Post on 05-Apr-2015
Frank Gutmann
Location Based Services Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken
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Positionsbestimmung in GSM- Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerkenund UMTS-Netzwerken
Seminar LBS Positionsbestimmung in GSM- und UMTS-Netzwerken 10.07.2007 Frank Gutmann
Location Based ServicesLocation Based Services
Frank Gutmann
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Inhalt
Ein kurzer Überblick
Einleitung
Grundlagen
Positionierungstechniken
Zusammenfassung
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Motivation
bestehende Infrastruktur
Einleitung
US-Gesetz: „E911“ » 125 m Genauigkeit
Gewinnsteigerung der Netzbetreiber
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Geschichtliche Einordnung
3G – digitales Mobilfunknetz
1G – analoge Mobilfunknetze
2G – digitales Mobilfunknetz
Einleitung
seit 2002 » UMTS
1958 – 2000 » A/B/C-Netze
seit 1992 » GSM
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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
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Mobilfunknetze
Unterteilung in Zellen
Grundlagen
Funkversorgungsbereiche überschneiden sich
Form
Theorie: wabenförmig
Praxis: kreisförmig
Realität: ungleichmäßig
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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
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GSM Netzwerkarchitektur
Grundlagen
BTS („Basisstation“ / „Sende/Empfangsstation“ / „Antenne“)
BSC („Steuereinrichtung“)
MSC („Vermittlungsstelle“)
HLR („Heimat-datenbank“)
VLR („Besucher-datenbank“)
MS („Mobiltelefon“)
VLR
HLR
MSC
BSC
BSC
BTS
BTS
BTS
BTS
NSS
BSS
MS
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UMTS Netzwerkarchitektur
Grundlagen
Node B („Basisstation“ / „Sende/Empfangsstation“ / „Antenne“)
RNC („Steuereinrichtung“)
UE („Mobiltelefon“)
VLR
HLR
MSC
BSC
RNC
Node B
Node B
BTS
BTS
NSS
BSS
UE
RNS
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Frequenzbänder (MHz)
Grundlagen
Duplexverfahren
890-915UL
935-960DL
1710-1785
UL
1805-1880
DL
1900-1920UL/DL
1920-1980
UL
2020-2025UL/DL
2110-2170
DL
GSM900 GSM1800 UMTS
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
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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
123
...
2
1
0
Frequenz
Zeit7210 3 4 5 6
Frequenz
Zeit7210 3 4 5 6
123
...
2
1
0
... ...
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Multiplexverfahren bei GSM900 (nur FDD)
Grundlagen
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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
373
...
2
1
0
Frequenz
Zeit7210 3 4 5 6
Frequenz
Zeit7210 3 4 5 6
373
...
2
1
0
... ...
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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
...
CodeFrequenz
Zeit
11
...
0
...
Frequenz
Zeit
Code
11
...
0
127
0
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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
Zeit140... ...
...
Frequenz
Zeit
...
Code CodeFrequenz
Zeit
4
...
0
...
Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access, FDMA)
Frequenzbänder unterteilt in 5 Kanäle à 5 MHz
16 verschiedene Codes verfügbar
4
...
0
wegen TDD
15
0
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Signalstörungen
Mehrwegproblem
Grundlagen
Signalstärkeproblem
Abschattung
Reflektion
Refraktion
Streuung
Beugung
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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
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Cell Of Origin
Basisstation ist Position
Positionierungstechniken
im Heimatregister gespeichert
Genauigkeit
GSM: 100 m – 35 km
UMTS: 100 m – 2 kmZellgröße
Vorteile
einfach; keine Umrüstung an Mobiltelefon oder Netzwerk
ungenau; angegebene Basisstation muss nicht die nächste sein; Zellatmung
Nachteile
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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
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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
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COO + CS + RSS
Vereinigung von drei Methoden
Positionierungstechniken
Genauigkeit
GSM: 100 m – 150 m
UMTS: 100 m – 150 m
auf Sektor beschränkt
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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
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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
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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
1
2
2
21
1
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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
d v t
Nachteile
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Time Difference Of Arrival
Basisstationen messen Laufzeitdifferenzen
Positionierungstechniken
Genauigkeit
GSM: 50 - 150 m
UMTS: 5 - 20 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
2 2 2 2
, , A B A B A A B Bd v t X x Y y X x Y y
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Enhanced Observed Time Difference
Mobiltelefon misst Laufzeitdifferenzen
Positionierungstechniken
Genauigkeit
GSM: 50 - 150 m
UMTS: 5 - 20 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
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Vergleich
Positionierungstechniken
Verfahren Präzision Kosten
GSM UMTS
COO 100 m – 35 km 100 m – 2 km -
COO+CS 100 m – 35 km 100 m – 2 km -
RSS 150 m 150 m -
AOA 125 m 125 m neue Antennen
TA / RTT 554 m 40 m -
TOA 125 m 100 m NW aufrüsten
TDOA 50 – 150 m 5 – 20 m NW aufrüsten
EOTD 50 – 150 m 5 – 20 m MT aufrüsten
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Anwendungsbeispiele
„Killerapplikation“ für UMTS » LBS?
Notrufe
Kinder-Ortung für Eltern
Finden von Hotels/Tankstellen/Restaurants/Kaufhäusern
Wetterwarnungen
Flottenmanagement
Zusammenfassung
Fahrzeugüberwachung
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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
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The End
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