Localização em Redes GSM I: Uso da Técnica de

Localização em Redes GSM I: Uso da Técnica de Trilateração de Potência
Esta série de tutoriais apresenta um estudo de formas alternativas para estimar uma localização através do
sistema celular. Técnicas apropriadas para este fim, tais como a Trilateração de Potência, Triangulação,
entre outras, serão abordadas.
Será avaliada uma implementação prática, cujo objetivo é determinar as coordenadas geográficas de uma
posição desconhecida, adotando a técnica da Trilateração, com o objetivo de verificar os resultados obtidos
e compará-los com os dados de um GPS (Global Position System). Serão feitas também análises das
diferenças encontradas e uma inferência sobre os fatores que contribuíram negativamente na precisão da
técnica adotada.
Os tutoriais foram baseados no Trabalho Final de Curso intitulado “Localização por Trilateração de
Potência no Sistema GSM”, de autoria do Orlando Augusto, apresentado como requisito parcial para a
obtenção do grau de Bacharel do Curso de Engenharia de Telecomunicações do Centro Universitário de
Belo Horizonte – UNI-BH.
Este tutorial parte I apresenta o embasamento teórico das redes celulares, como o sistema GSM, a interface
aérea, conceitos e parâmetros de antenas e modelos de propagação.
Orlando Augusto Moreira De Paoli
Engenheiro de Telecomunicações pelo Centro Universitário de Belo Horizonte (2008).
Atuou na Ativo Cobrança, realizando trabalhos de análise de crédito e perícia contábil, e na TIM Maxitel,
realizando atividades de operação e manutenção de centrais AXE Ericsson, HLR, MGW.
Atualmente trabalha na TIM Maxitel, realizando atividades de planejamento de rede de transporte, incluindo
projetos e cálculos de enlaces-rádio para redes SDH e PDH, de cálculo de interferências nos enlaces e
possíveis soluções, de gerência e dimensionamento da interface Abis, e de análise de solicitação de
compartilhamento de sites.
Email: [email protected]
Categoria: Telefonia Celular
Nível: Introdutório
Enfoque: Técnico
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Duração: 20 minutos
Publicado em: 19/01/2009
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Localização em Redes GSM I: Introdução
Importância do Trabalho
Na era da tecnologia, em especial nos sistemas celulares, o conceito de serviço de valor agregado tem
fundamental importância. Por exemplo, saber as coordenadas geográficas de uma determinada posição sem
o uso de um GPS é possível graças às técnicas utilizadas na estimação de uma posição. Unindo-as com o
avanço tecnológico do sistema móvel, criou-se o serviço de localização pelo celular, já adotado como VAS
(Value-Added Services) por algumas operadoras em todo o mundo. No âmbito nacional, a operadora Vivo
oferece este serviço batizado de “Vivo Localiza”.
Sendo assim, este trabalho tem o intuito de discutir as técnicas adotadas na localização de receptores no
sistema celular, mais especificamente no sistema GSM (Global System for Mobile Communications).
Objetivo
O principal objetivo é apresentar e implementar a técnica da Trilateração, utilizada para estimar a
localização de um usuário através da rede celular, sem o uso do GPS. Conceitos sobre modelos de
propagação e sistema irradiante também serão abordados para facilitar o entendimento da implementação
prática realizada.
Através dos resultados obtidos nas medições e nos cálculos, as coordenadas encontradas pela Trilateração
serão comparadas com as coordenadas extraídas de um GPS. Então, com base nas divergências encontradas,
será proposta uma abordagem e uma discussão sobre os fatores que contribuíram para o surgimento das
mesmas.
Motivação e Justificativa
O tema foi escolhido por apresentar diversas aplicabilidades, além de proporcionar implementações
interessantes, que englobarão conceitos de RF (radiofreqüência), propagação e sistemas móveis. O tema se
mostra útil no rastreamento de veículos e caminhões que portarem um chip GSM, além de possibilitar
qualquer usuário de estimar sua localização, mesmo que não estiver portando um GPS.
Neste tutorial parte I será apresentado o embasamento teórico do assunto, como o sistema GSM, a interface
aérea, conceitos e parâmetros de antenas e modelos de propagação.
