Localização de Terminais Móveis utilizando

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1 24 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE 2011 Locaização de Terminais Móveis utiizando Correação de Assinaturas de Rádio-Frequência Rafae Saraiva Campos & Lisandro Lovisoo Abstract This tutoria presents in detai the main components of radio-frequency fingerprinting methods, aso knon as DCM (Database Correation Methods), for mobie station positioning Those methods can ocate egacy terminas, ie, ithout any specific ocation services support Furthermore, as they are capabe of yieding position estimates using measurements from a singe reference base station, those methods have a high avaiabiity Those characteristics make DCM suitabe aternatives for emergency ca positioning in ceuar mobie netorks and for faback of more precise methods Index Terms Ceuar Mobie Netorks, Correation Database, Radio-Frequency Fingerprints, Radioocation, Received Signa Strength Resumo Este tutoria apresenta em detahes os principais componentes dos métodos de ocaização de terminais móveis utiizando correação de assinaturas de rádio-frequência, também conhecidos como métodos DCM (Database Correation Methods) Os métodos DCM podem ser utiizados para a ocaização de terminais egados, ie, sem nenhum suporte específico a serviços de ocaização Aém disso, por serem capazes de produzir estimativas de posição a partir de medidas de uma única estação de referência, estes métodos apresentam eevada disponibiidade Estas características tornam os métodos DCM opções particuarmente adequadas para a ocaização de terminais originários de chamadas de emergência em redes de teefonia móve ceuar, podendo atuar também como faback de métodos mais precisos Paavras chave Assinaturas de Rádio-Frequência, Banco de Dados de Correação, Níve de Sina Recebido, Rádio- Locaização, Redes de Teefonia Móve Ceuar I INTRODUÇÃO A Locaização em Redes de Teefonia Móve Ceuar A ocaização de terminais em redes de teefonia móve ceuar tem sido avo, nos útimos anos, de crescente interesse das operadoras de serviços de comunicação móve, de fornecedores de pataformas de softare e hardare, de órgãos reguadores de teecomunicações e dos usuários Esse interesse tem aumentado com o desenvovimento de diversas apicações baseadas na ocaização dos terminais móveis (MS s - mobie stations) nessas redes A ocaização de chamadas para números de emergência - poícia, bombeiros, defesa civi - originadas em MS s ceuares constitui a apicação mais crítica A possibiidade de ocaizar uma vítima de sequestro, ou um automóve acidentado em uma estrada, traz benefícios óbvios, reduzindo o tempo de Manuscrito recebido em 15 de fevereiro de 2011; aceito em 15 de março de 2011 R S Campos (rafaesaraivacampos@gmaicom) e L Lovisoo (isandro@uerjbr) - Programa de Pós Graduação em Engenharia Eetrônica (PEL) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) resposta das autoridades e aumentando a probabiidade de savar vidas Tamanha reevância evou órgãos reguadores de teecomunicações em diversos países a definir requisitos mínimos de disponibiidade e acurácia na ocaização dos MS s originando chamadas de emergência e que deverão ser atendidos peas operadoras de teefonia móve ceuar 1) Serviços Baseados em Locaização: Para as operadoras, a possibiidade de ocaizar os MS s gera a oportunidade de oferecer serviços de vaor agregado baseados em ocaização Há uma grande variedade de serviços de ocaização disponíveis atuamente, que de modo gera podem ser agrupados nas seguintes categorias [1]: Locaização de chamadas de emergência: ocaização de chamadas para a poícia, bombeiros, defesa civi, etc [2] [3] [4] [5]; Tarifação baseada em posição: define-se uma área doméstica, onde a tarifação do usuário é mais baixa (muitas vezes equivaente à teefonia fixa); ao originar ou receber chamadas fora dessa área, o usuário é tarifado normamente [6]; Rastreamento de pessoas e veícuos: ocaização de veícuos roubados e de pessoas com necessidades específicas (crianças, idosos e portadores de necessidades especiais) [8] [9], monitoramento de frotas e de força de trabaho [7]; Serviços de informação baseados em posição: páginas amareas, propaganda baseada em posição, previsão do tempo na área onde o usuário está ocaizado, etc [10]; Entretenimento: ocaização de grupos de amigos, jogos, etc [11] As operadoras também podem utiizar a informação de ocaização do MS para otimizar o desempenho da rede, mehorando a eficiência de handover e paging Em redes de teefonia móve ceuar, o handover e o paging são procedimentos críticos em termos de consumo de recursos na interface rádio, infuenciando diretamente diversos indicadores-chave de desempenho Assim, o uso de informações de ocaização do MS para mehorar a eficiência destes procedimentos pode otimizar a capacidade e a quaidade da rede de acesso rádio (RAN - Radio Access Netork) [12] 2) Reguamentação da Locaização de Chamadas de Emergência: Nos Estados Unidos da América do Norte, o FCC (Federa Communications Commission) especificou requisitos de precisão para o serviço E911 (Enhanced 911), destinado a ocaizar chamadas para o número de emergência 911 originadas de MS s ceuares [2] Na primeira fase, iniciada em 1996, a posição estimada de um MS seria igua

2 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 25 à ocaização da BTS Na segunda fase, iniciada em 2001, os seguintes requisitos de precisão foram definidos: Para métodos baseados na rede: 100 metros para 67% das chamadas e 300 metros para 95% das chamadas; Para métodos baseados no termina: 50 metros para 67% das chamadas e 150 metros para 95% das chamadas A distinção entre métodos baseados na rede e baseados no termina é feita na Seção I-B A Comunidade Econômica Européia adotou uma reguamentação para a ocaização de chamadas para o número de emergência pan-europeu 112, definida peo Grupo de Coordenação do Acesso a Informações de Locaização peos Serviços de Emergência (CGALIES - Coordination Group on Access to Location Information by Emergency Services), que atuou de 2000 a 2002 O CGALIES não especificou requisitos de precisão A ocaização das chamadas de emergência é obrigatória, com a mehor precisão possíve, desde 2003 [3] Em resposta a estas exigências, órgãos normativos internacionais de padrões de teefonia móve ceuar abordaram a questão da ocaização O ETSI (European Teecommunication Standards Institute) istou uma série de métodos de ocaização recomendados para redes ceuares GSM (Goba System for Mobie Teecommunications) [13] Anaogamente, o 3GPP (Third Generation Partnership Project) definiu métodos de ocaização para redes ceuares UMTS (Universa Mobie Teecommunication System) com acesso rádio WCDMA (Wideband Code Division Mutipe Access) [14] B Métodos Baseados na Rede e o Cenário Brasieiro Independentemente do padrão de acesso rádio adotado, as redes sem fio dispõem de informações de ocaização dos terminais registrados Estas informações são necessárias para permitir o paging, roteamento de pacotes e continuidade de chamada durante o handover Por exempo, em redes ceuares GSM, a mehor resoução para a ocaização de um MS em modo ide - ie, que não está participando de um chamada - é a região correspondente a uma área de ocaização (LA - Location Area), que é uma zona de paging dentro da região atendida por uma controadora de estações rádio-base (BSC - Base Station Controer) Para um MS em modo ativo - ie, conectado, participando de uma chamada - nessa mesma rede, é possíve identificar o setor que atende o termina, e estimar a posição do MS a partir da área geográfica coberta peo setor Estas informações podem ser utiizadas por métodos de ocaização para produzir estimativas de posição mais acuradas, sem a necessidade de modificações nos MS s Por não exigirem terminais modificados, estes métodos são cassificados como métodos baseados na rede e podem atender a 100% da base de assinantes [15] Já os métodos baseados no termina ou assistidos peo termina exigem terminais modificados No Brasi, a ANATEL (Agência Naciona de Teecomunicações) ainda não exige que operadoras de teefonia móve ceuar ocaizem as chamadas para números de emergência originadas em suas redes Contudo, ta exigência pode tornar-se reaidade num futuro próximo Neste cenário, as operadoras deverão ser capazes de estimar a