Konzulens: Tihanyi Attila - Pázmány Péter Catholic...

Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai Kar

GSM alapú helymeghatározás

Készítette: Farkas Csanád

Konzulens: Tihanyi Attila

Nyilatkozat

Alulírott Farkas Csanád a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai

Karának hallgatója kijelentem, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül,

saját magam készítettem, és a munkában csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden

olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból

átvettem, egyértelm en a forrás megadásával megjelöltem. Ezt a szakdolgozatot más szakon

még nem nyújtottam be.

2012. december 4.

……...………................................

Aláírás

1

1 Tartalom

2 Ábrajegyzék ........................................................................................................................ 2

3 Előszó .................................................................................................................................. 3

4 Bevezetés ............................................................................................................................ 4

5 Abstract............................................................................................................................... 5

5.1 GPS ............................................................................................................................. 6

5.2 GSM ........................................................................................................................... 8

5.2.1 Bázisállomások működése [2] .......................................................................... 10

5.2.2 Cellás elv .......................................................................................................... 11

6 Meglévő GSM-es helymeghatározások [5] ...................................................................... 12

6.1 Leszármaztatott autonóm helymeghatározás ............................................................ 12

6.2 Helymeghatározás bázisállomások azonosítója alapján ........................................... 12

6.3 Helymeghatározás háromszögeléssel ....................................................................... 12

6.4 Helymeghatározás GPS-GSM-PostgreSQL adatbázis segítségével ......................... 13

7 Felhasznált programok ..................................................................................................... 13

7.1 Java [6] ..................................................................................................................... 13

7.2 GoogleEarth ( kml ) [7] ............................................................................................ 14

7.3 PgAdmin ( PostgreSQL ) .......................................................................................... 15

7.4 Screenshooter ........................................................................................................... 15

7.5 Notepad++ ................................................................................................................ 15

8 Kezdeti kísérletek: ............................................................................................................ 16

9 Adatbázis felépítése: ......................................................................................................... 17

9.1 SQL adatbázis: .......................................................................................................... 18

9.1.1 Táblák felépítése: .............................................................................................. 18

10 Adatbázis felépítése, táblák kapcsolata ........................................................................ 19

10.1.1 Legfontosabb táblák: ........................................................................................ 20

11 Hibaforrások a mobiltelefonos helymeghatározásban .................................................. 25

12 Több utas terjedés és Fading ........................................................................................ 25

13 Rendszerintegritások: ................................................................................................... 26

13.1 GPS hibák: ................................................................................................................ 27

13.2 Torony láthatósági zavarok ...................................................................................... 29

14 Hullámterjedés vizsgálat............................................................................................... 33

15 Konklúzió ..................................................................................................................... 39

2

16 Köszönetnyilvánítás ..................................................................................................... 41

17 Irodalomjegyzék ........................................................................................................... 42

18 Mellékletek ................................................................................................................... 44

2 Ábrajegyzék

1. ábra GPS működése ................................................................................................................ 7

2. ábra GSM rendszer modellje és funkcionális felépítése ......................................................... 9

3. ábra Bázis állomások elhelyezési logikája............................................................................. 10

4. ábra GSM antenna működése .............................................................................................. 10

5. ábra Cellás elv felépítése ...................................................................................................... 11

6. ábra GoogleEarth .................................................................................................................. 14

7. ábra Bejelentkezés az adatbázisba ........................................................................................ 17

8. ábra Adatbázis felépítése [9] ................................................................................................ 19

9. ábra GPS tábla ...................................................................................................................... 20

10. ábra Koordináta átváltó ...................................................................................................... 20

11. ábra GSM tábla ................................................................................................................... 21

12. ábra CELL tábla ................................................................................................................. 22

13. ábra Comments tábla .......................................................................................................... 23

14. ábra Measurement tábla ...................................................................................................... 24

15. ábra Device tábla ................................................................................................................ 24

16. ábra Zavaró tényezők vezeték nélküli hálózatoknál [11] ................................................... 25

17. ábra Vételi jelszint változása távolság arányában [11] ....................................................... 26

18. ábra GPS adatok méréseknél .............................................................................................. 27

19. ábra GPS jel eltérések *19+ ................................................................................................. 28

20. ábra GPS jel elvesztése *19+ ................................................................................................ 29

21. ábra Telefon által látott tornyok száma .............................................................................. 30

22. ábra Vezeték nélküli csatorna [11] ..................................................................................... 30

23. ábra Integritás összegzés .................................................................................................... 31

24. ábra Adatbázis View-okkal lsd. 8-as ábra .......................................................................... 32

25. ábra Szabadtéri hullámterjedés [13] ................................................................................... 33

26. ábra Pathloss függvény ....................................................................................................... 33

27. ábra Haversine függvény [14] ............................................................................................ 33

28. ábra haversin (alfüggvény) [14] ......................................................................................... 34

29. ábra Távolság függvény haversin formulával [14] ............................................................. 34

30. ábra Teljesítmény illetve távolság függvény a Javaban ..................................................... 34

31. ábra Java függvények meghívása ....................................................................................... 34

32. ábra 2B53 torony bejárása/sugárzása ................................................................................. 36

33. ábra 2B53 torony mérési adatai .......................................................................................... 37

34. ábra 27F1 torony mérési adatai .......................................................................................... 37

3

3 Előszó Az emberek mindig is sokat vándoroltak, utaztak. Ehhez szükségük volt valamilyen

tájékozódásra, ami az ókorban valószínűleg valami nagyobb dolog lehetett, mely távolról is

látható volt, ugyanakkor fix a pozíciója. Viszont, ha távolabbra akar menni az ember, szüksége

van más tájékozódási pontokra is. Ezt a problémát hamar abszolválták, amint felfedezték a

csillagok rendszerét. Megnézték hogyan állnak és térképek segítségével, majd az iránytű

felfedezése után még pontosabb és jobb helymeghatározást értek el.

A technika fejlődésével, azon belül is a katonai haditechnológia fejlesztéséből jött létre a GPS

technológia. Először csak katonai célokra használták, majd rájöttek mennyire hasznos a civil

szférában. Erre a rendszerre épül számos útvonal tervező és egy-két bátor telefonszolgáltató is

használja a GPS műholdakat a cellák pontosítására. Ez veszélyes, hiszen a GPS az USA

tulajdona és bármikor megszüntethetik a világ felé a szolgáltatást és akkor ezen rendszerek

használhatatlanná válnak. Ilyenkor egy átlagember megtanulja újra használni a térképet, de

egy erre épülő rendszer szemétté válik.

A navigáció elsősorban valamilyen jármű vagy kiránduló úti céljának megkönnyítésére

szolgál. Hiszen egy nagyvárosban, vagy ahol az ember először jár ott nagyon könnyű

eltévedni, vagy kerülő úton menni. Ehhez hatalmas segítség a GPS, hiszen miután bemérte a

helyzetét és lockolta a műholdakat, folyamatosan frissíteni tudja az állapotát, melyet egy

térképre rajzolva jelentősen megkönnyíti a tájékozódást. Visszatérve a nagyvárosokhoz, itt ha

bemegyünk egy alagútba vagy egy épületen belül akarunk tájékozódni, a GPS jelre nem

számíthatunk, hiszen ez kizárólag külterületen működik. Itt lehet használni egyéb mobil

jeleket, többek között a WLAN hálózatot, vagy GSM hálózatot. Ezekkel pedig úgy lehet

helyzetet meghatározni, hogy a GSM torony által sugározott jelhez viszonyítjuk a távolságot.

Ha több van, akkor ezek metszés pontja.

A dolgozat témája a GSM-es helymeghatározás, előzetes mérések és algoritmusok

alapján, melynek célja, hogy egy egyszerű, ugyanakkor elfogadható normál használatú pozíció

meghatározást legyen képes elvégezni a GSM tulajdonságait kihasználva egyszerű

eszközökkel és algoritmusokkal. Habár az algoritmus képes lesz akár bel térben is pozíciót

meghatározni, mely előny a GPS el szemben viszont ezen adatbázison alapuló rendszer csak

ott működik ahol van mérés, továbbá a GPS technológia pontosságát csak megközelíteni

tudjuk. Ezen két fő rendszer bemutatása miatt szó lesz még a GSM-ről( Global System for

Mobile.), továbbá a GPS-ről Global Positioning System.

4

4 Bevezetés A dolgozat alapja egy olyan fejlesztés, mely offline módban képes helyzetet meghatározni

GSM adótornyok jele alapján egy viszonylag kis adatbázis és egy jól definiált algoritmus

alapján. Az offline mód azt jelenti, hogy nincs szükség internetes kapcsolatra, adatbázis

eléréséhez vagy egyéb adatcserére, illetve a számításokat is helyben a készülék végzi el. Ezzel

kímélve a felhasználót a adatforgalommal járó költségektől illetve a sebesség se lassul emiatt.

Hátránya viszont, hogy lokálisan tárolni kell egy kisebb adatbázist.

