GSM puhelimen paikannus

1.11.1999

Jouko Berndtson
Automaatio- ja systeemitekniikan osasto
Teknillinen korkeakoulu
jberndts@cc.hut.fi

Tiivistelmä

GSM puhelimen paikannuksella tulee olemaan merkittävä asema tulevaisuuden matkapuhelipalveluissa. Paikannus lisää hätäpuhelun soittajan turvallisuutta ja mahdollistaa esim. WAP-palveluiden alueelliseen räätälöintiin. Puhelimen paikannus voidaan suorittaa joko erityisellä paikantimella, kuten GPS-järjestelmä tai tukiasemaverkon avulla. Verkon avulla tapahtuva paikannus perustuu puhelimen lähettämän signaalin suunnan ja/tai etäisyyden arviointiin. Verkkoon perustuvan paikannuksen etuna on yhteensopivuus nykyisen tekniikan kanssa, toisaalta haittapuolena on toistaiseksi huono tarkkuus verrattuna esim. GPS-paikannukseen.

1 Johdanto

2 Paikannustekniikat

3 Paikannusalgoritmit

3.1 Suunnan estimointiin perustuvat menetelmät

3.2 Etäisyyden estimointiin perustuvat menetelmät

1 Johdanto

Useissa tulevaisuuden langattomissa tiedonsiirtoverkoissa palvelun tilaajan paikantaminen on keskeinen ongelma. Paikkatietoa tarvitaan esimerkiksi hätätapauksissa, varastettujen ajoneuvojen paikantamisessa, kuljetusten ohjaamisessa (logistiikka), liikennevirtojen analysoinnissa ja palveluiden maantieteellisessä profiloinnissa (paikkariipuvat WAP-palvelut, esim. luettelo lähistön ravintoloista).

Yhdysvalloissa tulee vuonna 2001 voimaan laki, joka edellyttää, että 67% kannettavien puhelimien puheluista tulee voida paikallistaa 125m:n tarkkuudella [2].

2 Paikannustekniikat

GSM-puhelimen paikannus voidaan toteuttaa useilla eri tekniikoilla. Erilaiset tekniikat on esitetty lyhyesti viitteessä [1], joka tosin painottaa Yhdysvalloissa käytössä olevia tekniikoita. Osa tekniikoista perustuu yleisiin navigointimenetelmiin, osa langattomaan puhelinverkkoon ja osa kuljetuslogistiikassa käytettyihin ratkaisuihin. Alla on lueteltu lyhyesti käytössäolevat tekniikat.

Global Positioning system eli GPS-tekniikka on laajalle levinnyt navigointijärjestelmä, se perustuu Yhdysvaltain puolustuministeriön paikannussateliitteihin, ja toimii käytännössä kaikkialla maapallolla. Siviilikäytössä olevilla GPS-järjestelmillä päästään noin 100m:n resoluutioon, tosin pienillä modifikaatioilla jopa 1cm:n resoluutio on mahdollinen. GPS paikannuksen tarkkuus riippuu ajan määrityksen tarkkuudesta, GPS signaalin voimakkuudesta ja paikallisesta maastosta. GPS-paikannus perustuu signaalin kulkuajan laskentaan (time-of-arrvial, TOA) ja edellyttää erittäin tarkkoja kelloja sekä vastaanottimessa että lähettimissä. GPS vastaanottimen sijainti ratkaistaan kahden tai kolmen sateliitin lähettämien signaalien kulkuajoista lasketuista etäisyyksistä. GPS-tekniikan hyödyntäminen edellyttää GPS-vastaanottimen integroimista GSM puhelimeen. Integroitavan GPS-vastaanottimen hintaa ja kokoa voidaan laskea siirtämällä ajanmääritys ja laskenta puhelimesta verkon ominaisuudeksi.

Loran C on myös Yhdysvaltain puolustuministeriön ylläpitämä paikannusmenetelmä, joka toimii lähinnä Yhdysvalloissa. Loran C perustuu hyperboliseen kolmipistemittaukseen, ja sillä on samat tarkkuusrajoitukset kuin GPS:llä.

Signpost Navigation tekniikka perustuu suureen määrään yksikertaisia radiolähettimiä, jotka on asennettu esimerkiksi teiden varsille. Lähetinsignaalin voimakkuus ilmaisee vastaanottimen aseman suhteessa lähettimeen. Menetelmä toimii hyvin pienissä kaupungeissa, ja on alunperin suunniteltu analogisille puhelimille.

