Mobilfunk-Navigation. Glossar Mobilfunk-Navigation

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1 Glossar Mobilfunk-Navigation 1

2 Index Mobilfunk-Navigation AFLT, advanced forward link trilateration AoA, angle of arrival BSC, base station controller Cell-ID, cell identification CEP, circular error probable COO, cell of origin CS, cell selector E-OTD, enhanced observed time difference Funkbasisstation GMLC, gateway mobile location center LBS, location based service LCS, location service OTDOA, observed time difference of arrival PDT, positioning determining technology Positionsgenauigkeit RXLEV, reception level RSS, received signal strength SGSN, serving GPRS support node SMLC, serving mobile location center SRNC, serving radio network controller TA, timing advance TDOA, time difference of arrival TOA, time of arrival Impressum LMU, location measurement unit MLP, mobile location protocol MSC, mobile switching center NMR, network measurement report Ortung 2

3 AFLT, advanced forward link trilateration Advanced Forward Link Trilateration (AFLT) ist eine Mobilfunk-gestützte Berechnungsmethode für die Positionsbestimmung mit Mobilgeräten. Generell erfolgt die Berechnung auf Dreiecksmessungen, entweder der Triangulation oder der Trilateration. Im ersten Fall basiert die Berechnung des Standorts auf den Positionen zweier bekannter Basisstationspositionen. Bei Kenntnis des Winkels kann die Position des eigenen Standortes errechnet werden. Bei der Trilateration wird die eigene Position über die Entfernungen zwischen den Basisstationen und der Mobilstation berechnet. Um ein genaues Ergebnis in einem dreidimensionalen Raum zu erreichen, müssen mindestens drei Positionen bekannt sein. Das zur Berechnung herangezogene Dreieck ergibt sich aus den Entfernungen der drei Basistationen zur Mobilstation. Die Berechnung erfolgt im Mobilfunknetz, das die Entfernungen von der Mobilstation übermittelt bekommt. Das AFLT-Verfahren ist ähnlich dem Time Difference of Arrival (TDoA). Für die AFLT-Technik müssen die Mobilstationen softwaremäßig für die systemweite Synchronisation an die Basisstationen aufgerüstet werden. Außerdem erfordert das AFLT- Verfahren ein Verkehrs- und Steuersignal um die Positionsdaten zu übermitteln. Die Positionsgenauigkeit liegt je nach Funkzellengröße zwischen 50 m und 200 m. Ein weiteres Positionsbestimmungsverfahren, das auf Dreiecksmessungen basiert, ist Enhanced Forward Link Trilateration (EFLT), das allerdings eine geringere Ortungsgenauigkeit hat. AoA, angle of arrival Angle of Arrival (AoA) ist ein Ortungsverfahren, das auf einer Winkelmessung basiert und in der Mobilfunktechnik für Location Based Services (LBS) und beim Nahbereichsradar in der Automotive-Technik angewendet wird. Beim AoA-Verfahren wird der Winkel ermittelt, aus dem das Funk- oder Radarsignal reflektiert wird. Deswegen wird dieses Verfahren auch als Direction 3

4 of Arrival (DoA) bezeichnet. Die AoA- Messung arbeitet mit gerichteten Antennen- Arrays, die über einen breiten Öffnungswinkel verfügen. Alle Antennen empfangen das reflektierte Verfahren für die HF-basierte Entfernungsmessung und Ortung von Objekten Funksignal gleichzeitig und werten die minimalen Laufzeit- resp. Phasenunterschiede zwischen den empfangenen HF-Signalen aus. Haben die Empfangssignale keine Phasenverschiebungen, dann trifft das reflektierte Signal senkrecht auf alle Antennen und hat keine Winkelung. Aus dem Unterschied in der Laufzeit oder der Phasenlage der Signale zueinander und deren Winkeln wird der Ort des Objektes ermittelt. AoA-Verfahren haben den Nachteil, dass sie nur bei Sichtverbindungen (LOS) einwandfreie Ergebnisse liefern. BSC, base station controller Der Base Station Controller (BSC) ist eine Steuereinheit für eine Basisstation in Mobilfunksystemen. Die Steuereinheit ist zwischen die Basisstation (BS) und die zugehörige 4

5 Vermittlungsstelle (MSC) geschaltet und verbindet sie mittels PCM-Verbindungen. Zwischen den Einheiten werden sowohl Nutzdaten für die Sprach- und Datenkommunikation übertragen als auch Signalisierungsinformationen. Die Nutzdaten werden ruforientiert in den TDMA-Kanal eingefügt, die Signalisierungsdaten werden mittels X.25-Protokoll seitens der Basisstation und der SS7-Signalisierung zwischen den MSCs übertragen. Zu den Aufgaben des BSC gehören die Steuerung und Kontrolle der Radio-Ressourcen und Funkgespräche von den Base Transceiver Stations (BTS) das Warteschlangenmanagement, die Optimierung der Netzkonfiguration entsprechend der Verkehrsdichte und die Herstellung der Ortungskomponenten der GSM-Basisstation 5

