La localización de los teléfonos móviles: Un problema más difícil de lo que parece

El problema de la localización de los teléfonos móviles admite varias soluciones técnicas, cada una con sus ventajas y sus inconvenientes. Básicamente estas soluciones se dividen en tres categorías:

1. Técnicas que no requieren modificaciones ni en la red de telefonía móvil ni tampoco en el terminal del usuario.
2. Técnicas que requieren modificaciones, más o menos problemáticas, en la red de telefonía móvil.
3. Técnicas que requieren modificaciones, difíciles en algunos casos, del terminal del usuario.

Comenzando por el primer grupo, cuando no es necesario modificar ni la red de telefonía móvil ni el terminal del usuario, tenemos las técnicas de identidad celular. Mediante esta técnica, denominada Cell-ID, la posición del móvil queda determinada por la célula en la cual se encuentra, la cual es conocida en todo momento por el sistema GSM. Es por tanto una técnica de muy fácil implantación y que no requiere ningún cambio en la infraestructura del sistema GSM ni tampoco terminales móviles especiales. No obstante, debido al desigual tamaño de las células, es un sistema que puede ofrecer una precisión razonable en ámbitos urbanos, del orden de +/- 150 metros,  pero que puede tener un error considerable en zonas rurales, igual o mayor que +/- 4km.

Esta técnica de identidad celular frecuentemente se usa junto con la técnica basada en el Timing Advance, que es el valor de tiempo que asigna el sistema GSM a cada terminal móvil que está en una célula determinada para que éste coloque su slot en la ranura correspondiente dentro de las 8 ranuras de tiempo en las que se divide cada uno de los radiocanales del sistema. Puesto que la técnica de Timing Advance es una característica propia del sistema GSM, tampoco es necesario realizar ninguna modificación ni en la red ni en los terminales GSM. Timing Advance utiliza 6 bits para estimar la distancia a la que está el móvil desde la estación base, representando cada bit un retardo de 3,69 microsegundos, o lo que es lo mismo, una distancia aproximada de 550 metros. La distancia efectiva de separación entre el móvil y la estación base se calcula teniendo en cuenta la mitad del tiempo necesario para que la señal enviada por la estación base vuelva de nuevo a la estación base, es decir  1,845 microsegundos. La señal de radio, a una velocidad de 300.000 km/seg recorre una distancia de 553,5 metros.  A la técnica conjunta basada en la identidad de la célula y el Timing Advance se la denomina Enhanced Cell-ID, o identidad de célula mejorada.

 No obstante, debido a la influencia de la propagación multi-path y a la precisión en la sincronización del terminal móvil, se estima que el error del Timing Advance puede ser de hasta 3 bit, lo cual equivale a aproximadamente 1,6 Km.

El sistema basado en la identidad celular puede ser más preciso cuando se tiene en cuenta el cálculo de la distancia aproximada de separación entre la antena base y el móvil, basado en el tiempo de Timing Advance, pero también puede incrementarse la precisión si, en las redes celulares sectorizadas, el sistema es capaz de identificar el sector de la célula donde se encuentra el móvil.

A nivel práctico, este es el sistema utilizado actualmente por operadores como Movistar o Vodafone. En el caso de Movistar, este servicio se ofrecia hasta hace poco bajo el nombre comercial de Localízame pero ahora se ofrece bajo el nombre comercial de Aquí estoy.

Tal y como se informa en la propia web de movistar,  “si se desea precisión en la localización, será necesario que el terminal a localizar tenga activado el sistema GPS. Si no es así, la precisión puede variar desde unos metros a unos pocos kilómetros“. Obviamente en este último caso, el sistema estará utilizando el método basado en la identidad celular. A nivel práctico, para utilizar el servicio denominado Localízame es necesario estar dado de alta en el mismo, ser titular del teléfono móvil que se quiere localizar y simplemente mandar un SMS al número 223518 con el texto BUSCAR y con el número de móvil a localizar. En las siguientes fotografías se muestran algunos resultados de dicho servicio:

Como se observa en la fotografía, en este caso la precisión es de +/- 2605 mts, lo cual permite saber en que zona se encuentra más o menos la persona que lleva ese teléfono, pero no la calle o lugar en concreto donde se encuentra.

En este otro caso la localización ha determinado que el móvil en cuestión está en una zona cercana al Corte Ingles de Bilbao, donde presumiblemente las células del sistema GSM/3G serán más pequeñas a fin de permitir mayor densidad de usuarios. En cualquier caso, la precisión sigue siendo insuficiente si se desea saber exactamente en que calle o local está la persona localizada.

