Geoposicionamiento GSM independiente de la red móvil (IV): Soluciones independientes de los operadores de la red GSM

Disponible la cuarta entrega de esta serie...

Por Anónimo.

Criptolab. Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid

Nuestro objetivo es lograr que el usuario de un terminal móvil sea capaz de posicionarse en el plano sin que la red, su proveedor y los operarios del mismo tengan constancia de ello. Se pretende que el usuario pueda realizar esta tarea desde su propio terminal móvil de forma cómoda, barata y sencilla, sin tener que cargar con pesadas antenas u otros dispositivos o tener que comprar caros terminales que integren GPS.

Técnicas de posicionamiento

Existen en la práctica diversas técnicas para posicionar un terminal móvil sin la intervención directa del operador de la red. Por lo general, son técnicas basadas en los principios de geolocalización antes descritos. A la hora de aplicar dichos procedimientos hemos de tener en cuenta varias limitaciones intrínsecas al dispositivo sobre el que estamos trabajando; éstas serían el número de antenas disponibles, procesamiento y almacenamiento limitados y sobre todo los datos de la red a los que se tiene acceso (sólo los que pueda proveer el teléfono móvil).

Podemos considerar las siguientes propuestas:

1. CGI/CID: Análogo al método anteriormente explicado con la salvedad de que en esta ocasión es la MS la encargada de llevar a cabo la tarea. Por tanto, es el terminal móvil quien recibe el identificador de la BS. Si el usuario dispone de un mapa donde figuren todas las BSs de una región con su identificador asociado (el cual es único), entonces puede saber que está ubicado bajo la zona geográfica de cobertura de la estación base. Esta información es totalmente inútil si queremos posicionar un terminal con exactitud, pero sirve como aproximación y base sobre la que partir con diferentes mejoras.

    

   

    

2. CGI-TA: El terminal móvil recibe el identificador de la estación base a la que se encuentra asociado. Teniendo en cuenta dicho identificador es posible posicionar al terminal en el plano con el margen de error igual al radio de la cobertura de la estación; es decir, varios km en zonas rurales y unos 100-500 metros en zonas urbanas con alta densidad de población.

    

   

    

   Dicha solución no es válida tal y como hemos explicado, ya que tan sólo conociendo la posición de la estación asociada no sabemos más que aproximadamente dónde nos encontramos, pero tampoco sabemos la posición relativa a la que nos encontramos respecto la BS. Como este margen de error no es suficiente, necesitamos estudiar el parámetro Timing Advance, que representaría de forma aproximada la distancia a la que el terminal se encuentra de dicha estación base. Pese a todo seguiríamos sin saber la dirección sobre la que se encuentra la BS. Por tanto, el ID de la célula define geográficamente la zona y el TA define la distancia aproximada a la célula. El terminal móvil puede ubicarse por tanto en una circunferencia alrededor de la BS, lo cual no es suficiente ya que no tiene la precisión requerida.

3. E-OTD (Enhanced Observed Time Difference): Este método se basa en el mismo principio que TDOA (Time Difference Of Arrival), salvo que en lugar de que las diferencias de tiempos de llegada de las señales sean calculadas por el operador de la red GSM, en este caso es el terminal móvil el encargado de calcular dichos valores TDOA provenientes de diversas estaciones base.

   A partir de estos valores, y en conjunción con la técnica CGI-TA, podríamos ser capaces de localizar con relativa precisión nuestra ubicación en el plano.

    

   

    

   Para que esta tecnología funcione de forma eficaz la MS ha de incluir esta tecnología, la cual está actualmente en desarrollo por Nokia, para localizar la proveniencia de las llamadas de emergencia. En el año 2006 fue presentada como una alternativa útil para el funcionamiento de los LBS (Location Based Services) y en la actualidad presenta un margen de error de 50m en el mejor caso y 100m en el peor.

