-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sender-Empfänger-Schaltung
und ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einem ersten Knoten
und einem zweiten Knoten eines Funknetzes.
-
Aus
der
WO 02/01247 A2 ist
ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen zwei Objekten mit Hilfe elektromagnetischer
Wellen bekannt. Es werden ein Abfragesignal einer Basisstation und
ein Antwortsignal eines tragbaren Codegebers zweimal bei unterschiedlichen
Trägerfrequenzen ausgesendet. Die Trägerfrequenzen
sind dabei korreliert, d. h., dass sie voneinander abhängig
sind. Die Trägerfrequenzen werden aneinander angeglichen,
so dass eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen gemessen werden
kann. Aus dieser Phasenverschiebung wird der Abstand des Codegebers
zur Basisstation berechnet. Das Abfragesignal und das Antwortsignal
können bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen
oder bei gleichen Trägerfrequenzen ausgesendet werden.
Die Trägerfrequenzen werden für einen erneuten
Frage-Antwort-Dialog verändert.
-
Aus
der
US 6,731,908 B2 ist
ein Verfahren zur Bestimmung der Distanz zwischen zwei Objekten
für die Bluetooth-Technologie bekannt. Dabei wird die Frequenz
durch Frequenzsprünge geändert um einen Phasenoffset
für mehrere unterschiedliche Frequenzen zu messen. Ein
Objekt weist einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator in einer
Phasenregelschleife (PLL – engl. Phase Locked Loop) auf,
wobei die Phasenregelschleife während des Empfangs geschlossen
und während des Sendens geöffnet wird, so dass
Empfangssignal und Sendesignal eine gleiche Frequenz aufweisen.
Die Phase des lokalen Oszillatorsignals des spannungsgesteuerten
Quarzoszillators ist durch die Synchronisation mittels der PLL dabei
kohärent zum empfangenen Signal.
-
Aus
der
US 5,220,332 ist
ein Entfernungsmessungssystem mit einer Abfrageeinrichtung und einem Transponder
bekannt, das nicht-simultane Messungen zwischen zwei Objekten ermöglicht.
Ein Trägersignal wird mit einem (niederfrequenten) Modulationssignal
mit einer veränderbaren Modulationsfrequenz moduliert um
mittels einer Phasenmessung oder alternativ einer Laufzeitmessung
eine Entfernung zwischen der Abfrageeinrichtung und dem Transponder
aus der Änderung des Modulationssignals zu bestimmen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Entfernungsmessung
zwischen zwei Knoten eines Funknetzes möglichst zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand
von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung
enthalten.
-
Demzufolge
ist ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einem ersten Knoten
und einem zweiten Knoten eines Funknetzes vorgesehen.
-
In
dem Verfahren werden ein Modus des ersten Knotens und ein Modus
des zweiten Knotens insbesondere mittels Vereinbarung zwischen den
Knoten von einem Normalmodus zur Kommunikation im Funknetz in einen
Modus zur Entfernungsmessung gewechselt.
-
Im
Modus zur Entfernungsmessung wird für eine Laufzeitmessung
ein Funksignal vom ersten Knoten (aktiv) gesendet und vom zweiten
Knoten empfangen und vorteilhafterweise ausgewertet. Weiterhin wird
für die Laufzeitmessung ein Funksignal vom zweiten Knoten
(aktiv) gesendet und vom ersten Knoten empfangen. Zur Entfernungsmessung
wird ein erster Entfernungswert durch eine Messung der Laufzeit
der übertragenen Funksignale ermittelt. Der erste Entfernungswert
ist dabei vorzugsweise proportional zu einer gemessenen Laufzeit
der Funksignale.
-
Zugleich
oder zuvor oder danach wird im Modus zur Entfernungsmessung für
eine Phasenmessung ein erstes unmoduliertes Trägersignal
als Funksignal vom ersten Knoten (aktiv) gesendet und vom zweiten Knoten
empfangen und vorteilhafterweise ausgewertet. Weiterhin wird für
die Phasenmessung ein zweites unmoduliertes Trägersignal
als Funksignal vom zweiten Knoten (aktiv) gesendet und vom ersten
Knoten empfangen. Ein unmoduliertes Trägersignal ist beispielsweise
eine hochfrequente Sinusschwingung.
-
Vom
ersten Knoten werden ein erster Wert und ein zweiter Wert einer
ersten Phase gemessen. Die Messungen erfolgen dabei vorzugsweise
auf Zwischenfrequenzebene. Der erste Wert der ersten Phase ist einer
ersten Frequenz des empfangenen zweiten Trägersignals und
der zweite Wert der ersten Phase ist einer zweiten Frequenz des
empfangenen zweiten Trägersignals zugeordnet. Die erste
Frequenz und die zweite Frequenz weisen einen Frequenzunterschied
auf. Der Frequenzunterschied ist dabei ausreichend groß um eine
auf diesem Frequenzunterschied basierende Messung von Phasenunterschieden
durchzuführen. Vorzugsweise ist der Frequenzunterschied
durch einen Frequenzabstand von Kanälen des Funknetzes
definiert.
