GIS Seminar WS 2001 / 02
Inhalt
1.Einleitung
Navigation
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
GPS & Mobilfunk
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Von Lucas Schult unter Betreuung von Dipl.- Ing. H.-J. Fuhlbrügge am 21.1.2002
GIS Seminar WS 2001 / 02
Inhalt
• Sensornavigation (Thomas Telega)
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
• GPS und Inertialsysteme (Peter Heinrich)
• GPS und Mobilfunk (Lucas Schult)
• Routenplanung (Christian Nitsche)
„GPS und Mobilfunk“
Konkretisierung
Inhalt
1.Einleitung
GPS und Mobilfunk
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
„Und“ oder „oder“ ?
„GPS und Mobilfunk“
Konkretisierung
Inhalt
1.Einleitung
GPS und Mobilfunk
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Positionsbestimmung durch
GSM - Positionierungsverfahren
GSM - Global Standard for Mobile Communications
„GPS und Mobilfunk“
Angebot
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Informationsangebote
Meine Kinder sind zu spät, wo bleiben sie nur…
 Persönliche Sicherheit
Wie lange werde ich wohl brauchen nach...
 Verkehrsinformationen
„GPS und Mobilfunk“
Angebot
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
Hilfe im Notfall
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Ich hatte einen Autounfall und brauche Hilfe…
 112 Notrufortung
Ich möchte im Lawinengefährdeten Gebiet skifahren…
 Ortung von Verschütteten
„GPS und Mobilfunk“
Angebot
Inhalt
1.Einleitung
M-Commerce Services
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Wo ist das nächste italienische Restaurant…
 M-commerce / Restaurant Führer
Ich möchte Karten für „Herr der Ringe“ bestellen…
 Kinokartenbestellung
„GPS und Mobilfunk“
Signalausbreitung
Inhalt
1.Einleitung
Drahtlose Signale breiten sich im Vakuum gleichmäßig in
alle Richtung des Raums aus.
2. Basistechnologie
Die Signalstärke nimmt quadratisch zur Entfernung ab.
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Drei Bereiche der Signalstärke:
• Übertragungsbereich
• Erkennungsbereich
• Interferenzbereich
„GPS und Mobilfunk“
Signalausbreitung
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Abschattung: Große Objekte (Gebäude,
Bäume) dämpfen Signal, dass hinter ihnen
kein Empfang möglich ist.
Je höher die Frequenz, desto stärker die
Dämpfung.
Reflexion: Nach Reflexion des Signals an
z.B. Gebäuden nimmt durch Absorption die
Signalstärke ab.
Streuung: Ein Signal wird in mehrere
schwächere aufgespalten, die in
unterschiedliche Richtungen verlaufen.
Beugung: Signale werden an Kanten von der
ursprünglichen Ausbreitungsrichtung
abgelenkt (Empfänger hinter Bergen
erreichbar).
„GPS und Mobilfunk“
Störungen
Inhalt
Besonders problematisch sind:
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
• Mehrwegeffekte (bekannt von GPS)
• In Verbindung damit: Delay Spread
• Destruktive Interferenzen
• In Verbindung damit: Fast Fading
• Doppler Effekt
„GPS und Mobilfunk“
Frequenzspektrum
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
„GPS und Mobilfunk“
Frequenzspektrum
Inhalt
Welche Frequenzen nutzt der Mobilfunk ?
