Verfahren der Geo-Lokalisierung für Location Based E-Business im Vergleich

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Fallstudienarbeit

Hochschule: Hochschule für Oekonomie & Management
Standort: Essen
Studiengang: Bachelor Wirtschaftsinformatik
Veranstaltung: Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten
Betreuer: Prof._Dr._Uwe_Kern
Typ: Fallstudienarbeit
Themengebiet: Location Based eBusiness
Autor(en): Andre Scheidtmann, Sebastian Kolbusa, Carolin Höltgen
Studienzeitmodell: Abendstudium
Semesterbezeichnung:
Studiensemester: 2
Bearbeitungsstatus: begutachtet
Prüfungstermin:
Abgabetermin:

Inhaltsverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

AbkürzungBedeutung
3GPPThe 3rd Generation Partnership Project
A-GPSAssisted Global Positioning System
AoAAngel of Arrival
B2ABusiness-to-Administration
B2BBusiness-to-Business
B2CBusiness-to-Consumer
B2EBusiness-to-Employee
BTSBase Tranceiver Station
CGICell Global Identity
CoOCell of Origin
DLBDistanz zwischen Location Measurement Units und Base Tranceiver Station
DMBDistanz zwischen Mobile Station und Base Tranceiver Station
E-OTDEnhanced Observed Time Difference
FCCFederal Communications Commission
GNSSGlobal Navigation Satellite System
GPSGlobal Positioning System
GSMGlobal System (Standard) for Mobile
GTDGeometric Time Difference
IGSInternational GNSS Service
LBSLocation Based Services
LMULocation Measurement Unit
MEOmedium earth orbit
MSMobile Station
OTDObserved Time Difference
OTLObserved Time at LMU
OTMObserved Time at MS
POIPoint of Interest
PSAPPublic Safety Answering Point
RSSReceived Signal Strength
RTDReal Time Difference
TDoATime Difference of Arrival
ToATime of Arrival
UL-TOAUplink Time of Arrival
TTFFTime to first fix
WLANWireless Local Area Network
WPSWi-Fi Positioning System


2 Abbildungsverzeichnis

Abbildungs-Nr.Abbildung
01GPS Satellit
02Navigation
03Reaktives LBS
04Proaktives LBS
05Navigation
06Störungen (Abschattung, Reflektion, Dämpfung, Streuung)
07Cell ID - Verfahren
08Größe einer Funkzelle
09Cell ID - Verfahren mit 3 Sektoren
10Cell ID - Verfahren im Zusammenhang mit Timing Advance
11Time of Arrival
12Time Difference of Arrival
13Bestandteile des GPS Systems
14Auswirkung der Aiding Daten auf die TTFF
15IGS-Referenzstationen (Stand Januar 2009, mit 372 aktiven Stationen)
16E-ODT unter Verwendung der hyperbolischen Methode
17E-ODT unter Verwendung der zirkularen Methode
18Kartographierten Funknetzwerke im Ruhrgebiet


3 Tabellenverzeichnis

Tabelle-Nr.Beschreibung
1Fehlerursachen (typische Werte)
2Vergleich der Lokalisierungsverfahren


4 Einleitung

4.1 Thema

Abbildung 01: GPS Satellit
Abbildung 01: GPS Satellit[1]

Diese wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit den verschiedenen, technischen Verfahren der Geo-Lokalisierung als Grundlage für Location Based E-Business. Im Allgemeinen assoziiert man den Begriff Geo-Lokalisierung zunächst mit dem Thema Ortung mittels GPS (Global Positioning System) und hat dabei das Bild von Satelliten, die um die Erde kreisen, vor Augen. Im Laufe dieser Arbeit soll diese oberflächliche Betrachtung durch Wissen über die technischen Grundlagen der Positionsbestimmung mit GPS und anderen Verfahren ersetzt werden.

Wir haben uns für das Thema "Verfahren der Geo-Lokalisierung für Location Based E-Business im Vergleich" entschieden, da wir einen tieferen Einblick in die Lokalisierungstechnik gewinnen wollten, die die Voraussetzung für immer nützlichere Produkte und Dienste schafft. Diese werden schon lange nicht mehr nur in wissenschaftlichen und unternehmerischen Bereichen eingesetzt, sondern sind auch im privaten Bereich weit verbreitet. Dabei werden die Einsatzgebiete mit wachsendem Fortschritt immer umfangreicher, und die Präzision immer genauer.


4.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es, die Verfahren der Geo-Lokalisierung für Location Based E-Business vergleichend darzustellen. Hierbei werden zunächst die relevanten Kriterien und Anforderungen zur Geo-Lokalisierung im Allgemeinen aufgenommen. Anschließend werden die Einsatzmöglichkeiten der einzelnen Verfahren für die Verwendung mit mobilen Endgeräten erörtert. Dabei wird insbesondere auf die Vorteile bzw. Nachteile der jeweiligen Technologien eingegangen.

Diese Arbeit soll dem Leser einen Einstieg in die verschiedenen Verfahren der Geo-Lokalisierung und gegebenenfalls deren Kombinationen ermöglichen und als Grundlage für weitergehende Recherchen im Bereich des Location Based E-Business dienen.

4.3 Aufbau der Arbeit

Zum Grundverständnis des Themas Geo-Lokalisierung werden am Anfang der Arbeit erst einmal die wichtigsten Begriffe erklärt, die zum Verständnis der gesamten Arbeit beitragen. Im Hauptteil ab Kapitel 6 werden dann die verschiedenen Verfahren der Geo-Lokalisierung erläutert, Vorteile und Nachteile dargestellt, sowie die Hardwareanforderungen aufgezählt. Im abschließenden Vergleich werden die gewonnenen Erkenntnisse der einzelnen Verfahren im Bezug zu den Anforderungen dargestellt. Eine zusammenfassende tabellarische Übersicht führt die wichtigsten Fakten für einen schnellen Überblick zusammen.

5 Grundlagen

Im Abschnitt Grundlagen werden wichtige Begriffe des Themas "Verfahren der Geo-Lokalisierung für Location Based E-Business im Vergleich" geklärt. Insbesondere die Fachbegriffe im Titel der Arbeit sind hier zu berücksichtigen.

5.1 Geo-Lokalisierung

Der Begriff Geo-Lokalisierung steht als ein Synonym für Positions- oder Ortsbestimmung. Man versteht unter der Geo-Lokalisierung demnach die Bestimmung eines Standortes. Die Begriffe Ortung- und Positionsbestimmung werden oft zusammen verwendet, bedeuten jedoch eigentlich etwas Verschiedenes. Bei der Ortung wird der Standort einer anderen Person oder eines Objekts ermittelt. Diese Person oder ein bestimmtes Objekt muss dazu mit einem Sender ausgestattet sein. Dabei stellt dann der Empfänger seine Position fest und der Sender überträgt seine Position an die suchende Person. Es muss also zwingend ein Rückkanal vom Sender also dem zu suchenden Objekt oder der zu suchenden Person an die suchende Person vorhanden sein. Deshalb handelt es sich zum Beispiel beim reinen GPS nicht um ein Ortungssystem, sondern nur um ein Positionsbestimmungssystem. Die Positionsbestimmung ist unabhängig von der Ortung. Unter der Positionsbestimmung ist nur die Bestimmung des eigenen Standortes zu verstehen, also geht es bei der reinen Positionsbestimmung nicht um die Ortung anderer Personen, weshalb ein Rückkanal nicht unbedingt erforderlich ist.[2]

Abbildung 02: Navigation
Abbildung 02: Navigation[3]

Anwendungsbereiche

Die Ortung wird größtenteils eingesetzt im Bereich der Sicherheit. Hilferufende sollen im Notfall schnell, z.B. per Handyortung lokalisiert werden können. Die Positionsbestimmung findet in der Regel in der Navigation Anwendung.

Eine andere Möglichkeit des Einsatzes ist, dass Eltern, die sich Sorgen um ihre zum Beispiel verspäteten Kinder machen, bestimmte Dienste benutzen können, um ihre Kinder zu orten. Außerdem können Eltern automatisch informiert werden, wenn ihre Kinder einen zuvor festgelegten Sicherheitsbereich verlassen.

Zur heimlichen Überwachung ist die Ortung jedoch nicht gedacht. [4]

Zudem können dem Anwender Informationen über seinen Standort mitgeteilt werden, also zum Beispiel Informationen über in der Nähe befindlicher Tankstellen oder Restaurants.

5.2 Location Based E-Business

Location Based E-Business setzt sich aus den zwei Begriffen "Location Based Services" und "E-Business" zusammen und wird im Deutschen übersetzt als standortbezogene Dienste.

Ein Zitat von Ovum beschreibt LBS (Location Based Services) besonders gut: „Network-based services that integrate a derived estimate of a mobile device’s location or position with other information so as to provide added value to the user.“ [5] Bei dieser Definition tritt besonders die Fähigkeit des Netzes zur Lokalisierung hervor sowie der Nutzen mobiler Endgeräte. Location Based Services liefert dem Nutzer anhand seines Aufenthaltsortes und der Zeit des Aufenthaltes ortsgebundene Informationen. Diese Informationen können z.B. zur Navigation genutzt werden. Es ist aber auch möglich sich in der Nähe liegende Restaurants, Einkaufsmöglichkeiten oder Tankstellen anzeigen zu lassen [6]. Es kann jeder beliebige POI (Point of Interest) angezeigt werden, den der Nutzer gerne sehen möchte. Grundlegend unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten von Location Based Services: Proaktiven Verfahren und reaktiven Verfahren[7].

Einerseits gibt es die reaktiven Dienste, welche vom Nutzer aktiv angefragt werden müssen, wenn dieser sich an einem bestimmten Ort befindet. Das reaktive LBS muss also explizit von einem Benutzer aktiviert werden und kann nicht ohne dessen Anfrage ausgeführt werden. Zunächst wird der Dienst vom Nutzer aufgerufen und eine Sitzung mit einem mobilen Endgerät oder einem stationären PC aufgebaut. Anschließend werden bestimmte Informationen angefordert, für die der Dienst die Lokalisierungsdaten ermittelt (in der Regel der Ort, an dem der Nutzer sich gerade aufhält). Diese Informationen werden verarbeitet und ein ortsbezogenes Ergebnis an den Nutzer zurückgegeben, z.B. eine Liste von in der Nähe befindlichen Freizeitangeboten. Dieser Ablauf von Anfrage und Antwort kann einige Male wiederholt werden, bis die Sitzung geschlossen wird. Das reaktive LBS zeichnet sich demnach durch ein synchrones Interaktions-Muster zwischen Nutzer und Dienst aus.