6 Verbindung zu einer GSM-Vermittlung (MSC). Darüber hinaus fungiert die BCS als der zentrale Steuerungspunkt für das Handover. In GPRS-Netzen wird jede Funkbasissteuerung durch ein GPRS-Modul ergänzt, das als Paketsteuerungseinheit (PCU) bezeichnet wird. Der Base Station Controller (BSC) ist eine Steuereinheit für eine Basisstation in Mobilfunksystemen. Die Steuereinheit ist zwischen die Basisstation (BS) und die zugehörige Vermittlungsstelle (MSC) geschaltet und verbindet sie mittels PCM-Verbindungen. Zwischen den Einheiten werden sowohl Nutzdaten für die Sprachund Datenkommunikation übertragen als auch Signalisierungsinformationen. Die Nutzdaten werden ruforientiert in den TDMA-Kanal eingefügt, die Signalisierungsdaten werden mittels X.25-Protokoll seitens der Basisstation und der SS7-Signalisierung zwischen den MSCs übertragen. Zu den Aufgaben des BSC gehören die Steuerung und Kontrolle der Radio-Ressourcen und Funkgespräche von den Base Transceiver Stations (BTS) das Warteschlangenmanagement, die Optimierung der Netzkonfiguration entsprechend der Verkehrsdichte und die Herstellung der Verbindung zu einer GSM-Vermittlung (MSC). Darüber hinaus fungiert die BCS als der zentrale Steuerungspunkt für das Handover. In GPRS-Netzen wird jede Funkbasissteuerung durch ein GPRS-Modul ergänzt, das als Paketsteuerungseinheit (PCU) bezeichnet wird. Cell-ID, cell identification Cell Identification (Cell-ID) ist die Identifikationsnummer einer Basisstation in GSM-Netzen. Die CI-Nummer setzt sich zusammen aus der Location Area Identity (LAI) und einem Teil, der sich unmittelbar auf die entsprechende Zelle bezieht. Mit dieser Nummer kann der Versorgungsbereich eindeutig identifiziert werden, weil mit der Cell Identification, das auch als Cell of Origin (COO) bezeichnet wird, die Funkzelle gekennzeichnet wird. Für eine 6

7 genauere Ortung ist das Cell-ID-Verfahren nicht geeignet, da je nach Versorgungsgebiet der Funkzellenradius mehrere Kilometer betragen kann. Die Ortungsgenauigkeit, die über den CEP-Wert, Circular Error Probable (CEP), ermittelt wird, liegt zwischen etwa 300 m bei kleinen Funkzellen und 20 km bei großen Funkzellen. Höhere Ortungsgenauigkeiten erreicht man durch die Unterteilung der Funkzelle mittels Cell Selector (CS) und mit Hybrid-Verfahren, Bei diesen Verfahren wird die Funkzellenidentifikation noch mit einer Feldstärkenmessung kombiniert: Cell-ID in Kombination mit Received Signal Strength (RSS) oder Cell-ID in Kombination mit Reception Level (RXLEV). Bei diesen Verfahren verdoppelt sich die Ortungsgenauigkeit. Das Cell-ID-Verfahren kann auch mit einem entfernungsabhängigen Zeitsignal kombiniert werden, mit Timing Advance (TA). Eine weitere wesentliche Verbesserung der Ortungsgenauigkeit wird mit Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) erreicht. CEP, circular error probable CEP-Wahrscheinlichkeit Circular Error Probable (CEP) ist ein Kennwert mit dem die Ortungsgenauigkeit von Navigationssystemen angegeben wird. Der CEP-Wert ist ein Wahrscheinlichkeitswert. Er wird in Prozent angegeben und bezieht sich auf den Radius einer kreisförmigen Fläche, deren Mittelpunkt das GPS-System bildet. 7

8 Die am häufigsten benutzten CEP-Werte sind der 50%-Wert R50, der 67%-Wert R67 und der 95%-Wert R95. Beträgt beispielsweise der angezeigte CEP-Wert 50 % für einen Radius von 5 m, dann besagt das, dass sich die Hälfte aller Messergebnisse innerhalb dieses Radius von 5 m befindet, allerdings auch die Hälfte der Messwerte außerhalb liegt. Des Weiteren ist es so, dass sich 95 % aller Messpunkte in einem Kreis mit doppelt so großem Radius befinden, das entspräche 10 m. COO, cell of origin Cell of Origin (COO) ist ein Verfahren für die Ortung von Mobilgeräten in GSM-Netzen. Es entspricht dem der Cell Identification (Cell-ID). Es ist eine relativ einfache Methode bei der die Funkzelle aus dem Besucherverzeichnis (VLR) bestimmt wird, in der sich das Mobilgerät gerade befindet. Die Ortungsgenauigkeit ist relativ eingeschränkt und hängt ausschließlich von der Funkzellengröße ab. Sie kann durchaus zehn Kilometer und mehr betragen. Zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit werden die Funkzellen mit sogenannten Cell Selectors (CS) in drei Sektoren unterteilt. Die Aufteilung erfolgt mit gerichteten Antennen, die nur einen bestimmten Bereich der Funkzelle abdecken. Zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit kann das COO-Verfahren mit anderen Signale und Informationen wie Timing Advance (TA) oder N Network Measurement Report (NMR) zu Hybridverfahren kombiniert werden. CS, cell selector Die Ortungsgenauigkeit von Cell of Origin (COO) entspricht der Größe einer Funkzelle. Da Funkzellen in ländlichen Gegenden durchaus einige zig Kilometer groß sein können, hat man das COO-Verfahren insofern modifiziert und die Funkzellen in drei Sektoren unterteilt. Diese Unterteilung übernehmen die Cell Selectors (CS). Es handelt sich dabei um gerichtete Antennen, die das Funksignal nur in einen von drei Sektoren ausstrahlen, allerdings mit 8