-
Vom
zweiten Knoten werden ein dritter Wert und ein vierter Wert einer
zweiten Phase gemessen. Die Messungen erfolgen dabei vorzugsweise
auf Zwischenfrequenzebene. Der dritte Wert der zweiten Phase ist einer
dritten Frequenz des empfangenen ersten Trägersignals und
der vierte Wert der zweiten Phase ist einer vierten Frequenz des
empfangenen ersten Trägersignals zugeordnet. Die dritte
Frequenz und die vierte Frequenz weisen ebenfalls den Frequenzunterschied
auf. Zwar ist es möglich, dass die erste Frequenz und die dritte
Frequenz unterschiedlich sind, ebenfalls ist es möglich,
dass die zweite und die vierte Frequenz unterschiedlich sind, bevorzugt
sind jedoch die erste und dritte Frequenz gleich und bevorzugt sind
ebenfalls die zweite und vierte Frequenz gleich. Bei unterschiedlichen
Frequenzen unterscheiden sich die erste Frequenz und die dritte
Frequenz beispielsweise durch einen oder mehrere Frequenzabstände
von Kanälen (Kanalabstände) des Funknetzes.
-
Ein
zweiter Entfernungswert wird aus dem ersten Wert und dem zweiten
Wert der ersten Phase und aus dem dritten Wert und dem vierten Wert
der zweiten Phase und vorteilhafterweise aus dem Frequenzunterschied
bestimmt. Der zweite Entfernungswert ist daher vorzugsweise proportional
zu einer oder mehreren gemessenen Phasendifferenzen der Funksignale.
-
Die
Entfernung zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten wird
aus dem ersten Entfernungswert der Laufzeitmessung und dem zweiten
Entfernungswert der Phasenmessung als Eingangswerte der Berechnung
berechnet. Dabei wird vorzugsweise ausgenutzt, dass der Entfernungswert
der Phasenmessung zu einem Verhältnis von Phasenunterschied
zu Frequenzunterschied proportional ist. Zur Berechnung werden der
erste Entfernungswert der Laufzeitmessung und der zweite Entfernungswert
der Phasenmessung vorzugsweise im Normalmodus kombiniert ausgewertet.
-
Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde eine möglichst
verbesserte Sender-Empfänger-Schaltung eines Knotens eines
Funknetzes anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Sender-Empfänger-Schaltung mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen
Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
-
Demzufolge
ist eine Sender-Empfänger-Schaltung eines Knotens eines
Funknetzes vorgesehen. Die Sender-Empfänger-Schaltung weist
eine Recheneinheit auf. Die Recheneinheit ist eingerichtet von einem
Normalmodus zur Kommunikation im Funknetz in einen Modus zur Entfernungsmessung
unter Vereinbarung mit einem anderen Knoten des Funknetzes zu wechseln.
-
Die
Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet im Modus zur Entfernungsmessung
einen ersten Entfernungswert durch eine Laufzeitmessung mittels
eines gesendeten Funksignals und eines weiteren empfangenen Funksignals,
das von dem anderen Knoten gesendet wurde, zu ermitteln. Das gesendete
Funksignal und das vom anderen Knoten empfangene weitere Funksignal
sind dabei unterschiedlich. Das Funksignal wird hierzu vorzugsweise
von einer Senderschaltung der Sender-Empfänger-Schaltung über
eine Antenne zum Empfang durch einen anderen Knoten gesendet. Bevorzugt
empfängt eine Empfängerschaltung der Sender-Empfänger-Schaltung
das vom anderen Knoten gesendete weitere Funksignal.
-
Die
Recheneinheit ist eingerichtet im Modus zur Entfernungsmessung einen
zweiten Entfernungswert aus einem ersten Wert und einem zweiten
Wert einer ersten gemessenen Phase und aus einem dritten Wert und
einem vierten Wert einer zweiten Phase zu bestimmen, Der erste Wert
ist einer ersten Frequenz und der zweite Wert ist einer zweiten
Frequenz eines zweiten unmodulierten Trägersignals zugeordnet.
Die erste Frequenz und die zweite Frequenz weisen einen Frequenzunterschied
auf.
