Serviços SMS I: Envio da Localização Física do Celular

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1 Serviços SMS I: Envio da Localização Física do Celular Esta série de tutoriais apresenta um serviço de localização baseado no envio de SMS (Short Message Service), de fácil uso e implantação, e voltado para todos os usuários independente da geração e modelo do telefone digital utilizado. Através desse serviço será possível o usuário receber um SMS que indica a sua posição geográfica, informada pela operadora. A base do funcionamento do serviço é a escolha de um modelo de propagação apropriado. No estudo realizado foram testados os modelos Log Distância e COST-231. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso Serviço de SMS Baseado na Localização Física de Celulares, elaborado pelo autor. Foi orientador do trabalho Waslon Terllizzie A. Lopes, D.Sc. Este tutorial parte I apresenta a base teórica para o desenvolvimento da pesquisa, iniciando com a descrição das características e arquitetura da Rede Celular. A seguir apresenta pontos importantes da transmissão de ondas eletromagnéticas e discute como fatores e ambientes afetam a sua propagação. Na última seção apresenta as características de alguns dos Sistemas de Localização. Lizandro Nunes da Silva Engenheiro Eletrônico pela Universidade de Pernambuco UPE (Recife, PE 2007) e pós graduado com Especialização em Redes de Computadores pela Universidade Católica de Pernambuco UNICAP (Recife, PE 2009) Atuou como Analista de Projetos na Autelserv-NE Telecomunicações Ltda, exercendo atividades de elaboração de projetos de radioenlace e vistorias técnicas em estações de rádio, como Técnico em Telecomunicações II na TIM Nordeste, exercendo atividades de análise performance de RF e de implementação/manutenção do Sistema de Informações no CGR, e atividades de projeto, otimização de estações GSM e análise dos parâmetros de desempenho da rede no Centro Regional de Planejamento Celular. Atualmente trabalha como Engenheiro da VIVO S/A, exercendo atividades de projeto, otimização de estações GSM/WCDMA e análise dos parâmetros de desempenho da rede. lizandro78@yahoo.com.br 1

2 Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 12/04/2010 2

3 Serviços SMS I: Introdução A evolução da telefonia móvel celular fez com que as operadoras oferecessem uma grande diversidade de serviços como downloads de jogos, músicas, vídeos, videochamadas e muito mais. O usuário passou se interessar por todas as novas vantagens oferecidas por essa rede, além do serviço principal, a voz. Dentre tantas novidades, surgiu o interesse das empresas fornecerem serviços de localização. Eles surgiram nos Estados Unidos, impulsionados pelas regras adotadas através Comissão Federal de Comunicações (FCC Federal Communications Commission), órgão do governo americano, semelhante à Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) no Brasil, pois controla as atividades das empresas de telecomunicações naquele país. A regra obrigava à operadora fornecer a localização do usuário que realizasse uma chamada de emergência. A decisão foi muito bem aceita pela sociedade, mas para as empresas os custos seriam altos. Para obter o retorno sobre o investimento, as operadoras começaram a elaborar serviços que pudessem ser tarifados com base na posição geográficas dos clientes. Dessa forma, surgiu o conceito comercial dos serviços de posição geográfica, conhecidos hoje como Serviços Baseados em Localização (LBS Location Based Services) (GUEDES, 2003). O conceito de LBS é um serviço de informação baseado na localização geográfica, que pode ser acessado por uma Estação Móvel (EM) através de uma rede móvel (VIRRANTAUS et al, 2001). Os serviços podem ser os mais variados como, por exemplo, controle para localização de filhos, promoções em shoppings, lojas e cinemas, meteorologia, esportes e etc. Mesmo sabendo que hoje muitos celulares já possuem sistemas de posicionamento acoplados aos aparelhos, embora sejam bastante caros para os usuários de sistemas pré-pagos, os quais passam de 80% dos usuários no Brasil, segundo a ANATEL, a motivação desta pesquisa é prover um serviço de localização mais acessível para essa parcela de consumidores. Baseado nestas idéias, será mostrado o funcionamento de um serviço, via mensagens de celular, que dará a localização de um usuário numa cidade bastante em conta para o bolso do cliente, uma vez que os custos mensagens de texto são da ordem de centavos nas operadoras. Também serão explicados os objetivos e metas, as quais serão desenvolvidas no decorrer da pesquisa. Vale a pena mencionar que a implantação do serviço não foi feita, pois haveria a necessidade de um acordo com uma operadora de telefonia móvel para prover um ambiente de testes, o que não foi possível. O ponto chave do funcionamento eficaz do serviço é a escolha de um modelo de propagação que apresente o menor erro médio do ponto geográfico que o cliente se encontra, por isso objetivo principal desta pesquisa é a avaliação dos modelos de propagação Log distância e COST-231, bem como a técnica de Avanço de Tempo (TA Timing Advance) para localizar uma EM utilizando o Método da Trilateração de Potência, analisando as vantagens e desvantagens de cada uma para o serviço. Como objetivo secundário será apresentado o funcionamento de um serviço de mensagens baseado na localização geográfica de um celular. Para galgar os objetivos desejados a metodologia utilizada será a execução de um teste prático, especificamente no bairro do IPSEP, Recife PE, onde serão coletados dados para aferir a eficiência dos modelos de propagação estudados e o cálculo da coordenada geográfica onde o celular estará localizado. Este tutorial parte I apresenta a base teórica para o desenvolvimento da pesquisa, iniciando com a descrição das características e arquitetura da Rede Celular. A seguir apresenta pontos importantes da transmissão de ondas eletromagnéticas e discute como fatores e ambientes afetam a sua propagação. Na última seção apresenta as características de alguns dos Sistemas de Localização. O tutorial parte II apresentará o funcionamento do serviço baseado na localização do usuário, com a 3

