Morten Guld Lauge Søndergaard. Speciale Datalogisk Institut Københavns Universitet

Transkript

1 Morten Guld Lauge Søndergaard Speciale Datalogisk Institut Københavns Universitet

2

3 I dette speciale ses på muligheder for positionering af GSM-mobiltelefoner ud fra oplysninger, som er tilgængelige på telefonerne og ikke er baseret på services fra teleoperatøren. Hvis positionen kendes på mobiltelefonerne vil der være mange anvendelsesmuligheder. Ved en undersøgende og eksperimenterende fremgangsmåde afprøves, hvordan signalstyrken fra omkringliggende sendemaster kan bruges til at bestemme positionen. Til formålet udvikles en prototype, der kan lave positionsbestemmelse på udvalgte modeller af HTC mobiltelefoner. Prototypen viser, at det er muligt at lave positionsbestemmelse, som ikke er baseret på services fra teleoperatøren. Det viser sig i praksis, at der kan opnås en god positionsbestemmelse ved brug af en eller flere sendemaster til at udregne positionen. Nøjagtigheden er i 67 % af tiden bedre end 295 meter i København, 698 meter i Roskilde og 1549 meter i landområder. Selv hvis telefonen kun har information en sendemast kan der opnås en god positionsbestemmelse. i

4 Til vores vejleder Eric Jul for stor opbakning og motivering gennem hele forløbet. Pernille Holm Hansen, Betina Eblingard og Bent Dybendahl Nielsen fra TDC for stor hjælpsomhed og tålmodighed med at få defineret et dataudtræk samt svar på spørgsmål om mobilnettet. Til Danny Baumann for det afgørende tip, der gjorde det muligt at bruge HTC telefoner. Til vores venner; Eske Bentzen, Jakob Neesgaard og Lars Brink Christensen for korrekturlæsning. Hallerup for sponsering af udstyr og udlån af andre IT-ressourcer. ii

5 Kapitel 1. Introduktion Baggrund Problemet Løsning Fremgangsmåde Specialets indhold Bidrag Relateret arbejde Læsevejledning...6 Kapitel 2. GSM-systemet GSM-systemarkitektur Radiosystemet Frekvenser og kanaler Trafik- og kontrolkanaler Transmissionseffekt, en vigtig parameter for celleradius Identifikation af celler og basestationer Celleinformation ved cellebroadcast Timing advance (TA) Mobiltelefon Valg af aktiv celle Naboceller og skift imellem celler Signalstyrke Strækningstabskriterierne C1 og C Opsummering Kapitel 3. Positionsbestemmelsesinformation i praksis Gruppering af mobiltelefoner Symbian OS CellSpotting, baseret på Symbian OS Kontakt med mobilproducenten Nokia Microsoft Windows Mobile Radio Interface Layer Udvikling af programmer til Windows Mobile Oplysninger hentet ud fra modem HTC et gennembrud Håndtering af virtuelhukommelse Nabolisten BA-listen Pols Opsummering iii

6 iv Kapitel 4. Cellmap, en prototype Opbygning Lagring og udtræk af basestationer Visning og lagring af målinger GPS Rapportering af position Skift i mellem metoder til estimering af position Visning af position på kort Korrektheden af målingerne Prototypens begrænsninger Erfaringer med udvikling af prototypen Opsummering Kapitel 5. Analyse af oplysninger om basestationer Fordeling af basestationer på Sjælland Analyse af dataudtræk fra TDC Oplysninger om basestationerne Fordeling af TDC s basestationer Opsummering Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand Antenner Udbredelse af signaler Forsøg med signalstyrke i forhold til afstand Modellering af signalstyrke i forhold til afstand Frit-rumsmodellen D-ellipsemodellen De empiriske modeller Hata Walfisch-Ikegami Afprøvning af modellerne Opsummering Kapitel 7. Metoder til positionsbestemmelse Fingeraftryksmetoder RADAR Usikkerheder Netværksafhængige metoder E-OTD Vinkel ved ankomst (AOA) Netværksuafhængige metoder Aktiv celle (CC) Centroid (CT) Center of Gravity (CG) EPM Opsummering... 80

7 Indholdsfortegnelse v Kapitel 8. Evaluering af positionsbestemmelsen Formål Metode Forsøgsopstilling Logning af målinger Usikkerheder Resultater Alle målinger samlet Ved rådhuspladsen Ved Roskilde centrum På landet ved Osted De kvalitative målinger Påvirkning af signaler i bil Resultaterne i forhold til andres arbejde Opsummering Kapitel 9. Konklusion Litteratur Appendiks A. Tab i signalstyrke i forhold til afstand Appendiks B. Resultater B.1 Kvantitative målinger B.1.1 Alle samlet B.1.2 Målinger ved Rådhuspladsen og omegn i København B.1.3 Målinger fra Roskilde by B.1.4 Måleresultater for landområde omkring Osted på midt Sjælland B.2 Kvalitative målinger fra København B.2.1 Stillestående målinger fra Rådhuspladsen, København B.2.2 Stillestående måling fra Rådhuspladsen måleserie 2, København B.2.3 Stillestående måling fra Børsgraven, København B.2.4 Stillestående måling Sankt Annæ Gade B.2.5 Celler valgt ved måleserie 1 og 2 fra Rådhuspladsen B.2.6 Signalstyrker målt i og udenfor bil B.2.7 Gennemsnitlige afvigelser i afstand målt i og udenfor bil

8 vi

9 Figur 1. Estimering af position ved triangulering ud fra signalstyrke....2 Figur 2. Oversigt over de væsentligste elementer i de tre undersystemer. Basestationssystemet, netværksomstillingssystemet og fastnettet. Frit efter [17]....9 Figur 3. Til venstre inddeling i kvadrater (a) og til højre inddeling i heksagoner (b). Bevirker at alle celler er lige langt fra hinanden. Frit efter [16] Figur 4. TDMA. Frit efter [17] [16] Figur 5. Kontrolkanal multiframe [20] Figur 6. Fordeling af sendemaster. GSM900 med en senderadius på 35 km er mest udbredt i landområdet. DCS1800, som har større kapacitet, kun 8 km senderadius og mest udbredt i byerne. Egen tilvirkning Figur 7. Nettets inddeling i celler og områder. Hver celle hører til et område. Cellerne med 1,3,4,8 hører til områdekode B) og 2,5,6,7,11 til områdekode A). Egen tilvirkning Figur 8. GSM info (GCI) i CellSpotting [33] Figur 9. Radio Interface Layer Figur 10. GSMTestMode. Internt værktøj i Qtek 9100, der kan vise information om GSM-nettet. Kilde: [44] Figur 11. Sony GM29 eksternt GSM-modem Figur 12. Virtuelt adresseområde. Til venstre inddeling i bruger og kerne; i midten kerneområdet og til højre brugerområdet [49] Figur 13. Den første i listen er altid den aktive celle, dvs. CI = 803 og de øvrige i listen er naboceller. Skærmbillede fra prototypen Cellmap. Her fra HTC S Figur 14. Både GSM900 og DCS1800 celler. Den aktive celle er DCS1800. Bemærk, at C1 er forskellig fra C2 for CI Skærmbillede fra prototypen Cellmap. Her fra Qtek Figur 15. BA-liste. Til venstre øverste del af listen og til højre er den nederste del. Skærmbilleder fra prototypen. Her fra HTC 620S Figur 16. Oversigt over Cellmap. Egen tilvirkning Figur 17. Visning af oplysninger fra GPS i Cellmap Figur 18. Visning af andre brugere på kort. Nummeret angiver antallet af dage siden positionen er rapporteret. Til venstre udklip fra Cellmap på telefonen og til højre fra cellmap.dk Figur 19. Målte celler vs. verificerede celler i nabolisten. A er målinger, som de hentes ud fra telefonen, mens B er målinger som er verificeret med oplysningerne fra TDC. Der inddeles i cellegrupper fra 1 til 7 som er antallet af celler i nabolisten, som for A er alle, men for B er de verificerede Figur 20. Masteplaceringer på Sjælland. Til venstre GSM900, i midten DCS1800 og til højre UTMS. Kilde [3] Figur 21. Horisontal og vertikal åbningsvinkler. Peak i horisontal åbningsvinkel er grader og for vertikal åbningsvinkel er det 8 grader. Der ses ingen forskel mellem GSM900 og DCS Figur 22. Antenneretning til venstre og til højre antennehøjden. Tre lige store grupper fordelt på 120, 240 og 360 grader. Resten er jævnt fordelt i øvrige retninger. Antennehøjden har et gennemsnit på 30 m og kun få antenner er placeret over 50 m Figur 23. ERP og antennegain og åbningvinkler. For ERPD mindre end 45 ses store forskelle i værdierne, mens når ERPD er større ses et mere ensartet billede vii

10 viii Figur 24. Oversigt over TDC basestationer på Sjælland (venstre) og i Storkøbenhavn (højre). Røde markører er udelukkende GSM900, lilla er udelukkende DCS1800, mens blå er sendemaster der både har GSM900 og DCS1800 basestationer Figur 25. Basestationer ved Rådhuspladsen i København. Bemærk den store koncentration, hvor DCS1800 dominerer i forhold til GSM Figur 26. Basestationer ved Roskilde centrum. Igen en overvægt af DCS1800 sendemaster Figur 27. Basestationer i et landområde ved Osted. Osted findes på kortet ved Kirkebjerg i midten af billedet. I området findes stort set kun GSM900 sendemaser Figur 28. Til venstre ses en antenne, der sender signalet næsten som en kugle (isotropisk). Til højre en retningsbestemt antenne (sektor) [57] Figur 29. Flervejsudbredelse vist med refleksion, diffraktion og spredning Figur 30. Modtagen signalstyrke i byområder (venstre) og i landområder(højre) i forhold til afstanden. Målt på HTC og Qtek telefoner Figur 31. Modtagen signalstyrke i byområde i forhold til afstand. Filteret på vinkel og målt på HTC og Qtek telefoner Figur 32. 2D-ellipse. Basestationen er placeret på en sendemast i ellipsens ene brændpunkt. Senderetningen følger storaksen. Afstanden kan bestemmes ud fra vinklen ved ligning (6.6) Figur 33. E-OTD Figur 34. Aktiv celle. Positionen angives til at være basestationens position. Fejlen ved denne metode vil derfor være mobilens faktiske afstand til basestationen Figur 35. Centroid. Mobilens position beregnes som gennemsnittet af alle punkter. P(x,y) = (( )/4,( )/4) = (16,15/2). Bemærk, at metoden ikke medtager signalstyrken Figur 36. CG algoritmen. Positionen vægtes med signalstyrken i forhold til alfa. Placeres altid inden for det konvekse hylster, som udgøres af basestationerne. Positionen findes ved at bruge ligning (7.4) og (7.5) Figur 37. EPM. Diameteren af hver cirkel bestemmes ved 2D-ellipse metoden. Linjestykkerne AB, AC og BC fås ved parvis at trække cirklerne fra hinanden parvis. Løsningen fås ved at finde skæringspunktet mellem to af linjerne. F. eks. mellem AC og AB Figur 38. Tilfælde hvor basestationerne ligger næsten ligger på linje. Her er den udregnede position lang fra basestationerne Figur 39. Metoder til positionsbestemmelse. Des længere ned i pyramiden jo større kompleksitet Figur 40. Oversigt over steder hvor der er opsamlet logs. De røde linjer marker ruterne. Der er data ved Osted til Kirke Hyllinge, omkring Roskilde. Fra Osted til Herfølge over landet og på motorvej gennem Lellinge. Fra Roskilde til Køge og I Roskilde by. På Holbæk motorvejen fra Gevninge til København over Amager. I København er der data fra indre centrum, langs søerne, ved Universitets Parken, Vesterbro, Nørrebro og fra Nordre Fasanvej til Valby. Desuden er der data fra København til DTU i Lyngby. Fra cellmap.dk Figur 41. Forsøgsudstyr. Fra venstre HTC S620, QTEK 8310, GPS, SONY GM29 modem og bærbar computer Figur 42. Alle resultater samlet. Tallene i parentes angiver om der er brugt hhv. gennemsnitsværdi eller nyeste måling for signalstyrken samt om BA-listen er brugt eller ej. Første tal angiver signalstyrken, 0 er nyeste og 1 er gennemsnittet over fem målinger. Andet tal er 0 hvis BAlisten ikke bruges og 1 hvis den bruges Figur 43. Resultater ved Rådhuspladsen og omegn. Tallene i parentes har samme betydning, som i figur

11 Figurer ix Figur 44. Resultater fra Roskilde by. Tallene i parentes har samme betydning, som i figur Figur 45. Resultater på landet ved Osted. Tallene i parentes har samme betydning, som i figur Figur 46. Tab af signalstyrke i byområde i forhold til afstand. Målt på HTC og Qtek telefoner Figur 47. Tab af signalstyrke i byområde i forhold til afstand. Filteret på vinkel og målt på HTC og Qtek telefoner Med mindre andet er angivet, så er figurerne af egen tilvirkning.

12 Tabel 1. Frekvensinddeling for hhv. GSM900 og DCS1800 [18] Tabel 2. Maksimalt effektforbrug fordelt på effektklasser [18] Tabel 3. Antal unikke masteplaceringer på Sjælland undtagen København, fordelt på operatører, januar Egen tilvirkning, baseret på [3] Tabel 4. Antal unikke masteplaceringer i København og Frederiksberg, fordelt på operatører, januar Egen tilvirkning, baseret på [3] Tabel 5. Gennemsnitlig maksimal afstand i meter til en sendemast på Sjælland undtagen København. Egen tilvirkning, baseret på [3] Tabel 6. Gennemsnitlig maksimal afstand i meter til en sendemast på i København. Egen tilvirkning, baseret på [3] Tabel 7. Oplysninger om basestationer for TDC Mobil Tabel 8. Gennemsnitlig afvigelse i byområde angivet i meter og standardafvigelsen i meter, er angivet for hver gruppe målinger Tabel 9. Gennemsnitlig afvigelse i landområde angivet i meter og standardafvigelsen i meter, er angivet for hver gruppe målinger Tabel 10. Måleresultater for alle områder samlet Tabel 11. Måleresultater for Rådhuspladsen og omegn i København Tabel 12. Måleresultater for Roskilde by Tabel 13. Måleresultater for landområde omkring Osted på midt Sjælland Tabel 14. Resultat for stillestående måling på Rådhuspladsen, København Tabel 15. Resultat for stillestående måling på Rådhuspladsen, København, to dage efter den første måling på Rådhuspladsen Tabel 16. Resultat for stillestående måling ved Børsgraven, København Tabel 17. Resultat for stillestående måling ved Sankt Annæ Gade, Christianshavn Tabel 18. Celler valgt ved måleserie 1 og 2 fra Rådhuspladsen Tabel 19. Signalstyrker målt stillestående indeni og udenfor bil Tabel 20. Gennemsnitlige afvigelser i afstand målt i og udenfor bil x

13 Tabeller xi

14

15 Dette speciale omhandler, hvordan positionsbestemmelse af mobiltelefoner kan ske ud fra signalstyrke; gratis og uden særlige services fra teleoperatøren. Formålet med specialet er, at: Afdække teoretiske muligheder for positionsbestemmelse af mobiltelefonen ud fra oplysninger, der er tilgængelige på mobiltelefonen, uden brug af særlige services fra teleoperatøren. Implementere en prototype til positionsbestemmelse og afprøve den i praksis på en mobiltelefon. Evaluere præcisionen for den opnåede positionsbestemmelse. I hele verden er der mere end 2 milliarder aktive mobiltelefoner og antallet stiger hvert minut med mere end 1000 telefoner [1]. Alene i Danmark er der i skrivende stund over 5,5 millioner mobilabonnenter [2]. Hvis positionsbestemmelse af mobiltelefoner kan ske ved udnyttelse af eksisterende teknologi og uden yderligere krav til hardware, er der derfor et stort potentiale for lokationsbaserede services (LBS) både i Danmark og i resten af verden. Information om telefonens geografiske placering vil give mulighed for en række nye services og forretningsområder, som er specielt tilpasset til der, hvor brugeren befinder sig. Et eksempel herpå er at kunne vise et kort over området, hvor brugeren befinder sig. De fleste har prøvet at komme til en storby og være i tvivl om hvilken vej man skal gå. Dette vil være oplagt at løse på denne måde, og så er der endda også mulighed for at vise turistattraktioner på kortet. Selv en nøjagtighed på 1-5 km vil være brugbar til mange formål. Herunder f.eks. nærmeste taxaselskab eller til orientering, hvis man vågner op i et tog. Positionsbestemmelse er ikke ny teknologi, idet det allerede er muligt med en GPS. Der er dog nogle problemer, der gør, at GPS ikke er så velegnet på mobiltelefoner. Først og fremmest virker en GPS udendørs. Den kan i nogle tilfælde godt virke indendørs, men det er vores erfaring, at det først kræver en fiksering med frit udsyn til satellitterne, hvilket kun sker udendørs. Dertil kommer, at en GPS stadig fylder forholdsvis meget og har et højt strømforbrug. Positionsbestemmelse i mobiltelefoner uden brug af GPS giver mulighed for mindre enheder, fordi der ikke kræves ekstra elektronik eller antenner til GPS-enheden. At udelade GPS sænker produktionsprisen, da systemet kun er afhængigt af software på mobiltelefonen og ikke yderligere hardware. En ekstern GPS koster pt. omkring 800 kr. Der findes i dag mobiltelefoner med indbygget GPS, som erfaringsmæssigt kun aktiveres, når der er brug for dem pga. nævnte begrænsninger med strømforbrug. Ved at udnytte de informationer, som en mobil alligevel skal indhente om sendenettet, kan positionsservicen hele tiden være aktiv. Indtil nu er brugere med behov for positionsbestemmelse primært henvist til at bruge GPS eller til services, der udbydes af operatørerne mod betaling. F. eks. er det i flere lande muligt at sende en SMS til mobilselskabet og få svar tilbage med en estimeret position. 1

16 2 Det ønskes at bestemme telefonens geografiske position baseret på oplysninger om sendenettet, som telefonen allerede har adgang til. Det vil frigøre positionsbestemmelsen fra, at teleoperatøren skal medvirke med særlige services. Positionsbestemmelsen skal ske fra en almindelig mobiltelefon. En mobiltelefon er designet til at kunne skifte i mellem sendemaster, uden at det påvirker brugen af telefonen. Det er kun muligt, hvis telefonen har oplysninger om den aktuelle sendemast og de omkringliggende sendemaster. Skiftet sker primært ud fra den modtagne signalstyrke, men også på baggrund af andre oplysninger om sendemasterne eller prioriteringer i netværket. s1 s2 s3 Mobiltelefon Sendemast Signalstyrke Figur 1. Estimering af position ved triangulering ud fra signalstyrke. Den modtagne signalstyrke på mobiletelefonen falder, når afstanden til sendemasten bliver større. Hvis dette forhold kendes, kan positionsbestemmelsen f.eks. ske ved triangulering, som vist på figur 1. På figuren ses telefonen og de tilsvarende modtagne signalstyrker s1, s2 og s3 fra hver sendemast. Der anvendes generelt en praktisk og eksperimenterende fremgangsmåde. Først ses på de teoretiske muligheder, og herefter på hvad der ud fra teorien bør være muligt i praksis. Til sidst fortages en evaluering af nøjagtigheden af positionsbestemmelsen. De teoretiske muligheder skal danne baggrund og fundamentet for den generelle forståelse af mobiltelefoni. Vi har på forhånd ikke noget særligt kendskab til området, og vi må derfor tilegne os viden på baggrund af 2+ GSM-standarderne og anden litteratur om emnet. Teoretiske muligheder kan ud over de tekniske beskrivelser være oplysninger, som kan hentes i offentlige databaser eller på anden vis. Den praktiske tilgang kræver mobiltelefoner, hvorpå der kan udvikles en prototype, som gør brug af oplysninger om mobilnettet. Vi har en forventning om, at det ikke vil være let at finde frem til egnede mobiltelefoner, og det er da heller ikke alle telefoner, som vi har mulighed for at afprøve. Derfor tages der udgangspunkt i udbredte telefonmodeller eller ved at se på andre projekter, der bruger tilsvarende oplysninger.

17 Kapitel 1. Introduktion 3 Først når der er opnået et overblik over hvilke oplysninger, der er adgang til på mobiltelefonerne, er det muligt at undersøge, hvilke metoder der kan benyttes til positionsbestemmelsen. Da fokus er at opnå erfaringer og i praksis at vise hvordan positionsbestemmelse kan ske, vil vi bruge eksisterende metoder til estimeringen af positionen. Det vil være væsentligt at se på, om de mere avancerede metoder opnår en bedre præcision frem for de mindre ressourcekrævende, som kan afvikles på et bredere udvalg af telefoner. For at kunne foretage en evaluering af nøjagtigheden for positionsbestemmelsen er det nødvendigt at lave statistik ud fra målinger fra prototypen. Omgivelserne og forholdene forventes at spille en rolle for den modtagne signalstyrke. UMTS nettet berøres kun overfladisk. Den overvejende vægt er lagt på 2+ generationen af GSM, som er tilgængelig stort set alle steder i Danmark og Europa. Dvs. der ses på GSM900 og DCS1800. De to systemer minder om hinanden, og nyere telefoner understøtter begge typer netværk. I USA og Canada benyttes GSM850 og GSM1900, som der ikke ses på her i specialet. En mobiltelefon har flest oplysninger til rådighed, når den er aktiv, som er tilfældet under samtale, udveksling af data ved GPRS eller EDGE. Der fokuseres på det andet tilfælde, hvor mobilen er inaktiv, da der vil være de største anvendelsesmuligheder her, idet telefonen er i inaktiv tilstand i størstedelen af tiden. Der introduceres til de dele af GSM-systemet, der forudsættes kendskab til, når der skal laves positionsbestemmelse ud fra signalstyrke. Der ses på arkitekturen, radiosystemet, mobiltelefonen med vægt på de oplysninger, som kan bruges til positionsbestemmelse uden særlige services fra teleoperatøren. GSM-standarderne er her væsentlige. Det undersøges, hvordan oplysningerne til positionsbestemmelse i praksis kan hentes ud på mobiltelefoner, som enten er baseret på Symbian eller Microsoft Windows Mobile (WM). Det lykkedes ikke med Symbian, men til gengæld lykkedes det ved reverse engineering på WM med to modeller fra HTC. Prototypen udvikles til mobiltelefonerne. Den viser positionsbestemmelsen i praksis og giver mulighed for at lave empiriske målinger. Prototypen viser også en simpel anvendelsesmulighed af positionsbestemmelsen, hvor telefonen kan bruges til at vise andre brugeres geografiske position på et kort. Derudover redegøres for korrektheden af målingerne. I Danmark er der adgang til en række oplysninger i mastedatabasen [3] om mobilnetværkets opbygning og placeringer af sendemaster. Med udgangspunkt i disse oplysninger ses på hvilken præcision, som generelt kan forventes for alle teleoperatører. Derudover ses specifikt på oplysninger om TDC s netværk, som de venligst har oplyst til brug for dette speciale. Der ses på forskellige metoder til at bestemme afstanden ud fra den modtagne signalstyrke på mobiltelefonen. Det afprøves i praksis ud fra målinger med prototypen, og der ses på om sammenhængen findes. Der beskrives forskellige metoder, som kan estimere positionen ud fra de oplysninger, der er tilgængelige på telefonen. Der ses også på et par andre metoder, som er mere avancerede og i realiteten ikke kan

18 4 opfylde vores behov, da de er afhængige af teleoperatøren, hvilket vil bryde med kravet om, at løsningen skal være gratis. På baggrund af de empiriske målinger evalueres præcisionen, der opnås med prototypen. Det giver en unik mulighed for at undersøge nøjagtigheden ved sammenligning med GPS-målinger og sendemasternes placeringer. Specialerapporten giver en evaluering og overblik over mulighederne for positionsbestemmelse på Sjælland; i København, Roskilde og i et landområde. Evalueringen bygger på praktiske erfaringer, der er opnået med en virkende prototype. Som værktøj til at få overblik over de indsamlede målinger og de estimerede positioner udvikles en mindre portal, kaldet cellmap.dk. Fra portalen er det muligt at få illustreret sendemasternes position grafisk samt visuelt at fremvise de beregnede positioner i forhold til de målte positioner med GPS. Derudover giver portalen mulighed for at lave statistik på udvalgte områder. På portalen kan der ligesom på mobilen vises et kort over brugere af prototypen. Ved afprøvning af prototypen fås en præcision i 67 % af tilfældene på 295 m i København, 698 m i Roskilde og 1549 m i landområder. Denne præcision opnås på to mobiltelefoner af mærket HTC, som prototypen på nuværende tidspunkt er implementeret på. Ved kun at bruge information fra en enkelt sendemast, kan der kan opnås en præcision i 67 % af tilfældene på mindst 427 m i København, 1149 m i Roskilde og 1625 m i landområder. Hvis den mindre præcision er acceptabel, giver det mulighed for hurtigere at implementere positionsbestemmelse på andre fabrikater og modeller af mobiltelefoner, da det bl.a. kræver færre oplysninger, regnekraft og lagerplads. Ved at bruge informationer fra telefonens BA-liste er det muligt at medtage flere sendermaster i beregningen. Nabolisten indeholder op til syv sendemaster, og BA-listen har mulighed for at indeholde information for helt op til 32 sendemaster. I praksis dog i gennemsnit 13 for målinger i dette speciale. Ved brug af nabolisten fås et godt resultat, og der ses faktisk ved brug af BA-listen, at præcisionen bliver lidt mindre i gennemsnit. Variansen falder samtidig, så afvigelsen er mere konstant. Mobiltelefonen måler ifølge GSM-standarden signalstyrken som et gennemsnit af fem målinger over en periode på ca. fem sekunder. Der er ikke konstateret nogen forbedring ved alene at benytte den nyeste måling frem for gennemsnittet. Det er muligt med rimelig nøjagtighed at bestemme mobiltelefonens position ud fra oplysninger, som kan hentes ud på telefonerne og er beskrevet i GSM-standarden. Forudsætningen er, at sendemasternes placeringer kendes og mobilproducenterne gør oplysningerne om cellerne og signalstyrkerne tilgængelige for brugerne. Det primære bidrag i specialet er en virkende prototype på telefoner og en evaluering af nøjagtigheden af positionsbestemmelsen i praksis. Prototypen virker på nuværende tidspunkt på to modeller fra HTC og er i stand til at vise den estimerede position på Sjælland. Det er muligt at skifte mellem flere estimeringsmetoder til positionsbestemmelse, der kræver at en større eller mindre grad af informationer er tilgængelige på telefonen.

19 Kapitel 1. Introduktion 5 Specialet har også set på tætheden af basestationer i TDC s mobilnetværk på Sjælland. Informationerne sammenholdes med nøjagtigheden, der er opnået i evalueringen af estimeringsmetoderne. Det har givet grundlag for at se på metodernes styrker og svagheder. Til evalueringen er der udviklet en web-portal, der bl.a. giver mulighed for at se på basestationer og indsamlet måledata. Som eksempel på en anvendelsesmulighed kan prototypen og portalen vise et kort, hvor den aktuelle position for alle brugere af prototypen er indtegnet. På ITU har man de seneste år forsket i positionsbestemmelse vha. WIFI og Bluetooth. Til at bestemme positionen bliver der brugt et proporitært system ved navn Ekchau [4]. ITU oplyser, at de kun i begrænset omfang har beskæftiget sig med positionering af mobiler. Dog har de på forsøgsbasis haft adgang til en positionsservice fra TDC. Placelab.org er et open source projekt, der beskæftiger sig med positionering ud fra trådløse adgangspunkter, mobilmaster og Bluetooth enheder. Deres vinkel er anderledes, idet udgangspunktet er positionering af computere og ikke kun mobiltelefoner. Projektet er primært et samarbejde mellem flere universiteter i USA og hardwareproducenten Intel. Projektet er godt dokumenteret, og der er udgivet flere videnskabelige artikler og undersøgelser, som beskriver metoder til positionering [5]. Placelab har ved et lille forsøg med GSM-positionering opnået en præcision på 5 m indendørs og 75 m udendørs [6]. Fra Placelab er der udsprunget et nyt projekt, hvor Intel igen medvirker. Projektet betegnes Pols og arbejder med positionsbestemmelse af mobiltelefoner direkte på Microsoft Windows Mobile [7]. Pols baserer sig primært på GSM-signalstyrker, men er også begyndt at bruge trådløse netværk. Placelab og Pols har ikke netværksspecifik information om, hvor mobilmasterne befinder sig. Det betyder, at positioneringen alene kan bygge på genkendelse af signalstyrker ved en fingeraftryksmetode. Den kræver betydelig lagerplads og computerressourcer. Der er endvidere brug for en omfattende dataopsamling før, at positionsbestemmelsen virker. Resultaterne er ikke helt så optimistiske som for Placelab, idet der i området omkring Seattle i USA i 90 % af tilfældene opnås en præcision på under 291 m i centrum og 552 m i forstæderne [8]. En forskningsgruppe på Hong Kong Baptist Universitet har afprøvet forskellige metoder til positionsbestemmelse af mobiltelefoner ud fra signalstyrke. De opnår en præcision på 285 m i gennemsnit ved afprøvning på Nokia mobiltelefoner i Hong Kong [9] [10] [11] [12]. Der angives ikke direkte, hvilke oplysninger, som der er adgang til om sendenettet, men alle metoderne forudsætter oplysninger om basestationernes placeringer. GSM-standarderne definerer allerede flere metoder til positionsbestemmelse, som baserer sig på måling af tid [13]. E-OTD metoden kræver understøttelse af både mobilnetværk og telefon. I Danmark understøttes E- OTD ifølge vores oplysninger ikke af noget netværk. Understøttelse af E-OTD vil kræve betydelige investeringer i udbygning af netværket, og mange brugere skal samtidig udskifte deres telefon for at kunne benytte E-OTD. E-OTD kræver medvirken fra operatøren ved hver enkelt positionsbestemmelse. En løsning, der bygger på E-OTD, vil derfor ikke være uafhængig af operatøren. Derfor er det relevant at se på andre uafhængige metoder, der ikke kræver ændringer af netværk eller telefoner.

20 6 Endelig har IT- og Telestyrelsen i forbindelse med EU-krav om stedbestemmelse af mobiltelefoner ved alarmopkald udarbejdet en rapport med anbefalinger til, hvordan det kan implementeres i Danmark. Fokus er her, at telefonselskabet og dermed alarmcentralen skal kende positionen, hvorimod der i dette speciale ses på, at abonnenten skal kende sin position. Anbefalingen er at benytte celleid til positionsbestemmelsen, dvs. benytte oplysninger fra den sendemast, som telefon er forbundet til [14]. Det er en fordel, at have en datalogisk baggrund for at få det fulde udbytte af dette speciale. Der kræves ingen forudsætninger mht. kendskab til mobiltelefoni, da der gives en introduktion til emnet i de indledende kapitler. Det forventes dog, at brugeren har normalt kendskab til brugen af mobiltelefoner. I kapitel 2 introduceres GSM-systemet. En grundlæggende viden om GSM-systemet og dets opbygning er en fordel for at forstå hvilke informationer, der teoretisk er tilgængelige på telefonen. Her gennemgås opbygningen og designet af GSM-systemet set i forhold til positionsbestemmelse af mobiltelefoner i GSMsystemet. I kapitel 3 ses på positionsbestemmelse i praksis. Forskellige telefoners operativsystemer gennemgås med henblik på at finde en eller flere telefoner, der giver de bedste muligheder for udvikling af en prototype. Informationerne om netværket, som telefonen skal have for at kunne fungere på GSM-nettet, er ikke umiddelbart tilgængelige. Der ses på, om det er muligt at få informationerne gjort tilgængelig på telefonen. Da der anvendes en eksperimenterende fremgangsmåde beskrives vejen og de blindgyder, som vi er stødt ind i undervejs i vores søgen efter egnede telefoner. I kapitel 4 gennemgås prototypen. Der ses på, hvordan data bedst indsamles og hvordan det lagres på en optimal måde til videre efterbehandling. Estimeringen kan enten foregå direkte på mobiltelefonen, eller det kan ske centralt. Der ses på fordele og ulemper herved, og der beskrives forskellige metoder til visning af kort og de tilhørende koordinatsystemer. Da prototypen er baseret på reverse engineering, ses der til sidst i kapitlet på korrektheden af målingerne, når de bliver foretaget på telefonen. I kapitel 5 tages udgangspunkt i oplysninger om basestationerne. Oplysningerne er afgørende for hvilke metoder, der kan anvendes til positionsbestemmelse. Oplysningerne om netværket giver også udgangspunkt for at se på den præcision, der kan forventes i praksis, når positionsbestemmelsen finder sted. Samtidig er det en mulighed for at lave en inddeling i områder, alt efter hvor udbygget netværket er i forskellige områder. Kapitel 6 omhandler signalstyrker og radiosignalers udbredelse. Beskrivelsen sker med baggrund i mobiltelefoni og bruges som grundlag for mange af metoderne til positionsbestemmelse. Forskellige antennetyper beskrives kort, og der ses på, hvordan signalstyrken afhænger af afstanden teoretisk og i praksis. Enkelte modeller for signaludbredelse beskrives, og den opnåede nøjagtighed evalueres. Kapitel 7 beskriver metoder til positionsbestemmelse. Metoderne inddeles efter type og gennemgås herefter. Der ses kort på en fingeraftryksmetode og på et par netværksafhængige metoder. Derefter ses på netværksuafhængige metoder, som senere skal afprøves i praksis. Nogle af metoderne bruger slet ikke signalstyrke som parameter, mens andre forsøger at estimere positionen ud fra en modellering af signaludbredelse.

