latenza nel paragrafo 6.2).

57/85


6.5.1 BTS, LMU e GPS di riferimento

Non vi è nessun impatto sulle BTS.

Per le unità LMU valgono le stesse considerazioni fatte nel caso di E-OTD.

I ricevitori GPS di riferimento possono essere collocate in qualsiasi punto della rete essendo

completamente indipendenti. Dato che per il territorio italiano sono sufficienti poche decine di

stazioni di riferimento per il GPS differenziale o addirittura poche unità per il GPS base Network

Assisted (come descritto più avanti nella sezione “Cenni sul dimensionamento”), queste

potrebbero essere installate ad esempio in sede di BSC e/o MSC. In tal caso sarebbe conveniente

utilizzare i collegamenti già esistenti nelle centrali (ad esempio rete DCN) per connettere i ricevitori

all’MLC.

Le dimensioni dei ricevitori GPS di riferimento sono contenute, anche includendo eventuali DC-DC

converter, scheda computer con hard disk, modem.

La disposizione dell’antenna del ricevitore di riferimento è molto importante sia per quanto riguarda

la precisione del punto in cui è installata, sia per quanto riguarda la stabilità nel tempo di tale

precisione. E’ evidente inoltre che l’antenna deve essere disposta in modo da avere un’ampia

visibilità del cielo.

6.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR, MLC

Nel caso di sistema GPS base o DGPS in versione ETSI, non vi sono ulteriori impatti sul BSC oltre

a quelli necessari per consentire il reperimento delle informazioni sul CI (e sul TA) di cui si è già

parlato nella sezione dedicata al CI+TA. L’HLR e l’MSC/VLR sono interessati solo da modifiche di

tipo software.

Nel caso di sistema GPS base o DGPS non ETSI non vi è alcun impatto sugli elementi della rete

GSM. Sarebbe necessario provvedere alla sola connessione dell’MLC con l’SMSC (Short

Message Service Center) e con l’MSC (nel caso in cui si voglia utilizzare anche la trasmissione

dati) tramite collegamenti standard. Ovviamente l’MLC deve essere collegato anche ai ricevitori

GPS di riferimento (caso DGPS) ad esempio rete DCN.

58/85

Nella versione ETSI l’MLC deve essere dotato di un data base in cui siano contenute le

informazioni relative alla posizione geografica delle unità LMU e l’associazione tra LMU e CI delle

celle comprese nella sua area di servizio. E’ opportuno collegare l’MLC al Data Base di Rete per

automatizzare quanto più possibile l’aggiornamento delle celle.

In caso di sistema GPS differenziale (ETSI o non ETSI) e/o Network Assisted è necessario che nel

data base dell’MLC siano contenute anche le informazioni relative alla posizione geografica dei

ricevitori GPS di riferimento.

A seconda se la rete GPS differenziale funziona in modalità inversa o diretta, l’MLC deve essere in

grado o meno di effettuare il calcolo della posizione precisa. Come già detto, anche nel caso di

GPS base si può optare per l’una o l’altra soluzione.

Si nota espressamente che una rete differenziale inversa può anche essere all’occorrenza

utilizzata in modalità diretta verso quegli utenti che lo richiedono (ovviamente dotati di DGPS

integrato o comunque collegato al terminale mobile).


Nel caso di sistemi GPS base o DGPS in versione ETSI è necessario integrare almeno a livello

funzionale un modulo di ricezione GPS in un terminale mobile GSM.

In caso di integrazione fisica, per quanto riguarda il chip GPS non sussistono problemi tecnici e di

ingombro (dell’ordine di 3 cm per lato ed 1 di spessore). Problemi maggiori sono invece

determinati dalla necessità di inserire nel mobile l’antenna di ricezione del segnale GPS;

attualmente le prove sperimentali vengono normalmente effettuate con antenne attive off-the-shelf,

anche se risultati preliminari ottenuti da SnapTrack con antenne passive a microelica indicano

possibilità di maggiore integrazione. L’ingombro di tali antenne è anch’esso dell’ordine di 3 x 3 x 1

centimetri.

Si nota che l’impiego di un sistema Network Assisted consentirebbe di limitare il consumo delle

batterie del terminale mobile con integrato un ricevitore GPS.

59/85




aggiungendo nuovi moduli.

Per quanto riguarda le unità LMU, per la rete TIM ne occorrerebbero circa 1200. E’ in corso

d’indagine la possibilità di ridurre drasticamente tale numero prevedendo l’utilizzo delle unità LMU

solo in ambito urbano senza degradare nel contempo la qualità del servizio sul resto del territorio

in modo significativo. Se tale possibilità fosse confermata, assumendo che circa il 30% dei siti

radio siano di tipo urbano, il numero di LMU necessari scenderebbe a circa 400.

Nel caso di DGPS, il numero di ricevitori GPS di riferimento necessarie è dipendente dal grado di

accuratezza che si vuol raggiungere. Per ottenere accuratezze nell’ordine dei 5-10 metri (con un

intervallo di confidenza del 67% nel caso di condizioni buone di visibilità del satelliti), è sufficiente

assumere come area di servizio di un ricevitore GPS di riferimento un cerchio di circa 100 km di

raggio. Per coprire la maggior parte del territorio italiano sono sufficienti circa 20-30 ricevitori GPS

di riferimento.

Nel caso di GPS base Network Assisted sono sufficienti pochi ricevitori GPS di riferimento (due o

tre), strettamente necessari per ricavare le informazioni di Network Assisted.

6.8 Fornitori, disponibilita’ e costi


Sono state analizzate tre proposte di progetto di rete DGPS inversa presentate rispettivamente da

Finsiel, Telespazio e Motorola. Tutti e tre i progetti presentati appaiono ancora in una fase iniziale,

e lasciano scoperti ancora molti punti importanti come ad esempio la comunicazione tra mobile e

l’entità centralizzata che effettua i calcoli.

Finsiel ha presentato un progetto di sistema DGPS inverted, denominato SNT (Sistema Nazionale

di Telecontrollo) in cui si prevedono circa 700 ricevitori GPS di riferimento (nel progetto

60/85

denominate SPR), circa 18 MLC (nel progetto denominati RTCS) ed un centro di supervisione e

catalogazione dei dati (CC). In questa ipotesi ciascun ricevitore GPS di riferimento avrebbe un

area di servizio di circa 10-15 km di raggio consentendo di raggiungere precisioni elevate,

nell’ordine delle decine di centimetri, nel calcolo della posizione del mobile. Per raggiungere tali

precisioni in tempo reale è necessario che il terminale mobile sia dotato di ricevitore GPS in grado

di effettuare misure di fase e di applicare modalità di misura particolari (RTK: Real Time Kinematic)

specifiche per applicazioni professionali. Un tale tipo di ricevitore risulta molto costoso e, allo stato

attuale delle conoscenze, nessuno dei costruttori di terminali più importanti sembra intenzionato ad

integrarlo in un telefono radiomobile.

Il sistema SNT (non ETSI) non prevede l’assistenza della rete e dovrebbe utilizzare lo Short

Message e/o la trasmissione dati per la comunicazione tra MLC e mobile.

