Inhalt LBS. Location Based Services und Mobile Informationssysteme. Mobile Informationssysteme. Motivation. LBS Einführung

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1 Inhalt LBS Location Based Services und Motivation und Einführung UMTS-Hype Definition LBS Anwendungsbeispiele Basistechnologien und Funktionsweise Mobile Endgeräte Netzwerk, Funktechnologien Positionierung Informationsfluss WebPark- Projekt ArcPad-Feldübung 2 LBS Einführung Motivation Festnetz telefon Handy Smartphone Verschmelzung von Internet und Telekommmunikation Personal Computer Laptop PDA Comunicator 4

2 Motivation Motivation August 2000: Versteigerung der UMTS- Lizenzen in Deutschland (~ 50 Mrd. ) Je Einwohner haben die Konzerne für die UMTS-Lizenzen in Großbritannien 650 Euro hingelegt, in Deutschland 580 Euro, in der Schweiz 240 Euro. 5 6 Motivation bestehende Netze sind ausreichend für reine Sprachverbindung Investitionen in UMTS lassen sich nur durch zukünftige Datendienste amortisieren multimediale Datendienste interaktive Anwendungen Location Based Services Entscheidender Unterschied zwischen stationärem und mobilen Web-Anwendungen: Berücksichtigung der aktuellen geographische Position des mobilen Nutzers möglich Definition Location Based Service Standortbezogene Dienste bezeichnen Anwendungen, welche die Position des Teilnehmers mit einbeziehen, um ihm spezifische Inhalte zur Verfügung zu stellen. Quelle: Traud, A: Handheld und Ubiquitous Computing, Hauptseminar Universität Ulm, Fakultät für Informatik, WS02/03 Standortbezogene Dienste (Location Based Services - LBS), sind über ein Netzwerk erbrachte mobile Dienste, die unter Zuhilfenahme von positions-, zeit- und personenabhängigen Daten dem Endbenutzer selektive Informationen bereitstellen oder Dienste anderer Art erbringen. Quelle: Wikipedia 7 8

3 Adaption Woran? Anwendungsbeispiele Du weisst, wo Deine Freunde sind Quelle: Mobile Cartography - Dissertation Tumasch Reichenbacher Anwendungsbeispiele LBS in der Navigation (z.b. Auto, Flugzeug,...) Handyparties Outdoor-Spiele Freunde Kommunikation Anwendungsbeispiele Exponat- Informationen Wetter Events Entertainment Infos LBS Reiseroute mit PKW Reiseroute zu Fuß Reiseroute mit öffentlichen Verkehrsmitteln Umleitungen Stau Navigation Unwetter Tankstellen Ampelschaltung Telematik 11 Werbung Sonderangebote Produktinformationen Preisvergleiche Commerce Background Task Autotür auf Kaffeemaschine an Handy-Stummschaltung Quelle: Wirtschaftsinformatik RWTH Aachen Notrufdienste Krankenwagen Werkstatt ADAC Polizei, Feuerwehr Ressourcenmanagement Krankenwagen Taxen LKWs Polizeiwagen 12

4 Anwendungsbeispiele track your kid von Armex ( verschiedenste Ortungsanwendungen sind möglich: Auto kann mit Handy ausgestattet werden und ist damit jederzeit lokalisierbar wertvolle Gebrauchsgegenstände können überwacht werden - mit anderen Worten: Jedes teure Gut ist es wert, im Falle eines Diebstahls, geortet zu werden. Außendienstmitarbeiter können so effektiv zu bestimmten Kunden geschickt werden Auch bei Eheproblemen hat sich track your kid schon als gute Dienstleistung erwiesen. Inhalt LBS Motivation und Einführung UMTS-Hype Definition LBS Anwendungsbeispiele Basistechnologien und Funktionsweise Mobile Endgeräte Netzwerk, Funktechnologien Positionierung (satellitengestützt, netzwerkbasiert) Informationsfluss Sicherheit und Persönlichkeitsrechte Dynamische Kartenerzeugung (MRDB, Echtzeit, perspektivische Darstellung) 13 Klassifikation mobiler Endgeräte Klassifikation mobiler Endgeräte Handhelds PDA (Personal Digital Assistant) Allgemein: alle Geräte, die in einer Hand gehalten werden können Eingabe über zweite Hand (tastatur- oder stiftbasiert) Kein stationärer Aufbau nötig Anwendungen vom Hersteller vorhanden, es können aber auch weitere installiert werden Möglichkeit, Daten mit stationärem Computer abzugleichen Quelle: Mobile Computing, Jörg Roth, dpunkt.verlag 15 16

