Ortung per Funk Positionsbestimmung ohne Satellit

Ortung per WiFi

Die Ortung über LTE Cat NB1 und GNSS parallel kann beliebig mit weiteren Verfahren zur Lokalisierung ergänzt werden. Zu diesen Verfahren gehört die Ortung über WiFi. Jeder WiFi-Router hat eine einzigartige MAC-Adresse. Diese MAC-Adressen werden per WiFi-Modul eingesammelt und dann per LTE Cat NB1 an einen Cloud-Server übertragen. Der Cloud-Server reicht diese MAC-Adressen an ein oder zwei Dienstleister für die Geo-Referenzierung von MAC-Adressen weiter. Diese Unternehmen geben dann die Position zur MAC-Adresse zurück.

Werden zwei verschiedene Dienstleister genutzt, dann können so gefälschte MAC-Adressen herausgefiltert werden. Wird nur ein Anbieter für die Geo-Referenzierung herangezogen, dann ist es möglich, dass z.B. der zu ortende Hund statt auf dem Sofa in Dresden sich urplötzlich in Rio de Janeiro befindet. Deshalb werden mehrere MAC-Adressen ausgewertet und an mehr als einen Dienstleister übergeben. Wenn ein zu ortendes Gerät sich immer im gleichen Bereich befindet, braucht die kostenpflichtige Abfrage der MAC-Adressen beim Dienstleister nicht ständig wiederholt zu werden. Die bekannten MAC-Adressen können auch im internen Speicher des IoT-Geräts archiviert werden, um unnötige Abfragen zu vermeiden.

Die kostenfreien MAC-Adressen-Portale, wie zum Beispiel Wigle, bieten auch eine Möglichkeit, um weitere beliebige Adressen in der Datenbank zu ergänzen. Für eine Applikation zur Ortung eines Hundes in einem der drei Altenheime in der Kleinstadt Neustadt am Rübenberge zum Beispiel, genügt es den lokalen Taxidienstleister und die Nahverkehrsbusse mit einem WiFi-Datensammler auszurüsten. Am besten ist aber eine Vereinbarung mit der lokalen Müllabfuhr zur Datensammlung. Werden die Müllfahrzeuge mit einem batteriegetriebenen Datensammler bestückt, dann sind die Informationen für eine WiFi-Ortung in kurzer Zeit erfasst.

Weder der Datensammler noch die Software müssen dafür neu entwickelt werden. Ein gebrauchtes Android-Smartphone für wenige Euro, auf dem eine War-Driving-App läuft, reicht aus (Bild 3). Als War-Driving bezeichnet man die Geo-Referenzierung von WiFi-Routern. Die App auf dem Smartphone sammelt die MAC-Adressen der WLANs im Empfangsbereich und verknüpft sie mit der Standortinformation aus der Satellitennavigation. Mit der App „Wigle War-Driving“ kann jeder Ort beliebig mit MAC-Adressen ergänzt werden.

Ortung per Bluetooth Low Energy

Eine weitere Ergänzung zur LTE-Cat-NB1- und GNSS-Ortung ist die Referenzierung über Bluetooth Low Energy (BLE). BLE-Funkbaken (Beacons) sind preiswert und arbeiten jahrelang mit der Energie aus einer Batterie. Das Wirkprinzip ist ähnlich dem der Ortung über WiFi. Die eingelesenen BLE-IDs werden mit einer Datenbank auf einem Cloud-Server verglichen. Diese Referenzpunkte müssen aber im Allgemeinen selbst gesetzt werden. Mit ein oder zwei BLE-Funkbaken kann eine Wohnung oder ein Haus mit Garten abdeckt werden.

Soll z.B. ein Hund geortet werden, dann empfiehlt es sich eine weitere Funkbake als Schlüsselanhänger am Schlüsselbund zu befestigen. Solange der Transceiver am Halsband des Hundes das Signal einer gültigen BLE-Funkbake empfängt kann dann die Ortung über GNSS oder LTE Cat NB1 ausgeschaltet bleiben. Das Empfangen der BLE-Signale benötigt wenig Energie. Erst wenn die Signale der Funkbaken nicht mehr zu empfangen sind, wird Alarm ausgelöst und die Lokalisierung per LTE Cat NB1 und GNSS gestartet. Eine Kombination aus WiFi- und BLE-Ortung ist in einigen Anwendungen durchaus sinnvoll.