-
Der
dritte Wert ist einer dritten Frequenz und der vierte Wert ist einer
vierten Frequenz eines ersten unmodulierten Trägersignals
zugeordnet. Die dritte Frequenz und die vierte Frequenz weisen ebenfalls
den Frequenzunterschied auf. Der Frequenzunterschied ist dabei ausreichend
groß um eine auf diesem Frequenzunterschied basierende
Messung von Phasenunterschieden durchzuführen. Vorzugsweise
ist der Frequenzunterschied durch einen Frequenzabstand von Kanälen
des Funknetzes definiert.
-
Die
Werte der Phasen werden dabei bevorzugt in Knoten des Funknetzes
gemessen. Die Sender-Empfänger-Schaltung ist vorzugsweise
ausgebildet zumindest zwei Phasenwerte zu messen.
-
Die
Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet im Modus zur Entfernungsmessung
einen zweiten Entfernungswert durch eine Phasenmessung mittels eines
gesendeten Funksignals und eines weiteren empfangenen Funksignals
zu ermitteln. Das gesendete Funksignal und das empfangene weitere
Funksignal sind dabei unterschiedlich. Bevorzugt steuert hierzu
die Recheneinheit die Senderschaltung zum Senden des Funksignals
mit zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen.
-
Die
Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet eine Entfernung zu einem
anderen Knoten des Funknetzes aus dem ersten Entfernungswert der
Laufzeitmessung und dem zweiten Entfernungswert der Phasenmessung
zu berechnen. Hierzu ist die Recheneinheit zur kombinierten Auswertung
des ersten Entfernungswert und des zweiten Entfernungswert eingerichtet.
-
Aufgrund
der Mehrdeutigkeit der Phasenmessung ist ebenfalls eine Mehrdeutigkeit
des zweiten Entfernungswerts vorhanden. Decken beispielsweise 360° einen
Entfernungsbereich von 100 Metern ab, so kann mittels der Phasenmessung
der zweite Entfernungswert zu beispielsweise 12 Meter, 112 Meter,
212 Meter usw. (mehrdeutig) ermittelt werden.
-
Es
können nacheinander mehrere Phasenmessungen, beispielsweise
zur Mittelung des zweiten Entfernungswerts durchgeführt
werden. Ebenfalls können mehrere erste Entfernungswerte
mehrerer Laufzeitmessungen berücksichtigt werden.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System mit einem ersten Knoten
und einem zweiten Knoten eines Funknetzes, das eingerichtet ist
ein zuvor erläutertes Verfahren durchzuführen.
-
Die
im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl
auf die Sender-Empfänger-Schaltung als auch auf das Verfahren.
Funktionen der Sender-Empfänger-Schaltung ergeben sich
dabei aus Verfahrensmerkmalen.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildungsvariante wird eine Mehrdeutigkeit des
zweiten Entfernungswerts der Phasenmessung durch Auswertung des
ersten Entfernungswerts der Laufzeitmessung aufgelöst. Hierzu
wird vorzugsweise durch Berechnung eines minimalen Abstands zwischen
erstem Entfernungswert und zweiten Entfernungswert die Entfernung
bestimmt.
-
In
einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Normalmodus
Ergebnisse der Phasenmessung und/oder der Laufzeitmessung von dem
zweiten Knoten an den ersten Knoten übertragen werden.
-
Vorteilhafterweise
weist der Modus zur Entfernungsmessung einen ersten Teil zur Laufzeitmessung und
einen zweiten Teil zur Phasenmessung auf. Vorzugsweise werden der
erste Knoten und der zweite Knoten bzgl. des Übergangs
zwischen dem ersten Teil zur Laufzeitmessung und dem zweiten Teil
zu Phasenmessung aufeinander abgestimmt. Bevorzugt werden im Modus
zur Entfernungsmessung vom ersten Knoten und/oder zweiten Knoten
entfernungsmessungsspezifische Funktionen ausgeführt, die
im Normalmodus deaktiviert sind.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung wird vom ersten Knoten ein Befehl zur
Entfernungsmessung, insbesondere ein Befehl zum Starten des Modus
zur Entfernungsmessung, mit der Adresse des zweiten Knotens an den
zweiten Knoten übertragen. Der Befehl zur Entfernungsmessung
wird bevorzugt im Normalmodus in den Nutzdaten eines Rahmen vom
ersten Knoten an den zweiten Knoten übertragen.
-
Bevorzugt
ist die Sender-Empfänger-Schaltung zum Senden eines Befehls
zur Entfernungsmessung mit einer Ziel-Adresse für den zweiten
Knoten eingerichtet. Hierzu sind die zu dem Befehl korrespondierenden Hardwarefunktionen
und Softwarefunktionen in der Schaltung implementiert. Die Schaltung
weist vorzugsweise die Funktion einer Adresskodierung auf, so dass
nicht-adressierte Knoten Befehle zur Entfernungsmessung verwerfen.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass vom zweiten
Knoten ein Rahmen zur Synchronisation eines Startzeitpunkts der
Entfernungsmessung an den ersten Knoten übertragen wird.
