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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

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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

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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

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Cell of Origin

• Vorgehensweise: Für Position der MS wird Position der BTS angegeben

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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

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Cell of Origin

• Network Based Technology [Adusei]• Verbesserung durch sektorisierte Antennen (eine

BTS besteht aus mehreren Antenen, die einen bestimmten Bereich abdecken)

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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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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

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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

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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]

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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

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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

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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

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Time Difference of Arrival

• Vorgehensweise:MS sendet ein Signal aus. BSS vergleichen die Zeitunterschiede beim Empfang des Signals

1.

1.

1.

2.

2.

2.

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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]

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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

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Diskussion

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!!

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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

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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