DE112005001747T5

DE112005001747T5 - System und Verfahren zur Ortung von Personen oder Gegenständen mittels zentraler Berechnung einer Knotenposition und zum Anzeigen der Knotenpositionen

Info

Publication number: DE112005001747T5
Application number: DE112005001747T
Authority: DE
Inventors: Pertti O. Deltona Alapuranen; Peter J. Sanford Stanforth
Original assignee: MeshNetworks Inc
Current assignee: Arris Enterprises LLC
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-06-14
Also published as: WO2006015211A2; WO2006015211A3; US20060025154A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen von Knotenpositionsinformation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, wobei das Netzwerk (100) eine Mehrzahl von Knoten (103) aufweist, welche eingerichtet sind zum Senden und Empfangen von Signalen zu und von einander, wobei das Verfahren umfasst:
das Verteilen einer Mehrzahl von Knoten in einem Einsatzbereich (118) und Aktivieren der Knoten (103) derart, dass sie Positionsinformation über sich selbst erfassen;
das Betreiben jedes der Knoten (103) derart, dass sie ihre jeweilig erfasste Positionsinformation an eine Berechnungsvorrichtung (125) bereitstellen; und
das Betreiben der Berechnungsvorrichtung (125) derart, dass sie die jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der jeweiligen Positionsinformation berechnet.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 28. Juli 2004 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung (U.S. Provisional Application) US 60/591,616, deren gesamter Inhalt hiermit durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
QUERVERWEIS ZU EINER VERWANDTEN ANMELDUNG
Ein verwandter Gegenstand ist in der am 1. April 2003 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/402,961 mit dem Titel „A System and Method for Determining Relative Positioning in Ad-Hoc Networks" offenbart, deren gesamter Inhalt hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen von Positionsinformation von mobilen Benutzerstationen in einem ortsveränderlichen Sprach- und Datenfunknetzwerk, wie z.B. einem Ad-Hoc Mulit-Hopping-Funknetzwerk. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System und auf ein Verfahren zum Orten von Personen oder Gegenständen mittels einer zentralen Vorrichtung, welche die jeweiligen Orte der Gegenstände auf Grundlage von durch die Gegenstände bereit gestellter jeweiliger Information berechnet und welche eine graphische Anzeigeeinheit verwendet, welche eine Anzeige der Positionen von allen oder ausgewählten Gegenstände auf der Grundlage der berechneten Positionen erzeugt.
Hintergrund
In den letzten Jahren wurde eine Art des Mobilkommunikationsnetzwerkes für die Verwendung durch z.B. das Militär entwickelt, welches als ein „Ad-Hoc"-Netzwerk bekannt ist. Bei dieser Art des Netzwerkes kann jeder mobile Knoten als eine Basisstation oder als Router für die anderen mobilen Knoten arbeiten, wodurch das Erfordernis für eine feste Infrastruktur von Basisstationen vermieden wird. Wie von einem Fachmann gewürdigt werden kann, übertragen und empfangen die Netzwerkknoten Datenpaketnachrichten in einem Multiplex-Format, wie z.B. einem Zeitmultiplex (TDMA)-Format, einem Code-Multiplex (CDMA)-Format oder einem Frequenzmultiplex (FDMA)-Format.
Höher entwickelte Ad-Hoc-Netzwerke werden auch entwickelt, die zusätzlich dazu, dass sie mobilen Knoten ermöglichen, wie bei einem herkömmlichen Ad-Hoc-Netzwerk miteinander zu kommunizieren, den mobilen Knoten weiter ermöglichen auf ein festes Netzwerk zuzugreifen und somit mit anderen mobilen Knoten, wie z. B. denjenigen in dem öffentlichen Telefonnetz (PSTN) oder in anderen Netzwerken, wie z. B. dem Internet, zu kommunizieren. Einzelheiten dieser hoch entwickelten Arten von Ad-Hoc-Netzwerken sind in der am 29. Juni 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/897,790 mit dem Titel „Ad-Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks", in der am 22. März 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/815,157 mit dem Titel „Time Division Protocol for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer Radio Network Having Coordinating Channel Access to Shared Parallel Data Channels with Separate Reservation Channel" und in der am 22. März 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/815,164 mit dem Titel "Prioritized-Routing for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System" beschrieben, wobei der gesamte Inhalt jeder Anmeldung hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Entweder in herkömmlichen drahtlosen Kommunikationsnetzen oder in drahtlosen Ad-Hoc-Kommunikationsnetzen kann es für einen Mobilknoten notwendig oder wünschenswert sein, dass er fähig ist, seine geographische Position zu wissen oder zu bestimmen. Einzelheiten von Positionsbestimmungsdiensten oder -techniken für drahtlose Kommunikationsnetze sind in einem Weißbuch von Nokia mit dem Titel „Mobile Location Services" beschrieben, dessen gesamter Inhalt hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Insbesondere führt die Druckschrift von Nokia aus, dass Positionsidentifikationsdienste derzeit in drahtlosen Kommunikationsnetzen auf der Grundlage von drei Haupttechnologien bereitgestellt werden. Eine dieser Technologien verwendet Zellidentifikation kombiniert mit Round-Trip-Time-(RTT-), Time-Advance-(TA-) und Gemessener-Signal-Pegel-(RX-Pegel-), Laufzeitunterschied-(TDOA-) und Ankunftswinkel-(AOA-) Verfahren, deren Einzelheiten von einem Fachmann gewürdigt werden können. Eine zweite Technologie verwendet auf dem Zeitverhalten von zellularen Signalen basierende Verfahren für Code-Multiplexing (CDMA) und Breitband-Code-Multiplexing (WCDMA). Die dritte in der Druckschrift von Nokia beschriebene Technologie verwendet Global-Positioning-System-(GPS-) Verfahren.
Eine weitere Liste von derzeit in der Industrie der drahtlosen Kommunikation für das Bereitstellen von Ortungsdiensten verwendete Verfahren und Techniken wird in einem Artikel von DISPATCH Monthly mit dem Titel „E911 Location Technologies" vorgestellt, dessen gesamter Inhalt hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird. Obwohl das GPS-Verfahren in dieser Liste das zuletzt genannte Verfahren ist, wird es allgemein als genauer als alle anderen aufgelisteten Verfahren angesehen. Weitere Einzelheiten und Beschreibungen von GPS-basierenden Verfahren sind in einer Veröffentlichung von J.J. Spilker Jr. mit dem Titel „Satellite Constellation and Geometric Dilution of Precision" in „GPS – Theory and Applications", American Institute of Astronautics, Inc., 1996, außerdem in einer Veröffentlichung von P. Axelrad et al. mit dem Titel „GPS-Navigation Algorithms" in „GPS-Theory and Applications", American Institute of Astronautics, Inc., 1996, außerdem in einer Veröffentlichung von Bradford W. Parkinson mit dem Titel „GPS Error Analysis" in „GPS – Theory and Applications", American Institute of Astronautics, 1996, und in einer Veröffentlichung von N. Ashby et al. mit dem Titel „Introduction to Relativistic Effects on the Global Positioning Sys tem in „GPS – Theory and Applications", American Institute of Astronautics, 1996, ausgeführt, wobei der gesamte Inhalt jeder dieser Veröffentlichung hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Trotz der Tatsache, dass das GPS-Verfahren für eine beträchtliche Zeitspanne in Verwendung war und ein Großteil der Navigation in der Welt auf dieses Verfahren vertraut, ist das GPS-Verfahren sehr anfällig für Fehler bei der Messung. Daher kann das GPS-Verfahren Positionsbestimmungsergebnisse mit sehr hoher Genauigkeit nur nach Durchführen einer relativ großen Anzahl von Messungen zum Ausräumen solcher Fehler bereitstellen. Eine Beschreibung der Nachteile von GPS ist in einer Druckschrift von dem Institute for Mathematics and Applications (IMA) mit dem Titel „Mathematical Challenges in Global Positioning Systems (GPS)" ausgeführt, deren gesamter Inhalt hierin durch Inbezugnahme mitaufgenommen wird. Bestimmte andere Tests zeigen außerdem, dass das GPS-Verfahren ungeeignet für terrestrische Netzwerke ist.
