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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Positionsbestimmung und im spezielleren ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Mobilstation relativ zu Basisstationen, wie z. B. eines Mobilfunktelefons.
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Als Verfahren zur Positionsbestimmung ist heutzutage das Global Positioning System (GPS) weit verbreitet. Dieses Verfahren basiert auf einer Entfernungsmessung relativ zu Satelliten, wobei eine bis auf wenige 10 Meter genaue Positionsbestimmung weltweit vorgenommen werden kann.
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In den letzten Jahren hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere im Umfeld der Telekommunikation auch ein rein terrestrisches System gewünscht wird, um z. B. die Funktionalität anbieten zu können, wie sie derzeit bei Genion von Viag Interkom angeboten wird. In diesem Fall kann ein Anwender überall mit seinem Global System for Mobile Communication, kurz GSM-Mobilfunkgerät telefonieren, wobei es ihm ermöglicht sein soll, innerhalb seiner Wohnung oder Homezone zu günstigeren Tarifen zu telefonieren.
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Bei dem neuen Standard, dem sogenannten UMTS-Standard (Universal Mobile Telecomunication System), welches unmittelbar vor der Einführung steht, wurde daher die Möglichkeit vorgesehen, eine Ortsbestimmung des Mobilfunkgeräts zu ermöglichen und in die Spezifikation mit aufzunehmen. Bei dem Standard UMTS sind für die Übertragung über die Luftschnittstelle zwei Modi vorgesehen, nämlich einerseits ein sogenannter FDD-Modus (Frequency Division Duplex), bei welchem die Übertragung in Up- und Downlink auf unterschiedlichen Frequenzen erfolgt und andererseits ein sogenannter TDD-Modus (Time Division Duplex), bei welchem nur eine Trägerfrequenz verwendet wird, wobei durch Zuweisung von Zeitfenstern eine Trennung in Up- und Downlink-Richtung erfolgt. Bei beiden Modi werden Teilnehmer über orthogonale Codes getrennt.
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Zur Positionsbestimmung eines Mobilfunkgeräts innerhalb des neuen Standards UMTS wurden mehrere sogenannte LCS-Methoden (Location Service) spezifiziert. Diese umfassen als besonders einfaches Verfahren die sogenannte Cell ID Based Methode, bei der als Aufenthaltsort eines Mobilfunkgeräts nur die von einer Basisstation versorgte Funkzelle angegeben werden kann.
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Als weiteres Verfahren wird ein Network Assisted GPS-Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Positionsbestimmung mittels GPS erfolgt, wobei es jedoch in diesem Fall erforderlich ist, das Mobilfunkgerät zusätzlich mit einem vereinfachten GPS-Empfänger auszustatten.
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Als weiteres Verfahren wird die sogenannte OTDOA-IPDL-Methode (Observed Time Difference Of Arrival-Idle Period Downlink) spezifiziert. Dieses bisher nur im FDD-Modus praktikable Verfahren verwendet zur Positionsbestimmung ausschließlich Signale, die in der Luftschnittstelle von UMTS spezifiziert sind. Jede Basisstation im FDD-Modus sendet kontinuierlich auf dem sogenannten CPICH (Common Pilot Channel) einen bestimmten Burst, der unter anderem für eine Kanalschätzung in der Mobilstation verwendet wird und dessen Inhalt der Mobilstation deshalb bekannt sein muß (vordefinierte Symbolfolge mit bestimmten Eigenschaften).
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Das OTDOA-IPDL-Verfahren basiert darauf, daß die Mobilstation den CPICH von unterschiedlichen Basisstationen aus benachbarten Zellen empfangen kann. Die Mobilstation mißt in diesem Fall die Zeitdifferenzen, mit denen sie auf den CPICHs unterschiedlicher Basisstationen die vordefinierten Symbolfolgen empfängt. Aus diesen Zeitdifferenzen, den Sendezeitpunkten der einzelnen CPICH-Symbolfolgen und den geographischen Positionen der einzelnen Basisstationen kann eine sogenannte Position Calculation Function (PDF) den Aufenthaltsort des Mobilgeräts bestimmen.
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Um diese Funktion auch dann zu ermöglichen, wenn sich die Mobilstation nahe an einer Basisstation befindet, wird für eine kurze Zeit (Idle Period) sämtliche Übertragung von dieser Basisstation eingestellt.
