Vysoké učení technické v Brně
Fakulta informačních technologií
Projekt do předmětu SEN
Textová rešerše - GSM lokalizace
[email protected]
5. února 2013
Lukáš Sztefek
Obsah
1 Úvod
2
2 Technologie GSM
2
2.1
BTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Lokalizace pomocí GSM
3
3
3.1
Lokalizace pomocí GPS vs. GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3.2
Cell ID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.3
Timing Advance
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.4
Angle of Arrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.5
E-OTD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.6
A-GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.7
Trilaterace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4 Zařízení pro GSM lokalizaci
10
4.1
Způsoby čtení polohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2
Parametry zařízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
5 Závěr
11
6 Literatura
12
1
1
Úvod
Se stále se zvyšujícími požadavky na komfort každodenního života, roste potřeba
neustálého získávání a zpracování většího a většího množství dat. Jednou z důležitých
informací, která může být aplikována v mnoha situacích, je informace o aktuální poloze.
Tato informace samozřejmě nemůže být samozřejmě spojována jen s kvalitou života.
Představme si například, že jsme účastníkem dopravní nehody v neznámém místě a
nejsme schopni nijak určit svou polohu při kontaktu se zdravotníky.
V dnešní době existuje několik způsobů určování aktuální polohy. Mezi neznámejší
patří GPS1 . Tento systém pracuje na principu získávání polohy pomocí komunikace
s 24 družicemi, obíhajícími na oběžné dráze Země. Tato technologie je velice přesná
(10m). Problémem je delší doba obstarávání polohy a malá možnost získání polohy,
pokud není na satelity “vidět”.
Dalším způsobem je obstarávání polohy pomocí GSM. Zkratka GSM označuje Global System for Mobile Communication a jedná se o bezdrátovou mobilní síť. Tento text
se zabývá právě lokalizací pomocí sítě GSM.
V první kapitole popisuji základní principy fungování GSM sítě. Další kapitola
poskyje krátké porovnání mezi GSM a GPS, načež uvádím několik technologií lokalizace
pomocí GSM. Následně uvádím charakteristiku trhu se zařízeními pro určování polohy
pomocí GSM.
2
Technologie GSM
GSM je ETSI2 standard využívaný téměř po celém světě. GSM sítě spadají do
mobilních sítí 2 generace [1]. Kvůli zastaralé technologii budou tyto sítě v budoucnu
nahrazovány novějšími sítěmi třetích a vyšších generacích založených např. na standardu 3GPP.
Síť GSM je složena z buňek (z angl. Cells) [2]. V ideálním případě mají tyto buňky
šestiúhelníkový tvar a jsou na pokrytém území naskládány do tvaru tvořícího včelí
plástve. Ve skutečnosti mají spíše tvar kružnic nebo elips, v závislosti na okolním
terénu. Buňky se často shlukují do clusterů z důvodu úspory frekvencí, na kterých
1
2
Global Position System
European Telecommunications Standartisation Institute
2
pracují BTS v jednotlivých buňkách. Naopak v městských oblastech, kde se očekává
větší využití sítě, dochází k rozdělení buňky na několik menších.
2.1
BTS
BTS, neboli The Base Transceiver Station, je prvek sítě, který komunikuje s MS
(Mobile Station - uživatelské zařízení). MS může být například mobilní telefon nebo
automobil s integrovaným GSM modulem. Pod BTS si lze představit klasické stožáry
rozmístěné na pokrytém území. Na území České republiky je v současné době, zhruba
35000 BTS. Některé z nich jsou sdílené mezi více operátory.
3
Lokalizace pomocí GSM
V této sekci porovnávám lokalizace pomocí s GPS oproti lokalizaci pomocí GSM.
Dále uvádím několik technologií používaných k lokalizaci pomocí GSM. Nutnou podmínkou pro správnou funkci jakékoli z GSM lokalizačních technik je znalost polohy
všech BTS, které se na získávání polohy podílejí. Touto znalostí musí samozřejmě disponovat mobilní operátor, nikoli uživatel.
