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Location Based Services

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Präsentation zum Thema: "Location Based Services"—  Präsentation transkript:

1 Location Based Services
Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken Seminar ¾ LBS ¾ Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken ¾ ¾ Frank Gutmann

2 Inhalt Ein kurzer Überblick ¾ Einleitung ¾ Grundlagen ¾ Positionierungstechniken ¾ Zusammenfassung

3 ¾ bestehende Infrastruktur
Einleitung Motivation ¾ bestehende Infrastruktur ¾ Gewinnsteigerung der Netzbetreiber ¾ US-Gesetz: „E911“ » 125 m Genauigkeit Warum überhaupt Positionsbestimmung mit GSM/UMTS? Infrastruktur: bereits vorhanden Gewinnsteigerung: hohe Kosten: 50 Mrd. + Netzaufbau reinholen | Suche nach zusätzlichen Diensten US Gesetz 2001 schreibt vor: 125 m Genauigkeit

4 Geschichtliche Einordnung
Einleitung Geschichtliche Einordnung ¾ 1G – analoge Mobilfunknetze ¾ 1958 – 2000 » A/B/C-Netze ¾ 2G – digitales Mobilfunknetz ¾ seit 1992 » GSM ¾ 3G – digitales Mobilfunknetz ¾ seit 2002 » UMTS Analog >> jetzt digital => 15 Jahre GSM Anfang: nur 2 Mobiltelefone (Motorola(Bild rechts oben „der Knochen“)+Nokia) => Meinung der Fachleute: „Gott sende uns Mobiltelefone“ UMTS: 50 Mrd. Euro | Hans Eichel: "UMTS steht für »Unerwartete Mehreinnahme zur Tilgung von Staatsschulden«.„ Heute: 2,47 Mrd. Mobiltelefonnutzer (GSM+UMTS)

5 GSM (Global System for Mobile Communication)
Grundlagen GSM (Global System for Mobile Communication) ¾ Sprach- und Textübertragung » 9,6 kBit/s UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ¾ multimediale Dienste » 384 kBit/s (max. 2 MBit/s) zellbasierte Mobilfunknetze GSM: Telefonie + SMS Datenübertragungsgeschwindigkeit: 9,6 Kilobit pro Sekunde ausreichend Übergang: überall erreichbar sein, die Menschen wollten „mehr“, Unterhaltung UMTS: Video, MMS, Internet, Fernsehen Datenübertragungsgeschwindigkeit: geplant 2 Megabit pro Sekunde; momentan 384 Kilobit pro Sekunde >> GSM und UMTS sind zellulare Mobilfunknetze

6 ¾ Unterteilung in Zellen
Grundlagen Mobilfunknetze ¾ Unterteilung in Zellen ¾ Form ¾ Theorie: wabenförmig ¾ Praxis: kreisförmig ¾ Realität: ungleichmäßig ¾ Funkversorgungsbereiche überschneiden sich Sind in Zellen unterteilt wabenförmig: geplant kreisförmig: Physik ungleichmäßig: Berge, Gebäude, Bäume Überscheidungen: KEINE gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen

7 ¾ UMTS: Pikozelle: bis 100 m
Grundlagen Mobilfunknetze ¾ Zellgröße ¾ GSM900: 100 m – 35 km ¾ GSM1800: 100 m – 8 km ¾ UMTS: Pikozelle: bis 100 m Mikrozelle: bis 1 km Makrozelle: bis 2 km » Zellatmung Zellgröße nach Nutzerdichte, Land: große Zellen, Stadt: kleine Zellen GSM: fix, UMTS: variabel => Zellatmung GSM1800: hohe Frequenzen haben andere physikalische Eigenschaft: kleinere Reichweite oder mehr Leistung reinstecken UMTS: 2 GHz Frequenzen: deshalb kleine Zellen Zellatmung: bei starker Belastung (viele MT in Zelle) verkleinert sich Empfangsradius => „schrumpfen“ Garantie, dass jeder Nutzer genug Bandbreite zur Verfügung hat >> mehr BTS erforderlich Problem: Lücken? Empfang?; Nutzer ist plötzlich in anderer Zelle

