Moderní pohled na zdravotnické operační středisko

Lokalizace volajícího

při tísňovém volání z mobilního telefonu

aktualizace: 22.července 2003

Lokalizace polohy mobilního telefonu je téma, které je zajímavé z řady důvodů. Bohužel dostupné údaje a zejména články v médiích obsahují řadu informací, které do sebe nezapadají a vzájemně si odporují. Z některých informací by nezasvěcený čtenář dokonce mohl nabýt dojmu, že není problém lokalizovat mobil s přesností řádově metrů. 

Nyní, kdy součástí řešení technického zabezpečení obsluhy linky 112 by měla být informace o lokalizaci volajícího i v mobilní síti, je tato problematika zajímavá i pro nás.

Abychom mohli porozumět tomu, co je a co není technicky možné, uvádím zde především

1) Některé podstatné principy fungování sítě GSM

Pro náš účel nejpodstatnějšími technickými prvky fungování GSM sítě jsou základnová stanice (BTS) a mobilní telefon (MT). Bráno na té úplně nejzákladnější úrovni je BTS i MT vlastně "obyčejná vysílačka" - technicky podobná té, jakou používáme pro spojení na záchrankách. 

Víme, že naše vysílačky - a MT jsou na tom úplně stejně - mohou v daném pásmu pracovat na několika "kanálech", tj. na několika mírně odlišných frekvencích. Pro pásmo 76 MHz ("tradiční" záchrankové pásmo) je jich tuším 8, pro pásmu 900 MHz (GSM) několik desítek, ale vždy jde o omezený, relativně malý počet. 

BTSky jsou zpravidla osazeny více vysílači na různých frekvencích a anténami se směrovým vyzařováním - jeden kanál zpravidla pokrývá horizontální výseč 120 (třísektorová BTS) nebo 180 (dvousektorová BTS), a jen méně často plných 360 stupňů (BTS s jediným sektorem).

Jak víme, na jednom "kanále" současně může při běžném provozu mluvit jenom jedna stanice (jinak se vysílačky vzájemně ruší), takže pokud chce telefonovat víc lidí současně, máme tu problém.  Lze do určité míry zvyšovat počet frekvencí (kanálů) na jedné BTSce (tj. sice jeden stožár, ale několik vysílačů na něm), ale vzhledem k potřebě vyloučit interference s okolními buňkami nemůžeme stejné kanály použít na sousedních, a často ani na "těch dalších" buňkách, a tím nám počet dostupných frekvencí a tedy teoretická kapacita jedné buňky silně klesá. Nicméně tak nějak funguje síť NMT (Eurotel TiP) - a také proto je její kapacita velmi omezená.

Řešením použitým v síti GSM není jen zvyšování počtu kanálů (frekvencí), ale zejména jejich lepší využití: chytří lidé vymysleli způsob, jak do jednoho "kanálu" vecpat víc než jednoho uživatele, aniž by se jednotliví uživatelé vzájemně rušili.

Princip je v zásadě "jednoduchý" : 

- telefon vezme z plynulého analogového hovoru vždy určitý časový úsek - dejme tomu jednu vteřinu (ve skutečnosti počítáme v desetinách vteřiny)

- tuto vteřinu speciální čip (počítač) v telefonu zdigitalizuje a zkomprimuje (podobně, jako když si třeba převádíme CDčka na MPtrojkové soubory). Tím vznikne - z hlediska přenosu - podstatně menší objem dat. Z hlediska času nutného pro přenos informace je - včetně různých služebních údajů - "kompresní poměr" 1:8, tj. 1 vteřina "živého" hovoru se přenáší 1/8 vteřiny.

- POZOR - teď je to podstatné: tato data odvysílá telefon BTSce v určitém časovém úseku - "time slotu", přičemž vysílá/přijímá právě jenom v tomto jednom time slotu a v ostatních sedmi v dané sekvenci mobil mlčí (resp. "ignoruje" vysílání BTSky).

- Opačně (pro přenos řeči od BTS do MT) to funguje zcela analogicky. 

Princip sdílení jednoho kanálu více uživateli v síti GSM

Z hlediska komunikace BTS a konkrétního MT tedy vysílání není spojité, ale je to série pulsů. U konkrétního MT je poměr vysílání ku "mlčení" 1:7, takže s 1 BTSkou může současně na jednom kanále komunikovat až 7 dalších mobilů (tj. celkem 8 současně hovořících účastníků / 1 BTS). Je ale potřeba zajistit, aby každý vysílal svá data v jiném okamžiku a bylo tak vyloučeno jejich vzájemné rušení. To se dělá tak, že se MT "domluví" s BTSkou, v jakém TimeSlotu má vysílat (třeba ve třetím). Poté už si jenom vybírá z každé periody třetí časový úsek (sekvenci), kdy vysílá resp. přijímá. Přijatá data pak počítač v mobilu zpětně "poslepuje", dekóduje a přehraje do reproduktoru mobilu.

