Positionering i GSM-n atv erk - DiVA portal24042/... · 2008. 7. 7. · till Ericsson Mobile...

Positionering i GSM-nätverk

Examensarbete utfört i Datatransmission

av

Patrik Persson

LiTH-ISY-EX--07/3881--SE

Linköping 2007

Examensarbete


av

Patrik Persson


Handledare : Systemarkitekt Anders PerssonSystemarkitekturvid R2Meton AB

Examinator : Universitetslektor Danyo DanevInstitutionen för systemteknikvid Linköpings universitet

Avdelning, Institution

Division, DepartmentDatum

Date

Spr̊ak

Language

4 Svenska/Swedish

2 Engelska/English

2

Rapporttyp

Report category

2 Licentiatavhandling

4 Examensarbete

2 C-uppsats

2 D-uppsats

2 Övrig rapport

2

URL för elektronisk version

ISBN

ISRN

Serietitel och serienummer

Title of series, numberingISSN

Titel

Title

Författare

Author

Sammanfattning

Abstract

Nyckelord

Keywords

Merparten av de kommersiella system för mobilkommunikation somfinns och byggs i världen idag bygger fortfarande p̊a GSM, antaletabbonnenter är över 2 miljarder. För att utöka funktionaliteten medmobila terminaler har det forskats p̊a att införa positionering i GSM-nätverk.

Tjänster som använder abbonnentens positionsinformation kallasLocation Based Service och de ger möjlighet att utöka funktionalite-ten och spara användaren av tjänsten arbete.

Rapporten beskriver olika tekniker för positionering och slutsatsenatt CGI-TA är den teknik som positioneringen ska byggas p̊a. Dennateknik finns tillgänglig hos de svenska operatörerna idag och för attkommunicera med dem används Mobile Location Protocol 3.0.0.

Implementation av positioneringen realiserades i en J2EE-miljö i formav en WebLogic Server 8.1 med hjälp av Enterprise Java Beans ochJava Connector Architecture. Prototypen verifierades med hjälp av enemulator till Ericsson Mobile Positioning System som klarar av atthantera Mobile Location Protocol 3.0.0.

ISY,Institutionen för systemteknik581 83 LINKÖPING

2007-01-25

—


—

http://www.ep.liu.se/exjobb/isy/2007/dd-d/3881/

2007-01-25

Positioning in GSM Networks


Patrik Persson

positionering, GSM, J2EE, JCA, MPS, MLP, CGI-TA

http://www.ep.liu.se/exjobb/isy/2007/dd-d/3881/

Sammanfattning

Merparten av de kommersiella system för mobilkommunikation som finnsoch byggs i världen idag bygger fortfarande p̊a GSM, antalet abbonnenterär över 2 miljarder. För att utöka funktionaliteten med mobila terminalerhar det forskats p̊a att införa positionering i GSM-nätverk.

Tjänster som använder abbonnentens positionsinformation kallas Loca-tion Based Service och de ger möjlighet att utöka funktionaliteten och sparaanvändaren av tjänsten arbete.

Rapporten beskriver olika tekniker för positionering och slutsatsen attCGI-TA är den teknik som positioneringen ska byggas p̊a. Denna teknikfinns tillgänglig hos de svenska operatörerna idag och för att kommuniceramed dem används Mobile Location Protocol 3.0.0.

Implementation av positioneringen realiserades i en J2EE-miljö i formav en WebLogic Server 8.1 med hjälp av Enterprise Java Beans och JavaConnector Architecture. Prototypen verifierades med hjälp av en emulatortill Ericsson Mobile Positioning System som klarar av att hantera MobileLocation Protocol 3.0.0.

Nyckelord : positionering, GSM, J2EE, JCA, MPS, MLP, CGI-TA

iv

Tack

Under arbetet med mitt examensarbete har följande personer hjälpt migoch varit p̊a ett eller annat sätt delaktiga och förtjänar ett omnämnande.Anders Persson som varit min handledare p̊a R2Meton AB och kunnatsvara p̊a fr̊agor inom implementationen och även sett till att styra arbeteti rätt riktning.Danyo Danev min examinator fr̊an ISY vid Linköpings Universitet somexaminerar mitt examensarbete.Samtliga säljare p̊a R2Meton AB som varit ett stort stöd vid diskussionernakring resultatet.Ansvariga för positioneringssystemen vid de svenska operatörerna Telia,Tele2/Comviq och Telenor samt ansvarig för positionering vid SOS Alarm.Sara, Claes och alla andra som lyssnat p̊a mina idéer och tankar, bra somd̊aliga, och inspirirerat med nya synsätt. Samtliga förtjänar ett tack.

vi

Inneh̊all

1 Introduktion 1

1.1 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Problembeskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.6 Ordförklaringar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Ordlista 5

3 Bakgrund 7

3.1 Nödsamtal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.1 Mobilsamtal till 112 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2 Location Based Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.1 LBS och GIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.2 LBS-komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.3 LBS-typer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.4 Deltagare i LBS-system . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2.5 Integritet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2.6 Betalning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3.1 Teknikbeskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3.2 Nätverksstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Base Transciever Station . . . . . . . . . . . . . . . . 16

vii

Base Station Controller . . . . . . . . . . . . . . . . 16Subscriber Identity Module . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4 Positioneringsmetoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4.1 Mobilbaserad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4.2 Nätverksbaserad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4.3 Mobilassisterad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4.4 Fr̊an mätning till position . . . . . . . . . . . . . . . 18

Radiell - Radiell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Vinkel - Radiell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Hyperbolisk - Hyperbolisk . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.4.5 Synkronisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.5 Positioneringstekniker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5.1 Signalstyrka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Path loss model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Skuggning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Övriga faktorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.5.2 Signal Strength Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.5.3 Time of Arrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.5.4 CGI-TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.5.5 Närhetsbestämning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5.6 Angle of Arrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5.7 Time Difference of Arrival . . . . . . . . . . . . . . . 283.5.8 Assisted GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4 Analys 31

5 Systemleverantörer och mobiloperatörer 33

5.1 Systemleverantörer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1.1 Ericsson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2 Mobile Location Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.2.1 Standard Location Immediate Request . . . . . . . . 355.2.2 Standard Location Immediate Answer . . . . . . . . 36

5.3 Operatörer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.3.1 Telia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.3.2 Telenor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.3.3 Tele2/Comviq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

viii

5.4 Operatörsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6 Systemdesign 39

6.1 Plattform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.3.1 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7 Sammanfattning 43

7.1 Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.2 Framtida arbete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

A Design - UML 45

A.1 Ericsson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46A.2 Common . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47A.3 Entiteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48A.4 Session . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49A.5 Sekvensdiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

B Lag och Ordning 51

Litteraturförteckning 52

ix

Kapitel 1

Introduktion

Denna rapport förklarar bakgrund och metoder kring positioneringstek-niker i GSM-nätverk och hur ett system för positionering realiseras i enJ2EE-miljö.

Sedan lanseringen av GSM har antalet abbonnenter ökat stadigt ochgör s̊a fortfarande, i dagsläget beräknas antalet abbonnenter i världen varafler än 2 miljarder.

1.1 Syfte

Syftet med examensarbetet är att utvärdera möjligheterna att skapa enunison tjänst i en J2EE-miljö för att positionera mobila enheter i ett GSM-nätverk. Bakom examensarbetet st̊ar R2Meton AB som vill utvärdera dessamöjligheter för att utöka deras mobila plattform och deras erbjudande tillsina kunder.

1.2 Problembeskrivning

Många av de affärs- och integrationssystem som utvecklas i dagsläget re-aliseras ofta i en J2EE-miljö. Fördelen med detta är att designen är stan-dardiserad, av SUN Microsystems, och att standarden är öppen. Korrekt

1

implementerad ger J2EE-system ocks̊a väldigt bra skalbarhet och stabili-tet. Typiskt är att systemen ska klara fler än hundra anrop per sekund därsvarstiden är begränsad p̊a förhand till under en viss gräns, oftast l̊angtunder en sekund. Dessa system är ocks̊a ofta väldigt driftskritiska vilketinnebär att förlusten av dem skulle innebära stora förluster för organisa-tionen.

För att kunna driftsätta ett affärssystem byggd p̊a denna standard krävsen applikationsserver, container, som ger applikationen en miljö att leva i.En leverantör av J2EE-containrar är BEA Systems som är en av de storaaktörerna med sin WebLogic Server. Eftersom licenser för container ochkostnaden för utveckling och drift av systemen är höga är det ofta storaorganisationer och företag som produkterna riktar sig till.

R2Meton AB har en av sina huvudsakliga sysselsättningar inom utveck-ling av integrationssystem p̊a BEAs WebLogic Server och har sen tidiga-re en mobilitetsplattform där de försökt realisera olika mobila tjänster iWebLogics J2EE-miljö. R2Meton ser p̊a den växande marknaden för mo-bila system och tjänster som en stor möjlighet. Ett omr̊ade som beräknasbli stort framöver är lokaliseringsbaserade tjänster som dessa bygger p̊aatt inneh̊allet i tjänsten utformas efter abonnentens position. För att kun-na bygga in detta i en J2EE-miljö krävs en metod som kan positioneraabonnenter i ett GSM-nät.

I Sverige samarbetar i dagsläget inte mobiloperatörerna när det gällerpositionering av mobila enheter i sina GSM-nät. Detta innebär att detkrävs vetskap om vilken operatör en användare har för att fr̊aga dennadirekt efter abbonnentens position. Detta är ett av problemen som skalösas inom examensarbetets ramar. Det krävs ocks̊a en utredning av hurkommunikationen med de olika operatörerna ska ske för att ställa fr̊agorom mobiltelefoners position.

1.3 Metod

Arbetet börjar med att först göra en förstudie för att kontrollera dagslägetför positionering av mobila enheter. Om det visar sig vara n̊agot som ärkonkret genomförbart, fortsätter arbetet genom litteraturstudier av olikamättekniker för positionering av mobilstationer samt vidare metoder för

hur mätningar kan omvandlas till positionsangivelser.Under arbetets g̊ang kommer ocks̊a intervjuer med SOS Alarm, för att

f̊a information kring deras satsning p̊a mobil positionering, och personerhos de svenska operatörerna Telia, Tele2/Comviq och Telenor göras

När tillräckligt med information om situationen för positionering tagitsfram börjar arbetet med att designa och ta fram den prototyp som arbetetska resultera i.

1.4 Mål

Målet med examensarbetet är att ta fram en prototyp realiserad i en J2EE-miljö av tjänst som kan positionera mobila enheter i ett GSM-nätverk oav-sett vilken operatör som de mobila enheterna är knutna till.

Detta innebär en utredning av positioneringstekniker och vilka av dessatekniker som stöds av systemleverantörerna idag. Sedermera ska ett APIför externa parter till ett s̊adant system designas och slutligen en prototypsom kan göra positionsbestämning av mobila enheter i ett GSM-nätverk.Denna prototyp ska utvecklas p̊a plattformen WebLogic Server 8.1.

