Seção: Tutoriais Telefonia Celular
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Os sistemas de localização são amplamente utilizados para auxiliar os serviços baseados em localização. Eles se baseiam em códigos identificadores de uma rede celular ou no tempo de chegada do sinal de radiofreqüência e são apresentados neste capítulo (GUEDES, 2003).
Cell Identification (CI)
Toda célula GSM possui um código identificador que a torna única em todo o mundo. Ele é chamado de Cell Identification (CI) (ERICSSON, 2000), (NOKIA, 2007). Fazendo uma analogia com uma rede de computadores, este pode ser comparado ao IP que cada elemento possui para ser encontrado na rede, como por exemplo, 128.10.26.32 (Tanenbaum, 2007). Da mesma forma, cada célula é reconhecida numa rede de telefonia celular através dessa identificação, onde é realizada troca de sinalização entre a central para operações como handover, Por exemplo. Assim como no IPv4, onde o endereço é separado em quatro grupos o CI obedece ao mesmo critério. A seguir é mostrada a sua composição na prática..
O CI é parte integrante do CGI (Cell Global Identity) = LAI (Location Area Identity) + CI.
Mas o LAI é composto pelo:
Logo o CGI = MCC + MNC + LAC + CI¸ o que lembra a arquitetura do IPv4.
Para o caso do Brasil pode se fornecer, como exemplo, o CGI 724-11-40181-33542. Em que, 724 é o código adotado para o Brasil, 11 para o Nordeste, 40181 determina uma rede gerenciada em Pernambuco e 33542 representa uma célula de um bairro da cidade do Recife. O final de cada CI também significa o setor de cada estação, ou seja, 1 é o primeiro setor, 2 o segundo e assim sucessivamente (ERICSSON, 2000; NOKIA, 2007).
Essa descrição detalhada de onde se encontra uma célula é a aplicação do algoritmo de localização CI, pois para cada operação realizada por uma célula a central telefônica identifica quem foi a executora e registra tudo num banco de dados. O cruzamento deste banco com os endereços físicos onde cada célula se encontra dá a localização do usuário num bairro de uma cidade.
Esta aplicação pode ser utilizada em um serviço baseado em localização geográfica, entretanto não será utilizado nesta pesquisa porque é muito susceptível a erros. Basta que haja a mudança de uma célula para outra central, ou uma inconsistência no banco de dados para que a informação da localização do usuário seja totalmente comprometida.
Timing Advance (TA)
O TA é baseado no método de diferença de tempo de chegada (TDoA – Time Difference of Arrival). Também chamada de tempo estimado de chegada (ETA – Estimated Time of Arrival). Baseia-se no tempo de chegada do sinal é calculado desde a saída do transmissor até o receptor. Como a transmissão é feita na velocidade da luz, aproximadamente 3 x 108 m/s, a diferença do tempo gasto entre os dois pontos é medida. A partir dessas duas grandezas físicas é calculada a distância percorrida entre transmissão e recepção (CAFFERY, 1998).
No caso desta pesquisa o interesse é localizar uma EM numa rede de telefonia celular. Por isso o transmissor e o receptor serão a BTS e a EM, respectivamente. A técnica requer que estes dois componentes estejam sincronizados para que não haja erro na medição. A figura 4.1 ilustra a propagação do sinal entre BTS e EM para o cálculo da distância entre elas.
Figura 8: Distância percorrida pela onda eletromagnética (CAFFERY, 1998)
A técnica TA se baseia no TDoA e se aplica a telefonia celular. O funcionamento é baseado no tempo que o sinal leva para ser propagado, porém a BTS faz a leitura de quantas EMs estão utilizando seus serviços naquele instante. A cada tempo medido é delimitado um raio que cresce em passos de 550 m, ou seja, para EMs que se encontram a menos de 550 m da BTS é dado o valor “0”, para as que se encontram entre 550m e 1100 m é dado o valor “1” e assim sucessivamente. A medição e a localização exata de cada EM causaria um processamento muito alto na BTS, de modo a prejudicar seu funcionamento, por isso que este algoritmo não é tão preciso, entretanto pode dar valores muito próximos à realidade se forem levados em consideração ambientes suburbanos e com poucos obstáculos. Nesta pesquisa, este algoritmo será confrontado com o de Trilateração de Potência, o qual será apresentado no próximo item para saber qual será mais viável para o serviço de localização baseado em SMS (JOKINEN, 2004).
