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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Mobilfunk-Kommunikationsgebiet
und insbesondere ein Verfahren und System zur Verwendung beim Bestimmen
der geografischen Position eines Mobilfunk-Endgerätes.
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Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Mobilfunk-Positionsbestimmung
ist ein wachsendes Gebiet, das spät ein großes Maß an Interesse erhalten hat
und es ist nun wünschenswert, eine
Positionsbestimmungsfähigkeit
in zukünftigen, zellularen
Mobilfunksystemen einzuschließen.
Das Zeitunterschied-einer-Ankunft-Positionsbestimmungsverfahren
(TDOA – Time
Difference of Arrival), das aus militärischen Anwendungen bekannt
ist, wurde erfolgreich zum Bestimmen der Position von Mobilfunk-Endgeräten verwendet.
Ein typisches TDOA-Positionsbestimmungssystem kann entweder Endgerätbasiert
sein, wodurch die Zeit der Ankunftsmessungen (TOA – Time of
Arrival) auf dem „Downlink" in der Mobilstation
(MS) durchgeführt
werden oder Netzwerkbasiert, wobei das Netzwerk die TOA-Messungen
auf dem „Uplink" in den Funkbasisstationen
(BSs) durchführt.
Diese TOA-Messungen werden dann verwendet, TDOA-Parameter zu berechnen
und die Position des MS zu schätzen.
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Ein
Positionsbestimmungssystem, das für zellulare, mobile Funkpositionsbestimmung
verwendet wurde, wird von TruePositionTM vermarktet.
Dieses System wurde zum Bestimmen der Position von analogen Standard-Mobilfunk-Endgeräten verwendet,
die gemäß dem IS-54-Standard
arbeiten. Gegenwärtig
bilden diese Endgeräte
die überwiegende Mehrzahl
von Mobilfunk-Endgeräten,
die in den Vereinigten Staaten verwendet werden. Das TruePosition-System,
mit seinen eigenen Abhörfunk-Basisstationen,
wird unabhängig
von zellularen Systemen betrieben und kann Draht-gebundene („A" Frequenzband) und
nicht Draht-gebundene („B" Frequenzband) Bediener
innerhalb des gleichen geografischen Gebiets bedienen. Als solche
können
diese Bediener das gleiche TruePosition-Positionsbestimmungssystem teilen. Auf
Anfrage stellt das TruePosition-System Positionsinformation von
einzelnen zellularen Mobilfunkgeräten bereit. Ansonsten kommuniziert
das Positionsbestimmungssystem normalerweise nicht mit den zellularen
Mobilfunksystemen.
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Wie
zuvor erwähnt,
basiert das TDOA-Verfahren einer Positionsbestimmung, das von dem
TruePosition-System verwendet wird, auf einer bekannten militärischen
Anwendung. Im Wesentlichen werden mit dem TDOA-Verfahren die absoluten
TOAs einer Uplink-Nachricht, die von einem Mobilfunk-Endgerät übertragen
wird, in zumindest drei festen Funk-BSs registriert. Diese Information
wird in einem zentral angeordneten Prozessor verarbeitet, der die Position
des Endgerätes
berechnet. Die Registrierung von Uplink-Nachrichten in dem TruePosition-System
richtet sich primär
auf Uplink-Steuernachrichten auf den (analogen) Zugriffskanälen (z.B. „Rücksteuerkanal" unter dem IS-54-Standard). Vor allem
umfassen unter dem IS-54-Standard einige dieser Steuernachrichten
(z.B. registrierende Nachrichten und Funkruf-Antwortnachrichten)
die Terminalidentität
in einem unverschlüsselten
Code, der es dem TruePosition-System ermöglicht, die Position eines
bestimmten Endgerätes
zu bestimmen, ohne irgendeine Information von dem zellularen Netzwerk-Bediener
erhalten zu müssen,
der für
das betroffene Endgerät
verantwortlich ist. Der IS-54-Standard erleichtert weiter die positionierende
Aufgabe dadurch, dass er alle der Zugriffskanäle zu wenigen, ziemlich engen
Frequenzbändern
zugeordnet aufweist, statt diese über ein breites Frequenzband
unter den Verkehrskanälen
verteilt aufzuweisen (z.B. wie in dem Falle des IS-136-Standard).
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Jedoch
bedeutet die primäre
Verwendung von Zugriffskanälen,
dass Positionsbestimmung leichter für Mobilfunk-Endgeräte in einem
Leerlaufmodus durchgeführt
wird, da die Zugriffskanäle
lediglich von Leerlauf-Endgeräten
verwendet werden (z.B. beim Registrieren oder nach einem über Funk
gerufen werden). Falls die Position eines Mobilfunk-Endgerätes bestimmt
werden soll, während
dieses sich in einem Gesprächsmodus
befindet, hat das TruePosition-System die Option eines Verwendens
weniger Verkehrskanäle
zum Sprachkanal-Verfolgen. Falls folglich zum Beispiel die Position
einer Polizeiperson während
eines Einsatzes zu bestimmen ist, während über ein in der Hand gehaltenes
Funktelefon gesprochen wird, muss das Netzwerk das Funktelefon an
einen Verkehrskanal übergeben
oder ursprünglich
zuweisen, der von dem TruePosition-System bewacht wird.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,327,144 von Stilp, et al. offenbart ein Ort-Bestimmungssystem
für ein
zellulares Telefon (offensichtlich verknüpft mit dem TruePosition-System).
Gemäß diesem
Patent werden die Uplink-Signale, die periodisch übertragen
werden (z.B. zellulare, registrierende Nachrichten, die alle 15 Minuten
unter dem IS-54-Protokoll auftreten können), von einem Mobilfunk-Endgerät auf einem
(analogen) Rücksteuerkanal
empfangen und von zumindest drei Funk-Basisstationen aufgezeichnet. Die TOA
eines jeden Signals wird an der jeweiligen Funkbasisstation zusammen
mit der Identität
des übertragenden
Endgerätes
aufgezeichnet (die in der Uplink-Nachricht enthalten ist). Diese
Information wird an einen Prozessor übertragen, der die TDOAs verwendet,
die aus den drei TOAs und den bekannten Positionen der Funkbasisstationen
resultieren, um die Position des so identifizierten Mobilfunk-Endgerätes zu berechnen.