1.Einleitung
2. Basistechnologie
Analoge C-Netz:
450 MHz
3. GSM
Positionierung
GSM900:
900 MHz
4. Zusammenfassung &
Ausblick
GSM1800:
1,8 GHz
Zum Vergleich:
Sichtbares Licht (Glasfaserübertragungen) liegt im Frequenzbereich 300 - 900 THz)
„GPS und Mobilfunk“
Zellen- und Zellstrukturen
Inhalt
1.Einleitung
Pico- Zelle:
Mikro- Zelle:
Makro- Zelle:
1 m - 100 m
100 m - 2 km Mega- Zelle:
2 km - 40 km Giga- Zelle:
40 km - 200 km
200 km - 2000 km
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Vorstadtbereich
Stadtbereich
„GPS und Mobilfunk“
GSM-Positionierung
Inhalt
GSM Positionsbestimmung
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Multipathmuster
Multipath Fingerprint
Distanzbestimmung
Signalabschwächung
Received Signal Strength
Messung des Ankunftswinkels
Angel of Arrival
Laufzeitmessung
Downlinkverfahren
Enhaced Observed Time Difference
E-OTD
Uplinkverfahren
Time Difference of Arrival
TDOA
„GPS und Mobilfunk“
Bestimmung Herkunftszelle
Cell of Origin
Cell of origin (COO)
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
1. Zuordnung zur nächstgelegenen Antenne
2. Nutzung des TA Effekts
3. Sektorbestimmung
Positionsbestimmung
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
„GPS und Mobilfunk“
Angle of Arrival (AOA)
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Sog. Smart-Antenne wird benutzt
Antenne erkennt Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen
beim Empfänger
Ermittlung von zwei Standlinien
Geradenschnitt
Aufteilung der Antenne
in ein Antennenarray
„GPS und Mobilfunk“
Angle of Arrival (AOA)
Inhalt
Probleme:
1.Einleitung
Verzerrung der Wellenfront durch Multipath-Effekte
2. Basistechnologie
Lange Integrationszeit notwendig: Ortungsdauer etwa 10 s
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Aufteilung der Antenne
in ein Antennenarray
„GPS und Mobilfunk“
Hyperbelschnittverfahren
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Es gilt:
Sämtliche Punkte, deren Distanzdifferenz zu zwei anderen
Punkten konstant ist, liegen auf einer Hyperbel.
Bei drei Antennen ergeben sich zwei Hyperbeln, deren
Schnittpunkt die
gesuchte Position ergibt.
Bleibt die Frage:
Wie wird die Distanzbestimmung realisiert ?
„GPS und Mobilfunk“
Received Signal Strength
Inhalt
Distanzmessung durch Messung der Signalstärke
1.Einleitung
2. Basistechnologie
Zur Erinnerung: Die Signalstärke nimmt quadratisch mit
wachsender Entfernung ab.
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
r
PT Z F 0  D
 C ( ,  )
2
4    Eeff
„GPS und Mobilfunk“
Signallaufzeitmessung
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Distanzlaufzeitmesssung
Downlinkverfahren
Enhanced Observed Time Difference
E-OTD
Uplinkverfahren
Time Difference of Arrival
TDOA
Vorraussetzungen:
• Koordinaten der
Basisstationen müssen
bekannt sein
• die ausgesendeten
Signale müssen
synchronisiert sein
„GPS und Mobilfunk“
Signallaufzeitmessung
Inhalt
1.Einleitung
Distanzlaufzeitmesssung
2. Basistechnologie
Downlinkverfahren
Enhanced Observed Time Difference
E-OTD
3. GSM
Positionierung
Vorraussetzungen:
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Uplinkverfahren
Time Difference of Arrival
TDOA
Mit sog. Bursts erfolgt
Distanzmessung (analog
zur Codemessung bei
GPS).
Burst Aussendung
sowohl von Basis als
auch von Handy
„GPS und Mobilfunk“
Downlinkverfahren
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Wird auch als „Enhanced Observed Time Difference“ - E-OTD
bezeichnet
Mobiltelefon berechnet den Standort
Burst wird von Basis ausgesendet
Sowohl während
Gesprächen als auch
im „Stand by modus“
muß Ortung möglich
sein
Vorraussetzung:
Leistungsstarke Software
im Mobiltelefon
„GPS und Mobilfunk“
Uplinkverfahren
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Wird auch als „Time Difference of Arrival“ - TDOA
bezeichnet
Funkbasen berechnet den Standort
Burst wird von Mobiltelefon ausgesendet
Ortung wird per SMS
an Handy übermittelt
„GPS und Mobilfunk“
Fingerprintverfahren
Inhalt
Multipath-Muster jedes Ort
ist gespeichert.