posição de quaquer MS originando uma chamada de emergência Dos cerca de 4 bihões de ceuares em uso no mundo atuamente [16], apenas 163 mihões têm receptor GPS (Goba Positioning System) [17], ou seja, aproximadamente 4% do tota de aparehos Este percentua médio incui os países desenvovidos do hemisfério norte, ogo, no Brasi, a penetração de MS s com GPS provavemente é muito inferior a este vaor Estes dados indicam que, no Brasi, onde aproximadamente 90% dos ceuares em uso são GSM [18], é essencia aprimorar métodos baseados na rede para a ocaização de MS s egados de segunda geração Contudo, a utiidade dessas souções não está restrita a este cenário particuar Estes métodos também podem estender a disponibiidade de serviços de ocaização, produzindo estimativas de posição quando outros mais acurados - como GPS ou GPS Assistido (AGPS - Assisted GPS) - estiverem indisponíveis devido a imitações sistêmicas - por exempo, no interior de edificações ou em áreas urbanas densas, onde a recepção de sinais GPS é muitas vezes inviáve [15] [19] Os métodos de correação de assinaturas de rádio-frequência (RF), apresentados na Seção I-C, são aternativas que atendem a estes requisitos C Métodos de Correação de Assinaturas de RF Os métodos de correação de assinaturas de RF, também conhecidos como DCM (Database Correation Methods) ou fingerprinting, são métodos de ocaização apicáveis em quaquer rede sem fio [20] Embora haja uma grande variedade de tais métodos, todos compartiham os mesmos eementos básicos: Assinatura de RF: É um conjunto de parâmetros disponíveis na RAN e dependentes da posição do MS, conforme discutido na Seção II-A; Banco de Dados de Correação: Assinaturas de RF são coetadas em testes de campo ou geradas com a utiização de modeos matemáticos de simuação de rádio-propagação, sendo então armazenadas em um banco de dados de correação (CDB - Correation Database) O CDB é diretamente acessado peo servidor de ocaização Cada assinatura de RF armazenada no CDB está associada a uma posição específica A estrutura do CDB e as técnicas para construí-o são apresentadas na Seção II-B; Servidor de Locaização: O SMLC (Serving Mobie Location Center) é o eemento de rede responsáve por receber requisições de ocaização, consutar o CDB e estimar a posição do MS através da correação da assinatura de RF medida peo MS com as assinaturas de RF armazenadas no CDB; Técnicas para Redução do Espaço de Busca no CDB: O CDB pode ser muito grande e anaisar todas as assinaturas de RF nee armazenadas pode ser uma tarefa muito demorada Portanto, é necessário definir técnicas para reduzir o espaço de busca dentro do CDB, resutando em uma diminuição do tempo requerido para produzir uma estimativa de posição Duas técnicas para redução do espaço são apresentadas na Seção II-C;

3 26 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE 2011 Correação de Assinaturas de RF: Esta comparação ou correação pode ser feita através de diferentes técnicas de reconhecimento de padrões, como descrito na Seção II-D Quaquer método DCM tem duas fases A primeira é a fase de treinamento, durante a qua o CDB é construído A segunda é a fase operaciona ou de teste, durante a qua estimativas de posição do MS são produzidas [22] Diferentemente dos métodos de trianguação (mutianguação ou muti-ateração), os métodos DCM não se baseiam na pressuposição de condições de inha de visada (LOS - Line of Sight) [20] Aém disso, são capazes de produzir uma estimativa de posição com apenas uma céua de referência, ao contrário dos métodos de muti-anguação (ou ânguo de chegada), que requerem no mínimo duas céuas, e dos métodos de muti-ateração (circuar ou hiperbóica), que requerem no mínimo três céuas para estimar a posição do MS [19] Portanto, serviços de ocaização baseados em DCM normamente têm uma disponibiidade maior do que aquees baseados em trianguação Aém disso, podem acançar uma precisão de ocaização bastante superior aos métodos de trianguação e baseados na identidade da céua, conforme sugerem diversos resutados pubicados na iteratura [20], [22], [23] e [24] Um fuxograma simpificado de uma requisição de ocaização originada peo MS [13] e utiizando um sistema baseado em DCM é mostrado na Fig 1 No primeiro passo, o MS envia uma requisição de ocaização para o SMLC, através da RAN No segundo passo, a RAN comunica-se com o SMLC, usuamente através de um gateay O SMLC recebe a requisição, contendo a assinatura de RF medida peo MS No terceiro passo, o SMLC consuta o CDB, obtendo no quarto passo as assinaturas de RF que serão comparadas com a assinatura de RF medida peo MS O SMLC então apica uma técnica de reconhecimento de padrões para obter a estimativa de posição do MS, que he é enviada através da RAN no quinto e sexto passos Fig 1 1 MS RAN SMLC 3 4 CDB Fuxograma de Requisição de Locaização Originada peo MS II COMPONENTES PRINCIPAIS DE MÉTODOS DCM A Assinaturas de Rádio-Frequência Ta qua uma impressão digita humana, que traz a identificação única de uma pessoa, espera-se que uma assinatura de RF identifique unicamente uma posição geográfica Para ta, o número de parâmetros de sina na assinatura de RF deve ser grande o suficiente para permitir uma correspondência única com uma dada posição Os parâmetros de sina seecionados - ou peo menos suas médias temporais - devem ter baixa variabiidade no tempo em uma dada posição Porém, estabiidade competa ao ongo do tempo não é possíve Embora o uso das médias temporais reduza variações de pequena escaa, modificações na RAN - como a ativação de novos setores, substituição de modeos de antenas de transmissão ou recepção, ateração nas potências de transmissão, etc - podem invaidar o mapeamento prévio entre uma dada assinatura de RF e uma certa posição Em tais casos, é necessário atuaizar o CDB, obtendo novas assinaturas de RF através dos métodos descritos na Seção II-B2 Uma grande variedade de parâmetros de sina pode ser seecionada para compor uma assinatura de RF: níve de sina recebido (RSS - Received Signa Strength) [25], tempo de propagação (RTT - Round Trip Time) [23], perfi de retardo de potência cacuado por meio da resposta impusiva do cana [24], ânguo de chegada [26], etc Ideamente, os parâmetros seecionados devem estar previamente disponíveis na RAN O uso de parâmetros ordinariamente envovidos com o gerenciamento de chamadas ou sessões evita a carga adiciona na RAN que surge se mensagens e parâmetros específicos para ocaização são inseridos Outro benefício dessa abordagem é que nenhuma modificação de hardare ou softare é necessária no MS, tornando possíve ocaizar quaquer MS egado dentro da área de cobertura da rede Por essas razões, os parâmetros mais frequentemente utiizados são o RSS e o RTT O MS periodicamente monitora o RSS do cana de controe do setor servidor e das céuas vizinhas para auxiiar a seeção de céuas e handover Estes vaores de RSS são reportados para a BSC através de reatórios de medidas (NMRs - Netork Measurement Reports) Apenas os vaores de RSS de canais transmitidos com potência constante podem ser inseridos em uma assinatura de RF [25], então o cana de controe, onde o controe de potência não é apicado, é a escoha mais óbvia Uma assinatura de RF pode ser cassificada como assinatura avo ou como assinatura de referência Uma assinatura de RF avo é a assinatura de RF associada ao MS que se deseja ocaizar, ie, ea contém parâmetros de sina medidos peo MS ou peos setores de referência As assinaturas de RF de referência são coetadas ou geradas durante a fase de treinamento e armazenadas no CDB Ambos os tipos de assinaturas de RF têm a mesma estrutura: todos os parâmetros usados na assinatura avo também devem estar presentes nas assinaturas de referência A estrutura das assinaturas de RF avo utiizada neste trabaho é definida pea matriz N a 3: F = CI 1 RSS 1 RTT 1 (1) CI Na RSS Na RTT Na onde N a é o número de setores âncora, CI i e RSS i são a

