Fakulta informačních technologií

Vysoké učení technické v Brně Fakulta informačních technologií Projekt do předmětu SEN Textová rešerše - GSM lokalizace xsztef01@stud.fit.vutbr.cz 5. února 2013 Lukáš Sztefek

Obsah 1 Úvod 2 2 Technologie GSM 2 2.1 BTS..................................... 3 3 Lokalizace pomocí GSM 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 GPS 1. 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 ETSI 2 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 Global Position System 2 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 TA 3 (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

3.3 Timing Advance 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 Technika Timing Advance (dále TA) využívá znalost o délce zpoždění mezi MS a BTS. Síť GSM využívá TDMA 4, 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 Zpoždění TA 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

3.6 A-GPS Obrázek 4: Hodnoty síly signálu v realném prostředí 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]: x a = x p l2 sin(a) = x2 l1 cos(a) l2 sin(a) (2) y a = y p + l2 cos(a) = y2 l1 sin(a) + l2 cos(a) (3) x b = x p + l2 sin(a) = x2 l1 cos(a) + l2 sin(a) (4) y b = y p l2 cos(a) = y2 l1 sin(a) l2 cos(a) (5) V tomto konkrétním případě se poloha MS rovná souřadnicím (x a, y a ). 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