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

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

2 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 2 Inhalt Ein kurzer Überblick Einleitung Grundlagen Positionierungstechniken Zusammenfassung

3 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 3 Motivation bestehende Infrastruktur Einleitung US-Gesetz: E911 » 125 m Genauigkeit Gewinnsteigerung der Netzbetreiber

4 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 4 Geschichtliche Einordnung 3G – digitales Mobilfunknetz 1G – analoge Mobilfunknetze 2G – digitales Mobilfunknetz Einleitung seit 2002 » UMTS 1958 – 2000 » A/B/C-Netze seit 1992 » GSM

5 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 5 GSM (Global System for Mobile Communication) Sprach- und Textübertragung » 9,6 kBit/s Grundlagen UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) multimediale Dienste » 384 kBit/s (max. 2 MBit/s) zellbasierte Mobilfunknetze

6 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 6 Mobilfunknetze Unterteilung in Zellen Grundlagen Funkversorgungsbereiche überschneiden sich Form Theorie: wabenförmig Praxis: kreisförmig Realität: ungleichmäßig

7 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 7 Mobilfunknetze Grundlagen Zellgröße GSM900: 100 m – 35 km GSM1800: 100 m – 8 km UMTS:Pikozelle: bis 100 m Mikrozelle: bis 1 km Makrozelle: bis 2 km » Zellatmung

8 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 8 GSM Netzwerkarchitektur Grundlagen BTS (Basisstation / Sende/Empfangsstation / Antenne) BSC (Steuereinrichtung) MSC (Vermittlungsstelle) HLR (Heimat- datenbank) VLR (Besucher- datenbank) MS (Mobiltelefon) VLR HLR MSC BSC BTS NSS BSS MS

9 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 9 UMTS Netzwerkarchitektur Grundlagen Node B (Basisstation / Sende/Empfangsstation / Antenne) RNC (Steuereinrichtung) UE (Mobiltelefon) VLR HLR MSC BSC RNC Node B BTS NSS BSS UE RNS

10 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 10 Frequenzbänder (MHz) Grundlagen Duplexverfahren UL DL UL DL UL/DL UL UL/DL DL GSM900GSM1800UMTS Frequenzduplex (Frequency Division Duplex, FDD) Senden und Empfangen auf unterschiedlicher Frequenz zur gleichen Zeit Zeitduplex (Time Division Duplex, TDD) Senden und Empfangen auf der gleichen Frequenz aber zeitlich getrennt

11 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 11 Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD) Grundlagen Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) Frequenzbänder unterteilt in 124 Kanäle à 200 kHz ein Kanal in acht Zeitschlitze à 0,577 ms unterteilt Frequenz Zeit Frequenz Zeit Frequenz Zeit

12 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 12 Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD) Grundlagen

13 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 13 Multiplexverfahren bei GSM1800 (nur FDD) Grundlagen Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) Frequenzbänder unterteilt in 374 Kanäle à 200 kHz ein Kanal in acht Zeitschlitze à 0,577 ms unterteilt Frequenz Zeit Frequenz Zeit Frequenz Zeit

14 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 14 Multiplexverfahren bei UMTS (FDD) Grundlagen Codemultiplex (Code Division Multiple Access, CDMA) 128 verschiedene Codes verfügbar Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) Frequenzbänder unterteilt in 12 Kanäle à 5 MHz Frequenz Zeit... Code Frequenz Zeit Frequenz Zeit Code

15 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 15 Multiplexverfahren bei UMTS (TDD) Grundlagen Codemultiplex (Code Division Multiple Access, CDMA) Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access, TDMA) ein Kanal in 15 Zeitschlitze à 10 ms unterteilt Frequenz Zeit140 Frequenz Zeit Frequenz Zeit... Code Frequenz Zeit Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA) Frequenzbänder unterteilt in 5 Kanäle à 5 MHz 16 verschiedene Codes verfügbar wegen TDD 15 0

16 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 16 Signalstörungen Mehrwegproblem Grundlagen Signalstärkeproblem Abschattung Reflektion Refraktion Streuung Beugung

17 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 17 Positionierungstechniken zellbasierte Verfahren Positionierungstechniken Signalstärkemessung Winkelmessung Laufzeitmessung Cell Of Origin Cell Of Origin mit Cell Sector Received Signal Strength Angle Of Arrival Timing Advance / Round Trip Time Time Of Arrival Time Difference Of Arrival / Uplink Time Of Arrival Enhanced Observed Time Difference

18 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 18 Cell Of Origin Basisstation ist Position Positionierungstechniken im Heimatregister gespeichert Genauigkeit GSM: 100 m – 35 km UMTS: 100 m – 2 km Zellgröße Vorteile einfach; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk ungenau; angegebene Basisstation muss nicht die nächste sein; Zellatmung Nachteile

