GSMセルラー基地局の位置決めの基本原理の浅い分析
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位置サービスはますますブームになっている技術であり、今後すべてのモバイル機器(スマートフォン、ハンドヘルドコンピュータなど)の標準化にもなるだろう.BLS(Based Location Serices,位置ベースのサービス)の需要が急速に増加するにつれて、無線測位技術もますます重視されている.GSMセルラー基地局の位置決めは、その位置決め速度が速く、コストが低い(モバイル端末に追加のハードウェアを追加する必要がない)、消費電力が少なく、室内で利用できるなどの利点で、軽量レベルの位置決め方法としてもますますよく使われている.本文はGSMセルラー基地局に基づく各種の位置決め方法と基本原理を簡単に紹介し,開発者に参考とする.私はできるだけ開発者がよく知っている方法で問題を説明してみます.
予備知識:GSMセルラーネットワークインフラストラクチャ
GSMネットワークのインフラストラクチャは、一連のセルラー基地局から構成されていることを知っています.これらのセルラー基地局は、通信領域全体を図に示すようなセルラーセルに分割しています(もちろん、実際には、1つの基地局が1つのセルに対応しているだけではありませんが、これは私たちが議論しているテーマとはあまり関係ありません.私たちは深く研究しません).これらの団地は小さいと数十メートル、大きいと数千メートルです.下図に示すように、我々はモバイルデバイスを用いてGSMネットワークで通信し、実際にはあるセルラー基地局を介してGSMネットワークにアクセスし、GSMネットワークを介してデータ(音声データ、テキストデータ、マルチメディアデータなど)伝送を行う.すなわち、GSMで通信する際には、常にあるセルラー基地局に接続する必要があり、あるいはあるセルラーセルにある必要がある.GSM測位は、これらのセルラー基地局によって測位される.
1.COO(Cell of Origin)位置決め
COO測位は、デバイスが現在接続されているセルラー基地局の位置に基づいてデバイスの位置を決定する単一の基地局測位である.位置決めの精度はセルの半径に依存することは明らかである.基地局が密集する都市の中心地区では、通常多層団地を採用し、団地の区分が小さく、この時の位置決め精度は50 M以内に達することができる.他の地域では、基地局の分布が相対的に分散し、セルの半径が大きく、数千メートルに達する可能性があり、位置決め精度が数千メートルまでしかないことを意味している.現在、Googleマップモバイル版では、セルラー基地局を通じて「私の位置」を特定する方法が基本的に使われています.
原理的にCOO位置決めの精度はあまり確定していないことが分かる.しかし、これはGSMネットワークにおけるモバイルデバイスの最も迅速で便利な位置決め方法であり、GSMネットワーク側およびデバイス側は追加のハードウェア投入を必要としないためである.キャリアがサポートする限り、GSMネットワーク内のデバイスは、現在の基地局の一意のコードをプログラミングで取得することができ、基地局ID、またはCellIDと呼ぶことができる.一般的なデバイスでは、現在のGSMセルラー基地局IDを提供するために、GetCurrentCellID()メソッドと同様のインタフェースが存在する場合がある.
このインタフェースを介してCellIDを取得した後、このCellIDに基づいてセルラー基地局が存在する特定の地理的座標を検出する必要がある.この場合、対応する地理的座標を決定するために[CellID,地理的座標]対応関係を含む外部データを呼び出す必要がある場合があります.この外部データは、通常、いくつかのサードパーティのWebサービスによって提供され得る.これらのWebサービスのインタフェースは、次のような形式で使用できます.
もちろん、もう一度説明しますが、上記のGetCurrentCellIDメソッド、GetPositionメソッドはすべて私のフィクションで、論理関係を説明するためだけで、必ずしも実際に存在するとは限りません.
2.7号シグナリングポジショニング
この技術は、シグナリングモニタリングに基づいて、ローミング、切替、および回路に関連するシグナリングプロセスなどの移動通信網における特定のシグナリングプロセスをフィルタリングおよび分析し、モニタリング結果をビジネスセンターに提供し、特定のユーザに対するパーソナライズされたサービスを実現することができる.この技術は、シグナリングをリアルタイムでモニタリングすることによって、1つのセルに位置決めすることも、地域に位置決めすることもできる.そのため、ローミングユーザーの挨拶サービス、遠隔設計サービス、平安報信、貨物追跡など、位置決めの精度に要求されない業務を適用する.現在、国内の各省と地域のモバイル会社のメール歓迎システムが採用しているのがこの技術だ.