4 descrição detalhada do teste prático realizado para escolha do modelo de propagação mais adequado para o serviço, com obtenção das medições, cálculos e analise de resultados, apresentando ainda as conclusões da pesquisa. 4

5 Serviços SMS I: Telefonia Celular O sistema de telefonia móvel celular é baseado na divisão de áreas geográficas, denominadas células. Cada célula pode ser representada por uma radiobase, a qual provê a cobertura propriamente dita e utiliza o reuso de freqüências, técnica aplicada para transmissão de sinais com a mesma freqüência em estações distintas (RODRIGUES, 2000). É exatamente na célula onde os assinantes da rede fazem a primeira solicitação para realizar uma chamada ou deslocando-se em torno dela. A primeira idéia concebida sobre células é que elas são circulares, mas na verdade estas são representadas por hexágonos, o que elimina a área de sombra quando sobrepostas umas às outras. A figura 1 mostra o formato das células e o reuso de freqüências fator 7, onde é formando um conjunto de sete células, cada uma com uma freqüência diferente, mas que podem ser repetidas ao em outros conjuntos. Isto economiza recursos de banda da rede, porém pode causar interferências, portanto um bom plano de freqüências pode minimizar bastante estes efeitos (FOROUZAN, 2008). Figura 1: Células e reuso de freqüência fator 7 (FOROUZAN, 2008) Há várias tecnologias empregadas em telefonia celular, as quais evoluíram demasiadamente nas últimas décadas. O quando evolutivo mostrado na figura 2 apresenta os passos que o celular tomou com o passar dos anos. Figura 2: Evolução da telefonia Móvel Celular (HOLMA; TOSKALA, 2007) A primeira geração (1G) é o Sistema de Telefonia Móvel Avançado (AMPS Advanced Mobile Phone 5