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Dieses Verfahren basiert demzufolge auf einer relativen Zeitdifferenzmessung, die eine bekannte relative Synchronisierung zwischen den einzelnen Basisstationen voraussetzt, wobei zu jedem Zeitpunkt gewährleistet sein muß, daß jede Mobilstation den CPICH von mindestens zwei weiteren Basisstationen empfangen kann, wenn man von einer Ermittlung der Position im zweidimensionalen Raum ausgeht oder von zumindest drei weiteren Basisstationen, wenn man eine Ortsbestimmung im dreidimensionalen Raum wünscht.
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Demzufolge verfügt dieses Verfahren über den inhärenten Nachteil, daß eine Positionsbestimmung nur dann möglich ist, wenn eine genügend große Anzahl CPICHs anderer Basisstationen erfaßt werden kann. Durch die Bewegung eines Mobilfunkgeräts ändern sich jedoch die Eigenschaften des Mobilfunkkanals permanent, wobei unter anderem sogenannte Fading-Effekte auftreten können, die dazu führen können, daß Signale einer Basisstation kurzfristig nicht empfangen werden können. Es besteht daher Bedarf für ein Verfahren zur Positionsbestimmung, welches für die vorangenannten Effekte unempfindlich ist.
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Aus der
US 5,534,876 A ist ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines mobilen Gerätes bekannt, bei welchem mögliche Positionen aus einer Zeitdifferenzmessung ermittelt werden, von denen eine Position ausgehend von einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten/bekannten Position bestimmt wird.
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Aus der
US 6,061,021 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Positionsbestimmung von Mobilstationen in einem Mobilfunksystem mittels Messung der Dopplergeschwindigkeit der Mobilstationen, deren Geschwindigkeit geschätzt und einem Vergleich mit einer von einem Inertialsensor ermittelten Geschwindigkeit zugeführt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Positionsbestimmung, insbesondere eine Mobilstation relativ zu Basisstationen anzugeben, welches eine Positionsbestimmung praktisch uneingeschränkt und zu jedem Zeitpunkt, z. B. auch wenn Signale einer Basisstation nicht empfangen werden können, erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Positionsbestimmung, insbesondere einer Mobilstation relativ zu Basisstationen vor, bei welchem mögliche Positionen aus einer Zeitdifferenzmessung ermittelt werden, von denen eine bestimmt wird, ausgehend von einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten/bekannten Position. Anders ausgedrückt wird eine unvollständige Zeitdifferenzpositionsbestimmung, z. B. beim Fehlen des Signals einer dritten Basisstation verwendet, um mögliche Positionen zu bestimmen, von denen man anschließend eine auswählt, unter Berücksichtigung einer Position, die zu einem früheren Zeitpunkt exakt ermittelt wurde, z. B. durch eine vollständige Zeitdifferenzpositionsbestimmung oder auch eine Position, die anderweitig bekannt ist. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform kann man z. B. die Position unter den möglichen Positionen bestimmen, die zu der vorangehenden Position den geringsten Abstand zeigt.
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Vorteilhafterweise berücksichtigt man zusätzlich bei der Auswahl einer Position der möglichen Positionen eine zu einem früheren Zeitpunkt ermittelte/bekannte Geschwindigkeit, insbesondere eine früher ermittelte/bekannte Radialgeschwindigkeit relativ zu zumindest einer Basisstation.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Geschwindigkeit eines früheren Zeitpunkts kann bei der Bestimmung einer Position unter den möglichen Positionen eine momentan ermittelte/bekannte/angenommene Geschwindigkeit, insbesondere eine Radialgeschwindigkeit relativ zu zumindestens einer Basisstation berücksichtigt werden. Wenn z. B. die Position und die Geschwindigkeit der Mobilstation zu einem früheren Zeitpunkt bekannt ist, und man annimmt, daß die Geschwindigkeit bis zum aktuellen Meßzeitpunkt konstant ist, so kann eine zweite Menge an möglichen Positionen hieraus ermittelt werden, die dann mit den möglichen Positionen, die aus der Zeitdifferenzmessung ermittelt wurden, verglichen werden. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform könnte man auch eine Radialgeschwindigkeit von 0 annehmen, oder auch von bekannten Gesamtgeschwindigkeit lediglich die Radialkomponente berücksichtigen.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Ermittlung einer Geschwindigkeit auf der Messung einer Dopplerfrequenzverschiebung, da diese Messung bereits in der UMTS-Spezifikation vorgesehen ist, um einen Frequenzenabgleich zwischen Mobilstation und Basisstation durchführen zu können.
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Ferner ist es bevorzugt, daß die Zeitdifferenzmessung eine OTDOA-Messung ist, bei welcher das Mobilteil bzgl. zumindest einer Basisstation synchronisiert ist. In diesem Fall wäre es zur Ermittlung von möglichen Positionen anhand der Zeitdifferenzmessung ausreichend, daß diese mit Bezug auf die synchronisierte Basisstation erfolgreich durchgeführt wird.
