Localisation de véhicules en milieu urbain par GSM ou radiogoniométrie

our etudier les systemes de localisation de mobiles terrestres, il est important de faire la distinction entre les systemes permettant un auto-positionnnement du mobile et les systemes 013 le mobile est position& a distance, parfois a son insu. Cette etude s’est focaliske sur les systemes exploitant des ondes electromagnetiques et permettant une auto-localisation du mobile, parmi lesquels iI est possible de distinguer quatre grandes families [Bane et al., 19971. l Les systgmes de localisation fond& sur la mesure des temps de propagation des signaux entre le mobile h localiser et au moins trois stations d’emission (ou quatre se/on /‘application), non synchronisees entre elles, qui definissent un reseau de cercles ou de sphkes centres sur ces stations d’emission. Parmi ces systgmes, on trouue les systemes de localisation par satellites (GPS), par reseau de balises ou par reseau cellulaire

(GSM).

Article re$u le 14 mai 1998, r&d

l Les systemes hyperboliques fond&s sur la mesure, % partir du mobile, des differences de temps de propagation des signaux radioelectriques issus d’emetteurs synchronises pris deux 2 deux, lesquels definissent un jeu d’hyperboles ou hyperboloi’des dont les foyers sont les emetteurs concern&. Les systemes DECCA et LORAN c font partie de cette famille de systemes de localisation et ce serait le cas du GSM si les emetteurs fixes d’un reseau etaient synchronises ; c*‘est le cas du systeme IS95 aux Etats-Unis.

Les systemes de localisation par radiogoniometrie fond& sur la mesure des angles de gisement d’emetteurs fixes, c’est-a-dire la mesure de la direction de ces emetteurs par rapport a une reference (Nerd geographique par exemple). Parmi ces systemes, connus sous le nom de systemes angulaires et directionnels, on trouue les systemes radiophares et les radioalignements.

. Les systemes de localisation utilisant la comparaison de la phase du signal reGu par le rkepteur avec la phase d’une replique du signal de l’emetteur. Cette methode permet en theorie d’obtenir une erreur de positionnement inferieure a 1 % de la longueur d’onde du signal sur lequel se fait la mesure. La localisation par mesure de phase est utilisee auec /e systi2me GPS pour des mesures de positionnements relatifs et surtout pour des mesures en modes statiques destinees a I’etablissement des rkseaux en geodesic, topometrie, photogrammetrie ou geophysique [Botton et al., 19961.

l

le 3 septembre 1998, acccpt& le 22 octobre 19Y8

La plupart des procedes de localisation de mobiles terrestres fond& sur l’utilisation de signaux issus des satellites (GPS, GLONASS, EUTELTRACS, IRIDIUM. ..) ou de balises au sol (DECCA, LORAN c, SYLEDIS...) ont fait leurs preuues duns les domaines aerien et maritime et ont et& test& pour des applications de nauigation duns le domaine routier. Cependant, la disponibilite de ces

RECHERCHETRANSPOKTS SiCURlTi

N” 61

OLTOBRE-DiCEMBRt

19Y8

--- .--

systemes se d&grade en milieu urbain du fait des phknomknes de propagation par multi-chemins et des effets de masques dus B la pr& sence d’immeubles et d’obstacles. Des essais de localisation dynamique de vehicule re?alis& ~3Paris intra muros par le Laboratoire central des ponts et chausskes avec un rkepteur GPS confirment bien ces inconu6nient.s [Briquet et al., 19971. Pour pallier ces d&gradations lors d’une utilisation en milieu urbain, les pro&d& de localisation par satellites ou par balises terrestres sont compktks par des senseurs inertiels et des senseurs de navigation h I’estime. De tels systkmes existent et sont en usage commercial (ALTAIR pour les bus de la RATP, les Taxis Bleus...) pour assurer la localisation automatique et la gestion d’une flotte de vehicules, lesquels doivent done &tre equip& d’un dispositif complexe exploitant certes les informations issues des diffkrents capteurs, mais aussi d’autres informations en provenance d’un poste de commande (correction diffkentielle pour le GPS, intkgrit& des signaux, information sur le trafic...).

TELECOMMUNICATIONS

a localisation par un rkseau cellulaire de type GSM L’auto-localisation d’un mobile par un r&seau de t&phonie cellulaire [Drane et al., 19981 peut s’effectuer soit : - par la mesure des temps de propagation des signaux, - par la mesure des diffkrences de temps d’arrivke des signaux, sous reserve que les BTS soient synthrones. - par la mesure de l’angle d’arrivee des signaux.

La m6thode utilis6e ici repose sur la mesure du temps de propagation des signaux entre le mobile qui cherche 2 se localiser et au moins trois stations d’6mission fixes, de trois sites du r6seau cellulaire. Les temps de propagation des signaux permettent de d6finir trois cercles centr& sur les stations fixes. La position du mobile est alors dkterminke dans leur zone d’intersection.

La figure 1 prksente l’architecture simplifiee d’un r&eau de communication cellulaire au standard GSM.

PLMN

L’&ude rkalis&e au LEOST avait pour objectifs d’analyser la faisabi-

lit&, puis de dkvelopper sous la forme d’une maquette fonctionnelle, une solution alternative de localisation offrant en milieu urbain une disponibilit& accrue, ainsi qu’une prkcision comparable 6 celle des systgmes existants, tels que le GPS non diffkrentiel, c’estG-dire une prkcision moyenne de cent cinquante m&res. Les travaux ont consist& duns un premier temps ti localiser un mobile en milieu urbain, d’une part gr&e ti la mesure des temps de propagation des signaux en utilisant les informations en provenance d’un r&eau public de telkphonie cellulaire GSM, d’autre part grace Sr la mesure d’angles de gisement de signaux radio issus des nombreuses stations

de radiodiffusion

duns la bande FM.

