Localização em Redes GSM I: Uso da Técnica de Trilateração de Potência Esta série de tutoriais apresenta um estudo de formas alternativas para estimar uma localização através dosistema celular. Técnicas apropriadas para este fim, tais como a Trilateração de Potência, Triangulação,entre outras, serão abordadas. Será avaliada uma implementação prática, cujo objetivo é determinar as coordenadas geográficas de umaposição desconhecida, adotando a técnica da Trilateração, com o objetivo de verificar os resultados obtidose compará-los com os dados de um GPS (Global Position System). Serão feitas também análises dasdiferenças encontradas e uma inferência sobre os fatores que contribuíram negativamente na precisão datécnica adotada. Os tutoriais foram baseados no Trabalho Final de Curso intitulado “Localização por Trilateração dePotência no Sistema GSM”, de autoria do Orlando Augusto, apresentado como requisito parcial para aobtenção do grau de Bacharel do Curso de Engenharia de Telecomunicações do Centro Universitário deBelo Horizonte – UNI-BH. Este tutorial parte I apresenta o embasamento teórico das redes celulares, como o sistema GSM, a interfaceaérea, conceitos e parâmetros de antenas e modelos de propagação.

Orlando Augusto Moreira De Paoli Engenheiro de Telecomunicações pelo Centro Universitário de Belo Horizonte (2008). Atuou na Ativo Cobrança, realizando trabalhos de análise de crédito e perícia contábil, e na TIM Maxitel,realizando atividades de operação e manutenção de centrais AXE Ericsson, HLR, MGW. Atualmente trabalha na TIM Maxitel, realizando atividades de planejamento de rede de transporte, incluindoprojetos e cálculos de enlaces-rádio para redes SDH e PDH, de cálculo de interferências nos enlaces epossíveis soluções, de gerência e dimensionamento da interface Abis, e de análise de solicitação decompartilhamento de sites. Email: orlando_paoli@yahoo.com.br

Categoria: Telefonia Celular

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

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Duração: 20 minutos Publicado em: 19/01/2009

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Localização em Redes GSM I: Introdução Importância do Trabalho Na era da tecnologia, em especial nos sistemas celulares, o conceito de serviço de valor agregado temfundamental importância. Por exemplo, saber as coordenadas geográficas de uma determinada posição semo uso de um GPS é possível graças às técnicas utilizadas na estimação de uma posição. Unindo-as com oavanço tecnológico do sistema móvel, criou-se o serviço de localização pelo celular, já adotado como VAS(Value-Added Services) por algumas operadoras em todo o mundo. No âmbito nacional, a operadora Vivooferece este serviço batizado de “Vivo Localiza”. Sendo assim, este trabalho tem o intuito de discutir as técnicas adotadas na localização de receptores nosistema celular, mais especificamente no sistema GSM (Global System for Mobile Communications). Objetivo O principal objetivo é apresentar e implementar a técnica da Trilateração, utilizada para estimar alocalização de um usuário através da rede celular, sem o uso do GPS. Conceitos sobre modelos depropagação e sistema irradiante também serão abordados para facilitar o entendimento da implementaçãoprática realizada. Através dos resultados obtidos nas medições e nos cálculos, as coordenadas encontradas pela Trilateraçãoserão comparadas com as coordenadas extraídas de um GPS. Então, com base nas divergências encontradas,será proposta uma abordagem e uma discussão sobre os fatores que contribuíram para o surgimento dasmesmas. Motivação e Justificativa O tema foi escolhido por apresentar diversas aplicabilidades, além de proporcionar implementaçõesinteressantes, que englobarão conceitos de RF (radiofreqüência), propagação e sistemas móveis. O tema semostra útil no rastreamento de veículos e caminhões que portarem um chip GSM, além de possibilitarqualquer usuário de estimar sua localização, mesmo que não estiver portando um GPS. Neste tutorial parte I será apresentado o embasamento teórico do assunto, como o sistema GSM, a interfaceaérea, conceitos e parâmetros de antenas e modelos de propagação.

