Co to jest śledzenie LBS: identyfikator komórki Cell ID i WPS

Technologia LBS (Location-based services) pozwala określić lokalizację obiektu bez korzystania ze standardowych usług, takich jak GPS, GLONASS, Galileo czy Beidou.

Śledzenie LBS to szerokie pojęcie obejmujące wiele różnych metod. Tutaj przyjrzymy się tylko pozycjonowaniu opartemu na GSM i Wi-Fi.

Śledzenie GPS i LBS: główne różnice

Pozycjonowanie w oparciu o GSM i Wi-Fi jest zwykle mniej dokładne niż GPS, ale może działać w gorszych warunkach, bez konieczności wyraźnego widoku nieba. Sygnał GSM jest trudniejszy do zablokowania i łatwiejszy do ustalenia, nawet jeśli urządzenie znajduje się pod ziemią lub w budynku. Sygnały Wi-Fi zapewniają większą precyzję śledzenia w pomieszczeniach.

Wymagający mniejszej mocy baterii niż GPS, LBS pozwala na wymianę precyzji na dłuższą żywotność urządzenia. Jest to idealne rozwiązanie w przypadkach, w których musisz śledzić obiekt na duże odległości. LBS może być również używany jako opcja zapasowa na wypadek awarii anteny lub modułu GPS, nadal umożliwiając sprawdzenie, gdzie znajduje się obiekt.

Jak działa śledzenie LBS

Śledzenie w oparciu o GSM

Lokalizatory GPS i telefony komórkowe najczęściej wykorzystują sieć GSM do przesyłania danych. Dzięki temu do określenia lokalizacji urządzenia można wykorzystać infrastrukturę sieciową dostawcy usług.

Ta metoda śledzenia działa na zasadzie, że każdy zasilany moduł GMS zawsze komunikuje się bezprzewodowo z jedną z najbliższych stacji bazowych, przełączając się między nimi w miarę poruszania się urządzenia. Jeśli urządzenie może przesyłać dane stacji bazowej, do której jest podłączone (Cell ID, MCC, MNC, LAC), dane te można wyszukiwać w zewnętrznych bazach danych w celu uzyskania lokalizacji stacji bazowej.

Schemat działania lokalizowania w oparciu o GSM

Ta metoda nazywa się Cell of Origin. Jest to najtańsza i najprostsza metoda, ponieważ nie wymaga modyfikacji wdrożonego sprzętu.

Komórka pochodzenia podaje lokalizację stacji bazowej, a nie lokalizację samego urządzenia.

Oznacza to, że 2 urządzenia podłączone do tej samej stacji bazowej będą wyświetlać te same współrzędne, nawet jeśli nie znajdują się blisko siebie.

Schemat połączenia telefonów ze stacją bazową

Dokładność lokalizacji zależy od gęstości stacji bazowych. W miastach i na obszarach zabudowanych dokładność lokalizacji może spaść do 50-100 m, podczas gdy na obszarach wiejskich i opuszczonych błąd może sięgać wielu kilometrów. Zaawansowane systemy mogą również próbować obliczyć odległość między modułem GSM a stacją. Systemy te zazwyczaj wymagają modyfikacji zainstalowanej infrastruktury i są dość kosztowne. Powszechna metoda wyszukiwania nazywa się E-OTD (Enhanced Observed Time Difference – tłum. Wzmocniona Zaobserwowana Różnica Czasu).

Schemat działania E-OTD

Opiera się na pomiarze i porównaniu różnicy czasu nadejścia impulsów z pobliskich stacji bazowych. Opóźnienia i znane rozmieszczenie stacji bazowych można wykorzystać do triangulacji lokalizacji modułu GSM. Ta metoda wyszukiwania zapewnia znacznie lepszą precyzję nawet w odległych obszarach ~125 metrów, ale wymaga, aby stacje bazowe miały zainstalowane jednostki pomiaru lokalizacji.

System pozycjonowania Wi-Fi (WPS)

WPS używa bezprzewodowych punktów dostępowych do określenia lokalizacji. Jest częściej wdrażany w telefonach komórkowych i jest często używany w celu zapewnienia lepszego rozwiązania do celów śledzenia w pomieszczeniach. Istnieje kilka podejść do określania lokalizacji za pomocą WPS.

Wskaźnik siły odbieranego sygnału

Pierwsza opiera się na wskaźniku siły odbieranego sygnału. Urządzenie mierzy siłę sygnału między sobą a kilkoma punktami dostępu. Następnie zmierzone dane są łączone w model propagacji w celu określenia odległości między urządzeniem a punktami dostępowymi.

Obliczenia może wykonać samo urządzenie lub dane mogą zostać przesłane do usługi zewnętrznej.

Schemat działania WPS

Fingerprinting

Druga metoda nazywa się Fingerprinting i wykorzystuje w swojej bazie RSSI. Odcisk palca działa poprzez zbieranie lokalizacji i wszystkich RSSI dostępnych punktów dostępu. Jeśli w przyszłości obiekt odwiedzi tę samą lokalizację, powinien dostarczyć ten sam odcisk palca, umożliwiając systemowi zlokalizowanie obiektu w przypadku braku połączenia.

Dokładność tej metody może być dość wysoka (~1,3-2 metry), jednak jej wdrożenie jest trudne, ponieważ wymaga przechowywania danych. Jest również bardzo wrażliwy na zmiany otoczenia: konstrukcja lub prosta przemeblowanie wpływa na siłę sygnału i zmienia odcisk palca.