Durch die Synchronisation werden ein erster Verfahrensablauf im
ersten Knoten und ein zweiter Verfahrensablauf im zweiten Knoten
aufeinander zeitlich abgestimmt. Die zeitliche Abstimmung kann dabei
separat für die Laufzeitmessung und die Phasenmessung erfolgen.
-
Gemäß einer
anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass vom ersten Knoten ein
Befehl zur Entfernungsmessung gesendet und vom zweiten Knoten empfangen
wird. Der Modus zur Entfernungsmessung des zweiten Knotens wird
durch den Empfang des Befehls zur Entfernungsmessung gestartet.
Besonders bevorzugt wird das Senden und Empfangen des Befehls als
Funksignal zur Entfernungsmessung zugleich zur Laufzeitmessung verwendet.
Hierzu wird vorzugsweise die Zeit zur Übertragung des Befehls
vom ersten Knoten zum zweiten Knoten gemessen.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass vom zweiten Knoten
Messergebnisse der Entfernungsmessung an den ersten Knoten übertragen
werden. Die Übertragung der Messergebnisse erfolgt nach
dem Ablauf der Entfernungsmessung vorzugsweise mittels Nutzdaten
eines standardkonformen Rahmens. Die Berechnung der Entfernung erfolgt
dann im ersten Knoten.
-
Mit
dem Befehl zur Entfernungsmessung können vorteilhafterweise
Parameter für die Phasenmessung und/oder die Laufzeitmessung
mit übertragen werden. Beispielsweise wird mit dem Befehl
zur Entfernungsmessung eine Sequenz von Frequenzen für
die Phasenmessung und/oder eine Zeitdauer für einen oder mehrere
Ablaufschritte der Entfernungsmessung an den zweiten Knoten übertragen.
Die Übertragung erfolgt vorteilhafterweise mit Nutzdaten
eines standardkonform übertragenen Rahmens.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine zeitliche
Synchronisation der Messungen der Werte durchgeführt wird.
Die zeitliche Synchronisation wird dabei derart durchgeführt,
dass Messzeitpunkte der Messungen der Werte, also des ersten, zweiten,
dritten und vierten Wertes eine vorbestimmte zeitliche Beziehung
zueinander aufweisen.
-
Besonders
bevorzugt sind ein erster zeitlicher Abstand und ein zweiter zeitlicher
Abstand gleich. Bevorzugt ist der erste zeitliche Abstand zwischen
einem ersten Messzeitpunkt des ersten Wertes der ersten Phase und
einem zweiten Messzeitpunkt des zweiten Wertes der ersten Phase
definiert. Der zweite zeitliche Abstand ist bevorzugt zwischen einem
dritten Messzeitpunkt des dritten Wertes der zweiten Phase und einem vierten
Messzeitpunkt des vierten Wertes der zweiten Phase definiert. Diese
zeitliche Beziehung bewirkt, dass auch ein dritter Zeitabstand zwischen
dem ersten Messzeitpunkt und dem dritten Messzeitpunkt gleich ist
einem vierten Zeitabstand zwischen dem zweiten Messzeitpunkt und
dem vierten Messzeitpunkt.
-
Bevorzugt
sind die Zeitabstände vorbestimmt. Die Zeitabstände
werden also nicht aus der laufenden Messung erst ermittelt. Vorzugsweise
sind die Zeitabstände fest vorgeben, beispielsweise als
Parametersatz implementiert. Alternativ können die Zeitabstände
auch für eine Entfernungsmessung zwischen den Knoten vereinbart
werden. Hierzu sind die Knoten entsprechend eingerichtet. Vorteilhafterweise
ist eine jeweilige Schaltung der Knoten zur Messung der Werte der
Phasen in den Zeitabständen durch Speicherung des zu dem
Messzeitpunkt aktuellen Wertes der Phase eingerichtet, wobei die
Werte der Phase fortlaufend ermittelt werden. Alternativ sind die
Knoten eingerichtet die Werte der Phase nur zu dem Messzeitpunkt
zu messen. Der gemessene Wert der Phase wird gespeichert.
-
In
einer bevorzugten Weiterbildung wird zur Bestimmung der Entfernung
eine Phasendifferenz aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert der
ersten Phase und aus dem dritten Wert und dem vierten Wert der zweiten
Phase berechnet. Bevorzugt erfolgt die Berechnung anhand der Formel: Δφ = (φA2 – φB2) – (φA1 – φB1)
-
Dabei
umfasst die Formal auch alle algebraischen Umformungen ihrer Terme.