BSS

FlCURE Architecture simp/if@e rkeaux de t&phonics

\’

NSS

OMC

lm d’un r&eau filaires.

de

te’/&ommunication

ce//u/aire

8~s Station Pmettrice rdccptrice fixe Base Transceiver Station BSC ContrBleur de stations fixes Base Station Controler MSC Centre de commutation des mobiles Mobile Switching Centre /ILR Base de c/on&es r&dents du r&eau Home Location Register VLK Base de don&es visiteurs c/u rkeau Visitor Location Register PIMN R&eau de radiot&phonie d’un opkateur Public Land Mobile BSS Sous systPme radio Base Station Subsystem NSS Sous systhe r&eau ou sous syst&ne d’acheminement Network OMC Centrc d’exploitation et de maintenance 2 distance Operation

KtLHkKCHF

TKAN5PORTS SkIlKI

I c N” 61

WM

et connexion

Network Subsystem and Maintenance

OClOUKE-DiCCMBRE

I998

Centre.

aux

Le lecteur interesse trouvera des explications detaillees dans [Mouly et Pautet, 19921 et [Lagrange et al., 19961. Les stations mobiles MS (Mobile Station) dialoguent par l’intermediaire de l’interface radio air-sol avec les stations fixes BTS (Base Transceiver station) ou Sites. Ces BTS SOnt imp& tees judicieusement, afin de garantir la couverture radioelectrique sur la base de cellules de rayon adapt& aux conditions de propagation et au nombre d’usagers a desservir. En fonction de la puissance d’emission des BTS, le rayon dune cellule variera de quelques centaines de m&es en zone urbaine a quelques kilometres (trente-cinq au maximum) en zone rurale. Lors du deploiement d’un reseau cellulaire de type GSM, il arrive frequemment qu’une meme station de base g&-e non pas une mais deux ou trois cellules. La continuiti! de la communication au tours des deplacements d’un mobile est assume par le systeme sous le nom de handover qui consiste a transferer la communication d’une cellule a une autre, soit dans une meme BTS (handover intra-BTs), soit entre deux BTS (handover inter-B-rs) . Ces stations de base sont connectees a des stations de controle BSC (pour Base Station Controler), elles-meme reliees au centre de commutation des mobiles MSC (pour Mobile-services Switching Centre). Les contrijleurs de stations de base ont pour principale fonction de gerer les ressources radioelectriques et assurent la continuiti! de la communication lorsque l’usager se d&place. Le MSC est connect6 au r& seau telephonique fixe commute afin de pouvoir etablir une liaison entre un ‘mobile GSM et un abonne telephonique fixe. I1 gere l’etablissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la mobilite a travers le reseau en dialoguant avec le VLR (Visitor Location Register : base de donnees associee au MSC dans une zone particuliere du r-eseau) et le HLR (Home Location Register : base de donnees concernant l’ensemble des abonnes du reseau).

Le GSM offre aujourd’hui a l’utilisateur des services de voix et des services de donnees a 2,4, 4,8 ou 9,6 kbps. Les bandes de frequences allouees sont 890915 MHz dans le sens mobiles vers stations fixes et 935-960 MHz dans le sens contraire, avec un &art duplex constant de 45 MHz. Le partage des ressources radioelectriques dans la bande dediee se fait simultanement par un partage en frequence associe h un partage en temps appele Acces multiple a repartition dans le temps (AMRT ou Time Division Multiple Access) qui consiste a allouer un intervalle de temps (IT) a chaque utilisateur sur un meme canal de frequence. Le protocole de transmission du GSM se fonde sur un echange de donnees numeriques sous forme de trames, dans lesquelles sont regroup& huit IT. L'AMRT demande une synchronisation poussee entre les mobiles et les stations de base, renfor&e par l’existence dun decalage constant de trois IT entre l’emission et la reception. Les stations mobiles sont a des distances variables de la station de base avec laquelle elles etablissent une liaison et cela engendre done des delais de propagation des signaux variables qui peuvent etre importants. Dans le contexte AMRT, les signaux issus de deux mobiles, utilisant des intervalles de temps consecutifs et se trouvant l’un en limite de portee de la BTS et l’autre tres proche de la BTS, subissent des delais de propagation diff&rents et peuvent voir les informations qu’ils transmettent ne pas arriver dans le bon intervalle de temps et se chevaucher au niveau du recepteur de la BTS. Afin de compenser ce delai de propagation, les stations mobiles emettent un peu avant l’instant du debut de 1'1~. Ce decalage est appele Timing Aduance (TA). I1 correspond au temps de propagation aller-retour de I’onde entre le mobile et la BTS avec laquelle il est en communication. GerQ automatiquement par le reseau, ce parametre est

transmis au mobile lors de l’etablissement d’une communication. Le parametre TA est code de 0 a 63 bits ; la duree d’un bit dans le protocole GSM etant egale a 3,7 ps, les valeurs du TA peuvent aller de 0 a 233 p.s - ce qui correspond au temps de propagation aller-retour d’une onde sur trente-cinq kilometres, rayon maximal possible pour une cellule d’un reseau GSM. Le paramS?tre TA Sera miS & jour au fur et a mesure que le mobile se deplace dans la m6me cellule ou quand le mobile change de BTS et cela par pas de 1 bit (3,7 us), soit une distance entre le radiotelephone mobile (MS pour Mobile Station) et la BTS d’environ 555 m. Considerons maintenant un usager a bord de son vehicule qui se d&place dans la zone couverte par des stations de base differentes, portant chacune une seule cellule. La connaissance d’au moins trois parametres TAr, TA2 et TAs en provenance de chacune des BTS fournit les informations dr, dz et ds de distance entre MS et BTS, % partir desquelles on peut tracer trois cercles cent& sur les stations de base et de rayon dI, dz et ds comme indique sur la figure 2. Si le mobile dispose d’une cartographie des BTS, il pourra done determiner sa position a l’interieur de la zone d’intersection des trois cercles. En pratique, le positionnement du mobile par rapport aux stations de base s’effectue en tracant non pas des cercles mais plutot des anneaux d’epaisseur equivalente a l’incertitude de mesure des distances di comme illustre par la figure 2. Le tableau 1 donne a titre indicatif les incertitudes de localisation que l’on peut esperer obtenir dans les cas les plus favorables, selon que l’on prend en compte les valeurs de TA recues de trois, quatre ou cinq stations de base. Pour effectuer ces calculs, on a consider-i! que ces dernieres sont suffisamment eloignees pour que I’on puisse assimiler les arcs de cercles

21des segments de droite. La p&ision de la localisation dgpend de plusieurs paramgtres :

FIGURE Concept

2

de la localisation

par

r&eau

te’kphonique

cellulaire.