Global Navigation Satellite System (GLONASS) on Venäjän hallituksen sateliittipaikannushanke, joka on hyvin lähellä GPS-tekniikkaa. GLONASSin synkronointiperiodi on vain 1/3 GPS:n periodista, joten GLONASSin keskimääräinen vasteaika on huomattavasti GPS:ää nopeampi ja siksi GLONASS on erittäin kilpailukykyinen GPS:än kanssa. GPS:n ja GLONASSin yhdistäminen tarjoaa erittäin mielenkiintoisia mahdollisuuksia paikannustarkkuden parantamiseen.

Automatic vechile monitoring (AVM) tai toiselta nimeltään location and monitoring services (LMS) -tekniikka on kehitetty suurten automäärien hallintaan. Järjestelmän tyypillinen sovellutus on varastettujen autojen jäljitys.

Cellular geolocation -tekniikka perustuu solukkotukiasemien käyttöön, joten se on suoraan sovellettavissa olemassoleviin GSM verkkoihin. Cellural geolocation tekniikkaa on testattu mm. CAPITAL-projektin yhteydessä Yhdysvalloissa. Solukkopohjaisia paikannusjärjestelmiä on lisäksi käytössä Etelä-Afrikassa ja Ruotsissa [3,4].

3 Paikannusalgoritmit

GSM puhelimen paikannus voi perustua joko yksipuoliseen tai monenkeskeiseen menetelmään. Yksipuolisessa menetelmässä paikka lasketaan vastaanottimessa, esimerkkinä GPS. Monenkeskeisissä menetelmissä paikka määritetään verkon tukiasemissa, kuten esimerkiksi solukkotekniikoissa. Monenkeskeisten menetelmien etuna on asiakkaiden pienemmät laitekustannukset ja mahdollisuus hydyntää jo olemassaolevaa kalustoa. Useimmat paikannusalgoritmi perustuvat joko radiosignaalien suunnan tai etäisyyden arviointiin, tai näiden yhdistelmään [1,5]. Myös hahmontunnistuksessa käytettyjä stokastisia malleja on testattu [2].

3.1 Suunnan estimointiin perustuvat menetelmät

Angle of arrival (AOA) tai toiselta nimeltään direction of arrival (DOA) -menetelmässä pyritään määrittämään radiolähettimen (GSM puhelimen) suunta tukiaseman suhteen. Tyypillisesti suunta mitataan kolmessa tukiasemassa, jolloin lähettimen paikka estimoidaan kahden suuntakulman avulla. Suuntakulma on se kulma, joka muodostuu mittattavan GSM puhelimen ja kahden tukiaseman välille. Suuntakulmia on hyvä olla vähintään kaksi, koska häiriöt ja radiosignaalien eteneminen useita reittejä pitkin heikentää mittaustarkkuutta.

DOA menetelmä tarvitsee toimiakseen suuntaavat tukiasemien antennit, jotka koostuvat matriisista useita antenneja. Antennimatriisi toimii hilan tavoin, jolloin eri antenneista saatavien signaalien välillä on vaihesiirto, joka riippuu tulevan radiosignaalin suuntakulmasta. Toimiakseen menetelmä edellyttää antennielementtien olevan keskenään tarkasti samanlaisia, jotta antennien omat vahvistukset, vaihesiirrot ja kohina eivät tuhoa mittausta. Antennirakennelman lisäksi menetelmä käyttää hyväksi spatiaalitason suodatuksia ja maximum likelhood (ML) menetelmiä eliminoidakseen heijastuneiden signaalien aiheuttamat häiriöt.

3.2 Etäisyyden estimointiin perustuvat menetelmät

Radiosignaalien etäisyyden arviointiin on käytössä useita menetelmiä: voidaan mitata signaalin voimakkuutta, signaalin kulkuaikaa (TOA, time of arrival) tai useiden signaalien kulkuaikojen erotuksia (TDOA, time difference of arrival). Mainituista menetelmisä TDOA näyttää lupaavimmalta vaihtoehdolta GSM:n paikannukseen. Signaalin voimakkuuteen perustuvat menetelmät kärsivät erityisesti maaston aiheuttamista vaimennuksista, TOA menetelmän heikkous on laitteistovaatimukset; TOA:ssa GSM puhelimeen tarvittaisiin GPS paikanninta vastaava tekniikka, eli tarkkuuskello.

