Resultate Ortsbestimmung Prob3D+ im mobilen Netzwerk der Swisscom
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Resultate Ortsbestimmung Prob3D+ im mobilen Netzwerk der Swisscom Ernst Versteeg, Kaspar Siegrist 13.8.2014 Ernst.versteeg1@swisscom.com Version 2.7
Inhalt
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• Grundlagen: Ablauf Handy-Lokalisierung
• Was haben wir implementiert? Was ist neu?
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
• Resultate Ortung
• Empfehlungen für die Interpretation der Ellipsen
• Woran arbeiten wir?
• Was kommt auf die Schweiz zu?
Ablauf Handy-Lokalisierung bei Notruf
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E112 Notruf Blaulicht-Organisationen
MSC
1
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
Signalisie
r-Netz
Ablauf Lokalisierung bei Notruf
1. Lokalisierung wird ausgelöst (Notruf-Trigger)
2. Aus GMPC wird Cell ID und TA/RTT ermittelt
3. Datenbank-Abfrage der Antennendaten SMPC/GMPC 6
4. Ellipsenberechnung
5. Senden Gebiets-Ellipsen an Directories 2
6. Blaulicht-Organisationen fragen Gebiet ab
Notapp 5 SOS DB
Laufzeit Parameter (Distanz Handy – Antenne): Directories
TA = Timing Advance, bei 2G 3
RTT = Round Trip Time, bei 3G 4
Prob3D+ DB
Aktuelle Problematik Notrufortung
4
• Gewünscht wird Koordinate/Strasse und Hausnummer, geliefert werden Ellipsen
• Ortungsberechnung im Mobilfunknetz ist sehr viel komplexer als erwartet, wegen
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
der Vielzahl von Komponenten, Konfigurationen, Antennentypen, Nachrichten,
Fehlersituationen, Berechnungsungenauigkeiten, Unwissen und Timeouts.
• Gute Ortung geht nur mit äusserst sorgfältig entwickelter Methodik und wenn alle
Algorithmen in aufwendigen Praxistests End-To-End getestet, kontrolliert und
optimiert werden.
• Netzwerklieferanten sind nicht interessiert, Parameter der Ortung
herauszugeben (cellid, TA, RTT etc.), sie verkaufen lieber ihre eigene
Berechnung der Ortung
• Diese Ortungen haben eine schlechte Qualität weil:
– Es nicht das Kerngeschäft der Netzwerklieferanten ist
– Es keine Qualitätskontrolle gibt
– Es keine echte Konkurrenz gibt
– Ausgelagerte Entwickler in China/Indien die Realität vor Ort nicht kennen
– Das Testen wegen der Komplexität sehr zeitaufwendig ist
Was haben wir implementiert? Was ist neu?
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Swisscom hat aus den vorherigen Gründen eine eigene Ortungsberechnung entwickelt.
Sie entstand grob in zwei zwei Phasen:
Prob3D:
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
• Ausbreitung Funkwellen in der 3D Topologie der Schweiz
• Ausbreitungsmodell jedes Antennentyps
• Alle Antennen pro Cell ID (nicht nur eine)
• Modellierung Cell-Selektion Handy/Netzwerk und GSM versus UMTS
• Verwendung Historie für weitere Eingrenzung Ortungsgebiet
• Mathematisch korrekte Berechnung mit einer komplexen Wahrscheinlichkeitsrechnung, basierend
auf gemessener Standardabweichung der realen Feldstärken von den theoretischen Feldstärken.
Neu Prob3D+:
• Distanz zur Antenne. Bei GSM mit TA, bei UMTS mit RTT
• Reflexionen in Städten bei GSM und UMTS
• Berücksichtigung 2100 Mhz Multiband Antennen
• Spezialmethodik Repeater Luft-Luft (Prinzip der Überlagerung)
• Spezialmethodik in Tunneln (Prinzip der nächsten Antenne)
• Laufzeitverzögerungen in den Kabeln bei GSM und UMTS
Was haben wir aus der Implementation Prob3D+ gelernt?
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• GSM: Distanzermittlung wie erwartet relativ grob +/- 250-500 Meter
• UMTS: Distanz über kurze und weite Strecken viel genauer als erwartet,
ca. +/- 70 Meter
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
• Auch auf grossen Distanzen relativ kleine Ortungsgebiete! Dies, weil
Prob3D+
alle Abschattungen berücksichtigt.
