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O que é LCS (e LBS)?

Postado por leopedrini quinta-feira, 13 de novembro de 2014 07:34:00 Categories: Curso
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Você provavelmente já ouviu falar de LBS ou LCS, só que talvez ainda não associava esses nomes ao tema. E se você ainda não trabalha, com certeza vai trabalhar um dia. Principalmente se você trabalha com área Telecomunicações ou TI, onde esse assunto é cada vez mais presente.

Estamos falando de serviços de localização.

 

Com o avanço de serviços do tipo M2M (Machine to Machine) e IoT (Internet of Things) os serviços de localização estão cada vez mais presentes em nossas vidas.

Por esse motivo, vale a pena termos pelo menos um bom entendimento de seus conceitos e funcionamento.

Vamos então ao tutorial de hoje sobre esse assunto?

 

 

 

Introdução

Os serviços de localização em redes originalmente eram conhecidos como LBS (Location Based Services): serviços baseados na localização do dispositivo. Ao conhecer a localização do dispositivo móvel, a rede pode oferecer serviços comerciais de acordo com a mesma.

Atualmente esses serviços são conhecidos como LCS (Location Services), como padronizado pelo 3GPP.

Na verdade os dois se referem à mesma coisa e podem ser implementados nas redes GSM (2G), UMTS (3G) and LTE (4G). A partir de agora, vamos nos referir a esses serviços apenas como LCS.

Além dos serviços comerciais, o LCS permite que sejam atingidos requisitos de localização de chamadas de emergência (como serviços E112, 190 ou 911).

 

Características

Os serviços de localização (LCS) são serviços de localização, com o objetivo de se obter informações de onde se encontra o móvel. Com a padronização do formato das informações de localização (por exemplo latitude e longitude) as operadoras podem então oferecer diversos tipos de serviços.

E esses serviços podem ser usados de diversas formas, como para tarifação, requisitos legais como interceptação, serviços agregados de localização propriamente ditos, serviços de chamadas de emergência, entre outros.

A padronização compreende diversos aspectos, como confiabilidade, prioridade, segurança, e privacidade.

Além disso leva em conta também a tecnologia utilizada para obtenção das informações, que pode ser baseada na rede, ou baseada no móvel.

  • No caso de tecnologia baseada na rede, a operadora deve instalar equipamentos que possam realizar essa função.
  • No caso de baseada no móvel, a informação de localização é obtida pelo próprio móvel, como por exemplo através de um chip de GPS (Global Positioning System) no mesmo.

Uma forma comum de representar esses aspectos é através de um gráfico de Disponibilidade versus Precisão. Dependendo da tecnologia utilizada, um determinado percentual de chamadas deve ser localizado dentro de uma determinada distância.

 

Na década de 90, o governo dos Estados Unidos, através da FCC (Federal Communications Commission), determinou que todas as chamadas de emergência (E911) passassem a atender critérios específicos de localização e confiabilidade.

Atualmente, esses requisitos são os seguintes:

  • Para localização baseada em rede: 67% das chamadas devem ser localizadas com uma precisão mínima de 150 metros, e 95% dentro de 300 metros.
  • Para localização baseada em móveis: o requisito é um pouco maior - 67% das chamadas devem ter uma precisão de pelo menos 50 metros, e 95% dentro de 150 metros.

Com o tempo, entretanto, tornou-se evidente que a localização de chamadas de emergência baseada em GPS no móvel não era tão eficiente: se o móvel estiver em um ambiente indoor, ou até mesmo em urbano-denso, vai ter problemas com a visada direta.

Problemas como este estão fazendo a FCC no Estados Unidos, e outras entidades ao redor do mundo exigir das operadoras uma maior eficiência (ou precisão) nessas localizações.

Mas independente da obrigação de se atender obrigações governamentais (que já seria um bom motivo), também é muito interessante para a operadora explorar os outros aspectos que os LCS têm a oferecer (como os serviços agregados, que geram receita).

Para isso, cada vez mais vêm evoluindo os métodos de localização do dispositivo móvel.

 

Métodos de Localização

O princípio de localização de um móvel é bem intuitivo: obter a distância entre o dispositivo móvel e uma referência. Para isso, diversos tipos de medidas podem ser utilizadas, dependendo de sua disponibilidade. Por exemplo, as medidas das células ou de satélites GPS. Com essas medidas a localização pode ser obtida (através de cálculos, que podem inclusive considerar as diferenças entre as diversas medidas de vários elementos).