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Localização em Redes GSM I: O GSM O Sistema Global para Comunicações Móveis, GSM, é a tecnologia móvel mais utilizada nos celulares detodo o mundo. Basicamente, o sistema GSM é dividido em três grandes áreas:

NSS (Network Switching Subsystem): É a área inteligente do sistema. Nela é realizado todo oprocessamento de chamadas, interconexão com outras operadoras, plano de encaminhamento dechamadas, base de dados de assinantes, autenticação na rede e toda a parte de tarifação;OSS (Operation and Support Subsystem): Área responsável por monitorar e tratar os alarmesoriundos dos elementos de rede;BSS (Base Station Subsystem): Corresponde a toda interface aérea do sistema, sendo responsável porestabelecer o acesso dos usuários aos rádios das ERB’s (Estações Rádio Base) e pelo controle emonitoramento de ocupação destes rádios.

Sendo assim, o GSM é um sistema bastante complexo, composto por diversos elementos de rede, cada umcom uma função específica. Para auxiliar a compreensão deste trabalho, os elementos que compõe a rede GSM e que estão diretamenteligados ao tema apresentado, serão descritos a seguir:

MS (Mobile Station): Refere-se a uma das pontas do sistema GSM, a estação móvel ou, em outraspalavras, os próprios usuários. Aparelhos celularesse enquadram como estações móveis;BTS (Base Transceiver Station): Elemento cuja função é de estabelecer a comunicação, via interfaceaérea, com as estações móveis. Também chamadas de células ou estações rádio base, elas sãocompostas pelos rádios ou TRX (transceiver),responsáveis pelo estabelecimento de uma chamada [1].BSC (Base Station Controller): Este elemento interliga diversas células com o coração do sistemaGSM, as centrais telefônicas. Tem a função de controlar a transição das estações móveis de umacélula para outra, fenômeno denominado Handover ou Handoff, além de gerenciar a ocupação doscanais de rádio utilizados [1].MSC (Mobile Services Switching Center): Também chamado de central, este elemento é consideradoum dos principais de toda a rede GSM. É nele que é realizado todo e qualquer processamento dechamada, interconexão com outras redes, tarifação das chamadas, entre outros [1].

A figura 1 apresenta a arquitetura do sistema GSM, destacando as três áreas e os elementos explicadosanteriormente:

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Figura 1: Arquitetura do Sistema GSM

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Localização em Redes GSM I: Interface Aérea O Sistema Irradiante Para a compreensão da implementação que será descrita no tutorial parte II, faz-se necessário oentendimento de um sistema irradiante. Para isso, o conceito de antenas, seus principais parâmetros, tipos eseus diagramas de irradiação são de fundamental importância. “Uma antena é o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela irradiação ou pela recepção de ondasradioelétricas. Transfere energia de um circuito para o espaço e vice-versa” [3]. Uma antena diretiva é capaz de irradiar ondas eletromagnéticas com maior intensidade em uma direção doque em outra. Esta direção pode ser com relação ao plano terrestre (ângulo de elevação ou tilt), ou então,com relação ao norte geográfico da Terra (ângulo de azimute). Seu diagrama de irradiação apresenta olóbulo principal mais definido, apontando para uma determinada direção. Há, também, lóbulos secundárioscom ganhos bem menores se comparados ao ganho do lóbulo principal. A seguir, a figura 2 ilustra um diagrama de irradiação de uma antena diretiva:

Figura 2: Diagrama de Irradiação de uma Antena Diretiva [4] A antena diretiva apresenta uma relação frente-costas diferente de uma antena não-diretiva, ouomnidirecional. Este parâmetro mede a diferença, em decibéis (dB), do quanto uma antena irradia parafrente em relação à intensidade que irradia na direção oposta [5]. Outro parâmetro importante no estudo de uma antena diretiva é a abertura do ângulo de meia potência.Trata-se do ângulo medido entre as duas direções onde a intensidade irradiada diminui 3 dB, ou seja, diminuipela metade. Quanto menor este ângulo, maior diretividade tem a antena [5]. Para a recepção dos sinais transmitidos por uma BTS, a antena diretiva receptora deve ter uma largura debanda que engloba a freqüência de transmissão da estação rádio base. Geralmente, no sistema GSM, asBTS’s operam na freqüência de 850 MHz e 1,8 GHz [5].

