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Immer
mehr setzen sich im Alltag mobile Telekommunikationserzeugnisse,
also Erzeugnisse zur Nachrichtenübermittlung,
wie beispielsweise Mobiltelefone, WLAN-Karten oder PDAs durch. Prinzipbedingt
ist der Aufenthaltsort solcher mobilen und gelegentlich auch festen
drahtlosen Telekommunikationserzeugnisse nicht bekannt. In vielen
Fällen
ist es aber wünschenswert,
die Position der Geräte
zu kennen bzw. zu bestimmen. Dies gilt beispielsweise für kontextbezogenen
Datentransfer, Ortung/Navigation in Gebäuden, Team- und Systemmanagement,
Installationswartung, interaktive Spiele etc.
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Bisher
ist die Position solcher funkbasierter Telekommunikationserzeugnisse
entweder gar nicht oder nur rudimentär bekannt. Zum Zwecke einer
Ortung kommen unter anderem Verfahren zum Einsatz, die die Position
auf Zellebene auflösen,
Verfahren, die die Entfernung über
die empfangene Signalstärke bestimmen
und Verfahren, die die Richtung des empfangenen Signals bestimmen.
Vergleiche hierzu Vossiek et al.: "Wireless Local Positioning – Concepts, Solutions,
Applications", RAWCON,
Boston, 2003.
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Aus
einem völlig
anderen Gebiet der Technik sind Verfahren zur Entfernungsmessung
bekannt, die auf der Signallaufzeit beruhen. Dabei wird die Laufzeit
beispielsweise zwischen einem Transponder und einer Basisstation
gemessen. Anschließend
erfolgt eine Auswertung der Laufzeitinformation. Typische Anordnung
und Verfahren sind Gegenstand von WO 03/040753 A1.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Möglichkeit
der Entfernungsmessung bei Telekommunikationserzeugnissen aufzuzeigen.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen
Erfindungen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Dementsprechend
weist ein Telekommunikationserzeugnis Mittel zur Telekommunikation
und Mittel zur Entfernungsmessung auf. Die Mittel zur Entfernungsmessung
sind so eingerichtet, dass die Entfernungsmessung über ein
Messen der Laufzeit eines Signals erfolgt.
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Vorzugsweise
wird zum Messen der Signallaufzeit ein Messsignal erzeugt, das beispielsweise ein
Abfragesignal ist.
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Zum
Messen der Entfernung zwischen dem Telekommunikationserzeugnis und
zum Beispiel einem weiteren Telekommunikationserzeugnis würde es prinzipiell
ausreichen, das Messsignal mit einem Zeitcode auszusenden, so dass
das weitere Telekommunikationserzeugnis das Messsignal empfangen
und mit Hilfe der Empfangszeit auswerten kann. Allerdings müssten dazu
die Uhren des Telekommunikationserzeugnisses und des weiteren Telekommunikationserzeugnisses
exakt auf Echtzeit synchronisiert sein. Dies ist in der Regel nicht
der Fall.
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Deshalb
wird alternativ vorgeschlagen, dass die Signallaufzeit die Signallaufzeit
vom Telekommunikationserzeugnis zum weiteren Telekommunikationserzeugnis
und zurück
zum Telekommunikationserzeugnis einschließlich einer eventuell anfallenden Verzögerungszeit
(Totzeit) im weiteren Telekommunikationserzeugnis ist.
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Durch
diese Round-Trip-Time-of-Flight-Entfernungsmessung entfällt die
Notwendigkeit von Echtzeituhren in den Telekommunikationserzeugnissen.
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Vorzugsweise
sind das Telekommunikationserzeugnis und auch das weitere Telekommunikationserzeugnis
bezüglich
der Entfernungsmessung gleichwertig ausgebildet, so dass sie sowohl
ei ne Round-Trip-Time-of-Flight-Abfrage auslösen als auch eine solche beantworten
können.
Dementsprechend ist durch das Telekommunikationserzeugnis, dessen
Mittel zur Entfernungsmessung zum Messen der Signallaufzeit das
Abfragesignal erzeugen können,
auch ein fremderzeugtes, beispielsweise vom weiteren Telekommunikationserzeugnis
stammendes Abfragesignal empfangbar und die Mittel zur Entfernungsmessung
weisen Mittel zum Erzeugen und Aussenden eines Antwortsignales auf
das fremderzeugte Abfragesignal auf.
