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Text File  |  2000-02-16  |  21.8 KB  |  351 lines

  1. -->[OO]::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  2. -->]OO[::[ Wireless E-9-1-1 ]::::::::[OO--[ by digiphreq ]-------------------
  3. -->]OO[::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  4.  
  5.  
  6. Wireless Enhanced 9-1-1 Service- Architecture and future.
  7. By Digiphreq <digiphreq@webcrunchers.com>
  8. Darkcyde Communications 5/8/99
  9. darkcyde.8m.com
  10.         
  11.         "A nerd is somebody who's life is focused on computers 
  12.         and technology.  A geek is somebody who's life is focused
  13.         on computers and technology and likes it that way."
  14.  
  15.  
  16. Ye Ol'' Table of Contents
  17. I. Introduction
  18. II. A Bit of History
  19. III. FCC Regulations on Wireless 9-1-1
  20. IV. Common Wireline 9-1-1 Service
  21. V. Issues on How to Make Wireless 9-1-1 Work
  22.     1. Stage 1
  23.     2. Stage 2
  24. VI. Long Term & Conclusion
  25.  
  26.     I. Introduction:    
  27. As you probably very well know Enhanced 9-1-1(E9-1-1) is the most common for
  28. of 9-1-1 these days.  It is possible to find B9-1-1, if you live in the
  29. middle of no where...  Anyway today wireline E9-1-1 relays all the important
  30. info on you.  Location, name, and the telephone number to the dispatch
  31. telecommunicator which then accurately routes your call to the proper
  32. Emergency Dispatch Station.  In theory this makes the whole process faster,
  33. as to get you help quicker.  Which is often not the case.  With the current
  34. day workings of wireless networks, E9-1-1 isn't really possible. They have
  35. begun to incorporate technologies to support it though.  This is all because
  36. of a bunch of new regulations which the FCC placed on wireless
  37. communications, which called for an improvement of the use of E9-1-1.
  38. Originally in 1996 they created a two stage time line, which I will be
  39. explaining later.  A quick overview is that Stage one will require wireless
  40. networks to provide the user's call back number and the location including
  41. which cell sector they are in.  Stage two allows for a more precise pin point
  42. of the caller's location, which requires a bit more hardware and technology.
  43. I will touch on a brief history of Wireline E9-1-1 service, Wireless E9-1-1
  44. service operations(how it should work), and a more detailed overview of the
  45. Two stage process involved in upgrading the current Wireless system.
  46.  
  47.  
  48.     II. A bit of History:    
  49. The first 9-1-1 service, was introduced in Alabama in 1968.  It's also known
  50. as Basic 9-1-1 or B9-1-1.  This was a very primitive version of E9-1-1 which
  51. only routed your call to a local police station.  In the 1980's B9-1-1 was 
  52. enhanced and there was the introduction of E9-1-1.      
  53.  
  54.                       Database             Automatic
  55.           _           Management            Location
  56.          / \          System               Info |   
  57.         /   \              |                    |
  58.         _____              |                    |
  59.        :     :         Emergency                |
  60.        :     :          Service                 |
  61.        :_____:          Adjunct                 |
  62.           |                 |                   |
  63.           |                 |                   |
  64.           |                 |                   |
  65.           |            5ESS switch              |
  66.        Central               E9-1-1             |  
  67.         Office _________selective_____________PSAP    
  68.                          router                   \
  69.                        (routes Ani)                \___ Displays: 
  70.                                                         Location
  71.                                                         Call back #
  72.                                                         Mapping Location
  73.  
  74. As you can see (sort of) when a residential or commerce line dials 911, there
  75. call goes to the central office switch which routes their call to a E9-1-1
  76. selective router.  Which then routes the call to the correct PSAP based on
  77. the user's telephone number.  The phone number is passed from the PSAP to the
  78. Customer Premises Equipment (CPE), which it uses to look up an Automatic
  79. Location Information (ALI) database for the user's name and address.  On top
  80. of all this the user's line number is then used as the call back number in
  81. case the caller accidentally hangs up(Ex. the killer hangs up the phone for
  82. them...) or the PSAP dispatcher needs to call the user back.
  83.  
  84.  