In der Formel ist φA1 der erste Wert und φA2 ist
der zweite Wert der ersten Phase. φB1 ist der dritte Wert
und φB2 ist der vierte Wert der zweiten Phase.
-
Die
zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln
als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können
sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert
werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung
der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert.
Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen
der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele
anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
-
Dabei
zeigen
-
1 eine
schematische Ansicht eines Systems zur Phasenmessung,
-
2 ein
schematisches Diagramm zur Laufzeitmessung,
-
3 ein
erstes schematisches Diagramm mit Phasenmessungen zweiter Knoten
eines Funknetzes,
-
4 ein
zweites schematisches Diagramm mit Phasenmessungen zweier Knoten
eines Funknetzes, und
-
5 ein
schematisches Diagramm zur Entfernungsbestimmung.
-
Entfernungsmessungen
in einem Funknetz mit mehreren Knoten können auf Phasenmessungen
basieren. Dabei wird nacheinander ein beispielsweise unmoduliertes
Trägersignal mit der Frequenz f1 und ein unmoduliertes
Trägersignal mit der Frequenz f2 gesendet. Die Frequenzen
unterscheiden sich nur durch eine kleine Differenzfrequenz Δf.
Im Empfänger wird die Phase der empfangenen Welle mit der
Phase der gesendeten Welle verglichen und als Messwerte φ1
und φ2 abgelegt. Daraus lässt sich die Entfernung
d zwischen den Stationen berechnen:
-
Dabei
ist c die Lichtgeschwindigkeit.
-
Die
Phasenmessung ist immer modulo (2π). Aufgrund der Periodizität
entsteht eine Mehrdeutigkeit für die Phasenmessung mit
Vielfachen von c/Δf. Die Mehrdeutigkeit lässt
sich auflösen, indem eine Messung mit einer weiteren Frequenz
f3 durchgeführt wird, wobei die weitere Differenzfrequenz
f3-f2 ungleich der Differenzfrequenz f2-f1 sein muss. Voraussetzung
dafür ist, dass der Funkkanal im Funknetz sich wie ein
Verzögerungsglied verhält. Ein Funkkanal mit Mehrwegeausbreitung
erfüllt diese Bedingung nicht, so dass eine Auflösung der
Mehrdeutigkeit zumindest erschwert ist. Die Reichweite der Entfernungsmessung
für 0° bis 360° Phasenwert ist dabei
abhängig von der Differenzfrequenz f2-f1.
-
In
einem vorliegenden Ausführungsbeispiel, das anhand der
Figuren erläutert wird, ist ein System für ein
Funknetz vorgesehen, bei dem eine Phasenmessung mit einer Laufzeitmessung
in einem Entfernungsmesssystem eines Funknetzes kombiniert ist.
Das Entfernungsmesssystem ist in einem Funknetz gemäß dem Industrie-Standard
IEEE 802.15.4 implementiert, wobei ein Modus von einem
Normalmodus zur Kommunikation im Funknetz in einen Modus zur Entfernungsmessung geändert
wird. Dabei liegt dem Ausführungsbeispiel die Idee zu Grunde,
dass für die Laufzeitmessung lediglich eine grobe Auflösung
benötigt wird, um die Mehrdeutigkeit der feiner auflösenden,
in den Industrie-Standard IEEE 802.15.4 implementierbaren
Phasenmessung zu beseitigen. Weiterhin ist lediglich eine kleine
Modifikation der Knoten zur Entfernungsmessung nötig, so
dass die Entfernungsmessung besonders einfach implementiert werden
kann.
-
Das
Entfernungsmesssystem ist für eine Phasenmessung mit einer
Differenzfrequenz von 1 MHz eingerichtet und erreicht einen Messbereich
von 150 m und entsprechend Vielfachen hiervon. In 1 ist
ein System zur Phasenmessung schematisch dargestellt. Dabei soll
die Entfernung zwischen einem Knoten A und einem Knoten B eines
Funknetzes nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4 gemessen
werden. 1 zeigt beispielhaft die in
einem Modus zur Entfernungsmessung aktiven Funktionsgruppen der
Knoten A, B. Der Transceiver des Knotens A weist eine Phasenregelschleife
PLL zur Erzeugung eines ersten Trägersignals auf, das mittels
der Sendeschaltung TX gesendet wird. Das erste Trägersignal
wird von der Empfangsschaltung RX des Transceivers des Knotens B
empfangen. Der Transceiver des Knotens B weist ebenfalls eine Phasenregelschleife
PLL, so dass die Phase des Empfangenen Trägersignals mit
der Phase der PLL in einer Phasendetektorschaltung PD subtrahiert
werden kann, so dass die Phase φB erhalten wird.
-
1 dient
dabei lediglich zur prinzipiellen Erläuterung der Phasenmessung.