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Bei
der Round-Trip-of-Flight-Entfernungsmessung ergibt sich das Problem,
dass die Totzeit im abgefragten Telekommunikationserzeugnis entweder
bekannt oder gleich Null sein muss. Die Totzeit ist die Verzögerungszeit,
die sich beispielsweise aus einer Laufzeit im Telekommunikationserzeugnis
und einer Verarbeitungszeit darin ergibt.
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Letztere
Alternative lässt
sich dadurch verwirklichen, dass das Abfragesignal praktisch als
Antwortsignal zurückgespiegelt
wird. Dazu weisen die Mittel zur Entfernungsmessung vorzugsweise
einen aktiven, also mit eigener Energiequelle versehenen Oszillator
auf, der durch das fremderzeugte Abfragesignal zur Erzeugung des
Antwortsignals quasiphasenkohärent
zum fremderzeugten Abfragesignal anregbar ist.
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Alternativ
kann das Abfragesignal auch durch eine passive Spiegelung in ein
Antwortsignal umgewandelt werden, etwa durch einen Reflektor, Spiegel,
Backscatter-Transponder und/oder ein Oberflächenwellenbauelement. Hierbei
ergibt sich aber der Nachteil, dass sich nur sehr geringe Entfernungen überbrücken lassen,
da die Strahlungsenergie mit der vierten Potenz des Radius abnimmt.
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Alternativ
kann die Totzeit im abgefragten Telekommunikationserzeugnis bekannt
sein. Dazu müssen
die Zeitzähler
in Form von Uhren im Telekommunikationserzeugnis und im weiteren
Telekommunikationserzeugnis, die je nach aktueller Rollenver teilung
jeweils die Rolle des abfragenden Telekommunikationserzeugnisses
oder des abgefragten Telekommunikationserzeugnisses einnehmen, synchronisiert
sein. Dafür
sind durch das Telekommunikationserzeugnis, wenn es sich in der
Rolle des abgefragten Telekommunikationserzeugnisses befindet, zwei
fremderzeugte Abfragesignale mit einem Zeitversatz empfangbar und
die Mittel zur Entfernungsmessung weisen Mittel zum Messen dieses Zeitversatzes
sowie Mittel zum Senden eines Antwortsignals nach einer Totzeit
auf, die das Telekommunikationserzeugnis unter Berücksichtigung
des gemessenen Zeitversatzes bemisst. Ist dabei der Zeitversatz
zwischen den beiden fremderzeugten Abfragesignalen definiert, so
kann das Telekommunikationserzeugnis aus dem von ihm mit seiner
eigenen Uhr gemessenen Zeitversatz berechnen, wie weit seine Uhr
von der des abfragenden Telekommunikationserzeugnisses abweist.
Das Telekommunikationserzeugnis kann also das Antwortsignal mit
einer Totzeit zurücksenden,
die es auf die Uhr des abfragenden Telekommunikationserzeugnisses
angepasst hat. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass hier nur die
relative Abweichung der Uhren der beiden Telekommunikationserzeugnisse
korrigiert wird, das heißt,
dass keine Synchronisation der absoluten Zeit erforderlich ist.
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Das
Antwortsignal wird vom abfragenden Telekommunikationserzeugnis wieder
empfangen und daraus die Signallaufzeit beispielsweise durch FMCW-
oder PN-Verfahren ausgewertet. Dazu wird das Antwortsignal in der
Regel heruntergemischt.
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Bei
mobilen Telekommunikationserzeugnissen ist es aus Kosten- und Gewichtsgründen sinnvoll, möglichst
wenig Hardware zu verwenden. Dazu können die Mittel zur Telekommunikation
zumindest teilweise auch zur Entfernungsmessung verwendet werden.
Bei der hier vorliegenden Kombination und Integration von Telekommunikation
und Entfernungsmessung kann dies auf verschiedene Weise geschehen.
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Es
kann damit anfangen, dass die Mittel zur Telekommunikation einen
Sende- und/oder Empfangspfad aufweisen und auch das Signal für die Entfernungsmessung über diesen
Sende- und/oder Empfangspfad gesendet und/oder empfangen werden
kann.