Az egész rendszer egy GPS alapon felvett referencia hálózat és egy GSM vételi jelszint térkép

összevetésére alapul. Az adatgyűjtés során különböző eszközökből és különböző módokon

keletkezett adatok kerültek egy “mobilhely” nevű adatbázisba. Az adatbázis GSM adatainak

felhasználásával kell módszert találni a fizikailag közel eső pontok keresésére. Mivel az

adatbázis már jelenlegi formájában is sok rekordot tartalmaz, ha megtalálunk egy jól

használható és paraméterezhető „távolság” fogalmat leíró rendszert, annak segítségével

pozíciót meghatározni is lehet, de alkalmas az adatbázis tömörítésére is. A feladat

megközelítése során kihasználjuk a GSM terjedésről tanultakat, az analízis ismeretek alapján

megpróbálunk veszteségesen tömöríteni valamilyen ismert módszerrel, és a megkívánt

eredmény felől közelítve, előre meghatározott mérési ponthalmazok között teszünk

különbséget. A saját módszereink és mások eredményeinek összevetéséből határozzuk meg a

tovább követendő irányt. Ehhez szükség van már meglévő rendszerek mélyebb

megismeréséhez, továbbá ezen rendszerek elemeinek bevonására.

A dolgozatban bemutatásra kerül az adatbázis felépítése, illetve az adatbázis integritási

problémák keresése, valamint lehetséges javítása, továbbá a GSM hullámterjedés vizsgálata

belvárosi környezetben, és ezzel különböző algoritmusok segítségével távolság meghatározása

a sugárzó torony és a GSM vevő között.

5

5 Abstract People always used to wander and travel a lot. In order to do so there had been a need for

orientation, which in the old-world is likely to be kind of big thing that could have been seen

faraway and it’s position had been fix as well. Though one intends to take further distance he

needs to have other orientation points too. This problem had been solved as soon as the system

of stars had been discovered. Their stand had been studied and by the aid of cartography and

the tracing of needle people could achive more accurate location.

By the progress of technology, especially the due to the developement of field engineering the

GPS came into existence. GPS initially used to be put in practice for military purposes then it

came into use in civvy sphere thanks to the number of utilities it has. This system is being

used by route organizers and some bold telecommunication company also uses the GPS

satellites for the refinement of cells. It is though regarded dangerous since GPS is the property

of the USA which might cease the service any time toward the world and in such a scenario

these systems get useless. In a case like that a laymen pick up again how to use ordinary maps,

but systems built on this technology can be put into trash.

Navigation principally is being used to mitigate the destination of any sort of vehicle or a

picnicker. In a metropolis or in places first set step one get lost easily or taking the longer way

then necessary. GPS appears to be a great help to avoid that since after having set the location

and locked the satellites the actual stead can be upgraded continuosly which displayed on a

screen facilitates the orientation. Turning back to metropolicies if we find ourselves in a tunnel

or inside a building we cannot reckon on GPS signal, because it is operated solely outside.

Other mobile signals can be used here such as WLAN or GSM networks. With these networks

location can be determined by correlating to the source of the taken signal. If there is several

of them then the intersection is to be taken.

The topic of the theory is the GSM-location by prior measures and algorithms and words will

be mentioned about GSM (Global System for Mobile) and GPS (Global Positioning System)

as well.

The bottom line of the script is a development which is able to locate, in offline mode

according to signals of GSM towers by a relatively small database and a well defined

algorithm.

The whole system is rest on the comparison of a reference network based on GPS and a GSM

map of pickup signal. In the course of data collection datas gained with different methods and

tools have been archived into a database called ’mobilhely’. Using the GSM datas of the

database need to find a manner for the seek of points fisically being close together. Since the

6

database in its current format contains plenty of records, and if we manage to find a system

that describes the ’távolság’ notion which could be used effectively and could be parametered

then that enables us to localize a position and could be suitable to upset the database as well.

Approaching the task the studied of GSM sweep shall be used up , based ont he knowledge of

analysis we are trying to upset …. with a known method, and approaching from the requested

result we make a distinction between predefined point agglomeration. Comparing our own

method with the results of others the next step is to be determined. So as to do so we will need

to get deeper knowlegde of already existing systems and additionaly the involvment of the

elements of these systems.

5.1 GPS

A GPS [1] egy műholdakon alapuló helymeghatározó rendszer, mely a föld bármely

pontján képes meghatározni a pozíciót, kivéve épületen belül, föld alatt és egyéb „fedett”

helyeken. A GPS fejlesztése a II. Világ Háborúban kezdődött el katonai célokból, később

rájöttek, hogy a civil életben is nagyon hasznos. Összesen 27 műhold kering folyamatosan a

föld körül nagyjából 19300 km-es magasságban. Ebből összesen 24 műhold van használatban

(3 tartalék), melyek úgy vannak beállítva, hogy pontosan két kört tesz meg naponta

mindegyik, továbbá bármelyik pillanatban a Föld bármely pontján lehessen látni legalább 4

műholdat. A vevő meghatározására úgynevezett háromszögeléses matematikai módszert

alkalmaznak. Ez egy térbeli háromszögelés, melyet síkban könnyű elképzelni. Képzelje el,

hogy Magyarországon van. Béla azt mondja Budapesttől 58 km-re van. Ez eddig egy elég

nagy kör. János azt mondja, hogy Gyulától 170 km-re van, így ahol metszi a két kör egymást

ott van két pontunk, végül Marci azt mondja, hogy Kecskeméttől pedig 15,5 km-re vagyok. Ez

esetben meglenne a pontos pont. De mivel az időt senki nem tudta megmondani, hogy ezek az

adatok pontosan mikor voltak, ezért szükség van a 4 adatra, amellyel ezt a hibát korrigáljuk. A

GPS műholdak is ugyanígy működnek, csak mivel azok térben számolnak, körök helyett

gömbök metszését kalkulálják.

7

1. ábra GPS működése

Egy normális GPS vevő átlagosan 40-50 másodperc alatt képes meghatározni a jelet,

ha nincs rendelkezésére álló segítő eszköz ( AGPS = Assisted GPS ). Ekkor még csak az első

koordináta van meg, de még le kell tölteni ezen adatok mellé a műholdak pályaadatait, amely

még több időt vehet igénybe. Egy ilyen adatforgalom nagyjából 50b/sec-os sebességgel

történik.

Ahhoz, hogy ezen letöltésre ne legyen szükség és ezzel időt spóroljon a rendszer, szükség van

ezekre az adatokra valami más forrásból. Erre az Assisted GPSHiba! A hivatkozási forrás

nem található. erre lett kifejlesztve, melynek feladata a GPS támogatása adatokkal és

számításokkal. Az AGPS feladata, hogy Wifi, vagy 3G-s hálózatról letöltse a következő 7

napra a műholdak pontos helyzetét. Működése négy fő pontból áll:

- A mobilkészülékben található GPS vevő, ami egy „durva” gyors helyzet-

meghatározást végez, mely pontatlan és ezt elküldi a szolgáltató felé.

- a szolgáltatónak a műholdas vétel szempontjából előnyös helyen, stabilan kiépített

GPS-vevője van, valamint elegendő számítási kapacitása, ami a telefontól kapott

információ alapján gyorsan kiszámítja a műholdak helyzetét.

- a mobilkészülék a szolgáltatótól megkapja a műholdak pontosan kiszámított adatait.

- majd a mobilkészülék végül gyorsan kiszámolja a szolgáltatótól kapott adatok alapján

a helyzetét.

Előnye, hogy gyorsabb, kevesebb CPU igénye van, tehát energiában is kifizetődőbb,

ugyanakkor mivel internetes kapcsolat kell hozzá, nem minden telefon előfizető érheti el és

azoknak is kell fizetni valamilyen formában az adatforgalmi díjat. Célunk szintén egy hasonló

elképzelés létrehozása, mely akár offline-ban is működik egy megfelelően tömörített adatbázis

és egy jól definiált algoritmus telefonba való beépítésével.

8

5.2 GSM

A világ mobil távközlési infrastruktúrájának legkorszerűbb hálózata a GSM (Global System

for Mobile Communications) celluláris digitális mobil rádiótelefon-szolgáltatás. A rendszer

kiépítése először természetesen a fejlett országokban kezdődött meg az 1970-es években. Ezek

a hálózatok mind nemzeti szabványok szerint készültek el, így hatósugaruk csak az

országhatárokig tartott. Így először egy „vendég telefont” egy ország nem tudott kiszolgálni,

hiszen a legkisebb eltérés is elég volt ahhoz, hogy ne működjön. Ez a probléma egyre

gyakrabban merült fel. Így felmerült a „határok nélküli mobilszolgáltatás” igénye.