Abbildung 03: Reaktives LBS
Abbildung 03: Reaktives LBS[8]


Andererseits gibt es die proaktiven LBS, die automatisch initiiert werden, sobald ein vordefiniertes Ortsereignis auftritt. Das heißt beispielsweise, dass der Nutzer einen POI erreicht. Das bedeutet also, dass der Dienst von sich aus bei Erreichen eines interessanten Ortes den Nutzer über etwas informiert. Denkbar ist dabei eine Touristeninformation oder auch das Sonderangebot eines Restaurants, das sich in unmittelbarer Nähe befindet. Proaktive Dienste werden demnach nicht explizit vom Nutzer angefordert, sondern die Interaktion geschieht asynchron. Im Unterschied zum reaktiven LBS, bei dem der Nutzer lediglich einmalig lokalisiert wird, sieht proaktives LBS ein stetes Verfolgen des Nutzers, mit der Absicht Orts-Ereignisse zu entdecken, vor.


Abbildung 04: Proaktives LBS
Abbildung 04: Proaktives LBS[9]


Für Location based E-Business ist ein Endgerät, z. B. ein Mobiltelefon erforderlich. Ein Positionsermittler führt die Ortung und die Positionsberechnung des Zielobjekts durch. Bei endgerätebasierenden Ortungsverfahren übernimmt diese Rolle das Zielobjekt. Bei netzbasierter Ortung hingegen wird diese Rolle meist von dem Betreiber der Ortungsinfrastruktur übernommen. Location based E-Business ist somit die standortabhängige Automatisierung von Geschäftsprozessen mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnologie.

Der andere Teil von Location Based E-Business ist der Begriff E-Business, der in den letzten Jahren immer mehr zu einem Modewort geworden ist. Es gibt zwar keine fest stehende Definition. Das was die meisten Definitionen jedoch gemein haben ist, dass sie die Bedeutung öffentlicher und privater Netzwerke für die Gestaltung von Geschäftsprozessen und die Abwicklung von Transaktionen betonen[10]. Dabei wird E-Business oftmals als markt- und handelsbezogener Begriff verstanden. In diesem Zusammenhang ist in der Regel vom elektronischen Handel bzw. E-Commerce die Rede. Aus Sicht der Unternehmen gibt es mehrere verschiedene Arten von E-Business. Als erstes wäre das B2C (Business-to-Consumer), also E-Business zwischen Konsumenten und Unternehmen, zu nennen. Außerdem unterscheidet man noch zwischen Unternehmen zu Unternehmen (B2B, Business-to-Business), Unternehmen zu öffentlichen Einrichtungen (B2A, Business-to-Administration] und Unternehmen zu Mitarbeitern (B2E, Business-to-Employee)[11].

Anwendungsgebiete

E-Business findet in verschiedenen Unternehmensbereichen Anwendung, unter anderem bei der Geschäftsideen- und Produktentwicklung, im Einkauf und der Beschaffung, in der Produktionsplanung und -steuerung, im Marketing und in der Kundenbindung, im Vertrieb und auch in der innerbetrieblichen Verwaltung [12]. Heutzutage können z.B. Informationen über den Markt oder die Konkurrenz schnell über das Internet bezogen werden, während früher Fachzeitschriften oder Branchenverzeichnisse gewälzt werden mussten, was um einiges zeitaufwändiger und teurer war. Besonders hilfreich ist, dass die Frage über bereits geschützte Artikel (Patente) schnell zu klären ist. Außerdem können Qualität und Preis von Waren schnell recherchiert und verglichen werden. Einer der wichtigsten Vorteile ist jedoch die Kundengewinnung über das Internet. Unternehmen haben nun viel mehr Möglichkeiten Werbung und Produktinformationen darzustellen.

Hauptsächlich findet Location Based E-Business Anwendung in der Navigation, also bei der Routenplanung, Fahrzeugnavigation oder der Ortung von z.B. Geldautomaten oder Tankstellen. Andere Anwendungsgebiete wären Tracing Services, darunter versteht man City-Guides, Hotel- und Restaurantführer, Shopping-Tipps oder auch Wetter- und Verkehrsinformationen. Ein dritter Bereich wäre die Sicherheit, z.B. die Notruflokalisierung oder auch die Standortbestimmung einer hilfebedürftigen Person durch Rettungskräfte.

5.3 Anforderungen

Auch ohne tiefer in die Materie einzusteigen lassen sich die zwei Grundanforderungen an die Geo-Lokalisierung leicht ermitteln. Die Position des Nutzers muss möglichst preiswert und genau ermittelt werden können. Bei der genaueren Betrachtung des Kostenkriteriums stellt sich die Frage, wie man dies genauer spezifizieren kann. Die Kosten einer einzelnen Lokalisierung lassen sich aufgrund der vorgelagerten Investition in die Netz- oder Satelliteninfrastruktur schwer ermitteln. Daher werden für dieses Kriterium im Folgenden die Kosten der gegebenenfalls notwendigen Hardwareerweiterungen für die Nutzung der einzelnen Verfahren betrachtet. Diese können sowohl beim Netz- bzw. Satellitenbetreiber als auch beim Endnutzer anfallen.

Die Genauigkeit kann deutlich präziser bewertet werden, denn hierzu sind in der entsprechenden Fachliteratur relativ genaue Angaben zu entnehmen.

Neben den beiden vorgenannten Kriterien spielt auch die Dauer bis zur Ermittlung der Position eine Rolle.

6 Technik

Die Lokalisierungsverfahren lassen sich in netzwerkbasierende und endgerätebasierende Verfahren einteilen. Bei ersterem wird das Netzwerk benutzt, um die Position des MS (Mobile Station) zu bestimmen. Bei endgerätebasierten Verfahren wird die MS zur Positionsbestimmung verwendet. Das Netzwerk unterstützt hier lediglich die Positionierung und die Ermittlung der Positionsrohdaten.[13]

In den folgenden Abschnitten werden zunächst die einzelnen netzwerkbasierenden Lokalisierungsverfahren gefolgt von den endgerätebasierten Verfahren erläutert und anschließend die Hardwareanforderung sowie die Vor- und Nachteile dargestellt.

Die netzwerkbasierenden Verfahren können vor allem im GSM-Netzwerk und zum Teil auch in lokalen Netzwerken wie dem WLAN (Wireless Local Area Network) oder auch unter Verwendung von Bluetooth eingesetzt werden. Dies wird an entsprechender Stelle gekennzeichnet und in dem Abschnitt zur Umsetzungen der Lokalisierungsverfahren mit verschiedenen Techniken zur besseren Übersicht zusammengefasst. An dieser Stelle werden für jede Technik Angaben zur Genauigkeit, Verfügbarkeit und Geschwindigkeit der Ortung gemacht.

Da die endgerätebasierten Verfahren speziell für die Ortung im GSM- (Global System (Standard) for Mobile) Netzwerk bzw. mittels dem satellitengestützten GPS entwickelt wurden, wird die Genauigkeit, Verfügbarkeit und Geschwindigkeit der Positionsbestimmung bereits bei der Erläuterung eingegangen.

Bei den unterschiedlichen Lokalisierungsverfahren können immer wieder verschiedene Störungen[14] auftreten. Zu diesen Störungen zählt z.B. die Abschattung. Hierbei handelt es sich um Hindernisse wie Wände, große Gegenstände oder Menschen. Es können auch Berge oder Hügel zu Funklöchern führen, in denen keine Lokalisierung mehr möglich ist. Eine andere Störung ist die Reflektion, bei der größere Gegenstände besonders Metalle die Signale reflektieren. Was zur Auslöschung bzw. Abschwächung des Signales führen kann. Im besten Fall wird das Signal durch die Reflektion jedoch erheblich verstärkt, wobei auch Seen und Flüsse eine Rolle spielen können. Außerdem gibt es auch noch die Streuung und die Dämpfung. Bei der Streuung wird das Signal von Hindernissen in mehrere schwächere Signale aufgeteilt. Dies kann den Signalstärkeverlauf unvorhersehbar verändern. Atmosphärische Einflüsse wie Nebel, Regen oder Schneefall verschlechtern bei der Dämpfung den Empfang.

Eine Folge der Störungen ist z.B. die Mehrwegausdehnung des Signals. Diese entsteht, weil die Störeinflüsse nicht einzeln auftreten, sondern sich summieren. Dies hat starke Signalschwankungen auch ohne Bewegung des Empfängers zur Folge.


Abbildung 05: Störungen (Abschattung, Reflektion, Dämpfung, Streuung)
Abbildung 05: Störungen (Abschattung, Reflektion, Dämpfung, Streuung)[15]


6.1 Netzwerkbasierende Lokalisierungsverfahren

Für die Lokalisierung mittels eines netzwerkbasierenden Verfahrens benötigt die MS keine Modifikationen. Hieraus resultiert jedoch auch ein gravierender Nachteil, denn die Position der MS kann ohne das Wissen des Nutzers ermittelt werden.

Im Folgenden werden die aus unserer Sicht wichtigsten, netzwerkbasierten Verfahren Cell ID, Time Advance, Received Signal Strength, Time of Arrival und Time Difference of Arrival erläutert.

6.1.1 Cell ID - Verfahren

Abbildung 06: Cell ID - Verfahren
Abbildung 06: Cell ID - Verfahren[16]

Das Cell ID Verfahren wird auch als CoO (Cell of Origin) oder CGI (Cell Global Identity) bezeichnet.

Die Positionsbestimmung bei diesem Verfahren erfolgt im Funknetz, indem die Position einer Funk-Zelle ermittelt wird. Die MS des Nutzers ist mit einer BTS (Basisstation) verbunden. Da drahtlose Übertragungstechnologien nur eine begrenzte Reichweite haben, muss sich das Endgerät innerhalb des Wirkungskreises der Basisstation befinden. Die Genauigkeit hängt von Größe und Form der Funkzelle ab. Je kleiner die Funkzelle, desto genauer ist die ermittelte Position.


Abbildung 07: Größe einer Funkzelle
Abbildung 07: Größe einer Funkzelle[17]


Die Größe einer Funkzelle ist abhängig von der verwendeten Technik.

"Die Zellradien [von Mobilfunkzellen] variieren dabei von 1 km bis 3 km in städtischen Gebieten bis hin zu 20 km in ländlichen Umgebungen."[18]

Dies liegt darin begründet, dass jede Antenne nur eine bestimmte Anzahl an Nutzern bedienen kann.

"In Ballungszentren werden dementsprechend die Abdeckungsradien kleiner sein [...]."[19]


Die theoretische Reichweite einer WLAN Zelle liegt bei ca. 300 m. Tatsächlich beträgt sie im Außenbereich bis zu 200 m und innerhalb von Gebäuden zwischen 25 und 50 m.[20]

Bei der Verwendung von Bluetooth kann je nach Klassifikation der eingesetzten Geräte eine Reichweite von bis zu 100 m erreicht werden.[21]

Abbildung 08: Cell ID - Verfahren mit 3 Sektoren
Abbildung 08: Cell ID - Verfahren mit 3 Sektoren[22]

"Die Genauigkeit von CoO kann durch sektorisierte Antennen verbessert werden. Hierbei besteht eine BTS aus mehreren Stabantennen – bei GSM meistens aus 3 – die jede einen bestimmten Kegel abdeckt [...]".[23], wodurch die grobe Richtung des Handys schätzen lässt.