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Um
die Signallaufzeit messen zu können, wird
das Abfragesignal und damit auch das Antwortsignal nach einem zumindest
dem das Abfragesignal aussendenden Telekommunikationserzeugnis bekannten
zeitlichen Zusammenhang in seiner Frequenz verändert. Im einfachsten Fall
weist das Abfragesignal mindestens zwei Frequenzen und damit einen
Frequenzsprung (Frequency-Hop)
auf. Eine höhere
Messgenauigkeit und eine leichtere Verarbeitung lassen sich aber
durch Verändern
der Frequenz des Messsignals in Form einer linearen Rampe oder in
Form einer durch mehrere Frequenzsprünge nachgebildeten Rampe erreichen.
Daraus ergibt sich insbesondere die Möglichkeit einer analogen Weiterverarbeitung.
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Weisen
die Mittel zur Telekommunikation Mittel zum Einstellen und damit
Verändern
der Telekommunikationsfrequenz, beispielsweise in Form eines Frequenzsynthesizers,
auf, so kann darüber auch
gleich die Frequenz des Abfragesignals geändert werden. Hierdurch lässt sich
wiederum Hardware einsparen.
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Sind
die Mittel zum Einstellen einer Telekommunikationsfrequenz ohnehin
darauf ausgelegt, verschiedene Frequenzkanäle zu bedienen, so kann die dafür vorgesehene
Frequenzumschaltung auch gleich zum Erzeugen der Frequenzveränderung
für das
Abfragesignal benutzt werden.
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Alternativ
oder ergänzend
werden während einer
Entfernungsmessphase in den Kommunikationszweig des Telekommunikationserzeugnisses, also
in die Mittel zur Telekommunikation, statt Telekommunikationsdaten
analoge oder digitale Eingaben eingespeist, die das Telekommunikationserzeugnis
ein Signal erzeugen lassen, das seine Frequenz verändert.
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Eine
dritte Möglichkeit
besteht darin, an einem Takteingang der Mittel zum Einstellen einer
Telekommunikationsfrequenz abweichende Takte vorzugeben, die von
den Mitteln zum Einstellen einer Telekommunikationsfrequenz hochgesetzt
werden und so zu einem Abfragesignal mit unterschiedlichen Frequenzen
führen.
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Die
für das
Abfragesignal aufgezeigten Wege lassen sich analog natürlich auch
für das
Antwortsignal gehen. Alternativ oder Ergänzend kann das Antwortsignal
wie bereits beschrieben auch zurückgespiegelt
werden.
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Grundsätzlich ist
die Kombination und Integration von Telekommunikation und Entfernungsmessung
auf zwei Weisen möglich.
Entweder wird die Telekommunikation, für die die Telekommunikationsmittel
primär
vorgesehen sind, zum Durchführen der
Entfernungsmessung unterbrochen. Das Telekommunikationserzeugnis
muss dafür
eine entsprechend eingerichtete Ablaufsteuerung aufweisen, die, beispielsweise
bei Anfrage des weiteren Telekommunikationserzeugnisses, die Entfernungsmessung
einzuleiten, die Telekommunikation unterbricht und in einen Status übergeht,
in dem ein Abfragesignal empfangen werden kann oder ausgesandt wird.
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Alternativ
lässt sich
für eine
weitere Integration als Abfragesignal sogar ein Telekommunikationssignal
nutzen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Telekommunikationsstandard,
unter dem das Telekommunikationserzeugnis kommuniziert, bereits
Frequenzsprünge
(Frequency-Hops) aufweist, wie dies beispielsweise bei IEEE 802.11
der Fall ist.
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Dass
es sich bei dem Telekommunikationserzeugnis tatsächlich um ein Telekommunikationserzeugnis
und nicht um einen Transponder oder ein sonstiges Erzeugnis zur
Entfernungsmessung handelt, kann beispielsweise daran festgemacht
werden, dass das Telekommunikationserzeugnis zur Telekommunikation
eine Übertragungsrate
von mehr als 4 KBit/s aufweist.