9 unterschiedlicher Frequenz. Das Mobilgerät kann dem entsprechenden Sektor zugeordnet werden, was zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit beiträgt. Mit dem COO- Verfahren mit Cell Selector ist zumindest der Sektor bekannt, in dem sich das Mobilgerät befindet. Eine weitere Verbesserung der Ortungsgenauigkeit ist über Feldstärkemessungen, Received Signal Strength (RSS), möglich. E-OTD, enhanced observed time difference Cell of Origin (COO) kombiniert mit Cell Selector Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) ist ein Verfahren zur Erhöhung der Lokalisierungsgenauigkeit in GSM-Netzen. Da in Mobilfunknetzen die Ortung wesentlich durch Informationen der Basisstation und die Ortungsgenauigkeit von der Größe der Funkzelle abhängig ist, hat man mit E-OTD ein Verfahren entwickelt bei dem die Laufzeitunterschiede der Signale mehrerer Basisstationen im Handy ausgewertet werden und so die Ortungsgenauigkeit erhöhen. Bei E-OTD senden mindestens drei Basisstationen gleichzeitig ein Ortungssignal, das vom Handy mit geringfügigen zeitlichen Unterschieden empfangen wird. Die vom Handy erfassten Laufzeitdifferenzen werden ausgewertet und zurück an die Basisstation gesendet. Die Genauigkeit der Laufzeitmessung hängt von den Empfangsbedingungen ab und bestimmt damit für Positionsgenauigkeit. Voraussetzung ist, dass die Handys für diesen Betrieb 9

10 ausgelegt sein müssen. Bei UMTS gibt es mit Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) ein ähnliches Verfahren wie E-OTD. Bei diesem Verfahren misst das Mobilgerät die Laufzeitdifferenzen zwischen drei Basisstationen und wertet es entsprechend aus. Anders ist es bei Uplink Time Difference of Arrival (UTDOA), bei dem mehrere Basisstationen die Laufzeitdifferenzen des Mobilgerätes messen. Funkbasisstation BTS, base transceiver station Die Base Transceiver Station (BTS) ist eine Komponente des Base Station Subsystems (BSS) eines GSM-Netzes bzw. eines digitalen Zellularnetzes. Die Aufgabe der BTS-Station ist es, die Funkverbindung zu den Mobilstationen herzustellen. Darüber hinaus kontrolliert die Sende-/ Empfangsstation die Funkübertragung und überträgt die Signalisierungsinformationen zu dem Base Station Controller (BSC). Bei Short Message Service (SMS) übernimmt die Base Transceiver Station die Speicherung und das Routing der Nachrichten, die Überwachung des Durchsatzes und des Lastverhaltens. Die BTS-Station bietet mehrere der zur Verfügung stehenden Funkkanäle in der Funkzelle an. Bei GSM stehen 124, bei DCS Funkkanäle zur Verfügung. Von den zur Verfügung stehenden Funkkanälen werden typischerweise nur einige wenige Funkkanäle in einer Funkzelle installiert, um Interferenzen der Funkfrequenzen mit Frequenzen von benachbarten Funkzellen zu vermeiden. GMLC, gateway mobile location center Das Gateway Mobile Location Center (GMLC) ist eine Komponente der Basisstation für die Einspeisung von Location Services (LCS). Es arbeitet mit dem Mobile Location Protocol (MLP) über das die Daten zwischen den Location Services (LCS) und dem GMLC ausgetauscht werden. Dabei wird die Kommunikation durch einen LCS-Client initiiert, der eine Anfrage an den Location Server sendet, die dieser mit einem Response beantwortet. 10

11 Ortungskomponenten der GSM-Basisstation Das GMLC-Center bildet die Schnittstelle zwischen den angebotenen ortsbezogenen Diensten und der Mobilfunkvermittlungsstelle (MSC). Das Gateway Mobile Location Center bildet eine Gateway-Funktion und leitet Anfragen der Location Service Clients, das sind die Mobilgeräte, an das Serving Mobile Location Center (LMSC) weiter. Es kommuniziert mit dem Location Server, der die Positionen der Mobilgeräte ermittelt. LBS, location based service Ortsbezogener Dienst Unter Location Based Services (LBS) versteht man ortsgebundene Dienste eines Mobilfunkanbieters, die auf den Aufenthaltsort des Nutzers abgestimmte Informationen liefern, so über Einkauf- und Freizeitmöglichkeiten, über Sehenswürdigkeiten, regionale 11

12 Angebote und den öffentlichen Verkehr, aber auch für die Standortbestimmung von Kindern durch ihre Eltern oder den Notruf für hilfsbedürftige Personen. Weitere Potenziale liegen im mobilen Handel von B2B und B2C und werden von den smarten Mobilfunkgeräten unterstützt. Hotelangebote als LBS-Services, Screenshot: In Deutschland stellen alle wichtigen Mobilfunkanbieter mit dem Anruf die aktuelle Position des mobilen Teilnehmers bereit. Die Position ist durch die Funkzelle gegeben, in der sich jeder Mobilfunkteilnehmer anmeldet. Jede Funkzelle verfügt über eine eindeutige Identifikationsnummer, wodurch eine grobe Ortung des Teilnehmers möglich ist. Dieses zellenorientierte Ortungsverfahren nennt man Cell- ID oder Cell of Origin (COO). Die Ermittlung der Funkzelle erfolgt in einem speziellen Server, in dem die Funkzellen-ID in geografische Koordinaten umgerechnet wird. Diese Koordinatenangaben bilden die Voraussetzung für das LBS- Dienstangebot. Die zur Verfügung gestellte Ortungsgenauigkeit hängt von der Funkzellengröße ab und liegt bei GSM im städtischen Bereich bei ca. 100 m, bei größeren Funkzellen auf dem Land bei ca. 500 m bis 800 m. Mit GPRS kann die Genauigkeit bei Einsatz von Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) weiter erhöht werden, um 12

