Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)

в 12:14, , рубрики: Без рубрики

Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
Существует множество способов определения местоположения, такие как спутниковая навигация (GPS), местоположение по беспроводным сетям WiFi и по сетям сотовой связи.
 
В данном посте мы попытались проверить, насколько хорошо работает технология определения местоположения по вышкам сотовой связи в городе Минске (при условии использования только открытых баз данных координат передатчиков GSM).
 
Принцип действия заключается в том, что сотовый телефон (или модуль сотовой связи) знает, каким приемопередатчиком базовой станции он обслуживается и имея базу данных координат передатчиков базовой станции можно приблизительно определить своё местоположение.

 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
Как указано на странице Cell ID, открытых баз данных с координатами передатчиков сотовой связи не так уж и много. Например, это OpenCellID.org, содержащая 2 611 805 передатчиков (13042 из них в Беларуси) и openbmap.org, содержащая 695 294 передатчиков.
 
Ниже приведен скриншот с обозначенными передатчиками в западной части Минска. Как видно число базовых станций не равно нулю, что вселяет оптимизм и возможный положительный исход эксперимента.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
Теперь немного о том, что такое передатчик в понимании OpenCellID и каким образом наполняется база данных OpenCellID. Эта БД наполняется различными способами, наиболее простой — это установка на смартфон приложения, которое записывает координаты телефона и обслуживающую базовую станцию, а затем отсылает на сервер все измерения. На сервере OpenCellID происходит вычисление приблизительного местоположения базовой станции на основании большого числа измерений (см. рисунок ниже). Таким образом, координаты беспроводной сети вычисляются автоматически и являются очень приблизительными.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
Теперь перейдем к вопросу о том, как использовать эту базу данных. Есть два варианта: использовать сервис перевода Cell ID в координаты, который предоставляется сайтом OpenCellID.org, либо выполнять локальный поиск. В нашем случае локальный способ предпочтительней, т.к. мы собираемся проехать по 13-километровому маршруту, и работа через веб будет медленной и неэффективной. Соответственно нам необходимо скачать базу данных на ноутбук. Это можно сделать, скачав файл cell_towers.csv.gz c сайта downloads.opencellid.org.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
База данных представляет собой таблицу в CSV-формате, описанном ниже:
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
Нас интересуют следующие параметры:

  • <mcc> — код страны;
  • <mnc> — код оператора;
  • <lac> — код зоны;
  • <cellid> — идентификатор передатчика;
  • <long> — долгота передатчика;
  • <lat> — широта передатчика.

С базой данных все понятно, теперь можно переходить к определению Cell ID.
 
Все сотовые модули поддерживают следующие команды: AT+CREG, AT+COPS (обслуживающая базовая станция), AT+CSQ (уровень сигнала от базовой станции). Некоторые модули позволяют узнать кроме обслуживающего передатчика также и соседние, т.е. выполнять мониторинг базовых станций с помощью команд AT^SMONC для Siemens и AT+CCINFO для Simcom. У меня в распоряжении был модуль SIMCom SIM5215Е.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
Соответственно мы воспользовались командой AT+CCINFO, ее формат приведен ниже.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
Нас интересуют следующие параметры:

  • <SCELL> — индикатор обслуживающего передатчика;
  • <NCELLn> — индикатор соседнего передатчика;
  • <mcc> — код страны;
  • <mnc> — код оператора;
  • <lac> — код зоны;
  • <id> — идентификатор передатчика;
  • <rxlev> — мощность принимаемого сигнала в дБм.

Подключив сотовый модуль к ноутбуку, мы получили следующий лог:
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
 
Мониторинг работает – можно ехать.
 
Маршрут пролег в западной части Минска по ул. Матусевича, пр. Пушкина, ул. Пономаренко, ул. Шаранговича, ул. Максима Горецкого, ул. Лобанка, ул. Кунцевщина, ул. Матусевича.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
Запись лога велась с интервалом в 1 секунду. Выполняя преобразование CellID в координаты, выяснилось что 6498 обращений к базе данных OpenCellID были результативными, а 3351 обращений не нашли соответствий в БД. Т.е. hit rate для Минска составляет примерно 66 %.
 
На рисунке ниже показаны все передатчики, которые встречались в логе и были в БД.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
На рисунке ниже показаны все обслуживающие передатчики, которые встречались в логе и были в базе данных. Т.е. подобный результат можно получить на любом сотовом модуле или телефоне.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
Как видим, в один из моментов нас обслуживал передатчик, находящийся за транспортной развязкой на пересечении ул. Притыцкого и МКАД. Скорее всего, это загородная базовая станция, обслуживающая абонентов на расстоянии в несколько километров, что ведет к значительным ошибкам в определении местоположения по Cell ID.
 
Поскольку наш SIMCom SIM5215Е в каждый момент времени показывает не только обслуживающий передатчик, но также соседние и уровни сигнала от них, то попробуем рассчитать координаты аппарата на основании всех данных, имеющихся в конкретный момент времени.
 
Расчет координат абонента будем выполнять как взвешенное среднее координат передатчиков:
Latitude = Sum (w[n] * Latitude[n] ) / Sum(w[n])
Longitude = Sum (w[n] * Longitude[n]) / Sum(w[n])
 
Как известно из теории распространения радиоволн, затухание радиосигнала в вакууме пропорционально квадрату расстояния от передатчика до приемника. Т.е. при удалении в 10 раз (например, с 1 км до 10 км) сигнал станет в 100 раз слабее, т.е. уменьшится на 20 дБ по мощности. Соответственно вес при каждом слагаемом определяется как:
w[n] = 10^(RSSI_in_dBm[n] / 20)
 
Здесь мы допустили, что мощность всех передатчиков одинаковая, это допущение ошибочно. Но ввиду отсутствия информации о мощности передатчика базовой станции приходится идти на заведомо грубые допущения.
 
В результате получаем более подробную картину местоположений.
 
Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID)
Карта © Участники OpenStreetMap
 
По итогу маршрут оказался неплохо прочерчен за исключением выброса в сторону развязки на МКАД, по ранее описанной причине. Кроме того, со временем база данных координат будет наполнятся, что также должно повысить точность и доступность технологии определения местоположения по Cell ID.
 
Спасибо за внимание. Вопросы и комментарии приветствуются.

Автор: Promwad

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js