5 Klassifikation mobiler Endgeräte Klassifikation mobiler Endgeräte Wearables derzeit Gegenstand der Forschung Vorteil: Benutzer haben die Hände für andere Tätigkeiten frei denkbar wären: Schmuck (Ringe, Ohrringe) modifizierte Armbanduhren am Kopf oder Gürtel befestigt in die Kleidung integriert (in Schuhe oder Futter von Jacken) Schuhe als Energiequelle; Brillen, welche Information projizieren können Schlechtes Beispiel 17 Chipkarten Kleinster mobiler Rechner der Welt Enthält einen nichtflüchtigen Speicher (typisch 256 Bytes bis 32kBytes) sowie einen Prozessor (z.b. Intel 8051, Motorola 6805) Auf ein Zusatzgerät angewiesen, da keine Verbindung zur Außenwelt Skipass (außer elektronische Kontakte) Smart Cards: programmierbar z.b. mit Java, C, Zugriff auf Daten nur über ein gespeichertes Programm Einsatz: digitale Unterschrift, Zeiterfassungssysteme 18 Inhalt LBS Motivation und Einführung UMTS-Hype Definition LBS Anwendungsbeispiele Basistechnologien und Funktionsweise Mobile Endgeräte Netzwerk, Funktechnologien Positionierung Informationsfluss Mobile Informationssystem WebPark- Projekt ArcPad-Feldübung Internet Server Funktechnologie GSM, GPRS, UMTS Bluetooth Client Realisiert Einwahl ins Internet und Client- und Server-Verbindung 19 20

6 Funktechnologie Vergleich der Mobilfunkstandards Entwicklung der Mobilfunkstandards 1.Generation: analog, z.b C-Netz der Telekom von reine Sprachübertragung 2.Generation: Anfang der 90er Jahre zur Entwicklung des digitalen Global System for Mobile Communications (GSM) Dienste wie den Kurznachrichtenversand (SMS) sowie die Datenübertragung 3.Generation: gemeinsame breitbandige Übertragung von Sprache und Daten UMTS nutzt neue Funkfrequenzen und erfordert deshalb eine komplett neue Infrastruktur 21 Modus Max. f. Nutzer Genutzte Verfahren Anwendungen Teststart Betriebsstart GSM GPRS UMTS Leitungsvermittelt Leitungs- und 14,4 kbit/s 171,2 kbit/s 2,048 Mbit/s 9,6 kbit/s - Fax, einfache Datenübertr. Bündelung Overheadred. Burstartiger Verkehr 1992 Herbst Quelle: Wirtschaftsinformatik RWTH Aachen Lastabhängig ca kbit/s 144 kbit/s 384 kbit/s 2,048 Mbit/s Alle Div. Testbed: 1999 Betriebsnetze: 2002 Januar 2003? 22 Vergleich der Mobilfunkstandards Vergleich der Mobilfunkstandards GSM GPRS UMTS GSM: (Global System for Mobile Communications) GSM GPRS UMTS GPRS: (General Packet Radio Service) Modus Max. f. Nutzer Genutzte Verfahren Anwendungen Leitungsvermittelt Leitungs- und 14,4 kbit/s 171,2 kbit/s 2,048 Mbit/s 9,6 kbit/s - Fax, einfache Datenübertr. Lastabhängig ca kbit/s Bündelung Overheadred. Burstartiger Verkehr 144 kbit/s 384 kbit/s 2,048 Mbit/s Alle Div. weltweit gängiger Mobilfunkstandard in über 200 Länder von 1,55 Milliarden Menschen genutzt (Stand Okt. 2005) im Gegensatz zum Radio wird nicht mit verschiedenen Frequenzkanälen gearbeitet (Frequenzmultiplex), sondern sog. Zeitpmultiplex verwendet GSM-Funkkanäle sind in acht Zeitfenster unterteilt Geräte senden auf einer Frequenz innerhalb eines kurzen Zeitfensters (von einer 600 Millionstel Sekunde) TDMA - Time Division Multiple Access Modus Max. f. Nutzer Genutzte Verfahren Anwendungen 14,4 kbit/s 171,2 kbit/s 2,048 Mbit/s 9,6 kbit/s - Fax, einfache Datenübertr. Leitungsvermittelt Lastabhängig ca kbit/s Bündelung Overheadred. Burstartiger Verkehr Leitungs- und 144 kbit/s 384 kbit/s 2,048 Mbit/s Alle Div. neuere Übertragungstechnik in GSM- Netzen ermöglicht Nutzung des Internets bei voller Farbdarstellung nutzt Vorteile der paketorientierten Datenübertragung (Zeifenster stehen mehreren Nutzern zur Verfügung) Kanalbündelung Nutzungskosten werden datenabhängig berechnet Teststart 1992 Herbst 1999 Testbed: 1999 Betriebsnetze: 2002 Teststart 1992 Herbst 1999 Testbed: 1999 Betriebsnetze: 2002 Betriebsstart Quelle: Wirtschaftsinformatik RWTH Aachen Januar 2003? 23 Betriebsstart Quelle: Wirtschaftsinformatik RWTH Aachen Januar 2003? 24