• Auch GPS ist ungenau! In der Stadt gibt es bei GPS vergleichbare
Reflexionen. Dadurch Genauigkeit von Prob3D+ und GPS in der Stadt etwa
gleich
GPS ist in der Stadt nicht unbedingt eine Alternative.
• Gelegentlich systembedingt Ausreisser mit Abweichungen bis 2‘000 Meter.
Auswirkungen auf das Projekt
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• Wir kämpften mit vielen Fehlern in den Anlagen der Lieferanten
• Wir mussten Analyse-Tools entwickeln
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
• Anpassung aller Berechnungen und Hilfstools an die unerwartet hohe
Genauigkeit bei UMTS. Bisherige Genauigkeit: 1 Pixel=100*100
Meter. Ellipse 70 Meter ergibt nur einen schwarzen Punkt!
• Probleme mit Kontrollen via GPS. Entwicklung neuer Methodiken für
genaue Kontrollen. Wiederholung aller Kalibrierungen.
Zu den Resultaten..
Hier die Legende. Was bedeuten die Farben?
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Rot: Hohe
Blau: Geringe Wahrscheinlichkeit, dass
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
Wahrscheinlichkeit dort alle Anrufe auf diese
Antenne gehen
Weiss:
Versorgungsgebiet
Antenne, mit keiner
Wahrscheinlichkeit
Gelb: Mittlere
Wahrscheinlichkeit
GSM Stadt Vorher (Prob3D)
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Weisse Ellipsen:
Bisher ausgelieferte
Anrufer- Standortfläche
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
Pin:
Tatsächlicher
Anruferstandort
GSM Stadt Neu (Prob3D+)
Sind die Zellen bereits 500-1000 Meter gross, werden sie neu kaum kleiner, weil die Auflösung von TA auf
500-1000 Meter begrenzt ist. Allerdings gibt es wegen der hohen UMTS-Versorgung in der Stadt dort nur
noch wenige GSM-Anrufe.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt Vorher (Prob3D)
Weiss die bisher gelieferten Ellipsen. Sie deckten nicht alle grünen und gelben Bereiche ab, um deutlich
kleinere Gebiete zu erzielen.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt Neu (Prob3D+)
Deutliche Verbesserung, da wir nun zusätzlich eine Angabe über die Distanz zur Verfügung haben.
Linker roter Punkt: Reflexion!
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt/Land Vorher (Prob3D)
Zelle aus früherer Diskussion. Stadtzelle versorgt Stadt und Land.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt/Land Neu (Prob3D+)
Dist=5000 Meter
Blau die resultierende Ellipse mit der neuen Berechnung von Prob3D+
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt/Land Neu (Prob 3D+)
Dist=15‘000 Meter
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt/Land Neu (Prob 3D+)
Dist=300 Meter
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Stadt/Land Neu Zoom in (Prob3D+)
Mittlere Distanz=300 Meter
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Land Vorher (Prob3D)
Echter Fall, roter Pin, wo beim Testen das Auto nicht mehr startete und der TCS gerufen werden musste.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Land Neu (Prob3D+)
Das Ortungsgebeit ist deutlich kleiner. Da Notrufe häufig in der Nähe der Antenne erfolgen, gibt es in vielen
Fällen eine wesentliche Verbesserung.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Land Neu Zoom (Prob3D+)
Neu ist das Ortungsgebiet wesentlich kleiner. Wichtig: Der wahrscheinlichste Punkt der Ellipse befindet sich
NICHT in der Mitte der Ellipse!
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Berge Vorher (Prob3D)
Bisher oft grosse Gebiete, und Notrufe öfters trotz der Grösse nicht innerhalb der Ellipsen.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Berge Neu (Prob3D+)
Grosse Veränderung: Sehr viel kleinere Fläche und nur noch eine Ellipse. Die beiden Test-Notrufe sind
nun innerhalb der Ellipse. Aus verschiedenen Gründen lässt sich aber noch immer nicht vermeiden, dass in
5% der Fälle die Notrufe ausserhalb der angegebenen Ellipsen liegen.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Berge Vorher (Prob3D)
Grencher Berge: Viele Anrufe bis nach Bern. Hier bis nach Zollikofen, über eine Distanz von 28‘250 Meter.