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Die
PCT-Anmeldung Nr. WO 94/27161 von Stilp et al. (ebenso offensichtlich
mit dem TruePosition-System verknüpft) offenbart ein TDOA-System zum
Bestimmen der Position eines mobilen Senders. Das Uplink-Signal,
das eher reagierend als periodisch übertragen wird (z.B. zellulare
Funkruf-Bestätigungsnachrichten),
werden von einem Mobilfunk-Endgerät empfangen, mit dem TOA Zeitgestempelt
und von einer Vielzahl von BSs zusammen mit der Identität des übertragenden
Endgerätes
aufgezeichnet (enthalten in der Uplink-Nachricht). Diese Information
wird an einen Prozessor übertragen,
der die TOAs und bekannte Positionen der Funk-BSs verwendet, um
die Position des so identifizierten Mobilfunk-Endgerätes zu berechnen.
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Obwohl
die oben beschriebenen Dokumente einen beträchtlichen Fortschritt auf dem
zellularen Positionsbestimmungsgebiet darstellen, gibt es immer
noch eine Anzahl von Problemen, die gelöst werden müssen. Zum Beispiel ist das
oben beschriebene TDOA-Verfahren im Allgemeinen nicht auf analoge Sprachkanäle in einem
IS-54-System anwendbar, da die Sprachkanalfrequenzen zu den Funk-BSs
gemäß einem
Frequenzplan verteilt sind. Falls vorbestimmte Sprachkanäle (Frequenzen)
für Positionsbestimmungsmessungen
statt vorbestimmter Zugriffskanäle
verwendet werden sollen, sind einige Funk-BS nicht in der Lage,
Sprachkanäle
auf diese vorbestimmten Frequenzen zuzuordnen, da die BS-Kombinatoren
auf Basisstations-spezifische Frequenzen abgestimmt sind, die nicht
die vorbestimmten Frequenzen einschließen müssen. Folglich kann die Position
der Endgeräte,
die mit diesen Funk-BS kommunizieren, nicht durch das oben beschriebene
Verfahren bestimmt werden, wenn diese Endgeräte in einem Gesprächsmodus
arbeiten.
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Ein
zusätzliches
Problem mit dem oben beschriebenen Positionierungsverfahren betrifft
insbesondere die Leistungssteuerung des Mobilfunk-Endgerätes, wenn
es auf ein Mobilfunk-Endgerät
in dem Gesprächsmodus
auf einem Verkehrskanal angewendet wird. Falls das Endgerät nahe der
Funkbasisstation ist, sendet das Landsystem Sendeleistungs-Steuerungsbefehle
an das Mobilfunk-Endgerät,
die eine niedrige Uplink-Übertragungsleistung anfordern.
Weiter entfernt gelegene Funkbasisstationen, die beauftragt sind,
eine TOA zu messen, empfangen dann ein Signal, das nicht stark genug
ist, um die TOA-Messungen durchzuführen und die Endgerät-Identität zu lesen,
falls die Entfernung von dem Mobilfunk-Endgerät derart ist, dass Interferenz
eine gewisse Grenze überschreitet.
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Noch
ein anderes Problem mit dem oben beschriebenen Mobilfunk-Endgerät positionierenden Verfahren
ist, dass es nicht für
digitale Sprachkanäle in
einem IS-54-System anwendbar ist und das Mobilfunk-Endgerät zu einem
Kanal aus einer Vielzahl von vorbestimmten, analogen Sprachkanälen übergegeben
werden muss, bevor das positionierende Verfahren verwendet werden
kann. Darüber
hinaus ist das oben beschriebene, Positionierungsverfahren schwierig
unter rein digitalen Standards zu verwenden, wie zum Beispiel in
einem IS-136-System (unter anderem), da die Steuerkanäle bei irgendwelchen Frequenzen
in dem zugeordneten Frequenzband liegen können und es unmöglich ist,
einen gesamten Verkehr auf allen Kanälen im Voraus aufzuzeichnen, bevor
eine Positionsbestimmungsanfrage empfangen wurde. Darüber hinaus
wird in einigen, zellularen Mobilfunksystemen, wie zum Beispiel
dem digitalen, globalen System für
mobile Kommunikation (GSM – Global
System for Mobile communications), ein Frequenzsprungmodus für Verkehrskanäle verwendet, der
es virtuell unmöglich
macht, eine Position eines Mobil-Endgeräts gemäß dem oben beschriebenen Verfahren
zu bestimmen.
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Folglich
existiert ein Bedarf für
ein Verfahren eines Bestimmens der Position irgendeines zellularen
Mobilfunk-Endgerätes auf
irgendeinem Uplink-Verkehrskanal oder Steuerungskanal und gemäß irgendeinem
gegenwärtigen
und zukünftigen Mobil-Kommunikationsstandard.
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Ein
Problem, dass von der vorliegenden Erfindung behandelt wird, ist,
wie die geografische Position irgendeines digitalen oder analogen
Mobilfunk-Endgerätes
zu bestimmen ist, während
ein Uplink-TDOA-Verfahren auf gewöhnliche digitale oder analoge
Verkehrskanäle
(z.B. Sprachkanäle) angewendet
wird, jedoch zu erkennen, dass mobile Endgeräte, die in einem Gesprächsmodus
auf den Verkehrskanälen
arbeiten, normalerweise nicht ihre Identitäten auf dem Uplink übertragen
und dass die Verkehrskanäle
in einem Frequenzsprungmodus verwendet werden können.
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Ein
anderes Problem, das von der vorliegenden Erfindung behandelt wird,
ist, wie die geografische Position von digitalen und analogen Standard-Mobilfunk-Endgeräten zu bestimmen
ist, wenn Richtungsantennen (z.B. Antennenfelder) zur Verwendung
in den BS verfügbar
sind und wie daher das Uplink-TDOA-Verfahren mit Richtung-einer-Ankunft-Messungen
(DOA – direction
of arrival) zu ergänzen
ist.
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Noch
ein anderes Problem, das von der vorliegenden Erfindung behandelt
wird, ist, wie die geografische Position eines Mobilfunk-Endgerätes zu bestimmen
ist, das in einem Gesprächsmodus
unter Verwendung von TDMA-Zeitschlitzen auf einer Trägerfrequenz
arbeitet, wobei „Bursts" in den Zeitschlitzen
mit denjenigen in anderen Zeitschlitzen bei Ankommen an einer nicht
bedienenden Funk-BS überlappen
können,
da die Zeitausrichtungs-Systemfunktion (TA – time alignment) gestaltet
ist, derartige Überlappungen
lediglich bei der bedienenden Funk-BS zu vermeiden.
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Noch
ein anderes Problem, das von der vorliegenden Erfindung behandelt
wird, ist, wie die Genauigkeit von Messungen an bestimmten geografischen
Orten zu verbessern ist, die eine verbesserte Positionsbestimmung
eines Mobilfunk-Endgerätes erfordern.
Zum Beispiel kann die Anforderung für eine Genauigkeit in Abhängigkeit
der Umgebung (ländlich
draußen,
städtisch
innen, usw.) des Mobil-Endgerätes
variieren, das die Positionsbestimmung benötigt.