4 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 27 identidade da céua (CI - Ce Identity) e RSS medido do i-ésimo setor âncora RTT i é o tempo de propagação de ida e vota entre o MS e o i-ésimo setor âncora As inhas são cassificadas em ordem decrescente de RSS, então RSS i RSS j, sei j Os passos de quantização e as faixas dinâmicas de RSS e RTT, o número máximo de setores âncora e o número de vaores de RTT disponíveis são específicos de cada tipo de rede sem fio Em redes GSM, por exempo, a assinatura avo pode conter até sete vaores de RSS - correspondentes ao setor servidor e aos seis vizinhos recebidos com maior intensidade - enquanto o vaor de RTT está disponíve apenas para o setor mehor servidor [27], que usuamente é o setor âncora com o maior vaor de RSS Em redes WCDMA, devido ao suporte ao soft-handover, há mútipos vaores de RTT disponíveis para um MS em modo ativo: um vaor para cada céua na ista de céuas ativas (active set) [14] B Banco de Dados de Correação 1) Estrutura do CDB: Cada eemento do CDB contém uma assinatura de RF de referência e um conjunto único de coordenadas geográficas A distribuição panar - ou espacia, no caso de ocaização tridimensiona - dessas coordenadas de referência dentro da área de serviço define a estrutura do CDB A área de serviço é a região onde o serviço de ocaização é oferecido Neste tutoria, apenas a ocaização bidimensiona é considerada, mas a extensão para o caso tridimensiona é direta Tipicamente, há dois tipos de estrutura que um CDB pode assumir: Grade Uniforme: Se o CDB é organizado como uma grade uniforme, todas as coordenadas de referência são uniformemente espaçadas A distância entre coordenadas de referência adjacentes define a resoução do CDB, que deve ser comparáve à acurácia média esperada do método de ocaização [20] Não é razoáve utiizar uma resoução muito pequena, se o erro de ocaização médio é muito ato Por outro ado, utiizar uma resoução muito grande pode provocar degradação da precisão do método A grade uniforme é a estrutura mais adequada para CDBs construídos a partir de modeagem de rádio-propagação Lista Indexada: Se o CDB é estruturado como uma ista indexada, a distribuição das coordenadas de referência não segue nenhum padrão reguar Esta estrutura é usuamente adotada em CDBs construídos a partir de medidas de campo [22] Por exempo, se o CDB é construído a partir de rotas veicuares de coeta de medidas, o padrão irreguar das ruas pode impedir a obtenção de assinaturas de RF uniformemente espaçadas 2) Construção do CDB: Esta seção apresenta as principais aternativas para a construção do CDB, que são: i) medidas de campo, ii) modeagem de rádio-propagação e iii) combinação de modeagem de propagação e medidas de campo, utiizando receptores de referência O CDB pode ser inteiramente construído a partir de medidas de campo A coeta de medidas requer um MS, um softare de coeta e processamento de medidas feitas peo MS e um receptor GPS, no caso de medidas outdoor O softare pode ser executado em um aptop ou pamtop conectado ao MS, ou no próprio MS Periodicamente, parâmetros reacionados à ocaização, como os istados na equação (1), são coetados peo softare e armazenados para posterior processamento Esses parâmetros são medidos peo MS ou definidos pea rede e enviados ao MS Para cada conjunto de parâmetros coetado, a posição do MS é registrada peo receptor GPS No caso de medidas indoor, pode ser necessário utiizar um mapa com a panta do prédio e registrar as posições de referência do MS manuamente O CDB empírico obtido a partir de medidas de campo usuamente permite que os métodos DCM que dee fazem uso atinjam maior precisão Porém, essa aternativa apresenta uma séria desvantagem, especiamente quando utiizada em redes de área metropoitana Nessas redes, para manter o CDB atuaizado, testes de campo devem ser reaizados após quaquer ateração em eementos da RAN Estas aterações - ativação de novas céuas, substituição de modeos de antenas, mudança de azimute ou incinação, ateração da potência de transmissão, etc - ocorrem frequentemente, especiamente em redes de teefonia móve ceuar, tornando a utiização deste tipo de CDB praticamente inviáve nessas redes A degradação da precisão de ocaização de métodos DCM utiizando CDBs com parâmetros desatuaizados em redes ceuares foi avaiada em [22] e [29] Porém, no caso de métodos DCM para ocaização indoor, a utiização de CDBs construídos a partir de medidas pode ser uma opção viáve, considerando-se a maior compexidade do ambiente de propagação indoor - o que torna mais difíci a modeagem acurada da rádio-propagação - e a menor área a ser coberta pea campanha de coeta de medidas A segunda aternativa para construção do CDB é a modeagem de propagação [21] A principa vantagem desta aternativa é a possibiidade de atuaizar o CDB de forma fáci, rápida e barata Toda vez que ocorrem aterações nos eementos da RAN, a atuaização do CDB requer apenas que os modeos de propagação sejam apicados com os parâmetros atuaizados da RAN Porém, a precisão de ocaização pode ser pior que aquea obtida com a utiização de CDBs construídos a partir de medidas de campo Essa degradação da precisão pode ser reduzida através da caibração ou ajuste fino dos modeos de propagação empregados [30] Há uma grande variedade de modeos matemáticos para a predição de rádio-propagação, mas ees podem ser agrupados em duas casses principais: modeos determinísticos e modeos empíricos Modeos determinísticos são baseados em técnicas de traçado de trajetória de raios Ees descrevem a propagação da onda eetromagnética por meio de raios ançados da antena transmissora Esses raios são refetidos e difratados em eevações do terreno, edificações, paredes e outros obstácuos A principa desvantagem desses métodos reside na eevada carga de processamento requerida e consequentemente no tempo mais ongo para execução das predições de cobertura [31] Modeos empíricos são baseados em extensas campanhas de coeta de medidas de campo que, após anáise estatística, fornecem equações parametrizadas de perda de propagação no percurso Os parâmetros ou coeficientes dessas equações podem ser ajustados, dentro de imites pré-determinados, para mehor representar um ambiente de

5 28 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE 2011 propagação particuar [32] Modeos empíricos apresentam uma menor carga de processamento e, embora usuamente sejam menos acurados que os modeos determinísticos, provêem uma acurácia compatíve com a acurácia média da maioria dos métodos DCM para ocaização outdoor [23][21] O modeo de Okumura-Hata [33] provê uma fórmua empírica para a perda de propagação, obtida a partir de extensas medidas em áreas urbanas Esse modeo é apicáve ao projeto de sistemas operando nas faixas de UHF (Utra High Frequency) e VHF (Very High Frequency), sob as seguintes condições: faixa de frequências entre 100 e 1500 MHz, distâncias entre 1 e 20 km, atura da antena da BTS entre 30 e 200 metros, e atura da antena do MS entre 1 e 10 metros O modeo de Okumura-Hata é argamente utiizado no panejamento de RF de redes ceuares O modeo de Okumura-Hata não eva em consideração expicitamente a difração sobre o terreno e edificações Para ta, é necessário representar matriciamente a topografia da área de serviço e apicar modeos específicos de perda por difração A topografia da área de serviço é representada por uma matriz H denominada modeo de eevação digita (DEM - Digita Eevation Mode) ou base topográfica digitaizada [34] Cada eemento h i,j da matriz armazena a atura média do terreno em uma superfície de m 2, denominada pixe O parâmetro é a resoução panar da matriz H A matriz H também pode conter, adicionada à atura do terreno, a atura de edificações Se a área de serviço cobre uma superfície tota de m 2, então H tem eementos Para representar a superfície da área de serviço como um pano, dividido em pixes uniformemente espaçados, é necessário apicar um sistema de coordenadas geográficas que use uma projeção cartográfica retanguar, como o sistema UTM (Universa Transverse Mercator) [35] Assume-se que o sistema UTM é utiizado e queh 1,1, o primeiro eemento de H, está situado no extremo noroeste da área de serviço, conforme iustrado pea Fig 2 Se as coordenadas UTM [x 1 y 1 ] T de h 1,1 são conhecidas, então as coordenadas de h i,j são dadas por: [ ] [ ] xj x1 +r = H (j 1) (2) y i y 1 (i 1) onde i = 1,2,, e j = 1,2,, O perfi do reevo - incuindo a atura dos prédios, se disponíve - entre a k-ésima céua e o pixe (i,j) é obtido a partir do DEM A Fig 3 mostra o perfi do reevo e a fronteira da primeira Zona de Fresne [32] em um rádio-enace Após a obtenção do perfi do reevo entre o transmissor e o receptor, as perdas por difração em obstácuos devem ser cacuadas por um modeo