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Da jedoch eine Synchronisierung zwischen Basisstation und Mobilteil derzeit nicht spezifiziert ist, sondern lediglich Informationen bzgl. einer relativen Synchronisierung zwischen Basisstationen vorliegen, ist es bevorzugt, daß die Zeitdifferenzmessung eine OTDOA-Messung ist, bei welcher die Zeitdifferenz zwischen dem Erreichen von Signalen von zumindest zwei Basisstationen mit bekannter relativer Synchronisierung ermittelt wird. Da die Positionen der Basisstationen bekannt sind, können die möglichen Positionen anhand einer Hyperbelgleichung ermittelt werden, wobei die Basisstationen als Brennpunkte der Hyperbeln anzusehen sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich ferner aus der folgenden, lediglich beispielhaften Beschreibung von derzeit bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt, in welchen gilt:
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1 zeigt drei Basisstationen, eine zu einem früheren Zeitpunkt ermittelte/bekannte Position, mögliche Positionen, die aus einer Zeitdifferenzmessung ermittelt wurden, und zwar bzgl. einer Basisstation, die mit dem Mobilteil synchronisiert ist, sowie die resultierende ermittelte Position des Mobilteils.
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In 2 ist in einer Darstellung ähnlich zu 1 dargestellt, wie die momentane Position unter der Annahme ermittelt wird, daß die radiale Geschwindigkeit mit Bezug auf eine Basisstation 0 ist.
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3 zeigt in analoger Darstellung das Verfahren unter der Annahme, daß die Radialgeschwindigkeit konstant gemessen/angenommen oder ermittelt ist.
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4 zeigt ebenfalls in analoger Darstellung den Fall, daß die zwei ermittelten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten lediglich über ein gemeinsames Element verfügen.
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5 zeigt ebenfalls in analoger Darstellung den Fall, daß für die ermittelten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten kein gemeinsamer Wert vorliegt.
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6 zeigt in einer Darstellung ähnlich zu 1, wie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Position eines Mobilteils ermittelt werden kann, wenn zwischen Basisstation und Mobilteil keine Synchronisation vorliegt und lediglich Signale von zwei Basisstationen von dem Mobilteil empfangen werden.
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Die 7 bis 10 zeigen jeweils in Darstellungen analog zu den 2 bis 5 Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf dem in 6 gezeigten Fall.
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Wie es in 1 gezeigt ist, befindet sich ein Mobilgerät bei einer Position X1 in einer Ebene, die durch die drei Basisstationen BS1 bis BS3 aufgespannt ist. Die Position X1 wurde mittels der drei Basisstationen exakt erfaßt und gespeichert. Es soll nunmehr angenommen werden, daß zu einem späteren Zeitpunkt die Position der Mobilstation nicht erfaßt werden kann, da lediglich eine erfolgreiche OTDOA-Messung bzgl. der Basisstation BS2 vorliegt, wobei die Mobilstation bzgl. der Basisstation BS2 synchronisiert ist. In diesem Fall ist es bekannt, wie lange ein von BS2 gesendeter Burst benötigt hat, um das Mobilteil zu erreichen. Aus dieser Zeitdifferenzmessung ergibt sich somit der dargestellte Kreis, welcher sämtliche mögliche Positionen wiedergibt. Bei der in 1 gezeigten besonders einfachen Ausführungsform wird nun als momentane Position X2 die Position von den möglichen Positionen bestimmt, die zu der Position X1 den geringsten Abstand zeigt, wie dies in der Fig. durch die gepunktete Linie dargestellt ist.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform, die eine Weiterbildung des Verfahrens von 1 darstellt, wird wiederum eine Position X2 unter den möglichen Positionen des OTDOA-Synk-Kreises um BS2 gewählt, wobei es sich jedoch nicht mehr um die Position handelt, die zu X1 den kleinsten Abstand aufweist, sondern um eine Position, die derart ermittelt wird, daß die Radialgeschwindigkeit mit Bezug auf BS1 als 0 ermittelt oder angenommen wird, so daß hieraus resultierende mögliche Aufenthaltsorte ebenfalls durch einen Kreis bestimmt sind, wie er um BS1 herum angedeutet ist. Wie dargestellt kann die Auswertung der beiden Aufenthaltswahrscheinlichkeiten zu einer Menge führen, die zu zwei Schnittpunkten führt. In diesem Fall wird ein Punkt auf der OTDOA-Kurve gewählt, welcher mittig zwischen Schnittpunkten vorliegt, da man davon ausgeht, daß die OTDOA-Messung hochgenau ist, während die Geschwindigkeit geschätzt oder mittels Dopplerfrequenzverschiebung gemessen wurde, die einer gewissen Unschärfe unterliegen kann. Die in 2 gezeigte Ausführungsform kann somit für den Fall genutzt werden, daß die Radialgeschwindigkeit effektiv 0 ist oder als 0 angenommen wird, wenn z. B. eine Geschwindigkeitsermittlung nicht durchgeführt werden kann, bzw. wenn diesbezügliche Informationen nicht vorliegen.