6 System), o qual é caracterizado por um sistema de canal de voz analógico baseado em Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência (FDMA Frequency Division Multiple Access). Proveu serviços de voz, porém dados ainda era com taxa de transmissão de 9600 bps (FOROUZAN, 2008). A segunda geração (2G) foi um grande avanço, pois o canal de voz passou a ser digitalizado com os métodos de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA Time Division Multiple Access), que também foi base para o Sistema Móvel Global (GSM Global System Mobile) e o Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA Code Division Multiple Access), cada uma com características baseadas num tipo de modulação específico (RODRIGUES, 2000). Esta geração também proveu o acesso à rede de dados entre as operadoras com taxas de transmissão mais elevadas, em torno de 64 Kbps, o que era razoável para as aplicações vigentes à época. Do GSM vieram os Serviços de Pacotes Gerais de Rádio (GPRS General Packege Radio Services) e a Evolução de Taxa de Dados Melhoradas (EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution) (FOROUZAN, 2008). A terceira geração (3G) chegou para prover ao usuário Internet em banda larga. Sobressaíram-se a Banda Larga de Acesso Múltiplo por Divisão de Código (WCDMA Wide-Band Code-Division Multiple Access) para o Sistema Móvel Universal de Telecomunicações (UMTS Universal Mobile Telecommunication System), evoluído do GSM. Trazendo também as tecnologias Acesso a Pacote de dados de descida em Alta-Velocidade (HSDPA High-Speed Downlink Packet Access) e Acesso a Pacote de dados de subida em Alta-Velocidade (HSUPA High-Speed Uplink Packet Access) para maiores taxas de transmissão de download e upload. Finalmente, o CDMA2000 oriundo do CDMA (FOROUZAN, 2008). A quarta geração (4G) está sendo utilizada, em países como o Japão. Denominada de Evolução de Taxas Elevadas (LTE Long Term Evolution), esta é baseada em novas técnicas de modulação e Múltilplas Entradas Múltiplas Saídas (MIMO Multiple-input Multiple-output communications), mesma tecnologia usada em transmissões de redes sem fio, ela promete taxas de dados até 100 Mbps (HOLMA; TOSKALA, 2007). Embora se tenha várias tecnologias para avaliar em serviços baseados em localização geográfica, este projeto ater-se-á ao GSM no que diz respeito à arquitetura e uso no Brasil, uma vez que mais de 90% dos brasileiros usa essa tecnologia, o que totaliza 150 milhões de usuários, aproximadamente. Quanto à radiofreqüência, os conceitos se aplicam muito bem as demais. Características rede de telefonia celular Na telefonia fixa, as características principais são baixa densidade de usuários, não reutilização de freqüências, alta potência de transmissão, antenas elevadas, grande área de cobertura e não expansão modular (RODRIGUES, 2000). Por outro lado, todas elas são antagônicas, pois possui: alta densidade de clientes, reuso de freqüências (trunfo principal, uma vez que economiza banda de freqüências), baixa potência de transmissão, sistemas irradiantes relativamente baixos (uma vez que as estações móveis ficam mais próximas), pequena área de cobertura, porém eficiente; e expansão modular teoricamente infinita, porque as células podem ser tratadas como módulos. Handover / Handoff Uma das características mais interessantes do sistema celular é o handover ou handoff. Este evento ocorre quando a EM está em conversação no limite de atuação da célula. O Centro de Comutação e Serviços de Rede Móvel (MSC Management Switching System) verifica a posição da estação e solicita ao canal de 6

7 controle de uma célula vizinha que assuma o assinante. Outro caso de solicitação de handover é quando ocorre a situação em que o sinal não está atendendo às condições mínimas para a continuação da chamada, isso por problemas de transmissão ou na própria Estação Base Transceptora (BTS Base Station Transceptor). A MSC atua como no caso anterior, só que respeita os parâmetros configurados na célula antes de tomar a decisão. A figura 3 (BERKELEY, 1995) ilustra como o evento ocorre. A EM está na BTS1, solicita a mudança de célula, a BTS2 aceita o pedido e o móvel muda de um ponto a outro sem interrupção da chamada. Figura 3: Pelo handover, a EM passa a receber cobertura da BTS1 à BTS2 (BERKELEY, 1995) Roaming Outra característica marcante da Telefonia Celular é o roaming. Semelhante ao sistema tradicional dos correios, onde uma carta pode chegar a qualquer lugar do mundo, o telefone celular pode funcionar em qualquer país também (desde que haja cobertura fornecida por uma operadora naquele ponto), ou seja, quando o usuário desloca-se para outra cidade, estado ou país diferente de sua origem, o sistema tem a capacidade de prover serviço para ele no momento em que o seu aparelho for ligado (FOROUZAN, 2008). Estes usuários passam a ser chamados de romeiros, a partir desse instante. Entretanto, como as operadoras não têm rede suficiente, nem autorização para funcionar em todo planeta. As companhias selam acordos de roaming entre si. Estes contratos permitem que clientes de empresas diferentes agreguem-se às redes e falem em seus aparelhos normalmente. As despesas das ligações e serviços oferecidos são divididas em percentuais de acordo com o contrato. Arquitetura GSM A figura 4 apresenta a arquitetura básica (RODRIGUES, 2000) de uma rede GSM, a qual se divide em dois sistemas, que serão descritas a seguir: 7