13 dann bei UMTS bei 30 m bis 50 m zu liegen. Das technische Konzept von LBS ist relativ komplex und basiert darauf, dass mittels positions-, zeit- und personenbezogener Daten dem Nutzer selektive Informationen bereitgestellt werden. Für diesen Zweck muss das Endgerät des Nutzers mit einem Positionsfinder ausgestattet sein. Das kann ein Navigationssystem sein. Dieser Positionsfinder wird von einem Location Provider mit dem Angebot des Content Provider versorgt. Der gesamte Content inklusive der Ortungsdaten wird dem Mobilfunknetzbetreiber zur Verfügung gestellt, der ihn an den Dienste-Nutzer weiterleitet. In Europa und Deutschland ist die Nutzung der ortsbezogenen Informationen durch Richtlinien und Gesetze geregelt. So gibt es in der Europäischen Union eine Richtlinie, die den Umgang mit persönlichen Daten in der elektronischen Kommunikation regelt. In ihr sind standortbezogene Informationen als schützenswert genannt. In Deutschland ist die Situation komplexer, da die Grenze vom Telekommunikationsdienst zum Mediendienst überschritten wird und damit Bund und Länder zuständig sind. Die Palette der LBS-Services kann in Unternehmen, im Dienstleistungsbereich und im Privaten genutzt werden. LCS, location service Mobilfunknetze der 3. Generation unterstützen ortsbestimmende Dienste, Location Services (LCS), mit denen innovative Dienste als Location Based Services (LBS) entwickelt werden können. Mit den Location Services von der Open Mobile Alliance (OMA) können mobile Endgeräte und deren derzeitige geografische Standorte mit ihren Koordinaten identifiziert werden. Diese Information steht in einem standardisierten Format dem mobilen Endbenutzer, dem Netzwerkadministrator und Service Provider zur Verfügung. Location Services dienen der Ortsbestimmung von mobilen Endgeräten. Diese Informationen 13

14 können für das Angebot an ortsbezogenen Diensten, für gesetzliche Überwachungen, die Verwaltung von Funkressourcen, für Notrufe und andere Anwendungen eingesetzt werden. Die Ortsinformation setzt sich zusammen aus den geografischen Koordinaten des Mobilfunkgeräts, der Geschwindigkeit mit der es sich bewegt und der Ansprechzeit für die Ermittlung der Koordinaten. Dem Verfahren nach kann die Ortung des Mobilgerätes über die Feldstärke der sich überlappenden Funkzellen ermittelt werden, aber auch aus der Pilotsignalzeitdifferenz zwischen drei Basisstationen wie beim Verfahren der Observed Time Difference Of Arrival (OTDOA) oder mit eine netzwerkbasierte GPS-Messung. Die LCS-Architektur kennt das User Entity (UE), das die Positionsberechnung unterstützt, die Location Measurement Unit (LMU), das je nach Ortungstechnologie benötigt wird oder nicht, das Serving Mobile Location Center (SMLC), das Messung koordiniert, und das Gateway Mobile Location Center (GMLC), das den Location Server für äußere Anfragen bildet. LMU, location measurement unit Wie aus der Bezeichnung Location Measurement Unit (LMU) hervorgeht, handelt es sich um eine Einheit für die Positionsbestimmung von Mobilgeräten in Mobilfunknetzen. LMUs sind Einheiten der Basisstation und werden in GSM- und UMTS-Netzen zur Ortung resp. zur Messung der Laufzeiten zwischen dem Mobilgerät und den Basisstationen eingesetzt. Aus der Laufzeit ermitteln sie anhand der bekannten Koordinatenwerte der Basisstationen die geografische Lage der Mobilstationen. Die Positionsbestimmung des Mobilgerätes erfolgt dabei mit Laufzeitmessungen wie Enhanced Observed Time Difference (E-OTD), das in GSM- Netzen eingesetzt wird, oder mit Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) von UMTS. MLP, mobile location protocol Das Mobile Location Protocol (MLP) ist ein vom Location Interoperability Forum (LIF) spezifiziertes und von der Open Mobile Alliance (OMA) standardisiertes Protokoll für Location 14

15 Services (LCS) und Location Based Services (LBS), das die Schnittstelle zwischen dem Location Server und den ortsbezogenen Diensten bildet. Es ist ein anwendungsbezogenes Protokoll, das die Positionsbestimmung von Mobilstationen (MS), von Handys, Smartphones, PDAs und WLAN-Geräten, unterstützt, und zwar unabhängig von der darunter liegenden Netzwerktechnik. Beim MLP-Protokoll wird die Transportschicht vom Transport Layer Mapping gebildet und beschreibt, mit welchen Protokollen der XML-Inhalt transportiert wird. Die Daten werden in Extensible Markup Language(XML)beschrieben und mit HTTP, dem Wireless Session Protocol Schichtenmodell des Mobile Location Protocol (MLP) 15

16 (WSP) oder dem Simple Object Access Protocol (SOAP) transportiert. Auf diese Schicht setzt der Element Layer auf, der die Elemente der verschiedenen Services nutzt. Zu den Elementen, die von den Services genutzt werden gehören Basic Common Elements und die Advanced Common Elements. Die Document Type Definitions (DTD) umfassen u.a. Identifizierungs-, Funktions-, Ortungselemente, aber auch solche für die Ergebnisse, die Positionsgenauigkeit und für den Inhalt. Diese oberste Ebene des MLP-Schichtenmodells bestimmt den tatsächlichen Service. Zu den von 3GPP definierten MLP-Basisdiensten gehören der Standard Location Immediate Service (SLIS), Emergency Location Immediate Service (ELIS), Standard Location Reporting Service (SLRS), Emergency Location Reporting Service (ELRS), Triggered Location Reporting Service (TLRS) und Historic Location Immediate Service (HLIS). MSC, mobile switching center Mobilfunkvermittlungsstelle Ein Mobile Switching Center (MSC) ist das zentrale Vermittlungssystem in digitalen Mobilfunknetzen, das die fernsprechtechnischen Vermittlungsfunktionen ausführt. Als eine Komponente des Switching-Subsystems (SSS) stellt das MSC-Center über die Funkbasissteuerung (BSC) und über die Basisstation (BS) die Verbindung zu den Mobilstationen (MS) her, die sich innerhalb der MSC-Area befindet. Darunter ist der geografische Bereich zu verstehen, der vom MSC bedient wird. Dieser kann aus einer oder mehreren Location Areas (LA) bestehen. Darüber hinaus schafft das MSC-Center die Verbindung zu Teilnehmern in Festnetzen wie dem PSTN oder dem ISDN-Netz, zu öffentlichen Datennetzen und einigen privaten Netzen. MSCs bestehen aus ISDN-Vermittlungseinrichtungen und wickeln ihre Kommunikation mit den Vermittlungsstellen in öffentlichen Fernsprechnetzen über PCM-Verbindungen ab, wobei sie die SS7-Signalisierung benutzen. Um in GPRS-Netzen die leitungsvermittelte Sprachübertragung 16