3.TOA/TDOA位置決め
TOA(Time of Arrival,到達時間)、TDOA(Time Difference of Arrival,到達時間差)はいずれも電波伝搬時間に基づく位置決め方法である.同時に3つの基地局の位置決め方法であり、両者の位置決めは同時に3つの位置が既知の基地局の協力が必要である.
図に示すように、TOA/DTOA測位方法は、3対の[positioni,Ti](i=1,2,3)によってデバイスの位置Locationを決定する.両者の違いはGetLocation()関数の具体的なアルゴリズムの違いにすぎない.
TOA電波到達時間位置決めの基本原理は、Ti(i=1,2,3)を得た後、Ti*cから装置から基地局iまでの距離Riを求め、その後、幾何学的に方程式群を確立して解くだけで、Location値を求める.下図のように.
図中の距離の計算は完全に時間に依存するため,TOAアルゴリズムはシステムの時間同期に高い要求があり,いかなる小さな時間誤差も何倍も増幅されるとともに,多径効果の影響により大きな誤差をもたらすため,単純なTOAの実用化は少ない.
DTOA電波到達時間差測位はTOA測位の改良であり,TOAと異なる点は,Tiを得た後に直ちにTiで距離Riを求めるのではなく,T 1,T 2,T 3の2つの差を先に求め,その後いくつかの巧みな数学アルゴリズムによって方程式群を確立して解き,Location値を得ることである.下図のように.
DTOAは,その中で巧みに設計された求差過程が,その大部分の時間誤差と多径効果による誤差を相殺するため,位置決めの精度を大幅に向上させることができる.
DTOAはネットワークに対する要求が相対的に低く,精度が高いため,現在研究の焦点となっている.
4.AOA位置決め
AOA(Angle of Arrival,到達角度)測位は、信号の入射角度に基づいて測位する2つの基地局測位方法である.
上の図に示すように、基地局1~装置間の接続線と基準方向との挟み角がわかるα1、1本の放射線L 1を描くことができます;基地局2から装置間の接続線と基準方向の挟み角も同様に分かったα2、放射線L 2を描くことができます.ではL 1月L 2の交点がデバイスの位置です.これがAOA定位の基本数学原理である.関数呼び出しで次のように表現します.
AOA位置決めは2つの直線が交差することによって位置を決定し,複数の交点があるはずがなく,位置決めの曖昧性を回避した.しかし、電磁波の入射角度を測定するためには、受信機は方向性の強いアンテナアレイを備えなければならない.
5.電界強度に基づく位置決め
この方法は、受信した信号の電界強度と既知のチャネルフェージングモデルおよび送信信号の電界強度値を測定することによって、送受信信号の短い距離を推定し、複数の3つの距離値に基づいて装置の位置を得ることができる.数学モデルではTOAアルゴリズムと似ているが,距離を取る方法が異なるだけである.電界強度アルゴリズムは簡単であるが,多径効果の影響で位置決め精度が劣っている.
6.混合位置決め
混合位置決めとは、2つ以上の位置決め方法を併用して位置決めを行うことである.様々な位置決め方法を組み合わせて使用することで、より高い位置決め精度を達成するために、相補的な短さを達成する.
A-GPS測位(補助GPS測位)はハイブリッド測位であり、GPS測位技術とGSMネットワークとの結合である.A-GPSは高い位置決め精度を有し、現在ますます広く使用されている.
GPS測位は伝統的な測位方法として、依然として現在最も広く応用され、測位精度が最も高い測位技術である.しかし、相対的に、GPS測位コストが高く(端末にGPSハードウェアを搭載する必要がある)、測位が遅い(GPSハードウェアの初期化には通常3~5分乃至10分以上の時間が必要)、消費電力が多い(追加ハードウェアが必要で自然消費電力が多い)ため、測位精度の要求が高くない場合もあるが、測位速度が要求されるシーンでは特に適していない.また、GPS衛星信号の透過能力が弱いため、室内では使用できない(GPSの測位原理についてはGPS測位の基本原理を参照).対照的に、GSMセルラー基地局は、位置決めが迅速で、省電力で、低コストで、応用範囲の制限が小さいため、精度が要求されない軽量なシーンでも活躍する場所がある.
