Ryszard J. Katulski
, Rafał Niski
, Jacek Stefański

Katedra Systemów i Sieci Radiokomunikacyjnych, Politechnika Gdańska

Pracownia Radiokomunikacji Morskiej w Gdańsku, Instytut Łączności w Warszawie

KOMÓRKOWY SYSTEM ALARMOWY W MORSKIEJ STREFIE PRZYBRZEŻNEJ

Streszczenie

W pracy przedstawiono koncepcję systemu wywołania w niebezpieczeństwie (wołania alarmowego o pomoc) w morskiej strefie przybrzeżnej, opartego o infrastrukturę telekomunikacyjną operatora sieci komórkowej. Omówiono zasady współpracy systemu telefonii komórkowej z Ratowniczym Centrum Koordynacyjnym w systemie GMDSS. Poruszono także problem lokalizowania telefonu komórkowego na morzu. Przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań symulacyjnych, na
podstawie których określono funkcję rozkładu dla przyjętego bezwzględnego błędu położenia
użytkownika tego telefonu. W podsumowaniu wskazano na związane z tym uwarunkowania propa-
gacyjno-zasięgowe stacji bazowych systemu komórkowego.

1. WPROWADZENIE

Aktualny stan systemu wywołania w niebezpieczeństwie w morskiej strefie przybrzeżnej wynika z rozwiązań przyjętych w trakcie opracowywania obowiązującego obecnie tzw. Globalnego Morskiego Systemu Łączności Alarmowej i Bezpieczeństwa, powszechnie znanego pod skrótową nazwą GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System). W ramach tego systemu obszar wód przybrzeżnych - określany nazwą A1 - objęty jest zasięgiem działania radiowych stacji brzegowych pracujących w podpaśmie fal ultrakrótkich - od 156 do 162,05 MHz, co przy występujących uwarunkowaniach techniczno-propagacyjnych zapewnia w praktyce ich zasięg działania do 30 Mm (mil morskich) od linii brzegowej. W podpaśmie tym wydzielone są specjalne kanały przeznaczone do pracy w niebezpieczeństwie i dla potrzeb bezpieczeństwa, w szczególności zaś do odbioru sygnałów alarmowych oraz do wspomagania akcji ratunkowych [1, 2, 3].

Niestety system ten został opracowany z myślą jego zastosowania na względnie
dużych, zazwyczaj instytucjonalnych jednostkach pływających, kiedy możliwe jest sfinansowanie i użycie profesjonalnego sprzętu radiokomunikacyjnego.

W ostatnich latach w coraz większym stopniu zaznaczają swoją obecność w strefie przybrzeżnej nieinstytucjonalni użytkownicy wodnego sprzętu rekreacyjnego, np. w postaci

niewielkich jednostek żaglowych oraz desek surfingowych, którzy z oczywistych względów nie dysponują profesjonalnym sprzętem radiokomunikacyjnym. Coraz częściej zdarza się, że użytkownicy ci znajdują się w stanie zagrożenia i z opisanych powodów nie mogą wówczas skorzystać z istniejącego systemu wołania o pomoc.

Mając to wszystko na uwadze, zachodzi pilna potrzeba opracowania i uruchomienia ogólnie dostępnego systemu łączności, który zapewni szerokiemu kręgowi indywidualnych użytkowników łatwy dostęp do morskich służb ratowniczych, przy użyciu w miarę prostego i taniego sprzętu radiokomunikacyjnego - najlepiej w postaci miniaturowego terminala osobistego, np. telefonu komórkowego.

W Katedrze Systemów i Sieci Radiokomunikacyjnych Politechniki Gdańskiej, opracowano koncepcję takiego systemu opartego o infrastrukturę telekomunikacyjną operatora sieci komórkowej, co jest przedmiotem niniejszego artykułu.