1982 –ben az Európai Országok Postai és Távközlési Szervezeteinek Konferenciája

(CEPT) kijelölt egy nemzetközi szakértői csoportot a probléma megoldására, melynek neve

Groupe Spéciale Mobile volt, ebből ered a GSM rövidítés. Elsődleges feladat tehát az volt,

hogy kidolgozza a páneurópai mobil rádiótelefon-rendszer minden országra kötelező

előírásait, továbbá tartani és bővíteni a régi elvárásokat:

jó hangminőség,

nemzetközi roaming támogatása,

sávszélesség hatékony kihasználása,

alacsony szolgáltatási/kiépítési díj

ISDN támogatása

Handover támogatás

A handover másnéven körzetátadás, akkor hajtódik végre ha a készülék kilép egy körzet

hatósugarából és átlép egy másik körzetbe. Ez úgy történik meg, hogy a fogadó cella

valamelyik forgalmi csatornájára kell áthangolódnia, anélkül, hogy ezt a felhasználó észre

vegye. Tehát hibamentesen és észrevétlenül illetve a szétkapcsolási valószínűséget kevesebb

mint 1% alá szorítani.

A GSM-rendszer rövid idő alatt kinőtte Európát, és a "global" jelzőnek megfelelően az egész

világra kiterjedő, világméretű hálózattá fejlődött. A közép-európai országok közül elsőként

Magyarországon 1990-ben jelent meg az analóg mobiltelefon rendszer, melyet 1993-ban már

digitális hálózatot használó GSM-rendszerek kiépítése követett. Ezek eredetileg csak

hangalapú szolgáltatást nyújtottak. 1993-ban indult GSM tesztrendszer és néhány hónap

múlva a kereskedelmi szolgáltatás. Az első nem európai ország, amely 1992-ben a GSM-

rendszer megvalósítása mellett döntött, Ausztrália volt. Ausztráliát követte Kína, Hong-Kong,

Új-Zéland, Szingapúr, több Arab-öböl menti ország, és a balti államok is a GSM-rendszert

választották a legkorszerűbb mobil rádiótelefon-szolgáltatások bevezetésére.

A GSM-es működés lényeges része a következő ábrán látszódik:

9

2. ábra GSM rendszer modellje és funkcionális felépítése

Jelenleg a számításokhoz szükség van az első kettő részre, melyben a felhasználó a maximum

7 bázis állomásból amit láthat fogadja a jeleket. Megméri milyen erősen fogja a jeleket és

ezekből próbálja majd meghatározni a pozícióját.

A GSM rendszernek lényegében tehát három fő része van. Kapcsoló rendszer ( Network

System ), Bázis Állomás Alrendszer ( Base Station Subsystem ) és a készülék, amellyel

beszélünk.

A Mobil Kapcsoló Központ ( MSC = Mobil Switching Center ) a szíve az egésznek. Az MSC

felel tulajdonképpen mindenért, a hívó és a hívott fél összekapcsolásáért, szétkapcsolásáért,

megszakítás kezeléséért, számlázásért stb. Továbbá össze lehet kötni egy hálózaton belüli

másik MSC-hez, illetve más GSM hálózathoz is.

Két fő adatbázis kapcsolódik az MSC-hez: HLR ( Home Location Register ), illetve a VLR (

Visitor Location Register ). A HLR az előfizetőről tárol adatokat az előfizetői szintekről,

helyzetéről, kiegészítő szolgáltatásokról. Ha egy hívást intéznek az előfizető felé, akkor

mindig a HLR-rel kezdődik el a folyamat, hiszen itt található meg a helyzete és csak így lehet

összekapcsolni a feleket.

A VLR azokról a GSM előfizetői készülékekről tárol információkat, melyek a szolgáltatási

területen az MSC körzeten belül tartózkodnak, de nem tartoznak az adott körzet regisztrált

előfizetői közé. Tehát amikor a felhasználó „bolyong” ( roaming ) a VLR adatok folyamatosan

cserélődnek, és ha a lokációs terület megváltozott, még akkor is, ha a világ másik felén van az

Mobilkészülék Bázisállomás Kapcsoló rendszer

10

előfizető, ehhez viszont szükség van természetesen szerződésre az ottani szolgáltatónak az

előfizető által használt szolgáltatójával.

5.2.1 Bázisállomások működése [2]

A mobiltelefonos beszélgetések alappillérei a bázisállomások. A bázisállomások és a

mobilkészülékek közötti szakaszok közti kapcsolatot elektromágneses hullámokkal jön létre.

Ez egyben megadja a mozgásszabadságot is a felhasználónak, hiszen mozoghat bármerre, ha

pedig kiérne a cella körzetéből, akkor átkerül egy másikba anélkül, hogy a felhasználó

észrevenné. A mobil kommunikáció elképzelhetetlen bázisállomások nélkül.

A bázisállomások kis teljesítményű (néhány 10 watt) adó és vevő

berendezések, ellentétben a nagy teljesítményű TV-adók vagy

URH-rádiók (több 100.000 watt) hatalmas teljesítményével,

viszont hatósugaruk is jóval kisebb. Egy bázisállomás 8

felhasználót tudsz egyszerre kiszolgálni, tehát nagyon sokat kell

kiépíteni belőle. A 900 MHz-es tartomány nagyon telítődik, ezért

hozták be az 1800 MHz-es tartományt is, melynek több frekvencia

tartománya van, amit ki lehet használni, viszont kisebb területet képes lefedni, de ezért

kiválóan alkalmas sűrűn lakott területek lefedéséhez. Átlagosan 1000-1500 új

felhasználónként szükséges új bázisállomás kiépítése. Ez a hátrány számunkra nagy előny,

hiszen minél több a bázisállomás, annál pontosabb a helymeghatározás. Az állomások

elektromágneses hullámait mindig valami magasabb pontra szerelik fel épületek vagy

tartóárbócokra. Fontos megjegyezni, hogy ezek az antennák mindig irányítottak, általában 3

antenna van egy helyen, melyek 120o -ban vannak elhelyezve körben.

Az antennák irányítottan egy kicsit lefele vannak vezérelve, hiszen az antenna magasan, a

mobil készülék pedig alacsonyan van általában. Az antenna intenzitása a távolság arányában

négyzetesen csökken.

3. ábra Cellás elv 3. ábra Bázis állomások elhelyezési logikája

4. ábra GSM antenna működése

11

5.2.2 Cellás elv

A mobil hálózat akkor teljesíti az előírt elvárásokat az előfizetők felé, ha azok mozgás közben

is tudnak telefonálni zavartalanul. Ez csak akkor lehetséges, ha a cellák hézagmentesen lefedik

egymást. Ez a megoldás, ha nagy az átlapolódás az egyes cellák között nagyon gazdaságtalan,

tehát úgy kell megoldani, hogy a lehető legkisebb legyen a méretük. Természetesen tökéletes

lefedés nincsen, tehát csak megközelíteni lehet ezeket az elvárásokat. Magyarországon a

lefedés nagyjából 99%-os [3]. A lefedettségi területeket hatósági előírások szablyák meg,

hiszen nem elég a sűrűn lakott nagy bevételt jelentő területek lefedése és jó kiszolgálása,

kötelező kiépíteni, ha van igény az üdülő szövetkezeteken, ritkán lakott területeken, vagy

éppen vízi útvonalakon is a mobiltelefonos hálózatot [4]. Ebből kifolyólag szinte bárhol lehet

valamilyen helymeghatározást végezni GSM segítségével, viszont előfordulhat az az előbb

említett helyeken, ahol nagy a cella mérete ott a pontatlanság akár több száz méter is lehet.

5. ábra Cellás elv felépítése

A cellás hálózatokban a hívó és a hívott fél mindig egy bázis állomással (BSC) tartja a

kapcsolatot. Továbbá bolyongás közben séta vagy autó, amely gyorsabb, tehát sűrűbben lehet

szükség váltásra. Fontos követelmény, hogy úgy adják át a mozgó mobiltelefont, hogy közben

ne szakadjon meg a hívás. Az elfogadható szétkapcsolás bőven 0.5% alattinak kell lennie.

Ahhoz, hogy minél jobb legyen a hívásveszteség aránya, nagyobb átlapolódás kell a cellák

között, ez jobb lefedettséget is eredményez, de az ára is megnő, továbbá az átlapolódó cellák

zavarhatják egymást. A jó frekvencia felhasználás elengedhetetlen, hiszen korlátozott az

erőforrás és nagyon drága. A frekvencia felvásárlási harc már a mobil telefonok előtt is nagy

volt, hiszen egy-egy rádió is hatalmas árakat fizetett.

A GSM a 900 MHz-et kapta meg illetve az 1800 MHz-et. A 900 MHz-es tartományban 128

rádiófrekvencia jutott, ahol minden egyes rádiófrekvencián 8 darab csatorna fér el, tehát 8

beszélgetést lehet egyszerre végezni rajta. Ez azt jelenti, hogy ha minden frekvenciát egy

12

időben csak egy helyen használnak fel, akkor egész Magyarországon egyszerre csak

8x124=992 csatorna működhetne. Viszont ez nagyon kevés, hiszen statisztikailag legalább

35.000- 40.000 darab beszéd csatorna kell Magyarországra, hiszen minden 20-30 előfizetőre

szükség van egy beszéd csatornára. Ezt viszont csak úgy lehet elérni, ha a frekvenciákat újra

felhasználják. Egy frekvenciát természetesen újra fel lehet használni, de csak úgy, ha az

azonos frekvenciát használó cellák a lehető legkisebb mértékben látják egymást, így a zavarási

lehetőség minimális legyen.

