Hintergrund
Zu Beginn des Mobilfunkzeitalters mussten die Mobilfunknetzbetreiber (MNOs) die Position des mobilen Geräts kennen, um den Anruf an eine bestimmte Basisstation weiterzuleiten, mit der das Gerät verbunden war.
Im Jahr 1999 forderten die US-Regulierungsbehörden eine hohe Genauigkeit der Positionsbestimmung, um Notdienste zu erleichtern. Seitdem wurde die Mobilfunktechnologie mit jeder neuen Generation erweitert und weiterentwickelt, um mit verschiedenen Kombinationen der Festnetz- und Mobilfunkinfrastruktur des Mobilfunkbetreibers sowie mit externen Quellen wie dem Global Positioning System (GPS) und Wi-Fi eine präzise Ortung zu ermöglichen. Der Hauptanwendungsfall war jedoch immer die Ortung des Notrufenden in einer Notsituation.
"Public Safety Answering Points (PSAPs) haben die Möglichkeit, sich mit anderen Technologien wie Geräten/Sensoren, Smart Cities, Fahrzeugtelematik und automatischen Alarmen zu verbinden."
APCO-Projekt 43: "Breitband-Implikationen für die öffentliche Sicherheit
Eine neue Forderung
Der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsverbindungen ist nun mit dem Bedarf an hochgenauer Ortung gekoppelt. Hinzu kommt die rasche Verbreitung des Internets der Dinge (IoT), von Geräten/Sensoren, die nicht nur Daten, sondern auch Standortinformationen liefern können. Die Mobilfunknetzbetreiber stehen daher vor der Herausforderung, nicht nur eine hochpräzise Ortung für Notdienste bereitzustellen, sondern auch ihre Unternehmensmärkte mit innovativen standortbezogenen Diensten zu stören und zu monetarisieren.
5G ist von Natur aus eine dienstbasierte Architektur, die darauf abzielt, Dienste auf der Grundlage der Bedürfnisse des Nutzers bereitzustellen. Die Technologie bietet Konnektivität mit geringer Latenz für die Vielzahl von Geräten/Sensoren, die heute in unserem Ökosystem vorhanden sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, die bestehenden Anwendungen für die öffentliche Sicherheit zu verbessern und neue standortbezogene Dienste mit absoluter und relativer Positionsbestimmung einzuführen, die ein gewisses Maß an Sicherheit bieten.
Technologievorsprung mit 5G
Traditionell verwenden 4G-LTE-Systeme Uplink- und Downlink-Signale zur Bestimmung der Position von Endgeräten, um deren Position relativ zu den Mobilfunkantennen zu ermitteln. Typische Verfahren sind Enhanced Cell ID (E-CID) und Time Difference of Arrival (TDoA).
Bei E-CID überwachen die Endgeräte ihre Nähe zu mehreren Basisstationen und messen die Signalstärke und die ungefähre Laufzeit bis zum Gerät. Durch Kombination dieser Beobachtungen wird eine bessere Schätzung der Geräteposition berechnet.
TDoA ist ein Multilaterationsverfahren, bei dem das Endgerät die Zeitdifferenz zwischen bestimmten Signalen von mehreren Basisstationen misst und diese Zeitdifferenzen an ein bestimmtes Gerät im Netz meldet, um die Position zu bestimmen.
Um die Kommunikationsanforderungen (höhere Geschwindigkeit, niedrige Latenz, mehr Geräte, IoT-Konnektivität) zu erfüllen, werden 5G-Netze mit größeren Bandbreiten und höheren Frequenzen arbeiten, da das freie Spektrum bei diesen Frequenzen liegt (mm Wave über 24 GHz zusätzlich zu unter 6 GHz).
In städtischen Gebieten führen Mehrwegeffekte (Signale, die verschiedene Wege zurücklegen und zu unterschiedlichen Zeiten ankommen) zu fehlerhaften Ergebnissen bei der Berechnung der Signalzeit. Signale mit höherer Bandbreite helfen, dieses Problem zu lösen, da solche Signale eine kürzere Zeit haben. Hinzu kommt der Vorteil einer größeren Anzahl von Basisstationen zur Aufrechterhaltung der Abdeckung, da Hochfrequenzsignale anfälliger für Ausbreitungsverluste sind. Durch diese Netzverdichtung wird die Sichtlinie (Line of Sight, LoS) vergrößert, was eine sehr genaue Schätzung der Ankunftszeit (Time of Arrival, ToA) ermöglicht. Die Einführung von Antennengruppen mit Beamforming-Fähigkeiten ermöglicht eine genaue Schätzung der Ankunftsrichtung (Direction of Arrival, DoA).
Entwicklung von Normen und Anwendungen
Das 3GPP (3rd Generation Partnership Project) konzentriert sich nicht nur auf die Verbesserung der Standards, sondern auch auf die Einbeziehung neuerer Anwendungen für standortbezogene Dienste.
So werden beispielsweise Anwendungen für die öffentliche Sicherheit erweitert, um die Sicherheit von Ersthelfern vor Ort zu gewährleisten, indem die Daten und der Standort von deren tragbaren Geräten verarbeitet werden. Ein weiterer Anwendungsfall für autonome Fahrzeuge wird die Kommunikation von Gerät zu Gerät sein, die es den Geräten ermöglichen kann, ihre Position relativ zueinander zu bestimmen.
Die erste Reihe von Spezifikationen in Version 16 soll im Juni 2020 von 3GPP veröffentlicht werden. Eine Momentaufnahme der aktuellen Überlegungen gibt Aufschluss über die Anwendungen und Erweiterungen.
Tabelle 1: Quelle 3GPP TR 22.872 V2.0.0 (2018-05)