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Localização em Redes GSM I: O GSM
O Sistema Global para Comunicações Móveis, GSM, é a tecnologia móvel mais utilizada nos celulares de
todo o mundo. Basicamente, o sistema GSM é dividido em três grandes áreas:
NSS (Network Switching Subsystem): É a área inteligente do sistema. Nela é realizado todo o
processamento de chamadas, interconexão com outras operadoras, plano de encaminhamento de
chamadas, base de dados de assinantes, autenticação na rede e toda a parte de tarifação;
OSS (Operation and Support Subsystem): Área responsável por monitorar e tratar os alarmes
oriundos dos elementos de rede;
BSS (Base Station Subsystem): Corresponde a toda interface aérea do sistema, sendo responsável por
estabelecer o acesso dos usuários aos rádios das ERB’s (Estações Rádio Base) e pelo controle e
monitoramento de ocupação destes rádios.
Sendo assim, o GSM é um sistema bastante complexo, composto por diversos elementos de rede, cada um
com uma função específica.
Para auxiliar a compreensão deste trabalho, os elementos que compõe a rede GSM e que estão diretamente
ligados ao tema apresentado, serão descritos a seguir:
MS (Mobile Station): Refere-se a uma das pontas do sistema GSM, a estação móvel ou, em outras
palavras, os próprios usuários. Aparelhos celularesse enquadram como estações móveis;
BTS (Base Transceiver Station): Elemento cuja função é de estabelecer a comunicação, via interface
aérea, com as estações móveis. Também chamadas de células ou estações rádio base, elas são
compostas pelos rádios ou TRX (transceiver),responsáveis pelo estabelecimento de uma chamada [1].
BSC (Base Station Controller): Este elemento interliga diversas células com o coração do sistema
GSM, as centrais telefônicas. Tem a função de controlar a transição das estações móveis de uma
célula para outra, fenômeno denominado Handover ou Handoff, além de gerenciar a ocupação dos
canais de rádio utilizados [1].
MSC (Mobile Services Switching Center): Também chamado de central, este elemento é considerado
um dos principais de toda a rede GSM. É nele que é realizado todo e qualquer processamento de
chamada, interconexão com outras redes, tarifação das chamadas, entre outros [1].
A figura 1 apresenta a arquitetura do sistema GSM, destacando as três áreas e os elementos explicados
anteriormente:
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Figura 1: Arquitetura do Sistema GSM
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Localização em Redes GSM I: Interface Aérea
O Sistema Irradiante
Para a compreensão da implementação que será descrita no tutorial parte II, faz-se necessário o
entendimento de um sistema irradiante. Para isso, o conceito de antenas, seus principais parâmetros, tipos e
seus diagramas de irradiação são de fundamental importância.
“Uma antena é o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela irradiação ou pela recepção de ondas
radioelétricas. Transfere energia de um circuito para o espaço e vice-versa” [3].
Uma antena diretiva é capaz de irradiar ondas eletromagnéticas com maior intensidade em uma direção do
que em outra. Esta direção pode ser com relação ao plano terrestre (ângulo de elevação ou tilt), ou então,
com relação ao norte geográfico da Terra (ângulo de azimute). Seu diagrama de irradiação apresenta o
lóbulo principal mais definido, apontando para uma determinada direção. Há, também, lóbulos secundários
com ganhos bem menores se comparados ao ganho do lóbulo principal.
A seguir, a figura 2 ilustra um diagrama de irradiação de uma antena diretiva:
Figura 2: Diagrama de Irradiação de uma Antena Diretiva [4]
A antena diretiva apresenta uma relação frente-costas diferente de uma antena não-diretiva, ou
omnidirecional. Este parâmetro mede a diferença, em decibéis (dB), do quanto uma antena irradia para
frente em relação à intensidade que irradia na direção oposta [5].
Outro parâmetro importante no estudo de uma antena diretiva é a abertura do ângulo de meia potência.
Trata-se do ângulo medido entre as duas direções onde a intensidade irradiada diminui 3 dB, ou seja, diminui
pela metade. Quanto menor este ângulo, maior diretividade tem a antena [5].
Para a recepção dos sinais transmitidos por uma BTS, a antena diretiva receptora deve ter uma largura de
banda que engloba a freqüência de transmissão da estação rádio base. Geralmente, no sistema GSM, as
BTS’s operam na freqüência de 850 MHz e 1,8 GHz [5].
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Visando melhorar a qualidade do sinal recebido e compensar as perdas sofridas na propagação, toda antena
tem um parâmetro denominado ganho. Este ganho é expresso em dBi ou dBd, sendo o primeiro o ganho da
antena com relação à uma antena isotrópica e o segundo com relação à uma antena dipolo [5].