6 Meglévő GSM-es helymeghatározások [5]

A mobiltelefonos helymeghatározást már régóta fejlesztik és már sok meglévő hasznos modell

létezik, melynek nagy részét csak úgy lehet használni, ha tulajdonunkban van nagyon sok

titkos adat, mint például a tornyok helye és sugárzási tulajdonságai.

A mobil helymeghatározó rendszerek lehetnek végberendezés alapúak, illetve hálózat alapúak,

továbbá ennek a kettőnek a kombinációja.

6.1 Leszármaztatott autonóm helymeghatározás

Ez egy egyszerűbb modell, melyben nincs is szükség GSM-es adatokra. Ezt a

módszert használták régen a tengerészek is. Tudjuk a kezdő pontunkat, legyen az GPS

koordináta vagy egy speciális pont. Elindulunk, mérjük a sebességet mellé, az eltelt időt,

továbbá nézzük az irányt és ezen adatokból kialakuló görbéket egyenesekkel közelítjük és így

létrejön az útvonal, valamint kiszámoljuk az aktuális helyzet. Ehhez természetesen, ha

mobiltelefonra akarjuk tenni, akkor a telefonnak rendelkeznie kell sebességmérővel, mely

megtalálható az újabb telefonokban, de erre nem lehet építeni. Természetesen nagy előny,

hogy így nincs szükség GPS jelekre, így működik föld alatt és épületek belsejében is.

6.2 Helymeghatározás bázisállomások azonosítója alapján

Szintén egy egyszerű modell, viszont pontossága változó, hiszen függ egy állomás

lefedettségi méretétől, és ha még kicsi, akkor is nagyon pontatlan. Viszont szintén nagyon

gyors és egyáltalán nincs szükség GPS jelre még az elején sem. Működése nagyon egyszerű, a

telefon fogja a bázis állomás jelét felismeri azonosító alapján amelyiket látja, majd lekérdezi

annak a toronynak a koordinátáját és megtudja melyik körzetben van. Egy kis tovább

fejlesztéssel, ha mozgunk vele, akkor többet is láthatunk, esetleg átlagsebességet, illetve irány

meghatározást.

6.3 Helymeghatározás háromszögeléssel

Lényege, hogy különböző helyeken megvizsgálják, hogy a keresett mobilkészülék jele

melyik irányból érkezik az adótornyok felé. Ezt a módszert használták régen a kalózrádiók

beméréshez is, hiszen ott is rádiós jeleket bocsájtottak ki, melyet így nagyon egyszerűen akár

13

két méréssel is be lehet mérni. Viszont nagyobb pontosság érdekében érdemes több mérést

alkalmazni, több pozícióból.

6.4 Helymeghatározás GPS-GSM-PostgreSQL adatbázis segítségével

Ahogy a bevezetésben lehetett olvasni, itt egy jól használható offline alkalmazás

építhető ki ezen elemek kombinációjaként. Lényege, hogy mérések alapján GPS koordinátákat

rendelünk GSM adatokhoz. Ezeket rendezetten elmentjük egy adatbázisba, majd integritás

ellenőrzés és mérések után egy jól definiált képlet alapján meghatározzuk GSM adatokból az

aktuális pozíciót. A továbbiakban ezen lépésekről lesz szó.

7 Felhasznált programok

7.1 Java [6]

A Java nyelv a C++ nyelvből született meg. Számos helyen lett egyszerűsítve, illetve

esetenként bővítve szerkezete. A Java a C++-hoz hasonlóan objektumorientált programozás.

A dolgozat írásához főleg az adatbázis elérésének támogatását, illetve fájl feldolgozási, illetve

matematikai művelet támogatása lesz igénybe véve. Az adatbázis eléréséhez JDBC drivert

kellet használni, mellyel a megfelelő beállításokkal nagyon gyorsan tudta a program elérni

SQL parancsokkal a mérési eredményeket, majd ezeket feldolgozva Excel (csv) fájlokba

mentette. Valamint Googlemaps (kml) formátumba is kimentette az adatokat, ezzel

lehetőséget adva a térképes megjelenítésre.

14

7.2 GoogleEarth ( kml ) [7]

A Googlemaps által támogatott formátum a kml. A KML egy szabványos térinformatikai

szerkezet. Létrehozása egyszerű. Hasznos funkciók, hogy lehet színezni a jelölőket, illetve

más ábrát is lehet rá tenni. Az ábrán látható jelölést a következő kód hozza létre.

6. ábra GoogleEarth

<?xml version = "1.0" encoding = "UTF-8" ?> <kml> <Document> <Folder>

<Placemark><Style><IconStyle><Icon><href>http://maps.google.com/mapfiles/kml/pal4/ico

n59.png</href></Icon></IconStyle></Style><Point><coordinates>19.071513333333332,47.4

9212166666666</coordinates></Point></Placemark>

<Placemark><Style><IconStyle><color>00000</color></IconStyle></Style><Point><coordi

nates>19.071513333333332,47.49212166666666</coordinates></Point></Placemark>

<Placemark><Style><IconStyle><Icon><href>http://maps.google.com/mapfiles/kml/pal4/ico

n59.png</href></Icon></IconStyle></Style><Point><coordinates>19.071513333333332,47.4

9212166666666</coordinates></Point></Placemark>

<Placemark><Style><IconStyle><color>c3910091</color></IconStyle></Style><Point><co

ordinates>19.071513333333332,47.4921577027027</coordinates></Point></Placemark>


ordinates>19.071513333333332, 47.492085630630626</coordinates></Point></Placemark>












15




</Folder></Document></kml>

7.3 PgAdmin ( PostgreSQL )

Hiba! A hivatkozási forrás nem található. A legnépszerűbb, illetve legmodernebb

OpenSource program postreSQL adatbázis eléréséhez illetve fejlesztéséhez. A következő

operációs rendszereket támogatja: Linux, FreeBSD, Solaris, Mac OSX és Windows, mely

azért fontos, mert a mobilhely adatbázis, melyben az adatok tárolva vannak linux alatt futnak,

ugyanakkor a mérések során a többi programot windows alatt kerül futtatásra.

7.4 Screenshooter

Egy nagyon egyszerű program, mely az F9 segítségével lefényképezi a képernyőn kijelölt

területet és egyből feltölti egy internetes adatbázisba, és ezen képeket nagyon egyszerű

továbbküldeni, illetve egyes méréseket gyorsan dokumentálni.

7.5 Notepad++

[8]Notepad++ egy a Windows jegyzettömbhöz hasonlító szövegszerkesztő, mely sokkal több

szolgáltatást nyújt. Számos programozási nyelv szintaxisát támogatja, ezzel az

áttekinthetőséget jelentősen megkönnyíti.

Notepad++ egyszerű, gyors, könnyen kezelhető, kevés erőforrást igényel. Támogatott

programnyelvek: C, C++, Java, C#, XML,KML, HTML, PHP, CSS, makefile, ASCII art

(.nfo), doxygen, ini file, batch file, Javascript, ASP, VB/VBS, SQL, Objective-C, RC resource

file, Pascal, Perl, Python, Lua, TeX, TCL, Assembler, Ruby, Lisp, Scheme, Properties, Diff,

Smalltalk, Postscript, VHDL, Ada, Caml. AutoIt, KiXtart, Matlab, Verilog, Haskell,

InnoSetup, CMake

16

8 Kezdeti kísérletek: A adatbázisrendszer PostreSQL-ben lett kiépítve mivel ehhez a keretrendszerhez

létezik a Postgis kiegészítő, mely kiválóan alkalmas földrajzi adatbázisok kezelésére, mivel

számos jól használható beépített függvénye van.

Mivel mások is foglalkoztak a témával és nem lett volna célszerű, ha mindenki a

szerveren próbálkozik a megoldásaival, ami addig nem lenne gond amíg mindenki csak és

kizárólag jó megoldásokat talál ki, de több oka is volt annak, amiért szükség volt egy SQL fájl

készítésére, mely betöltése után bárki tudott OFF-line-ban dolgozni. Ezután mindenkinek

lehetősége nyílt a saját gépen local host-on dolgozni, esetleges hibák nem zavarták a többiek

adatbázisát és Online kapcsolatra sem volt szükség. A jó adatokat, táblákat, függvényeket

pedig bármikor fel lehetett tölteni az aktív adatbázisra a következőképpen:

Az adatbázis neve:GSM

Címe : mobilhely.itk.ppke.hu

Port: 5432

username(admin) : postgres

jelszó : 123qwe

17

7. ábra Bejelentkezés az adatbázisba

9 Adatbázis felépítése: [9]Egy két szóban a régi adatbázisról. Az adatbázist az utóbbi pár évben különböző

eszközökön való mérések alapján töltötték fel több mint 250 000 adattal. Három eszközzel

készítették a méréseket. Először egy SAMBA 75 GSM/GPRS modem, mely egy notebookra

volt kötve. Ez a szerkezet 7 bázisállomást mért GPS koordinátával, továbbá ellátott minden

mérést egy id-val.