1.5 Avgränsningar

Prototypen ska visa att de teoretiska resultaten kan realiseras i en J2EE-miljö. Detta innebär att systemet inte behöver ha den prestanda, skalbar-het, tillgänglighet, övervakning, feltolerans och andra drift- och förvalt-ningsaspekter som krävs av ett kommersiellt system.

1.6 Ordförklaringar

I rapporten används följande termer och här beskrivs deras innebörd

• Mobilstation en mobil enhet i ett tr̊adlöst nätverk

• Mobiltelefon en mobil enhet i ett GSM-nätverk

Kapitel 2

Ordlista

Detta kapitel inneh̊aller de förkortningar som används i rapporten.

Förkortning Förklaring

2G Andra generationens mobilnät3G Tredje generationens mobilnät

A-GPS Assisted Global Positioning SystemAOA Angle of ArrivalBSC Base Station ControllerBTS Base Transciever Station

CGI-TA Cell Global Identity - Timing AdvanceEIS Enterprise Information SystemEJB Enterprise Java Bean

E-OTD Enhanced Observed Time DifferenceEPSG European Petroleum Survey Group

GIS Geografiska informationssystemGMLC Gateway Mobile Location CenterGMPC Gateway Mobile Positioning CenterGMSK Gaussian Minimum Shift Keying

GSM Global System for Mobile Communications (Groupe Spécial Mobile)HLR Home Location Register

Fortsätter p̊a nästa sida

5

Förkortning Förklaring

HTTP Hyper Text Transfer ProtocolHTTPS Secure HTTP

IMSI International Mobile Subscriber IdentityJ2EE Java 2 Enterprise EditionJCA Java Connector Architecture

JML-API Java Mobile Location - Application Programming InterfaceJSP Java Server PagesLBS Location Based Service

LMU Location Measurement UnitLTP Location Technology ProviderMLP Mobile Location ProtocolMPS Mobile Positioning System

MSISDN Mobile Station Integrated Services Digital NetworkNO Network Operators

RPLMN Registered Public Land Mobile NetworkRTD Real Time DifferenceSIM Subscriber Identity ModuleSIR Signal Interference Ratio

SLIA Standard Location Immediate AnswerSLIR Standard Location Immediate Request

SMPC Service Mobile Positioning CenterSP Service Providers

SRI System Request InterfaceSSL Secure Socket Layer

TDMA Time Division Multiple AccessTDOA Time Difference of Arrival

TOA Time of ArrivalXML Extensive Markup Language

Kapitel 3

Bakgrund

Kapitlet ger en bakgrundsbeskrivning till examensarbetet.

3.1 Nödsamtal

I Sverige ska SOS Alarm under hösten 2006 börja utföra tester av en tjänstsom utifr̊an larmsamtal gjorda fr̊an mobiltelefoner räknar ut och bestämmeren position för den som ringer till SOS Alarm, 112. Bakgrunden till detta ären rapport fr̊an EU som beskriver hur situationen i Europa ser ut med detgemensamma 112-numret och vissa aspekter kring implementationen av ens̊adan tjänst, samt den nya Lag om elektronisk kommunikation däroperatörerna ska “i den m̊an det är tekniskt genomförbart, tillhandah̊alladen som mottar nödsamtal lokaliseringsuppgifter”.

Med teknikens framsteg och introduktionen av mobiltelefoni har nyamöjligheter uppkommit för att underlätta hanteringen av nödsamtal. 2003beräknas tv̊a tredjedelar av Europas inv̊anare ha minst en mobiltelefon. Isamband med detta s̊a antogs operatörer vilja fylla sina nät med nya formerav tjänster för att kunna öka sina intäkter, en av dessa tjänster förutsp̊asvara lokaliseringstjänster.

De öppnare gränserna som till̊ater folk att resa fritt har resulterat i attöver 90 miljoner av Europas inv̊anare reser utomlands inom Europa varje

7

år. Det finns siffror som visar att 65 % av dessa känner sig osäkra p̊a resanoch att m̊anga av dessa som behöver ringa ett nödsamtal inte vet var de ärs̊a kraven p̊a räddningsmyndigheterna ökar framgent.

Kombinationen av dessa tv̊a fakta har lett till att myndigheter p̊a in-ternationell niv̊a har arbetat fram ett förslag för att kunna hjälpa sinamedborgare inom EU genom att positionera dem när de ringer ett samtaltill 112. [1]

3.1.1 Mobilsamtal till 112

I Europa kommer det in ungefär 40 miljoner samtal till larmcentraler underett år bara fr̊an mobiltelefoner som är riktiga larmsamtal, totalt kommerdet in ungefär 185 miljoner samtal och ungefär hälften av dem är riktiga. Inästan 10 % av fallen förlorar räddningsmyndigheterna tid i uttryckningeneftersom olycksplatsen har positionerats fel av den som ringde. Utöver dettakan myndigheterna i 5 % av fallen inte ens skicka n̊agra räddningsarbetareeftersom ingen positionsangivelse har angetts överhuvudtaget. [1]

P̊a svenska SOS Alarm ansvarar Nils-Erik Norin för införandet av po-sitioneringssystemet. Han uppger att de jobbat med detta systemet i fleraår och att arbetet nu kommit s̊a l̊angt att gränssnitt mellan SOS Alarmoch operatörerna är klart. Det som återst̊ar är att teckna ett avtal meddem. Ett problem med systemet är att det endast är Telia som i dagslägethar ett aktivt positioneringssystem i Sverige vilket d̊a begränsar möjlighe-ten att positionera nödsamtalen till SOS Alarm eftersom operatörerna intesamarbetar inom positionering.

I framtiden tror Nils-Erik att positioneringen kommer bli kommersielloch att den d̊a kommer finnas hos aktörer som Eniro1. När s̊a sker kommerutvecklingen drivas framåt och fler operatörer kommer aktivera positione-ringen i sina nät när de först̊ar hur de kan räkna hem vinsterna. När s̊a skerkommer SOS Alarm f̊a möjlighet att positionera fler av de samtal som detar emot. Nils-Erik förutsp̊ar ocks̊a att möjligheten att kunna positionerasvid nödsamtal och p̊a s̊a sätt öka sin egen säkerhet är n̊agot som människorkommer ha i bakhuvudet när de köper mobiltelefoner i framtiden. [2]

1www.eniro.se, som redan idag erbjuder positionsbaserade tjänster. Red. anm.

3.2 Location Based Service

Att bara bestämma en mobilstations position har i sig inget värde för varesig slutkund eller operatör av det mobila nätverket. Det som behövs föratt kunna g̊a vidare är en tjänst som utnyttjar informationen och tillförytterligare värde. Den tjänst som utnyttjar positionsinformationen som enparameter kallas en Location Based Service och definieras som

LBS:er är informationstjänster tillgängliga via mobila enheter genom

det mobila nätverket nyttjande möjligheten att använda positionen av den

mobila enheten [3]Ur ett historiskt perspektiv är inte LBS n̊agot nytt som kom med upp-

finningen av mobila telefoner. Med definitionen ovan räknas även trafiksig-naler som ger masskommunikation eller post it-lappar som kommunicerarmed en enskild individ. Den stora skillnaden mellan dessa historiska LBS:eroch de som kommer idag är att dagens tjänster har tv̊avägskommunikation.Användaren av en LBS kan förmedla till tjänsten information om sin kon-text och tjänsten kan tillsammans med positionsinformationen skapa ettunikt inneh̊all. Ett exempel p̊a detta är en tjänst som visar de närmasterestaurangerna som tillsammans med en preferens för grekisk mat visar allanärliggande grekiska restauranger.

Ett antagande som görs är att LBS i dagsläget inte ska kunna användasom en mobiltelefon lämnar en operatörs nät och överg̊ar i en samarbets-partners nät, vilket kan ske om abonnenten lämnar landet.

3.2.1 LBS och GIS

LBS har vissa likheter med Geografiska Informationssystem (GIS) för b̊adakan ge svar p̊a fr̊agor som

• Var är jag?

• Vad är nära mig?

• Hur kan jag komma till. . . ?

Det som skiljer dem åt är dels deras ursprung men ocks̊a deras mål-grupper. GIS har funnits och utvecklats länge och är till för expertanvän-dare. GIS kräver dessutom omfattande datorberäkningar. LBS däremot är

utvecklat som begränsade tjänster för stora icke-expertgrupper. LBS ärocks̊a kraftigt begränsade p̊a grund av att de oftast har tillg̊ang till liteberäkningskapacitet, sm̊a displayer och kort batteritid. [3]

3.2.2 LBS-komponenter

För att kunna utnyttja en LBS krävs följande fem infrastrukturelement

• Mobilstation verktyg för användaren för att kunna begära informa-tion

• Kommunikationsnätverk nätverket som överför användardata fr̊anmobilstationen till tjänsteoperatören och sedan överför svaret igen

• Positioneringskomponent för att genomföra tjänsteanropet m̊as-te användarens position bestämmas. Positionen kan bestämmas tillexempel genom att använda det mobila nätet eller GPS

• Tjänste- och applikationsleverantör tjänsteoperatören erbjuderen mängd olika tjänster till användaren och är ansvarig för att be-handla tjänsteförfr̊agningen

• Dataleverantör tjänsteoperatörer behöver inte ha tillg̊ang till allinformation som användaren vill ha tillg̊ang till (kartor, adresser),därför måste en dataleverantör finnas som kan tillhandah̊alla detta

3.2.3 LBS-typer

Det finns tre olika typer för positioneringstjänster, push, pull och sp̊arning.Pull-tjänster tillhandah̊aller information som begärts direkt av använ-

daren, snarlikt att anropa en webbsida genom att skriva in dess adress.Pull-tjänster kan i sin tur delas in i tv̊a olika kategorier, funktionella, t.ex.att beställa en taxi, och informationstjänster, var finns den närmaste ki-nesiska restaurangen. Noterbart är att genom att använda tjänsten s̊a geranvändaren tillst̊and till att dess position bestäms.

Push-tjänster tillhandah̊aller information som antingen inte är begärdeller indirekt begärd av användaren. Skillnaden är allts̊a att informationinte begärs av användaren utan av tjänsteleverantören. I dessa fall måste

användaren ge sitt tillst̊and till tjänsteleverantör för att skicka informatio-nen till användarens mobilenhet. Dessa kan aktiveras av en aktivitet, somatt användaren kommer in i ett speciellt omr̊ade eller att en timer aktive-ras. Ett exempel p̊a en push-tjänst skulle kunna vara en daglivvarukedjasom en g̊ang i veckan samlar in erbjudanden fr̊an alla butiker och sen bero-ende p̊a vad deras registrerade kunder befinner sig vid en specifik tidpunkt,skickar ut den närmsta butikens erbjudande.