  85.     III. FCC Regulations on Wireless 9-1-1
  86. (This Was Borrowed)
  87. Points of Interest in the FCC Ruling Over Wireless 9-1-1
  88. -Wireless carriers must support call routing based on cell sector,
  89. and they must also convey information sufficient to enable the PSAP to call
  90. back the 9-1-1 caller(that is transmit the calling party number) within 18
  91. months of the ruling's effective date.  This requirement is sometimes called
  92. Stage 1.
  93. -Carriers must support deployment of technology to determine a caller's 
  94. location within 125m of accuracy for 67% of all wireless 9-1-1 calls  
  95. within five years effective date.  Support of a specific location 
  96. determination, which will require PSAPs to be able to handle coordinates 
  97. rather than street addresses, is sometimes called Stage 2.
  98. -The FCC will entertain waivers on a case by case basis for not complying                
  99. with the rules. 
  100. -Any call from a handset having a MIN must be transmitted to 9-1-1 even if 
  101. the handset no longer has valid service.  The call may not be intercepted 
  102. or blocked.  The local PSAP may decide whether or not to receive calls from 
  103. non-MIN telephones, for example phones that were never service activated.  
  104. if a    PSAP requests these calls, the carrier is supposed to provide them.
  105. -The ruling applies to cellular, broadband PCS, and geographic area SMR 
  106. providers (meaing SMRs that provide mass market services).  Systems 
  107. provided 
  108. by movile satellite communications vendors, such as Motorola's Iridium, are 
  109. not covered by this ruling.Because it is not a federal issue, the FCC has 
  110. determined that localities and states should plan for cost recovery at           
  111. their levels.  Details of subsidization for deployment and nonsubscriber         
  112. calls must      be negotiated on local level (State or municipality, similar 
  113. landline 9-1-1 subsidization).  Funding should be available for both basic       
  114. and enhanced 9-1-1.
  115. Conditions for Compliance:
  116. 1. PSAPs must request and be ready to handle wireless location information.
  117. 2. A cost recovery mechanism (negotiated at the local level) must be in place.
  118. PSAP Choices:
  119. Because of the two conditions for compliance PSAPs effectively choose 
  120. implementation dates.  
  121. PSAPs also get to choose whether they want to handle calls from handsets
  122. without MINs.
  123. Further Rulings for the Future:
  124. - Tightening of location accuracy requirements to 40 feet 90% of the time,
  125. - Availability of altitude information,
  126. - Performance criteria on time for calling completion,
  127. - Consumer Education programs for wireless 9-1-1,
  128. - Possible reconsideration of issues of PSAP choice, and
  129. - Possible requirement that the strongest signal must carry the 9-1-1 call.
  130.         
  131.     IV. Common Wireline 9-1-1 Service
  132. Today in most areas wireless communication networks have the ability to run
  133. off of B9-1-1.  This is because of the AUTOPLEX 1000 System.  Basically a
  134. caller can dial 9-1-1 and be connected to the proper ASAP based on the
  135. location of the serving cell.  Location routing is accomplished with a digit
  136. by digit method.  Which allows Automatic Number Identification (ANI) for
  137. Centralizing Automatic Message Accounting (CAMA) signaling to field a number
  138. corresponding to the serving cell.  Upon arrival at the E9-1-1 selective
  139. router the field issued to show the PSAP for that area.  The call is then
  140. routed.  An alternative to this would be to populate the ANI field with a
  141. 7-digit dial-back number as opposed to the location information.  The E9-1-1
  142. selective router then assigns the incoming trunk one of four NPAs.  The
  143. remaining seven NPAs complete the 10-digit dial-back number.  
  144.  
  145.     V. Issues on How to Make Wireless 9-1-1 Work:
  146. There are several wireless problems which limit the use of E9-1-1.  First
  147. CAMA trunk signaling transmits one 8-digit telephone number to the PSAP. This
  148. causes problems because it can only have 4 NPAs, and therefore cannot give
  149. caller identification while wireless subscribers are roaming.  Second the
  150. caller's telephone number cannot be used to route a wireless E9-1-1 call
  151. since the caller's location depends on the Mobile Directory Number (MDN).
  152. Since a real street address cannot be associated with a MDN, the dispatcher
  153. cannot dispatch emergency services.  So while this could seem kind of
  154. hopeless its really not.  A lot of other ways have been devised to handle
  155. this all.  Which commonly involve in band analog MultiFrequency (MF)
  156. signaling.  I'll start out with some bad idea's then explain the good one.
