Das Global System for Mobile Communications – GSM – ist ein digitales Mobilfunknetz, das 1992 in Betrieb genommen wurde und die digitale Übertragung von Sprache und Signaldaten ermöglicht. Es besitzt eine große Netzstruktur aus vielen Zellen, die wiederum aus hexagonal förmigen Kleinzellen bestehen, wodurch der Empfangsbereich, aufgrund der begrenzten Reichweite der Sendefrequenzen der Basisstationen, theoretisch wabenartig eingeteilt ist. Praktisch überschneiden sich die Zellen und haben durch unterschiedliche Sendeleistungen verschiedene Größen.

Sobald ein Nutzer die Funkzellen wechselt, tritt ein automatisches Handover auf, d.h. die Kommunikation kann trotz des Zellenwechsels unterbrechungsfrei fortgesetzt werden.

Unabhängig vom Netzbetreiber besteht jedes GSM-Netz aus drei Subsystemen: zum einen das Base Station Subsystem (BSS), das den funkbezogenen Teil des Netzes bezeichnet. Es besteht aus der Mobile Station (MS), zum Beispiel einem Handy, Basisstation (BTS) und der Base Station Controller Station (BSC). Jede MS ist mit genau einer BTS verbunden und jede BTS kann mit mehreren MSs verbunden sein. Zudem ist jede BTS an genau einer BSC angeschlossen, die wiederum mehrere BTSs zugeteilt haben kann.

Dieses System ist mit dem Network Switching Subsystem (NSS) verknüpft, welches den vermittlungstechnischen Teil des Netzes übernimmt, wobei das Mobile Switching Center (MSC) dessen zentrale Einheit darstellt. Jede MSC ist pro Mobilfunkanbieter mit genau einem Gateway Mobile Switching Center (GMSC), das den Datenaustausch von und zu anderen Netzen realisiert, verbunden. In diesem System befinden sich die für die Handyortung relevanten Datenbanken: das Standortverzeichnis (HLR) und das Besucherverzeichnis (VLR) speichern die Informationen aller Mobilfunknutzer, die einem Bereich zuzuordnen sind. Das HLR zeichnet die Daten der MSs des eigenen Mobilfunknetzes auf, im Gegensatz zum VLR, das die Daten von MSs aus anderen Mobilfunknetzen verwaltet. Das letzte System bildet das Operation and Maintenance Subsystem (OMS) und dient als Betriebs- und Wartungszentrale des GSM-Netzes. Aufgrund der Tatsache, dass lediglich das BSS und NSS für die Standortbestimmung von Bedeutung sind, ist eine genauere Erklärung des OMS nicht nötig.

Verfahren der GSM-Ortung

Zur Positionsbestimmung via GSM gibt es die folgenden, möglichen Verfahren:

Cell of Origin, Cell ID

Das Cell of Origin (CoO) / Cell ID Verfahren (Bestimmung der aktuellen Funkzelle) ist das einfachste, weil das GSM-Netz bereits über die benötigten Informationen zur Standortbestimmung verfügt. Mithilfe des Mobilfunknetzes wird die Position über die Funkzelle ermittelt. Der Radius dieser Zellen kann zwischen 100 Metern und 30 Kilometern betragen, da die Größe von der Bevölkerungsdichte des Gebiets abhängt. Damit die Position erfasst werden kann, werden die Daten des gesuchten Mobilfunkgeräts dem HLR oder VLR entnommen und es wird überprüft, mit welcher Basisstation das Gerät momentan bzw. zuletzt in Verbindung stand. In Abhängigkeit von der Größe der Zelle lässt sich eine Genauigkeit zwischen 100 Metern im städtischen und bis zu 15 Kilometern im ländlichen Gebiet erreichen. Durch eine hohe Netzauslastung kann es vorkommen, dass der zur Mobile Station nächste Funkmast überlastet ist und deshalb auf einen entfernteren zugreifen muss, wodurch das Ergebnis stark beeinflusst werden kann. Für die Bestimmung der Zelle benötigt das Verfahren im Durchschnitt 2,5 Sekunden.