- la prQcision brute obtenue sur le parami?tre T-A sur chaque station de base courante, - la disposition relative des stations de base utilisees pour localiser le mobile, - les erreurs de mesure engendrges par la presence des bdtiments qui sont 2 l’origine des trajets multiples et des effets de masque. Comme dans les systgmes de localisation utilisant des r6seaux de cercles construits & partir de la mesure des temps de propagation entre le mobile et des stations fixes, on constate que la prgcision obtenue d6pend des positions relatives des stations de base considkrges pour la localisation [Fombonne, 19851, [Munier et CEPE, 19861. De tels systgmes de localisation doivent done int&grer ce facteur dans le but d’effectuer la mesure avec le maximum de pr&ision possible. On pense notamment ici B un choix judicieux des stations de base qui permet d’obtenir la localisation optimale en fonction de l’environnement proche du mobile. Nous avons vu que la localisation s’effectue 21partir de la connaissance

T,4AELEAU 1 Pr&sion de localisation du nombre de BTS.

possible

en fonction

1

0 ii 550

2

0 B 380

3

0 a 270

4

0 a 190

5

0 a 75

du paramgtre -IA qui varie lorsque le mobile s’eloigne ou se rapproche de la station courante. Si nous voulons effectuer la localisation d’un mobile en position fixe lorsqu’une communication est Btablie, il convient de dkfinir un r8seau de cercles distincts et done d’obtenir des valeurs de TA en provenance d’au moins trois stations de base differentes. Ceci n’est possible que si l’on parvient 2 provoquer un changement de station de base (BE) connu sous le nom de handooer inter-BTS. Ce processus est g&e par le r& seau et les critgres qui conduisent 2 sa mise en ceuvre sont li& entre autres aux niveaux des signaux reGus et 2 la qualiti! de la communication, traduits par les paramBtres RxLev et RxQual. Le mobile etablit et maintient une communication sur un canal offrant le meilleur niveau et la meilleure qualite de signal. En consequence, il analyse pgriodiquement le niveau et la qualiti! des signaux qu’il est susceptible de recevoir en provenance d’au plus six cellules et les classe par ordre d& croissant de niveau et de qualiti! en identifiant la cellule. Disponibles dans certains messages du

protocole de signalisation du standard GSM, ces informations sont transmises au r&eau toutes les 480 ms. Au tours d’une communication GSM ces paramBtres sont modifi6s si le mobile s’est d&place, si la charge du r&seau a varii! ou si des interfgrences apparaissent. Pour developper un tel sys@me de localisation, nous utilisons un mobile GSM, dit de tests, de type Orbitel qui fournit, via une liaison s&-ie, certaines informations de signalisation transitant sur le r6seau. Celles-ci peuvent 2tre stockees sur un calculateur de type PC, qui permet d’accgder en temps r6el aux valeurs des paramBtres RxQual, RxLev et TA qui nous intkressent ici. La mise au point d’un systgme de localisation utilisant un r&seau cellulaire de type GSM depend done de la possibilit6 de forcer le systBme 21 effectuer des handovers inter-B-I’s et done de la possibiliti! pour le mobile de modifier intentionnellement les critBres de declenchement de ces handovers, notamment les parambtres RxLev ou RxQual, quand une communication est etablie.

RECHERCIHCTRANSPORTS SiCURIT< N” 61

OCTOBRE-DkEMBRE

1998

FlCURE

3

Solutions techniques de’velopp@es pour forcer

L’originaliG des travaux r6alisks 2 I’INRETS-LEOSTreside dans la mise en ceuvre de deux solutions techniques qui permettent de provoquer artificiellement des handovers depuis le mobile : - l’une consiste & modifier le niveau de signal reGu (RxLev) de la station cow-ante, - l’autre consiste 2 d&grader la qualit& du signal (RxQual) transmis vers cette station. La difficult6 reside dans le fait de provoquer un nombre suffisant de handovers inter-ws et non pas des handovers intra-sTs c’est-&-dire entre cellules d’un m&me site. Les deux pro&d& mis en ceuvre et illustr6s par la figure 3 sont exigeants vis-hvis du r&eau et ne constituent aujourd’hui qu’une approche de laboratoire qui n’est &idemment pas g&Sralisable en l’etat sur un rkeau de tklkommunications. L’objectif est toutefois d’evaluer par ce biais la disponibilite, ainsi que la precision susceptibles d’&re obtenues par la seule exploitation d’informations transitant par le r6seau cellulaire. Le premier prockdk consiste B remplacer l’antenne de r6ception omnidirectionnelle du mobile par une antenne 2 grand gain de type Yagi-Uda. Comme le montre le sch6ma de la figure 4, u;e telle antenne offre, de par son diagramme de rayonnement, la possibilitl! d’amplifier les signaux arrivant dans la direction du lobe principal de l’an-

les handovers.

tenne et d’attknuer ceux qui proviennent des autres directions. En effectuant un balayage lent de 360” dans le plan horizontal, on favorise ainsi l’koute successive de la station de base courante et des stations de base avoisinantes. De cette faGon, on indique au r&eau que la liaison avec la station de base courante se degrade, tandis que celle avec d’autres stations de base s’amgliore. Ces conditions simulent un deplacement fictif du mobile et une dBgradation artificielle des paramgtres RxLev et RxQual apte a provoquer des handovers.

de tests lorsqu’une communication est Btablie, un logiciel permet de definir, 2 partir des valeurs de TA obtenues, le r&eau de cercles n& cessaire & la localisation du mobile et calcule les erreurs qui existent entre la position calcuke et celle d6terminee sur une carte IGN au l/25 000. Rappelons que, sur ce type de carte, 1 cm repr&sente 250 m et que 6 mm sur la carte

Tourcoing

4 Roubaix

4

fasq a

A l’aide de la base de donn&es des coordonnees gkographiques (dans un rep&e cartksien NTF) de certaines stations de base du r&seau de radioM6phonie GSM ITINERIS de l’agglomkation Lilloise, trk aimablement fournie par le centre France-Telecom Mobile de Villeneuve d’Ascq, et de l’acquisition en temps reel des messages de signalisation, disponibles via le mobile

Antenne

Ascq

b

omnidirectionnelle

FIGUKE

FIGURES

4

Comparaison sch&matique mes de rayonnement dans

des deux

le p/an

diagram-

horbontal.