8 GSM Netzwerkarchitektur
Grundlagen GSM Netzwerkarchitektur ¾ BTS („Basisstation“ / „Sende/Empfangsstation“ / „Antenne“) ¾ BSC („Steuereinrichtung“) BSS ¾ MSC („Vermittlungsstelle“) NSS BTS ¾ HLR („Heimat-datenbank“) VLR BSC ¾ VLR („Besucher-datenbank“) BTS MS MSC ¾ MS („Mobiltelefon“) BTS MS: Mobiltelefon, ist bei einer Basisstation eingewählt, hat aber Kontakt zu mehreren Basisstationen BTS (Base Tranceiver (Transmitter+Receiver) Station): Antenne, versorgt die Zelle mit Funksignalen BSC (Base Station Controller): Aufbau, Abbau, Aufrechterhaltung von Verbindungen; ein BSC hat viele BTS BSS (Base Station Subsystem): wird aus BTS + BSC gebildet MSC (Mobile Switching Center): Weiterleitung von Gesprächen ins Festnetz | ein MSC verwaltet viele BSC | mehrere MSC in einem Netzwerk HLR (Home Location Register): hier stehen die Nutzerdaten + momentane Cell ID (kommt aus VLR) | gibt es nur einmal pro Netzbetreiber VLR (Visitor Location Register): temporäre Datenbank | gibt es einmal pro MSC | wenn Zuständigkeitsbereich von MSC dann Nutzerdaten reinkopiert | entlastet Verbindungsstrecke | bei welcher BTS eingebucht > Cell ID NSS (Network Subsystem): MSC + HLR + VLR + weitere Komponenten bilden NSS HLR BSC BTS

9 UMTS Netzwerkarchitektur
Grundlagen UMTS Netzwerkarchitektur ¾ Node B („Basisstation“ / „Sende/Empfangsstation“ / „Antenne“) ¾ RNC („Steuereinrichtung“) BSS ¾ UE („Mobiltelefon“) NSS BTS VLR BSC BTS UE MSC RNS Node B UMTS wird auf GSM aufgebaut | BSS von GSM bleibt bestehen UE (User Equipment): Mobiltelefon Neu: RNS (Radio Network Subsystem): RNC + Node B RNC (Radio Network Controller): Aufgabe wie BSC bei GSM Node B: Antenne HLR RNC Node B

10 ¾ Frequenzduplex (Frequency Division Duplex, FDD)
Grundlagen Frequenzbänder (MHz) 890- 915 UL 935- 960 DL 1710- 1785 UL 1805- 1880 DL 1900- 1920 UL/DL 1920- 1980 UL 2020- 2025 UL/DL 2110- 2170 DL GSM900 GSM1800 UMTS Duplexverfahren ¾ Frequenzduplex (Frequency Division Duplex, FDD) ¾ Senden und Empfangen auf unterschiedlicher Frequenz zur gleichen Zeit ¾ Zeitduplex (Time Division Duplex, TDD) FDD: GLEICHZEITIG senden und empfangen | bei UL sendet nur Mobiltelefon bei DL nur BTS TDD: ein Frequenzband auf dem gesendet oder empfangen wird >> noch nicht genutzt Duplexabstände: GSM900: 45 MHz GSM1800: 95 MHz UMTS: 190 MHz Beispiel: mit 890 MHz senden und mit 935 MHz empfangen ¾ Senden und Empfangen auf der gleichen Frequenz aber zeitlich getrennt

11 Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD)
Grundlagen Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD) ¾ Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) ¾ Frequenzbänder unterteilt in 124 Kanäle à 200 kHz ¾ Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) ¾ ein Kanal in acht Zeitschlitze à 0,577 ms unterteilt Frequenz Frequenz Frequenz 123 123 ... ... ... ... 2 2 1 Wie können möglichst viele Nutzer bedient werden? >> Multiplexverfahren Zuerst werden Frequenzbänder aufgeteilt | dann Zeitschlitze eingeführt >> ein Nutzer kann in einem Zeitschlitz senden => EINE Frequenz => 8 Nutzer Insgesamt 992 Funkkanäle verfügbar (pro Zelle) [124*8] in der Theorie: in der Praxis 115, da noch Kanäle für Verwaltung und Sicherheitsabstand abgezogen werden müssen Überschneidungen 1 Zeit Zeit 1 2 3 4 5 6 7 Zeit 1 2 3 4 5 6 7

12 Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD)
Grundlagen Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD) Andere Ansicht Frequenzbänder >> Kanäle >> Zeitschlitze Mobiltelefon empfängt immer DREI Zeitschlitze später