Cell-ID mit Sektor

Durch den Einsatz von mehreren Stabantennen, im Falle des GSM-Netzes sind es meist drei, kann die Genauigkeit zur Positionserfassung per Cell of Origin verbessert werden. Jede dieser Antennen deckt einen bestimmten Teil des Einflussbereichs der Basisstation ab, wodurch sich die grobe Richtung des Mobilfunkgeräts abschätzen lässt.

Received Signal Strength

Die Genauigkeit des Cell-ID-Verfahrens mit Sektoreneinteilung kann zusätzlich durch die empfangene Signalstärkemessung verfeinert werden, denn unter optimalen Bedingungen und rundstrahlenden Antennen breiten sich die elektromagnetischen Wellen punktwellenartig aus, wodurch Punkte derselben Feldstärke auf konzentrischen Kreisen um den Funkmast liegen würden. Aufgrund der Signalstärke lässt sich dann der Abstand zur Basisstation bestimmen, durch den Sektor kennt man die ungefähre Richtung und die Cell-ID gibt Aufschluss über den Umkreis des Mobiltelefons. Die Signalstärke lässt sich jedoch leicht durch blockierende Objekte beeinflussen und verfälscht somit das Signal. Bezieht man drei Basisstationen in die Messung mit ein, ist die Präzisierung des Standortes genauer möglich, wodurch eine Genauigkeit von 150 Metern im städtischen als auch im ländlichen Gebiet bei der Ortung erreicht werden können.

Time Difference of Arrival (ToA)

Bei diesem Verfahren wird die Laufzeit des Signals betrachtet, d.h. die benötigte Zeit vom Sendezeitpunkt bis zum Empfangszeitpunkt wird gemessen und mithilfe der Lichtgeschwindigkeit wird der zurückgelegte Weg berechnet. Allerdings müssen dafür die Uhren im Sender und Empfänger absolut synchron sein, da ein Zeitunterschied von einer Mikrosekunde zwischen den Uhren eine Ungenauigkeit von 300 Metern zur Folge hat.

Round Trip Time of Flight (RToF)

Mit diesem Verfahren versucht man die genaue Uhrensynchronisation des ToA-Verfahrens zu umgehen, indem man dem Sender die komplette Messung überlässt. Dabei misst die Basisstation die Zeit, die das Signal vom Sender zum Empfänger und wieder zurück benötigt. Aus dieser entstandenen Zeitdifferenz kann dann mithilfe der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung ermittelt werden und somit ist nur noch eine genaue Uhr im Sender nötig. Allerdings kann es hier zu einem Verzug bei der Antwort des Clients kommen, da eine festgelegte Antwortzeit des mobilen Endgeräts nicht gewährleistet werden kann. Diese Methode ist zwar kostengünstiger als das ToA-Verfahren, da man hier auf die teure Synchronisation der Geräte verzichtet, aber auch ungenauer bei der Positionsbestimmung.

Time Difference of Arrival (TDoA)

Bei dieser Methode wird der Standort des mobilen Endgerätes berechnet, indem der Zeitunterschied vom Senden des Signals bis zum Eintreffen an verschieden Basisstationen gemessen wird. Sobald das Signal bei der Transceiver-Station eintrifft, wird ein Zeitstempel generiert, der mit dem der anderen Basisstationen verglichen wird. Je geringer die Zeit zum Eintreffen des Signals ist, desto kürzer ist die Entfernung und so kleiner ist Stempel. Der Vorteil dieser Technik liegt darin, dass das Mobiltelefon keine zusätzliche Hardware benötigt, da nur die Basisstationen die Daten vergleichen und somit über synchrone Uhren verfügen müssen. Dahinter steckt, dass mit Hilfe dieses Ortungsverfahren sich eine Genauigkeit auf etwa 150 Meter erzielen lässt.