específico, como Epstein-Peterson, Buington ou Deygout [32] A perda de propagação média em db, cacuada peo modeo de Okumura-Hata, entre a k-ésima céua na área de serviço e o pixe (i,j), acrescida da perda por difração u i,j,k, é dada por: L i,j,k = c 1 +c 2 og 10 (d i,j,k )+og 10 (z k ) [ c 3 +c 5 og 10 (d i,j,k ) ] +c 4 u i,j,k (3) onde d i,j,k é a distância em metros entre a antena da k-ésima céua e o pixe (i,j) Os coeficientes do modeo dependem da morfoogia da região e da frequência de operação do rádioenace Para RANs utiizando a banda de MHz, o modeo de Okumura-Hata é apicado na frequência centra de Fig 2 Fig 3 y y 1 h 1,1 y i x 1 Superfície da Área de Serviço representada como uma Matriz h i,j Perfi do Reevo com Atura de Prédios 875 MHz Os vaores dos coeficientes são istados na Tab I Estes são os vaores padrão para áreas urbanas e suburbanas, exceto os vaores de c 4, que foram empiricamente definidos peos autores em [36] TABELA I COEFICIENTES DO MODELO DE OKUMURA-HATA Coeficiente Urbana Suburbana c 1 12,1 2,2 c 2 44,9 44,9 c 3 5,83 5,83 c 4 0,5 0,4 c 5 6,55 6,55 O parâmetro z k na equação (3) é a atura efetiva em metros da antena da k-ésima céua Sejam B 1 a atura da antena do setor em reação ao níve do soo, B 0 a atura do soo em reação ao níve do mar no oca onde está instaada a antena do setor, M 1 a atura da antena do MS em reação ao níve do soo e M 0 a atura do soo em reação ao níve do mar no oca onde está situado o MS Os parâmetros B 0, B 1, M 0 e M 1 são indicados na Fig 4 A atura efetiva da antena da k-ésima céua é dada por [37]: z k = B 1 +B 0 (M 1 +M 0 ), se B 0 > M 0 z k = B 1, se B 0 < M 0 (4) onde assume-se que M 1 = 15 metros [33] Os ânguos φ (pano vertica) e θ (pano horizonta) entre a antena da k-ésima céua e o pixe (i,j) podem ser cacuados utiizando trigonometria, uma vez que as coordenadas x j x

6 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 29 Fig 4 B 1 B 0 níve do mar z k Cácuo da Atura Efetiva da Antena da BTS geográficas espaciais - x, y e z - da antena e do pixe são conhecidas A potência de transmissão do cana de controe da k-ésima céua é considerada, assim como as perdas em conectores e cabos entre o transmissor e a antena transmissora Portanto, de posse dos diagramas de radiação vertica e horizonta da antena, é possíve estimar a potência isotrópica efetivamente irradiada (EIRP - Effective Isotropic Radiated Poer) do cana de controe da k-ésima céua na direção do pixe (i,j) Essa direção é definida peos ânguos φ e θ O RSS em dbm no pixe (i,j) do cana de controe da k-ésima céua é dado por: M 1 M 0 RSS i,j,k = EIRP i,j,k L i,j,k (5) onde EIRP i,j,k é a EIRP do cana de controe da k-ésima céua da direção do pixe (i,j) e L i,j,k é a perda de propagação entre a antena da k-ésima céua e o pixe (i,j), dada pea equação (3) Um mapa com os vaores preditos de RSS para uma céua é mostrado na Fig 5 Esse mapa foi gerado utiizando o modeo de Okumura-Hata sobre uma base topográfica digitaizada com resoução panar = 5 metros, com atura de prédios sobreposta ao reevo As perdas adicionais por difração sobre estes obstácuos foram cacuadas peo modeo de Epstein-Peterson [32] Fig 5 Mapa de RSS para uma Céua Considerando a assinatura de RF definida na equação (1), não apenas os vaores de RSS, mas também os vaores de RTT devem ser estimados O vaor de referência de RTT - ie, contido na assinatura de RF de referência - entre a k- ésima céua e o pixe (i,j) é dado por: 2di,j,k RTT i,j,k = (6) ct s onde c é a veocidade da uz no espaço ivre em metros por segundo, T s é o período de símboo em segundos e d i,j,k é a distância em metros entre a antena da k-ésima céua e o pixe (i,j) A equação (6) assume condições LOS entre a antena e o pixe, mas isso raramente se verifica em condições reais, especiamente em áreas urbanas densas Para mehorar a acurácia do vaor estimado do RTT de referência, o atraso adiciona de propagação devido à propagação em condições NLOS pode ser modeado como uma variáve aeatória Uma aternativa para essa modeagem é apresentada peos autores em [23] A assinatura de RF de referência no pixe (i,j) está competa após RSS i,j,k e RTT i,j,k terem sido cacuados para k = 1,2,,N i,j, onde N i,j é o número de céuas cujos vaores preditos de RSS estão acima de um imiar na posição do pixe (i,j) Note que 1 N i,j N c, onde N c é o número tota de céuas na área de serviço A assinatura de RF de referência no pixe (i,j) é definida por: S i,j = CI i,j,1 RSS i,j,1 RTT i,j,1 (7) CI i,j,ni,j RSS i,j,ni,j RTT i,j,ni,j onde CI i,j,k é o CI da k-ésima céua cujo sina é detectado, segundo a predição de cobertura, no pixe (i,j) As inhas são cassificadas em ordem descendente de RSS, ie, RSS i,j,k RSS i,j,k, se k k O CDB está competo após S i,j ter sido cacuado para todos os pixes na área de serviço - ie, para i = 1,2,, e j = 1,2,, A estrutura do CDB assim obtido é uma grade uniforme, conforme definido na Seção II-B1 A resoução panar do CDB deve ser comparáve à acurácia média esperada do método de ocaização [20] Então, se é muito pequeno, a grade do CDB pode ser sub-amostrada [23] A matriz resutante terá eementos, onde é a nova resoução panar do CDB A Fig 6 mostra um exempo onde = 2 A nova assinatura de RF de referência S 1,1 do primeiro eemento da matriz é obtida pea média dos vaores contidos nas assinaturas de RF de referência originais S 1,1, S 1,2, S 2,1 e S 2,2 O processo é repetido para todos os pixes Se as coordenadas UTM de [x 1 y 1 ] T de S 1,1 são conhecidas, então as coordenadas de S i,j são dadas por: [ ] [ ] xj x1 +r = S (j 1) (8) y i y 1 (i 1) onde i = 1,2,, e j = 1,2,, Se o CDB é construído a partir de modeagem de propagação, medidas de campo podem ser utiizadas para um ajuste fino dos modeos de propagação empíricos utiizados Espera-se que este procedimento mehore a precisão de ocaização de um método DCM utiizando ta CDB Considere que uma rota de caibração é reaizada através da área de serviço Em cada ponto de medição, o RSS de

7 30 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE 2011 y S' 1,1 y S 1,1 S 1,2 S 2,1 S 2,2 x x (a) Rota Origina Fig 6 Sub-amostragem de um CDB estruturado como uma Grade Uniforme j /r s cada céua detectada é coetado As coordenadas dos pontos de medição, obtidas com o GPS, também são coetadas, permitindo identificar sobre quais pixes do CDB os pontos de medição da rota de caibração estão situados, conforme exempificado pea Fig 7(a) Para pontos de medição situados sobre um mesmo pixe, um vaor médio de RSS por céua é cacuado, restando apenas um ponto de medição equivaente por pixe Após esse procedimento, cada ponto de medição é identificado pea 3-upa (i n,j n, M n ), conforme exempificado pea Fig 7(b) O par (i n,j n ) identifica o pixe sobre o qua o n-ésimo ponto de medição está situado Note que 1 n N m, onde N m é o número de pontos de medição da rota de caibração A matriz M n é o conjunto de vaores de RSS médios coetados no n-ésimo ponto de medição, e é definida por: M n = CI n,1 RSS n,1 CI n,nn RSS n,nn (9) onde CI n,k e RSS n,k são o CI e RSS da k-ésima céua no n-ésimo ponto de medição Note que 1 k N n, onde N n é o número de céuas detectadas no n-ésimo ponto de medição e 1 N n N c As inhas na matriz M são cassificadas em ordem decrescente de RSS, então RSS n,k RSS n,k, se k k No n-ésimo ponto da rota de caibração, a diferença entre os vaores medido e predito de RSS da k-ésima céua é dada por: ) ( ) b n,k = M n (k,2 S i,j k,2 (10) para e ) ( ) M n (k,1 = S i,j k,1 = CI k (11) (i n,j n ) = (i,j) (12) Note que 1 k N n, 1 k N i,j, 1 k N c e 1 n N m Cacuando b n,k para todos os pontos da rota de caibração onde a k-ésima céua foi detectada, obtém-se uma matriz couna B k com N m,k inhas O parâmetro N m,k indica o número de pontos da rota de caibração onde a k-ésima céua foi detectada Note que 1 N m,k N m Fig /r s i (i 1,j 1,M 1 ) Rota de Caibração (b) Rota Fina (i n,j n,m n ) (i Nm,j Nm,M Nm ) A caibração ou ajuste fino do modeo de propagação é feito céua a céua, através da definição de um fator de caibração C k que é adicionado à perda de propagação - dada pea equação (3) - entre a antena da k-ésima céua e quaquer pixe (i,j) na área de serviço O fator C k minimiza a soma das diferenças absoutas entre os vaores de RSS medidos e preditos da k-ésima céua nos pontos da rota de caibração onde a k-ésima céua foi detectada O fator C k em db pode ser estimado peo método dos mínimos quadrados, conforme: ( C k = V T 1 V) V T Bk (13) onde V é uma matriz couna com N m,k inhas e cujos eementos são todos iguais a um [38] A terceira aternativa para construção do CDB é a utiização simutânea de assinaturas de referência medidas e preditas Neste caso, o CDB é dito misto Primeiro, um CDB estruturado como uma grade uniforme é construído utiizando modeagem de rádio-propagação Em seguida, medidas de campo são reaizadas para coetar assinaturas de RF de referência Estes pontos de medição podem ser isoados ou ocaizados ao ongo de rotas Nos pixes do CDB onde houver pontos de medição, as assinaturas de referência medidas substituem as assinaturas de referência preditas Para suavizar descontinuidades entre vaores preditos e medidos de RSS, aguma forma de interpoação entre os vaores medidos e preditos precisa ser reaizada nos pixes em torno dos pontos de medição [38]