8 Figura 4: Elementos Básicos da Arquitetura GSM (TUDE, 2003) O primeiro é denominado Sistema de Rede e Comutação (NSS Network Switching System): Ele é formado pelo Centro de Comutação e Serviços de Rede Móvel (MSC), Registrador de Localização de Origem (HLR Home Location Register), Centro de Autenticação (AUC Autentication Center), Registrador de Identidade de Equipamento (EIR Equipament Identity Register), Registrador de Localização de Visitante (VLR Visitor Location Register) e para supervisão e operação dos sistemas, a rede GSM conta com o Centro de Monitoração de Rede (CMR Network Monitoring Center), o qual é composto pelo Centro de Gerenciamento de Rede (NMC Network Management Center) e Centro de Operação e Manutenção (OMC Operation and Maintenance Center). O segundo é o Sistema de Estação Base (BSS Base Station System Center), formado pela Controladora da Estação Base (BSC Base Station Contoler) e BTS, esse sistema é o foco das atenções para que o desempenho da cobertura seja o melhor possível, pois é na BTS que todos os parâmetros são ajustados, onde o sistema irradiante, formado por antenas e cabos, fica instalado e é nele que a EM faz o primeiro contato com a rede celular. O funcionamento adequado desse sistema contribui para a correta irradiação de sinais de radiofreqüência, que é fundamental para uma boa transmissão/recepção (RODRIGUES, 2000). Dentro do BSS as BTS estão subdivididas em três grupos. De acordo com suas características construtivas, elas podem ser macrocélula, microcélula e picocélula (RODRIGUES, 2000). Macrocélula: Opera com alta potência de saída e tem como finalidade prover cobertura e tráfego em ambientes internos (indoors) e externos (outdoors). A macrocélula opera em conjunto com outras, possui raio de quatrocentos metros ou mais e podem ser identificadas facilmente nas cidades pelas torres de sustentação que comportam seus sistemas irradiantes. Há dois tipos de macrocélulas: Ominidirecional Transmite sinais de radiofreqüência em todas as direções e Setorizada Transmite sinais de radiofreqüência numa direção específica. Microcélula: Opera com potência de saída mais baixa e também provê cobertura para ambientes internos e externos. Desenvolvidas para cobrir áreas relativamente pequenas, geralmente 25% de uma macrocélula, elas são usadas para suprir tráfego em regiões de alto fluxo de usuários. Também são dimensionadas para prover capacidade de tráfego e/ou cobertura em locais específicos como: corredores e andares mais elevados de edifícios. A BTS fica instalada dentro do prédio e as antenas podem ser montadas no teto ou na parede. Outras aplicações das microcélulas são rodovias, ruas, esquinas e cruzamentos movimentados, túneis e partes limitadas de edifícios vizinhos. Picocélula: São desenvolvidas especificamente para ambientes internos, onde a capacidade de tráfego 8

9 é baixa, a propagação de radiofreqüência é limitada e locais estratégicos como lojas de venda de aparelhos. Este tipo de BTS tem raio de ação até sessenta metros e disponibiliza serviço em locais muito fechados, como linhas de produção e subsolos de grandes edifícios, saguões de hotéis, estações de metrô, restaurantes, estacionamentos, centros comerciais, escritórios e quadras esportivas. Em alguns casos específicos, onde o tráfego é baixo, mas a estação não alcança certas localidades, como zonas rurais, por exemplo, o uso de reforçadores celulares é imprescindível. O equipamento também conhecido como repetidor celular, utiliza alguns canais de voz da macrocélula e amplifica-os, o resultado é a expansão da área de cobertura da célula. 9