Telespazio ha presentato un progetto molto simile a quello di Finsiel. I ricevitori GPS di riferimento

sono denominati RS (Reference Station), mentre l’MLC è denominato NSC (Navigation Switching

Center). Anche qui è previsto un centro di supervisione denominato NCC. Il progetto di Telespazio

prevede un estensione della rete di ricevitori di riferimento in tre fasi :

fase 1: 20 –25 RS

fase 2: 80 RS complessivamente

fase 3: 700 RS complessivamente

Nel progetto non è specificato il numero di NSC necessari. Per quanto riguarda la fase 2 e

soprattutto la fase 3, valgono le stesse considerazioni fatte per Finsiel.

Il sistema presentato da Motorola, denominato Telematics, consiste in una rete DGPS inversa

Network Assisted e sarà aggiornato allo standard ETSI (con riferimento soprattutto alla fase 3 della

standardizzazione in cui si provvederà ad una integrazione con il GPRS) non appena questo sarà

definito. Motorola è del parere che per il territorio italiano siano sufficienti poche unità di ricevitori

GPS di riferimento (2 o 3) per raggiungere accuratezze dell’ordine dei 5-10 metri (nel 67% dei

casi). Alla luce degli studi fatti anche con l’aiuto di CSELT, tale visione sembra però

eccessivamente ottimistica.

Il numero di LMU necessari è stimato in circa 1 ogni 3-6 siti radio. L’architettura di rete che sarà

adottata da Motorola è di tipo BSS Based, coincidente con quella proposta per l’E-OTD. Valgono

pertanto le stesse considerazioni fatte nel caso E-OTD.

61/85

Anche Nokia ha allo studio la possibilità di realizzare un sistema GPS/DGPS Network Assisted,

con architettura BSS Based coincidente con quella proposta per l’E-OTD. Anche per essa valgono

le stesse considerazioni fatte nel caso E-OTD.

Infine vi è Ericsson che appare interessate a fornire una soluzione GPS/DGPS Network Assisted.

Non sono ancora disponibili informazioni dettagliate su tale soluzione, ma è presumibile che

l’architettura a cui sta pensando Ericsson è di tipo Network Assisted.

Oltre alle proposte sopra menzionate esiste la possibilità di adottare una soluzione interna TIM

(con il supporto di Nikon/Trimble) per la realizzazione di una rete DGPS inversa. Sono infatti in via

di acquisizione 23 ricevitori GPS di riferimento (da collocare presso sedi di PTR) che saranno

utilizzati per la determinazione della posizione delle SRB. Tale rete di ricevitori, attualmente

progettata come rete DGPS per misure in post-processing, potrebbe essere utilizzata, apportando

le opportune modifiche all’architettura del sistema ed introducendo un MLC ad hoc, anche come

DGPS inversa (non ETSI) per la fornitura di servizi di localizzazione.

Si nota esplicitamente che un sistema di localizzazione basato su GPS secondo lo standard ETSI

(Network Based) potrà essere utilizzato sulla rete TIM solo a valle dell’aggiornamento SW degli

elementi di rete MSC/VLR ed HLR da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0 e 4.0 (si veda

la sezione dedicata all’U-TOA) che saranno rispettivamente rilasciate a metà 2000 e metà 2001. E’

necessario aggiornare ovviamente anche il SW dei BSC Italtel previsto con la release BR 6.0 a

fine 2000 (si veda la sezione dedicata al CI+TA).

Nel caso di utilizzo di un sistema GPS a standard ETSI basato su un’architettura BSS Based

valgono le stesse considerazioni fatte nel caso di E-OTD.

FORNITORE DISPONIBILITA’ COSTI

(lire)

FINSIEL (progetto SNT) Tecnologia già disponibile

Tempi di realizzazione:

6-8 mesi

Complessivi (700 GPS rif, 18 MLC, 1

CC)= 38,38 miliardi

(1 GPS rif = 32,3 milioni

1 MLC = 680 milioni

1 CC = 3,53 miliardi)

[Nota 1]

TELESPAZIO Tecnologia già disponibile


fase 1: 5 mesi

fase 2: +6mesi

fase 3: +9 mesi

Complessivi =

Fase 1: 9 miliardi

Fase 1+2 : 14 miliardi

Fase 1+2+3 : 59 miliardi

62/85

MOTOROLA (progetto TELEMATICS) 1Q 2001

NOKIA Nel corso del 2001 1200 LMU = 17,2 miliardi


[Nota 2]

ERICSSON

Soluzione interna TIM con supporto di

NIKON/TRIMBLE

In via di acquisizione.


circa 12 mesi (completamento

previsto entro giugno 2000)

Complessivi (23 GPS rif , server) =

750 milioni

[Nota 3]

Nota 1: Se si limitasse il numero di ricevitori GPS di riferimento a 25 e si utilizzasse un solo

MLC, si potrebbe fare a meno di acquisire il CC. Complessivamente il costo

scenderebbe a circa 1,49 miliardi.

Nota 2: Nokia ha fornito anche le stime dei costi delle modifiche SW degli elementi di rete e

dell’integrazione dell’MLC all’interno del BSC. Tali costi non sono però significativi in

quanto si riferiscono a reti realizzate con elementi di marca Nokia. A titolo di

comparazione nella tabella è stato riportato solo il costo dell’LMU non integrato alla

BTS. Si nota che ci si riferisce ad un LMU funzionante in entrambe le bande 900

MHz e 1800 MHz.

Nota 3: L’MLC considerato nell’attuale progetto non effettua il calcolo della posizione. E’

costituito da un semplice server NT opportunamente equipaggiato per I/O e per la

memorizzazione dei dati H24. Nell’ipotesi di riutilizzo della rete di riferimento per

realizzare un DGPS inverso dovrà essere rivista l’architettura della rete e l’MLC

dovrà essere aggiornato e potenziato in modo da renderlo capace di effettuare i

calcoli della posizione e di gestire l’assistenza di rete (Network Assisted). In base al

confronto con l’offerta Finsiel, si stima che tale aggiornamento dovrebbe costare

non più di 700 milioni.

6.8.2 Terminale mobile

Sono già da tempo disponibili sul mercato ricevitori GPS collegabili a terminali GSM. Tali ricevitori

utilizzano lo Short Message e/o la trasmissione dati per collegarsi direttamente ad un ricevitore

GPS di riferimento o ad un centro operativo. Il costo di tali terminali è estremamente variabile in

base della loro complessità (da 300.000 lire in su).

63/85

Per quanto riguarda l’integrazione di un ricevitore GPS all’interno di un terminale mobile, al

momento solo Motorola ha dichiarato che entro gennaio 2001 metterà sul mercato un terminale

mobile con questa caratteristica. Il costo incrementale del terminale dovrebbe essere inferiore al

20%-25%.

Motorola intende integrare nel terminale mobile un ricevitore GPS di tipo non differenziale (si

ipotizza che il calcolo della posizione sia effettuato a livello centralizzato).

