Как определить местоположение по сетям сотовой связи (Cell ID) / Хабр

Antennas.

Простенькая утилита для мониторинга GSM и CDMA сети. Показывает на карте все ближайшие сотовые вышки. Также можно измерить уровень сигнала в dBm активной БС, и узнать её координаты по LAC и CID.

Cell phone coverage map.

Удобная программа, позволяет запустить тест сети к которой подключено устройство. Работает с любым типом подключения к интернету, в том числе и с Wi-Fi. Отобразит уровень сигнала, и сетевой протокол. Тест покажет скорость входящего и исходящего каналов. На карте можно посмотреть плотность и активность сот которые окружают устройство.

Gsm monitor.

Простая программа на русском языке для измерения уровня сигнала GSM. Изменения уровня сигнала с течением времени отображаются наглядно на графике. С помощью GSM Monitor можно узнать тип сети, название оператора, IMEI код устройства, а также серийный номер SIM карты. Программа будет фоново работать в системе пока её не остановить.

Gsm signal monitor.

Еще одна простая утилита для мониторинга GSM сигнала. Отображает сигнал на графике, плюс большие цифры значений в верхней части экрана, что очень удобно. Из особенностей программы следует отметить возможность выбора в чем отображать уровень сигнала. Можно выбрать стандартно dBm, уровень RSSI, или в процентах. Плюс ко всему отображаются координаты БС в параметрах LAC и CID. Есть рекламные баннеры.

Gsm signal monitoring.

Удобное приложение на русском языке. Работате с сетями GSM, UMTS и LTE. Отслеживает такие параметры соты как: cell Id, LAC, MNC, MCC. Отображает уровень сигнала на графике и его изменение во времени. Показывает соседние соты, только в сети GSM. Есть монитор скорости передачи данных.

Location finder and gsm mapper.

Очень полезная программа для мониторинга сотовой сети. Главное достоинство в подробной информации о подключении. Отображает все данные подробно: уровень сигнала, тип сети, координаты LAC и CID, мобильные коды MCC и MNC. Отображает на карте Google подключенную БС с координатами местности.

Netmonitor.

Данное приложение предназначенно для мониторинга GSM/CDMA сетей. Очень удобный интерфейс, отображает подключенную БС и близжайшие соседние. Причем в списке сот отображаются физические адреса вышек на русском языке, ни одно выше перечисленное приложение этим похвастать не может. Плюс есть возможность записать лог в файл. Уровень сигнала отображается в виде графика меняющегося во времени.

Вот, пожалуй самые интересные и полезные приложения из «Google Play» для мониторинга сети. Все они в той или иной степени имеют разные и схожие функции, и пользоваться лучше всего несколькими сразу. В зависимости от задач которые стоят, будь то установка антенны и настройка её на ближайшую базовую станцию, или просто поиск лучшего сигнала, эти приложения могут очень помочь.

Если вам известны другие полезные приложения для мониторинга GSM/3G/4G, прошу рассказать о них в комментариях. Мы с удовольствием их протестируем.

Network signal strength.

Основное назначение программы показать уровень сигнала. Сигнал показывается на удобной круговой шкале в dBm. Работает в сетях GSM/CDMA/LTE. Отображает тип сети, название сотового оператора, а также наличие GPRS, 3G или 4G. Также можно узнать Call ID устройства которое ему присвоила БС. Из минусов стоит отметить наличие рекламного баннера в интерфейсе.

Opensignal.

Программа на русском языке, с широким функцианалом. При включенном GPS программа покажет на экране в виде стрелки направление в котором стоит двигаться для достижения лучшего сигнала. Проще говоря, указывается направление движения к близжайшей сотовой вышке вашего оператора.

Особенностью программы OpenSignal, является возможность посмотреть покрытие. Именно покрытие сети GSM, 3G или 4G на карте. Это очень полезная функция, очень может помоч при установки например 3G или 4G антенны.

Для чего знать, где расположены вышки?

В крупных городах большинство пользователей сотовой связи могут оценить качество покрытия связи своего оператора без необходимости определения местоположения установленных базовых станций. Однако даже в городе может потребоваться усилить качество сигнала сети используемого оператора, если из-за особенностей рельефа GSM сигнал от вышки не обеспечивает высокую скорость интернета либо стабильную голосовую связь.

Необходимость узнать, где находится ближайшая вышка сотовой связи, и определить местоположение других базовой станции, может потребоваться в разных ситуациях, но можно выделить три основные, интересующие пользователей мобильных операторов.

Чаще всего узнать вышка какого оператора сотовой связи находится рядом тем, кто хочет улучшить качество связи в частном доме либо на даче.