Quanto mais medidas, mais precisa é a localização. Os sinais de rádio possuem uma taxa fixa conhecida (velocidade da luz = c). Os tempos de propagação (t) são medidos pela rede. Então: Distância = c*t.

Mas para entender melhor os principais métodos de localização existentes, vamos primeiro analisar uma figura com uma rede básica (2G, 3G, 4G) em termos dos principais elementos envolvidos/necessários para LCS. Em vermelho (1) e (2) na figura temos 2 elementos que podem estar presentes, e tem especificamente essa finalidade. Logo vai ficar mais claro – vamos falar como são usados esses novos elementos e protocolos.

 

Existem diferentes métodos de posicionamento, tanto baseado em rede quanto baseado em móvel.

Os mais comuns são:

  • A-GPS
  • OTDOA
  • CELLID+RTT

Além desses três métodos mais amplamente conhecidos e utilizados, existem outros métodos, como o RFPM (Radio Frequency Pattern Matching).

Nota: embora sejam métodos diferentes, e aplicados em diferentes tempos/cenários, os métodos são mais complementários entre si do que contraditórios.

 

Método A-GPS (​baseada em móvel)

A localização baseada em móvel é a mais simples de ser entendida. O móvel faz uma conexão com satélites (naturalmente, o móvel deve ter um chip GPS) e obtém as informações de localização.

 

Existe porém uma informação importante: no método A-GPS (Assisted GPS), o móvel não faz a conexão inicial diretamente com o satélite (o que seria demorado), mas obtém os dados de sua célula servidora – que por sua vez já possui as informações dos satélites armazenada. Como resultado, a conexão do móvel é muito mais rápida.

 

Método CELLID (baseada em rede)

Como exemplo mais expressivo da localização baseada em rede, temos o método CELLID. Através da comunicação que o móvel já realiza com a rede (seja em estado Idle ou em estado Conectado), é possível se obter os dados de localização.

As soluções baseadas em CELLID tem algumas variações. Por exemplo, a tipo CELL-CENTER é a mais simples de ser obtida - porém, também a menos precisa. O erro é o raio de cobertura, geralmente de centenas de metros a quilômetros.

 

Já o método CELLID+RTT garante um pouco mais de precisão. Usando o resultado de duas medidas, pode ser calculado o TOA (Time Of Arrival) de acordo com a fórmula:

TOA = ( [ RTT ] – [ UE Rx-Tx time difference ] ) / 2

 

Com esse tempo, calculamos a distância entre o móvel e a célula. Quando o móvel está em Soft Handover, a posição do móvel pode ser calculada com precisão, considerando os círculos TOA (de cada uma das células) sobrepostos.

 

Método TDOA (baseada em rede)

Um outro método baseado nas medidas da rede, e também bastante utilizado é o TDOA, que utiliza as medidas do TOA (Time Of Arrival) de um sinal do móvel medido pela rede.

Para fazer a medida desse sinal, é necessária a implantação na rede de um novo elemento, o LMU (Location Mounted Unit).

 

Comparação dos​ Métodos Atuais

Podemos atualizar o gráfico dos requisitos de Disponibilidade versus Precisão com os métodos principais, que vimos acima.

 

Quando é possível (disponível), a melhor opção para aumentar a precisão e confiabilidade é a de se utilizar uma aproximação híbrida, ou seja, incorporar a ajuda de todos os métodos para aumentar a eficiência geral.

Uma opção por exemplo é primeiro tentar obter a localização com o A-GPS. Caso seja mal sucedido, utiliza o TDOA. Esse é um bom exemplo de soluções complementares para diferentes áreas, já que o A-GPS é a melhor opção em áreas remotas ou rurais, e o TDOA tem eficiência excelente em áreas urbanas e suburbanas.

Além disso, outros métodos vêm sendo desenvolvidos, como a localização baseada em Beacons ou Tags, e também através de Wi-Fi.

Um outro método que merece destaque é o RFPM.

 

Método RFPM (baseada em rede)

O RFPM foi desenvolvido com o objetivo de medir os movimentos dos móveis, mapeando em um banco de dados geo-referenciado as informações do MMR (Mobile Measurements Reports) com informações como nível de sinal, relação sinal ruído e atrasos.

Não requer novos equipamentos, nem alteração dos equipamentos existentes.

 

Comparação dos Métodos Atuais & Futuro

Podemos atualizar o gráfico dos requisitos de Disponibilidade versus Precisão com os métodos atuais junto com os mais recentemente desenvolvidos.

 

Cada método tem a sua aplicabilidade, lembrando também que alguns métodos podem funcionar em conjunto, aumentando a precisão e confiabilidade.

