scouting sui metodi di localizzazione

R/R-PR
METODI DI LOCALIZZAZIONE
Analisi tecnica delle metodologie di localizzazione applicabili nel
sistema GSM e stima dei costi
VERSIONE 2
21 luglio 1999

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SOMMARIO
1 INTRODUZIONE ..................................................................................................................................................4
2 LO STANDARD ETSI ...........................................................................................................................................6
3 CI+TA (CELL IDENTITY + TIMING ADVANCE)............................................................................................10
3.1 Principio di funzionamento...........................................................................................................................10
3.2 Accuratezza raggiungibile ............................................................................................................................10
3.3 Applicazione in ambito GSM ........................................................................................................................11
3.4 Tempi di calcolo della posizione...................................................................................................................12
3.5 Impatto sulla rete..........................................................................................................................................12
3.6 Impatto sui terminali mobili..........................................................................................................................13
3.7 Cenni sul dimensionamento..........................................................................................................................13
3.8 Fornitori, disponibilità e costi ......................................................................................................................13
4 U-TOA (UPLINK - TIME OF ARRIVAL)...........................................................................................................16
4.5.1 BTS ed LMU ..........................................................................................................................................................22
4.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR ...........................................................................................................................................23
4.5.3 MLC .......................................................................................................................................................................23
5 E-OTD (ENHANCED – OBSERVED TIME DIFFERENCE) .............................................................................27
5.1.1 Approccio con le iperboli........................................................................................................................................27
5.1.2 Approccio con le circonferenze ..............................................................................................................................31
5.4.1 Versione ETSI ........................................................................................................................................................38
5.4.2 Versione CPS..........................................................................................................................................................38
5.5.1 BTS ed LMU ..........................................................................................................................................................39
5.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR ...........................................................................................................................................40
5.5.3 MLC .......................................................................................................................................................................40
5.8.1 Infrastrutture ...........................................................................................................................................................41
5.8.2 Terminale mobile....................................................................................................................................................43
6 GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM).........................................................................................................44
6.1.1 GPS base.................................................................................................................................................................45
6.1.2 GPS differenziale (DGPS) ......................................................................................................................................47
6.1.3 Fase di start e GPS Network Assisted.....................................................................................................................48
6.3.1 Versione ETSI ........................................................................................................................................................53
6.3.2 Versione non ETSI..................................................................................................................................................55
6.5.1 BTS, LMU e GPS di riferimento ............................................................................................................................57
6.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR, MLC.................................................................................................................................57
6.8 Fornitori, disponibilita’ e costi.....................................................................................................................59
6.8.1 Infrastrutture ...........................................................................................................................................................59
6.8.2 Terminale mobile....................................................................................................................................................62
7 STK (SIM TOOL KIT) .........................................................................................................................................64

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7.8.1 Infrastrutture ...........................................................................................................................................................69
7.8.2 Terminale Mobile ...................................................................................................................................................69
8 AOA (ANGLE OF ARRIVAL) ............................................................................................................................71
8.5.1 BTS ed LMU ..........................................................................................................................................................73
8.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR, MLC.................................................................................................................................74
9 COMPARAZIONI TRA I VARI METODI DI LOCALIZZAZIONE ..................................................................76

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1 INTRODUZIONE
I metodi analizzati nel presente documento, in relazione all’applicazione in ambito GSM, sono i
seguenti:
CI + TA (Cell Identity + Timing Advance)
Il metodo utilizza, oltre all’identità della cella (CI) sotto cui è “accampato” il mobile, anche la misura
del tempo che il segnale radio impiega nel propagarsi tra la stazione radio ed il mobile (TA).
U-TOA (Uplink - Time Of Arrival)
Il mobile viene indotto ad effettuare un handover intracella; durante tale procedura elementi di rete
specifici denominati LMU (Location Measurement Unit), dislocati in almeno tre punti geografici
distinti, misurano i tempi di arrivo del segnale emesso dal mobile. La posizione del mobile è
determinata con metodi di trilaterazione iperbolica.
E-OTD (Enhanced – Observed Time Difference)
Il mobile osserva i tempi di arrivo del segnale emesso da almeno tre stazioni radio circostanti.
Anche in questo caso è possibile risalire alla posizione del mobile con metodi di trilaterazione
iperbolica.
GPS (Global Positionig System)
Il metodo presuppone l’utilizzo di un ricevitore GPS incorporato o comunque collegato al terminale
mobile. La posizione si ottiene dalla misura delle distanze da almeno tre satelliti GPS (quattro se
occorre anche la quota). Accuratezze elevate possono essere raggiunte se si utilizza il GPS
differenziale (DGPS); in questo caso la posizione del mobile è affinata sulla base di comparazioni
con le misure effettuate da ricevitori GPS di riferimento opportunamente distribuiti sul territorio.
STK (SIM Tool Kit)
In questo metodo si utilizzano le informazioni ottenibili direttamente dal terminale mobile via SIM
Tool Kit (identità della cella servente e, se possibile, livello del segnale della cella servente e
identità e livelli dei segnali delle celle adiacenti).
AOA (Angle Of Arrival)
Elementi di rete specifici misurano la direzione da cui arriva il segnale trasmesso dal mobile. La
posizione si ottiene dall’intersezione di almeno due rette così determinate.

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Nel seguito di questo documento si fornirà per ciascuno di questi metodi una descrizione del
principio di funzionamento, le accuratezze raggiungibili determinate sulla base di simulazioni e/o
prove sperimentali, l’applicazione in ambito GSM, una stima dei tempi necessari per il calcolo di
una posizione, l’impatto sulla rete GSM TIM e sui terminali mobili, un cenno sul dimensionamento
ed una lista di possibili fornitori completa, quando possibile, di un’indicazione sulla disponibilità
delle tecnologie proposte e sui costi relativi.
Le tecniche CI+TA, U-TOA, E-OTD e GPS sono in corso di standardizzazione in ambito
ETSI/SMG. In particolare a giugno 1999 è stata completata la prima fase di standardizzazione
(LCS fase 1) che riguarda solo le prime due tecniche (CI+TA e U-TOA). Entro novembre ‘99 sarà
completata anche la standardizzazione dell’E-OTD e del GPS (LCS fase 2). Successivamente sarà
avviata una terza fase di standardizzazione (LCS fase 3) che prevede l’integrazione dei servizi di
localizzazione con il GPRS ed il CAMEL.

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2 LO STANDARD ETSI
Lo standard ETSI (LCS fase 1) introduce due nuovi elementi nell’architettura della rete GSM:
- MLC (Mobile Location Center): presiede a tutte le funzioni che supportano il servizio di
localizzazione (LCS, Location Services); amministra le risorse che servono per effettuare la
localizzazione e calcola la posizione del mobile nonché l’accuratezza della stessa. Si
interfaccia tramite MSC e BSS con un gruppo di unità LMU (Location Measurement Unit)
dalle quali raccoglie i dati necessari per effettuare i calcoli. Sempre tramite MSC si
interfaccia con le Applicazioni (LA, Location Application) che utilizzano le informazioni di
localizzazione per fornire un determinato servizio. L’MLC che si interfaccia con l’LA può
essere distinto da quello che effettua i calcoli; in tal caso il primo fa da Gateway (GMLC) ed
il secondo da Serving (SMLC). GMLC e SMLC si interfacciano via MSC. L’MLC inoltre si
interfaccia direttamente (in qualità di GMLC) anche con l’HLR. In una rete possono essere
presenti uno o più GMLC ed uno o più SMLC.
- LMU (Location Measurement Unit): le unità LMU eseguono le misure necessarie per
effettuare il calcolo della posizione. Il tipo di misura effettuato dipende dal metodo di
localizzazione utilizzato. L’unità LMU si connette alla rete PLMN via radio come un normale
terminale mobile. Tali unità hanno un proprio IMSI ed un profilo di utenza registrato
nell’HLR e supportano tutte le funzioni radio e di mobilità necessarie. Il numero di LMU
necessari è dipendente dal metodo di localizzazione utilizzato.
MSC
VLRMS BSS
HLR
Serving
MLC
Gateway
MLC
External
LA
Ls
LeLg
Lg
Lh
Gateway
MLC
Other PLMN
LMU
Lm

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Con Lm, Ls, etc.. sono indicate le varie interfacce introdotte nello standard ai fini della
localizzazione.
L’MLC comunica con le unità LMU e con l’MSC utilizzando i normali canali di segnalazione GSM.
In particolare comunica con le unità LMU tramite messaggi DTAP e con l’MSC tramite messaggi
MAP. Si ricorda che i messaggi DTAP sono completamente trasparenti al BSS (BSC +BTS).
Lo standard assume che il metodo di localizzazione di base sia il CI + TA. In aggiunta a tale
metodo può essere utilizzato l’U-TOA, l’E-OTD o il GPS. Il calcolo della posizione è sempre
effettuato sul lato rete (MLC).
Sono indicate tre possibili procedure per attuare la localizzazione di un terminale mobile:
- Mobile Terminating Location Request (MT-LR):
1) Una LA richiede al GMLC la localizzazione di un determinato terminale mobile.
2) Il GMLC interroga l’HLR per sapere sotto quale MSC/VLR è registrato il mobile e per
controllare se l’LA è autorizzata a richiederne la localizzazione.
3) Il GMLC, ricevuto l’OK dall’HLR e l’indirizzo dell’MSC/VLR, si mette in contatto con
quest’ultimo passandogli l’IMSI del terminale mobile da localizzare più altre informazioni
correlate alla qualità del servizio richiesto (es.: accuratezza).
4) L’MSC/VLR controlla l’eventuale presenza di restrizioni al servizio di localizzazione nel
profilo del terminale mobile.
5) Se è tutto OK ed il terminale è in stato di idle, viene attivata una chiamata fittizia (call
positioning) al terminale mobile che così è forzato a fornire indietro l’informazione relativa
all’identità della cella (CI) in cui si trova ed il BSS è forzato a misurare il TA (Timing
Advance). Se il terminale è già connesso (dedicated mode) l’MSC/VLR richiede l’identità
della cella ed il TA direttamente al BSC sotto cui è accampato il terminale mobile.
6) L’MSC/VLR invia al SMLC un messaggio che avvia la procedura che serve per stabilire la
posizione del mobile. Tale messaggio include il CI, il TA e le informazioni correlate alla
qualità del servizio richiesto.
7) Se il CI ed il TA sono sufficienti per calcolare la posizione con l’accuratezza richiesta, la
procedura si completa con l’invio dall’SMLC all’LA (via MSC/VLR e GMLC)
dell’informazione di localizzazione. In caso contrario l’SMLC avvia la parte di procedura di

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localizzazione specializzata per il metodo scelto (la procedura varia a seconda del metodo
di localizzazione impiegato: U-TOA, E-OTD o GPS. Per i dettagli su tali procedure si
vedano le sezioni corrispondenti).
8) L’SMLC riceve i risultati delle misure ed effettua i calcoli. Infine invia il risultato all’LA (via
MSC/VLR e GMLC).
- Mobile Originating Location Request (MO-LR)
In questo caso la richiesta di localizzazione è effettuata dal mobile. La richiesta perviene
all’MSC/VLR e la procedura risulta identica a quella precedente a partire dal punto 4 in poi
ad eccezione del fatto che il risultato della localizzazione è inviato al mobile e non ad una
LA (in altre parole l’LA è residente sullo stesso terminale mobile).
- Network Induced Location Request (NI-LR)
Anche in questo caso la richiesta di localizzazione è effettuata dal mobile per motivi di
emergenza. La procedura risulta simile a quella attuata per l’MO-LR ad eccezione del fatto
che non vengono attuati controlli di nessun genere (in particolare il mobile può essere
identificato anche solo con l’IMEI) ed il risultato della localizzazione è inviato all’LA che
gestisce le chiamate di emergenza.
L’architettura sopra descritta è denominata Network Based ed è supportata principalmente da
Ericsson. Recentemente in ambito T1P1.5 (gruppo di standardizzazione USA collegato all’ETSI),
su proposta della Nokia e con il supporto di Motorola è stato avviato il lavoro di definizione di un
altro tipo di architettura, denominata BSS Based, alternativa alla Network Based.
L’architettura BSS based prevede la connessione dell’MLC al BSC tramite un’interfaccia da
standardizzare, mentre l’LMU diventa parte della BTS. L’LMU comunica con l’MLC tramite le
connessioni O&M della BTS e con il BSC tramite messaggi di Radio Resource. Opzionalmente
l’LMU potrebbe connettersi alla BTS via radio come nel caso Network Based.
Gli MLC sono collegati tra loro tramite interfacce logiche o fisiche, anch’esse da standardizzare.
Anche in questa architettura permane la necessità di un MLC avente le funzioni di gateway verso
applicazioni esterne, in modo del tutto simile a quanto già visto per l’architettura Network Based.