Anche Nokia ed Ericsson sono interessate a immettere sul mercato terminali GSM con integrato

un ricevitore GPS e sono attualmente impegnate in sperimentazioni. In particolare Ericsson sta

effettuando prove con un chip fornito da Sirf (USA- California) adottando una soluzione di tipo

DGPS diretto con assistenza della rete. Ericsson/Sirf non hanno fornito indicazioni in merito al

costo di un terminale mobile che integri un DGPS ma si ritiene che per produzioni su scala

industriale i costi di ricevitori integrati GPS o DGPS dovrebbero essere pressoché analoghi (fonte:

Nikon/Trimble).

Per quanto riguarda i tempi di commercializzazione dei terminali Nokia ed Ericsson si ritiene che

siano simili a quelli indicati da Motorola (nel corso del 2001).

Tendler Cellular (USA – Boston) ha sviluppato insieme con Audiovox un terminale AMPS che

integra un ricevitore GPS, completo di antenna e chipset per calcolare le coordinate del punto in

cui si trova il mobile (GPS base). In seguito alla pressione di un tasto ad hoc, la posizione è inviata

al centro servizi, insieme al numero telefonico dell’utente chiamante, utilizzando una fonia

sintetizzata (su normale canale di traffico).

Il prodotto è denominato Fone Finder ed è rivolto principalmente ai servizi di emergenza. Il costo

aggiuntivo della parte GPS è di circa 300.000 lire. Tendler sta analizzando la possibilità di

estendere questo prodotto ai terminali GSM.

64/85

7 STK (SIM TOOL KIT)


L’STK è un set di comandi standardizzato in ambito ETSI che consente agli applicativi residenti

sulla carta SIM di “interlavorare” con il terminale mobile.

Tra i vari comandi inclusi nell’STK (con riferimento al set di comandi di classe 2 o superiore), uno

in particolare consente all’applicativo residente su SIM di richiedere al terminale le seguenti

informazioni:

- identità della cella servente

- livello del segnale ricevuto nella cella servente

- identità delle celle adiacenti

- livello del segnale ricevuto dalle celle adiacenti

In stato di idle il terminale mobile misura, almeno una volta ogni 10 secondi, il livello di potenza dei

segnali ricevuti (portante BCCH trasmessa dalle BTS sempre alla massima potenza) dalla cella

servente e dalle celle adiacenti e decodifica le identità (BSIC) di queste ultime (informazione

trasportata sul canale logico SCH). L’identificativo completo della cella servente è invece

un’informazione trasportata sul canale logico BCCH ed acquisita dal terminale mobile quando si

accampa su di una cella. Nel caso in cui il mobile è in stato dedicated, il livello del segnale della

cella servente è misurato sul time slot usato per la ricezione (canale logico SDCCH o TCH),

opportunamente corretto per tenere in conto il controllo di potenza (se attivo in rete).

Teoricamente il mobile può misurare fino a 16 (o 32) portanti, ma solo le misure relative alle 6

migliori celle (più la servente) sono memorizzate nel terminale e, nel caso in cui il terminale passa

nello stato dedicated, riportate alla BSS sul canale logico SACCH, con periodicità di 480 ms.

Si nota che nel caso di terminali dual-band le sei celle migliori celle possono includere anche celle

della rete a 1800 MHz.

Allo stato attuale lo standard ETSI impone che il terminale mobile risponda al comando STK

fornendo obbligatoriamente solo l’identificativo della cella servente. Le altre informazioni sono

65/85

contenute opzionalmente nel messaggio di risposta, in dipendenza dalle scelte del costruttore

dell’apparato mobile.

Di seguito si ipotizza, in linea con il sistema di localizzazione proposto da CellPoint System

(Svezia), che il terminale sia in grado di fornire, oltre all’identificativo della cella servente anche le

informazioni su livelli di segnale della stessa celle servente e delle celle adiacenti debitamente

identificate.

Nel caso più semplice di propagazione dei segnali in spazio libero; la potenza Pr ricevuta dal

mobile da una BTS può esprimersi come:

rtt

2

r GGPR4

P

(1)

ove Pt è la potenza trasmessa, Gt e Gr sono rispettivamente i guadagni delle antenne di

trasmissione e di ricezione, è la lunghezza d’onda del segnale, ed R è la distanza tra le due

antenne. Se tutte queste grandezze fossero note, sarebbe possibile stimare la distanza R, ossia

supporre che il mobile sia posizionato in un punto della circonferenza con centro coincidente con la

BTS e raggio R.

Delle grandezze che compaiono nella relazione (1) sono note Pr (misurata dal terminale), Pt

(potenza massima con cui trasmette la cella) ed ovviamente Nell’ipotesi di antenne settoriali, il

guadagno Gt è un valore che varia a secondo della direzione in cui si trova il mobile rispetto

all’antenna trasmittente, pertanto è necessario conoscere il diagramma di radiazione di tali

antenne. Analogamente Gr è un valore che dipende dall’angolazione con cui il mobile riceve il

segnale. In realtà Gr è molto basso (addirittura negativo) e si può assumere per tutte le direzioni

pari ad esempio a -1 dBi.

Dalla conoscenza delle grandezze sopra indicate e dalle caratteristiche orografiche e di

urbanizzazione del luogo in cui sono collocate le BTS misurate, è possibile risalire tramite apposite

elaborazioni di copertura alla porzione di area in cui è più probabile che sia posizionato il terminale

mobile.

66/85


Le maggiori criticità insite nel metodo di localizzazione basato sull’analisi dei livelli dei segnali

ricevuti dal terminale mobile riguardano ovviamente le condizioni ambientali in cui avviene la

propagazione del segnale radio. Ad esempio un ambiente urbano è caratterizzato da parecchi

ostacoli ed il segnale è soggetto a numerosi cammini multipli, i cui effetti sul livello del segnale

ricevuto sono estremamente variabili nel tempo (si pensi all’affievolimento del segnale prodotto da

un grosso camion che passi in prossimità del mobile di cui determinare la posizione).

Inoltre può capitare che, a causa del fallimento ripetuto di tentativi di handover tra celle adiacenti,

al mobile venga impedito per un certo periodo di tempo di effettuerà misure verso determinate

celle, rendendo più problematica la valutazione della propria posizione con questo metodo.

Oltre ai problemi sopra evidenziati bisogna considerare che le condizioni della rete cambiano

frequentemente nel tempo (con particolare riferimento ad aggiustamenti di antenne e potenze,

etc…). Ciò determina un’elevata difficoltà a mantenere un data base aggiornato sui dati delle celle

in modo tale da consentire un impiego efficace degli algoritmi di rilevazione della posizione del

mobile basati sui livelli di segnale.

CellPoint afferma di utilizzare un software particolarmente sofisticato che applica algoritmi di tipo

“neurale”, ossia in grado di “imparare” e quindi di correggere gli errori di localizzazione più

grossolani in base all’esperienza acquisita.

Allo stato attuale non sono disponibili risultati di simulazioni o sperimentazioni in campo. CellPoint

stima comunque che, utilizzando i livelli di segnale ricevuto, l’accuratezza raggiungibile è

dell’ordine di metà raggio della cella in cui è accampato il mobile.