2. Koncepcja systemu

2.1. Założenia i układ funkcjonalny

Punktem wyjścia przy opracowywaniu opisywanego systemu alarmowego było założenie powszechnego doń dostępu dla wszystkich jego potencjalnych użytkowników, przy spełnieniu następujących głównych warunków:

• prostota obsługi wywołania w niebezpieczeństwie, co jest szczególnie istotne w sytuacjach zagrożenia życia,

• utrzymanie dotychczasowego poziomu obciążenia baterii zasilającej terminal użytkownika, oraz

• niski koszt dostępu do tego systemu, co pozwala na jej upowszechnienie.

W związku z powyższym jego wprowadzenie nie może się wiązać z rozbudową
telefonu komórkowego, np. o dodatkowy odbiornik sygnałów GPS (Global Positioning System), co proponują autorzy innych rozwiązań.

Mając na uwadze aktualny stan organizacyjny morskich służb ratowniczych oparty o ich logistyczny nadzór ze strony Ratowniczego Centrum Koordynacyjnego (RCK), będącego ważnym elementem systemu GMDSS, na wstępie należało opracować sposób przekazywania wywołania alarmowego od użytkownika telefonu komórkowego znajdującego się na morzu do tego centrum, za pośrednictwem infrastruktury telekomunikacyjnej operatora sieci komórkowej.

Zatem koncepcja opisywanego systemu wywołania w niebezpieczeństwie wynika z zapewnienia technicznej współpracy pomiędzy siecią szkieletową systemu komórkowego i morskim centrum ratowniczym RCK. W świetle powyższego opracowano ogólny schemat funkcjonalny systemu alarmowego w postaci przedstawionej na rys. 1, gdzie pokazano wzajemne powiązanie obu wymienionych powyżej jego elementów składowych, przy czym rolę sterowania i nadzoru spełnia specjalny dodatkowy element o roboczej nazwie: moduł bezpieczeństwa na morzu (MBM).

W sensie funkcjonalnym przebieg realizacji usługi wywołania w niebezpieczeństwie przedstawia się w sposób opisany poniżej. Przede wszystkim, aby to było możliwe, użytkownik telefonu komórkowego powinien u operatora sieci komórkowej aktywować usługę dostępu do systemu wywołania w niebezpieczeństwie na morzu. Wówczas to, w okolicz-nościach wystąpienia zagrożenia, użytkownik ten przy użyciu swojego telefonu komór-kowego zgłasza wołanie o pomoc do Ratowniczego Centrum Koordynacyjnego RCK, wybierając na klawiaturze możliwie krótką i prostą serię umownych znaków - np. 112 [4]. Czynność ta oznacza wołanie o pomoc na morzu, co skutkuje generacją specjalnego sygnału wywołania w niebezpieczeństwie, który natychmiast zostaje skierowany do RCK. Następstwem tego jest uruchomienie odpowiednich procedur ratowniczych i podjęcie akcji przez właściwe jednostki ratownictwa morskiego.

Rys.1. Schemat funkcjonalny komórkowego systemu alarmowego na morzu.

Nieodłącznym elementem wywołania w niebezpieczeństwie jest przekazywanie infor-macji o położeniu zagrożonego użytkownika telefonu komórkowego, które to położenie powinno być wyznaczane w sposób zautomatyzowany bez udziału tego użytkownika. Ważne są także czas i dokładność, z jaką ono zostanie określone, przy czym czas ten zgodnie z wymaganiami powinien być bardzo krótki - rzędu kilku sekund, czego nie zapewnia system GPS.

2.2. Zasady współpracy komórkowego systemu alarmowego z Ratowniczym
Centrum Koordynacyjnym (RCK)

Podstawą działania opisywanego systemu alarmowego jest przyjęty sposób przepływu informacji pomiędzy poszczególnymi elementami tego systemu, co schematycznie przedstawiono na rys.2, gdzie określono poszczególne sygnały związane z realizacją usługi wywołania w niebezpieczeństwie.