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Visando melhorar a qualidade do sinal recebido e compensar as perdas sofridas na propagação, toda antenatem um parâmetro denominado ganho. Este ganho é expresso em dBi ou dBd, sendo o primeiro o ganho daantena com relação à uma antena isotrópica e o segundo com relação à uma antena dipolo [5]. Outra característica a respeito de uma antena se dá através do parâmetro denominado polarização. Umaantena pode ser de polarização vertical ou horizontal, isto é, tudo irá depender de como o vetor campoelétrico estiver orientado. Caso o vetor campo elétrico esteja orientado em uma direção perpendicular aoplano terrestre, a antena tem polarização vertical. Se, por acaso, o vetor campo elétrico estiver orientado emuma direção paralela ao plano terrestre, a polarização é horizontal. Vale ressaltar que ambas as ondaspolarizadas, uma verticalmente e a outra horizontalmente, podem estar numa mesma faixa de freqüênciaque, mesmo assim, uma não altera as propriedades da outra. No sistema GSM é comum usar a polarizaçãocruzada, onde os ângulos são de 45º e -45º, por contornar o problema do desvanecimento (variações rápidasdo nível de sinal) devido à diversidade por polarização [5]. Após a explicação do sistema irradiante e da descrição dos parâmetros de uma antena, tornou-se essencialsaber sobre o meio de propagação entre as pontas do sistema. Propagação Uma vez descrito o sistema irradiante, falta agora conceituar a propagação dos sinais em um meio. Nestaseção, a trajetória das ondas eletromagnéticas entre a BTS e a antena de um equipamento receptor é oprincipal enfoque. Nas duas pontas têm-se antenas fixas. Porém, o meio entre elas é bastante mutável, podendo variar a cadasegundo. Todo sinal quando propagado, possui uma direção de propagação que, como exemplo, será adotado adireção do eixo x. Ortogonal à direção x está a componente elétrica vetor campo elétrico, oriundo de umacarga estática. De acordo com as equações de Maxwell, cargas em movimento dão origem a uma correnteelétrica, que, por conseguinte, originam a formação de um campo magnético, perpendicular à direção depropagação e também ao campo elétrico que o originou. A partir daí, um ciclo de geração de campos é iniciado. Um campo elétrico origina um campo magnético, quepor sua vez origina outro campo elétrico e assim por diante, até chegar à antena receptora. Toda e qualqueronda eletromagnética se propaga dessa maneira, independentemente do meio em que ela se encontra. A figura 3 ilustra o que foi descrito anteriormente:

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Figura 3: Componentes de uma Onda Eletromagnética [6] É sabido que a onda se propaga com uma energia ou potência inicial expressa em watts [W] ou em umaunidade logarítmica com relação ao miliwatt, denominada dBm. Em condições normais, as ondaseletromagnéticas chegam ao receptor com uma potência inferior em relação a original. Este fato se deve aofenômeno da atenuação. A atenuação de um sinal se caracteriza pela perda de potência durante sua propagação. À diferença entre apotência transmitida e a recebida dá-se o nome de perda. Todo sistema de telecomunicações, seja de telefonia móvel, televisão, rádio ou satélite convivem e sofremcom este fenômeno. As perdas podem ocorrer por diversos fatores como chuva, obstáculos durante o percurso, conexõesdesalinhadas de cabos, interferências destrutivas, efeito pelicular nas linhas de transmissão devido às altasfreqüências, entre outros. Uma solução alternativa para minimizá-las é o uso de amplificadores, bobinas eantenas com maiores ganhos. O alto custo do amplificador muitas das vezes o torna inviável para o sistema. Complementando o que foi dito até aqui, a seção a seguir explicará os diversos modelos de propagação,conceitos que serão úteis para o entendimento de todo o trabalho.

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Localização em Redes GSM I: Modelos de Propagação Quando o nível de um sinal não pode ser medido com equipamentos próprios em um receptor, ele pode sercalculado por meio de modelos matemáticos determinísticos e/ou empíricos que tentam, por aproximação,simular o comportamento das ondas eletromagnéticas durante a propagação em um determinado meio. O comportamento da onda no espaço livre foi o primeiro a ser estudado e modelado. O modelo depropagação em Terra Plana surgiu logo após. Ambos se enquadram como determinísticos. Como modelosempíricos, elaborados a partir de resultados obtidos em experimentos, os mais comuns são o de Hata e oLog-Distância. A seguir, os modelos serão descritos, visando uma melhor compreensão deste tema. Espaço Livre Este modelo de propagação é usado para predição da intensidade com a qual um sinal transmitido chega aoseu receptor, quando as duas pontas do enlace apresentam entre elas uma linha de visada não-obstruída pornenhum obstáculo. Sistemas de comunicação via satélite e enlaces de microondas utilizam, tipicamente, apropagação no espaço livre como modelo para cálculo da potência recebida. O modelo diz que a potênciaque chega ao receptor decai à medida que a distância de separação entre o transmissor e o receptor aumenta.Além disso, fatores como o ganho de ambas as antenas, potência transmitida e perdas sofridas durante apropagação influenciam diretamente no cálculo da intensidade do sinal que é recebido [9]. Terra Plana O modelo descrito anteriormente ajuda na compreensão por se tratar de um caso particular deste. Estemétodo se aplica às situações mais práticas. Ele também leva em conta a linha de visada entre as duaspontas, como no modelo Free Space. A grande diferença é que o modelo Terra Plana considera para oscálculos as componentes refletidas da onda na superfície terrestre. Ou seja, para determinar o sinal resultanteem uma das pontas é necessário conhecer o coeficiente de reflexão. O coeficiente é determinado através defórmulas e dependerá do ponto de reflexão na superfície da Terra, além da polarização da onda que estásendo refletida. Para encerramento, este modelo não é adotado para grandes distâncias, uma vez que ele nãoconsidera em seus cálculos a curvatura da Terra [8]. A seguir, a figura 4 ilustra as duas componentes da onda utilizadas para o cálculo neste modelo:

Figura 4: Propagação da Onda em Terra Plana [8]

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Modelo de Hata O modelo de Hata surgiu com base no modelo de Okumura. Ele funciona para casos em que o sinaltransmitido esteja na banda de 150 a 1500 MHz. O Hata, assim como o Okumura, leva em consideração aqualificação do meio: se é rural, urbano ou suburbano. Trata-se de um modelo bem prático, porém subjetivona hora da escolha da qualificação do meio [9]. Log-Distância Este modelo de propagação é totalmente relevante neste trabalho, já que ele fará parte da implementaçãoprática, a ser apresentada no tutorial parte II. O modelo de propagação Log-Distância é baseado em resultados experimentais. Utiliza métodos totalmentediferentes dos modelos anteriores. Ele independe da freqüência do sinal transmitido e do ganho das antenastransmissora e receptora. Além disso, este modelo diz que a potência recebida diminui, em escalalogarítmica, com a distância de separação entre Tx e Rx. Para facilitar o entendimento, segue abaixo aequação base do Log-Distância:

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Na equação anterior, Pr(d) é a potência recebida em um determinado ponto; Pr(d0) é a potência recebidano ponto referência “d0”, n é o coeficiente de densidade urbanística, d é a distância do ponto desconhecidoaté uma referência, d0 é a distância do ponto “d0” até o outro ponto referência. Conforme pôde ser observado, o modelo ainda conta com uma variável n, denominado expoente de perda detrajeto. Isto é, dependendo do meio em que o sinal transmitido se propaga, a variável n poderá assumirdiferentes valores. A seguir tem-se uma tabela relacionando o ambiente em que o sinal se propaga e o valorassumido por n: Tabela 1: Expoente de Perda de Trajeto para Diferentes Ambientes [7]

TIPO DE AMBIENTE VALOR DE n

Espaço Livre 2

Área Urbana 2,7 a 3,5

Área Urbana pouco obstruída 3 a 5

Indoor com linha de visada 1,6 a 1,8

Indoor com obstrução 4 a 6

Percebe-se que, assim como o Hata, o modelo Log-Distância pode ser considerado subjetivo, pois osconceitos de tipo de ambiente não são bem definidos, cabendo a pessoa qualificar o meio de acordo com suainterpretação. Ou seja, o valor de n poderá variar de um cálculo para o outro, dependendo de como quem fezo cálculo avaliou o ambiente. O modelo, por ser empírico, tem como premissa os valores de potência recebida em um determinado ponto

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denominado “d0”, além da distância real deste ponto escolhido até a outra ponta. A partir disso, conhecendoa variável n, “d0” e a potência recebida pela ponta em “d0”, torna-se possível então, obter a intensidade dosinal recebido em qualquer outro ponto vizinho de “d0”, com as mesmas características do meio utilizadopara o cálculo das premissas [7]. Sendo assim, com base em tudo que foi lido até aqui, o leitor se encontra apto e fundamentado teoricamentepara o entendimento da implementação, da metodologia utilizada e para discutir sobre os fatores que podeminfluenciar na prática.