Így két fajta mérést végeztek mozgó és úgynevezett helyhez kötöttet (hosszú

méréseket). Ez sokban hasonlított az előző mérésekhez is, csak itt nem volt GPS koordináta.

Két fő okból. Mivel fedett térben nem vehető a GPS jel, továbbá nem sok értelme van több

héten át egyhelyben maradó egységnek a GPS koordinátáit is külön bevinni. Az

RxLevFull,RxLevSub, RxQual, RxQualFull, RxQualSub, Idle TS paramétereket, melyek

elsősorban hívás közben kapnak szerepet.

Míg a későbbiekben, amikor többek között a mi csapatunk is mért, a Maczák Balázs

féle androidos mobil méréssel mértek és mérünk sokat [10]. Ez egy mobil androidos software,

mely majdnem minden androidos telefonon működik kisebb hibákkal. Ennek továbbfejlesztése

18

és bugok kijavítása folyamatban van. Legnagyobb hibája a telefon kapacitásának gyengesége,

mivel egy-egy mérés nagyon sok adatot foglal magába.

9.1 SQL adatbázis: Az adatbázisunk természetesen teljesen ugyanolyan felépítésű, mint a régebbi MySQL

adatbázis.

Összesen hét tábla van, melyben a legfontosabb adatok a GPS és a GSM táblák tartalmazzák.

Minden táblában megtalálható az ID, mellyel jól össze van kapcsolva, így könnyen meg lehet

találni az adatokat.

9.1.1 Táblák felépítése: A következő pár sorban a táblák felépítéséről, valamint a fontosabb mezőik

tulajdonságairól lesz szó. Így a későbbi eligazodás is könnyebbé válik. A következő oldalon

látható a táblák felépítése és kapcsolati rajza.

19

10 Adatbázis felépítése, táblák kapcsolata

8. ábra Adatbázis felépítése [9]

20

10.1.1 Legfontosabb táblák:

Ezen táblák már az átírt PostgreSQL táblák.

GPS:

9. ábra GPS tábla

id: saját ID minden GPS mérési bejegyzéshez

mid measure ID – Device táblázohz kapcsoló melyik mérőműszerrel készült ->

lat latitude, azaz É-D hosszúsági fok

lng longitude, azaz K-NY szélességi fok

sats a GPS vevő által látott műholdak száma. Egy pontos meghatározáshoz,

legalább 4 műhold látására van szükség. De akár 3 is elfogadható ha

nincsenek egy síkban.

alt altitude, azaz tengerszint feletti magasság

Az adatbázis egyik legfontosabb táblája, az id, ami egy egyedi azonosító, mely azonosítja a

rekordokat. A lat és a lng mező kombinációja adja meg GPS koordinátákat, melyek négyes

tagolási formában vannak. Ezen adatokat Google maps kompatibilissá kell hozni ahhoz,

hogy ábrázolni lehessen és a feldolgozás megkönnyítése végett. Ezen feladatot a következő

programrészlet végzi el:

10. ábra Koordináta átváltó

21

GSM:

11. ábra GSM tábla

id egyedi azonosító minden bejegyzéshez

gid GPS ID, kapcsolódási pont a GPS táblához

cid Cell table ID, kapcsolódási pont a CELL táblához (nem a cell_id! mely a cella

azonosítója)

rxlev rssi, a vett rádió jel erőssége (0..63 dBm között)

Szintén egy id-val van azonosítva minden rekord. Az aktuális rekord GPS adatait a gid

segítségével lehet elérni, továbbá a szükséges cella információkért a cid felel. Az rxlev mező

a vételi jel teljesítményét tárolja dBm-ben.

22

CELL:

12. ábra CELL tábla

id minden bejegyzéshez egyedi azonosító

mcc Mobile Country Code: mobil országkód, melynek hossza 3 számjegy, és

egyértelműen meghatározza a mobil előfizető hálózata szerinti országot. A

mobil

országkódokat az ITU jelöli ki. Magyarország mobil országkódja: 216.

Jelenleg csak Budapesti mérések kellenek, ezért csak a 216-os országkódos

mérések maradtak, valamint az egyéb helyeken a komment tábla

segítségével lettek kiszűrve. (lsd. rendszerintegritások).

mnc Mobile Network Code: mobil hálózati kód, melynek hossza két számjegy.

Az

MNC az MCC-vel együtt egyértelműen meghatározza a mobil rádiótelefon

szolgáltatást igénybe vevő végberendezés vagy előfizető honos hálózatát. Az

MNC az

MCC-vel együtt, a mobil szolgáltatást nyújtó hálózatokkal jelzéstechnikailag

kompatibilis szolgáltatás nyújtása céljából egyértelműen azonosíthat helyhez

kötött

telefonhálózatot vagy hálózat csoportot is. A mobil hálózati kódot a hatóság

jelöli ki.

A kijelölés feltételeit külön jogszabály tartalmazza.

lac : Location Area Code: A 4 számjegyből álló azonosító, ami egy nagyobb

terület azonosítására szolgál.

ci : Cell Identifier: 4 hexadecimalális számjegyből álló azonosító, ami

azonosítja a

cellát, mely szintén alkalmas egy már kisebb terület azonosítására.

23

bsic Base station identity code: a mobil készüléket segíti a különböző

szomszédos

bázisállomások megkülönböztetésében. A BSIC egy úgy nevezett „színkód",

ami azt

jelenti, hogy a szomszédos cellák más képzeletbeli színnel vannak jelölve, és

nem

lehet egymás mellett két azonos színű cella.

freq az a frekvencia, amin az adótorony sugároz ( 900 Mhz/1800 Mhz ).

Ezeket az adatokat kell később felhasználni a távolságok kiszámításához az

Okamura-Hata modell segítségével.

10.1.1.1 További fontosabb táblák:

Comments:

13. ábra Comments tábla

id egyedi azonosító.

mid összekapcsoló pont a measurement táblázathoz.

string maga a comment. Itt főleg időjárási adatok találhatók. Fontos adat, mivel

számottevő különbségek voltak például esős, ködös, illetve tiszta időben mért

jelerősségek között. Ködös időben akár 20 %-kal erősebb lehet a csillapítás.

24

Measurement:

14. ábra Measurement tábla

id egyedi azonosító

did kapcsoló pont a a device táblához

date a mérési dátum időpontja

Ez a tábla kapcsolja össze a Device( Eszköz ) táblát a mérésekkel., továbbá ellátja őket egy

dátum bélyeggel.

Device:

15. ábra Device tábla

id egyedi azonosító

name a mérőműszer neve

Nagy szükség van a mérőműszereket és a velük való méréseket összekötni, hiszen ha

felfedezünk egy hibát egy műszerben, akkor egyszerűen tudjuk lokalizálni az azonosítójával

az adatbázisban.

Minden eszköz egyedi tulajdonságú, hiszen bármilyen eltérés az antennában, vagy a műszer

szerkezetében megváltoztathatja a jel vett erősségét, illetve pontosságát. Ezért, ha egy mérés

után kiderül, hogy az eszköz hibás volt, akkor könnyen lehet csak a rossz méréseket javítani,

vagy törölni az adatbázis többi részének piszkálása nélkül.

25

11 Hibaforrások a mobiltelefonos helymeghatározásban A következőkben bemutatom feladatom második részét, melyben lehetséges hibákat

kutattam, majd azokat igyekeztem kiszedni az adatbázisból.

Az első részben a vezeték nélküli csatorna legfőbb ellenségeit mutatom be. Majd ezek után a

rendszerintegritások keretében az adatbázisból kiszűrt adatokkal foglalkozom.

12 Több utas terjedés és Fading Látható, hogy nagyon sok különböző mérés típus van, melyből a későbbi munkához

csak olyanok kellenek, melyeket lehet használni és megfelel elvárásoknak. Továbbá mint

minden mérőműszer, ezeknek is vannak mérési hibái. Tehát olyan GPS koordinátákra van

szükség, melyek lockolva vannak, tehát pontosságuk elfogadható és a GSM jelerősségi

adatok, melyeket nem, vagy csak elfogadható mértékben zavarnak a fading és a több utas

terjedéses zavaró jelenségek.

Látható, hogy a jelszint a távolsággal nagyjából arányos, ha kevés a zavaró tényező, de a

következő ábrákon viszont kitűnik, hogy a valóságban nem ilyen szép a jel terjedési képe.

16. ábra Zavaró tényezők vezeték nélküli hálózatoknál [11]

A három legfontosabb zavaró tényező a következő három:

– Reflections / reflekció

– Scattering / szóródás

– Diffraction / elhajlás

26

17. ábra Vételi jelszint változása távolság arányában [11]

A fenti ábra pedig a fading jelenséget mutatja be a távolság arányában. Megfigyelhető, hogy

ugyan a távolsággal csökken átlagban, de semmi egyéb információt nem tudunk róla és ez

sajnos minden mérés során előfordul.

Ezért foglalkoztam sokat a második feladatommal, melyben rendszerintegritásokat kerestem,

többek közt az ilyen hibák és anomáliák csökkentése érdekében.