Zusätzlich erfordern andere Verfahren und Techniken, welche keine GPS-Satelliten zur Bestimmung von Positionen von Mobilstationen in einem drahtlosen Kommunikationsnetz verwenden, typischerweise, dass das Signal von der Mobilstation durch zumindest zwei Zellstandorte empfangen wird, welche die Verzögerung zwischen den Signalankünften messen und verarbeiten kann, die Richtung des Signals auf der Grundlage der „Pfadsignatur" identifizieren kann und den Abstand zwischen der Mobilstation und dem Sendemasten bestimmen kann.
Bei all diesen Verfahren wird die Verarbeitung von Information in einer bestimmten Zentralverarbeitungseinheit (CPU) ausgeführt, die sich typischerweise bei einem Zellsendemasten nahe der Basisstation (BTS) befindet. Außerdem waren die meisten dieser Verfahren so ausgestaltet, dass sie den E911-Anforderungen entsprechen, ohne dass unmäßige Abwandlungen an den existierenden drahtlosen Kommunikationssystemen vorzunehmen wären. Beispiele anderer Positionsbestimmungsverfahren sind in einer Druckschrift von Wendy J. Woodbury Straight mit dem Titel „Exploring a New Reference System" und in einer Druckschrift mit dem Titel „An Introduction to SnapTrac Server Aided GPS Technology" ausgeführt, wobei der gesamte Inhalt jeder dieser Druckschriften hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Um die obigen Probleme beim Bestimmen von Positionsinformation zu überkommen werden Ad-Hoc-Netzwerke entwickelt, welche nicht entweder die Verwendung von Satelliten oder eine zentrale Rechenanlage zum Bestimmen von Positionsinformation erfordern. Weitere Einzelheiten solcher Ad-Hoc-Netzwerke sind in dem US-Patent US 6,728,545 mit dem Titel „A System and Method for Computing the Location of a Mobile Terminal in a Wireless Communications Network" beschrieben, dessen gesamter Inhalt hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Darüber hinaus können Ad-Hoc-Netzwerke entwickelt werden, welche nichtstationäre oder bewegliche Infrastrukturkomponenten nutzen, die einem Benutzer eine absolute geographische Position bereitstellen können. Weitere Einzelheiten von Netzwerken, welche bewegliche Zugangspunkte und Repeater zum Minimieren von Sendebereich- und Kapazitätseinschränkungen verwenden, sind beschrieben in der am 15. August 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/929,030 mit dem Titel „Movable Access Points and Repeaters for Minimizing Coverage- and Capacity Constraints in a Wireless Communications Network and a Method for Using the Same", deren gesamter Inhalt hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
Wie oben diskutiert berechnet bei GPS und vielen anderen Ortungssystemen das gegenwärtige Endgerät, welches Radiosignale empfängt oder misst (TOF, TDOA oder ähnliches) die Position des Endgerätes durch Messen von Laufzeit oder Zeitdifferenz der Ankunft von Signalen oder durch irgendeine andere Messung. Durch das Vorhandensein von vier Messungen können x-, y- und z-Koordinaten berechnet werden. Jedoch kann es wünschenswert für ein System sein, die Positionen der Funkendgeräte an einem zentralen Ort, wie z.B. einem zentralen Server zu berechnen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die begleitenden Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche oder funktionell ähnliche Elemente überall in den einzelnen Ansichten beziehen, und die zusammen mit der detaillierten Beschreibung weiter unten eingebaut sind in und einen Teil bilden von der Beschreibung, der weiteren Veranschaulichung verschiedener Ausführungsformen und zum erklären verschiedener Prinzipien und Vorteile dienen, alles gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Figuren zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines drahtlosen Ad-Hoc-Paketvermittlungskommunikationsnetzwerkes mit einer Mehrzahl von Knoten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines mobilen Knotens, welcher bei dem in 1 gezeigten Netzwerk verwendet wird;
3 ein Diagramm eines Beispiels eines Funkrouters, welcher in dem in 1 gezeigten Netzwerk verwendet wird;
4 ein Diagramm eines Beispiels eines wie in 3 gezeigten Funkrouters, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einer tragbaren Konstruktion montiert ist;
5 ein Diagramm, welches ein Beispiel veranschaulicht, wie eine Ausführungsform der Erfindung in einem Feuer-/Rettungsszenarium genutzt werden kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 ein Diagramm eines Beispiels eines mobilen Knotens, der die Position der eingesetzten Ausrüstung und des Personals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anzeigt.
Fachleute werden würdigen, dass Elemente in den Figuren zum Zwecke der Einfachheit und der Klarheit dargestellt sind, und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Zum Beispiel können die Abmessungen einiger der Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um ein verbessertes Verständnis der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu fördern.
Detaillierte Beschreibung
Vor der Beschreibung von Ausführungsformen im Detail, welche gemäß der vorliegenden Erfindung sind, sollte es beachtet werden, dass die Ausführungsformen hauptsächlich Kombinationen von Verfahrensschritten und Vorrichtungskomponenten betreffen, welche sich auf ein System und ein Verfahren zum Lokalisieren von Personen oder Gegenständen beziehen, wobei eine zentrale Vorrichtung verwendet wird, welche die jeweiligen Positionen der Gegenstände auf Grundlage jeweiliger von den Gegenständen bereitgestellter Information berechnet. Dementsprechend wurden die Vorrichtungskomponenten und Verfahrensschritte da wo es angemessen ist durch herkömmliche Symbole in den Zeichnungen wiedergegeben, welche nur diejenigen bestimmten Details zeigen, welche zum Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sachdienlich sind, um die Offenbarung nicht mit Details zu verschleiern, welche den Fachleuten, die den Nutzen der Beschreibung dabei haben, leicht eingängig sein werden.
In dieser Druckschrift können relationale Begriffe wie z.B. erstes und zweites, oberes und unteres und dergleichen verwendet werden nur zum Unterscheiden einer Einheit oder Handlung von einer anderen Einheit oder Handlung ohne notwendigerweise irgendeinen solchen tatsächlichen Zusammenhang oder Reihenfolge zwischen solchen Einheiten oder Handlungen zu erfordern oder anzudeuten. Die Begriffe „umfasst", „umfassend" oder andere Abwandlungen davon sind dazu gedacht, eine nichtausschließliche Einschließung abzudecken, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, welche eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente beinhaltet, sondern andere Elemente beinhalten kann, die nicht ausdrücklich aufgelistet oder einem solchen Prozess, einem solchen Verfahren, einem solchen Artikel oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind. Ein Element welches gefolgt ist von „umfasst...ein" schließt ohne weitere Einschränkungen nicht das Vorhandensein von zusätzlichen identischen Elementen in dem Prozess, dem Verfahren, dem Artikel oder der Vorrichtung aus, welcher/welches das Element umfasst.