Aby do sebe vysílání jednotlivých mobilů přesně zapadala, je už významná i vzdálenost, na kterou mobil a BTS komunikují - vzhledem na časové zpoždění musí při větších vzdálenostech (až 35 km) mobil vysílat data v mírném "předstihu" před správným začátkemTimeSlotu (počítáme zde zlomky milisekund!), aby signál dolétl na BTSku v pravý okamžik.  

Z toho plyne další pro nás důležitá věc: BTSka a mobil si musí před začátkem komunikace "změřit" vzdálenost mezi sebou. Měří to s přesností na 550 metrů a výsledná hodnota se jmenuje "Time Advance" (TA). Pro klesající přesnost měření TA na delší vzdálenosti je uměle omezena maximální použitelná vzdálenost mezi BTS a MT na 35 km.

Aktivní zájemci o tuto problematiku mohou uvedené parametry sledovat i sami: v řadě mobilů lze aktivovat tzv. "servisní menu", pomocí něhož lze nahlížet tak trochu "pod poličku"sítě GSM bez jakéhokoliv speciálního vybavení.


2) A nyní k principu zjištění polohy


K určení polohy mobilní stanice lze použít různých metod měření resp. jejich kombinací.

Při zjištění polohy můžeme vycházet z těchto informací:

- operátor přirozeně ví, kde přesně se nachází jeho základnové stanice ("stožáry")
- ví také, s jakou základnovou stanicí (BTS) resp. s jakým jejím sektorem komunikuje MT,
- ví, v jaké vzdálenosti od této stanice se mobil nachází (zná hodnotu TA)

Dále je možné - ale není to snadné - "oslovit" konkrétní MT z více BTS a případně změřit vzdálenost ke každé z nich.

Lokalizace podle BTS

Nejhrubší metoda - ale na druhou stranu nevyžadujícím nějaké zvláštní investice ze strany operátora -  je lokalizace podle BTS komunikující s mobilem. Potíž tohoto způsobu je v tom, že umožňuje určit pouze okruh (o teoretickém průměru 35 km) resp.  výseč tohoto kruhu u vícesektorových BTS. Vzhledem k hustotě buněk lze sice s vysokou pravděpodobností předpokládat, že MT se nachází blíže, než oněch 35 km, ale i tak touto metodou nelze získat více, než např. víceméně spolehlivý odhad, v jakém okrese se volající nachází. V okrajových  oblastech pochopitelně bude docházet k "přesahům" do sousedních okresů, ale z hlediska počtu volání nepůjde o příliš významný počet chyb (nicméně je s nimi potřeba počítat a např. v příhraničních oblastech při komunikaci přes státní hranici může jít o závažný problém). Pokud volající nevolá zrovna z extrémně řídce osídlené oblasti, lze při dnešní hustotě BTS předpokládat pravděpodobnou polohu volajícího v okruhu do 10 km od BTS, ve větších městech městech v okruhu stovek metrů či nejvýše jednotek kilometrů. Nejhorší situace nastane, pokud mobil komunikuje s některou z "vykrývacích" buněk umístěných na vysokých kopcích - zde je skutečně reálná komunikace až do maximální vzdálenosti 35 km.  Naopak zpravidla dostatečně přesná je tato lokalizace v případě tzv. "mikrocell", nízkovýkonných BTS, vykrývajících např. supermarkety, stanice metra, stadiony apod., i když i zde může být výjimečně přesah dosahu v řádu desítek až stovek metrů mimo daný objekt.

 Území s pravděpodobným výskytem MT (třísektorová BTS)

Principu lokalizace podle BTS se používá již dnes např. pro distribuci volání z tísňových mobilů na příslušné ÚSZS (resp. na příslušné okresní pracoviště ve středočeském a ústeckém kraji).

Při důkladné analýze území, v němž se má MT nacházet, lze ještě dojít k různým zpřesněním v závislosti na geografii: s uvážením různých radiových stínů lze potenciální možnosti výskytu MT dále omezit. 