Usługę tę zapoczątkowuje sygnał żądania o nazwie LESReq (Location Emergency
Service Request), wysyłany w stanie zagrożenia z telefonu komórkowego SR (stacja ruchoma) do sieci szkieletowej SS systemu telefonii komórkowej, gdzie następuje autory-zacja tego wywołania. Po dokonaniu tej autoryzacji wysyłane są dwa sygnały:

• jeden o nazwie LESAck (Location Emergency Service Acknowledgement), do telefonu komórkowego, co stanowi potwierdzenie przyjęcia wołania o pomoc,

• drugi o nazwie LReq (Location Request), do modułu MBM, w celu uruchomienia procedury wyznaczania lokalizacji tego telefonu.

Rys.2. Diagram przepływu informacji podczas realizacji
usługi wywołania w niebezpieczeństwie.

Procedura lokalizowania zagrożonego użytkownika odbywa się poprzez pomiary opóźnień propagacyjnych TDOA (Time Difference of Arrival), przeprowadzane w jego telefonie komórkowym lub w sieci szkieletowej, o czym będzie mowa w dalszej części tego artykułu. Realizację tej procedury zapoczątkowuje sygnał o nazwie TMReq (TDOA Measurement Request), który jest formowany w module MBM i wysyłany stamtąd do telefonu komórkowego. Wyniki tych pomiarów są przekazywane zwrotnie do modułu MBM w postaci sygnału raportu TMeasur (TDOA Measurements), gdzie na podstawie dostarczonych w ten sposób danych dokonuje się estymacji położenia telefonu. Z tą chwilą informacja o położeniu zagrożonego użytkownika w postaci sygnału o nazwie EReq (Emergency Request) zostaje przekazana do centrum ratowniczego RCK, które uruchamia omówioną akcję ratowniczą. W celu jej realizacji, do jednostki ratowniczej JR musi zostać przesłana informacja o miejscu, z którego przyszło wołanie o pomoc. Informację tę przekazuje się przy użyciu sygnału EData (Emergency Data).

Jest oczywiste, że w trakcie trwania akcji ratunkowej może się zmieniać położenie zagrożonego użytkownika i konieczna jest jego aktualizacja, którą inicjuje sygnał rozkazu o nazwie PReq (Position Request) wysyłany z jednostki ratowniczej do RCK. Rozkaz ten jest natychmiast przekazywany w postaci sygnału LSReq (Location Service Request) do modułu MBM, gdzie z kolei uruchamiane są opisane powyżej procedury przepływu informacji związane z wyznaczaniem bieżącej lokalizacji telefonu komórkowego będącego w posiadaniu zagrożonego użytkownika.

3. lokalizowanie telefonu komórkowego na morzu

Wyznaczanie położenia telefonu komórkowego w strefie przybrzeżnej na morzu można zrealizować przy użyciu metody hiperbolicznej stosowanej do niedawna powszechnie w  morskiej, która została także zaimplementowana w sieciach komórkowych do lokalizowania telefonów komórkowych na lądzie. Działanie tej metody opiera się na pomiarze opóźnień propagacyjnych pomiędzy telefonem komórkowym i co najmniej trzema stacjami bazowymi - stąd jej skrótowa nazwa OTDOA (Observed Time Difference of Arrival) [5, 6, 7]. Na podstawie tych pomiarów określa się trzy linie hiperboliczne, przecięcie których wyznacza położenie telefonu. W praktyce hiperbole te nie przecinają się w jednym miejscu, co wynika ze skończonej dokładności każdej metody pomiarowej, lecz otrzymuje się tzw. trójkąt błędu, którego powierzchnia obrazuje niedokładność pomiaru.

W celu określenia dokładności usługi lokalizowania telefonu komórkowego na morzu przeprowadzono badania symulacyjne opisanej procedury OTDOA, zaimplementowanej programowo w układzie trzech stacji bazowych rozmieszczonych równomiernie na linii brzegowej. Przedmiotem tych badań było określenie wpływu rozstawienia tych stacji oraz dokładności wyznaczania opóźnień propagacyjnych na dystrybuantę bezwzględnego błędu położenia telefonu. Błąd bezwzględny został zdefiniowany następująco:

(1)

gdzie x oraz y reprezentują współrzędne rzeczywiste telefonu, natomiast x₀ oraz y₀ jego współrzędne obliczone.