21 Kapitel 1. Introduktion 7 I kapital 8 beskrives, hvordan data til evalueringen indsamles. Det beskrives, hvordan evaluering foretages og hvilke usikkerheder der opstår i forbindelse med dette. Efterfølgende beregnes præcisionen for de netværksuafhængige metoder til positionsbestemmelse, og årsagerne til resultaterne diskuteres. Nøjagtigheden af metoderne skal ses i forhold til basestationstætheden, som er beskrevet i kapitel 5. I kapital 9 opsummeres de væsentligste konklusioner og der bliver foreslået mulige emner til videre forskning inden for positionsbestemmelse af mobiltelefoner ud fra signalstyrke.

22 8

23 Teknologien, der gør mobiltelefoni mulig, betegnes Globalt System for Mobilkommunikation (GSM). Det er en åben standard for mobilteknologi til trådløst at overføre tale og data. GSM er inden for få år vokset eksplosivt og er i dag verdensomspændende [1]. GSM er et 2. generationssystem, som fra starten er baseret på digital teknologi. Udviklingen af GSM sker i faser, og fra 1988 er det European Telecommunications Standards Institute (ETSI) [15], der står for udvikling og udgivelsen af standarderne i Europa. I dette kapitel gives en introduktion til GSM. Herunder de centrale dele, som netværket består af og hvordan de hænger sammen. Radiosystemet, som er grundkernen i systemet mellem mobiltelefon og netværket, gennemgås med vægt på den information, der kan bruges til positionering. Der ses på hvordan en mobiltelefon fungerer, og der introduceres til centrale begreber, som bruges i resten af specialet. I vid udstrækning benyttes danske oversættelser, men med de engelske forkortelser i GSM-standarderne. Det gør, at forskellige begreber ikke sammenblandes, og der er konsensus om betydningen. For en yderligere beskrivelse af GSM henvises til [15] [16] [17]. Det er hensigten, at læseren i dette kapitel bliver udstyret med en generel viden om GSM-systemet, herunder hvordan systemet er opbygget, og hvordan en mobiltelefon fungerer. GSM-systemet inddeles i tre undersystemer, som er hhv. basestationssystemet (BSS), netværksomstillingssystemet (NSS) og fastnettet (PSTN). Mobiltelefonen hører under basestationssystemet. Figur 2 viser en oversigt over de væsentligste elementer i de tre undersystemer. Basestationssystemet (BSS) Netværksomstillingssystemet (NSS) Fastnettet (PSTN) BSC HLR VLR AUC MSC PSTN BSC OMC Mobiltelefon Sendemast med BTS Trådløs forbindelse Fastnettelefon Funktionsenhed Fast forbindelse Adskiller Figur 2. Oversigt over de væsentligste elementer i de tre undersystemer. Basestationssystemet, netværksomstillingssystemet og fastnettet. Frit efter [17]. Basestationssystemet består af flere basestationskontrollere (BSC), hvortil der er tilknyttet op til flere hundrede basestationer. En basestation består af en antenne, dvs. en sender og en modtager og af en 9

24 10 forbindelse til en BSC. En basestation er typisk placeret på en sendemast. På en sendemast kan der være flere basestationer, som hver servicerer netop en celle. Det er normalt sådan, at der på sendemasten for hver type net er placeret tre basestationer, hvor hver antenne peger i forskellig retning. Dvs. tre basestationer for GSM900 og tre andre for DCS1800. Hver basestation er forbundet til en BSC, som forbinder basestationerne til et mobilt omstillingscenter (MSC). MSC sender trafikken videre enten mellem eksterne netværk eller internt imellem BSC. MSC sørger endvidere for at opsamle forbrug, som skal danne baggrund for en efterfølgende fakturering. Netværksomstillingssystemet indeholder tre databaser: 1) HLR, som er et register over brugere, som hører til operatøren af netværket. 2) VLR, som er en database, der indeholder oplysninger om brugere, der besøger et netværk, hvor de ikke er kunder i forvejen. Dette kaldes for roaming. 3) AUC indeholder et valgfrit register over stjålent udstyr, eller over udstyr som ikke kan indgå i en af de to andre databaser. En mobiltelefon kommunikerer trådløst med en basestation og indeholder en antenne, som kan sende og modtage signaler. SIM-kortet er et smart card og indeholder oplysninger om operatøren, telefonnummer og krypteringsnøgler m.m. En mobiltelefon kaldes i fagsprog for en terminal. GSM er et celleopdelt netværk, hvor hver celle er et geografisk område, som netop en basestation dækker. En mobil er tilknyttet netop en celle, men vil skifte til andre celler efterhånden, som mobiltelefonen kommer i nærheden af andre celler, som er tættere på. Den celle, som mobiltelefonen er tilknyttet, kaldes for den aktive celle. For fuld dækning kræves der overlap i mellem cellerne. 1,414 d d 1,414 d d d d d d d d 1,414 d d 1,414 d d Figur 3. Til venstre inddeling i kvadrater (a) og til højre inddeling i heksagoner (b). Bevirker at alle celler er lige langt fra hinanden. Frit efter [16]. Den optimale fordeling af cellerne er i heksagoner, som ses på figur 3 (b). Herved har hver celle seks omkringliggende celler, som er placeret lige langt fra hinanden. Dette i modsætning til inddeling i kvadrater (a), hvor der er forskellig afstand mellem cellerne. Når afstanden er ens, er det nemmere at afgøre om en celle er tættere på og derfor er bedre egnet. I praksis er man dog ofte nødt til at afvige fra denne model, pga. variation af terrænet, placeringsmuligheder for basestationer og signaludbredelsen [16]. Modellen er dog velegnet til at forklare de forskellige koncepter i GSM og bruges derfor i det efterfølgende. Mellem de forskellige dele i GSM er der defineret interfaces, som kommunikationen skal gå igennem. Dette for at implementeringen af hver del kan ske uafhængigt af hinanden. I radiosystemet foregår kommunikationen trådløst mellem mobiltelefonen og basestation. Der ses ikke på andre interfaces, hvis det

25 Kapitel 2. GSM-systemet 11 ikke har direkte relevans for positionsbestemmelsen. Der lægges nu hårdt ud med en teknisk beskrivelse af, hvordan radiosystemet er opbygget. Det er nødvendigt, da flere af begreberne anvendes i de efterfølgende kapitler. GSM består af GSM900 og DCS1800, der begge er navngivet efter det frekvensområde, som systemerne opererer på. De to frekvensområder er vist i tabel 1. Uplink er fra mobil til basestation og downlink den anden vej fra basestation til mobiltelefon. Huskereglen er, at det ses fra mobiltelefonen. Uplink Downlink GSM MHz MHz DCS MHz MHz Tabel 1. Frekvensinddeling for hhv. GSM900 og DCS1800 [18]. Frekvensspektrene opdeles i kanaler med 200 khz mellemrum. For GSM900 svarer dette til 124 kanaler og for DCS1800 til 374 kanaler, da frekvenserne i starten af frekvensbåndet ikke benyttes. En kanal består af en nedre og en øvre frekvens. Den nedre er til uplink, og den øvre er til downlink kommunikation. Frekvenserne for kanalerne udregnes på følgende vis [18]: F nedre = 890 MHz + 0,2 n F øvre = F nedre + 45 MHz, hvor 1 n 124 (2.1) F nedre = 1710 MHz + 0,2 (n 512) F øvre = F nedre + 95 MHz, hvor 512 n 885 (2.2) Ligning (2.1) er for GSM900 og ligning (2.2) er for DCS1800. Hvor n er kanalnummeret. Kanalerne er således frekvensadskilte og er dupleks, da der både er en frekvens til uplink og en til downlink (FDD). En kanal betegnes i GSM-standarden som det absolutte radio frekvensnummer (ARFCN). Fra kanalnummeret kan det således udledes, hvilket system der er tale om. Kanal er således GSM900, og kanal er DCS1800 kanaler. Der findes tre primære teknikker til udnyttelse af den båndbredde, der er til rådighed: FDMA, CDMA og TDMA [17 s. 448]. FDMA er den ældste, hvor frekvensspekteret opdeles i et antal kanaler jvf. ovenstående. En kanal tildeles eksklusivt til en bruger og kanalen kan ikke deles med andre. Dette gør, at de frekvenserne ikke udnyttes optimalt og derfor er kapaciteten lavere. Dvs. antallet af brugere, der kan benytte systemet er mindre. CDMA bruges primært i 3G, men også i nogle 2G systemer uden for Europa, herunder Japan, Australien og USA. Alle brugere i et CDMA-system kan på samme tid bruge alle bærefrekvenser, hvor et kodeord bruges til at afkode den relevante information hos modtageren. Der er ikke samme begrænsning, som ved FDMA, men til gengæld er det mere kompleks. Der vil blive set yderligere på CDMA. TDMA er den teknik, der bruges i GSM900 og DCS1800. Der bruges for det første FDMA til at inddele frekvensspekteret i kanaler. Disse kanaler inddeles igen i otte logiske kanaler, som hver har deres tidsslot. På figur 4 ses, hvorledes otte tidsslot udgør en TDMA frame, 26 frames udgør en multiframe, 51 multiframes udgør en superframe og endelig udgør 2048 superframes en hyperframe (ikke vist) med en

26 12 varighed på 3 timer og 29 minutter. En hyperframe er vigtigt i GSM, da framenummeret indgår i algoritmerne til kryptering og derfor er afhængig af et stort antal framenumre. I næste afsnit ses på en kontrolmultiframe, der udgør 51 frames og har en varighed på 235 ms. Superframe 6,12 s 51 multiframes Multiframe 120 ms 26 frames Frame 4,615 ms tidsslot Tidsslot 576,92 μs ,25 156,25 bits Guard Trail Encrypted bits Stealing bit Training sequence Stealing bit Encrypted bits Tail Figur 4. TDMA. Frit efter [17] [16] På laveste niveau findes tidsslottet, som også kaldes for en burst periode. Varigheden er 15/26 ms med en bitrate på 270,883 kbps, så hvert tidsslot har en længde på 156,25 bits. Trail bits bruges til synkronisering af mobiler, som har forskellig afstand til basestationen. Data er krypteret og placeret i to 57 bits felter. Stealing bit indikerer, om datablokken er stjålet til brug for vigtige kontrolsignaler. Training sequence bruges til parametre for adaptation af radio propagation og endelig er guard bits for at undgå, at tidsslot overlapper. Der findes grundlæggende to typer kanaler, som enten betegnes trafik- eller kontrolkanaler. Trafikkanaler bærer digitalt kodet data til tale eller datatrafik, mens kontrolkanaler bl.a. bruges til at udveksle information til opsætning, synkronisering og vedligeholdelse af opkald, samt når der skal oprettes forbindelse til en basestation. Trafikkanaler er ens opbygget i både uplink og downlink kanalerne, mens nogle kontrolkanaler kun bruger enten uplink eller downlink [17]. Selve krypteringen af tale og data er ikke så interessant for positionsbestemmelsen og derfor ikke noget der ses så meget på her. Kort fortalt sker modellering af signaler i GSM ved GMSK. Det er en speciel metode, som er i familie med minimum phase-shift keying (MSK). MSK bruger for stort et frekvensområde og derfor er GSMK valgt. GMSK virker med to frekvenser og der kan nemt skiftes i mellem de to. Fordelene ved GSMK er, at der den ikke indeholder amplitudemodellering, og at den krævede båndbredde er 200 khz, hvilket er acceptabelt i GSM-standarderne [19]. Se evt. [17] for en beskrivelse heraf. Kontrolkanaler er vigtige i forhold til positionsbestemmelse, da det er her, der udveksles informationer om systemet og derfor kan fortælle noget om, hvilke celler telefonen er tilknyttet og hvilke celler der findes i nærheden.

27 Kapitel 2. GSM-systemet 13 Der findes tre forskellige typer kontrolkanaler. Broadcast kanaler (BCH), almindelige kontrolkanaler (CCCH) og dedikerede kontrolkanaler (DCCH). Hver kontrolkanal består af flere logiske kanaler, som er distribueret i tid for at understøtte de nødvendige kontrolfunktioner i GSM [17]. BCH og CCCH er kun implementeret for bestemte kanaler og på en meget specifik måde, idet BCH og CCCH data kun er indeholdt i første tidsslot i hver TDMA frame. De øvrige tidsslot kan frit benyttes til anden trafik. Informationen sendes kun på downlink kanalerne i en 51 frame cyklus, som kaldes for en kontrolkanal multiframe (se figur 5). Man kan altså sige, at informationen sendes ud til flere telefoner samtidigt ved broadcast. GSM-standarden definer i alt 34 dedikerede kanaler som standard broadcast kontrolkanaler [17]. f s b b b b c c c c f s c c c c c c c c f s c c c c c c c c f s c c c c c c c c f s c c c c c c c c i f = FCCH s = SCH b = BCCH c = CCCH i = IDLE Figur 5. Kontrolkanal multiframe [20]. Der er tre forskellige broadcast kanaler. Broadcast kontrolkanal (BCCH), frekvens korrektionskanal (FCCH) og synkroniseringskanal (SCH). BCCH er en downlink kontrolkanal og bruges til at sende information såsom netværksidentitet samt detaljer om den aktive celle (celleid mm.). Via BCCH udsendes ligeledes en liste af kanaler, som er i brug i omkringliggende celler. Denne liste betegnes broadcast allokerings liste BA(BCCH) eller BA-listen. Fire ud af de 51 frames i kontrolkanalmultiframen indeholder BCCH data. Dvs. mobiltelefonen har mulighed for at afkode systeminformation for hvert 235 ms, som de 51 frames varer. FCCH er et specielt burst, der sendes i det første tidsslot og for hver tiende frame i en kontrol multiframe. FCCH gør det muligt for mobilen at synkronisere dens interne frekvens standard til basestationen. Dette er nødvendigt, fordi de ikke har samme opfattelse af tid. SCH bliver sendt i tidsslot 1 lige efter FCCH og for hvert efterfølgende tiende frame også til brug for synkronisering med bastestationen. Der sendes et framenummer sammen med en kode på basestationen. Derudover sendes også anden synkroniseringsinformation. Til almindelige kontrolkanaler (CCCH) hører tre kanaler. Paging kanaler (PCCH), random access kanaler (RACH) og access grant kontrolkanaler (AGCH). PCCH sender signal fra basestationen til mobilen om indgående opkald. PCCH sender også celleinformation i form af ASCII-tekst. RACH bruges af mobiltelefonerne til at svare på paging signaler, dvs. acceptere eller afvise et opkald. Derudover bruges denne kanal også af mobiltelefonerne til at initiere et opkald. AGCH bruges af basestationen til at give downlink information om opsætning af et opkald til mobiltelefonen, dvs. hvilken kanal der skal bruges og hvilket tidsslot der skal anvendes. Der findes tre forskellige typer dedikerede kontrolkanaler. Dedikerede kontrolkanaler bruges, når telefonen er i aktiv tilstand. Til forskel fra de øvrige kontrolkanaler bruger DCCH både downlink- og uplinkfrekvenserne. Stand-alone dedikerede kontrolkanaler (SDCCH) bruges umiddelbart før en trafikkanal bliver tildelt til en mobiltelefon. Den bruges til at sikre, at mobiltelefon opretholder forbindelse til basestationen efter, at et opkald accepteres. Langsom associeret dedikeret kontrolkanaler (SACCH) er altid

28 14 tilknyttet en trafikkanal og bruges bl.a. til at justere effektstyrken. Herfra fås BA(SACCH), som indeholder en liste af BCCH kanaler, som skal bruges til skift til celler i aktiv tilstand. Hurtig associeret dedikeret kontrolkanaler (FACCH) kan sjæle tidsslot fra andre kanaler, ved at sætte en speciel stealing bit (se figur 4), som indikerer, at tidsslottet er stålet. En anvendelse er, hvis information har brug for at nå hurtigt frem og ikke kan vente på et ledigt tidsslot. Det kan f. eks. være, hvis signalet falder hurtigt og mobiltelefonen har brug for hurtig at skifte til en anden celle inden signalet mistes helt. FACCH kan indeholde samme information som i SDCCH. BCCH og SACCH er særlig interessant for positionsbestemmelsen. På disse kanaler sendes oplysninger om de omkringliggende basestationer i form af BA-listen på kanaler for basestationer i nærheden. Forudsat, at basestationernes placering er kendt, er det netop de oplysninger, som er nødvendige for at kunne foretage en positionsbestemmelse. Det ud fra signalstyrkerne, som modtages fra de omkringliggende cellers basestationer. Den målte signalstyrke afhænger af rækkevidden af antennerne på basestationerne og mobilerne, hvilket der ses nærmere på i afsnit I afsnit følges der op på, hvordan de enkelte celler kan identificeres. Der ses kun kort på disse kanaler, da telefonen kun bruger trafikkanaler, når den er under samtale og derfor vil være afhængig af en konstant forbindelse for at kunne fungere til positionsbestemmelse. Trafikkanaler kan enten være full-rate eller half-rate. Ved full-rate er data indeholdt i et tidsslot og ved halfrate vil to brugere dele samme tidsslot. Trafikkanaler til tale bruger en multiframe = 26 TDMA. Det første tidsslot er for nogle TDMA frames reserveret til systeminformation og kan derfor ikke indeholde andet data. Trafikdata brydes for hvert 13 tidsslot af enten en langsom associeret kontrolkanal (SACCH) eller af en inaktiv frame. Fra SACCH fås BA-listen og positionsbestemmelse i aktiv tilstand vil derfor også virke på tilsvarende vis som ved inaktiv tilstand. Dog er der forskel på BA-listen, som har betydning for valg af nye celler. Skift imellem celler dikteres i aktiv tilstand af basestationerne samt i nogle tilfælde MSC, hvor celleskift i inaktiv tilstand primært afgøres på mobiltelefonen uden netværkets indblanding. Det ses der nærmere på i afsnit I afsnit ses på TA, som er en værdi, der bruges af telefonen til at bestemme afstanden til basestationen, som telefonen er forbundet til i øjeblikket. Mobiltelefonen og basestationen tilpasser transmissionseffekten, således at der ikke sendes med mere effekt end nødvendigt. Dette for at undgå interferens, der påvirker andre telefoner eller basestationer i nærheden og for at mindske batteriforbruget på mobiltelefonen. Interferens kan opstå pga. genbrug af frekvenser i omkringliggende celler. Det er nødvendigt, fordi der kun er et begrænset antal frekvenser til rådighed. I Danmark administreres frekvenser af IT- og Telestyrelsen. Hvis signalstyrken på en mobil skal bruges som et mål for afstanden til basestationen, skal den anvendte transmissionseffekt tages med i betragtning. Som set findes specielle kanaler, som altid sender med fuld effektstyrke. Effektstyrken er således konstant, men hvilken effekt der sendes med, afgøres udelukkende af operatøren og afhænger af cellernes organisering i forhold til hinanden. Betragt et celleopdelt system, hvor der i alt er S kanaler til rådighed. Hvis hver celle er tildelt en gruppe af k kanaler (k < S) og de S kanaler deles i N disjunkte kanalgrupper, så kan det totale antal kanaler udtrykkes

29 Kapitel 2. GSM-systemet 15 som S = kn. De N celler, der tilsammen bruger alle frekvenser til rådighed, kaldes for en klynge. Kapaciteten C af systemet kan så udtrykkes som antallet af gange M, som klyngen er replikeret. Dvs. C = MkN = MS [17]. Klyngestørrelser er typisk på 4, 7 eller 12. Hvis klyngestørrelsen formindskes, mens cellestørrelsen forbliver konstant, medfører det, at der skal flere klynger til at dække et givent område og giver en større kapacitet. Hvis det omvendte er tilfældet, vil en mindre klyngestørrelse betyde, at kanaler med samme frekvens i omkringliggende klynger, vil være meget tættere på og der vil opstå risiko for interferens [17]. I eksemplet med opdelingen i heksagoner vil en celle have tildelt 1/N kanaler. I praksis benyttes en dynamisk eller en statisk tildeling af kanaler til de enkelte celler en kombination, således at kapaciteten tilpasses behovet. Forøgelse af kapaciteten kan ske ved at 1) tilføje nye kanaler, 2) låne frekvenser fra naboceller, 3) opdeling af celler i mindre celler, 4) opdeling af celler i sektorer eller 5) tilføjelse af mikroceller [16]. En vigtig parameter for positionsbestemmelsen er cellernes radius. Denne bestemmes primært af transmissionseffekten, som er forskellig i de to systemer. Den afgørende faktor er den maksimale transmissionseffekt, som der må sendes med fra mobiltelefonerne, da denne bestemmer om signalet kan nå tilbage til basestationen. Effektklasse GSM900 DCS W 2 8 W 0,25 W 3 5 W 4 W 4 2 W 5 0,8 W Tabel 2. Maksimalt effektforbrug fordelt på effektklasser [18]. Tabel 2 viser en oversigt over de forskellige effektklasser. En håndholdt mobiltelefon må kun tilhøre effektklasse 4 eller 5 for GSM900 og for DCS eller 2 [21]. De øvrige klasser er forbeholdt fastmonterede telefoner i biler eller telefonbokse. GSM900 DCS1800 Trådløs forbindelse By i landområde GSM900 & DCS1800 Større by, f.eks. KBH Figur 6. Fordeling af sendemaster. GSM900 med en senderadius på 35 km er mest udbredt i landområdet. DCS1800, som har større kapacitet, kun 8 km senderadius og mest udbredt i byerne. Egen tilvirkning. Den mindre transmissionseffekt på DCS1800 betyder, at der er en maksimal rækkevidde på omkring 8 km, mens GSM900 har en større senderadius på op til 35 km. Til gengæld kan der mindst være tre gange så mange telefoner tilsluttet på samme tid på DCS1800 end på GSM900. Derfor er DCS1800 mest udbredt i

30 16 byerne og GSM900 er mest fremherskende i landområder, hvor befolkningstætheden er mindre. Dog kan GSM900 nemmere gennemtrænge bygninger og der vil derfor også være brug for dem i byerne. Situationen er vist på figur 6. Der må derfor forventes en mere præcis positionsbestemmelse i byområder, hvor koncentrationen af basestationer er større og afstanden til basestationerne er mindre end i landområderne. I landområderne er det selvfølgelig omvendt. Der skelnes primært mellem to typer celler: Makroceller eller mikroceller. Makroceller er mest udbredt og sender med en større effekt og har typisk en celleradius på 1 til 20 km, mens mikroceller kun har en celleradius på 0,1 til 1 km [22]. Der er en grænse for, hvor tæt en mobiltelefon kan være på en basestation. Ved GSM900 kan telefonerne ikke være tættere på end 1000 m, da signalet ellers kommer for hurtigt frem til basestationen [22]. Det er uklart om det samme gør sig gældende for DCS1800, men generelt gælder der, at minimum og maksimum afstandene til basestationen bestemmes af tiden og transmissionseffekten. Det er sandsynligt, at minimumsgrænserne kun er gældende, når telefonen er i aktiv tilstand. For at kunne finde positionerne er det vigtigt at kunne skelne celler med tilhørende basestation fra hinanden. En celle identificeres ud fra oplysninger om mobil landekode (MCC), operatørkode (MNC), områdekode (LAC) og et celleid (CI) [23]. Her illustreret med et eksempel: Danmark har landekode 238, operatørkode for TDC er 01. Områdekoden 831 og celleid 803 bestemmes af operatøren, mens de øvrige oplysninger er fastsat for hvert land og operatør. Det giver det globale celleid (GCI) for cellen: MMC-MNC- LAC-CI, dvs Som vist på figur 7 er der flere celler tilknyttet et område Områdekode A) Områdekode B) Figur 7. Nettets inddeling i celler og områder. Hver celle hører til et område. Cellerne med 1,3,4,8 hører til områdekode B) og 2,5,6,7,11 til områdekode A). Egen tilvirkning. Det er således en mere grovkornet inddeling af nettet end hvis også celleid medtages. For en anden operatør vil der for samme område tegne sig et lignende billede. Det betyder i praksis, at den enkelte celle er unik og kan skelnes hinanden i mellem. Set i forhold til positionsbestemmelse kan oplysninger om en enkelt celle bruges til at bestemmes positionen med en nøjagtighed, som afgøres af cellens radius. Dvs. 35 km og 8 km for de to typer net. Ønskes større præcision skal der bruges oplysninger fra flere celler og evt. kombineret med et mål, der angiver afstanden fra basestationerne. Dette mål er i vores tilfælde signalstyrken, målt på telefonen. En basestation identificeres ved en basestationsidkode (BSIC), som består af en netværksfarvekode (NCC) og en basestationsfarvekode (BCC). NCC og BCC er farvekoder, der bruges af mobiltelefonerne til at afgøre om en basestation må anvendes. NCC er, som navnet antyder, specifik for operatøren og netværkstypen. F. eks. vil Telia og TDC have forskellige NCC og TDC GSM900 vil have en anden farvekode end TDC s DCS1800 netværk. BCC bruges til at adskille basestationer fra samme operatør i samme område fra hinanden. BSIC værdier er derfor ikke unikke for hele netværket, men kun unikke indenfor små områder af netværket. BSIC

31 Kapitel 2. GSM-systemet 17 værdierne vil gentages i forskellige områder, fordi farvekoderne genbruges. TDC bruger netværksfarvekoderne et og fem. BSIC identificerer en basestation indenfor for et område og GCI identificerer celle unikt i hele GSMnetværket, endda på tværs af landegrænser. Disse værdier vil der blive brug for ved positionsbestemmelsen. I afsnit stiftede vi bekendtskab med cellebroadcast. Der ses nu nærmere på, hvordan informationen kan udnyttes til positionsbestemmelse. Celleinformation er beskeder, der sendes ud til flere brugere samtidigt i et bestemt geografisk område [24]. Operatørerne har således mulighed for at sende relevant information ud til brugere, som befinder sig i et bestemt område. Brugerne bestemmer selv hvilken type oplysninger, som de ønsker at modtage. Hvilke services, der kan abonneres på afhænger af operatøren. Abonneres på celleinfo (kanal 050) modtages en ASCII tekstbesked med celleinformation. Alt efter hvordan telefonen håndterer beskeden, så vises den enten i displayet eller modtages som en almindelig SMS. Celleinformationen er typisk den by eller gade, som basestationen dækker efterfulgt af en kode, f. eks. HOLMEN 6D. Ud fra denne tekst kan brugeren afgøre, hvor man befinder sig. Da teksten ofte er ganske kort og ikke angiver en unik placering, kan det være svært at sige præcis, hvor det er geografisk. F. eks. kan NØRREGADE 2G være i flere byer. Brugeren ved dog godt i situationen, om det er i København eller Århus. Kun operatøren kender den præcise betydning af celleinformationen. På TDC s net angiver de sidste to tegn retningen og typen af sendenettet. Retningen er et tal fra 1 til 8 svarende til N, NØ, Ø, SØ, S, SV, V og NV. Sidste tegn angiver typen af nettet. G for GSM900 eller D for DCS1800. I vores eksempel fra før kan der udledes fra celleinformationen: HOLMEN 6D, at senderen vender mod SV og mobiltelefonen er tilsluttet DCS1800 nettet. TDC oplyser dog, at det ikke er information, som de prioritere at opdatere og der ikke er garanti for, at oplysningerne er korrekte. Kendes placeringen af basestationerne og den tilhørende celleinformation, som der udsendes til hver celle, vil det være muligt direkte på mobiltelefonen at estimere positionen. Koordinaterne og anden relevant information for basestationerne kan evt. sendes med i celleinformationen. Estimatet vil dog ikke være præcist, idet det i givet fald kun vil ske på baggrund af en enkelt celle og da retningen angiver antennes retning og ikke mobiltelefonens retning i forhold til basestationen. Der kan endvidere være en forsinkelse, der betyder, at celleinformationen er forældet, idet der er skiftet til en anden celle og informationen fra den nye celle endnu ikke er modtaget. Celleinformation kan være et godt supplement, da det er mere sigende for mennesker end en længde og breddegrad alene. Cellebroadcast anses som en effektiv metode til alarmering af brugere i et bestemt område. P.t. understøttes der udelukkende celleinformation hos TDC og vi har ikke fået kendskab til, at cellebroadcast er implementeret som alarmeringsmetode i Danmark. I flere lande, herunder Danmark, findes der hjemmesider, hvor celleinformation er offentliggjort. Informationen er indsamlet af personer, der har som hobby at lokalisere basestationer og celleinformation. Se f. eks. [25].