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MSC
VLR
MS
BSC
HLR
Serving
MLC
Gateway
MLC
External
LA
LeLg
Lg
Lh
Gateway
MLC
Other PLMN
LMU
Lm
MLC
BTS
LMU
BTS
Il principale vantaggio che offre l’architettura BSS Based rispetto alla Network Based
consisterebbe in una drastica riduzione del carico di segnalazione imputabile alle procedure di
localizzazione sull’interfaccia A (BSC-MSC).
Nel seguito di questo documento se non altrimenti detto, si farà riferimento all’architettura Nertwork
Based.

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3 CI+TA (CELL IDENTITY + TIMING ADVANCE)
3.1 Principio di funzionamento
Nell’ambito del GSM per Timing Advance si intende l’avanzamento temporale (anticipo o ritardo)
con cui il mobile deve iniziare la trasmissione del burst all’interno dello slot temporale, per tenere
conto della sua distanza dalla BTS.
All’accensione, il mobile si aggancia su una cella e riceve da essa le informazioni che ne
permettono la sincronizzazione temporale (canale logico SCH).
Quando il mobile accede alla rete invia un Access Burst. Quest’ultimo è inviato dal mobile al
momento della ricezione dell’SCH ed è ricevuto dalla BTS con un ritardo pari al tempo necessario
al segnale per percorrere la distanza mobile-BTS. La BTS misura il ritardo rispetto all’SCH inviato;
questo valore prende il nome di Timing Advance e, opportunamente codificato con una sequenza
di bit, viene trasmesso al mobile che lo utilizza per sincronizzare nel tempo le sue successive
trasmissioni. La metà del Timing Advance rappresenta il tempo che il segnale impiega a percorrere
la tratta MS-BTS. Detto TA questo valore, la distanza D tra mobile e BTS è data quindi da:
D = v TA / 2
dove v è la velocità di propagazione del segnale.
Conoscendo l’identità della cella (e le coordinate della BTS) sotto cui è accampato un mobile ed il
valore di Timing Advance, è possibile individuare la posizione del mobile come un punto di una
circonferenza (se la cella è omnidirezionale) o di una sezione di una circonferenza (se la cella è
settoriale) con centro coincidente con la BTS e raggio pari a D.
3.2 Accuratezza raggiungibile
Il Timing Advance si misura in numero di tempi di bit intercorsi tra l’invio dell’SCH e la ricezione
dell’access burst. L’incertezza della misura è quindi pari al tempo equivalente di un bit.

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Dato che il tempo di un bit è pari a 3,69 s , lo spazio B percorso in un periodo di bit è dato da:
B = 3,69 10-6
3 108
= 1100 metri
B rappresenta l’incertezza sulla doppia tratta BTS-MS-BTS. Pertanto basta dividere per due per
avere l’incertezza sulla tratta BTS-MS. L’accuratezza raggiungibile nella direzione radiale è quindi
nel caso peggiore pari a 550 metri.
Dato che non si ha nessuna informazione sulla direzione in cui si trova il terminale mobile, si
conclude che l’accuratezza raggiungibile è corrispondente ad una corona circolare (nel caso di
celle omnidirezionali) o sezioni di corona circolare (nel caso di celle settoriali) di ampiezza pari a
550 metri.
E’ ovvio che se il raggio della cella è inferiore a 550 metri oppure per qualche motivo non è
disponibile l’informazione relativa al TA, l’accuratezza coincide con la dimensione della stessa
cella.
3.3 Applicazione in ambito GSM
Come già detto, lo standard ETSI introduce un nuovo elemento della rete denominato MLC (Mobile
Location Center). Non sono necessarie le unità denominate LMU (Location Measurement Unit).
CI CI+TA
Accuracy depending
on max cell radius and
sector size. Ranging
from below 100 m up to
35 km
Accuracy depending
on distance from base
station and the sector size.
The depth of the arc
depending on TA measur.
step.

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Sia le funzioni dell’MLC sia la procedura di localizzazione sono già state descritte nella sezione
“Standard ETSI”.
3.4 Tempi di calcolo della posizione
Se il mobile è in stato di idle è necessario che la rete effettui una chiamata fittizia al mobile (call
positioning) affinché sia possibile identificare la cella dove è accampato il mobile ed effettuare la
misura del TA. La call positionig richiede circa 1 secondo.
Se il mobile è in stato dedicated, le informazione del CI e del TA sono già presenti nel BSC,
pertanto devono solo essere prelevate dall’MLC; il tempo necessario per prelevare queste
informazioni è trascurabile.
Anche il tempo che impiega l’MLC a calcolare la posizione del mobile è estremamente ridotto
(inferiore a ½ secondo). Complessivamente si stima un tempo inferiore ai 2 secondi per rilevare la
posizione di un mobile.
3.5 Impatto sulla rete
Non vi è alcun impatto sulla BTS.
Si richiedono modifiche di tipo software sul BSC, MSC/VLR e HLR.
L’MLC deve essere dotato di un data base in cui siano contenute le informazioni relative alla
posizione geografica delle BTS con le relative identità di cella. Per ciascuna cella dovrebbe anche
essere specificato se si tratta di cella settoriale (con relativa ampiezza del settore) o
omnidirezionale e la dimensione nominale della cella. E’ opportuno che l’MLC sia collegato al Data
Base di Rete ai fini di automatizzare quanto più possibile l’inserimento/aggiornamento dei dati
relativi alle celle.

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3.6 Impatto sui terminali mobili
Nessuno
3.7 Cenni sul dimensionamento
L’MLC è sostanzialmente un server multiprocessore che va collocato tipicamente presso l’MSC. La
capacità di calcolo, misurabile in numero di posizioni al secondo, può essere aumentata nel tempo
aggiungendo nuovi moduli. L’MLC proposto da Ericsson è in grado di calcolare 30 posizioni al
secondo nella sua configurazione base.
3.8 Fornitori, disponibilità e costi
L’introduzione del sistema di localizzazione basato su CI+TA a standard ETSI implica
l’aggiornamento del SW di alcuni elementi della rete GSM. E’ quindi d’obbligo richiedere a
Ericsson ed ad Italtel il rilascio degli aggiornamenti SW necessari per gli apparati da loro forniti
(MSC/VLR, HLR, BSC per Ericsson e solo BSC per Italtel).
L’MLC potrebbe teoricamente essere acquisito da fornitori diversi da Ericsson in quanto l’ETSI
standardizza l’interfaccia tra MSC ed MLC.
Il sistema proposto da Ericsson prende il nome di MPS (Mobile Positioning System); l’offerta
include l’aggiornamento SW degli elementi della rete e l’MLC (qui chiamato MPC: Mobile
Positioning System). Attualmente è già disponibile la release 2.0 dell’MPS (collegata alla release
CM20 R7). Tale release non è però a standard ETSI (con particolare riferimento all’aggiornamento
software degli elementi di rete), quindi non è compatibile con la tecnologia Italtel. In sostanza
l’introduzione in rete dell’MPS 2.0 consentirebbe un servizio di localizzazione basato su CI+TA
solo nelle aree in tecnologia Ericsson. A metà del 2000 sarà invece disponibile la release MPS 3.0
(collegata alla release CM20 R8) che recepirà completamente lo standard ETSI.

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Per quanto riguarda Italtel/Siemens, ancora non vi è una proposta ben delineata. A fine 2000
dovrebbe comunque essere disponibile l’aggiornamento SW del BSC come parte integrante della
release BR 6.0. Probabilmente per questa data Italtel/Siemens potrà offrire anche un MLC.
Ovviamente le modifiche SW sul BSC Italtel risulterebbero utili solo se attuate insieme
all’aggiornamento SW degli elementi di rete da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0. In
altre parole per consentire il funzionamento della metodologia CI+TA in qualsiasi regione è
necessario che vi sia un rigoroso allineamento allo standard ETSI sia del BSC, sia dell’MSC/VLR e
dell’HLR. Tale considerazione vale anche nel caso in cui si optasse per acquisire un MLC di marca
Italtel/Siemens o anche di qualsiasi altra marca diversa da Ericsson
FORNITORI DISPONIBILITÀ’ COSTI
(Lire)
ERICSSON Soluzione di marca già
disponibile (MPS 2.0 / R7)
Soluzione a standard ETSI
(MPS 3.0 / R8): metà 2000
Aggiorn. SW (BSC, MSC/VLR,
HLR) + MLC = 7,3 miliardi
[Nota 1]
ITALTEL/SIEMENS Fine 2000 (release BR 6.0) Aggiorn. SW (BSC) = 0,5 miliardi
[Nota 2]
MLC = ?
Nota 1: L’offerta è relativa alla sola MPS 2.0 ed è così composta:
1) Prezzo di release: 300.000.000
2) HW MPC: 170.000.000
3) Installazione HW MPC: 78.000.000
4) Installazione SW MPS: 470.000.000
(per 188 nodi di rete)
5) Commissioning sui nodi di rete: 470.000.000
6) Front up free: 5.800.000.000
TOTALE: 7,288 miliardi
Ericsson propone in alternativa al prezzo fisso un modello “pay per grow” il cui
scopo è quello di avere una condivisione iniziale dei rischi tra Ericsson e TIM. Il
costo del sistema alla fine della curva di crescita sarà più elevato rispetto al modello
a prezzo fisso.

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Il modello pay per grow si compone di un costo fisso rappresentato dalle voci da 1 a
5 viste precedentemente (1,488 miliardi complessivi) più un costo variabile, da
pagare annualmente, descritto come segue:
Licenza annuale variabile: 3.000 lire per utente posizionato almeno una volta
nell’anno
Licenza variabile (PAYG): 500 lire per singolo posizionamento
La PAYG in realtà prevede un decremento del prezzo unitario all’aumentare del
numero di posizionamenti, fino a raggiungere il valore nullo. La soglia oltre la quale
si annulla il valore non è stata ancora determinata da Ericsson.
Non tenendo conto del decremento di PAYG, se ad esempio in un anno sono stati
posizionati almeno una volta 500.000 utenti ed il numero di posizionamenti calcolati
in un anno per utente è stato in media pari a 52, il costo annuale sarebbe pari a 13
miliardi.
Per quanto riguarda la release MPS 3.0, il costo non è ancora stato reso noto ma
dovrebbe differire di poco rispetto alla release MPS 2.0 e solo per quanto riguarda il
prezzo di release.
Nota 2: Italtel non ha ancora presentato un’offerta ma si ritiene che il costo
dell’aggiornamento SW dei BSC non dovrebbe superare i 500 milioni.