W przyjętym modelu symulacyjnym odległości pomiędzy stacjami bazowymi zmieniano w zakresie od 1 do 10 km, co odpowiada wartościom spotykanym w praktyce. Obszar poszukiwania na morzu położenia telefonu zagrożonego użytkownika ograniczono do 60 km od linii brzegowej (co odpowiada ok. 30 milom morskim). Tak określony obszar pokryto regularną siatką o boku 100 m, co stanowi o przyjętej rozdzielczości przeprowadzonych badań. Badania symulacyjne zostały wykonane dla dwóch dokładności wyzna-czania opóźnień propagacyjnych, tzn. dla 1/16 oraz 1/128 bita. Dodatkowo, wynik każdej symulacji został obarczony błędem o rozkładzie normalnym i odchyleniu standardowym równym 2dB, wynikającym z niedokładności w synchronizacji telefonu komórkowego z poszczególnymi stacjami bazowymi [8].

Otrzymane w wyniku badań symulacyjnych przebiegi dystrybuanty dla bezwzględnego błędu położenia telefonu komórkowego zlokalizowanego w analizowanym obszarze, we wszystkich węzłach opisanego modelu symulacyjnego oraz dla dwóch przyjętych dokładności wyznaczania opóźnień propagacyjnych (1/16 i 1/128 bita) - przedstawiono w postaci wykresów na rys.3 i rys.4. Parametrem na tych wykresach są odległości pomiędzy sąsiednimi stacjami bazowymi, uczestniczącymi w procesie estymacji położenia telefonu komórkowego.

Rys.3. Dystrybuanta bezwzględnego błędu położenia telefonu komórkowego.

Założenia: dokładność wyznaczania opóźnień propagacyjnych 1/16 bita,
odległości pomiędzy stacjami bazowymi: 2 km, 5 km i 8 km.

Rys.4. Dystrybuanta bezwzględnego błędu położenia telefonu komórkowego.

Założenia: dokładność wyznaczania opóźnień propagacyjnych 1/128 bita,
odległości pomiędzy stacjami bazowymi: 2 km, 5 km i 8 km.

Jak można się było spodziewać, im dokładność wyznaczania opóźnień propagacyjnych jest większa, tym mniejszy jest bezwzględny błąd wyznaczonego położenia telefonu
komórkowego. Widać też, że dokładność wyznaczania położenia telefonu komórkowego zależy też od odległości pomiędzy stacjami bazowymi. Większe odległości pomiędzy stacjami bazowymi zapewniają mniejsze błędy estymacji położenia telefonu komórkowego.

Na podstawie przeprowadzonych badań symulacyjnych widzimy, że z punktu widzenia przydatności opisanej powyżej metody OTDOA do estymacji położenia telefonu komórkowego w proponowanym systemie bezpieczeństwa na morzu odległość pomiędzy stacjami bazowymi powinna być niemniejsza niż 5 km i dokładność wyznaczania opóźnień propagacyjnych powinna wynosić 1/128 bita. Tak przyjęte założenia systemowe zapewniają w ponad 70 % przypadków błąd bezwzględny estymacji położenia telefonu komórko-wego mniejszy od 350 m, co w warunkach morskich wydaje się być wynikiem zadowala-jącym.

Na rys.5 przedstawiono funkcję rozkładu dla bezwzględnego błędu położenia telefonu komórkowego przy dokładności wyznaczania opóźnień propagacyjnych równej 1/128 bita. Na rysunku parametrem są odległości telefonu komórkowego od brzegu, natomiast odległości pomiędzy sąsiednimi stacjami bazowymi są stałe i wynoszą 5 km. Stacje bazowe umieszczone były na linii brzegowe.

Rys.5. Dystrybuanta bezwzględnego błędu położenia telefonu komórkowego.