 

Control Plane x User Plane

Do ponto de vista de plano (de Controle ou de Usuário), temos duas formas de transportar as informações de sinalização do móvel.

A forma que é uma parte integrante da rede é o fluxo no plano de controle.

  • Nesse caso, temos um baixo consumo de banda, aliado a alta segurança e integridade. Isso torna seu uso indicado em casos como chamadas de emergência ou de monitoramento/planejamento da rede.

A outra forma (Plano de Usuário) trabalha no nível mais alto da conectividade de dados, fornecido pela rede física.

  • No plano de usuário, o consumo de banda é mais alto, e além disso podemos ter problemas com integridade. Mas é o método mais diretamente associado quando falamos de fornecimento de informações de localização para serviços agregados baseados em localização.

 

Elementos Específicos LCS

Voltando à nossa figura básica de uma rede básica (2G, 3G, 4G) com destaque para os novos elementos com funções específicas de localização, fica mais fácil de entendermos.

  • LMU (Location Mounted Unit): equipamento necessário em cada célula, para permitir o cálculo das OTDOA (na localização baseada em rede).
  • SMLC (Serving Mobile Location Server): servidor utilizado para o cálculo das localizações. Pode fazer cálculos com as informações dos LMU (quando disponíveis), ou de medidas da própria rede, como por exemplo de TA (Timing Advance).
  • GMLC (Gateway Mobile Location Centre): servidor que como o próprio nome já sugere, funciona como Gateway para os serviços LCS. Embora não mostrada na figura, se comunica com o HLR (Home Location register), HSS (Home Subscriber Server), VMSC (Visited Mobile Switching Centre), SGSN (Serving GPRS Support Node) e MSC (Mobile Switching Centre) nas funções correspondentes de envio de solicitações de localização, e recebimento de estimativa de localização.

Protocolos para comunicação no Plano de Controle entre o móvel e o SMLC, definidos pelo 3GPP:

  • RRLP (Radio Resource Location services Protocol): utilizado em redes GSM.
  • TIA 801: utilizado em redes cdma2000.
  • RRC (RRC Position Protocol): utilizado em redes UMTS
  • LPP (LTE positioning protocol): utilizado em redes LTE.

Protocolos de Plano de Usuário:

  • SUPL (Secure User Plane Location): utilizado no A-GPS.

 

Para finalizar, um exemplo de uma arquitetura LCS em uma topologia de rede LTE, onde temos um E-SMLC (Evolved SMLC) diretamente ligado ao MME, assim como o GMLC.

 

Entretanto, o aprofundamento no estudo da figura acima foge do escopo do nosso tutorial de hoje.

 

Futuro

O desenvolvimento e utilização das técnicas de localização devem estar cada vez mais presentes nas redes futuras. Os requisitos que antes eram apenas no plano x- y, agora estão nas três dimensões (incluindo o eixo z - altura).

Enquanto o futuro não chega (demanda de novas aplicações), já temos bastante campo para utilização do LCS:

  • Segurança Pública e Privada: possibilidade de aplicação em diversos casos de segurança pública e privada. Por exemplo, em um acidente automobilístico, o serviço LCS pode até salvar uma vida. E no caso da segurança patrimonial, representa uma ajuda a mais.
  • Serviços de Valor Agregado, Media & Conteúdo: de acordo com a localização, uma série de serviços podem ser oferecidos ao usuários, como por exemplo usuários que se encontram em uma determinada região (um Shopping, um Estádio).
  • Planejamento e Otimização Rede: os serviços LCS podem ser utilizado para melhoria da eficiência em diversas áreas da própria engenharia como auxílio na localização de pontos que requerem novos sites (Planejamento) ou pontos que podem ser melhorados com a Otimização.
  • Funções Internas da Rede: como informação para os algoritmos internos da rede, com alocação dinâmica e otimizada dos recursos.
  • M2M e IoT: cada vez mais presente nas aplicações Machine to Machine, e Internet of Things.

Além dos enumerados acima, o número de possíveis usos da informação de localização é ainda maior, sendo o limite o próprio surgimento de novas aplicações e soluções.

 

Conclusão

Este foi o nosso tutorial sobre LCS (e LBS), serviços de localização, cada vez mais utilizados e presentes no dia a dia de todos.

O conhecimento dos métodos e funcionamentos básicos descritos aqui hoje serve como base para um estudo mais detalhado no assunto.

Se você gostou desse tutorial, pedimos se possível que compartilhe. E se tiver algum assunto que deseja que seja explorado aqui, por favor entre em contato ou comente abaixo.

Um abraço, e até o próximo tutorial.