Positionierung von Mobiltelefonen Projektgruppe Location-based Services for Wireless Devices WS 2004/05 Ludger Lecke AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn Vorstellen: Name, Tätigkeit, Veranstaltung

Agenda Grundlagen GSM Positionierungstechniken Bezug zur Projektgruppe Cell of Origin (CoO) Received Signal Strength (RSS) Angle of Arrival (AoA) Time of Arrival (ToA) Time Difference of Arrival (TDoA) GSM assisted GPS Bezug zur Projektgruppe 23.11.2004

Grundlagen GSM 23.11.2004

Arten von Lokalisierungstechniken Network Based Technology Das Netzwerk (BSS, NSS) wird benutzt, um die Position der MS zu bestimmen Vorteil: Die MS benötigt keine Ressourcen für Positionsbestimmung Nachteil: Die MS kann ohne Wissen des Benutzers lokalisiert werden Handset Based Technology Die MS selbst ist der primäre Faktor bei der Positionsbestimmung, zusätzlich wird das Netzwerk benutzt, um die Lokalisierung zu unterstützen Einige Methoden können beiden Kategorien zugeordnet werden, je nach Implementierungsansatz 23.11.2004

Cell of Origin Vorgehensweise: Für Position der MS wird Position der BTS angegeben 23.11.2004

Cell of Origin Messdauer: Schnellste Positionsangabe (2s bis 5s Ø 2,5s) [Jagoe] Genauigkeit nach [LYU0301]: städtischer Bereich: 500m – 5km Ø 2km ländlicher Bereich: 1km – 35 km Ø 15 km Vorteile: Benötigt eine BTS Einfachste Möglichkeit Keine Erweiterungen der bestehenden Hardware nötig Nachteile: Ungenaueste Positionierungstechnik Angegebene BTS muss nicht am nächsten gelegene BTS sein 23.11.2004

Cell of Origin Network Based Technology [Adusei] Verbesserung durch sektorisierte Antennen (eine BTS besteht aus mehreren Antenen, die einen bestimmten Bereich abdecken) 23.11.2004

Received Signal Strength Vorgehensweise: Signalstärken der BTS in Reichweite werden gemessen und daraus die Position – unter Einbeziehung bekannter Signalstärken für Referenzpunkte – errechnet Optimierungsproblem [Hellebrandt] minimize über z  A 23.11.2004

Received Signal Strength Genauigkeit nach [Hellebrandt]: städtischer Bereich: 150m ländlicher Bereich: 150m Vorteile: Keine Erweiterung nötig, da Signalstärkenmessung bereits genutzt wird Gut in Hybridtechnologien einsetzbar [McGuire] Nachteile: Hohe Fehlerwahrscheinlichkeit durch Mehrwegeausbreitung Handset Based Technology Verbesserung durch Kalman-Bucy Filterung. Bei Bewegung wird eine Genauigkeit von 70m erreicht 23.11.2004

Angle of Arrival Vorgehensweise: Aus dem Winkel des eintreffenden Signals an der BSC wird die Position der MS berechnet 23.11.2004

Angle of Arrival Genauigkeit nach [Staudinger]: Vorteile: Nachteile: städtischer Bereich: >125m ländlicher Bereich: >125m Vorteile: Für 2D-Ortung werden 2 BTS und eine Längenangabe benötigt Nachteile: Benötigt zusätzliche, teure Hardware an der BTS zur Winkelmessung (nicht standardmäßig integriert [McGuire]) Network Based Technology [Adusei] 23.11.2004

Time of Arrival Vorgehensweise: Messung der Zeit, die das Signal benötigt, um von der BTS zur MS zu gelangen  Berechnung der zurückgelegten Strecke/ des Abstandes mittels Signalausbreitungs-geschwindigkeit 23.11.2004

Time of Arrival Messdauer: circa 10s Genauigkeit nach [Staudinger]: städtischer Bereich: 125m ländlicher Bereich: 125m Vorteile: Benötigt keine Erweiterung der MS Hardware Nachteile: Für 2D-Ortung werden 3 nicht-kolineare BTS benötigt Positionierung nur während eines Gespräches möglich, nicht wenn die MS idle ist [LYU0301] Benötigt genaue Uhren und kostenintensive Synchronisation von Sender UND Empfänger 23.11.2004

Time of Arrival Weicht die Synchronisation auch nur um 1 µs ab, bedeutet dies einen Fehler von ± 300 m [LYU0301] Network Based Technology [Adusei] Verbesserung durch Round Trip Time (RTT) Doppelte Distanz wird gemessen Synchronisation entfällt, da Sender gleich Empfänger Allerdings Schwierigkeit, dass MS sofort antworten muss Genauigkeit sinkt 23.11.2004

Time Difference of Arrival Vorgehensweise: MS sendet ein Signal aus. BSS vergleichen die Zeitunterschiede beim Empfang des Signals 23.11.2004