4. Parametrización de zona geográfica: La aplicación se basa en la contrastación de ciertos parámetros únicos para una región geográfica (previamente medidos y almacenados en una base de datos) con los que se están tomando en un instante determinado en el terminal móvil. Para el buen funcionamiento de este método, bajo una región geográfica de interés se han de tomar todas las mediciones que la red GSM pueda proporcionar (CellID, TA, potencia...). De esta manera se genera una base de datos que contiene coordenadas expresadas en latitud y longitud con la precisión que deseemos (a mayor precisión, mayor número de coordenadas con sus mediciones) relativas a la zona a estudio. Una vez el usuario del terminal móvil inicie la aplicación de geoposicionamiento, el sistema comprueba a qué coordenada se parece mas la medición actual y por tanto devuelve la coordenada aproximada si la medición actual es coincidente con la almacenada, o bien interpola la coordenada teniendo en cuenta las registradas en la proximidad.

   La dificultad de este método estriba en la generación de la base de datos y el tamaño de la misma, el cual puede exceder la capacidad de almacenamiento de un terminal móvil.

5. Parametrización de zona geográfica asistida: Podemos dar un giro a la aplicación anterior, creando un servidor que almacene dicha parametrización geográfica. El problema en este caso residiría en cómo comunciar la MS con dicho servidor, ya que tendríamos que usar algún mecanismo de comunicación accesible desde el propio terminal, es decir, habría que enviar las mediciones capturadas vía, por ejemplo, un SMS. La información llegaría al servidor, el cual calcularía las coordenadas geográficas del terminal y devolvería la posición al mismo a través de otro SMS. Dicha solución ahorra cálculos y capacidad de almacenamiento al terminal móvil (evitando los condicionantes de capacidad de memoria del mismo y procesamiento del terminal). En cambio la solución dejaría de ser gratuita.

Análisis de propuestas

Bajo este apartado se pretende realizar un breve análisis de las soluciones actuales, considerando ventajas e inconvenientes de las mismas, así como estudiando brevemente su viabilidad y aquellas dificultades que podrían manifestar la imposibilidad de llevar a cabo un proyecto de esta índole a la práctica.

La solución independiente del operador de la red GSM implica varias ventajas:

1. Independencia de los servicios del operador: Un usuario podría usar este servicio independientemente de si su operador de telefonía lo ofrece.
2. Independencia del operador contratado: En la actualidad, los tres proveedores de telefonía móvil dominantes en España hacen uso de la misma infraestructura física de antenas y células por lo que, al ser nuestra propuesta una solución independiente de los datos internos de cada operador (HLR, AUC etc...), funcionaría de forma idéntica independientemente del operador que el usuario haya contratado.
3. Privacidad respecto al operador: Hemos comentado que el operador no está autorizado a localizar -salvo para el buen funcionamiento del HLR- a un usuario. Si el usuario utiliza los servicios de localización, la información de su posición exacta ya sí puede ser usada por el operador. Como algunos usuarios podrían no querer eso, pueden notificar su deseo al proveedor de servicios rechazando esa política; pese a todo, se podría contar con una alternativa mucho más fiable en términos de privacidad. En este caso nadie, salvo el propio usuario, tendría constancia de que se está usando la red GSM con fines de geoposicionamiento y toda la información relativa a su ubicación no sería almacenada, procesada o tratada por ninguna entidad ajena.
4. Solución gratuita: El operador de telefonía móvil podría proveer al usuario de servicios de posicionamiento, pero el usuario tendría que pagar por ellos. En este caso la solución independiente del operador presentaría una ventaja para el usuario, ya que la solución propuesta no tendría un coste asociado ni por uso ni por opción de uso.
5. Uso en tiempo real: Un usuario podría usar el sistema de posicionamiento de forma continua (similar a GPS) y no de forma tan poco interactiva como ofrecen en la actualidad los operadores.

Por contrapartida, se presentan otros inconvenientes:

1. Modificación del terminal móvil: Para que un usuario final pudiera contar con este servicio tendría que incorporar alguna modificación a su terminal. En ese sentido lo más apropiado sería dotar de una sencilla e intuitiva aplicación al teléfono móvil, para lo cual un requisito de compatibilidad sería que el terminal móvil soportase Symbian o Java.
2. Imprecisión de los datos: El sistema de posicionamiento podría dar información con un mínimo error inaceptable.
3. Dependencia de la infraestructura del operador: Pese a querer buscar una solución independiente del operador, el sistema de posicionamiento GSM independiente del proovedor de servicios de telefonía hace uso de la infraestructura de la red GSM y una clara desventaja es que no tenemos el control sobre la misma y los posibles cambios que pudieran producirse en ella (como la reasignación de CellIDs, eliminación o inserción de nuevas células etc...).