Sp̊arningstjänster som den tredje tjänsten g̊ar ut p̊a att n̊agon, per-son eller tjänst, begär information om en mobilenhets position. P̊a sammasätt som tidigare s̊a krävs det här att den sp̊arade har gett tillst̊and föratt bli sp̊arad. Detta skulle kunna användas inom industrier som har väl-digt dyr utrustning i form av maskiner och fordon. Genom att placera enmobiltelefon i fordonet kan eventuella stölder upptäckas genom att sp̊aramobiltelefonen och larma om den lämnar ett specifikt omr̊ade.

Tjänster som bygger p̊a dessa typer är enkla att implementera när ope-ratören ocks̊a är tjänsteleverantören och tjänsterna erbjuds till kunder i detegna nätet. Dock s̊a kräver LBS att operatörerna kan samarbeta sinsemel-lan b̊ade nationellt och internationellt. För att LBS ska sl̊a kan en jämförelsemed SMS göras som är helt operatörstransparent. Efter att detta infördess̊a växte marknaden för SMS explosionsartat. [4]

3.2.4 Deltagare i LBS-system

Vid anrop till en LBS s̊a ing̊ar flera olika aktörer i kedjan för att hanteraalla delar i tjänsten. Dessa illustreras i figur 3.1. I mitten finns tjänsten,LBS:en, till vilken det finns tv̊a kopplingar, till slutanvändaren och tillleverantörslagret.

Slutanvändaren delas upp i tv̊a kategorier, mobila användare som skapositioneras, targets, och användare som begär information om positioner,requestors. Naturligtvis kan slutanvändaren vara b̊ada target och requestorsamtidigt.

Det nedre lagret delas upp i fyra delar med Location Technology Provi-ders, LTP, Network Operators, NO, Regulators, Reg, och Service Providers,SP.

LTP är tillverkare av h̊ardvara och mjukvara som möjliggör positione-ring av mobila enheter. Vissa tekniker kräver stora ändringar av b̊ade ut-

Figur 3.1: Deltagare i LBS-system

rustning i näten och de mobila terminalerna vilket leder till stora problemmed att kunna använda tjänsterna transparent oberoende av operatör.

NO är företag med infrastruktur för GSM-system. NO är de enda somhar möjlighet att göra den reella positioneringen. Deras främsta uppgift äratt skydda sina abonnenter fr̊an olovligt användande av deras positionsin-formation.

Reg är ansvariga för att sätta upp lagar och regler som riktlinjer för hurLBS:er ska implementeras för att användas lagligt, här är naturligtvis denstora fr̊agan integritet för slutanvändaren och hur denna ska skyddas.

SP skapar och tillhandah̊aller LBS:er som i sin tur använder NO föratt f̊a fram positionsinformationen. SP är allts̊a företag som implementerartjänstelogiken och användargränssnitten.

När en SP begär information om positionen för en abonnent s̊a skickar

den en begäran till en operatörs Gateway Mobile Location Center, GMLC,i ett nätverk som den väljer själv. Valet av nätverk som förfr̊agan ska skickatill kan baseras p̊a ett antal olika faktorer till exempel

• Nationalitet

• Avtal med andra nätverksoperatörer

• Tillgänglig information om abonnenten

Det finns tv̊a olika sätt att f̊a fram vilken GMLC som ska fr̊agas. Detförsta sättet g̊ar ut p̊a att utrustningen i det nätverk där mobiltelefonenbefinner sig använder mobiltelefonens identitet, MSISDN. Denna informa-tion skulle sedan kunna användas som nyckel vid en uppslagning i en da-tabas som mappar informationen till mobiltelefonens hemnätverk och dessGMLC.

Den andra metoden g̊ar ut p̊a att fr̊aga abonnentens hemnätverks lo-kaliseringsregister, HLR, genom att använda SRI för meddelandetjänstereller SRI för lokaliseringstjänster, för att f̊a fram mobilenhetens internatio-nella abonnent-id, IMSI. IMSI inneh̊aller information om vilken land- ochnätverkskod som mobilenheten tillhör och kan användas för att f̊a tillg̊angtill en databas för att f̊a fram targets hemnätverks GMLC [4].

3.2.5 Integritet

Positionsintegritet är ett komplext ämne, speciellt när target växlar mellanolika nät. I dagsläget s̊a beh̊aller operatörerna abonnentdata, s̊asom po-sition, inom sitt eget nät men när LBS lanseras fullt ut och användarenförväntar sig att kunna bli positionerad i andras nät, kommer abonnentin-formation vandra mellan olika nät. Det finns lagar som reglerar hur dettag̊ar till men dessa varierar fr̊an land till land. Det kommer krävas att opera-törerna kommer överens och meddelar sina riktlinjer för standardiseringenav LBS.

N̊agra av de riktlinjerna som getts för integriteten av positionerings-tjänster är att identiteten av target (MSISDN) skall göras anonym tilltjänsteoperatören om detta önskas. Användarens identitet ska ocks̊a au-tenticeras, vilken metod som används beror p̊a hur kopplingen fr̊an använ-daren ser ut (användarnamn/lösenord, certifikat, PIN) Användaren ska ha

kontroll över vem eller vilka applikationer som f̊ar positionera dem. Använ-darens ska informeras om när de positioneras

Ytterligare ett förslag till utökad integritet är att användaren kan be-gränsa noggrannheten av positioneringen. En applikation f̊ar exakta koordi-nater medan en annan bara f̊ar namnet p̊a staden där användaren befinnersig

3.2.6 Betalning

Det är viktigt att klargöra hur betalning kommer att g̊a till eftersom fleraparter är inblandade, operatörer, tjänsteleverantörer och slutligen kunder,i LBS:er.

Först är det viktigt att skilja mellan betalningen för positionsinforma-tionen och betalningen för tjänsten. Om positionsinformation blir, som ilikhet med till exempel SMS, operatörsobundet; s̊a kommer operatörernaantagligen ta betalt av varandra för positionsinformationen och de kom-mer även ta betalt av tredjepartsleverantörerna av tjänsten för positions-information. Ett krav som d̊a kan ställas är att positionsinformationen detillhandah̊aller ska kunna användas i en LBS.

Slutanvändaren som i sin tur använder LBS:en kommer att f̊a betalatill tjänsteleverantören för att täcka kostnaderna för positionsinformationensom tjänsteleverantören måste betala till operatören.

Det finns ocks̊a möjlighet att slutanvändaren inte betalar för positions-informationen utan att tjänsteleverantören använder tjänsten som en kon-kurrensfördel gentemot andra aktörer p̊a tjänsteleverantörens marknad ocherbjuder tjänsten gratis till slutanvändarna. Detta innebär att tjänsteleve-rantören m̊aste finna tjänster som innebär intäkter fr̊an andra h̊all för attkunna finansiera positioneringen eftersom nätverksoperatörerna fortfaran-de kommer att ta betalt av tjänsteleverantören som begär positionsinfor-mationen.

Vilket pris som ska tas ut för tjänsten kan bygga p̊a ett antal olikaparametrar för b̊ade vad som begärs och vad som levereras, vilken kvali-té tjänsten har när det gäller precision och svarstid och hur gammal denaktuella positionen är när den levereras [4]

3.3 GSM

GSM st̊ar för Global System for Mobile Communication. Standarden förGSM kom 1990 och hade föranletts av ungefär 10 års arbete i olika former.Bland annat hade en tävling mellan olika förslag p̊a tr̊adlösa kommuni-kationssystem h̊allits i Paris 1987 och systemet som gick segrande ur dentävlingen l̊ag sedan till grunden för det som sedan blev den första standar-den 1990. Detta kapitel ger en kort introduktion till GSM-protokollet samtlite information om dess tillämpningar.

3.3.1 Teknikbeskrivning

GSM är ett cellulärt nät vilket innebär att mobilstationer kopplar upp sigtill nätet genom att söka efter celler i den närmsta omgivningen. Syste-met arbetar i fyra olika frekvensomr̊aden, de flesta system i 900 MHz eller1800 MHz. Vissa länder, som till exempel U.S.A. och Kanada använderGSM i 850 MHz och 1900 MHz eftersom de andra tv̊a frekvensbanden varupptagna när systemet skulle införas.

I 900 MHz-systemen används frekvenserna 890 - 915 MHz för upplänkoch frekvenserna 935 - 960 MHz används till nedlänk. Dessa 25 MHz delassedan upp i 124 bärfrekvenskanaler som skiljer varandra med 200 kHz. Ti-me Division Multiple Access används sedan för att skapa åtta subkanalerför varje frekvenskanal. Dessa åtta subkanaler skapar sedan en TDMA-frame. Datatakten i en frekvenskanal är 270,833 kbit/s och en frame är4,615 ms l̊ang. GSM använder Gaussian Minimun Shift Keying, GMSKför att skapa en kontinuerlig fas frekvensmodulering. Detta reducerar deninterferens som den aktuella kanalen ger upphov till i de närliggande kana-lerna eftersom hopp i faskaraktäristiken ger upphov till stor utbredning aveffekten i frekvensplanet.

Det finns fyra olika niv̊aer av celler beroende p̊a deras storlek, makro-,mikro-, pico- och paraplyceller. Vilken storlek en cell ska ha beror p̊a vilkettyp av omr̊ade som cellen implementeras i. Makroceller kännetecknas av attbasstationens antenn installeras p̊a en mast eller byggnad för att f̊a fri siktovanför hus och andra hinder. Mikroceller har basstationer med en höjd somunderskrider takhöjd och används i tätortssammanhang. Picocellerna ärsm̊a och de har en diameter p̊a ett tiotal meter, de används oftast inomhus

i de fall där utomhusantenner inte n̊ar. Paraplyceller används för att täckaskuggade omr̊aden där de större makro- eller mikrocellerna inte n̊ar frammed sina signaler. En makrocell ska enligt standarden klara av en radiep̊a 35 km förutsatt att det finns fri sikt och att antennen placeras ovanförhinder. [5]

3.3.2 Nätverksstruktur

Ett GSM-nät best̊ar av väldigt m̊anga komponenter och endast de som äraktuella för positioneringen kommer att diskuteras här.

