AG Kao Betriebssysteme und Verteilte Systeme Institut für Informatik Universität Paderborn

1. Positionierung von MobiltelefonenProjektgruppe Location-based Services for Wireless DevicesWS 2004/05Ludger Lecke AG KaoBetriebssysteme und Verteilte SystemeInstitut für InformatikUniversität Paderborn

2. 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

3. Grundlagen GSM

4. 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

5. Cell of Origin • Vorgehensweise: Für Position der MS wird Position der BTS angegeben

6. 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

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

8. 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

9. 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

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

11. 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]

12. 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

13. 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 nurwährend eines Gespräches möglich, nicht wenn die MS idle ist [LYU0301] • Benötigt genaue Uhren und kostenintensiveSynchronisation von Sender UND Empfänger

14. 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

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

16. 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]

17. 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

18. 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]

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

20. 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

21. 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

22. Relevanz für PG • Time of Arrival • Entfernungen zu kurz/ Uhren zu ungenau5 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. 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

24. 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

25. 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

26. Diskussion

27. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!!

28. 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

29. Quellen • [BMVBW] http://www.bmvbw.de/Alle-Artikel-zum-Thema-Verkehr-.392.17844/DFNP-Bereitstellung-der-Systeme.htmEingesehen 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