Finalmente, se exponen posibles impedimentos que dificultarían la realización del proyecto:

1. Insuficiencia o inexactitud de información en el terminal móvil: El terminal móvil podría carecer de la información suficiente necesaria -que es administrada por las estaciones base cercanas- como para realizar un posicionamiento adecuado. Asimismo podría darse el caso de que la información accesible pudiera ser condicionada por agentes externos (cobertura, clima...) y el resutado del posicionamiento ser por tanto incorrecto.
2. Desconocimiento de la posición geográfica de las estaciones base de una región: Para llevar a cabo el proyecto se necesita conocer la distribución de celdas y los identificadores de las mismas. Dicha información no es libre y tiene acceso restringido. La única vía (legal) posible para hacer un mapa de los nodos de una región es la detección de los mismos mediante un conjunto de antenas y aplicando técnicas usadas para detectar estaciones de radio piratas (como las citadas AoA etc...).

Especificaciones de las propuestas

El proyecto se basaría en el diseño de una aplicación software con las siguientes características:

1. Utilidad de geoposicionamiento del terminal móvil del usuario en el plano 2D: Aplicación capaz de posicionar a un usuario de la red móvil de forma transparente a la misma. El objetivo principal es obtener unas coordenadas de latitud y longitud, pero se podría por extensión introducir dichos datos en un mapa para presentar un resultado más gráfico al usuario final.
2. Utilidad de uso del terminal móvil como brújula digital: Teniendo en cuenta la posibilidad de posicionamiento geográfico, sería también interesante poder utilizar las mediciones obtenidas para ubicar al usuario de la aplicación la ubicación de los puntos cardinales de forma interactiva (o en tiempo real, aunque podría ser más complicado).
3. Precisión de mediciones aceptable: Se requiere un sistema capaz de competir con alternativas como GPS en precisión. Desearíamos una precisión de 5 metros en el mejor caso y 100 metros en el peor.
4. Sencillez de manejo y claridad mostrando la información: Se pretende que la aplicación final sea sencilla de usar e intuitiva. Asimismo se pretende que la información devuelta sea clara y el usuario no necesite grandes conocimientos de la red móvil o matemáticos para interpretar los mismos.
5. Compatibilidad máxima con terminales móviles: La aplicación final debería poder funcionar bajo cualquier tipo de móvil capaz de soportar el entorno para el que la aplicación haya sido programada. De esta forma, usando APIs genéricos para una plataforma, garantizamos gran compatibilidad.
6. Optimización del uso de los recursos del móvil por parte de la aplicación: Debería de optimizarse el uso de los recursos de los que dispone el móvil, siendo la batería, el procesamiento y la memoria aspectos claves, y el cuello de botella que condiciona las prestaciones de nuestra aplicación.

Se requeriría el uso de un teléfono móvil con soporte para aplicaciones de terceros, es decir, una MS capaz de ser ampliada con software de terceros (ajeno al fabricante). En la actualidad la gran mayoría de los teléfonos móviles en uso, y prácticamente la totalidad de los teléfonos comerciales modernos que el mercado distribuye, presentan estas características. Las plataformas más extendidas y relevantes (omitiendo SSOOs de móviles/PDA, como Windows Mobile) son Java y Symbian, las cuales ofrecen un amplio abanico de posibilidades para el desarrollo de aplicaciones de usuario.

Teniendo en cuenta la posibilidad de crear, instalar y usar una aplicación propia, el siguiente requisito de nuestro proyecto es que pueda funcionar correctamente y de forma eficiente y rápida aprovechando las limitaciones del terminal, es decir, escasa memoria y una capacidad de procesamiento muy reducida.

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