As empresas de aparelhos celulares programaram um aplicativo que exibe, dentre várias medições, o valor do TA no momento da ligação. A figura 9 ilustra uma tela do aparelho Nokia 6120 3G com a medição em destaque. No exemplo a EM está a aproximadamente 1100 m da BTS, pois o valor do TA é “1”.
Figura 9: Tela do aparelho NOKIA 6120 3G (JOKINEN, 2004)
Trilateração de potência
A Trilateração de potência é um cálculo intuitivo de posição que se baseia na estimativa de proximidade de distância (RSSI – Received Signal Strength Indicator), ou seja, o nível de sinal recebido pelo celular é a base para o cálculo da distância entre a EM e a BTS. O sinal é transmitido com uma determinada potência e vai atenuando durante o percurso com o quadrado da distância. Esta potência, geralmente, é medida em dBm (Decibel referenciado a 1mW). A vantagem do RSSI é que a maioria das EMs podem medir a intensidade do sinal recebido utilizando software específico para esta finalidade, o que sugere ser uma solução de baixo custo para ser implementada, pois estes programas são gratuitos e são disponibilizados na Internet. Como desvantagem, pode ser citada a sensibilidade dos aparelhos, pois determinadas marcas são melhores que outras e os sinais são medidos com maior exatidão. Outro ponto negativo que os sistemas CI e TA também possuem são os ruídos, interferências e multipercurso, os quais resultam em imprecisões nos resultados obtidos (REGHELIN, 2007).
Com a ferramenta para estimação de distâncias, o método da Trilateração de potência pode ser implantado para localização de EMs. O sistema consiste em conhecer a distância entre três pontos distintos entre um ponto de referência, traçar um círculo em volta deles de maneira que as circunferências se cruzem e destacar a intercessão. Esta área concentra a probabilidade de localização do ponto. A figura 10 abaixo detalha como o método funciona:
Figura 10: Representação gráfica da Trilateração de potência (REGHELIN, 2007)
Utilizando a fórmula da distância entre dois pontos da Geometria Analítica, a representação gráfica resulta na seguinte Equação:
Onde:
O desenvolvimento das equações resultará num sistema de equações não-lineares, que poderá ser resolvido pelo método interativo de Newton-Raphson descrito a seguir.
Método de Newton-Raphson
Este método encontra raízes de equações não-lineares que cruzam o eixo x. Através da expansão de uma Série de Taylor ao redor de um ponto x0. A Equação está descrita logo abaixo:
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Com os dois primeiros termos da série mantidos tem-se:
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Agora é obtida a Equação da reta que passa pelo ponto f(x0) tangente à curva no ponto x0. Com f(x) aproximado a uma reta, o ponto que essa reta cruza o eixo x, está próximo ao ponto que a função cruza o eixo x, o qual será:
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O ponto x é então usado no lugar de x0 como um novo valor inicial melhorando assim a aproximação. A idéia de se usar um valor para gerar outro melhor denomina-se iteração. A partir de x0, as sucessivas interações se aproximam do zero da função. A figura 11 ilustra método.
Figura 11: Ilustração gráfica do Método Newton-Raphson (DEVRIES, 1994)
Apesar de nem sempre convergir e precisar do cálculo da derivada de uma função, o que muitas vezes não é tão simples, ele se comporta mais rápido e eficiente na busca das raízes das equações dos sistemas em relação a outros, como por exemplo, o Método da Bisseção, que trabalha com valores médios até achar as raízes do sistema (DEVRIES, 1994).
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