Finalmente, en este último ejemplo vemos que la precisión ha sido notablemente superior, ya que el error está cuantificado en +/- 379 metros.

Como hemos visto en las imágenes, el servicio de localización Localizame de Movistar utilizaba el sistema de mensajes cortos de texto (SMS) para el envío de información al usuario. En el nuevo sistema denominado Aqui estoy de Movistar, la información se muestra de forma gráfica, accediendo a dicho servicio a través de cualquier navegador, ya sea desde un PC u ordenador portátil o desde el propio teléfono móvil a través de una conexión de datos o una conexión wifi. En la siguiente imagen se muestra un ejemplo práctico de lo anterior, donde además se observa que, al menos en este caso, la localización ha sido efectuada en base la técnica de identidad celular.

Otros operadores cuentan con servicios de localización similares, como por ejemplo Vodafone con el servicio denominado Mensa-red, aunque en el momento de realizar esta entrada en el blog,  es un servicio orientado únicamente a empresas.

http://www.vodafone.es/empresas/es/moviles/sacale-partido-a-tu-movil/servicios-de-mensajeria/mensared/mensared-localizacion/

Este servicio de localización se basa, tal y como indica la propia empresa Vodafone, en la identidad celular.

Una vez vistas las ventajas y desventajas de los sistemas basados en la identidad de la célula, el resto de los sistemas de localización exigen o bien modificaciones en la red de telefonía móvil o bien modificaciones en el terminal. Aunque estas nuevas técnicas consiguen mayor precisión que la técnica basada en la identidad celular, las modificaciones a incorporar en la red y/o terminales  son difíciles de implementar.

La primera técnica que exige modificaciones en la red pero no en los teléfonos es la que tiene en cuenta el ángulo de llegada de la señal de radio de los móviles a al menos dos antenas. Conocidos estos ángulos y la distancia que separa a ambas antenas es inmediato el cálculo de la posición exacta del móvil a localizar.

La fórmula que se emplea para calcular la posición del móvil es la Ley de los Senos, aplicada a un triángulo oblicuángulo. Mediante dicha fórmula se puede calcular la distancia que separa al teléfono móvil de cada una de las dos antenas. Una vez conocidas cualquiera de las dos distancias y como se conocen los respectivos ángulos de llegada, es inmediato establecer el punto donde se encuentra el móvil.

Este sistema necesita línea de visión directa entre el móvil y la estación base, y también la colocación de unas antenas de tipo multiarray en las estaciones base. Cuando no hay línea de visión directa, la llegada de la señal rebotando en objetos diversos puede dar lugar a un ángulo de llegada muy distinto del real, y por lo tanto a un error considerable en el cálculo de la posición. Por ello, en ambientes rurales suele bastar con el ángulo de llegada respecto a dos antenas, pero en ambientes urbanos se utiliza el ángulo de llegada de 3 o más antenas.

Otro tipo de localización basado en la red es la que tiene en cuenta el tiempo de llegada de una señal emitida por el móvil a al menos tres estaciones base. Sabiendo el tiempo de llegada desde el móvil a cada una de las estaciones base es posible estimar la distancia de separación entre el móvil y dichas estaciones base. Si se dispone de tres distancias, el lugar geométrico donde se localiza el móvil es el dado por la intersección de 3 círculos cuyos radios son precisamente las tres distancias estimadas.

El funcionamiento correcto de este sistema exige que las estaciones base conozcan con precisión el momento de partida de la señal de “aviso” del móvil, y midan por tanto el tiempo necesario para llegar dicha señal hasta ellas. Este sistema exige por tanto una modificación en la red ya que es necesario que las antenas base estén perfectamente sincronizadas. Puesto que no es posible sincronizar el móvil con las estaciones base, ya que eso exige modificaciones en todos los terminales a localizar, el móvil envía la señal de “aviso” cuando recibe un comando determinado desde una de las estaciones base. Lógicamente este sistema cuenta con el inconveniente de que  el tiempo de llegada de la señal del móvil a cada estación base puede verse alterado de forma notable por el retardo introducido por el propio terminal a la orden recibida desde cada estación base, así como a trayectos sin línea de visión directa y por lo tanto de mayor duración que el correspondiente a la posición real del móvil. No hay que olvidar que diferencias muy pequeñas entre el tiempo real y el tiempo medido darán lugar a errores muy grandes en la localización, ya que la señal de radio se desplaza a la velocidad de la luz, aproximadamente 300.000 km/segundo.