32 18 En anden måde at foretage positionsbestemmelse på kan være at udnytte TA, som er tilgængelig på telefonen i aktiv tilstand. Afstanden kan estimeres ved at måle tiden, som signalet bruger på at bevæge sig mellem mobiltelefon og basestation. Positionen kan estimeres, når afstandene mellem flere basestationer og mobiltelefon kendes. I kapitel 6 ses, hvordan forholdet mellem afstand og signalstyrke er svært at modellere i praksis. Ved at måle tiden i stedet for signalstyrke fjernes nogle af usikkerhederne. Tiden, som signalet bruger på at tilbagelægge strækningen mellem mobil og basestation, påvirkes kun af afstanden og ikke af dæmpningsfaktorer, som f. eks. gennemtrængning af bygninger. TA kan ikke bruges i inaktiv tilstand, men beskrives alligevel her, da den vil være væsentligt i aktiv tilstand. En telefon må kun sende i sin tildelte tidsslot og derfor skal telefonen være synkroniseret med basestationen. En mobiltelefon kan ikke modtage og sende data på samme tid, fordi afsendelse af data overdøver det meget svagere indgående signal. Derfor sender telefonen altid tre tidsslot efter basestationens tidsslot. Dette er for at undgå, at mobiltelefonen både afsender og lytter efter signaler samtidig. Hvis det antages, at telefon A er tildelt tidsslot 1 og er langt væk fra basestationen. En anden telefon B er tildelt tidsslot 2 og er meget tæt på basestationen. I det tilfælde vil der, når begge signaler når frem til basestationen opstå et overlap mellem de to signaler. Signalet fra telefonen med tidsslot 1 er længere tid om at nå frem, da signalet pga. af den større afstand, skal bruge længere tid på at nå frem. Selvom signalerne bevæger sig med lysets hastighed, skal der stadig tages højde for afstanden til basestationen pga. af de meget små tidsslot. For at undgå overlap måler basestationen forsinkelsen på signalet og kan dermed instruere telefonen til at afsende sit signal lidt tidligere end det aktive tidsslot. Denne forsinkelse kaldes for TA og sendes til telefonen som en 6-bit værdi. Det giver 64 mulige TA-værdier. Ifølge GSM-standarden må telefonen maksimalt være 35 km fra en basestation, hvilket giver TA en præcision på ca. 550 m [26] [27]. TA beregnes af basestationen og måles ved at sammenligne tidsforskellen mellem uplink og downlink. Optimalt skal forskellen være præcis tre tidsslot ved en afstand på 0 meter mellem basestation og telefon. En yderligere forskel er et udtryk for tiden, der er brugt til udbredelse af signalet. Forskellen beregnes som et 6-bit tal, hvor en forøgelse på en svarer til en forøgelse i tid på 3.7 µs. Dette giver en maksimal TA på 64 x 3,7 µs, dvs. 233 µs. Dette svarer til en afstand på 35 km. Hvis der er behov for større dækningsområder end 35 km, er det muligt kun at bruge hvert andet tidsslot. Det giver større afvigelser ved modtagelse, da hvert tidsslot i brug efterfølges af et tomt tidsslot. Konsekvensen er en mindre udnyttelse af frekvensområdet, da hvert andet tidsslot ikke kan benyttes. Ved denne opbygning kan en enkelt basestation opnå et dækningsområde på 120 km i radius. Ved normalt brug vil basestationen kontinuerligt beregne TA og sende en opdateret værdi til telefonen to gange pr. sekund. Ved to opdateringer pr. sekund skal telefonen bevæge sig med over 225 m/s eller ca. 810 km/t for, at TA bliver ugyldig. TA sendes over SACCH til telefonen og kanalen er, som tidligere beskrevet altid tilknyttet en dedikeret trafikkanal, hvilket betyder, at SACCH og dermed også TA kun er aktiv under samtale. Dette er et problem, hvis der ønskes konstant positionering af telefonen, hvor der ikke skal afregnes løbende med telefonselskabet. Samtidig er GSM-nettet ikke designet til, at alle telefoner er i brug på samme tid. Da TA kun er gyldig for en aktiv telefon, beregnes den også kun for den aktive celle. TA kan derfor kun bruges til at estimere afstanden til én enkelt basestation af gangen. Først når telefonen skifter celle, kan TA

33 Kapitel 2. GSM-systemet 19 og dermed afstanden til den næste celle findes. Det er muligt for telefonen at gennemtvinge et celleskift for af den vej at finde TA for naboceller. De mange celleskift mellem kan være problematisk, idet nogle basestationer kan have dårlig forbindelse til telefonen eller være overbelastede. Derudover er der for GSMsystemet et ressourceforbrug forbundet med celleskift og der er derfor i forvejen gjort meget for at undgå unødige celleskift. I [28] foreslås at TA måles mod flere basestationer, men det beskrives ikke hvordan telefonen skal måle de forskellige TA værdier. Konklusionen er derfor, at TA på trods af dens lovende betegnelse og beskrivelse ikke er særlig anvendelig til positionsbestemmelse i praksis. TA alene vil derfor ikke være en god metode til positionsbestemmelse, men i kombination med andre oplysninger vil den dog i aktiv tilstand kunne bidrage med, hvor langt mobilen er fra den aktuelle basestation. Det giver kun mening at estimere en position, hvis også basestationens retning kendes. Da kan positionen angives i den retning ud fra TA. Dette afslutter gennemgangen af radiosystemet. En telefon er i inaktiv tilstand, når den er forbundet til netværket, men ikke har en dedikeret kanal tilknyttet. Hvordan en telefon skal opføre sig i inaktiv tilstand er beskrevet i GSM [29]. Omvendt er en telefon i aktiv tilstand, når den har en dedikeret kanal, som f. eks. er tilfældet under samtale. I foregående afsnit er radiosystemet og specielt kontrolkanalerne beskrevet i detaljer. Vi så her, hvordan der kan hentes information om naboceller fra BCCH eller SACCH, som videregives via den aktive celle. Mobiltelefon er den enhed, som vi har adgang til, og det er her oplysninger skal hentes til brug for positionering af mobiltelefonen. Det er særlig interessant at se på valg af celler og skift i mellem celler, da det er telefonens måde at håndtere celleskift på, der er afgørende for, hvordan der opnås kendskab til omkringliggende celler og basestationer. Vigtige parametre er her også signalstyrken samt strækningstabskriterierne, som der alle ses nærmere på i det følgende. Når en mobiltelefon tændes, forsøger den at kontakte en operatør. Det kan ske enten automatisk eller manuelt ud fra en indstilling, der er lagret på simkortet. Operatører i Danmark er f. eks. TDC, Sonofon eller Telia m.fl.. Mobiltelefonen leder efter en celle, som hører til den valgte operatør og begynder at lytte til cellens kontrolkanal (BCCH). En sådan celle kaldes en passende celle. Telefonen registrerer sig nu på netværket ved at kontakte en registrator for området, som mobilen er i. Hvis forbindelsen mistes til den aktive celle, vælges en anden mest passende celle til aktiv celle. Mobiltelefonen vælger en passende celle ved i aftagende orden at se på celler med den højeste signalstyrke. Hvis en celle tilhører den valgte operatør, foretages hvis nødvendigt en registrering. Celler kan have forskellige prioriteringer, hvor passende celler med lav prioritet kun vælges, hvis der ikke findes andre passende celler med normal prioritet. Der bruges strækningstabskriterierne C1 og C2, som der ses nærmere på i afsnit Telefonen er nu altid forbundet til en celle, således: 1) Mobiltelefonen kan hente systemoplysninger fra operatøren. Disse oplysninger fås bl.a. fra BCCH og er oplysninger såsom effektstyrke, der skal sendes med

34 20 på uplink kanalerne. 2) Mobiltelefonen kan foretage opkald eller foretage andre handlinger fra telefonen. Dette sker ved initialt at bruge kontrolkanalen fra den aktive celle til at kontakte operatøren. 3) Mobiltelefonen kan modtage opkald. Operatøren kan kontakte telefonen for at viderestille et opkald til telefonen. Operatøren kender området (LAC), som telefonen befinder sig i og kontakter telefonen ved at udsende paging beskeder til dette område. Mobiltelefonen lytter til disse beskeder og kan besvare opkaldet. Bemærk, at når beskeden sendes til hele området og ikke kun til den aktive celle, så er det for at undgå, at operatøren skal have tilstandsinformation om mobiltelefonen helt ned på celleniveau, men kun på område niveau. Herved undgås også at telefonen skal foretage registrering på ny, hver gang der skiftes mellem celler i samme område, og operatøren behøver kun at holde styr på, at telefonen er inden for et område. Når en mobiltelefon bevæger sig ind i en anden celle, så skiftes der automatisk til en ny kanal i den nye celle. Dette kaldes i inaktiv tilstand for cellegenvalg [29] og i aktiv tilstand for celleoverdragelse [30]. Skiftet skal ske uden, at brugeren mærker det, og telefonen skal hele tiden have forbindelse til netværket, således at mobilen f. eks. stadig kan modtage opkald, mens skiftet sker. Skift i mellem celler er en dyr operation og bør undgås, hvis telefonen er tilsluttet en celle med et acceptabelt signal. Der defineres således en minimum acceptabel værdi for signalstyrken P min og en værdi for, hvornår der skal skiftes til en anden celle P skift. Forskellen P = P skift P min må ikke være for stor eller for lille, da for stor forskel vil medføre mange unødige skift og for lille forskel vil medføre, at der ikke nås at skifte til en anden celle, før signalet bliver for svagt og forbindelsen mistes [17]. Da faldet i signalstyrken kan være midlertidigt og for at sikre at mobilen faktisk bevæger sig væk fra cellen, bruges et gennemsnit af minimum fem målte signalstyrker over 3-5 s [30]. Dette skal optimeres så unødige skift undgås, mens det sikres, at skift alligevel sker, inden signalet bliver for dårligt. Det afhænger af hastigheden, hvormed mobilen bevæger sig. Mobilen monitorerer signalstyrkerne for den aktuelle celle og celler i nærheden. Overskrides signalstyrken i en anden celle i et bestemt stykke tid, så skiftes til den nye celle. Det har den fordel, at basestationen ikke behøver at gemme information om tidligere signalstyrker og skiftet kan ske meget hurtigere, når mobiltelefonen er i inaktiv tilstand. En forudsætning for, at mobilen kan skifte fra en celle til en anden celler er, at der er kendskab til celler i nærheden. Der er to muligheder for, hvordan telefonen kan få kendskab til disse naboceller. Enten ved at gennemsøge samtlige radiofrekvenser for at finde omkringliggende celler, som for GSM900 er 34 kanaler. En anden og hurtigere metode er, at telefonen lytter til BCCH på den aktive celle og derved kan hente BAlisten, som er omtalt i afsnit Hvis mobiltelefonen ikke har en aktiv celle, er det nødvendigt at bruge første metode. Dette kan f. eks. være tilfældet, hvis telefonen efter en flyvetur tændes på en helt ny placering. BA-listen er en liste med information om frekvenser på op til 32 omkringliggende celler. Mobilen afkoder jævnligt systeminformation for hver kanal i BA-listen. Vigtigst er her at nævne BSIC, hvorfra mobiltelefonen ud fra netværksfarvekoden (NCC) kan afgøre om kanalen tilhører den valgte operatør og om cellen derfor må bruges. Det må dog betegnes som usandsynligt, at NCC er ugyldig, hvis BA-listen er modtaget via den aktive celle. Telefonen holder ud over den aktive celle ekstra øje med op til seks bedste celler i nærheden. Dette primært i forhold til signalstyrken og kvaliteten for kanalen. For disse celler afkodes ekstra informationer,

35 Kapitel 2. GSM-systemet 21 såsom celleid. Det er beskrevet, hvorledes telefonen skal sørge for at holde de vigtige systeminformation opdateret ved inden for bestemte tidsrum ved at kontrollere om oplysningerne er korrekte. Formålet med listen er, at der hurtigt kan skiftes til en bedre egnet celle, hvis den skulle blive tilgængelig. Når det er præcis seks celler er det er pga. den teoretiske opdeling af cellerne i heksagoner, som der ses på figur 3 (b). I princippet kunne alle kanaler fra BA-listen være med, men her skal man være opmærksom på, at de seks naboceller ikke behøver at være i BA-listen, og der kan være en begrænsning på hvor mange celler telefonen kan nå at afkode. Overdragelse til andre celler i aktiv tilstand sker ved en proces, der også kaldes for mobilassisteret celleskift. BA-listen fås nu fra SACCH, som er tilknyttet trafikkanalen på den aktive celle. På samme kanal rapporteres signalstyrkerne, kvaliteten og andre parametre til basestationen, som i samarbejde med MSC afgør, om der skal skiftes celle og til hvilken. I afgørelsen heraf indgår også den målte signalstyrke og kvalitet på uplinkkanalerne til basestationen. MSC kan dog vælge af helt andre årsager at tvinge telefonen til at skifte til en anden celle, f. eks. pga. overbelastning af den aktuelle celle. Den præcise strategi for celleoverdragelse afgøres af operatøren og kan derfor variere. Dette i modsætning til cellegenvalg, som altid sker ud fra fastsatte kriterier. Signalstyrken er en central del af positionsbestemmelsen. Her ses kort på, hvad det er for en størrelse, og hvordan den bruges. Signalstyrke angives i dbm, som er et udtryk for signalstyrken i decibel i forhold til 1 mw. Mere præcist kan dbm udtrykkes som x = 10 log 10 (P/(1 mw)). Omvendt kan den modtagne signalstyrke i watt findes ud fra formlen: P = 1 mw 10 (x/10) /1000. Ud fra definitionen af dbm, vil 0 dbm svare til en modtaget signalstyrke på én milliwatt, hvor 30 dbm svarer til et tusinde gange kraftigere signal på 1 watt og -30 dbm svarer til 0,001 mw. Typiske værdier ligger mellem -110 til -48 dbm, hvor den højeste værdi er udtryk for den bedste sendestyrke. Mobilerne kan vælge, at mappe signalstyrkerne til en værdi (RxLev) mellem 0-63, hvor 0 svarer til en signalstyrke på mindre end -110 dbm, 1 svarer til -109 dbm og 63 svarer til en signalstyrke, som er bedre end -48 dbm [30]. Signalstyrken kan også angives i RSSI og i dette tilfælde mappes værdierne en lille smule anderledes, idet 0 RSSI svarer til -113 dbm eller mindre, 1 RSSI svarer til -111 dbm, 2,3,...,30 svarer til -109,-108,,-53 dbm og 31 svarer til -51 dbm eller bedre. Værdien 99 indikerer, at RSSI er ugyldig eller ikke kan måles [31]. RSSI og RxLev forholder sig til hinanden således: RSSI = 2 RxLev 3 RSSI = RxLev +3 2 (2.3) Der tillades normalt en afvigelse på 4-6 dbm i den målte signalstyrke [30]. Afvigelserne kan være påvirkning ved temperatur eller telefonens kalibrering. Der kan derfor være forskel på, hvilken signalstyrke forskellige mobiltelefoner måler samme sted.

36 22 Når mobiltelefonen er aktiv måles signalets kvalitet. Kvaliteten angives i niveauer fra 0 til 7 svarende til 0,2;0,4;0,8; ;12,8 %. Des mindre værdi des bedre kvalitet. Kvaliteten angives kun for den aktive celle, når denne har en dedikeret kanal. Mere om signalstyrker i kapitel 6, hvor der bl.a. ses på signalet i forhold til afstand. Strækningstabskriterierne afhænger primært af signalstyrken. C1 er et udtryk for hvor meget stærkere det modtagne signal er i forhold til minimums krav for at tilgå den pågældende celle. Kravene er en kombination af information modtaget via BCCH og mobiltelefonens kapabilitet. Strækningskriteriet C1 er opfyldt, så længe C1 > 0. Falder denne værdi til under 0, eller overstiges værdien i en anden celle i en periode længere end fem sekunder, vil der ske cellegenvalg. C1 er defineret ved [29] [30]: C1 = S gns S min max (P max P, 0) (2.4) Hvor S gns er et gennemsnit af den aktuelle signalstyrke på mobiltelefonen. S min er den mindste tilladte signalstyrke, modtaget via BCCH. P max er den maksimale effekt, som mobilen må bruge indtil anden besked er modtaget. For DCS1800 lægges en yderligere effektforskydning til denne værdi (måske er det for at kompensere for den lavere effekt). P er den maksimale effekt, som telefonen er i stand til at sende med. Bemærk, at C1 er lig med signalstyrken, hvis S min = 0 og P max P < 0. C2 afhænger af C1 og giver mulighed for at prioritere nogle celler frem for andre, eller at forhindre inaktive mobiler i at bruge bestemte celler. Nogle celler bruges kun, hvis der ikke findes andre egnede celler i nærheden og derfor er det praktisk at kunne give et kriterium for, hvor meget bedre en celle skal være før, at der kan skiftes til den. En speciel parameter indikerer om C2 parametrene er tilgængelige, hvis ikke sættes C1 = C2. Der gælder, at C2 er defineret som [29] [30]: C2 = C1 + F F temp H(T straf T) for T straf C2 = C1 F for T straf = (2.5) Hvor H x = 0 for aktive celler. For ikke aktive celler: H x = 0 for x < 0 og H x = 1 for x 0. F er en forskydning, F temp er en midlertidig forskydning, som gælder for T straf T straf er en parameter, der kan bruges til at vende fortegnet for den midlertidige forskydning. Forskydningerne og T straf leveres af netværket. T er en timer, der startes fra 0 på det tidspunkt, hvor cellen placeres på listen over de seks bedste celler, på nær når celles vælges til aktiv celle. I dette tilfælde får den værdien 11111, som betyder udløbet. Sagt på en anden måde er C2 defineret på baggrund af C1, hvortil der lægges en positiv eller negativ forskydning og dertil igen en midlertidig forskydning. Den midlertidige forskydning gælder kun for en bestemt periode, regnet fra når cellen kommer på listen over de seks stærkeste. C1 og C2 er altså kriterier for hvor egnet en celle er til at blive aktiv celle. Dette i form af hvor meget stærkere signalet er og andre krav som skal være opfyldt. Herunder også parametre, som afgøres af operatøren med henblik på at prioritere bestemte celler frem for andre. I de fleste tilfælde fås, at C1 ligger tæt på signalstyrken. Set i dette lys kan strækningstabskriterierne ikke bruges direkte som et mål for

37 Kapitel 2. GSM-systemet 23 afstanden mellem basestation og mobiltelefon. Det er sandsynligt, at C1 og C2 vil have samme værdier på et givet sted, men det bør eftervises i praksis. C1 og C2 skal minimum opdateres for hvert femte sekund [30], men da skift til andre celler kan blive nødvendigt før denne tidsgrænse, skal telefonen også kunne håndtere dette. I praksis må man derfor kunne forvente, at C1 og C2 ikke altid er opdaterede og da værdierne afhænger af signalstyrken er der yderligere en lille forsinkelse her. I dette kapitel GSM-systemet introduceret. Herunder den generelle arkitektur, radiosystemet og hvordan en mobiltelefon fungerer. GSM-systemet består af tre undersystemer, hvor basestationssystemet (BSS) er det, som der er brug for at se på for at kunne foretage positionsbestemmelse på mobiltelefonerne. BSS indeholder mobilerne, basestationerne og basestationskontrollerne (BSC), som forbinder BSS med netværksomstillingssystemet (NSS) og fastnettet (PSTN). GSM er et celleopdelt netværk, hvor hver celle har netop en basestation (BTS) tilknyttet. Cellerne kan opfattes som organiseret i heksagoner, der skaber en bikubestruktur. Radiosystemet forbinder mobilerne med basestationerne og da GSM-systemet primært består af GSM900 og DCS1800 sker det hhv. i de tilhørende frekvensområder. Frekvenserne opdeles i kanaler og der er for det nyere DCS1800 net 374 kanaler imod kun 124 for GSM900. Til optimal udnyttelse af båndbredden bruges TDMA, som opdeler hver kanal i otte tidsslot, som kaldes for en frame. 51 frames udgør en kontrolmultiframe. Kanaler opdeles i trafik- og kontrolkanaler. Trafikkanalerne bruges, når telefonen er aktiv og er derfor ikke så interessant i forbindelse med positionsbestemmelse. Anderledes forholder det sig med kontrolkanalerne, hvor der udveksles information, der kan bruges til positionsbestemmelsen. Broadcast kontrolkanalerne FCCH, SCH og specielt BCCH er der, hvor informationen skal komme fra. De almindelige kontrolkanaler bruges til styring og opsætning af opkald. De dedikerede kontrolkanaler er tilknyttet trafikkanalerne og er derfor tilpasset behovet for at styre f. eks. en samtale. Fra BCCH fås information om naboceller. Helt præcist frekvenser på kontrolkanaler i nabocellerne og via disse kontrolkanaler kan der afkodes yderligere information om nabocellerne. Listen betegnes BA(BCCH) eller bare BA-listen og kan indeholde op til 32 kanaler. I aktiv tilstand betegnes listen BA(SACCH) og her er kanalerne lidt anderledes. Transmissionseffekten er afgørende for cellernes størrelse. GSM900 er det ældste system med mulighed for det største dækningsområde per celle. DCS1800 er nyere og fungerer sammen med GSM900 med mulighed for en større kapacitet pga. af et større antal kanaler og en lavere transmissionseffekt. DCS1800 bruges derfor hovedsagligt i byområder. For at kunne håndtere flere samtidig operatører opdeles netværkerne i netværksfarvekoder (NCC). For hvert netværk tildeles celler i nærheden af hinanden forskellige basestationsfarvekoder (BCC). Samlet giver NCC og BCC en BSIC værdi, der identificerer en basestation for en celle. Da BSIC kun bygger på farvekoder er de ikke unikke over hele netværket. For at identificere en celle unikt benyttes det globale celleid (GCI), som består af oplysninger om land, operatør, områdekode og celleid. Celleinformation ved cellebroadcast er tekstbeskeder med sigende navne om cellens dækningsområde. For TDC er der endvidere en angivelse af antennes retning og om der er tale om GSM900 eller DCS1800. Det åbner for, at der kan ske positionsbestemmelse ud fra disse oplysninger. Dog er der nogle problemer, da

38 24 informationen ikke er unik og ikke kan garanteres at være opdateret. Til simpel positionsbestemmelse er det dog udmærket. TA bruges til at tilpasse telefonens transmission i forhold til afstanden til basestationen. Primært for at undgå overlap i mellem tidsslot. Afstanden estimeres inden for en nøjagtighed af 550 m. Da TA kun er tilgængelig i aktiv tilstand, er det begrænset, hvad oplysningen kan bruges til i vores projekt. En mobil vælger en aktiv celle og søger løbende efter om der er andre celler, der er bedre egnet. Det gør den ved at bruge oplysningerne fra BA-listen til at afkode BSIC på kanaler fra nabocellerne. De seks celler med de stærkeste signalstyrker puttes på en naboliste, hvor der med jævne mellemrum afkodes yderligere information såsom celleid og andre systemparametre. Skift i mellem celler i inaktiv tilstand sker ved cellegenvalg og i aktiv tilstand ved celleoverdragelse. Celleoverdragelse dikteres af basestationen og det mobile omstillingskontor (MSC) ud fra rapporterede data fra mobiltelefonen. Cellegenvalg sker direkte på telefonen og hovedsageligt på baggrund af strækningstabskriterierne C1 og C2. De beregnes på baggrund af signalstyrken, men giver også mulighed for, at netværket kan prioritere nogle celler over andre. Hvis strækningstabskriteriet C1 falder til under nul, eller i en periode på over fem sekunder er lavere end C1 for en anden celle, foretages der et cellegenvalg til den mere egnede celle. Telefonen måler signalstyrkerne i dbm, men internt kan signalstyrken repræsenteres i to andre interne formater kaldet RSSI og RxLev. Begge formater kan let omregnes til dbm. Signalstyrken udregnes som et gennemsnit af fem målinger over maksimalt fem sekunder i inaktiv tilstand. Telefonen har ifølge GSM-standarden informationer om de omkringliggende celler og signalstyrkerne, der modtages fra hver celle. Derudover får telefonen information om omkringliggende celler gennem en BAliste, der sendes fra den aktive celle. Det er kun de kraftigste seks celler på BA-listen, som telefonen bruger ressourcer på at afkode yderligere systeminformation for. Nabolisten og til dels BA-listens informationer giver teoretisk mulighed for positionsbestemmelse af telefonen. BA-listen mangler en unik identifikation af cellen, men det kan der kompenseres for ved at tage udgangspunkt i den aktive celle, hvor listen kommer fra. Det er hermed vist, at der er de nødvendige oplysninger til rådighed i GSM-systemet til at kunne foretage positionsbestemmelse ud af fra signalstyrke på mobiltelefonerne, og at det vel og mærke kan ske uden teleoperatørens indblanding. Derfor vil det være ganske gratis.

39 Oplysningerne findes altså på mobiltelefonen, men hvordan får man adgang til dem? Det er spørgsmålet, som der vil blive set på i dette kapitel. Udgangspunktet er, at det skal virke på flest mulige telefoner, men det viser sig svært i praksis, da oplysningerne bruges internt og generelt ikke videregives til slutbrugeren. I erkendelse heraf nedsættes ambitionsniveauet en smule, og der beskrives vejen og de blindgyder vi er stødt ind i. Det ender dog lykkeligt, idet der findes telefonmodeller, der kan bruges til formålet. Først ses på om mobiltelefonerne kan inddeles i grupper. Dernæst ses på to operativsystemer til mobiltelefoner; Symbian OS og Microsoft Windows Mobile (WM). Der ses på hvilke informationer, der kan hentes ud og hvorledes de er organiseret. Til sidst opsummeres og der gives anbefalinger til, hvorledes oplysningerne kan bruges. Telefonerne kan inddeles i to grupper afhængigt af hvilket operativsystem, som de baserer sig på. 1) Egenudviklet operativsystemer. 2) Telefoner baseret på et fælles styresystem. Her f. eks. Symbian OS eller Microsoft Windows Mobile. Den første gruppe har ikke åbne standarder, da de baserer sig på egenudviklede operativsystemer, som er tilpasset specielt til den enkelte telefon. Det er derfor svært at sige noget generelt om disse, og om hvordan de kan bruges til at hente de oplysninger, som der er brug for. Den anden gruppe derimod er operativsystemer, der er designet til at blive brugt af flere mobilproducenter og derfor er dokumentationen lettere tilgængelig. Mobilproducenterne skal kun implementere den del, der er specifik for hardwaren på telefonen. Det betyder dog ikke nødvendigvis, at det bliver bedre af den grund. Det er en fordel, da der er lettere adgang til dokumentationen og dermed mulighederne for udvikling på telefonerne. Fordelen er også, at denne type er mere udbredt, udviklingsmiljøet mere gennemprøvet og dermed hurtigere at udvikle gode programmer til samt flere potentielle brugere. Nokias S60 og S80 telefonmodeller er baseret på Symbian OS. Kun ældre modeller eller billigmodellerne er baseret på egenudviklede systemer. Nokia arbejder en del med LBS og tilbyder en del værktøjer om dette emne [32]. Fælles for løsningerne er dog, at der kun er mulighed for at hente information om den aktive celle og ikke er muligt at hente information ud om andre basestationer. API et understøtter dog også assisteret GPS (A-GPS), hvor stedbestemmelsen sker netværksassisteret. Nokia gør det således nemt for udviklere at skrive programmer, som udnytter positionen. Der er flere muligheder for udvikling af programmer på Symbian. Der kan f. eks. udvikles i C++, Python eller Java. CellSpotting [33] er et eksempel på et program, som udnytter, at GCI for den aktive celle kendes (se figur 8). De har pr. midt februar 2007 registreret over celler fordelt på 424 netværk og over

40 26 registrerede brugere. Danmark er fint repræsenteret i denne statistik, idet alle teleoperatørerne findes i databasen. Figur 8. GSM info (GCI) i CellSpotting [33]. For hver celle er der mulighed for at registrere positionen, men den er dog ikke opgivet for langt de fleste af cellerne. Foruden CellSpotting findes GSM-Tracker [34], Cell-Track [35] og en række andre kommercielle applikationer. Alle disse programmer minder om CellSpotting og har ikke yderligere informationer til rådighed. For mere information om udvikling til Symbian se [36] [37] [38]. Vi kontakter Nokia for at høre om de er interesserede i at hjælpe os med nogle telefoner. Vi har hørt fra en ekstern udvikler, at deres program, Netmonitor til monitorering af GSM-nettet kun findes på specielle udviklingsmodeller og ikke bliver kompileret med i de endelige modeller, som leveres til slutbrugerne. Før i tiden var dette program installeret (f. eks. på Nokia 3210), men krævede en speciel kode for at aktivere det. Det har ikke været muligt at få et samarbejde med Nokia, og vi beslutter derfor for at prøve selv, men nu på en anden platform. Der findes tre forskellige typer Windows Mobile (WM) [39]: Pocket PC, Pocket PC Phone Edition og Smartphone. Kun de sidste to udgaver indeholder telefon og ellers er den mest synlige forskel, at Pocket PC versionerne har en større og trykfølsom skærm, hvor Smartphonen kun kan betjenes med tasterne. Da Smartphonen er noget mindre, indeholder den også et mindre antal applikationer end Pocket PC en, der også indeholder Word-, Excel- og PowerPoint Mobile. WM tilbyder direkte levering af s vha. direct push teknologi, som bl.a. kendes fra BlackBerry. Derudover er der også direkte synkronisering af aftaler i kalenderen og opslag i den globale adresseliste. WM appellerer derfor primært til firmaer og forretningsfolk, som i forvejen bruger produkter fra Microsoft og kan se fordelen af at have , kalender og kontaktpersoner samlet et sted. Windows Mobile 5.0 bygger på Microsoft CE 5.0, som er Microsofts mindste operativsystem til indlejring i hardware. Størrelsen starter ved 300 kb og opefter alt efter hvilke komponenter ud af ca. 700, man vælger at tage med. Windows CE virker på fire arkitekturer, herunder ARM og er designet helt fra bunden og er fuldstændig forskellig fra den normale Windows. Den nuværende udgave har en øvre grænse på 32 processer (denne grænse fjernes i nyeste udgave 6.0, som netop er på vej på markedet). Udviklere behøver ikke at bekymre sig om den bagvedliggende arkitektur, da al udvikling som udgangspunkt går gennem et Compact Framework. Herved er det nemt og ikke mindst hurtigt at udvikle programmer, der når ud til et stort marked [40].

41 Kapitel 3. Positionsbestemmelsesinformation i praksis 27 Da WM skal kunne fungere sammen med forskellige typer hardware, foregår kommunikationen mellem WM og radiomodulet gennem et abstraktionslag, benævnt Radio Interface Layer (RIL). Det er et interface mellem WM og radiomodulet (modem), der håndterer kommunikationen med GSM-nettet, f. eks. tale, data eller SMS. RIL er opdelt i to dele, som det ses på nedenstående figur 9: En driver, der kommunikerer med radiohardwaren og en proxy, som kaldende går igennem. Derudover findes også en virtuel serielport (VSP). Fordelen herved er, at implementationen af RIL lægges ud til leverandørerne af radiomodulet. WM kan derfor fungere med mange forskellige typer hardware, som det kendes fra operativsystemer til pc ere. SIM Custom OEM application CellTSP SMS WAP Data Stack RIL Proxy RIL Proxy RIL Proxy RIL Proxy VSP Interface (Deviced OControl) RIL driver Interface (RS232, shared memory, USB, etc.) Radio hardware Figur 9. Radio Interface Layer. Desværre er RIL ikke gjort tilgængelig for udviklere, og derfor er det kun begrænset information, som der kan findes om RIL. Der findes dog en uofficiel definition af RIL, vedhæftet som et bilag i en patentansøgning fra Microsoft ved European Patent Office med referencenummer EP [41]. Baseret på disse oplysninger, er det muligt at hente de oplysninger ud, som er i specifikationen for RIL. I specifikationen for RIL er det muligt at få information om den aktive celle, men ikke for de øvrige celler i nærheden. Årsagen hertil skal ses i lyses af, at WM ikke umiddelbart har noget at bruge denne information til. Det viser sig endvidere, at ikke alle funktioner i RIL behøver at blive implementeret, da det er op til OEMproducenterne, hvilke dele de vil tage med. Ud over RIL findes også andre API er, som alle bygger oven på RIL, herunder f. eks. TAPI, men da oplysningerne ikke findes i de lavere lag, ses der ikke nærmere på disse. Der er tre forskellige måder at udvikle på i WM [39] [42]: 1. Via native kode, hvor der er adgang til at læse direkte fra telefonens hukommelse, dvs. RAM. Dette vælges, hvis der er krav til hastighed og ressourceforbrug, men på bekostning af kompatibilitet. 2. Via managed kode vha. Compact Framework. Her kan anvendes VB eller C#, men ikke C++ som sprog. Fordelen ved denne løsning er, at der er et stort udvalg af biblioteker og API er til rådighed, der gør det nemt og hurtigt at udvikle programmer. 3. Server-side kode. WM kan tilgå en hjemmeside og på denne måde få adgang til data, som ellers vil kræve for store ressourcer til, at det kan foregå direkte på mobilen.

42 28 Det anbefalede udviklingsværktøj er Microsoft Visual Studio 2005 med Windows Mobile 5.0 Smartphone SDK. Det er muligt at udvikle programmer uden at have en WM enhed, da der til udviklingsmiljøet findes en emulator, hvor programmerne kan afvikles og testes. Hvis man har en Pocket PC eller en Smartphone og den tilsluttet en PC via ActiveSync, kan afviklingen og afprøvningen og ske direkte på enheden. Som en stor fordel kan programmerne også debugges direkte på telefonen, hvorved simpel og tidskrævende fejlretning ved trial and error undgås. Vi kontakter TDC og får en Qtek 9100 på prøve i 14 dage. Det er en Pocket PC Phone Edition med Windows Mobile 5.0. Vi ønsker at afprøve, hvor nemt det er at lave programmer til denne platform og se hvilke informationer, som man kan hente ud om GSM-nettet på telefonen. Ved f. eks. at bruge RIL eller afprøve løsninger fra andre projekter. Vi dykker straks ned i dokumentationen til WM5 og finder et lovende API, ved navn State and Notification Broker API (SNAPI) [43]. Som navnet antyder, er det mulig at hente systemoplysninger ud og endda få besked, når oplysningerne ændrer sig. Det er information, som i de tidligere udgaver af WM er svært tilgængelige og kræver meget kode. Der kan bl.a. fås oplysninger om signalstyrke, celleinformation og oplysninger fra simkortet mm. Det viser sig dog, at SNAPI har sine begrænsninger og der ikke er mulighed for at hente information om den aktive celle eller naboceller. Signalstyrken er ikke den faktiske signalstyrke, men kun en indikation af, hvor god forbindelsen er til basestationen. Det mener vi, da den ikke er særlig følsom og for det meste er 100 %. For at få adgang til celleinformation på WM Pocket PC Phone udgaven, skal kanaler aktiveres og 050 aktiveres. Der en lille tvist, da der skal ændres direkte i telefonens registreringsdatabase for at få adgang til informationen via kode, da eventen ellers håndteres af mobilen og vises i et fint vindue, der automatisk popper op. På WM Smartphone er dette ikke nødvendigt. SNAPI gør det altså nemt at hente vigtige systemoplysninger og få besked i real tid, når ændringerne sker. Desværre er det ikke alle oplysninger, som kan fås frem ved hjælp af SNAPI. Til brug for positionsbestemmelse er det kun celleinformation og signalstyrke. Hvis der skal have yderligere informationer ud af WM, er vi nu overbevist om, at vi skal lede efter en mobilproducent, som vil stille oplysningerne til rådighed, eller også skal vi selv finde frem til oplysningerne. Det viser sig, at der på Qtek 9100 medfølger et program, der hedder GSMTestMode.exe og som kan vise information om GSM-nettet. Der vises både data for den aktive celle, men også en liste over naboceller. Se nedenstående figur 10. Den vigtigste information til positionsbestemmelse findes på første faneblad og omhandler information om GSM. ARFCN er absolut radio frekvens kanalnummer (BCCH), LAC er områdekode, MCC er mobil landekode og MNC er mobil netværkskode til identifikation af teleoperatøren. RSSI er signalstyrken, og endelig er Cell ID et id for den aktuelle celle. Neighboring Cell Information indeholder to lister. Den første indeholder en liste over kanalnumre og den anden kanalernes tilhørende signalstyrke. Disse lister udgør altså tilsammen nabolisten for de seks stærkeste celler. Derudover findes yderligere information, som ikke er relevant for projektet.