Ortung per LPWAN und anderen Funkverfahren

Der Vollständigkeit halber wird noch die Ortung über LoRaWAN erwähnt. In Deutschland existiert kein bundesweites, öffentliches LoRaWAN-Funknetz, sondern es gibt nur ein paar nichtöffentliche, stadtweite Funknetze. Von der Idee eines stadtweiten privaten Netzes für die Stadtwerke bis hin zum öffentlichen Netz mit Abrechnung der Daten ist es ein langer Weg. In Frankreich wurde dies zweimal mit je ca. 4500 Gateways durchlaufen. Ca. 4500 Gateways auf einer Fläche von 643.801 km² ergeben etwa 140 km2 pro Gateway. Drei Gateways sollten empfangen werden, um eine Position zu bestimmen. Eine flächendeckende, landesweite Ortung ist damit eher unwahrscheinlich.

LoRaWAN bietet bei entsprechender Ausrüstung ein ähnlich gutes Ergebnis in der Genauigkeit wie die GPS-Ortung mit SA. Da LoRaWAN kein Zeitmultiplexverfahren (TDMA – Time Domain Multiple Access) nutzt, ist die Genauigkeit der Ortung von der Anzahl der empfangenen Meldungen abhängig. Bei hohem Spreizfaktor kann die Ortung über LoRaWAN eventuell mehr Energie benötigen als die GNSS-Ortung.

Sigfox erlaubt mangels TDMA und Ergänzung in den Gateways nur die Ermittlung der Position über die Feldstärke. Dazu müssen ebenfalls drei bzw. besser mehr als drei Gateways empfangen werden. Aufgrund der großen Distanzen zwischen den Gateways ergibt die Positionsberechnung vergleichsweise große Flächen mit der möglichen Position, mit Kantenlängen im Bereich von 1 bis 10 km.

Neben der Bestimmung der Position über WiFi und BLE gibt es auch noch weitere Verfahren mit zum Beispiel UWB (Ultra Wide Band) oder IEEE 802.15.4. UWB und IEEE 802.15.4 arbeiten in Räumen mit Triangulation und sind sehr genau (Bild 4). Leider wird mit den beiden Techniken auch der Aufwand in der Installation sehr hoch. Wer seine Objekte immer im gleichen Gebäude sucht, z.B. in einer Fabrik oder im Krankenhaus, kann das nutzen.

Eine Euro-Palette oder ein Triebwerk eines Flugzeugs bewegen sich aber typischerweise über Ländergrenzen hinaus. Kommt ein Triebwerk zur Wartung und Reparatur immer wieder in die gleichen Hallen, könnte dort UWB und IEEE 802.15.4 genutzt werden. Bei der Euro-Palette und vielen weiteren Gegenständen, die über große Distanzen transportiert werden, ist Ortung mit UWB und IEEE 802.15.4 jedoch nicht sinnvoll.

 

Literatur

[1] Krüger, M.; Peter, M.; Ohlen, J.: Ortungs- und Meldesystem innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes. Patent DE 10029137A1, 13.9.2001, https://register.dpma.de/DPMAregister/pat/register?AKZ=100291376

[2] Skyhook Wireless, Inc., www.skyhook.com

[3] HTML5 Geolocation (Demo). Refsnes Data, www.w3schools.com/html/html5_geolocation.asp

[4] Wigle, www.wigle.net

[5] Hu, S.; Berg, A.; Li, X.; Rusek, F.: Improving the Performance of OTDOA based Positioning in NB-IoT Systems. IEEE Global Communications Conference GlobeCom 2017, Cornell University Library, 5.9.2017, https://arxiv.org/pdf/1704.05350.pdf

 

Der Autor

Harald Naumann

ist im nordhessischen Kirchheim geboren und hat in Offenbach die Ausbildung zum staatlich geprüften Techniker mit dem Schwerpunkt Informationselektronik abgeschlossen. Er war Mitglied in vielen Teams zur Entwicklung von Funk-Produkten – die heute modisch »Wireless IoT« genannt werden.

Seit über 25 Jahren ist er im Bereich Funktechnik tätig. 2014 hat Naumann mit dem »IoT / M2M Cookbook« sein ersten Buch im Eigenverlag veröffentlicht. Heute leitet er als Sales Direktor den Vertrieb von Funkmodulen und Antennen bei Tekmodul in München.

harald.naumann@lte-modem.com