17 Ortungskomponenten der UMTS-Basisstation und die paketorientierte Datenübertragung zu unterstützen, erfolgen die Zeichengabeverbindungen sowohl leitungs- als auch paketorientiert. Die Zeichengabeprozeduren können dabei getrennt oder kombiniert ausgeführt werden. Die Mobilfunkvermittlungsstellen haben mehrere Datenbanken, in denen das Standortverzeichnis (HLR), das Besucherverzeichnis (VLR), die Gerätedatenbank (EIR) und die Authentifikationsmerkmale (AC) gespeichert werden. NMR, network measurement report Es gibt diverse Verfahren für die Positionsbestimmung von Mobilgeräten. Da bei einigen Verfahren wie Cell-ID oder Cell of Origin (COO) die Positionsgenauigkeit relativ ungenau ist, 17

18 hat man diese Verfahren mit anderen Techniken zu Hybridverfahren kombiniert. Beispiele dafür sind Cell-ID in Kombination mit dem entfernungsabhängigen Timing Advance (TA), oder COO kombiniert mit dem TA-Signal und dem feldstärkeabhängigem Reception Level (RXLEV). Diese feldstärkeabhängigen Empfangspegel der Funkzellen werden in dem Network Measurement Report (NMR) geführt, sowohl von den Funkzellen, die mit der Mobilstation kommuniziert, als auch von benachbarten Funkzellen. Aus diesem NMR-Report kann in Kombination mit anderen Ortungstechniken die Position der Mobilstation errechnet werden. Dementsprechend heißen die Hybridverfahren beispielsweise Cell of Origin (COO) plus Timing Advance (TA) plus Network Measurement Report (NMR). Ortung Ortung ist die Bestimmung eines geografischen Standortes von Objekten und Personen. Sie kann mittels Satelliten-Navigation erfolgen wie beim GPS-System, über vorhandene Mobilfunknetze, über WLANs und auch über RFID. Die Ortung kann sich gleichermaßen auf Personen oder auf bewegte und statische Objekte beziehen, so kann sie in der Patientenüberwachung zum Auffinden von geistig verwirrten Personen eingesetzt werden oder im offenen Strafvollzug. Ebenso ist die Lokalisierung von Schiffen und Fahrzeugen möglich, die Positionsbestimmung von Containern in einem Containerhafen, oder von Geräten innerhalb eines Unternehmens. Da die Ortung sowohl für statische als auch für bewegte Objekte eingesetzt wird, ist der Übergang zum Tracking, dem Verfolgen, fließend. Die satellitengestützte Ortung Im Allgemeinen wird die Satelliten-Navigation mit dem GPS-System assoziiert. Aber neben dem amerikanischen GPS-System gibt es noch das russische Glosnass und das im Aufbau befindliche europäische Galileo. Bei allen satellitengestützten Verfahren muss das Navigationsgerät die Funksignale von mindestens drei Navigationssatelliten empfangen. 18

19 Ortungstechniken mit satelliten- und mobilfunkgestützter Ortung und der Ortung über WLANs Diese Funksignale enthalten die Satelliten-Koordinaten, aus dem das Navigationsgerät die eigene Position errechnet. Da beim GPS-System die Positionierungsgenauigkeit für kommerzielle Anwender und private Nutzer etwas eingeschränkt wird, wurden diverse Verfahren entwickelt mit denen die Ortungsgenauigkeit des GPS-Systems erhöht wird. Zu nennen sind u.a. Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Overlay Service (EGNOS), Multi- 19

20 Functional Satellite Augmentation System (MSAS), Assisted GPS (AGPS) und Differential GPS (DGPS). Die mobilfunkgestützte Ortung Bei mobilfunkgestützten Systemen erfolgt die Positionsbestimmung im einfachsten Fall durch die Identifikation der Funkzelle, andere Verfahren arbeiten mit Feldstärke- oder Laufzeitmessungen. Die Ortungsgenauigkeit ist allerdings wesentlich geringer als die der Satelliten-Navigation. Der Zweck der Mobilfunk-Positionsbestimmung zielt darauf ab, dem Anwender ortsbezogene Dienste (LBS) anzubieten, und im Falle eines Notrufs den Kranken Verfahren für die HF-basierte Entfernungsmessung und Ortung von Objekten 20