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Das
Telekommunikationserzeugnis ist insbesondere ein mobiles Endgerät, eine
WLAN-Karte, ein Mobiltelefon und/oder ein PDA. Es arbeitet nach
einem Übertragungsstandard
zur Telekommunikation, wie beispielsweise GSM, UMTS und/oder einem WLAN-Standard IEEE 802.11x,
wobei x für
einen beliebigen Buchstaben oder eine Kombination von Buchstaben
steht.
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In
einem Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen zwei Telekommunikationserzeugnissen, die
jeweils Mittel zur Telekommunikation und Mittel zur Entfernungsmessung
aufweisen, wird zur Entfernungsmessung eine Signallaufzeit gemessen.
Bevorzugte Ausführungsformen
des Verfahrens ergeben sich analog zu den bevorzugten Ausführungsformen
der Vorrichtung und umgekehrt. Dabei können beispielsweise für einzelne
Mittel der Vorrichtung entsprechende Verfahrensschritte vorgesehen
sein und umgekehrt.
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Die
Entfernungsmessung lässt
sich insbesondere zur Analyse von Länge und/oder Qualität eines Übertragungskanals
verwenden.
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Insbesondere
kann die gemessene bzw. analysierte Länge des Übertragungskanals bei der Prüfung einer
Zugriffsberechtigung für
ein Telekommunikationsnetz berücksichtigt
werden. So lassen sich beispielsweise WLAN-Services exklusiv in
dafür reservierten
Bereichen wie etwa VIP-Lounges anbieten. Alternativ kann ein unautorisiertes
Eindringen in ein WLAN-Netz unterbunden werden, wenn der Eindringling
sich physisch außerhalb
eines vorgegebenen Bereiches befindet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 ein
Telekommunikationserzeugnis in Form einer WLAN-Karte mit Ortung
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2 eine
Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit des Telekommunikationserzeugnisses
nach 1 im Detail;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Entfernungsmessung;
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4 ein
Transpondermodul;
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5 ein
Positionsmodul;
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6 ein
integriertes Telekommunikationserzeugnis.
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Im
Weiteren werden Verfahren, Erzeugnisse, Anordnungen und Algorithmen
für Round-Trip-Time-of-Flight-Entfernungsmessungen
bei digitalen Telekommunikationserzeugnisse beschrieben, die beispielsweise
als Kommunikationsmodule nach dem WLAN-Standard IEEE 802.11 operieren.
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Typischerweise
enthalten moderne Telekommunikationserzeugnisse Mittel zur Telekommunikation
in Form der drei in 1 oben eingezeichneten Funktionsblöcke Sende-
und Empfangspfad (TX/RX antenna/switch/signal path), Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
(HF Processing) und Basisband-Verarbeitungseinheit
(Baseband Processing). Dabei wird das digitale Kommunikationssignal
mittels einer oder mehrerer Antennen empfangen und in die Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
eingespeist. Dazu sind oft der Sende- und der Empfangspfad voneinander getrennt
und über
einen Schalter umschaltbar. Aktuelle WLAN-Module sind beispielsweise
in Heide, P. et al.: "Highly
Integrated LTCC Front and Modules for Bluetooth and Wireless LAN
Applications", ECWT Proceedings,
München,
2003, wiedergegeben.
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2 zeigt
die typische Funktionalität
der Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
in Form eines analogen Radiofrequenz-ICs. Dieser enthält eine Sende-Frequenzhochsetzungseinheit (TX:
Up-Convert), die üblicherweise
Telekommunikationssignale auf 5 GHz heraufsetzt. Darüber hinaus
kann sie, wie weiter unten gezeigt wird, auch für das Erzeugen eines (Abfrage-)Signals zur Entfernungsmessung
genutzt werden. Weiterhin enthält
die Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit eine Empfangs-Frequenzheruntersetzungseinheit
(RX: Down-Convert) und eine Empfangs-Weiterverarbeitungseinheit
(RX: IF-Processing).
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Schließlich weist
die Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit noch Mittel zum Einstellen
einer Telekommunikationsfrequenz in Form eines Frequenz-Synthesizers
(Frequency Synthesizer) auf, der über einen Takteingang (Digital
Control Clock In) und Verbindungen zur Sende-Frequenzheraufsetzungseinheit
und zur Empfangs-Frequenzherabsetzungseinheit verfügt.