3.1
Lokalizace pomocí GPS vs. GSM
Každá z technik GPS a GSM má své klady a zápory. Ve spoustě případů se tyto
techniky také doplňují a získání polohy je pak rychlejší a přesnější. Ve prospěch GPS
mluví přesnost získané polohy v řádech metrů, oproti GSM v řádech desítek až stovek
metrů. Udávaná přesnost GSM určuje spíše přesnost v silně obydlených oblastech, kde
je vyšší koncentrace BTS. Dalším kladem GPS je to, že bude fungovat zpravidla na
celém světě, zatímco GSM pouze v dostahu vysílačů vybudovaných operátory. Ve prospěch GSM hovoří velice rychlé získání polohy (téměř instantní) oproti GPS, které má
jistou prodlevu (až desítky sekund). Dalších kladem GSM je pořizovací cena. Zařízení
pouze na bázi GSM bývají často levnější a proto jim dávají přednost např. dopravní
společnosti, které s jejich pomocí vypracovávají knihy jízd. V neprospěch obou technologií mluví velká nepřesnost vlivem okolního prostředí. GPS je ovlivněno, pokud
zařízení nemá přímý výhled na oblohu. V tomto ohledu dokáže GSM tyto vlivy více
3
potlačit. V podzemí či tunelech však není možno využít ani GSM.
3.2
Cell ID
Každá buňka sítě je opatřena svým vlastním identifikátorem. Identifikátor je unikátní v rámci operátora daného státu. MS po příhlášení do sítě může tedy rovnou
odhadnout svou polohu s přesností, závislou na typu buňky. Typy buněk lze vidět v
tabulce 1. Pro městské oblasti poskytuje tato technika přesnost 100 až 500 m, pro místa
s řídším osídlením stovky metrů až 30 km. Existují 2 rozšíření technologie Cell ID [3]:
1. Cell Sector - Buňka je rozdělena na 3 sektory, což sníží velikost oblasti, kde se
může MS nacházet, o 2/3.
2. Enhanced Cell ID - Kombinace technologií Cell ID, Cell Sector a TA3 (viz dále).
Obrázek 1: Technologie Cell ID (vlevo) a technologie Enhanced Cell ID (vpravo)
Ukázku funkce techologií Cell ID (včetně techniky Cell Sector) a Enhanced Cell ID
lze spatřit na obrázku 1 [4]. Odhadovaná poloha je umístěna v těžišti vytvořené oblasti.
Maximální vzdálenost dosahu velké makrobuňky se může lišit mezi různými aplikacemi GSM sítí. Hraniční standartizovanou hodnotou je vzdálenost 35km. Tato vzdálenost je technologické maximum, ačkoli je zde jistá rezerva.
3
Timing Advance
4
Typ buňky
Velikost buňky (km)
Velká makrobuňka
3 - 30
Malá makrobuňka
1-3
Mikrobuňka
0.1 - 1
Pikobuňka
0.01 - 1
Nanobuňka
0.01 - 0.001
Tabulka 1: Typy GSM buňěk
3.3
Timing Advance
Technika Timing Advance (dále TA) využívá znalost o délce zpoždění mezi MS a
BTS. Síť GSM využívá TDMA4 , které rozloží jedno frekveční pásmo na 8 časových
slotů [5]. Toto má mimo jiné za úkol zvýšit počet aktivních hovorů přes jednu BTS [6].
Obrázek 2: Zbůsob distribuce hodnot TA
TA může nabývat hodnot 0 - 63 v závislosti na vzdálenosti (větší hodnota, větší
vzdálenost), viz obrázek 2. Výpočet hodnoty TA se odvíjí od zpoždění bitu, který byl
odeslán na MS a přijat zpět. Maximálním zpožděním, které je možno v jednom časovém
slotu akceptovat je 252µs. V případě většího zpoždění by signál zasahoval do vedlejšího
4
Time Division Multiple Access
5
časového slotu, což by mohlo mít za následek rušení. Zpoždění je závislé na rychlosti
přenosu jednoho bitu v síti (3.69µs) a maximální velikosti rámce v jednom časovém
slotu.