Lokalizace podle BTS a TA

Určení polohy lze významně zlepšit, pokud vedle příslušnosti k BTS zjistíme i hodnotu TA, která vypovídá o vzdálenosti, na níž mobil s BTSkou komunikuje. Z plochy ohraničené kruhem resp. z výseče tohoto území (při vícesektorové BTS) již získáme pouze mezikruží o šířce asi 1 km, které již - zejména v řidčeji osídlených oblastech - může ve spojení s další informací (např. poloha na dálnici, u rybníka atd.) vést k poměrně přesné lokalizaci MT. Toto řešení již ovšem vyžaduje technologie, které nejsou standardní součástí sítí GSM.

Pravděpodobná lokalizace při znamosti sektoru a TA

Grafické znázornění možné polohy volajícího může vypadat například tak, jako na obrázku: Sektory jsou označeny rozdílnými barvami, jejich hranice ovšem nejsou zcela ostré. Přesnější lokalizace můžeme dosáhnout, pokud známe ještě další informaci. Např. víme-li, že volající z obrázku se nachází na dálnici, v případě jednosektorové BTS (vlevo) může být v úseku dálnice A, nebo B (viz obr.), v případě dvousektorové BTS (uprostřed) resp. třísektorové (vpravo) je již určení polohy relativně velmi přesné a zahrnuje asi 1 km dlouhý úsek dálnice (označeno B).

Pro představu o "hrubosti" měření TA ještě připojuji obrázek, dovolující udělat si představu o velikosti území ohraničeného nejmenší loklizovatelnou kružnicí o průměru 550 metrů (TA=0). BTS umístěná na horním okraji Václavského náměstí může obsluhovat MT nejen na celém Václavském náměstí, ale i např. na Hlavním nádraží, v Jindřišské, Vodičkově, náměstí I.P. Pavlova nebo náměstí Míru. Vzhledem k hustotě BTS v dané obasti to sice nebude časté, ale není to technicky nemožné.

Nejpřesnější možná lokalizace pro BTS na Václavském náměstí, je-li TA =0 (bez zahrnutí znalosti sektoru)

Lokalizace triangulací z více BTS

Triangulace z více BTS je obecně asi nejpřesnější metoda, jak zjistit polohu MT v síti GSM. Spočívá v "zaměření" polohy MT z několika BTS, pokud možno i se změřením TA. Technicky již ale jde o poměrně složité řešení, vyžadující jednak určitý čas, a jednak buď spolupráci SIM karty mobilu, nebo přímo mobilního telefonu. V takovém případě ovšem musí mobil obsahovat speciální čip. Systém na tomto základě začíná být uváděn do provozu v některých místech USA pod názvem Enhanced Observed Time Difference (E-OTD).  Perspektivně se s ním počítá i v Evropě právě pro potřeby linky 112.

Modře je vyznačená pravděpodobná poloha MT


3) Závěr

Určení polohy mobilního telefonu je za současných technických podmínek pouze podpůrná metoda určení lokalizace volajícího. Při znalosti principů jejích fungování ale přináší dispečerovi cenné informace, které mohou jeho rozhodování výrazně zrychlit a zpřesnit. 

S vysokou spolehlivostí vyloučí případy, kdy je omylem realizován výjezd do stejně nazvané obce, ale v jiném, vzdáleném okrese. 

Na druhé straně nelze očekávat dramatický průlom ve zpřesnění místa, kde se volající nachází. Lokace volajícího poskytuje určité vodítko, ale pro přesnější určení pravděpodobnosti je zpravidla potřeba znát ještě další údaj, zpřesňující polohu stanice. Do určité míry může pomoci k identifikaci úmyslného zneužití tísňových složek, ovšem v tomto směru jsou asi očekávání větší, než skutečné možnosti (a naopak pozor na unáhlená odmítnutí volajících při nepřesné lokalizaci nebo při hovorech z třetí ruky!)

Ohledně konkrétního technického řešení použitého na lince 112 odpovědná místa zarytě mlčí, resp. mlží, ale je i otázkou, vůbec nějaké "centrální" řešení existuje či existovat bude: podle neoficiálních informací preferuje zatím každý z našich mobilních operátorů poněkud jiný způsob lokalizace. Pravděpodobným "minimem" bude informace o poloze mobilu zhruba na úrovni okresu, ve velkých městech by asi šlo uvažovat i o zpřesnění na území tohoto města a okolí (ale zde již jsme na tenčím ledě - i městské BTSky mohou být "slyšet" na vzdálenost několika a někdy i mnoha km mimo město - z vlastní zkušenosti si vzpomínám např. na volání ze silnice poblíž Hlinska vedené přes jednu z BTSek z přes 30 km vzdálených Pardubic).