7 Vergleich der Mobilfunkstandards Funktechnologie Modus Max. f. Nutzer Genutzte Verfahren Anwendungen Teststart Betriebsstart GSM GPRS UMTS Leitungsvermittelt Leitungs- und 14,4 kbit/s 171,2 kbit/s 2,048 Mbit/s 9,6 kbit/s - Fax, einfache Datenübertr. Bündelung Overheadred. Burstartiger Verkehr 1992 Herbst Quelle: Wirtschaftsinformatik RWTH Aachen Lastabhängig ca kbit/s 144 kbit/s 384 kbit/s 2,048 Mbit/s Alle Div. Testbed: 1999 Betriebsnetze: 2002 Januar 2003? UMTS: (Universal Mobile Telecommunicat. System) Unterschied zwischen der GSM- und der UMTS-Technologie liegt in der der genutzten Frequenzen GSM: 200 khz UMTS: 5 MHz - das ist der 25fache Wert UMTS arbeitet paketorientiert, d.h. es werden nur die übertragenen Daten bezahlt ständiger online-zugriff WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access maximale Übertragungsrate sinkt mit dem Abstand des Handys zum Funkmast und mit der Geschwindigkeit, mit welcher das Handy bewegt wird 25 Bluetooth Funk - Übertragungstechnik für den Nahbereich Reichweiten von ca. 10 bis max. 100 Meter kabellose Netzwerke mit bis zu 80 Endgeräten Ultrahochfrequenzbereich bei 2,4 Gigaherz Übertragungsraten liegen bei 1000 kbit/s (15-fache ISDN-Geschwindigkeit) Bluetooth zeichnet sich aus durch > geringen Hardwarekosten, > niedrigem Stromverbrauch und > Echtzeitfähigkeit in den Bereichen Sprachübertragung, Audio-Video-Lösungen und der drahtlosen Übertragung zwischen Kleinstgeräten kabellose Vernetzung eines Headsets 26 Funktechnologie Funktechnologie WWAN (Zone 2/3) Wireless wide are network GSM, GPRS, UMTS... Wide Area Network universeller Zugriff WLAN (Zone 1) Wireless local area networks , HiperLAN... Wireless LAN hohe Datenraten WPAN (Zone 1) Wireless personal area networks IrDA sehr geringer Stromverbrauch keine Interferenz Bluetooth sehr kleine Zellen ad-hoc Networking klein und stromsparend geringe Übertragungsleistung 27 Network technology WWAN Wireless wide are network WLAN Wireless local area networks WPAN Wireless personal area networks GSM (G2) GPRS UTMS (G3) Ultra- Wideband IEEE a IEEE b Bluetooth HomeRF IrDA (infrared) Average range base station distance 100m-35km 10m 50m 100m 10m 50m 1-1.5m, needs line of sight Data Rate (Mbps) frequency domain ~ 900 MHz, licensed Spectrum ~ 2.4 & 5 GHz, not licensed Spectrum ~ 2.4 GHz, not licensed Spectrum not licensed spectrum 28