Za předpokladu, že přenos jednoho bitu trvá 3.69µs, lze pomocí znalosti rychlosti
světla snadno dopočítat, jakou vzdálenost za tuto dobu signál urazí [7]:
vzdalenost = 3.69µs ∗ 300m/µs = 1107m
(1)
Tato hodnota určuje dráhu mezi BTS – MS – BTS. Po vydělení dvěmi ji dostáváme
skutečnou vzdálenost mezi BTS a MS rovnající se hodnotě 553, 5m. Tabulka popisuje
závislosti hodnoty TA na vzdálenosti MS od BTS a zpoždění při jejich komunikaci.
Vzdálenost
TA
Zpoždění
od (m)
do (m)
od (µs)
do (µs)
0
0
553.5
0
3.69
1
553.5
1107
3.69
7.38
2
1107
1660.5
7.38
11.07
3
1660.5
2214
11.07
14.76
...
63
...
34870
...
35420
232.47
236.16
Tabulka 2: Závislost hodnoty TA na vzdálenosti resp. zpoždění mezi BTS a MS
3.4
Angle of Arrival
AOA, neboli Angle of Arrival, funguje na principu získávání informace o úhlu, z
jakého dorazil signál od MS. Pro použítí této technologie musí být BTS dodatečné
upraveny. Klasické stanice tuto technologii v základu nezvládají (jsou vyžadovány antény, které jsou schopny určit směr signálu). Narozdíl od toho, MS žádný upgrade
nevyžadují. Minimální možný počet BTS pro aplikaci je stanoven na 2, se zvětšujícím
počtem se zvyšuje přenost určení polohy. Dostatečně kvalitní řešení poskytují již 3 BTS
[8] [9].
Princip je jednoduchý. Od každé BTS jsou vedeny přímky ve směru odkud dorazil
signál z MS. Takto vedené přímky vytvoří průsečík (ideálně jeden) a tuto hodnotu
považují za umístění zařízení. Princip lze vidět na obrázku 3.
6
Obrázek 3: Princip získání polohy pomocí technologie Angle of Arrival [8]
3.5
E-OTD
Enhanced-Observed Time Difference je lokalizační technika, která vyžaduje spojení
MS nejméně s třemi BTS. MS v síti měří časové rozdíly mezi přijatými daty od různých
BTS. Časové odchylky slouží k výpočtu relativní pozice vzhledem k BTS [9] [11].
Zásadním je pro správnou funkci této technologie synchronizace mezi BTS. Zavedení této technologie vyžaduje další výstavbu infrastruktury formou LMU (Location
Measurement unit). LMU se stará o meření časových rozdílů mezi vysílanými signály
jednotlivých BTS. Na každé tři BTS přísluší stavba minimálně dvou LMU.
Minimálně softwarovou změnu vyžadují také MS. Tato technika je tedy mnohem
přesnější než například Cell ID, ale za cenu vysokých nákladů na stavbu další infrastruktury a s tím spojené problémy (vyšší zatížení sítě, složitá konfigurace atp.).
Velice podobnou technologií k E-OTD je TDOA (Time Difference of Arrival). Hlavní
rozdíl spočívá v místě, kde dochází k výpočtu pozice. Při užití E-OTD se o výpočet
staralo MS, zatímco v TDOA počítá polohu síť samotná. Data tedy nejsou na MS
posílána, ale jsou od něj vyžadována. Tato technologie také vyžaduje stavbu LMU, ale
není vyžadována úprava MS. TDOA používá například americký operátor AT&T k
lokaci zařízení při vytočení linky 911.
7
Obrázek 4: Hodnoty síly signálu v realném prostředí
3.6
A-GPS
Technologie zvaná Asistované GPS nepřímo zapadá do lokalizačních technik pomocí
GSM. Jedná se o způsob jak pomocí GPS lokalizátoru rychleji získat aktuální polohu.