TDOA:ssa puhelimen paikka määritetään vastaanottamalla puhelimen signaali vähintään kolmessa eri tukiasemassa. Jokainen tukiasema on varustettu tarkalla kellolla ja signaalin saapuessa ei asemille, ne vertaavat keskenään signaalin saapumisaikoja. Kahden tukiaseman saapusmisaikojen erotuksista voidaan laskea tukiasemakeskiset hyperboloidit, joilla puhelin sijaitsee. Puhelimen paikka saadaan kahden hyperboloidin leikkauspisteen määrittelyllä, johon tarvitaan siis kolme tukiasemaa. Menetelmän etuna on sen soveltuminen sellaisenaan nykyisiin tukiasemajärjestelmiin. Haittapuolena on vaatimus GSM puhelimen signaalin vastaanottamisesta kolmella eri tukiasemalla samanaikaisesti, nykyisissä verkoissa tämä ei rajoitetun kuuluvuuden takia ole aina mahdollista.

TDOA-menetelmä kärsii samoista ongelmista, kuin DOA:kin. Mittaustarkkuutta rajoittaa kohina, radiosignaalien eteneminen useita reittejä pitkin ja maaston esteet. Heijastuneiden signaalien elminoimiseksi käytetään yleisesti korrelaatianalyysiä. Korrelaatioanalyysissä signaalien tuloaikojen erotus ratkaistaan konvoluutiointegraalin avulla, menetelmä on yhtenevä maximum likelihood estimaatin kanssa. Konvoluutiointegraalin antama aika-arvio on sitä tarkempi, mitä pidempi on näytteenottoaika. Useissa sovellutuksissa konvoluutiotulot lasketaan Fourier avaruudessa, koska signaalit Fourier muunnetaan suodatusta varten jokatapauksessa.

Kun tarkka TDOA aikaestimaatti on laskettu, täyttyy menetelmässä vielä ratkaista puhelimen paikka hyperbolisten yhtälöiden ratkaisuna. Helpoin menetelmä hakea ratkaisua on linearisoida yhtälöt Taylorin sarjaksi, myös muita menetelmiä on käytössä.

Sekä TDOA että DOA menetelmät vaativat toimiakseen kolmen tai usemman tukiaseman kuuluvuuden. Tästä johtuen on kehitetty vaihtoehtoisia paikannusmenetelmiä, jotka perustuvat vain yhden tukiaseman kuuluvuuteen. Hahmontunnistukseen perustuva Hidden Markov Model (HMM) on eräs tallainen mentelmä [2]. Hahmontunnistusmenetelmää on käytetty maantiellä liikkuvan puhelimen paikannukseen.

3.3 Muut menetelmät

Markov mallit ovat tilastollisia malleja, joissa on graafin mukaisesti määriteltyjä tiloja ja siirtymätodennäköisyyksisä eri tilojen välille. Menetelmän ideana on rakentaa statistisia malleja eri tukiaseman alueilta vastaanotetuille signaaleille. Mallissa ajatellaan puhelimen liikkuvan esimerkiksi auton mukana, ja malli kuvaa tukiaseman vastaanottaman signaalin tehoa liikkeen funktiona eri tieosuuksilla. Mallin pohjalta identifioidaan signaalia lähettävän puhelimen tila, eli puhelimen paikka. Mallia rakennettaessa voidaan huomioidan esim. kunkin tieosuuden tyypilliset nopeudet. Malliparametrit identifioidaan kokeellisesti. Menetelmä ei sovellu paikallaan olevan tai hitaasti liikkuvan puhelimen tunnistamiseen, joten esimerkiksi jalankulkijan puhelimen paikannus ei onnistu.

Kaikki edelläkuvatut menetelmät ovat lisäksi tehottomia katvealueilla, eli alueilla, joissa mitattaussignaalia ei ole saatavilla. Ongelman ratkaisemiseksi on esitetty erityyppisten gyrojen ja / tai kiihtyvyysantureiden asentamista puhelimiin. Esimerkiksi anturivalmistaja VTI-Hamlin on suunnitellut piistä rakennettavan yksidimensioiden mikrogyron, joka pystyy aistimaan liikkeitä [6]. Anturi perustuu oskilloivaan pii-massaan, jonka oskillaatio häiriintyy liikkeistä vastaavaan tapaan kuin oikean gyron pyörimisliike reagoi liikkeeseen. Gyroja / kiihtyvyysantureita käytettäessä puhelimen liikkeet voitaisiin estimoidan katvealueissa ja paikka voitasiin tarkasti päivitää aina kun mittaussignaali on saatavilla. Mikrogyrot mahdollistavat lisäksi puhelimiin erittän tarkan kompassin, joten paikkatiedon lisäksi voitaisiin tarjota täydelliset navigointitiedot käyttäjälle.