8 Inhalt LBS Motivation und Einführung UMTS-Hype Definition LBS Anwendungsbeispiele Basistechnologien und Funktionsweise Mobile Endgeräte Netzwerk, Funktechnologien Positionierung (satellitengestützt, netzwerkbasiert) Informationsfluss Mobile Informationssystem WebPark- Projekt ArcPad-Feldübung 29 Verfahren zur Positionsbestimmung Tracking Position einer Person oder eines Objektes wird von einem Sensorennetzwerk bestimmt Dazu wird Benutzer mit einer Marke versehen, die vom Netzwerk erkannt wird Position muss gegebenenfalls dem Benutzer übermittelt werden Positioning Der mobile Nutzer bestimmt die Position selbst (auf Basis von Funk-, Infrarotoder Ultraschallsignalen) Positionsangabe liegt primär beim Nutzer vor und steht zunächst nicht für andere Personen im Netzwerk zur Verfügung 30 Positionsbestimmung 31 Global Positioning System (GPS), basierend auf 24 Navstar Satelliten A-GPS (Wireless Assisted Global Positioning System) - Verwendung von Zusatzinformationen wie Satellitenbahndaten und Hilfsdaten zur schneller Satellitenakquisition Mit einem GPS-Empfänger ausgerüstete mobile Endgeräte erreichen Positionsgenauigkeiten bis zu 10 Meter. 32

9 Positionsbestimmung Positionsbestimmung GPS Galileo Positionsbestimmung basiert auf Messung von Signallaufzeiten zwischen Satelliten und GPS-Empfänger Europäisches Satellitennavigationsnetz, bestehend aus 30 Satelliten zur zivilien Nutzung Theoretisch reichen die Signale aus drei Satelliten: Genauigkeit von 1m, bei kontinuierlicher Verfügbarkeit 2 für Position auf der Erdoberfläche 1 für Höhe 4. Signal wird benötigt um Zeit zu synchronisieren, da die Uhr der GPS- Empfänger in der Regel zu ungenau ist für Genauigkeit von 3 Meter muss die Zeitunsicherheit kleiner als 10 Nanosekunden sein NAVSTAR-Satellit der zweiten Generation Entwicklungsphase Errichtungsphase ab 2008 Betriebsphase Kosten von Mrd. Euro (entspricht 150 km Autobahn) kostenloser Basisdienst, analog GPS + kostenpflichtiger Dienst energy_transport/galileo/index_en.htm 34 Positionsbestimmung Netzwerkbasierte Lokalisierung Bei netzwerkbasierter Lokalisierung wird die Aufgabe der Messung als auch der Berechnung vom Mobilfunknetz übernommen. Ein Mobilfunknetz ist zellular aufgebaut, wobei eine Zelle dem Einflussbereich einer Basisstation entspricht. Die einfachste Form der Positionierung besteht in der Angabe der jeweiligen Mobilfunkzelle (Cell ID). In dichten Netzgebieten Genauigkeit zwischen m, auf dem Land bis 35km. Positionsbestimmung Netzwerkbasierte Lokalisierung Verbesserung durch Angabe des Zellsektors mittels sektorisierter Antennen Berücksichtigung der Laufzeit von der Basisstation zum Empfänger (Timing Advanced - ca. 550m Genauigkeit) Einbeziehung von zusätzlichen Informationen aus Datenbanken, z.b. Verwendung einer Strassendatenbank 35 36

10 Positionsbestimmung Positionsbestimmung Netzwerkbasierte Lokalisierung Methoden der Positionsbestimmung: Messung der Signalstärke in der Mobilfunkzelle Messung des Einfallwinkels Laufzeitmessung des Signals Inhalt LBS Informationsfluss Motivation und Einführung UMTS-Hype Definition LBS Anwendungsbeispiele Basistechnologien und Funktionsweise Mobile Endgeräte Netzwerk, Funktechnologien Positionierung (satellitengestützt, netzwerkbasiert) Informationsfluss Mobile Informationssystem WebPark- Projekt ArcPad-Feldübung 39 40