MS získá z BTS informaci o polohách satelitů na obloze a další dodatečné informace.
Těmto datům se říká almanach družic. Tento datový tok mezi BTS a MS si ovšem
operátoři účtují.
3.7
Trilaterace
Trilaterace je geometrická metoda získávání polohy MS. Nutným vstupním prvkem
pro výpočet je znalost vzdálenosti MS od minimálně dvou BTS (lépe však tří). Tu lze
získat například pomocí metody TA nebo výpočtem ze síly signálu. Jednou z takových
technik je LOS, neboli Line of Sight [6].
Prvotním úkolem LOS byl výpočet síly signálu v závislosti na typu terénu mezi
BTS a MS, a také na jejich vzájemné vzdálenosti. Pokud jsou tyto proměnné známé,
lze vzorec užít k výpočtu vzdálenost mezi BTS. Velkým problémem této techniky je
veliká závislost síly signálu na okolním terénu. Z tohoto důvodu vznikají mapy určující
sílu signálu v buňce. Příklad takové mapy je na obrázku 4.
8
Vypočet trilaterace vychází ze znalosti poloh BTS stanic (x1, x2, y1, y2) a vzdáleností MS od každé z BTS (d1, d2) viz obrázek 5. Po několika výpočtech získáme dvě
eventuální souřadnice polohy (dva průsečíky kružnic) [6]:
xa = xp − l2 ∗ sin(a) = x2 − l1 ∗ cos(a) − l2 ∗ sin(a)
(2)
ya = yp + l2 ∗ cos(a) = y2 − l1 ∗ sin(a) + l2 ∗ cos(a)
(3)
xb = xp + l2 ∗ sin(a) = x2 − l1 ∗ cos(a) + l2 ∗ sin(a)
(4)
yb = yp − l2 ∗ cos(a) = y2 − l1 ∗ sin(a) − l2 ∗ cos(a)
(5)
V tomto konkrétním případě se poloha MS rovná souřadnicím (xa , ya ). Tato poloha
by se dala určit například trilaterací s další BTS.
Obrázek 5: Trilaterace mezi dvěmi BTS
9
4
Zařízení pro GSM lokalizaci
Zařízení pro GSM lokalizaci často bývají kombinovány také s GPS modulem. Tyto
dva přístupy se totiž mohou vzájemně doplňovat. Jak jsem již uvedl dříve, GSM pomáhá GPS k rychlejší fixaci se satelity. Dalším kladem této kombinace je značná úspora
energie (právě z důvodu rychlejšího fixu). Zařízením zaznamenávajícím/poskytujícím
svou polohu se říká trackery. Samotné GSM trackery (bez GPS) se na trhu příliš nevyskytují.
Využití takovýchto lokalizátoru je velmi pestré. Můžou být použitý ke sledování
osob, zvířat, automobilů či pracovních strojů. Ve spojitosti s automobily mohou být
vypracovávany např. knihy jízd nebo je poloha vyžadována pro vyhledání odcizeného
vozidla.
4.1
Způsoby čtení polohy
Poloha může být uživateli, který ji požaduje, poskytována ve dvou módech:
1. mód poptávání - Data jsou uživateli dodána na požádání. Způsobů, jak dát trackeru vědět, že právě nyní žádáme o polohu je několik. Nejčastěji se používá SMS
zpráva v určitém formátu nebo “prozvonění”.
2. mód poslouchání - Tracker data pravidelně odesílá na server. Tam si je může
uživatel zobrazit.
Existuje ještě jeden způsob zisku dat o lokaci a to synchronně asynchronní – data
jsou pravidelně odesílána na server v určitých intervalech, ale v době mezi těmito
intervaly o ně může uživatel požádat ručně.