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Noch
ein anderes Problem, das von der vorliegenden Erfindung behandelt
wird, ist, wie Funkbasisstationen in die Lage versetzt werden, soweit
empfangene Funkenergie betroffen ist, die TOA von Uplink-Signalen
zu messen, die von entfernt gelegenen Mobilfunkstationen übertragen
werden.
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Daher
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Uplink-TDOA-Verfahren und
-Gerät
zum Bestimmen der Position eines Mobilfunk-Endgerätes, das
in dem Gesprächsmodus
arbeitet, direkt auf einem beliebigen, analogen oder digitalen Verkehrskanal
eines Mobilfunksystems bereitzustellen, wobei Nicht-Frequenzsprung-Verkehrskanäle vorliegen und
Frequenzsprung-Verkehrskanäle
vorliegen können.
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Es
ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Uplink-TDOA-Verfahren
und -Gerät
zum Bestimmen der Position eines Mobilfunk-Endgerätes, das
in dem Gesprächsmodus
arbeitet, direkt auf einem beliebigen, analogen oder digitalen Verkehrskanal
eines Mobilfunksystems bereitzustellen, wobei Richtungsmessungen
in dem fixierten Teil des Systems durchgeführt werden, um die TDOA-Messungen
zu ergänzen.
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Es
ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Uplink-TDOA-Verfahren
und -Gerät zum
Bestimmen der Position eines Mobilfunk-Endgerätes, das in dem Gesprächsmodus
arbeitet, direkt auf einem beliebigen analogen oder digitalen Verkehrskanal
eines Mobilfunksystems bereitzustellen, wobei das Überlappen
von empfangenen „Bursts" vermieden werden
kann.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Uplink-TDOA-Verfahren
und -Gerät
zum Bestimmen der Position eines Mobilfunk-Endgerätes, das
in dem Gesprächsmodus
arbeitet, direkt auf einem beliebigen analogen oder digitalen Verkehrskanal
eines Mobilfunksystems bereitzustellen, wobei lokal verbesserte
Genauigkeit bereitgestellt werden kann, wie benötigt.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Uplink-TDOA-Verfahren
und -Gerät
zum Bestimmen der Position eines Mobilfunk-Endgerätes, das
in dem Gesprächsmodus
arbeitet, direkt auf einem beliebigen analogen oder digitalen Verkehrskanal
eines Mobilfunksystems bereitzustellen, wobei Basisstationen, (einschließlich des
Falles, bei dem entfernt gelegene Funkbasisstationen an der Positionsbestimmung
teilnehmen) mit genügender,
empfangener Uplink-Signalenergie versorgt werden, um die TOA der
Signale zu bestimmen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: ein
Verfahren zum Bestimmen der geographischen Position eines ersten
Mobilfunkendgerätes
in einem Mobilfunksystem, wobei das Mobilfunksystem ein Netzwerksteuergerät und zumindest
zwei Funkbasisstationen umfasst, von denen jede zumindest eine Uplink-TOA-Messeinheit
umfasst, von denen jede an einem unterschiedlichen Ort in Bezug
zueinander lokalisiert ist und jede betriebsfähig ist, mit dem Netzwerksteuergerät zu kommunizieren,
eine Steuereinheit und eine Zeitreferenz-Einheit, die betriebsfähig sind,
Zeitsteuer-Referenzsignale an die Uplink-TOA-Messeinheiten (Uplink: Anbindung
nach oben) bereitzustellen, wobei zumindest eine der zumindest zwei
Funkbasisstationen zusammen mit einem zweiten Mobilfunkendgerät aufgestellt
und verbunden ist, wobei das zweite Mobilfunkendgerät mit dem
Netzwerksteuergerät über eine
Funk-Luftschnittstelle gekoppelt ist, und ein Dienst-Knoten betriebsfähig ist,
bekannte Positionen von zumindest zwei der Uplink-TOA-Messeinheiten
zu speichern, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Empfangen
einer Anforderung in dem Mobilfunksystem, um die geographische Position
des ersten Mobilfunkendgeräts
zu bestimmen; Bestimmen und Melden der Position des zweiten Mobilfunkendgerätes an den
Dienst-Knoten; Anweisen
des ersten Mobilfunkendgerätes,
digitale Signale in Uplink-Richtung auf dem Verkehrssignal zu übertragen,
wenn das erste mobile Endgerät
nicht überträgt oder
lediglich analoge Signale überträgt; Messen
in jeder Uplink-TOA-Messeinheit einer Uplink-TOA-Messung der digitalen
Signale, die von dem ersten Mobilfunkendgerät übertragen werden; Empfangen
in dem Netzwerksteuergerät
der Uplink-TOA-Messung
von jeder Uplink-TOA-Messeinheit und einer Verkehrskanalnummer an
den Verkehrskanal; Übersetzen
der Verkehrskanalnummer in eine Identität des ersten Mobilfunkendgerätes; Befördern der
Uplink-TOA-Messungen und der ersten Mobilfunkendgerät-Identität an den
Dienstknoten; Und Berechnen in dem Dienst-Knoten (103)
der Position des ersten Mobilfunkendgerätes (108) unter Verwendung
der bekannten Positionen der Vielzahl von Uplink-TOA-Messeinheiten (130)
und der Uplink-TOA-Messungen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: eine
Messausrüstung
zur Verwendung in einem Mobilfunksystem einschließlich eines
Gerätes
für Positionsbestimmungsmessungen,
wobei die Messausrüstung
mit einem Netzwerksteuergerät,
einer Zeitreferenzeinheit und zumindest einer Empfangsantenne verbunden
ist, mit: einer ersten Vorrichtung zum Messen einer TOA, wobei die
erste Vorrichtung mit der Zeitreferenz gekoppelt ist; einer zweiten
Vorrichtung zum Befördern der
digitalen Uplink-Information der ersten Vorrichtung von einem zu
messenden Kanal und zum Verwenden einer Korrelation mit nicht-variabler
Verkehrskanalinformation zum Bestimmen einer TOA; zumindest einem
Funkempfänger,
wobei der zumindest eine Funkempfänger zumindest einen Demodulator
umfasst; einem Empfangsfrequenzsynthesizer, der betriebsfähig ist,
mit dem zumindest einen Demodulator eine Frequenz zu koppeln, die
Positionsbestimmungsmessungen auf einem spezifischen Verkehrskanal
ermöglicht;
und einer Vorrichtung zum Empfangen und Speichern von Frequenzsprungsequenzen,
um eine TOA-Messung
auf Frequenzsprungverkehrskanälen
zu ermöglichen.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: eine
Basisstation mit der Messausrüstung
und weiter mit zumindest einem TOA-Messgerät zum Messen von TOA auf Verkehrskanälen, wobei