Für eine einfache Realisierung wird die Phase vorzugsweise
mittels eines durch Heruntermischen erzeugten Zwischenfrequenzsignals
ausgewertet. Auch der Transceiver des Knotens B weist eine Sendeschaltung
TX auf, die ein Funksignal an die Empfängerschaltung RX
des Transceivers des Knotens A sendet. Der Transceiver des Knotens
A weist ebenfalls eine Phasendetektorschaltung PD zur Auswertung
der Phase φA auf. Beide Phasen φA und φB
werden zur Berechnung der Entfernung ausgewertet.
-
Anstelle
der dargestellten zwei Antennen je Knoten wird bevorzugt lediglich
eine Antenne und ein Schalter zum Umschalten zwischen Senden und
Empfangen verwendet. Wird ein halfduplex-System verwendet, können
die Transceiver der Knoten A und B nicht gleichzeitig senden und
empfangen. Für ein halfduplex-System senden die Transceiver
der Knoten A und B daher in unterschiedlichen Zeitschlitzen. Die
Phasenmessung der Phasen φA und φB ist detaillierter
in der Beschreibung zu den 3 und 4 erläutert.
-
Die
Laufzeitmessung erfolgt mit einer Genauigkeit von 125 ns (8 MHz
Taktfrequenz), so dass eine Entfernungsauflösung von +/–37,5
m erreicht werden kann. Fehler entstehen dabei in beiden beteiligten
Transceivern der Knoten A und B. 2 zeigt
schematisch ein Diagramm zur Laufzeitmessung. Der Transceiver des Knotens
A startet die Messung und sendet einen Rahmen (engl. frame). Zugleich
wird ein Zähler gestartet. Der Transceiver des Knotens
B empfängt den Rahmen und gewinnt anhand des gesendeten
Signals einen Zeitpunkt (engl. time stamp). Basierend auf diesem
Zeitpunkt wird mit einer konstanten Verzögerung tL ein
Antwort-Rahmen gesendet. Der Transceiver des Knotens A ermittelt
mit der gleichen Methode einen Zeitpunkt und stoppt die Zeitmessung.
Die Laufzeit berechnet sich zu: tP = 12 (tS – tTxA – tRxA – tTxB – tRxB – tL) (2)
-
Die
Zeiten tL – Zeit zwischen Empfangen und Senden im Transceiver
des Kntoens B –, tTxA – Zeit vom Starten des Timers
bis zum Senden des Signals an der Antenne des Transceivers des Knotens
A –, tRxB – Zeit vom Empfangen des Signals mit
der Antenne des Transceivers des Knotens B bis zur Detektion des Signals –,
tTxB – Zeit vom Sendebefehl bis zum Senden des Siangls
an der Antenne des Transceivers des Knotens B –, und tRxA – Zeit
vom Empfangen des Signals mit der Antenne des Transceivers des Knotens
A bis zur Detektion des Signals – sind durch die Auslegung
der Schaltungen der Transceiver und/oder durch Konfiguration bekannt.
Beispielsweise kann die Zeit tRxB, tL und tTxB von Transceiver des
Knotens B in einem Modus zur Entfernungsmessung bestimmt und dem
Transceiver des Knotens A mittels einer Datenübertragung
im Normalmodus mitgeteilt werden. Die Entfernung berechnet sich
dann aus d = tP·c (3)
-
Mit
dieser Berechnung wird die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung beseitigt.
Da die Laufzeitmessung auch bis 200 us unproblematisch ist, kann
die Obergrenze des detektierbaren Bereichs bis über 30
km verschoben werden. Größere Reichweiten als
30 km müssen nicht unterstützt werden, da dann
zusätzlich die Erdkrümmung für weitere
Dämpfung des Funksignals sorgt.
-
Ein
Diagramm für einen Messablauf zur Phasenmessung ist in 3 schematisch
dargestellt. In dem Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen dem
ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B wird vom ersten Knoten
A ein erstes unmoduliertes Trägersignal mit einer Trägerfrequenz
f1 gesendet und vom zweiten Knoten B empfangen. Vom zweiten Knoten
B wird ein zweites unmoduliertes Trägersignal mit der Trägerfrequenz
f1 gesendet und vom ersten Knoten A empfangen. Die Trägerfrequenz
f1 ist im Ausführungsbeispiel der 3 für
beide Übertragungsrichtungen gleich.
-
Vom
ersten Knoten A wird ein erster Wert φA1 einer ersten Phase
zu einem ersten Messzeitpunkt t2 gemessen. Vom zweiten Knoten B
wird ein dritter Wert φB1 einer zweiten Phase zu einem
dritten Messzeitpunkt t1 gemessen.