10 Serviços SMS I: Modelos de Propagação A transmissão de ondas eletromagnéticas obedece a fenômenos físicos. Estes foram estudados pelo cientista James Clerk Maxwell, o qual descreveu as quatro equações clássicas do eletromagnetismo (HAYT, 2003). Definições e conceitos sobre ondas eletromagnéticas ajudam a compreender melhor como funcionam os modelos de propagação. Os mecanismos por trás das propagações são vários, porém destacam-se a absorção, reflexão e difração de ondas. O estudo desses fatores, ambientes que são percorridos pelas ondas e fenômenos aleatórios serão apresentados neste capítulo. Empíricos ou híbridos existem vários tipos de modelos de propagação desenvolvidos, entretanto para esta pesquisa serão detalhados os modelos Log distância e o COST-231. Uma vez que o teste prático, relatado no Capítulo 5, utiliza ambos na busca dos resultados e apresenta as vantagens e desvantagens na aplicação do serviço de localização sugerido no trabalho. Ondas eletromagnéticas As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que consistem da oscilação de campos elétricos e magnéticos. Elas têm uma escala larga de freqüência e podem trafegar em qualquer tipo de meio, incluindo o vácuo (ERICSSON, 2000). Fatores que afetam a propagação Teoricamente, as ondas eletromagnéticas podem trafegar indefinidamente pelo espaço se desimpedidas, mas alguns fatores podem afetar a propagação (SMIT, 1987), conforme descrito a seguir. Absorção É o Processo pelo qual as ondas se chocam com obstáculos, prédios e grandes construções, por exemplo, resultando em absorção e conversão das ondas em calor ou em outra forma de energia. O grau médio de absorção pode determinar o quanto a onda será absorvida ou refletida. Refração e Reflexão Dependendo do meio onde se propaga a onda eletromagnética, esta pode ser refratada ou refletida. Ondas refletidas ou refratadas mudam a velocidade de propagação quando passam por meios diferentes. Por exemplo, as ondas que se movem do espaço livre para o vidro mudam a direção de propagação, isto é, refratam dependendo do valor do índice de refração do material. Além disso, uma porção das ondas pode ser refletida. Também ocorrem mudanças no índice de refração atmosférico quando há diferenças de temperatura, pressão e umidade no meio. Um efeito adverso da refração atmosférica é a probabilidade de uma onda ser transmitida além da área que foi projetada, isso irá causar interferências. Quando as ondas mudam seu percurso, a área de cobertura é alterada. Como as ondas vão de um ponto a outro é fácil encontrar regiões que facilitam o acontecimento deste fenômeno. A figura 5 ilustra o que foi explicado anteriormente. Nela são evidenciadas duas regiões: A como menos densa e B mais densa. Uma onda incide num ponto, a qual é refratada quando muda de A para B e também pode ser refletida formando ângulo igual ao da onda incidente. 10

11 Figura 5: Refração e Reflexão de Ondas (ERICSSON, 2000) Difração Quando uma onda passa ao redor de um obstáculo e muda sua trajetória ocorre o fenômeno da difração. A figura 6 ilustra como isto ocorre. Na ilustração, a linha de visada do sinal é interrompida por um prédio. A BTS ficaria inacessível neste momento, entretanto, pelo princípio de Huygens ( ), cada ponto de obstáculo que a onda contorna pode ser considerado uma nova fonte de onda secundária (ERICSSON, 2000). Além disso, como o sinal alcançou o objetivo, uma nova onda é formada, a qual busca a EM para completar a transmissão do sinal. Ambientes de propagação Figura 6: Difração e Reflexão de Ondas (ERICSSON, 2000) Os ambientes de propagação podem ser classificados como: Urbanos: Quando se encontram em grandes cidades, regiões metropolitanas com predomínio de altas edificações; Suburbano: Ambientes residências com predomino de baixos edifícios; 11