Dispositions

de mesure.

relatives

5 des BJS autour

du point

-_. Ti?L~COMMUNlCATlONS

IGN reprksentent

l’ordre de grandeur de la prkcision que l’on cherche 2 atteindre. L’erreur de positionnement est egale 2 la distance entre la position du mobile sur la carte IGN et la position obtenue par GSM et report&e sur la Carte IGN. Pour trois positions differentes du mobile en milieu urbain et suburbain dans la rggion lilloise, le tableau 2 prksente des exemples de localisation obtenus par la m6thode d&rite 2 partir de trois BTS distinctes, dont la position relative autour du mobile est schematisBe sur les figures 5 Pour les points 1 et 2, trois valeurs de TA diffkentes ont gti! obtenues. Ces valeurs sont du m&me ordre de grandeur dans les deux cas et l’erreur de positionnement devrait etre du m&me ordre de grandeur. C’est done la disposition relative des BTS par rapport au mobile, donn6e sur les figures 5a et b, qui explique l’augmentation de l’erreur de localisation par rapport 2 la carte IGN. Dans le cas du point 3, les trois valeurs de TA obtenues sont identiques, ce qui dkgrade l’erreur de positionnement par rapport 21la carte IGN. Le second pro&d& mis en ceuvre pour forcer les handovers consiste 21 additionner, via un coupleur hybride (figure 6), des signaux reCus de la station courante avec des signaux en provenance d’un dispositif perturbateur, g6n6rateur de signal moduli! qui pr6sente les mgmes caractgristiques d’amplitude, de frgquence et de bande pasSante que le signal reCu sur la station de base avec laquelle le mobile est en communication. Un tel signal permet de degrader suffisamment la qualite de la communication pour que le rkeau soit leurre? et que la station de base provoque dans la plupart des cas des handovers dans de bonnes conditions, c’est-&dire sans coupure de communication.

TABLEAU R&/tats

rl

*g

*a E3 He,

N -2

*a .5 $ 2% v)

2

de la tnesure

du TA en trois points

distincts.

Roubaix Tourcoing Wasquehal

3

Hem Roubaix Ascq

3

150

300

Loos Haubourdin

t

Canteleu

4

sion et disponibiliti! 21 ceux relev& avec le premier pro&d& et nous avons done choisi d’associer les deux m6thodes afin d’augmenter la disponibiliti! et le taux de succk. Une premike campagne de mesures associant les deux pro&d&s (atGnuation du niveau de signal et degradation de la qualit@ de la communication) a 6ti! r6aliske. Cette d6marche a ett6 concluante et une synthese des premiers r6sultats obtenus 2 l’aide de ce dispositif sur une cinquantaine de cas expkimentaux, en zone rurale ou zone urbaine, est prkentke ci-dessous. On observe que : - la precision varie de 125 2 475 m&tres, - la disponibilit6 du systGme pour la localisation est voisine de 80-%,

FIGURE

475

- une coupure

de la communication ne survient que dans 10 % des cas, - la communication est @tablie avec une seule station de base dans seulement 10 % des cas. L’action conjugke de l’antenne directive et de la source de perturbations a permis d’effectuer la localisation du mobile dans 80 % des cas. Dans 65 % des cas les handovers correspondent bien 3 des changements inter-BTS (entre stations de base) efficaces pour la localisation. Dans 15 % des cas les handovers correspondent 5 des changements intra-BTs (entre cellules d’une m6me station de base) : ne conduisant pas 2 un rafrakhissement du TA. ils sont inefficaces pour la localisdtion.

6

Dispositif de brouil/age du signal de la station courante

Les premiers rkultats obtenus sont similaires en termes de p&i-

RECHERCHE TRANSPOKTS SfCUKlTi

N” 61

OCTOBRE-UiCEMBRE

1998

Quelques exemples de r&ultats dans le cas oti le mobile se localise partir d’au moins trois stations de base sont donn6s dans le tableau 3. Lorsque les msmes noms de cellule sont affect& d’un numko, cela signifie que ces cellules dependent d’une m6me station de base et ne permettent done pas de d6finir des cercles distincts. C’est le cas dans I’exemple du point 4, oti la localisation ne peut se faire qu’en considerant les informations en provenance de deux groupes de trois cellules, 2 savoir abc et abd. En vue d’am&liorer la disponibilit6 de la localisation du systcme, le dispositif perturbateur a 6ti! compl&tk par une source dite agile en fr&quence (figure 7), qui permet de brouiller de manike efficace le canal de trafic alloui! au mobile, et cela en dynamique, lorsque le mobile change de canal RF. Pilot6e par voie logicielle au travers d’une liaison s&ie de type RS 232, cette source permet de commander simultankment au moins trois frgquences diffkentes et d’ajuster les niveaux de puissance de sortie en fonction des

7

niveaux des stations de base 2 perturber. La source est verrouilke en phase sur la frequence de communication de la station courante vers tous les mobiles (frequence de balise ou BCCH pour Broadcast Control CHannel). Le dispositif est coup16 2 une antenne omnidirectionnelle ou une antenne de grand gain de type YagiTABLEAU R&u/tats

a” ;J

3

de /a mesure

* .5 0) .x0” 2

Uda, mise en rotation pour favoriser - ou non - 1’6coute de la station courante et des stations voisines. Au travers de la liaison parallele, on commande si nkcessaire un relais ou commutateur pour @duke de 20 dB le niveau du signal emis vers la station de base. Le dispositif complet est prk senti! sur la figure 7.

du TA en trois points

distincts.