21 ausfindig zu machen. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Flottenmanagement-Systeme (FMS) von LKW-Fuhrparks. Die Mobilfunknetz-abhängigen Ortungsverfahren bestimmen aus den Informationen des Standort- und des Besucherverzeichnisses die Funkzelle in der sich der Benutzer befindet. Diese Technik ist bekannt als Cell Identification (Cell-ID) oder Cell of Origin (COO), sie ist relativ ungenau und abhängig von der Funkzellengröße. Eine Verbesserung der Ortungsgenauigkeit kann durch eine zusätzliche Feldstärkemessung, der Received Signal Strength (RSS), erfolgen. Die damit erzielbaren Ortungsgenauigkeiten liegen je nach Funkzellengröße etwa zwischen 200 m und 10 km. Das von der Federal Communications Commission (FCC) unterstützte Ortungskonzept setzt voraus, dass die netzgestützte Ortung innerhalb festgelegter Fehlergrenzen erfolgt, damit sie auch für Notrufe eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck wird für die Ortung die Laufzeit zwischen den Signalen von mindestens drei benachbarten Basisstationen im Handy erfasst und an die Basisstation gesendet. Es gibt mehrere Verfahren, die auf dieser Basis arbeiten: Time of Arrival (ToA), Time Difference of Arrival (TDoA) und Angle of Arrival (AoA) gehören dazu. Zur Verbesserung der Positionsgenauigkeit wird in GSM-Netzen in Verbindung mit General Packet Radio Service (GPRS) Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) eingesetzt. In UMTS heißt das entsprechende Verfahren Observed Time Difference of Arrival (OTDOA). Es bietet eine Verbesserung der Ortungsgenauigkeit auf 30 m bis 50 m, was auch damit zusammenhängt, dass UMTS kleinere Funkzellen hat. WLAN-gestützte Ortung Die WLAN-gestützte Positionsbestimmung, WLAN Positioning System (WPS), ist eine Technik, die innerhalb von Gebäuden arbeitet. Dem Prinzip nach handelt es sich um eine Entfernungsmessung vom Endgerät zu mehreren Access Points (AP), die über eine 21

22 Dreiecksmethode zwischen drei Zugangspunkten und dem Endgerät bestimmt wird. Diese Messung setzt voraus, dass die Positionen der Zugangspunkte bekannt sind. Außerhalb von Gebäuden erreichen WPS-Systeme Ortsgenauigkeiten zwischen 10 m bis 20 m, innerhalb liegt die Ortungsgenauigkeit bei etwa 3 m. OTDOA, observed time difference of arrival Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) ist ein Verfahren zur Ortung von Mobilgeräten in UMTS. OTDOA basiert auf der Zeitdifferenzmessung des Funkrahmens von drei Basisstationen durch das Mobilgerät. Bedingt durch die unterschiedlichen Laufzeiten, die das von mehreren Basisstationen ausgestrahlte Funksignal hat, liegen zwischen einem Pilotsignal oder dem Beginn des Funkrahmens geringfüge zeitliche Unterschiede. Die Messwerte werden an den Serving Radio Network Controller (SRNC) gesendet, der sie auswertet und daraus die Position ermittelt. Die messbare Positionsgenauigkeit liegt zwischen 20 m und 200 m. Für die OTDOA-Messung muss das Smartphone oder Handys softwaremäßig modifiziert werden und das UMTS-Netz benötigt eine Location Measurement Unit (LMU). PDT, positioning determining technology Es gibt verschiedene Technologien zur Ortung von Mobilfunkgeräten. Alle Techniken, bei denen die Ortung über die Mobilfunknetze erfolgt, werden als Positioning Determining Technology (PDT) bezeichnet. Zu den PDT-Techniken gehören die Funkzellen-basierten Verfahren wie die Cell Identification bzw. Cell Of Origin (COO) und die Zeit-basierten Verfahren wie Time Of Arrival (TOA), Time Difference of Arrival (TDOA), Angle of Arrival (AoA) und Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) für GSM-Netze, sowie Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) und Uplink Time Difference of Arrival (UTDOA) von UMTS. 22

23 Positionsgenauigkeit position accuracy Die Positions- oder Ortungsgenauigkeit ist in dem hier behandelten Kontext ein Kennwert von Ortungs- und Navigationssystemen. Sie entspricht der angegebenen Abweichung von der tatsächlichen Position in Meter. Eine Position ist durch die Koordinaten in einem Koordinatensystem eindeutig festgelegt. Das für geografische Ortsbestimmungen benutzte Koordinatensystem beschreibt durch die Längen- und Breitengrade und die Höhenangabe die exakte Position. Andere Koordinatensysteme sind Earth Centered, Earth Fixed (ECEF), Universal Transverse Mercator (UTM) und Military Grid Reference System (MGRS). Generell ist die Positionsgenauigkeit von der Navigationstechnik abhängig und der damit Positionsgenauigkeit verschiedener Navigationssysteme 23

24 verbundenen Ortung. Was die Positionsgenauigkeit betrifft, so hat die Satelliten-Navigation die höchste Genauigkeit. Die Ortungsgenauigkeit ist dabei abhängig von der Anzahl der empfangenen Satelliten und dem Navigationsgerät. Die Genauigkeitswerte sind von Satellitenschwankungen, atmosphärischen Einflüssen, Wettereinflüsse und Signalreflexionen abhängig und liegen beim GPS-System bei über 10 m. Diese Genauigkeit, die durch die Position Dilution of Precision (PDOP) angezeigt wird, kann durch Korrekturdaten auf unter einem Meter erhöht werden. Allerdings steht nicht allen Nutzern diese Genauigkeit zur Verfügung, da die Betreiber zwischen privaten und kommerziellen Nutzern schlechtere Ortungsgenauigkeiten zur Verfügung stellen, als dem US-Militär. Bei der zivilen Nutzung liegt die Ortungsgenauigkeit beim Standard Positioning Service (SPS) bei ca. 10 m, bei der militärischen Genauigkeit mit dem Precision Positioning System (PPS) bei unter 1 m. Die für das europäischen Galileo-System geplanten Auflösungen sollen im offenen Dienst 15 m und im Commercial Service (CS) 1 m betragen. Bei der Mobilfunk-Navigation liegt die Positionsgenauigkeit wesentlich höher und ist abhängig von dem technischen Verfahren und der Größe der Funkzelle. Das einfachste Ortungsverfahren arbeitet mit Cell Identification, Cell-ID. Bei diesem Verfahren geht die Größe der Funkzelle unmittelbar in die Ortungsgenauigkeit ein. Daher kann diese bei kleinen Funkzellen bei 300 m liegen, bei großen allerdings auch bei 20 km. Auch die zeit- und winkelbezogenen Verfahren wie Time of Arrival (ToA), Time Difference of Arrival (TDoA) oder Angle of Arrival (AoA) erreichen nur Genauigkeitswerte zwischen 300 m und 500 m. Erst mit Hybridverfahren wie Time of Arrival (ToA) kombiniert mit Timing Advance (TA) können bessere Werte erreicht werden, ebenso mit Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) und Observed Time Difference of Arrival (OTDOA). Mit den letztgenannten Verfahren werden Positionsgenauigkeiten von 30 m bis 200 m erzielt. 24