Зачем знать, где расположены вышки сотовой связи

Знание точных координат рядовому абоненту ни к чему – он даже не сможет отличить вышки одного оператора от другого. Но иногда эти данные нужны и важны. Координаты базовых станций (БС) необходимы:

• При настройке направленных антенн в загородной зоне – качество сигнала за пределами городов низкое, из-за чего абоненты вынуждены устанавливать приёмо-передающие антенны с усилителями. Эти антенны требуют точной направленности на ближайшие БС. Специалисты, занимающиеся настройкой данного оборудования, знают координаты вышек. Эти же знания пригодятся тем, кто решил установить антенну самостоятельно – услуги специалистов стоят довольно дорого (до 4-5 тыс. руб);
• Для настройки комнатных усилителей сигнала – такие устройства продаются в салонах связи и представляют собой направленные антенны для настольной установки. Ставим антенну на подоконник, направляем на ближайшую БС, в фокусе антенны устанавливаем модем и проверяем уровень сигнала – если антенна эффективна, уровень будет более высоким, что положительно скажется на скорости интернета;
• Для выбора места проживания – некоторые люди боятся базовых станций, предпочитая проживать на некотором удалении от них. При помощи специальных приложений можно уточнить координаты ближайших вышек и выбрать оптимальный для проживания район.

Также знание координат поможет выяснить, будет ли работать связь от того или иного оператора в данной местности.

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 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.

^{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.

^{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.

База данных представляет собой таблицу в CSV-формате, описанном ниже:

Нас интересуют следующие параметры:

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.

Соответственно мы воспользовались командой AT CCINFO, ее формат приведен ниже.

Нас интересуют следующие параметры:

Подключив сотовый модуль к ноутбуку, мы получили следующий лог:

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.

^{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.

^{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.

^{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.

^{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.

Как определить расположение вышек связи?

Определить расположение базовых станций используемого мобильного оператора не составит труда, и для этого вам даже не потребуется использовать специальное оборудование. Все что вам необходимо — смартфон и специальная программа, позволяющая получить как полный список и расположение базовых станций сотовой связи, так и точно определить, какая вышка стоит рядом.

В зависимости от используемого смартфона, можно найти множество приложений, позволяющий использовать не только поиск базовых станций рядом, но и использовать дополнительные возможности.

Так, бесплатное приложение Opensignal доступно как для пользователей гаджетов на Android, так и на iOS. С ним вам не составит труда проверить качество покрытия любого из операторов, и определить точное расположение ближайшей вышки сотовой связи.

Карты покрытия операторов

Базовые станции сотовых операторов создают зону покрытия, представленную на сайтах самих операторов. Здесь публикуется компьютерная модель без учёта особенностей местности, её рельефа и расположения искусственных элементов ландшафта, созданных руками человека.

Представляем вашему вниманию неофициальный сервис, отражающий качество покрытия по всей России.

Он отображает данные, полученные от реальных пользователей, что позволяет оценить приём в тех или иных точках (в том числе вдоль загородных автодорог и федеральных трасс).

Точность карт покрытия мала, что нужно учитывать при их изучении. Максимальная точность достигается в пределах населённых пунктов. Но уже в паре километров от них сила сигнала может упасть до нуля, что на картах не указывается. Поэтому, задумываясь о смене сотового оператора, необходимо изучить отзывы тех, кто уже пользуется услугами выбранной компании – опросите соседей, родственников, знакомых и друзей, проживающих в интересующей вас местности.

Разделы с картами покрытия присутствуют на сайтах всех операторов, в том числе виртуальных. К последним относятся Тинькофф Мобайл, Danycom и СберМобайл, работающих на базовых станциях Теле2. Их зоны покрытия совпадают на 100%, ведь компании используют одни и те же вышки.

Литература

Дмитрий Астапов (www.pro-gsm.info)Опубликовано – 04 сентября 2009 г.

Насколько опасно находиться рядом с вышкой

Вышки сотовых операторов не представляют вреда для здоровья. Они устанавливаются не просто так – проектировщики учитывают расположение жилых построек, проводят замеры мощности сигнала в тех или иных точках. Оборудование настраивается так, чтобы получить равномерное покрытие на максимальном расстоянии при минимально возможной мощности. Вред будет только в том случае, если встать в непосредственной близости около антенны или даже обнять её.

Кроме того, установка базовых станций в России производится под строгим контролем многочисленных служб, в том числе военных и СЭС. Они накладывают на операторов столько ограничений, что им приходится занижать мощность передатчиков. Причём в других странах этому не уделяется особого внимания – проблемы вреда для здоровья операторов не волнуют.