43 Kapitel 3. Positionsbestemmelsesinformation i praksis 29 Teknik GSMTestMode.exe findes i windows folderen og aktiveres ved at ringe op til: *#*#364#*#* For at det virker skal registreringsnøglen HLM\Software\HTC\EngineerMode\ BuildInEngineeringModeApp have DWord-værdien 1. Figur 10. GSMTestMode. Internt værktøj i Qtek 9100, der kan vise information om GSM-nettet. Kilde: [44]. Det er altså stadig primært information om den aktive celle, men som noget nyt afsløres også naboceller. Der skal mere information til at skelne de omkringliggende celler, hvor både områdenummer og celleid mangler. GSMTestMode giver håb for at kunne hente de ønskede oplysninger ud, men der mangler stadig en metode til at hente dem ud via kode. Det er lidt ærgerligt at sidde at se på disse værdier og så i praksis ikke at kunne anvende dem. Det viser sig senere, at der på Qtek 8310 og HTC S620 findes tilsvarende program. NiceTrack er et program til WM [45]. Programmet kan vise celleid, områdekode og signalstyrke. Baseret på disse oplysninger er det muligt at ændre ringetone mm, når telefonen bevæger sig ind i en bestemt celle eller område. Programmet virker fint og kildekoden er tilgængelig. Med denne løsning fås oplysninger om den aktive celle og celleinformation (cellebroadcast) for cellen. Som beskrevet indledningsvis kan der, forudsat at mastepositionerne er kendt, ud fra en enkelt celle bestemme mobilens position med en nøjagtighed på 35 km i landområder og 8 km i byområder. Det må kunne gøres bedre og vi graver derfor dybere i kildekoden for NiceTrack for at se, om man kan få flere oplysninger frem om de omkringliggende celler. Det viser sig, at NiceTrack baserer sig på kommunikation med det indbyggede modem via RIL s virtuelle serielport. Der sendes AT-kommandoer til modemmet og det er derfor begrænset til de oplysninger, som kan hentes ud med dem. Hvilke kommandoer, som kan benyttes er beskrevet i GSM [31]. F.eks. kan signalstyrken hentes ud ved at sende kommandoen AT+CSQ og AT+CREG=2 henter information om den aktive celle nu og når denne skrifter. Information om naboceller er derfor ikke muligt. Igen er det producenten af hardwaren, der afgør, om der er adgang til yderligere oplysninger, som ikke er beskrevet i GSM-standarderne. Vi er dog kommet en del længere, da vi nu kan få informationer om den aktive celle og bruge dem på mobiltelefonen i et program, som kan tilpasses efter behov. Efter at have prøvet at kommunikere med en Nokia 6310i på tilsvarende vis via Bluetooth og en virtuel serielport, hvor der opleves nøjagtig samme problematik, er det tid til noget nyt. Vi søger derfor efter et GSM-modem, som kan give os yderligere oplysninger. Det kan et modem fra Sony Ericsson, som indeholder et sæt udvidet kommandoer, der kan give de ønskede oplysninger (se figur 11). Der kan forespørges om den aktive celle og på en liste over de seks stærkeste celler, dvs. nabocellerne. Det er netop minimumsoplysningerne, som der skal til, men det er ikke en rigtig mobiltelefon, da den kræver strøm fra en netledning og tilslutning til en pc via kabel til en serielport.

44 30 Figur 11. Sony GM29 eksternt GSM-modem. Dog vil det være muligt at gennemføre specialet med dette modem og endnu vigtigere er, at modemmet kan bruges ved reverse engineering af mobiltelefoner, da de målte værdier nu kan sammenlignes med kendte værdier. Mens vi arbejder på en løsning med modemmet fra Sony, kigger vi efter, om der skulle være andre, som det er lykkedes at få informationen ud af en mobiltelefon. Da vi allerede har haft gode erfaringer med Qtektelefonen, og i praksis har set at oplysningerne er til stede, ses efter lignende projekter eller telefoner, som bruger WM. Vores prøvetid med Qtek 9100 er udløbet og vi prøver en anden telefon fra Qtek, der i mellemtiden har skiftet navn til HTC. Telefonen er ligeledes baseret på WM5 og er en triband telefon, der understøtter GSM/GPRS/EDGE og 900/1800/1900 nettet. Til forskel fra den anden model er Qtek 8310 en Smartphone, som er noget mindre og virker mere som en almindelig telefon. Der findes flere projekter, som bruger modeller fra HTC til lokationsbaserede projekter. Herunder CellProfileSwitcher [46], CellTrack [47] og Pols [7]. Sidstnævnte stifter vi først bekendtskab med noget senere i forløbet og vi ser derfor først lidt nærmere på deres projekt i afsnit I CellTrack [46] hentes informationen om den aktive celle og giver mulighed for brugeren at logge de celler, som telefonen bevæger sig ind i. Derudover er der også mulighed for at vise nabocellerne. Det skal bemærkes, at projektet nu er nedtaget; sandsynligvis opkøbt eller forfatteren har en plan om at skulle til at tjene penge på det. Dette er vidne om den store udvikling, der sker inden for lokationsbaserede services. Der er desværre ikke understøttelse af Qtek 8310 i CellTrack, men da CellTrack virker på flere andre telefoner fra HTC familien, giver det håb om, at det er muligt at finde frem til informationen. CellProfileSwitcher [47] er et lille program, der tilbyder at ændre opsætningen på ens telefon, når telefonen bevæger sig ind eller ud af bestemte celler. F. eks. kan telefonen sættes på lydløs, når den kommer ind i ens hjemmezone. Programmet understøtter vores telefonmodel, men er desværre ikke open source. Vi prøver derfor selv ud fra kildekoden i CellTrack, om vi kan finde frem til placeringen i hukommelsen. Det lykkes dog ikke og vi beslutter os derfor til at kontakte Danny Baumann, der har udviklet programmet. Et par dage efter modtager vi kildekoden til den del, der henter informationen ud. Det viser sig, at årsagen til, at vi ikke kunne finde frem til det rigtige sted i hukommelsen er, at informationen er organiseret forskelligt alt efter telefonmodel og der ikke er en åbenlys forklaring på, hvor informationen er placeret. Disse projekter er udsprunget af et indlæg på et forum for udvikling af software til håndholdte og mobile enheder [48]. Her bliver beskrevet, hvor nabolisten med informationen om den aktive celle og nabocellerne

45 Kapitel 3. Positionsbestemmelsesinformation i praksis 31 er placeret direkte i hukommelsen og hvorledes den kan hentes ud. Der er en del usikkerhed om en nogle af oplysningerne, men der er generel enighed om, at de grundlæggende oplysninger er korrekte, herunder: MNC, MCC, LAC, CI, BSIC, BCCH. Det er alle værdier, som kan verificeres med modemmet fra Sony. Signalstyrken derimod er der ikke enighed om. Vi er af den overbevisning, at den værdi, som bruges som signalstyrke i virkeligheden er strækningstabskriteriet C1. Dette vil der blive set på i afsnit 4.2, men først skal der ses nærmere på, hvorledes WM5 håndterer virtuelhukommelse. For at forstå hvordan det er muligt at læse oplysningerne direkte fra hukommelsen, er det nødvendigt at se på, hvordan Windows CE håndterer hukommelse. Windows CE har et enkelt 32-bits virtuelt adresseområde, som deles af hele systemet. Virtuelle adresser mapper til fysiske adresser, som bruges til at identificere en fysisk ressource såsom ROM, RAM, CPU-registre, BUS osv. Fysiske adresser kan kun tilgås via virtuelle mappede adresser. Der findes to forskellige typer virtuelle adresser. Statiske virtuelle adresser bruges af kernen og definerer en virtuel til fysisk adressemapning, der aldrig ændrer sig. Dynamiske virtuelle adresser definerer en virtuel til fysisk adressemapning, der kan ændres, men ikke behøver at gøre det. Dynamiske adresser bruges både af bruger- og kerne kode. 0xFFFF FFFF 0xFFFF FFFF 0xE Kernel Addresses : KPAGE, Trap Area, others 0x7FFF FFFF 0x7E Slot 63 Kernel Space 0xC Statically Mapped Virtual Addresses : OEM Additional 0x7DFF FFFF 0x7C Slot 62 0x x7FFF FFFF 0x User Space 0xC xC xA x Slot 97 : NK.EXE Unused Statically Mapped Virtual Addresses : UNCACHED Statically Mapped Virtual Addresses : CACHED 0x05FF FFFF 0x x03FF FFFF 0x x01FF FFFF 0x Slot 2 Slot 1 Slot 0 Figur 12. Virtuelt adresseområde. Til venstre inddeling i bruger og kerne; i midten kerneområdet og til højre brugerområdet [49]. På figur 12 ses hvorledes adresseområdet er inddelt i to områder; en øvre kerne del og en nedre del til brugerprocesser, der hver er op til 2 GB. Den øvre del kan kun tilgås af tråde, der er i kernetilstand, mens nedre kan tilgås af alle tråde, kun begrænset af procesbeskyttelse. I kerneområdet findes primært statisk mappede adresser og kun enkelte dynamiske. Mapningen sker typisk, når Windows CE starter op. Nederst findes to adresseområder på hver 512 Mb, som peger på de samme fysiske adresser. Forskellen er, at det nederste område bruger en cache og den anden ikke gør. Operativsystemet sørger selv for at vedligeholde begge områder, så de er konsistente. Dette betyder altså, at 0x og 0xA begge peger på samme fysiske ressource, men at 0x bruger cachen, mens 0xA altid henter værdien direkte fra den fysiske adresse. Området er under OEM kontrol og defineres i et OEMAddressTable. Slot 97 bruges til at vedligeholde datastrukturer, som er specifikke for kernen. Lige over slot 97 findes et statisk område, men som er lidt anderledes, idet OEM kan ændre mapningen, mens Windows CE kører og derfor ikke behøver at være defineret ved opstart, eller når operativsystemet kompileres.

46 32 Det øvre område er forskelligt alt efter hvilken af de fire arkitekturer som WM afvikles på. Kernen bruger det som en mekanisme til at gå i kernetilstand. Brugerområdet er inddelt i 64 slots, som hver fylder 32 Mb. Heraf bruges de første 33 til processer og de øvrige til lagring af objekter, hukommelsesmappede filer og andre ressourcer. Slot 0 er et alias, der altid peger på den aktive proces. Heraf den øvre grænse på 32 processer. I kerneområdet 0x til 0xA er det netop, at oplysningerne for GSM-nettet findes. Dette er ikke en overraskelse, da det er et område, som OEM (her HTC) har fuld kontrol over. Når oplysningerne hentes ud her ved brug af cache, vil det ikke belaste telefonen så meget, som hvis området uden cache bliver brugt. Området er defineret til maksimalt at være 512 Mb stort, men da hukommelsen på en WM typisk kun er på Mb, vil der være store dele, der ikke peger på en fysisk adresse. Forsøges der at læse på en adresse, som ikke peger på en fysisk adresse, vil der opstå en fejl. Yderligere kendskab til hvordan det statiske kerneområde er opbygget, er derfor en fordel. Gennemløbes hele området vil der være mange fejl, der skal håndteres, hvilket gør, at det tager meget lang tid. Hvis du har interesse for at se nærmere på hvorledes Windows CE er skruet samme, så har Willem Jan Hengeveld udviklet et sæt værktøjer under navnet itsutils [50]. Vi beslutter os for at undersøge om vi kan finde ud af mere end det, som vi allerede ved nu. Specielt bekymrer det os, at der er usikkerhed om signalstyrken, da det er en af de væsentligste parametre for vores projekt. Figur 13. Den første i listen er altid den aktive celle, dvs. CI = 803 og de øvrige i listen er naboceller. Skærmbillede fra prototypen Cellmap. Her fra HTC S620. Figur 13 viser nabolisten med den aktive celle og naboceller direkte på telefonen. Der ses fra venstre MCC, MNC, LAC, CI, BSIC, CH, C1, C2, RxLev og status. Status indikerer, om værdierne for C1 og C2 er tilgængelige. Status 0 og 1 er ugyldig, mens 2 er gyldig. De øvrige værdier er allerede gennemgået i kapitel 2. Øverst findes endvidere celleinformationen OSTED 1G og signalstyrken som den rapporteres via SNAPI (se afsnit 3.3.2). Det bemærkes, at der i dette eksempel kun er GSM900 celler på listen, hvilket ses på kanalnummeret, der er mellem 33 og 73. I kapitel 2 ses, hvordan kanaler i GSM900 altid ligger i intervallet 1 til 124. Kanalnummeret angiver cellens kontrolkanal, som blandt andet udsender BA-listen over kanaler for basestationer i omkringliggende celler. For alle celler i nabolisten er værdierne for C1 og C2 ens, hvilket vil sige, at der for disse celler ikke sker en speciel prioritering. Det viser sig at være generelt for alle GSM900 celler på TDC s net. Hvis der ses på RxLev i forhold til C1, gælder der for den aktive celle, at C1 = RxLev + 4 og for ikke aktive celler, at C1 = RxLev + 2. Vi tror, den aktive celle prioriteres højere for at forhindre, at telefonen hopper unødigt mellem celler. Herved skal naboceller have en signalstyrke, der er 3 højere end

47 Kapitel 3. Positionsbestemmelsesinformation i praksis 33 den aktive celle, før der skiftes den. For GSM900 netværk kan C1 bruges som udtryk for signalstyrken, såfremt operatøren ikke har valgt at indføre speciel prioritering af cellerne. Der er dog yderligere den ulempe, at C1 er en smule forsinket i forhold til den rigtige signalstyrke, idet den udregnes på baggrund af et gennemsnit af fem målinger. Figur 14. Både GSM900 og DCS1800 celler. Den aktive celle er DCS1800. Bemærk, at C1 er forskellig fra C2 for CI Skærmbillede fra prototypen Cellmap. Her fra Qtek Ovenstående figur 14 viser, når telefonen også kan se celler af typen DCS1800. Her ses, at C1 og C2 ikke nødvendigvis er ens. Faktisk er C1 nogle gange negativ. Det er da også dette faktum, der får os til at antage, at det ikke er signalstyrken, men netop C1. Det iagttages nu, hvorledes værdierne ændrer sig, når der skiftes til nye områder og celler. Her kan det allerede på nuværende tidspunkt nu ses, at data ikke altid er gyldige, da CH eller CI nogle gange er 0. På figur 13 ses endvidere, at cellen med CI 112 optræder to gange, og at der er uoverensstemmelse mellem flere af værdierne for disse to celler. Det er sandsynligt, at der i nogle tilfælde hentes ukorrekte oplysninger ud, fordi hukommelsen læses direkte. Man kan derfor komme til at aflæse hukommelsen, mens der er en opdatering i gang. Telefonen skal bruge tid på at afkode de modtagne informationer fra kontrolkanalen. Der er derfor brug for at undersøge nærmere, hvilke oplysninger der er korrekte. Hertil skal der bruges et større datagrundlag og korrekte data at sammenligne med. Det ser der nærmere på i 4.2 efter, at vi har præsenteret de data, som stilles til rådighed af TDC og har beskrevet mere om prototypen. I det oprindelige forumindlæg bliver der yderligere omtalt en kanalliste, som kan være den BA-liste, som telefonen får via BCCH eller SACCH fra den aktive celle. Ud fra Sony modemmet er der mulighed for at identificere kanalnumrene for det aktuelle område, som vi befinder os i. Ved at søge efter kendte kanaler og BSIC findes frem til listen. Der findes en struktur, som udover BCCH og BSIC også indeholder seks målinger, der ligger tæt på signalstyrken for den tilsvarende kanal i cellelisten. Ved nærmere analyse ses der, at der for alle kanaler på nær den aktive celle gælder, at den 6. måling er et gennemsnit af de fem foregående. Det understøttes af GSM-standarden, hvor det er beskrevet, at signalstyrken netop skal udregnes som et gennemsnit af fem målinger, hvor alle fem målinger skal foretages indenfor 3-5 sekunder [30]. I samme struktur finder vi også en værdi, der angiver, hvilken måling der netop er blevet opdateret. Vi har også identificeret en timer, som sandsynligvis angiver det interval, hvormed telefonen skal forsøge at afkode systeminformation såsom BSIC. Det bemærkes nemlig, at BSIC ikke findes for alle elementer i BAlisten. Hvis BSIC ikke er kendt, har den værdien 255. Nedenstående figur 15 viser BA-listen. Der vises fra venstre BSIC, CH, den målte signalstyrke S1-S5, gennemsnittet af de fem målinger og endelig indekset for den nyeste måling. Idx 0 svarer til S1, 1 til S2 osv.

48 34 Figur 15. BA-liste. Til venstre øverste del af listen og til højre er den nederste del. Skærmbilleder fra prototypen. Her fra HTC 620S. Det ses, at BA-listen indeholder information om flere kanaler, end dem der er i nabolisten. De kanaler, hvor der ikke er afkodet BSIC, hører til dem, hvor signalet er svagest, og de optræder sandsynligvis ikke på nabolisten over de seks stærkeste. Den aktive celle har CH 35 og BSIC 42; har ikke et udregnet gennemsnit. Hvad årsagen hertil er vides ikke. Muligvis skal værdien findes et andet sted, eller også hænger det sammen med, at telefonen behandler den aktive celle anderledes. Vi har nu de oplysninger, som kan bruges til at identificere en celle samt listen over omkringliggende celler. Målet for signalstyrken er der stadig usikkerhed om. Der er nyt på placelab.org en måned efter, vi har fundet frem til disse oplysninger. Der er publiceret nogle nye forsøg med positionering af mobiler [51]. På pols.sourceforge.net findes et projekt fra placelab.org, der gør brug af samme oplysninger fra HTC-familien. Projektet minder om det, som vi nu har brugt nogle måneder på at finde ud af. Deres udgangspunkt er dog primært en løsning baseret på fingeraftryksmetoder, hvor signalstyrken og cellerne logges sammen med den registrerede position ved GPS. Nu er der et projekt mere at relatere resultaterne med. Pols foregår ligeledes Seattle i USA og der er stadig et behov for at lave forsøg med positionering direkte på mobiltelefonerne i Danmark. Det arbejde, som er lavet med at finde frem til informationen, bidrager til vores samlede forståelse for opbygningen af mobiltelefonen og hvordan informationen i praksis findes på telefonen. Endvidere er der nogle forskelle for hvordan oplysningerne fortolkes. Det udspringer primært af, at vi også har DCS1800 i Europa, hvor Pols udelukkende arbejder på GSM900 og DCS1900 nettet. Valget er nu, om vi skal fortsætte med vores egen løsning, eller om det er bedre at skifte over og arbejde videre på deres projekt. Hvis vi vælger at arbejde videre med deres løsning, så binder vi os til de designvalg, som de har lavet. Pols tager primært udgangspunkt i GPS-målinger og en fingeraftryksmetode. Vi har også brug for at kunne foretage beregningen ud fra placeringen af basestationerne, og da vi allerede har udviklet en del på vores egen løsning, vælger vi at fortsætte med den. Der er også hele licensspørgsmålet, hvor vi har en tavshedspligt over for TDC, hvilket muligvis er i strid med Pols politik. Samtidigt er vi ikke helt enige i deres valg af værdi, der repræsenterer signalstyrken. Det korrekte er at tage værdien målt som et gennemsnit på BCCH. Pols bruger den værdi, som kan være C1 jævnfør den tidligere diskussion i afsnit og som der senere ses på i afsnit 4.2.

49 Kapitel 3. Positionsbestemmelsesinformation i praksis 35 Det er ikke let at finde mobiltelefoner, hvor information om celler og basestationer kan hentes ud. Informationen er ikke tilgængelig, da brugeren af mobiltelefonen ikke umiddelbart har noget at bruge informationen til og derfor er skjult i lag, der ikke er tilgængeligt for brugeren. Samtidigt holder producenterne oplysningerne tæt ind til kroppen; de ønsker ikke, at konkurrenterne skal have kendskab til deres måde at håndtere celleskift mm. Det kan også have noget at gøre med, at informationerne kan bruges til planlægning og udbygning af eksisterende mobilnet, og det derfor i forvejen er værktøjer, som operatørerne betaler store penge for. På telefoner med Symbian er der mulighed for at hente oplysninger ud om den aktive celle, som telefonen er forbundet til. Det er vist med eksempler på med konkrete programmer. Det har dog ikke været muligt at finde bevis for, om yderligere information om naboceller eller BA-listen kan hentes ud via standard API kald, og det har desværre ikke været muligt at indgå et samarbejde med Nokia. Sendes AT-kommandoer til et GSM-modem kan der fås oplysninger om den aktive celle. Hvis modemmet understøtter det kan der hentes yderligere oplysninger om nabocellerne eller BA-listen ud. Et eksempel på et modem, som understøtter det er Sony GM29. Telefoner fra HTC giver de oplysninger, som der er brug for. Dog er der en vis usikkerhed ved nogle af målingerne, da de er fundet ved reverse engineering og ikke på information, som er videregivet eller bekræftet af producenten. Vi har dog tilpas tiltro til, at de er korrekte. Andre projekter understøtter os i denne antagelse, da de på tilsvarende vis bruger oplysningerne i lignende projekter. En yderligere afprøvning og sammenligning med kendte værdier vil give svar på om det forholder sig sådan. Det er muligt på stort set alle telefoner at hente information ud om den aktive celle, mens yderligere information kræver speciel adgang til værktøjer eller programmer fra producenten. Det er derfor relevant at se på metoder, der hhv. 1) baseres på den aktive celle, 2) den aktive celle inkl. seks nærmeste naboer og endelig 3) den aktive celle inkl. de seks naboer og hele BA-listen. For at udnytte BA-listen kræver det yderligere information fra operatøren, eller at der tages udgangspunkt i den aktive celle, som BA-listen udsendes fra.

50 36

51 Der er udviklet en prototype for at vise positionsbestemmelse i praksis og for at indsamle måledata, som kan benyttes ved evalueringen. I dette kapitel ses på de væsentligste designvalg i forbindelse med udvikling af prototypen, som kaldes Cellmap. Udgangspunktet er en Microsoft Smartphone, som beskrevet i afsnit 3.5. Ved udviklingen af Cellmap er der anvendt en eksperimenterende og iterativ fremgangsmåde, hvor der løbende er blevet ændret i prototypen. Der ses først på opbygningen, dvs. hvilke dele Cellmap indeholder og hvordan de hænger sammen. Herunder valg af datastrukturer til lagring af information om basestationer, hvordan logning af målinger håndteres, GPS, rapportering af position og skift i mellem metoder. Pga. usikkerheden ved de målte data redegøres for deres korrekthed. Afslutningsvis ses på prototypens begrænsninger og der beskrives nogle af de erfaringer, der er gjort under tilblivelsen af prototypen. Der gås ikke i detaljer med implementationen. Her henvises til kommentarerne i kildekoden, som kan hentes på projektets hjemmeside: Se også den udleverede vejledning. Prototypens formål er i praksis at hente oplysninger om netværket og på baggrund af disse at demonstrere hvorledes positionen kan estimeres og vises direkte på telefonen. Derudover skal prototypen også kunne opsamle logfiler med henblik på, at der kan foretages statistik på de opsamlede data. Hvordan der udregnes statistik, kan ses i evalueringen i kapitel 8. Kort Logfiler Basestationpositioner GPS position GPS Kortservice Rapporteret position Logfiler til DB Server Web Lager, database eller filer Webservice Database Dataudveksling Retningsbestemt dataudveksling Figur 16. Oversigt over Cellmap. Egen tilvirkning. 37

52 38 Figur 16 viser Cellmaps opbygning og hvordan der kommunikeres med andre services og enheder. Mobiltelefonen logger målingerne til tekstfiler og basestationernes positioner hentes direkte på mobiltelefonen enten fra en SQL database eller indlæses i hukommelsen som hashtabeller. Der logges de oplysninger, som allerede er vist i afsnit 3.5. En mobiltelefon kan have tilsluttet en GPS, da det i forbindelse med evalueringen er nødvendigt at kende den faktiske position. Cellerne, BA-listen og GPS logges i hver sin fil og bindes sammen med et id. Dette af hensyn til overskueligheden, når logfilerne skal læses. Der afvikles og lagres så meget som muligt direkte på mobiltelefonen. Dvs. al dataopsamling sker fra telefonen og målingerne lagres på mobiltelefonen. Da positionerne for basestationerne er tilgængelige direkte på mobiltelefonen, er der mulighed for at estimere positionen uden brug af en central service. Hvis mobiltelefonen er sat op til det rapporteres den estimerede position hvert femte minut til en SQL-database via en webservice. Fra webservicen kan der også hentes oplysninger om, hvor andre mobiltelefoner findes. Dette skal bruges til at indtegne på et kort. I det følgende ses nærmere på vigtige problemstillinger og designvalg, som er afgørende for at forstå opbygningen og konsekvenserne for korrektheden af den udregnede position eller de loggede data, som er grundlaget for positionsbestemmelsen. Når positionen skal udregnes er det nødvendigt for algoritmerne at kende positionerne for basestationerne. Det er endvidere vigtigt, at opslaget sker så hurtigt som muligt og uden at belaste systemet unødigt. I prototypen er der afprøvet to muligheder; Hash-tabeller og en SQL-database. Hash-tabeller er velegnede, hvis søgninger kun sker ud fra den definerede nøgle. I dette tilfælde består nøglen af flere værdier, som tilsammen udgør en unik nøgle. Det betyder, at der enten skal bygges flere hash-tabeller ud fra forskellige nøgler, eller at søgninger kun kan ske ud fra den valgte nøgle. Til gengæld er søgningen hurtig og effektiv, idet søgningen tager O(1). Søgninger, hvor kun dele af nøglen kendes, kræver en gennemgang af alle basestationer og bør undgås. Hash-tabellerne indlæses i hukommelsen og flere hash-tabeller vil øge ressourceforbruget. En fornuftig nøgle kan f. eks. være GCI og evt. også BCCH samt BSIC. Som noget nyt er det muligt at have en SQL-database på mobiltelefonen. SQL er et stærk værktøj og det giver mange muligheder for at optimere søgningerne og at hente data ud på. I SQL kan der f. eks. være flere indekser og der kan laves et primært klosteret indeks på de værdier som der oftest søges ud fra. Derudover er der mulighed for flere ikke klosterede indeks på sekundære værdier. F. eks. kan der oprettes et primært indeks på GCI og et indeks på MCC-MNC-BSIC-BCCH. Hvilket både vil gøre opslag efter en specifik celle og opslag efter celler på en basestation effektive. Samtidig er der et overhead, blandt andet som følge af fortolkningen af SQL-udtrykket. Ulemperne ved at bruge mere avancerede datastrukturer er, at det kræver stort forbrug af ressourcer i form af lagerplads og hukommelse. Det er normalt ikke muligt på håndholdte computere eller mobiltelefoner og vil sætte en begrænsning for, om projektet kan porteres til andre platforme pga. inkompatibilitet med hash-tabeller, SQL eller manglende ressourcer til at kunne afvikle programmet. Valg af datastruktur er afhængig af den valgte platform og ønsket om kompatibilitet. Et alternativ er at lade beregningen af positionen ske centralt på en tilsluttet pc eller på en server vha. webservices. Vi vil dog gerne, at det kan ske direkte på telefonen, og for at det kan lade sig gøre, er vi nødt til at udnytte de

53 Kapitel 4. Cellmap, en prototype 39 muligheder, som hardwaren og platformen giver os. Bemærk dog, at så længe vi holder os til de biblioteker og API som findes i.net vil dele af programmet også kunne genbruges og afvikles på en pc eller server. Dette fører os frem til valg af datastruktur til lagring og udtræk af basestationer. Både hashtabeller og SQL kan være velegnet. Hashtabeller er simple og lette at implementere og vil opfylde de fleste behov. SQL er et stærkere værktøj, men giver desværre også en del overhead. Derfor bruges en kombination, og brugeren gives mulighed for at vælge, hvilken type lagring der skal bruges. I kapitel 2 er beskrevet de teoretiske muligheder for at hente information om netværket og i kapitel 3 demonstreres, hvordan det i praksis kan lade sig gøre. Teknisk er det implementeret så en service står for vedligeholdelse af en opdateret liste over den aktive celle, de seks naboceller og BA-listen. Dette betegner tilsammen en måling. Brugeren kan vælge, hvor tit informationen skal opdateres. Der er et behov for logning af målinger, som kan bruges til senere behandling og udregning af positionen. Set fra et brugersynspunkt er det muligvis tilstrækkeligt at kunne lave en udregning af positionen her og nu ud fra den nyeste måling. I takt med, at der bliver udviklet eller skal afprøves nye metoder til positionsbestemmelse, er der behov for at kunne opsamle data, således at metoderne kan evalueres i forhold til hinanden på et senere tidspunkt. Målingerne gemmes i kommaseparerede tekstfiler. Nye målinger skrives blot til slutningen af filen, og hver linje repræsenterer en sammenhængende mængde data. Filerne importeres efterfølgende til en central SQL-database. Data kan ændre sig, mens logningen sker. Det er derfor vigtigt at sikre sig, at målingerne er gyldige. Der er mulighed for at verificere data med oplysningerne fra TDC, hvilket der ses nærmere på i afsnit 4.2. Ved logningen til tekstfiler, skal der tages højde for, at der ikke sker opdatering, mens data skrives til log. Omvendt må der ikke låses for længe, således at data ikke er opdaterede. Det har ikke vist sig at være et problem i praksis. Ved evalueringen i kapitel 8 af positionsbestemmelsen kræves der, at den faktiske position er kendt. Hertil benyttes en ekstern GPS, som forbindes via Bluetooth til mobiltelefonerne. Løsningen fungerer ved, at der oprettes en virtuel serielport og GPS en løbende udsender informationer via porten til mobiltelefonen. Data fra GPS overholder NMEA 0183 standarden [52] [53] og det er forholdsvis trivielt at kode sit eget program, der benytter sig af oplysningerne. Der er flere muligheder for, hvordan det kan gribes an på. En væsentlig oplysning, der bør gøres brug af, er GPS ens egen rapportering af nøjagtigheden for positionsbestemmelsen samt antallet af satellitter og hastigheden, hvormed GPS en bevæger sig. Foruden de fortolkede data logges også det rå output fra GPS-enheden, således at der kan hentes andre oplysninger, hvis behovet senere skulle vise sig. Nedenstående figur 17 viser et skærmbillede med output fra den implementerede GPS-fortolker. Vigtigst er her positionerne i øverste venstre hjørne. S angiver antallet af satellitter, dvs. 8. H er højden som i eksemplet er 88,4 m. Hastighed, retning i grader, fikstid for GPS-måling og telefontid vises også. Bemærk tidsforskellen på en time, som skyldes forskellige tidszoner. DOP er udtryk for præcisionen og det er en af de ting, som der ses nærmere under GPS i evalueringen i afsnit

54 40 Figur 17. Visning af oplysninger fra GPS i Cellmap. Der bruges en webservice til at rapportere positionen og til at hente sidst kendte position for andre telefoner. Denne funktion kan naturligvis slås fra. Webservicen benytter sig af samme database, som logfilerne importeres i. Det giver mulighed for at se, hvor de andre brugere af systemet befinder sig og er implementeret som et eksempel på, hvad positionsbestemmelse i praksis kan bruges til. Figur 18. Visning af andre brugere på kort. Nummeret angiver antallet af dage siden positionen er rapporteret. Til venstre udklip fra Cellmap på telefonen og til højre fra cellmap.dk. Det er endvidere muligt at se samme oplysninger på Prototypen skal understøtte flere metoder, der kan bruges til at beregne positionen. Derfor er der i designet taget højde for, at det er muligt. I praksis er det sket ved at indføre et factory design pattern, hvor der defineres et interface, som alle estimeringsmetoder skal implementere. Der dannes en klasse, som kan instantiere den rigtige estimeringsmetode ud fra en type. Alle estimeringsmetoder skal således implementere en metode estimateposition(), der arbejder på et sæt data. Det giver mulighed for nemt at tilføje nye metoder. I prototypen er det muligt at vælge mellem flere forskellige metoder til positionsbestemmelse. Metoderne gennemgås og beskrives i kapitel 7. Der er brug for en kortservice til flere formål. Hvis positionen udelukkende vises som længde- og breddegrad, vil de fleste have svært ved at se, hvor det er. Hvis den derimod indtegnes på et kort og vises direkte på mobiltelefonen, så er det meget mere sigende og anvendeligt for brugeren. F. eks. vil brugeren nemmere kunne se, om den estimerede position stemmer overens med den faktiske position, hvis positionen vises på et kort.