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Bei der in 3 gezeigte Ausführungsform ist zumindest die Geschwindigkeitskomponente vrad (Radialgeschwindigkeit) des Mobilteils bekannt, z. B. mittels Dopplerfrequenzverschiebung ermittelt. In diesem Fall wird um die Basisstation BS1 ein Kreis geschlagen mit einem Radius, der sich aus der Position X1 zzgl. der Zeitdifferenz zwischen der Ermittlung von X1 und der momentanen Bestimmung der Position multipliziert mit der radialen Geschwindigkeit geschlagen, um anschließend X2 ähnlich wie bei 2 zu bestimmen.
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Selbstverständlich kann die Radialgeschwindigkeit vrad auch negativ sein, wie dies in 4 angedeutet ist. Im Idealfall kann die Bestimmung, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, zu einem Ergebnis führen, wie in 4 dargestellt, d. h. daß es bloß eine Position gibt, die in beiden möglichen Positionskurven enthalten ist.
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Neben einer Überschneidung der jeweiligen Kurven möglicher Positionen kann jedoch auch die in 5 gezeigte Situation auftreten, bei welcher die Kurven möglicher Positionen, ermittelt einerseits aus einer Zeitdifferenzmessung und andererseits basierend auf Orts- und/oder Geschwindigkeitsinformationen zu einem früheren Zeitpunkt über keine Schnittmenge verfügen. In diesem Fall wird der Punkt aus den möglichen Positionen, basierend auf der Zeitdifferenzmessung ausgewählt, welcher den geringsten Abstand zu den möglichen Positionen aufweist, bestimmt anhand von vorangehenden Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformationen.
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In den 6 bis 10 basiert die Zeitdifferenzmessung nicht mehr, wie vorangehend, auf einer Synchronisierung zwischen Mobilteil und Basisstation (derzeit nur unter extremen Aufwand realisierbar), sondern vielmehr auf einer OTDOA-Messung, wie sie im UMTS-Standard definiert ist. Unter der Annahme, daß von der Basisstation BS3 kein CPICH-Basissignal empfangen werden kann, werden von der Basisstation BS1 und der Basisstation BS2 jeweils CPICH-Basissignale an das Mobilteil gesendet, wobei das Mobilteil eine Zeitdifferenz erfaßt, mit welcher die entsprechenden Bursts ankommen. Hieraus kann eine sogenannte OTDOA-Hyperbel ermittelt werden, die mögliche Positionen des Mobilteils wiedergibt. Aus diesen möglichen Positionen wird nun, wie vorangehend im Detail unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben, eine Position als die Position X2 bestimmt, welche dem Aufenthaltsort des Mobilteils entspricht. Zur knapperen Darstellung werden die entsprechenden Ausführungen nicht wiederholt, da der Fachmann erkennt, daß er statt der kreisförmigen OTDOA-Kurve aus den 1 bis 5 jeweils entsprechend nur die OTDOA-Hyperbel verwenden muß.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorangehend vollständig unter Bezugnahme auf derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte verstanden werden, daß eine Einschränkung auf die konkreten Ausführungsformen nicht beabsichtigt ist, und daß im Rahmen der Ansprüche verschiedenste Veränderungen und Modifikationen möglich sind. Insbesondere sollte erkannt werden, daß einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können. So wäre es z. B. denkbar, eine OTDOA-Messung, wie in den 5 bis 10 dargestellt durchzuführen, sobald CPICH-Signale von zwei Basisstationen empfangen werden können und lediglich auf ein Verfahren gemäß den 1 bis 5 zurückzugreifen, wenn CPICH-Signale von nur einer Basisstation empfangen werden und diese Basisstation mit Bezug auf das Mobilteil bzw. das Mobilteil mit Bezug auf diese Basisstation synchronisiert ist.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in überraschender Weise auch eine Positionsbestimmung erfolgen kann, wenn die Positionsbestimmung auf reiner OTDOA-Basis nicht möglich ist, und zwar basierend auf Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten, die exakt zu einem früheren Zeitpunkt bestimmt werden konnten.