Base Transciever Station

Base Transceiver Station, BTS, inneh̊aller utrustningen för att sända ochta emot radiosignaler (transceiver), antenner och utrustning för att skötakryptering och dekryptering med Base Station Controller, BSC. För alltannat än en picocell s̊a har BTS flera transcievers för att kunna hanteraflera olika frekvenser och olika sektorer av samma cell om det är en sekto-riserad cell. En BTS sköts i all väsentlig mening av en BSC [6]

Sektorisering Genom att använda riktade antenner i en basstation däralla pekar i olika riktningar s̊a är det möjligt att sektorisera basstationens̊a att flera mindre omr̊aden, som ocks̊a kallas celler, betjänas av sammabasstation. I ett praktiskt exempel skulle dessa antenner ha en siktbredd p̊a65 till 85 grader. Genom att göra p̊a detta sätt s̊a ökas trafikkapaciteten ibasstationen (varje frekvens kan ha åtta talkanaler) utan att för den sakensskull nämnvärt öka interferensen mellan celler. Vanligt är att tv̊a antennertäcker samma sektor och har d̊a tio eller fler kanaler mellan sig. [6]

Base Station Controller

Base Station Controller, BSC, tillhandah̊aller intelligensen och logiken bakomen BTS. En BSC kan ha fr̊an 10 och upp till 100 BTS som den kontrol-lerar. Det den hanterar är saker som allokering av radiokanaler, tar emotmätningar fr̊an mobiltelefoner, hand over fr̊an en BTS till en annan BTS.En väsentlig del av BSC:s arbete är att samla ihop m̊anga l̊agkapacitets

kanaler mellan BSC och BTS:er och skapa färre högkapacitets kopplingarmot Mobile Switching Center.

All information om sajternas bärv̊agsfrekvenser, frekvenshoppningslis-tor, signalstyrkelistor och annat lagras i BSC [6]

Subscriber Identity Module

SIM är en unik identitet som varje mobilstation i ett GSM-nät har. Identi-teten lagras p̊a SIM-kortet och läses sedan in i mobilen. Denna informationsäger helt enkelt vilket telefonnummer som kopplas till den aktuella mobil-telefonen. Detta innebär ju ocks̊a att det i GSM g̊ar att byta mobilstationutan att för den sakens skulle byta identitet [5]

3.4 Positioneringsmetoder

Det finns tre metoder att använda för positionering, nätverks- och mobil-baserad samt mobilassisterad.

3.4.1 Mobilbaserad

I mobilbaserad positionering är det mobilstationen som tar emot signalerfr̊an basstationerna för att räkna ut och bestämma den egna positionen,tekniken kallas självpositionering. Att beräkna positionen i mobilstationeninnebär ocks̊a att basstationernas koordinater m̊aste förmedlas till mobil-stationen för att användas i beräkningarna. En fördel med mobilbaseradpositionering är att det skalar väldigt bra med antalet användare i systemeteftersom varje ny användare i systemet själva tillför den beräkningsh̊ard-vara som krävs för positioneringen i form av den egna mobilstationen. [7]

3.4.2 Nätverksbaserad

Vid nätverksbaserad positionering s̊a är oftast mobilstationen en passivenhet förutom i det fall d̊a den måste skicka ut en kontrollsignal som nät-verksenheter ska ta emot och behandla p̊a n̊agot sätt. En fördel med dennametod för positionering är att teoretiskt kan alla mobilstationer positione-ras. Den uppenbara nackdelen med systemet är att det kommer f̊a problem

med att skala med antalet användare i systemet som vill bli positionera-de. I början av ett kommersiellt positioneringssystem är det fullt möjligtatt systemet bara m̊aste göra en eller tv̊a mätningar med tillhörande posi-tioneringsberäkningar men ett kommersiellt system måste kunna hanterapotentiellt flera hundra samtidiga användare och d̊a kan den tillgängligah̊ardvaran bli begränsande.

För slutanvändaren innebär nätverksbaserade system ocks̊a ett potenti-ellt integritetsproblem när deras position bestäms och eventuellt lagras p̊autrustning som användaren inte har tillg̊ang till och inte kan kontrollera.[7]

3.4.3 Mobilassisterad

I mobilassisterade system s̊a utför mobilstationen mätningar som liggertill grund för avst̊andsberäkningar. Detta kan till exempel vara signalstyr-ka som i vissa tillämpningar är ett m̊att p̊a avst̊andet. Dessa mätningartransporteras sedan till en enhet i nätverket som är ansvarig för att gö-ra beräkningar av positioner. En fördel med denna metod är att det inteskapar onödig trafik i näten eftersom mobilstationen bara behöver skickaöver de mätningar den gjort när den vill bestämma sin position. Ytter-ligare en fördel som denna metod har är att den för över de omfattandepositionsberäkningarna bort fr̊an den begränsade mobilstationen med liteprocessorkraft och ändlig energitillg̊ang (batteritid) till en plattform som ärmycket mer lämpad för ändam̊alet i nätverket. Metoden skalar ocks̊a väl-digt bra med antalet användare eftersom varje ny användare som vill blipositionerad utför en stor del av arbetet själv genom att mäta de signalersom det underliggande systemet bygger p̊a. [7]

3.4.4 Fr̊an mätning till position

Baserat p̊a den teknik och mätning som gjorts av olika variabler s̊a kanett antal olika metoder användas för att omvandla data till positionsinfor-mation. I teorin kan alla tänkbara kombinationer av mätningar och datablandas för att ge ett positionsresultat men i praktiken används vissa kom-binationer oftare än andra vilket beror p̊a hur cellulära nät fungerar ochvilka mätningar som finns tillgängliga.

Radiell - Radiell

Radiell-radiellsystem är de system som använder flera avst̊andsmätningarför att bestämma positionen genom att hitta en punkt där ett antal cirku-lära kurvor skär varandra. Eftersom tv̊a cirklar kan skära varandra, vilketär mer regel än undantag, i tv̊a punkter krävs minst tre mätningar föratt kunna göra en otvetydig positionsbestämning. I teorin är den aktuellapositionen där de tre kurvorna skär varandra men i praktiken kommer detre kurvorna inte skära varandra i samma punkt. Algoritmer som försökerpositionera enligt radiell-radiell metod kan d̊a söka den punkt som bästöverensstämmer med alla tre cirklarna.

Radiell-radiellmetoder har föreslagits för GSM-systemet. Idén är att ut-nyttja Timing Advance-informationen hos mobilstationerna, som ser till attsynkronisera sändningarna av signaler fr̊an mobilstationerna s̊a att de ham-nar i rätt tidslucka hos basstation. Timing Advance är allts̊a ett m̊att p̊ahur l̊angt fr̊an basstationen som en mobilstation befinner sig som beräknasav GSM-protokollet. [8]

Vinkel - Radiell

Vinkel-radiellsystem kombinerar avst̊ands- och vinkelmätningar för att be-räkna en mobilstations position. En fördel med detta är att det endastbehövs en basstation inblandad för att kunna mäta de variabler som krävsför att göra en positionsbestämning. Vinkelbestämning kan göras enbartmed hjälp av vilken cell mobilen är inkopplad p̊a eller med hjälp av meravancerade antenner som beskrivits i tidigare kapitel.

Avst̊andsmätningarna kan sedan göras med hjälp av antingen signal-styrka som beskrivits tidigare eller med hjälp av tiden det tar för signalenatt g̊a fr̊an basstation till mobilstation och tillbaka till basstation.

Avst̊andsmätningen genererar sedan en cirkel kring mobilstationen ochvinkelmätningen säger i vilken riktning en linje kan dras fr̊an basstationen,där linjen sedan skär cirkeln positioneras mobilstationen. [8]

Hyperbolisk - Hyperbolisk

Eftersom basstationer och mobila stationer inte delar samma klocka betyderdet att en TOA-mätning, Time of Arrival, inte kan användas direkt för att

göra en avst̊andsbedöming. Däremot s̊a kan flera mätningar tillsammanseliminera mobilstationens offset och därefter kan mobilstationens positionbestämmas.

I ett scenario kommer signaler fram till en mobilstation fr̊an tv̊a spati-alt separerade basstationer vars klockor är synkroniserade. Mobilstationenmäter d̊a TOA av dessa tv̊a signaler och kan sedan, genom att differen-tiera dessa tv̊a och med kunskap om de tv̊a basstationernas positioner,bestämma en hyperbolisk kurva som markerar alla giltiga punkter sommobilstationen kan befinna sig p̊a, vilket d̊a förutsätter att mätningarna ärfelfria. I detta scenario är det differentieringen av de tv̊a mottagna signaler-na som eliminerar mobilstationens interna klocka vilket eliminerar behovetav att synkronisera mellan mobil- och basstation. Se kapitel 3.5.7 för merinformation om detta.

Med ytterligare en TOA-mätning där ankomsttiderna av signaler fr̊anen tredje basstation tillsammans med en signal fr̊an en av de tv̊a tidigaregenereras ytterligare en hyperbolisk kurva. Nu kan mobilstationens positionbestämmas till den punkt där de tv̊a hyperboliska kurvorna skär varandra.

Tekniker där synkroniseringen finns tillgänglig i nätet och mobilstatio-nen mäter flera mottagna signaler fr̊an flera basstationer kallas i cellulä-ra nät för downlink positioning system eller nedlänk positioneringssystem.Exempel p̊a s̊adana tekniker är till exempel Enhanced Observed Time Dif-ference, Observered Time Difference of Arrival och Advanced Forward LinkTrilateration.

Om scenariot istället vänds och mätningarna av en mobilstations sig-nals ankomsttid istället sker p̊a ett flertal olika geografiska platser i nätetkallas tekniken istället för Uplink TOA eller Uplink TDOA. Här ställs ocks̊akrav p̊a att de noder i nätet som gör mätningarna m̊aste vara synkroni-serade. Precis som tidigare måste minst tre mätstationer vara inblandadeför att kunna eliminera mobilstationens förskjutningen mellan mobilstatio-nens interna klocka som bestämmer när kontrollsignalerna skickas ut ochklockorna i nätet som är synkroniserade med varandra.

I fallet med ett nedlänk positioneringssystem s̊a kommer signalen fr̊anbasstation A och basstation B tas emot av mobilstationen. Skillnaden iTOA mellan de tv̊a signalerna fr̊an basstationerna definierar en hyperbo-lisk kurva som är symmetrisk kring den raka linjen som förbinder de tv̊abasstationerna. Samma egenskaper gäller för den hyperboliska kurva som

skapas mellan till exempel basstation B och basstation C. Skärningen mel-lan de tv̊a hyperboliska kurvorna markerar mobilstationens position, noterad̊a att eventuella fel i mätningarna kommer förvanska beräknad position ijämförelse med riktig position.

Vissa fall ger ocks̊a upphov till att de tv̊a kurvorna skär varandra i merän en punkt vilket d̊a innebär att ytterligare en mätning av en TOA måstegöras hos en fjärde basstation. En fjärde basstation kan inte bara användasför att ta bort eventuella dubbla resultat av positioneringen utan kan ocks̊abidra till att minska osäkerheten i en skattning av positionen.

Detta scenario bygger p̊a antagandet att positioneringen sker i ett tv̊a-dimensionellt plan, det vill säga jordens yta. Om detta inte skulle vara falletbildar istället tv̊a TOA-mätningar en hyperboloid. I s̊adana fall krävs fyraTOA-mätningar för att kunna göra en tredimensionell positionsbestämningoch fem krävs för att utesluta eventuella multipla resultat.