55 Kapitel 4. Cellmap, en prototype 41 Der er på det seneste sket en stor udvikling inden for kortservices og blandt andre tilbyder Microsoft og Google hver deres kortservice [54] [55]. Googles service er gratis, så længe at det ikke koster noget for brugerne at benytte servicen. Der er en grænse på daglige opslag, hvilket de fleste nok kan holde sig under. Microsoft MapPoint er også gratis, hvis servicen kun bruges til test. Det betyder i praksis, at Microsoft har to udgaver af servicen, hvor testversionen ikke fungerer lige så optimalt som udgaven, der er beregnet til kommercielt brug. Google Maps benytter client side scripting og det er ved hjælp af javascript muligt at styre, hvilket kort der skal vises og hvordan det navigeres. Det er også muligt at indtegne ruter, interessepunkter mm. Dette sker efterfølgende og genereres oven på kortet som ekstra lag. Hvis Google Maps skal kunne anvendes direkte på mobiltelefonen, så kræver det understøttelse af javascript. Alternativt kan der laves en grapper, der kun henter billedet. Dette er set implementeret i Pols [7]. Microsoft MapPoint findes både som almindeligt program og som en webservice. Webservicen er mest interessant og til forskel fra Google Maps genereres kortet ud fra de oplysninger, som der sendes til servicen. Resultatet er en fil med et billede, der returneres. Dette giver et minimalt overhead på klienten på bekostning af tiden, som det tager at generere kortet og hente billedet ned på mobilen. Samtidigt er der sat nogle begrænsninger for antallet af interessepunkter, der kan indsættes. Grænsen er på 100 punkter og hvis der ønskes flere, er man derfor selv nødt til at lave det på anden vis. F. eks. ved at sætte et lag ovenpå det kort, som modtages fra servicen. En anden mulighed er at have kortet lokalt på mobiltelefonen. Dette vil gøre visningen væsentligt hurtigere, da download fra internettet ved GPRS kan tage lidt tid. En måde at realisere det på kan være ved at implementere en virtuel serielport, hvortil positionen rapporteres til, som var det en alm. GPS. Ved denne løsning kan eksisterende kortsystemer bruges lokalt på telefonen. Der findes et stort antal koordinatsystemer til beskrivelse af geografiske positioner på jorden. Mange af koordinatsystemerne er ikke internationale, men bruges nationalt. Af internationale systemer optræder især UTM, samt længde- og breddegrader, der kan udtryktes som grader, minutter og sekunder eller bare som grader i decimalform. Vi har valgt at bruge længde- og breddegrader i WGS84. Basestationernes position er af TDC oplyst i UTM32 ED50. Der skal derfor ske en omregning til længde- og breddegrader. Vi vælger at bruge MapPoint, da det er den eneste umiddelbare løsning som fungerer uden tilpasninger på mobiltelefonen. Vi ville gerne have brugt Google Maps, men arbejdet med at implementere en grapper virker for omfattende i forhold til det, der vindes herved. Målingerne er som tidligere nævnt i afsnit 3.5 baseret på data, som hentes direkte i telefonens hukommelse og er fundet ved reverse engineering. Det betyder, at man ikke kan være helt sikker på, at data er gyldige For at finde ud af hvor mange fejl der er ved disse målinger, er det nødvendigt at sammenligne med målinger, som er korrekte. Til dette bruges modemmet fra Sony Ericsson og de oplysninger, som er oplyst af TDC.

56 42 Telefonen holder foruden den aktive celle også styr på de seks stærkeste celler. Her afkodes i henhold til GSM-standarden andre systemparametre såsom celleid og områdekode. Kun celler hvor alt væsentlig information er afkodet, kan blive valgt som aktiv celle. Når nye celler kommer på listen eller flytter position i listen over de seks stærkeste, er der en mulighed for at denne information endnu ikke er afkodet eller mangelfuld og i værste tilfælde forkert. Informationen fås i inaktiv tilstand fra BCCH kanalen, som igen kommer via den aktive celle fra BA-listen. Når en celle er valgt som aktiv celle, er alle informationerne er afkodet og opdaterede. De andre celler i nabolisten kan derfor valideres op imod en database over celler, der tidligere har været valgt som aktive. Oplysningerne fra TDC gør det muligt at foretage valideringen direkte. Ved check direkte på målinger for celler om CI, LAC, BSIC og BCCH er korrekte fås følgende. Ved ikke aktive celler passer oplysningerne i 90,9 % af tilfældene, og for aktive celler stemmer informationen i hele 99,6 %. Fejlprocenten på 9,1 % for ikke aktive celler er temmelig stor og er en væsentlig fejlkilde, som der bør tages højde for. Nedenstående figur 19 viser antallet af målte celler sammenholdt med antallet af celler, der er gyldige Målte celler vs. verificerede celler i nabolisten A; 298 A; 631 B; 392 B; 1830 A - Antal målinger B - Gyldige målinger A; A; 8540 B; A; 3885 B; A; 1386 B; B; A; B; Celler i nabolisten Figur 19. Målte celler vs. verificerede celler i nabolisten. A er målinger, som de hentes ud fra telefonen, mens B er målinger som er verificeret med oplysningerne fra TDC. Der inddeles i cellegrupper fra 1 til 7 som er antallet af celler i nabolisten, som for A er alle, men for B er de verificerede. Denne fejlkilde tager Pols ikke højde for, og faktisk viser det sig yderligere, at C1, som de bruger som signalstyrke, bidrager yderligere til fejlen. Målingerne viser, at der generelt gælder at C1 = C2, og i dette tilfælde er signalstyrken RxLev = C1 + 1 for GSM modemmet og for HTC er RxLev = C1-2 for ikke aktive celler, mens den for aktive er RxLev = C1-4. Faktoren, som der korrigeres med, kan skyldes flere ting. Muligvis pga. omregning fra dbm til RxLev, og det er sandsynligt, at GSM modemmet faktisk altid har C1 = RxLev. For HTC er det lidt mere usikkert, da det er forskelligt afhængigt af, om cellen er aktiv eller ikke aktiv. Telefonen kan lave en prioritering af de aktive celler ved at lægge 2 til C1 for derved at forhindre unødige skift ved at beholde den aktive celle lidt længere, selv om der findes en bedre egnet celle. Faktum er, at der er forskel på, hvordan C1 udregnes i modemmet og i HTC. Hvis der ses på, når C1<>C2, så er C2-C1 = k for cellen. Den mest almindelige værdi for k er 46. Signalstyrken forholder sig i dette tilfælde for GSM-modemmet sådan, at RxLev = C2-21. Hvis C1 = 0, C2 = 46 så er RxLev 25. Det gælder både for aktive og ikke aktive celler. For HTC ses ligeledes, at den mest almindelige værdi for k er 46, men der er også mange andre værdier. Herunder 42 eller 52. Der er flest målinger, som er foretaget

57 Kapitel 4. Cellmap, en prototype 43 med HTC telefoner, og derfor kan det ikke udelukkes, at der er andre værdier for k, idet der kan mangle målinger for modemmet i området. C1 er forskellig fra C2 i 12 % af tilfældene, når cellerne er verificeret. Når der i dette tilfælde ikke gælder, at signalstyrken er lig med C1, så bidrager det igen yderligere til fejlkilden. Bemærk dog, at det ikke er sikkert, at Pols vil opleve denne fejl. Når der er forskel mellem C1 og C2, så skyldes det, at teleoperatøren har valgt at prioritere nogle celler frem for andre. Denne prioritering behøver ikke at finde sted, selv om det er usandsynligt, at den ikke gør. Prioriteringen vil under alle omstændigheder afhænge af, hvorledes operatøren har designet og opbygget netværket. Den væsentligste parameter ved udregning af C1 er signalstyrken, og værdien vil derfor ændre sig, når signalstyrken ændrer sig. Der bruges et gennemsnit af mindst fem målinger til udregningen. Strækningstabsparametrene vil derfor være en smule forsinket i forhold til opdateringen af C1. Det ses typisk, at først opdateres signalstyrken og derefter ændres C1. Forsinkelsen er helt op til et 1 sekund. På denne tid kan man nå at bevæge sig 17 m ved 60 km/t. Signalstyrken udregnes som et gennemsnit af fem målinger, hvilket betyder en forsinkelse på hvornår signalet ændrer sig. Årsagen til, at der bruges et gennemsnit er, at enkelte udsving i signalstyrke ikke behøver at skyldes en ændret position i forhold til basestationen, men simpelthen pga. atmosfæriske forstyrrelse eller f. eks. hvis der passerer en bil eller person, som midlertidigt påvirker signalet. Bevæger man sig med stor hastighed, kan det være bedre at bruge det signal, der er mest aktuelt. Omvendt vil det også bidrage til større udsving i estimeringen. Spørgsmålet er blot om det er bedre at udglatte signalstyrkerne inden beregningen fortages, eller om det er bedre, at det sker bagefter. Man bør være yderst forsigtig, når man baserer et projekt på data, som ikke er verificeret eller man ikke har fuldstændig kendskab til om de målte data er gyldige. Vi mener, at man med god samvittighed kan bruge oplysningerne, når der tages højde for de nævnte ting. Læseren bør også holde sig for øje, at der stadig er en del usikkerhed ved omregningen af signalstyrken fra RxLev til dbm. Der er ingen tvivl om, at det er signalstyrken, der måles, men der kan være en afvigelse på nogle få dbm, hvilket kan have betydning for metoderne, der bruges til udregningen af positionen på baggrund af signalstyrken. Med de fejlkilder, som der er nævnt her, må der stilles spørgsmålstegn ved, hvorfor Pols opnår så gode resultater. Det kan skyldes en tættere koncentration af basestationer pga. større befolkningstæthed og andre geografiske forhold, eller blot at det ikke har indvirkning på fingeraftryksmetoden. Cellmap bruger MapPoint med en evalueringskonto. Det betyder, at det tager lang tid at hente et kort. Det vil være hensigtsmæssigt, hvis kortet kan lagres på telefonen eller kortet kan hentes på anden vis. Det vil også frigøre afhængigheden af GPRS ved kortvisningen. Da der kun er adgang til positionerne mm. om basestationerne for TDC på Sjælland, er prototypen i sin nuværende version begrænset til Sjælland. Der kan godt vises celleinformationer, men positionen kan ikke estimeres. Fejlhåndteringen er nogle steder mangelfuld, men i det store hele fungerer prototypen stabilt.

58 44 Prototypen og portalen er udviklet med Visual Studio 2005.NET. Udviklingsmiljøet har vist sig nemt, at bruge. Specielt muligheden for at fejlrette direkte på mobiltelefonen, mens programmet afvikles, er utroligt bekvemt og en stor hjælp, når der søges efter informationer om GSM-systemet i hukommelsen på telefonen. Der er mange nye muligheder, som ellers ikke normalt ses på mobiltelefoner. Der er noget overhead ved at bruge SQL, og man skal være særligt opmærksom på at lave de rigtige indekses på tabellerne. I et konkret eksempel tog et opslag mere end 2 minutter og efterfølgende med indeks kun få sekunder. I dette kapitel ses på, hvorledes prototypen er designet. Basestationerne lagres direkte på mobiltelefonen, og det er op til brugeren at vælge, om der skal bruges SQL eller hash-tabeller. Målinger, der indeholder celledata fra den aktive celle og nabolisten med nabocellerne, BA-listen og GPS skrives til hver sin tekstfil, som overføres til en central SQL server. Mobiltelefonen anvender en ekstern GPS, som er forbundet via en Bluetooth forbindelse. GPS bruges til at sammenligne den udregnede position med den faktiske position, som her antages at være den der er målt med GPS. Med intervaller af fem minutter udregnes mobilens position, ved at bruge den på tidspunktet bedste estimeringsmetode. Positionen sendes via en webservice til den centrale SQL-server. Herfra er det muligt at hente oplysninger om andre brugeres position og vise dem på et kort direkte på telefonen. Afslutningsvis er der blevet set på korrektheden af målingerne. Dette ved at sammenholde de loggede celledata med oplysningerne fra TDC. Det kan konstateres, at 9,1 % af målingerne indeholder oplysninger, som ikke er korrekte. Dette vil der blive taget højde for i den senere afprøvning. Det er dog også vist, at oplysninger vedrørende de aktive celler altid er korrekte og opdaterede. Endvidere ses sammenhængen mellem de loggede data fra Sony modemmet med prototypens.

59 I dette kapitel ses på tilgængelige oplysninger basestationer i GSM-systemet på Sjælland. Det er data, som kan udtrækkes af offentlige databaser eller er oplyst direkte af TDC Mobil. Først ses der på fordelingen af alle typer basestationer og for alle teleoperatører i Danmark. Det giver et overblik over den generelle fordeling af basestationer, og f.eks. om antallet er tilstrækkeligt til brug for positionsbestemmelse. Derefter tages der mere specifikt udgangspunkt i de oplysninger, som TDC har stillet til rådighed om deres netværk. Vi præsenter, hvilke oplysninger vi har adgang til og ser på om der tegner sig et bestemt mønster. Der ses på TDC s fordeling af basestationer ved Rådhuspladsen i København, ved centrum i Roskilde og i et landområde ved Osted i midtsjælland. Fordelingen samt antallet af basestationer i et område har betydning for positionsbestemmelsen, og det giver altså en indikation af, hvor god en metode bør være. Oplysningerne i kapitlet her danner grundlaget for de efterfølgende kapitler, hvor der ses på afstand i forhold til signalstyrke (kapitel 6), metoder til positionsbestemmelse (kapitel 7) og evaluering af metoderne (kapitel 8). En god kilde er mastedatabasen.dk, som vedligeholdes af IT- og Telestyrelsen [3]. Databasen indeholder adresser for steder, hvor en eller flere basestationer er placeret. Når der kan være flere, hænger det sammen med, at der på en sendemast typisk er placeret tre antenner, som peger i hver sin retning (se afsnit 2.2.4). Figur 20. Masteplaceringer på Sjælland. Til venstre GSM900, i midten DCS1800 og til højre UTMS. Kilde [3]. Figur 20 viser basestationernes placeringer på Sjælland for samtlige teleoperatører. I Danmark er der fem licenser, som ejes af Telia, Orange, Sonofon, TDC Mobil og Hi3G. Sidstnævnte opererer udelukkende på UMTS. DCS1800 findes som forventet mest i byerne og langs motorvejene. GSM900 er fordelt jævnt ud over hele Sjælland, men også med en større koncentration i byområderne og langs vejene. UMTS har opnået en betydelig udbredelse i byområderne, men der er områder, som slet ikke har UMTS-dækning. GSM-systemet giver den bedste mobildækning i Danmark. Figur 20 viser, at der er forskel i koncentrationen af basestationer, og at det vil være relevant at se på hovedstaden og det øvrige Sjælland i to grupper. Vi har lavet en søgning i mastedatabasen.dk med en afgrænsning på Sjælland og eksporteret resultatet til en database til videre analyse. Det er muligt at afgøre, hvilken operatør som registreringen hører til, da resultatet vises på en liste, der er sorteret efter operatør. Vær dog opmærksom på, at Fyn også kommer med, når der afgrænses på Sjælland! Der er 4877 antenneregistreringer for hele Sjælland og for samtlige 45

60 46 operatører. Heraf er kun 2166 unikke i den forstand, at de er oplyst på forskellige adresser. En unik registrering betegner en sendemast. Der ses på fordelingen af unikke positioner for basestationer i København og i resten af Sjælland. Det vil fortælle noget om mastekoncentrationen og hvilken præcision som det kan forventes at opnå i hhv. hovedstaden og resten af Sjælland. Tabel 3 og tabel 4 viser sendemaster for hhv. Sjælland og København. Det ses, at operatørerne har basestationer på omtrent lige mange sendemaster. Det kan endvidere se ud som om, at TDC er ved at have udbygget sin dækning med 3G og derved er ved at overhale Hi3G. Tabellerne viser de to forskellige måder at håndtere kapacitet på i byerne. Den ene mulighed er at begrænse cellestørrelsen og bruge GSM900. Måden cellestørrelsen begrænses på er ved at skrue ned for effekten, hvilket er i modstrid med årsagen til at GSM900 anvendes. Den større effekt gør nemlig, at mobildækningen er bedre i bygninger, da signalet har nemmere ved at gennemtrænge materialet. DCS1800 har større kapacitet, men er begrænset af en lavere signalstyrke, grundet den lavere transmissionseffekt. Tabellen viser klart, at DCS1800 er mest udbredt i byerne og GSM900 er mest udbredt i landområderne, hvor der ikke er behov for stor kapacitet. Dog viser tabellerne også, at TDC satser på DCS1800 i byerne, mens Sonofon har en overvægt af sendemaster med basestationer af typen GSM900. Den generelle betragtning, hvor også Telia indgår gør dog, at tendensen går imod DCS1800 i byerne. Operatør UMTS GSM900 DCS1800 GSM+DCS TDC Mobil Sonofon Telia Telia (Orange) Hi3G Alle Operatør UMTS GSM900 DCS1800 GSM+DCS TDC Mobil Sonofon Telia Telia (Orange) Hi3G Alle Tabel 3. Antal unikke masteplaceringer på Sjælland undtagen København, fordelt på operatører, januar Egen tilvirkning, baseret på [3]. Tabel 4. Antal unikke masteplaceringer i København og Frederiksberg, fordelt på operatører, januar Egen tilvirkning, baseret på [3]. Ifølge Danmarks Statistik udgør Sjælland km² og København 97,02 km² [56]. Antag nu, at sendemasterne er fordelt, således de hver dækker et areal, der udgør en heksagon. Da er den maksimale afstand til en sendemast længden af en side i heksagonen og længden s beregnes ud fra arealet: A = s 2 s = 2A 3 3 (5.1) Operatør UMTS GSM900 DCS1800 GSM+DCS TDC Mobil Sonofon Telia Telia (Orange) Hi3G Alle Operatør UMTS GSM900 DCS1800 GSM+DCS TDC Mobil Sonofon Telia Telia (Orange) Hi3G Alle Tabel 5. Gennemsnitlig maksimal afstand i meter til en sendemast på Sjælland undtagen København. Egen tilvirkning, baseret på [3]. Tabel 6. Gennemsnitlig maksimal afstand i meter til en sendemast på i København. Egen tilvirkning, baseret på [3].

61 Kapitel 5. Analyse af oplysninger om basestationer 47 Tabel 5 og tabel 6 viser den gennemsnitlige maksimale afstand i meter til en sendemast for hhv. Sjælland og København, fordelt på operatører. Det ses, at afstanden er markant mindre i København end resten af Sjælland, hvilket er i overensstemmelse med kortene i figur 20. Hvis positionen estimeres på baggrund af en enkelt celle, bør den gennemsnitlige afvigelse i forhold til den faktiske position ikke overskride 2,4 km i landområderne og 550 m i København. Hvis der er mulighed for at bruge oplysninger fra flere operatører samtidigt, forbedres den gennemsnitlige afstand til en basestation i København til kun 300 m og til 1,4 km i resten af Sjælland. Pols har opstillet et eksperiment, hvor de kombinerer oplysningerne fra flere udbydere og forbedrer her deres resultater med % afhængig af estimeringsmetode [51]. For det kan lade sig gøre, kræver det dog en ændring af telefonen, da en telefon blokerer for celler, der ikke hører til den valgte operatør. Der er derfor ikke data eller kun begrænset information om disse celler, hvorfor positionsbestemmelse i det normale tilfælde vil begrænse sig til en enkelt teleoperatør. Vi har nu set på fordelingen af sendemaster for alle operatører. I næste afsnit ses nærmere på TDC s netværk. TDC Mobil stiller information om deres GSM-netværk til rådighed for dette speciale. Vi har i den forbindelse defineret et dataudtræk med diverse informationer om basestationerne. Heraf er de geografiske koordinater for basestationerne de vigtigste, men der er også andre oplysninger, som giver mulighed for at prøve metoder, som ellers ikke ville være muligt. Dataudtrækket er fra januar 2007, og TDC ændrer løbende på netværket ved f. eks. at tilføje, fjerne eller i øvrigt at ændre på diverse egenskaber på basestationerne. Derfor er der en reel risiko for, at den følgende analyse bliver forældet. Ændringerne vil ifølge TDC ikke ske med en sådan hastighed, at dataene bliver væsentligt forældet inden for det næste halve år og vil derfor være rigeligt velegnet til dette speciale. Til bestemmelse af koordinaterne for basestationens placering bruger TDC som udgangspunkt adressen. De laver stikprøvekontrol med GPS og regner med at kende positionen med en præcision på ca m. Nedenstående tabel 7 viser de oplysninger, som der er adgang til for hver basestation på Sjælland for TDC og risikoen for der sker en ændring. Info Beskrivelse Risiko for ændringer Antenneretning Retning i grader Muligt BSIC Basestations id kode, herfra kan NCC og BCC udregnes. Lille ERPd Effektiv udstrålingseffekt i dbm Muligt Gain Antenne gain Muligt GCI Globale Celle Id Lille Højde Højde over jorden Lille Naboceller BA-liste, dog oplyses celleid og ikke BCCH Mellem Position Længde- og breddegrad Lille Site TDC s beskrivelse af basestationens placering Lille Åbningsvinkler Åbningsvinkler i horisontal og vertikal retning Muligt Tabel 7. Oplysninger om basestationer for TDC Mobil.

62 48 Der findes mange metoder til at bestemme afstand ved signalstyrke. De fleste forudsætter, at der kendes den effekt, som der sendes med fra basestationerne og i hvilken retning signalet sendes ud. Fra GSMstandarderne kendes den maksimale effekt, som der må sendes med fra basestationerne [18]. Det er ikke sikkert, at der sendes med maksimal styrke under dedikeret tilstand på BA(SAACH). Kun det modtagne signal målt på BCCH i inaktiv tilstand sendes altid med fuld styrke. Denne værdi kaldes den effektive udstrålingseffekt (ERP). Antennegain er, hvor meget signalet er forstærket. Gain er større, des mindre åbningsvinklerne er. Med åbningsvinkler forstås hvor bredt der sendes horisontal og i vertikal retning. En antenne med en stor horisontal eller vertikal åbningsvinkel vil derfor have en mindre transmissionseffekt. Placeringen over jorden er også afgørende for basestations rækkevidde og dermed cellens radius. Der ses nærmere på, hvordan afstanden kan estimeres i kapitel 6. BSIC indeholder som tidligere nævnt farvekoder, hvorfra mobilerne kan afgøre om de har lov til at forbinde til basestationen. Det er smart, da telefonen kun behøver at bruge energi på de omkringliggende celler, som hører til den valgte teleoperatør. Naboceller er celleid på de celler, der udsendes via den aktive celle. Dvs. BA-listen, men mere brugbar, fordi det er celleid og ikke kun kanalfrekvensen. Listen kan hurtigt omsættes til den faktiske BA-liste ud fra de oplysninger, som er givet i dataudtrækket. Det betyder i praksis, at der kan udnyttes information fra flere omkringliggende celler til estimeringen. I byen hvor tætheden af basestationer er større, er det vores forventning, at det vil kunne forbedre præcisionen. Site er TDC s beskrivelse af placeringen af basestationen, men har desværre ikke relation med den information, der sendes via celleinfo ved broadcast. Det vil ellers være nærliggende. Antal Horisontal åbningsvinkel Antal Vertikal åbningsvinkel GSM900 DCS GSM900 DCS åbningsvinkel/grader åbningsvinkel/grader Figur 21. Horisontal og vertikal åbningsvinkler. Peak i horisontal åbningsvinkel er grader og for vertikal åbningsvinkel er det 8 grader. Der ses ingen forskel mellem GSM900 og DCS1800. Ovenfor på figur 21 ses fordelingen af åbningsvinkler for hver af de to typer net i hhv. den horisontale og vertikale retning. Det ses, at fordelingen af åbningsvinkler er næsten lig hinanden for GSM900 og DCS1800, hvilket muligvis hænger sammen med, at antennerne er placeret de samme steder. Åbningsvinklerne i den horisontale retning er typisk mellem 65 og 90 grader. Derudover er der enkelte med større åbningsvinkler, og mest interessant er dem, der har 360 grader, da disse er såkaldte rundsendere, der sender signalet hele vejen rundt. TDC har omkring 150 rundsendere, mens resten af basestationerne er retningsbestemte. I den vertikale retning er den normale vinkel omkring 8 grader, og kun få andre antenner har en åbningsvinkel,

63 Kapitel 5. Analyse af oplysninger om basestationer 49 der er væsentlig større eller mindre. Den horisontale åbningsvinkel fortæller, hvor bredt antennen sender signalet ud. Det ses, at de fleste af TDC sendere er retningsbestemte, og derfor vil det være interessant at se på, hvorvidt oplysningerne om retningen kan benyttes ved positionsbestemmelse. I afsnit 6.3 ses på om retningen og den horisontale åbningsvinkel viser bedre sammenhæng mellem signalstyrke og afstand. Antal 500 Antenneretning i grader Antal 250 Antennehøjde i meter Figur 22. Antenneretning til venstre og til højre antennehøjden. Tre lige store grupper fordelt på 120, 240 og 360 grader. Resten er jævnt fordelt i øvrige retninger. Antennehøjden har et gennemsnit på 30 m og kun få antenner er placeret over 50 m. Figur 22 viser antenneretningen for alle antenner på nær rundsendere og for alle antenner i hvilken højde antennerne er placeret. Der ses tre lige store grupper, hvor antenneretningen er hhv. 120, 240 og 360 grader. Til sammen udgør de lidt under halvdelen af det samlede antal basestationer. Resten er fordelt jævnt i alle retninger. Det betyder, at det for størstedelen af tilfældene vil være forskelligt i hvilken retning antennen peger. De fleste antenner er placeret under 50 m over jorden, og gennemsnitshøjden er 30 m. dbm ERP, gain og åbningsvinkler grader ERPD/dBm Gain/dBi Figur 23. ERP og antennegain og åbningvinkler. For ERPD mindre end 45 ses store forskelle i værdierne, mens når ERPD er større ses et mere ensartet billede. På ovenstående figur er ERP, antennegain og åbningsvinklerne plottet ind på en graf, der er sorteret efter ERP. Hvis ERP er større end 45 dbm ses en tendens til, at åbningsvinklerne og gain stabiliseres. ERP stiger langsomt til 55 dbm, mens gain holder sig nær 17 dbi. Den horisontale åbningsvinkel svinger fra 50 til 90 grader, mens den vertikale åbningsvinkel er omkring 8 grader. Derfor skal metoderne tage specielt højde for

64 50 basestationer, som har en horisontal åbningsvinkel, der er større end 90 grader, eller hvor ERP er mindre end 45 dbm. Antallet, der afviger væsentligt, er under 250 basestationer. At antennegain og ERPD følges ad er ikke en overraskelse, da gain er indeholdt i ERPD, og basestationerne stort set har samme transmissionseffekt. Nedenstående figur 24 viser en oversigt over basestationer på Sjælland for TDC. GSM900 er røde, DCS1800 er lilla og sendemaster med begge typer er blå. Figur 24. Oversigt over TDC basestationer på Sjælland (venstre) og i Storkøbenhavn (højre). Røde markører er udelukkende GSM900, lilla er udelukkende DCS1800, mens blå er sendemaster der både har GSM900 og DCS1800 basestationer. Der er p.t basestationer. Heraf er 1812 på GSM900 og resterende 1536 basestationer på DCS1800 nettet. Ses på antallet af unikke positioner, dvs. sendemaster fås i alt 835, hvilket er næsten 100 flere end oplyst til mastedatabasen (se tabel 3 og tabel 4). En del af forklaringen kan være, at mastedatabasen opdateres kvartalsvis og derfor ikke helt afspejler situationen, som den ser ud netop nu. Der er i øvrigt overensstemmelse med mastedatabasen, og der ses at DCS1800 er mest udbredt i byområderne og særligt i København. Det er en udfordring at lave samme afgrænsning som i mastedatabasen, hvor afgrænsningen kan ske på postnummer. Vi kender ikke umiddelbart det område, som omgrænser Storkøbenhavn og kan derfor ikke lave tilsvarende udtræk fra TDC. I stedet ses på et udsnit på 25 km 2 med centrum i Rådhuspladsen i København og et lignede område fra Roskilde. Tid sidst ses på et landområde ved Osted, hvor der må forventes væsentligt færre basestationer. Der ses nu på et udtræk af basestationerne i et kvadratisk område på fem gange fem kilometer med centrum på rådhuspladsen i København. Det er vores forventning, at der vil være et stort antal basestationer netop her. Figur 25 viser basestationernes placering. Inden for dette område findes der alene på TDCs netværk 396 basestationer fordelt på 105 sendemaster. Mellem masterne er der en gennemsnitlig afstand mellem to nabomaster på 341 m. De nærmeste naboer

65 Kapitel 5. Analyse af oplysninger om basestationer 51 står med en afstand på 16 m, den største afstand i dette område mellem to naboer er 1268 m. I området ved Rådhuspladsen burde der derfor kunne opnås en gennemsnitlig præcision på 341 m, hvis telefonen kun bruger den nærmeste basestation til at estimere sin position. Teoretisk er sendemasterne placeret i heksagoner, ved at bruge formel (5.1) kan den gennemsnitlige maksimale afstand mellem to sendemaster findes. I dette tilfælde er den 303 m, hvilket er lidt lavere end den faktiske afstand på 341 m. Figur 25. Basestationer ved Rådhuspladsen i København. Bemærk den store koncentration, hvor DCS1800 dominerer i forhold til GSM900. For at se på tætheden af basestationer i en mindre by end København, ses nu på tætheden i Roskilde. Roskilde udgør 80 km 2, hvilket kun er ca. 20 km 2 mindre end arealet for København og Frederiksberg. I Roskilde er befolkningstætheden mindre, idet der bor svarende til ca. en tiendedel i forhold til København og Frederiksberg. Dette afspejler sig i, at antallet af basestationer er markant mindre. Der tages, som i København, udgangspunkt i et kvadratisk område på fem gange fem kilometer, denne gang med centrum i Amtssygehuset. Figur 26 viser sendemasternes placering. Figur 26. Basestationer ved Roskilde centrum. Igen en overvægt af DCS1800 sendemaster.

66 52 Her findes der kun 52 basestationer, der er altså over syv gange flere basestationer i et tilsvarende område i København. De 52 basestationer er fordelt på 11 sendemaster. Den gennemsnitlige afstand mellem to nabomaster er 1009 m, ca. tre gange så meget som i København. Med en mindste afstand på 433 m og en største afstand på 1619 m. Den gennemsnitlige maksimale afstand mellem to sendemaster er 935 m ved brug af formel (5.1), hvilket er tæt på den faktiske gennemsnitlige afstand. I værste fald er afstanden ikke meget større end i København, men i gennemsnit og bedste fald er der betydeligt større afstande i Roskilde mellem sendemasterne. Forskellen mellem Rådhuspladsen og Roskilde, viser at selvom der i begge tilfælde er tale om byområder er der markante forskelle i mastetætheden. Ca. 12 km syd for Roskilde finder man Osted, som er en mindre by med kun nogle få tusinde indbyggere. Osted deler postnummer med Roskilde og hører derfor med ind befolkningsstatistikken for Roskilde. Basestationerne i landområder står langt mere spredt og hvis der vælges et vilkårligt område på 25 km 2, vil der i mange tilfælde slet ikke være nogen sendemaster. Området udvides til at være på 12,5 gange 12,5 km med centrum i området ved Osted. Figur 27 viser basestationernes placering. I dette område findes der kun fem sendemaster med afstande mellem 4108 m og op til 4839 m. Gennemsnitsafstanden er 3884 m, dvs. næsten fire gange mere end i Roskilde og hele 11 gange højere end i København. Med formel (5.1) bliver den gennemsnitlige maksimale afstand 3468 m. Basestationerne i området står i nærheden af vejene, jernbanen og de mindre byområder. I dette område må det forventes, at det er svært at opnå en præcis positionsbestemmelse. Figur 27. Basestationer i et landområde ved Osted. Osted findes på kortet ved Kirkebjerg i midten af billedet. I området findes stort set kun GSM900 sendemaser. Ved sammenligningen mellem Rådhuspladsen, Roskilde og Osted, ses det tydeligt, at der er store forskelle i basestationstæthed afhængig af området. Basestationstætheden vil have betydning for hvilken nøjagtigheden af positionsbestemmelsen, der kan forventes.

67 Kapitel 5. Analyse af oplysninger om basestationer 53 Der er set på oplysninger, som er tilgængelige fra mastedatabasen og på mere detaljerede data om TDC s mobilnetværk. Mastedatabasen har informationer om alle teleoperatører i Danmark. På baggrund af basestationstætheden i forskellige områder, ses det, at præcisionen af positionsbestemmelsen kan forventes højere i byområder. Sendemasterne er placeret ved byområder, veje og områder hvor mange mennesker ofte færdes. Her kan der forventes den bedste præcision. Ud fra mastedatabasen er der forventninger om at kunne opnå bedre nøjagtighed end 2,4 km på Sjælland og i København eller byområder en præcision på 550 m. Det gælder for alle operatører i Danmark. Der er adgang til mere information om basestationerne hos TDC. Herunder blandt andet koordinater for hver basestation, højde, åbningsvinkler, retning samt transmissionseffekt. Den vertikale åbningsvinkel er næsten ens for alle TDCs basestationer. TDC bruger få rundsendere, og de fleste basestationer er retningsbestemte med en horisontal åbningsvinkel på 65 til 90 grader. Antennehøjderne er i gennemsnit 30 m, hvilket placerer dem over de fleste hustage i danske byer. De detaljerede informationer fra TDC gør det muligt at lave mere præcise udtræk, så der kan ses på basestationstætheden i centrum af områder. Samtidig ses, at mindre byer vil give en lavere præcision end tætbefolkede byområder. Den gennemsnitlige afstand mellem to sendemaster er tre gange højere i Roskilde centrum sammenlignet med centrum i København. Det viser, at der også mellem to byområder er væsentlige forskelle. Basestationstætheden vil have indflydelse på præcisionen af positionsbestemmelsen. Hvor stor denne indflydelse er, afhænger af sammenhængen mellem signalstyrke og afstand. Det ses der nærmere på i kapitel 6, hvor der også ses på, om de mere detaljerede oplysninger om TDC s basestationer kan øge præcisionen af den beregnede afstand. Med de udleverede oplysninger fra TDC er det muligt at lade positionsbestemmelsen foregå lokalt på mobiltelefonen, da de enkelte basestationer kan identificeres og deres positioner er kendt.