11 WebPark Projekt (x,y) Anwendung i Qtec 2020 Bluetooth GPS EMTAC Industrie / Anwendung WebPark Forschung i i Bluetooth GPS Pharos (x,y) Universitäten Ziel: Plattform für die Vermittlung ortsbasierter Dienste (LBS) Hardware Architektur GPS Display Data Maps Pocket MS-IE Tiny Local HTTP Server Cache and remotebroker Components OGC Smart Cache folders Client ts ues req Karten Wo bin ich? (POI, FOI) WFS DB WMS Routen, Höhenprofile Pricing engine Generalization Server profitiert von verteilter Verarbeitung und nutzt lokalen Datenspeicher, wenn keine Funkverbindung möglich ist Räumliche Bookmarks Suche nach Pflanzen & Tieren WebPark services Information ranking (Agents) Generalisierung Adaption, Personalisierung 44

12 Routen, Höhenprofile Räumliche Bookmarks Karten Wo bin ich? (POI, FOI) WebPark services Suche nach Pflanzen & Tieren Generalisierung Information ranking (Agents) Adaption, Personalisierung Anwendertests 87 Tests Über 100 Personen Switzerland 12 Germany 1 Netherlands 1 Israel 57 male 30 female 47 Ergebnisse: allgemeine Fragen Please rate the following from 1 (very good) to 4 (very bad) Information content Menu structure Symbols for Animals/Plants Buttons Handling Size of the device Weight (very good) (very bad) % 20% 40% 60% 80% 100% 48

13 Ergebnisse: allgemeine Fragen Einfachheit der Informationsvermittlung very good good bad very bad no answ er Informationsvermittlung muss weiter vereinfacht werden Ergebnisse: Änderung der Menüstruktur Alt Gewünschte Information ist mit weniger Aufwand verfügbar als vorher, was zu grösser Nutzerakzeptanz führt How do you rate the ease of information provision overall? 0% 20% 40% 60% 80% 100% Ergebnisse: Kartendarstellung Vorteile für den Besucher Alt Verschiebepfeile und Maßstabsbalken nun im Darstellungsfenster integriert Die Frage wird dort beantwortet, wo sie gestellt wird. Es wird nur die Frage beantwortet, die gestellt wird. Die Gäste können sich aktiv an den Beobachtungen beteiligen 51 52

14 ArcPad-Feldübung Vorteile für das Park Management Keine (neuen) Installationen im Gelände: Der Wildniseindruck wird erhalten. Neue Erkenntnisse und Informationen sind einfach und sofort integrierbar. Bestehende Monitoringprogramme können angepasst und für die Besucherinformation eingesetzt werden. 53 Ziele: 1. Positionierungsgenauigkeit von GPS im realen Einsatz testen 2. Funktionalitäten von ArcPad (mobiles GIS von ESRI) ausprobieren 3. Möglichkeiten mobiler GIS kennen lernen 54 ArcPad Datenaufbreitung ArcPad ist das mobile GIS von ESRI Automatische Positionierung und Kartenpräsentation im Feld möglich Einsatz für Erfassung und Fortführung geografischer Daten: Daten können vom PC auf den mobilen Rechner übertragen und im Feldeinsatz weiter verwendet werden Datenerfassung erfolgt mit GPS- Unterstützung Daten können einfach mit den zentralen Geodaten abgeglichen werden Einbeziehung aktueller Online- Informationen bei Verfügbarkeit einer Internetverbindung (per Mobiltelefon) 55 Datenaufbereitung erfolgt in ArcMap Rasterkarten einscannen und in ArcMap georeferenzieren Daten selber digitalisieren bzw. Zusatzinformation integrieren Mit WMS verbinden und Daten als georefernzierte Bild-Dateien abspeichern 56

15 Datenaufbreitung 1. Daten einscannen und in ArcMap georeferenzieren 2. Mit WMS verbinden und Daten als georefernzierte Bild-Dateien abspeichern WebPark wenn Natur und Technologie zusammenarbeiten! Dr. Dirk Burghadt Universität Zürich 57 58