Time Difference of Arrival Messdauer: circa 5s Genauigkeit nach [LYU0301]: städtischer Bereich: 50 m - 150 m ländlicher Bereich: 50 m - 150 m Vorteile: Synchronisation nur von Empfängern (BSS) notwendig Nachteile: Für 2D-Ortung werden 3 nicht-kolineare BTS benötigt Network Based Technology [Adusei] 23.11.2004

GSM Assisted GPS Vorgehensweise: MS enthält GPS Ortungseinheit. GSM schränkt die Position der MS zunächst ein. Anschließend normale GPS Lokalisierung mit Unterstützung von BSS Einheiten 23.11.2004

GSM Assisted GPS Messdauer nach [U-Blox]: circa 4s Genauigkeit nach [LYU0301]: städtischer Bereich 10 m - 100 m, ländlicher Bereich 10m Vorteile: Genaueste Positionsangabe Nachteile: Benötigt GPS-Einheit in MS Handset Based Technology [Adusei] 23.11.2004

Signalausbreitung Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich gradlinig Empfangsleistung wird u.a. beeinflusst durch: Reflektion Refraktion Streuung Beugung Abschattung 23.11.2004

Mehrwegeausbreitung Signal kommt auf Grund von Reflektion, Streuung, Beugung und Refraktion auf mehreren Wegen beim Empfänger an Es ist nicht trivial das direkte Signal herauszufiltern 23.11.2004

GPRS/ UMTS GSM für Übertragung von Sprache konzipiert GPRS (General Paket Radio Service) wird im GSM-Netz zur paketorientierten Übertragung von Daten eingesetzt UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Nachfolger von GSM/ GPRS mit höherer Durchsatzrate Bei UMTS tritt im Ggs. zu GSM Zellatmung auf, d.h. mit steigender Anzahl an Teilnehmern nimmt der Abdeckungsradius der Zelle ab und umgekehrt. Dies erschwert die Netzwerkplanung erheblich. UMTS steigert die Genauigkeit von ToA und TDoA, da die Genauigkeit von Zeitmessungen erhöht wird 23.11.2004

Relevanz für PG Time of Arrival Time Difference of Arrival Entfernungen zu kurz/ Uhren zu ungenau 5 m werden in 17 Nanosekunden zurückgelegt (Lichtgeschwindigkeit: 299.792.458 m/s) Investition in genauere Uhren zu teuer Time Difference of Arrival Siehe Time of Arrival 23.11.2004

Relevanz für PG Angle of Arrival GSM assisted GPS fordert Hardware- Modifikation von Access Points GSM assisted GPS GPS funktioniert nicht in Gebäuden; Signalstärke zu gering Clients müssten zudem mit GPS- Einheiten ausgestattet werden 23.11.2004

Relevanz für PG Cell of Origin CoO ist eine Möglichkeit Für Position der mobilen Device wird die Position des Access Points angegeben Benötigt nur einen Access Point für Positionierung Ungenaue aber schnelle Positionierungstechnik Verbesserung durch Sektorisierung möglich 23.11.2004

Relevanz für PG Received Signal Strength RSS ist eine Möglichkeit Signalstärken der BTS in Reichweite werden gemessen und daraus die Position – unter Einbeziehung bekannter Signalstärken für Referenzpunkte – errechnet Keine Erweiterung der Hardware nötig, da Signalstärkenmessung bereits genutzt wird Tabelle mit Signalstärkenmustern anlegen ist möglich, da ein Fingerprint nur von einem begrenzten Raum angelegt werden muss 23.11.2004

Diskussion 23.11.2004

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!! 23.11.2004

Quellen [D‘Roza] T. D‘Roza, G. Bilchev: An Overview of Location Based Services, Jan. 2003 [Adusei] I. K. Adusei, K. Kyamakya, K. Jobmann: Mobile Positioning Technologies in Cellular Networks, 2002 [Lopes] L. Lopes, E. Villier, B. Ludden: GSM Standards Activity on Location, 1999 [McGuire] M. McGuire, K. Plataniotis, A. Venetsanopoulos: Location of Mobile Terminals Using Time Measurements and Survey Points, Juli 2003 [LYU0301] Prof. M. L. R. Tsong: Location Based Services using GSM Cell Information over Symbian OS, Juni 2004 [Hellebrandt] M. Hellebrandt, R. Mathar: Location Tracking of Mobiles in Cellular Radio Networks, Sept. 1999 23.11.2004

Quellen [BMVBW] http://www.bmvbw.de/Alle-Artikel-zum-Thema-Verkehr-.392.17844/DFNP-Bereitstellung-der-Systeme.htm Eingesehen 29. Nov. 2004 [U-Blox] http://www.u-blox.com/technology/a-gps.html Eingesehen 29. Nov. 2004 [Jagoe] A. Jagoe: Mobile Location Services The Definitive Guide, 2003 [Staudinger] M. Staudinger, B. Haselgrübler: Die Genauigkeit der Ortsbestimmung mit Mobilfunkgeräten 23.11.2004