68 54

69 I flere metoder til positionsbestemmelse indgår signalstyrken til at bestemme afstanden fra mobiltelefon til basestation. Det er en væsentlig forudsætning, at der findes en sammenhæng mellem signalstyrke og afstand. For at forstå modellerne og usikkerhederne forbundet med positionsbestemmelse, er det nødvendigt at have lidt kendskab til sammenhængen mellem signaler og afstand. I afsnit er dbm beskrevet, som er enheden signalstyrken måles i. Her i kapitlet ses på forholdet mellem modtaget signalstyrke på mobiltelefon og afstand. I et åbent landskab forventes intuitivt, at styrken på signalet falder med kvadratet på afstanden. I praksis viser det sig, at det ikke er så lige til, og der skal tages højde for omgivelserne. Det gøres ved at opstille modeller for signaludbredelsen. Modellerne baseres enten udelukkende på teori med brug af oplysninger om basestationerne (se afsnit 5.2.1) eller på empiriske data for områderne. Der lægges ud med en kort beskrivelse af antenner og deres indflydelse på signalstyrken. Herefter ses på udbredelsen af signaler og de forhold, som påvirker signalet på dets vej frem til mobiltelefonen. Der ses på om den intuitive fornemmelse holder i praksis, hvor der først afprøves en simpel tilgang til sammenhængen mellem signalstyrke og afstand. Derefter ses på om de mere avancerede modeller, der baserer sig på teoretiske og empiriske metoder, kan give en bedre sammenhæng. Der er brug for avancerede modeller, men konklusionen er alligevel, at der ikke findes en endelig og fuldstændig model for sammenhængen. Der vil være væsentlige usikkerheder med alle modellerne, hvor positionen skal bestemmes ud fra signalstyrke. En antenne modtager og sender mobilsignalerne som radiobølger ud i rummet. Fordelingen af udstrålingen af radiobølgerne afhænger af, hvilken antenne der benyttes. En isotropisk antenne har samme udstråling i alle retninger. Spredningen fra en isotropisk antenne kan derfor beskrives som en kugle, der udspringer fra et punkt. Ingen antenne kan være fuldstændig isotropisk og ved mobiltelefoni benyttes ofte retningsbestemte antenner, hvor det meste af energien afsættes i et mindre areal. Retningsbestemte antenner har derfor en kraftigere udstråling, som dækker et mindre område. Den kraftigere udstråling i forhold til den isotropiske antenne beskrives som et gain, som angiver, hvor meget signalstyrken forøges i forhold til en isotropisk antenne, når signalet bliver koncentreret i en bestemt retning. I 5.2 beskrives at TDC hovedsageligt benytter retningsbestemte antenner. Nedenstående figur 28 viser to forskellige typer antenner. Figur 28. Til venstre ses en antenne, der sender signalet næsten som en kugle (isotropisk). Til højre en retningsbestemt antenne (sektor) [57]. 55

70 56 Som tidligere beskrevet i kapitel 2 søges cellerne ved mobiltelefoni placeret i en bikube struktur. Dette er dog langtfra altid muligt pga. af fysiske forhold, der hindrer udbredelsen af signalerne. Ud fra basestationernes sendestyrke og placering kan de grundlæggende opdeles i to typer; makroceller og mikroceller. Makroceller dækker et stort områder og skal placeres højt for at kunne dække hele området. Mikroceller placeres derimod lavere, mellem bygninger og dækker et mindre område. En mikrocelle sender typisk med 0,1 watt til 1 watt, hvor en makrocelle sender med 1 til 10 watt. En mikrocelle giver mulighed for flere abonnenter og højere datahastighed på bekostning af et mindre dækningsområde. Derfor bruges mikroceller ofte i byområder med mange brugere på et lille areal. Der findes også pikoceller, som placeres inden i bygninger med dårlige dækningsforhold [58]. Denne type celler ses der ikke på i denne specialerapport. I ses, at de fleste basestationer på TDC s netværk sender med ca. 2 watt (se figur 23). Signalet bliver dog kraftigere i en begrænset retning pga. af de retningsbestemte antenner. På baggrund af sendestyrken ses, at TDC hovedsageligt benytter makroceller i Danmark. At der ikke benyttes mikroceller skyldes, at der ikke er deciderede områder med højhuse og meget høj befolkningstæthed, hvor mikroceller især er anvendelige. Når mobilsignalet ikke kan bevæge sig frit, er det udsat for forskellige forstyrrelser, som gør at sammenhængen mellem afstand og signalstyrke ikke er triviel. I det næste afsnit beskrives disse fænomener og udbredelsen af signalerne. Mobilesignalerne udbredes fra afsender- til modtagerantennen. I det mest enkle tilfælde sker udbredelsen gennem et tomt rum uden forhindringer. Dette er naturligvis meget sjældent tilfældet ved mobiltelefoni, fordi brugen af mobiltelefoner oftest sker i byrum, bil, tog eller indendørs. Der er flere fænomener, som påvirker signalets udbredelse, herunder er de vigtigste: Refleksion, diffraktion, spredning, dæmpning og flervejsudbredelse (se figur 29). Reflektion Spredning Difraktion Reflektion Flervejudbredelse Signal Bygning Lampe Figur 29. Flervejsudbredelse vist med refleksion, diffraktion og spredning. Refleksion forekommer, når signalet rammer en overflade, der er væsentligt større end bølgelængden. Dette kan f. eks. være bygninger, hvor signalet rammer bygningens side og bliver reflekteret videre fra siden

71 Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand 57 af bygningen. Forskellige materialer reflekterer signalet forskelligt og vand er f. eks. væsentligt bedre til at reflektere end jord. En del af signalet bliver absorberet af materialet. Diffraktion ændrer retningen af radiobølgerne, når de rammer kanten af et ugennemtrængeligt objekt, som er større end bølgelængden. Ved GSM900 og DCS1800 er bølgelængderne henholdsvis 0,33 m og 0,16 m. Det kan f. eks. ske, hvis radiobølgerne rammer hjørnet af en bygning. Her bliver radiobølgerne afbøjet i en vinkel omkring bygningen. Dette fænomen kan i nogle tilfælde få mobilsignalet til at bevæge sig om hjørner eller afbøjes når signalet rammer tagryggen på et hustag. Spredning opstår, når radiobølgerne rammer et objekt, der er i samme størrelse eller mindre end bølgelængden på signalet. I dette tilfælde vil radiobølgerne blive delt i flere svagere signaler og bevæge sig i flere retningerne væk fra objektet. Dæmpning opstår, når et signal gennemtrænger et objekt. Her bliver en del af signalets energi afsat i objektet. Hvor meget energi, der afsættes i objektet afhænger af materialet, bølgelængden på signalet og tykkelsen på objektet. Som eksempler kan nævnes, at isolationsfolie giver en dæmpning på 3,9 db ved 815 MHz og betonvægge giver en dæmpning på 8-15 db ved 1300 MHz [17 s ]. Flervejsudbredelse opstår, hvis samme signal kommer frem ved at benytte flere forskellige veje. I sådanne tilfælde kan telefonen risikere at modtage samme signal flere gange. En øget dækning kan ikke alene opnås ved at øge sendestyrken, fordi fænomener som refleksion, diffraktion og spredning bliver mere udtalte [22] [16]. For en yderligere beskrivelse af faktorer, som spiller ind henvises til [17]. I næste afsnit ses på hvordan omgivelserne påvirker signalet. En forudsætning for at modellere afstand i forhold til signalstyrke er, at der kan vises en sammenhæng mellem afstanden og den modtagne signalstyrke. I dette afsnit ses der, baggrund af målinger med forskellige telefoner, om det er tilfældet. Der tages udgangspunkt i data, som er indsamlet for at afprøve positionsalgoritmerne. Fremgangsmåden ved dataindsamlingen er beskrevet i kapitel 8. I alle udtræk inddeles målingerne i grupper på 100 m. Inden for hver gruppe beregnes gennemsnit samt minimum og maksimum. Det ses på figur 30, hvorledes gennemsnittet af målingen i forhold til afstanden er svingende omkring -85 dbm i byområderne. Det er således ikke muligt at påvise en klar sammenhæng mellem afstand og signalstyrke i byområdet. Kun maksimum værdierne viser en tydelig sammenhæng mellem afstanden og den målte værdi. Dvs. at de målte maksimumværdier definerer en nedre grænse for, hvor langt telefonen er fra basestationen. Hvis der måles -51 dbm, er telefonen højst 1800 m fra basestationen i byområder. Derimod optræder næsten samme minimumsværdier for alle afstande. F. eks. kan værdien -100 dbm måles ved både 500 m og 2300 m i byområder. I landområderne ses dog en tendens til, at signalet falder des længere væk man kommer fra basestationen. Det ses mest, når afstanden er under 5 km. Herefter falder signalet ikke længere markant. Minimum og maksimum værdierne afslører dog, at der også i

72 58 landområderne kan være stor forskel for den målte signalstyrke i forhold til afstand. Maksimumsværdierne er ikke praktisk anvendelige, fordi de optræder så sjældent. Kurven for gennemsnittet er placeret mellem maksimum- og minimumværdierne, og der ses ikke umiddelbart nogen stærk sammenhæng mellem afstand og signalstyrke. Årsagen skal findes i objekter, både på landet og i byen, som påvirker signalerne. Afstanden måles i en lige linje mellem basestation og mobiltelefon, men udbredelsen af signaler gør, at signalerne nemt kan blive reflekteret i huse og andre objekter med det resultat, at afstanden ikke er konstant. dbm Modtagen signalstyrke i byområde Gennemsnit -53 Mininum -63 Maksimum Afstand / meter dbm Modtagen signalstyrke landområde Gennemsnit Mininum -63 Maksimum Afstand / meter Figur 30. Modtagen signalstyrke i byområder (venstre) og i landområder(højre) i forhold til afstanden. Målt på HTC og Qtek telefoner. Fordi åbningsvinkler og senderetning for basestationerne er kendte laves et forsøg, hvor der filtreres så modtageren skal stå inden for antennes retning. Det er et forsøg på at fjerne de mest reflekterede signaler. dbm Modtagen signalstyrke i byområde Gennemsnit Mininum -63 Maksimum afstand / meter dbm Modtagen signalstyrke i landområde Gennemsnit Mininum -53 Maksimum afstand / meter Figur 31. Modtagen signalstyrke i byområde i forhold til afstand. Filteret på vinkel og målt på HTC og Qtek telefoner. Forsøget med filtrering på vinkel fjerner ca. halvdelen af målingerne i både byområder og landområder. Telefonen modtager derfor signaler fra en basestation, selvom telefonen er uden for dennes vinkel. Sammenhængen mellem signalstyrke og afstand bliver bedre ved filtrering i byområder. Derimod er der kun en mindre forbedring i sammenhæng mellem signalstyrke og afstand i landområder med afstande op til 6 km mellem basestation og telefon. At det er tilfældet i byområder, skyldes det meget større antal objekter, der påvirker signalerne. Der er flere bygninger og andre forhindringer i byområdet, som har indvirkning på signalet. Påvirkningen af signalet betyder mere end tabet i signalstyrke som følge af afstanden. Ved de mere frie omgivelser i landområderne får afstanden betydning for signaler, som ikke er reflekteret.

73 Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand 59 Appendiks A indeholder grafer hvor der ses på tabet af signalstyrke i forhold til afstand, dvs. at transmissionseffekten er medtaget. I 5.2 ses det, at transmissionseffekten er ensartet for langt de fleste basestationer. Sammenhængen mellem signalstyrke og afstand bliver ikke bedre ved at se på tabet. Med undtagelse af målinger i byområder, hvor der filtreres på vinklen. Her ses nu en sammenhæng med afstande op til ca. 6 km fra basestationen. I forhold til positionsbestemmelse er det ikke umiddelbart muligt at filtrere på vinklen mellem basestation og mobiltelefonen, fordi denne ikke kendes. Det ses på alle graferne, at der ikke er nogen stærk sammenhæng mellem den modtagne signalstyrke og afstanden mellem telefon og sendemast, når der ikke filtreres på vinkel. Det er sandsynligt, at bygninger og andre objekter forstyrrer signalstyrkerne i højere grad end forventet. I de næste afsnit ses på mere avancerede modeller, som medtager flere parametre og derfor bør være bedre til at bestemme afstanden ud fra signalstyrken. Der ses tilsvarende resultater for UMTS i [59]. Dog har den højere frekvens i UMTS også indvirkning. Der er gennem tiden lavet et omfattende forskningsarbejde med undersøgelser af, hvordan udbredelsen af signaler sker i forskellige geografiske områder. Målet er at lave en model for udbredelsen af signalerne, så det ud fra forskellige parametre er muligt at beregne styrken på et signal et givent sted. Det største arbejde indenfor mobilområdet er lagt i modeller, der kan forudsige signaludbredelsen til brug ved placering og design af mobilnetværk og derfor er den forventede modtagne signalstyrke i fokus. Modellerne skal derfor omskrives således, at afstanden mellem mobil og basestation findes, når den modtagne signalstyrke kendes. Modellering af signaludbredelse er dog ikke trivielt pga. af de nævnte fænomener som refleksion, diffraktion, spredning og dæmpning. Mere avancerede modeller har ofte en række begrænsninger. Det kan være krav om bestemte afstande mellem mobiltelefon og basestation eller et begrænset interval for placeringshøjden af basestationerne. Det er især et problem i byområder, hvor disse krav kan være svære at opfylde. Med undtagelse af de mest simple modeller bygger de fleste på empiriske forsøg, hvor en formel udledes på baggrund af indsamlede data. Nogle af modellerne arbejder med afsendt og modtagen effekt. Her har valget af antenne også betydning, hvor f. eks. en retningsbestemt antenne giver et gain i forhold til den afsendte effekt. Dvs. at effekten der sendes med, bliver større i et begrænset område, fordi antennen ikke spreder energien i alle retninger. Ligeledes gælder det på telefonen, at antennen kan have et gain. Det er ikke muligt at få oplyst telefonens antennegain, men dette må antages at være 0. En ekstern mobilantenne vil typisk give et gain på 5-6 db. Den første model der ses på er frit-rumsmodellen, som er opstillet af H. T. Friis [17 s ]. Det er en relativt simpel metode til at beregne signaludbredelse i et frit rum. Her antages det, at signalet bevæger sig helt frit uden nogen form for forhindringer. Dvs. at der antages frit sigte mellem afsender og modtager antennen. Der må derfor ikke være bygningerne eller andet, som kan dæmpe eller reflektere signalet. Formlen, som beskriver udbredelsen i frit rum er:

74 60 P r d = P tg t G r λ 2 4π 2 d 2 L, L 1 (6.1) Hvor P r er den modtagne signalstyrke i Watt til afstanden d. P t er senderens styrke i watt, G t er gain på senderen og G r er gain på modtageren. L angiver tabet i systemet, hvilket kan være tabet i kablerne. λ er bølgelængden på signalet; ved mobiltelefoni vil dette sige ca. 900Mhz eller 1800Mhz. Den præcise frekvens bestemmes af kanalen, som vist i afsnit Modellen beskriver, hvordan signalet bevæger sig i en kugleform ud fra antennen. Ved mobiltelefoni benyttes ofte retningsbestemte antenner. Dette ændrer ikke modellen, fordi forskellen mellem en isotropisk antenne og en retningsbestemte antenne kun er et højere gain på den retningsbestemte. I forhold til den simple måde signalstyrken blev sammenlignet med afstanden, tager frit-rumsmodellen højde for transmissionseffekten, gain samt frekvens og der angives en eventuel dæmpningsfaktor. Vi ønsker at finde afstanden mellem celle og mobiltelefon ud fra den modtagne signalstyrke. Derfor omskrives formlen til: d P r = P t G t G r λ 2 (4π) 2 LP r (6.2) Modellen forventes ikke at være præcis. Især i byområder med mange bygninger virker modellen for simpel. Der tages ikke hensyn til vinklen mellem telefon og basestation. Vi så tidligere, at vinklen i byområder har betydning for signalstyrken. Fra vides, at de fleste basestationer bruger retningsbestemte antenner. Derfor er det interessant, hvis der findes en mere korrekt modellering af udbredelsen sammenlignet med frit-rumsmodellen. Fritrumsmodellen er ikke tilpasset retningsbestemte antenner og modellerer altid udbredelsen som en cirkel. Fordi retningsbestemte antenner ikke har en udbredelse, som svarer til en perfekt cirkelbue, ses på 2Dellipsemodellen, der modellerer udbredelsen som en ellipse [12]. Modellen placerer basestationen i ellipsens ene brændpunkt, som vist på figur 32. Θ Senderetning Figur 32. 2D-ellipse. Basestationen er placeret på en sendemast i ellipsens ene brændpunkt. Senderetningen følger storaksen. Afstanden kan bestemmes ud fra vinklen ved ligning (6.6). En ellipse kan skrives med polære koordinater som:

75 Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand 61 r = a(1 e 2 ) 1+ecos (θ) (6.3) Hvor origo tager udgangspunkt i ellipsens ene brændpunkt og lilleaksen og storaksen følger koordinatsystemet. Vinklen Ѳ er nul, når telefonen er direkte foran den retningsbestemte antenne. Ellipsens andet brændpunkt er placeret på den positive side af koordinatsystemet. Derfor bliver ligningen: r = a(1 e 2 ) a 1+e (1 e) = 1 ecos (θ) 1 ecos (θ ) (6.4) Signalets udbredelse modelleres som k s 0 α. Det er defineret, at basestationen sender i den positive retning af koordinat systemet og derfor fås: s e = k s 0 α (6.5) s 1 Hvor k er en proportionskonstant, s 0 er transmissionseffekten fra basestationen, s er den modtagne signalstyrken. Transmissionseffekt og signalstyrke angives i watt. Alfa er en vægtning af udbredelsen og vil under optimale forhold være to, hvor signalstyrken så falder med kvadratet på afstanden. I praksis viser det sig, at værdier omkring 5 er mere passende. Indsættes (6.5) i (6.4) kan afstanden mellem basestationen og mobiltelefonen nu beskrives som: d = k s 0 1 α 1 e s 1 ecos (θ ) (6.6) Hvor d er afstanden mellem basestation og telefon i meter, ellipsens excentricitet angives af e, Ѳ er vinklen mellem ellipsens storakse og mobiltelefonen. Afstandsmodellen har nu fire parametre, hvor k og e er afhængige af området. Ved at bruge testdata kan parametrene estimeres efter de faktiske forhold. Herefter er afstanden en funktion af transmissionseffekt, signalstyrke og Ѳ. Modellen kræver derfor, at der allerede er foretaget målinger i området, så k, alfa og e kan findes ud fra de eksisterende målinger. Når modellen bruges til positionsbestemmelse kræves det, at vinklen mellem mobil og basestation kendes. Vinklen skal estimeres, hvis telefonens position ikke kendes. Det ses der nærmere på i afsnit 7.3.4, hvor 2D-ellipsemodellen indgår i en metode til positionsbestemmelse. Det forventes, at ellipsemodellen vil virke bedre end frit-rumsmodellen. Dog tager ellipsemodellen stadig ikke højde for basestationernes placering, bygninger og lignende. Modellen forsøger til dels at estimere tabet fra bygningerne og lignede ved parametrene, som sættes efter de praktiske forhold. Derudover stiller modellen krav til at finde vinklen mellem telefon og basestation, hvilket er svært, når mobilens position ikke kendes på forhånd.

76 62 Både Frit-rumsmodellen og 2D-ellipsemodellen forsøger ud fra en teoretisk udbredelsesmodel at beskrive signalstyrken i forhold til afstanden. Det er tydeligt, at frit-rumsmodellen er simpel og 2D-ellipsemodellen kun medtager retningen på antennen. Der vil ofte være bygninger og andre forhindringer, som har indflydelse på udbredelsen af signalet. Der er udviklet mere avancerede modeller, som forsøger at tage højde for forholdene. Modellerne bygger på målinger, hvorefter der ved statistik opbygges en model for målingerne. Okumura er en udbredt model af denne type [17 s ]. Den bygger på målinger foretaget i Tokyo i Japan. Okumura kan benyttes på frekvensområder mellem 150 MHz op til 1920 MHz, hvilket fint dækker GSM. Modellen er inddelt i tre typer områder, navnlig byområder, forstæder og åbne områder. Modellen beregner et gennemsnitligt tab, dvs. tabet, som finder sted 50 % af tiden på 50 % af lokationerne. Okumura skrives som: L 50 db = L F + A mu (f, d) G te G re G AREA (6.7) L F er tabet ifølge frit rums modellen. G(h te ) en funktion, der beskriver det gain senderen får i forhold til højden på dens placering. G(h re ) er en funktion, der beskriver det gain modtageren får, i forhold til højden. G AREA og A mu er korrektionsfaktorer, der afhænger af terrænet for området. Standardafvigelsen for Okumura ligger normalt på ca. 10 til 14 db mellem den beregnede og den målte værdi. En forøgelse af signalstyrken med 6 db vil fordoble den beregnede afstand til basestationen, en forøgelse på 14 db vil femdoble afstanden mellem sendemast og telefon. Der kan derfor ikke forventes høj præcision, selv med en mere avanceret model. Hata bygger på Okumura og tager udgangspunkt i empiriske målinger og er konstrueret med statistiske metoder for at lave en empirisk beskrivelse af korrektionsfaktorerne. Modellen er gyldig fra 150 MHz til 1500 MHz, hvilket ikke dækker DCS1800 nettet. Hata finder ligesom Okumura medianen for tabet i signalstyrke [17 s ]. Hata er defineret for byområder, forstæder og åbne landområder. Formlen for Hata i byområder er defineret som: L 50 urban db = 69, ,16 log f c 13,82 log te a re + 49,9 6,55 log te log (d) (6.8) Hvor f c er frekvensen, h te er højden over jorden på senderen i meter, h re er højden over jorden på modtageren i meter, d af afstanden mellem afsender og modtager i kilometer. Funktionen a(h re ) er en korrektionsfaktor for mobiltelefonens antenne ud fra højden på antennen. Korrektionsfaktoren afhænger af det lokale område. Med udgangspunkt i (6.8) er Hata udvidet til også at virke i forstæder og landområder. Det ses af (6.9), at en fordobling i mastehøjde vil give ca. 4 db til 6 db mindre tab ved af afstande på 1 10 km. Hvilket stort set dækker afstandene, der optræder mellem basestationerne og telefon på Sjælland. Ved lavere placering af sendeantennen bliver tabet større med afstanden. Det følger den intuitive fornemmelse af, at lavere mastehøjde vil give en mindre fri udbredelse og dermed større tab.

77 Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand 63 For små til mellemstore byområder, herved forstås mastehøjder på under 10 m, er faktoren defineret som: a re = 1,1 log f c 0,7 re (1,56 log f c 0,8) (6.9) For storbyer er faktoren ved f c 300 MHz: a( re ) = 3,2 log 11,75 re 2 4,79 (6.10) Korrektionsfaktoren i storbyer medtager ikke frekvensen, men afhænger alene af højden på modtager antennen. Korrektionsfaktoren er i begge tilfælde næsten nul ved 1,5 m. Ved højder under 1,5 m følges begge faktorer ad og ved højder over 1,5 m bliver korrektionsfaktoren (6.9) for mellemstore byområder gradvist kraftigere. I denne rapport er de flest målinger er foretaget i ca. 1.5 m højde, så (6.9) og (6.10) vil give næsten ens resultater. I åbne landområder skal der korrigeres, så formlen ser således ud: L 50(rural ) = L 50(urban ) 4,78(log (f c )) ,33 log f c 40,94 (6.11) I forstæder er korrektionen lidt anderledes: L 50(suburban ) = L 50(urban ) 2(log ( f c 28 ))2 5,4 (6.12) Korrektion fra (6.11) er på ca. 28 db for GSM900, dvs. at i landområder vil tabet være ca. 28 db mindre end i byområder. I (6.12) er korrektionen ca. 10 db som følge af det større tab i forstæderne sammenlignet med landområderne. For byområder kan afstanden findes ved at omskrive (6.8): 69,55+26,16 log fc 13,82 log te a re L 50 d(l 50 ) = 10 49,9 6,55 log te 1000 (6.13) På samme måde kan (6.11) og (6.12) omskrives for at finde afstanden i landområder og forstæder. Afstandsformlen giver afstanden i meter mellem basestation og mobiltelefonen. Den beregnes ud fra forskellen mellem den afsendte og den modtagne signalstyrke i db. En europæisk sammenslutning, kaldet EURO-COST har udviklet en udvidet version af HATA med understøttelse af frekvenser fra 1500 MHz op til 2000 MHz [17 s ]. Det vil sige, at denne model kan bruges ved DCS1800 nettet. Hata-PCS beregnes som: L 50 urban = 46,3 + 33,9 log f c 13,82 log te a re + (44,9 6,55 log te ) log d + C M (6.14)

78 64 C M er en korrektionsfaktor, som sættes til 0 db i middelstore byer og forstæder og sættes til 3 db i bycentre. Højde på sendemasten (h te ) skal være i intervallet 30 m til 200 m. Modtageren (h re ) skal være i intervallet 1 m til 10 m. Afstanden d mellem basestation og mobil skal være mellem 1 km og 20 km. På samme måde som ved Hata ses, at en fordobling af højden på sendemasten giver ca. 4-6 db mindre tab, hvor forskellen bliver større med øget afstand mellem basestation og telefon. Igen kan formlen omskrives til at finde afstanden i meter: 46,3+33,9 log fc 13,82 log te a re +C M L 50 d(l 50 ) = 10 44,9+6,55 log te 1000 (6.15) Kravet om minimum en 1 km mellem telefon og basestation bliver sjældent opfyldt på DCS1800 nettet på Sjælland, da basestationerne ofte står tættere end dette. Det vides også, at de fleste basestationer i Danmark står i ca meters højde, hvor Hata-PCS modellen antager minimum 30 m. Resultaterne er dog alligevel ikke urealistiske for basestationer i 20 meters højde, og det samme gælder ved afstande på under 1 km. Hata og den udvidede model afprøves lidt senere. Hverken Hata eller Hata-PCS tager højde for, hvordan den enkelte by er opbygget. Bredde og højde på husene har betydning for signaludbredelsen. Det samme har materialevalg ved bygningerne, bredden på gader, bevoksningen og en masse andre faktorer. Walfisch-Ikegami tager nogle af disse faktorer med [60 s ]. De medtagne parametre er højden på bygningerne, afstanden mellem bygningerne, bredden på veje, højde over jorden på modtager- og afsenderantenne. Det giver bedre muligheder for at modellere signalstyrken på gadeniveau, idet modellen har flere oplysninger om omgivelserne med. Walfisch-Ikegami kræver, at modtager- og afsenderantennerne ikke har direkte udsyn til hinanden. Dette krav er svært at opfylde i Danmark, hvor de fleste antenner fra nogle positioner kan ses fra gadeniveau. Modellen antager også, at hustagene er i samme højde. Denne antagelse er ikke urimelig i store dele af København. Modellen gælder for både GSM900 og DCS1800 og for afstande mellem 20 til 5000 meter. Ligeledes kan basestationerne være i højden 4 til 50 meter. Begrænsninger der passer fint ind i opbygningen af mobilnetværket på Sjælland. Modellen beregner tabet som summen af tabet i frit rum, tabet ved spredning og diffraktion fra hustage til gadeplan samt diffraktion gennem flere rækker af bygninger. Det kan opskrives som: S db = L 0 + L rts + L ms (6.16) Hvor L 0 er tabet for udbredelsen i frit rum. L rts er tabet, som opstår ved spredning og diffraktion mellem hustagene og gaden. L ms er tabet fra diffraktion som følge af bygningerne, signalet passerer igennem. I forhold til de informationerne vi har om sendenettet på Sjælland giver modellen nogle problemer. Vinklen mellem antenne og vej kendes ikke. Den kan findes, men det skal så gøres manuelt for alle 3000 basestationer. Samtidig er der ikke oplysninger om bredden på vejene og højden på husene. Modellen kræver derfor mange informationer om lokale forhold, som ikke umiddelbart er tilgængelige. Dette vanskeliggør en reel afprøvning af metoden.

79 Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand 65 I anerkendelse af, at det er svært at forudsige afstanden mellem mobiltelefon og basestation findes der mange forskellige modeller, som gør brug af endnu flere oplysninger om omgivelserne. Der samles så mange oplysninger som muligt og på baggrund heraf forsøges det at forbedre metoderne. En væsentlig ulempe for mange af metoderne, er deres kompleksitet og krav til indgående kendskab om lokalområdet. De fleste af modellerne er ligeledes designet til at finde signalstyrken, når positionen er kendt. For mere avancerede modeller, der medtager vinklen mellem basestation og telefon eller mere specifikke oplysninger om de lokale forhold, kan ikke omskrives til at finde afstand ud fra signalstyrken. For at efterprøve hvorvidt modellerne for signalstyrker virker i praksis, har vi ud fra indsamlede måledata modellen med de faktiske målinger. Frit-rumsmodellen, 2D-ellipsemodellen og Hata-PCS modellerne afprøves på rigtige måledata. Afprøvning opdeles i, hvorvidt der er tale om en aktiv celle eller en nabocelle. Ud fra den modtagne signalstyrke og GPS-koordinater kan modellerne afprøves ved at sammenligne den faktiske afstand mellem telefon og basestation med den beregnede afstand. Fordi HATA ikke kan benyttes på afstande under 1 km opdeles måledata i afstande under 1 km og over 1 km. Ligeledes opdeles der på netværk, så GSM900 og DCS1800 er adskilte. Sidst er målingerne opdelt i byområde og landområde. Frekvenserne for henholdsvis GSM900 og DCS1800 beregnes kanalnummeret, beregningen sker ud fra formel (2.1) og (2.2). Allerede på forhånd er der større forventninger til Hata-modellens præcision, fordi den er væsentlig mere kompleks og bygger på empiriske data. Frit-rumsmodellen tager kun højde for huse og andre forhindringer i form af en dæmpningsfaktor. Hata er ikke defineret på afstande under 1 km. Afstande under 1 km er alligevel taget med i afprøvning, fordi de ofte opstår i byområder. Der er dog ingen forventninger til at resultaterne for Hata vil være brugbare i de tilfælde. Ved Hata beregnes afstanden som tab i signalstyrke, hvor der tages udgangspunkt i transmissionseffekten og antennes gain i forhold til den modtagne styrke på mobiltelefonen. HATA afprøves med modellerne for byområder og forstæder, mens modellen for åbne områder er udeladt, idet afvigelsen her er for stor. Ved 2D-ellipsemodellen er parametrene afprøvet iterativt og værdierne med den mindste standardafvigelse er valgt. Parametrene med den mindste standardafvigelse er e 1 =0,6, alfa=4,8 og k=1,2 i byområder. I landområder er de bedste parametre for vores måledata e 1 =0,5, alfa=4,4 og k=2. Fremgangsmåden gør, at parametrene er tilpasset specifikt til de aktuelle måledata. Det giver en højere præcision i afprøvning, end hvad der kan forventes, når parametrene bruges på nye målinger. I nedenstående tabel ses de gennemsnitlige afvigelser mellem den beregnede og den faktiske afstand i meter. Den gennemsnitlige afvigelse, E mellem den beregnede og den faktiske afstand er defineret som: E = N i=0 beregnetafstand i faktiskafstand i N (6.17) Hvor N er antallet af målinger. Standardafvigelsen beregnes også for hver type måling og ses i parentes efter den gennemsnitlige afvigelse i tabellerne.