Больше всего люди боятся антенн, установленных на крышах зданий. Они считают, что оборудование их облучает, придумывая многочисленные небылицы и отмечая участившиеся головные боли. На самом деле излучение вниз не распространяется, поэтому жильцы многоэтажек могут спать спокойно.

Официальные сайты операторов

Приведём ссылки на официальные карты сотовых операторов:

Обратите внимание, что сетей стандарта 2G от Теле2 в Москве и Московской области нет. Для доступа к сотовой связи потребуются устройства с поддержкой 3G и 4G. То же самое относится к виртуальным операторам, работающим на базовых станциях Теле2 в столице и МО.

Проверка скорости соединения

Тестирование скорости в OpenSignal похоже на подобные тесты у Speedtest и других приложений. Можно выбрать обычную проверку, в результате которой вы узнаете скорость загрузки, отдачи и латентность. Дополнительно можно пометить где производился тест: в помещении или на улице.

В приложении есть уникальный тип тест — скорость загрузки видео. При его запуске будет воспроизведён небольшой ролик, а в конце результаты скорости.

Все результаты можно будет посмотреть позже в разделе История.

Сотовые вышки вашего мобильного оператора

На отдельной вкладке можно посмотреть качество связи вашего оператора связи. Тут же отображается компас, по которому можно дойти до ближайшей вышки.

На карте можно увидеть расположение всех вышек оператора и посмотреть подробные данные по каждой из них.

Специальные программы и приложения

Самое популярное приложение для поиска ближайших базовых станций – Netmonitor. Показывает расположение ближайших БС, выдаёт море служебной информации, отображает карту местности. Также в Нетмониторе поддерживается отображение публичных точек Wi-Fi.

Хорошие результаты дало другое приложение – OpenSignal. В нём есть встроенный компас, позволяющий получить точную ориентацию на базовые станции сотовых операторов. Здесь же отображается сила сигнала в тех или иных точках – эти данные собираются от пользователей приложения и позволят оценить реальное состояние приёма.

Сравнение мобильных операторов

На отдельной карте видно покрытие у различных операторов. Дополнительно можно выбрать тип связи 2G/3G или 4G.

В разделе сравнения эффективности можно посмотреть среднее значение скорости загрузки и отдачи у всех доступных в регионе операторов. Все данные актуальны конкретно для вашего местоположения.

Статистика

В разделе статистики отображается в каких типах сетях вы проводите время в течение дня. Для сотовой сети видно соотношение качества связи — сколько вы провели в сети 4G, 3G, без связи и подобную информацию.

На отдельной вкладке доступна статистика по количеству и скорости передачи данных по сетям.

Телефон в активном режиме

В активном режиме телефон посылает сигналы какой-то одной базовой станции и принимает от нее ответные сигналы.

У всех на слуху тот факт, что сети GSM могут работать на частотах 900, 1800 и (реже) 1900 mHz.  На самом деле речь идет о диапазонах частот:890-960, 1710-1880 и 1850-1990 mHz соответственно.

Каждая базовая станция вещает только на одной определенной частоте из этого диапазона. Соседние базовые станции, независимо от того, какому оператору они принадлежат, всегда конфигурируются так, чтобы создавать друг другу минимум помех. В частности, соседние базовые станции никогда не будут работать на одной и той же частоте.

Базовая станция в процессе обслуживания разговора выполняет контролирующие и регулирующие функции. Она занимается расчетом величин так называемого временного сдвига (timing advance) и передает их телефону. Телефон использует их, чтобы корректировать ход своего таймера так, чтобы у него и у базовой станции «часы» шли синхронно и посланные телефоном сигналы достигали базовую станцию в пределах отведенного телефону «окна вещания».

Чтобы правильно рассчитать временной сдвиг, базовая станция измеряет время прохождения сигнала от себя до телефона, но ей абсолютно не важно, сколько раз по пути следования сигнал отразился от зданий и прочих препятствий. Базовая станция также оценивает уровень сигнала от телефона и степень его затухания и выдает телефону рекомендации по необходимой мощности передачи.

Телефон в процессе разговора тоже имеет информацию о временном сдвиге, уровне сигнала от базовой станции и мощности своего передатчика. Получается, что и базовая станция, и телефон могут, в принципе, как-то оценить расстояние друг до друга по пути следования радиосигнала,  но они никак не могут учесть все возможные преломления и отклонения. Точность измерения расстояния по временному сдвигу составляет примерно 500 м.

