Pázmány Péter Katlikus Egyetem Infrmációs Technlógiai Kar Turisztikai alkalmazás készítése, GSM alapú helymeghatárzás Készítette: Elek Rland Knzulens: Tihanyi Attila PPKE-ITK 2012. 1
Tartalmjegyzék Tartalmjegyzék... 2 Ábrajegyzék... 2 1. Bevezetés... 3 2. Helyzetmeghatárzás általában... 4 2.1. GPS alapú helymeghatárzás... 4 2.2. GSM alapú helymeghatárzás... 4 3. Mérések... 6 3.1. Bevezetés... 6 3.2. A prgram működése röviden... 6 3.3. A mérési adatk feldlgzása... 8 4. Felszíni mérések... 10 4.1. Blaha Lujza tér... 10 4.2. Rákóczi tér... 11 4.3 Harminckettesek tere... 12 4.4. Eredmények összegzése... 13 5. Felszín alatti mérések... 15 6. Knklúzió... 16 7. Kitekintés...17 Ábrajegyzék 1. ábra Az adatbázis felépítése... 8 2. ábra A 4-6-s villamsvnaln készült mérések...8 3. ábra Mért adat eltérése a valódi pzíciótól...9 4. ábra Blaha Lujza téri mérési eredmények...10 5. ábra Rákóczi téri mérési eredmények...11 6. ábra A Harminckettesek terén készült mérések eredményei...12 7. ábra A hárm megállóhz tartzó eredmények összesítése...14 8. ábra A metróállmásk mérési eredményei...15 2
1. Bevezetés Jelen dlgzatmban egy mbil turisztikai alkalmazás fejlesztésével fglalkztam, amely az egyetemen implementált GSM alapú helymeghatárzásra épül. A helymeghatárzási feladatkat a munkacsprtban egymás között szétsztttuk. Az egész rendszer egy GPS alapn felvett referencia hálózat és egy GSM vételi jelszint térkép összevetésére alapul. Az adatgyűjtés srán különböző eszközökből és különböző módkn keletkezett adatk kerültek egy mbilhely nevű adatbázisba. Az adatbázis GSM adatainak felhasználásával, kell módszert találni a fizikailag közel eső pntk keresésére. Mivel az adatbázis még jelenlegi frmájában is sk rekrdt tartalmaz, ha megtalálunk egy jól használható és paraméterezhető távlság fgalmat leíró rendszert, annak segítségével pzíciót meghatárzni is lehet, de alkalmas az adatbázis tömörítésére is. Feladata megközelítése srán kihasználjuk a GSM terjedésről tanultakat, az analízis ismeretek alapján megpróbálunk veszteséges tömöríteni valamilyen ismert módszerrel, és a megkívánt eredmény felől közelítve előre meghatárztt mérési pnthalmazk között teszünk különbséget. A saját módszereink és másk eredményeinek összevetéséből határzzuk meg a tvább követendő irányt. Első lépésben a rendelkezésre álló dkumentumk és dkumentációk tanulmányzásával fglalkztam. Ezt követően megismerkedtem az adatbázis rendszerrel, amiben tárljuk a mérési adatainkat. A célm lyan rendszer létrehzása, ami meg tudja egymástól különböztetni a BKV megállóhelyeket GPS használata nélkül, felhasználásával. 3 pusztán a GSM hálózat
2. Helyzetmeghatárzás általában Rendszerünkben eltárlt mérési pntkhz, az adtt méréshez referenciaként hzzárendeljük az aktuális GPS pzíciót. Az adatk feldlgzósa srán ezek segítségével tudunk az adatkkal dlgzni, például lekérdezni a teljes adatbázisból egy adtt területre a méréseket. 2.1. GPS alapú helymeghatárzás A közlekedési kultúra fejlődésével egyre nagybb hangsúlyt fektetünk a pnts helyzetmeghatárzásra, aminek segítségével el tudjuk érni a kívánt uticélunkat. Erre a piacn lévő technlógiák közül a legelterjedtebb a GPS (Glbal Psitin System). Ezt a rendszert az amerikai krmány 1970-es években fejlesztette ki katnai célkra. 2000-től felhasználható bárki számára pnts helyzet-meghatárzásra. A GPS rendszer műhldjai jelenleg is az Amerikai Egyesült Államk üzemeltetése alatt áll. Manapság bárki számára hzzáférhető a rendszer, de hgy ez az állapt meddig áll fent, arra semmi garancia nincsen. A GPS-nek rengeteg előnye mellett száms hátránya is van, mint például a pnts helyzetmeghatárzáshz minimum 4 műhldra kell hgy rálássn a vevő készülékünk, ebből adódóan nagyvársi visznyk mellett (szűk utcák,magas épületek) előfrdulhat, hgy a vevőkészülék csak percek alatt talál jelet és tudja meghatárzni az aktuális pzíciónkat. Az előbb leírtakból következik, hgy GPS alapú helyzetmeghatárzást csak kültéren lehet használni, beltéren és felszín alatt visznt nem. Az aktuális pzíció kiszámlása műhldak távlsága alapján időméréssel és trignmetrikus függvényekkel történik. 