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Nach
Empfang über
den Sende- und Empfangspfad werden Signale in der Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
heruntergemischt, verstärkt
und an die Basisband-Verarbeitungseinheit weitergeführt. Analog
werden Ausgangssignale der Basisband-Verarbeitungseinheit entsprechend verstärkt, auf
die Sendefrequenz hochgesetzt, gefiltert und auf eine Antenne des
Sende- und Empfangspfades gegeben.
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In
der Basisband-Verarbeitungseinheit werden Signale digitalisiert
und Daten entsprechend decodiert bzw. für die Übertragung codiert und in Analogsignale
für die
Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
umgewandelt.
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Dieses
System wird nun mit einer Entfernungsmessfunktionalität kombiniert.
Dazu werden die Mittel zur Telekommunikation zumindest teilweise auch
zur Entfernungsmessung verwendet. Darüber hinaus gibt es Mittel zur
Entfernungsmessung, die Funktionsblöcke aufweisen, die extra für die Entfernungsmessung
hinzugefügt
sind und zusätzliche Funktionalitäten beinhalten,
die von den Mitteln zur Telekommunikation nicht ausgeführt werden
können. In
der Praxis können
diese Funktionsblöcke
für die Entfernungsmessung
natürlich
je nach Wahl des Layouts auf den gleichen ICs integriert sein, wie
die Mittel zur Telekommunikation. Die Mittel zur Entfernungsmessung
beinhalten:
- – Ein Positionsmessmodul (Distance
Processing), welches eine Positionsmessung über Entfernungsmessungen durchgeführt sowie
die empfangenen Daten digitalisiert und auswertet;
- – ein
Transpondermodul (Backscatter-Oscillator), welches empfangene Abfragesignale
als Antwortsignale zurücksendet;
- – gegebenenfalls
eine Synchronisation (Timing/Control) als Ablaufsteuerung.
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Die
Anordnung des Telekommunikationserzeugnisses arbeitet dabei wie
folgt. Ein angeschlossenes Gerät
(Device), beispielsweise in Form eines Rechners, löst eine
Entfernungsmessung aus. Dafür wird
kurzzeitig die Telekommunikation unterbrochen und das Positionsmessmodul
sendet über
die Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
sein Abfragesignal zur Entfernungsmessung. Dabei kann es sich sowohl um
Frequenzrampen als auch um diskrete Frequenzabfolgen handeln. Kurz
vor der Entfernungsmessung ist zumindest einem weiteren beteiligten
Telekommunikationserzeugnis übermittelt
worden, sein Transpondermodul anzuschalten, falls dies nicht ohnehin im
Dauerbetrieb ist. Das Transpondermodul des weiteren Telekommunikationserzeugnisses
moduliert das einfallende Signal mit seiner Identifikationskennung.
Dies geschieht beispielsweise über
Frequenzcodierung oder auch mittels orthognonaler Codierungsfolgen
(Spread Spectrum, CDMA-Verfahren). Das zurückgestrahlte Antwortsignal
wird im Telekommunikationserzeugnis empfangen, in der Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
heruntergemischt und im Positionsmodul digitalisiert und gegebenenfalls
ausgewertet. Besonders ist dabei, dass auch die Mittel zur Telekommunikation
bzw. der an das Telekommunikationserzeugnis angeschlossene Rechner
mit seinem Hauptprozessor und der darin gegebenen Verarbeitungsintelligenz
für Teile
der Auswertung herangezogen werden kann. Entsprechendes gilt für die programmier baren
Prozessoren von Mobiltelefonen und PDAs, wenn diese als Rechner
oder anstatt des Rechners angeschlossen sind.