In conclusione, considerando le criticità precedentemente evidenziate, si assume che la

metodologia proposta da CellPoint consente di raggiungere accuratezze coincidenti con la

dimensione dalla cella e che solo sotto condizioni favorevoli è possibile ottenere un miglioramento

dell’accuratezza portandola a circa mezzo raggio di cella.

67/85


E’ necessario introdurre in rete un elemento che effettui i calcoli per ricavare la posizione del

mobile. Le funzioni di tale entità sono del tutto simili a quelle dell’MLC già descritte nella sezione

“Standard ETSI”, pertanto per comodità anche in questa sezione tale entità sarà chiamata MLC.

Nella soluzione proposta da CellPoint l’MLC comunica con il terminale mobile solo via Short

Message. Ne consegue che l’MLC deve essere collegato al SMSC (Short Message Service

Center).

Se è il mobile a richiedere la propria localizzazione, con la richiesta invia anche i dati già raccolti su

SIM. L’MLC effettua il calcolo della posizione ed invia il risultato a ritroso verso il mobile. Se invece

la richiesta di localizzazione perviene da un applicazione esterna, l’MLC richiede al mobile (sempre

via Short Message) di trasmettergli i dati raccolti su SIM, quindi effettua il calcolo della posizione e

restituisce il risultato all’applicazione esterna.


Il tempo necessario per effettuare il calcolo della posizione del mobile, dal momento in cui il mobile

invia la richiesta di localizzazione fino al momento in cui riceve la risposta, è in massima parte

legato ai tempi di trasmissione degli Short Message (due Short Message, rispettivamente da

mobile a MLC e da MLC a mobile). Complessivamente il tempo necessario non è inferiore ai 20-30

secondi.

Anche nel caso in cui la richiesta perviene da un’applicazione esterna è necessario utilizzare due

Short Message, da MLC a terminale mobile per richiedere i dati e da terminale a MLC per la

risposta. Pertanto il tempo complessivo è ancora dell’ordine dei 20-30 secondi.


Non vi è nessun impatto sugli elementi già esistenti nella rete GSM (BTS, BSC, MSC/VLR, HLR).

68/85

Per quanto riguarda l’MLC, questo deve essere dotato di un database sempre aggiornato sulle

celle della rete (posizione geografica delle celle, potenza, tipo di antenne, puntamento, guadagno),

sia a 900 MHz sia a 1800 MHz, e sulla loro disposizione sul territorio in termini di coordinate.



Considerando che le condizioni della rete cambiano frequentemente nel tempo (con particolare

riferimento ad aggiustamenti di antenne e potenze, etc…) si ritiene estremamente difficoltoso

mantenere il data base dell’MLC aggiornato in modo tale da consentire un impiego efficace degli

algoritmi di rilevazione della posizione del mobile basati sui livelli di segnale.


Soltanto i terminali GSM di fase 2+ supportano le funzionalità STK. Inoltre, data l’opzionalità delle

informazioni relative ai livelli di segnale e degli identificativi delle celle adiacenti (NMR: Network

Measurement Report), non è assicurato che tutti i terminali di fase 2+ con funzionalità STK

consentano stime della posizione basate sull’analisi dei segnali ricevuti.

D’altra parte, dato che l’estensione delle funzionalità STK con l’NMR richiede solo lievi modifiche

software, è ragionevole supporre che almeno le manifatturiere più importanti adeguino in tempi

brevi i loro prodotti in tal senso.

Si sottolinea che nel caso di terminali supportanti l’STK è necessario che sulla SIM sia caricato il

SW necessario per gestire le operazioni di localizzazione su lato mobile.




aggiungendo nuovi moduli. L’MLC proposto da CellPoint nella sua configurazione base è in grado

di calcolare 5 posizioni al secondo.

69/85



Al momento soltanto CellPoint offre un sistema di localizzazione che utilizza l’STK. Il sistema

commercializzato da CellPoint è basato su tecnologia sviluppata dalla società WASP International

(Sud Africa).

La tecnologia è già disponibile e potrebbe essere messa in campo in pochi mesi.

FORNITORE DISPONIBILITÀ’ COSTI

(lire)

CELL POINT Tecnologia già disponibile.


3-4 mesi

Pay per Grow [Nota 1]

Nota 1: Da stabilire

7.8.2 Terminale Mobile

L’inserimento delle funzionalità di STK nel terminale mobile incidono marginalmente sul costo del

terminale stesso.

Per quanto riguarda la disponibilità, sono già in commercio terminali che supportano l’STK di

classe 2. Alcuni di questi (Siemens, Motorola) supportano anche l’NMR. Nella tabella che segue è

fornita una lista di esempio.

Handset Manufacturer

STK Class Compliance

Product Designation

ALCATEL

2 2 3

One Touch View One Touch Pocket One Touch Pocket Dual Slot

BOSCH / DANCALL

2 2

738 S15-E

70/85

ERICSSON

2 2 2 2 2

GH 668 SH 868 SH 888 1018 T 18

MITSUBISHI

2

MT 30

MOTOROLA

2 2 2 2 2 3 2

CD 920 CD 928 CD 930 Startac X Startac 130 Startac Dual Slot V 3688 Kramer

NEC

2

DB 2000

NOKIA

2 2

6150 7110

PANASONIC

2

GD 70

PHILIPS

2

Available Q1 ‘99

SAGEM

2

RC 730

SIEMENS

2 2 2 2 2 2 2 2

S 10 S 10 Active S 15E S 25 SL 10 SL 1088 C 10 C 25

SONY

2 2

CMD-Z1 CMD-Z1+

71/85

8 AOA (ANGLE OF ARRIVAL)


Questo metodo è noto anche con il nome DOA (Direction Of Arrival).

Il terminale mobile (MS) trasmette un segnale in un certo istante. Questo segnale deve essere

ricevuto da apposite unità di misura (nella figura denominate LMU: Location Measurement Unit)

che ne misurano l’angolo di arrivo. Per ciascuna LMU si può così determinare una retta. Le rette si

intersecano nel punto in cui si trova il mobile.

Le unità che misurano l’angolo di arrivo devono essere equipaggiate con sistemi di antenna

progettate specificamente per questo genere di applicazioni (phased array di due o più elementi di

antenna).

Si osservi che, nel caso di un phased array con n elementi di antenna disposti a distanza d l’uno

dall’altro, la differenza temporale con cui arriva il segnale ricevuto dallo i-esimo elemento rispetto

al segnale ricevuto dal primo elemento è dato da

(i-1) d cos / v

dove è l’angolo di incidenza del segnale rispetto alla direzione lungo la quale sono allineati gli

elementi dell’array e v è la velocità con cui si propaga il segnale. La distanza d è dell’ordine di

mezza lunghezza d’onda.

