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Positionierung von Mobiltelefonen
Projektgruppe Location-based Services for Wireless DevicesWS 2004/05Ludger Lecke
AG Kao
Betriebssysteme und Verteilte SystemeInstitut für InformatikUniversität Paderborn
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 223.11.2004
Agenda
• Grundlagen GSM• Positionierungstechniken
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 323.11.2004
Grundlagen GSM
Mobile Station
Base Tranceiver Station BSS
Mobile Switching Center
Home Location Register
Visitor Location RegisterLocal
Measurement Unit
Gateway Mobile Switching Center
NSS
FestnetzInternet
Positionsanfragen
Base Station Controller
BSS – Base Station SubsystemNSS – Network Switching Subsystem
GSM – Global System for Mobile Communication
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 423.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 523.11.2004
Cell of Origin
• Vorgehensweise: Für Position der MS wird Position der BTS angegeben
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 623.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 723.11.2004
Cell of Origin
• Network Based Technology [Adusei]• Verbesserung durch sektorisierte Antennen (eine
BTS besteht aus mehreren Antenen, die einen bestimmten Bereich abdecken)
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 823.11.2004
Received Signal Strength
• Vorgehensweise:Signalstärken der BTS in Reichweite werden gemessen und daraus die Position – unter Einbeziehung bekannter Signalstärken für Referenzpunkte – errechnetOptimierungsproblem [Hellebrandt]minimize über z A
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PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 923.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1023.11.2004
Angle of Arrival
• Vorgehensweise:Aus dem Winkel des eintreffenden Signals an der BSC wird die Position der MS berechnet
Bekannte Länge
0 Grad
Winkel 2
Winkel 1
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1123.11.2004
Angle of Arrival
• Genauigkeit nach [Staudinger]: 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]
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1223.11.2004
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
Radius 1
Radius 3
Radius 2
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1323.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1423.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1523.11.2004
Time Difference of Arrival
• Vorgehensweise:MS sendet ein Signal aus. BSS vergleichen die Zeitunterschiede beim Empfang des Signals
1.
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2.
2.
2.
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1623.11.2004
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]
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1723.11.2004
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
Assistance Data
Position Estimate
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1823.11.2004
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]
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 1923.11.2004
Signalausbreitung
• Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich gradlinig• Empfangsleistung wird u.a. beeinflusst durch:
Abschattung
Reflektion
Refraktion
Streuung
Beugung
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2023.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2123.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2223.11.2004
Relevanz für PG
• Time 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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2323.11.2004
Relevanz für PG
• Angle of Arrival 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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2423.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2523.11.2004
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 Raumangelegt werden muss
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2623.11.2004
Diskussion
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2723.11.2004
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!!
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2823.11.2004
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
PG LBS: Positionierung von Mobiltelefonen 2923.11.2004
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.htmlEingesehen 29. Nov. 2004
• [Jagoe] A. Jagoe:Mobile Location Services The Definitive Guide, 2003
• [Staudinger] M. Staudinger, B. Haselgrübler: Die Genauigkeit der Ortsbestimmung mit Mobilfunkgeräten