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Localização em Redes GSM I: Considerações finais Esta série de tutoriais tem por objetivo apresentar a técnica de localização de Trilateração De Potênciaaplicada em redes GSM, ilustrando também um teste prático de determinação da localização de uma posiçãodesconhecida. Este tutorial parte I procurou apresentar o embasamento teórico das redes GSM, e os aspectos importantesde propagação da interface aérea, que serão importantes para o entendimento da implementação prática. O tutorial parte II apresentará os principais métodos de localização usados em redes GSM, e os detalhes daimplementação prática de uma aplicação usando a técnica de trilateração de potência e um teste prático paracomprovar os seus resultados. Referências [1] O Sistema GSM. Disponível em:http://professores.unisanta.br/santana/downloads/Telecom/Sistemas_Telecom/Satélite/01-ParametrosFundamentais.pdfAcesso em: 05/05/08. [2] A Arquitetura do Sistema GSM. Disponível em:http://www.dcs.gla.ac.uk/~lewis/teaching/Tik-111_files/Image8.jpgAcesso em: 21/05/08. [3] VIEIRA, P. Conceitos de Antenas. Disponível em:http://www.deetc.isel.ipl.pt/sistemastele/Pr2/arquivo/folhas de apoio/conceitos de antenas.pdfAcesso em: 05/05/08. [4] Diagrama de Irradiação de uma Antena Diretiva. Disponível em:http://vivasemfio.com/blog_images/antena_direcional_01.jpgAcesso em: 05/05/08. [5] BALANIS, C. A., Antenna theory: Analysis and design, Nova York, 1938. [6] A Onda Eletromagnética. Disponível em:http://i188.photobucket.com/albUms/z99/fisicomaluco/polar10.gifAcesso em: 21/05/08. [7] Antenas. Disponível em:http://professores.unisanta.br/santana/downloads/Telecom/Sistemas_Telecom/Satélite/01-ParametrosFundamentais.pdfAcesso em: 05/05/08. [8] Parsons, J. D., The Mobile Radio Propagation Channel, 2ndEdition, 2000. [9] Rappaport, T. S, Wireless Communications: Principles and Practice, 2ndEdition, Prentice Hall, NewYork, 2002.

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[10] Google Maps. Disponível em:http://maps.google.com.brAcesso em: 10/10/08. [11] REGHELIN, R. Um Algoritmo Descentralizado de Localização para Rede de Sensores sem Fio usandoCalibragem Cooperativa e Heurísticas. Disponível em:http://www.tede.ufsc.br/teses/PGCC0807-D.pdfAcesso em: 06/08/08. [12] Celular Nokia 6510. Disponível em:http://www.melodiasmoviles.com/moviles/nokia/6510/nokia-6510.htmlAcesso em: 12/08/08. [13] GPS Garmin 12. Disponível em:http://images.google.com.br/Acesso em: 12/08/08. [14] Timing Advance. Disponível em:http://en.wikipedia.org/wiki/Timing_advanceAcesso em: 18/08/2008. [15] MARTINS, A. B., Predição de Cobertura Celular e Análise de Níveis de Irradiação Regulamentares,2006. [16] Trilateração. Disponível em:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/6/6f/20050512001347!Trilateration.pngAcesso em: 08/08/08.

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Localização em Redes GSM I: Teste seu Entendimento 1. Quais dos elementos abaixo compõem uma rede GSM?

MS (Mobile Station)

BTS (Base Transceiver Station)

BSC (Base Station Controller)

MSC (Mobile Services Switching Center)

Todos os elementos anteriores 2. No contexto deste tutorial, o que é uma antena?

É o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela irradiação ou pela recepção de ondasradioelétricas. Transfere energia de um circuito para o espaço e vice-versa.

É o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela irradiação de ondas radioelétricas. Transfereenergia de um circuito para o espaço.

É o elemento de uma ligação via rádio, responsável pela recepção de ondas radioelétricas. Transfereenergia do espaço para um circuito.

É o elemento de uma ligação via cabo coaxial blindado, responsável pela transmissão ou recepçãosinais elétricos. Transfere energia de um circuito para o cabo e vice-versa.

3. No contexto deste tutorial, quais são os modelos de propagação mais usuais?

Determinísticos, Espaço Livre e Log-Distância, e Empíricos, Hata e Superfície Plana.

Determinísticos, Hata e Superfície Plana, e Empíricos, Espaço Livre e Log-Distância.

Determinísticos, Espaço Livre e Superfície Plana, e Empíricos, Hata e Log-Distância.

Determinísticos, Espaço Plano e Superfície Livre, e Empíricos, Hata e Log-Distância.

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