LMU

(1) LMU

(2)

MS LMU=Location Measurement Unit

MS=Mobile Station

72/85

Un metodo relativamente semplice per calcolare l’angolo di arrivo è noto come “phase

interferometer”. In questo metodo si misurano direttamente le differenze di fase del segnale

ricevuto da coppie di elementi di antenna. Dalle differenze di fase si risale alle differenze temporali

e quindi alla misura dell’angolo di arrivo del segnale.

Vi sono altri metodi, più complessi ma che lavorano meglio in ambiente con multipath, che

utilizzano algoritmi ML (Maximum Likelihood). Questi metodi sostanzialmente stimano un AOA per

ciascun path ricevuto e quindi determinano quello più probabile. La ricerca è complicata dal fatto

che non è conosciuto a priori il numero totale di path da tenere in conto.



- precisione dei punti in cui sono collocate le unità LMU. E’ sufficiente che l’accuratezza sia

nell’ordine del metro.

- disposizione delle unità LMU rispetto al mobile da localizzare. Ovviamente quanto più il

terminale mobile è allineato con le unità LMU tanto meno accurata è la misura.

Nell’ambito delle applicazioni di localizzazione nelle reti cellulari, il metodo AOA è quasi

esclusivamente proposto in congiunzione con il metodo U-TOA.

In tale ipotesi le accuratezze raggiungibili migliorano del 40-50% rispetto a quelle ottenibili con il

solo metodo U-TOA (si veda la sezione dedicata all’U-TOA) a parità di condizioni.

d

73/85

L’AOA in congiunzione con l’U-TOA consente di ridurre il numero minimo di LMU necessarie per

stimare la posizione del mobile da tre a due. Anche il problema di una cattiva disposizione delle

unità LMU rispetto al mobile si riduce drasticamente; basti pensare al caso di terminale mobile

allineato con le due LMU che lo misurano: la posizione del mobile è ottenibile come intersezione di

una retta con un’iperbole.


Anche se l’AOA non è oggetto di standardizzazione da parte dell’ETSI, è necessario adottare

un’architettura ed una procedura di localizzazione del tutto simile a quella già vista per l’U-TOA.

L’unica differenza riguarda le unità LMU che in questo caso devono essere in grado di effettuare le

misure degli angoli di arrivo del segnale trasmesso dal terminale mobile che si vuol localizzare.

Ovviamente, se si utilizzano entrambi i metodi AOA e U-TOA, le unità LMU devono essere capaci

di effettuare entrambi i tipi di misura.


Valgono le stesse considerazioni fatte per l’U-TOA.


8.5.1 BTS ed LMU

Anche nel caso AOA (o AOA + U-TOA) le unità LMU possono essere collocate in qualsiasi punto

della rete essendo unità completamente indipendenti dalle BTS. Le unità devono essere dotate di

un sistema di antenne progettato ad hoc per questo tipo di applicazione. Le dimensioni di un array

composto da 3-5 elementi è comunque ridotto, dell’ordine di 80 cm x 25 cm

74/85

Per il resto valgono le stesse considerazioni fatte per l’U-TOA.

8.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR, MLC



Nessuno




Allo stato attuale è stato contattata un solo fornitore, SigmaOne (USA – California) che offre un

sistema di localizzazione basato su AOA + U-TOA. Si vedano i commenti già fatti nel

corrispondente paragrafo della sezione dedicata all’U-TOA.

Nella tabella seguente sono indicati a titolo informativo anche altri due fornitori USA che offrono

sistemi di localizzazione basati su AOA+U-TOA (Radix Technology) oppure solo AOA (KSI).

Anche per questi valgono ovviamente le stesse considerazioni fatte per SigmaOne.

FORNITORE DISPONIBILITÀ’

COSTI

(lire)

SIGMAONE

(AOA + U-TOA)

5000 = 4Q 1999

MLC = ?


(1 LMU < 37 milioni)

[Nota 1]

75/85

RADIX TECHNOLOGY

(AOA + U-TOA)

1Q 2000

KSI

(AOA)

4Q 1999

Nota 1: La stima fornita da SigmaOne si riferisce ad LMU che integrano sia le funzioni

necessarie per l’U-TOA sia le funzioni ed il sistema di antenne necessarie per

l’AOA. SigmaOne ha comunque inaspettatamente sottolineato che l’AOA non incide

in maniera rilevante sul costo dell’LMU.

76/85

9 COMPARAZIONI TRA I VARI METODI DI LOCALIZZAZIONE

I metodi CI+TA, U-TOA e AOA sono orientati alle applicazioni per le quali è necessario conoscere

la posizione del mobile a livello centralizzato.

I metodi E-OTD, GPS e STK sono orientati alle applicazioni di localizzazione che risiedono

direttamente nel terminale mobile e che necessitano di conoscere la posizione sul lato utente e

non a livello centralizzato. Questi metodi possono comunque essere utilizzati efficacemente anche

nel caso in cui si richiede che il calcolo della posizione sia effettuato a livello centralizzato.

Di seguito si fornisce una tabella che riassume le caratteristiche più importanti dei vari sistemi

analizzati.

Per quanto riguarda l’accuratezza si sono indicati, quando possibile, tre valori relativi agli scenari

outdoor Urban A (area urbana densa), indoor Urban A, outdoor Rural. I valori sono dati con un

intervallo di confidenza del 67 % e si riferiscono a mobili quasi stazionari (3 km/h).

Per quanto riguarda il tempo occorrente per effettuare una localizzazione, si è assunto che in tutti i

metodi il calcolo della posizione sia effettuato a livello centralizzato (MLC) e che la richiesta di

localizzazione pervenga da una applicazione esterna. Il tempo occorrente è valutato dal momento

in cui la richiesta perviene all’MLC fino al momento in cui è disponibile il risultato presso l’MLC

stesso.

ME

TO

DO

AC

CU

RA

TE

ZZ

A

(me

tri)

TE

MP

O O

CC

OR

RE

NT

E

PE

R U

NA

LO

CA

LIZ

ZA

ZIO

NE

(se

co

nd

i)

IMP

AT

TO

SU

L

TE

RM

INA

LE

MO

BIL

E

IMP

AT

TO

SU

GL

I

EL

EM

EN

TI

DI

RE

TE

GIA

’ E

SIS

TE

NT

I

NU

OV

I E

LE

ME

NT

I

(sti

ma

de

l n

um

ero

di

ele

men

ti n

ec

es

sa

ri)

CO

ST

I

INF

RA

ST

RU

TT

UR

E

(lir

e)

CI+TA

(ETSI)

Rif. Ericsson

e Italtel

Corona o sezione

di corona circolare

di ampiezza di 550

metri

[Nota 1]

< 2 NESSUNO SW

(MSC/VLR,

HLR, BSC)

MLC SW + MLC

(Ericsson) =

7,3 miliardi

[Nota 2]

+

SW (Italtel,

solo BSC) =

0,5 miliardi

[Nota 3]

continua

77/85

ME

TO

DO

AC

CU

RA

TE

ZZ

A

(metr

i)

TE

MP

O

OC

CO

RR

EN

TE

PE

R

UN

A

LO

CA

LIZ

ZA

ZIO

NE

(se

co

nd

i)

IMP

AT

TO

SU

L

TE

RM

INA

LE

MO

BIL

E

IMP

AT

TO

SU

GL

I

EL

EM

EN

TI D

I R

ET

E

GIA

’ E

SIS

TE

NT

I

NU

OV

I E

LE

ME

NT

I

(sti

ma d

el

nu

mero

di

ele

me

nti

nec

es

sari

)

CO

ST

I

INF

RA

ST

RU

TT

UR

E

(lir

e)

U-TOA

(ETSI)

Rif. Ericsson e

Italtel

97 (out. Urb. A)

98 (ind. Urb. A)

40 (out. Rur.)