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4 U-TOA (UPLINK - TIME OF ARRIVAL)
Il terminale mobile (MS) trasmette un segnale in un certo istante to. Questo segnale è ricevuto da
apposite unità di misura (in ambito ETSI denominate LMU = Location Mobile Unit) in istanti
differenti (nell’esempio: t1, t2 e t3). Si assume che tali unità facciano riferimento alla stessa base
temporale.
Indicando con d1 e d2 rispettivamente le distanze tra le unità LMU(1) e LMU(2) ed il mobile, si ha:
d1 = v (t1-to)
d2 = v (t2-to)
dove v è la velocità con cui si propaga il segnale. Sottraendo membro a membro si ha:
d1-d2 = v (t1-t2)
Questa relazione rappresenta un’iperbole i cui fuochi coincidono con LMU(1) ed LMU(2). Il punto in
cui si trova il terminale mobile si trova su un ramo dell’iperbole.
Teoricamente per definire con esattezza dove si trova il punto è sufficiente costruire un’altra
iperbole sfruttando la misura effettuata da una terza unità, indicata nella figura come LMU(3). Ad
esempio si può costruire l’iperbole:
LMU
(1)
LMU
(2)
LMU
(3)
MS
t1
t2
t3
to
LMU=Location Measurement Unit
MS=Mobile Station

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d1-d3 = v (t1-t3)
Nelle due relazioni rappresentanti le iperboli si ha che:
 v è noto
 t1, t2 e t3 sono misurati rispettivamente da LMU(1), LMU(2) ed LMU(3)
 di = [(xi - x)2
+ (yi – y)2
]1/2
dove xi, yi sono le coordinate (note) di LMU(i) ed x, y le
coordinate (incognite) del mobile
Le due iperboli così ottenute si intersecano in un punto che individua la posizione del terminale
mobile.
L’accuratezza è legata principalmente alla presenza del multipath. Altri fattori importanti sono:
- precisione dei punti in cui sono collocate le unità LMU, ossia precisione delle coordinate xi,
yi. E’ sufficiente che l’accuratezza di xi, yi sia nell’ordine del metro.
- sincronizzazione tra gli orologi delle unità LMU. Tale sincronizzazione si può ottenere ad
esempio dotando ogni LMU di un ricevitore GPS di basso costo. In questo caso la
differenza dei tempi di arrivo del segnale trasmesso dal mobile verso due LMU è affetto da
un errore valutabile in circa 100 ns (deviazione standard).
- disposizione delle unità LMU rispetto al mobile da localizzare. Il caso ideale è la
distribuzione uniforme di tali LMU in tutte le direzioni possibili rispetto al mobile.
Nell’ambito del gruppo T1P1.5 sono state eseguite una serie di simulazioni a cura di Ericsson che
hanno fornito i seguenti risultati:
Tabella 1
Environment MS
speed
[km/h]
Perc. At
125m [%]
Error at
67% [m]
Error at
90% [m]
RMSE of
90% [m]
(*)
Number of
LMU
Bad Urban 3 22
34
47
>500
242
180
>500
475
361
460
212
156
3
5
7

18/85
Bad Urban 50 30
50
60
477
202
153
>500
404
328
438
166
132
3
5
7
Urban A 3 51
79
85
221
97
83
>500
173
139
238
82
70
3
5
7
Urban A 50 59
86
91
181
79
60
>500
146
113
192
66
53
3
5
7
Urban B 3 64
95
98
133
56
43
313
88
67
114
45
35
3
5
7
Urban B 50 76
97
98
89
40
29
270
74
57
88
34
25
3
5
7
Suburban 3 80
99
99
93
49
40
225
75
61
85
40
33
3
5
7
Suburban 50 83
99
99
82
42
31
178
69
53
75
35
27
3
5
7
Rural 3 81
99
99
80
36
30
205
61
52
72
30
25
3
5
7
Rural 100 87
99
99
63
29
24
146
50
36
54
24
19
3
5
7
Urban A (Indoor) 3 46
77
87
238
98
88
>500
194
152
259
87
71
3
5
7
Urban B (Indoor) 3 64
94
96
138
54
45
356
95
85
129
46
39
3
5
7
Suburban (Indoor) 3 75
98
98
100
55
41
341
94
64
101
46
33
3
5
7
(*) Il criterio “RMSE of 90%” valuta l’RMS relativo al 90% delle misure (si scartano le misure
peggiori fino alla quota parte del 10% del totale delle misure effettuate).
La tabella sopra riportata si riferisce al caso di reti GSM 900 in cui è attivo la Discontinuous
Transmission (DTX), il Power Control in uplink ed il Frequency Hopping (FH) su 4 frequenze.
Inoltre si è assunto una LMU per ogni sito radio, l’utilizzo della diversità di spazio in ricezione (LMU

19/85
con due antenne Rx), la conoscenza esatta della posizione delle LMU e la perfetta
sincronizzazione di questi ultimi. Infine non si sono considerati effetti di cattiva disposizione delle
LMU rispetto al mobile. Il numero di burst inviati dal mobile è pari a 70 (si veda più avanti).
Lo scenario Urban A si riferisce ad un ambiente urbano denso mentre lo scenario Urban B si
riferisce ad un ambiente urbano tipico.
Le distanze tra le unità LMU considerate nella simulazione sono date nella seguente tabella:
Tabella 2
Environment
Distance Between
LMU [m]
Bad Urban 1500
Urban A 1500
Urban B 1500
Suburban 4500
Rural 30000
Indoor Urban A 1500
Indoor Urban B 1500
Indoor Suburban 4500
Ericsson ha effettuato un ulteriore simulazione in cui si è assunto una unità LMU ogni 4 siti radio, i
cui risultati sono mostrati nella seguente tabella:
Tabella 3
Environment Error at 67% [m]
Urban A 225
Urban B 118
Suburban 79
Rural 40
I risultati riportati sono attinenti solo il caso di un MS a 3 km/h e 5 LMU coinvolte nelle misure.
Inoltre è stata considerata una distanza tra le stazioni come dalla seguente tabella:

20/85
Tabella 4
Environment Distance
(m)
Urban A 700
Urban B 1000
Suburban 1500
Rural 5000
Nelle simulazioni si è ipotizzata la perfetta sincronizzazione delle LMU tra di loro. Per ottenere la
sincronizzazione la soluzione migliore è dotare ciascuna LMU di un ricevitore GPS. In questo caso
la differenza dei tempi di arrivo del segnale trasmesso dal mobile verso due LMU è affetto da un
errore valutabile in circa 100 ns (deviazione standard). Ciò corrisponde ad un peggioramento
dell’accuratezza secondo la seguente tabella (si sono presi come valori di riferimento quelli dati in
tabella 2 relativamente al caso di MS a 3 km/h e 5 LMU coinvolte nelle misure):
Tabella 5
Errore nel 67% dei
casi (con perfetta
sincronizzazione)
Errore nel 67% dei casi
(deviazione standard =
100 ns)
Bad Urban 242 m 248 m
Urban A 97 m 103 m
Urban B 56 m 65 m
Suburban 49 m 61 m
Rural 36 m 44 m
Come già detto, lo standard ETSI introduce due nuovi elementi nell’architettura della rete GSM
denominati MLC (Mobile Location Center) ed LMU (Location Measurement Unit).
Le funzioni dell’MLC sono già state illustrate nella sezione “Standard ETSI”.
Per quanto riguarda le unità LMU, nel caso U-TOA hanno il compito di effettuare le misure degli
istanti di arrivo del segnale trasmesso dal terminale mobile che si vuol localizzare. Il numero di

21/85
LMU necessarie è dipendente dal grado di accuratezza che si vuol raggiungere. Ad esempio per
raggiungere le accuratezze indicate nella tabella 1 è necessario prevedere una LMU per ogni sito
radio.
La procedura di localizzazione prevista dall’ETSI nel caso del metodo U-TOA si particolarizza
come segue:
1) L’SMLC chiede al BSC, via MSC/VLR, di forzare il mobile ad effettuare un handover intracell
asincrono (handover positioning: il nuovo canale di traffico da assegnare coincide con il
vecchio canale di traffico). Inoltre indica all’MSC/VLR anche quale trama TDMA deve esser
utilizzata sull’interfaccia radio, quanti handover access burst deve inviare il mobile e dopo
quanto tempo (delta timer) deve essere effettivamente comandato l’handover.
2) L’SMLC decide quali LMU devono mettersi in ascolto del terminale mobile. L’SMLC invia alle
LMU selezionate (via MSC/VLR e BSS) le informazioni necessarie ad effettuare la misura, tra
cui l’istante in cui deve partire l’ascolto del mobile.
3) Allo scadere del delta timer il BSC comanda l’handover al terminale mobile. Nel frattempo le
unità LMU selezionate si preparano a ricevere ed a misurare gli istanti di arrivo degli access
burst trasmessi da quel mobile.
4) A conclusione del processo di handover le unità LMU inviano i dati misurati all’SMLC (via BSS
ed MSC/VLR)
5) L’SMLC effettua i calcoli ed invia il risultato all’LA (via MSC e GMLC). Se la richiesta era
pervenuta dal terminale mobile, il risultato è inviato a quest’ultimo (via MSC e BSS).
Si nota che il processo di handover non viene mai portato a termine, ossia la procedura di
handover si completa sempre con un handover failure. Tal fatto consente al mobile di inviare più
volte l’handover access burst (fino a 70 volte, per una durata complessiva di 320 ms).
I burst sono inviati sullo stesso canale di traffico (che può essere soggetto a Frequency Hopping).
Nel caso in cui il mobile è in stato di idle, come si è detto occorre effettuare prima di tutto una
chiamata allo stesso mobile. Tale chiamata è fittizia ed è trasparente all’utente.
Nel caso di terminali dual-band, se quest’ultimo è in stato di idle, la stessa call positionig lo forza a
connettersi su un canale a 900 MHz; se invece è in stato dedicated su un canale a 1800 MHz, il
comando di handover lo forza a tentare un handover su di un canale a 900 MHz.

22/85
Per quanto riguarda i tempi necessari ad effettuare la localizzazione del mobile (dal momento in
cui arriva la richiesta all’MLC fino al momento in cui è disponibile il risultato finale), si stima un
tempo massimo di circa 4 secondi nel caso di mobile in stato di idle e 3 secondi nel caso in cui il
mobile sia già connesso (dedicated mode).
Si ipotizza che la localizzazione avvenga sempre utilizzando la rete GSM a 900 MHz.
4.5.1 BTS ed LMU
Le unità LMU possono essere collocate in qualsiasi punto della rete essendo completamente
indipendenti dalle BTS. D’altra parte è opportuno collocarli presso le BTS per poter condividere le
antenne Rx già esistenti.
Nel caso di siti radio a tre settori utilizzanti la diversity (2 antenne Rx per settore) è possibile
equipaggiare l’LMU con 6 ricevitori in modo che possa essere connessa a tutte le antenne Rx del
sito. La connessione può avvenire sfruttando output RF supplementari se già presenti nei telai BTS
(esempio: modello BS 60, tecnologia Italtel). In caso non fossero disponibili tali uscite è necessario
introdurre degli splitter.
Come già detto, l’LMU si interfaccia con la rete GSM via radio come se fosse un normale terminale
mobile, pertanto non è prevista alcuna connessione terrestre con la BTS o altri elementi della rete.
Sarebbe comunque opportuno connetere le unità LMU alle BTS ai fini della gestione degli allarmi.
Questa soluzione consentirebbe di utilizzare gli OMC già esistenti anche per la gestione delle unità
LMU.
Le dimensioni delle LMU dovrebbero essere estremamente contenute, anche includendo eventuali
DC-DC converter e ricevitore GPS. La disposizione dell’antenna del ricevitore GPS per questo tipo
di utilizzo non è critica.
Assume invece particolare importanza la conoscenza della posizione precisa (almeno nell’ordine
del metro) della collocazione delle antenne Rx utilizzate dall’LMU per le misure di tempo, nonché
del ritardo che subisce il segnale sul percorso antenna-ricevitore.