Det är möjligt att bestämma en mobilstations position genom att an-vända TOA utan att differentiera dem sinsemellan. Det är möjligt att an-vända TOA-mätningarna som observationer och sedan lösa ett icke-linjärtekvationssystem med optimeringstekniker för positionsangivelsen och deninterna klockans offset. Genom att göra p̊a detta sätt är det lätt att sevarför det krävs tre signaler fr̊an basstationerna när lösningen söks i etttv̊adimensionellt plan, systemet inneh̊aller tre obekanta, latitud, longitudoch tidförskjutningen. En fördel med en s̊adan metod är att med kännedomom att en av signalerna är mer noggrann tidsmässigt än de andra kan dennaviktas högre med statistiska modeller för att p̊a s̊a sätt öka noggrannhe-ten i positionsangivelsen. Samma gäller naturligtvis i det tredimensionellafallet där fyra mätningar krävs för variablerna latitud, longitud, höjd ochtidförskjutning. [8]

3.4.5 Synkronisering

I beskrivningen av teknikerna tidigare förutsattes att mätstationerna i upp-länksfallet och basstationerna i nedlänksfallet hade med varandra synkro-niserade klockor. Det skulle vara ekonomiskt möjligt att tillhandah̊alla engemensam klocka för mätstationerna i upplänksfallet till exempel genomGPS är det inte realistiskt genomförbart att idag synkronisera alla bassta-tioner i ett asynkront nät som GSM till en noggrannhet som skulle krävas i

nedlänksystemen, ner till en tiondel av en nanosekund. Som en konsekvensav detta finns det i ett nedlänks TDOA-system förutom en tidförskjutningmellan mobil- och basstationerna även en tidförskjutning mellan basstatio-nerna. Dessa skillnader benämns Real Time Differences, RTD.

Det genomförbara billigare alternativet till att synkronisera samtligabasstationer i ett GSM-nät är en process som kallas pseudosynkronisering.Detta innebär att istället för att hela tiden minska skillnaderna i tid mellanbasstationerna mot noll s̊a mäts i stället skillnaderna och kompenseras förnär de används i beräkningar.

Detta löses genom att p̊a kända fasta platser placera ut nedlänksmot-tagare, motsvarande en s̊adan som skulle finnas i den mobilstation som skapositioneras. Dessa gör samma mätningar som en mobilstation skulle hagjort, men eftersom deras position är känd och därmed även avst̊andet tillbasstationerna, vilket ger propageringstiden av signalerna, kan basstatio-nernas förskjutningar sinsemellan bestämmas. [8]

3.5 Positioneringstekniker

Det finns ett antal olika föreslagna tekniker för att positionera mobila enhe-ter. Dessa presenteras här och slutligen görs en utvärdering av teknikernaför att f̊a fram en lämplig metod som kan användas vid implementationenav ett positioneringssystem.

3.5.1 Signalstyrka

Signalstyrkan som mottas av radiomottagaren varierar beroende p̊a denposition som radiomottagaren har (förutsatt att sändarens position är fast).I frirymd, med en antenn som sänder uniformt i alla riktningar varierarsignalstyrkan mellan sändaren och mottagaren som en avtagande funktionav avst̊andet.

I ett cellulärt nätverk som undersöks här finns denna egenskap att sig-nalstyrkan minskar med avst̊andet mellan mobil- och basstation kvar, där-emot tillkommer många andra faktorer som varierar signalstyrkan runt denavtagande trenden som kommer av avst̊andet. Det finns tv̊a olika metoder

för att använda signalstyrkemetoder för att kunna göra positionsbestäm-melser och b̊ada har funnits med ungefär lika länge som cellulära nätverk.

Path loss model

Path loss beskriver hur den utsända signalen förlorar styrka under tidenden färdas vägen mellan mobil- och basstation, vilket sker analogt i b̊adariktningarna. Den effektförlust som sker benämns just path loss. Med kun-skap om detta kan en modell som bygger p̊a detta tas fram för att beskrivavad som händer när avst̊andet mellan mobil- och basstation ökar. De somförst föreslog en s̊adan modell var Okamura och Hata 1980. [9]

Om den mottagna signalens styrka mäts och med kännedom om denutsända signalens styrka kan den aktuella signalförlusten, path loss, beräk-nas och jämföras med den aktuella modellens karaktäristik för att ge ettavst̊and mellan mobil- och basstation som signalen har färdats. Som i andrafall ger detta bara en radie p̊a en cirkel där mobilen befinner sig, metodenkan inte bestämma i vilken riktning fr̊an bas- som mobilstationen befinnersig i.

I de allra flesta fall finns det dessutom andra faktorer än bara avst̊andetsom p̊averkar mottagen signalstyrka. [9]

Skuggning

Skuggning, eller shadowing, är det fenomen som beskriver vad som händernär hinder som till exempel byggnader befinner sig mellan sändare ochmottagare. Här spelar en mängd faktorer in som den relativa höjden mellansändare och mottagare, vilken typ av hinder det är samt v̊aglängden p̊asignalen.

Hur skuggning p̊averkar den mottagna signalstyrkan representeras of-ta olika beroende vilken typ av tillämpning som är aktuell. Den enklasterepresentationen är en slumpmässig log-normal distribuerad additiv termöverlagd medelförlusten av path loss i det aktuella omr̊adet. Om µ50 ärmedelförlusten i signalstyrka p̊a ett avst̊and r fr̊an sändaren, s̊a modellerasden observerade förlustens distribution xdB : s täthetsfunktion p̊a sammaavst̊and som

f(xdb) =1√

2πσdbe−(xdb−µ50)

2/(2σ2dB

)

Storleken p̊a skuggningsförlusten kan variera men kan antas vara i stor-leksordningen 4 - 10dB. [9]

Övriga faktorer

Detta kapitel beskriver tv̊a andra faktorer som p̊averkar den mottagna sig-nalstyrkan.

Snabb fädning

Snabb fädning är en annan slumpmässig additiv term till path loss somuppst̊ar som interferens mellan olika kopior av samma signal som kommerfram till mottagaren. Även detta modelleras som en slumpmässig variabelenligt en Rayleigh eller Riciansk distribution beroende p̊a om det finns endominerande mottagen signal (fri sikt) eller inte. [9]

Fysiska hinder

Andra fysiska hinder som att vandra in i en byggnad eller sätta sig i en bilhar ocks̊a visat sig p̊averka den mottagna signalstyrkan. Detta kan p̊averkastyrkan p̊a den mottagna signalen med s̊a mycket som upp till 10dB. [9]

3.5.2 Signal Strength Map

Ytterligare ett sätt att angripa problemet p̊a bygger p̊a idén att variatio-nen i den mottagna signalstyrkan främst är beroende av positionen men förkomplext för att bara modellera med en funktion beroende av avst̊andet.En lösning skulle d̊a kunna vara att skapa en databas med signalstyrkevär-den som indexeras av positionen. Detta skulle kräva att genomföra storamätningskampanjer för att fylla i databasen medan det i vissa fall kan an-vändas verktyg för att simulera den aktuella miljön och hur den p̊averkarsignalstyrkan.

Med ett s̊adant system blir resultatet inte en cirkel kring basstationendär mobilstationen kan befinna sig utan snarare en karta med sannolikheter

att mottagaren befinner sig p̊a den positionen. Antingen kan nu den posi-tionen väljas med högst sannolikhet eller s̊a viktas de olika sannolikheternai omr̊adet och positionen bestäms till tyngdpunkten av sannolikheterna. [8]

3.5.3 Time of Arrival

Alla 2G och 3G cellulära system använder idag n̊agon form av tidssynkro-nisering över luftgränssnittet mellan mobil- och basstationer. Till exempelär det viktigt att i TDMA som används av GSM säkerställa att en specifikmobiltelefon bara sänder i sin allokerade tidslucka, för att undvika signalin-terferens, SIR, hos andra mobiltelefoner som sänder i tidsluckorna bredvid.Eftersom den enda kopplingen mellan en mobil- och en basstation i GSMär radiogränssnittet s̊a bygger dessa synkroniseringsscheman p̊a att en avparterna mäter tiden för ankomst av en signal fr̊an den andra parten.

Dessa typer av tidmätning kan ocks̊a användas för att göra positionsbe-stämmelser och standardtekniken är att använda korrelation. Mottagarenjämför en lokalt sparad kopia av en signal med den mottagna signalen ochkorrelerar dessa och undersöker resultatet för att finna den tidpunkt när detv̊a signalerna matchar varandra. Detta bygger p̊a att mottagaren vet attsändaren kommer skicka ut en signal den har tillg̊ang till lokalt och d̊a kanträningssekvenser som finns i cellulära nät för att skatta kanalen användas.

Tidmätningar av denna typ kan användas för att göra positionsbestäm-melser genom att använda vetskapen att radiosignaler färdas med ljusetshastighet. S̊a i det enklaste fallet kan en positionsangivelse göras genom attmäta tiden det tar för en signal att färdas mellan sändare och mottagare.Praktiskt räcker inte endast en tidmätning eftersom detta egentligen barasäger vid vilken tidpunkt som mottagaren tog emot signalen och inget omnär sändaren faktiskt skickade den som behövs för att beräkna restiden försignalen. Även om sändaren skulle registrera klockslaget när den skickarsignalen s̊a skulle det vara i referens till den interna klockan och i realitetskiljer sig denna klocka fr̊an klockan hos mottagaren.

En lösning p̊a detta problem är att en av terminalerna, vanligtvis denmobila, mäter tidpunkten d̊a signalen tas emot och sedan skickar tillbakasignalen till den ursprungliga sändaren. Sändaren kan d̊a mäta tidpunktensignalen kommer tillbaka och kan beräkna tiden för signalen att färdasfram och tillbaka. I praktiska tillämpningar av detta är det vanligt att den

mottagande enheten fördröjer sitt svar med en känd offset, detta tas sedanmed i beräkningen av restiden för signalen.

Denna typ av mätningar genererar en cirkel med bestämd radie därmobilstationen kan befinna sig. Tas hänsyn till osäkerheten i mätningarnaf̊as en undre och övre radie r1 och r2 där r1 < r2 som avgränsar ett omr̊adevari den aktuella mobilstationen befinner sig. [8]

3.5.4 CGI-TA

CGI-TA st̊ar för Cell Global Identity + Timing Advance. CGI innebäratt varje cell, som ansvarar för att täcka ett omr̊ade av mobilabonenter ioperatörens nät, är unikt identifierbar och dess position är d̊a känd redan p̊aförhand av operatörerna. Eftersom GSM-systemen har ett 1:1-förh̊allandemellan mobilenhet och basstation kan en mobiltelefon i ett GSM-nät ges engrov uppskattning av dess position enbart genom att säga vilken cell denför tillfället är inkopplad p̊a.