5

Canteleu Ronchin Lille 2 Lille 3

i :

Ronchin 1 Ronchin 1 Lille Faches 2 Faches 1

abc 500 abd 150

Fi 4

i?J

acd 500 bed 75 bee 350

: e 5 4 9

125

FE232

P 6dB

w

Signaux tiF modulk (3 frhquences simultarkes)

I

Liaison paralkle l2C : ~~~~---s--su.~~~~~~, Commande : relais frbquence et niveaux signaux

-I

Tout ceci permet done de leurrer le r&au qui va commander les changements de stations de base d&irk. De faGon automatique, on obtient un tableau de donnks semblable & celui pr& sent@ sur le sch&ma de la figure 7, Otl les Celli rep& sentent les diffkrentes cellules avec lesquelles le mobile a communique, tandis que les TAj sont les diffkentes valeurs de Timing Advance obtenues sur la cellule idenWe Celli. On effectue une moyenne de toutes les valeurs de TAij obtenues pour une mGme BTS ; ?I partir de la connaissance de la position g60graphique de chaque BTS, on peut alors localiser le mobile.

\ $o@‘6e q< frlaoer

89

FlGURf 7 Bane complet de la mesure par radiot&pphonie GSM.

.---

T~L~COMMUNlCATlONS

Le systeme a et6 testi! dans un premier temps en position fixe en laboratoire, oti l’on constate un taux de succes eleve pour le declenchement des handovers. La figure 8 montre qu’un choix judicieux des stations de base autour du mobile permet d’obtenir une precision de localisation tres interessante, tandis que le tableau 4 illustre deux exemples de resultats obtenus pour la m6me position du mobile. Le systeme que nous venons de presenter a done permis de demontrer la possibilite qu’un mobile GSM se positionne sans intervention de l’operateur. I1 doit maintenant faire l’objet dune evaluation intensive sur sites urbains et suburbains, laquelle permettra de caracteriser ses performances dans les environnements qui nous interessent.

Villeneuve

FIGURE Disposition consid&Pes

8

relative des stations (expe’rience 2).

TABLEAU holution

d’Asca

de

base

a localisation par radiogoniombie Doppler La radiogoniometrie est une technique qui permet de situer l’origine d’une emission hertzienne. La localisation d’un mobile terrestre par radiogoniometrie consiste done 2 positionner le mobile par triangulation 2 partir de la mesure d’angles de gisement des signaux en provenance d’emetteurs fixes fonctionnant dans la bande de frequences du radiogoniometre consider& Le principe de la localisation est illustre sur la figure 9. Considerons trois emetteurs fixes El, Es et Es. La localisation consiste en premier lieu h mesurer, depuis le mobile, la direction d’arrivee des signaux par rapport % une direction de reference, par exemple le Nord geographique. La connaissance des positions geographiques des emetteurs permet de tracer une droite passant par l’emetteur et le recepteur et faisant respectivement l’angle &, (!I2 et 0s avec la direction de reference. L’intersection de ces trois droites permet ensuite de definir un triangle a l’interieur duquel se trouve le mobile 2 localiser.

E3

FIGURE Principe me’trie.

de

9

/a localisation

par

Voici comment est calculee la position du mobile a partir de la mesure de deux angles de gisement de deux emetteurs. Soient El et E2 deux emetteurs quelconques de coordonnees (XI ,Y r) et (X2,Y2), soit P la position du mobile a determiner et soient 8r et O2 les angles de gisement respectifs des Bmetteurs mesures par rapport au Nord geographique ; ces angles sont comptes positivement dans le sens horaire comme cela se pratique dans les radiogoniom&es destines au grand public (figure 9). Les coordonnees de P sont donnees par les relations suivantes :

4

de /a prkision

de /a localisation

en fonction

X = X2 tan(a2) - X1 tan(al) t Y2 - Yl P tan&) - tan(al)

des BE cons-id&&

Yp = (X, - X1j. tan(al) t Yl b

E ‘3

‘6 Ii* .g a# s corn

.8 ; 20

Forum Faches i Villeneuve d’Ascq c Forum Ronchin Ascq

radiogonio-

: C

9,39 977

9,43 9,67

2,5

26

9,39

9,43

495

476

3,72

3,7

213

5n otlcq =--81 2

3

511 2

eta2 =--02

RECHERCHE TRANSPORTS StCURlTi

No 61

OCTOBRE-DCCEMBRE 1998

XI, Yr, X2, Y2 sont calculees a partir des coordonnees latitude et longitude des emetteurs, sachant que la relation de conversion pour obtenir Xi et Yi est donnee par : Xi = 60

x

1180

X

Londec,

Xi = 60

x

1852

x

Latdec,

013 Londec. et Latdec. representent les longitude et latitude en valeurs decimales. Au lieu d’une simple mesure sur deux ou trois emetteurs, on peut multiplier le nombre de mesures effectuees par le mobile sur un grand nombre d’emetteurs ; on obtient alors une serie de droites dont l’intersection deux a deux donne une serie de points, susceptibles de correspondre a la position courante du mobile. Si l’on realise un maillage du plan de la zone geographique oti se trouvent les differents points d’intersection, on peut par exemple, comme illustre sur la figure 10, determiner la position courante du mobile comme &ant le centre de la maille dans laquelle se trouve le plus grand nombre de points. Afin de multiplier le nombre de mesures sur des emetteurs distincts et augmenter ainsi la disponibilite du systeme, il convient de travailler dans une bande de frequences dans laquelle il existe un grand nombre d’emetteurs de position connue en milieu urbain et suburbain. Deux bandes de frequences repondent a ces criteres, a savoir la bande des 900 MHz avec le systeme cellulaire GSM, aujourd’hui largement deploye, et la bande de frequences des &metteurs de radiodiffusion conventionnels dans la bande FM (87,5 & 108 MHz). Une etude preliminaire a montre que la bande des 100 MHz ou la bande des 900 MHz pouvait convenir pour le developpement d’un systeme de localisation par radiogo-

niometrie [Tatkeu, 1995 et 19961. Le systeme de localisation final, en tours de developpement, etant fond& sur une approche multi-capteUrS (1OCaliSatiOn par GSM et localisation par goniometrie) il nous a semble judicieux d’exploiter deux bandes de frequences differentes et de demontrer la faisabilite de la localisation par radiogoniometrie dans la bande FM. Parmi tous les types de radiogoniometres existants, on peut titer les radiogoniometres a cadre mobile, les radiogoniometres utilisant des antennes presentant des diagrammes de rayonnement particuliers (Yagi-Uda, cardidide) et les radiogoniometres Doppler [Hugh et Kennedy, 19841, [Violet, 19721. Quel que soit le type de radiogoniometre utilise, la mesure des angles de gisement des emetteurs est en general degradee par le phenomene de propagation par multi-trajets et les effets de masques. Une etude theorique et experimentale de ces phenomenes, developpee dans le cadre de travaux de these [Vandamme, 19961, [Tatkeu, 19961, montre l’importance de ce phenomene dans des bandes de frequences centrees sur 100 MHz et 900 MHz. Ces etudes ont &te