Sofistikovanější řešení již vyžadují poměrně zásadní investice (vedle "standardních" technologií sítě GSM vyžaduje snaha o lokalizaci stanice ještě výkonné výpočetní a zobrazovací systémy, musí být jak přenést data do místa zpracování atd.) a přitom přínos velmi drahých   "zpřesňujících" opatření není reálně zase až tak zásadní. A ekonomická situace u některých operátorů nemusí zdaleka přát podobným nenávratným investicím.

Do jaké míry budou jednotliví operátoři "ochotni" investovat do svých sítí, aby poskytované informace byly co nejpřesnější, tedy zůstává otevřenou otázkou.

 

Dodatek - řešení pro tísňové linky v ČR

(akt. 22.7.2003)

Díky jednomu z "dobře informovaných" přátel se podařio upřesnit technické řešení, které je v současné době dokončováno pro využití na lince 112, resp. v případě zájmu na tísňových linkách obecně (řešení není vázáno na konkrétní tísňovou linku).

Možné způsoby lokalizace jsou v zásadě omezeny zejména dvěma faktory:

- prakticky není možné uvažovat o získání přesnější primární informace, než je informace o tom, ke které BTS resp. ke kterému jejímu sektoru je v okamžiku zahájení hovoru MT přihlášen. Informace o TA nebo dokonce o okolních buňkách (pro potřeby triangulace polohy) není za současných technických podmínek pro tento účel využitelná. 

- informaci o poloze musí být možné předat relativně jednoduše na příslušné "obecné" operační středisko

Princip zjišťování je následující:

Pro každý sektor BTSky je stanoveno území, pro něž je tento sektor s pravděpodobností kolem 90% dominantní, tj. pokud je mobil přihlášen k této buňce, je s 90% pravděpodobností v tomto území. Jak již je shora uvedeno, je sice technický limit dosahu sítě 35 km od dané BTS, nicméně při dostatečné hustotě buněk je pravděpodobnost výskytu MT v takové vzdálenosti již nízká, a naopak poblíž BTS je relativně vysoká. Tuto pravděpodobnost je možné při znalosti konfiguraci sítě v dané lokalitě odhadnout a odpovídající diagram může vypadat např. takto:

Pravděpodonost výskytu MT v sektoru dané BTS

Červeně je vyznačené území (lalok), pro které platí, že 9 z deseti mobilů komunikujících s danou BTS se nachází právě v něm. Na zbytku území, kam má tato BTS teoretický dosah, jsou již dominantní jiné (zde nezakreslené) buňky.

Veškeré další výpočty jsou již prováděny pouze pro červené, "90%" laloky. To na jednu stranu dovoluje výrazně zpřesnit lokalizaci, na druhou stranu - sice výjimečně, ale ne nemožně - může být MT i dosti vzdálen očekávanému místu výskytu.

Bylo by samozřejmě ideální, aby se již tyto informace - na úrovni jednotlivých sektorů BTS - přednášely do TCTV. Potíž je ale v tom, že podobu těchto laloků by bylo potřeba předem definovat tak, aby ji TCTV znalo. V každé mobilní síti ale dochází prakticky denně v rámci optimalizace ke změnám konfigurace a tedy i ke změnám podoby těchto laloků. Znamenalo by to tedy jednak nutnost  denní aktualizace velmi složitých databází a v neposlední (a možná v první) řadě by operátoři museli "pouštět" velmi citlivá a cenná data o konkrétní konfiguraci své sítě - a to je něco, co žádný z nich dobrovolně neudělá.

Bylo tedy třeba postupovat jinak: území státu rozdělili jednotliví operátoři na něco kolem 1000 dílů (každý jinak), nezávislých na konkrétní aktuální poloze BTS a jejich laloků. Díly mají u různých operátorů různý tvar (čtverce, kruhy, ale i obecné geografické tvary) a také mohou mít velikost různou podle lokality: ve městech budou zpravidla menší, mimo město výrazně větší. Dále podle aktuální konfigurace sítě a podoby laloků stanoví operátor pro každý sektor každé BTS to, do jakého dílu převážně zasahuje a tento díl je také předáván na TCTV jako nejpravděpodobnější lokalizace volajícího.

Každý díl (na obrázku v příkladu jsou označeny čísly 1-6) je tedy pokryt 1 až n laloky - např. díl 5 je pokryt laloky buňky A i B, zatímco 90% lalok buňky C - ačkoliv buňka sama se nachází v dílu 5 - zasahuje převážně do dílu 3 a poloha volajícího, komunikující s buňkou C, bude tedy uváděna vždy v dílu 3.