80 66 Frit-rums 2D-Ellipse Hata-PCS by Hata-PCS forstad Over 1km mellem celle og sendemast DCS1800, ikke aktiv celle 3041 (3661) 1270 (2124) 1113 (2077) 1159 (2084) GSM900, ikke aktiv celle 2287 (2820) 1305 (2308) 1475 (2345) 1432 (2339) GSM900, aktiv celle 1767 (1224) 1844 (1165) 1385 (1166) 1414 (1164) DCS1800, aktiv celle 1054 (1418) 1094 (1301) 897 (1324) 850 (1331) Under 1km mellem celle og sendemast DCS1800, ikke aktiv celle 1624 (1587) 203 (195) 798 (601) 879 (649) GSM900, ikke aktiv celle 875 (1628) 226 (267) 771 (506) 727 (487) GSM900, aktiv celle 379 (562) 252 (252) 277 (420) 269 (406) DCS1800, aktiv celle 394 (422) 267 (246) 344 (277) 385 (292) Tabel 8. Gennemsnitlig afvigelse i byområde angivet i meter og standardafvigelsen i meter, er angivet for hver gruppe målinger. Frit-rums 2D-Ellipse Hata-PCS by Hata-PCS forstad Over 1km mellem celle og sendemast DCS1800, ikke aktiv celle 1995 (3256) 1412 (2597) 1650 (2603) 1590 (2580) GSM900, ikke aktiv celle 3060 (3936) 2629 (2637) 2805 (2884) 2862 (2879) GSM900, aktiv celle 1547 (1220) 1008 (1094) 1174 (1079) 1203 (1078) DCS1800, aktiv celle 1289 (1177) 727 (1032) 1181 (966) 1125 (970) Under 1km mellem celle og sendemast DCS1800, ikke aktiv celle 557 (952) 698 (663) 308 (411) 326 (439) GSM900, ikke aktiv celle 401 (673) 294 (366) 410 (472) 385 (453) GSM900, aktiv celle 391 (323) 269 (340) 274 (351) 271 (343) DCS1800, aktiv celle 354 (415) 334 (349) 241 (269) 236 (284) Tabel 9. Gennemsnitlig afvigelse i landområde angivet i meter og standardafvigelsen i meter, er angivet for hver gruppe målinger. Afprøvningen viser at frit-rumsmodellen klarer sig dårligst mht. præcision. Både ved afstande over og under 1 km og for både GSM900 og DCS1800 nettet. Hata virker faktisk udmærket på afstande under 1 km. Hata virker bedst, når der korrigeres for, at miljøet er en forstad. Modellen er i de fleste tilfælde marginalt dårligere ved at korrigere for byområde. Dette er ikke overraskende, da bebyggelsen i København er lavere sammenlignet med mange andre storbyer og derfor passer bedre på modellernes definition af en forstad. Hata og 2D-ellipsemodellen skiftes til at være bedst, ofte adskilt af små marginaler. Her skal man huske, at 2D-ellipsemodellen har en række parametre, som allerede er tilpasset de pågældende måledata. Hata har kun en områdeparameter, hvor valget mellem områdeparametrene for by eller forstad ligger tæt. Det er derfor sandsynligt, at Hata bedre kan håndtere ændringer i netværket. Ellipsemodellen kræver, at der først findes en vinkel mellem basestationen og telefonen. Denne vinkel er svær at finde, når telefonens faktiske position ikke kendes. Hvis vinklen estimeres vil det give yderligere usikkerhed til 2D-ellipsemodellen. Det ses også, at afvigelsen for den aktive celle for GSM900 er betydeligt større. Med afstande på under 1 km mellem basestation og telefon opnås en præcision på 252 m, og det alene ved at se på en enkelt basestation. Ved afstande større end 1 km mellem telefon og basestation kan der, hvis der ses på den aktive celle, forventes en præcision i byområder på 850 og 1385 m, afhængigt af om GSM900 eller DCS1800 nettet benyttes. Det er vigtigt at huske, at definitionen på byområde i de indsamlede måledata både inkluderer København og Roskilde. Vi så i stor forskel mellem basestationstætheden i København og Roskilde by. Derfor kan resultaterne ikke direkte overføres til en præcision, som kan opnås ved en given by eller et givent landområde. Det burde dog være muligt at forbedre nøjagtigheden ved at se på mere end en celle.

81 Kapitel 6. Signalstyrke i forhold til afstand 67 Præcisionen er ikke særlig høj ved nogen af modellerne. Det kan skyldes, at byområderne i Danmark er anderledes end i de lande, hvor modellerne er udviklet. Samtidig er der en påvirkning af de modtagne signaler, som det allerede ses i starten af dette kapitel. Det påvirker naturligvis alle modellerne, fordi de grundlæggende arbejder ud fra signalstyrke. Det er vist, at modellerne ikke er særlig præcise på trods af, der tages højde for transmissionseffekt, antennegain, antennehøjde og andre parametre. Der ses en forbedring, men den er ikke signifikant. Signalstyrken kan bruges som en indikation af afstanden fra basestationen, men der kan ikke forventes en høj nøjagtighed. Vi så ved definitionen af Okumura, som Hata bygger på, at der på forhånd er en forventet standardafvigelse på 6-14 db, hvilket giver en afvigelse på den dobbelte til femdobbelte afstand. Der er set på sammenhængen mellem signalstyrke og afstand. På baggrund af målinger ses, at der ikke er nogen simpel sammenhæng mellem afstand og signalstyrke. Det skyldes, at signalerne bliver påvirket af en række faktorer. Signalerne bliver påvirket af fænomener som spredning, diffraktion, refleksion, dæmpning og flervejudbredelse. Af indsamlede målinger ses det at signaler, der udsendes i en retning væk fra telefonen, stadig kan modtages af telefonen. Derfor har vinklen mellem telefon og basestation betydning. I byområder ses der en sammenhæng mellem signalstyrke og afstand, når signaler fra basestationer, der ikke sender mod telefonen, filtreres fra. Det samme gør sig i mindre grad gældende i landområderne. Der findes flere modeller til at bestemme afstanden ud fra signalstyrke, som medtager flere faktorer end kun den modtagne signalstyrke. Vi har lavet forsøg med tre modeller; frit-rumsmodellen, 2Dellipsemodellen og Hata. Hvor Hata bygger på empiriske forsøg, er frit-rumsmodellen og 2D-ellipsemodellen rent teoretiske modeller. Frit-rumsmodellen tager ikke højde for lokale forhold. Ved afprøvningen ses det ikke overraskende, at frit-rumsmodellen virker bedst over større afstande og i landområder. De to mere avancerede modeller Hata og 2D-ellipsemodellen virker bedre end frit-rumsmodellen. Både Hata og 2Dellipsemodellen ligger tæt mht. til præcision. Hata har færre parametre og kræver ikke en kendt vinkel mellem basestation og telefon. Det gør Hata nemmere at bruge i praksis i forbindelse med positionsbestemmelse. De bedste resultater med Hata fås med en korrektionsfaktor, der kategoriserer København som et forstadsmiljø. Det skyldes de lavere bygninger i København sammenlignet med andre storbyer. 2D-ellipsemodellen er med flere parametre optimeret til området og kræver at der indsamles måledata på forhånd til at estimere værdierne for parametrene. Den gennemsnitlige afvigelse i afstand er beregnet for begge modeller under forskellige forhold. Her ses det, at afvigelsen ved afstande over en kilometer mellem telefon og sendemast ligger på mellem ca. 0,8-2,5 km og ved mindre afstande mellem m. Det har ikke været muligt at afprøve Walfisch-Ikegami, som ellers medtager mange faktorer om bygningerne i byområdet. Der kræves informationerne om retningen på antennen i forhold til bygningerne. Derudover stiller modellen krav om der ikke må være frit udsyn mellem telefonen og basestationen. Set i forhold til positionsbestemmelse er det oplagt, at præcisionen er afhængig af om tidsinformation bliver medtaget i GSM-systemet. Standarderne beskriver allerede metoder, men de er endnu ikke taget i brug i Danmark. Indtil da ser det ud til, at der vil være væsentlige fejlkilder forbundet med at forudsige

82 68 afstanden til basestation ud fra signalstyrke. Bemærk her, at fingeraftryksmetodernes succes netop kan skyldes, at metoden baseres på målte data og ikke forsøger at bestemme afstanden direkte. Ulemperne er dog det store datasæt og at metoden ikke vil kunne give et svar, hvis der mangler måledata for området. På baggrund af erfaringerne fra dette kapitel ses i næste kapitel på forskellige metoder til positionsbestemmelse.

83 I dette kapitel ses på metoder til positionsbestemmelse. Metoderne vil i varierende grad gøre brug af oplysninger om mobilnetværket (se afsnit 5.2) og de modtagne signalstyrker (se afsnit 6.4). Metoderne kan inddeles i tre grupper. Den ene gruppe metoder kaldes for fingeraftryksmetoder, som genkender tidligere målinger. De to sidste grupper kaldes de netværksafhængige og de netværksuafhængige metoder. De kræver begge udover data fra mobiltelefonen også oplysninger om de enkelte basestationer og deres placering. Informationer om placeringerne skal indhentes fra udbyderne eller indsamles manuelt. De netværksafhængige kræver ændringer i GSM-netværket eller medvirken fra teleoperatøren, mens de uafhængige udelukkende gør brug af oplysninger, som mobiltelefonen selv kan måle. Det er derfor de uafhængige metoder, som der ses mest på. I det følgende vil ideerne bag metoderne blive beskrevet enkeltvis. Formålet er at finde frem til nogle metoder, som skal afprøves og evalueres ved brug af den udviklede prototype (se kapitel 4). De netværksafhængige metoder, der primært bygger på andre oplysninger end signalstyrke og fingeraftryksmetoderne tages med for at give en helhed. Disse metoder forsøger at genkende signaler fra tidligere målinger. Metoden bygger på, at signalstyrkerne altid vil være ens på en bestemt placering og derved skaber et fingeraftryk for netop denne placering. Der opsamles således målinger og placeringen noteres sammen med fingeraftrykket. Positionen kan herefter findes for nye målinger ved at sammenligne den nye målings fingeraftryk med dem der findes i databasen. Fingeraftryksmetoden er udbredt ved positionering for trådløse netværk. Dette ses bl.a. i eksemplet med Placelab og systemet Ekchau, hvor sidstnævnte er anvendt til forskning på ITU. Pols, som jo er udsprunget fra Placelab har opnået gode resultater ved at bruge fingeraftryksmetoden på mobiler. Dette skyldes, at trådløse netværk og GSM-systemet har en del lighedspunkter, hvor et trådløst netværks access point (AP) i denne sammenhæng kan sidestilles med GSM-systemets basestationer. Signalernes fysiske udbredelse kan sidestilles med GSM systemets, selvom frekvensen for de trådløse netværk er højere. GSM-systemet har dog visse fordele, når der ses på positionsbestemmelse. Der sker meget sjældent ændringer i placeringerne af basestationerne, hvorimod et AP nemt og hurtigt kan flyttes. GSM-systemet opererer i et licenseret frekvensområde, så der er ikke forstyrrelser mellem netværkene eller andre elektroniske apparater, der benytter samme frekvensområde. Derfor er vilkårene en del bedre for GSM-systemet. For at forstå hvordan fingeraftryksmetoder virker, ses der på en simpel algoritme, som samtidigt er en af de mest brugte. RADAR [61] er et af de første forsøg på positionsbestemmelse ved hjælp af trådløse netværk. RADAR benytter et radiokort over signalstyrker. Radiokortet består af (x, y, ss i..n ), hvor x,y er den geografiske koordinat, og ss i er signalstyrken det pågældende sted for AP i. Hvis der benyttes tre AP vil en tupel indeholde (x, y, ss 1, ss 2, ss 3 ). I nogle udgaver af RADAR er højdeinformation taget med, som en geografisk koordinat, f. eks. til brug i bygninger. Det er således muligt at adskille forskellige etager. 69

84 70 Ud fra det opbyggede radiokort over signalstyrker skal det med en vilkårlig måling være muligt at finde den nærmeste geografiske position. Dette gøres ved hjælp af nærmeste nabo i signalrummet (NNSS). Det bedste bud på en position er defineret som den korteste afstand fra den aktuelt målte værdi og træningskortet med signalstyrker. Den korteste afstand måles som den euklidiske afstand mellem hver enkelt SS tupel i radiokortet og den målte SS tupel. Positionen er således givet i den tupel, der har kortest afstand til den målte SS tupel. En variant af NNSS algoritmen er NNSS-AVG [62]. I stedet for kun at vælge en tupel vælges flere tupler, hvis de ligger tilstrækkeligt tæt. De k nærmeste tupler udvælges og positionen estimeres som det geografiske gennemsnit mellem de udvalgte tupler. Dette kan også laves som et vægtet gennemsnit mellem de k målinger. Ifølge [63] opnås de bedste resultater, når k antager en lille værdi f. eks. 2 eller 4. En fingeraftryksalgoritme kræver et omfattende datagrundlag af målinger, som der kan sammenlignes med. Den geografiske position beregnes som et gennemsnit af positionerne for de udvalgte tupler. Et problem er falske positiver, som passer med fingeraftrykket, men hvor positionen i virkeligheden er en anden. Det kan give store usikkerheder af den beregnede position, hvis bare en tupel ligger langt væk geografisk. Problemet kan elimineres ved at bruge k-means eller EM. Hvis falske positiver tages med i gennemsnitsberegningen, ville dette introducere en stor usikkerhed. I [63] beskrives hvorledes k-means kan bruges til at fjerne falske positiver. K-means kan inddele de geografiske positioner i to klynger. Punkterne fra den største klynge medtages i den endelig positionsberegning. Her antager algoritmen at flest værdier vil tilhører det korrekte område og at de falske positiver vil udgøre en mindre del af resultatet. Når k-means fjerner falske positiver, antages det at de falske positiver samler sig i én gruppe, samt at der findes falske positiver. Når der ikke er falske positiver, vil k-means stadig inddele i flere grupper og dermed fjerne korrekte positioner. Dette alene vil dog ikke påvirke præcisionen nævneværdigt, da positionerne ligger meget tæt, hvis der ikke er nogen falske positiver. Derimod vil falske positiver, som er spredt over flere geografiske placeringer, ikke alle kunne fjernes ved k-means. Da k-means på forhånd definerer hvor mange klynger der inddeles i og dermed også hvor mange klynger de falske positiver må være spredt over. Ved at bruge EM algoritmen defineres antallet af klynger ikke på forhånd og der skal ikke laves antagelser om antallet af klynger de falske positiver er spredt i. RADAR har løbende fået flere forbedringer. Ved at benytte flere forskellige træningssæt kan der tages højde for forskellige forhold, som f. eks. tidspunkt. Der kan således være to træningssæt, f.eks. et for perioder, hvor netværket er meget aktivt og et sæt for mere inaktive perioder. I [64] vises det at fingeraftrykket også er afhængigt af foregående målinger, fordi telefonen fastholder de valgte celler et stykke tid. Derfor har ruten også betydning for fingeraftrykket. Fordelen ved fingeraftryksalgoritmerne er, at der tages højde for huse og andre fysiske forhold, der påvirker mobilsignalet. Fingeraftryksalgoritmerne antager, at signalforholdene på en given position er stabile over tid, da datagrundlaget i praksis kan have en betydelig alder pga. kravet om et omfattende datagrundlag. Usikkerhederne ved denne algoritme opstår ved falske positiver og ændringer af signalstyrker eller modtageforhold over tid. Signalstyrkerne er ikke fuldstændig konstante og det introducerer usikkerheder i forholdet mellem signalstyrker og position.

85 Kapitel 7. Metoder til positionsbestemmelse 71 Hvis flere områder har meget ens fingeraftryk kan det give falske positiver, hvor positioner fra to forskellige områder bliver valgt. Et realistisk træningssæt bliver indsamlet over en relativt lang periode, som nemt kan strække sig over flere måneder for en hel by. Her vil forhold som f. eks. bevoksning ændre sig. Hvis modtageforholdene ændrer sig under indsamling af træningsdata, vil dette øge sandsynligheden for falske positiver. Der ses nu på de netværksafhængige metoder. Her er det radiosignalets fysiske udbredelseshastighed, der gør det muligt at beregne afstanden. Et alternativ er, at benytte retningsbestemte antenner, som gør det muligt at finde vinklen mellem telefon og basestation. Når flere vinkler og mastepositioner kendes, kan positionen estimeres. Tid og vinkel kræver en specifik opbygning af netværket og kaldes derfor for netværksafhængige metoder. I afsnit ses, at TA kan bestemme afstanden mellem basestation og telefon ud fra tidsforskellen mellem afsendelsen af to signaler. Fordi TA benytter en dedikeret kanal, kan TA kun måles, når telefonen er aktiv og mod den aktive celle. For at overkomme disse problemer, har GSM standarden defineret E-OTD. E-OTD bygger på OTD teknikken, som giver mulighed for at måle tidsforskellen på de bursts, der udsendes på kontrolkanen og virker derfor også når telefonen er inaktiv. I modsætning til TA sker en del af målingen på telefonen. E-OTD standarden kræver, at både telefon og netværk understøtter E-OTD. Understøttelse af E-OTD er ikke et krav, men en mulighed i GSM-standarden. E-OTD forudsætter, at telefonen er i stand til at måle tidsperioderne mellem modtagelsen af bursts sendt fra to basestationer. E- OTD virker både i inaktiv og i aktiv tilstand, hvilket understreger, at man ved udvikling af GSM-standarderne har set nogle muligheder og behov for løbende positionsbestemmelse [13]. I GSM-standarden er der til dette formål defineret Location Measurement Units (LMU). En LMU har en kendt position og modtager, der ligesom telefonerne, måler bursts fra de forskellige basestationer. LMU en erstatter behovet for en fælles tid og synkronisering mellem basestationerne. LMU en lytter efter bursts på kontrolkanalen fra basestationerne i dens nærhed. Den af LMU en målte tidsperiode mellem bursts fra to forskellige basestationer kaldes for Real Time Difference (RTD). Telefonen måler også, ligesom LMU en, tidsperioden mellem bursts fra de to basestationer. Telefonens måling betegnes som Observed Time Difference (OTD). RTD-målingen fungerer som erstatning for den manglende tidssynkronisering mellem basestationerne. OTD-målingerne kan, når der korrigeres med RTD, benyttes til at beregne afstanden mellem telefon og basestationer. E-OTD findes i to former, mobilbaseret og mobilassisteret. Ved mobilbaseret beregner telefonen selv sin position, men får fra netværket koordinater på basestationerne samt RTD målinger. Ved mobilassisteret sender telefonen OTD-målinger til netværket, der herefter beregner positionen. E-OTD er illustreret på figur 33.

86 72 d1 d2 OTD-RTD = GTD Mulige placeringer inkl. fejlmargin Figur 33. E-OTD. Forholdet mellem OTD og RTD betegnes Geometric Time Difference (GTD). Det kan beskrives som GTD = OTD RTD. Hvis afstanden mellem mobil og basestation A betegnes d A og afstanden mellem mobil og basestation B betegnes d B, kan GTD beregnes som GTD AB = d B d A, hvor c er signalets c udbredelseshastighed, dvs. lysets hastighed [13]. E-OTD forudsætter opsættelse af et antal LMU er. Antallet er afhængigt af området, men generelt gælder der, at en LMU skal kunne nå alle basestationerne, som telefonen benytter i sin OTD-måling. Der anbefales et forhold på mellem 3-5 basestationer for hver LMU [13]. GTD er relateret til geometrien mellem basestationerne og telefon. Derfor kan denne værdi benyttes til bestemmelse af telefonens position. Hver GTD-værdi beskriver, sammen med positionen på de to master, der relaterer til GTD-værdien, en hyperbel af mulige positioner af telefonen. Dette kan skrives på formen: c GTD i = (x 1 x) 2 + (y 1 y) 2 (x i x) 2 + (y i y) 2 (7.1) Her er x og y mulige positioner på telefonen, x 1 og y 1 er position på den ene mast og x i og y i er position på den anden sendemast, hvorfra GTD i stammer, c er lysets hastighed. Hvis der findes to GTD-målinger, er det muligt at løse de to ligner med to ubekendte. Herved findes skæringspunktet mellem de to hyperbler. De de to basestationer må ikke være placeret på den samme mast. Præcisionen af OTD afhænger af eventuelle flervejsudbredelseseffekter. Ved flervejsudbredelse er det vigtigt at tiden måles ved den først ankommende udgave af signalet. Hvis der ikke er en frit udsyn til basestationen, som der sjældent er i byområder, vil signalet, pga. refleksioner tage en længere vej. Det betyder, at målingen vil placere telefonen længere væk fra mobilmasten, end den egentlig er. E-OTD er defineret i GSM standarden, hvilket giver grundlag for en ensartet implementering overalt i verden. Metoden kræver, at både telefon og netværk understøtter den, hvilket betyder investeringer fra

87 Kapitel 7. Metoder til positionsbestemmelse 73 både udbyder og brugerne. Der er ikke mulighed for at afprøve denne metode, fordi intet dansk netværk understøtter den. Udover E-OTD findes der lignede metoder defineret i GSM-standarderne, som også benytter LMU er. TOA og TDOA foretager beregningen af positionen på basestation ud fra bursts udsendt af mobiltelefonen. TOA kræver et højere antal LMU er end E-OTD [65]. I stedet for at måle forsinkelser på signalet, kan vinklen mellem telefonen og sendemasten bruges til positionsbestemmelse. Ved denne metode kan positionen estimeres uden at kende signalstyrkerne. Det kan gøres hvis vinklen mellem telefonen og sendemasten kendes for to sendemaster. Her er det i teorien muligt at lave en stedbestemmelse ved at finde skæringspunktet mellem linjerne der udspændes af retningen. Hvis der findes flere sendemaster, kan disse deles i par, hvor positionen findes for hvert par. I så vi, at de fleste af TDC s antenner er retningsbestemte, og at åbningsvinklerne for antennerne er mellem grader. Det er ikke nok til positionsbestemmelse ud fra vinklen alene. Et øget antal antenner vil give en større præcision og derved bedre mulighed for positionsbestemmelse. Der er flere uhensigtsmæssigheder ved AOA. Der er brug for, at der opsættes retningsbestemte antenner på hver sendemast eller et antenne array. Usikkerheden ved metoden øges med afstanden mellem telefon og sendemast. Usikkerheden kan beskrives som længden på en cirkelbue, der dækker et givent antal grader. Ved en cirkelbue på en grad kan forøgelsen af fejlen e mellem to afstande r 1 og r 2, med a antenner i arrayet skrives som 2r 1π = e. Heraf ses det, at en fordobling af afstanden til sendemasten vil give en a 2r 2π a fordobling af usikkerheden, fordi cirkelbuen bliver dobbelt så lang. Selv med en præcision på fem grader vil afvigelsen ved modtagelse være markant ved større afstande. Ved en afstand på 1 km fra sendemasten vil fem grader dække et område på 87 m. Øges afstanden til 10 km, vil fem grader dække 872 m. Derudover skal der være frit udsyn til sendemasten. Ellers kan telefonen modtage et reflekteret signal og dermed give en helt anden vinkel mellem telefon og sendemast. I byområder, hvor signalet bevæger sig mellem bygninger, er det ikke muligt at finde vinklen mellem telefon og basestation, da signalet reflekteres på bygningerne. I 6.3 så vi især i byområder, at telefonen modtager mange reflekterede signaler. Her kan en refleksion på en bygning give markant dårligere resultater, end hvis der måles signalstyrke eller TA. Da AOA kræver frit udsyn til sendemasterne, vil metoden være bedst egnet i åbne områder udenfor byen. Derfor må afstanden til basestationer forventes at være stor [66] [67]. I det foregående bygger de netværksafhængige metoder på antennearrays eller udbredelseshastigheden af signalerne. Disse metoder kræver ændringer af netværket for at fungere i praksis. Der ses nu på metoder, der ikke kræver ændringer af telefoner eller netværk. Alle metoderne kræver, at placeringerne af basestationerne kendes. De fleste benytter også signalstyrken, som en yderligere vægtning. Vi gennemgår først de mest simple metoder og ser derefter på metoder, der kræver flere oplysninger om netværket. Den mest simple metode benytter kun den aktive celle. De andre metoder benytter nabocellerne eller BA-listen, som typisk indeholder flere celler end nabolisten. Alle metoderne vil blive afprøvet, og resultatet heraf kan ses i kapitel 8.

88 74 Aktiv celle metoden bruger kun oplysninger om den aktive celle på mobiltelefonen. Metoden bruger basestationens position ved at se på den aktive celle og estimere telefonens position til at være samme sted. CC kan udvides med at bruge cellebroadcast, retningen på basestationen og signalstyrken som indikation for usikkerheden på hvor langt væk telefonen befinder sig fra den angivne position. Mobiltelefon Basestation Afstand til BTS Cellestørrelse (x,y) Figur 34. Aktiv celle. Positionen angives til at være basestationens position. Fejlen ved denne metode vil derfor være mobilens faktiske afstand til basestationen. Metoden kan bruges på alle GSM-telefoner, som kan vise information om den aktive celle. Pga. af enkeltheden og potentialet for, at metoden kan bruges på størstedelen af telefonerne på markedet i dag, er det interessant at afprøve metoden. Det vil endvidere være en god sammenligningskilde til, om det kan betale sig at bruge de mere avancerede metoder. Den gennemsnitlige fejl er ligeledes et udtryk for den gennemsnitlige afstand til en basestation. Det kan naturligvis sammenholdes med de teoretiske tal, som er udregnet for byområder og landområder i afsnit 5.1 og for hhv. mastedatabasen og TDC. Forventningen er, at præcisionen ved denne metode i praksis vil afhænge meget af basestationstætheden og vil give en præcision på ca. 300 m centralt i København, ca. 900 m i en by som Roskilde og over 3,5 km i et landområde. Vi har ikke set eksempler på forsøg, hvor kun den aktive celle bruges. Placelab [5] giver dog mulighed for at forbedre deres positioneringsmetode ved at tilføje den aktive celle fra en telefon, som er tilsluttet til en pc. Telefonen har foruden den aktive celle yderligere oplysninger om op til seks nabocelle eller helt op til 32 celler fra BA-listen. Centroid beregner positionen som et gennemsnit af alle basestationer, og derfor skal der være oplysninger om basestationernes geografiske placeringer [51]. Centroid beregner telefonens placering som det geometriske tyngdepunkt i forhold til mobilmasternes placering, som telefonen aktuelt kan modtage signaler fra. Denne metode er simpel og positionen kan beregnes hurtigt. Datasættet består af oplysningerne om udbyderens basestationer i form af deres geografiske placering og celleid. Der er tale om et lille datasæt, som giver mulighed for at afvikle hele metoden lokalt på telefonen. Der kræves ikke yderligere dataopsamling i form af træningsdata. Den naive version af Centroid forsøger ikke at modellere udbredelsen af signalerne. Telefonen antages altid at være i midten af gruppen af basestationer, som telefonen har kontakt til. Hvis flere basestationer er placeret på samme sendemast, vil telefonens blive trukket mere mod denne sendemast. Beregning af position ved Centroid sker ved at summere alle x- og y-koordinater hver for sig og dividere med antallet af basestationer: x = N i=1 x i N (7.2)

89 Kapitel 7. Metoder til positionsbestemmelse 75 y = N i=1 y i N (7.3) Hvor N er antallet af basestationer, x i og y i er placeringerne på de enkelte basestationer. Et eksempel ses på nedenstående figur 35. (0,18) (x,y) (22,10) Mobiltelefon Basestation Afstand til BTS ud fra signalstyrke (12,0) (32,2) Figur 35. Centroid. Mobilens position beregnes som gennemsnittet af alle punkter. P(x,y) = (( )/4,( )/4) = (16,15/2). Bemærk, at metoden ikke medtager signalstyrken. På figuren ses, at cirklerne, der illustrerer den modtagne signalstyrke alle skærer i et punkt, men da Centroid ikke medtager signalstyrken, vil positionen udelukkende afhænge af, hvilke basestationer der er i nærheden og placere telefonen i midten af disse. Centroid kan benytte nabolisten og BA-listen. For at kunne bruge BA-listen skal være det er muligt at finde celleid ud fra kanalnummer og BSIC. Denne mulighed er der med oplysningerne fra TDC. Det forventes i områder, hvor basestationerne står tæt, at præcisionen i praksis ikke vil være væsentligt højere end med aktiv celle metoden. I mere øde landområder forventes en bedre præcision end med aktiv celle metoden. Den forbedrede præcision opnås ved, at telefonen bliver trukket mod den største gruppering af basestationer. En væsentlig ulempe er dog i udkanten af byområder, hvor den større basestationstæthed i byerne vil påvirke resultatet i retningen mod byen. Pols [7] har afprøvet Centroid i Seattle, USA og har opnået en præcision i centrum på 574 m ved en 90- procentil og 232 m ved en 50-procentil. I bebyggede områder udenfor centrum opnås 760 m og 2479 m ved henholdsvis 50- og 90-procentil. I afprøvningen er tætheden af basestationer 66 per km 2 i centrum og 26 per km 2 i bebyggede områder udenfor centrum. Det skal sammenholdes med, at TDC i Københavns centrum kun har en tæthed på ca. 16 basestationer per km 2, baseret på tal fra Dette alene på baggrund af, at selv aktiv celle metoden burde kunne opnå en præcision på 300 m i Københavns centrum. Hvorledes Pols kan opnå dårligere resultater med en højere tæthed af basestationer, stiller vi os undrende overfor. Større højdeforskelle i terrænet omkring Seattle, flere basestationer på samme sendemaster og fejlestimeringen af mastepositionerne kan være forklaringer herpå. Pols har ikke adgang til oplysninger med nøjagtige geografiske positioner på basestationerne, som derfor er estimeret på baggrund af signalstyrkerne. Heraf er kun et lille antal verificeret ved at sammenholde deres faktiske positioner med den beregnede. Pols oplyser præcisionen til at være mellem m [51]. Basestationernes position er af stor vigtighed og en større fejlkilde end 100 m vil påvirke resultatet. I kapitel 6 ses, at sammenhængen mellem signalstyrke og afstand i

90 76 mange tilfælde er svag. Derfor kan Pols resultat skyldes en større usikkerhed ved estimeringen af positionerne for basestationerne, end den Pols angiver eller er klar over. Næste logiske skridt er at udvide Centroid til at medtage signalstyrken som en faktor. En simpel vægtning af hver basestation med den modtagne signalstyrke bør kompensere for nogle af manglerne. Således bliver det geografiske centrum af sendemasterne påvirket af signalstyrkerne. Denne vægtning tager ikke højde for sendestyrken eller for udbredelsen. Usikkerhederne ved metoden opstår især, fordi modellering af signalerne er relativt primitiv. Da signalerne bliver vægtet med en faktor målt i dbm, vil der automatisk være en logaritmisk fordeling, men ellers modelleres signaludbredelsen ikke. Forbedringen ved at vægte er ifølge Placelab ikke stor, og det er i overensstemmelse med erfaringerne i kapitel 6, hvor signalstyrken i byen ikke har en simpel sammenhæng med afstanden [51]. Der forventes dog en forbedring hovedsageligt i landområder, hvor afstandene er større og hvor signalerne er mindre udsat for forstyrrende objekter. I byområder er afstandene mellem sendemasterne små og omgivelserne for komplekse til en simpel modellering af signalstyrkerne. En anden mulighed for at forbedre Centroid er ved at se på, om det har betydning, at flere basestationer er placeret på samme sendemast. Herved vil der ske en større vægtning, da basestationen vil blive medtaget flere gange. I praksis viser det sig dog ikke bedre at fjerne dubletter. I stedet for at arbejde videre med Centroid afprøves den i dens oprindelige form. I det efterfølgende beskrives andre metoder, der medtager signalstyrken som en faktor. Et eksempel herpå er Center of Gravity (CG) [11]. Den vægter ikke alle basestationer lige, men medtager en funktion, som vægter hver enkelt basestation. Fordi signalstyrken er en indikation af telefonens afstand til basestationen, benyttes de målte signalstyrker som udgangspunkt for vægtningen. CG tager udgangspunkt i, at den modtagne signalstyrke i forhold til afstanden kan udtrykkes som I = P 4πr2, dvs. at hvis afstanden fordobles falder signalstyrken til en 1/4. Formlen her antager, at antennen udsender radiobølger i alle retninger, som en isotopisk antenne. Det er ikke tilfældet. Vi så i afsnit 5.2.1, at TDC har 150 rundsendere og ca retningsbestemte antenner. Signalet vil med retningsbestemt udsendelse falde med afstanden. Afstanden (d) og signalstyrken (db) kan derfor udtrykkes ved, at db er proportional med 1/d 2. (db 1 d 2). Da signalerne ikke kan bevæge sig frit, pga. af bygningerne og lignende medtages en dæmpningsfaktor. Signalstyrken modelleres derfor i stedet som db 1 d α. Alfa er dæmpningsfaktoren, som afhænger af omgivelserne. Det er oplagt at benytte to typer dæmpningsfaktorer, idet der er en større dæmpning i byområder end de mere åbne landområder. CG beregner positionen ved [11]: x = y = x1 db α + x 1 1 db α + + x n 2 db α n db α + 1 db α db α n y 1 db α + y 1 1 db α + + y n 2 db α n db α + 1 db α db α n (7.4) (7.5)

91 Kapitel 7. Metoder til positionsbestemmelse 77 Hvor x n og y n er de geografiske koordinaterne for basestationen hvorfra signalstyrken db n er målt. Der skal være målingerne fra minimum tre sendemaster for, at CG virker. Alfa er en vægtning af udbredelsen og kan variere efter lokale forhold. I praksis skal dæmpningsfaktoren sættes til en højere værdi end 2, da der altid er mere dæmpning end det ideelle tilfælde [9]. Nedenstående figur 36 viser et eksempel på estimering ved CG. Mobiltelefon Basestation Afstand til BTS ud fra signalstyrke (x,y) Figur 36. CG algoritmen. Positionen vægtes med signalstyrken i forhold til alfa. Placeres altid inden for det konvekse hylster, som udgøres af basestationerne. Positionen findes ved at bruge ligning (7.4) og (7.5). Selv om cirklerne, der illustrerer mobilens forventede afstand fra basestationen ikke overlapper hinanden for derved at definere et fælles skæringspunkt eller et fællesareal for alle de udspændte cirkler vil CG alligevel i de fleste tilfælde give et fornuftig resultat. Det ses af ligningerne (7.4) og (7.5), at positionen for hver celle bliver vægtet med signalstyrken iberegnet dæmpningsfaktoren. Derefter bliver udtrykket normaliseret i forhold til vægtningen, så positionerne er stadig geografiske. I [11] hvor CG er defineret stilles der krav om minimum tre basestationer på forskellige sendemaster. Ved kun en sendemast vil CG altid estimere placeringen til den pågældende sendemast, hvilket svarer til den før omtalte metode for aktiv celle i afsnit I tilfældet med to sendemaster vil placeringen være på en linje mellem de to sendemaster. Her vil signalstyrken vægte placeringen på linjen. I den senere afprøvning vælges at tage disse to specialtilfælde med og ikke begrænse resultaterne til tilfælde med minimum tre sendemaster. Metoden er afprøvet i et område i Hong Kong af forfatterne bag CG, dvs. Junyang Zhou m.fl. Den gennemsnitlige fejl er på 335 m [12]. Da basestationstætheden og de geografiske forhold er vidt forskellige, er det svært at sammenholde CG målingerne med Pols afprøvning af Centroid metoden og vores overvejelser om præcision af aktiv celle metoden i København. Modellering af signalerne er lidt mere avanceret i CG og forventningerne er, at CG vil give en højere præcision både i København og i landområder. Dette både i forhold til aktiv celle og Centroid. CG kan ligesom Centroid både benytte nabolisten og BA-listen. CG tager ikke højde for basestationens sendestyrke eller retning. CG placerer altid telefonen inden i det konvekse hylster, som cellerne danner på samme måde som Centroid gør [9].