23/85
La BTS è del tutto trasparente alla procedura di localizzazione.
4.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR
Non vi sono ulteriori impatti sul BSC oltre a quelli necessari per consentire il reperimento delle
informazioni sul CI (e sul TA) di cui si è già parlato nella sezione dedicata al CI+TA. L’HLR e
l’MSC/VLR sono interessati solo da modifiche di tipo software.
4.5.3 MLC
L’MLC deve essere dotato di un data base in cui siano contenute le informazioni relative alla
posizione geografica delle unità LMU ed alla associazione di queste ultime con le identità di cella
(CI). In tal modo, ogni volta che si richiede il posizionamento di un terminale mobile che si trova in
una certa cella, l’MLC è in grado di decidere quali sono le unità LMU più adatte ad effettuare la
misura.
E’ opportuno che l’MLC sia collegato al Data Base di Rete ai fini di automatizzare quanto più
possibile l’inserimento/aggiornamento dei dati relativi alle celle.
Nessuno
aggiungendo nuovi moduli.

24/85
Per ottenere le accuratezze indicate nella tabella 1 sarebbe necessario prevedere una LMU per
sito radio. In questa ipotesi sarebbero necessarie circa 4500-5000 LMU per la rete TIM. D’altra
parte se fosse accettabile avere accuratezze ad esempio non peggiori di circa 100 metri (67%) su
tutto il territorio, si potrebbero ridurre drasticamente il numero delle unità LMU; infatti nelle aree
rurali o suburbane sarebbe sufficiente una unità LMU ogni 4 siti radio (rif. tabella 3). Ipotizzando
circa il 30% dei siti urbani, ne deriva che per la rete TIM sarebbero necessarie circa 2100-2400
LMU.
L’introduzione del sistema di localizzazione basato su U-TOA a standard ETSI implica che sia
aggiornato il SW degli elementi di rete MSC/VLR, HLR e BSC. Tali aggiornamenti sono coincidenti
con quelli richiesti per l’introduzione del CI+TA. La specificità dell’U-TOA potrebbe inoltre
richiedere un ulteriore aggiornamento di lieve entità a livello di MSC. E’ quindi d’obbligo richiedere
a Ericsson ed ad Italtel il rilascio degli aggiornamenti SW necessari per gli apparati da loro forniti
(MSC/VLR, HLR, BSC per Ericsson e solo BSC per Italtel).
L’MLC potrebbe teoricamente essere acquisito da fornitori diversi da Ericsson in quanto l’ETSI
standardizza l’interfaccia tra MSC ed MLC.
Se si decidesse di introdurre prima il CI+TA e successivamente l’U-TOA, l’MLC acquisito per il
CI+TA potrebbe essere riutilizzato per l’U-TOA, aggiornando opportunamente il SW.
Anche le LMU potrebbero essere teoricamente acquisite da fornitori diversi da Ericsson ed Italtel.
D’altra parte, nell’ipotesi di utilizzare le antenne delle BTS già presenti in campo e di connettere a
queste ultime le unità LMU per l’O&M, è opportuno che tali unità siano acquisite da Ericsson ed
Italtel per le rispettive aree di servizio.
Il sistema proposto da Ericsson inizialmente per il CI+TA (MPS: Mobile Positioning System) sarà
pronto come release 4.0 a metà del 2001, per supportare anche l’U-TOA come da standard ETSI.
L’MPS 4.0 (collegato alla release CM20 R9) includerà l’aggiornamento SW degli elementi della
rete e dell’MLC (qui chiamato MPC: Mobile Positioning System) e la fornitura delle unità LMU.
Per quanto riguarda Italtel/Siemens, ancora non vi è una proposta ben delineata. A fine 2000
dovrebbe comunque essere disponibile l’aggiornamento SW del BSC (necessario per il CI+TA)

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come parte integrante della release BR 6.0. Probabilmente per questa data Italtel/Siemens potrà
offrire anche l’MLC e le unità LMU.
Ovviamente le modifiche SW sul BSC Italtel risulterebbero utili solo a valle dell’aggiornamento SW
degli elementi di rete da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0. In altre parole per
consentire il funzionamento delle metodologie CI+TA e U-TOA in qualsiasi regione è necessario
che vi sia un rigoroso allineamento allo standard ETSI sia del BSC, sia dell’MSC/VLR e dell’HLR.
Tale considerazione vale anche nel caso in cui si optasse per acquisire MLC e/o LMU solo di
marca Italtel/Siemens o anche di qualsiasi altra marca diversa da Ericsson
Oltre ad Ericsson ed Italtel/Siemens, è stato contattata anche SigmaOne (USA - California). Tale
società offre un sistema di localizzazione, denominato 5000 basato su U-TOA, da solo oppure in
congiunzione con il metodo AOA (Angle Of Arrival). Per i dettagli sulla metodologia AOA si veda la
sezione dedicata. Il sistema 5000 è in via di sviluppo/sperimentazione per i sistemi radiomobili
AMPS, TDMA e CDMA. Per quanto riguarda il GSM 900, SigmaOne prevede di completarne lo
sviluppo entro la fine del 1999, come da standard ETSI. Anche se questa data fosse affidabile, il
prodotto potrebbe essere utilizzato da TIM soltanto a valle dell’aggiornamento del SW degli
elementi della rete GSM come già evidenziato in precedenza.
Vi sono anche altre società (in particolar modo in USA) che offrono sistemi di localizzazione basati
su U-TOA (si veda la tabella seguente). Ovviamente anche per queste valgono le stesse
considerazioni fatte per SigmaOne.
FORNITORE DISPONIBILITÀ’ COSTI
(lire)
ERICSSON MPS 4.0 (R9): metà 2001 Agg. SW (MSC, MLC) = ?
2400 LMU = ?
ITALTEL/SIEMENS Fine 2000 MLC = ?
2400 LMU < 45,6 miliardi
(1 LMU = 9 – 19 milioni)
[Nota 1]
SIGMAONE 5000 = 4Q 1999 MLC = ?
2400 LMU < 88,8 miliardi
(1 LMU < 37 milioni)
[Nota 2]
TRUEPOSITION 1Q 2000
RADIX TECHNOLOGY 1Q 2000

26/85
Nota 1: La stima fornita per l’LMU da Italtel si riferisce al caso di condivisione delle antenne
Rx già esistenti nei siti radio
Nota 2: La stima fornita da SigmaOne si riferisce ad LMU che integrano sia le funzioni
necessarie per l’U-TOA sia le funzioni ed il sistema di antenne necessarie per l’AOA
(per quest’ultimo si veda la sezione corrispondente). SigmaOne ha comunque
inaspettatamente sottolineato che l’AOA incide solo per circa il 20% sul costo
dell’LMU.

27/85
5 E-OTD (ENHANCED – OBSERVED TIME DIFFERENCE)
5.1.1 Approccio con le iperboli
Con riferimento alla figura si supponga che le stazioni BTS(1) e BTS(2) trasmettano un segnale
negli istanti t1 e t2. Il mobile (MS) deve essere in grado di misurare la differenza tra gli istanti di
arrivo dei due segnali (OTD: Observed Time Difference).
Detta d1 la distanza della BTS(1) dal mobile, si ha.
d1 = v (t1’ – t1)
dove v è la velocità con cui si propaga il segnale.
Affinché sia vera questa relazione è necessario che t1’ e t1 siano misurati secondo la stessa base
temporale; in realtà le basi temporali del mobile e della BTS risultano sfasate di un tempo pari a
t1, pertanto, se t1 è il tempo misurato secondo la base temporale della BTS e t1’ secondo la base
temporale del mobile, la relazione precedente va riscritta, prendendo come riferimento la base
temporale del mobile, come segue:
d1 = v (t1’ – t1 - t1)
Un analoga relazione si può ottenere considerando la BTS(2):
BTS
(1)
BTS
(2)
BTS
(3)
MS
t1
t2
t3
t1’
t2’
t3’ FIGURA 1
BTS=Base Transceiver Station
MS= Mobile Station

28/85
d2 = v (t2’ – t2 - t2)
Sottraendo membro a membro si ha:
d1 – d2 = v (t1’ – t2’) - v (t1+ t1 – t2 - t2)
Se le BTS sono sincronizzate tra loro si ha che t1 = t2 e t1 = t2, ne consegue:
d1- d2 = v (t1’- t2’)
Tale relazione rappresenta un’iperbole i cui fuochi sono coincidenti con le BTS(1) e BTS(2). Il
mobile si trova su un ramo dell’iperbole.
Teoricamente per definire con esattezza dove si trova il punto è sufficiente costruire un’altra
iperbole sfruttando la misure effettuate dal mobile considerando una terza BTS, indicata nella
figura come BTS(3). Si può pertanto costruire, ad esempio, l’iperbole:
d1- d3 = v (t1’-t3’)
Nelle due relazioni rappresentanti le iperboli si ha che:
 v è noto
 le differenze (t1’- t2’) e (t1’- t3’) sono misurate dal mobile
 di = [(xi-x)2
+ (yi – y)2
]1/2
dove xi, yi sono le coordinate (note) di BTS(i) ed x, y le
Le due iperboli così ottenute si intersecano in un punto che individua la posizione del terminale
mobile.
Nel caso in cui le BTS non sono sincronizzate è necessario introdurre nella rete le entità chiamate
LMU (Location Measurement Unit) che hanno il compito di osservare i tempi di trasmissione delle
BTS. La posizione di ciascuna LMU deve essere nota.

29/85
Dato che le BTS non sono sincronizzate risulta t1 # t2; ne consegue:
d1 - d2 = v (t1’ - t2’) – v (t1 + t1 – t2 - t2)
Indichiamo con D1a e D2b rispettivamente le distanze (note) BTS(1)-LMU(a) e BTS(2)-LMU(b).
Ovviamente deve essere:
D1a = v (t1a + ta – t1 - t1)
D2b = v (t2b + tb – t2 - t2)
Con ta e tb si indicano gli sfasamenti temporali tra le basi temporali delle LMU(a) e LMU(b)
rispetto a quella del terminale mobile. Supponendo che le unità LMU siano sincronizzate tra loro si
ha ta = tb. Sottraendo membro a membro si ha:
D1a – D2b = v (t1a – t2b) – v (t1 + t1 - t2 -t2)
da cui si ricava:
t1 + t1 - t2 -t2 = t1a – t2b - (D1a – D2b) / v
e quindi si può scrivere:
d1 – d2 = v (t1’ – t2’) – v (t1a – t2b) + (D1a – D2b)
BTS
(1)
BTS
(2)
t1
t2
t1’ t2’
MS
LMU
(b)
LMU
(a)
t2b
t1a
BTS
(3)
t3’
t3b
t3
FIGURA 2
BTS=Base Trasceivers Station
MS=Mobile Station

30/85
che costituisce ancora un’iperbole. Ovviamente anche in questo caso per trovare la posizione del
mobile è necessario costruire un’altra iperbole sfruttando le misure relative ad una terza BTS ed
all’LMU che la osserva.
Per quanto riguarda le unità LMU, una singola LMU, in dipendenza dalla sua posizione in rete, può
misurare i tempi di arrivo di una o più BTS. Nell’esempio della figura sono state considerate due
unità distinte: LMU(a) misura l’istante di arrivo del segnale trasmesso da BTS(1); LMU(b) misura
gli istanti di arrivo dei segnali trasmessi dalle BTS(2) e BTS(3).
Dato che in generale nel processo di misura della posizione di un mobile sono coinvolte più unità
LMU, è necessario che queste misurino i tempi di arrivo dei segnali trasmessi dalle BTS secondo
la stessa base temporale. In precedenza si è supposto, per semplicità, che le unità LMU siano
sincronizzate tra loro. Se ciò non fosse vero è comunque possibile valutare la differenza tra gli
scostamenti temporali degli orologi tra due unità LMU purché queste ultime “vedano” almeno una
stessa BTS.
Nell’esempio di figura 3, se le LMU non sono sincronizzate, si ha:
d1 – d2 = v (t1’ – t2’) – v (t1a – t2b) – v (ta – tb) + (D1a – D2b)
Nel secondo membro della relazione precedente l’unica grandezza non nota è costituita da (ta –
tb). Per ricavarla si deve fare riferimento alle misure di LMU(a) ed LMU(b) relative alla BTS(3)
“vista” da entrambe:
BTS
(1)
BTS
(2)
t1
t2
t1’ t2’
MS
LMU
(b)
LMU
(a)
t2b
t1a
BTS
(3)
FIGURA 3
BTS=Base Trasceivers Station
MS=Mobile Station
t3
t3a
t3b