Die Methode Cell ID ist eines der ungenauesten Verfahren der Positionsbestimmung. Über die Bestimmung der Signallaufzeit lässt sich die Genauigkeit verbessern. Hierauf wird im Abschnitt Time Advance näher eingegangen.

Die Messdauer dieses Verfahrens liegt zwischen 2 und 5 Sekunden und im Mittel bei 2,5 Sekunden, damit handelt es sich um eines der schnellsten Verfahren der verwendeten Positionierungstechniken.[24]

Cell ID wird von der Björn-Steiger-Stiftung zur Handy-Notrufortung eingesetzt. Die Stiftung initiierte bereits 2006 die erste Handy-Ortung im Notfall. Durch die starke Verbreitung von Handys können schnell Notrufe abgesetzt werden, jedoch ist es den Beteiligten oftmals nicht möglich, ihre Position genau anzugeben. Hilfskräfte müssen den Unfallort dann erst suchen. Deshalb hat die Björn Steiger Stiftung die Handy-Ortung ins Leben gerufen. Dahinter steckt eine Internet-Ortungsplattform, über die die Notrufleitstellen Handys im Notfall orten können. Die Rettungskräfte werden dann zum entsprechenden Einsatzort geschickt. Die Zeit die zwischen Notruf und Ankunft der Rettungskräfte verstreicht wurde mit diesem Verfahren stark verkürzt.[25]

Auch Mobilfunkanbieter wie O2 bieten die Lokalisierung mittels des Cell-ID Verfahrens an, um verloren gegangene Handys wieder zu finden. Man kann sich dann im Internet die Position des verschwundenen Handys anzeigen lassen.[26]

6.1.1.1 Hardwareanforderungen

Das Cell-ID Verfahren benötigt keine Erweiterung der Hardware.

6.1.1.2 Vorteile

Ein Vorteil des Cell-ID Verfahrens ist, dass es keine Änderungen am Endgerät oder am Netzwerk benötigt. Außerdem ist keine Erweiterung der benötigten Hardware notwendig und somit eine einfache Implementierung des Verfahrens möglich. Es handelt sich bei dem Verfahren um die einfachste Form bzw. Möglichkeit der Positionsbestimmung. Ebenso ist die Funktion der Lokalisierung sofort verfügbar. Vor der Nutzung müssen keine Investitionen getätigt werden, somit ist das Cell-ID Verfahren die kostengünstigste Form der Lokalisierung. Außerdem ist die Positionierung auch innerhalb von Gebäuden möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich das Cell-ID Verfahren leicht durch Timing Advance verbessern lässt (wie im nächsten Kapitel beschrieben).

6.1.1.3 Nachteile

Nachteil ist unter anderem, dass es sich um eine sehr ungenaue Positionierungstechnik handelt. Im schlechtesten Fall beträgt die Abweichung die Größe einer BTS. Außerdem muss die am nächsten gelegene BTS nicht die angegebene BTS sein. Dies ist der Fall, wenn das am nächsten gelegene BTS überlastet ist, dann wird eine nicht so frequentierte BTS, die weiter entfernt liegt gewählt und das Verfahren wird noch ungenauer. Nach Möglichkeit benötigt das Cell-ID Verfahren eine flächendeckende Zellstruktur, um zu vermeiden, dass an manchen Stellen gar keine Ortung möglich ist. Ein Nachteil der immer wichtiger wird ist, dass satellitenbasierte Ortungen sehr viel genauer ist als das Cell-ID Verfahren.

6.1.2 Timing Advance

Abbildung 09: Cell ID - Verfahren im Zusammenhang mit Timing Advance
Abbildung 09: Cell ID - Verfahren im Zusammenhang mit Timing Advance[27]

"Das Timing Advance Verfahren ist eine Erweiterung des Cell ID - Verfahrens um den Timing Advance Parameter. Er wird durch die Schleifenlaufzeit eines Signals von der Basisstation zum Handy und zurückermittelt."[28] Aus dieser Dauer kann die Entfernung des Handys zur Basisstation berechnet werden. Da allerdings das Handy eine Verzögerung zwischen Empfang und Zurücksenden des Signals verursacht, wird die Entfernung nicht genau bestimmt, sondern nur in Bereichen von ca. 550m geschätzt. Daraus ergeben sich Kreisbereiche mit jeweils 550m Radiusunterschied. Die Abbildung zeigt, wie der gemessene Timing Advance Parameter genutzt wird, um die Position des Handys in einer Zelle auf einen Kreisbereich einzuschränken. Im Falle einer Zelle, die nicht in Sektoren eingeteilt ist, bringt diese Technik keinen großen Vorteil gegenüber dem Cell ID-Verfahrens, da trotzdem noch die Position der Basisstation als Handyposition angegeben werden muss. Es kann jedoch ermittelt werden, wenn sich das Handy nicht in die am nächsten gelegene Basisstation eingebucht hat. Im Falle einer Unterteilung, kann man die Handyposition um eine gewisse Entfernung in Richtung des Sektors angeben und so eine genauere Positionsbestimmung erreichen. Der TA-Parameter ist ursprünglich für die Synchronisierung von Handy und Basisstation gedacht gewesen. Je höher dieser Wert ist, desto weiter weg ist das Handy von der Basisstation. Der TA-Parameter beeinflusst, wie schnell die Daten vom Handy an die Basisstation geschickt werden. Je weiter das Handy von der Basisstation entfernt ist, desto früher muss es die Daten abschicken, damit sie rechtzeitig bei der Basisstation ankommen[29]. Da mit zunehmender Entfernung von der Basisstation die Empfangsleistung stark abnimmt, wird höchstens ein Timing Advance von 63 vergeben, wodurch die Größe einer Funkzelle auf einen Radius von etwa 35km begrenzt ist[30]. Ist ein Mobiltelefon somit weniger als 550m von seiner Basisstation entfernt, bekommt es keinen Timing Advance, bei einem Abstand zwischen 550m und 1100 m einen von eins. Besonders innerhalb von Städten kann es vorkommen, dass es keine Sichtverbindung zwischen Basisstation und Mobiltelefon gibt. In diesem Fall werden die Signale auf ihrem Weg reflektiert, so dass der über die Laufzeit gemessene Abstand größer ist als der Tatsächliche.

6.1.2.1 Hardwareanforderungen

Es sind keine zusätzlichen Hardwareanforderungen notwendig.

6.1.2.2 Vorteile

Die Vorteile von Timing Advance sind ähnlich dem Cell-ID Verfahren. Die Genauigkeit des Verfahrens hat sich jedoch gegenüber dem Cell-ID Verfahren erheblich verbessert, auch wenn es immer noch nicht mit den satellitenbasierten Ortungen mithalten kann. Der Netzbetreiber kann auch dieses Verfahren ohne Hard- und Softwareveränderungen einsetzen. Auch kann das Verfahren nicht gegen den Willen des Nutzers eingesetzt werden, da der Nutzer sich vor der Lokalisierung gegenüber dem Netz authentisieren muss. Das Mobiltelefon muss also zur Laufzeit mit der Basisstation kooperieren. Dies führt zu einer höheren Kontrolle des Nutzers über seine eigenen Daten.

6.1.2.3 Nachteile

Ein großer Nachteil ist genau wie beim Cell-ID Verfahren die Ungenauigkeit des Verfahrens. Der Fehler der Positionsbestimmung ist immer noch stark mit dem Zellradius verbunden. Außerdem gibt es eine Zeitdifferenz zwischen Empfang und Senden bei Mobiltelefonen. "Die BTS kann nur in einem bestimmten Zeitschlitz empfangen. Ist das Mobiltelefon weiter weg muss es früher senden damit das Signal rechtzeitig ankommt. Wie früh es senden muss teilt die BTS mit" [31]

6.1.3 Angel of Arrival

Abbildung 10: Angel of Arrival - Verfahren
Abbildung 10: Angel of Arrival - Verfahren[32]

Durch die Ermittlung des Einfallswinkels des Signales der MS an mindestens 2 BTS wird beim AoA (Angel of Arrival) Verfahren die Position der MS ermittelt. Für die Messung des Einfallswinkels müssen die BTS mit gerichteten Antennen ausgestattet sein. Die MS befindet sich auf dem Schnittpunkt der beiden von den BTS durch den Einfallswinkel bestimmten Geraden. Mehrere Messungen führen zusammen mit der ebenfalls zur Abstandsbestimmung zusätzlich benötigten Entfernung zwischen den BTS zu einem linearen Gleichungssystem.[33] Durch dessen Lösung lässt sich im GSM-Netzwerk die Position der MS mit einer Genauigkeit von ca. 125 Metern bestimmen.[34] Aufgrund der erforderlichen zusätzlichen Hardware befindet sich diese Technik aber in der Praxis kaum im Einsatz.[35]

Da die WLAN Antennen nicht für diesen Nutzungszweck ausgerichtet sind, lässt sich AoA im WLAN nicht realisieren.[36] Dies gilt ebenso für den Einsatz des Verfahrens bei der Verwendung von Bluetooth.


6.1.3.1 Hardwareanforderungen

Die MS muss sich im Sendebereich von 2 BTS befinden. Zudem müssen diese mit gerichteten Antennen ausgestattet sein. Eine Hardwareanpassung an der MS ist nicht notwendig.

6.1.3.2 Vorteile

Für den Einsatz des Verfahrens werden lediglich 2 BTS sowie die Angabe zu der Entfernung zwischen diesen benötigt.
Das Verfahren ist außerdem standortunabhängig und es ist keine Synchronisation notwendig.[37]

6.1.3.3 Nachteile

Die BTS müssen mit gerichteten Antennen, die eine Winkelmessung unterstützen, ausgestattet sein. Die Mehrwegeausbreitung des Funksignales und der dadurch gegebenenfalls veränderte Einfallswinkel an der BTS beeinträchtigen die Positionsbestimmung erheblich. Dieses Verfahren hat außerdem den Nachteil, dass es nur bei Sichtverbindungen einwandfreie Ergebnisse liefert.[38]

6.1.4 Received Signal Strength

Bei der Positionierungstechnik RSS (Received Signal Strength) wird die Position der MS anhand der Empfangsleistung und damit der Dämpfung eines Funksignals gemessen. Mit zunehmender Distanz zwischen MS und BTS nimmt auch die Dämpfung zu. Neben der Empfangsleistung wird für die Berechnung der Dämpfung die Sendeleitung benötigt. Unter Kenntnis dieser Kennzahlen kann die Entfernung der MS zur BTS errechnet werden. "Oftmals wird zur Positionsbestimmung ein Vergleich mit Referenzdaten durchgeführt, die an derselben Position ermittelt wurden. Abweichungen werden anschließend mittels Berechnung oder Approximation korregiert."[39] Werden für die Berechnung der Position die empfangenen Signalstärken an mehrere BTS verwendet, kann eine 2D-Ortung erfolgen.