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3 fasst
den Ablaufplan einer Entfernungsmessung zusammen. In einem Schritt
S1 wird eine Anfrage für
eine Entfernungsmessung gestartet. In einem Schritt S2 wird die
Kommunikation auf den angefragten Telekommunikationserzeugnissen
in Form von WLAN-Karten angehalten und das die Entfernungsmessung
auslösende
Telekommunikationserzeugnis in Form einer WLAN-Karte verwendet als Entfernungsmesssignal
ein Abfragesignal. Danach modulieren die Transpondermodule der angefragten WLAN-Karten
das als Antwortsignal reflektierte Abfragesignal mit ihrer jeweiligen
ID. Dies ist in Schritt S3 dargestellt. Im Schritt S4 nimmt die
auslösende Karte
ein Heruntersetzen des empfangenen Antwortsignals, eine Digitalisierung
und gegebenenfalls eine Auswertung vor. Danach übergibt sie die gegebenenfalls
ausgewerteten Daten an einen Anfrager. In einem Schritt S5 wird
schließlich
die Kommunikation wieder aufgenommen.
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Im
Transpondermodul wird vorzugsweise ein modulierter Backscatter,
wie er in WO 01/23906 A1 beschrieben ist, bzw. ein schaltender Oszillator
nach WO 02/03096 A1 verwendet. Das Transpondermodul ist direkt an
die Antenne angeschlossen, typischerweise an die Sendeantenne. Besonders
vorteilhaft ist dabei, den Transponder nur zu aktivieren, wenn vorher
per Kommunikation eine Entfernungsmessung angekündigt wurde. Dadurch lässt sich
im mobilen, in der Regel über
Akkus mit Energie versorgten Telekommunikationserzeugnis Energie
sparen.
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4 zeigt
das Transpondermodul (Backscatter/Oscillator) und den Sende- und
Empfangspfad (TX/RX antenna/switch/signal path) und deren Funktionalitäten im Detail.
Der Sende- und Empfangspfad enthält
beispielsweise ein LTCC FEM R005, das gleichzeitig einen Umschalter
zwischen Senden und Empfangen realisiert. Das Transpondermodul weist einen
Oszillator (Os cillator) auf, der über einen Schalter (Switch)
immer wieder so geschaltet wird, dass er durch ein über den
Sende- und Empfangspfad auf ihn eingekoppeltes Abfragesignal quasiphasenkohärent angeregt
wird und dadurch ein Antwortsignal erzeugt, das quasiphasenkohärent zum
Abfragesignal ist. Weitere Verfahren und Vorrichtungen, die sich
auf solche Art und Weise vorteilhaft mit WLAN-Kommunikationsmodulen
kombinieren lassen, sind in
DE 199 46 168 A1 und WO 03/047137 A2 beschrieben.
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Das
Positionsmodul der Mittel zur Entfernungsmessung greift direkt auf
die Infrastruktur der Mittel zur Telekommunikation zu, insbesondere
den Frequenzsynthesizer der Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit. Eine typische
Anordnung wird in 5 gezeigt. Darin sind die Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit
(HF Processing) und ein Analog/Digital-Wandler (A/D Converter) des
Positionsmoduls (Distant Processing) über den Empfangszweig (RX) der
Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit miteinander verbunden. Weiterhin
sind die Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit und das Positionsmodul
auch über den
Sendezweig (TX) der Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit miteinander
verbunden. Das Positionsmodul weist hierzu optional einen Codehinzufüger (Addit.
code) auf. Weiterhin verfügt
das Positionsmodul über
Mittel zum Erzeugen einer Frequenzrampe (Ramp Generator), die aber
auch als Teil einer digitalen Einheit (Digital Unit) in Form einer
Hauptrecheneinheit integriert sein können. Die digitale Einheit
ist mit dem Analog/Digital-Wandler und dem optionalen Codehinzufüger verbunden.
Sie erledigt die Koordination und Synchronisation innerhalb des
Chips, die Kontrolle innerhalb des Chips und den Transfer von Entfernungsdaten.
Die Digitaleinheit verfügt über einen
Anschluss zum PC. In ihr können
auch das vom Analog/Digital-Wandler digitalisierte Antwortsignal bzw.
zugehörige
Entfernungsdaten prozessiert werden. Je nach Implementierung kann
diese Aufgabe aber auch teilweise oder sogar vollständig vom
PC übernommen
werden.
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Die
digitale Einheit bzw. ihr oder der an sie angeschlossene Frequenzrampengenerator
sind mit dem Frequenzsynthesizer (Frequency Synthesizer) der Hochfrequenz-Verarbeitungseinheit über den Takteingang
(Clock in) des Frequenzsynthesizers verbunden. Dabei kann optional
eine IF-Uhr (IF-Clock Source) vorgesehen sein.
