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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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12


Grundlagen

Frank Gutmann


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Grundlagen



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


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)


ein Kanal in 15 Zeitschlitze à 10 ms unterteilt

Frequenz

Zeit140

Frequenz

Zeit140... ...

...

Frequenz

Zeit

...

Code CodeFrequenz

Zeit

4

...

0

...


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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zellbasierte Verfahren


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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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31

The End

??... noch Fragen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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