"Im Mobilfunk typische Effekte wie Mehrwegeausbreitung, Beugung, Streuung, etc., bestimmen die Signaldämpfung signifikant und verringern die Genauigkeit einer RSS basierten Positionierung."[40]

Dieses Verfahren ist gut in Hybridtechnologien einsetzbar.[41] Dadurch kann auch die hohe Fehlerwahrscheinlichkeit reduziert werden. "Unter Zuhilfenahme von CoO mit sektorisierten Antennen kann nun die Position z.B. auf rechts unten eingeschränkt werden."[42]

Bei der Verwendung von RSS im GSM-Netz liegt die Genauigkeit bei 150 m[43], und die Genauigkeit wird stark durch den Abdeckungsbereich der BTS bestimmt. Vor allem bei der Verwendung von WLAN und Bluetooth können aufgrund der kleineren Senderadien, in denen die Signalstärken schnell abnehmen, gute Ergebnisse erzielt werden. Feinmaschig angelegte Karten mit Referenzsignalstärken verbessern die Ergebnisse zusätzlich. Durch den relativ kleinen zu vermessenden Bereich kann dies insbesondere im WLAN durchgeführt werden.[44] Im WLAN kann die Position der MS je nach eingesetztem Berechnungsverfahren zwischen 3 m und 15 m genau bestimmt werden.[45] Bei der Verwendung von Bluetooth kann die Position mit einer Präzision von ca. 2 Metern ermittelt werden.[46]

6.1.4.1 Hardwareanforderungen

Es sind keine Hardwareerweiterungen nötig.

6.1.4.2 Vorteile

Aufgrund der nicht benötigten Hardwareerweiterungen kann dieses Verfahren in allen Funknetzwerken eingesetzt werden. Vor allem bei der Verwendung mit WLAN und Bluetooth sind so hohe Genauigkeiten realisierbar. Da die RSS zudem mit anderen Lokalisierungsverfahren gut kombinierbar ist, eignet sie sich als Hybridtechnologie.

6.1.4.3 Nachteile

Die hohe Fehlerwahrscheinlichkeit durch die Mehrwegeausbreitung stellt einen großen Nachteil für RSS da. Dieser wird jedoch in Netzwerken mit einem kleinen Abdeckungsbereich oder durch den Einsatz von Hybridtechnologien kompensiert.
Außerdem nimmt die Signalstärke quadratisch mit wachsender Entfernung ab und die einzelnen Messungen des Verfahrens sind relativ aufwendig.[47]

6.1.5 Time of Arrival

Abbildung 11: Time of Arrival
Abbildung 11: Time of Arrival[48]

Bei ToA (Time of Arrival) werden die absoluten Signallaufzeiten zwischen der MS und mindestens einer BTS für die Positionierung verwendet. Die Entfernung wird anhand der gemessen Zeit und der Signalausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) errechnet. Durch die Messung wird ein Kreis (2D) bzw. eine Kugel (3D) bestimmt, in dem/der sich das MS befinden muss und dessen Mittelpunkt die BTS darstellt. Bei der Verwendung der Signallaufzeiten zwischen MS und nur einer BTS lässt sich zwar der Abstand zu dieser, jedoch keine genaue Position berechnen. Daher sind für genaue Berechnungsergebnisse die Messungen unter Verwendung von mindestens 3 BTS nötig. Mehrere Messungen liefern ein nichtlineares Gleichungssystem, dessen Lösung letztlich die eindeutige Bestimmung der Position der BS erlaubt. Es muss durch einen Zeitstempel der Sendezeitpunkt sowie der Empfangszeitpunkt des Signals bekannt sein. Für eine genaue Berechnung ist eine zeitliche Synchronisierung aller beteiligten BTS nötig. Alternativ kann die Messung der Zeitdifferenzen von einer LMU (Location Measurement Units) übernommen werden.[49] Durch die hohe Signalausbreitungsgeschwindigkeit führt eine Ungenauigkeit von 1 µs zu einer Abweichung bei der Positionsbestimmung von 300 Metern. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen werden idealerweise die Signallaufzeiten zu 3 BTS für die Positionsbestimmung herangezogen.

"Die Messdauer für diese Positionierungstechnik liegt im GSM-Netzwerk bei circa 10 Sekunden."[50] Die Genauigkeit entspricht hier ca. 125 Metern.[51]

Im WLAN lässt sich dieses Verfahren aufgrund der durch die notwendigen kostenintensiven Hardwareerweiterungen fehlenden Synchronisation nicht einsetzen.[52] Theoretisch wäre eine Genauigkeit von 1 - 3 Metern möglich.[53]

Zur Verwendung von Time of Arrival mit Bluetooth lassen sich keine fundierten Angaben machen. Jedoch kann hier ebenso wie beim WLAN durch die benötigten Hardwareerweiterungen davon ausgegangen werden, dass aus Kostengründen auf den Einsatz dieses Verfahrens verzichtet wird. Durch die ohnehin relativ geringe Sendereichweite könnte auch hier eine hohe Genauigkeit erreicht werden.

6.1.5.1 Hardwareanforderungen

Für den Einsatz von ToA sind keine Hardwareerweiterungen an der MS notwendig. Da hingegen eine genaue Synchronisation der BTS erforderlich ist, müssen diese mit hinreichend genauen Uhren ausgestattet sein. Alternativ bzw. unterstützend werden LMUs im Netzwerk benötig. Da ToA zudem für eine genaue Positionsbestimmung mindestens 3 BTS benötigt, unterscheidet es sich in diesem Punkt von den zuvor erläuterten Verfahren.

6.1.5.2 Vorteile

Es ist keine Hardwareerweiterung der MS nötig.

6.1.5.3 Nachteile

Die notwendige genaue Synchronisation sowie die Mindestanzahl von 3 BTS für eine genaue Positionsbestimmung bilden vor allem aus Kostengründen einen Nachteil für ToA. Daher ist der Einsatz mit WLAN oder Bluetooth nahezu ausgeschlossen.

6.1.6 Time Difference of Arrival

Abbildung 12: Time Difference of Arrival
Abbildung 12: Time Difference of Arrival[54]

Das TDoA (Time Difference of Arrival) Verfahren verwendet im Vergleich zu ToA statt der absoluten Signallaufzeiten die Laufzeitdifferenzen zu 3 BTS. Der Sendezeitpunkt (Uplink Time) wird auch bei diesem Verfahren benötigt. Dieses Verfahren wird daher auch mit UL-TOA (Uplink Time of Arrival) bezeichnet. Die MS sendet gleichzeitig an alle BTS ein Signal mit einem Zeitstempel. Die beteiligten BTS verwenden diesen Zeitstempel zusammen mit der gemessenen Ankunftszeit des Signals um die Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen BTS zu berechnen. Die Laufzeitdifferenzen entsprechen der Differenz der Distanzen der MS zu den beteiligten BTS. Wie beim ToA Verfahren bilden mehrere Messungen ein nichtlineares Gleichungssystem, dessen Lösung die Position der MS ergibt. [55] Hierfür ist wie bei ToA eine genaue Synchronisation der BTS nötig.

Im GSM-Netzwerk dauert die Messung etwa 5 Sekunden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung mittels TDoA liegt je nach örtlichen Begebenheiten bei etwa 50 bis 150 Metern.[56] Wie auch bei ToA kommt dieses Verfahren im WLAN bzw. bei der Verwendung von Bluetooth aufgrund der für die Synchronisation der BTS notwendigen und kostenintensiven Hardwareerweiterungen nicht zum Einsatz.


6.1.6.1 Hardwareanforderungen

Um TDoA einzusetzen sind keine Hardwareerweiterungen an der MS notwendig. Die exakte Synchronisation der BTS ist wie beim bereits beschriebenen ToA erforderlich, daher müssen auch hier die BTS mit hinreichend genauen Uhren ausgestattet sein. Ebenso werden wie bei ToA für eine genaue Positionsbestimmung mindestens 3 BTS benötigt.

6.1.6.2 Vorteile

Es ist keine Hardwareerweiterung der MS nötig.

6.1.6.3 Nachteile

Die für eine genaue Positionsbestimmung notwendige exakte Synchronisation der mindestens 3 BTS bilden vor allem aus Kostengründen einen Nachteil für TDoA. Daher ist der Einsatz mit WLAN oder Bluetooth wie beim bereits erläuterten ToA nahezu ausgeschlossen.

6.2 Endgerätebasierende Lokalisierungsverfahren

Bei diesen Verfahren wird die Messung der zur Positionsbestimmung relevanten Daten vom MT vorgenommen. MT-basierte Verfahren haben, im Vergleich zu netzwerkbasierten, den Vorteil, dass sie deutlich genauer sind. Allerdings sind bei diesen Verfahren Änderungen an Endgeräten oder sogar neue Endgeräte nötig. Dadurch sind diese Verfahren dann auch kostenintensiver.[57]

Nachfolgend wird auf die satellitengestützten Verfahren Global Positioning System und Assisted Global Positioning System sowie das im GSM-Netzwerk verwendete Enhanced Observed Time Difference Verfahren eingegangen.

6.2.1 Global Positioning System

GPS (Global Positioning System) ist ein vom amerikanischem Verteidigungsministerium ins Leben gerufenes globales Navigationssatellitensystem. Obwohl das System den meisten Menschen unter dem Namen GPS bekannt ist, lautet der vollständige Name NAVSTAR-GPS (Navigation System for Timing and Ranging - Global Positioning System). In den ersten Jahren nach der Installation des Systems (die ersten Satelliten wurden 1978 geschickt) sollte GPS ausschließlich militärische und verteidigungspolitische Zwecke erfüllen. Der von zivilen Personen empfangbare C/A Code wurde künstlich durch die Technik "Selective Availability" verschlechtert, wodurch eine Genauigkeit auf ca. 100 Meter erreicht werden kann. Im Jahr 2000 wurde diese Beschränkung durch den damaligen US-amerikanischen Präsidenten Bill Clinton aufgehoben. Zusätzlich wurde 2007 vom nachfolgenden Präsidenten, Georg W. Bush, bekannt gegeben, dass in der neuesten Generation der GPS Satelliten (GPS III) Selective Availability gar nicht mehr implementiert wird.[58]

6.2.1.1 Bestandteile

Das GPS-System besteht aus den folgenden drei Segmenten, die teilweise unidirektional und bidirektional miteinander kommunizieren.