Es wird gewürdigt werden, dass hierein beschriebene Ausführungsformen der Erfindung aus einem oder mehreren herkömmlichen Prozessoren sowie einzelnen gespeicherten Programmanweisungen bestehen, die einen oder mehrere Prozessoren steuern, um zusammen mit bestimmten Nicht-Prozessor-Schaltungen einige, die meisten oder alle der Funktionen eines Systems und ein Verfahren zum Lokalisieren von Personen oder Gegenständen realisieren, wobei eine zentrale Vorrichtung verwendet wird, welche die jeweiligen Positionen der Gegenstände auf der Grundlage einer von den Gegenständen bereitgestellten jeweiligen Information berechnet, welche hierin beschrieben ist. Die Nicht-Prozessor-Schaltungen können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf einen Radioempfänger, einen Radiosender, Signaltreiber, Taktgeber, Spannungsversorgungsschaltungen und Benutzereingabevorrichtungen. Als solches können diese Funktionen interpretiert werden als Schritte eines Verfahrens zum Durchführen des Betriebs zum Lokalisieren von Personen oder Gegenständen unter Verwendung einer zentralen Vorrichtung, welche die jeweiligen Positionen der Gegenstände auf der Grundlage von den Gegenständen bereitgestellter jeweiliger Information berechnet. Alternativ könnten einige oder alle Funktionen realisiert sein durch eine Zustandsmaschine, welche keine Programmanweisungen gespeichert hat, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), bei der jede Funktion oder einige Kombinationen von bestimmten der Funktionen als kundenspezifische Logik realisiert sind. Natürlich könnte eine Kombination der zwei Ansätze verwendet werden. Somit wurden Verfahren und Mittel für diese Funktionen hierin beschrieben. Weiter wird es erwartet, dass jemand mit gewöhnlicher Fertigkeit, ungeachtet dem möglicherweise wesentlichen Arbeitsaufwand und den vielen Gestaltungsmöglichkeiten, angeregt durch z.B. zur Verfügung stehender Zeit, gegenwärtiger Technologie und ökonomischen Überlegungen, leicht fähig sein wird, solche Softwareanweisungen und Programme und ICs mit mini malem Experimentieren zu erzeugen, wenn er von den hierin offenbarten Konzepten und Grundsätzen geleitet ist.
Dementsprechend, wie nun im Detail diskutiert werden wird, stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Verwenden einer zentralen Komponente wie z. B. einen zentralen Server, bereit zum Berechnen der Position eines Ad-Hoc-Multi-Hopping-Endgerätes oder anderer Endgeräte, welche Funkverbindungen verwenden zum Übertragen von Messungen an einen zentralen Server. Das System und das Verfahren können eine Anzeige von Funkendgeräten, wie z.B. Ad-Hoc-Funkendgeräten, erzeugen, nach dem Berechnen von Positionen dieser Endgeräte an einem zentralen Server auf der Grundlage von Messungen, welche durch diese Endgeräte aufgenommen und an den Server übertragen wurden.
Das drahtlose Kommunikationsnetzwerk beinhaltet eine Mehrzahl von Knoten, welche ausgebildet sind zum Senden und Empfangen von Signalen zu und von anderen Knoten in dem Netzwerk. Das Netzwerk kann ein drahtloses Ad-Hoc-Peer-to-Peer-Multi-Hopping-Netzwerk oder irgendein anderes drahtloses Netzwerk sein. Das System und ein Verfahren verteilen eine Mehrzahl von Knoten in einem Einsatzbereich und ermöglichen den Knoten, Positionsinformation über sie selbst zu erlangen. Die Knoten werden derart gesteuert, dass sie die erlangte Positionsinformation an eine Berechnungsvorrichtung bereitstellen. Die Berechnungsvorrichtung wird dann derart gesteuert, dass sie die jeweiligen Positionen der Knoten auf der Grundlage der jeweiligen Positionsinformation berechnet. Zusätzlich kann eine Anzeige erzeugt werden, welche die jeweiligen Positionen der Knoten, welche von der Berechnungsvorrichtung berechnet sind, darstellt.
1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines drahtlosen Kommunikationsnetzwerkes 100 darstellt, welches mobile Zugangsendgeräte in einer beispielhaften Kommunikationsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie in 1 gezeigt, beinhaltet das Netzwerk 100, welches als ein „ortsveränderliches Netzwerk" bezeichnet werden kann, eine Mehrzahl von Endgeräten ein schließlich Zugangspunkten 101-1 bis 101-n, Funkroutern 102-1 bis 102-n, mobilen Knoten 103-1 bis 103-n, welche zusammen als Zugangspunkt 101, Funkrouter 102 und mobile Knoten 103 bezeichnet werden können, sowie eines Netzwerkverwaltungssystems 104-1. Es sei bemerkt, dass zum Zwecke dieser Diskussion die Endgeräte auch gemeinsam als Endgeräte 101, 102, 103 bzw. als Knoten 101, 102 oder 103 bezeichnet werden können und der Begriff „Referenzendgerät" sich sowohl auf Funkrouter als auch auf Zugangspunkte bezieht. Das Netzwerkverwaltungssystem 104-1 ist ein optionales Element des Netzwerkes, welches erweiterte Netzwerkverwaltungs- und Steuerfunktionen bereitstellt. Diese Funktionen beinhalten, aber sind nicht beschränkt auf Registrierung, Autorisierung, und Konfiguration von mobilen Knoten, Datenerfassung und Systemalarme.
Das System und Verfahren der bevorzugten Ausführungsform, welche unten beschrieben ist, verwendet mobile Zugangspunkte, Funkrouter und mobile Knoten, die jeweils zumindest einen Transceiver enthalten, welcher zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen zu und von anderen Funkroutern, mobilen Knoten und anderen Zugangspunkten ausgebildet ist. Jeder Zugangspunkt kann auf einem mobilen Fahrzeug montiert sein und empfängt im wesentlichen konstante Leistung von dem Fahrzeug. Der Zugangspunkt kann optional mit einem Netzwerkverwaltungssystem verbunden sein, welches erweiterte Netzwerküberwachung und -steuerung erlaubt. Die Funkrouter können auf tragbare Gestelle montiert sein für den leichten Einsatz und sind typischerweise mit einer tragbaren Stromquelle verbunden. Die mobilen Knoten sind batteriebetrieben und an Ausrüstung und Personal zum Zwecke der Zielverfolgung angebracht. Jeder Netzwerkknoten beinhaltet weiter Technologie, welche einem Knoten ermöglicht, Information betreffend dessen absolute Knotenposition, welche geographische Breiten-, geographische Längen- und Höheninformation über ihn selbst enthält, oder betreffend eine relative Knotenposition, welche den Abstand und den Winkel zwischen ihm selbst und anderen Knoten enthält oder eine Kombination von beiden absoluten und relativen Positionsdaten zu erfassen.
Das Netzwerkverwaltungssystem 104-1 ist ein optionales Element eines festen Netzwerkes, das z. B. ein Kern-Local-Access-Netzwerk (LAN) und eine Mehrzahl von Servern und Gatewayroutern beinhalten kann, um den Netzwerkknoten Zugang zu anderen Netzwerken wie z.B. anderen Ad-Hoc-Netzwerken, dem öffentlichen Telefonnetz (PSTN) und dem Internet, bereitzustellen. Wie von einem Fachmann gewürdigt werden kann, sind die Knoten 101, 102 und 103 dazu fähig, miteinander direkt oder über einen oder mehrere andere Knoten 101, 102 oder 103 zu kommunizieren, welche als ein oder die Router arbeiten, damit Pakete zwischen Knoten gesendet werden, wie in den US-Patentanmeldungen mit den Seriennummern 09/897,790, 09/815,157 und 09/815,164, auf welche oben Bezug genommen wurde, beschrieben ist. Ein Beispiel solcher Datenendeinrichtungen sind in 1 gezeigt, jedoch kann jede Anzahl von Kommunikationseinrichtungen in dem Netzwerk 100 aus 1 vorhanden sein.
Wie in 2 gezeigt beinhaltet jeder Zugangspunkt 101, Funkrouter 102 und mobile Knoten 103 zumindest einen Transceiver 105, welcher mit einer Antenne 108 verbunden ist. Der Transceiver 105 ist ausgelegt zum Senden und Empfangen von Datenpaketen über irgendein Frequenzband wie z.B. das Industrial, Scientific and Medical (ISM) Band. Jedoch beeinflusst die Frequenz und das Modulationsverfahren, welche von dem Transceiver 105 verwendet werden, nicht die Implementierung der Zugangspunkte, Router oder Knoten.
Jeder Zugangspunkt 101, Funkrouter 102 und mobile Knoten 103 beinhaltet weiter zumindest einen Prozessor oder Controller 106 sowie einen Speicherbaustein 107, welcher zum Verarbeiten und Speichern von Information, wie z.B. Positions- und Routing-Information, verwendet werden. Wie weiter in 2 gezeigt ist, können bestimmte mobile Knoten 103 einen Host 109 umfassen, wie z.B. einen Notebook-Computer, einen persönlichen digitalen Assistenten (PDA), eine mobile Dateneinheit oder jede andere geeignete Vorrichtung.