zumindest ein TOA-Messgerät betriebsfähig ist,
mit einem Netzwerksteuergerät
der Funkbasisstation zu kommunizieren und mit einem TOA-Messgerät von zumindest
einer zweiten Funkbasisstation synchron zu laufen, und wobei eine
Vielzahl von Sende-Empfängern
der ersten Funkbasisstation nicht mit einer Vielzahl von Sende-Empfängern von
zumindest einer zweiten Funkbasisstation (108) synchron
läuft.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: ein
Netzwerksteuergerät
zum Bestimmen einer Position eines Mobilfunkgerätes, mit: einer Vorrichtung
zum Anweisen der Vielzahl von Funkbasisstationen, TOA-Messungen
auf einem spezifizierten Verkehrskanal durchzuführen; einer Vorrichtung zum Übersetzen
einer Kanalidentität
in eine Identität
des Mobilfunkendgerätes,
und einer Vorrichtung zum Befördern
der TOA-Messungen und der Identität des Mobilfunkendgerätes zu einem
Dienst-Knoten zur Verwendung beim Berechnen der Position des Mobilfunkendgerätes.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: ein Dienst-Knoten zur
Verwendung beim Berechnen einer Mobilfunkengerätpositionsinformation in einem
zellularen Mobilfunknetzwerk, mit: einer Vorrichtung zum Empfangen von
Positionsinformationsanfragen; einer Vorrichtung zum Anfordern eines
Mobilfunkendgeräts
digitale Signale in Uplink-Richtung auf dem Verkehrssignal zu übertragen,
falls das Mobilfunkendgerät
(108) entweder analoge Signale oder keine Signale überträgt; einer
Vorrichtung zum Speichern bekannter Funkbasisstationspositionsinformation
zur Verwendung beim Berechnen der mobilen Endgerätpositionsinformation; einer
Vorrichtung zum Empfangen von TOA-Messungen von einem Netzwerksteuergerät; und einer
Vorrichtung zum Berechen der mobilen Endgerätpositionsinformation unter
Verwendung von TOA-Information, die mit dem mobilen Endgerät verknüpft ist,
und bekannter Funkbasisstationspositionsinformation.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt:
ein Mobilfunksystem, das in der Lage ist, die geographische Position
eines Mobilfunkendgerätes
zu bestimmen, das in dem Mobilfunksystem lokalisiert ist, mit: einem
Netzwerksteuergerät,
einer Funkbasisstationen, die eine Vielzahl von Uplink-TOA-Messeinheiten
umfasst, von denen jede an einem unterschiedlichen Ort in Bezug zueinander
lokalisiert ist und jede betriebsfähig ist, mit dem Netzwerksteuergerät zu kommunizieren, und
eine Zeitreferenz-Einheit,
die betriebsfähig
ist, Zeitsteuer-Signale an jede Uplink-TOA-Messeinheit bereitzustellen;
einer mobilen Einheit mit einer Basisstation, die zusammen mit einem
zweiten Mobilfunkendgerät
aufgestellt ist, wobei das zweite Mobilfunkendgerät mit dem
Netzwerksteuergerät über eine Funk-Luftschnittstelle
gekoppelt ist; und einem Dienst-Knoten, der betriebsfähig ist,
bekannte Positionen der Vielzahl von Uplink-TOA-Messeinheiten zu speichern,
wobei das Mobilfunksystem betriebsfähig ist, die geographische
Position des Mobilfunkendgerätes
zu bestimmen, durch Empfangen einer Anforderung, um die geographische
Position des Mobilfunkendgerät
zu bestimmen; Anweisen des Mobilfunkendgerätes, digitale Signale in Uplink-Richtung
auf dem Verkehrssignal zu übertragen,
falls das Mobilfunkendgerät
analoge Signale oder keine Signale überträgt; Messen von TOA-Information auf jedem Verkehrskanal
in jeder Uplink-TOA-Messeinheit, Empfangen
der TOA-Messungsinformation von jeder Uplink-TOA-Messeinheit in
dem Netzwerksteuergerät
und einer Referenz zu dem Verkehrskanal; Übersetzen einer Identität des Verkehrskanals
in eine Identität
des Mobilfunkendgeräts,
Befördern
der Uplink-TOA-Messungsinformation und der Identität an den
Dienstknoten; und Berechnen in dem Dienst-Knoten der geographischen Position des
Mobilfunkendgerätes
unter Verwendung der bekannten Positionsinformation der Vielzahl
von Uplink-TOA-Messeinheiten und der Uplink-TOA-Messungsinformation.
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Ein
vollständigeres
Verstehen des Verfahrens und Gerätes
der vorliegenden Erfindung kann durch Bezug auf die folgende, detaillierte
Beschreibung erhalten werden, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen genommen wird, wobei.
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1 ein
schematisches Blockdiagramm ist, das ein zellulares Mobilfunksystem
mit einer integrierten Positionsbestimmungsfunktion gemäß einer bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm ist, das Details des modifizierten Empfängers (ModRX) 130 zeigt,
der in 1 gezeigt ist;
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3 ist
ein Diagramm, das ein Format für einen
Rück-(Uplink)-Zeitschlitz
unter dem IS-136-Standard, auf dem TOA-Messungen durchgeführt werden, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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4 ist
ein Diagramm, das ein Format für einen
Rück-(Uplink)-Sprachkanal-Nachrichtenstrom unter
dem IS-54-Standard,
auf dem TOA-Messungen durchgeführt
werden, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 ist
ein Flussdiagramm, das ein Positionsbestimmungsverfahren darstellt,
das in Verbindung mit dem in 1 gezeigten
System gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann; und
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein zellulares Mobilfunksystem
mit einer integrierten Positionsbestimmungsfunktion gemäß der in 1 gezeigten,
bevorzugten Ausführung
zeigt, jedoch modifiziert, um das neue Konzept einer „kaskadierten
Positionsbestimmung" zu
implementieren.
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7 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein zellulares Mobilfunksystem
gemäß der bevorzugten,
in 1 gezeigten Ausführung zeigt, jedoch modifiziert,
um die Referenz-Mobilstation(en) statt dem GPS und einer Zeitreferenzeinheit
zu verwenden.
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Das
Folgende beschreibt ein System zum Integrieren der Positionierungsfunktionen
in dem Landnetzwerk des Mobilfunksystems, das das Mobilfunk-Endgerät handhabt.