Abbildung 13: Bestandteile des GPS Systems
Abbildung 13: Bestandteile des GPS Systems [59]


Weltraumsegment (Satelliten)

Das Weltraumsegment umfasst die Satelliten, welche die Erde in einer Höhe von 20.180km im MEO ("medium earth orbit") auf sechs verschiedenen Bahnen umkreisen. Die Umlaufbahn der Satelliten ist so gewählt, dass von jeder Stelle der Erde mindestens vier Funksignale empfangen werden können. Bei einer Geschwindigkeit von 3,5 km pro Sekunde umkreisen die Satelliten die Erde in genau 23 Stunden und 56 Minuten. Aktuell sind 31 Satelliten in verschiedenen Modellen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF) im Einsatz.

Kontrollsegment (Kontrollstationen)

Die primäre Aufgabe des Kontrollsegments (Operational Control System) ist die Überwachung der Satelliten von der Erde aus. Das Kontrollsegment setzt sich aus einer Hauptkontrollstation (Master Control Station), fünf Monitorstationen und drei Bodensendestationen zusammen. Die Master Control Station dient zur zentralen Kontrolle des GPS Systems und befindet sich in der Schriever Air Force Base, Colorado. Sie empfängt die Messdaten der passiven Monitorstation, welche als normale GPS fungieren und das GPS von allen sichtbaren Satelliten auswerten. Die gesammelten Daten werden nicht von der Master Control Station direkt, sondern über die Bodensendestation an die Satelliten übertragen.

"Die wichtigsten Aufgaben des Kontrollsegments sind:

  • Beobachtung der Satellitenbewegungen und Berechnung der Bahndaten (Ephemeriden)
  • Überwachung der Satellitenuhren und Vorhersage ihres Verhaltens
  • Zeitsynchronisation der Satelliten
  • Übermitteln der genauen Bahndaten des im Funkkontakt stehenden Satelliten
  • Übermittlung der ungenauen Bahndaten aller Satelliten (Almanach)
  • Übermittlung weiterer Informationen, sowie technischer Zustand aller Satelliten (Status, Uhrenfehler, usw.)" [60]

Benutzersegment (GPS-Empfänger)

Das Benutzersegment besteht aus den weltweit zu privaten oder militärisch Zwecken genutzten GPS Empfängern, die sowohl auf dem Land, in der Luft und auf dem Wasser verwendet werden können. Diese lassen sich mit dem heutigen Stand der Technik so kompakt herstellen, dass sie in Mobiltelefone, Navigationssystemen und Armbanduhren eingebaut werden können. Ein GPS Empfänger besteht aus einer Antenne, einem Empfängerprozessor und einer möglichst exakten Uhr.[61] Je nach Einsatzgebiet und Anspruch an die Genauigkeit unterstützen teurere GPS zusätzliche Leistungsmerkmale wie die Unterstützung bei den Trägerfrequenzen L1 und L2, redu oder höhere Datenraten (1 Hertz, z.B. für Kinematik).[62].

6.2.1.2 Funktionsweise

Die GPS Satelliten senden kontinuierlich Signale, die unter anderem den Bezeichner des Satelliten, dessen aktuelle Position und einen Zeitstempel enthalten. Diese drei Informationen sind maßgeblich für die Positionsbestimmung eines GPS Endgeräts. Anhand der Positionsangabe des Satelliten und der Differenz des Zeitstempels (Ausgangszeitpunkt des Signals am Satelliten) und dem Eingangszeitpunkt des Signals am GPS Empfänger sowie dem Wissen der Geschwindigkeit des Signals (Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s) kann man die Entfernung des Satelliten berechnen.

Entfernung R = Laufzeit t • Lichtgeschwindigkeit c

Zur Positionsbestimmung sind zumindest drei Signale von Satelliten (Positionen und Entfernungen eines Satelliten) notwendig. Anhand dieser Informationen kann mit der Methode der Trilateration der genaue Standort bestimmt werden. Trilateration ist eine Methode, mit der sich die Position eines Objektes ermitteln lässt, sofern die Koordinaten von mehreren Referenzpunkten bekannt sind und die Entfernungen zu den Referenzpunkten, Signal-to-Noise-Ratios oder auf Grund ihrer Distanz im Verhältnis zueinander stehenden Werte, ebenfalls bekannt sind.[63]

Die zur Bestimmung der Position benötigte Differenz zwischen Ausgangs- und Eingangssignal setzt eine vollkommenen Synchronität der Uhren des Satelliten und des GPS Empfängers voraus. Eine Verfälschung der gemessenen Laufzeit von nur 1 μs verursacht zum Beispiel einen Positionsfehler von 300 m.[64] Die Zeitangabe des Ausgangssignals ist, durch die im GPS Satelliten vorhandene Atomuhr, verlässlich. Die Ungenauigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass im GPS Empfänger die Zeit nur aus einem Quarz-Oszillator abgeleitet wird. Aufgrund dieser fehlenden Synchronität wird die ermittelte Entfernung zum Satelliten als Pseudo Entfernung bezeichnet und bietet keine ausreichende Genauigkeit bei der Positionsbestimmung. Um den sogenannten Zeitfehler zu verhindern, muss das Signal eines vierten Satelliten benutzt werden.

Nach der Abschaltung der Selective Availability ist einen Genauigkeit von ca. 13 Metern mittels GPS zu erreichen.[65] In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Ursache für eine Messungenauigkeit aufgeführt:

Tabelle 1: Fehlerursachen (typische Werte) [66]
FehlerursacheFehler
Ephemeridendaten
1,5 m
Satellitenuhren
1,5 m
Einfluss der Ionosphäre
3,0 m
Einfluss der Troposphäre
0,7 m
Mehrwegempfang (Multipath)
1,0 m
Einfluss des Empfängers
0,5 m


6.2.1.3 Hardwareanforderungen

Zur Nutzung von GPS ist ein GPS fähiges Endgerät notwendig. Dieses kann dank der kompakten Bauweise in Mobiltelefone integriert werden.

6.2.1.4 Vorteile

Der größte Vorteil von GPS vor allem gegenüber den netzwerkbasierten Lokalisierungsverfahren besteht in der präzisen Positionsbestimmung. Bei einer guten Satelliten Konstellation kann eine Genauigkeit von 10 - 15 Metern erreicht werden. Dabei haben die Wetterbedingung einen geringen Einfluss auf die Lokalisierungsgenauigkeit. Des Weiteren erlaubt GPS eine weltweite Positionsbestimmung. Aufgrund der ausgefeilten Technik haben heutige GPS Empfänger nur noch eine geringe Größe, was den Einbau in Mobiltelefone, Navigationssysteme und Uhren ermöglich. Aus Sicht des Datenschutzes ist die Ortung beziehungsweise Überwachung von Personen mittels GPS nicht nötig, da GPS Empfänger in der Regel über keinen Rückkanal verfügen, der Informationen über den Standort versenden kann. Nicht zuletzt ist das GPS voll funktionstüchtig und schon seit Jahren im Einsatz und wird durch ständige Weiterentwicklung verbessert.

6.2.1.5 Nachteile

Gegenüber den meisten anderen Lokalisierungsverfahren wird bei der GPS Lokalisierung zusätzliche Hardware benötigt. Erst ein GPS Empfänger ermöglicht mittels der Signale der Satelliten die Ortsbestimmung. Beim kontinuierlichen Empfang von Satellitensignalen entsteht einer hoher Stromverbrauch, welcher vor allem beim Einsatz in Mobiltelefonen ein großes Problem darstellt. Besteht keine dauerhaft Verbindung, ist es vor allem die erste Positionsbestimmung nach einem sogenannten Kalt Start, welche viel Zeit (kann bis zu mehreren Minuten dauern) in Anspruch nimmt. Ein weiterer Nachteil ist es, das GPS keine Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden erlaubt.

Da das GPS System vollständig von dem amerikanischen Verteidigungsministerium betrieben und kontrolliert wird, besteht beim Einsatz von GPS eine Abhängigkeit von den USA. Die mittlerweile abgeschaltete Technik Selective Availability, welche eine künstliche Verschlechterung der GPS Genauigkeit ermöglicht, kann auch nur in gewissen Regionen eingesetzt werden. Um diese Abhängigkeit abzubauen sind seit einigen Jahren alternative GNSS (Global Navigation Satellite System) im Aufbau.

6.2.2 Assisted Global Positioning System

A-GPS (Assisted Global Positioning System) ist eine aufgrund der Schwächen von GPS entstandene Erweiterung des GPS Systems. Neben den Signalen der GPS Satelliten benutzt der GPS Empfänger auch Assistenzinformationen aus zellularen Mobilfunknetzen, wodurch vor allem die erste Positionsbestimmung beschleunigt werden kann.

Die zuvor angesprochenen Schwächen von GPS ergeben sich daraus, dass das GPS System für rein militärische Zwecke konzipiert wurde. Dabei standen die Positionsbestimmung und Navigation von militärischen Einheiten im Vordergrund. In diesem Einsatzgebiet fallen die meisten Nachteile von GPS (hoher Stromverbrauch, erste Positionsbestimmung dauert lange, keine Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden) nicht ins Gewicht.

Die Grundidee zu A-GPS entstand im Jahre 1981 [67], aber eine größere Bedeutung bekam die Technik erst im Zusammenhang mit einem Mandat der FCC (Federal Communications Commission). In dem E911 Mandat wurden alle Netzbetreiber gesetzlich aufgefordert im Fall eines Notrufs der an die PSAP (Public Safety Answering Point) weitergeleitet wird eine Positionsbestimmung des Anrufers durchführen zu können. Dies stellte die Netzbetreiber vor das Problem, dass auf der einen Seite die netzwerkbasierten Lokalisierungsverfahren die Vorgaben zur Genauigkeit der Lokalisierung nicht erfüllen konnten und auf der anderen Seite eine satellitengestützte Lokalisierung mittels GPS die zeitlichen Anforderungen nicht einhalten konnte.

6.2.2.1 Arbeitsweise

Die Ursache für die zeitaufwendige erste GPS Positionsermittlung, welche auch als TTFF (Time to first fix) bezeichnet wird, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Bahndaten (Ephemeriden), die der GPS Empfänger von den Satelliten mitgeteilt bekommt, nur eine Gültigkeit von vier Stunden besitzen. Wird ein GPS Empfänger nach mehreren Stunden wieder eingeschaltet spricht man von einem Kalt-Start. Aufgrund der veralteten Bahndaten muss der Empfänger in einem vollständigen Suchlauf die Position der Satelliten neu finden. Dieser Vorgang ist äußerst zeitaufwendig. Um diese Problematik zu umgehen wird der GPS Empfänger bei A-GPS mit zusätzlichen Hilfsdaten versorgt, welche die langwierige Suche nach den Satelliten auch bei einem schwachen Signal verkürzen. Die Daten werden als Aiding-Daten bezeichnet und über andere Kommunikationskanäle, beispielsweise via GSM, GPRS, CDMA oder UMTS übermittelt (wörtlich). Die Aiding-Daten enthalten Angaben z. B. über:

  • die Satellitenkonstellation (Almanach)
  • präzise Bahndaten (Ephemeriden, Orbits)
  • Zeitinformationen
  • Dopplerfrequenz und Frequenz-Offset (-Fehler) des GPS-Empfängers (wörtlich)

In der folgenden Darstellung wird Auswirkung der Bereitstellung der verschiedenen Aiding-Daten auf die TTFF unter Berücksichtigung der Signalstärke aufgezeigt.