Viele Ellipsen auf unterschiedlichen Distanzen. Typisch entlang Berghängen.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Berge Neu (Prob3D+)
Distanz UMTS auf Bogen von +- 70 Meter. Es erscheinen oben viele kleine Ellipsen auf einem Bogen.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Berge Neu Zoom (Prob3D+)
Distanz UMTS auf Bogen von +- 70 Meter. Es erscheinen viele kleine Ellipsen auf einem Bogen.
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+UMTS Berge Neu Zoom+ (Prob 3D+)
Wir machten den Testanruf absichtlich an einer heiklen Stelle mit geringer Versorgung von weit entfernten
Antennen. Trotzdem wurde in der Wahrscheinlichkeitsrechnung die Stelle als wahrscheinlich erkannt
(grünes Viereck). Bei der Ellipsengenierung waren aber für diese Antenne und dieser Distanz andere Orte
deutlich wahrscheinlicher. Da die Anzahl Ellipsen von Gesetzes wegen auf 10 begrenzt ist, wurde hier
keine generiert. 26
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Vorher (Prob3D)
(Der rosa Fleck bei der Antenne ist ein Tunnel, welcher ebenfalls von dieser Antenne versorgt wird)
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Neu (Prob3D+)
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Neu Zoom (Prob3D+)
Wesentlich kleineres Ortungsgebiet, in heiklen Gebieten wie zum Beispiel mit Wäldern nicht immer ganz
exakt
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+Zufälliges Beispiel GSM Vorher (Prob3D)
Viele Orte und Hänge, woher der Notruf auf diese Antenne kommen konnte
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+Zufälliges Beispiel GSM Neu (Prob3D+)
TA=2, mittlere Distanz=554 Meter
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+Zufälliges Beispiel GSM Neu Zoom (Prob3D+)
TA=2, mittlere Distanz=554 Meter
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Vorher (Prob3D)
Swisscom 2010-2013
The 3D calculation returned location areas distributed alongside the valley, till the other side of the lake
too
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Neu: 3D+TA (Prob3D+)
Swisscom 2014
TA=11, Dist=5500 Meter
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Neu: 3D+TA (Prob3D+)
Swisscom 2014
TA=20, Dist=10537 Meter
The result is one big ellipse and a few smaller ellipsis
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Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+GSM Berge Neu: 3D+TA (Prob3D+)
Swisscom 2014
TA=63, Dist=34385 Meter
Here an extreme result. Even on a high distance from the antenna a very precise result: Only one small
ellipse possible on this distance on this antenna 36
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+Empfehlungen für die Interpretation der Ellipsen aus dem Netz von
Swisscom (Einführung)
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Die folgenden Empfehlungen gelten nur für Notrufe aus dem Netz von Swisscom
(Swisscom-Kunden und Roamer im Swisscom Netz).
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
Swisscom-Ellipsen können wie folgt erkannt werden:
– Wenn es mehr als eine Ellipse hat!
– Bei einem Kreis oder Ellipse:
– Falls Prepaid oder Postpaid Abo der Swisscom oder M-Budget (Anrufer
fragen!)
– Guter Hinweis: Wenn Ellipse sich der 3D Topologie des Geländes anpasst,
z.B. entlang von Berghängen. Hängt eine Ellipse quer über grosse Kanten, ist
es meist keine Ellipse von Swisscom
– Auf Rückfrage bei Swisscom aufgrund der MSISDN
Leider kann auf den Bildschirmen der Alarmzentralen nicht gesehen werden, von welchem Provider der Notruf initialisiert wurde. Es
fehlt in den gesetzlichen Vorschriften die Möglichkeit, in den Protokollen das Netzwerk des Notrufs mitzugeben. Damit können die
Ellipsen der Swisscom grundsätzlich nicht von den Ellipsen der anderen Operatoren unterschieden werden!!Empfehlungen für die Interpretation 1 von 4
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Wichtig: Anders als bei GPS ist die reale Position
IRGENDWO in der Ellipse!
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
Also in der Regel NICHT in der Mitte (wir
müssten die Ellipsen sonst unnötig vergrössern).