2.2. GSM alapú helymeghatárzás Az előbb felsrlt dlgkra megldás a GSM alapú helyzetmeghatárzás. Ezt a technlógiát alkalmazhatjuk zárt területen belül, metróban A GSM helyzetmeghatárzáshz csak GSM lefedettség szükséges, akár csak a telefnáláshz. A pzíció meghatárzáshz nem kell plusz szlgáltatás, csupán az üzemeltető által biztsíttt alapszlgáltatás. A rendszer a 4
bázisállmásk által sugárztt vételi jelszint alapján működik. A GSM rendszer Eprópában egységesen a 900MHz és az 1800MHz tartmányban helyezkednek el. A GSM szabványk a hálózati funkciókat és interfészeket pntsan specifikálják, de hardverkövetelményeket nem írnak elő. Egy mbiltelefn egy adtt helyről 1-7 bázisállmást lát. A készülékben implementált belső algritmus segítségével kiválasztja a bázisállmást amihez csatlakzik. Ez általában a legerőssebb vételi jelszinttel vehető bázisállmás lesz. Ennek a belső algritmusnak köszönhetjük azt is, hgy a telefnálás közben több különböző trnyhz is csatlakzha, a helyváltztatásból kiflyólag, de ebből felhasználóként nem veszünk észre semmit. A bázisállmásk közötti átkapcslási flyamatt (handvert) a BSC (Base Statin Cntrller) végzi. A mbilkészülék által láttt adatkat (amit az előbb említett belső algritmus is használ) lekérdezhetőek. Ezeket használtam fel a későbbi mérések srán. Manapság nagyvársi környezetben elég jó GSM lefedettség van, a szlgáltatói adatk szerint 99,99%-s. Tehát nagyvársi környezetben ez a technlógia helyzetmeghatárzásra. 5 alkalmas lenne pnts
3. Mérések A munkám srán azt vizsgáltam, hgy adtt mérési pntk között milyen hasnlóság vagy különbség figyelhető meg. Illetve mi alapján lehet egy pnthalmazhz egyértelműen hzzárendelni egy területet. 3.1. Bevezetés A méréseim fő célja annak megállapítása, hgy a BKV megállóhelyek pusztán GSM vételi jelszintekre támaszkdva megkülönböztethetőek-e? A méréseket egy HTC Wildfire típusú Andrids készülékkel végeztem. A telefnn a GSM_Lgger nevű prgramt használtam, amit Maczák Balázs készített évekkel ezelőtt. A mérésekhez a készülékben Telenr-s SIM kártyát használtam ebből kiflyólag a mért adataim is a Telenr által telepített bázisállmáskra vnatkznak. 3.2. A prgram működése röviden A prgram elindítása után Start lgging és a Brwse database menüpntk fgadnak. Az megtekinthetjük előbbivel az elindíthatjuk adatbázisunkat. a A lgglást, prgram míg az lgglás utóbbival közben 1 másdpercenként készít 1 mérést. A mérésekhez referenciaként hzzárendeli az aktuális GPS pzíciót, ha van, ezzel is megkönnyítve az adatk feldlgzását. Egy mérés tartalmazza: Az aktuális pzícióra vnatkzó infrmációkat Szélességi fk (lat) Magassági fk (ln) Van-e GPS jel (has_gps) Aktuális dátum/idő (datetime) Az aktuális GSM adatk Cella aznsító (cell_id) Lcatin Area Cde (lac) 6
Vételi jelszint (rssi) Aktuális dátum/idő (datetime) Mbile Cuntry Cde (mcc) Mbile Netwrk Cde (mnc) Lcatin Area Cde 4 számjegyből álló aznsító, ami egy nagybb terület aznsítására szlgál! Mbile Cuntry Cde MCC mbil rszágkód, melynek hssza 3 számjegy, és egyértelműen meghatárzza a mbil előfizető hálózata szerinti rszágt. A mbil rszágkódkat az ITU jelöli ki. Magyarrszág mbil rszágkódja: 216. Mbile Netwrk Cde MNC mbil hálózati kód, melynek hssza 2 számjegy. Az MNC az MCC-vel együtt egyértelműen meghatárzza a mbiltelefn szlgáltatást igénybe vevő végberendezés vagy előfizető hns hálózatát. A mbil hálózati kódt a hatóság jelöli ki. Magyarrszági MNC kisztás: Telenr 01, T-mbile 30, Vdafne 70. RSSI Received Signal Strength Indicat (0..63). Az értéke a jel mért erőssége db-ben. 7