位置サービスはますますブームになっている技術であり、今後すべてのモバイル機器(スマートフォン、ハンドヘルドコンピュータなど)の標準化にもなるだろう.BLS(Based Location Serices,位置ベースのサービス)の需要が急速に増加するにつれて、無線測位技術もますます重視されている.GSMセルラー基地局の位置決めは、その位置決め速度が速く、コストが低い(モバイル端末に追加のハードウェアを追加する必要がない)、消費電力が少なく、室内で利用できるなどの利点で、軽量レベルの位置決め方法としてもますますよく使われている.本文はGSMセルラー基地局に基づく各種の位置決め方法と基本原理を簡単に紹介し,開発者に参考とする.私はできるだけ開発者がよく知っている方法で問題を説明してみます.
予備知識:GSMセルラーネットワークインフラストラクチャ
GSMネットワークのインフラストラクチャは、一連のセルラー基地局から構成されていることを知っています.これらのセルラー基地局は、通信領域全体を図に示すようなセルラーセルに分割しています(もちろん、実際には、1つの基地局が1つのセルに対応しているだけではありませんが、これは私たちが議論しているテーマとはあまり関係ありません.私たちは深く研究しません).これらの団地は小さいと数十メートル、大きいと数千メートルです.下図に示すように、我々はモバイルデバイスを用いてGSMネットワークで通信し、実際にはあるセルラー基地局を介してGSMネットワークにアクセスし、GSMネットワークを介してデータ(音声データ、テキストデータ、マルチメディアデータなど)伝送を行う.すなわち、GSMで通信する際には、常にあるセルラー基地局に接続する必要があり、あるいはあるセルラーセルにある必要がある.GSM測位は、これらのセルラー基地局によって測位される.
1.COO(Cell of Origin)位置決め
COO測位は、デバイスが現在接続されているセルラー基地局の位置に基づいてデバイスの位置を決定する単一の基地局測位である.位置決めの精度はセルの半径に依存することは明らかである.基地局が密集する都市の中心地区では、通常多層団地を採用し、団地の区分が小さく、この時の位置決め精度は50 M以内に達することができる.他の地域では、基地局の分布が相対的に分散し、セルの半径が大きく、数千メートルに達する可能性があり、位置決め精度が数千メートルまでしかないことを意味している.現在、Googleマップモバイル版では、セルラー基地局を通じて「私の位置」を特定する方法が基本的に使われています.
原理的にCOO位置決めの精度はあまり確定していないことが分かる.しかし、これはGSMネットワークにおけるモバイルデバイスの最も迅速で便利な位置決め方法であり、GSMネットワーク側およびデバイス側は追加のハードウェア投入を必要としないためである.キャリアがサポートする限り、GSMネットワーク内のデバイスは、現在の基地局の一意のコードをプログラミングで取得することができ、基地局ID、またはCellIDと呼ぶことができる.一般的なデバイスでは、現在のGSMセルラー基地局IDを提供するために、GetCurrentCellID()メソッドと同様のインタフェースが存在する場合がある.
CellID = GetCurrentCellID();このインタフェースを介してCellIDを取得した後、このCellIDに基づいてセルラー基地局が存在する特定の地理的座標を検出する必要がある.この場合、対応する地理的座標を決定するために[CellID,地理的座標]対応関係を含む外部データを呼び出す必要がある場合があります.この外部データは、通常、いくつかのサードパーティのWebサービスによって提供され得る.これらのWebサービスのインタフェースは、次のような形式で使用できます.
Position=GetPosition(CellID);もちろん、もう一度説明しますが、上記のGetCurrentCellIDメソッド、GetPositionメソッドはすべて私のフィクションで、論理関係を説明するためだけで、必ずしも実際に存在するとは限りません.
2.7号シグナリングポジショニング
この技術は、シグナリングモニタリングに基づいて、ローミング、切替、および回路に関連するシグナリングプロセスなどの移動通信網における特定のシグナリングプロセスをフィルタリングおよび分析し、モニタリング結果をビジネスセンターに提供し、特定のユーザに対するパーソナライズされたサービスを実現することができる.この技術は、シグナリングをリアルタイムでモニタリングすることによって、1つのセルに位置決めすることも、地域に位置決めすることもできる.そのため、ローミングユーザーの挨拶サービス、遠隔設計サービス、平安報信、貨物追跡など、位置決めの精度に要求されない業務を適用する.現在、国内の各省と地域のモバイル会社のメール歓迎システムが採用しているのがこの技術だ.
