Vertieferseminar Geoinformation

Positionsbestimmungmit Handys

Inhalt

I. MotivationII. OrtungslösungenIII. FehlerquellenIV. UMTS/GSMV. Handys und Navigation

I. Motivation

Die Nutzungsmöglichkeiten und die Verbreitung von Handys nimmt stark zu

Offensichtlich ist es aus verschiedensten Gründen (LBS) sehr praktisch, die Position eines Handys lokalisieren zu können

Ortungs- und Lokalisierungsaufgaben fallen in den Aufgabenbereich des Geodäten

Notrufe (E-911)

Anzahl der über Handy getätigten Notrufe steigt rapide (New Jersey: 43% aller Notrufe per Handy)

Genaue und sofortige Positionsbestimmung erleichtert Hilfsoperation (Koordination von Rettungsfahrzeugen etc.)

USA: Projekt, bis Oktober 2002 soll System installiert sein, um jeden Notruf auf 125m genau orten zu können(auf Dekret der US Fedreal Communication Commission FCC)

II. Ortungslösungen

Cell - Identification: ist die einfachste Möglichkeit den Standort eines Handys einzugrenzen

(festzustellen ist, in welche Zelle des Netzes das Handy momentan eingeloggt ist)

Cell - Id ist auch die ungenaueste Lösung, da die Genauigkeit von der Größe der jeweiligen Zelle abhängig ist (von ca. 200m in Städten bis ca. 2km auf dem Land)

Signal level

Weitere genauere Lösungen bedienen sich der vom Handy ausgesandten Radiosignale

Das Signal wird in ein mathematisches Modell für die Beziehung zwischen Entfernung (zu Funkstationen) und (abnehmender) Signalstärke überführt

Annahme: die mobile station MS (Handy) wird von mehreren Funkstationen umgeben

Signal level

Die Signalstärke wird nun an den base stations BS gemessen

Geometrisch liegt die MS auf einem Kreis um den entsprechenden Funkturm

Der Schnittpunkt mindestens dreier solcher Kreise liefert eindeutige 2D Koordinaten, 4 oder mehr Schnittkreise liefern statistische Redundanz

Angle of arrival (AOA)

Eine weitere Verbesserung liefert die AOA - Methode

Die Richtungen aus denen die Signale der MS kommen werden mittels spezieller Antennen an der BS ermittelt

Mit zwei BS reduziert sich das Problem auf den Schnitt zweier Geraden im Zweidimensionalen Raum

Time of arrival (TOA)

Die TOA Methode bedient sich des in der GPS -Navigationslösung bereits realisierten Systems

Möglichst exakt synchronisierte Uhren in MS und BS liefern Pseudoentfernungen (anhand der vom Signal benötigten Zeit zur Überbrückung der Strecke)

Die Position der MS wird wie gehabt mittels Kreisbogenschnittpunkten ermittelt

Time of arrival (TOA)

Rechnerisch kommt hier eine kleinste Quadrate Schätzung zur Anwendung

Es wird davon ausgegangen, das die MS an der Position (x0,y0) ein Signal am Zeitpunkt t0 aussendet

N BS an den Positionen (x1,y1), (x2,y2),..., (xN, yN) empfangen dieses Signal an den Zeitpunkten t1, t2,..., tN.

Time of arrival (TOA)

Als Beobachtungsgleichung erhalten wir:fi(x) = c(ti - t) - ((xi - x)2 + (yi - y)2)½

mit:c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuumx = (x,y,t)T

i = 1,...,N Mit den richtig geschätzten Unbekannten sollte f(x)

= 0 werden

Time difference of arrival (TDOA)

TDOA ermittelt die Position der MS anhand von Hyperbeln

An je 2 BS wird die Zeitdifferenz der eintreffenden Signale gemessen

Alle möglichen Lösungen, wo die Zeitdifferenz konstant ist, liegen auf einem Hyperbel - Ast

Time difference of arrival (TDOA)

Wird die Zeitdifferenz jeweils zu einer weiteren BS gemessen, liefert der Schnittpunkt von min. 2 Hyperbeln die Position der MS