Der mobile Zugangspunkt 101 aus 1 kann physikalisch so konstruiert sein, dass er sehr klein ist, um ihn in das Innere oder an das Äußere eines Fahrzeugs, wie z.B.
einem Automobil, einen Lastwagen, einen Bus, einen Zug, einem Taxi, einem Polizeiwagen, einem Feuerlöschfahrzeug oder irgend einem anderen beweglichen Fahrzeug, zu montieren. Die Antenne 108 des mobilen Zugangspunktes 101 kann intern oder extern an das Fahrzeug montiert sein und kann eine Verstärkung aufweisen, die höher ist als die einer Antenne 108, welche in gleicher Weise an einem mobilen Knoten 103 eingesetzt wird. Die Bedeutung dieser Änderung der Antennenverstärkung wird genauer weiter unten beschrieben.
Bei Anwendungen, bei denen der Zugangspunkt 101 an einem Fahrzeug befestigt ist, kann der Zugangspunkt außerdem eine Verbindung zu einer im wesentlichen konstanten äußeren Stromversorgung umfassen, wie z.B. zu der durch das angeschlossene Fahrzeug bereitgestellten 12V-Gleichspannungs-Stromversorgung. Dadurch kann jeder mobile Zugangspunkt 101 mit mobilen Knoten, anderen Zugangspunkten und mit dem Netzwerkverwaltungssystem 104-1 kommunizieren, welches die erweiterten Netzwerkverwaltungs- und Steuerfunktionen bereitstellt, welche überall in dem Netzwerk 100 implementiert sind.
Ein mobiler Zugangspunkt 101, ein Funkrouter 102 und ein mobiler Knoten 103 können weiter die Funktionalität der Positionsbestimmung, wie z.B. das globale Positionssystem (GPS), differentielle Navigationssysteme oder andere Positionssysteme, wie z.B. diejenigen in dem US-Patent US 6,728,545 , das oben zitiert wurde, sowie verschiedene andere Techniken umfassen, wie von einem Fachmann gewürdigt werden kann. Diese und andere ähnliche Systeme ermöglichen jedem Zugangspunkt und jedem Funkrouter, seine relative und gegenwärtige geographische Position zu bestimmen, welche anderen Elementen des Netzwerkes 100 während Betriebsvorgängen bereitgestellt werden können, wie z.B. wenn irgendein mobiler Knoten versucht den mobilen Zugangspunkt als einen Zugangspunkt in dem Netzwerk 100 zu verwenden. Zusätzliche Einzelheiten von solchen Positionssystemen sind weiter erörtert in der am 11. Oktober 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/973,799 mit dem Titel „System and Method for Efficiently Performing Two-Way Ranging to Determine the Location of a Wireless Node in a Communication Network", in der am 30.
November 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/996,603 und in dem US-Patent US 6,728,545 , auf das oben Bezug genommen wurde, wobei der gesamte Inhalt jeweils hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
In 3 ist ein Diagramm eines Beispiels für einen Funkrouter 102 gezeigt, welcher in dem Netzwerk 100 aus 1 verwendet wird. Der Router beinhaltet ein Gehäuse 110, das als ein rechteckiges Gehäuse gestaltet sein kann mit einer mechanisch mit einer Unterseite 112 verbundenen Oberseite 112, die Abmessungen aufweisen von z.B. 3 Inch mal 4 Inch. Die Ober- und Unterseiten sind getrennt durch vier Seitenwände, die eine Gesamtabmessung des Funkrouters von 3 Inch mal 4 Inch mal 1 Inch erzeugen. Diese Abmessungen sind als Beispiele für die Verwendung in dieser Ausführungsform dargestellt, jedoch können alternative Ausführungsformen Abmessungen verwenden, die für irgendeine besondere Installation oder Verwendung geeignet sind.
Eine erste Seitenwand 113 kann verwendet werden zum Montieren von Benutzerschnittstellen-Bedienungsteilen und Anzeigeeinrichtungen innerhalb einer Reihe von Öffnungen. Solche Bedienungsteile und Anzeigeeinrichtungen können einen einfach zu verwendenden Ein-Aus-Schalter 114 sowie Routerstatusanzeigeeinrichtungen 115 einschließen. Wie den Fachleuten bekannt ist, kann der tragbare Funkrouter 102 eine Verbindung zu einer Spannungsversorgung (nicht dargestellt), die entweder intern oder extern von der Vorrichtung sein kann, sowie einen Montagemechanismus (nicht dargestellt) enthalten, welcher dem Router ermöglicht, auf eine tragbare Konstruktion wie in 4 gezeigt, montiert zu werden. 4 ist ein konzeptionelles Diagramm eines Funkrouters, welcher wie in 3 gezeigt auf eine tragbare Konstruktion 116 montiert ist, welche der Antenne des Routers 102 ermöglicht, in einer Höhe von etwa fünf bis sechs Fuß über der Einsatzoberfläche zu arbeiten.
5 ist ein konzeptionelles Diagramm davon, wie eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, wie z.B. in einem Feuerrettungsszenarium, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei einem typischen Feuerrettungsszenarium können mehrere Rettungsfahrzeuge, wie z. B. Feuerwehrfahr zeuge 119-n an einem Ort vorhanden sein, um den herum viele einzelne Feuerwehrmänner 120-n arbeiten können. Nach der Ankunft oder an Positionen, welche dafür bekannt sind, regelmäßig die Präsenz einer Feuerrettungsaktion zu erfordern, können mehrere Router 102-n und tragbare Konstruktionen 116-n um einen Arbeitsbereich herum angeordnet werden. 5 zeigt ein Einsatzbeispiel bei dem ein Zugangspunkt 101 und das Netzwerkverwaltungssystem 104-1 in Rettungsfahrzeugen 119-1 und 119-2 jeweilig angeordnet sind, Funkrouter 102-1, 102-2 und 102-3 um den Bereich auf tragbaren Konstruktionen 116-1, 116-2 und 112-3 jeweilig eingesetzt sind, und jeder einzelne Mitarbeiter 120-1 und 120-2 mobile Knoten 103-1 bzw. 103-2 tragen. Wie in 5 gezeigt kann jeder mobile Knoten mit anderen mobilen Knoten entweder direkt oder indirekt unter Verwendung der Funkrouter 102, des Zugangspunktes 101 oder des Netzwerkverwaltungssystems 104-1 kommunizieren. Jeder mobile Knoten kann außerdem kommunizieren mit dem Netzwerkverwaltungssystem 104-1 entweder direkt oder indirekt in einer ähnlichen Art und Weise. Da eine Vielzahl von Routern 102 um den Bereich herum verteilt sind, können die Nachrichtenverbindungen zwischen mobilen Knoten von einer Vorrichtung zu einer anderen weiter gereicht werden während sich der mobile Knoten in dem Bereich umherbewegt.
Wie oben bemerkt können Knoten mit Antennen und entsprechenden Kommunikationssteuerung mit variabler Verstärkung versehen sein. Zum Beispiel kann in 1 der mobile Zugangspunkt 101 eine höhere Verstärkung als die des mobilen Knotens 103 besitzen. Darüber hinaus kann jeder Knoten einen „Notleistungszusatzschalter" enthalten, welcher die Verstärkung oder den Leistungsausgang des Transceivers erhöht für eine vergrößerte Reichweite oder für Signaleindringung in eine Gebäudewand/Etage. Normalerweise arbeiten die Router 102 und die mobilen Knoten 103 innerhalb der Grenzwerte der Federal Communications Comission (FCC), jedoch kann im Notfallmodus jeder Pegel über den normalen FCC-Grenzwerten oder den normalen Batteriebetriebspegeln abgeben, welche festgelegt sind, um die Batterielebenszeit zu maximieren.