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Abgleich über Mustererkennung
Muster muß gleich bleiben
„GPS und Mobilfunk“
Fingerprintverfahren
Inhalt
Besonders für dicht bebautes
Gebiet geeignet
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
Nur eine Antenne notwendig
Hersteller sagt System sei genauer
als AOA- oder TDOA-Techniken
4. Zusammenfassung &
Ausblick
„GPS und Mobilfunk“
Vergleich der Verfahren
Inhalt
GSM Positionsbestimmung
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Multipathmuster
Multipath Fingerprint
Distanzbestimmung
Signalabschwächung
Received Signal Strength
Messung des Ankunftswinkels
Angel of Arrival
Laufzeitmessung
Downlinkverfahren
Enhaced Observed Time Difference
E-OTD
Uplinkverfahren
Time Difference of Arrival
TDOA
„GPS und Mobilfunk“
Bestimmung Herkunftszelle
Cell of Origin
Vergleich der Verfahren
Inhalt
1.Einleitung
COO (Cell of Origin):
• keine Modifikationen nötig
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Vorteile:
Nachteile:
• alles bereits vorhanden
• sehr schlechte Genauigkeit
• keine Investitionen nötig
• langsam in der
Positionsberechnung
• Messung nur während
Gespräch möglich
• eventl. Spracheinbußen
„GPS und Mobilfunk“
Vergleich der Verfahren
Inhalt
1.Einleitung
AOA (Angle of Arrival):
• Spezieller Antennentyp erforderlich
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Vorteile:
Nachteile:
• Standardunabhängig
• Anttenarray oder Smart
• keine Synchronisation
notwendig
Antenne erforderlich
„GPS und Mobilfunk“
Vergleich der Verfahren
Inhalt
1.Einleitung
RSS (Received Signal Strength):
• An Basisstation Modifikationen nötig
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Vorteile:
Nachteile:
• Unempfindlichkeit
gegenüber MultipathEffekten
• sehr schlechte Genauigkeit
• Messungen aufwendig
„GPS und Mobilfunk“
Vergleich der Verfahren
Inhalt
TDOA sowie E-OTD (Time Difference of Arrival
sowie Enhanced Observes Time Differences):
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
• An Basisstation und an Handy Modifikationen nötig
Vorteile:
Nachteile:
• genaueste Methode
• braucht mind. 3
Antennen
• keine Beeinträchtigung
der Sprachqualität
• Messung immer
möglich, wenn Handy
eingeschaltet
• sehr genaue
Zeitreferenz notwendig
• Empfindlich auf
Multipath
• periodische Kalibrierung
des Systems nötig
„GPS und Mobilfunk“
Vergleich der Verfahren
Inhalt
1.Einleitung
Multipath Fingerprint:
• Datenbankabfrage nötig
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
Vorteile:
Nachteile:
• genaueste Methode
nach Herstellerangaben
• aufwendiges TemplateMatching-Verfahren
• setzt stationäres
Verhalten der MultipathMuster voraus
• erfordert Datenbank
„GPS und Mobilfunk“
Vergleich der Verfahren
Inhalt
System
Technologie
Genauigkeit
Cellocate
TDOA
250 m
CellTrax
TDOA
< 200 m
Cursor
E-OTD
Geometrix
TDOA & AOA
98 m
mit UMTS < 20 m
125 m (US Norm)
Mobile Positioning System
TDOA
300 – 1000 m
RadioCamera
Fingerprint
< 125 m (US Norm)
RoadTrack
TDOA
1000 m
Sigma-5000
TDOA & AOA
100 m
TeleSentinel
AOA
< 125 m (US Norm)
TruePosition
TDOA
< 125 m (US Norm)
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
„GPS und Mobilfunk“
GPS & Mobilfunk
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
2 Möglichkeiten Mobilfunk & GPS einzusetzen:
• Reine Mobilfunk Navigation
• Mobilfunk Navigation mit GPS Unterstützung
Genauigkeiten von GPS werden nicht
erreicht, jedoch ist in manchen Gebieten
keine GPS Nutzung möglich, z.B.
• Waldgebieten
• Bei hoher Bebauung
• Innerhalb von Gebäuden
„GPS und Mobilfunk“
GPS & Mobilfunk
Inhalt
1.Einleitung
2. Basistechnologie
3. GSM
Positionierung
4. Zusammenfassung &
Ausblick
„GPS und Mobilfunk“

3. GSM Positionierung