4.2
Parametry zařízení
Z důvodu velké konkurence se snaží výrobci do svých zařízení přidávat stále více
funkcí a zařízení dále vylepšovat. Trackery na trhu se mohou lišit v těchto parametrech:
1. přítomnost GPS modulu
2. způsob napájení - akumulátory či napájení z externího zdroje (230V síť, baterie
v automobilu)
10
3. odolnost vůči prachu a/nebo vodě
4. přítomnost mikrofonu - takový tracker může být použit také k odpolouchávání
5. Geofence - odeslání SMS, pokud se zařízení dostane mimo vytyčenou oblast
6. podpora GPRS - schopnost odesílat data
7. podporované frekvence GSM sítě - Quad Band (celý svět), Tri Band (hlavně
Evropa)
8. SOS tlačítko - odešle SMS s polohou pokud je tlačítko stiknuto
9. ukládání polohy přímo do paměti zařízení
10. podpora paměťových karet
11. . . .
Výše uvedený seznam rozhodně není konečný. Uvedl jsem jen základní členění.
Důležitým faktorem je také cena takovýchto zařízení. Na českém trhu se cena pohybuje
od zhruba tisícikoruny až po desetitisíce v závislosti na výbavě. V zahraničí jsou ceny
mírně nižší (často nižší DPH).
5
Závěr
V tomto dokumentu jsem se zabýval problematikou GSM lokalizace. Po krátkém
seznámení se s technologií GSM, jsem uvedl několik technologií, jak lze polohu pomocí
GSM určovat.
Technologie jako AOA, TA nebo Cell ID vyžadují jen mírné softwarové úpravy sítě,
ale jejich jejich přesnost není ideální. Pokročilejší technologie jako TDOA nebo E-OTD
jsou mnohem přesnější, vyžadují ale stavbu další infrastruktury.
GSM lokalizační zařízení jako taková se na trhu příliš nevyskytují. Zpravidla bývají
kombinována s přesnější GPS a GSM část slouží hlavně pro komunikaci s okolím.
S využitelností této technologii např. ke sledování osob, ale souvisí také možné
zneužití.
11
6
Literatura
[1] Zikmund, M.: Jak se vyznat v mobilních datových sítích (GSM, GPRS, EDGE).
[Online], Publikováno: 24. 06. 2010 [cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://goo.gl/xa6ue>
[2] GSM Favorites experts: Introduction to Cellular Communications. [Online], Publikováno: 2010 [cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <www.gsmfavorites.com/documents/introduction/gsm/>
[3] AT&T: Legacy Location Based Services (LBS) FAQs. [Online], Publikováno: 2012
[cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://goo.gl/1ND6j>
[4] Willassen, S. Y.: The GSM system. [Online], Publikováno: 12. 03. 1998 [cit.
17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://www.willassen.no/msl/node4.html>
[5] GSM For Dummies: Time Division Multiple Access (TDMA). [Online], Publikováno: neznámo [cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://gsmfordummies.com/tdma/tdma.shtml>
[6] Willassen, S. Y.: Positioning a Mobile Station. [Online], Publikováno: 12. 03. 1998
[cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://www.willassen.no/msl/node6.html>
[7] GSM For Dummies: Timing Advances. [Online], Publikováno: neznámo [cit.
17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://gsmfordummies.com/timing/timing.shtml>
[8] Olrich, M.: Základní lokalizační metody v GSM. [Online], Publikováno: 28. 02. 2006
[cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://goo.gl/n8ytr>
12
[9] Jagoe, A.: Mobile Location Services - The Definite Guide. New Jersey: Prentice
Hall, prosinec 2002, ISBN 978-0130084569, 480 s.
[10] Franěk, O.: Lokalizace volajícího při tísňovém volání z mobilního telefonu. [Online],
Publikováno: 22. 07. 2003 [cit. 17. 12. 2012].
Dostupné z: <http://www.zachrannasluzba.cz/odborna/0306_lokmt.htm>
[11] Heikki Laitinen, S. K., Suvi Ahonen: Cellular network optimisation based on mobile location. Deliverable IST-2000-25238-CELLO, VTT Technical Research Centre of Finland, Finland, 2001.
13
Download

SEN projekt