13 Multiplexverfahren bei GSM1800 (nur FDD)
Grundlagen Multiplexverfahren bei GSM1800 (nur FDD) ¾ Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) ¾ Frequenzbänder unterteilt in 374 Kanäle à 200 kHz ¾ Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) ¾ ein Kanal in acht Zeitschlitze à 0,577 ms unterteilt Frequenz Frequenz Frequenz 373 373 ... ... ... ... 2 2 1 Gleicher Ablauf aber viel mehr Funkkanäle => EINE Frequenz => 8 Nutzer => 2992 Funkkanäle verfügbar (pro Zelle) [374*8] 1 Zeit Zeit 1 2 3 4 5 6 7 Zeit 1 2 3 4 5 6 7

14 Multiplexverfahren bei UMTS (FDD)
Grundlagen Multiplexverfahren bei UMTS (FDD) ¾ Codemultiplex (Code Division Multiple Access, CDMA) ¾ 128 verschiedene Codes verfügbar ¾ Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) ¾ Frequenzbänder unterteilt in 12 Kanäle à 5 MHz Frequenz Frequenz Code Code Frequenz 127 11 ... Es werden Codes vergeben. Jeder Nutzer erhält einen eindeutig identifizierbaren Code. Dann werden Frequenzbänder aufgeteilt Mobiltelefon sendet auf gleicher Frequenz zur gleichen Zeit mit anderem Code! => EINE Frequenz => 128 Nutzer 128 verschiedene Codes = 128 Nutzer pro Frequenz => 1536 Funkkanäle verfügbar (pro Zelle) [12*128] 11 ... ... ... Zeit Zeit Zeit

15 Multiplexverfahren bei UMTS (TDD)
Grundlagen Multiplexverfahren bei UMTS (TDD) ¾ Codemultiplex (Code Division Multiple Access, CDMA) ¾ 16 verschiedene Codes verfügbar ¾ Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) ¾ Frequenzbänder unterteilt in 5 Kanäle à 5 MHz ¾ Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) wegen TDD ¾ ein Kanal in 15 Zeitschlitze à 10 ms unterteilt Frequenz Frequenz Frequenz Code Code Frequenz 15 4 Es werden Codes vergeben. Jeder Nutzer erhält einen eindeutig identifizierbaren Code. Dann werden Frequenzbänder aufgeteilt und in Zeitschlitze eingeteilt Mobiltelefon sendet auf gleicher Frequenz in anderem Zeitschlitz mit anderem Code! Die 15 Zeitschlitze sind für up oder downlink frei wählbar Beispiel: 3 für uplink und 12 für downlink => EINE Frequenz => 240 Nutzer 16 verschiedene Codes => 128 Nutzer => 1200 Funkkanäle verfügbar (pro Zelle) [16*5*15] ... 4 ... ... ... ... Zeit Zeit Zeit ... 14 Zeit ... 14

16 ¾ Signalstärkeproblem
Grundlagen Signalstörungen ¾ Mehrwegproblem ¾ Reflektion ¾ Refraktion ¾ Streuung ¾ Beugung ¾ Signalstärkeproblem ¾ Abschattung Reflektion: Umleitung eines Signals (Häuserwand) => Signal kommt nicht oder verspätet an Refraktion: Signal wird gebogen (wie Wasser) => Signal kommt nicht oder verspätet an Streuung: Signal wird mehrfach zurückgeworfen (Gegenstände) => anderer Winkel, längere zeit, mehrfach | spitzer Winkel Beugung: Signal wird mehrfach zurückgeworfen (Gegenstände) => anderer Winkel, längere zeit, mehrfach | flacher Winkel Abschattung: abgeschwächtes Signal => falsche Signalstärke

17 Positionierungstechniken
¾ zellbasierte Verfahren ¾ Cell Of Origin ¾ Cell Of Origin mit Cell Sector ¾ Signalstärkemessung ¾ Received Signal Strength ¾ Winkelmessung ¾ Angle Of Arrival ¾ Laufzeitmessung ¾ Timing Advance / Round Trip Time Kurzer Überblick Einteilung ¾ Time Of Arrival ¾ Time Difference Of Arrival / Uplink Time Of Arrival ¾ Enhanced Observed Time Difference

18 Positionierungstechniken
Cell Of Origin ¾ Basisstation ist Position ¾ im Heimatregister gespeichert ¾ Genauigkeit ¾ GSM: 100 m – 35 km Zellgröße ¾ UMTS: 100 m – 2 km ¾ Vorteile ¾ einfach; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk ¾ Nachteile Im HLR kann die entsprechende Cell ID nachgeschaut werden bei der das Mobiltelefon eingebucht ist Problem: ungenau: Zellgröße 35 km!?!?! Problem: Mobiltelefon bucht sich in die Basisstation mit stärkstem Empfang oder mit billigstem Provider ein Bei Überlastung oder billigstem Provider bucht sich das Mobiltelefon in eine Basisstation weiter weg ein Problem: Zellatmung: kein Empfang ¾ ungenau; angegebene Basisstation muss nicht die nächste sein; Zellatmung