Wie aus dem obigen ersichtlich ist, können die hierin beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine Anzahl von Szenarien angewendet werden, jedoch stellt die Beschreibung unten zum Zwecke der Veranschaulichung die auf ein Notfalldiensteinsatzszenario angewendete Ausführungsform da. Das Hauptziel ist es, den Notfalleinsatzkräften zu ermöglichen, einzeln oder in Teams andere Notfalleinsatzkräfte oder Gegenstände in einer Notfalleinsatzumgebung zu orten. Bei der gezeigten Ausführungsform nehmen die Notfallteams die gesamten benötigten Systeme und Ausrüstung mit sich, welche dann schnell eingesetzt und betrieben, später dann entfernt werden kann. Wie vorher bemerkt, kann bei einer alternativen Ausführungsform, bei der die Verwendung regelmäßig erfolgt oder Gegenstände verwaltet und aufbewahrt werden, eine solche Ausrüstung eingesetzt und vor Ort stehen gelassen werden.
Bei der unten beschriebenen Verwendung erfordert die Ausführungsform keine absolute Ortsbestimmung zur Ortsverfolgung von Einsatzkräften und Gegenständen, da relative Positionen ausreichend sind. In anderen Worten, muss ein Feuerwehrmann wissen wo er relativ zu dem Eingang eines Gebäudes oder anderen Feuerwehrleuten und Ausrüstung ist, aber er muss nicht wissen, dass eine Position in New York oder Los Angeles ist.
Wie in 5 gezeigt, befinden sich Zugangspunkte 101 in Löschfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen 119, welche sich an verschiedenen Positionen innerhalb des Einsatzbereichs 118 befinden. Mehrere Funkrouter 102 welche auf erhöhte Vorrichtungen 116 montiert sind, werden entfernt von den Zugangspunkten 101 eingesetzt, um genaue Ortung und Radiofrequenz (RF)-Abdeckung für den Bereich zu ermöglichen. Mobile Knoten 103 werden von jeder Notfalleinsatzkraft 120 und anderen Gegenständen (nicht dargestellt) verwendet, um die Ortsverfolgung und Ortung in dem gesamten Einsatzbereich 118 zu ermöglichen. Da mobile Knoten 103 eingesetzt werden, wird Kommunikation zwischen mobilen Knoten 103, Funkroutern 102, dem Zugangspunkt 101 und dem Netzwerkverwaltungssystem 104-1 eingerichtet. Wie hier im Detail unten beschrieben ist, wird das Netzwerkverwaltungssystem 104-1 fähig sein, die gesamte Verwendung wie z.B. die Ortung und die Ortsverfolgung aller Einsatzkräfte, der Ausrüstung und der Fahrzeuge an dem Schauplatz zu verwalten.
Bei einem Implementierungsbeispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst der Einsatzbereich 118 identifiziert und Einsatzfahrzeuge 119-1 und 119-2 kommen an. Einsatzkräfte 102-1 und 120-2 verwenden mehrere Funkrouter 102-1, 102-2 und 102-3 um ein Sendegebiet wie in 5 gezeigt, bereitzustellen. Jeder einzelne Feuerwehrmann 120 und jeder Gegenstand (nicht dargestellt) trägt einen mobilen Knoten 103 und besitzt die Freiheit irgendein Gebäude an dem Schauplatz zu betreten bei vollständig errichteter und untereinander aufrechterhaltener Sprach- und Daten-Kommunikation entweder direkt oder über die eingesetzten Funkrouter 102, wobei der mobile Knoten 103 und die zugehörige angebaute Host-Vorrichtung 109 verwendet werden. Jeder mobile Knoten 103 erlaubt außerdem die Fähigkeit, mit dem an einem Fahrzeug 119-2 in dem Einsatzbereich befindlichen Netzwerkverwaltungssystem 104-1 zu kommunizieren. Wie mehr im Detail unten erörtert ist, wird das Netzwerkverwaltungssystem jede relative Position jeder Vorrichtung 101, 102, 103 und 104-1 darstellen durch zeigen der Position der Einsatzkräfte, Fahrzeuge und Funkrouter in dem ortsveränderlichen Netzwerk. Die absolute Position kann auch angezeigt werden, wenn die Zugangspunkte 101 und die Funkrouter 102 eine Ortungsfähigkeit wie z.B. GPS besitzen. Diese relative und/oder absolute Positionsinformation kann auch an die Knoten 101, 102 und 103 für die Anzeige gesendet werden.
Wie von einem Fachmann gewürdigt werden kann, stellen Gebäude zusätzliche Herausforderungen an die drahtlose Kommunikation dar, und der Sendebereich innerhalb von Gebäuden in dem in 5 gezeigten Einsatzbereich kann beschränkt oder unter bestimmten Umständen nicht vorhanden sein. In Fällen in denen Gebäude Schwierigkeiten hinsichtlich des Sendebereichs darstellen, kann die Ausführungsform der in 5 gezeigten vorliegenden Erfindung eine sehr einfache und kostengünstige Lösung bereitstellen. Da der Funkrouter 102 wie in 3 gezeigt eine kleine Vorrichtung ist, kann er leicht an irgendeinen Ort, eine Etage oder ein Treppenhaus innerhalb eines Gebäudes von Feuerwehrleuten getragen werden. Wenn die Feuerwehrleute die Grenze des Kommunikations-Sendebereichs zwischen dem Äußeren und dem Inneren eines Gebäudes erreichen können sie einen Funkrouter 102 einsetzen, der als eine dreidimensionale überbrückende Nachrichtenverbindung oder „bread crump" (Brotkrümel) und zum Ver größern des Sendebereichs weiter in das Gebäudeinnere dient. Diese erweiterte Verbindung des Feuerwehrmanns zu dem Gebäudeäußeren kann nun „verkettet" werden durch einen oder mehrere Funkrouter 102, welche an dem Schauplatz und überall in dem Gebäude eingesetzt sind. Außerdem kann abhängig von dem Einsatz der Funkrouter auch eine dreidimensionale Ortsbestimmung erreicht und dem Netzwerkverwaltungssystem 104-1 bereitgestellt werden.
Bei einem Brandbekämpfungsszenarium oder einem Feuer- oder einem Rettungsaktionsszenarium, wie z. B. dem oben beschriebenen, kann z. B. ein verlorener Feuerwehrmann geortet werden durch Messen von Abständen zu anderen Knoten 102 und 103. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berechnen die mobilen Knoten 103 nicht ihr eigene Position, sondern sie verwenden stattdessen das Netzwerk 100, um ihre Messungsinformation an einen zentralen Server 125 zu übermitteln (siehe 1), der z. B. bei dem Verwaltungssystem 104-1 vorhanden sein kann und Messungen von allen Knoten 101, 102 und 103 sammelt. Jedoch kann sich der zentrale Server 125 an irgendeiner anderen geeigneten Stelle befinden. Diese Messungen werden zwischen allen Knoten durchgeführt, die Teil der Ortungsaufgabe sind.
Z. B. melden bei einer Brandbekämpfung oder einem Feuer- und Rettungsaktionsszenarium alle Knoten (z. B. die Knoten 101, 102 und 103) an dem Schauplatz ihre Abstände zu allen anderen Knoten 101, 102 und 103 und senden die Messungen an den zentralen Server 125 unter Verwendung der Funkverbindungen des Netzwerkes 100 oder anderer Verbindungen. Der zentrale Server 125 berechnet die gegenwärtigen x-, y- und z-Koordinaten aller oder ausgewählter Knoten 101, 102 und 103 durch Verwenden der gemeldeten Messungen. Da somit alle Messungen an einem Ort, nämlich bei dem zentralen Server 125, gesammelt werden, können sehr effiziente Algorithmen verwendet werden zum Zurückführen von Messungen auf Ortsinformation in kartesischen, Polar- oder anderen Koordinatensystemen. Wenn ein Knoten, z. B. ein mobiler Knoten 103, seine Position wissen muss, dann sendet er eine Anfrage unter Verwendung der Nachrichtenverbindungen des Netzwerkes 100 wie oben beschrieben an den zentralen Server 125, der die berechneten Koordinaten zurückmeldet. Nochmals, bei dieser Ausfüh rungsform weiß keiner der Knoten seine Koordinaten ohne diese von dem Server 125 anzufordern.