  157. There was the Group D signaling solution.  It was first intended for equal
  158. access upon long distance calls.  It was able to support both a 10-digit ANI
  159. and a 10-digit dialed-digits field.  Essentially the dialed-digits field
  160. could be used for the location information. The problem with this method(and
  161. you knew the would be a problem...) is that it cannot support an interface
  162. between a Mobile Switching Center (MSC) to the selective router as does
  163. Signaling System 7 (SS7).  Next there was a method which used a conversion to
  164. CAMA from Group D signaling.  This method is fairly complicated and really is
  165. degrading with performance, which makes it a bad choice... here goes an
  166. explanation.  With the idea that MSC cannot provide SS7 connectivity with the
  167. PSTN and the 9-1-1 selective router cannot support SS7 or Group D signaling
  168. for 9-1-1 call processing.  With a Group D to CAMA translation device between
  169. MSC and the selective router, it could provide signaling conversion. The
  170. translation device has a third field which sends the 10-digit dial-back
  171. number and location information to the ALI database during call set up.  The
  172. device send s a special 7-digit key value in the ALI field to the selec
  173. tive router.  Basically then this key would represent the cell from which the
  174. call was placed to the router.  Then the 7-digit key field is routed to the
  175. PSAP during the setup.  Meanwhile the ALI runs a check by the PSAP using this
  176. keys value or field, then it would return the real 10-digit MDN.  Next we
  177. have a expanded CAMA signaling solution which has no practical reason for
  178. existing.  It just won't work.  I'll explain it anyway.  The existing CAMA
  179. interswitch 9-1-1 signaling maybe built upon to support a 10-digit ANI and
  180. 10-digit location number.  This requires some modifications to be made to the
  181. current PSAP hardware and the 9-1-1 selective router.  This would cause a
  182. degradation of the performance due to extra MF signaling involved.  Finally
  183. we have the practical solution which is what was used mainly for the Stage 1
  184. process.  Which is a solution through SS7, which should make hybrid's day.
  185. He just can't seem to get enough on SS7.  The use of SS7 will be explained in
  186. my explanation of what Stage 1 was.
  187. Stage 1:
  188.     Basically an entirely new architecture is needed.  The common setup
  189. was to distribute the service processing across the AUTOPLEX System 1000
  190. MSC, 5ESS-2000 Switch, Emergency Services Adjunct (ESA), ALI database,
  191. associated database management system, and the PSAP CPE.  The MCS used ISDN-
  192. UP Signaling to convey a 10-digit dial-back number in the charge number
  193. parameter, as well as location information in the caller party number.  The
  194. 9-1-1 selective router uses the location information to route the call to the
  195. appropriate PSAP.  An ISDN PSAP is required to receive and use both the 10-
  196. digit dial-back number and the location information.  Some major improvements
  197. to the AUTOPLEX System 1000 were put in to affect for Stage 1.  The CAMA
  198. signaling is replaced with ISDN-UP which has the obvious advantages of being
  199. able to transmit both dial-back number and the location information as
  200. opposed to CAMA signaling 8-digit information.  Also CAMA signaling only
  201. supported a 7-digit calling party number unique with one of four area codes,
  202. where as ISDN-UP will support the full 10-digit calling party number.