-
Danach
erfolgt eine Erhöhung der Trägerfrequenz um einen
Frequenzunterschied Δf auf die erhöhte Trägerfrequenz
f2. Alternativ wäre auch eine Verringerung der Trägerfrequenz
um den Frequenzunterschied Δf möglich. Mit der
erhöhten Trägerfrequenz f2 wird vom ersten Knoten
A das erste unmodulierte Trägersignal mit der erhöhten
Trägerfrequenz f2 gesendet und vom zweiten Knoten B empfangen.
Vom zweiten Knoten B wird das zweite unmodulierte Trägersignal
mit der erhöhten Trägerfrequenz f2 gesendet und
vom ersten Knoten A empfangen. Auch die erhöhte Trägerfrequenz
f2 ist im Ausführungsbeispiel der 3 für
beide Übertragungsrichtungen gleich.
-
Nach
der Erhöhung der Trägerfrequenz wird vom ersten
Knoten A ein zweiter Wert φA2 der ersten Phase zu einem
zweiten Messzeitpunkt t4 gemessen. Vom zweiten Knoten B wird ein
vierter Wert φB2 einer zweiten Phase zu einem vierten Messzeitpunkt
t3 gemessen. In jeweils einer Zwischenphase, die in den 3 und 4 schraffiert
markiert ist, schalten der erste Knoten A und der zweiten Knoten
B zwischen senden TX und empfangen RX um.
-
Im
eher theoretischen Fall der 3 besteht
zwischen den Frequenzen des ersten Referenztaktgenerators zur Taktung
der Phasenregelschleife PLL des ersten Knotens A und des zweiten
Referenztaktgenerators zur Taktung der Phasenregelschleife PLL des
zweiten Knotens B kein Frequenzoffset. 3 soll zunächst den
eher theoretischen Fall darstellen, dass die Frequenzen der die
Phasenregelschleife PLL taktenden Referenztaktgeneratoren exakt
gleich sind. Die gemessene Phase φ ist also über
die Zeit t konstant.
-
Im
Ausführungsbeispiel der 3 sendet
zuerst der erste Knoten A und der dritte Wert φB1 der zweiten
Phase wird zum dritten Zeitpunkt t1 im zweiten Knoten B gemessen.
Danach sendet der zweite Knoten B und der erste Wert φA1
der ersten Phase wird zum ersten Zeitpunkt t2 im ersten Knoten A
gemessen. Zwischen den Phasenmessungen M(f1) schalten die Knoten
A, B zwischen Senden und Empfangen TX/RX um. Beide Messungen erfolgen
im Fall der 3 bei der Frequenz f1.
-
Danach
wird in beiden Schaltungen der Knoten A, B die Trägerfrequenz
um den gleichen Frequenzunterschied Δf erhöht.
Die Phasenregelschleifen PLL benötigen beispielsweise 50us
oder weniger um sich einzuschwingen. Danach werden beide Phasenmessungen
M(f2) zu den Zeitpunkten t3 und t4 für die Frequenz f2
wiederholt, wobei der zweite Phasenwert φA2 der ersten
Phase im ersten Knoten A und der vierte Phasenwert φB2
der zweiten Phase im zweiten Knoten B ermittelt werden. Somit sind
der erste Wert φA1 der ersten Phase und der dritte Wert φB1
der zweiten Phase derselben Trägerfrequenz f1 zugeordnet.
Ebenfalls sind der zweite Wert φA2 der ersten Phase und
der vierte Wert φB2 der zweiten Phasen derselben erhöhten
Trägerfrequenz f2 zugeordnet.
-
Aus
den Phasenwerten φA1, φB1, φA2 und φB2
kann eine Phasendifferenz Δφ berechnet werden
zu: Δφ = (φA2 – φB2) – (φA1 – φB1) (4a)
-
Durch
Umformung erhält man: Δφ = (φA2 – φA1) – (φB2 – φB1) (4b)
-
Somit
kann die Entfernung d berechnet werden zu:
wobei
der Entfernungswert aufgrund der Periodizität nicht eindeutig
ist. Abweichend von der eher theoretischen Darstellung der
3 werden
in der Realität die Knoten A, B Referenztaktgeneratoren
zur Taktung der Phasenregelschleife PLL aufweisen, deren Frequenzen
beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen
Temperaturen einen Frequenzoffset aufweisen. Dadurch ändert
sich die Phase φ im jeweils empfangenden Knoten, wie dies
schematisch durch die Steigungen der Phasenverläufe in
4 dargestellt
ist.
-
Die
Phasenänderung der Messung M(f1) zwischen den Messzeitpunkten
t1 und t2 bewirkt zur bestimmten Phase φcalc einen Phasenfehler φerr.