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Nach
Auslösen
der Entfernungsmessung generiert das Positionsmodul den ersten Teil
des Entfernungsmesssignals, der durch das Abfragesignal gegeben
ist. Je nach verwendeter Form stehen dafür verschiedene Möglichkeiten
zur Verfügung.
Eine mögliche
Realisierung besteht in der Erzeugung linearer Frequenzrampen. Dafür wird entweder
der Frequenzsynthesizer durchgestimmt oder die externe Frequenzquelle
in Form der IF-Uhr
entsprechend verstimmt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung
sehr kurzer Rampen, da dadurch die Unterbrechung der Kommunikation
kürzer
ist. Eine andere Ausführungsform
verwendet diskrete Frequenzschritte an Stelle von Frequenzsweeps.
Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Anpassung an die Charakteristik
typischer, diskret aufgeteilter Kommunikationsfrequenzkanäle und der
entsprechenden Bauteile erzielt. Beide Signalformen eignen sich
für die
Entfernungsmessung. Entsprechende Verfahren sind in
DE 199 46 168 A1 , WO 03/047137
A2, WO 01/23906 A1 und WO 03/40753 A1 wiedergegeben.
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Das
gesendete und von den Transpondermodulen auf den anderen Karten
zurückreflektierte Signal
wird dann über
den Empfangspfad des Kommunikationskanals empfangen und herunterkonvertiert.
Anschließend
wird es im Positionsmodul digitalisiert und entweder im Positionsmodul
und/oder im anfragenden System in Form des PCs ausgewertet. Das
Positionsmodul kann dabei auch die Synchronisation der einzelnen
Abläufe übernehmen.
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Besondere
Bedeutung hat bei der Kombination aus Ortung und Kommunikation die
Synchronisierung der beiden Vorgänge.
Dabei besteht eine Ausführungsmöglichkeit
darin, dass Entfernungs messung und Kommunikation nacheinander im
Time Division Multiple Access (TDMA)-Modus erfolgen. Typischerweise
wird dafür
zuerst im normalen Datenstrom eine Anfrage zur Entfernungsmessung
mitgeschickt, beispielsweise über
eine spezielle Bitfolge oder ein besonderes Datenpaket. Danach erfolgt
für kurze
Zeit die Entfernungsmessung, anschließend wird die Kommunikation
wieder aufgenommen. Da der Adressraum für die Transpondermodule begrenzt ist,
kann zudem besonders vorteilhaft beispielsweise über Nachbarschriftslisten jedem
an der Entfernungsmessung beteiligten System dynamisch eine Adresse
zugewiesen werden. Diese Zuweisung kann bereits zusammen mit dem
Datenstrom zum Auslösen
der Entfernungsmessung versendet werden. Alternativ können auch
alle Beteiligten sequentiell vermessen werden, wodurch das Problem
des begrenzten Adressierraumes der Transpondermodule gelöst wird.
Nachteilig ist dabei der erhöhte
Zeitaufwand.
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Alternativ
zum TDMA-Verfahren können auch
Frequency Division Multiple Access (FMDA)-Verfahren verwendet werden.
Hier erfolgt die Codierung über
bestimmte, teilweise dynamische Frequenzzuweisungen. Dabei ist insbesondere
eine Kombination mit OFDM-Methoden vorteilhaft, da hier bei geeigneter
Implementierung das Unterbrechen der Kommunikation entfällt. Allerdings
muss hierfür nach
Auslösen
der Entfernungsmessung der Transponder entsprechend dem vereinbarten
Codierungsverhalten ebenfalls die Bänder durchschalten. Nachteilig
ist der erhöhte
technische Aufwand.
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Typischerweise
werden bei der Realisierung eines Telekommunikationserzeugnisses
mit Mitteln zur Entfernungsmessung in Form eines ortbaren Kommunikationsmoduls
bereits vorhandene Chipplätze
um LPR-Funktionalität
ergänzt. 1 kann
als Beispiel genommen werden, wo bei einer WLAN-Karte Ergänzungen
vorgenommen werden können.