92 78 Indtil nu har ingen af de gennemgåede metoder benyttet mange af de oplysninger, der er til rådighed om basestationerne. Positionen estimeres altid til at være inden for det konvekse hylster, som basestationerne danner. Der ses nu på ellipseudbredelsesmodellen (EPM), som bruger 2D-ellipsemodellen fra afsnit Det er en mere avanceret udbredelsesmodel end CG. Ved afprøvningen ses, at 2D-ellipsemodellen med korrekte parametre er næsten lige så præcis som Hata. EPM er ikke begrænset til at placere løsningen inden i det konvekse hylster, som basestationerne danner. EPM kan kun give et resultat med tre basestationer på forskellige sendemaster. For hver sendemast dannes en cirkel med centrum i basestationen og en radius, der svarer til afstanden fundet med 2Dellipsemodellen. Telefonens mulige placering i forhold til en basestation beskrives som en cirkel med centrum i basestationen og radius som den fundne afstand. Det giver tre ligninger med formen: d 1 2 = (x x 1 ) 2 + (y y 1 ) 2 (7.6) Hvor d 1 er afstanden fundet med ligning (6.6), x 1 og y 1 er koordinaterne på basestationen. Vinklen Θ mellem basestationens senderetning og mobilen beregnes ud fra et estimat givet ved CG. En mere avanceret udgave bruger en iterativ metode, men det giver ikke en væsentlig forbedring i forholdet til antallet af nødvendige gennemløb. Ud fra (7.6) defineres tre cirkler A, B og C med centrum i de tre basestationer. Skæringspunktet for alle tre cirkler er mobiltelefonens placering. Da den beregnede afstand mellem telefon og basestation er forbundet med en stor usikkerhed er det usandsynligt, at de tre cirkler altid har et fælles skæringspunkt. I praksis kan cirklerne have fra seks til ingen skæringspunkter. For at estimere telefonens position skal EPM finde en løsning i alle tilfælde. EPM løser problemet ved at trække cirklerne fra hinanden parvis. Der dannes herved tre linjestykker AB, AC og BC. Linjestykket AB mellem A og B har formen: 2 x 1 x 2 x + 2 y 1 y 2 y = x y 1 2 x y (d 2 2 d 1 2 ) (7.7) Linjestykkerne er radikal-aksen for hvert par af cirkler. De tre linjestykker har samme skæringspunkt, og det er dette punkt, EPM definerer som telefonens position [12] [10]. Linjerne er vinkelret på hver af siderne i trekanten, der dannes ved at forbinde basestationerne. Linjen AC er således vinkelret på linjestykket, der forbinder basestation A og B. EPM er illustreret nedenfor på figur 37. Mobiltelefon Basestation Afstand til BTS bestemt ved 2D-ellipse Radikal akse mellem 2 cirkler AC C(x3,y3) BC A(x1,y1) (x,y) B(x2,y2) AB Figur 37. EPM. Diameteren af hver cirkel bestemmes ved 2D-ellipse metoden. Linjestykkerne AB, AC og BC fås ved parvis at trække cirklerne fra hinanden parvis. Løsningen fås ved at finde skæringspunktet mellem to af linjerne. F. eks. mellem AC og AB.

93 Kapitel 7. Metoder til positionsbestemmelse 79 Da EPM kræver tre basestationer, skal der udvælges egnede basestationer. Det ses i kapitel 2, at der kan være op til seks naboceller og op til 32 kanaler på basestationer i BA-listen. Der vil derfor oftest være væsentligt flere mulige basestationer end dem metoden kan håndtere. Pga. af EPM s virkemåde er valget af basestationer meget vigtigt. Hvis de tre basestationer ligger tæt på en lige linje, vil EPM give resultater meget langt fra basestationerne. Det ses på figur 38, at linjestykkerne AC og BC vil være parallelle, hvis basestationerne er helt på linje, og at den estimerede position (x,y) i dette tilfælde er langt væk fra basestationerne. C(x3,y3) B(x2,y2) A(x1,y1) AC BC (x,y) Figur 38. Tilfælde hvor basestationerne ligger næsten ligger på linje. Her er den udregnede position lang fra basestationerne. Hvis basestationerne er på en lige linje i planen, giver EPM ingen løsning, idet der i dette tilfælde ikke er noget skæringspunkt. EPM løser dette ved at flytte den ene basestation, men hvor meget skal den egentligt flyttes for at give et godt resultat? I eksemplet ovenfor er positionen på den rigtige side, men alt for langt fra basestationerne. En løsning her kunne være at flytte punktet tilbage langs linjen AB, indtil der skæres med cirklen for C. Junyang Zhou m.fl. foreslår en løsning, der beregner positionerne for alle kombinationer af tre basestationer. Derefter estimeres den endelige position som et gennemsnit af de fundne positioner. Det er ikke en fornuftig løsning, fordi det introducerer meget store fejlkilder. Det er ikke trivielt at udvælge basestationerne, således at dårlige løsninger fjernes. En fremgangsmåde er at sortere positioner væk, der ligger langt fra basestationerne. Grænsen for den maksimale afvigelse kan findes på baggrund af basestationstætheden i området. Nogle valg af basestationer er dog åbenlyst gode til EPM. Tilfælde hvor de tre basestationerne danner en ligebenet trekant, og hvor basestationerne retningsbestemte antenner peger ind mod trekantens midte, vil undgå løsninger, der ligger meget langt fra basestationerne. 2D-ellipsemodellen, som afstanden bestemmes ud fra, skal kende vinklen mellem basestationen og telefonen. Denne information er ikke tilgængelig, når telefonens position ikke kendes. Derfor estimeres telefonens position med CG algoritmen og herefter benyttes EPM iterativt for at estimeres telefonens position. Metoden kan både benytte nabolisten og BA-listen, hvor BA-listen vil give større sandsynlighed for at finde celler på tre forskellige master. I tilfælde, hvor der ikke kan findes tre egnede basestationer, vil metoden ikke kunne give nogen løsning. En oplagt mulighed vil dog være at give resultatet fra CG tilbage, da denne jo bruges indledningsvis til at beregne vinklen mellem basestation og mobil. Umiddelbart virker EPM mere præcis end CG pga. af, at løsninger kan placeres uden for det konvekse hylster, og fordi afstanden mellem basestation og telefon er modelleret bedre med 2D-ellipsemodellen. I Hong Kong er EPM afprøvet under samme forhold som CG, og her er resultaterne for EPM marginalt bedre

94 80 end for CG [12]. EPM har i Hong Kong en gennemsnitlig afvigelse på 285 m. Det er 36 m bedre end CG. Mærkeligt nok har EPM en bedre succesrate end CG. Begge metoder skal som minimum bruge tre basestationer. De bør efter vores overbevisning kunne give et resultat i samme tilfælde og bør derfor have samme succesrate. Da EPM ikke beskriver, hvordan optimale basestationer udvælges og en kombination af alle basestationer vil give resultater med meget store afvigelser, forventes ikke en bedre præcision ved danske forhold end ved CG. EPM har dog fordele som den gode modellering af afstanden. Flere forskellige metoder til positionsbestemmelse er beskrevet i dette kapitel. Fingeraftryksmetoderne forsøger at genkende tidligere målingerne, og kræver indsamling af et stort træningssæt for at fungere i praksis. Til gengæld har den vist gode resultater. De øvrige metoder har ikke brug for et stort datasæt og giver mulighed for at blive afviklet direkte på telefonen. Til gengæld forudsættes der informationer om basestationernes placeringer. Nogle af metoderne skal have frit udsyn til sendemasterne eller gør brug af specielle services fra netværket. Fingeraftryksmetoderne korrigerer for lokale forhold, hvilket de øvrige metoder ikke gør i samme grad. E-OTD og AOA er netværksafhængige metoder, som begge kræver ændringer af netværket. E-OTD er defineret i GSM-standarden og benytter tiden på udbredelsen af signalet som mål for afstanden. Netværket skal udstyres med en række LMU er for at kompensere for den manglende synkronisering af tid mellem basestationerne. Derudover skal E-OTD være understøttet på mobiltelefonen, hvor der skal måles tidsperioder mellem bursts. AOA måler vinklen mellem basestation og telefon. Sendemasterne skal udbygges med retningsbestemte antennearray og der skal ligeledes være frit udsyn mellem mobiltelefon og sendemasterne. Da E-OTD og AOA er netværksafhængige, vil de ikke blive afprøvet i praksis. De netværksuafhængige metoder kan implementeres uden ændringer af netværket eller mobiltelefon. Nogle af metoderne benytter signalstyrken som vægtning for at opnå en bedre nøjagtighed. Den mest simple metode, aktiv celle, benytter kun den geografiske position på basestationen for den aktive celle. Centroid benytter basestationer i flere celler, men vægter dem ikke i forhold til hinanden. CG og EPM er mere avancerede metoder, der også benytter den målte signalstyrke. Signalstyrkerne skal ifølge GSMstandarden måles og der kræves ikke yderligere udbygning af telefonnetværket. Ved brug af signalstyrken kan placeringen af telefonen estimeres på flere forskellige måder. CG og EPM bygger på en modellering af signalstyrken i forhold til afstanden. CG er den mest simple, idet den vægter signalstyrken for hver basestation med en lokal korrektionsfaktor. EPM beregner afstanden ved at bruge 2D-ellipsemodellen og benytter tre basestationer til at estimere telefonens position. Der er nogle problemer ved EPM, som viser, at den er meget følsom overfor valget af basestationer. Flere af metoderne er afprøvet i andre lande. På baggrund heraf overvejes, hvilken præcision de enkelte metoder kan give. Resultaterne kan ikke sammenlignes direkte eller umiddelbart overføres til danske forhold. Ofte er information om tætheden af basestationerne ikke opgivet, og derudover vil lokale geografiske forhold påvirke præcisionen på den fundne position. I næste kapitel afprøves de netværksuafhængige metoder under danske forhold. Dvs. aktive celle, Centroid, CG og EPM.

95 I dette kapitel evalueres nogle af metoderne fra foregående kapitel. Det er altså sandhedens time for nøjagtigheden af positionsbestemmelsen, som sker direkte på mobiltelefonen uden teleoperatørens indblanding. Den uens distribution af basestationer giver anledning til en evaluering i forskellige områder på Sjælland; i Købehavn, Roskilde og i et landområde. Målingerne inddeles i kvantitative målinger, som er foretaget i bevægelse og kvalitative der er foretaget stillestående. Først beskrives formålet med evalueringen. Derefter ses på metoden. Herunder forsøgsopstilling, logning af målinger og usikkerheder. Til sidst bliver resultaterne præsenteret og gennemgået. På er der mulighed for at afprøve forskellige metoder til positionsbestemmelse og vise statistisk for områder mm. Se den udleverede vejledning for mere information. I denne evaluering skal der ses på, hvilken nøjagtighed der i praksis kan opnås ved positionsbestemmelse ved brug af forskellige metoder. De netværksuafhængige metoder fra foregående kapitel bruger alle en eller flere oplysninger fra GSM-netværket. Mulighederne er kun at bruge den aktive celle, nabolisten med op til seks celler eller BA-listen med op til 32 celler. Der ses på, om der opnås bedre præcision ved at medtage signalstyrken og i så fald om det er bedre at bruge den nyeste måling frem for gennemsnittet af fem målinger. Aktiv celle (CC) Centroid (CT) Center of Gravity (CG) EPM Figur 39. Metoder til positionsbestemmelse. Des længere ned i pyramiden jo større kompleksitet. Figur 39 viser de netværksuafhængige metoder, der skal evalueres. Der er en stigende kompleksitet, så metoder længere nede i pyramiden kræver flere beregninger og mere viden om netværket. For at det kan betale sig at bruge en mere ressourcekrævende metode i bunden af pyramiden, skal resultatet være tilsvarende bedre. Det forventes, at de mere komplekse metoder vil have en bedre præcision. I kapitel 5 vises, at der er stor forskel på basestationstætheden i forskellige områder. Derfor må evalueringen ske i forhold til området. Det vil blive afklaret om valget af metode også bør afhænge af området. 81

96 82 Der anvendes to forskellige fremgangsmåder ved indsamling af målinger, som skal danne baggrund for evalueringen. Der foretages kvantitative og kvalitative test. Ved de kvantitative test indsamles så mange målinger som muligt og ved de kvalitative test er forholdene vedrørende afprøvningen mere kontrollerede. Ved de kvalitative målinger indsamles så meget data som muligt i en periode på 14 dage på de steder, som vi normalt færdes. Målingerne sammenlignes med den faktiske position, som bestemmes ved brug af GPS. En GPS virker udendørs og målingerne vil derfor typisk være, når vi bevæger os fra et sted til et andet. Det vil være i bil, på cykel eller gående. Da målingerne foretages i bevægelse, er der yderligere usikkerheder i forhold til den faktiske position. Det tilstræbes, at hastigheden ikke overstiger 60 km/t. Nedenstående figur 40 viser hvor der er indsamlet data for de kvantitative målinger. I alt er der 20 timers målinger, som er opsamlet med et interval på et sekund. Heraf er størstedelen foretaget i bil. Figur 40. Oversigt over steder hvor der er opsamlet logs. De røde linjer marker ruterne. Der er data ved Osted til Kirke Hyllinge, omkring Roskilde. Fra Osted til Herfølge over landet og på motorvej gennem Lellinge. Fra Roskilde til Køge og I Roskilde by. På Holbæk motorvejen fra Gevninge til København over Amager. I København er der data fra indre centrum, langs søerne, ved Universitets Parken, Vesterbro, Nørrebro og fra Nordre Fasanvej til Valby. Desuden er der data fra København til DTU i Lyngby. Fra cellmap.dk. Foruden disse kvantitative målinger foretages afprøvninger på udvalgte steder. Disse tests betegnes som de kvalitative målinger, hvor der kendes flere detaljer om forholdene, som afprøvningen er foretaget under. Der kan således bedre tage stilling til, hvilken præcision der kan forventes og beskrive forholdene, som bidrager til det opnåede resultatet. Forsøgsudstyret ses på figur 41 og består af 2 stk. GPS modtagere, 2 stk. Qtek 8310, 1 HTC S620 og 1 stk. Sony GM29 GSM-modem. Der skal altid være en GPS til at måle den faktiske position. Derfor kan der maksimalt være to telefoner eller en telefon og et GSM-modem aktiv på samme tid. Der er valgt GPSmodeller med SiRF Star III chipsæt. I skrivende stund er dette det bedste chipsæt på markedet mht. til bestemmelse af position under vanskelige forhold. Vi forventer ikke at have nævneværdige problemer med manglende GPS-modtagelse.

97 Kapitel 8. Evaluering af positionsbestemmelsen 83 Figur 41. Forsøgsudstyr. Fra venstre HTC S620, QTEK 8310, GPS, SONY GM29 modem og bærbar computer. Hertil bruges naturligvis den udviklede prototype. Prototypen måler for hvert sekund den aktive celle, naboceller og BA-listen. Derudover måles også telefonens faktiske positionen med en ekstern GPS, som er forbundet til telefonen via Bluetooth. Hver indgang i loggen markeres med et tidsstempel og et unikt id for målingen. Derudover logges telefonmodel og oplysninger fra GPS, der efterfølgende bruges til at afgøre hvor præcis beregningen er. Målinger samles i serier, som navngives med et passende navn og det noteres hvilke forhold testen er foretaget under. Eksempler på flag, der kan sættes er: I bil, i byområde, indendørs, hastighed mm. Det er meningen, at disse kriterier senere skal bruges til at afgrænse antallet af målinger. Det giver mulighed for at se på, om der f.eks. er forskel på positionsbestemmelsen i by- og landområderne. Når en måleserie er gennemført overføres den til en SQL-database, hvorfra det er muligt at afprøve de forskellige positionsbestemmelsesmetoder. De estimerede positioner sammenlignes med de faktiske positioner, som er målt med GPS, og afvigelsen bruges til at fastlægge, hvor god en metode er. Måleserierne og de forskellige oplysninger, som noteres for hver serie, kan bruges til at afgrænse den store mængde data. F. eks. er det muligt, at se på by i forhold til landområder eller målinger foretaget i bil eller uden for bil. I det generelle tilfælde vil de kvantitative målinger dog primært give en indikation af nøjagtigheden, som det ser ud i størstedelen af tiden, når vi har bevæget os fra et sted til et andet i testperioden. Unøjagtigheder ved positionsbestemmelsen kommer fra flere kilder. Herunder GPS og målinger af signalstyrken på telefonen. Målingerne evalueres med GPS målingerne. Præcisionen for GPS-målingerne ligger på ca m, afhængig af antallet af satellitter, der kan ses på det givne tidspunkt samt atmosfæriske forhold [68]. Denne præcision skal ses i forhold til nøjagtigheden, der forventes at opnås på mobiltelefonen, hvor usikkerheden i bedste fald ikke kommer under 50 m. Sker der dataopsamling i bevægelse, kan det have indflydelse på nøjagtigheden, idet GPS-målingen kan være forældet. Logges der med et interval på 1 sekund, og er hastigheden 60 km/t, så bliver usikkerheden op til 17 meter. For at minimere denne fejlkilde logges tidspunktet for målingerne og der accepteres ikke større afvigelse end 1 sekund. Derudover holdes hastigheden så vidt muligt under 60 km/t. Endvidere bruges oplysninger, som rapporteres af GPS en til at vælge målinger fra, hvor usikkerheden er stor. En måling fra en GPS indeholder værdier for, hvor præcis målingen er hhv. i det horisontale plan (HDOP), i det

98 84 vertikale plan (VDOP) samt en værdi for den samlede præcision (PDOP). Den horisontale afvigelse skal være så lille som muligt. Der kan opskrives en simpel formel for den maksimale afstand A Max som er acceptabel: A Max = P GPS HDOP (8.1) Er præcisionen P GPS 7 meter og tillades maksimalt en HDOP på 2 fås 14 meter usikkerhed. Hertil skal lægges den yderligere afvigelse, som skyldes hastigheden. Det giver i alt ca. 30 meter, som skyldes den måde data logges på. I tilfælde hvor GPS-enheden bevæger sig, vil det derfor i værste fald være muligt for GPSenheden at bevæge sig i et sekund fra målingen er foretaget til telefonen modtager og logger målingen, altså skal forskellen mellem GSP-målingen og målingen på telefonen tages med. Forskellen accepteres ikke at være mere end 1 sekund. Selv ved målinger med GPS, som sker stillestående ses udsving i positionen. Ved målinger over en time, hvor der kun ses på positioner, der har været i kontakt med minimum 8 satellitter. Her har positionen bevæget sig 21 meter langs længdegraden og 25 meter langs breddegraden. Den lavere præcision opleves typisk i byerne, hvor bygninger skygger for den frie udsigt til satellitter, der befinder sig lavt ved horisonten. Da disse satellitter ikke kan bruges, må GPS en nøjes med dem, som befinder sig højt, hvilket kan give hop i positionerne. Der er også usikkerheder forbundet med telefonerne for de estimeringsmetoder, som bygger på måling af signalstyrker. GSM-standarden tillader, at telefonens målinger af signalstyrke må afvige med til 4-6 db. Det ses ved afprøvninger, hvor telefonen har ligget stille i mange timer, at signalstyrkerne har mindre udsving end 6 db. Ved afprøvning indendørs på Vesterbro over en nat er telefonen 99,8 % af tiden på den samme aktive celle. Den målte signalstyrke har en standardafvigelse på under 0,5 dbm. Langt det meste af tiden ændrer målingerne sig ikke over 1 dbm. Det er muligt, at målingerne har en afvigelse på 6 db i forhold til den faktiske signalstyrke, men afvigelser er i dette tilfælde forholdsvis konstante over tid. Alle de testede metoder arbejder på relative værdier af signalstyrkerne, og derfor vil en konstant afvigelse ikke betyde, at metoden virker dårligere. Signalstyrken udregnes som et gennemsnit af fem målinger, hvilket kan have betydning for estimeringen. Når telefonen bevæger sig, vil der optræde målinger fra tidligere positioner i hvert gennemsnit, hvilket naturligvis introducerer en fejlkilde. På telefonen er der mulighed for at udtrække den sidst målte signalstyrke gennem BA-listen. Der er derfor mulighed for at arbejde på signalstyrken udregnet på baggrund af de fem sidste målinger og på den nyeste af de fem målinger. Der ses i afprøvningen på begge muligheder og det vurderes om den gennemsnitlige signalstyrke giver bedre eller dårligere resultater. Der ses nu på resultaterne ved evalueringen af de forskellige metoder. Metoderne sammenlignes i forskellige områder. De fleste af metoderne bliver afprøvet med gennemsnitlig signalstyrke og sidste målte signalstyrke. De afprøves både med brug af nabolisten og BA-listen. En metode som aktiv celle (CC), der ikke vægter med signalstyrke og som kun benytter den aktive celle, afprøves kun i en udgave.

99 Kapitel 8. Evaluering af positionsbestemmelsen 85 Der ses først på alle målingerne samlet og derefter på enkelte områder, fordi de lokale forhold har indflydelse på præcisionen. I afsnit er tætheden af basestationerne beskrevet for udvalgte områder. Denne information bruges nu til at vurdere om den opnåede positionsbestemmelse i disse områder er i overensstemmelse hermed. En metode som CC burde i gennemsnit have samme præcision som tætheden af sendemasterne i området. Mere avancerede metoder, som vægter med signalstyrken, forventes at have en bedre præcision. Figur 42 viser de opnåede resultater, når alle kvantitative målinger tages med. Resultaterne kan også ses i tabelform i B.1.1. Der er målinger med nabolisten og ca hvor BA-listen også er med. Ca. 55 % af målingerne er foretaget i områder, der er markeret som byområder, dvs. hovedsagligt København og Roskilde. De resterede 45 % af målingerne er foretaget i landområder. Præcisionen afhænger af området. Hvis der er flere målinger fra byområder vil præcisionen af metoderne stige, og omvendt vil præcisionen falde, hvis der er flere målinger fra landområder. meter Alle resultater samlet Gns. afvigelse 67-procentil std. afvigelse CG (11) CG (10) CG (01) CG (00) CT (01) CT (00) CC Figur 42. Alle resultater samlet. Tallene i parentes angiver om der er brugt hhv. gennemsnitsværdi eller nyeste måling for signalstyrken samt om BA-listen er brugt eller ej. Første tal angiver signalstyrken, 0 er nyeste og 1 er gennemsnittet over fem målinger. Andet tal er 0 hvis BA-listen ikke bruges og 1 hvis den bruges. Aktiv celle (CC) giver i gennemsnit en nøjagtighed på 1077 m og 67 % af alle beregningerne er afstanden til GPS-målingen under 1086 m. Det betyder, at telefonen i gennemsnit er forbundet til en basestation, som befinder sig 1077 meter væk. Standardafvigelsen er på 1149 m. Centroid (CT) giver overraskende dårligere resultat. Der er ikke væsentlig forskel mellem resultatet for CT, når BA-listen bruges eller ej. Der ses dog en lidt mindre varians, men til gengæld er middelværdien på ca meter for begge og 67-procentilen er lidt højere for CT med BA-listen. Alt i alt er CT nogle hundrede meter dårligere end CC. Center Of Gravity (CG) er som forventet den metode, der giver det bedste resultat. Over 300 meter bedre end CT i gennemsnit og 67- procentilen holder sig for alle udgaver af CG omkring de 1000 m. Hvis BA-listen bruges ses der en tendens til, at variansen er mindre, end hvis kun de syv stærkeste celler fra nabolisten bruges. For alle metoderne er succesraten næsten 100 %. EPM er ikke medtaget i oversigten, da den falder helt ved siden af. EPM giver kun et gyldigt estimat i 76 % af målingerne. Gennemsnitsafstanden og 67-procentilen er meget højere end de andre metoder. Faktisk er afstanden i gennemsnit over 6 gange større end den, som der fås ved kun at bruge den aktive celle, dvs. CC. Ses på 67-procentilen er den 5613 m, hvilket er en forbedring på ca. 1 km i forhold til gennemsnittet. Det

100 86 kunne tyde på, at der findes mange estimater, der trækker gennemsnittet op. Vores påstand er, at EPM ikke fungerer optimalt, fordi afstanden mellem de valgte basestationer spiller ind. Hvis basestationerne er tæt på en linje i planen, vil den estimerede position være meget langt fra basestationerne. I flere eksempler ses afstande helt op til 50 km. Med de resultater her, er det svært at se, hvordan EPM kan være bedre end nogen af de andre metoder, som resultaterne ellers så lovende har vist i Hong Kong [12]. Det kun CG, der forbedrer resultatet i forhold til CC. Ovenstående resultat kan være præget af hvor mange målinger, der er foretaget i landområder og i byen, som hhv. vil trække gennemsnittet op og ned. Det er derfor svært at afgøre, om resultaterne er rimelige i forhold til den teoretiske afstand for alle teleoperatører på 530 m i byområder og 2,1 km i landområder. I de næste afsnit ses på de mere specifikke områder, som også er beskrevet i afsnit Der er en teoretisk basestationstæthed for TDC på 303 m ved rådhuspladsen i København. I samme område fås følgende resultater, som ses på figur 43. Resultaterne kan også ses i tabelform i B.1.2. meter Rådhuspladsen, København Gns. afvigelse 67-procentil Std. afvigelse Teoretisk præcision CG (11) CG (10) CG (01) CG (00) CT (01) CT (00) CC Figur 43. Resultater ved Rådhuspladsen og omegn. Tallene i parentes har samme betydning, som i figur 42. CC giver i gennemsnit en afvigelse på 354 m, hvilket er lidt mere end de 303 m, som blev fundet i den teoretiske beregning i CT er en del bedre, idet den i gennemsnit giver en afvigelse på 289 m og 67 % af estimeringerne er under 325 m fra GPS-målingen. BA-listen giver heller ikke her nogen forbedring, idet afvigelserne er 31 m større. CG er marginalt bedre, hvis BA-listen bruges. Standard-afvigelsen giver en lille indikation af, at afvigelsen generelt er lidt mindre, når BA-listen bruges. Resultaterne er dog tæt på hinanden, idet der kun ca. 10 m forskel. Det kan derfor være tilfældigt, at det ene resultat er bedre end det andet. For 67 % af tilfældene for CG med gennemsnits signalstyrke og hvor de syv stærkeste celler bruges fås en position, der ikke afviger mere end 138 m i forhold til GPS-målingen. Der kan ikke vises nogen signifikant forskel mellem at bruge en gennemsnitsværdi for signalstyrken eller den nyeste målte signalstyrke. Igen har EPM en markant dårligere præcision og i 67-procentil er afvigelsen 781 m, hvilket er mere end to gange større end for CG.

101 Kapitel 8. Evaluering af positionsbestemmelsen 87 CC bekræfter, at der kan opnås en god positionsbestemmelse i områder, hvor basestationskoncentrationen er stor. CT forbedrer med 65 m og CG forbedrer med 100 m. Forbedringen ved at vægte med signalstyrke er 35 m i tæt bebyggede områder. Den lille forbedring, som også kan skyldes tilfældigheder, hænger fint sammen med afsnit 6.3, hvor der er en svag sammenhæng mellem signalstyrke og afstand i byområder. Især på de meget korte afstande mellem basestationerne ved Rådhuspladsen. Kun CG og CT uden BA-liste har en bedre præcision end den teoretiske præcision. I Roskilde ser resultaterne ud som vist på figur 44 og i tabelform i B.1.3. Den teoretiske afstand er tæt på afvigelsen, der fås ved CC på 1,1 km. meter Roskilde by Gns. afvigelse 67-procentil Std. afvigelse Teoretisk præcision CG (11) CG (10) CG (01) CG (00) CT (01) CT (00) CC Figur 44. Resultater fra Roskilde by. Tallene i parentes har samme betydning, som i figur 42. Resultaterne følger samme mønster som ved Rådhuspladsen i København. Dog er afvigelserne større pga. den lavere basestationstæthed. CG har stadig den mindste gennemsnitlige afvigelse og i 67 % af tilfældene er afvigelsen under 700 m. Her giver BA-listen ved CG en forbedring på ca. 50 m, hvilket er mere end ved Rådhuspladsen. EPM er igen markant dårligere end de andre metoder. Som ved Rådhuspladsen er CG og CT uden BA-liste i stand til at forbedre den teoretiske præcision. Her giver CG en større forbedring end ved Rådhuspladsen, det skyldes, at afstandene mellem basestationerne er større og derfor bliver vægtningen med signalstyrken afgørende. Roskilde har mere åbne områder, end der er ved Rådhuspladsen i København, derfor er der en større sammenhæng mellem afstand og signalstyrke, som det ses på figur 30. På landet forventes, at det vil være vanskeligt at bestemme positionen præcist. Nedenstående figur 45 viser resultatet. Resultaterne kan også i ses i tabelfrom i B.1.4. Alle metoderne klarer sig bedre end det teoretiske gennemsnit. Det er fordi målingerne er foretaget på vejene og ikke på markerne som udgør en stor del af arealet. Basestationerne er placeret hvor folk ofte færdes og dermed hvor målingerne er foretaget. CT og EPM klarer sig dårligere end CC. der har næsten lige

102 88 så god nøjagtighed som CG. CT og til dels CG klarer sig dårligere end i byerne, fordi der er langt mellem basestationerne. Afstanden til basestationerne bliver her så stor, at det er sværere at finde afstanden ud fra signalstyrken. På figur 30 ses, at når afstanden er over ca. 5 km i landområder bliver sammenhængen mellem signalstyrke og afstand mindre. CG giver den bedste præcision, men det er tydeligt, at tætheden af sendemasterne har stor betydning for præcisionen. meter 4000 Osted Gns. afvigelse 67-procentil Std. afvigelse Teoretisk præcision CG (11) CG (10) CG (01) CG (00) CT (01) CT (00) CC Figur 45. Resultater på landet ved Osted. Tallene i parentes har samme betydning, som i figur 42. I de tre eksempler fra Rådhuspladsen i København, i Roskilde og på landet ved Osted viser det sig, at CC giver et godt resultat i forhold til at metoden er så simpel. Den naive løsning med at placere mobiltelefonen i midten af alle synlige basestationer virker bedst i byen, men kommer i problemer i landområderne. CG er bedre, fordi der vægtes med signalstyrken og på trods af de store udsving i sammenhængen mellem signalstyrke og afstand er det bedre end at udelade signalstyrken som faktor. Indtil nu har der ikke været nogen forbedring ved at bruge den nyeste måling af signalstyrken og gennemsnitsmålingen synes derfor at være velegnet. Udover de kvalitative målinger, hvor telefon og GPS bevæger sig, er der lavet stillestående målinger. Det giver mulighed for helt præcist at udpege positionen på et kort, og er derfor ikke afhængig af præcisionen på GPS-enheden, idet der ikke er usikkerheder, som følge af bevægelser under målingen. Derfor fjerner de kvalitative målinger mange af usikkerhederne ved de kvantitative målinger. De kvalitative målinger er lavet i København og ved Osted over en kortere periode. Udover den øgede præcision og bedre forhold giver de kvalitative målinger mulighed for at se på hvor stabil positionsbestemmelsen er over tid. Der ses på, hvor meget den estimerede position bevæger sig gennem en måleserie. Hvis signalstyrkerne ændrer sig, vil den estimerede position med de fleste af metoderne også ændre sig. Der vides fra afprøvning i 8.2.3, at signalstyrken ikke ændrer sig nævneværdigt over en nat. Der ses nu på, om det også er tilfældet for en kortere periode i byområder om dagen, hvor der er flere trafikanter, som kan påvirke målingerne.