Outra característica a respeito de uma antena se dá através do parâmetro denominado polarização. Uma
antena pode ser de polarização vertical ou horizontal, isto é, tudo irá depender de como o vetor campo
elétrico estiver orientado. Caso o vetor campo elétrico esteja orientado em uma direção perpendicular ao
plano terrestre, a antena tem polarização vertical. Se, por acaso, o vetor campo elétrico estiver orientado em
uma direção paralela ao plano terrestre, a polarização é horizontal. Vale ressaltar que ambas as ondas
polarizadas, uma verticalmente e a outra horizontalmente, podem estar numa mesma faixa de freqüência
que, mesmo assim, uma não altera as propriedades da outra. No sistema GSM é comum usar a polarização
cruzada, onde os ângulos são de 45º e -45º, por contornar o problema do desvanecimento (variações rápidas
do nível de sinal) devido à diversidade por polarização [5].
Após a explicação do sistema irradiante e da descrição dos parâmetros de uma antena, tornou-se essencial
saber sobre o meio de propagação entre as pontas do sistema.
Propagação
Uma vez descrito o sistema irradiante, falta agora conceituar a propagação dos sinais em um meio. Nesta
seção, a trajetória das ondas eletromagnéticas entre a BTS e a antena de um equipamento receptor é o
principal enfoque.
Nas duas pontas têm-se antenas fixas. Porém, o meio entre elas é bastante mutável, podendo variar a cada
segundo.
Todo sinal quando propagado, possui uma direção de propagação que, como exemplo, será adotado a
direção do eixo x. Ortogonal à direção x está a componente elétrica vetor campo elétrico, oriundo de uma
carga estática. De acordo com as equações de Maxwell, cargas em movimento dão origem a uma corrente
elétrica, que, por conseguinte, originam a formação de um campo magnético, perpendicular à direção de
propagação e também ao campo elétrico que o originou.
A partir daí, um ciclo de geração de campos é iniciado. Um campo elétrico origina um campo magnético, que
por sua vez origina outro campo elétrico e assim por diante, até chegar à antena receptora. Toda e qualquer
onda eletromagnética se propaga dessa maneira, independentemente do meio em que ela se encontra.
A figura 3 ilustra o que foi descrito anteriormente:
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Figura 3: Componentes de uma Onda Eletromagnética [6]
É sabido que a onda se propaga com uma energia ou potência inicial expressa em watts [W] ou em uma
unidade logarítmica com relação ao miliwatt, denominada dBm. Em condições normais, as ondas
eletromagnéticas chegam ao receptor com uma potência inferior em relação a original. Este fato se deve ao
fenômeno da atenuação.
A atenuação de um sinal se caracteriza pela perda de potência durante sua propagação. À diferença entre a
potência transmitida e a recebida dá-se o nome de perda.
Todo sistema de telecomunicações, seja de telefonia móvel, televisão, rádio ou satélite convivem e sofrem
com este fenômeno.
As perdas podem ocorrer por diversos fatores como chuva, obstáculos durante o percurso, conexões
desalinhadas de cabos, interferências destrutivas, efeito pelicular nas linhas de transmissão devido às altas
freqüências, entre outros. Uma solução alternativa para minimizá-las é o uso de amplificadores, bobinas e
antenas com maiores ganhos. O alto custo do amplificador muitas das vezes o torna inviável para o sistema.
Complementando o que foi dito até aqui, a seção a seguir explicará os diversos modelos de propagação,
conceitos que serão úteis para o entendimento de todo o trabalho.
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Localização em Redes GSM I: Modelos de Propagação
Quando o nível de um sinal não pode ser medido com equipamentos próprios em um receptor, ele pode ser
calculado por meio de modelos matemáticos determinísticos e/ou empíricos que tentam, por aproximação,
simular o comportamento das ondas eletromagnéticas durante a propagação em um determinado meio.
O comportamento da onda no espaço livre foi o primeiro a ser estudado e modelado. O modelo de
propagação em Terra Plana surgiu logo após. Ambos se enquadram como determinísticos. Como modelos
empíricos, elaborados a partir de resultados obtidos em experimentos, os mais comuns são o de Hata e o
Log-Distância.
A seguir, os modelos serão descritos, visando uma melhor compreensão deste tema.
Espaço Livre
Este modelo de propagação é usado para predição da intensidade com a qual um sinal transmitido chega ao
seu receptor, quando as duas pontas do enlace apresentam entre elas uma linha de visada não-obstruída por
nenhum obstáculo. Sistemas de comunicação via satélite e enlaces de microondas utilizam, tipicamente, a
propagação no espaço livre como modelo para cálculo da potência recebida. O modelo diz que a potência
que chega ao receptor decai à medida que a distância de separação entre o transmissor e o receptor aumenta.