8 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 31 Espera-se que a inserção de assinaturas de referência medidas no CDB mehore a precisão de ocaização do MS, especiamente nos pixes próximos aos pontos de medição Porém, as mesmas dificudades de atuaização que atingem os CDBs construídos inteiramente a partir de medidas de campo também afetam os CDBs mistos Após quaquer ateração na RAN, medidas atuaizadas precisam ser obtidas para prevenir degradação da precisão de ocaização [22] Se os pontos de medição são obtidos a partir de rotas veicuares, isso significa que novas rotas precisam ser reaizadas para a atuaização do CDB Uma soução aternativa para a atuaização dos CDBs mistos é a utiização de receptores de referência denominados passive isteners [29] Estas unidades são MS s posicionados em ocais com coordenadas conhecidas Estes MS s reaizam medidas que são enviadas à rede através de NMRs, possibiitando uma atuaização automática do CDB misto É possíve aumentar a precisão de ocaização em uma dada zona por meio da instaação de um número suficientemente ato de receptores de referência nessa zona Um agoritmo para indicar a distribuição ótima de receptores de referência em uma dada área é proposto em [29] C Técnicas para Reduzir o Espaço de Correação O espaço de correação é um sub-conjunto de eementos do CDB cujas assinaturas de referência são comparadas com a assinatura avo As coordenadas geográficas dos eementos do espaço de correação são posições candidatas para a soução do probema de ocaização do MS Porém, não é praticáve comparar a assinatura avo com todas as assinaturas de referência armazenadas no CDB, uma vez que isso resutaria em uma eevada carga de processamento e em um ongo tempo para produzir uma estimativa de posição Portanto, aguma técnica deve ser apicada para reduzir o espaço de correação sem prejudicar de modo perceptíve a precisão de ocaização Duas técnicas de redução do espaço de correação são apresentadas nessa seção: fitragem determinística do CDB, originamente proposta peos autores em [23], e busca otimizada com agoritmos genéticos (GA - Genetic Agorithms), originamente proposta em [39] e modificada peos autores em [40] As técnicas de redução do espaço de correação são apresentadas assumindo que o CDB é estruturado como uma grade uniforme, porém a extensão para o caso de um CDB estruturado como uma ista indexada é direta O espaço de correação origina é representado peo conjunto A e contém todos os eementos do CDB Se o CDB é estruturado como uma grade uniforme e a área de serviço cobre uma superfície tota de m 2, então #A =, onde é a resoução panar do CDB O conjunto A é definido por: { (xj ) } A =,y i, S i,j i = 1,2,, e j = 1,2,, (14) onde S i,j é a assinatura de RF de referência no pixe (i,j) As coordenadas geográficas (x j,y i ) do pixe (i,j) são dadas pea equação (8) O espaço de correação reduzido D é um subconjunto de A O fator de redução do espaço de correação pode ser definido por: γ = 1 #D #A (15) onde #A e #D são o número de eementos no espaço de correação origina (A) e reduzido (D), respectivamente Note que D A 1) Fitragem Determinística: Essa técnica reduz progressivamente o espaço de correação, apicando três passos sucessivos de fitragem sobre os eementos do CDB [23] A área de serviço é representada na Fig 8(a), onde a área de mehor servidor de cada céua é mostrada, bem como os vetores representando o arruamento O mapa da área de serviço incui todos os eementos do CDB e corresponde ao espaço de correação origina A 1) No primeiro passo de fitragem, o espaço de correação é restrito aos eementos do CDB dentro da área de mehor servidor da céua com o maior vaor de RSS na assinatura de RF avo, obtendo-se: {( ) } B = x j,y i, S i,j S i,j A e S i,j (1,1) = F(1,1) (16) onde S i,j (1,1) e F(1,1) são o CI do mehor servidor na assinatura de referência e na assinatura avo, respectivamente A assinatura de referência é definida pea equação (7) A assinatura avo é definida pea equação (1) A área de mehor servidor de uma céua, cujo CI é indicado por F(1,1), é mostrada na Fig 8(b) Essa área contém os eementos de B 2) No segundo passo de fitragem, o espaço de correação é restrito aos eementos cujo vaor de RTT do mehor servidor é igua ao vaor de RTT do mehor servidor na assinatura de RF avo O conjunto resutante é definido por: C = {( ) x j,y i, S i,j } S i,j B e S i,j (1,3) = F(1,3) (17) onde S i,j (1,3) e F(1,3) são os vaores de referência e avo de RTT, respectivamente A Fig 8(c) mostra os pixes pertencentes a C O segundo passo de fitragem é omitido em RANs onde vaores de RTT não estão disponíveis, como no caso de redes WiFi 3) No terceiro passo de fitragem, o espaço de correação é restrito ao eementos cujas assinaturas de referência contêm as primeiras N céuas istadas na assinatura avo F Como as inhas de F são cassificadas em ordem decrescente de RSS, essas céuas têm os N maiores vaores de RSS em F O conjunto dos CIs das N céuas com os maiores vaores de RSS na assinatura avo é definido por: I TN = {F(1 : N,1) N [1,N a ]} (18) onden a é o número de céuas âncora em F O conjunto de CIs na assinatura de referência no pixe (i, j) é definido por: { } I R,i,j = S i,j (1 : N i,j,1) S i,j C (19) onde N i,j é o número de céuas em S i,j A cardinaidade do conjunto (I R,i,j I TN ) informa quantas das céuas na assinatura de referência do pixe (i, j) estão entre as N céuas com os maiores vaores de RSS na

9 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE de refere ncia, que e usada para avaiar a aptida o do indivı duo Os passos do agoritmo sa o: (a) (b) (c) (d) 1) Iniciaizar a popuac a o da primeira gerac a o, seecionando aeatoriamente indivı duos pertencentes ao conjunto B, definido na equac a o (16); 2) Avaiar a aptida o de cada indivı duo da popuac a o atua, utiizando uma func a o de correac a o; 3) Criar os cromossomos, convertendo as coordenadas dos indivı duos para o formato bina rio; 4) Apicar operadores gene ticos - crossover, mutac a o e eitismo - para criar a nova gerac a o; 5) Converter os cromossomos para o formato inteiro; 6) Se um crite rio de parada for atingido, a ocaizac a o do MS e dada peas coordenadas do indivı duo mais apto; caso contra rio, retorna-se ao passo 2 O primeiro passo e um aprimoramento da formuac a o proposta em [39], onde a popuac a o inicia e aeatoriamente seecionada dentre os pixes pertencentes ao conjunto A O assinatura avo Se # (IR,i,j ITN ) = 0, o vaor de N aprimoramento, proposto originamente peos autores em [40], e reduzido ate que # (IR,i,j ITN ) > 0 baseia-se na pressuposic a o de que a probabiidade do MS estar No terceiro passo de fitragem, o espac o de correac a o e ocaizado dentro da a rea de mehor servidor predita do seu restrito aos pixes onde # (IR,i,j ITN ) = N O espac o setor servidor e maior do que em quaisquer outros pixes na de correac a o reduzido assim obtido e definido por: a rea de servic o Portanto, durante a iniciaizac a o da popuac a o da primeira gerac a o, em vez de seecionar aeatoriamente in D= xj, yi, Si,j Si,j C e # IR,i,j ITN = N e N [1, Na ] divı duos por toda a a rea de servic o, os indivı duos sa o seecio(20) nados aeatoriamente dentre os pixes pertencentes ao conjunto B Como conseque ncia, a aptida o me dia da popuac a o da A Fig 8(d) mostra os pixes pertencentes a D Note que D primeira gerac a o e maior - ie, na me dia, os indivı