Der gleiche Phasenfehler φerr entsteht in der Messung M(f2) zu
den Messzeitpunkten t3 und t4, wenn ein zeitlicher Abstand zwischen
den Phasenmessung M(f1), M(f2) hinreichend klein ist. Sind die Zeitabstände
t2-t1 und t4-t3 oder die Zeitabstände t3-t1 und t4-t2 gleich
groß, ist auch der Phasenfehler φerr gleich groß und
fällt bei der Berechung der Phasendifferenz Δφ (siehe
Gleichung (4a/4b)) heraus. Dadurch kann die Entfernungsmessung anhand
der Phasenmessung auch dann angewendet werden, wenn die Referenztaktgeneratoren
zur Taktung der Phasenregelschleife PLL der beiden Knoten A, B unsynchronisiert
sind, wie im Ausführungsbeispiel der 1.
-
5 zeigt
ein schematisches Diagramm für ein Beispiel einer kombinierten
Auswertung einer Phasenmessung und einer Laufzeitmessung in einem
Funknetz. Das Messergebnis der Phasenmessung ist bezüglich
des Abstands d aufgetragen. Dabei wiederholt sich das Signal alle
360° periodisch. Eine ermittelte Phase kann aufgrund der
Mehrdeutigkeit die beispielhaft eingezeichneten drei Entfernungen
dPH1, dPH2 und dPH3 darstellen. Zusätzlich wird das Messergebnis
dLZ der Entfernungsmessung ausgewertet, das aufgrund der geringeren
Auflösung eine Abweichung von der durch Phasenmessung ermittelten
Entfernung dPH2 aufweist. Ein Auswertealgorithmus ordnet das Messergebnis
dLZ der Laufzeitmessung einem der Messergebnisse dPH1, dPH2 oder
dPH3 der Phasenmessung zu. Beispielsweise wird dasjenige Messergebnis
dPH1, dPH2, dPH3 der Phasenmessung ausgewählt, dass den
geringsten Abstand zum Messergebnis dLZ der Laufzeit aufweist. Ebenfalls
ist es möglich das Messergebnis dLZ der Laufzeit einem
Moduln der Phasenmessung zuzuordnen. Im Ausführungsbeispiel
der 5 würde in beiden Fällen dasselbe
Ergebnis erzielt: Die Entfernung ist dPH2.
-
Durch
die in den 1 bis 5 erläuterten
Ausführungsbeispiele wird der Vorteil erzielt, dass das System
zur Entfernungsmessung im Netzwerk nicht aufgrund des Moduln-Effekts
auf eine maximale Entfernung beschränkt ist. Unter günstigen
Bedingungen kann eine Entfernungsmessung für einen Netzwerkknoten mit
großer Reichweite erzielt werden. Beispielsweise können
Entfernungen auch für Netzwerkknoten mit erhöhtem
Standort oder mit einem Sendeverstärker (PA – engl.
Power Amplifier) ermittelt werden. Zusätzlich wird der überraschende
Effekt erzielt, dass mit der Phasenmessung eine gute Auflösung
und zugleich mit der Laufzeitmessung die gute Auflösung
der Phasenmessung auch für größere Entfernungen
genutzt werden kann.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten
der 1 bis 5 beschränkt. Die Funktionalität
des Systems eines Funknetzes wird vorteilhaft für ein Funksystem
nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4 oder
nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.1 verwendet.
-
- d
- Abstand
- dPH1,
dPH2, dPH3
- Abstandsergebnis
einer Phasenmessung
- dLZ
- Abstandsergebnis
einer Laufzeitmessung
- A,
B
- Sender-Empfänger-Schaltung,
Transceiver, Knoten
- TX,
TXA, TXB
- Senderschaltung,
Senden
- RX,
RXA, RXB
- Empfängerschaltung,
Empfangen
- PLL
- Phasenregelschleife
- PD
- Phasendetektorschaltung
- φA, φB
- Phase
- φA1, φB1, φA2, φB2
- Phasenwert
- φcalc
- berechnete
Phasendifferenz
- φerr
- Phasenfehler
- t
- Zeit
- tTxA,
tP, tRxB, tL, tTxB,
- Zeitraum
- tRxA,
tS
-
- t1,
t2, t3, t4
- Zeitpunkt
- f1,
f2
- Frequenz
- M(f1),
M(f2)
- Phasenmessung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 02/01247
A2 [0002]
- - US 6731908 B2 [0003]
- - US 5220332 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Industrie-Standard
IEEE 802.15.4 [0053]
- - Industrie-Standard IEEE 802.15.4 [0053]
- - Industrie-Standard IEEE 802.15.4 [0054]
- - Industrie-Standard IEEE 802.15.4 [0073]
- - Industrie-Standard IEEE 802.15.1 [0073]