4 Yhteenveto

Kuten alussa todettiin Yhdysvaltain viranomaisten asettamat paikkatietovaatimukset tulevat voimaan jo vuonna 2001. Lainsäädäntösyyt pakottavat kehittämään nopealla aikataululla suhteellisen tarkkoja paikannusmenetelmiä. Ensimmäiset paikannusmenetelmät ovat tällähetkellä kokeiluasteella, ja pohjautuvat jo olemassaolevaan puhelintekniikkaan. Luvussa 2 mainitut Etelä-Afrikkan ja Ruotsin paikannusjärjestelmät ovat kummatkin Ericssonin toimittamia.

Etelä-Afrikkaan rakennettu GSM-paikannusjärjestelmä on suunniteltu lähinnä varastettujen autojen jäljittämistä varten, siksi paikannuksen tarkkuusvaatimukset eivät ole yhtä suuret, kuin Yhdysvaltain
lainsäätäjät ovat ajatelleet. Ruotsissa Tukholman alueella kokeiluasteella oleva järjestelmä on tarkoitettu auttamaan mm. hätäpuheluiden paikallistamisessa, joten tarkoituksena lienee kehittää järjestelmää Yhdysvaltain tarkkuusvaatimusten mukaiseksi. Ericssonin järjestelmän tarkkuudesta oli erittäin hankalaa löytää tietoja, eräiden arvioiden mukaan tämänhetkinen paikannustarkkuus on noin 300 - 1000 m [7].

Tulevaisuudessa uskon paikannusmenetelmien jakautuvan kahteen ryhmään: nyt kehitteillä oleviin halpoihin, mutta kohtuullisen epätarkkoihin menetelmiin ja huipputarkkoihin GPS/gyro -pohjaisiin mentelmiin. Huipputarkoille menetelmille tulee uskoakseni tarvetta erilaisissa automaatio- ja turvasovellutuksissa, eikä niinkään normaaleissa kännyköissä.

Lähdeluettelo

Lähteet 1-5 ovat kotitehtävän 1 mukaisia, lähteet 6 ja 7 ovat uusia.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]
[7]

Rappaport, T.S., Reed, J.H., Woerner B.D., Positon Loaction Using Wireless Communications on Highways of the Future, IEEE Communications Magazine, Oct. 1996.
Mangold S., Sofoklis K., Applying Pattern Recognition Techniques based on Hidden Markov Models for Vehicular Position Locationin Cellular Networks, VTC1999-Fall, 50th IEEE Vehicular Technology Conference, September19-22,1999,Amsterdam,TheNetherlands.
[viitattu 20.9.1999]
< http://www.sinta.uts.edu.au/VTC99.pdf >
Mobile telephone networks MTN, Ericsson's new mobile positioning system uses standard GSM phones, 31.8.1999. [viitattu 20.9.1999]
< http://cellular.co.za/news_ericsson_find.htm >
Technor International, The CellPoint Technology goes into the SIM card, 1998.
[Viitattu 20.9.1999]
< http://www.technorinc.com/en/simcard.html >
Villier, E., Lopes, L., Ludden, B., Performance of a handset-assisted positioning method for GSM, IEEE Vehicular Technology Conference, Vol. 3, May 16-May 20 1999.
TEKESI:n Presto-seminaari, Euro Congress Center, Helsinki 29.9.1999.
Svender, M., Skoog, M., Vaks H., Hjalmarsson H., Mobile Access Personal Presence, Technical, 24.4.1999. [viitattu 1.11.1999]
< http://fingerfs.ssvl.kth.se/~2g1303/projects/mapp/technical.html >

Lisätietoja

Alla lyhyt luettelo niistä tehtävässä yksi löydetyistä viitteistä, joita ei käytetty tässä esseessä.

Drane, C., Survey of GSM Positioning,

Suppea linkkilista GSM paikannuksen teknistä julkaisuista. Vitatut julkaisut ovat varsin tieteellisiä ja
painottuvat algoritmipuoleen. Referenssi ei itsessään tarjoa juurikaan tietoa, mutta pidän sitä hyvänä listana alan tutkimuksiin.