0306_lokmt_2b.jpg (22587 bytes)

Princip přenosu informace využívá datovou větu, v níž se dnes udává, kam má být hovor z mobilní sítě směrován. Tuto větu si v rámci směrování hovorů z mobilních sítí předávají mobilní operátoři s Českým Telecomem již dnes, i když musela být pochopitelně poněkud rozšířena o parametry lokalizace MT, tj. v principu o předání čísla dílu, ve kterém by se měl mobil nacházet.

No a jsme ve finále: geografický software v TCTV musí mít k dispozici databázi tvarů, velikostí a poloh jednotlivých dílů a po obdržení informace o který díl jde již "pouze" zobrazí předem definovanou plochu příslušného dílu.

Závěr: S ohledem na technické možnosti může mít navržený systém poměrně slušnou potenciální přesnost (tj, relativně malé díly - odhadem 40 - 100 km čtverečních, tj. asi 1/10 plochy teoreticky "pokrytelné" jednou BTSkou). Druhou stránkou mince je ovšem "ne stoprocentní" úspěšnost určení polohy. Úspěšnost a velikost dílů jsou spojené nádoby: čím větší má být úspěšnost určení polohy, tím větší by musel díl být: bráno ad absurdum - pokud bychom v extrémním případě považovali celou ČR za jediný díl, bude úspěšnost určení polohy ("někde v ČR") prakticky 100% (s výjimkou přesahů z okolních států), ovšem za cenu poněkud nepraktické velikosti dílu. Čím víc budeme území "drobit" a zvyšovat potenciální přesnost, tím častěji bude na druhé straně docházet k chybám v lokalizaci.

Nalezení vhodného kompromisu bude zřejmě nějakou dobu trvat a cílový stav by se měl pohybovat kolem 90% úspěšně lokalizovaných volání. Optimista by řekl, že naprostá většina volání by tedy měla být lokalizována do správného území, z pohledu pesimisty to ale znamená, že i v cílovém stavu může být plných 10% volání lokalizováno chybně.

Jen pro zajimavost opakuji, že každý z našich operátorů zvolil jinou metodu definice dílů, stejně jako nedošlo k dohodě v metodice kódování pro přenos na operační střediska. Z toho plyne, že software v operačním středisku musí "umět" tři různé protokoly pro přenos a mít k dipozici tři různé mapy dílů, a v neposlední řadě je třeba počítat s tím, že velikost dílů i "průměrná" úspěšnost určení polohy může být u různých operátorů diametrálně odlišná.

 

Poznámky: 

Existují i další, techniky sofistikované metody lokalizace a odposlechu mobilních stanic (a vysílaček obecně), u kterých lze docílit velmi přesného zaměření stanice (v řádu jednotek či desítek metrů). Tyto metody ovšem vyžadují zcela speciální technické vybavení, nasazené v konkrétním čase na konkrétním místě. Jejich využití pro obecné zjištění polohy MT v síti není v současné době technicky reálné. 

Alespoň trochu spolehlivé a přijatelně přesné určení polohy v síti NMT (Eurotel TiP) prostředky sítě jako takové je v podstatě technicky nemožné - jde o analogovou síť, kdy základnové stanice a terminály (MT) mohou komunikovat (a také komunikují) na vzdálenost desítek, výjimečně až stovek kilometrů bez možnosti bližšího určení vzájemné polohy základnové a mobilní stanice.

A na závěr: omlouvám se všem skutečným znalcům mobilních sítí za brutální zjednodušení, jichž jsem se zde - doufám že ku prospěchu věci a našich čtenářů - drze dopustil.

Dr.Ondřej Franěk

Relevantní odkazy

http://mobil.idnes.cz/mobilni_komunikace/mobilni_technologie/GSM/princip.html

http://mobil.idnes.cz/mobilni_komunikace/mobilni_technologie/GSM/lokalizace.html

http://mobil.idnes.cz/mobilni_komunikace/mobilni_technologie/lbstechnologie010720.html

http://www.fcc.gov/911/enhanced/releases/aerial.pdf

http://europa.eu.int/comm/environment/civil/pdfdocs/cgaliesfinalreportv1_0.pdf

http://europa.eu.int/information_society/programmes/esafety/doc/final_report_helios_112.pdf

 

_______________ (c) Ondřej Franěk, www.zachrannasluzba.cz _______________