3 – 4 NESSUNO SW

(MSC/VLR,

HLR, BSC)

[Nota 4]

MLC

LMU (2400)

SW + MLC +

2400 LMU =

53,4 miliardi

[Nota 5]

E-OTD (ETSI) 159 (out. Urb. A)

206 (ind. Urb. A)

55 (out. Rur.)

3 – 4

[Nota 6]

SW SW

(MSC/VLR,

HLR, BSC)

[Nota 7]

MLC

LMU (1200)

SW + MLC +

1200 LMU =

26,4 miliardi

[Nota 7]

E-OTD

(non ETSI)

Rif. CPS

103 (out Urban)

89 (indoor Urban)

[Nota 8]

20 – 30 SW NESSUNO MLC

LMU (1200)

[Nota 9]

MLC = per

transazione

+

1200 LMU =

18,6 miliardi

[Nota 9]

GPS base

Network

Assisted

(ETSI)

80 (out. Urban)

55 (ind. Urban)

40 (out. Rural)

[Nota 10]

< 3-12 SW/HW

(ricev. GPS

integrato)

SW

(MSC/VLR,

HLR, BSC)

[Nota 11]

MLC

LMU (1200)

GPS rif (3)

SW + MLC +

1200 LMU +

3 GPS rif =

26,5 miliardi

[Nota 11]

GPS base

(non ETSI)

50

[Nota 12]

20-40

Nota 13

SW/HW

(ricev. GPS

collegato)

NESSUNO MLC MLC =

0,5 miliardi

[Nota 14]

DGPS

inverted

Network

Assisted

(ETSI)

29 (out. Urb. Ca.)

20 (ind. 1° piano)

5 (out. Rural)

[Nota 15]

3-12 SW/HW

(ricev. GPS

integrato)

SW

(MSC/VLR,

HLR, BSC)

[Nota 11]

MLC

LMU (1200)

GPS rif (25)

SW + MLC +

1200 LMU +

25 GPS rif =

27,2 miliardi

[Nota 11]

DGPS

inverted

(non ETSI)

Rif. Finsiel

5-10 (out Rural)

[Nota 12]

20 – 40

[Nota 13]

SW/HW

(ricev. GPS

collegato)

NESSUNO MLC

GPS rif (25)

[Nota 16]

MLC + 25

GPS rif =

1,5 miliardi

[Nota 16]

STK

Rif. CellPoint

Dimensione della

cella

[Nota 17]

20 – 30 SW (term.

di fase 2+)

Applicativo

su SIM

NESSUNO MLC MLC =

Pay per

grow

[Nota 18]

AOA+U-TOA

(ETSI)

Rif. SigmaOne

< 60 (out. Urb. A)

< 60 (ind. Urb. A)

< 24 (out. Rur.)

3 – 4 NESSUNO SW

(MSC/VLR,

HLR, BSC)

[Nota 19]

MLC

LMU (2400)

SW + MLC +

2400 LMU <

96,6 miliardi

[Nota 19]

78/85

Nota 1: L’accuratezza data rappresenta il valore peggiore.

Nota 2: Il costo fornito è relativo ad una soluzione di marca (release MPS 2.0) che non è

quindi a standard ETSI. Il costo della release successiva (MPS 3.0), che recepirà

completamente lo standard ETSI, dovrebbe essere dello stesso ordine di

grandezza.

Con riferimento all’MPS 2.0, Ericsson propone, in alternativa al prezzo fisso, un

modello “pay per grow” il cui scopo è quello di avere una condivisione iniziale dei

rischi tra Ericsson e TIM. Il costo del sistema alla fine della curva di crescita sarà più

elevato rispetto al modello a prezzo fisso.

Il modello pay per grow si compone di un costo fisso pari a 1,488 miliardi più un

costo variabile, da pagare annualmente, strutturato come segue:

Licenza annuale variabile: 3.000 lire per utente posizionato almeno una volta

nell’anno

Licenza variabile (PAYG): 500 lire per singolo posizionamento

La PAYG prevede un decremento del prezzo unitario all’aumentare del numero di

posizionamenti, fino a raggiungere il valore nullo. La soglia oltre la quale si annulla il

valore non è stata ancora determinata da Ericsson.

Nota 3: Italtel non ha ancora presentato un’offerta. Si stima comunque che l’aggiornamento

dei BSC non dovrebbe superare i 500 milioni.

Nota 4: L’introduzione dell’U-TOA presuppone che la rete sia aggiornata anche per

supportare il CI+TA, ossia che siano introdotte da parte di Ericsson ed Italtel le

modifiche SW connesse a tale metodologia.

Nota 5: Non sono state presentate offerte. I valori forniti sono ricavati assumendo per

l’aggiornamento SW e l’MLC lo stesso valore del caso CI+TA (Ericsson + Italtel),

mentre per l’LMU si è assunto un costo unitario di 19 milioni (estremo superiore di

una stima fatta da Italtel).

Nota 6: se il mobile è in grado di effettuare le misure in modo continuo, il tempo si riduce di

1-2 secondi. Se le misure effettuate dalle LMU sono riportate periodicamente

79/85

all’MLC (ossia non devono essere richieste ad ogni posizionamento) il tempo si

riduce di un altro secondo.

Nota 7: Non sono state presentate offerte (a parte una proposta di Nokia che però non è

applicabile alla rete TIM). L’introduzione della metodologia di localizzazione basata

su E-OTD a standard ETSI richiede l’aggiornamento del SW dell’MSC/VLR,

dell’HLR e del BSC in linea con quanto previsto per l’introduzione dell’U-TOA.

Pertanto si è stimato un costo per l’aggiornamento SW e per l’MLC in linea con

quello stimato per l’U-TOA. Per quanto riguarda l’LMU si è considerato il valore

fornito da CPS per il suo sistema basato su E-OTD, ma non a standard ETSI (1

LMU = 15,5 milioni).

Nota 8: valori sperimentali.

Nota 9: Le unità LMU attualmente offerte da CPS non sono in grado di effettuare misure a

1800 MHz. CPS afferma che non vi sono particolari problemi tecnici per realizzare in

futuro LMU in grado di effettuare misure sia a 900 MHz sia a 1800 MHz.

L’introduzione delle misure a 1800 MHz determinerà un incremento di circa il 20%

del costo del SW/HW della LMU. Nella stima riportata in tabella già si tiene conto di

questo incremento (1 LMU = 15,5 milioni). CPS ha proposto un pagamento dell’MLC

su base transazione (ancora da stabilire).