FlCUKE Proce’ck tion par m&Ye

effectuees en comparant plusieurs types de radiogoniometres a un radiogoniometre Doppler standard grand public. Le tableau 5 donne quelques exemples de mesures angulaires realisees avec le radiogoniometre Doppler pour plusieurs emetteurs, lorsque le mobile est en position fixe en milieu urbain et suburbain. La deuxieme colonne donne la mesure de l’angle de gisement par rapport au Nord dans le sens precise par la figure 9, tandis que les troisieme et cinquieme colonnes donnent respectivement l’erreur de gisement et l’erreur de localisation obtenue par rapport a une carte IGN au l/25 000. Pour la plupart des mesures effect&es, la deviation angulaire par rapport a l’angle theorique varie entre 5 et 15”, ce qui correspond a l’erreur intrinseque du capteur. Cependant, on constate parfois des erreurs importantes dues a la predominance des rayons diffract& ou reflechis sur des obstacles. En outre, comme illustre par le tableau 6, des ecarts angulaires sont observes egalement lors de la mesure de l’angle de gisement d’un emetteur sur les differentes frequences de la bande FM qu’il Porte.

10

de localisaradiogonio-

I I I I I I I I I I Di

~-

TABLEAU R&u/tats

des mesures

I = 1 U’ii @J g-xUf 3

5

angulaires

87,8

2 %$ > IfJ

88,2 95,3

en trois

points

TABLEAU

2” 1” 1”

7,5 4 11,5

188 105 332”

7” 7” 8

i; 23

6

de fluctuation des angles sur un m@me gmetteur.

91,4

ZQ0

93,4 89,7 99,4

329 329”

distincts

305 330 29”

Une solution proposee [Tatkeu et al., 19971 pour pallier les effets des multi-chemins consiste 2 rep& ter la mesure de gisement un grand

fxemple mew&

Ti?LiCOMMUNlCATlONS

de gisement

63” 3% 345”

nombre de fois sur plusieurs frequences portees par le meme emetteur et cela en plusieurs positions espacees de quelques metres sur un m6me axe longitudinal comme indique sur la figure 11. Les emetteurs de radiodiffusion etant tres eloignes du recepteur, l’angle de gisement mesure depuis Dl et D6 reste sensiblement le meme. Les angles de gisement relatifs 2 un meme emetteur sont regroup& pour ne conserver qu’une valeur correspondant a la moyenne sur chaque frequence ponderee par le nombre de mesures et cela pour les positions Dl a D6. Le tableau 7 donne un exemple de resultat obtenu sur plusieurs emetteurs selon la methode de mesure d&rite.

TABLEAU Angles m&me

FIGURE Mesure positions

11

de I’angle de gisement tr& proches.

en plusieurs

de gisements axe.

97,3 99,8 89,7 et 99,4

72

425

Les premiers resultats present& ici montrent la faisabilite de la localisation d’un mobile equip6 d’un radiogoniometre Doppler bas de gamme, avec des precisions comparables a celles obtenues pour la localisation avec un mobile GSM. 11 apparait cependant que la principale source d’erreurs du systeme reside dans la propagation par multi-chemins. Une solution a eti! proposee pour pallier cet inconvenient, qui demande d’affiner le traitement des mesures des angles de gisement des emetteurs afin d’obtenir les &arts angulaires les plus faibles possibles. Des essais intensifs dans des environnements significatifs doivent etre realises, afin de definir les performances globales de ce systeme de localisation par radiogoniometrie.

7 obtenus

par /a mesure

3:;: 21”

sur plusieurs

emetteurs

3~~”0

positions

3 4 7

25

RECHERCHETRANSPORTS SkURITc

et en plusieurs

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OCTOBRE-DiCEMBRE

225

1998

sur un

onclusion Les objectifs principaux du travail presenti! dans cet article etaient de dgmontrer la faisabilit6 expgrimentale de la localisation de mobiles terrestres en milieu urbain, fondee sur l’utilisation de deux capteurs independants, developp6s dans le cadre de 1’6tude. Ces capteurs tirent leurs informations du r6seau de telephonic cellulaire public au standard GSM et du r&eau public d’gmetteurs de radiodiffusion dans la bande FM. Chacune des deux sources fournit des donnkes indgpendantes permettant la localisation du mobile. Le principe de localisation, tel qu’il est developp6 aujourd’hui pour une

approche de laboratoire, consiste 2 localiser le mobile 2 l’aide des deux methodes prises separgment, puis a comparer les r&ultats obtenus. Les premiers r&ultats pr&ent&s ici montrent que l’objectif que l’on s’gtait fiis d’une pr&ision de l’ordre de cent cinquante mgtres pourrait gtre atteint dans un premier temps et que la disponibilite en milieu urbain est accrue par rapport au systeme de localisation par satellites.

nement. La connaissance du comportement et des performances des deux capteurs dans des environnements canoniques permettra ensuite d’envisager la mise en ceuvre de critgres de choix, ou de critgres de combinaison, entre les donnees issues de la localisation par GSM et celles issues de la localisation par radiogoniom&trie. Dans le cadre des recherches menkes ~‘INREX-LEOSTsur le th&me de la localisation, des travaux seront poursuivis pour permettre la gestion automatique des deux capteurs et l’exploitation conjointe des don&es issues des deux systgmes.