Abbildung 14: Auswirkung der Aiding Daten auf die TTFF
Abbildung 14: Auswirkung der Aiding Daten auf die TTFF [68]



6.2.2.2 Referenznetzwerk
Abbildung 15: IGS-Referenzstationen (Stand Januar 2009, mit 372 aktiven Stationen)
Abbildung 15: IGS-Referenzstationen (Stand Januar 2009, mit 372 aktiven Stationen) [69]

Um die Bereitstellung der Aiding Daten zu ermöglichen ist ein weltweites Referenznetzwerk notwendig. "Ein typisches A-GPS Gesamtsystem [...] besteht aus einem globalen Referenznetzwerk von GPS-Empfängern, einem zentralen Server, der Aiding-Daten bereitstellt, und A-GPS-fähigen Endgeräten" [70]. Ein solchen Netzwerk zur Unterstützung des GPS System wird von der IGS (International GNSS Service, früher International GPS Service) betrieben. Die IGS stellt einen Datendienst zur Verfügung, welcher vor allem wissenschaftlichen Projekten aber auch der Gesellschaft im allgemeinen qualitativ hochwertige Daten zur Verbesserung der Satellitenordnung liefern soll.[71] Die IGS betreibt weltweit mehr als 350 GPS Stationen und mehr als ein Dutzend regionale und drei globale Rechenzentren.[72]

Es gibt zwei verschiedene Verfahren zur Bereitstellung der Hilfsdaten.

A-GPS mit Online-Hilfsdaten

Beim Einsatz des Online Verfahrens werden die Hilfsdaten über das Mobilfunknetz von einem Location Server des Referenznetzwerkes angefordert. Dazu ist es nötig, dass der GPS Empfänger mit einer Mobilstation ausgestattet ist. Diese leitet die erhaltenen Daten an das interne GPS Modul weiter. Die Anforderung der Aiding Daten erfolgt erst in dem Moment in dem die eigentliche Positionsbestimmung stattfinden soll.

A-GPS mit Offline-Hilfsdaten

Im Gegensatz zum Online Verfahren findet die Übertragung der Aiding Daten in der Offline Variante nicht erst in dem Moment statt, in dem sie benötigt werden, sondern bereits zu einem vorherigen Zeitpunkt. In der Regel werden die Orbitdaten über das Internet heruntergeladen und im Speicher des GPS Empfängers abgelegt. Mittels dieser Daten können die Bahndaten der GPS Satelliten für ca. 10 - 20 Tage vorausberechnet werden[73].

6.2.2.3 Hardwareanforderungen

Zur Nutzung des A-GPS Systems ist ein A-GPS fähiges Endgerät notwendig. Dieses muss zusätzlich zu einem GPS, welches zum Empfang des GPS Signals notwendig ist, über eine Mobilstation verfügen. Über die Mobilstation können die Hilfsdaten des Mobilfunknetzes empfangen werden.

6.2.2.4 Vorteile

Der entscheidende Vorteil des A-GPS Systems im Gegensatz zu reinen GNSS ist die stark verkürzte Zeit zur Bestimmung der ersten Position, da die Suche nach den Satelliten bei einem Kalt Start entfällt. Ein positiver Nebeneffekt der sich daraus ergibt ist Verringerung des Stromverbrauchs des Endgeräts, da keine kontinuierlich Verbindung zu den GPS Satelliten bestehen muss. Dadurch das A-GPS auf dem GPS System aufbaut, gilt auch für A-GPS die hohe Präzision der Positionsbestimmung.

6.2.2.5 Nachteile

Zur Nutzung der A-GPS Technik wird genau wie beim reinem GPS ein Endgerät benötigt. Aus datenschutzrechtlicher Sicht ist negativ anzumerken, dass durch die zusätzliche Nutzung von netzwerkbasierter Lokalisierungstechnik bei A-GPS die Ortung durch Dritte möglich ist. Außerdem können durch die Nutzung des GSM Netzwerkes weitere Nutzungsgebühren an den Provider entfallen.

6.2.3 Enhanced Observed Time Difference

Das E-OTD (Enhanced Observed Time Difference) Verfahren basiert prinzipiell auf TDoA. Hier empfängt die MS zeitgleich von mindestens 3 BTS gesendete Signale. Die Ankunftszeit der Signale und die daraus ermittelten Zeitunterschiede werden für die Berechnung der Position verwendet. Die gesendeten Signale enthalten neben den Zeitangaben weitere Informationen, die die MS zur Berechnung benötigt. Das Verfahren wurde von 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) spezifiziert.[74] Um die fehlende Synchronisation des GSM-Netzwerkes zu kompensieren werden für dieses Verfahren zusätzliche Netzwerkkomponenten in Form von LMUs benötigt.[75] Das Verhältnis der benötigten LMUs zu den BTS liegt im städtischen Bereich bei 1:5 und im ländlichen Bereich bei 1:4.[76] Die Genauigkeit der Lokalisierung wird von verschiedenen Quellen von ca. 60 m im ländlichen Bereich bis zu 200 m im städtischen Bereich angegeben. [77]

Abbildung 16: E-ODT unter Verwendung der hyperbolischen Methode
Abbildung 16: E-ODT unter Verwendung der hyperbolischen Methode [78]

Die Positionsbestimmung kann in 2 Varianten erfolgen. "Bei der Hyperbolischen Methode werden drei verschiedene Zeitspannen betrachtet, die zum einen dem unterschiedlichen Laufweg der Signale aufgrund der variablen Entfernungen zwischen den entsprechenden Basisstationen und dem Endgerät, zum anderen der unterschiedlichen Synchronisation der Uhren der beteiligten Komponenten Rechnung tragen:"[79]

  • Die OTD (Observed Time Difference) ist die Zeitdifferenz des Zeitpunktes der Signale von zwei BTS am MS.
  • Die RTD (Real Time Difference) ist die Zeitdifferenz der Sendezeitpunkte der Signale durch die jeweilige BTS. Bei synchronisierten BTS ist diese die RTD gleich null.
  • Die GTD (Geometric Time Difference) ist die Zeitdifferenz der Signale zweier verschiedener BTS, der durch die den unterschiedlichen Abstand der MS zu den BTS verursacht wird.[80]

Die GTD = ODT - RTD bei der Kombination von einer MS und zweier BTS. Dies entspricht geometrisch einer Hyperbel. Wird die GTD unter Verwendung eines weiteren BTS-Paars ermittelt, erhält man zwei sich schneidende Hyperbeln, deren Schnittpunkt die Position der MS darstellen.[81]

Abbildung 17: E-ODT unter Verwendung der zirkularen Methode
Abbildung 17: E-ODT unter Verwendung der zirkularen Methode [82]

"Die Zirkulare Methode liefert als Ergebnis einen Radius r um die Basisstation, auf dem sich das Endgerät befindet. Bei dieser Methode schickt die BTS einen Burst an das Endgerät und an eine [...] LMU. Auch bei dieser Methode müssen verschiedene Parameter betrachtet werden:"[83]

  • Die OTM (Observed Time at MS) gibt die Ankunftszeit des Signals von der BTS an der MS gemessen an der internen Uhr der MS an.
  • Die OTL (Observed Time at LMU) gibt die Ankunftszeit des Signals von der BTS an der LMU gemessen an der internen Uhr der LMU an.

Als weitere Berechnungsfaktoren werden aufgrund der fehlenden Synchronisation der Zeitunterschied zwischen der internen Uhr der MS und der LMU sowie die Entfernung zwischen BTS und LMU (DLB) bzw. BTS und MS (DMB) benötigt. Der Radius um die BTS, auf dem sich die MS befindet kann wie folgt berechnet werden:

DMB - DLB = Lichtgeschwindigkeit x (OTM - OTL + Zeitunterschied zwischen der MS und LMU)

Diese Radiusberechnung muss für alle beteiligten BTS durchgeführt werden. Der Schnittpunkt der Radien gibt die Position der MS an.[84]

6.2.3.1 Hardwareanforderungen

Für MS ist in der Regel nur eine Softwareanpassung notwendig. Das Netzwerk muss hingegen durch kostspielige LMUs erweitert werden.

6.2.3.2 Vorteile

Da an der MS lediglich eine Softwareanpassung erfolgen muss, kann E-OTD mit einer Vielzahl von mobilen Geräten verhältnismäßig kostenneutral eingesetzt werden.

6.2.3.3 Nachteile

Die hohen Hardwareanforderungen durch die kostspielige Installation der LMUs sowie die für die Positionsbestimmung notwendigen 3 BTS sind entscheidende Nachteile von E-OTD. Gerade in ländlichen Gebieten, bei denen die Dichte der BTS aufgrund der dort erheblich höheren Reichweite geringer ist, kann dieses Verfahren durch die fehlenden Berechnungsergebnisse zur 2. oder 3. BTS nicht immer eingesetzt werden.

6.3 Einsatz der Verfahren mit verschiedenen Techniken

6.3.1 GSM

Im GSM-Netzwerk sind alle beschriebenen netzwerkbasierten sowie das endgerätebasierte Enhanced Observed Time Difference Verfahren einsetzbar. Durch die hohe Netzabdeckung in Deutschland von annähernd 100 Prozent kann vor allem mit dem Cell-ID Verfahren nahezu überall und vor allem mit durchschnittlich 2,5 Sekunden sehr schnell eine Lokalisierung erfolgen. Die relativ hohe Ungenauigkeit, die von der Größe der Mobilfunkzelle bestimmt wird und vor allem im ländlichen Bereich bis zu 20 Kilometer beträgt, kann durch die Kombination bzw. den Einsatz von Time Advance oder Received Signal Strength deutlich verbessert werden. Diese 3 Verfahren haben zudem den großen Vorteil, dass neben der bestehenden Netzinfrastruktur keine zusätzlichen Hardwareerweiterungen am mobilen Endgerät oder im Netzwerk selbst notwendig sind. Somit sind Positionsbestimmungen mit einer Genauigkeit von bis zu 150 Metern kostengünstig realisierbar. Eine etwas bessere Präzision mit ca. 125 Metern bietet Angel of Arrival. Durch die erforderliche Ausstattung der BTS mit gerichteten Antennen befindet sich dieses Verfahren in der Praxis kaum im Einsatz. Bei den Verfahren Time of Arrival, Time Difference of Arrival und Enhanced Observed Time Difference sind je nach örtlichen Begebenheiten Genauigkeiten von 50 bis 200 Metern zu erreichen. Diese haben hingegen den entscheidenden Nachteil, dass hier eine höhere Anforderung an die Netzinfrastruktur gestellt wird. Neben den jeweils mindestens 3 notwendigen Sendestationen im Emfangsbereich des mobilen Endgerätes sind zum Teil kostenintensiver Hardwareerweiterungen des Netzwerkes durch Location Measurement Units nötig. Für den Nutzer der mobilen Endgeräte fallen in der Regel keine zusätzlichen Hardwarekosten an, da die Verfahren ebenfalls keine Anpassungen bzw. lediglich eine Softwareanpassung des Endgerätes voraussetzen. Die für die erhöhten Genauigkeiten erforderlichen zusätzlichen Messungen und Berechnungen verlängern die Zeit der Lokalisierung. Die Messdauer von 10 Sekunden bei der Verwendung von Time of Arrival sind angesichts der Präzision von durchschnittlich ca. 125 Metern verhältnismäßig.