31/85
D3a = v (t3a + ta – t3 – t3)
D3b = v (t3b + tb – t3 – t3)
Dove D3a e D3b sono le distanze BTS(3)-LMU(a) e BTS(3)-LMU(b). Con t3 si indica lo
scostamento temporale dell’orologio della BTS(3) rispetto a quello del mobile. Mediante semplici
passaggi si ricava:
ta – tb = (D3a – D3b) / v - (t3a – t3b)
Utilizzando la precedente si può scrivere la seguente:
d1 – d2 = v (t1’ – t2’) – v (t1a – t2b) – (D3a – D3b) + v (t3a – t3b) + (D1a – D2b)
La procedura precedentemente descritta può diventare ancora più complessa se le LMU non
vendono direttamente una stessa BTS ma BTS differenti che a loro volta sono viste da una
ulteriore LMU. Se ne deduce che l’utilizzo di LMU non sincronizzate tra loro richiede un’attenta
pianificazione della dislocazione in campo di tali unità: ciascuna LMU deve vedere un congruo
numero di BTS e ciascuna BTS a sua volta deve essere vista da un congruo numero di LMU.
Si osserva che le misure effettuate dalle unità LMU possono riferirsi a segnali trasmessi dalla BTS
in tempi differenti da quelli misurati dal terminale mobile, purché tale differenza temporale non sia
eccessiva (non più di 2 minuti).
5.1.2 Approccio con le circonferenze
In alternativa alle iperboli è possibile trovare la posizione del mobile come intersezione di
circonferenze. Per brevità, nel seguito si considera solo il caso in cui le BTS non sono
sincronizzate tra loro.
Con riferimento alla figura 2, come già visto la distanza del mobile dalla stazione BTS(1) è data da:
d1 = v (t1’ – t1 - t1)
Analogamente la distanza tra BTS(1) ed LMU(a) è data da:

32/85
D1a = v (t1a+ ta – t1 - t1)
Dalla precedente si ricava:
t1 + t1 = t1a+ ta – D1a / v
Sostituendo nella relazione che fornisce d1 si ha:
d1 = v (t1’ - t1a - ta) + D1a
Questa relazione rappresenta una circonferenza con centro coincidente con la BTS(1). Il mobile si
trova su di un punto della circonferenza.
Si possono scrivere due relazioni analoghe alla precedente considerando la BTS(2) e la BTS(3):
d2 = v (t2’ – t2b - tb) + D2b
d3 = v (t3’ – t3b - tb) + D3b
Assumendo che le unità LMU siano sincronizzate tra loro si ha che ta = tb = . Le tre relazioni
precedenti diventano pertanto:
d1 = v (t1’ - t1a - T) + D1a
d2 = v (t2’ – t2b - T) + D2b
d3 = v (t3’ – t3b - T) + D3b
In queste tre ultime relazioni si ha che:
 v è nota
 t1’, t2’, t3’ sono misurati dal terminale mobile
 t1a, t2b, t3b sono misurati dalle unità LMU
 D1a, D2b, D3b sono noti
 di = [(xi-x)2
+ (yi – y)2
]1/2
dove xi, yi sono le coordinate (note) di BTS(i) ed x, y le
  è incognita

33/85
Le tre relazioni costituiscono un sistema di tre equazioni nelle tre incognite x, y e T. La risoluzione
del sistema consente quindi di trovare il punto in cui si trova il mobile eliminando nel contempo
l’ambiguità temporale.
Nel caso in cui le unità LMU non siano sincronizzate tra loro valgono le stesse considerazioni fatte
per il caso di approccio con le iperboli.
Anche per l’approccio con le circonferenze si osserva che le misure effettuate dalle unità LMU
possono riferirsi a segnali trasmessi dalla BTS in tempi differenti da quelli misurati dal terminale
mobile, purché tale differenza temporale non sia eccessiva (non più di 2 minuti).
L’accuratezza è legata principalmente alla presenza del multipath. Altri fattori importanti sono:
- precisione dei punti in cui sono collocate le BTS e le unità LMU. E’ sufficiente che
l’accuratezza sia nell’ordine del metro.
- sincronizzazione tra gli orologi delle unità LMU. Tale sincronizzazione si può ottenere ad
esempio dotando ogni LMU di un ricevitore GPS di basso costo.
- disposizione delle BTS rispetto al mobile da localizzare. Il caso ideale è la distribuzione
uniforme di tali BTS in tutte le direzioni possibili rispetto al mobile.
Per tale metodologia sono state eseguite nell’ambito del gruppo T1P1.5 una serie di simulazioni da
parte di Ericsson, Motorola, Nokia e Nortel. Nella tabella seguente si forniscono i valori trovati da
Ericsson:
Environment MS speed
[km/h]
Perc. At 125
m [%]
Error at
67% [m]
Error at
90% [m]
RMSE of
90% [m]
(*)
Number
of BS
Bad Urban 3 11
21
22
-
359
310
-
-
-
-
-
-
3
5
7
Bad Urban 50 21
30
32
-
283
234
-
-
-
-
-
-
3
5
7

34/85
Urban A 3 32
54
62
308
159
140
-
320
294
-
138
127
3
5
7
Urban A 50 37
66
72
256
131
110
-
239
193
-
110
95
3
5
7
Urban B 3 52
79
81
185
98
91
-
173
174
417
82
78
3
5
7
Urban B 50 58
89
92
164
78
68
-
131
117
491
65
58
3
5
7
Suburban 3 64
88
91
142
76
70
315
133
121
121
64
58
3
5
7
Suburban 50 83
99
99
65
46
42
200
82
64
66
39
34
3
5
7
Rural 3 77
96
98
96
55
45
202
86
80
82
45
40
3
5
7
Rural 100 88
99
99
54
40
34
156
63
56
51
32
29
3
5
7
Suburban (Indoor) 3 58
87
85
141
78
75
-
139
152
420
66
65
3
5
7
Urban A (Indoor) 3 35
46
50
304
206
192
-
367
364
-
170
162
3
5
7
Urban B (Indoor) 3 50
75
79
202
102
92
461
192
186
181
88
79
3
5
7
La tabella sopra riportata si riferisce al caso di reti GSM 900 in cui le BTS trasmettono in modo
continuo ed alla massima potenza sul canale BCCH. Inoltre si è assunto la conoscenza esatta
della posizione delle BTS e delle LMU e la perfetta sincronizzazione di queste ultime. Infine non si
sono considerati effetti di cattiva disposizione delle BTS rispetto al mobile. Il numero di burst
misurati dal mobile è pari a 10 (si veda più avanti).

35/85
La differenza tra gli scenari indicati come Urban A ed Urban B consiste nel fatto che il primo si
riferisce ad un ambiente urbano denso mentre il secondo si riferisce ad un ambiente urbano tipico.
Le distanze tra le BTS considerate nella simulazione sono date nella seguente tabella:
Environment
Distance Between
LMU [m]
Bad Urban 1500
UrbanA 1500
UrbanB 1500
Suburban 4500
Rural 30000
Indoor UrbanA 1500
Indoor UrbanB 1500
Indoor Suburban 4500
Nella tabella seguente sono forniti i risultati ottenuti da Cambridge Positionig System (CPS - UK)
nel corso di una sperimentazione effettuata nell’area di Cambridge:
Environment Error at
67% [m]
RMSE of
90% [m]
(*)
Urban 103 93
Indoor Urban
(Convent Garden)
68 56
Indoor Urban
(Devonshire Road)
89 75
Indoor Suburban
(Arbury)
76 62
Indoor Suburban
(Cavendish
Laboratory)
137 117
CPS utilizza l’approccio con le circonferenze e non effettua la sincronizzazione delle unità LMU.

36/85
Come già detto, lo standard ETSI introduce due nuovi elementi nell’architettura della rete GSM
denominati MLC (Mobile Location Center) ed LMU (Location Measurement Unit).
Per quanto riguarda le unità LMU, nel caso E-OTD effettuano le misure degli istanti di arrivo del
segnale trasmesso dalle BTS e sono necessarie solo se queste ultime non sono sincronizzate tra
loro.
Ciascuna LMU misura i tempi di arrivo dei segnali provenienti da un certo numero di BTS ben
identificate. L’associazione LMU/BTS deve essere nota all’MLC. Una LMU è tipicamente associata
a 6-7 BTS.
Le misure sono effettuate in modo continuo e vengono memorizzate localmente per un certo
periodo di tempo (nell’ordine di un paio di minuti). Opzionalmente possono essere riportate
periodicamente all’MLC (il periodo può andare da 30 secondi a 2 minuti).
Il numero di LMU necessarie è dipendente dalla distribuzione geografica delle BTS. In media si
deve prevedere una LMU ogni 4 siti radio.
La procedura di localizzazione prevista dall’ETSI nel caso del metodo E-OTD si particolarizza
come segue:
9) l’SMLC chiede al mobile via MSC/VLR e BSS, di avviare la misura dei segnali provenienti
dalle BTS circostanti. I risultati della misura, completi dell’identificativo delle BTS misurate,
sono quindi inviati a ritroso dal mobile all’MLC. Se è il mobile a richiedere la procedura di
localizzazione, contemporaneamente alla richiesta può inviare all’MLC anche i risultati delle
misure effettuate preventivamente; in questo caso la parte di procedura di localizzazione
specializzata per il metodo E-OTD prosegue immediatamente con il punto successivo.
10) L’SMLC identifica quali sono le LMU che osservano le BTS misurate dal mobile e richiede a
tali unità (via MSC/VLR e BSS) i risultati delle misure. Se le misure sono già disponibili
presso l’MLC, la procedura prosegue immediatamente con il punto successivo.

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11) L’SMLC effettua i calcoli ed invia il risultato all’LA (via MSC/VLR e GMLC). Se la richiesta
era pervenuta dal terminale mobile, il risultato è inviato a quest’ultimo (via MSC e BSS).
Il mobile misura i tempi di arrivo dei burst trasmessi dalle BTS circostanti sul canale logico SCH
(sulla portante BCCH). Allo stato attuale dello sviluppo dello standard non è ancora stato definito il
numero di burst da misurare; nelle simulazioni effettuate da Ericsson si sono considerati 10 burst
per BTS che impegnano un tempo complessivo di 0,46 secondi.
Nel caso che il mobile è in stato di idle, come si è detto occorre effettuare prima di tutto una
chiamata allo stesso mobile. Tale chiamata è fittizia ed è trasparente all’utente.
Nel caso di terminali dual-band, l’MLC può richiedere la misura solo delle BTS a 900 MHz oppure
anche quelle relative alle BTS a 1800 MHz. Ovviamente in quest’ultimo caso le unità LMU devono
essere in grado di effettuare le misure anche a 1800 MHz.
Come già detto, nello standard ETSI al momento si assume che sia sempre la rete (MLC) a fare il
calcolo della posizione. D’altra parte il metodo E-OTD si presta anche ad essere utilizzato da
applicazioni che risiedono nel terminale mobile e che richiedono che il calcolo della posizione sia
effettuato direttamente dallo stesso terminale.
In questo caso è necessario che, su richiesta del terminale mobile, la rete invii i dati necessari ad
effettuare il calcolo della posizione. La richiesta del terminale mobile deve indicare quali sono le
BTS misurate dallo stesso mobile. I dati inviati dalla rete in risposta devono includere le coordinate
delle BTS misurate dal mobile, le distanze tra queste BTS e le LMU che le osservano, le misure
effettuate dalle LMU degli istanti di arrivo dei segnali trasmessi dalle BTS. Per quanto riguarda le
coordinate delle BTS, sarebbe opportuno utilizzare una trasmissione cifrata trattandosi di
informazioni riservate. Tale questione è in fase di analisi nell’ambito del gruppo T1P1.5
Ovviamente in questo caso il ruolo dell’MLC si riduce alla sola individuazione delle unità LMU ed
all’invio delle misure effettuate da tali unità al terminale mobile unitamente alle altre informazioni
sopra accennate.
La società CPS sta sperimentando, insieme con Vodafone e AA (Automobile Association) un
sistema di localizzazione, denominato CURSOR, basato sulla metodologia E-OTD ma non
conforme allo standard ETSI. In tale sistema sono individuabili elementi di rete con funzioni del