duos da C B A e que, nesse caso, #D << #A, o que significa primeira gerac a o esta o mais pro ximos da ocaizac a o rea do que a te cnica de fitragem determinı stica do CDB atinge um MS - o que significa que, em comparac a o com o agoritmo eevado fator de reduc a o do espac o de correac a o [23] proposto em [39], menos gerac o es sa o necessa rias para atingir 2) Busca Otimizada utiizando Agoritmos Gene ticos: GA a souc a o sub-o tima e uma te cnica de busca adaptativa baseada nos princı pios Se o CDB e estruturado como uma grade uniforme, o de seec a o natura e reproduc a o gene tica [41] Cada souc a o comprimento de cada cromossomo e dado peo nu mero candidata e um indivı duo representado por uma seque ncia de bits necessa rio para identificar a posic a o de um pixe nume rica denominada cromossomo Quando o cromossomo - ie, sua minha e suam m couna no CDB - e e dado por e representando em forma bina ria, cada bit e denominado og2 rs + og2 rs, onde m2 e a superfı cie gene O conjunto de indivı duos em cada cico ou gerac a o e denominado popuac a o Os indivı duos em uma popuac a o sa o da a rea de servic o e rs e a resouc a o panar do CDB Quanto maior a correac a o entre a assinatura de refere ncia modificados e combinados por meio de operadores gene ticos - crossover, mutac a o e eitismo - produzindo uma nova de um indivı duo e a assinatura avo, maior a aptida o desse popuac a o para a gerac a o seguinte O crossover combina indivı duo O indivı duo mais apto de uma gerac a o e aquee que segmentos de cromossomos de dois indivı duos, produzindo atinge a maior correac a o A correac a o e cacuada utiizando dois novos indivı duos para a gerac a o seguinte A mutac a o uma das te cnicas apresentadas na Sec a o II-D O cico do GA termina quando peo menos uma das seguine uma aterac a o aeato ria de um ou mais genes de um cromossomo O eitismo e a conagem do mehor indivı duo tes condic o es ocorrer: i) um nu mero ma ximo de gerac o es gmax de uma gerac a o no cico subsequente [42] A aptida o de um for atingido; ii) a aptida o do mehor indivı duo na o aumentar indivı duo e verificada atrave s de uma func a o de avaiac a o mais do que ǫ durante α gerac o es consecutivas A segunda Indivı duos mais aptos te m maior probabiidade de serem condic a o otimiza o crite rio de parada comum baseado apenas seecionados para reproduc a o (crossover) O mehor indivı duo no nu mero ma ximo de gerac o es: se a aptida o do mehor em uma popuac a o e aquee que atinge o maior vaor na indivı duo atinge um estado estaciona rio, isto pode significar func a o de avaiac a o Este cico continua ate que um crite rio que o agoritmo atingiu um ma ximo oca e que portanto na o de parada - o nu mero ma ximo de gerac o es, aptida o do mehor ha necessidade de avaiar novas gerac o es [43] A ocorre ncia indivı duo, tempo de processamento, etc - seja atingido O prematura do ma ximo oca pode ser evitada eevando-se a mehor indivı duo da u tima gerac a o fornece a souc a o sub- taxa de mutac a o O espac o de correac a o reduzido D conte m as coordenadas o tima do probema [41] Na apicac a o proposta de GA para ocaizac a o, cada in- e as assinaturas de refere ncia de todos os indivı duos de todas divı duo e um pixe Cada pixe tem uma assinatura de RF as gerac o es A cardinaidade deste conjunto e #D = g τ, Fig 8 Reduc a o do Espac o de Correac a o com Fitragem Determinı stica

10 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 33 onde g é o número de gerações e τ é o número de indivíduos por geração Note que g g max e que D B A D Correação de Assinaturas de Rádio-Frequência Após definir a estrutura da assinatura de RF e do CDB, o espaço de correação e as técnicas para reduzi-o, fazse necessário especificar como as assinaturas de referência contidas em D são comparadas à assinatura avo O objetivo é encontrar a assinatura de referência em D que tem a maior simiaridade ou correação com a assinatura avo A correação pode ser avaiada através dos vaores absoutos de RSS ou através da ordenação dos mesmos Os vaores de RTT não são diretamente utiizados na comparação das assinaturas de referência e avo, mas são apicados na redução do espaço de correação, conforme descrito na Seção II-C1 Neste trabaho, a correação entre as assinaturas de referência e avo é avaiada através da ordenação e dos vaores absoutos de RSS No primeiro caso, esta avaiação é feita utiizando o coeficiente de correação de ordem de Spearman [45] No segundo caso, esta avaiação é feita de duas maneiras: i) cacuando a distância no espaço N-dimensiona de RSS entre as assinaturas de referência e avo [23] e ii) utiizando redes neurais artificiais [44] Assume-se que o MS está ocaizado no pixe cuja assinatura de referência tenha a maior correação com a assinatura avo Aternativamente, em vez de utiizar apenas o pixe com a maior correação, é possíve seecionar os K pixes com os maiores vaores de correação Neste caso a ocaização estimada do MS é dada pea média aritmética das coordenadas desses K pixes Este método é denominado K vizinhos mais próximos (KNN - K Nearest Neighbors) [46] 1) Distância no Espaço N-Dimensiona de RSS: A simiaridade entre as assinaturas de referência e avo pode ser definida em função da distância entre as mesmas em um espaço N-dimensiona de RSS [47] Cada dimensão corresponde a uma céua A distância na k-ésima dimensão é a diferença entre os vaores de RSS de referência e avo da k-ésima céua A Fig 9 mostra um exempo para N = 3 A distância eucidiana entre a assinatura avo (ponto negro) e cada assinatura de referência (pontos brancos) no espaço tridimensiona de RSS é indicada peos comprimentos dos segmentos de reta A simiaridade ou correação entre as assinaturas de referência e avo é inversamente proporciona à distância no espaço N-dimensiona de RSS entre essas assinaturas Esta distância pode ser cacuada através de diferentes métricas: distância eucidiana, soma de diferenças absoutas (SAD - Sum of Absoute Differences), etc O uso de diferentes métricas pode produzir estimativas de posição distintas [50] Duas situações são consideradas quando a distância no espaço N-dimensiona de RSS é cacuada: i) caso particuar, apicado especificamente quando a fitragem determinística é utiizada [23], e ii) caso gera, onde um termo de penaidade é introduzido [20] O caso particuar é apicáve quando o espaço de correação reduzido D é obtido utiizando fitragem determinística do CDB O caso particuar também é apicáve quando apenas RSS Céua C (dbm) RSS Céua B (dbm) ( 55, 52, 53) ( 54, 53, 52) ( 54, 57, 55) RSS Céua A (dbm) Fig 9 Distâncias Eucidianas entre as Assinaturas Avo (ponto negro) e de Referência (pontos brancos) no Espaço 3-dimensiona de RSS o terceiro passo de fitragem é utiizado, isto é, quando as assinaturas de referência que contêm as primeiras N céuas istadas na assinatura avo F são seecionadas diretamente do conjunto A, e não do conjunto C Considerando( que o CDB ) é organizado como uma grade uniforme e que i,j, S i,j D, a distância eucidiana entre a assinatura avo F e a assinatura de referência S i,j no espaço N-dimensiona de RSS, no caso particuar, é dada por: d i,j = N ( ) 2 S i,j (n k,2) F(k,2) (21) δ k=1 onde S i,j (n k,1) = F(k,1) e n k [1,N i,j ] O parâmetro N i,j informa o número de inhas em S i,j O parâmetro δ representa a inacurácia em db na medida de RSS, inerente ao MS A utiização do parâmetro δ na correação de assinaturas de RF foi originamente proposta peos autores em [25] Note que, na equação (21), quaquer diferença entre vaores avo e de referência de RSS menor que δ é considerada nua Se o parâmetro δ não for utiizado, a equação (21) torna-se: d i,j = N ( S i,j (n k,2) F(k,2) ) 2 (22) k=1 No caso gera, a correação entre as assinaturas de referência e avo é feita evando em consideração todas as céuas contidas nas assinaturas, e não apenas as N céuas com maiores vaores de RSS na assinatura avo, como é feito no caso particuar Um termo de penaidade é inserido para cada céua presente na assinatura avo e ausente na assinatura de referência [20] No caso gera com termo de penaidade, a distância eucidiana entre a assinatura avo F e a assinatura de referência S i,j no espaço N-dimensiona de RSS é dada por: d i,j = N ( S k=1 i,j (n k,2) F(m k,2) δ ) 2 +2β(N a N) (23) onde S i,j (n k,1) = F(m k,1), n k [1,N i,j ] e m k [1,N a ] O parâmetro N a é o número de céuas âncora em F O parâmetro β é o vaor em db da faixa dinâmica de RSS Em redes GSM, por exempo, β = 63 db [27] A equação (23)