Insbesondere werden die Uplink-TOA-(und optional DOA)-Messungen, die für Mobilendgerät-Positionsbestimmungen
benötigt
werden, auf Anforderung in den Funk-BSs des Mobilfunksystems unter
Verwendung eines modifizierten Empfängers (ModRX) durchgeführt, in
dem die gewöhnlichen
Funktionen eines Senders/Empfängers (TX-RX)
um die Funktionen einer messenden Ausrüstung ergänzt wurden. In der bevorzugten
Ausführung
wird der TX-Teil nicht in dem ModRX verwendet und kann daher ausgeschlossen
werden. Messungsbefehle werden durch ein Netzwerk-Steuergerät, wie zum
Beispiel eine Mobildienst-Vermittlungsstelle (MSC) an eine oder
mehrere BSs gesendet und die Befehle identifizieren den Funkkanal,
auf dem die Messungen durchzuführen
sind. Die Messungen werden durchgeführt und zurück zu dem Netzwerk-Steuergerät gemeldet
und von da (zusammen mit der Identität des Mobilendgeräts, das
mit dem Funkkanal zu einer bestimmten Zeit verknüpft ist) an einen Prozessor
in einem Dienstknoten (SN – Service
Node) gemeldet, der die Position des Mobilfunk-Endgerätes berechnet.
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In
einer Ausführung
wird das ModRX-Modul in einem zellularen Mobilfunksystem, das gemäß dem IS-136-Standard
arbeitet, von dem MSC angewiesen, die TOA von Signalen auf einem
spezifizierten Uplink-Verkehrskanal unter Verwendung einer Kanalnummer
(entsprechend zu einer verknüpften Frequenz
und einem Zeitschlitz-spezifischen Sync-Wort) zur Verkehrskanalidentifikation
zu messen. Wenn diese Messaktivität beendet ist, überträgt der ModRX
seine TOA-Messungen
zurück
zu dem Netzwerk-Steuergerät
(MSC) zusammen mit der Verkehrskanalnummer (CHN). Das Netzwerk-Steuergerät verwendet
eine Nachschlagtabelle, um die CHN in die Identität (MS-ID)
des Mobilendgerätes
zu übersetzen,
das auf dem Verkehrskanal zu dieser Zeit arbeitet. Zuvor wurde die
MS-ID und eine CHN-Information aus einem Anruf-Aufbausatz kopiert,
der in dem zellularen System verfügbar ist und in die Nachschlagtabelle
eingegeben, wenn die Messung angewiesen wurde. Die TOA-Messungen
werden zusammen mit der zugeordneten Mobilendgerätidentität, die von dem Netzwerksteuergerät bereitgestellt
wird, als Eingabeparameter an die Positionsbestimmungsberechnungen
bereitgestellt, die in dem SN in dem Netzwerk durchgeführt werden,
das zumindest drei gleichzeitige Messungen verwendet, die auf dem gleichen
Endgerät
in drei unterschiedlichen Funkbasisstationen durchgeführt werden.
Der ModRX wird mit der digitalen Information auf dem Verkehrskanal synchronisiert,
auf dem er die Messungen durchführt und
die TOA-Messungen werden relativ zu einer genauen Zeitreferenz durchgeführt (z.B.
bereitgestellt durch das Satelliten-basierte globale Positionierungssystem
GPS oder eine andere bekannte absolute Zeitreferenz).
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In
einer anderen Version der ersten Ausführung kann eine verbesserte
Genauigkeit und Flexibilität
durch Setzen der absoluten Zeitreferenz, die von einem GPS bereitgestellt
wird, durch eine relative Zeitreferenz erreicht werden, die durch
zumindest eine Referenz-Mobilstation bereitgestellt wird.
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In
einer zweiten Ausführung
wird das oben beschriebene Mobilendgerät-Positionsbestimmungsverfahren
und -Gerät
durch einen ModRX ergänzt, der
DOA-Messungen durchführt,
die auf dem gleichen Weg wie die oben beschriebenen TOA-Messungen
gemeldet werden. Die DOA-Messungen werden als Eingabeparameter an
den Positionsbestimmungsalgorithmus in dem SN bereitgestellt. Falls
sowohl TOA- als auch DOA-Messungen
zur Verwendung in dem Positionsbestimmungsalgorithmus verfügbar sind,
wird lediglich eine Funk-ES benötigt,
die Messungen von einem Funkkanal meldet, um ein unzweideutiges
Positionsbestimmungsergebnis zu erhalten (z.B. unter Verwendung
des Schnittpunkts des TOA-Entfernungskreises und der Linie, die
die DOA anzeigt).
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In
einer dritten Ausführung
werden unter denjenigen Umständen,
bei denen entfernt gelegene BSs für Positionsbestimmungsmessungen
verwendet sollen, die TOA-Messungen,
die in dem ModRX durchgeführt
werden, nach einem ersten Durchführen
einer Übergabe
durchgeführt,
so dass Zeitschlitze auf dem gleichen Träger und benachbart zu gemessenen
Verkehrskanal-Zeitschlitzen von anderen Mobilverbindungen ungenutzt
sind. Wie zuvor erwähnt,
ermöglicht
dies die Verwendung von entfernt gelegenen BSs zum Positionieren
in den Fällen,
bei denen keine nahe gelegenen, alternativen BSs verfügbar sind
und die Verwendung einer entfernt gelegenen BS ohne ein erstes Durchführen einer Übergabe
eine störende
Burst-Überlappung
verursacht haben würde.
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In
einer vierten Ausführung
werden die TOA-Messungen von einem ModRX durchgeführt, der
entfernt gelegen von, jedoch immer noch mit seiner Funk-ES verbunden
ist. Gemäß dieser
Ausführung
kann die lokale Positionsbestimmungsgenauigkeit unter niedrigen
zusätzlichen
Kosten verbessert werden, wo es benötigt wird.
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In
einer Version der vierten Ausführung
kann eine verbesserte Messgenauigkeit durch eine fixierte ModRX-Ausrüstung erreicht
werden, die mit einer nahe gelegenen Basisstation über eine
fixierte Verbindung verbunden ist (z.B. Koaxialkabel, optisches Glasfaserkabel
oder Kupferdraht). In einer zweiten Ausführung dieser Ausführung, hiernach
als „kaskadierte Positionsbestimmung" bezeichnet, kann
eine verbesserte Messgenauigkeit durch Anordnen von mobiler ModRX-Ausrüstung in
einem Motorfahrzeug erreicht werden (z.B. Krankenwagen, Polizeiwagen, Militärfahrzeug,
usw.). Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren eines Bestimmens der
Position eines Motorfahrzeuges durch Durchführen von TOA-/DOA-Messungen an
einer festen Basisstation für
eine mobile Station erreicht werden, die in dem Motorfahrzeug angeordnet
ist. Die gleiche mobile Station ist vorzugsweise hart verdrahtet
mit der (ModRX)-Basisstation, die ebenso in dem Motorfahrzeug angeordnet
ist. Diese Mobilstation meldet über
das zellulare Mobilfunksystem die TOA-/DOA-Messungen, die von dem
ModRX der Basisstation durchgeführt
werden, die in dem Motorfahrzeug angeordnet ist. Der ModRX kann
einen GPS-Empfänger umfassen,
der eine Bestimmung der Position des Motorfahrzeugs entweder durch
das zellulare System alleine oder durch das GPS in Fällen ermöglicht,
bei denen höhere
Genauigkeit gewünscht
wird. Jedoch wird ein Melden von Messungen über das zellulare System erreicht.