12 Rural: Caracterizados por regiões com baixas densidades demográficas, onde a população fica dispersa em grandes áreas como sítios, chácaras e fazendas; Interior de casas e edifícios (indoor): Tratados de maneira diferentes dos ambientes descritos anteriormente, pois são externos e as ondas têm maior facilidade de percorrê-los. Estes locais são alvo de muito estudo atualmente, pois é o local onde os aparelhos celulares são mais utilizados, entretanto a grande quantidade de obstáculos, como paredes e lajes atenuam o sinal fortemente e o serviço funciona de maneira ineficaz em muitas ocasiões. Fenômenos aleatórios Durante a transmissão de sinal de um ponto a outro a onda varia sua potência com o tempo, mesmo que a potência do sinal emitido se mantenha constante. Este fenômeno recebe o nome de desvanecimento (NETO, 2005). Este fenômeno refere-se à perda de energia do sinal em função de obstáculos e da mobilidade do usuário. No ambiente de propagação da rede celular há obstáculos móveis, como veículos, que mudam de posição aleatoriamente (PORTELA, 2009). Ele pode ser: Lento: Quando ocorre em longo prazo e é causado por edifícios no ambiente; ou Rápido: Devido à propagação por multipercursos, o sinal varia rapidamente em relação a pequenos deslocamentos do móvel. A figura 7: mostra graficamente o comportamento deste fenômeno. Modelo Log Distância Figura 7: Variação aleatória da envoltória do sinal (PORTELA, 2009) Modelo imprescindível para este projeto de pesquisa, pois calcula a distância que o móvel se encontra através do logaritmo da potência que chega a ele. Trata-se de um modelo empírico em que os resultados são obtidos por testes em campo. A Equação base desse modelo está descrita a seguir: 12

13 Onde: Pr(d) Potência recebida em um determinado ponto; Pr(d 0 ) Potência recebida no ponto de referência; n Expoente de perda de caminho; d Distância do ponto desconhecido até uma estação; e d 0 Distância do ponto desconhecido até uma referência. No caso desta pesquisa, a Equação é ajustada para o cálculo do ponto onde a EM se encontra, portanto ela será usada conforme abaixo: Primeiro é escolhido um ponto de referência d 0. A potência recebida nele é medida. Em seguida é analisado o meio onde o sinal está se propagando e o n é definido, este é caracterizado pelo ambiente de propagação (A tabela 1 apresenta os valores para vários ambientes). Finalmente, foi medida a potência no ponto onde a EM precisa ser encontrada, isto é avaliado com o Método de Trilateração de Potência discutido no Capítulo 4. Modelo Cost-Walfisch-Ikegami Tabela 1: Expoente de perda de caminho TIPO DE AMBIENTE VALOR DE n Espaço Livre 2 Área Urbana 2,7 a 3,5 Área Urbana pouco obstruída 3 a 5 Indoor com linha de visada 1,6 a 1,8 Indoor com obstrução 4 a 6 Como parte do objetivo desta pesquisa, este modelo será utilizado para confrontar os resultados encontrados no modelo de Log distância. No teste prático, que será descrito no tutorial parte II, serão feitos todos os comentários das vantagens e desvantagens de cada modelo estudado. O modelo COST-Walfisch-Ikegami é o resultado da combinação dos modelos de Walfisch-Bertoni e Ikegami. Esta combinação foi realizada pela COST e descreve o ambiente de propagação por meio dos seguintes parâmetros (PORTELA, 2006): Altura média dos edifícios (em metros); Largura média das ruas (em metros); Separação média entre edifícios (em metros); Orientação da rua em relação à onda incidente; Distância (em km); Freqüência (em MHz); 13