Além disso, fatores como o ganho de ambas as antenas, potência transmitida e perdas sofridas durante a
propagação influenciam diretamente no cálculo da intensidade do sinal que é recebido [9].
Terra Plana
O modelo descrito anteriormente ajuda na compreensão por se tratar de um caso particular deste. Este
método se aplica às situações mais práticas. Ele também leva em conta a linha de visada entre as duas
pontas, como no modelo Free Space. A grande diferença é que o modelo Terra Plana considera para os
cálculos as componentes refletidas da onda na superfície terrestre. Ou seja, para determinar o sinal resultante
em uma das pontas é necessário conhecer o coeficiente de reflexão. O coeficiente é determinado através de
fórmulas e dependerá do ponto de reflexão na superfície da Terra, além da polarização da onda que está
sendo refletida. Para encerramento, este modelo não é adotado para grandes distâncias, uma vez que ele não
considera em seus cálculos a curvatura da Terra [8].
A seguir, a figura 4 ilustra as duas componentes da onda utilizadas para o cálculo neste modelo:
Figura 4: Propagação da Onda em Terra Plana [8]
9
Modelo de Hata
O modelo de Hata surgiu com base no modelo de Okumura. Ele funciona para casos em que o sinal
transmitido esteja na banda de 150 a 1500 MHz. O Hata, assim como o Okumura, leva em consideração a
qualificação do meio: se é rural, urbano ou suburbano. Trata-se de um modelo bem prático, porém subjetivo
na hora da escolha da qualificação do meio [9].
Log-Distância
Este modelo de propagação é totalmente relevante neste trabalho, já que ele fará parte da implementação
prática, a ser apresentada no tutorial parte II.
O modelo de propagação Log-Distância é baseado em resultados experimentais. Utiliza métodos totalmente
diferentes dos modelos anteriores. Ele independe da freqüência do sinal transmitido e do ganho das antenas
transmissora e receptora. Além disso, este modelo diz que a potência recebida diminui, em escala
logarítmica, com a distância de separação entre Tx e Rx. Para facilitar o entendimento, segue abaixo a
equação base do Log-Distância:
(1)
Na equação anterior, Pr(d) é a potência recebida em um determinado ponto; Pr(d0) é a potência recebida
no ponto referência “d0”, n é o coeficiente de densidade urbanística, d é a distância do ponto desconhecido
até uma referência, d0 é a distância do ponto “d0” até o outro ponto referência.
Conforme pôde ser observado, o modelo ainda conta com uma variável n, denominado expoente de perda de
trajeto. Isto é, dependendo do meio em que o sinal transmitido se propaga, a variável n poderá assumir
diferentes valores. A seguir tem-se uma tabela relacionando o ambiente em que o sinal se propaga e o valor
assumido por n:
Tabela 1: Expoente de Perda de Trajeto para Diferentes Ambientes [7]
TIPO DE AMBIENTE
VALOR DE n
Espaço Livre
2
Área Urbana
2,7 a 3,5
Área Urbana pouco obstruída
Indoor com linha de visada
Indoor com obstrução
3a5
1,6 a 1,8
4a6
Percebe-se que, assim como o Hata, o modelo Log-Distância pode ser considerado subjetivo, pois os
conceitos de tipo de ambiente não são bem definidos, cabendo a pessoa qualificar o meio de acordo com sua
interpretação. Ou seja, o valor de n poderá variar de um cálculo para o outro, dependendo de como quem fez
o cálculo avaliou o ambiente.
O modelo, por ser empírico, tem como premissa os valores de potência recebida em um determinado ponto
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denominado “d0”, além da distância real deste ponto escolhido até a outra ponta. A partir disso, conhecendo
a variável n, “d0” e a potência recebida pela ponta em “d0”, torna-se possível então, obter a intensidade do
sinal recebido em qualquer outro ponto vizinho de “d0”, com as mesmas características do meio utilizado
para o cálculo das premissas [7].
Sendo assim, com base em tudo que foi lido até aqui, o leitor se encontra apto e fundamentado teoricamente
para o entendimento da implementação, da metodologia utilizada e para discutir sobre os fatores que podem
influenciar na prática.
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Localização em Redes GSM I: Considerações finais
Esta série de tutoriais tem por objetivo apresentar a técnica de localização de Trilateração De Potência
aplicada em redes GSM, ilustrando também um teste prático de determinação da localização de uma posição
desconhecida.