Denna information kan sedan kompletteras med aktuell TA för att p̊as̊a sätt ta fram ett avst̊and mellan den mobila enheten och basstationen.Timing Advance är ett m̊att som beräknas av en basstation för alla mo-bila enheter som denna ansvarar för. Syftet är att göra s̊a att alla mobilaenheters signaler kommer fram i rätt frame, d̊a kan mobila enheter som ärpositionerade l̊angt borta behöva börja skicka tidigare för att p̊a s̊a sättkompensera för deras avst̊and till basenheten.

Vad basstationen gör när kommunikationen mellan basstationen och denmobila enheten sätts upp, och kontinuerligt under hela sessionen, är att denberäknar hur mycket tidigare den mobila enheten m̊aste börja skicka sinasignaler, vilket allts̊a ger den mobila enhetens Timing Advance. Detta görsgenom att skicka en signal fr̊an basstationen till den mobila enheten somi sin tur svarar basstationen. Genom att använda denna teknik krävs inteatt den mobila enheten och basstationen är synkroniserade med varandra.

CGI-TA utlovar ett brett spektrum av noggrannhet beroende p̊a hur detaktuella omr̊adet ser ut. I en stadsmiljö som karaktäriseras av att m̊angamobila enheter befinner sig i omr̊adet och att det finns m̊anga basstationermed celler som täcker väldigt sm̊a omr̊aden, kan informationen om vilkenbasstation som den mobila enheten är uppkopplad p̊a att ge en godtyck-ligt l̊ag noggrannhet. I praktiken förväntas dock inte denna teknik ge en

noggrannhet bättre än 100 m.Den övre gränsen för denna noggrannhet bestäms av tidsluckornas stor-

lek för GSM-protokollet. Den minsta tid en förändring av TA kan p̊averkaär en symbolperiod i protokollet och för GSM är detta 3,69 mikrosekunder.De elektromagnetiska radiov̊agorna färdas sedan i en hastighet av ungefär300 000 000 m/s vilket ger att varje förändring i TA ger ett tur och returav-st̊and p̊a 1100 m för radiosignalen. Detta innebär att TA-värdet förändrasför varje förändring av 550 m fr̊an basstationen och den mobila enheten.[8]

3.5.5 Närhetsbestämning

Närhetsbestämning använder sig av det faktum att en mobil enhet är idet omr̊ade som en basstation betjänar. Generellt är det ocks̊a s̊a att enmobilstation är uppkopplad mot den basstation som är geografiskt närmast,vilket i fall där basstationen betjänar en mikro- eller pikocell kan utnyttjasför att göra positionsbestämmelser med noggrannhet p̊a < 100m. Motsatsentill detta skulle d̊a vara landsbygden där en cell kan betjäna ett omr̊adesom är flera kvadratkilometer stort

När en mobilstation är i viloläge och inte deltar i ett samtal eller detförekommer annan datatrafik är dess position känd som ett omr̊ade därmobilstationen befinner men som kan best̊a av flera celler. Nätverket h̊al-ler koll p̊a denna information för att kunna fokusera uppslagningsförsökefter mobilstationen när ett samtal sker till den. Detta innebär allts̊a attnoggrannheten av en position är lägre när mobilstationen är i viloläge. Idetta läge kan nätverket initiera trafik med mobilstationen för att kunnagöra en bättre positionsbestämning. I en flerriktad sajt innebär detta attmobilstationens läge uppskattas med basstationens koordinater. Om cellenistället ing̊ar i en multisektorsajt kan positionsangivelsen utökas genom attminska omr̊adet till mittpunkten, centroiden, av det aktuella omr̊ade somcellen betjänar. [8]

3.5.6 Angle of Arrival

Angle of Arrival, AOA-system, mäter vinkeln p̊a den inkommande signalenvid den mottagande antennen eller antennerna. Om endast en antenn an-

vänds m̊aste denna kunna utföra n̊agon form av riktad diskriminering avsignalen vilket implicerar multipla mottagarelement.

En enkel lösning p̊a detta är att basera mätningen p̊a signalstyrkansom mottas vid en av flera riktade antenner. Som exempel kan en antennmed tre riktade element som betjänar 120 ◦ användas. Anta nu att en signalmottas vid ett av elementen men inte vid de andra tv̊a, där signalen iställetförsvinner i signalinterferens och brus. Baserat p̊a detta kan nu antagandetgöras att mobilstationen befinner sig i den riktning som det aktuella ele-mentet pekar. Samma antagande kan göras om mobilen bara kan upptäckasignalen fr̊an en av tre element i en cell.

I det generella fallet kan signalstyrkan vid eller fr̊an varje element jäm-föras och utifr̊an detta beräkna bästa uppskattningen av riktningen fr̊anden riktade basstationen till mobilstationen.

En potentiellt noggrannare metod innebär att mäta fasen av signalenvid flera mottagande element som distribuerats längs en känd baslinje. Det-ta hindrar d̊a naturligtvis att tekniken används i mobilstationen eftersomden skulle bli alldeles för otymplig. Noggrannheten i tekniken bygger tillstor del p̊a antennens uppbyggnad och kan i praktiken vara s̊a liten somn̊agra f̊a grader. Ett stort problem i cellulära nät, speciellt i storstäder, äratt den signal som mätningen utförs p̊a ofta inte är en frisiktsignal utanden kan ha studsat p̊a ett objekt. Detta innebär allts̊a att beräkningen vi-sar p̊a den riktning som signalen studsat fr̊an och nödvändigtvis inte alls iriktning mot mobilstationen [8]

3.5.7 Time Difference of Arrival

Multilateration är en teknik för att bestämma ett objekts position där pro-cessen g̊ar ut p̊a att mäta skillnaden mellan ankomsttider p̊a olika spatialaplatser av en signal. Tekniken kallas därför Time Difference of Arrival ellerTDOA.

I fallet med tv̊a sändande basenheter kan mottagaren mäta skillnadenmellan ankomsttiderna vilket ger upphov till en mängd olika möjliga fallmed samma TDOA men olika ursprungsplatser, resultatet blir ett hyper-boliskt plan där den mottagande enheten kan befinna sig och änd̊a uppfyllaekvationen.

Utökas nu antalet mottagande stationer kommer ytterligare en TDOA

vara möjlig att beräkna, vilket ger upphov till en ny hyperboloid. Kombina-tionen av de tv̊a hyperboloiderna ger en linje i rymden där den mottagandeenheten kan befinna sig.

Ett antagande som görs i denna situation är att höjd över havet intespelar n̊agon roll och att den mobila enheten befinner sig p̊a markniv̊a,s̊a om de tv̊a kropparna ortogonalprojiceras p̊a markplanet kommer de geupphov till tv̊a linjer och det är skärningspunkten mellan dessa tv̊a somapproximerar den mottagande enhetens position.

Detta system kan användas för att göra lokalpositionering, bestämmaden egna positionen, och förfarandet kan naturligtvis reverseras för attgöra fjärrpositionering genom att basstationerna lyssnar efter en signal fr̊anden sändande enheten och sedan skickar mottagartidpunkten till en centralenhet som i sin tur beräknar positionen. [10]

Det finns naturligtvis möjligheten att de tv̊a linjerna som uppst̊ar efterortogonalprojiceringen skär varandra i mer än en punkt s̊a att det uppst̊artv̊a potentiella positioner för den mobila enheten. Det finns olika sätt attlösa dessa problem p̊a. Ett är att ha a priori-kunskap om var den mobilaenheten har befunnit sig och vilken bana den rör sig i. Ett annat är attanvända ytterligare en basstation för att bestämma ytterligare en linjesom skär de övriga tv̊a.

Ett problem med att använda denna teknik är att systemet m̊aste varai närheten av perfekt synkroniserat. Vid självpositionering är basstationer-na sändare av kontrollsignalen och denna m̊aste lämna basenheterna vidsamma klockslag eller med en förutbestämd offset för att det ska fungera.Vid det andra alternativet med fjärrpositionering kommer den mobila en-heten sända kontrollsignalen till stationerna och dessa måste ha en relationmellan sina interna klockor för att kunna bestämma tidsskillnaden mellande mottagna signalerna.

Det finns n̊agra varianter av denna teknik som medför lite olika p̊a-verkningar p̊a befintligt infrastruktur i näten. E-OTD, Enhanced ObservedTime Difference, l̊ater den mobila enheten mäta tidsskillnaden hos mot-tagna signaler fr̊an basstationerna och beräknar sin position genom t.ex.multilateration. Detta kräver allts̊a specialtillverkade mobila enheter sam-tidigt som tekniken inte ger bättre positionsbestämmelser än 50 m.

En annan variant av denna teknik har visat sig leverera bra positionsbe-stämmelser av mobila enheter, fr̊an 50 m och mindre. Tekniken som heter

Uplink TDOA kräver inga förändringar av mobilenheterna men däremotkrävs speciella mottagare, Location Measurement Unit LMU, i basenhe-terna. Dessa mottagare har väldigt noggranna GPS-baserade klockor föratt kunna bestämma tidsskillnaden mellan mottagna signaler väldigt väl.Här sker positioneringen i nätverket istället för hos den mobila enheten.Basstationerna registrerar klockslagen när den mobila enhetens signal kom-mer fram och levererar sedan dessa till en central enhet som kallas MobilePositioning Centre där beräkningen av den mobila enhetens position sker.[8]

3.5.8 Assisted GPS

Assisted GPS är en teknik som använder en assistansserver för att minskatiden som det krävs för att bestämma en position genom att använda GPS.Det är användbart i stadsmiljöer där användaren ofta befinner sig i skymdsikt fr̊an GPS-satelliterna.

A-GPS skiljer sig fr̊an vanlig GPS genom att lägga till ytterligare ett ele-ment i ekvationen, assistansservern. I ett vanligt GPS-nät s̊a finns det baraGPS-satelliter och mottagare. Det assistansservern tillför är beräknings-kraft och tillg̊ang till ett referensnätverk. Mottagaren av GPS-signalernaoch servern delar allts̊a p̊a uppgiften att beräkna positionen vilket är lämp-ligt eftersom mottagaren ofta har begränsad beräkningskapacitet. Metodenär snabbare och mer effektiv än vanlig GPS, dock krävs det tillg̊ang till kom-munikationsnätverket s̊a att informationen kan skickas till assistansservernoch tillbaka. [11]

Kapitel 4

Analys

Att bestämma vilken teknik som ska användas vid positionering beror p̊avilken tillämpning applikationen som gör positioneringen ska ha. I vissakritiska applikationer som SOS Alarms mobila positionering av larmsamtalfr̊an mobiltelefoner krävs en hög noggrannhet och en teknik som snabbtkan hitta den nödställde. Här skulle med fördel en teknik som TDOA ellerännu hellre A-GPS användas som har potential att ge en bra noggrannhetav mobilstationens position.