Una mejora a la técnica anterior y que evita en cierto modo los problemas descritos es la basada en la diferencia de tiempos de llegada. En esta técnica se mide la diferencia de tiempos de llegada entre pares de estaciones base, y de esta forma se dibujan las hipérbolas de los posibles puntos de localización del móvil. En la intersección de las hipérbolas es donde se encuentra el móvil. Observar que una hipérbola es aquella curva que representa los  puntos P(x,y) cuya diferencia de distancias a dos puntos F y F´ llamados focos es constante. Es decir, F y F´ son cada par de estaciones base y se conoce la diferencia de tiempos de llegada, o lo que es lo mismo, la diferencia entre la distancias de una y otra estación base al móvil.

En la imagen, si suponemos que el móvil está 1 km más lejos de la estación base F´que de la estación F, sabemos que la diferencia entre el segmento azul y el verde es de 1km. La curva que representa todos los puntos que cumplen esa condición es la hipérbola. La localización exacta del móvil se consigue con la intersección de varias hipérbolas, correspondientes a otros tantos pares de estaciones base.

La principal ventaja de esta técnica es que puede funcionar incluso sin señal de visión directa, ya que la diferencia de tiempos cancela posibles errores por reflexiones. Al mismo tiempo, ahora no es necesario tener en cuenta el posible conocer tiempo de respuesta del móvil a una orden o comando desde la estación base, ya que lo que se mide no es el tiempo absoluto que tarda en llegar una señal desde el móvil a la estación base, sino la diferencia de tiempos entre un par de estaciones base. Por ello, para que el sistema pueda funcionar, es importante una correcta y precisa sincronización entre pares de estaciones base.

Y por último llegamos a las técnicas que exigen una modificación del terminal móvil. Una de ellas es la denominada técnica de Tiempo de llegada con terminal modificado (Time of Arrival). En esta técnica se necesitan terminales móviles que marquen con precisión el instante exacto de emisión de las señales mediante testigos de control. Es decir, exige un sistema muy preciso de sincronización entre terminales y estaciones base. A partir de los tiempos absolutos de llegada se estima la distancia entre el móvil y tres estaciones base y mediante el trazado de tres círculos con radios determinados por dichas distancias, en la intersección de dichos círculos se localiza la posición exacta del móvil.

Existe otra técnica basada en la modificación del terminal y que hoy en día se está imponiendo como la solución más utilizada: Utilización del GPS del teléfono móvil. Esta técnica ha sido poco utilizada hasta fechas recientes, debido a que solo los terminales de gama alta incorporaban GPS.  En la actualidad la práctica totalidad de los móviles incorporan el módulo GPS y por ello está técnica de localización se ha convertido en la más utilizada, teniendo en cuenta además su alta precisión. En aquellos casos donde el móvil no soporta GPS o lo tiene desactivado el operador utiliza la técnica basada en la identidad celular. Este es el caso del servicio Aquí estoy de Movistar, visto anteriormente.  En cualquier caso es el propio móvil a localizar el que debe de comunicar su posición al operador a través de un mensaje SMS (GSM) o de una conexión de datos (GPRS o 3G).

La precisión de esta técnica es muy alta, con errores tan solo de unos pocos metros. Los inconvenientes son por todos conocidos: no funciona en interiores y además es necesario tener el sistema GPS activado, con el consiguiente gasto de batería en el móvil. Además se debe de tener en cuenta que el sistema GPS tiene un proceso inicial, denominado TTFF (Time To First Fix) o tiempo para la primera localización o posicionamiento, que suele ser muy largo en general, del orden de incluso minutos. Para minimizar este inconveniente los fabricantes de teléfonos móviles con GPS han desarrollado el sistema A-GPS o GPS Asistido. De esta manera, en cuanto encendemos el teléfono móvil, se enviará a un servidor externo la identificación de la antena o célula GSM en la que estamos y el teléfono obtendrá como respuesta los satélites que tiene encima y su posición (están almacenados en el servidor externo, y según nuestra posición nos dará los datos de unos satélites u otros). De esta manera el cálculo de la posición por parte del equipo GPS del móvil se acorta en gran medida.

Una última consideración que no se debe de pasar por alto es que no está permitido por ley localizar la posición de ningún teléfono móvil sin el consentimiento expreso del titular de dicho teléfono. La Ley 32/2003, de 3 de noviembre, General de Telecomunicaciones y el Real Decreto 424/2005 de 15 de abril, por el que se aprueba el Reglamento sobre las condiciones para la prestación de servicios de comunicaciones electrónicas, el servicio de comunicaciones electrónicas, el servicio universal y la protección de datos, indican con claridad que los datos de localización en las redes de comunicaciones son datos personales y  por tanto sujetos a las leyes y directivas de protección de datos e intimidad de los usuarios.

http://www.boe.es/boe/dias/2005/04/29/pdfs/A14545-14588.pdf