6.3.2 Wireless Local Area Network

Im Wireless Local Area Network sind im Gegensatz zum GSM-Netzwerk lediglich zwei Lokalisierungsverfahren einsetzbar. Bei der Verwendung von Cell-ID können durch die verhältnismäßig kleinen Senderadien der einzelnen Accesspoints Genauigkeiten von ca. 25 bis 200 Metern erreicht werden. Die Positionsbestimmung mittels Received Signal Strength ist durch den Einsatz umfangreicher Berechnungen mit einer Präzision von ca. 3 bis 15 Metern deutlich genauer. Die weiteren beschriebenen Verfahren kommen in der Praxis aufgrund der notwendigen kostenintensiven Hardwareerweiterungen für die Synchronisation der Netzwerkkomponenten nicht zum Einsatz.

6.3.3 Bluetooth

Bei der Verwendung von Bluetooth sind ebenso wie im Wireless Local Area Network nur zwei Lokalisierungsverfahren einsetzbar. Auch hier sind die Senderadien verhältnismäßig klein. Beim Einsatz von Cell-ID können Genauigkeiten von wenigen Metern bis zu 200 Metern erreicht werden. Die Positionsbestimmung mittels Received Signal Strength ist auch hier durch umfangreiche Berechnungen mit einer Präzision von ca. 2 Metern wesentlich genauer. Für die weiteren beschriebenen Verfahren ist analog zum Wireless Local Area Network aufgrund der notwendigen kostenintensiven Hardwareerweiterungen für die Synchronisation der Netzwerkkomponenten ein Einsatz nicht möglich.

6.3.4 SKYHOOK

Abbildung 18: Kartographierten Funknetzwerke im Ruhrgebiet
Abbildung 18: Kartographierten Funknetzwerke im Ruhrgebiet[85]

Das Unternehmen SKYHOOK Wireless aus Bosten (USA) hat das WPS (Wi-Fi Positioning System) entwickelt. Die Position wird hierbei nicht durch GSM-Netzwerke oder Satelliten bestimmt, sondern anhand von vorhandenen WLAN-Netzen. Um dies zu ermöglichen hat das Unternehmen weltweit über 100 Wi-Fi Access Points kartographiert.[86]

Der aktuelle Stand der kartographierten Funknetzwerke kann auf der Internetseite des Anbieters überprüft werden. Hierbei fällt auf, dass in Deutschland vor allem Ballungszentren nahezu vollständig mit registrierten WLAN-Netzen abgedeckt sind. Außerhalb dieser Gebiete sind hingegen nur wenige oder sogar keine für die Ortung per WPS notwendigen Netzwerke kartographiert.[87]

Um die Genauigkeit und vor allem auch die Verfügbarkeit der Lokalisierung zu verbessern, hat SKYHOOK Wireless zudem die XPS entwickelt. Bei diesem Hybridverfahren werden die Daten von WLAN-Netzwerken, GPS-Satelliten und GSM-Netzen kombiniert. Um dieses Verfahren nutzen zu können muss die MS lediglich eine entsprechende Software unterstützen. Hardwareveränderungen sind nicht notwendig. Die MS fungiert als XPS-Client und "sammelt" die Lokalisierungsrohdaten idealerweise aus allen 3 Einzelverfahren. Die gesammelten Informationen werden von dem XPS-Client an einen XPS-Server übermittelt, der die Daten auswertet und die so ermittelte Position an den XPS-Client zurücksendet.[88]

Der große Vorteil von XPS liegt laut SKYHOOK Wireless neben der hohen Verfügbarkeit von 99,8 % und der Genauigkeit von 10 bis 20 Metern in der sehr kurzen Dauer der Positionsbestimmung. Diese liegt nach eigenen Angaben zwischen 1 und 4 Sekunden. Da die Lokalisierung mittels GPS bzw. A-GPS nach Angaben von SKYHOOK Wireless zwischen 30 und 65 Sekunden liegt und diese für eine voll hybride Lokalisierung benötigt werden, bezieht sich die Angabe offensichtlich auf die Ortung anhand von WLAN-Netzen.[89] Im städtischen Bereich ist dies aufgrund der hohen Dichte an Funknetzwerken daher realistischer als im ländlichen Bereich.

7 Vergleich

7.1 Kosten

Bei dem Vergleich der Kosten wird, wie bereits im Abschnitt 5.3 Anforderungen, nicht auf die einzelne Positionsbestimmung sondern auf die gegebenenfalls anfallenden zusätzlichen Hardwarekosten für das mobile Endgerät bzw. die Erweiterung der Netzinfrastruktur eingegangen.

7.1.1 Endgerät

Als Endgerät im Location Based E-Business spielt das Handy in Deutschland eine entscheidende Rolle. Laut dem Statistischen Bundesamt waren bereits im Jahr 2008 86,3 Prozent aller Haushalte in Deutschland mit einem Mobiltelefon ausgestattet.[90]

Alle beschriebenen netzwerkbasierten Lokalisierungsverfahren können ohne Veränderung der bestehenden GSM-Hardware mit handelsüblichen Handys eingesetzt werden. Dem Nutzer entstehen daher keine zusätzlichen Kosten. Bei dem endgerätebasierten Enhanced Observed Time Difference Verfahren muss die Software des Mobiltelefons gegebenenfalls angepasst werden. Die Kosten für das Softwareupdate sind zu vernachlässigen.

Rund 97 Prozent aller neuen Mobiltelefone sind mit Bluetooth ausgestattet. WLAN ist derzeit in rund 30 bis 50 Prozent der neuen Geräte vorhanden und wird bis spätestens 2013 auf die Verbreitung von Bluetooth aufschließen.[91] Da Bluetooth mittlerweile quasi zur Standardausstattung der Handys gehört fallen hierfür keine kalkulierbaren Zusatzkosten an. Für ein Mobiltelefon mit einer WLAN-Schnittstelle fallen derzeit etwas höhere Kosten an. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von WLAN in den neuen Geräten, werden diese anteiligen Mehrkosten in der nahen Zukunft ähnlich Bluetooth kaum zu beziffern sein. Diese beiden Techniken ermöglichen jedoch im Vergleich zum GSM-Netzwerk lediglich die Lokalisierung mittels Cell-ID oder Received Signal Strength Verfahren.

Um das Mobiltelefon mittels GPS bzw. A-GPS lokalisieren zu können, muss dieses mit einem entsprechenden Empfänger ausgestattet sein. Dieses Ausstattungsmerkmal ist mittlerweile in immer mehr neuen Geräten verfügbar. Diese sind in der Regel in einem gehobeneren Preissegment angesiedelt und haben neben dem GPS-Empfänger zumeist auch weitere innovative Features. Die tatsächlichen Mehrkosten können daher schwer eingegrenzt werden.

7.1.2 Netzwerk

Durch die hohe Abdeckung des GSM-Netzwerkes in Deutschland können vor allem die Verfahren Cell-ID, Time Advance und Received Signal Strength, die ohne Hardwareerweiterungen verfügbar sind, kostenneutral eingesetzt werden. Für die Verwendung von Angel of Arrival, Time of Arrival, Time Difference of Arrival und Enhanced Observed Time Difference sind zum Teil kostenintensive Hardwareerweiterungen an der Netzinfrastruktur notwendig.

Die Kosten zum Betrieb des GPS Systems setzen sich aus den Kosten für die Satelliten und der Bodenstationen zusammen, und werden durch den amerikanischen Staat finanziert. Dabei fallen vor allem für die GPS Satelliten immense Kosten an. So kostete ein im September 2005 gestarteter Satellit des Modells Block IIR-M ca. 75 Millionen Dollar. [92] Durch die Technik A-GPS entstehen weitere Kosten zum Betrieb des Referenznetzwerks. Unter dem Dach der IGS beteiligen sich ca. 200 Firmen und Einrichtungen ehrenamtlich bei der Bereitstellung der Hilfsdaten. [93]

7.2 Verfügbarkeit

Die GSM-Netze der deutschen Telekommunkationsanbieter haben nach deren Angaben eine Bevölkerungsabdeckung von bis zu 99 Prozent. Damit ist die Lokalisierung in diesem Netzwerk nahezu überall möglich. Dies gilt jedoch nur für die Verfahren Cell-ID, Time Advance und Received Signal Strenght, da diese keine Anpassungen an der Netzinfrastruktur erfordern. Die Verfahren Time of Arrival, Time Difference of Arrival, Angel of Arrival und Enhanced Observed Time Difference können durch die deutlich erhöhten Hardwareanforderungen nicht im gesamten Sendebereich des Netzwerkes eingesetzt werden. Gerade in ländlichen Regionen steht häufig die benötigte Anzahl der Sendestationen nicht zur Verfügung.

Eine Lokalisierung mittels GPS bzw. A-GPS ist grundsätzlich überall möglich. Das Gesamtsystem steht ständig zu annähernd 100 Prozent zur Verfügung. Durch die Abschirmung der Satellitensignale ist die Positionsbestimmung in Gebäuden hingegen nur eingeschränkt oder gar nicht möglich. Auch Häuserschluchten und dichtes Blattwerk in Wäldern können den Empfang der Signale beeinträchtigen.

Der Einsatz einer Lokalisierung im WLAN bzw. mit der Verwendung von Bluetooth ist natürlich von der Verfügbarkeit von entsprechenden Sendestationen abhängig.

Ein sehr gutes Ergebnis bei der Beurteilung dieses Kriteriums erreicht hier SKYHOOK XPS durch die Kombination der einzelnen Technologien. Laut den Angaben von SKYHOOK Wireless ist eine Verfügbarkeit von 99 Prozent gegeben. Ist eine Lokalisierung mit einer Technologie nicht möglich, wird auf eine andere verfügbare zurückgegriffen.

7.3 Genauigkeit

Im GSM-Netzwerk ist die Spanne der Präzision von ca. 50 Metern bis zu 20 Kilometern sehr hoch. Dies ist vor allem dadurch begründet, dass dieses Netzwerk ursprünglich nicht für die genaue Lokalisierung der Mobiltelefone, sondern für die Datenübetragung entwickelt wurde.