19 Positionierungstechniken
Cell Of Origin mit Cell Sector ¾ Zelle wird in drei 120°-Sektoren unterteilt ¾ Zellsektor ist Position ¾ Genauigkeit Zellgröße; auf Sektor beschränkt ¾ GSM: 100 m – 35 km ¾ UMTS: 100 m – 2 km ¾ Vorteile ¾ einfach; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk ¾ Nachteile Prinzip wie bei COO | wenn kleine Zellen gebraucht werden, mit mehr Kapazität dann Sektorisierung und keine neuen aufstellen Sendeleistung sparen | Kosten sparen >> weniger Basisstationen nur eine Gemeinsame BTS aber verschiedene Frequenzen Vorteile: Sektorisierung wird schon so geplant und keine Umrüstkosten ¾ ungenau; angegebene Basisstation muss nicht die nächste sein; Zellatmung

20 Positionierungstechniken
Received Signal Strength ¾ Ausgangssignalstärke bekannt ¾ Signalstärke nimmt quadratisch ab ¾ Genauigkeit ¾ GSM: 150 m ¾ UMTS: 150 m ¾ Vorteile ¾ genauer als COO; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk ¾ Nachteile Mobiltelefon sendet Signale an Basisstationen => BTS messen die ankommende Signalstärke und rechnen die Differenz in Meter um Probleme: Signalstärke kann durch Abschattung/Dämpfung verändert sein => falscher Rückschluss Problem: Mobiltelefon verringert Signalstärke je näher es an BTS ist ¾ Signalstärkeproblem; keine konstante Signalstärke beim Mobiltelefon

21 Positionierungstechniken
COO + CS + RSS ¾ Vereinigung von drei Methoden ¾ Genauigkeit ¾ GSM: 100 m – 150 m auf Sektor beschränkt ¾ UMTS: 100 m – 150 m Kombination

22 Positionierungstechniken
Angle Of Arrival ¾ Basisstationen mit speziellen Antennen aufrüsten ¾ Messung der Einfallswinkel an zwei Basisstationen ¾ Genauigkeit ¾ GSM: 125 m ¾ UMTS: 125 m ¾ Vorteile bekannte Distanz ¾ genauer als COO; keine Umrüstung an Mobiltelefon ¾ Nachteile Antennen mit Richtungscharakteristik: Einfallswinkel messen mit 2 BTS können die Distanzen zu dem Mobiltelefon berechnet werden Problem: TEUER (Aufstellen + Produktion) Problem: Mehrwegproblem, falsche Winkel, Nutzer bewegt sich ¾ teuer wegen Umrüstung des Netzwerks; Mehrwegproblem

23 Positionierungstechniken
Timing Advance (GSM) ¾ Sendezeitfenster muss eingehalten werden ¾ Mobiltelefon muss früher senden ¾ 1 Bit früher = 3,69 µs = 554 m ¾ Genauigkeit ¾ 554 m ¾ Vorteile ¾ keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk ¾ Nachteile Die BTS kann nur in einem bestimmten Zeitschlitz empfangen. Ist das Mobiltelefon weiter weg muss es früher senden damit das Signal rechtzeitig ankommt. Wie früh es senden muss teilt die BTS mit. Dies geschieht in Bit-Abständen. 1 Bit entspricht 3,7 Mikrosec = 554 m ¾ Präzision mittelmäßig

24 Positionierungstechniken
Round Trip Time (UMTS) ¾ Signallaufzeit von Basisstation zu Endgerät und zurück ¾ Genauigkeit ¾ 40 m ¾ Vorteile ¾ keine Zeitsynchronisation; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk 2 1 1 2 ¾ Nachteile 2 ¾ Zeitdifferenz zwischen Empfang und Senden beim Mobiltelefon 1 BTS sendet Signal an Mobiltelefon. Mobiltelefon sendet ein Signal an BTS zurück. BTS misst die Zeitdifferenz und kann mit der Lichtgeschwindigkeit die Distanz errechnen. Problem: Die Zeit zwischen dem Empfang und dem Senden beim Mobiltelefon!!!