En kommersiell användare av ett positioneringssystem behöver intenödvändigtvis vara intresserad av en positionering av samma noggrann-het. Mobil positionering används idag för karttjänster och levereras d̊a iett paket med en tillhörande extern GPS-enhet för att ge s̊a bra prestandasom möjligt. I den andra änden av skalan finns aktörer som bara är in-tresserade av att veta i vilket omr̊ade som deras kunder befinner sig i. D̊afunkar till exempel CGI-TA bra.

Det visar sig ocks̊a att CGI-TA i dagsläget är det enda reella förslaget tillteknikbasering för positionering eftersom den är den enda teknik som intekräver stora ombyggnader av näten. All h̊ardvara finns hos operatörernaidag och det som återst̊ar hos dessa är att konfigurera denna för att kunnahantera anropen.

I framtiden kommer GPS och A-GPS troligen lanseras som ett alter-nativ som ger större noggrannhet av positionsangivelsen och detta innebär

31

ocks̊a ett paradigmskifte fr̊an nätverksbaserad positionering till mobilbase-rad positionering. Det kommer fortfarande att vara möjligt för kommersi-ella aktörer att använda CGI-TA s̊a länge som GSM finns kvar s̊a de somutvecklar tjänster baserat p̊a denna teknik kommer att ha den fördelen attde inte behöver uppdatera och byta fr̊an nätverksbaserad till mobilbaseradpositionering.

Kapitel 5

Systemleverantörer ochmobiloperatörer

I Sverige idag finns tre stora aktörer p̊a mobiloperatörsmarknaden för GSM.Dessa är Telia, Telenor och Tele2/Comviq. Förutom dessa finns en mängdvirtuella operatörer varav de större, Campuz Mobile, Halebop och djuiceägs av n̊agon av de tre stora och använder deras nät.

5.1 Systemleverantörer

För att underlätta för operatörer och öppna marknaden för positioneringgick Ericsson, Nokia och Motorola samman och bildade Location Intero-perability Forum, LIF, i oktober 2000. Målet var att utveckla interopera-biliteten mellan positioneringssystemen. Resultatet av detta blev MobileLocation Protocole som ger ett standardiserat spr̊ak att fr̊aga mobilopera-törer efter position oberoende av vilken systemleverantör de har, förutsattatt det är n̊agon av Ericsson, Nokia och Motorola.

Sen starten av LIF har en del ändrats och LIF finns inte längre kvarsom frist̊aende organisation utan ligger nu under Open Mobile Alliance somLocation Working Group.

33

5.1.1 Ericsson

Ericsson har utvecklat och levererar idag ett system för mobilpositioneringtill mobiloperatörer som de kallar för Mobile Positioning System, MPS.Detta system best̊ar av tre olika logiska delar som är

• Gateway Mobile Positioning Centre, GMPC

• Serving Mobile Positioning Centre, SMPC

• Mjukvara för operatörernas nätverk

LBS-systemet hos tjänsteleverantören fr̊agar operatörens GMPC viaInternet efter en mobilstations position och GMPC autenticerar d̊a för-fr̊agningen. Om förfr̊agningen autenticeras korrekt kommer den skickasvidare till SMPC via GSM-nätverket och SMPC samlar ihop data fr̊anGSM-nätverket och beräknar koordinaterna som ska användas av tjänsten.SMPC returnerar de koordinater den beräknat till GMPC som i sin turskapar ett positioneringssvar som returneras till LBS-systemet.

Ericsssons MPS använder MLP för att kommunicera mellan LBS-systemetoch GMPC-enheten i operatörens nät. Tekniken som används för att be-räkna koordinaterna hos mobilstationen i GSM-nät är CGI-TA.

5.2 Mobile Location Protocol

I dagsläget finns version 3.0.0 av MLP ute och stöds av bland annat Er-icssons MPS v.6. MLP är ett XML-baserat protokoll som används för attställa fr̊agor mellan tjänsterna och operatörernas utrustning. Kommunika-tionen mellan tjänsten och operatören sker över HTTP alternativt HTTPSför säkrare överföring.

I MLP kallas positionsförfr̊agningar för Standard Location ImmediateRequest, SLIR, och svaret kallas Standard Location Immediate Answer,SLIA.

5.2.1 Standard Location Immediate Request

En förfr̊agan i SLIR-formatet kan ha följande utseende

service_owner

password

service_id

46701234567

Här identifieras vem det är som ställer förfr̊agningen genom att angeid och pwd i CLIENT-taggen och den mobilstation som eftersöks anges iMSIDS-taggen.

5.2.2 Standard Location Immediate Answer

Ett svar i SLIA-formatet kan ha följande utseende

46701234567

20050207103331

59 09 54.00N

018 08 12.00E

0

791

30

120

80

Detta är ett vanligt resultat vid en GSM-förfr̊agning d̊a CGI-TA i bästafall ger ett undre och övre begränsat cirkelsektoromr̊ade som mobilstationenkan befinna sig i. I sämsta fall ger tekniken en cirkel.

5.3 Operatörer

Av de tre stora operatörerna i dagsläget, Telia, Telenor och Tele2/Comviqär det endast Telia som har ett positioneringssystem i operationell drift.Dock har alla utrustning för att utföra positionering.

Nedan följer en sammanfattning av deras olika lägen och synsätt baseratp̊a intervjuer som utförts med personer p̊a företagen som jobbar med deraspositionering.

5.3.1 Telia

Med Telia kan i dagsläget avtal slutas av företag som vill använda positions-information i sin verksamhet. Telia har dels direkta kunder som transport-företag med system för att sköta till exempel administration av fordonspar-ker, dels tjänsteleverantörer som i sin tur ger service till sina kunder. Ettexempel p̊a detta är Gula Sidorna Nära Dig.

Telia stödjer anrop för positionering till deras system via ett eget pro-tokoll som dock är mer eller mindre identiskt med MLP. Dock stöds intealla former av anrop som finns tillgängliga i MLP. [12]

5.3.2 Telenor

Telenor, som tog över Vodaphones verksamhet i Sverige, säger sig nu varainne p̊a sin andra generation av positioneringssystem. I dagsläget levererarde inte n̊agon tjänst för att kunna ställa positioneringsfr̊agor av deras kun-der utan man kan idag via ett företag som heter Smart Solutions manuelltställa fr̊agor om kunders position.

Om deras positioneringssystem skulle aktiveras uppges att det är troligtatt de kommer använda MLP för att ta emot fr̊agor fr̊an externa tjänste-leverantörer. [13]

5.3.3 Tele2/Comviq

Tele2/Comviq har inget kommersiellt system ig̊ang för positionering avmobilstationer i Sverige men uppger att de till exempel tillhandah̊aller ens̊adan tjänst till 112 i Schweiz där de ocks̊a är verksamma.

Om Tele2/Comviq aktiverar tjänsten för att ställa fr̊agor fr̊an en LBSom positionering ska MLP användas. [14]

5.4 Operatörsproblem

Även om de tre operatörerna använder ett gemensamt kommunikations-protokoll, MLP 3.0.0, vilket förenklar skapandet av en prototyp för unisonpositionering, återst̊ar fortfarande problem. Enligt Bilaga B har använda-ren den slutgiltiga rätten att bestämma om den ska bli positionerad ochska enkelt kunna avsluta möjligheterna för en tredje part att positioneramobiltelefonen. De positioneringssystem som finns hos operatörerna gör enkontroll av att den tjänst som fr̊agar efter en abonnents position har rättatt faktiskt f̊a den informationen.

Denna rättighet måste allts̊a styrkas hos den operatör som en mobilab-bonnent har, därför har operatörerna n̊agot som kallas white list. Dennalista inneh̊aller alla nummer som en tjänsteleverantör som utnyttjar posi-tionsinformation har rätt att fr̊aga efter. Genom att skapa en unison tjänstför att hantera förfr̊agningar till flera operatörer införs ett lager mellanoperatören och den slutliga tjänsteleverantören.

Fr̊ageställningen blir d̊a vem som är kund hos operatören egentligen?Om det är tjänsteleverantören som är kund m̊aste positionsleverantören f̊atillg̊ang till tjänsteleverantörens uppgifter för att operatörerna ska kunnaverifiera uppslagningen mot rätt white list. D̊a måste det ocks̊a finnas ettsätt att propagera rättigheter fr̊an tjänsteleverantören till operatören, vil-ket d̊a ocks̊a bör ske genom positionsleverantören för annars g̊ar vinstenmed att ha en unison tjänst förlorad.

Om det istället är positionsleverantören som är kund hos operatörenbehöver istället denna h̊alla koll p̊a vilken av tjänsteleverantörerna som harrätt att fr̊aga om informationen hos vilka mobilabonnenter. D̊a uppst̊areventuella problem med att tjänsteleverantören m̊aste kopiera personliginformation fr̊an deras register till en tredje part vilket i s̊a fall kräver ettgodkännande av abonnenten.

Kapitel 6

Systemdesign

Som resultat av examensarbetet ska en prototyp som kan göra förfr̊agningartill olika operatörer om mobilstationers position tillverkas och detta kapitelbeskriver hur detta system designas.

6.1 Plattform

Systemet ska köras p̊a WebLogic Server 8.1 och implementeras med r̊a-dande J2EE-standarder. Ett antagande som görs är att alla operatörer taremot förfr̊agningar via MPL, vilket är troligt, se kapitel 5.3. All funktio-nalitet som har med positioneringsförfr̊agningar och -svar och hantering avanvändarinformation kommer implementeras med hjälp av Enterprise JavaBeans, EJB. Användargränssnitt för att demonstrera systemet skapas medhjälp av servlets eller JSP. Eventuell datalagring simuleras; att sätta uppoch installera en databas anses ligga utanför examensarbetets ramar.

6.2 Design

För att kommunicera med Ericssons MPS används ett bibliotek fr̊an Erics-son som heter Java Mobile Location, JML-API. Denna skickar förfr̊agningar

39

via XML enligt kapitel 5.2.1 och f̊ar svar enligt kapitel 5.2.2. För att kun-na skicka meddelanden behöver allts̊a en socket öppnas till operatörernasGMPC n̊agot som strider mot EJB-standarden.

För att kunna ställa fr̊agor till ett bakomliggande affärssystem (Enter-prise Information System, EIS) fr̊an en EJB m̊aste allts̊a hänsyn tas tillstandarden för EJB 2.0 som implementationen använder. Den specificeraratt det inte är önskvärt med till exempel tr̊adad kod, användning av Ja-va:s reflection-API, filaccess, SSL-kopplingar och andra saker som berör enuppkoppling mot det bakomliggande systemet.