Nota 10: I valori per l’outdoor Urban e Rural sono stati ottenuti da test/simulazioni di Ericsson;

il valore per l’indoor Urban è stato ottenuto da una sperimentazione in campo

effettuata da SnapTrack

Nota 11: L’introduzione della metodologia di localizzazione basata su GPS a standard ETSI

richiede l’aggiornamento da parte del SW dell’MSC/VLR, dell’HLR e del BSC in

linea con quanto previsto per l’introduzione dell’U-TOA. Pertanto si è stimato un

costo per l’aggiornamento SW e per l’MLC in linea con quello stimato per l’U-TOA.

Per quanto riguarda l’LMU si è utilizzato il costo fornito da CPS (1 LMU = 15,5

milioni). E’ allo studio la possibilità di ridurre il numero di LMU da 1200 a 400

prevedendone l’installazione solo nelle aree urbane senza degradare la qualità del

servizio nel resto del territorio in modo significativo. Se tale possibilità fosse

confermata si risparmierebbero circa 12,4 miliardi sui costi indicati in tabella. Per

quanto riguarda i ricevitori GPS di riferimento si è stimato un costo unitario di 32,3

milioni sulla base di un analisi condotta sui prodotti Trimble/Nikon.

80/85

Nota 12: Si è indicata solo l’accuratezza ottenibile in situazioni ottimali in quanto tali sistemi,

non utilizzando l’assistenza dalla rete, non sono in grado di fornire un servizio

affidabile (in tempo reale) in situazioni indoor o di aree urbane dense.

Nota 13: Si è assunto che il trasporto dei dati avvenga tramite Short Message.

Nota 14: Non sono state presentate offerte. Si è assunto per l’MLC un costo di 500 milioni.

Nota 15: I primi due valori sono stati ricavati sperimentalmente da SnapTrack (con chip GPS

fornito da Motorola) rispettivamente nel caso di outdoor Urban Canyon di Denver e

di indoor al 1° piano di un palazzo di due piani. Il terzo valore (outdoor in area

rurale) è invece il risultato di una simulazione effettuata da Ericsson.

Nota 16: Si è considerata l’offerta Finsiel limitata alla sola introduzione di 25 ricevitori GPS di

riferimento ed 1 MLC (l’offerta completa di Finsiel è dimensionata per 700 GPS rif.

ed ammonta a 38,4 miliardi, includendo 18 MLC e 1 Centro di Controllo). Si segnala

anche un’offerta di Telespazio suddivisa in tre fasi: la prima fase include 25 GPS rif.

ed è valorizzata in 9 miliardi; la seconda fase prevede 80 GPS rif.

complessivamente ed è valorizzata in 9+5= 14 miliardi; la terza fase prevede 700

GPS rif. complessivamente ed è valorizzata in 9+5+45= 59 miliardi.

Nota 17: CellPoint sostiene che, nel caso fossero disponibili anche le misure dei segnali

provenienti dalle celle adiacenti, l’accuratezza potrebbe arrivare a ½ raggio di cella.

Nota 18: Da stabilire.

Nota 19: L’introduzione dell’AOA+U-TOA richiede l’aggiornamento del SW dell’MSC/VLR,

dell’HLR e del BSC in linea con quanto previsto per l’introduzione dell’U-TOA.

Pertanto si è stimato un costo per l’aggiornamento SW e per l’MLC in linea con

quello stimato per l’U-TOA. Per l’LMU si è assunto un valore unitario stimato da

SigmaOne pari a 37 milioni.

Per quanto riguarda i costi, nella tabella sopra riportata si è assunto che l’introduzione di ciascuna

metodologia sia indipendente da qualunque altra. In realtà è possibile introdurre prima una

metodologia per poi evolvere verso un’altra metodologia. Ovviamente in questo caso il costo di

81/85

adeguamento è dato in prima approssimazione dalla differenze dei costi dati in tabella per

ciascuna metodologia. Un esempio di possibili transizioni è dato dal seguente schema:

Nella tabella che segue si fornisce un’indicazione sulla disponibilità delle varie tecnologie, sia per

le infrastrutture sia per i terminali mobili. Per le infrastrutture sono tenuti in conto, dove occorre, i

tempi di rilascio degli aggiornamenti SW degli elementi di rete da parte di Ericsson (MSC/VLR,

HLR, BSC) ed Italtel (BSC):

METODO DISPONIBILITÀ

INFRASTRUTTURE

DISPONIBILITA’

TERMINALI

CI+TA (ETSI) Fine 2000 [Nota 1] Sono utilizzabili tutti i

terminali già esistenti

U-TOA (ETSI) Metà 2001 [Nota 2] Sono utilizzabili tutti i


E-OTD (ETSI) Metà 2001 [Nota 2] 2000 [Nota 3]

E-OTD (CPS) Fine 1999 1999 [Nota 4]

GPS base Network Assisted (ETSI) Metà 2001 [Nota 2] 1Q 2001 [Nota 5]

GPS base (non ETSI) Già disponibile GPS non integrato

(applicazioni speciali)

Già disponibili

DGPS inverted

Network Assisted (ETSI)

Metà 2001 [Nota 2] 1Q 2001 [Nota 5]

DGPS inverted (non ETSI) Già disponibile GPS non integrato

(applicazioni speciali)

Già disponibili

STK Fine 1999 1999 [Nota 6]

AOA + U-TOA Metà 2001 [Nota 2] Sono utilizzabili tutti i


Nota 1: Ericsson ha già disponibile una release (MPS 2.0) che però non è standard ETSI.

La release successiva (MPS 3.0, collegata alla CM20 R8) sarà disponibile per metà

CI+TA

E-OTD

(ETSI)

GPS base N. A.

(ETSI)

GPS base (non ETSI)

DGPS inverted

(non ETSI)

DGPS inv. N. A.

(ETSI)

U-TOA

(ETSI)

E-OTD

(CPS)

AOA + U-TOA

(ETSI)

82/85

2000 e recepirà completamente lo standard ETSI. Per consentire il funzionamento

del CI+TA su tutto il territorio è necessario che siano aggiornati anche i BSC Italtel.

Quest’ultima rilascerà gli aggiornamenti necessari con la release RB 6.0 prevista

per fine 2000.

Nota 2: Per introdurre in rete, l’U-TOA, l’E-OTD, GPS e AOA+U-TOA nelle versioni ETSI

Network Based è necessario che sia aggiornato il SW di alcuni elementi di rete

(MSC/VLR, HLR, BSC). Ericsson completerà gli aggiornamenti necessari per metà

2001 (MPS 4.0 – CM20 R9). Per quanto riguarda i BSC Italtel, quest’ultima avrà

disponibile l’aggiornamento per fine 2000 (release RB 6.0).

Nel caso in cui si opti per una soluzione ETSI BSS based (ad esempio come

indicato da Motorola per l’E-OTD e per il GPS) sarà necessario esercitare una

notevole pressione su Ericsson per ottenere gli opportuni aggiornamenti SW degli

elementi di rete. Per quanto riguarda Italtel, questa ancora non ha fornito

un’indicazione chiara su quale è il suo interesse per i metodi E-OTD e GPS, né

tantomeno se predilige un’architettura, piuttosto che l’altra.