  203. Another major change was in MSC, which was to then use ISDN-UP signaling as
  204. well.  Which could convey a 10-digit dial-back number in the charge field and
  205. a 10-digit routable Directory Number (DN) which represents the cell location
  206. and originating service provider in the called party number field.  Basically
  207. this is used to reach roaming customers.  The use of a DN allows a call to be
  208. routed through the PSTN to the E9-1-1 selective router grouped with the PSAP
  209. without direct connection trunks.  The E9-1-1 selective router then selects
  210. the appropriate PSAP based on the serving cell, call type, and some other
  211. less important criteria.  To support this, the dialed-digit routing
  212. capability must be integrated with the 5ESS-2000 switch E9-1-1 feature, thus
  213. allowing these calls to be routed using the called party number rather than
  214. the ANI.  Location information, dial back number, and service provider are
  215. forwarded to the PSAP via ISDN during call setup.  An ISDN PSAP is required
  216. to receive and use both the dial back number and location information encoded
  217. in the dialed digits.  In the case where the PSAPs cannot support ISDN and
  218. enhanced adjunct processor interface (API) will provide the ability to
  219. support existing PSAP CPE, which uses CAMA in-band signaling.  The
  220. information received via enhanced SS7 ISDN-UP from the MSC to the 5ESS-2000
  221. will be forwarded over the API when the ESA queries made for routing
  222. information.  The information will then be forwarded to the ALI over a new
  223. ESA to ALI interface.  The 5ESS switch will then pass a unique 7-digit key
  224. value to the PSAP in the ANI field.  When the ALI is queried by the PSAP with
  225. this value, the location, service provider and dial back number is returned
  226. to the PSAP.  The PSAP equipment would need to be enhanced to provide the
  227. caller's location to the telecommunicator using a textual method whereby the
  228. called party number is used to query the ALI database, which provides
  229. location and identification of the cell/sector.  Alternatively, Geographic
  230. Information Systems (GIS) can be used to provide a geographic representation
  231. of a caller's approximate location on a computer-generated map.  The PSAP GIP
  232. map displays provide the dispatcher with visual identification of the
  233. caller's location (their cell/sector) in perspective of other important
  234. geological locations.  The displays can pinpoint roads, addresses, buildings,
  235. houses, ems dispatch vehicles, fire hydrants, cell sites, and the service
  236. boundaries to emergency services.  Ok so since this was originally put to use
  237. back in 96 and was to last as a period for approximately 18 months, it has
  238. for the most part gone in to affect in most areas.  It's hard to say though,
  239. depending on the area....
  240.  
  241.  
  242. Stage 2: 
  243.     Stage 2 is basically just an architectural build on what was created
  244. in Stage 1.  The implementation was to last near 5 years.  Stage 2 would
  245. bring new GIS capabilities along which would work better with the wireless
  246. E9-1-1 system. During this stage the geolocation system was required to meet
  247. the FCC's 5 year requirements for wireless E9-1-1.  So the wireless system
  248. could communicate with the geolocation system to determine the position of a
  249. target mobile terminal (which has dialed 9-1-1).  Alternatively, if the
  250. wireless system recognizes a mobile telephone equipped with GPS the mobile
  251. terminal could provide its current location via new air interface messages.
  252. Several technologies have been proposed to meet the FCC's long term mobile
  253. locating requirements for wireless E-9-1-1 systems.  To meet the needs of the
  254. 9-1-1 community that is to those who provide the emergency response service
  255. to the public, the existing base of mobile phones must be supported without
  256. modification.  Promising technologies proposed for this purpose include time
  257. difference of arrival and direction of arrival triangulation systems.  Each
  258. has its advantages depending on the physical environment in which it is
  259. targeted to be deployed.  In addition, advances in GPS receiver technology
  260. have made it possible to integrate GPS with wireless telephones.  Which has
  261. been recently brought somewhat into the commercial market.  If the mobile
  262. terminal knows its location, it makes sense to use this information for the
  263. E9-1-1 system because the GPS is potentially much more accurate than a
  264. location determined by means of time difference of arrival and direction of
  265. arrival triangulation.  The geolocation information (latitude, longitude,
  266. altitude, and accuracy) will be integrated in an SS7/ISDN-UP and ISDN call
  267. set-up message for the 9-1-1 call.  At this point in the evolution, SS7/ISDN-
  268. UP and the Transaction Capabilities Application Part (TCAP) signaling
  269. protocols will be modified to support transmission of the location
  270. information from the wireless system to the selective router.  ISDN-UP will
  271. be used for delivery of location information with call set-up while TCAP
  272. messages will be used to support caller location tracking, which requires
  273. location updates during a call.  Regardless of the location technology used
  274. by a wireless service provider, the location information will be passed
  275. through the network and used in a standard way.  Therefore, the E9-1-1
  276. communications network infrastructure will remain implemented in the wireless
  277. network.  Although not required by FCC rule making, the new location
  278. information can be used to route a call to a PSAP accurately.  Upgrades to
  279. support this capability include geolocation routing capabilities that will be
  280. integrated into the 5ESS-2000 switch's E9-1-1 feature, the ESA, and the DBMS.