3.3. A mérési adatk feldlgzása A mérést a prgram a memóriakártyára menti egy SQLite adatbázisba. 1. ábra Az adatbázis felépítése Első ízben a 4-6-s villams vnalán végeztem méréseket. Összesen 6 mérést végeztem különböző napszakkban és eltérő helyen tartózkdva a villamsn. Időjárási visznyk tekintetében is eltérőek vltak a mérési körülmények, vlt esős időben és napsütéses tiszta időben készült mérés is. 2. ábra A 4-6-s villamsvnaln készült mérések A Crvin negyed és a Margit híd budai hídfő közötti villams szakaszn több mint 5000 mérési adat áll rendelkezésemre. 8
3. ábra Mért adat eltérése a valódi pzíciótól Először a megállók 20 méteres körzetében vizsgáltam a mérési adatkat, az ábrázlás srán sk mérési adat elveszett. A mérésekhez referenciaként hzzárendelt GPS krdináták esetén előfrdulhatnak mérési hibák, ahgy ez a 3. ábrán a Blaha Lujza téren készített mérésnél is megtekinthető. Mérés közben a villamsn tartózkdtam, de a felvett adatk szerint a valódi helyzettől 32 méterre rögzítette a pzíciót a készülék. Ennek tudatában megállónként körülbelül 50 méteres körzetben lekérdeztem a mérési eredményeket, majd rendeztem Cella ID-k szerint. Ez a nagyfkú GPS pntatlanság betudható a nagy vársi visznyknak. A mérés srán a készülékem álltal láttt GPS műhldak valószínűleg tőlem jbbra helyezkedtek el. A magas épületek falán ez a jel visszaverődött és csak ez után érkezett meg a készülékemre. A GPS, az aktuális pzíciót a jelterjedési időből és a sugárzóműhldak pzíciójából számlja ki. Ha megnézzük a 3. Ábrát akkr láthatjuk, hgy a valódi pzíció és a mért pzíció között félútn van az épület (5 emeletes), aminek faláról a jel visszeverődött. Így megkaphatjuk a valódi pzíciót ebben az esetben ha az épületre tükrözzük a mérési pntt. 9
4. Felszíni mérések 4.1. Blaha Lujza tér Vizsgált terület krdinátái: 47 29'45.13"N 47.495869444444445 19 4'12.22"E 19.070061111111112 47 29'49.88"N 47.49718888888889 19 4'16.89"E 19.071358333333333 SQL: select M.ln, M.lat, nci.cell_id, avg (nci.rssi) frm measurement M, neighbring_cell_inf nci where M.lat>47.495869444444445 and M.lat<47.49718888888889 and M.ln>19.070061111111112 and M.ln<19.071358333333333 and M._id=nci.measurement_id and nci.rssi>3 and nci.rssi<66 grup by cell_id rder by nci.cell_id asc; Cell ID 123 124 135 137 138 139 254 262 436 RSSI db 39.2 38.5 32.5 27.4 21.2 43 22.2 39.5 21.7 4. ábra Blaha Lujza téri mérési eredmények 10
4.2. Rákóczi tér 47 29'32.12"N 19 4'13.71"E 47 29'35.07"N 19 4'18.00"E Vizsgált terület krdinátái: 47.49225555555556 19.070475 47.493075 19.071666666666665 SQL: select M.ln, M.lat, nci.cell_id, avg(nci.rssi) frm measurement M, neighbring_cell_inf nci where M.lat>47.49225555555556 and M.lat<47.493075 and M.ln>19.070475 and M.ln<19.071666666666665 and M._id=nci.measurement_id and nci.rssi>3 and nci.rssi<66 grup by cell_id rder by nci.cell_id asc; Cell ID 95 96 98 138 208 209 214 215 253 254 436 RSSI db 23.8 25.2 25.2 31.8 26.9 26.6 25.7 27 27.1 26 31 5. ábra Rákóczi téri mérési eredmények 11
4.3 Harminckettesek tere Vizsgált terület krdinátái: 47 29'22.44"N 47.48956666666667 19 4'13.20"E 19.070333333333334 47 29'25.71"N 47.490475 19 4'16.44"E 19.071233333333332 SQL: select M.ln, M.lat, nci.cell_id, avg(nci.rssi) frm measurement M, neighbring_cell_inf nci where M.lat>47.48956666666667 and M.lat<47.490475 and M.ln>19.070333333333334 and M.ln<19.071233333333332 and M._id=nci.measurement_id and nci.rssi>3 and nci.rssi<66 grup by cell_id rder by nci.cell_id asc; Cell ID 95 96 207 208 214 215 253 254 RSSI db 30.4 14.6 14.7 32.4 12 13 20.4 16.6 6. ábra A Harminckettesek terén készült mérések eredményei 12