Drane, C., Macnaughtan, M., Scott, C., Positioning GSM telephones, IEEE Communications Magazine Vol. 36, Num. 4, Apr 1998 IEEE.

Arittikkelissa analysoidaan paikoituksen kannalta tärkeitä GSM signaalien osia. Artikkeli on algoritmipainotteinen ja tieteellinen.

Fischer, S., Grubeck, H., Kangas, A., Koorapaty, H., Larsson, E., Lundqvist, P., Time of arrival estimation of
narrowband TDMA signals for mobile positioning, IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio
Communications, PIMRC Vol. 1, Sep 8-11 1998

Artikkeli tarkastelee aikamääritykseen (TOA, Time of Arrival) ja tulokulmaan (LOS, line of sight) perustuvaa paikanmääritystä, joka huomio myös signaalien etenemisen useita eri reittejä. Artikkeli on algoritmipainotteinen ja tieteellinen.

Fischer, S., Koorapaty, H.,Larsson, E.,Kangas, A., System performance evaluation of mobile positioning methods, IEEE
Vehicular Technology Conference Vol. 3, May 16-May 20 1999.

Artikkeli esittelee simulointimentelmiä GSM-paikannuksen tutkimiseen. Simulointiparametreina käytetään esim. kanavamalleja, mittaustekniikoita ja laskentamenetelmiä. Mielenkiintoinen artikkeli, näkökulma melko laaja, mutta teoreettinen.

Gaspard, I., Engel, T., Position assignment in digital cellular mobile radio networks (e.g. GSM) derived from
measurements at the protocol interface, IEEE Vehicular Technology Conference, Vol. 2, May 4-7 1997.

Viitteessä tutkitaan kentän voimakkuuden estimaatin hyväksikäyttöä GSM-puhelimen paikantamisessa, tutkimustuloksia on verrattu GPS paikannuksen tuloksiin. Artikkelin on algoritmipainotteinen ja tieteellinen.

Hellebrandt, M., Mathar, R., Scheibenbogen, M., Estimating position and velocity of mobiles in a cellular radio network,
IEEE Transactions on Vehicular Technology Vol. 46, Num. 1, Feb 1997.

Viite kertoo signaalivoimakkuuden arviointiin perustuvastavasta paikannusmenetelmästä. Ideana on käyttää tilastollista skaalausta (MDS, multidimensional scaling) paikantamisessa ja lineaarista regressiota nopeuden estimoimiseen. Tulokset on testattu simuloimalla. Artikkeli on algoritmipainotteinen ja tieteellinen. En pidä artikkelia kovin kiinnostavana, koska vastaavia on runsaasti tarjolla.

Krizman K.J., Biedka T.E., Rappaport, T.S., Wireless position location: fundamentals, implementation strategies, and
sources of error, IEEE Vehicular Technology Conference, 1997, Vol. 2.

Viitteessä kerrataan lyhyesti eri paikantamismenetelmiä ja esitellään RF-paikanmäärityksen periaatteita ja
virhelähteitä. Käsittelytapa on hieman Rappaportin [1] paperia teoreettisempi.

Pent, M., Spirito, M.A., Turco, E., Method for positioning GSM mobile stations using absolute time delay
measurements, Electronics Letters Vol. 33, Num. 24, Nov 20 1997 IEE.

Viitteessä esitellään Kalmansuotimeen perustuva kolmikantamittausmenetelmä GSM puhelimien paikantamiseen. Artikkeli on algoritmipainotteinen ja tieteellinen.

Sterzbach, B., Halang, W. A., Mobile vehicle on-board computing and communication system, Computers & Graphics
(Pergamon) Vol. 20, Num. 5, Sep-Oct 1996 Elsevier Science Inc.

Artikkeli kuvaa DuO GSM-puhelimen paikannusjärjestelmää, joka perustuu GPS-tietoon. Näkökulma on käyttöliittymä ja grafiikkapainotteinen, GPS:n käyttö lisää artikkelin mielenkiintoa.

Zhao, W., Tafazolli, R., Evans, B.G., Positioning assisted intersegment handover for integrated GSM-satellite mobile
system, IEE Conference Publication 424, May 13-15 1996.

Viite esittelee GSM- ja ICO (intemediate circular orbit) puhelimen yhdistelmän, joka käyttää sateliittisignaaleja paikanmääritykseen. Viite on mielenkiintoinen vastapaino muille viitteille, mutta eksoottisen toteutuksensa takia tuskin kovin merkityksellinen.