14 Altura das antenas da ERB e do móvel (em metros). A perda de propagação, em db, é calculada em três partes: Onde L 0 é a perda por espaço livre dada por: Sendo d é distância, f é a freqüência e L rst é a perda por difração no topo do edifício para a rua calculada por meio da Equação (HAR; WATSON; CHADNEY, 1999): Onde W s é a largura média das ruas e h é a diferença entre a altura do último edifício e a altura da EM. A perda por multidifração, L msd, é calculada por: em que b s é a separação média entre edifícios, k a e k d são os coeficientes médios de alturas entre edificações e corpo dos usuários, k f é o coeficiente de ambiente de propagação, L bsh é a perda por espalhamento do sinal de radiofreqüência, h r é a altura média dos edifícios, h m é a altura média das residências, h b é a altura do corpo de uma pessoa adulta, Agora que se sabe como usar o modelo para calcular a perda que o sinal sofre ao longo do percurso, se faz necessário adequar as fórmulas as nossas necessidades, pois o teste prático trará como resultados os valores das potência nos pontos que onde se deseja calcular a localização da EM. A potência recebida (Pr) é igual à subtração entre a potência transmitida (Pt) e a perda no percurso (L). Logo, o cálculo da distância pode ser formulado de acordo com a Equação abaixo: 14

15 Serviços SMS I: Sistemas de Localização 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, (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: MCC (Mobile Country Code): Código do país; MNC (Mobile Network Code): Código da rede na operadora e LAC (Location Area Code): Código local da operadora 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 Em que, 724 é o código adotado para o Brasil, 11 para o Nordeste, determina uma rede gerenciada em Pernambuco e 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 15

16 velocidade da luz, aproximadamente 3 x 10 8 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 G com a medição em destaque. No exemplo a EM está a aproximadamente 1100 m da BTS, pois o valor do TA é 1. 16

17 Trilateração de potência Figura 9: Tela do aparelho NOKIA G (JOKINEN, 2004) 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: 17

18 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: (x, y) é a posição que se deseja calcular; (x i, y i ) é a posição de referência i; e d i é a distância da EM à referência i. 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 x 0. A Equação está descrita logo abaixo: Com os dois primeiros termos da série mantidos tem-se: Agora é obtida a Equação da reta que passa pelo ponto f(x 0 ) tangente à curva no ponto x 0. 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: 18

19 O ponto x é então usado no lugar de x 0 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 x 0, 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). 19

20 Serviços SMS I: Considerações finais Este tutorial parte I procurou apresentar a base teórica para o desenvolvimento da pesquisa, iniciando com a descrição das características e arquitetura da Rede Celular. A seguir apresentou pontos importantes da transmissão de ondas eletromagnéticas e discutiu como fatores e ambientes afetam a sua propagação. Na última seção apresentou as características de alguns dos Sistemas de Localização. O tutorial parte II apresentará o funcionamento do serviço baseado na localização do usuário, com a descrição detalhada do teste prático realizado para escolha do modelo de propagação mais adequado para o serviço, com obtenção das medições, cálculos e analise de resultados, apresentando ainda as conclusões da pesquisa. Referências BERKLEY, Randy, Multicast-enabled Soft Handoff Disponível em: Acesso em: 14/09/2009 BOROS, Rogério; CDMA. Rio de Janeiro, Disponível em: Acesso em: 24/10/2009 CAFFERY, J. Jr., STÜBER, G. L. Subscriber location in CDMA cellular networks. IEEE Transactions Vehicular Technology, Sttutgart,1ª Edição. vol. 47, Celular Nokia G. Disponível em: Acesso em: 12/09/09 DE PAOLI, Orlando Augusto Moreira, Tutoriais Telefonia Celular: Localização em Redes GSM I e II - Uso da Técnica de Trilateração de Potência Disponível em: /nokia/61203g/nokia-61203g.html Acesso em: 18/09/2009 DEVRIES, Paul L., A First Course in Computational Physics, 4ª Edição, Chicago, Editora Patterson, p. ERICSSON Telecom S.A., Cell Planning Principals, Estocolmo. Apostila. FOROUZAN, Behrouz A., Comunicação de dados e redes de computadores, 4ª Edição, São Paulo, Editora McGraw Hill, p. Google Maps. Disponível em: Acesso em: 12/09/09 20