Bei dieser Ausführungsform können die Nachrichtenübertragungen an den Server 125, der die gegenwärtige Position aus den Messungen berechnet, unibidirektional oder bidirektional sein. Z. B. kann jeder Knoten seine wie oben erörtert erhaltenen Abstands- oder Laufzeitmessungen oder irgendwelche anderen Funksignalmessungen an den zentralen Server 125 melden unter Verwendung von Funkverbindungen des Netzwerkes 100. Außerdem muss das Netzwerk 100 nicht wie oben beschrieben ein Ad-hoc-Peer-to-Peer-Multi-Hopping-Netzwerk sein, sondern kann vielmehr irgendeine Art eines Kommunikationsnetzes sein, welches Funkverbindungen zum Übertragen der Messungen verwendet.
Zusätzlich können die Messungen von den Knoten durch Rundfunkübertragung gesendet werden. In diesem Fall können mehrere Server 125 vorhanden sein, wobei jeder Server gesendete Messsignale empfängt und unabhängig die Positionen der Knoten (z. B. die Knoten 103) berechnet, die ihre Messungen gemeldet haben. Genauso kann irgendein einzelner Knoten seine Koordinaten von irgendeinem der mehreren Server 125 anfordern. Die Server 125 können ihre Existenz durch Senden von Nachrichten über Funk- oder andere Verbindungen des Netzwerkes 100 bekannt machen, welche sich auf ihre jeweilige MAC-, IP- oder andere Adresse beziehen. Die Knoten 101, 102 und 103 können diese Information verwenden, um dann auf den gewünschten Server oder die gewünschten Server 125 zuzugreifen. Auf einem Server 125 kann auch zugegriffen werden unter Verwendung einer Ethernet-, WAN-, LAN-, Mobilfunkdaten- oder andere Art von Datenverbindung.
Weiter, wenn ein Knoten (z. B. ein Knoten 103) fähig ist, Information bezüglich seiner absoluten Koordinaten, z. B. die GPS-Koordinaten, zu erfassen, dann kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dieser Knoten 103 seine bekannten Koordinaten an den zentralen Server oder die Server 125 übertragen, welche diese Koordinaten zum Berechnen von Koordinaten anderer Vorrichtungen mittels Translations- und Rotationsberechnungen verwenden kann. Wenn genug bekannte Koordinaten an den zentralen Server oder die Server 125 übertragen sind, dann kann der Server oder können die Server 125 die absoluten Koordinaten für alle Knoten 101, 102 und 103 berechnen, welche sich auf das bekannte Koordinatensystem, z. B. ein GPS-Koordinatensystem, beziehen.
Der zentrale Server oder die Server 125 können außerdem die Koordinaten aller Knoten 101, 102 und 103 an eine Benutzerschnittstelle 130 wie in 6 gezeigt, melden, welche die Koordinaten graphisch anzeigt. Wie angegeben, enthält die Schnittstelle 130, die selbst ein mobiler oder stationärer Knoten des oben diskutierten Typs oder irgendein anderer Typ einer geeigneten Vorrichtung, wie z. B. eines Personal Computers (PC), eines Laptops oder eines Notebooks, ein PDA und so fort sein kann, ein Graphikfenster zum Anzeigen der Position der Vorrichtungen in dem ortsveränderlichen Netzwerk 100, einen Zurückverfolgungsknopf 122, welcher dem Benutzer erlaubt, seine Schritte zurückzuverfolgen, und ein Statusfenster 123 für Textinformation. Alternative Benutzerschnittstellen-Bedienelemente können bei anderen Ausführungsformen enthalten sein, oder wo sie nur in Gegenständen angebracht sind, kann ein Mindestmaß an Bedienelementen bereitgestellt sein. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform werden nur relative Positionen angezeigt. Z. B. wird die Verwendung der Knoten 101, 102 und 103 aus 5 über das Graphikfenster 121 des mobilen Knotens 103 gezeigt, einschließlich der Entfernung und der Richtung eines jeden. Bei noch einer anderen Ausführungsform, bei der die Zugangspunkte 101 und die Funkrouter 102 absolute Positionsinformation enthalten, könnten auch der Breitengrad, der Längengrad und die Höhe eines jeden angezeigt werden. Außerdem können die Zugangspunkte 101, die Funkrouter 102 und das Netzwerkverwaltungssystem 104-1 diese Anzeigemerkmale und Funktionalität auch enthalten.
Diese Benutzerschnittstelle 130 kann verschiedene Vorrichtungstypen unter Verwendung verschiedener Markierungen oder Farben anzeigen. Z. B. können verlorene Personen oder Gegenstände eine unterschiedliche Farbe oder Markierung besitzen als bekannte Vorrichtungen. Außerdem können Knoten, die als Referenz verwendet wer den, wie z. B. die Knoten 101 oder 102, unter Verwendung von verschiedenen Farben angezeigt werden. Außerdem kann die Benutzerschnittstelle 130 verwendet werden zum Benennen der Knoten, indem einem Benutzer ermöglicht wird, den Namen der Person oder des Gegenstandes einzugeben, der auf dem Bildschirm angezeigt werden wird. Ein Benutzer kann außerdem Parameter an eine Liste von Knoten anfügen, die in einem graphischen oder in einem Text-Format angezeigt ist, z. B. können die relativen Positionen der Knoten zu anderen Knoten eingegeben werden und kann die Bedeutung der Position eingegeben werden. Z. B. kann ein Knoten (z. B. ein Knoten 102) als Ursprung ausgewählt werden, ein anderer Knoten 102 als ein x-Achsenpunkt bezüglich des Ursprungs und ein dritter Knoten 102 als ein y-Achsenpunkt bezüglich des Ursprungs, oder genauso können die Beziehungen der Knotenpositionen eingegeben und angezeigt werden.
Die Benutzerschnittstelle 130 kann weiter dazu verwendet werden, die nächste Person oder den nächsten Gegenstand relativ zu anderen zu ermitteln, z.B. die nächste Person oder den nächsten Gegenstand relativ zu einigen anderen, kann auf dem graphischen Benutzerschnittstellen-Bildschirm unterschiedlich angezeigt werden. Zusätzlich kann Information, welche sich auf eine Positionsberechnung bezieht, an den zentralen Server 125 gesendet werden. Zum Beispiel kann ein Sensor an einem mobilen Knoten 103 vorhanden sein und verwendet werden zum Bestimmen, ob sich der Knoten 103 bewegt. Wenn sich der Knoten 103 bewegt, dann kann diese Information an den Server 125 übermittelt werden und können Messungen anders als diejenigen von Knoten behandelt werden, welche stationär sind wie z.B. die Knoten 101 und 102. Die Geschwindigkeit eines Knotens 103 kann verwendet werden zum Filtern von Positionsinformation, z.B. kann Mitteln, Kalman-Filtern wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist (siehe z.B. Greg Welch and Gary Bishop, „An Introduction to the Kalman Filter", TR 95-041, Universität von North Carolina, April 2004 die hierin durch Inbezugnahme mitaufgenommen ist) oder das Verwenden irgend eines anderen geeigneten Filterverfahrens verwendet werden zum Erhöhen der Genauigkeit, wenn Information verfügbar ist, dass der Knoten 103 sich nicht zu schnell ändert, das bedeutet wenn der Knoten 103 sich nicht zu schnell bewegt. Zusätzlich können an jedem Knoten 103 oder an ausgewählten Knoten 103 Beschleunigungssensoren vorhanden sein zum Bestimmen ob sich diese Knoten 103 bewegen und zum Abschätzen ihrer jeweiligen Geschwindigkeit. Es sei bemerkt, dass Apriori-Beschleunigungsinformation, welche bekannt ist, die typische Beschleunigung oder Bewegung des Typs des beobachteten Gegenstandes wiederzugeben, oder gemessene Beschleunigungsinformation über die Bewegung des Gegenstandes verwendet werden können zum Einstellen von Spurvefolgungsparametern des Kalman-Filters oder irgendeiner anderen geeigneten Art des Filterns, die von dem Server 125 durchgeführt werden kann.