Eine zusätzliche
Möglichkeit
ist, das Motorfahrzeug an einem einer Anzahl von vorbestimmten Parkpunkten
mit bekannten Positionen zu parken und manuell die Position zu melden.
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In
einer fünften
Ausführung
ist die bedienende Funkbasisstation sehr nahe gelegen zu dem Mobilfunk-Endgerät (MS).
Vor einem Anweisen von TOA-Messungen, die von einem ModRX in einer
entfernt gelegenen BS durchgeführt
werden sollen, wird das Mobilfunk-Endgerät (MS) gezwungen, seine Übertragungsleistung
zu erhöhen.
Diese Erhöhung kann
dadurch erreicht werden, dass das Netzwerksteuergerät die MS
anweist, mit einer höheren
Leistung während
Messungen zu senden oder dadurch, dass die MS zu einer weiter entfernt
gelegenen, bedienenden BS übergeben
wird, was ebenso in einer höheren Übertragungsleistung
von der MS resultiert.
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In
einer sechsten Ausführung
empfängt
der ModRX der Funk-BS, die eine TOA misst, nicht genug Signalenergie,
um eine zuverlässige
Messung auf einer Signalnachricht durchzuführen. Da jedoch kein Lesen
von variabler Information auf dem Verkehrskanal mit der TOA-Messung
verknüpft
ist, die gemäß der Erfindung
durchgeführt
wird, wird mehr als eine Nachricht empfangen, wodurch empfangene Energie
von nicht-variabler Information (z.B. ein Sync-Wort, ein CDMA-Codemuster,
usw.) über
eine längere
Integrationszeit als eine Nachricht akkumuliert wird, was das Signal-zu-Rauschverhältnis des Signals
verbessert, auf dem die TOA-Messung durchgeführt wird.
-
In
einer siebten Ausführung
empfängt
der ModRX der Funk-BS, die eine TOA misst, nicht genügend Signalenergie
oberhalb des Interferenzpegels, um eine verlässliche Messung durchzuführen. Vor
einem Anweisen von TOA-Messungen, die von dem ModRX in der entfernt
gelegenen BS durchgeführt werden
sollen, wird das mobile Funkendgerät (MS) zu einem anderen Verkehrskanal
an der gleichen, bedienenden BS (Intra-BS-Übergabe) übergeben, wobei der neue Verkehrskanal
gewählt
wird, weniger durch Störungen
in der entfernten BS, die die TOA-Messungen durchführt, gestört zu sein.
-
Ein
wichtiger technischer Vorteil des vorliegenden Systems ist, dass
das Positionsbestimmungsverfahren auf irgendwelche analogen und
digitalen Systeme und Schaltkreis-geschaltete und Paketgeschaltete
Verkehrs- und Steuerungskanäle
angewendet werden kann, vorausgesetzt, dass das beteiligte Mobilfunk-Endgerät befördert oder
veranlasst werden kann, digitale (oder digitalisierte) Uplink-Information
zu befördern,
da der ModRX auf irgendeinem spezifizierten Uplink-Funkkanal digitale
Information abhört,
die im voraus bekannt ist, ohne irgendeine Endgerätidentitätsinformation
oder andere variable Information auf dem Kanal lesen zu müssen.
-
Ein
anderer wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist, dass eine Anzahl an populären
Mobil-Kommunikationssystemen
(z.B. das Ericsson CMS88-System) Module aufweisen, die eine Uplink-Signalstärke in Verbindung
mit einer „Verifikation" vor einer Übergabe
messen (z.B. Überprüfen einer
Uplink-Signalstärke
in der Ziel-BS), und das vorliegende erfindungsgemäße Messmodul
durch Modifizieren eines derartigen Messmoduls erhalten werden kann,
wobei die Verfahren und Signalprotokolle, die zur Positionsbestimmung
notwendig sind, leicht aus den Übergabefunktionen
verfügbar
sind.
-
Noch
ein anderer wichtiger technischer Vorteil des vorliegenden Systems
ist, dass das gegenwärtige
Positionsbestimmungsverfahren genauso gut während einem Anruf angewendet
werden kann, wie wenn das Mobilendgerät in dem Leerlaufmodus ist,
da (wie oben erwähnt)
es eine Anforderung ist, dass das beteiligte Mobilendgerät digitale
Information in Uplink-Richtung senden kann und keine variable Information
gelesen wird, während
die Messungen durchgeführt
werden. Diese gesamte Fähigkeit
kann für
bestimmte kritische Situationen wichtig sein, wie zum Beispiel während einem
Polizeieinsatz.
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Ein
anderer wichtiger technischer Vorteil des vorliegenden Systems ist,
dass es möglich
ist, messende Module ModRX entfernt gelegen von einer Funk-BS zu
installieren und dadurch die lokale Genauigkeit der Positionsbestimmungsmessungen
dadurch zu verbessern, dass gerade die messenden Module an zahlreichen,
unterschiedlichen Positionen verfügbar sind, ohne die Notwendigkeit
für zahlreiche,
vollständige
Funk-BS. Dieser technische Vorteil ist noch offensichtlicher, wenn
es mobile, messende Module ModRX gibt, die in Motorfahrzeugen angeordnet
sind, die an einer Rettung, einem Polizei- oder Militäreinsatz
teilnehmen, da die Messgenauigkeit lokal gerade während der
Zeit verbessert wird, wenn die Messgenauigkeit am meisten benötigt wird.
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Ein
weiterer wichtiger technischer Vorteil des vorliegenden Systems
ist, dass es möglich
ist, Messungen auf Frequenz-Sprungkanälen durchzuführen, da
Information über
die Sprungfrequenzen leicht in dem Mobilfunk-Landnetzwerk verfügbar ist.