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tutto simili alle LMU ed all’MLC, con la differenza che MLC ed LMU costituiscono una rete a se
stante indipendente dalla rete GSM. Le LMU si interfacciano con l’MLC tramite collegamenti
terrestri. Il terminale mobile invia le misure all’MLC tramite Short Message. Nella realizzazione
CPS è sempre l’MLC che effettua il calcolo della posizione.
CPS ha dichiarato l’intenzione di aggiornare il suo sistema di localizzazione secondo lo standard
ETSI non appena quest’ultimo sarà definito.
5.4.1 Versione ETSI
Si stima che il tempo massimo necessario ad effettuare la localizzazione del mobile (dal momento
in cui arriva la richiesta all’MLC al momento in cui è disponibile la posizione), sia di circa 4,5
secondi nel caso di mobile in stato di idle e 3 secondi nel caso in cui il mobile sia già connesso
(dedicated mode).
Nel caso di richieste successive di posizionamento, l’intervallo di tempo intercorrente tra due
calcoli è non più grande di circa 3-4 secondi.
I valori sopra indicati si riferiscono al caso in cui il mobile effettua le misure solo su richiesta
dell’MLC. Se invece il mobile è in grado di effettuare le misure in modo continuo, ovviamente
quando arriva la richiesta dall’MLC, tali misure risultano già disponibili facendo risparmiare un
tempo di circa 1-2 secondi
Il tempo si ridurrebbe ulteriormente di circa 1 secondo se le misure effettuate dalle unità LMU
fossero già disponibili presso l’MLC.
Nella migliore delle ipotesi il tempo per effettuare la localizzazione del mobile è quindi pari a circa
1-2 secondi.
5.4.2 Versione CPS
Nel caso CPS il tempo necessario per ottenere la localizzazione del mobile a livello centralizzato è
molto più lungo in quanto il trasporto delle informazioni avviene tramite Short Message. Ad

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esempio se la richiesta di localizzazione parte da una LA esterna, sono necessari due Short
Message: uno da MLC a MS ed uno da MS a MLC. Il tempo impiegato per la localizzazione è
quindi nell’ordine dei 20-30 secondi.
5.5.1 BTS ed LMU
Le unità LMU possono essere collocate in qualsiasi punto della rete essendo completamente
indipendenti dalle BTS.
Come già detto, l’LMU nella versione ETSI si interfaccia con la rete GSM via radio come se fosse
un normale terminale mobile, pertanto non è prevista alcuna connessione terrestre con la BTS o
altri elementi della rete.
Nella versione di CPS le LMU si connettono all’MLC tramite collegamenti terrestri, ad esempio
tramite PSTN, ISDN, etc.
Per fornire il servizio di localizzazione ai mobili dual-band è necessario che le unità LMU siano in
grado di effettuare le misure sia a 900 MHz sia a 1800 MHz.
Le dimensioni delle unità LMU dovrebbero essere estremamente contenute, anche includendo
eventuali DC-DC converter e ricevitore GPS. La disposizione dell’antenna del ricevitore GPS per
questo tipo di utilizzo non è critica.
Assume invece particolare importanza la conoscenza della posizione precisa (nell’ordine del
metro) della collocazione delle BTS e delle unità LMU, nonché del ritardo che subisce il segnale
sul percorso antenna-ricevitore nell’LMU.
La BTS è del tutto trasparente alla procedura di localizzazione.

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5.5.2 BSC, HLR, MSC/VLR
Nella versione ETSI non vi sono ulteriori impatti sul BSC oltre a quelli necessari per consentire il
reperimento delle informazioni sul CI (e sul TA) di cui si è già parlato nella sezione dedicata al
CI+TA. L’HLR e l’MSC/VLR sono interessati solo da modifiche di tipo software.
Nella versione CPS non vi è alcun impatto sugli elementi di rete GSM.
5.5.3 MLC
Sia nella versione ETSI sia nella versione CPS è necessario che l’MLC sia dotato di un data base
in cui siano contenute le informazioni relative alla posizione geografica delle BTS (con associato
anche il CI) e delle unità LMU. Il data base deve inoltre contenere le associazioni tra LMU e BTS
osservate. In tal modo, ogni volta che si richiede il posizionamento di un terminale mobile, l’MLC è
in grado di decidere quali sono le unità LMU da considerare sulla base della conoscenza di quali
BTS sono state misurate dal terminale mobile.
E’ opportuno che l’MLC sia collegato al Data Base di Rete ai fini di automatizzare quanto più
possibile l’inserimento/aggiornamento dei dati relativi alle celle.
Nella versione CPS, l’MLC si collega allo SMSC (Short Message Service Center) tramite
collegamenti standard.
Si richiede l’utilizzo di un software ad hoc sul terminale mobile.

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aggiungendo nuovi moduli. L’MLC proposto da CPS è in grado di calcolare 30 posizioni al secondo
nella configurazione base.
Come già anticipato, è necessario una LMU ogni quattro siti radio. Per la rete TIM sono necessarie
circa 1200 LMU.
5.8.1 Infrastrutture
Al momento solo Cambridge Positionig System (CPS – UK) è grado di offrire in tempi brevi un
sistema di localizzazione, denominato CURSOR, basato su E-OTD, anche se non a standard
ETSI. Come già detto, CPS ha dichiarato che aggiornerà il proprio sistema secondo lo standard
ETSI non appena quest’ultimo sarà definito.
CPS sta attualmente sperimentando il proprio sistema insieme con Vodafone e AA (Automobile
Association). La commercializzazione del sistema è prevista a partire da novembre 1999.
Si nota esplicitamente che un sistema di localizzazione basato su E-OTD secondo lo standard
ETSI potrà essere utilizzato sulla rete TIM solo a valle dell’aggiornamento SW degli elementi di
rete MSC/VLR, HLR e BSC da parte di Ericsson come previsto nell’MPS 3.0 e 4.0 (si veda la
sezione dedicata all’U-TOA) che saranno rilasciate rispettivamente a metà 2000 e metà 2001 e del
BSC Italtel previsto con la release BR 6.0 a fine 2000 (si veda la sezione dedicata al CI+TA).
Oltre a CPS, anche Nokia e Motorola sono intenzionate a realizzare un sistema di localizzazione
basato su E-OTD.
Sia Nokia che Motorola prevedono di utilizzare un’architettura di tipo BSS Based, con la differenza
che Nokia pensa ad una soluzione in cui l’MLC è integrato al BSC mentre Motorola pensa ad un
MLC collegabile al BSC tramite l’apposita interfaccia in corso di standardizzazione. Per quanto
riguarda le LMU, sia Nokia che Motorola prevedono la possibilità di scegliere sia la soluzione
integrata alla BTS sia la soluzione della connessione via radio (similmente al caso di Network
Based).

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La soluzione Nokia non è applicabile alla rete GSM TIM in quanto, come noto, quest’ultima adotta
BSC di marca Ericsson ed Italtel (a parte un piccolo nucleo di rete sperimentale in Trentino Alto
Adige composto da 1 BSC e 7 BTS Nokia).
La soluzione di Motorola è più realistica per un’eventuale applicazione alla rete TIM. Bisogna
comunque tenere presente che anche questa soluzione richiede modifiche software sugli elementi
di rete (BSC, MSC/VLR, HLR). Le modifiche SW, soprattutto quelle relative al BSC, sono differenti
da quelle necessarie nel caso di architettura Network Based. Al momento questo tipo di modifiche
non sono nei piani di Ericsson; pertanto se si decidesse di adottare una soluzione BSS Based sarà
necessario esercitare una notevole pressione su Ericsson per ottenere gli opportuni aggiornamenti
SW degli elementi di rete. Per quanto riguarda Italtel, ancora non ha fornito un’indicazione chiara
su quale è il suo interesse per il metodo E-OTD, né tantomeno se predilige un’architettura,
piuttosto che l’altra.
FORNITORE DISPONIBILITÀ COSTI
(lire)
CPS Novembre 99 MLC = per transazione
1200 LMU = 18,6 miliardi
(1 LMU = 15,5 milioni)
[Nota 1]
Nokia Metà-fine 2001 1200 LMU = 17,2 miliardi
(1 LMU = 14,3 milioni)
[Nota 2]
Motorola Nel corso del 2000
Nota 1: CPS ha proposto un pagamento dell’MLC su base transazione (da stabilire). La
proposta originale di CPS considera LMU in grado di effettuare misure solo a 900
MHz (1 LMU = 2,9 milioni per l’Hw + 6,8 milioni per il Sw + 3,9 milioni per
l’installazione); nella tabella si è riportata direttamente una stima che tiene in conto
l’incremento del costo dovuto alla capacità di effettuare misure anche a 1800 MHz
(+20% sul costo dell’Hw/Sw).

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Nota 2: Nokia ha fornito anche le stime dei costi delle modifiche SW degli elementi di rete e
dell’integrazione dell’MLC all’interno del BSC. Tali costi non sono però significativi in
quanto si riferiscono a reti realizzate con elementi di marca Nokia. A titolo di
comparazione nella tabella è stato riportato solo il costo dell’LMU non integrato alla
BTS. Si nota che ci si riferisce ad un LMU funzionante in entrambe le bande 900
MHz e 1800 MHz.
5.8.2 Terminale mobile
Allo stato attuale solo Maxon (Corea) produce un terminale mobile (MX3204, distribuito in Italia da
Startel) compatibile con il sistema di localizzazione proposto da CPS. Il terminale della Maxon
utilizza il software prodotto da TTPCom.
Nokia immetterà sul mercato terminali compatibili con l’E-OTD (calcolo della posizione a livello
centralizzato) a metà del 2001. A fine 2001 saranno commercializzati terminali E-OTD in grado di
effettuare loro stessi il calcolo della posizione.
Motorola prevede di commercializzare i primi terminali E-OTD nel corso del 2001.
L’incremento del costo del terminale dovuto all’utilizzo di un software compatibile con l’E-OTD è
marginale.

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6 GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)
Il GPS è nato negli USA come sistema militare per il posizionamento di precisione di un qualsiasi
punto della superficie terrestre (GPS – NAVSTAR: NAVigation Satellite Timing And Ranging) su
progetto della Marina Militare USA. Si basa sulla misura dei tempi di arrivo di segnali inviati da una
costellazione di 24 satelliti disposti su sei orbite quasi circolari inclinate di 55° sul piano
equatoriale, ad intervalli di longitudine di 60°, e ad un’altezza (media) di circa 20.200 Km.
Il sistema attualmente è gestito dal DoD (Department of Defence) statunitense che, oltre ad
occuparsi del controllo e della manutenzione della rete satellitare, stabilisce in quali parti del globo
e con quali precisioni il sistema è fruibile (gratuitamente) per applicazioni civili. Il sistema è infatti
reso artificialmente meno accurato mediante l’introduzione ad arte di un errore denominato
Selective Availability (SA). A seguito delle pressioni da parte di diversi enti pubblici e privati, il
governo USA sta valutando la possibilità di eliminare l’SA.
Ciascun satellite invia due segnali L1 ed L2 a frequenze entrambe multiple della frequenza
fondamentale (f0 = 10,23 MHz) degli oscillatori atomici di bordo:
L1 = 154 x f0 = 1.575,42 MHz (1 = 19,05 cm)
L2 = 120 x f0 = 1.227,60 MHz (2 = 24,45 cm)
Tali portanti sono modulate (spread spectrum) per trasmettere due codici:
 C/A (“Coarse”), di pubblico dominio: sequenza pseudorandom (codice Gold) di 1.023 bits che
si ripete ogni ms (fC/A = f0/10 = 1,023 MHz);
 P (“Precise” o “Protected”), cifrabile (nel qual caso si definisce Y) ed usato solo a scopi militari:
sequenza pseudorandom di 1.023 bits che si ripete ogni 267 giorni (fP = f0 = 10,23 MHz).
In particolare, il segnale portante L1 è modulato da entrambi i codici C/A e P, mentre la portante L2
è modulata dal solo codice P (Y).