Триангуляция

Начнем с аналогии. Рассмотрим такое утверждение: “при помощи утилиты ping можно определить время прохождения TCP-пакетов от одного компьютера до другого, а значит и оценить расстояние между ними. Тогда по расстояниям от трех компьютеров, зная их координаты, можно получить координаты искомого компьютера”.

Выглядит неправдоподобно? А что, если мы возьмем четыре компьютера, соединим их сетевыми кабелями друг с другом непосредственно, без использования промежуточных сетей, причем провода проложим строго по прямой? Сможем ли мы в таком случае определить координаты центрального компьютера, зная координаты периферийных и пользуясь только ping-ом?

Сможем. Означает ли это, что подобный способ можно будет использовать всегда? Безусловно, нет. Во-первых, провода редко соединяют два компьютера непосредственно и строго по прямой, во-вторых, мы, как правило, не знаем точных координат «опорных» компьютеров и т.п. Продолжить этот список будет несложно.

Теперь вернемся к исходному утверждению. Можно ли стандартными средствами сети GSM определить расстояние от базовой станции до телефона? Короткий и ничего не объясняющий ответ – “можно”. Зададимся дополнительными вопросами:

1. Кто занимается измерениями – базовая станция или телефон?
2. Всегда ли возможно такое измерение?
3. Будет ли измерено кратчайшее расстояние между ними?
4. С какой точностью будет произведено измерение?

Чтобы понять, кто может произвести такое измерение, надо разобраться, что же знают друг о друге телефон и базовая станция. Стоит разделить описание на два случая: телефон находится в режиме ожидания и телефон находится в активном режиме (по нему разговаривают, принимают SMS, …).

Услуги, привязанные к местоположению

Для предоставления услуг, привязанных к местоположению абонента (location-based services, LBS), существует множество способов, опирающихся на наличие дополнительного программного и аппаратного обеспечения на всех базовых станциях конкретной сети, а иногда еще и в SIM-карте/телефоне абонента.

Для ряда применений достаточно приблизительно знать какую-то одну базовую станцию, в зоне покрытия которой находится абонент. Это можно сделать в любой сети GSM. Результат: круг радиусом до 32 км с центром в месте установки какой-то базовой станции.

В городских условиях радиус можно сократить, так как зоны покрытия базовых станций обычно невелики. Стоит упомянуть, что информация о «текущей» базовой станции обновляется при каждом звонке/SMS или же где-то раз в час, поэтому для повышения точности обнаружения абоненту непосредственно перед «замером» присылают SMS или же побуждают самого абонента послать SMS с запросом вида «где я/где ближайший ресторан/гостиница/метро/…».

Этот результат можно улучшить при помощи метода, называемого «time of arrival». Требуется модернизация всех базовых станций сети. Результат: круг радиусом 100-500 метров с центром в месте установки базовой станции. Применение еще более совершенных методов (их описание может быть найдено в сети по ключевым словам «angle of arrival», «uplink time difference of arrival», «GPS», «assisted GPS») позволяет еще больше сократить радиус круга или перенести его центр в реальное местоположение абонента.

Наличие любой более-менее сложной системы обнаружения местоположения абонентов в сети оператора определить очень легко — оператор будет продавать соответствующие услуги, никто не будет инвестировать в создание необходимой инфраструктуры просто так. Нередко достаточно беглого просмотра рекламных материалов услуги, для того чтобы определить тип используемой оператором технологии, просто на основании данных о точности обнаружения.

На этом экскурс в технологии определения местоположения абонента можно считать завершенным и возвращаться к оригинальной теме:

1. Возможна ли триангуляция местоположения телефона в сети GSM по трем (четырем, …) базовым станциям?
2. Кто может осуществить эту триангуляцию: абонент, оператор или обе стороны?

Выводы

Если не вести речь про какого-то конкретного оператора, а говорить о GSM как о технологии вообще, то можно утверждать, что:

1. Стандартные возможности сети GSM допускают построение систем определения местоположения абонента на основании измерения параметров прохождения радиосигнала, но стандарта GSM Phase 2 на такие системы/технологии нет.
2. Если в сети оператора не внедрена подобная технология, то средствами самой сети можно определить только последнее известное местоположение абонента с точностью до базовой станции, которая обслужила его звонок или регистрацию в сети. Можно послать на телефон SMS или позвонить и актуализировать эту информацию.
3. На базе стандартного телефона сети GSM можно построить систему определения его местоположения, но только в том случае, если доступны данные о координатах установки базовых станций.
4. Способ определения местоположения телефона средствами сети при помощи триангуляции (в том виде, в котором он изложен в начале статьи) — не более чем расхожий вымысел.