21 GOES, Adriano Almeida, Tutoriais Telefonia Celular: Redes 4G Aplicação de Modelos de Propagação Disponível em: Acesso em: 21/11/2009 GPS Garmin Etrex. Disponível em: Acesso em: 12/09/09. GUEDES, Edna Maria Pereira, Estudo de Técnica Híbrida de Localização de Estações Móveis Baseada em TDoA e AoA p. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica) Instituto Militar de Engenharia IME, Rio de Janeiro, HAYT, William H., Jr., Eletromagnetismo. 3ª Edição. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 403p. HOLMA, Harry; TOSKALA, Anti, WCDMA for UMTS-HSPA Evolution and LTE. 4ª Edição. Helsink: John Wiley & Sond Ltd, 2007, 574 p. JOKINEN, Jary P., Field Test Specification Disponível em: Acesso em: 19/09/09 LIMA, Eduardo Nascimento, Tutoriais Telefonia Celular: Serviços Móveis Baseados em Localização Disponível em: Acesso em: 18/09/2009 MIYOSHI, Edson Mitsugo; SANCHES, Carlos Alberto. Projetos de Sistema Rádio. São Paulo, Editora Érica, p. NETO, Pedro de Alcântara, Telefonia Volume 1. Recife, Gráfica da Escola Politécnica de Pernambuco, p. NOKIA S.A, Nokia Electronic Documentation, Helsink. Apostila. PORTELA, José do Nascimento, Planejamento celular usando diagrama de Voronoi p. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Coordenação dos cursos de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande UFCG, Campina Grande, REGHELIN, R. Um Algoritmo Descentralizado de Localização para Rede de Sensores sem Fio usando Calibragem Cooperativa e Heurísticas p. Tese (Mestrado em Ciência da Computação) Universidade Federal de Santa Catarina IME, Florianópolis, RODRIGUES, Márcio Eduardo da Costa, Radiopropagação Comunicações Móveis e Rádio Acesso Disponível em: Acesso em: 22/09/

22 SILVA, Gilberto Viana Ferreira BARRADAS, Ovídio César Machado. Telecomunicações: Sistemas de Radiovisibilidade. 2ª Edição. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, p. SMIT, Jaroslav, Rádio Propagação. São Paulo, Editora Érica, p. SOARES, Maurício Duarte; WLAN x Sistemas Móveis Celulares. Rio de Janeiro, Disponível em: Acesso em: 24/10/2009 TANENBAUM, Andrew S., Redes de Computadores. 4ª Edição. Rio de Janeiro: Elsevier, 2003, 945 p. TUDE, Eduardo, Tutoriais Telefonia Celular: GSM Disponível em: Acesso em: 18/09/2009 VIRRANTAUS, K., Markkula, J., Garmash, A., Terziyan, Y.V., Developing GIS-Supported Location Based Services. In: Proc. of WGIS 2001 First International Workshop on Web Geographical Information Systems, Kyoto, Japan., YACOUB, M. D. Foundations of Mobile Radio Engineering. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, Inc p 22

23 Serviços SMS I: Teste seu entendimento 1. Em uma rede celular, qual é o formato de uma celular, que atende a uma determinada área geográfica? A celular é representada por um hexágono, o que elimina a área de sombra quando sobrepostas umas às outras. A celular é representada por um círculo, o que elimina facilita a interseção entre células quando sobrepostas umas às outras. Dependendo das condições de propagação ela pode ser um círculo ou um hexágono. Nenhuma das alternativas anteriores. 2. Quais são os sistemas que compõem uma rede celular com a tecnologia GSM? Sistema de Rede (NS Network System) e Sistema de Estação Base (BSS Base Station System Center). Sistema de Rede e Comutação (NSS Network Switching System) e Sistema de Estação Base (BSS Base Station System Center). Sistema de Comutação (SS Switching System) e Sistema de Rede IP (INS IP Network System). Sistema de Rede e Comutação (NSS Network Switching System) e Sistema de Energia (PS Power System Center). 3. Qual dos fatores abaixo não afeta a propagação nas redes celulares? Difração. Refração e Reflexão. Convecção. Absorção. 23