11convient maintenant de tester les deux systgmes de faGon intensive avec une approche statistique dans diff& rents environnements radiohlectriques pour definir leur disponibiliti! et leur pr6cision en fonction de l’environ-

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KCCHERCHE TRANSPORTS SfCURITf

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OCTOBRE-DtCEMBRE

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ABRIDGED

VERSION

Vehicle self-positioning

in urban areas using

The INRETS-LEOST study set out to conduct a feasibility study and then develop a mock-up of an alternative electromagnetic wave-based self-positioning system for terrestrial mobile units which has better availability in urban areas than existing systems such as non-differential GPSwhile offering a comparable level of precision, i.e. an average accuracy of to within 150 m. The research involved positioning a mobile unit in an urban zone firstly by measuring signal propagation times using information from a public GSM cellular network and secondly by measuring the bearings of radio signals from the large number of FM radio transmitters which now exist.

The mobile stations dialogue with the fixed base transceiver stations (BE) via a radio interface. The BTSS are carefully located in order to ensure that radioelectric coverage is achieved by their cells, the radii of which are modified in accordance with propagation conditions and the number of users to be served. Depending on the transmitting power of the BE the radius of a cell can vary from a few hundreds of metres in urban areas to a number of kilometres (at most 35) in rural zones. When a GSM cellular network is deployed a single base station often manages not just one but two or three cells. The system achieves continuity of communication in the course of a journey by performing handovers. A handover occurs when communication is transferred from one cell to another. The cells may be managed by the same BE (intra-BTS handover) or by two different BTSs(inter-BTS handover).

Position using a GsM type cellular network

Self-positioning of a mobile station using a cellular telephone network may be achieved [Drane & al., 19981 : - by measuring signal propagation times, - by measuring the time difference of arrival (TDOA)between two signals from different transmitters, on condition that the BTSS(Base Transceiver Stations) are synchronized, - by measuring the angle of arrival of signals. The technique described here is based on measurement of the propagation time of signals between at least three different base stations and the mobile station which is attempting to find out its position. From the signal propagation times it is possible to construct three circles, each centred on one base station. The position of the mobile station is within the zone where the three circles intersect.

RECHtKCtiETRANSPORTS

SkURlTi

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GSM

The frequency bands allocated for GSMare 890-915 MHz for transmissions from the mobile station to the BTS (uplink) and 935-960 MHz in the other direction (downlink), with a fixed 45 MHz gap between bands. Within the dedicated band both a frequency carrier structure and a TDMA (Time Division Multiple Access) scheme are used simultaneously to allocate radioelectrical resources. TDMA allocates a time slot to each user on a given frequency carrier. TDMA requires both a high degree of synchronization between mobile stations and base stations and a constant time difference of three time slots between transmission and reception. With TDMA, the signals from two mobile stations using consecutive time slots when one is almost at the limit of the range of the BTSand the other is very near the BE, have dif-

OCTOBRE-DfCEMBKE

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or’ radiogoniometer

ferent propagation times. The information they transmit may not arrive in the correct time slot and overlapping may occur in the BTS receiver. In order to overcome this problem the mobile stations transmit slightly in advance of the start of the time slot. This timing difference is known as a Timing Advance @A). It is the round-trip time of a signal between the mobile station and the BE with which it is in communication. The network automatically modifies this parameter, which is transmitted to the mobile station when communication is established. The TA can be coded from 0 to 63 bits, so that as the duration of one bit in the GSM protocol is 3.7 p, the TA can vary from 0 to 233 ps (which corresponds to the round trip propagation time for a wave over 35 km, which is the maximum possible radius for a GSM cell). The TA is modified as the mobile station changes position within the cell or moves to a different BTS. This is performed by 1 step of 1 bit (3.7 ps), corresponding to a mobile station-BTs distance of 555 m. We shall now consider a user in a vehicle which is moving within the zone covered by different base stations each of which covers a single cell. The three parameters TA1, TA2 and TA, each provided by one of the BTS give the mobile Station-BTS distance information dl, d2 and d3 which can be used to plot three circles centred on each of the BTS with the radii dl, d2 and d3 as shown in Figure 2. If the mobile station has a map of the BE it will therefore be possible for it to determine its position within the zone where the three circles intersect. Several factors affect the accuracy of positioning: - the raw accuracy of the TA for each current base station,

-

- the relative positions of the base stations used to localize the mobile station, - measurement errors as a result of multipath and masking caused by buildings. To find the position of a mobile station which is stationary when communication is established, a configuration of distinct circles is required. To achieve this, TA measurements must be obtained from at least three different base stations. This is only possible if an inter-BE handover can be procured. Development of a positioning system using the GSM cellular network thus depends on the ability to force the system to perform interBTShandovers, and therefore on the ability of the mobile station to modify deliberately those criteria which trigger handovers, in particular the parameters RxLev and RxQual (respectively the level and quality of the received signal) when communication is established. The novelty of the research at INRETS-LEOSTlies in the implementation of two techniques which allow the mobile station to provoke handovers artificially: - the first is to modify the level of the signal received from the current base station (RxLev), - the second is to degrade the quality of the signal sent to the current base station (RxQual). The difficulty is to provoke a sufficient number of inter-BE handovers i.e. handovers between different BTS (rather than intra-BTs handovers) Both procedures make demands on the network and at the time of writing represent a laboratory approach which can obviously not be transferred as it stands to a real telecommunications network. However, our research objective was to

assess the level of availability and precision which are achievable solely from data which is carried on the cellular network. The first procedure consists of replacing the omni-directional reception antenna of the mobile station by a high gain Yagi-Uda antenna (Figure 3) which amplifies signals in the direction of its main lobe and attenuates the others. By conducting a slow 360” horizontal sweep it is possible to listen successively to the current base station and neighbouring base stations. In this way the network is informed that the link with the current base station is deteriorating while that with other bases stations is improving. This technique simulates movement of the mobile station and causes an artificial degradation of RxLev and RxQual, which may provoke a handover. The second procedure employed to force handover decisions is to use a hybrid coupler which sums the signals from the current base station and those from a disturbing device which generates a modulated signal with the same amplitude, frequency and pass band characteristics as the signal received at the base station with which the mobile station is communicating. A signal of this type is able to degrade the quality of communication sufficiently to delude the network and on most occasions cause the base station to perform handovers correctly, i.e. with no interruption in communication. To increase availability of system positioning, a frequency hopping source was added to the disrupting device. This effectively jams the mobile station’s traffic channel and does so dynamically, even when the mobile station needs to change RF channel. This source is controlled by software and is able to manage at least three different frequencies and adjust their output power levels according to the levels of the base stations which need to be jammed. The source is phase-locked onto the downlink communication frequency