Die graphische Benutzerschnittstelle 130 kann weiter verwendet werden zum Darstellen zusätzlicher Information, welche sich auf die Knoten und ihre jeweilige Umgebung bezieht. Zum Beispiel können Temperaturmessungen oder andere Messungen, die sich auf eine Position beziehen, an den zentralen Server oder an die Server 125 übertragen werden. Der zentrale Server oder die Server 125 bestimmen die Position der Messung auf der Grundlage der gemessenen Laufzeit, der TDOA, dem Indikator der Stärke des empfangenen Signals (RSSI) oder ähnlichen Messungen in der oben erörterten An und Weise, und können die zusätzliche Positionsinformation wie z.B. die Temperatur usw., an eine Position für die Anzeige anhängen.
Ein anderes Verwendungsbeispiel für die relative Ortsbestimmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das „Zurückverfolgen" oder die Pfaddokumentation unter Verwendung des mobilen Knotens 103 und der verwendeten Funkrouter oder der oben beschriebenen „bread crumps" (Brotkrimel). Wenn es freigegeben ist, wird dieses Leistungsmerkmal eine dreidimensionale Spur der Bewegungen der Feuerwehrmänner von einem ersten Ursprungspunkt, wie z.B. einem Fahrzeug oder einem Ausgangspunkt, zu einem gegenwärtigen Punkt fortführen. Dadurch kann der Feuerwehrmann die Pfaddokumentation oder „bread crump"-Spur (Brotkrümel-Spur) verwenden, um seine Schritte zurück zu dem Feuerwehrfahrzeug zurückzuverfolgen, wenn die Anwendung diese Information in umgekehrter Reihenfolge wiedergibt auf den Anzeigemerkmalen der Schnittstelle 130, die auch dem mobilen Knoten 103 zur Anzeige bereitgestellt sein können, unter der Annahme, dass dieser mobile Knoten 103 Anzeigefähigkeiten besitzt. Noch ein weiteres Merkmal der oben offenbarten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, eine versehrte Einsatzkraft zu lokalisieren. In einer gleichen Art und Weise wie das oben beschriebene Pfaddokumentationsleistungsmerkmal, können der zentrale Server oder die Server 125 verwendet werden zum Bestimmen und Übermitteln der Position eines versehrten Benutzers eines mobilen Knotens in dem Einsatzbereich, sowie der Richtung des Abstandes und des Pfades von anderen mobilen Knoten, wodurch ermöglicht wird, den versehrten Benutzer elektronisch zu lokalisieren.
Weitere Anwendungen der Ausführungsform beziehen sich auf andere Notfalldienste. Die geringe Größe der mobilen Knoten 103 und die relativ geringen Kosten ermöglichen ihre Verwendung beim Spurverfolgen irgendeines Einsatzes von Personal oder Gegenständen. Dies kann Gegenstände, wie z. B. Generatoren oder Defibrillatoren, oder Personen, wie z. B. Patienten in einer Triageeinheit einschließen. Weitere Anwendungen können Verwendungen einschließen, bei denen Polizeihunde Verdächtige verfolgen und verschiedene Polizeieinheiten ankommen, und jede kann leicht erfasst, positioniert und referenziert werden.
Ein wesentlicher Nutzen der vorliegenden Ausführungsform ist es, dass Gegenstände schnell verfolgt und lokalisiert werden können, ohne Erfordernis von GPS-Systemen. Wie von den Fachleuten gewürdigt werden kann leiden GPS-Systeme daran, dass sie langsam anfänglich synchronisiert werden, und typischerweise eine Sichtlinien-Kommunikation benötigen. Solche Vorrichtungen sind oft ineffektiv in überfüllten oder „zugebauten" Bereichen. Die oben beschriebene Ausführungsform benötigt nicht die Kosten und die Komplexität von GPS oder die absolute Position, die solche System bereitstellen.
Zusammengefasst melden bei einer oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung alle Knoten 101, 102 und 103 oder zumindest ausgewählte Knoten 101, 102 und 103 ihre Messungen an den zentralen Server oder die Server 125. Die Messungen können übermittelt werden von den Knoten 101, 102 und 103 an den zentralen Server oder die Server 125 durch eine einzelne entsprechende Funkverbindung oder durch mehrere Verbindungen. Das Melden wird ausgeführt über eine Radioverbindung oder Verbindungen des Netzwerkes 100, die unidirektional von einem Knoten zu dem Server oder den Servern 125 oder bidirektional ist/sind. Das Funknetzwerk kann ein drahtloses Ad-hoc-Peer-to-Peer-Multi-Hopping-Netzwerk wie oben beschrieben sein, aber kann alternativ irgendein geeignetes drahtloses Netzwerk sein. Der zentrale Server oder die Server 125, der/die allgemein als eine Berechnungsvorrichtung bezeichnet werden kann/können, berechnet die Positionsinformation aus den Messungen, und eine graphische Benutzerschnittstelle 130 fordert Positionsinformation von ausgewählten Vorrichtungen von dem Server 125 an und zeigt diese Information an. Die graphische Benutzerschnittstelle 130 kann verwendet werden zum Eingeben von Information über relative Positionen von Knoten, und diese Information wird an den zentralen Rechenserver oder die Server 125 gesendet. Die graphische Benutzerschnittstelle 130 kann weiter dazu verwendet werden, Knoten auszuwählen, die angezeigt werden, und kann verwendet werden zum Auswählen von Knoten, welche für Positionsberechnungen verwendet werden.
Außerdem kann die graphische Benutzerschnittstelle 130 dazu verwendet werden, einen Positionsberechnungsserver 125 über Parameter von Knoten zu informieren, z. B. ob ein Knoten sich bewegt oder nicht bewegt, den Typ des Knotens, einen Anzeigemodus usw. Die Knotenbewegungsparameter werden an den zentralen Server 125 übermittelt und die Knotengeschwindigkeiten können gemessen werden unter Verwendung von Beschleunigungssensoren wie oben erörtert. Außerdem kann jeder Knoten oder können die ausgewählten Knoten einen Kompass enthalten, welcher den zentralen Server oder die Server 125 von der Richtung informiert, in der er sich bewegt, und diese Information kann verwendet werden zum Bestimmen der Richtung der Bewegung oder des Verfahrens zum Filtern der Daten von einem Knoten. Darüber hinaus kann die Knotengeschwindigkeit verwendet werden zum Bestimmen des Filter- oder Verarbeitungsverfahrens für Knotenmessungen oder berechnete Positionsinformation, und kann die graphische Benutzerschnittstelle 130 verwendet werden zum Anfügen von zusätzli cher Information, wie z. B. der Temperatur, der Kompassausrichtung usw., an die Positionsinformation.
Zusätzlich, wenn ein Knoten 101, 102 oder 103 seine Position wissen muss, fordert er seine berechnete Positionsinformation von einem zentralen Positionsserver 125 an. Außerdem, obwohl ein jeweiliger Positionsserver 125 in jedem Knoten arbeiten kann, muss aber jeder Server 125 den gleichen Satz von von den Knoten erfassten Messungen verwenden, so dass die berechneten Positionen die gleichen sind.
In der vorhergehenden Beschreibung sind bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Jedoch würdigt ein Fachmann, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung wie er in den Ansprüchen weiter unten ausgeführt ist, abzuweichen. Der Nutzen, die Vorteile, die Lösungen zu Problemen und jedes Element/alle Elemente, welche bewirken, dass irgendein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, werden nicht als entscheidende, benötigte oder wesentliche Merkmale oder Elemente irgendeines oder aller Ansprüche ausgelegt. Die Erfindung ist allein durch die angehängten Ansprüche definiert einschließlich irgendwelcher Änderungen, welche während der Anhängigkeit dieser Anmeldung gemacht wurden, und aller Äquivalente dieser wie herausgegebenen Ansprüche.