Öfters ist das wahrscheinlichste Gebiet sogar am
Rand der Ellipse! Siehe Beispiel rechts. Wahrscheinlichste
Fläche hier seitlich an
der Ellipse (gelb)
In Stadtgebiet gibt es viele Reflexionen und
dadurch unerwartete Abstrahlungen der
Antennen, auch nach hinten. Dadurch können
Anrufer nicht in der Ellipse sein, sondern leicht
ausserhalb. Eventuell werden wir diesen Effekt
noch besser berücksichtigen und die Ellipsen in
diesen Fällen etwas vergrössern.
Anruf über Reflexion
an Haus der KantoneEmpfehlungen für die Interpretation 2 von 4
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In Gebieten mit weit entfernten Antennen erscheinen öfters viele
kleine, weit verstreute Ellipsen (siehe unten). Die Anrufer befinden sich
dann entweder genau in einer der kleinen Ellipsen oder auf einem
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
grossen Bogen (unten rot eingezeichnet), der von den kleinen Ellipsen
aufgespannt wird. Die Breite des Such-Korridors (z.B. mit Helikopter)
beträgt bei UMTS 140 Meter (wie unten), bei GSM 1400 Meter. Welche
Breite es ist, kann meist aus der Grösse der Ellipsen abgeschätzt
werden.Empfehlungen für die Interpretation 3 von 4
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Bei jedem Notruf wird neu geortet. Es gibt eine automatische
Kombination aller Ortungen vom selben Handy innerhalb der letzten
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
15 Minuten. So wird das Gebiet automatisch genauer eingegrenzt.
Dieser Effekt kann in heiklen Fällen genutzt werden, um die
automatische Ortung zu verbessern. Zum Beispiel mit:
• Noch einmal oder mehrfach anrufen lassen
• Den Effekt kann man verstärken, wenn der Notsuchende von einem
deutlich anderen Punkt in der Nähe nochmals anruft, zum Beispiel in
der Stadt um die Hausecke herum, auf dem Land die Hausseite
wechselt, oder in den Bergen einen Ort mit einer anderen Sicht ins Tal
hinunter wählt, zum Beispiel auf der anderen Seite einer Kante.
Hinweis: Falls jemand mehrfach aus einem fahrenden Auto anruft, gibt
es keine Überschneidungen. In diesen Fällen wird immer das
Ortungsgebiet des letzten Anrufes geliefert.Empfehlungen für die Interpretation 4 von 4
• Bei Tunneln gibt es oft eine Versorgung ausserhalb, oberhalb und in
den Tunnel hinein (oft bis zur Hälfte); direkt oder über Repeater. Damit
die Möglichkeit eines Anrufes aus einem Tunnel vom Disponent
erkannt werden kann, liefern wir bei Zellen mit Tunnelversorgung
zusätzliche Ellipsen entlang dem Tunnel-Verlauf.
• Wenn durch TA und RTT der Ort innerhalb des Tunnels genauer
eingegrenzt werden kann (unter Berücksichtigung der Verzögerungen
in den Kabeln), wird der berechnete Standort im Tunnel mit einer oder
mehreren zusätzlichen kleinen Ellipsen angegeben (wird zur Zeit
allerdings geprüft). Siehe Beispiel Vereina-Tunnel unten.
• Wir erfassen zur Zeit alle Tunnel nach 2005, es ist daher möglich,
dass neuere Tunnel noch nicht angezeigt werden.
Ohne TA (Blau der Verlauf) TA=1 TA=5 TA=10Woran arbeiten wir?
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• Aktualisierung der Netzkomponenten,
Fehlerbehebungen infolge der Veränderungen
• Intensive Tests und Optimierung der
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
unbefriedigenden Weit-Distanz-Lokalisierungen.
Hohes Optimierpotential.
(aus: de.wikipedia.org/wiki/EM-Algorithmus)
• Abklärung neue Ellipsenmethodik (Expectation-Maximization-
Algorithmus) für:
– Mittelpunkte mit höherer Wahrscheinlichkeit!