Nota 3: I primi terminali compatibili con l’E-OTD in versione ETSI non potranno essere

disponibili prima del 2000 (lo standard sarà ultimato a novembre 1999).

Nota 4: Allo stato attuale solo Maxon (Corea) produce un terminale mobile (MX3204,

distribuito in Italia da Startel) compatibile con il sistema di localizzazione proposto

da CPS.

Nota 5: Al momento solo Motorola ha dichiarato che metterà sul mercato un terminale con

integrato un ricevitore GPS, aggiornato allo standard ETSI per la localizzazione, nel

primo trimestre del 2001. Anche Nokia ed Ericsson sono interessati ad immettere

sul mercato tale tipo di terminali. Dai contatti avuti si intuisce che anche per loro vale

l’indicazione del 2001.

Nota 6: Già sono commercializzati terminali che supportano l’STK classe 2 (terminali di fase

2+; si veda la sezione dedicata all’STK). Questi terminali consentono la

localizzazione del terminale su base CI. Solo alcuni (Siemens, Motorola)

consentono la localizzazione anche sulla base dei livelli di segnali delle celle

adiacenti.

83/85

Come visto, solo i metodi E-OTD, GPS e STK impattano sul terminale mobile. Per quanto riguarda

l’E-OTD e l’STK l’impatto è solo di tipo SW e l’incremento del costo del terminale non è

significativo. Per quanto riguarda il GPS, nel caso di ricevitore integrato, Motorola prevede un

incremento del costo del terminale inferiore al 20-25%. Nel caso di ricevitore GPS semplicemente

collegato al terminale mobile, il costo del primo è estremamente variabile in dipendenza della sua

complessità (dalle 300.000 lire in su). Attualmente questo tipo di configurazione (GPS collegato al

terminale mobile) è utilizzato per applicazioni professionali o comunque speciali (es. topografia,

ViaSat, etc..)

Con riferimento al metodo di localizzazione basato su DGPS, esiste la possibilità di adottare una

soluzione interna TIM (con il supporto di Nikon/Trimble). Saranno infatti acquisiti 23 ricevitori GPS

di riferimento (da collocare presso sedi di PTR) ai fini della determinazione della posizione delle

SRB per un costo complessivo di circa 750 milioni. Tale rete di ricevitori, attualmente progettata

come rete DGPS per misure in post-processing, potrebbe essere utilizzata, apportando le

opportune modifiche all’architettura del sistema ed introducendo un MLC ad hoc, anche come

DGPS inversa (non ETSI) per la fornitura di servizi di localizzazione. Il costo dell’aggiornamento

non dovrebbe superare i 700 milioni (stima ricavata dal confronto con l’offerta Finsiel).

L’ultimazione dell’installazione delle 23 stazioni GPS di riferimento sarà ultimata entro giugno del

2000.

Nella tabella che segue si tenta una classifica delle metodologie analizzate per ciascuna delle

seguenti voci:

- accuratezza

- tempi di calcolo di una posizione

- impatto sul terminale mobile

- impatto sulla rete

- costi

Per ciascuna voce si fornisce un punteggio da 1 a 10, con l’assunto che 10 è assegnata alla

metodologia ritenuta migliore per quella voce. In particolare per quanto riguarda l’impatto sul

mobile il punteggio “10” è stata assegnata alle metodologie che non impattano in alcun modo sul

terminale mobile. Le altre metodologie sono state valutate tenendo presente non solo il tipo di

impatto (SW o anche HW) sul terminale ma anche la possibilità di diffusione di tali terminali nel

breve tempo.

84/85

METODOLOGIA

AC

CU

RA

TE

ZZ

A

TE

MP

I D

I

CA

LC

OL

O

IMP

AT

TO

TE

RM

INA

LE

IMP

AT

TO

SU

LL

A R

ET

E

CO

ST

O

CI+TA (ETSI) 3 10 10 9 8

U-TOA (ETSI) 7 8 10 2 3

E-OTD (ETSI) 5 8 6 5 6

E-OTD (CPS) 6 3 7 6 7

GPS base Network Assisted

(ETSI)

8 6 4 4 6

GPS base (non ETSI) 8 – 1

[Nota 1]

1 9 - 1

[Nota 2]

10 10

DGPS inverted Network Assisted

(ETSI)

10 6 4 3 5

DGPS inverted (non ETSI) 10 – 1

[Nota 1]

1 9 - 1

[Nota 2]

8 9

STK 2 3 8 10 10

AOA + U-TOA (ETSI) 9 8 10 1 1

Per ogni voce sono evidenziate le metodologie con i due punteggi più elevati

Nota 1: L’accuratezza ottenibile è elevata solo in situazioni ottimali. Tali sistemi, non

utilizzando l’assistenza dalla rete, non sono in grado di fornire un servizio affidabile

(in tempo reale) in situazioni indoor o di aree urbane dense

Nota 2: Sono già disponibili ricevitori GPS collegabili a terminali GSM ma hanno un costo

elevato (da 300.000 lire in su) e sono adatti solo a utilizzazioni professionali o

comunque speciali (es.: topografia, ViaSat, etc.)

Le valutazioni effettuate in questo capitolo sono state riferite fin qui al caso in cui il calcolo della

posizione è fatto a livello centralizzato (MLC).

Nel caso in cui si desideri offrire servizi in cui è necessario calcolare la posizione direttamente sul

lato mobile, le metodologie più adatte sono l’E-OTD, il GPS e l’STK. Se a questo si aggiunge la

necessità di ottenere accuratezze elevate in tempi brevi, l’unica metodologia utilizzabile è il GPS,

con particolare riferimento a sistemi GPS differenziali (DGPS diretto) Network Assisted.

Ovviamente in questo caso è necessario che sul lato mobile si utilizzi un ricevitore GPS (integrato

o collegato) che sia in grado di effettuare il calcolo della posizione applicando la correzione

differenziale.

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Per quanto riguarda il costo di un sistema DGPS Network Assisted funzionante solo in modalità

diretta, dovrebbe essere lievemente inferiore a quello fornito per il caso di DGPS inverted Network

Assisted ETSI in quanto, pur essendo identica l’architettura, non si richiede capacità di calcolo da

parte dell’MLC.

Per quanto riguarda i terminali mobili, al momento solo Ericsson sembra intenzionata ad integrare

ricevitori GPS con capacità di calcolo e di correzione differenziale (chip fornito da Sirf). Per

produzioni su scala industriale i costi di ricevitori integrati GPS o DGPS dovrebbero essere

pressoché analoghi (fonte: Nikon/Trimble).

Si nota espressamente che una rete differenziale inversa può essere all’occorrenza utilizzata in

modalità diretta verso quegli utenti che lo richiedono (ovviamente dotati di DGPS integrato o

comunque collegato al terminale mobile).

Documents

scouting sui metodi di localizzazione