  281. Once again, the information is delivered to the PSAP, and computer aided
  282. dispatch systems with GIS mapping will used to portray the information in a
  283. way that makes it easily understandable by the telecommunicator and
  284. responding emergency personnel.  In turn, the improved location information
  285. will be reflected in the GIS map display with a pinpointed location and
  286. associated accuracy representation.  A GIS based service administration
  287. capability will proceed the ability to define and dynamically change
  288. municipal jurisdictional boundaries and emergency service zones via a
  289. computerized map interface.  This administration system will indirectly
  290. maintain the call routing data used by the 9-1-1 selective router.  The
  291. process will simplify the administration of the 9-1-1 service by eliminating
  292. the need to share cell/sector location data among wireless, local exchange,
  293. and emergency service providers.  In this environment, base station
  294. reconfigurations by a wireless service provider will no longer affect the
  295. data maintained in the PSTN and PSAP providing the end-to-end E9-1-1 service.
  296. Onward to my brief explanation of triangulation and geolocations.  Network
  297. based triangulation methods of location (TDOA and DOA) require that at least
  298. two DOA or three TDOA receivers locate the target mobile terminal and that
  299. some technique be available to resolve ambiguities caused by multipath
  300. propagation.  These requirements may be difficult to meet in many wireless
  301. environments causing the accuracy of the locating system to be degraded or
  302. making system deployment cost prohibitive.  For example, in rural
  303. environments, cell sites cover very large geographical areas, often resulting
  304. in marginal voice coverage on the fringes of the cells.  In such areas, it is
  305. unlikely that receivers in multiple cell sites would "see" the mobile
  306. terminal, thereby, making it difficult or impossible to establish the
  307. caller's location.  This problem could be worked around by adding
  308. supplementary location receivers, although such deployment might be very
  309. costly for rural wireless service providers.  Furthermore, in dense urban
  310. areas, the effect of multipath propagation becomes a dominant factor in
  311. deterioration of the accuracy of the locating system.  Multipath propagation
  312. refers to multiple copies of the same transmitted signal are received by an
  313. antenna.  Usually, the first signal arrives via the most direct path from the
  314. transmitter.  Additional copies of the signal are received at later times,
  315. ranging from hundreds of nanoseconds to tens of microseconds later, and they
  316. then overlap the first signal.  These copies result from the reflection of
  317. the original signal from various objects, such as buildings and vehicles.
  318. The effects of multipath propagation particularly in cities can degrade the
  319. precision of the location estimate to such a point that no added benefit can
  320. be gained over visually reporting the serving cell/sector location because
  321. urban environments often have relatively dense micro cell grids for their
  322. wireless networks.  These problems are difficult to overcome without some
  323. assistance from the mobile telephone.  Whether or not the FCC requirement of
  324. 125m accuracy will be technically or economically feasible in such
  325. environments is not clear.
  326.  
  327.  
  328.     VI. Long Term & Conclusion
  329. Although recent FCC ruling only requires location accuracy of 125m in 67% of
  330. all cases, the public safety community often requires even more accurate
  331. information.  Ideally an emergency unit responding to a 9-1-1 call would know
  332. exactly in which room in a skyscraper which the incident is occurring or has
  333. occurred(using for instance the ISDN-UP altitude parameter).  Clearly this
  334. level of accuracy cannot be achieved cost effectively with unmodified
  335. wireless phones and today's technology.  With new technology and assistance
  336. from the mobile terminal, however future land based location systems will be
  337. able to provide much better accuracy than that of the FCC Stage 2
  338. requirements.  Although such systems are not available today, several
  339. concepts have been proposed for example signpost location beacons and
  340. specialized signaling schemes optimized for location purposes.  Whatever
  341. scheme becomes dominant as the technology matures, the pursuit of standard
  342. implementations is important.  This will insure that the cost as sociated
  343. with an improved wireless E9-1-1 system are reduced. Basically really from a
  344. safety stand point all this is really fine in my opinion.  It will help save
  345. other people and possibly yourself one day.  Meanwhile this isn't really a
  346. cell user's friend.  This gives the wireless service providers more control
  347. over you with this type of technology, which can be looked at as a very bad
  348. thing.  Anyway, peace.
  349.  
  350.  
  351.