TELECOMMUNICATIONS

which the current station uses to communicate with all the mobile stations (the BCCH or Broadcast Control Channel). The device is coupled to a nondirectional antenna or a high gain Yagi-Uda antenna which is rotated in order to discriminate between the current and neighbouring stations. A relay or switch is controlled through the parallel link in order to reduce the level of the signal sent to the base station by 20 dB when necessary. The device is therefore able to delude the network which will command the desired base station changes. A table which lists the different cells (Cell,) with which the mobile station has been in communication is produced automatically and the different Timing Advances which are obtained in the cell Cell, are expressed by TA,. The average of all the values of TA, for a particular BE is then computed and on the basis of the geographical position of each BTSit is possible to position the mobile station. Initially, the system has undergone stationary testing in the laboratory where handovers have been triggered with a high rate of success. The feasibility of the automatic positioning system has been demonstrated. The system must now undergo intensive appraisal in urban and suburban sites in order to assess its performance in the environments which interest us.

Doppler

Radiogoniometry is a technique for positioning the source of a radio transmission. Positioning a terrestrial mobile unit using this technique therefore consists of positioning the mobile unit using triangulation on the basis of the bearing of the signals from fixed transmitters operating in the same frequency band as the goniometer. Figure 9 illustrates the principle on which positioning is based. If we take three fixed trans-

RECHEKCHETRANSPORTS SiCURlTi N” 61 - OCI-OBRt-DtCtMBRE

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mitters El, E2 and Es, positioning firstly involves measuring the direction from which signals arrive at the mobile unit with respect to a reference direction, for example true north. If the geographical position of the transmitters is known a straight line can be plotted which passes through both the transmitter and the receiver and which makes the angles &, ~3~and 6s with respect to the reference direction. The point at which these three lines intersect can then be used to construct a triangle within which the mobile unit is located. Instead of reljring .>Ti meas!Arements from two or three transmitters, the mobi!e unit can make ~~aciw~~n_ntS op. 3 I+rge p!lrnbp .i_.~~~~ III”,..“US -. nf “I

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points which ma; correspond to the current position of the mobile unit. If a grid is constructed in the geographical zone in which the line pairs intersect, the current position of the mobile unit can be determined to be, for example, the centre of the grid element which contains the greatest number of points (Figure 10).

approach (GSMand goniometer positioning) it was considered appropriate to use two different frequency bands and therefore demonstrate the feasibility of radiogoniometer positioning in the FM band. Whatever type of radiogonio‘meter is used, transmitter bearing measurements are usually degraded by multipath propagation and masking. A theoretical and experimental study of these phenomena has been performed which demonstrates their importance in the frequency bands around 100 MHz and 900 MHz. In the case of most of the meaf*urcm-+ u I xc*IL2 cor.d&ed, the &vi&on with resnect to me theoretica! an&e ‘-‘Iir ;-&:,;“:;~qp

4 ::,Y4 ,..; iL.-aC” w;$j$-!~ jc_ Of $g t-J mac7nit;& as ; tie II-;of the se’nr3r. -Ho\aJpvpr

errors in the system appears to be multipath propagation. A way of overcoming this problem has been suggested which entails refining the processing of bearing measurements in order to obtain the smallest possible angular deviations. Intensive testing in relevant environments is required in order to establish the overall performance of this radiogoniometerbased positioning system.

The main purpose of the work de+ cribed in this caner was ii. demonstrate that it’is feasibie undri exoerimentai con:ditions to poSiii<,! -lc;: 'tinlti; ier’~e,~triaj c?I?tur,,lk lld!:i iii ;:rg;a+

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c-q&i @-“gT

lar deviations also occur when the bearing of a transmitter is measured on the different frequencies of the FM band it broadcasts.

The availability of the system can be improved by increasing the number of measurements made on different transmitters through use of a frequency band with a large number of urban and suburban transmitters with known positions. Two frequency bands meet these criteria, the 900 MHz band for which deployment of the cellular GSM system is now very widespread and the FM band (87,5 to 108 MHz) used by conventional radio broadcasting transmitters.

A proposed solution [Tatkeu, 19971 in order to overcome the effects of multipath is to repeat the bearing measurement many times on different frequencies carried by the same transmitter and at positions several metres apart on the same longitudinal axis. As radio transmitters are very distant from the receiver, the bearing will remain practically the same. The bearing measurement for a particular transmitter are summed in order to obtain the average value for each frequency weighted by the number of measurements at different positions along the axis.

A preliminary study has shown that either the 100 MHz or the 900 MHz band would be suitable for developing a radiogoniometer-based positioning system [Tatkeu, 1995 and 19961. As the positioning system which is undergoing development is based on a multi-sensor

The first results presented here demonstrate the feasibility of positioning a mobile unit equipped with a bottom-of-the-range Doppler radiogoniometer with comparable levels of precision to those obtained with mobile GSM positioning. However, the main source of

broadcasting transmitters. Both of the sources provide independent data which can be used to position the mobile unit. The principle of positioning at its current stage of development in the laboratory consists of positioning the mobile unit with the two techniques separately and then comparing the results. The first findings which are described in the paper indicate that the desired precision of 150 m could be achieved initially and that availability of urban areas is higher than that of the satellite positioning system. The two systems now require intensive testing with the application of statistical techniques in different radioelectrical environments in order to establish how these affect their availability and accuracy. Once knowledge about the behaviour and performance of the two systems has been obtained in simple geometrical configurations it will be possible to develop criteria for choosing between or combining the data from GSM and radiogoniometer positioning.