13 Rendszerintegritások: Egy rendszer akkor jó, ha minél gyorsabban eléri a kívánt célt, továbbá nem

tartalmaz, illetve nem ad fel hibás adatokat. Előzőekben láthattuk, hogy a vezeték nélküli

méréseknél számos zavaró tényezővel állunk szemben. Ezen károk adatbázisunk

minőségének romlásával jár. Ezeket az adatokat jelentősen csökkenteni kell.

Jelen helyzetben egy hely meghatározása nem tarthat sokáig, hiszen ha a felhasználó utazik a

buszon vagy bármilyen járműben és az adatok túl sok ideig utaznak, majd a rendszer

lassúsága miatt a feldolgozás is lassú mire visszaér a felhasználóhoz, az eredménnyel

valószínűleg már elavult lesz. Ha nagyjából 50 km/h–val utazik, és az adat 8-10 mp alatt

érkezik meg, addig akár 100 métert is megtehet, mely elég ahhoz, hogy későn szálljon le a

buszról, vagy rossz helyen forduljon le. Természetesen ezt nem csak az adatbázis lassúsága,

illetve az adatok feldolgozási ideje határozza meg, hanem a kapcsolódási idő, ezért kell

ezeket a tényezőket eltüntetni, vagy minimalizálni. Így szükség van a rendszert mindig

javítani, gyorsítani.

27

Szükséges a rendszer integritásokat vizsgálni, melyek a rendszer hibáit vagy a rendszerben

fölösleges adatokat szűri ki. Továbbá ezen javításokból új view-ok létrehozása a cél.

Az adatbázisban a mérési adatok úgy voltak eltárolva, hogy az egy mérésnél látható

maximum 7 cella azonosító egyenként külön rekordban voltak elmentve azonos id-val. Az

adatbázis hosszban legalább 5-6-szoros méretett okozott. Ezen adatokat Réti Dániel egy

sor/oszlop transzformációval egy rekordba transzformálta, így az adatbázis tömörebb lett és

az azonos adatok egy rekordba kerültek adatvesztés nélkül [12]. Az integritási vizsgálatban

ezen adatbázis volt felhasználva.

13.1 GPS hibák: Először is azokat kell kiemelni, mely méréseknél nincsen GPS jel, mivel ha nincs pozíció a

méréshez kapcsolva, nem lehet számításokat végezni vele. Ilyen mérésből összesen 9711

van.

18. ábra GPS adatok méréseknél

Az adatbázisban 1994 cella id van és összesen 1991 kerül felhasználásra GPS-hez, tehát van

3 olyan, ami nem használ felesleges adatot. Ezek valószínűleg törölt adatok után maradtak

meg.

Továbbá a mérőműszerek hibáiból kifolyólag számos pontatlansági hibát fedeztem fel.

Ilyenek például irreális helyzetek és az útvonal pontatlan meghatározása. Ez várható volt,

hiszen az útvonaltervező programok is használnak útra igazítást, továbbá útvonal

egyenesítést.

25758

9711

GPS adatok

GPS ON

GPS OFF

28

A következő képeken látható, hogy a GPS pontossága elég széles skálán mozog. Hiszen egy

belvárosi mérésnél a magas vasbeton alapú épületek nagyon erősen fogják és torzítják a

jeleket. Ahogy a képen látható, általában az út mellé teszi a pozíciót. Ez annak köszönhető,

hogy a műhold „ferdén lát rá” a vevőre, így arról az oldalról reflektálódik vissza a jel és ezért

tolódik el a pozíció a másik irányba. Ezeket a hibákat a GPS-es programok egy egyszerű útra

húzással oldják meg, mely egyszerűen a legközelebbi útra teszi a felhasználót.

19. ábra GPS jel eltérések [19]

29

Valamint, ha elmegy a GPS jel a rendszer

továbbra is halad az eddigi irányba addig, amíg

nem fogja be újra a jelet, mert ekkor jönnek a

nyílegyenes irányok, jobb esetben a NULL GPS

jelű mérések.

13.2 Torony láthatósági zavarok Vannak olyan mérések, ahol feltehetően mérési hibák miatt vagy egyéb zavarok miatt túl sok

torony tartozik egy méréshez (7+), ez azért probléma, mert a mérőműszer maximum hetet

tud látni, ebből összesen 59 mérés van. Ignorálva lettek azok az esetek, ahol azért van több

torony, mert egy helyben végeztünk a mérést, így esetleges toronyváltozások miatt lett több

objektum látható.

A másik véglet a tornyok láthatóságában, ha kevés látszik, mert így a meghatározás

pontossága jelentősen csökken. Ha öt, hat vagy hét tornyot észlelünk, azt fogadjuk el.

Összesen 35469 ilyen mérés van mely <=5 és <=7, továbbá kiszűrhetjük azokat a cellákat,

melyek ötnél kevesebb és hétnél több tornyot látnak. Előbbiből 5672 van, míg az utóbbiból

az előzőekben olvashatjuk, hogy 59, ez összesen 5731.

20. ábra GPS jel elvesztése [19]

30

21. ábra Telefon által látott tornyok száma

22. ábra Vezeték nélküli csatorna [11]

Mint minden vezeték nélküli rendszernél, itt is előjön a legveszélyesebb zavaró tényező, a

fading. Először is az alacsony RX level-ket szűrjük ki, melyek 0 közeliek, nagyjából kisebb,

mint 3. Ebből 595 adat van, míg a túl nagy RX-level> 63, mely szintén a fading miatt

történhet, mivel a mérőműszer eleve nem tud akkora számot tárolni. Ilyenből 453 adatunk

van.

Tehát rossz RX level miatt a használhatatlan adatok száma: 1048.

Nagyon hasznos adat a Local Area Cell_ID, amely adattal eleve egy kis területre szűkítjük a

számításainkat. Méréseink alapján ilyenből 47 egyedi létezik, melyek közül 9 budapesti

(csak Budapesten számolunk egyelőre).

5672

35469

59

Látható tornyok száma

<=5

<5, <7 // Számolásraalkalmas

>=7

Vezeték nélküli csatorna

31

.

Összefoglalva 9711+59+5672+595+453 = 16472 adat van, melyre nincs szükség, tehát ezek

nélkül létre kell hozni egy view-t, így csökkentve az adatokat, növelve a sebességet.

Helyes és használható adatból pedig 35469+47 áll rendelkezésre.

Az új view-ok létrehozásával, melyben már az eddig felismert hibáktól mentesek, mértéke

nagyjából 26% volt, ezek elkészültek és további mérési és számítási munkákra alkalmasak.

Látható, hogy ez egy elég nagy arány és valószínű, hogy a későbbi bővítések során is

szükség lesz további integritás keresésekre.

23. ábra Integritás összegzés

Budapest; LAC; 9

Egyéb; LAC; 38

Budapest

Egyéb

35516

16472

Sum

Értékes adat

Felesleges adat

32

24. ábra Adatbázis View-okkal lsd. 8-as ábra

33

14 Hullámterjedés vizsgálat A hullámterjedés vizsgálata során továbbra is a PostgreSQL-t adatbázis adataira volt szükség. A

lekérdezésekhez Java-t, a programozáshoz és a fájlok és adatok feldolgozásához, megjelenítéshez

Excel táblák kerültek alkalmazásra grafikonok ábrázolásának segítségével.

Első lépésben azokat a tornyok kerültek megvizsgálásra, melyek nagyon sok mérésünkben láthattunk,

így elegendő adatunk volt eldönteni az algoritmusunkról, hogy megfelelő-e.

Ezen tornyok főleg a nyolcadik kerületben voltak az egyetem környékén. A szabadtéri rádiós

hullámterjedés teljesítménye a távolság arányában, melyet komm. rendszerek tanulmányaim során

tanultam, majdnem tökéletesen lefedték méréseinket, minimális eltéréseket észleltünk.

A képlet:

25. ábra Szabadtéri hullámterjedés [13]

PT = átviteli teljesítmény / transmitted power

Ae = antenna tényleges mérete / effective area of antenna

G = antenna nyereség / gain of antenna

λ = hullámhossz / wavelength

A path loss (veszteség) képlete:

26. ábra Pathloss függvény

A bázisállomás (adótorony) helyzete nem ismert és nem is nyilvános adat a szolgáltatók részéről. A

torony helyzetét mindig a legerősebb mérési pontnak feltételeztük, és az ahhoz képesti távolságok

kiszámolása a haversine formula segítségével lehetséges [10].

27. ábra Haversine függvény [14]

.