11 34 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE 2011 difere da formuação apresentada em [20] pea inserção do parâmetro δ Na equação (23), o parâmetro N informa quantas céuas istadas em F também o são em S i,j Ao contrário do que ocorre na equação (21), essas céuas não têm necessariamente os N maiores vaores de RSS em F Para cada céua istada em F e ausente de S i,j, um termo de penaidade 2β é adicionado Esse vaor é igua ao dobro da máxima diferença possíve entre vaores de RSS, garantindo que, dadas duas assinaturas de referência, aquea com o maior vaor de N estará mais próxima da assinatura avo, independentemente do vaor do primeiro termo na equação (23) Note que, para quaquer assinatura de referência, se N = N a, as equações (21) e (23) fornecem o mesmo resutado Ou seja, a equação (21) é um caso particuar da equação (23) O cácuo da SAD apresenta menor compexidade computaciona, se comparado com o cácuo da distância eucidiana Se, ao invés da distância eucidiana, a SAD for utiizada, a equação (23) torna-se: N S i,j (n k,2) F(m k,2) d i,j = +2β(Na N) (24) δ k=1 Se o parâmetro δ não for utiizado, a equação (24) torna-se: N d i,j = S i,j (n k,2) F(m k,2) +2β(N a N) (25) k=1 2) Redes Neurais Artificiais: Redes neurais artificiais (ANN - Artificia Neura Netorks) são sistemas paraeos distribuídos compostos por unidades de processamento denominadas neurônios, que executam funções matemáticas [48] ANNs são usuamente utiizadas para aproximar funções não ineares e para cassificação de padrões [49] Uma ANN pode ser utiizada para aproximar uma função que representa o mapeamento entre uma assinatura de RF e um par de coordenadas geográficas (x, y), minimizando o erro quadrático médio (MSE - Mean Squared Error) Em [44], foi proposta e testada em redes WiFi uma topoogia para uma ANN com ta apicação, com dois vaores de entrada por céua detectada: o primeiro é uma variáve booeana indicando se a céua está presente ou não na assinatura de RF; o segundo é o vaor de RSS normaizado referente a esta céua Em redes onde, diferentemente de redes WiFi, há disponibiidade de vaores de RTT, pode ser utiizada uma terceira entrada por céua: o vaor de RTT normaizado, como mostra a Fig 10 [50] Os vaores de RSS e RTT são normaizados dentro de uma faixa que depende da função de transferência utiizada nos neurônios Apenas uma camada escondida com M neurônios é utiizada Isto está de acordo com o teorema da aproximação universa, que afirma que uma única camada escondida, se corretamente dimensionada, é suficiente para aproximar a maioria das funções não-ineares [51] Há dois neurônios na camada de saída, já que apenas a ocaização no pano está sendo considerada As coordenadas estimadas do MS, fornecidas pea ANN, são normaizadas dentro de uma faixa que depende da função utiizada nos neurônios das camadas escondida e de saída Fig 10 Indicador Céua 1 RSS Norm Céua 1 RTT Norm Céua 1 Indicador Céua N C RSS Norm Céua N C RTT Norm Céua N C N c-2 3N c-1 3N c M x norm y norm Representação da Topoogia da ANN com Três Entradas por Céua Uma topoogia aternativa, mais adequada para situações onde apenas um vaor de RTT está disponíve por assinatura de RF, como em redes GSM, pode ser empregada: duas entradas por céua, como na topoogia proposta em [44], e uma entrada adiciona para o vaor de RTT normaizado Esta ANN teria 2N c +1 entradas, onde N c é o número de céuas na área de serviço [50] As conexões entre neurônios são chamadas de sinapses e cada uma deas tem um peso numérico Cada neurônio tem uma entrada adiciona denominada bias ou poarização, que é um vaor numérico que modifica a função de transferência Os pesos e biases são ajustados durante a fase de treinamento Usuamente, os pesos e biases iniciais são aeatoriamente seecionados [48] Durante o treinamento supervisionado [48], todas as assinaturas de referência armazenadas no CDB são fornecidas à ANN Para cada entrada S i,j, a ANN fornece uma saída (ˆx j,ŷ i ), que é comparada à saída avo (x j,y i ) Os pesos e biases da rede são iterativamente ajustados de forma a minimizar o MSE entre as saídas fornecidas pea ANN e as saídas avo O treinamento termina quando um número máximo de cicos ou épocas é atingido, ou quando um vaor avo de MSE é acançado Após o treinamento supervisionado, a ANN está pronta para receber assinaturas de RF avo como entradas, fornecendo na saída a ocaização estimada do MS 3) Coeficiente de Correação de Spearman: Diferenças nos processos de fabricação de MS s podem afetar a maneira como ees medem vaores de RSS Em consequência disso, em uma mesma posição e no mesmo instante, diferentes MS s podem informar vaores de RSS distintos referentes ao sina recebido de uma mesma céua Se o CDB é construído a partir de medidas de campo com um certo MS, e outro MS deve ser ocaizado, tem-se uma condição de operação crossdevice [22] A acurácia da ocaização de um método DCM utiizando esse CDB irá piorar nessa condição Isso é ainda

12 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 35 mais perceptíve quando os MS s são de diferentes modeos ou fornecidos por diferentes fabricantes Para minimizar a degradação da acurácia de ocaização em condições cross-device, pode-se utiizar os vaores reativos de RSS, ie, sua ordenação, ao invés do vaores absoutos A ordenação dos vaores de RSS de diferentes céuas é mais robusta às condições cross-device, o que significa que, enquanto os vaores absoutos de RSS de um conjunto de céuas podem ser bastante diferentes quando medidos por MS s distintos, a sua ordenação tem maior probabiidade de permanecer a mesma, ou peo menos, bastante semehante Essa observação baseia-se na suposição de que, para uma dada céua, a reação entre a intensidade do sina captado peo MS e o vaor de RSS informado peo MS é uma função monotonicamente crescente [52] Por exempo, considere dois MS s, MS 1 e MS 2, ambos na mesma posição, e duas BTS, BTS A e BTS B Os sinais dessas BTS chegam a ambos os MS s com intensidades s A e s B Os vaores de RSS informados peo MS 1 são RSS 1A e RSS 1B Os vaores de RSS informados peo MS 2 são RSS 2A e RSS 2B Se a reação entre a intensidade do sina captado e o vaor informado de RSS é uma função monotonicamente crescente, então, se s A > s B, RSS 1A > RSS 1B e RSS 2A > RSS 2B Note que, embora os pares de vaores (RSS 1A,RSS 1B ) e (RSS 2A,RSS 2B ) possam ser diferentes, se as céuas detectadas peos dois MS s forem istadas em ordem decrescente de RSS, obtém-se a mesma sequência: (BTS A,BTS B ) A simiaridade entre diferentes sequências ou permutações de um mesmo conjunto de céuas, ordenadas em função de seus respectivos vaores de RSS, pode ser numericamente avaiada através do coeficiente de correação de Spearman [45] Esse coeficiente pode ser utiizado para cacuar a correação entre a assinatura de RF avo F e uma assinatura de RF de referência S i,j Porém, essas assinaturas não têm necessariamente as mesmas céuas ou a mesma quantidade de céuas Portanto, antes de apicar o coeficiente de correação de Spearman, agum processamento é requerido Por isso, duas matrizesn c 2 - V F e V S - são utiizadas, com vaores iniciais definidos por: V F (n,1 : 2) = V S (n,1 : 2) = [CI n N c ] (26) onde n = 1,2,,N c O parâmetro N c é a quantidade de céuas na área de serviço e CI n é o CI da n-ésima céua na área de serviço Como as inhas de F são cassificadas em ordem decrescente de RSS, a posição de cada céua na sequência ordenada peos vaores de RSS é o próprio índice da inha correspondente em F Esse índice deve ser inserido na segunda couna da inha correspondente em V F, conforme definido por: onde V F (n k,2) = k (27) V F (n k,1) = F(k,1) n k [1,N c ] k = 1,2,,N a (28) O mesmo procedimento deve ser seguido para S i,j e V S, conforme definido por: V S (n k,2) = k (29) onde V S (n k,1) = S i,j (k,1) n k [1,N c ] k = 1,2,,N i,j (30) O coeficiente de correação de Spearman, cacuado entre a assinatura avo e a assinatura de referência no pixe (i,j), é dado por: {[( VF (n,2) R )( F VS (n,2) R )]} S ρ i,j = onde Nc n=1 Nc n=1 { (VF (n,2) R F ) 2 } Nc n=1 R F = 1 N c Nc n=1 {V F (n,2)} R S = 1 N c Nc n=1 {V S (n,2)} { (VS (n,2) R S ) 2 } A distância de Spearman pode ser definida