Vorteil (gegenüber TOA): die Uhrenungenauigkeit ist in beiden Messungen gleich groß und fällt daher bei der Differenzbildung heraus

Folglich können höhere Genauigkeiten erreicht werden

Enhanced observed time difference (E - OTD)

E - OTD ist ebenfalls eine hyperbolische Lokalisierungssmethode (siehe TDOA)

Die Zeitdifferenz wird durch Korrelation eines gesendeten Signals von einer BS zur MS und einer koordinatenmäßig bekannten Referenzstation bestimmt

Diese Differenz enthält jedoch noch die Uhrenungenauigkeit, so das min. 3 BS benötigt werden

Typen von Ortungslösungen

Allen Vorgestellten Lösungen ist gemein, das sie Modifikationen an MS oder BS benötigen

Drei Möglichkeiten stehen zur Verfügung: Netzwerkbasierende Positionsbestimmung (Funktürme

werden technisch modifiziert) Handsetbasierende Positionsbestimmung (Handy wird

technisch modifiziert) Hybride Positionsbestimmung

Typen von Ortungslösungen

Typische Beispiele:

Netzwerkbasierend: AOA und Signal level. Funktürme müssen mit entsprechenden Meßsystemen ausgestattet werden

Handsetbasierend: Ausstattung des Handys mit GPS. Keine Netzanbindung ist notwendig

Hybride Methoden: Zeitbasierende Verfahren benötigen hochgenaue Uhren in beiden Komponenten und die Fähigkeit Uhreninformationen zu übermitteln

III. Fehlerquellen: Troposphäre

Ausgesandte Signale (Wellen) verhalten sich witterungsabhängig (Temperatur, Luftdruck etc.)

Fehler ist kaum zu korrigieren, da sich troposphärische Einflüsse lokal stark verändern können

Fehler hat jedoch einen Verhältnismäßig geringen Einfluß auf das Ergebnis

Multipath

Nur selten wird es eine direkte quasioptische Verbindung (line of sight - LOS) zwischen sendender MS und empfangender BS gegeben sein

Empfangene Signale werden von Hindernissen (z.B. Gebäuden) reflektiert und treffen auf verschiedenen Wegen bei der BS ein

Multipath

Daraus resultieren längere Wege und verfälschte Richtungsmessungen die erhebliche Abweichungen verursachen können

Multipath ist die Hauptsächliche Fehlerquelle der zuvor beschriebenen Verfahren

Verschiedene Systeme zur Vermeidung bzw. Minimierung von Multipatheffekten sind denkbar

Multipath

a) Unterscheidung zwischen LOS (line of sight gegeben) und NLOS (LOS nicht gegeben)

Standardabweichungen der Entfernungsmessungen (TOA) im Falle von NLOS sind deutlich höher

Messungen mit hohen Standardabw. werden in der nun folgenden kleinste Quadrate Schätzung deutlich geringer gewichtet

Multipath

b) Veränderung des Algorithmus Fehler durch Multipath sind

immer positiv, da die Strecke durch Reflektionen nur verlängert werden kann

Die wahre Position muß sich also innerhalb von Kreisen mit Radius ri = c(ti - t), i = 1,...,N um N BS befinden

Die Position der MS muß also innerhalb der von den Kreisen gebildeten (gelben) Fläche liegen

Multipath

Offensichtlich gilt: ri = c(ti - t) > ((xi -x)2 + (yi - y)2)½

Der entstehende Fehler ist also immer positiv

Wird der kleinste Quadrate Algorithmus an diese Tatsache angepaßt, lassen sich deutlich bessere Resultate erzielen

Location pattern matching process

Alle bisher beschriebenen Methoden benötigen mindestens zwei BS

Vorteil dieses Verfahrens ist, das eine Transmitterstation genügt

Location pattern matching process

Die vom Handy ausgesandten Signale ergeben für jeden möglichen Standort eine typische Multipathcharakteristik