Obwohl nur wenige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden sind, werden Fachleute leicht würdigen, dass viele Abwandlungen möglich sind bei den beispielhaften Ausführungsformen, ohne materiell von den neuen Lehren und Vorteilen dieser Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass alle solche Abwandlungen innerhalb des Umfangs der so definierten Erfindung enthalten sind.
Zusammenfassung
Ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen von Positionsinformation eines mobilen Benutzerendgerätes (103) in einem ortsveränderlichen drahtlosen Sprach- und Datenkommunikationsnetzwerk, wie z.B. einem drahtlosen Ad-Hoc-Kommunikationsnetzwerk (100). Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zur Ortung von Personen oder Gegenständen unter Verwendung einer zentralen Berechnungsvorrichtung, wie z.B. einem Server (125), der die jeweiligen Positionen der Endgeräte (103) aus der jeweiligen von den Endgeräten (103) bereitgestellten Information berechnet, welche sich auf ihre jeweiligen Positionen bezieht. Eine graphische Anzeige (121), welche die Positionsinformation von dem zentralen Server (125) empfängt und eine graphische Anzeige (121) der Position aller oder ausgewählter Benutzerendgeräte (103) auf der Grundlage ihrer wie von dem Server (125) berechneten Positionen erzeugt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Knotenpositionsinformation in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, wobei das Netzwerk (100) eine Mehrzahl von Knoten (103) aufweist, welche eingerichtet sind zum Senden und Empfangen von Signalen zu und von einander, wobei das Verfahren umfasst: das Verteilen einer Mehrzahl von Knoten in einem Einsatzbereich (118) und Aktivieren der Knoten (103) derart, dass sie Positionsinformation über sich selbst erfassen; das Betreiben jedes der Knoten (103) derart, dass sie ihre jeweilig erfasste Positionsinformation an eine Berechnungsvorrichtung (125) bereitstellen; und das Betreiben der Berechnungsvorrichtung (125) derart, dass sie die jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der jeweiligen Positionsinformation berechnet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter mit: dem Erzeugen einer Anzeige, welche die jeweiligen Positionen der Knoten (103) darstellt, die von der Berechnungsvorrichtung (125) berechnet wurden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Erzeugungsschritt umfasst: das Betreiben der Berechnungsvorrichtung (125) derart, dass sie die berechneten jeweiligen Positionen darstellenden Daten einer Benutzerschnittstelle (130) bereitstellt; und das Betreiben der Benutzerschnittstelle (130) derart, dass sie die jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der Daten anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter umfasst: das Verteilen einer Mehrzahl von stationären Knoten (101, 102); und das Betreiben der Knoten (103) derart, dass sie Positionsinformation über sich selbst auf der Grundlage einer Wechselwirkung mit den stationären Knoten (101, 102) erfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiter umfasst: das Betreiben von zumindest einem der Knoten (103) derart, dass er seine jeweilige Positionsinformation von der Berechnungsvorrichtung (125) anfordert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens der Berechnungsvorrichtung umfasst: das Filtern der jeweiligen Positionsinformation der jeweiligen Knoten (103) auf der Grundlage des jeweiligen bekannten Verhaltens der jeweiligen Knoten (103).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens der Berechnungsvorrichtung umfasst: Filtern der jeweiligen Positionsinformation der jeweiligen Knoten (103) auf der Grundlage jeweiliger Messungsinformation, welche von jedem der jeweiligen Knoten (103) über seine eigene Bewegung bereitgestellt wird.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk, das aufweist: eine Mehrzahl von Knoten (103), die eingerichtet sind zum Übertragen und Empfangen von Signalen zu und von einander, sowie weiter geeignet sind für das Verteilen in einem Einsatzbereich (118), und derart betreibbar sind, dass sie Positionsinformation über sich selbst erfassen; und eine Berechnungsvorrichtung (125); wobei jeder der Knoten (103) weiter dafür eingerichtet ist, seine jeweilige erfasste Positionsinformation an die Berechnungsvorrichtung (125) bereitzustellen, und wobei die Berechnungsvorrichtung (125) dafür eingerichtet ist, die jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der jeweiligen Positionsinformation zu berechnen.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 8, das weiter umfasst: eine Anzeigevorrichtung (121), die eingerichtet ist zum Erzeugen einer Anzeige, welche die von der Berechnungsvorrichtung (125) berechneten jeweiligen Positionen der Knoten (103) darstellt.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 9, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) eingerichtet ist zum Bereitstellen von die berechneten jeweiligen Positionen wiedergebenden Daten an die Anzeigevorrichtung (121); und die Anzeigevorrichtung (121) eingerichtet ist zum Anzeigen der jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der Daten.
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 8, das weiter umfasst: eine Mehrzahl von stationären Knoten (101, 102); und wobei die Knoten (103) eingerichtet sind zum Erfassen der Positionsinformation über sich selbst auf der Grundlage der Wechselwirkung mit den stationären Knoten (101, 102).
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 8, wobei: die Knoten (103) weiter eingerichtet sind zum Anfordern ihrer jeweiligen Positionsinformation von der Berechnungsvorrichtung (125).
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 8, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) weiter eingerichtet ist zum Filtern der jeweiligen Positionsinformation der jeweiligen Knoten (103) auf der Grundlage von jeweilig bekanntem Verhalten der jeweiligen Knoten (103).
Drahtloses Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 8, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) weiter eingerichtet ist zum Filtern der jeweiligen Positionsinformation der jeweiligen Knoten (103) auf der Grundlage jeweiliger Messungsinformation, die von jedem der jeweiligen Knoten (103) über seine eigene Bewegung bereitgestellt ist.
System zur Verwendung mit einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, welches eine Mehrzahl von Knoten (103) umfasst, die eingerichtet sind zum Übertragen und Empfangen von Signalen zu und von einander und weiter geeignet sind für eine Verteilung in einem Einsatzbereich (118) und derart betreibbar sind, dass sie Positionsinformation über sich selbst erfassen, wobei das System umfasst: einen Transceiver (105), der eingerichtet ist zum Empfangen jeweilig erfasster Positionsinformation von den jeweiligen Knoten (103); und eine Berechnungsvorrichtung (125), die eingerichtet ist zum Berechnen der jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der jeweiligen Positionsinformation.
System nach Anspruch 15, das weiter umfasst: eine Anzeigevorrichtung (121), die eingerichtet ist zum Erzeugen einer Anzeige, welche die von der Berechnungsvorrichtung (125) berechneten jeweiligen Positionen der Knoten (103) darstellt.
System nach Anspruch 16, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) eingerichtet ist zum Bereitstellen von die berechneten jeweiligen Positionen wiedergebenden Daten an die Anzeigevorrichtung (121); und die Anzeigevorrichtung (121) eingerichtet ist zum Anzeigen der jeweiligen Positionen der Knoten (103) auf der Grundlage der Daten.
System nach Anspruch 15, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) weiter eingerichtet ist zum Senden der jeweiligen Positionsinformation eines besagten Knotens (103), der die jeweilige Positionsinformation von der Berechnungsvorrichtung (125) anfordert, über den Transceiver (105).
System nach Anspruch 15, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) weiter eingerichtet ist zum Filtern der jeweiligen Positionsinformation der jeweiligen Knoten (103) auf der Grundlage jeweiligen bekannten Verhaltens der jeweiligen Knoten (103).
System nach Anspruch 15, wobei: die Berechnungsvorrichtung (125) weiter eingerichtet ist zum Filtern der jeweiligen Positionsinformation der jeweiligen Knoten (103) auf der Grundlage jeweiliger Messungsinformation, die von jedem der jeweiligen Knoten (103) über dessen eigene Bewegung bereitgestellt ist.