25 RXLEV, reception level Der Reception Level (RXLEV) ist die Empfangsfeldstärke (X) in Mobilfunksystemen, die von jeder Mobilstation (MS) während des Betriebs gemessen und an das GSM-Netz übertragen wird. Der Messwert wird im Dedicated Mode übertragen, wobei der Pegel in Dezibel Milliwatt (dbm) angegeben wird. Der RXLEV-Wert ist ein 6 Bit langer Wert, aus dem eine direkte Umrechnung in den dbm-wert möglich ist. Der Reception Level kann auch für die Positionsbestimmung von Mobilstationen in GSM- Netzen benutzt werden. Das Verfahren entspricht dem der Received Signal Strength (RSS). Dabei werden die Feldstärken von mindestens drei im Umkreis liegenden Basisstationen miteinander verglichen und aus der empfangenen Feldstärke und den bekannten Koordinaten der Basisstationen wird die Position der Mobilstation berechnet. Die Reception Levels (RXLEV) der umliegenden Basisstationen werden im Network Measurement Report (NMR) festgehalten. RSS, received signal strength Received Signal Strength (RSS) ist eines von mehreren Hochfrequenz-basierten Ortungsverfahren, das auf der Messung der Feldstärke basiert. Die empfangene Feldstärke (RSS) ist abhängig von der Entfernung, die der Empfänger vom Sender hat. Sie ändert sich somit von Ort zu Ort. Da die Feldstärke einer elektromagnetischen Welle bei isotroper Abstrahlung mit dem Quadrat der Entfernung vom Sender abnimmt, kann man aus dem gemessenen RSS-Wert Rückschlüsse auf die Entfernung zwischen Empfänger und Sender ziehen, vorausgesetzt man kennt die abgestrahlte HF-Leistung. Bei isotroper Abstrahlung der Hochfrequenz haben alle in einer bestimmten Entfernung vom Sender kreisförmig angeordneten Punkte die gleiche Feldstärke. Damit allein ist keine Ortung möglich, diese kann erst über die Messung der Empfangsfeldstärke von zwei oder mehr Basisstationen realisiert werden. Bei zwei 25

26 Basisstationen ist noch eine Doppeldeutigkeit des Ortes gegeben. Eingesetzt wird das Verfahren der Feldstärkemessung in Cell-ID und Cell of Origin (COO). Bei letzterem auch in Kombination mit der Sektorierung der Funkzellen mit Cell Selector (CS). SGSN, serving GPRS support node Das Serving GPRS Support Node (SGSN) ist Teil der paketorientierten GPRS-Netzarchitektur. Er stellt die für die Abwicklung des Datenverkehrs notwendigen Serving-Funktionen zur Verfügung und benutzt mehrere G-Schnittstellen, so die Gb-Schnittstelle über den der Austausch der Zeichengabeinformationen und der Teilnehmerdaten mit dem Base Station Subsystem erfolgt, Ortungskomponenten der GSM-Basisstation 26

27 oder die Gn-Schnittstelle, die den Übergang zur Gateway-Vermittlungsstelle (GSMC) bildet. Die Serving GPRS Support Node leitet IP-Pakete weiter, die für Mobilstationen im SGSN- Versorgungsbereich bestimmt sind oder von einer solchen abgeschickt werden. Zu den Aufgaben einer SGSN gehören das Routing und die Übergabe von Paketen in den bzw. aus dem Versorgungsbereich der SGSN. Der Knoten bedient alle Mobilteilnehmer, die sich im Versorgungsbereich der SGSN befinden. Darüber hinaus sorgt der SGSN für die Verschlüsselung und Authentifizierung, das Sessionund das Mobilitätsmanagement sowie für die Verbindung zum Standortverzeichnis (HLR), zur Mobilfunkvermittlungsstelle (MSC), zum Base Station Controller (BSC) und zum Gateway GPRS Support Node (GGSN). SMLC, serving mobile location center Bei den Mobilfunk-basierten Navigationssystemen sind je nach Verfahren einige Funktionen für die Ortung in den Base Station Controller (BSC) oder das Mobile Switching Center (MSC) integriert oder als eigenständige Komponenten an diesen angeschlossen. Das Serving Mobile Location Center (SMLC) ist so eine Funktionseinheit, die Location Services (LCS) unterstützt. Das SMLC-Center bestimmt und verwaltet alle Positionskoordinaten und verplant die Services im Umfeld der Mobilstation. Das LMSC kann einige Location Measurement Units (LMU) verwalten, die aus den Funksignalen der umliegenden Basisstationen die Zeitdifferenzen zwischen dem Mobilgerät und den Basisstationen ermittelt. Bei einigen Positionsermittlungsverfahren erfolgt die Entfernungsbestimmung mit Timing Advance (TA), einem entfernungsabhängigen Funksignal. Das LMSC-Center kommuniziert mit dem Gateway Mobile Location Center (GMLC), das die Schnittstelle zu den externen Location Services (LCS) bildet. 27