Die über die Multipathwege empfangenen Signalen liefert also eine eindeutige Signatur des Standortes

Mittels „map matching“ wird diese Signatur mit einer digitalen Karte verglichen, in welcher die Multipathchrakteristiken der Umgebung dargestellt sind

Location pattern matching process

Mittels dieses Vergleiches wird die Position der MS in der Karte ermittelt

Multiple access interference

In Mobilfunknetzen teilen sich die Teilnehmer das gleiche Frequenzband mit verschiedenen Codes

Problem: von verschiedenen MS werden verschieden starke Signale empfangen (near - far - effect)

Dies führt in der Regel dazu, daß schwächere Signale schwieriger zu entdecken sind

Power control: nennt sich ein System, das sicher stellt, daß jedes Signal von einer BS gleich stark empfangen wird

Near - far - effect

Bsp.: gesuchte MS wird (zur Kommunikation) von BS0 bedient (unter power control, so das alle Signale in Zelle 0 als gleich stark angesehen werden können)

Zur Positionsbestimmung werden jedoch BS0, BS1 und BS2 benötigt

An BS1 und BS2 (keine power control für die MS in Zelle 0) kann das Signal jedoch von Störsignalen überlagert werden

Near - far - effect

Diese Interferenzen beeinträchtigen die Möglichkeit des Empfängers TOA und TDOA Informationen richtig zu erkennen

In Notfallsituationen könnte hier automatisch mit maximaler Leistung (der MS) gesendet werden, um den near - far - effect zu minimieren

Problem: Gebäude

Für indoor scenarios ist die Fähigkeit der Signale Wände zu durchdringen wichtig

Trifft ein Signal auf eine Wand, wird es nicht voll-kommen davon reflektiert

Stattdessen wird es abgelenkt, durchdringt jedoch die Wand

Problem: Gebäude

Dadurch ist Netzempfang innerhalb von Gebäuden (bis auf wenige Ausnahmen) möglich

Für Positionierungsaufgaben entwickelt sich eine starke Multipath Interferenz die eine Lokalisierung fast unmöglich macht

(Dies gilt vor allem in mehrstöckigen Gebäuden. Jede Welle die reflektiert wird, durchdringt die Wand und ist neue Quelle für weitere Wellen)

IV. UMTS vs. GSM

Der neue Mobilfunkstandard UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service) wird mit einer deutlich höheren Trägerfrequenz (2 GHz statt 0.9 GHz) arbeiten

Vorteil: Genauere Ortung möglich, da sich die Signalstruktur der bereits in GPS realisierten Signale annähert

UMTS vs. GSM

Vergleich von GSM und UTMS Standards (Positionsgenauigkeit 67% Wahrscheinlichkeit):

Um die dargestellten Genauigkeiten zu erreichen, ist für zeitbasierende Verfahren (TOA, TDOA, E-OTD) sehr genaue Uhrsynchronisation (im Nanosekundenbereich nötig)

UMTS vs. GSM

Weiterhin gilt: je höher die Frequenz, desto schlechter durchdringt das Signal Hindernisse

Für UMTS wird also eine Verdichtung des Funknetzes nötig sein, um vollständige Abdeckung zu gewährleisten

Mehr BS werden auch zur Verbesserung der Genauigkeit beitragen, da häufiger hohe Redundanzen erreichbar sind

Handys und Navigation

Die heute mittels GSM Standard erreichbaren Genauigkeiten (im Durchschnitt ca. 125m) reichen für Navigationsaufgaben jedoch kaum aus

Schließlich können 125m Ungenauigkeit z.B. für Fußgänger ganze Häuserblocks betragen

Sinnvoll wird diese Anwendung wohl erst mit Einführung des UMTS Standards und verbesserter Genauigkeit

Handys und Navigation

Sinnvoll wäre Unterstützungdurch DR, vorallem in urbanen Gebieten, wo mit starken Interferenzen zu rechnen ist

Präzise Ortung würde dann eine solide Basis für den Einsatz von location based services (LBS) darstellen

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

- Fragen ? -