-
Ein
anderer wichtiger technischer Vorteil des vorliegenden Systems ist,
dass dieses ein Erhöhen der
empfangenen Signalenergie in der Funk-BS ermöglicht, wenn benötigt, durch
Integrieren von Energie in dem Empfänger über mehr als eine Nachricht (möglich gemacht,
da die Inhalte der Nachrichten keine Rolle spielen) durch Erhöhen der Übertragungsleistung
in der MS (möglich
gemacht durch Integration der Positionsbestimmenden Funktion in
dem zellularen System) oder durch Übergeben der MS durch eine
Intra-BS-Übergabe
an einen Verkehrskanal, der weniger von Interferenzen in einer BS
gestört
ist, die TOA-Messungen durchführt
(wieder ermöglicht durch
Integration der Positions-bestimmenden Funktion in dem zellularen
System).
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Ein
weiterer, wichtiger technischer Vorteil des vorliegenden Systems
ist die Option eines Verwendens zumindest einer Referenz-Mobilstation
statt von absoluten Zeitreferenzen, wie zum Beispiel GPS und nationalen
Funksendern, beim Bestimmen der Position einer Mobilstation. Der
technische Vorteil eines Verwendens von Referenz-Mobilstation(en)
statt des nationalen GPS-Funksenders wird selbst ersichtlicher darin,
dass die Frequenzen zwischen der Referenz-Mobilstation(en) und dem
Mobilfunkendgerät, das
lokalisiert werden soll, die gleichen oder ähnlich sind, wohingegen die
Frequenz, die mit dem nationalen GPS-Funksender und der Mobilstation
verknüpft ist,
offensichtlich unterschiedlich ist.
-
Die
bevorzugte Ausführung
der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden am besten durch Bezugnehmen
auf 1 bis 7 der Zeichnungen verstanden,
wobei gleiche Zahlen für gleiche
oder entsprechende Teile der unterschiedlichen Zeichnungen verwendet
werden.
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Im
wesentlichen stellt die vorliegende Erfindung ein Uplink-TDOA-Verfahren für eine Mobilfunk-Endgerät-Positionsbestimmung
bereit, die in einer bevorzugten Ausführung auf einer Weiterentwicklung
eines Verifikationsverfahrens basiert, das in Verbindung mit Übergaben
in Ericsson-Systemen verwendet wird, die gemäß dem IS-54, IS-136 und Pacific
Difital Cellular (PDC) Standards arbeiten. Wenn eine Übergabeanfrage
an den MSC gesendet wird, weist der MSC ein bestimmtes Basisstationsmodul
in der Zielzelle an, die Verifikation durchzuführen. In einem Ericsson-System,
wird ein derartiges Modul ein Ortungs- und Verifikationsmodul (LVM – Location
and Verifikation Module) unter dem IS-136-Standard und ein Verifikationsempfänger (VRX
- Verification Receiver) unter den PDC-Standard genannt. Der Zweck dieser
Funktion ist es, das Vorliegen des Mobilendgerätes in der Zielzelle zu verifizieren.
Das Verifikationsmodul stimmt sich ab und verifiziert das Vorliegen des
Mobilendgerätes
auf dem alten Kanal. Das Ergebnis der Verifikation wird an den MSC
gesendet.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung können die
Positionsbestimmungs-Uplink-Messungen, die von den BSs ausgeführt werden,
zeitliche (z.B. TOA) und Winkelmessungen umfassen. Die TOA-Messungen
bilden ein bevorzugtes Verfahren der Messungen. Jedoch können Winkelmessungen
verwendet werden, um die TOA-Messungen zu ergänzen, insbesondere falls eine
BS mit anpassungsfähigen
Antennen (Antennenfeldern) ausgerüstet ist, die leicht die Bestimmung
der DOAs der Signale von einem Mobilendgerät erlauben. Die Position des
Mobilendgerätes
kann aus den TOA- und/oder DOA-Messungen geschätzt werden, die in einer BS
durchgeführt werden.
Alternativ können
die TOA- und DOA-Messungen mit einer Vielzahl von BSs kombiniert
werden, um die Position eines Mobilendgerätes zu schätzen.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein zellulares Mobilfunksystem 100 mit
einer integrierten Positionsbestimmungsfunktion gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein System 100 umfasst
eine Vielzahl von Funk-BSs (beispielhafte drei sind als BS 1, BS2,
BS3 gezeigt). Die Funkbasisstationen sind an unterschiedlichen Stellen
lokalisiert und mit einem Drahtgebundenen Netzwerk über Kommunikationsverbindungen 101 verbunden.
Das Draht-gebundene Netzwerk kann zum Beispiel einen MSC 102 umfassen, der
wiederum über
ein öffentlich
geschaltetes Telefonnetzwerk oder PSTN (nicht explizit gezeigt)
mit einem SN 103 verbunden ist. Die Verbindung 104 umfasst
vorzugsweise Fernverbindungen. Der MSC 102 umfasst eine
Nachschlagtabelle 109 zum Verknüpfen von Kanalnummern (CHN)
mit Mobilendgerät-Identitäten (MS-IDs).
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Das
SN 103 umfasst einen Prozessor 103a, der weiter
eine empfangende Einheit 103b, eine speichernde Einheit 103c,
eine sendende Einheit 103d und jeweilige erste und zweite
berechnende Einheiten (103e, 103f) umfasst. Die
erste berechnende Einheit 103 berechnet die TDOA der Signale,
die auf dem Uplink von den Funkbasisstationen empfangen werden,
wobei die erste berechnende Einheit 103e gemeldete TOAs
verwendet. Die zweite berechnende Einheit 103f berechnet
die Position des Mobilfunk-Endgerätes unter Verwendung der TDOA-Information und (optional)
irgendeiner gemeldeten, verfügbaren
DOA-Information. Die speichernde Einheit 103c hält die bekannten
geografischen Orte der Funkbasisstationen aufrecht. Die empfangende
Einheit 103b und die sendende Einheit 103d stellen
eine Zweiwege-Kommunikation mit Kunden bereit, die Positionsbestimmungsinformationen
anfordern/empfangen (z.B. unter Verwendung von Kurztext-Nachrichten, wie
zum Beispiel den bekannten Short-Message-Service-Nachrichten).
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1 zeigt
ebenso ein Mobilfunk-Endgerät (MS) 108,
dessen Position zu bestimmen ist. Die Funkbasisstationen BS1, BS2 und
BS3 „hören" den Verkehrskanal
der MS 108 über
Uplink-Funkverbindungen 105 ab,
die über
die zwei empfangenden Antennen 106 jeder derartigen BS
empfangen werden. Diese Zwei-Antennen-Fähigkeit stellt eine Raumdiversität für den Funkverkehr
bereit und ebenso für
die Positionsbestimmungsmessungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
durchgeführt
werden. Jede Funkbasisstation (BS1, BS2, BS3) umfasst einen Steuerabschnitt 110 und
eine Vielzahl von TXRXs 111, die mit den empfangenden Antennen 106 über einen
Splitter 112 und mit der sendenden Antenne 107 über einen
Kombinator 113 verbunden sind. Darüber hinaus umfasst jede derartige
BS eine Zeitreferenzeinheit 114, die Signale vorzugsweise
von einer geeigneten Zeitreferenz empfängt, wie zum Beispiel dem Weltraum-basierten
GPS 120. Das Zeitreferenzsignal wird kontinuierlich von
der Zeitreferenzeinheit 114 mit dem ModRX-Modul 130 gekoppelt.