Założenia: dokładność wyznaczania opóźnień propagacyjnych wynosi 1/128 bita, odległości telefonu komórkowego od brzegu wynoszą odpowiednio: 1 - 10 km, 10 - 20 km, 20 - 30 km, 30 - 40 km, 40 - 50 km, 50 - 60 km i 1 - 60 km;
odległości pomiędzy stacjami bazowymi wynoszą 5 km.

Z analizy uzyskanych rezultatów zestawionych na rys.5 wynika, że najdokładniejszą estymację położenia telefonu komórkowego uzyskujemy w obszarze przybrzeżnym, w odległości do 10 km od brzegu. Na obszarze tym, w 80% przypadków błąd estymacji położenia telefonu komórkowego będzie mniejszy niż 200m. Wraz z oddalaniem się telefonu komórkowego od linii brzegowej, a więc od linii położenia stacji bazowych sieci komórkowej, zwiększa się błąd estymacji położenia telefonu komórkowego.

4. PODSUMOWANIE

Opisana koncepcja systemu alarmowania w morskiej strefie przybrzeżnej, opartego o infrastrukturę telekomunikacyjną operatora sieci komórkowej, stanowi oryginalne uzupełnienie dotychczasowej formy ratownictwa morskiego.

Uruchomienie takiego systemu musi być poprzedzone analizą zasięgową przybrzeżnych stacji bazowych w strefie A1 akwenu Morza Bałtyckiego, popartą pomiarami natężenia pola elektrycznego, szczególnie na granicy zasięgu działania tych stacji. Szczególnie ważne jest wykonanie takiej analizy w sytuacjach, kiedy zagrożony użytkownik znajduje się w wodzie, co oznacza, że jego telefon komórkowy nie ma zapewnionych poprawnych warunków pracy. Dotychczas nie wykonywano tego rodzaju analiz. Następnym ważnym problemem jest opracowanie szczegółowych algorytmów lokalizowania telefonu komórkowego pracującego w opisanych warunkach, które można uznać za ekstremalne.

BIBLIOGRAFIA

1. Katulski R.J., Kosiński A., Pawłowski W., Żurek J.: Stan obecny i perspektywy radiokomunikacji morskiej. Przegląd Telekomunikacyjny, 12/1999, s. 816-820.

2. Katulski R.J., Kosiński A., Żurek J.: Perspektywy rozwoju nowoczesnej radiokomunikacji morskiej. Przegląd Telekomunikacyjny, 11/2001, s. 745-749.

3. Katulski R.J.: Współczesna łączność morska. Zeszyty Naukowe Wydziału ETI PG, 4/2004, s. 347-354.

4. Report on Implementation Issues Related to Access to Location Information by Emergency Services (E112) in the European Union. CGALIES, February 2002.

5. Chan Y.T., Ho K.C.: A simple and efficient estymator for hiperbolic location. IEEE Trans. on Signal Proccesing, vol. 42, 8/1994, pp. 1905-1915.

6. ETSI: Digital cellular telecommunications system (phase 2+): Location services (LCS); Broadcast network assistance for Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) and Global Positioning System (GPS) positioning methods. TS 144035 v. 5.0.1, 2002.

7. Stefański J., Gajewski S.: Lokalizowanie stacji ruchomej w systemie UMTS. Mat. konf. X Krajowe Sympozjum Nauk Radiowych - URSI, Poznań - 2002, 204-208.

8. Berg M.: Performance of Mobile Station Location Methods in a Manhattan Microcellular Environment. 3GW, San Francisco, USA, June 2001.

COASTAL CELLULAR DISTRESS SYSTEM

Summary

In the paper the maritime coastal distress system based on the cellular phone network is described. The functional description of the system is characterized. The problem of mobile phone location in a coastal see zone is analyzed. The simulation results are presented.

314

Ryszard J. Katulski, Rafał Niski, Jacek Stefański

315

Komórkowy system alarmowy w morskiej strefie przybrzeżnej

ZESZYTY NAUKOWE WYDZIAŁU ETI POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

Nr 3

Seria: Technologie Informacyjne

2005

---