25 Positionierungstechniken
Time Of Arrival ¾ Laufzeit vom Mobiltelefon zur Basisstation ¾ Genauigkeit ¾ GSM: 125 m ¾ UMTS: 100 m ¾ Vorteile ¾ hohe Präzision; keine Umrüstung an Mobiltelefon ¾ Nachteile Zeit vom MT bis BTS wird gemessen (Zeitstempel wird mitgeschickt) Strecke ist Zeit * Lichtgeschwindigkeit ( km/sec) >> FORMEL Es ergeben sich Kreise um die BTS deren Schnittpunkt die Position des MT ist. -genau synchronisierte Uhren -Aufrüstung des Netzwerks mit lokalen Messeinheiten (LMU, Local Measurement Units) (speichert Positionsrohdaten) an Basisstation angeschlossen und (SMLC, serving mobile location center) (errechnet Position) an MSC angeschlossen -Mehrwegproblem: Signal braucht länger oder kommt nur durch Umweg zur BTS ¾ Umrüstung des Netzwerks (LMU und SMLC); Mehrwegproblem; genau synchronisierte Uhren; Mobilstation muss Kontakt zu mindestens drei Basisstationen haben

26 Positionierungstechniken
Time Difference Of Arrival ¾ Basisstationen messen Laufzeitdifferenzen Hyperbel A,C A B C A,B ¾ Genauigkeit ¾ GSM: m ¾ UMTS: m ¾ Vorteile ¾ hohe Präzision; keine Umrüstung an Mobiltelefon; nur Basisstationen müssen synchron sein ¾ Nachteile dA,B = Differenz von MS nach A – MS nach B V = Lichtgeschwindigkeit tA,B = Zeit von MS nach A – Zeit von MS nach B hinterer Teil berechnet Position von MT => x,y | XA,YA = A | XB,YB = B Weitere Gleichung benötigt: mit BTS C => zweite Hyperbel => zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten => lösen Vorteil: keine aufwändige Synchronisation mit dem MT ¾ Umrüstung des Netzwerks (LMU und SMLC); Mehrwegproblem; Mobilstation muss Kontakt zu mindestens drei Basisstationen haben

27 Positionierungstechniken
Enhanced Observed Time Difference ¾ Mobiltelefon misst Laufzeitdifferenzen ¾ Genauigkeit Hyperbel A,C A B C A,B ¾ GSM: m ¾ UMTS: m ¾ Vorteile ¾ hohe Präzision; keine Umrüstung des Netzwerks ¾ Nachteile ¾ Umrüstung an Mobiltelefon; Mehrwegproblem; Mobilstation muss Kontakt zu mindestens drei Basisstationen haben BTS senden Signal gleichzeitig an MT. MT bildet aus Ankunftszeiten Differenzen. Anhand dieser Laufzeitdifferenzen können wiederum 2 Hyperbeln berechnet werden, die die Position exakt bestimmen.

28 Positionierungstechniken
Vergleich Verfahren Präzision Kosten GSM UMTS COO 100 m – 35 km 100 m – 2 km - COO+CS RSS 150 m AOA 125 m neue Antennen TA / RTT 554 m 40 m TOA 100 m NW aufrüsten TDOA 50 – 150 m 5 – 20 m EOTD MT aufrüsten Netzwerk aufrüsten wird nur gemacht wenn das Netz gewartet/renoviert werden muss

29 ¾ Kinder-Ortung für Eltern
Zusammenfassung Anwendungsbeispiele ¾ Notrufe ¾ Kinder-Ortung für Eltern ¾ Fahrzeugüberwachung ¾ Finden von Hotels/Tankstellen/Restaurants/Kaufhäusern ¾ Wetterwarnungen ¾ Flottenmanagement „Killerapplikation“ für UMTS » LBS? Diverse Möglichkeiten zB Notrufe wie vom US-Gesetz gefordert Ist exakte Position überall notwendig? zB Wetter, Flottenmanagement reicht ungefähre Angabe UMTS hat Absatzprobleme >> Suche nach Killerapplikation Absatzprobleme weil es Erweiterungen für GSM gibt mit denen auch Multimedia Anwendungen möglich sind

30 Zusammenfassung Einsatz ¾ in Deutschland: ¾ bisher wird nur Cell Of Origin genutzt ¾ Beispiel: O2 Genion „Homezone“ ¾ in den USA: ¾ alle Verfahren werden genutzt TOA, TDOA, EOTD bieten bei UMTS gute Präzision nicht gut genug; GPS präziser

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
The End ... noch Fragen ? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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