45/85
In futuro probabilmente sarà utilizzata un’ulteriore frequenza (L5) che consentirà misure ancora più
accurate.
6.1.1 GPS base
Per determinare la posizione di un punto è necessario prima di tutto misurare il tempo che il
segnale emesso dal satellite impiega per raggiungere il ricevitore GPS a terra.
Per determinare l’intervallo temporale un ricevitore GPS può effettuare due tipi di misurazioni:
 Misura di pseudorange: è il caso di ricevitori di basso costo, che consentono basse
precisioni (dell’ordine del centinaio di metri nel 95% dei casi).
Il ricevitore confronta la particolare sequenza pseudorandom
di 1.023 bit ricevuta con una copia analoga generata
localmente, e determina lo sfasamento temporale tra i due
segnali osservando il numero di bit di distanza delle due
sequenze pseudorandom identiche, e conoscendo la durata
del singolo bit.
 Misura di fase: disponibile su ricevitori più costosi in aggiunta alla misura di
pseudorange; consente di ottenere precisioni anche centimetriche. In
questo caso l’intervallo temporale si determina confrontando le fasi
della portante ricevuta dal satellite con quella generata localmente.
Nel caso delle misure di pseudorange, una volta calcolato l’intervallo temporale, si può scrivere un
equazioni del tipo:
         )( 0
2
0
2
0
2
0 ttcZtZYtYXtX PSPSPS  (1)
dove Xs, Ys, Zs sono le coordinate (note) del satellite, Xp, Yp, Zp sono le coordinate incognite del
punto, t  t0 è il tempo di percorrenza (misurato) del segnale dal satellite al ricevitore.
Nella relazione precedente si dovrebbe utilizzare l’integrale della velocità nel tempo al posto del
prodotto velocità per tempo, perché la velocità del segnale non è costante ma varia con le
caratteristiche fisiche degli strati atmosferici attraversati.

46/85
L’istante t che compare nella relazione precedente rappresenta l’istante di arrivo del segnale a
terra misurato dall’orologio del satellite. In realtà il ricevitore misura un istante t’ di arrivo che
differisce da quello teorico t di una quantità pari all’offset tra il suo orologio e quello del satellite:
t’ = t + dt (2)
Le incognite sono pertanto 4: le coordinate del punto XP, YP e ZP più lo sfasamento dt, per cui sono
necessarie 4 equazioni del tipo (1), ovvero le misure da almeno 4 satelliti (oppure 3 se non
necessita la conoscenza della coordinata Zp).
Nel caso di misure di fase, come già accennato il sistema si basa sul confronto tra la fase della
portante generata dal satellite e ricevuta a terra e la fase di un segnale del tutto simile, generato
all’interno del ricevitore. La misura è resa più complicata a causa del fatto che satellite e ricevitore
si muovono l’uno rispetto all’altro e quindi la frequenza del segnale ricevuto non è costante a
causa dell’effetto Doppler (la variazione è compresa nell’intervallo + 4 kHz).
La differenza di fase è data da una frazione di lunghezza d’onda (misurata) più un numero intero di
cicli d’onda. Quest’ultimo costituisce una ulteriore incognita, definita ambiguità iniziale, che viene
determinata con altri metodi, ad esempio mediante misure di pseudorange.
Il procedimento per misurare la distanza dal satellite sulla base della misura della fase consiste in
quanto esegue. Miscelando le due portanti si ottiene una serie di battimenti, la cui fase corrisponde
alla differenza di fase delle due portanti. Per ciascun istante t si può scrivere un’equazione del tipo:
    dtfNtFFF PS  (3)
ove F(t) è la fase dei battimenti, N è l’ambiguità iniziale, f è la frequenza, dt è lo sfasamento tra i
due orologi (sul satellite e nel ricevitore), FS ed Fp sono le fasi dei segnali del satellite e del
ricevitore. Moltiplicando la (3) per la lunghezza d’onda  della portante si ottiene:
      dtfNtFtPSFF PS   (4)
ove  tPS è la distanza satellite-ricevitore, che può essere espressa nella forma della (1), per
cui:

47/85
        
  dtfNtF
ZtZYtYXtX PSPSPS



2
0
2
0
2
0
(5)
I ricevitori attualmente in commercio consentono di rilevare anche 8 o 12 satelliti; quando sono
disponibili le misure relative a più di quattro satelliti, la posizione viene determinata con la tecnica
dei minimi quadrati. Solo i ricevitori più costosi sono in grado di effettuare misure anche di fase e
sulle due frequenze L1 e L2. Nel seguito si considereranno, salvo avviso contrario, esclusivamente
ricevitori GPS in grado di ricevere il segnale sulla portante L1 e di decodificare il solo codice C/A.
6.1.2 GPS differenziale (DGPS)
La tecnica differenziale consente di eliminare o ridurre drasticamente diversi errori che inficiano la
precisione teoricamente ottenibile (posizione e clock del satellite, clock del ricevitore, ritardi
ionosferici e troposferici ecc., cfr. paragrafo successivo).
Per effettuare rilevazioni differenziali occorre utilizzare due ricevitori GPS, di cui uno fisso la cui
posizione è nota (ricevitore di riferimento) e l’altro mobile o rover, da posizionare nel punto di cui si
vuole determinare la posizione.
Il più semplice tipo di correzione differenziale prevede che la stazione di riferimento calcoli la
propria posizione in base alle misure da lei effettuate e la confronti con il valore di progetto
(esatto). Ne deriva un vettore di correzione, che può essere utilizzato per correggere le misure
effettuate da un ricevitore mobile che si trovi nella stessa area del ricevitore fisso.
Metodi differenziali più complessi consistono nell’effettuare le differenze tra le distanze calcolate
dal rover e dal ricevitore di riferimento con il metodo del pseudorange e/o con il metodo delle fasi.
Le differenze sono effettuate più volte ottenendo le cosiddette differenze multiple, che consentono
di eliminare o ridurre drasticamente i cosiddetti errori di modo comune, presenti in ogni
misurazione con uguale segno ed intensità.
La tecnica differenziale si basa sull’ipotesi che i segnali provenienti dai satelliti giungano ai
ricevitori nello stesso istante temporale. La validità di questa assunzione decresce al crescere
della distanza tra i due ricevitori (si deve considerare un errore aggiuntivo di 1 cm per ogni

48/85
chilometro di distanza tra GPS di riferimento e GPS mobile). Inoltre vi è un limite di applicabilità del
metodo differenziale con le misure di fase: la distanza tra GPS di riferimento e GPS mobile non
deve superare i 30 km al fine di contenere la differenza tra i ritardi con cui il segnale arriva ai due
ricevitori al di sotto di una lunghezza d’onda.
I sistemi differenziali possono essere suddivisi in:
 Diretti La correzione differenziale è effettuata dal ricevitore mobile, per cui la
posizione precisa è ottenuta direttamente nel punto da misurare;
 Inversi La correzione differenziale è effettuata dal ricevitore di riferimento o da
un’entità centralizzata nel caso di una rete di ricevitori di riferimento.
6.1.3 Fase di start e GPS Network Assisted
Quando un ricevitore GPS viene acceso dopo più di 2 ore dall’ultimo spegnimento (cold start),
deve innanzitutto ricercare i satelliti utilizzabili per la misura, ossia quelli presenti nel proprio campo
di visibilità.
La ricerca dei satelliti è resa più difficile anche a causa del movimento relativo di questi rispetto al
ricevitore (effetto Doppler).
Una volta trovati i satelliti, il ricevitore deve decodificare il Navigation Message (NM) contenuto
all’interno dei segnali ricevuti dai satelliti. Questo messaggio contiene tutta una serie di
informazioni necessarie al ricevitore per identificare il satellite da cui riceve il segnale, per
correggere l’errore dovuto all’attraversamento della ionosfera e della troposfera (correzione
standard), ma soprattutto per informare il ricevitore sulla traiettoria futura del satellite (almanacco
ed effemeridi). Il tempo necessario per ricevere e decodificare il NM è non inferiore ai 30 secondi.
Queste informazioni, una volta decodificate, sono utilizzabili per un certo periodo di tempo (in
media per un’ora).
Complessivamente il tempo impiegato per agganciare i satelliti (TTFF: Time To First Fix) può
arrivare anche a una decina di minuti. Per ridurre il tempo è necessario che un centro operativo ad
hoc trasmetta su richiesta o diffonda periodicamente (con aggiornamento di almeno una volta ogni
ora), ad esempio su un canale radio broadcast, le informazioni relative alla posizione dei satelliti
maggiormente visibili nell’area geografica dove si trova il ricevitore rover. In questo caso i tempi di
aggancio si riducono a pochi secondi, consentendo un notevole risparmio delle batterie del

49/85
terminale. Un sistema GPS che utilizza tale opportunità è denominato GPS Network Assisted (A-
GPS).
Se la trasmissione del messaggio di assistenza è frequente (nell’ordine di 5-20 minuti), le
informazioni contenute possono essere ridotte e complessivamente la lunghezza del messaggio
arriva a circa 50-100 byte. Se invece la trasmissione avviene con periodicità bassa (ad esempio
dell’ordine dell’ora) o su richiesta, il messaggio deve contenere sostanzialmente tutte le
informazioni del NM e arriva ad una lunghezza di circa 600 byte.
Nel caso di misure in tempo reale, la presenza di un’assistenza di rete determina un aumento
virtuale della sensibilità dei ricevitori, con maggiori possibilità di operare anche in ambienti “ostili”
come i canyon urbani o addirittura indoor.
Ciò è dovuto al fatto che per poter decodificare il NM è necessario che il rover riceva un segnale
dal satellite non inferiore a –135 dBm. Tale livello di segnale include i margini necessari per tenere
conto dell’affievolimento da cui potrebbe essere affetto lo stesso segnale nel corso del tempo
necessario per ricevere e decodificare il NM. Le misure di pseudorange possono invece essere
effettuate con segnali più bassi di –135 dBm. Ne consegue che, se non c’è la necessità di
decodificare il NM, la sensibilità del ricevitore aumenta virtualmente anche di 15-20 dB.
Nel caso in cui si utilizza l’assistenza della rete, è utili che nel messaggio di assistenza sia fornita
anche l’informazione che consenta di associare il tempo GPS al tempo GSM (con particolare
riferimento alla temporizzazione delle trame TDMA trasmesse sul canale BCCH nella cella sotto
cui è accampato il mobile). In tal modo si riesce a mantenere uno scostamento tra i riferimenti
temporali della rete e del mobile sotto i 10 ms. Ciò consente di ridurre ulteriormente il TTFF; inoltre
consente di migliorare la sensibilità dei ricevitori in ambienti critici (ad esempio indoor). Non si
hanno al momento indicazioni quantitative sul grado di miglioramento.
Per realizzare tale associazione una soluzione consiste nel disporre in campo le unità denominate
LMU (Location Measurement Unit) con il compito di osservare e misurare i tempi di trasmissione
delle BTS. Dotando tali unità anche di un ricevitore GPS (di basso costo), queste sono in grado di
ricavare l’associazione tra il tempo GPS e la temporizzazione TDMA delle BTS osservate. Il
numero di LMU necessarie è stimato in media di 1 ogni 4 siti radio (come nel caso E-OTD).
Nell’ambito del gruppo T1P1.5 sono allo studio altre soluzioni che però al momento non sono note
nei contenuti.