För att kunna komma åt ett bakomliggande system används iställeten teknik som heter Java Connector Architecture, JCA, som den containersom en EJB är driftsatt i kan hantera eftersom även JCA är standardiserad.Med hjälp av JCA kan en EJB istället för att själv hantera kopplingen motett EIS fr̊aga sin container om en koppling vilket ger tillbaka containernkontrollen över beteendet hos en EJB och ocks̊a möjlighet för containernatt skapa en pool med kopplingar mot det aktuella EIS för att förbättraprestanda. Tanken med JCA är att bygga ett skal kring JML-API s̊a attkopplingar mot MPS kan skapas som inte stör containern och dess hanteringav EJB:s.

6.3 Implementation

Den aktuella prototypen realiseras med hjälp av fyra Enterprise Java Be-ans, en sessionsböna för affärslogik, en för kopplingen via JCA och tv̊aentitetsbönor för datahanteringen. Sessionsbönan, MPSClient, är den somsköter kommunikationen med operatörernas MPS-system. MPSClient an-vänder ocks̊a de b̊ada tv̊a entitetsbönorna som representerar abonnenterna,MobileClient, och operatörerna, Operator. Det mobilnummer som ska posi-tioneras skickas som parameter till MPSClient som sl̊ar upp informationenom abonnenten i MobileClient. Hos MobileClient lagras vilken operatörabonnenten har och information om denna sl̊as d̊a upp genom Operator.Med hjälp av denna information kan nu MPSClient anropa den aktuellaoperatörens GMPC genom att f̊a en koppling via JCA-arkitekturen.

Se Bilaga A för UML-diagram över systemet.

DB

WEB EJB JCA JML

ControllerMPSClientMPSClient

MobileClient Operator

MPS

Figur 6.1: Systemdesign och anrop

6.3.1 Problem

Noterbart är att standarden änd̊a bryts genom att använda en intern, syn-kroniserad databas. Detta innebär att den prototyp som tas fram inte kom-mer att vara möjlig att driftsätta i en klustrad miljö, vilket standardensäger att en applikation ska vara utan att ändra p̊a n̊agon kod. Om denskulle driftsättas i en klustrad miljö skulle varje instans i klustret f̊a enegen databas.

Den interna databasen innebär ocks̊a att implementationen måste tahänsyn till tr̊adsäkerhet. Man kan inte ha skrivningar och läsningar avdatabasen fr̊an olika tr̊adar samtidigt, s̊a den interna databasen m̊aste varasynkroniserad.

Ett mer konkret problem som kvarst̊ar även om datalagringen flyttasut till en extern databas är problem med antalet tr̊adar i WebLogic Server-instansen. I den föreslagna designen och implementationen används synkro-na anrop till operatörernas positioneringssystem, vilket innebär att tr̊aden

som gör anropet till operatören väntar p̊a resultatet ang̊aende positionen.Enligt Telia dröjer det mellan 3 och 5 sekunder för att ta fram posi-

tionsinformationen och svara. Detta innebär att tr̊adarna i WLS-instansenmåste vänta i ungefär 4 sekunder innan de kan fortsätta och behandla sva-ret och åter svara den som ställde en positionsförfr̊agan vilket ytterligareökar p̊a svarstiden n̊agot. Ett normalt antal tr̊adar att ha tillgängliga föranrop i en WLS-instans är upp till 40 stycken och med detta antal innebärdetta att systemet maximalt klarar 10 anrop / s. En klar begränsning i ettkommersiellt system.

Kapitel 7

Sammanfattning

I rapporten beskrivs hur en prototyp för att kunna utföra positionering avGSM-mobiler i en J2EE-miljö realiseras. Inom rapporten för arbetet haren utvärdering av dagsläget utförts och hur SOS Alarm i Sverige framöverkommer införa mobil positionering för att kunna förbättra möjligheternaatt lättare hitta nödställda. Möjligheterna att positionera mobiltelefoneröppnar ocks̊a för en bredare massa av användare till s̊a kallade LocationBased Services.

För att kunna skapa ett kommersiellt positioneringssystem som kanbredda R2Metons mobilitetsplattform dras slutsatsen att använda tekni-ken CGI-TA, som finns tillgänglig i operatörernas nät. CGI-TA bygger p̊aatt varje basstation i en operatörs nät har en unik identitet och att enmobiltelefon alltid är knuten till endast en basstation. För att förbätt-ra positionen används ocks̊a Timing Advance som ger en undre och övregräns för avst̊andet mellan mobiltelefonen och basstationen. P̊a grund avden d̊aliga tidsupplösningen hos TDMA i GSM-nätet, ger CGI-TA i sämstafall inte bättre noggrannhet än ungefär 1100 m.

I stadsmiljö kan CGI-TA ge en god uppskattning av mobiltelefonens po-sition eftersom GSM-nätet där har m̊anga sm̊a celler. Utanför tättbebyggtomr̊ade blir uppskattningen av mobiltelefonens position mycket sämre ef-tersom cellerna där är mycket större.

43

7.1 Resultat

I rapporten visas hur en prototyp för att kunna positionera mobiltelefoneri ett GSM-nät realiseras. Positionsförfr̊agningar skickas till operatörernasGMPC, som är ing̊angen till deras GSM-nät. Kommunikationen med enGMPC sker genom att använda MLP-protokollet och för detta finns ettbibliotek fr̊an Ericsson, Java Mobile Location. Dock kan inte JML användasdirekt inne i en J2EE-container eftersom detta strider mot EJB-standarden.

Lösningen p̊a detta problem blir att JML bakas in i en standardiseradadapter implementerad i Java Connector Architecture, JCA. Genom attanvända JCA kan en EJB i en J2EE-containern ansluta till externa resursereftersom J2EE-containern fortfarande har kontrollen över kopplingen.

Prototypen klarar av att beroende p̊a vilket telefonnummer som skickatsin ställa fr̊agan till den abonnentens specifika operatör och kan p̊a s̊a sättagera som en unison positionsleverantör.

7.2 Framtida arbete

I framtiden förutsp̊as mobiltelefoner med inbyggda GPS-enheter bli till-gängliga p̊a marknaden för konsumenter och detta ger upphov till bättrepositionering. Detta innebär att positioneringen d̊a överg̊ar fr̊an att varanätverksbaserad till mobilbaserad och med detta behövs arbete för att ut-reda hur detta p̊averkar en unison tjänst för positionering och hur dettaom möjligt kan användas i systemet.

Ytterligare arbete som bör göras är att lösa hur samarbetet mellanoperatörerna, positionsleverantör och tjänsteleverantör kan lösas för attstyrka rättigheterna för det unisona systemet att positionera abonnenternagenom operatörerna.

De koordinater som en positionsförfr̊agan resulterar i kommer formate-rade med latitud och longitud i ett format definierat av EPSG. En utökningav systemet skulle kunna resultera i en generell koordinatomvandlare s̊a attdet g̊ar att f̊a resultatet av en position i ett format som passar den sombegär informationen.

Bilaga A

Design - UML

Detta kapitel inneh̊aller UML-diagram över den prototyp som examensar-betet resulterat i.

45

A.1 Ericsson

Figur A.1: UML för ericsson-klasser

A.2 Common

Figur A.2: UML för common-klasser

A.3 Entiteter

Figur A.3: UML för entitetsklasser

A.4 Session

Figur A.4: UML för sessionsklassen

A.5 Sekvensdiagram

Figur A.5: Sekvensdiagram för invokeMPS i MPSClient

Bilaga B

Lag och Ordning

Ur Lag om elektronisk kommunikation, m.m. 6 kapitlet §9 st̊ar föl-jande om lokaliseringsuppgifter

Lokaliseringsuppgifter som inte är trafikuppgifter och som rör användare

som är fysiska personer eller abonnenter f̊ar behandlas endast sedan de

har avidentifierats eller användaren eller abonnenten gett sitt samtycke till

behandlingen. Behandlingen f̊ar endast ske i den utsträckning och under

den tid som krävs för att tillhandah̊allandet av en tjänst där uppgifterna

behövs.

Innan samtycke lämnas skall den som tillhandah̊aller tjänsten informera

om

1. vilken typ av uppgifter som kommer att behandlas

2. behandlingens syfte och varaktighet samt

3. huruvida uppgifterna kommer att vidarebefordras

Användaren eller abonnenten har rätt att när som helst återkalla sitt

samtycke.

En användare eller en abonnent skall, trots att samtycke lämnats, p̊a ett

enkelt och kostnadsfritt sätt i enskilda fall kunna motsätta sig behandling av

uppgifter vid uppkoppling eller överföring av ett elektroniskt meddelande.

51

Litteraturförteckning

[1] Lars Erik Axelson PTS m.fl. Coordination Group on Access to Loca-tion Information for Emergency Services. Technical report, EU, 2002.

[2] Intervju med Nils-Erik Norin, SOS Alarm, 2006-10-12.

[3] Stefan Steiniger, Moritz Neun, Alistair Edwardes. Foundations ofLocation Based Services. Lecture Material.

[4] Katarina Engblom, Jean-Christophe Beclier. Location Based Services.Technical report, GSM Association, 2003.

[5] Global System for Mobile Communications, 2006-09-14.http://en.wikipedia.org/wiki/GSM.

[6] Base Station Subsystem, 2006-09-14.http://en.wikipedia.org/wiki/Base Station Subsystem.

[7] Christopher Drane, Malcolm Macnaughtan, Craig Scott. PositioningGSM Telephones. IEEE Communication Magazine, 1998.

[8] Christopher Drane, Malcolm Macnaughtan. Mobile Positioning - AnOverview, 2004.

[9] Simon Haykin, Michael Moher. Modern Wireless Communications.Pearson Prentice Hall, 2005.

[10] Multilateration, 2006-09-04. http://en.wikipedia.org/wiki/TDOA.

52

[11] Assisted GPS, 2006-09-05. http://en.wikipedia.org/wiki/AGPS.

[12] Intervju med Jörgen Jonsson och Lars E. Magnusson, TeliaSonera,2006-10-18.

[13] Intervju med Olle Svensson, Telenor, 2006-10-19.

[14] Intervju med Daniel Schjödin, Tele2/Comviq, 2006-10-11.

IntroduktionSyfteProblembeskrivningMetodMålAvgränsningarOrdförklaringar

OrdlistaBakgrundNödsamtalMobilsamtal till 112

Location Based ServiceLBS och GISLBS-komponenterLBS-typerDeltagare i LBS-systemIntegritetBetalning

GSMTeknikbeskrivningNätverksstrukturBase Transciever StationBase Station ControllerSubscriber Identity Module

PositioneringsmetoderMobilbaseradNätverksbaseradMobilassisteradFrån mätning till positionRadiell - RadiellVinkel - RadiellHyperbolisk - Hyperbolisk

Synkronisering

PositioneringsteknikerSignalstyrkaPath loss modelSk

Positionering i GSM-n atv erk - DiVA portal24042/... · 2008. 7. 7. · till Ericsson Mobile...

Documents

Transcript of Positionering i GSM-n atv erk - DiVA portal24042/... · 2008. 7. 7. · till Ericsson Mobile...