Este tutorial parte I procurou apresentar o embasamento teórico das redes GSM, e os aspectos importantes
de propagação da interface aérea, que serão importantes para o entendimento da implementação prática.
O tutorial parte II apresentará os principais métodos de localização usados em redes GSM, e os detalhes da
implementação prática de uma aplicação usando a técnica de trilateração de potência e um teste prático para
comprovar os seus resultados.
Referências
[1] O Sistema GSM. Disponível em:
http://professores.unisanta.br/santana/downloads/Telecom/Sistemas_Telecom/Satélite
/01-ParametrosFundamentais.pdf
Acesso em: 05/05/08.
[2] A Arquitetura do Sistema GSM. Disponível em:
http://www.dcs.gla.ac.uk/~lewis/teaching/Tik-111_files/Image8.jpg
Acesso em: 21/05/08.
[3] VIEIRA, P. Conceitos de Antenas. Disponível em:
http://www.deetc.isel.ipl.pt/sistemastele/Pr2/arquivo/folhas de apoio/conceitos de antenas.pdf
Acesso em: 05/05/08.
[4] Diagrama de Irradiação de uma Antena Diretiva. Disponível em:
http://vivasemfio.com/blog_images/antena_direcional_01.jpg
Acesso em: 05/05/08.
[5] BALANIS, C. A., Antenna theory: Analysis and design, Nova York, 1938.
[6] A Onda Eletromagnética. Disponível em:
http://i188.photobucket.com/albUms/z99/fisicomaluco/polar10.gif
Acesso em: 21/05/08.
[7] Antenas. Disponível em:
http://professores.unisanta.br/santana/downloads/Telecom/Sistemas_Telecom/Satélite
/01-ParametrosFundamentais.pdf
Acesso em: 05/05/08.
[8] Parsons, J. D., The Mobile Radio Propagation Channel, 2ndEdition, 2000.
[9] Rappaport, T. S, Wireless Communications: Principles and Practice, 2ndEdition, Prentice Hall, New
York, 2002.
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[10] Google Maps. Disponível em:
http://maps.google.com.br
Acesso em: 10/10/08.
[11] REGHELIN, R. Um Algoritmo Descentralizado de Localização para Rede de Sensores sem Fio usando
Calibragem Cooperativa e Heurísticas. Disponível em:
http://www.tede.ufsc.br/teses/PGCC0807-D.pdf
Acesso em: 06/08/08.
[12] Celular Nokia 6510. Disponível em:
http://www.melodiasmoviles.com/moviles/nokia/6510/nokia-6510.html
Acesso em: 12/08/08.
[13] GPS Garmin 12. Disponível em:
http://images.google.com.br/
Acesso em: 12/08/08.
[14] Timing Advance. Disponível em:
http://en.wikipedia.org/wiki/Timing_advance
Acesso em: 18/08/2008.
[15] MARTINS, A. B., Predição de Cobertura Celular e Análise de Níveis de Irradiação Regulamentares,
2006.
[16] Trilateração. Disponível em:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/6/6f/20050512001347!Trilateration.png
Acesso em: 08/08/08.
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Localização em Redes GSM I: Teste seu Entendimento
1. Quais dos elementos abaixo compõem uma rede GSM?
MS (Mobile Station)
BTS (Base Transceiver Station)
BSC (Base Station Controller)
MSC (Mobile Services Switching Center)
Todos os elementos anteriores
2. No contexto deste tutorial, o que é uma antena?
É o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela irradiação ou pela recepção de ondas
radioelétricas. Transfere energia de um circuito para o espaço e vice-versa.
É o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela irradiação de ondas radioelétricas. Transfere
energia de um circuito para o espaço.
É o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela recepção de ondas radioelétricas. Transfere
energia do espaço para um circuito.
É o elemento de uma ligação via cabo coaxial blindado, responsável pela transmissão ou recepção
sinais elétricos. Transfere energia de um circuito para o cabo e vice-versa.
3. No contexto deste tutorial, quais são os modelos de propagação mais usuais?
Determinísticos, Espaço Livre e Log-Distância, e Empíricos, Hata e Superfície Plana.
Determinísticos, Hata e Superfície Plana, e Empíricos, Espaço Livre e Log-Distância.
Determinísticos, Espaço Livre e Superfície Plana, e Empíricos, Hata e Log-Distância.
Determinísticos, Espaço Plano e Superfície Livre, e Empíricos, Hata e Log-Distância.
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