28 SRNC, serving radio network controller Der Serving Radio Network Controller (SRNC) ist eine Netzwerkkomponente von UMTS. Der SRNC-Controller bildet den Abschluss der Kommunikation über den Mobile Link Layer, er schließt die Interface Einheit ab und unterstützt die Zugangskontrolle für neue Mobilgeräte oder Services, die über die Interface Unit auf das Kernnetz zugreifen möchten. Dabei wird jedem Mobilgerät ein Serving Radio Network Controller zugeordnet, der die Funkressourcen für dieses verwaltet. TA, timing advance Timing Advance (TA) ist eine Laufzeitkompensation in Mobilfunknetzen für die Synchronisation der Mobilstation mit der Basisstation (BS). Da das Zeitschema in GSM sehr eng definiert wurde, muss die Mobilstation vor Beginn des Empfangszeitschlitzes ihr Datenpaket an die Basisstation absenden, damit dieses innerhalb des Empfangsfensters dort eintrifft. Die Zeit, die der Sendeburst vorverlegt werden muss, also das Timing Advance, wird von der Basisstation ermittelt und der Mobilstation mitgeteilt. Das Timing Advance ist direkt abhängig von der Entfernung zwischen Mobilstation und Basisstation. Der TA-Wert steigt mit der Entfernung zwischen beiden Stationen und kann Werte zwischen 0 und 63 annehmen, was Laufzeiten von bis zu 233 µs entspricht. Dieser höchste Wert entspricht einem Zellenradius von 35 km. Da das TA-Signal ein entfernungsabhängiges Signal ist, wird es auch für die Positionsbestimmung in GSM-Netzen benutzt. Es wird vom Serving Mobile Location Center (SMLC) für die Positionsberechnung des Mobilgerätes ausgewertet. TDOA, time difference of arrival Time Difference of Arrival (TDOA) ist wie Time of Arrival (TOA) ein zeitbasiertes Verfahren zur Positionsbestimmung von Mobilgeräten in Mobilfunknetzen. Das TDOA-Verfahren arbeitet mit Differenzzeiten, im Gegensatz zu Time of Arrival (TOA), das mit Absolutzeiten arbeitet. Es 28

29 basiert auf einer Laufzeitmessung, bei der der Laufzeitunterschied eines Zeitstempels gemessen wird, den die Funksignale vom Mobilgerät, beispielsweise einem Smartphone, zu verschiedenen Basisstationen des Mobilfunknetzes haben. Die Entfernung zwischen dem Mobilgerät und den Basisstationen kann unmittelbar aus der Signallaufzeit berechnet werden. Die Laufzeitunterschiede werden von einer Kontrolleinheit verglichen und daraus wird dann die Position des Mobilgerätes berechnet. Die TDOA-Messung ist nur dann aussagefähig, wenn mindestens drei Basisstationen den Zeitstempel empfangen haben. Bei zwei Basisstationen lägen diese irgendwo auf zwei Kreisumfängen. Erst durch die dritte Basisstation kann die exakte Position ermittelt werden. Da bei diesem Verfahren die Mobilgeräte in Senderrichtung senden, also im Uplink, nennt sich das Verfahren auch Uplink Time of Arrival (UL-TOA). TOA, time of arrival Signallaufzeiten bei Time of Arrival (TOA) Es gibt diverse Verfahren für die Positionsbestimmung von Mobilgeräten in Mobilfunknetzen, von denen mehrere Verfahren auf der Messung von Laufzeiten oder Differenzzeiten basieren. So Time of Arrival (TOA) und Time Difference of Arrival (TDOA) und deren diverser Varianten. 29

30 Bei Time of Arrival geht es um die Unterschiede in den Laufzeiten, die ein exakt synchrones Signal, das von mindestens drei Basisstationen gesendet wird, auslöst. Die Sendestationen sind die Basistationen, die Empfangsstation das Mobilgerät, Handy oder Smartphone. Das exakte Synchron-Signal kann eine Zeitstempel sein, der von allen Basisstationen zum exakt gleichen Zeitpunkt gesendet wird, oder Timing Advance (TA), ein entfernungsabhängiges Funksignal. Unterschiedliche Entfernungen zwischen den Basisstationen und dem Mobilgerät sorgen dafür, dass die drei Zeitstempel mit einem geringen Zeitversatz vom Empfangsgerät empfangen werden. Die Entfernungen sind dabei proportional der Signallaufzeiten. Aus diesen und der bekannten Signalausbreitungsgeschwindigkeit kann die Entfernung zu den drei Basisstationen berechnet werden und über deren geografische Koordinaten die geografische Position der Mobilstation. 30

31 Impressum Mobilfunk-Navigation Urheber Klaus Lipinski Datacom-Buchverlag GmbH Dietersburg ISBN: Titel: Mobilfunk-Navigation E-Book, Copyright 2012 Trotz sorgfältiger Recherche wird für die angegebenen Informationen keine Haftung übernommen. Dieses Werk ist unter einem Creative Commons Namensnennung-Keine kommerzielle Nutzung-Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland Lizenzvertrag lizenziert. Erlaubt ist die nichtkommerzielle Verbreitung und Vervielfältigung ohne das Werk zu verändern und unter Nennung des Herausgebers. Sie dürfen dieses E-Book auf Ihrer Website einbinden, wenn ein Backlink auf gesetzt ist. Sie dürfen es nicht kopieren und ins Netz stellen. Layout & Gestaltung: Sebastian Schreiber Titel: Ayvengo - Fotolia.com Produktion: Weitere Informationen unter 31