Das Cell-ID und das Time Advance Verfahren, die keine Anpassung der Netzinfrastruktur erfordern, haben daher die geringste Genauigkeit aufzuweisen. Obwohl für die Verwendung von Received Signal Strenght ebenfalls keine Hardwareerweiterungen nötig sind, ist die Präzision deutlich besser als bei den beiden vorgenannten Verfahren. Diese Verbesserung wird durch umfangreiche Berechnungen erreicht, die die relativ hohe Fehlerwahrscheinlichkeit kompensieren müssen. Ebenso lässt es sich sehr gut in Hybridtechnologien einsetzen, um durch die Kombination einzelner Verfahren die jeweiligen Stärken zu nutzen und die vorhandenen Nachteile bei der präzisen Lokalisierung zu reduzieren.

Durch den Einsatz von Hardwareerweiterungen in der Netzstruktur können die Betreiber der Netzwerke die relativ genauen Verfahren Time of Arrival, Time Difference of Arrival, Angel of Arrival und Enhanced Observed Time Difference zur Positionsbestimmung anbieten. So kann die Position der Mobiltelefone mit ca. 50 bis 200 Metern bestimmt werden.

Da das Global Positioning System speziell für die Lokalisierung entwickelt wurde, bietet es deutlich höhere Genauigkeit als die in Netzwerken einsetzbaren Verfahren. Mit einer Präzision von ca. 10 bis 15 Metern bietet es jedoch nur im Freien Vorteile gegenüber den anderen Verfahren, da ein Einsatz in Gebäuden durch die fehlende Satellitenverbindung nicht möglich ist.

Das von SKYHOOK Wireless entwickelte SKYHOOK XPS kombiniert die Vorteile der Netzwerklokalisierung mittels GSM und WLAN mit der satellitengestützten Positionsbestimmung durch Global Positioning System. Laut den Anbieterangaben soll eine Genauigkeit von 10 bis 20 Metern erreicht werden. Dies entspricht den Werten beim Einsatz von GPS.

7.4 Mobilität

Wie bereits erwähnt spielt das Mobiltelefon eine entscheidende Rolle im Location Based E-Business. Diese sind wie der Name schon sagt mobil. Lokalisierungsverfahren, die keine Hardwareänderungen voraussetzen, schränken die Mobilität natürlich nicht ein. Dies ist zwar auf den ersten Blick durch einen zusätzlich integrierten GPS-Empfänger ebenfalls nicht der Fall. Die gegebenenfalls etwas größeren Abmessungen des Handys sowie das minimal höhere Gewicht durch die Zusatzkomponente beeinträchtigen die Mobilität ebenfalls nicht. Der hohe Stromverbrauch bei kontinuierlichen Empfang von Satellitensignalen reduziert hingegen die Mobilität des Mobiltelefons erheblich. Entweder muss dies mit verkürzten Betriebszeiten oder einem stärkeren und damit größeren und schwereren Akku ausgeglichen werden.

7.5 Tabellarische Übersicht

In dieser Tabelle werden sofern nicht anders gekennzeichnet Angaben zum Einsatz der Verfahren im GSM-Netzwerk dargestellt.

Tabelle 2: Vergleich der Lokalisierungsverfahren
Verfahren Kosten Verfügbarkeit ca. Genauigkeit Geschwindigkeit
Cell ID
keine
000000000000099.000000000099 %
000000000001000.00000000001.000 - 20.000 m
000000000000002.00000000002 - 5 sek
Cell ID (WLAN)
keine
k.A.
000000000000025.000000000025 - 200 m
k.A.
Cell ID (Bluetooth)
keine
k.A.
000000000000010.000000000010 - 100 m
k.A.
Time Advance
keine
000000000000099.000000000099 %
000000000000550.0000000000550 m
k.A.
Angel of Arrival
Hardewareerweiteung an den BTS
000000000000099.000000000099 %
000000000000125.0000000000125 m
k.A.
Received Signal Strength
keine
000000000000099.000000000099 %
000000000000150.0000000000150 m
k.A.
Received Signal Strength (WLAN)
keine
k.A.
000000000000003.00000000003 - 15 m
k.A.
Received Signal Strength (Bluetooth)
keine
k.A.
000000000000002.00000000002 m
k.A.
Time of Arrival
Hardwareerweiterung der BTS und ggfs. benötigte LMUs
000000000000099.000000000099 %
000000000000125.0000000000125 m
000000000000010.000000000010 sek
Time Difference of Arrival
Hardwareerweiterung der BTS
000000000000099.000000000099 %
000000000000050.000000000050 - 150 m
k.A.
Global Positioning System
Satelliten, Bodenstationen, GPS Empfänger
000000000000100.0000000000100 %
000000000000010.000000000010 - 15 m
000000000000018.000000000018 - 35 sek*
Assisted Global Positioning System
Satelliten, Bodenstationen, Referenznetzwerk, GPS Empfänger
000000000000100.0000000000100 %
000000000000010.000000000010 - 15 m
000000000000001.00000000001 - 5 sek
Enhanced Observed Time Difference
Softwareanpassung an der MS, Erweiterung des Netzwerkes um LMUs
000000000000099.000000000099 %
000000000000060.000000000060 - 200 m
k.A.
SKYHOOK XPS
Softwareanpassung an der MS
000000000000099.800000000099,8 %
000000000000010.000000000010 - 20 m
000000000000001.00000000001 - 4 sek

{*} Je nach den Gegebenheiten der Umgebung kann die erstmalige Positionsbestimmmung mehrere Minuten dauern.

8 Schlussbetrachtung

Zusammenfassend lässt sich feststellen das es viele verschiedene Verfahren und Technologien der Geo-Lokalisierung für Location Based E-Business gibt. Dabei gibt es kein Verfahren bei dem die Aussage zuträfe, dass dieses das Beste ist. Alle Verfahren haben sowohl Vorteile als auch Nachteile.

Global Positioning System ist nur für die Positionsbestimmung gedacht und kann daher nicht für die Ortung eingsetzt werde. Dies macht das Assisted Global Positioning System möglich. Die hohen Genauigkeit, die diese beiden Verfahren vereint, wird durch hohe Hardwareanforderungen und eine eingeschränkte Mobilität erkauft.

Da Funknetzwerke für die Übertragung von Daten entwickelt wurden, sind relativ genaue Positionsbestimmungen nur mit zum Teil sehr kostenintensiven Erweiterungen der Netzinfrastrukur möglich. Ohne diese Erweiterungen sind die aus der Lokalisierung gewonnenen Informationen für den Einsatz im Location Based E-Business nur bedingt verwendbar.

In der Zukunft wird versucht werden immer genauere Verfahren zu entwickeln um den Nutzer immmer genauer lokalisieren zu können.

9 Fußnoten

  1. ↑ naviwelt-auto.de (2009)
  2. ↑ vgl. elektronik-kompendium.de (2010)
  3. ↑ navigon.de
  4. ↑ vgl. teletarif.de(2008) S.1
  5. ↑ vgl. Green, Betti, Davison (2000), S. 4
  6. ↑ vgl. Nakao (2010)
  7. ↑ vgl. Schmidt (2006) S.6
  8. ↑ Vollmer (2007), S. 7
  9. ↑ Vollmer (2007), S. 7
  10. ↑ vgl. Maaß (2008) S.2
  11. ↑ vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2010)
  12. ↑ vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (2010)
  13. ↑ vgl. Lecke, 2004 S.9
  14. ↑ vgl. Großmanns S.8
  15. ↑ Probst, Martens 2005, S. 20 ff.
  16. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  17. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  18. ↑ Strang et al. (2008), S. 57
  19. ↑ Lecke (2004, S. 6
  20. ↑ vgl. Müller (2004) ,S. 9
  21. ↑ vgl. elektronik-kompendium.de (2010)
  22. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  23. ↑ Lecke (2004), S. 10
  24. ↑ vgl. Jagoe (2003), S. 65
  25. ↑ vgl. Björn Steiger Stiftung
  26. ↑ vgl. o2online.de (2010)
  27. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  28. ↑ Stier (2007) S.4
  29. ↑ vgl. Elektronik Kompendium (2010)
  30. ↑ Zogg (2004 )S.2
  31. ↑ Gutmann (2007) S.2
  32. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  33. ↑ vgl. Strang et al. (2004), S. 58 f.
  34. ↑ vgl. Staudinger, Haselgruber (2002), S. 5
  35. ↑ Lecke (2004), 12
  36. ↑ vgl. Müller (2004), S. 9
  37. ↑ Lucas Schult schult_02_01_21-2.ppt
  38. ↑ vgl. itwissen.info
  39. ↑ Müller (2004) , S. 12
  40. ↑ Strang et al. (2008), S.56
  41. ↑ vgl. McGuire, Plataniotis, Venetsanopoulos (2003), S. 2
  42. ↑ Lecke (2004), S. 11
  43. ↑ vgl. Hellebrandt, Mathar (1999), S. 4
  44. ↑ vgl. Lecke (2004), S. 20
  45. ↑ vgl. Müller (2004), S. 12 ff.
  46. ↑ vgl. Feldmann et al. (2003), S. 5
  47. ↑ Lucas Schult schult_02_01_21-2.ppt
  48. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  49. ↑ vgl. Strang et al. (2008), S. 55
  50. ↑ Lecke (2004) ,S. 13
  51. ↑ vgl. Staudinger, Haselgruber (2002), S. 5
  52. ↑ vgl. Müller (2004), S. 10
  53. ↑ vgl. Trautweiler (2002), S. 12
  54. ↑ Eickhoff, Reß (2009)
  55. ↑ vgl. Strang et al. (2008), S. 56
  56. ↑ vgl. Zaho, Grutza (2004), S. 11
  57. ↑ Zhao, Grutza (2004), S. 10
  58. ↑ vgl. NAVCEN, (2008), S. 11, 152
  59. ↑ vgl. Mobilkommunikation
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  80. ↑ vgl. Jonsson, Olavesen (2002) S. 35
  81. ↑ vgl. Löser (2006), S. 31
  82. ↑ Jonsson, Olavesen (2002) S. 37
  83. ↑ Löser (2006), S.31
  84. ↑ vgl. Jonsson, Olavesen (2002) S. 36 f.
  85. ↑ vgl. SKYHOOK B (2010)
  86. ↑ vgl. SKYHOOK A (2009)
  87. ↑ vgl. SKYHOOK B (2010)
  88. ↑ vgl. SKYHOOK C (2010)
  89. ↑ vgl. SKYHOOK D (2010)
  90. ↑ vgl. Statistisches Bundesamt (2008), S. 17
  91. ↑ vgl. Haase, Martin (2010), S. 27
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Von „http://winfwiki.wi-fom.de/index.php/Verfahren_der_Geo-Lokalisierung_f%C3%BCr_Location_Based_E-Business_im_Vergleich“
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