50/85
Nel caso in cui il calcolo della posizione venga effettuato sul lato mobile, il messaggio di assistenza
potrebbe contenere anche le seguenti informazioni:
- posizione geografica della BTS sotto cui è accampato il mobile con un’accuratezza
dell’ordine dei 30 km (utile per inizializzare e quindi rendere più rapido il calcolo del
posizionamento del mobile)
- correzione differenziale (utile solo se il ricevitore GPS su lato mobile è anche differenziale)
La precisione teorica (prescindendo dagli errori sistematici, discussi successivamente) ottenibile
con il metodo del pseudorange nel caso di GPS base è limitato dal bit rate del segnale con cui si
opera. Utilizzando il codice C/A, il cui bit rate è 1,023 Mbit/s, la durata di un bit è pari a circa
9,775x10-7
s, tempo in cui alla velocità della luce il segnale percorre circa 293 m. Poiché è
possibile misurare lo sfasamento temporale dei due segnali con precisione pari all’1% della durata
di un bit, l’errore teorico di posizione è pari a circa 2,93 m. Analogamente utilizzando il codice P,
con bit rate pari a 10,23 MHz, si ottiene una precisione teorica pari a circa 29 cm.
Se invece le misure sono effettuate con il metodo della fase, considerato che la lunghezza d’onda
della portante è minore dello spazio percorso dal segnale in un intervallo di tempo pari alla durata
di un bit, la precisione ottenibile con la misura di fase è superiore, dell’ordine di qualche millimetro.
Infatti, analogamente a quanto detto per le misure di pseudorange, la precisione è legata alla
capacità di discriminare l’inizio di un ciclo (ovvero ad esempio il passaggio per lo zero della
portante). Supponendo anche in questo caso tale accuratezza pari ad 1/100 del ciclo, abbiamo
una precisione pari a:
mm2cm
100
05,19
100
1


Nei casi reali l’accuratezza è limitata dalle seguenti fonti di errore:

51/85
 Posizione del satellite (errore introdotto ad arte dal Dipartimento della Difesa USA, e noto
come Selective Availability), eliminabile con tecnica differenziale;
 Clock del satellite (errore introdotto ad arte dal Dipartimento della Difesa USA, e noto come
Selective Availability), eliminabile con tecnica differenziale;
 Clock del ricevitore, eliminabile con tecnica differenziale;
 PDOP (Position Diluition Of Precision) dovuta alla disposizione non ottimale dei satelliti nel
campo visibile, difficilmente eliminabile;
 Ritardi ionosferici e troposferici, quasi completamente eliminabili utilizzando o i valori di
correzione emessi dai satelliti, o le misure effettuate su due frequenze diverse per ricevitori a
doppia frequenza (ricevitori per usi professionali);
 Multipath in ricezione, difficilmente eliminabile (nel DGPS si determina una volta per tutte il suo
contributo per il ricevitore fisso);
 Rumore al ricevitore dovuto all’attraversamento degli strati bassi dell’atmosfera (difficilmente
eliminabile).
In tabella 1 e 2 sono riportati i risultati ottenuti da Ericsson mettendo assieme risultati di
simulazioni e risultati di test sperimentali rispettivamente per un sistema GPS base e per un
sistema DGPS diretto entrambi Network Assisted. I risultati di Ericsson sono state ottenuti
considerando un sistema operante su richiesta da parte della rete (position-on-demand),
nell’ipotesi di un rapporto C/N0 pari a 30 dB e di un errore sulla misura di pseudorange con
distribuzione gaussiana di valor medio nullo e deviazione standard pari a 3 metri. Si è inoltre
considerata un’antenna di 4 dB di guadagno montata all’interno di un autoveicolo, in modalità di
misurazione continua (navigation mode). Con riferimento al caso DGPS (tabella 2) si è incluso una
latenza di 30 secondi nell’invio dei dati di correzione (si veda la nota a fine paragrafo).
In tabella 1 inoltre sono indicate tra parentesi i risultati ottenuti da una serie di prove in campo
condotte da SnapTrack (chip GPS fornito da Motorola). Le prove sono state eseguite utilizzando
antenne MACOM a polarizzazione circolare con amplificatore lineare built-in.
Ambito di misura Perc. at
125m [%]
Error at 67%
[m]
Error at 90%
[m]
RMSE of 90%
[m] (*)
Bad urban 67 (98) 125 (90) 250 115
Urban 90 (100) 80 (40) 130 70
Suburban 98 (100) 50 (10) 75 50
Rural 99 40 60 35
Urban (indoor) 30 Non disp. (55) Non disp. Non disp.
Suburban (indoor) 50 (95) Non disp. (30) Non disp. Non disp.
Tabella 1 – precisioni ottenibili per un sistema GPS base Network Assisted

52/85
Ambito di misura Perc. at 125m
[%]
Error at 67%
[m]
Error at 90%
[m]
RMSE of 90%
[m] (*)
Bad urban 75 105 225 95
Urban 97 35 65 30
Suburban > 99 12 25 10
Rural > 99 5 10 5
Urban (indoor) 30 Non disp. Non disp. Non disp.
Suburban (indoor) 50 Non disp. Non disp. Non disp.
Tabella 2 – precisioni ottenibili per un sistema DGPS diretto Network Assisted
SnapTrack ha effettuato anche delle prove sperimentali di un sistema DGPS diretto Network
Assisted in ambienti cosiddetti “bad urban” (ovvero in strade urbane strette) e in situazioni indoor,
utilizzando un ricevitore di riferimento a 12 canali (ossia in grado di ricevere 12 satelliti
contemporaneamente), collegato al rover tramite rete cellulare analogica. Il sensore SnapTrackTM
utilizzato era dotato di un’antenna attiva off-the-shelf, ma alcuni test hanno dimostrato che
analoghi risultati sarebbero stati ottenuti utilizzando un’antenna passiva a microelica, più
facilmente integrabile nel ricevitore rover. I risultati sono riportati in tabella 3:
Ambito di misura Condizioni di misura Error at 67%
[m]
Strada urbana di Tokyo Palazzi di 210 piani, strade strette 15
Interno di autoveicolo Antenna interna all’autoveicolo, parcheggiato in strade
alberate e con palazzi a 2 piani
17
Casa di due piani Piano terra, centro del palazzo 20
Ufficio a due piani 1° piano, stanza interna del palazzo 22
Urban canyon di Denver Palazzi di 2030 piani, strade larghe 29
Palazzo di 50 piani Palazzo di vetro/acciaio, 21° piano, 5 metri dal muro
esterno
84
Tabella 3 – precisioni ottenute per un sistema DGPS diretto Network Assisted di SnapTrackTM
Nota sui tempi di latenza
Con riferimento al caso di DGPS diretto, le misure effettuate dal ricevitore GPS di riferimento in un
dato istante sono utilizzabili dal DGPS rover anche parecchi secondi dopo (tempo di latenza). Si

53/85
stima che l’accuratezza peggiora di circa 0,15 metri per ogni secondo trascorso dall’ultima volta
che sono stati calcolati i valori di correzione. I migliori risultati sono raggiunti con tempi di latenza
inferiori ai 30 secondi. Oltre 100 secondi la correzione non è più applicabile in quanto non vi è più
correlazione con le misure effettuate dal rover.
6.3.1 Versione ETSI
Come già detto, in ambito ETSI, non è ancora stata definita una proposta di integrazione tra GSM
e GPS. Di seguito si ipotizza un sistema DGPS inverso Network Assisted. Il ricevitore GPS rover
deve essere integrato, almeno dal punto di vista funzionale, con il terminale mobile GSM.
L’architettura di principio dovrebbe essere quella già illustrata nella sezione “Standard ETSI”
(Network Based o BSS Based) in cui sono introdotti due nuovi elementi nella rete GSM denominati
MLC (Mobile Location Center) ed LMU (Location Measurement Unit).
Per quanto riguarda le unità LMU, queste devono essere corredate di ricevitore GPS (di basso
costo) e devono essere in grado di misurare gli istanti di arrivo del segnale trasmesso dalle BTS e
quindi associare la temporizzazione delle trame TDMA osservate al tempo GPS.
Ciascuna LMU misura i tempi di arrivo dei segnali provenienti da un certo numero di BTS ben
identificate. L’associazione LMU/BTS deve essere nota all’MLC. Una LMU è tipicamente associata
a 6-7 BTS.
Le misure sono effettuate in modo continuo e vengono memorizzate localmente per un certo
periodo di tempo (nell’ordine di un paio di minuti). Opzionalmente possono essere riportate
periodicamente all’MLC (il periodo può andare da 30 secondi a 2 minuti).
Il numero di LMU necessarie è dipendente dalla distribuzione geografica delle BTS. In media si
deve prevedere una LMU ogni 4 siti radio.
La comunicazione tra LMU ed MLC e tra MS e MLC avviene tramite segnalazione GSM.

54/85
Oltre all’MLC ed alle unità LMU sono necessarie un certo numero di ricevitori GPS di riferimento
fissi. Tali ricevitori devono essere molto precisi (codice e fase, doppia frequenza). Il numero di
ricevitori di riferimento è legato all’accuratezza richiesta. Per ottenere un’accuratezza di circa 10
metri (67% dei casi) è necessario che il GPS rover si trovi a non più di 100 km di distanza da un
ricevitore GPS di riferimento; ne consegue che per il territorio italiano sono necessari circa 20-30
ricevitori di riferimento.
I ricevitori GPS di riferimento potrebbero collegarsi ad un server specializzato a sua volta collegato
con un MLC. Il server potrebbe anche essere integrato con l’MLC stesso. Nel seguito di questo
documento, se non altrimenti detto, si assume questa seconda soluzione.
La diffusione delle informazioni di aiuto ai ricevitori GPS rover che si trovano in una certa cella,
potrebbe essere fatta utilizzando il canale di controllo BCCH (via System Information). L’invio delle
informazioni potrebbe anche essere fatta all’occorrenza direttamente al mobile (punto-punto) per il
quale è stata richiesta la localizzazione.
La gestione delle informazioni di Network Assisted potrebbe essere fatta dall’MLC.
La parte di procedura di localizzazione specializzata per il GPS potrebbe svolgersi come segue
(nell’ipotesi di architettura Network Based):
12) l’SMLC chiede al mobile via MSC/VLR e BSS, di avviare la misura dei segnali provenienti dai
satelliti (positioning on demand). Se le informazioni di Network Assisted sono diffuse su canale
broadcast, il mobile dovrebbe già sapere quali satelliti misurare. Se le informazioni sono troppo
vecchie il mobile ne richiede un nuovo invio all’MLC (punto-punto). I risultati della misura,
completi dell’identificativo dei satelliti misurati, sono quindi inviati a ritroso dal mobile all’MLC.
Se è il mobile a richiedere l’avvio della procedura di localizzazione e le informazioni di Network
Assisted disponibili presso lo stesso mobile sono valide, questi è già in grado di inviare
all’MLC, insieme alla richiesta di localizzazione, anche i risultati delle misure effettuate
preventivamente; in questo caso la parte di procedura di localizzazione specializzata per il
metodo GPS prosegue immediatamente con il punto successivo. Se le informazioni di
assistenza non sono più valide, come nel caso precedente il mobile ne richiede l’invio all’MLC,
quindi effettua le misure ed infine invia i risultati all’MLC stesso.
13) L’SMLC identifica qual è il ricevitore GPS di riferimento più vicino al mobile e richiede a tale
unità i risultati delle sue misure. L’identificazione potrebbe essere fatta sulla base della

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