Smartphone Indoor-Lokalisierung

Ausgangslage

Der illegale Gebrauch von Mobiltelefonen in Gefängnissen kam durch verschiedene Vorkommnisse in den letzten Jahren immer wieder in die Schlagzeilen und ist sicherheitstechnisch ein grosses Problem. Dessen Unterbindung ist bis anhin aber nicht zufriedenstellend gelöst worden. Häftlinge haben mit der heutigen Kommunikationstechnologie die Möglichkeit, unbemerkt mit der Aussenwelt in Kontakt zu treten, was ihnen unter Umständen bei der Planung einer Flucht, bei der Beseitigung von Beweismaterial bis hin zur Koordinierung von weiteren Straftaten behilflich sein kann. Periodische Zellen- sowie Häftlingsdurchsuchungen durch das Gefängnispersonal sind sehr zeitintensiv. Zudem werden nicht alle versteckten Mobiltelefone gefunden.

Unsere bestehende technische Lösung zur Lokalisierung aktiver Mobiltelefone ist auf kostenintensive Spezialhardware angewiesen. Dadurch wurde das System bisher mit möglichst wenigen Antennen realisiert, was den Einsatz insbesondere in dicht besiedelten Gebieten limitiert. Da sich Mobilfunksignale nicht scharf auf einen definierten Überwachungsbereich begrenzen lassen, werden auch Signale von Mobiltelefonen aus der unmittelbaren Umgebung des Gefängnisses erfasst, etwa von Passantinnen und Passanten, Anwohnenden oder benachbarten Gebäuden.

Diese technische und wirtschaftliche Einschränkung bildet den Ausgangspunkt der aktuellen Weiterentwicklung: Im Projekt wird eine eigene Software-Defined-Radio-Plattform entwickelt, mit der die Systemkosten gesenkt, zusätzliche Empfangskanäle bereitgestellt und neue signalverarbeitungstechnische Ansätze ermöglicht werden.

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Ziele

Das Ziel des Projektes ist ein wirtschaftlich attraktives und einsatzfähiges System zur automatischen Lokalisierung von Mobiltelefonen in sicherheitskritischen Gebäuden. Grundlage dafür ist eine eigens entwickelte Hardwareplattform, die auf die Anforderungen der gebäudebasierten Mobiltelefon-Lokalisierung ausgelegt ist.
Das System soll gängige Mobilfunkstandards wie 4G und 5G unterstützen und leicht auf künftige Standards wie 6G erweiterbar sein. Die Indoor-Lokalisierung erfolgt mittels Fingerprinting: Empfangene Signalmerkmale werden mit gebäudespezifischen Referenzdaten verglichen, um die Position aktiver Mobiltelefone innerhalb des überwachten Bereichs zu bestimmen.
Zusätzlich soll das System externe Mobilfunksignale aus der Umgebung besser von relevanten Signalen innerhalb des Gebäudes unterscheiden können. Damit wird die Grundlage geschaffen, um die Technologie auch in dicht besiedelten Gebieten zuverlässig einzusetzen.

Vorgehen

Das Lokalisierungssystem ist als verteiltes Sensorsystem aufgebaut. Mehrere festinstallierte Antennen an der Gebäudefassade erfassen kontinuierlich elektromagnetische Signale aktiver Mobiltelefone. Die Antennen werden an nicht zugänglichen Standorten installiert und sind dadurch vor Vandalismus und Manipulation geschützt. Zum Empfang der Signale wird eine eigens entwickelte Software-Defined-Radio-Hardware eingesetzt, die deutlich mehr parallele Empfangskanäle bereitstellt als bisher eingesetzte Standardlösungen. Dadurch können mehr Antennen gleichzeitig betrieben und räumliche Signalinformationen präziser genutzt werden. Die zusätzlichen Empfangskanäle ermöglichen den Einsatz aktiver Antennensysteme mit modernen Signalverarbeitungsverfahren wie Beamforming und Richtungsschätzung. Damit können Signale aus der Umgebung gezielt erfasst und als eine Art Aussenfilter genutzt werden. Relevante Signale innerhalb des überwachten Gebäudes lassen sich dadurch besser von externen Mobilfunksignalen unterscheiden. Die Indoor-Lokalisierung selbst erfolgt weiterhin auf einem lokalen Server mittels Fingerprinting, bei dem empfangene Signalmerkmale mit gebäudespezifischen Referenzdaten verglichen werden.

Lösung

In der Justizvollzugsanstalt Thorberg im Kanton Bern sind bereits zwei Lokalisierungssysteme installiert, die zwei Gebäudekomplexe mit insgesamt weit über 100 Zellen rund um die Uhr überwachen. Das bestehende System kann aktive Mobiltelefone über alle gängigen Mobilfunkstandards und Frequenzbereiche hinweg detektieren und lokalisieren. In 90 Prozent der Fälle liegt die Abweichung zur tatsächlichen Position des Mobiltelefons bei 2.5 Metern oder weniger. Auf dieser validierten Grundlage wird das System nun technologisch weiterentwickelt. Der Prototyp der neuen Software-Defined-Radio-Plattform nutzt moderne Technologien im Bereich der breitbandigen Signalempfangstechnik und High-Speed-Datenverarbeitung. Gegenüber bisher eingesetzten Standardlösungen bietet die neue Hardware rund dreimal mehr parallele Empfangskanäle, eine bessere Performance und gleichzeitig tiefere Hardwarekosten. Damit lässt sich das Lokalisierungssystem sowohl technologisch als auch wirtschaftlich deutlich besser skalieren. Die neue Hardwareplattform reduziert die Investitions- und Betriebskosten für potenzielle Kundinnen und Kunden und erweitert gleichzeitig die Einsatzmöglichkeiten des Systems.