34

Ahol a haversin függvény :

28. ábra haversin (alfüggvény) [14]

Ahol az a szélességi fokok, a hosszúsági fokok, ”r” a föld sugara, „d” pedig a

távolság:

29. ábra Távolság függvény haversin formulával [14]

Ezen két képlet kombinációjára volt szükség ahhoz, hogy ki lehessen számolni a várt, illetve a mért

teljesítményt a tornyok körzetében, melyet a következő Java kód hajt végre:

30. ábra Teljesítmény illetve távolság függvény a Javaban

Következőképpen lehet meghívni:

31. ábra Java függvények meghívása

Egy ciklus segítségével megy végig a program a mérési ponton, ahol a „tmp” változik és az „r” mindig

az aktuális torony legerősebb pontja, mely tornyonként fix. Erre az „r” adatra és a hozzá tartozó

teljesítményre, illetve a két koordinátára lesz csak szükség a későbbiekben, ha az algoritmus

35

megfelelően működik. A többi adat, mely tornyonként változó, de átlagosan 95% fölött van, ki lehet

dobni.

Miután megvoltak a távolságok, illetve a hozzátartozó teljesítmények, már meg lehetett nézni, hogy

simulnak rá a pontok a várható görbénkre. Eleinte csak pár toronyra néztem meg, kb 20-ra, és amikor

láttuk, hogy működik és csupán a torony azonosítója és a jelszint értékével akár 5-10 méteres

pontosságot tudtunk elérni, mely megfelel egy GSM alapú helymeghatározásunkhoz egyelőre.

A számolások menete eleinte úgy ment, hogy kézzel kiszedtem egy számomra szimpatikus torony

adatait, azokat exportáltam egy Excel táblába, majd feldolgoztam egy Java programban. Fontos

megjegyezni, hogy minden mérésnél az egyes tornyok sugárzását mindig gömbsugárzónak lettek

beállítva, mivel a megfelelő algoritmus még nincs meg arra, hogy el lehessen dönteni, hogy szektor

vagy gömbsugárzó. A kettő sugárzó között az a különbség, hogy a szektor sugárzó egy vonalban

sugároz erősen, mely a távolság arányában nagyjából négyzetesen csökken, míg oldal irányban kisebb

ható sugárral, illetve sokkal rosszabb a jel csökkenése a távolság arányában. Ilyeneket tesznek

sugárutakra vagy körutakra, autópályák mellé. Míg a gömbsugárzó egy kör alakban sugároz, ez a

legelterjedtebb. Ebből az okból kifolyólag lehet feltételezni, hogy minden torony gömbsugárzó,

illetve, ami nem felel meg a gömbsugárzó tulajdonságainak vagy éppen nagyon eltér a mérésektől

egyszerűen ki lehet dobni, hiszen rengeteg bázis állomás van, főleg a sűrűn lakott Budapesten. A

mérések és a számítások két dimenzióban lettek kalkulálva. Úgy lett megoldva, hogy 360o-ban a

pontok síkra lettek hajtva két fő tengelyre bontva, mely a távolság illetve teljesítmény. Ennek az a

hátránya, hogy nem lehet tudni, hogy a toronyhoz viszonyítva az adat melyik irányban található, de ez

nem is olyan fontos, hiszen elég az is, hogy nagyjából milyen messze van a toronytól. Elvégre sok

torony van sok adattal, így lehet használni az ívmetszéses vagy a háromszögeléses algoritmusokat a

helyzet meghatározásához. A következő képen látható a 2B53-as torony feltételezett középpontja,

mely a legerősebb mért jelhez lett beállítva, továbbá sárga jelzéssel a mért adatok. A piros kör sugarak

a torony besugárzási területét határozná meg. Azonban ez nem jó, mert ezen ábráknál a kör sugara

függ a teljesítménytől, ami négyzetesen csökken, továbbá, ha nincs több mérés, akkor leáll a további

sugarakat készítő függvény, tehát ezek a körök csak a jobb átláthatóságot biztosítják.

36

32. ábra 2B53 torony bejárása/sugárzása

Egy-egy torony adatairól több statisztika készült. Vannak táblák, melyekben minden adat fel lett

sorolva, többek között a várt értékek 0-1000 méterig, mellette a méréseink koordinátákkal, távolsággal

a legerősebb ponttól, teljesítménye, eltérése számításainktól. Utóbbi a legfontosabb, hiszen ezen

alapján tudjuk, mennyire vagyunk pontosak. A számítás a következőn alapul: integráltam az összes

négyzetes különbségnek a gyökét. Ezek mellet volt egy olyan tábla, ami „kellemesebb” a szemnek,

melyben csak a lényeges adatok vannak, így elvárás, mérési adat, eltérés. A következő ábrák olyan

Excel táblákból készültek, melyeknek négy fő oszlopa volt. A piros vonal a várható adatok. Ezek a

legerősebb jelszinti koordinátához képest kiszámoltunk a fent említett képlettel milyen jelerősséget

várunk el egyre növekvő távolságnál. A kék vonal pedig a mért adatok az adatbázisból, melyek a

táblázatban egy távolság az imént említett legerősebb ponttól és a teljesítmény értéke a fenti képlettel.

Ezen két görbe egymásra illesztésével jöttek létre a grafikonok.:

37

33. ábra 2B53 torony mérési adatai

Látható, hogy a mért (kék) adatok ráilleszkednek a várt (piros) adatok által generált logaritmikus trend

vonalra. Megfigyelhető, hogy nem „folytonos” a mért pontok halmaza. A kisebb szünetek

valószínűleg a bolyongás közben olyan helyzetek, ahol nagyobb házak vagy fal lehet, mely

leárnyékolta az aktuális tornyot, illetve az is előfordulhat, hogy egyszerűen egy másik toronynak

erősebb volt a jele, és kiesett a 7 torony listájából, melyet a telefon tárol a környező tornyokról. Ilyenre

egy másik példa a 27F1 toronyból készített grafikon, mely 50-100 méter között eltűnik az aktuális

mérésnél.

34. ábra 27F1 torony mérési adatai

Megfigyelhető, hogy a várható illetve a mért adatok logaritmikus trendvonala, majdnem egymásra

illeszkedik, csak nagyobb távolság esetén kezd eltérni.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 100 200 300 400 500 Várt

Mért

Log. (Várt)

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 50 100 150 200

Várt

Mért

Log. (Várt)

Log. (Mért)

38

Ezek alapján, ha egy jól körülmért helyen, ahol legalább 4-5 torony található az adatbázisban

megfelelő adatokkal és azok mind körsugárzók. Akkor, ha a teljesítmény számoló függvényből

kifejezzük a távolságot, akkor ezen függvény segítségével meg lehet határozni, hogy az egyes

tornyoktól milyen messze van a készülék, majd ívmetszéses algoritmus segítségével meg lehet

határozni elfogadható mértékben a pozíciót.

Az távolság függvény a következő:

√

Ahol a Tx az adó teljesítménye, amely adatot az adatbázisból lehet kiszedni azonosító alapján, az Rx a

vevő teljesítménye, melyet a telefon mér. A lambda a hullámhossz a hullámhossz lehet 7,5 illetve 15

cm, illetve a pl(x)a csillapítás mértéke (lásd [24]-es ábra).

Ez természetesen messze nem pontos, de egy civil felhasználásra, ha 10-20 méteres pontatlanságot el

lehet fogadni, és további mérésekkel és adatgyűjtéssel lehet pontosítani, illetve a lefedettséget növelni.

39

15 Konklúzió A mobilhely adatbázis vizsgálata során, számos értékes adatot sikerült felfedezni. Melyek nagy részét

egyből lehetett használni, egy-egy adatot pedig konvertálni kellet ahhoz, hogy a jelen mérések során

fellehessen használni. Ilyenek voltak a GPS koordináták melyek 49xx.xxxx illetve 19xx.xxxx

formátumba voltak. Viszont a Google Earth KML formátumot használ mely a 19.xxxxx és 49.xxxxx

formátumot támogatja így a [10]-es ábrán látható konvertáló KML kompatibilissé alakította.

Miután az összes fontos attribútum össze lett válogatva következhetett az integritás ellenőrzés. Hiszen

az adatbázisban eddig csak „ömlesztve” voltak az adatok. Nem volt probléma, ha hibás, vagy esetleg

hiányos. Utóbbi legsűrűbben akkor fordult elő amikor a GPS vevő még nem fogta be a pozíciót,

ellenben viszont a GSM adatok már folyamatosan tárolódtak. Ilyenkor a GPS koordináták nullák

voltak, ezek tesztelésen kivételével semmire sem jók, tesztelésre is csak akkor, ha tudjuk, hogy hol

készült a mérés. A hibás adatok pedig számos helyen előfordulhattak a jel torzult, vagy az eszköznek

voltak hibái. Nagy problémát okozhatott például, egy hibás vételi jelszint. Hiszen volt több olyan adat

mely kimutatott a mérési tartományon és ha ezek az adatok bent maradtak volna ezen hibás adatok

bírtak volna a legnagyobb súllyal és teljesen eltérítették volna a helyzet meghatározást az aktuális

pontokon. Az ilyen hibák vagy hiányosságok az adatbázis több mint 25%-át tették ki. Ezeket sikerült

elhárítani, és új viewokat létrehozni. Az új viewok segítségével már sokkal jobb méréseket lehet

végezni, hiszen mentesek az összes integritási hiba melyet sikerült felfedezni az adatbázisban, továbbá

a mérete is kisebb mint az eredeti tábla, bár az SQL olyan gyors, hogy ezt a növekedés csak minimális.