3.TOA/TDOA位置決め
TOA(Time of Arrival,到達時間)、TDOA(Time Difference of Arrival,到達時間差)はいずれも電波伝搬時間に基づく位置決め方法である.同時に3つの基地局の位置決め方法であり、両者の位置決めは同時に3つの位置が既知の基地局の協力が必要である.
図に示すように、TOA/DTOA測位方法は、3対の[positioni,Ti](i=1,2,3)によってデバイスの位置Locationを決定する.両者の違いはGetLocation()関数の具体的なアルゴリズムの違いにすぎない.
TOA電波到達時間位置決めの基本原理は、Ti(i=1,2,3)を得た後、Ti*cから装置から基地局iまでの距離Riを求め、その後、幾何学的に方程式群を確立して解くだけで、Location値を求める.下図のように.
図中の距離の計算は完全に時間に依存するため,TOAアルゴリズムはシステムの時間同期に高い要求があり,いかなる小さな時間誤差も何倍も増幅されるとともに,多径効果の影響により大きな誤差をもたらすため,単純なTOAの実用化は少ない.
DTOA電波到達時間差測位はTOA測位の改良であり,TOAと異なる点は,Tiを得た後に直ちにTiで距離Riを求めるのではなく,T 1,T 2,T 3の2つの差を先に求め,その後いくつかの巧みな数学アルゴリズムによって方程式群を確立して解き,Location値を得ることである.下図のように.
DTOAは,その中で巧みに設計された求差過程が,その大部分の時間誤差と多径効果による誤差を相殺するため,位置決めの精度を大幅に向上させることができる.
DTOAはネットワークに対する要求が相対的に低く,精度が高いため,現在研究の焦点となっている.
4.AOA位置決め
AOA(Angle of Arrival,到達角度)測位は、信号の入射角度に基づいて測位する2つの基地局測位方法である.
上の図に示すように、基地局1~装置間の接続線と基準方向との挟み角がわかるα1、1本の放射線L 1を描くことができます;基地局2から装置間の接続線と基準方向の挟み角も同様に分かったα2、放射線L 2を描くことができます.ではL 1月L 2の交点がデバイスの位置です.これがAOA定位の基本数学原理である.関数呼び出しで次のように表現します.
Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);AOA位置決めは2つの直線が交差することによって位置を決定し,複数の交点があるはずがなく,位置決めの曖昧性を回避した.しかし、電磁波の入射角度を測定するためには、受信機は方向性の強いアンテナアレイを備えなければならない.
5.電界強度に基づく位置決め
この方法は、受信した信号の電界強度と既知のチャネルフェージングモデルおよび送信信号の電界強度値を測定することによって、送受信信号の短い距離を推定し、複数の3つの距離値に基づいて装置の位置を得ることができる.数学モデルではTOAアルゴリズムと似ているが,距離を取る方法が異なるだけである.電界強度アルゴリズムは簡単であるが,多径効果の影響で位置決め精度が劣っている.
6.混合位置決め
混合位置決めとは、2つ以上の位置決め方法を併用して位置決めを行うことである.様々な位置決め方法を組み合わせて使用することで、より高い位置決め精度を達成するために、相補的な短さを達成する.
A-GPS測位(補助GPS測位)はハイブリッド測位であり、GPS測位技術とGSMネットワークとの結合である.A-GPSは高い位置決め精度を有し、現在ますます広く使用されている.
GPS測位は伝統的な測位方法として、依然として現在最も広く応用され、測位精度が最も高い測位技術である.しかし、相対的に、GPS測位コストが高く(端末にGPSハードウェアを搭載する必要がある)、測位が遅い(GPSハードウェアの初期化には通常3~5分乃至10分以上の時間が必要)、消費電力が多い(追加ハードウェアが必要で自然消費電力が多い)ため、測位精度の要求が高くない場合もあるが、測位速度が要求されるシーンでは特に適していない.また、GPS衛星信号の透過能力が弱いため、室内では使用できない(GPSの測位原理についてはGPS測位の基本原理を参照).対照的に、GSMセルラー基地局は、位置決めが迅速で、省電力で、低コストで、応用範囲の制限が小さいため、精度が要求されない軽量なシーンでも活躍する場所がある.