Time of Flight (czas lotu)

Trzecia metoda nazywa się Time of Flight. ToF wykorzystuje znaczniki czasu zarejestrowane przez oba interfejsy bezprzewodowe do oszacowania odległości i względnej pozycji obiektu do punktów dostępowych. Ta metoda ma dokładność 2-4 metrów i jest zwykle używana do śledzenia w pomieszczeniach.

Pomiary czasu wykonywane na interfejsach bezprzewodowych opierają się na fakcie, że fale RF przemieszczają się z prędkością bliską prędkości światła, która pozostaje prawie stała w większości mediów propagacyjnych w środowiskach wewnętrznych. Dlatego na czas przelotu nie ma tak dużego wpływu środowisko (meble, budynki itp.), jak pomiary RSSI.

Zasada jest podobna do systemów RADAR, z wyjątkiem zwykłych pakietów danych i potwierdzeń do pomiaru ToF.

Schemat ToF

Diagram przedstawia punkt dostępowy wysyłający ramkę DATA do urządzenia klienckiego i oczekujący na otrzymanie pakietu potwierdzenia (ACK). d to opóźnienie planowania (przesunięcie) pochodzące z urządzenia klienckiego i zależy od tego, ile czasu zajmuje wygenerowanie ACK przez urządzenie. t_p to czas propagacji sygnału między nadajnikiem a odbiornikiem i zwykle zakłada się, że jest taki sam w drodze do celu iz powrotem. t_ack to czas potrzebny na przesłanie ramki ACK. Czas lotu odpowiada t_measured.

WPS działa dobrze do celów wewnętrznych, ale nie zawsze jest tak łatwy do wdrożenia jak śledzenie GSM.

Dostępność danych dla systemów śledzenia LBS

Dane z sieci Wi-Fi mogą być trudne do uzyskania, ponieważ najwięksi dostawcy baz danych nie zezwalają na bezpłatne pobieranie baz danych.

Można jednak pobrać lokalizacje wież bazowych, a do wyboru jest wiele baz danych typu open source. Jednymi z najbardziej znanych usług są Mozilla Location Services i OpenCell ID, które łącznie zawierają dane dotyczące ponad 50 milionów stacji bazowych.

Zasięg Mozilli zarówno w stacjach bazowych, jak i punktach Wi-Fi jest pokazany na mapie.

Obsługa LBS w urządzeniach sprzętowych

Funkcje LBS można zaimplementować nieco inaczej, w zależności od producenta. Niektóre pozwalają na ciągłe raportowanie danych GSM (MCC, MNC, LAC, CID), inne umożliwiają raportowanie tylko na żądanie po otrzymaniu polecenia SMS lub GPRS.

Jeśli nie masz pewności, czy Twoje urządzenia obsługują LBS w TrackSystem – sprawdź opisy integracji na naszej stronie internetowej.

Śledzenie w oparciu o GSM i Wi-Fi w aplikacjach X-GPS Tracker

Navixy zapewnia własne rozwiązanie do śledzenia mobilnego z włączoną obsługą LBS.

W przeciwieństwie do urządzeń lokalizujących, aplikacje mobilne TrackSystem przesyłają już przetworzone dane LBS. Aplikacje opierają się na natywnych usługach systemu operacyjnego, takich jak Apple Core Location lub Google Fused Location, w zależności od używanego systemu operacyjnego.
Należy pamiętać, że do przetwarzania danych przez usługi wymagane jest połączenie sieciowe.

Schemat lokalizowania LBS w oparciu o X-GPS Tracker

Ustawianie promienia wykrywania LBS

Promień wykrywania LBS zależy od obszaru, w którym znajduje się urządzenie, oraz liczby stacji bazowych lub punktów Wi-Fi. Jeśli urządzenie znajduje się na obszarze wiejskim i nie może go zlokalizować, zaleca się zwiększenie promienia LBS, aby zdalne stacje bazowe również brały udział w lokalizacji urządzenia.

W mieście, w którym sieć komórkowa ma gęsto zabudowane stacje bazowe, zasięg LBS musi być niewielki, ponieważ pobliskie stacje bazowe będą wystarczające do lokalizacji, a dokładność będzie wysoka.

Zasadniczo tak działa śledzenie LBS. Jest to świetne narzędzie do pozycjonowania i ważna alternatywa dla śledzenia GPS, gdy ten ostatni jest niedostępny lub nierozsądny w użyciu. Mamy nadzieję, że artykuł okazał się przydatny.

Jeśli chcesz być na bieżąco z aktualizacjami TrackSystem, nie wahaj się śledzić nas na Facebooku, Linkedin i Twitterze. Jeśli chcesz podzielić się swoimi komentarzami, pytaniami i pomysłami na przyszłe artykuły, sieci społecznościowe są również najlepszym sposobem, aby to zrobić.

Referencje

  1. https://www.researchgate.net/publication/4318531_Combining_GPS_and_GSM_Cell-ID_positioning_for_Proactive_Location-based_Services
  2. https://www.opencellid.org/#zoom=2&lat=20.6&lon=-1.1
  3. https://ieeexplore.ieee.org/document/5425237
  4. https://dl.acm.org/doi/10.1145/2785956.2787487
  5. https://www.link-labs.com/blog/wifi-indoor-positioning-systems-pros-cons
  6. https://arxiv.org/abs/1912.07801
  7. https://www.researchgate.net/publication/320054832_Study_of_Wi-Fi_Fingerprint-Based_Indoor_Positioning_on_a_smartphone
  8. https://dl.acm.org/doi/10.1145/2674005.2674998
  9. https://en.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi_positioning_system#/