como [45]: (31) (32) d i,j = 1 ρ i,j (33) III AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL Nesta seção são mostrados resutados experimentais obtidos em uma rede GSM 850 MHz em área urbana densa no Centro da cidade do Rio de Janeiro A avaiação concentra-se em dois pontos: o efeito da utiização de diferentes tipos de CDB (medido, predito e misto) e da fitragem de média móve na precisão de ocaização de métodos DCM apresentados neste tutoria Uma anáise mais extensa sobre este teste pode ser encontrada em [23], [25], [36] e [50] A Configuração do Método DCM Avaiado O método DCM avaiado nesta seção tem a seguinte configuração: Assinatura de RF: dada pea equação (1), com apenas um vaor de RTT; Técnica de Redução do Espaço de Busca: Fitragem Determinística; Tipo de CDB: medido, predito, caibrado e misto (ver Seção III-D); Função de Correação: Distância Eucidiana no Espaço N-Dimensiona de RSS, dada pea equação (21), com N = 5, K = 2 e δ = 6 db [27]; Fitragem: Fitro de Média Móve com comprimento 20, conforme descrito na Seção III-C B Campanha de Coeta de Assinaturas de RF O conjunto de teste foi constituído de um teefone GSM egado modeo SAGEM OT298 e um receptor GPS modeo GARMIN, ambos conectados a um aptop no interior de um veícuo, em cujo topo foi instaada a antena receptora GPS Foi originada uma chamada e o MS foi mantido em modo dedicado durante a coeta Todas as mensagens trocadas entre o MS e a BTS servidora foram capturadas peo softare TEMS Investigation da Ericsson e armazenadas para posterior

13 36 REVISTA TELECOMUNICAÇÕES, VOL 13, Nº 01, MAIO DE 2011 TABELA II ROTAS DE COLETA DE ASSINATURAS DE RF Parâmetro Rota 1 Rota 2 Rota 3 Qtd Assinaturas Área (km 2 ) 4, Qtd Setores Detectados Densidade de Setores (set/km 2 ) 23,5 - - processamento As características das rotas de coeta são resumidas na Tab II [25] A densidade de setores na Tab II é cacuada assumindo uma distribuição uniforme das céuas na região de teste, sendo dada pea razão entre o número de setores e a área da superfície coberta pea rota de teste A Rota 1 é utiizada para coetar assinaturas avo e testar a precisão de ocaização A Rota 2 é parte do trajeto da Rota 1 e é utiizada apenas para caibração de modeos de propagação empíricos, conforme descrito na Seção II-B2 A Rota3segue o trajeto da Rota1eéempregada para a construção do CDB baseado em medidas Cada assinatura de RF medida é composta peo código da área de ocaização (LAC - Location Area Code), peo vaor de ainhamento tempora (TA - Timing Advance) e peos vaores de RSS das céuas istadas no NMR O parâmetro TA corresponde ao RTT em redes GSM O MS em modo ativo envia um NMR para o setor servidor a cada 480 ms O NMR contém a identidade e os vaores de RSS do setor servidor e de até6setores vizinhos O RSS informado no NMR é quantizado com passo de 1 db, variando de 110 dbm a 48 dbm [27] C Fitragem de Média Móve Para um dado MS, há uma forte correação entre suas ocaizações nos instantes t k e t k + t, desde que o produto da veocidade υ do MS e do intervao de tempo t seja pequeno [53] O fitro de média móve atua como um fitro passabaixa, suavizando desvios entre estimativas de ocaização adjacentes ao ongo de uma rota de teste Utiizando um fitro de comprimento L, as coordenadas estimadas [ˆx k ŷ k ] T do MS no instantet k são dadas pea média aritmética das coordenadas da estimativa atua e das L 1 anteriores, ou seja: [ ˆxk ŷ k ] = 1 L L 1 u=0 [ ] ˆxk u ŷ k u (34) O vaor ótimo de L depende do produto υ t e das variações de direção e veocidade do MS [53] Verificouse experimentamente que o vaor ótimo para a Rota 1 é L = 20 [23] D Tipos de CDB Testados Os quatro tipos de CDB apresentados neste tutoria foram testados: medido, predito, caibrado e misto Com exceção do CDB medido obtido a partir das assinaturas de RF coetadas na Rota 3 - que é estruturado como uma ista indexada - os CDBs utiizados no teste são internamente organizados como grades uniformes com resoução panar r = 10 metros O CDB predito foi obtido a partir dos mapas de RSS predito das céuas da área de teste Estes mapas foram gerados com resoução panar r = 10 metros, sobre um DEM com resoução panar r = 5 metros, e utiizando o modeo de Okumura-Hata Os vaores dos coeficientes do modeo estão istados na Tab I A perda adiciona por difração sobre obstácuos do terreno - reevo ou edifícios - foi cacuada peo modeo de Epstein-Peterson [32] O CDB caibrado foi gerado após a correção dos mapas de RSS predito, com a apicação dos coeficientes de caibração aos modeos de propagação de cada céua A Rota 2 foi utiizada para reaizar a caibração dos modeos de propagação empíricos, de acordo com o procedimento descrito na Seção II- B2 O CDB misto foi gerado a partir do CDB predito e das das medidas coetadas por receptores de referência fixos espahados pea área de teste [29] Nos pixes do CDB onde há pontos de medição, as assinaturas de referência medidas substituem as assinaturas de referência preditas Para suavizar descontinuidades entre vaores preditos e medidos de RSS, utiiza-se interpoação inear entre os vaores medidos e preditos nos pixes em torno dos pontos de medição [38] E Precisão em Função do Tipo de CDB A Fig 11 mostra, para cada tipo de CDB utiizado, a função de distribuição cumuativa (CDF - Cumuative Distribution Function) do erro de ocaização Conforme esperado, a utiização do CDB medido resuta na mehor precisão, seguido peo CDB misto A utiização do CDB caibrado aumenta a precisão em reação ao uso do CDB predito, reduzindo o erro mediano de 98 metros para 78 metros Percenti Fig Predito 02 Misto Caibrado Medido Erro (metros) CDF do Erro de Locaização A Tab III mostra os erros de ocaização obtidos peo método DCM para os percentis 67% e 95% Os erros de ocaização máximos admissíveis pea norma FCC E911 para estes mesmos percentis são 100 metros e 300 metros [2] Observa-se que o imite para o percenti 95% é atendido em todos os casos Com os CDB s medido e misto, o imite para o percenti 67% também é atendido Com o CDB caibrado, o erro para o percenti 67% fica bem próximo do imite E911 para este percenti

14 CAMPOS & LOVISOLO: LOCALIZAÇÃO DE TERMINAIS MÓVEIS UTILIZANDO CORRELAÇÃO DE ASSINATURAS 37 TABELA III ERROS DE LOCALIZAÇÃO PARA OS PERCENTIS 67% E 95% Tipo CDB 67% 95% Medido Misto Caibrado Predito IV CONCLUSÃO Este tutoria apresentou em detahes os métodos de ocaização utiizando correação de assinaturas de RF, ou métodos DCM Por serem baseados na rede e apresentarem eevada disponibiidade, os métodos DCM são aternativas viáveis para a ocaização de chamadas de emergência em redes de teefonia móve ceuar, podendo ocaizar MS s egados de segunda geração, que constituem a maioria absouta dos terminais ceuares em uso no Brasi atuamente A avaiação da precisão através de testes em uma rede GSM em área urbana indicou que os métodos DCM podem acançar os requisitos de precisão especificados peo FCC para o serviço E911 REFERÊNCIAS [1] Location Services (LCS); Service description; Stage 1, ETSI Standard TS v900 ( ), 2009 [2] FCC, Guideines for Testing and Verifying the Accuracy of Wireess E911 Location Systems, OET BULLETIN No71, 2000 [3] European Commission, Commission Recommendation 2003/558/EC, Officia Journa of the European Union, 2003 [4] J M Zagami et a, Providing Universa Location Services Using a Wireess E911 Location Netork, IEEE Communications Magazine, vo 36, no 4, Abri 1998, pp [5] M I Siventoinen e T Rantaainen, Mobie Station Emergency Locating in GSM, in Proc of IEEE Internationa Conference on Persona Wireess Communications, Ne Dehi, Fevereiro 1996 [6] TIM (2010, Março) TIM Casa [Onine] Disponíve: casa [7] AT&T (2010, Março) TeeNav Track [Onine] Disponíve: [8] Peope Tracking - A potentia breakthrough LBS appication, Northstream Technica Report, 2005 [9] Chid Locate (2010, Março) Chid Locate [Onine] Disponíve: [10] TomTom (2010, Março) TomTom Points of Interest [Onine] Disponíve: services [11] NTT DoComo (2010,Março) Imadoco Kantan Search [Onine] Disponíve: nttdocomocojp/engish/service/information/imadoco kantan [12] P Fournogerakis et a, Enhanced Handover Performance in Ceuar Systems based on Position Location of Mobie Terminas, in Proc of IST Mobie Summit, Barceona, Setembro 2001 [13] Digita ceuar teecommunications system (Phase 2+); 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