4.4. Eredmények összegzése Az általam kiválaszttt hárm megállóhely (Blaha Lujza tér, Rákóczi tér, Harminckettesek tere) elég közel vannak egymáshz. Az egyes mérési pntkhz tartózó vételi jelszint és láttt trnyk alapján megvizsgáltam az egyes megállóhelyeket. Összehasnlítttam a megállóhelyekhez tartzó vételi jelszinteket. Táblázatban összefglaltam a hárm megállóhz tartzó bázisállmáskat és a megállóként mért vételijelszinteket a mérési adatkat, egyezést és különbségeket vizsgálva. Cell ID 95 96 98 123 124 135 137 138 139 207 208 209 214 215 253 254 262 436 Blaha Lujza tér (db) 39.2 38.5 32.5 27.4 21.2 43 22.2 39.5 21.7 Rákóczi tér (db) Harminckettesek tere (db) 23.8 25.2 25.2 30.4 14.6 31.8 14.7 32.4 26.9 26.6 25.7 27 27.1 26 12 13 20.4 16.6 31 13
7. ábra A hárm megállóhz tartzó eredmények összesítése Az előbbi eredményeket grafiknn ábrázlva megtekinthetjük. A méréseim alapján megfigyeltem, hgy az egyes megállóhelyek esetében többségben eltérő bázisállmáskat vehetünk, de vannak lyan bázisállmásk amiknek a jelét két megállóhelynél is vehetjük, visznt ezek között minimum 7dB átlags eltérés van. Azért frdulhat elő, hgy ilyen nagy területen (400 méter) hsszan vehető egy trny jele, mivel ezek nem hagymánys adók, hanem szektr sugárzó antennák, amik egy hsszú keskeny sávban sugárznak. Mivel a körút, ahl a méréseket is készítettem, Budapest frgalmas útvnalai közé tartzik, a szlgáltató több szektrsugárzó antennát helyezett el ezen a területen. 14
5. Felszín alatti mérések Ezt követően végeztem méréseket a 3-as metró vnalának egy szakaszán is (Nyugati pályaudvartól a Klinikák állmásig). Itt a méréseket máshgyan kellett kivitelezni, mint a föld felszínén történő mérések esetében, mivel a metróban készített mérésekhez nem tudunk GPS alapú referenciapntkat felvenni. Ezeknél a méréseknél a megállóhelyeknél rögzítettem a pnts időt. Az idő-megállóhely párs alapján az adatbázisunkban pntsan visszakereshetőek az egyes mérési eredmények. Cell ID 5086 5096 5106 9956 5116 5126 5136 5176 Nyugati Arany Deák Ferenciek Pályaudvar Jáns utca tér tere 28 12 8 27 6 21 6 7 21 9 Kálvin tér Crvin- Klinikák negyed 4 18 4 22 8 20 db Cell ID 8. ábra A metróállmásk mérési eredményei Az eredmények alapján egyértelműen meghatárzható egy megállóhely 15
egyetlen hzzárendelt cella aznsító alapján is. Megfigyelhetjük azt is, hgy egy adtt megállóhelyen fghatjuk az előző és a következő állmásn elhelyezett sugárzó jelét is. A Deák Ferenc téren több bázisállmás is elhelyezésre került. 6. Knklúzió A mérés eredmények alapján az egyes megállóhelyek egyértelműen elkülöníthetők egymástól, és a mért adatkból kiindulva ez alkalmas lehet lyan szftver létrehzására, például kstelefnkra, amely pusztán a GSM hálózat felhasználása segítségével megmutatja, hgy melyik megállóhelyen tartózkdunk. Ezt alkalmazhatjuk lyan helyen is, ahl nincs GPS lefedettség, mint például Budapest metróhálózata. 16
7. Kitekintés Ezt a témát a tanulmányaim srán flytatni szeretném. Tervezem egy mbil platfrmra készített alkalmazás létrehzását, ami egy ffline adatbázisból dlgzva cellainfrmációk alapján kijelzi az aktuális megállóhelyet, vagy esetleg, hgy hány megálló van még hátra, az előre beállíttt uticélig. Ehhez a mstaninál skkal több mérést kellene végezni. Szeretném ezeket megvizsgálni a Telenr-n kívül más szlgáltató által üzemeltetett hálózatn is. A méréseim imprtálásáhz szükséges lenne az egyetemi adatbázisba egy feltöltő felület elkészítése, ami az SQLite adatbázismból a mbilhelyek szerveren futó PstgreSQL-be imprtálja az adatkat. 17