– Bessere Ellipsen bei schmalen UMTS-Segmenten bei Distanzen
400-2000 Meter von der Antenne
– Komplizierte und lange Tunnelverläufe
– Mehr Ellipsen, bessere Erkennbarkeit
– Alle Hitraten >95%
• Tunnel nach 2005
• Diverse Optimierungen: Grenzempfindlichkeiten, Neu-Kalibrierung TA mit Berücksichtigung der
Ungenauigkeit von GPS, Berücksichtigung Reflexionen nur in Stadtgebieten, Kontrolle der Methodik bei
grossen Höhenunterschieden etc.
• Austausch mit ECC Project Team Emergency Services ET-PS
• Ortung und richtiges Routing bei allen VoIP-Produkten von SwisscomKurzer Ausblick: Was kommt auf die Schweiz zu?
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Immer mehr Notrufe über VoIP: Firmen stellen um auf VoIP, Lync, Swisscom IO, Skype, WhatsApp…
Resultat: Falsche Ortung, falsches Routing.
Lösung:
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
• Proprietäre Lösungen bei VoIP und Access-Netzwerken von derselben Firma
• Zukunft: Draft ETSI ES 203 178 V0.0.28 (2014-03)
Anywhere Country A
Voice Service
Provider Emergency Call Service
VSP Call Provider
Control (ECSP)
ESRF
ie (Emergency Service
in Routeing Function)
LS
Proxy
ib ig
ia ic if ih ik
Route
Server PSAP
LS Service
id Provider
Discovery ESRP (Emergency
LS (LocationAccess Network Service Routeing
Server) Provider im Proxy)
ii
il
ij
UE
IP-PSAP PSTN-PSAP
Emergency
CallerEngagement Swisscom bei ETSI
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Wichtige Inputs von Swisscom bei ETSI/m493:
• Verhinderung Verbot der Notrufe über VoIP…
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
• Lösung VPN-Problematik bei VoIP. Sie wurde als Norm integriert.
Voice
Provider
Discover(FID-N)
ie
ia
ic
LocReq(FID-N)
FID-N
FlowChanger
Discover(FID-2)
LS-N Access Network
FID-2
ib ic
ia
LocReq(FID-2)
FID-2
FlowChanger
Discover(FID-1)
LS-2 Access Network
FID-1
ic
LocReq(FID-1)
Location
Server
Location Server ia LS-1
Discovery
Access Network
UE (Caller)
Common National RegulationFragen? -- Zuerst unsere Fragen!
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• Gibt es Zentralen, welche keine Ellipsen anzeigen?
• Gibt es Zentralen, welche nur eine Ellipse anzeigen?
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
(Wäre ein grosser Fehler!)
• Gibt es ein Interesse an Schulung und Quality-Control der
Operatoren?
• Was ist der grösste Wunsch bei der Notrufortung aus dem
Mobilfunknetz?Störungsmeldungen
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• Gemäss Vertrag mit Swisscom Directories AG können Störungen der Notruf-
Lokalisierung dort gemeldet werden:
– not@directoriesdata.ch
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
– 0800 220 220
• Wichtig ist, dass Störungen schnell gemeldet werden. Die Daten werden bei
Directories gemäss den gesetzlichen Vorgaben nach 4 Stunden gelöscht.
• Bei Verdacht einer Störung bei Swisscom, kann während den Bürozeiten auch
direkt an uns gemeldet werden:
– Heinrich Schudel, heinrich.schudel@swisscom.com
– Ernst Versteeg, ernst.versteeg1@swisscom.com
• Bitte bei jeder Meldung folgendes angeben:
– Datum und genaue Zeit
– MSISDN (Rufnummer des Anrufers und gewählte Notrufnummer)
– Falls möglich: Genauer Ort des AnrufersFragen und Feedback
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• Wir arbeiten seit dem Jahr 2000 an der Optimierung der Notrufortung
im Mobilfunknetz. Wir sind dabei auf das Feedback der täglichen
Erste Resultate Ortsbestimmung Prob3D+
Benutzer angewiesen, so dass die Algorithmen weiter optimiert
werden können. So freuen wir uns sehr über jegliches Feedback, ob
positiv oder negativ. Für konkrete Fälle benötigen wir die MSISDN
(Rufnummer des Anrufenden) und den genauen Zeitpunkt des
Notrufes.
• Gerne beantworten wir auch Fragen in Zusammenhang mit dieser
Präsentation und der Interpretation der Ergebnisse.Sie können auch lesen