19 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 19 Cell Of Origin mit Cell Sector Zelle wird in drei 120°-Sektoren unterteilt Positionierungstechniken Zellsektor ist Position Genauigkeit GSM: 100 m – 35 km UMTS: 100 m – 2 km Zellgröße; auf Sektor beschränkt Vorteile einfach; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk ungenau; angegebene Basisstation muss nicht die nächste sein; Zellatmung Nachteile

20 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 20 Received Signal Strength Ausgangssignalstärke bekannt Positionierungstechniken Signalstärke nimmt quadratisch ab Genauigkeit GSM: 150 m UMTS: 150 m Vorteile genauer als COO; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk Signalstärkeproblem; keine konstante Signalstärke beim Mobiltelefon Nachteile

21 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 21 COO + CS + RSS Vereinigung von drei Methoden Positionierungstechniken Genauigkeit GSM: 100 m – 150 m UMTS: 100 m – 150 m auf Sektor beschränkt

22 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 22 Angle Of Arrival Basisstationen mit speziellen Antennen aufrüsten Positionierungstechniken Genauigkeit GSM: 125 m UMTS: 125 m Vorteile genauer als COO; keine Umrüstung an Mobiltelefon teuer wegen Umrüstung des Netzwerks; Mehrwegproblem Messung der Einfallswinkel an zwei Basisstationen Nachteile bekannte Distanz

23 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 23 Timing Advance (GSM) Sendezeitfenster muss eingehalten werden Positionierungstechniken Genauigkeit 554 m Vorteile keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk Präzision mittelmäßig Mobiltelefon muss früher senden 1 Bit früher = 3,69 µs = 554 m Nachteile

24 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 24 Round Trip Time (UMTS) Signallaufzeit von Basisstation zu Endgerät und zurück Positionierungstechniken Genauigkeit 40 m Vorteile keine Zeitsynchronisation; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk Zeitdifferenz zwischen Empfang und Senden beim Mobiltelefon Nachteile

25 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 25 Time Of Arrival Laufzeit vom Mobiltelefon zur Basisstation Positionierungstechniken Genauigkeit GSM: 125 m UMTS: 100 m Vorteile hohe Präzision; keine Umrüstung an Mobiltelefon Umrüstung des Netzwerks (LMU und SMLC); Mehrwegproblem; genau synchronisierte Uhren; Mobilstation muss Kontakt zu mindestens drei Basisstationen haben Nachteile

26 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 26 Time Difference Of Arrival Basisstationen messen Laufzeitdifferenzen Positionierungstechniken Genauigkeit GSM: m UMTS: m Vorteile hohe Präzision; keine Umrüstung an Mobiltelefon; nur Basisstationen müssen synchron sein Umrüstung des Netzwerks (LMU und SMLC); Mehrwegproblem; Mobilstation muss Kontakt zu mindestens drei Basisstationen haben Nachteile Hyperbel A,C A B C Hyperbel A,B

27 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 27 Enhanced Observed Time Difference Mobiltelefon misst Laufzeitdifferenzen Positionierungstechniken Genauigkeit GSM: m UMTS: m Vorteile hohe Präzision; keine Umrüstung des Netzwerks Umrüstung an Mobiltelefon; Mehrwegproblem; Mobilstation muss Kontakt zu mindestens drei Basisstationen haben Nachteile Hyperbel A,C A B C Hyperbel A,B

28 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 28 Vergleich Positionierungstechniken VerfahrenPräzisionKosten GSMUMTS COO100 m – 35 km100 m – 2 km- COO+CS100 m – 35 km100 m – 2 km- RSS150 m - AOA125 m neue Antennen TA / RTT554 m40 m- TOA125 m100 mNW aufrüsten TDOA50 – 150 m5 – 20 mNW aufrüsten EOTD50 – 150 m5 – 20 mMT aufrüsten

29 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 29 Anwendungsbeispiele Killerapplikation für UMTS » LBS? Notrufe Kinder-Ortung für Eltern Finden von Hotels/Tankstellen/Restaurants/Kaufhäusern Wetterwarnungen Flottenmanagement Zusammenfassung Fahrzeugüberwachung

30 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 30 Einsatz in Deutschland: Zusammenfassung bisher wird nur Cell Of Origin genutzt Beispiel: O2 Genion Homezone in den USA: alle Verfahren werden genutzt TOA, TDOA, EOTD bieten bei UMTS gute Präzision nicht gut genug; GPS präziser

31 Frank Gutmann Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 31 The End ?... noch Fragen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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