A hullámterjedés vizsgálata során az legfőképpen az Okumura-Hata modell, illetve a Dr. Takács

György Infocom System című előadásait tanulmányoztam [13]. Végül az utóbbi előadás sorozatban

található képlet felhasználásával (lásd: [25]-as ábra ) melyben a távolság kiszámításához, a haversine

függvény segítségével ( lásd [29]-es ábra ) . Ezen algoritmus finomításával foglalkoztam, hogy a

lehető legjobb meghatározást lehessen elérni az adatbázis adatainak segítségével. Itt készítettem az

összes celláról egy várható érték sorozatot méterre és teljesítményre lebontva, továbbá a mért adatokat

is konvertáltam a megfelelő formátumban és ezeket szintén méter és teljesítmény párokba

kigyűjtöttem. Ezen adatokat egy külön excel fáljba kigyűjtöttem, majd ábrázoltam őket.

Ezen ábrákon sikerült még megfigyelni, a terjedési körülményeket belvárosi viszonyokban, ahol

nagyon sok helyen megfigyelhető volt, hogy az adott cella jele egy bizonyos szakaszon eltűnt. Ezek

valószínűleg mindig valamilyen nagyobb épületek takarása miatt jöhettek elő. Ilyen zavaró tényezők

vidéken sokkal ritkábban fordultak elő, hiszen ott sokkal homogénebb a környezet és ritkább a

vasbeton szerkezet.

Azt is sikerült megfigyelni, hogy a szektor sugárzókat érdemes, egy az egyben kiszedni a méréseknél,

hiszen azok olyan hosszú területet képesek besugározni egyenletesen az sugárban, míg a szélességben

40

minimálisan, továbbá éppen elegendő körsugárzó áll rendelkezésre, hogy ne kelljen hiányolni a

szektorsugárzókat.

Végül az ábrázolt ábrákon látszódik, hogy a várható illetve a mért görbék minimális eltérést mutatnak,

így ha a teljesítmény függvényből kifejezzük a távolságot akkor, ezek után ha megvan a cella

azonosító továbbá a hozzátartozó vételi jelszint. Akkor ha a készülékben megtalálható egy csökkentett

adatbázis mely áll az összes cella azonosítójából, a hozzá tartozó legerősebb jelszinttel, továbbá a

legerősebb jelszint vételi koordinátája. Akkor már meglehet határozni, hogy hány méterre van az adott

cellától.

A kutatások során végül, az adatbázisból sikerült kiszedni a helytelen adatokat, illetve a

hullámterjedés vizsgálata során sikerült találni egy jó algoritmus, mellyel egy várható görbét sikerült

létrehozni minden egyes cellához a távolság függvényében, és ezekre jól rásimult a mért adatokra. Ezt

kihasználva, az adatbázisból lehet készíteni egy olyan kisebb adatbázist, melyben csak a cellák vannak

benne azonosítóval, a hozzátartozó legerősebb vett jellel illetve a pozíciójával. Továbbá ha ez az

adatbázis meg van akkor, ha egy programba implementáljuk a távolság algoritmust illetve hozzáférést

biztosítunk az új adatbázishoz akkor képesek leszünk helyzetet meghatározni ott ahol elegendő cella

információ van.

Nagy előnye az, hogy bel téren is működhet internet kapcsolat nélkül, akár gyorsan is. Hátránya

viszont az, hogy sokkal pontatlanabb lesz valószínűleg, mint a GPS, továbbá csak azokon a helyeken

működik ahol ki van mérve. Továbbá fenn áll annak is a veszélye, hogy a cellát átalakítják, és ezzel

esetleg megszűnik a régi és egy újat állítanak be, akkor tovább csökkenhet a hatákonyásg. Az utóbbi

problémákat meglehetne, úgy oldani, hogy a készülék folyamatosan gyűjtene adatokat, ha rendelkezik

GPS vevővel és a felhasználó engedélyezi, és ha elegendő adat összegyűlt akkor a felhasználó

engedélyével folyamatosan lehetne bővíteni az adatbázist. Majd az új adatokat az eddigi módszerekkel

meg kell még tisztítani illetve az adatokat betömöríteni az új adatbázisba. Ezzel a módszerrel

dinamikusan nőhet a lefedettségi területünk.

41

16 Köszönetnyilvánítás Elsősorban köszönöm szépen a családomnak a támogatást.

Tihanyi Attilának a nagyon sok segítséget a konzultációk során illetve, azt hogy bármikor

felkereshettem problémákkal illetve mindig ellátott jó tanácsokkal.

Szabó Dánielnek, aki segített helyesírási hibákat javítani.

Továbbá azoknak, akik szintén hasonló témákkal foglalkoztam különböző megközelítéssel, hogy

sikerült jó csapatot létrehozni, és ha probléma volt, vagy tanács kellet lehetett egymáshoz fordulni

42

17 Irodalomjegyzék

[1] Pápai Attila. (2009, Apr.) PDAplus. *Online+. http://pdaplus.hu/content/view/3567/67/

[2] Telekom. (2012) A mobil technológia műszaki háttere.

http://www.telekom.hu/static/sw/download/a_mobil_technologia_muszaki_hattere.pdf.

[3] T-mobile. (2012) t-mobile.hu. [Online]. http://www.t-

mobile.hu/lakossagi/ugyintezes/lefedettseg/gsm

[4] Takács György, Távközlő hálózatok tervezése, 2012, Előadás.

[5] Takács György, "Helymeghatározás mobiltelefonnal és mobil hálózattal," Pázmány Péter

Katolikus Egyetem, Információs Technológiai Kar, 2008.

[6] Oracle, Java SE Tutorial, 2012, http://docs.oracle.com/javase/tutorial/.

[7] Google, KML Documentation, 2012, https://developers.google.com/kml/documentation/.

[8] Don Ho. (2011) notepad-plus-plus. [Online]. http://notepad-plus-plus.org/

[9] Kelemen Mihály, GSM alapú helymeghatározás Nagy mennyiség adat rögzítése, tárolása,

valamint megjelenítése GSM alapú helymeghatározáshoz , 2010.

[10] Maczák Balázs, GSM alapú helymeghatározó alkalmazás készítése Andrioid környezetben, 2010.

[11] Oláh András, Introduction to Wireless Communication Networking Technologies, 2011.

[12] Réti Dániel, "Turisztikai alkamazás készítése GSM alapú helymeghatározáshoz," PPKE-ITK,

Önállólabor beszámoló 2011.

[13] Takács György, Infocom Systems, 2011, előadás.

[14] M. and Stegun Abramowitz, , Irene A. Stegun Milton Abramowitz, Ed. New York, Dover: Dover

Books on Mathematics, 1972, p. 18.

[15] u-blox. (2012, november) u-blox. [Online]. http://www.u-blox.com/en/assisted-gps.html

[16] OpenSource, pgAdmin, http://www.pgadmin.org/index.php.

[17] dr Tanszer István, Telekommunikációs rendszerek, 2000.

[18] ismeretlen. (2012, november) GSM felépítése.

[19] iGo, http://www.igonavigation.com/, Navigációs program.

http://pdaplus.hu/content/view/3567/67/

http://www.t-mobile.hu/lakossagi/ugyintezes/lefedettseg/gsm

http://www.t-mobile.hu/lakossagi/ugyintezes/lefedettseg/gsm

http://notepad-plus-plus.org/

http://www.u-blox.com/en/assisted-gps.html

43

[20] Bob Chamberlain. (2002) Finding distances based on Latitude and Longitude.

http://andrew.hedges.name/experiments/haversine/.

[21] Gergely Feldhoffer, Attila Tihanyi, György Takács Balázs Bányai, "A New Positioning Concept in

GSM Networks," 2009.

44

18 Mellékletek A mellékelt CD-n megtalálhatók a JAVA programok melyek az adatfeldolgozáshoz használtam

Tartalmazza a Database.java-t, mely az adatbázisból gyűjti ki a megfelelő cella adatokat és a

hozzájuk tartozó egyéb információkkal együtt, az Excel táblákba.

A Main.java mely különböző osztályok segítségével feldolgozza az előbb említett fáljokat és

készít belőlük egy KML fáljt, melyet meglehet nyitni Google Earth-el, továbbá készít egy elemezést,

hogy az adott cellának, milyenek a jelerősségi adatai. Vizsgálja, mik lehetnek a várható értékek

különböző távolságok mellet, illetve mellé illeszti az adatbázisból kivett mért adatok jelerősségét.

Majd ezen adatokat egymás mellé illeszti, melyből lehet grafikonokat készíteni.

A CD-n továbbá megtalálhatók a fáljok melyeket a program készített, illetve azon fáljok, melyeket

kézzel készítettem. Előbbiből több mint 3000 db van, míg utóbbiból készítettem egy

„osszevalogatott” Excel fálj melyben több cella van kigyűjtve grafikonokkal ellátva.

Konzulens: Tihanyi Attila - Pázmány Péter Catholic...

Documents

Transcript of Konzulens: Tihanyi Attila - Pázmány Péter Catholic...