Dabei können
gemeinsame Blöcke
(Transceiver) und getrennte Blöcke
(Basisband-Verarbeitungseinheit, Positionsmodul, Transpondermodul) gebildet
werden. Natürlich
lassen sich diese Funktionalitäten
auch in einem gemeinsamen Chip oder Chipsatz integrieren, was technisch
besonders vorteilhaft ist. Es können
dann auch innerhalb des Chips gemeinsame Funktionsblöcke, wie
beispielsweise der FFT-Prozessor,
genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Integration der Positionsbestimmung mit
der Basisband-Verarbeitungseinheit
und die Integration des Transponders mit der Analog-Elektronik in
einem Modul ähnlich
dem in Heide, P. et al.: "Highly Integrated
LTCC Front and Modules for Bluetooth and Wireless LAN Applications", ECWT Proceedings,
München,
2003, vorgestellten LTCC. Für
die Ausführungsform
als passiver Backscatter ergibt sich eine weitere Vereinfachung,
indem der Schalter zum Umschalten des Sende- und Empfangspfades
direkt als Transpondermodul verwendet wird. Dabei kann die Frequenzcodierung über die
Umschaltfrequenz erfolgen.
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Von
besonderem Vorteil ist die Abstandsbestimmung nicht nur zur reinen
Positionsbestimmung, sondern auch zur Kanallängenmessung bzw. zur exakten
Charakterisierung des Übertragungskanals,
da beispielsweise verschiedene Multipath-Wege bezüglich deren
Länge und Übertragungsqualität durch
die vorgeschlagenen Verfahren zur Entfernungsmessung aufgelöst werden
können.
Eine derartige nahezu optimale Online-Analyse des Übertragungskanals kann
dann hervorragend zur Organisation der Roaming- und Routing-Prozesse
genutzt werden.
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Derartige
Informationen können
insbesondere dann vorteilhaft genutzt werden, wenn das erfindungsgemäße WLAN-Modul
ein Knoten eines selbst organisierenden Netzwerkes ist. Dann ermöglichen mehrere
solche Telekommunikationserzeugnisse es zum einen, die relative
Entfernung zwischen den kommunizierenden Knoten des Netzwerkes in
Form der Telekommunikationserzeugnisse zu bestimmen. Zum anderen
können
alle ausgeführten
Entfernungsmessverfahren prinzipbedingt immer auch detaillierte Informationen über den Übertragungskanal
liefern, da über
diesen auch die Entfernungsmessung läuft. Derartige Informationen
können
beispielsweise die Dämpfung,
die spektrale Ver zerrung, der Delay-Spread des Kanals oder ähnliches
sein. Alle Informationen zusammen, die prinzipbedingt im Knoten
aber auch global gewonnen bzw. vorliegen können, bieten nahezu ideale
Möglichkeiten,
den optimalen und effektivsten Datentransfer von Knoten zu Knoten
zu planen. So können
mit derartigen Informationen leicht der kürzeste Übertragungsweg oder die optimale
Datenrate, die optimalen Kanäle
bzw. Modulationen, der Übertragungsweg
mit der maximalen Kanalkapazität
oder derjenige mit der geringsten Störwahrscheinlichkeit bestimmt
werden.
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Typischerweise
besteht ein solcher Netzknoten in Form eines Telekommunikationserzeugnisses aus
einer Hauptrecheneinheit, einer integrierten Entfernungsmess-(Ortungs-)
und Kommunikationseinheit mit den Mitteln zur Entfernungsmessung
und den Mitteln zur Telekommunikation sowie gegebenenfalls weiterer
Peripherie. Peripherie können
dabei Eingabe- und Ausgabegeräte,
aber auch Sensoren, beispielsweise für Feuchte, Temperatur, Rauch,
Gas etc., oder auch Kameras, Mikrofone usw. sein.
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6 zeigt
ein solches Telekommunikationserzeugnis mit Entfernungsmess- und
Kommunikationseinheit (WLAN + Dist.), Peripherie (Per.), Hauptrecheneinheit
(HRE), Energiequelle in Form von Akku/Spannungsversorgung (Batt.),
Antennenanschlüssen
(ant.) und Anschlüssen
für eine
Spannungsversorgung (V) oder Ethernet (Net).