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Die
BS der vorliegenden Erfindung (z.B. BS1) umfasst eine Zeitreferenzeinheit 114 und
einen Steuerabschnitt 110, der in der Lage ist, mehr Einheiten
in der BS als nur den ModRX zu bedienen. Vorzugsweise ist der ModRX 130 in
einer BS lokalisiert, jedoch kann ein derartiger ModRX ebenso eine
freistehende Einheit sein, die entfernt gelegen von der BS angeordnet
ist, jedoch mit dem Steuerabschnitt 110 und der Zeitreferenz 114 der
BS verbunden ist. Falls ein ModRX in einer BS lokalisiert ist, kann
der ModRX die empfangenden Antennen 106 der BS teilen.
Falls der ModRX entfernt gelegen von der BS angeordnet ist, kann
der ModRX seine eigenen empfangenden Antennen 106 umfassen.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das Details des in 1 gezeigten
ModRX 130 zeigt. In der bevorzugten Ausführung führt der
ModRX TOA-Messungen in einer Funk-BS durch. In bestimmten BSs kann
der ModRX ebenso bekannte DOA-Messausrüstungen 207 umfassen,
um die TOA-Messungen zu ergänzen.
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ModRX 130 umfasst
einen messenden Abschnitt 201 und einen Funkempfängerabschnitt 202. Der
messende Abschnitt 201 kann (nicht explizit in 2 gezeigt)
zur Verwendung in IS-54 und IS-136 Systemen dreifach sein, um die
drei Vollraten-Zeitschlitze
eines Rahmens zu handhaben. Umgekehrt kann der Funkempfängerabschnitt 202 von
den dreifachen messenden Abschnitten 201 geteilt werden. Falls
der ModRX 130 eine Version umfasst, die in einem Frequenz-Sprungsystem
(z.B. GSM) verwendet wird, gibt der Steuerabschnitt 110 vorzugsweise
die Frequenz-Sprungsequenzen in den empfangenden Frequenz-Synthesizer 211,
der es ermöglicht,
dass Positionsbestimmungen auf Frequenz-Sprungverkehrskanälen durchgeführt werden.
Der Funkempfängerabschnitt 202 umfasst
ebenso Empfänger 212, RF-Demudolatoren 213 und
IF-Demudolatoren 214, die
mit den zwei empfangenden Antennen 106 gekoppelt sind.
Mehr Einzelheiten über
das GSM sind in der technischen GSM-Beschreibung bereitgestellt, die
von dem Europäischen
Telekommunikationsstandardinstitut (ETSI – European Telecommunications Standards
Institute) standardisiert ist und dem Buch mit dem Titel „The GSM
System for Mobile Communication" von
Michel Mouly und Marie Bernadette Pautet (International Standard
Book Number 2-9507190-0-7).
-
In 2 umfasst
der messende Abschnitt 201 einen TOA-Messer 203, der ein Zeitreferenzsignal
von einer Zeitreferenzeinheit 114 und das Uplink-Signal
von einem Symbol-Detektor 204 empfängt, auf dem die TOA-Messungen
durchzuführen sind.
Der Symbol-Detektor 204 empfängt das Eingabesignal von einem
Ausgleicher (equalizer) 205 (oder einem Korrelator für analoge
Kanäle).
Der Sync-Wort- und DVCC-Abschnitt 206 (Digital Verification
Color Code – digitaler
Verifikations-Farbcode) empfängt
von einem Steuerabschnitt 110 eine Nummer, die den Funkkanal
identifiziert, auf dem die TOA zu messen ist. In einem IS-54- oder IS-136-System zum
Beispiel weist jede BS in einer Menge von BSs einen bestimmten DVCC
und sieben unterschiedliche Sync-Worte auf, die es erlauben, auf
einem bestimmten Zeitschlitz einer Trägerfrequenz zu synchronisieren.
Diese Information wird in dem Sync-Wort- und DVCC-Abschnitt 206 von
dem Steuerabschnitt 110 eingegeben, der wiederum die Information
von dem MSC (102) empfängt.
Der Sync-Wort- und DVCC-Abschnitt 206 koppelt diese Kanalinformation
mit dem Ausgleicher 205, um es dem Ausgleicher zu erlauben,
den Zeitschlitz zu finden (vorzugsweise unter Verwenden bekannter
Korrelationsverfahren). Falls optional die verknüpfte Funk-BS ein Feldantennensystem
umfasst (entsprechend zu mehr als zwei Antennen 106), kann
der messende Abschnitt 201 einen DOA-Messer 207 umfassen, der lediglich
mit einem Steuerabschnitt 110 verbunden ist. Der DOA-Messer 207 fordert
an und empfängt
von dem Steuerabschnitt 110 die Richtungsinformation, die
von der bekannten Strahl-bildenden Funktion in einer derartigen
Funk-BS verfügbar
ist. Folglich leitet der DOA-Messer 207 lediglich verfügbare Information
hinsichtlich des Kanals weiter, der für eine Positionsbestimmung
spezifiziert ist. Wenn verfügbar,
kann die DOA-Information in den Positionsbestimmungsalgorithmus
in dem SN verwendet werden, um die Positionsbestimmungsgenauigkeit
zu verbessern, oder es zu ermöglichen, dass
Positionsbestimmungen mit weniger als drei beteiligten BSs durchgeführt werden.
Wenn zum Beispiel lediglich die TOA und DOA von einer einzelnen Funkbasisstation
verfügbar
sind, kann die Position eines Mobilendgerätes bestimmt werden, wo sich
die gerade Linie, die von der DOA bereitgestellt wird, sich mit
dem Kreis, der von den TOA-Messungen bereitgestellt wird, schneidet
(der Radius gleicht der Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit der
Ausbreitungszeit des Signals von dem Mobilendgerät zu der BS).
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3 ist
ein Diagramm, das ein Format 301 für einen Rückwärts-(Uplink)-Zeitschlitz (unter
dem IS-136-Standard) zeigt, auf dem TOA-Messungen gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
werden. Ein Vorwärts-(Downlink)-Zeitschlitzformat 302 ist
ebenso gezeigt, um die unterschiedlichen Anordnungen des 28-Bit-Sync-Wortes
zu demonstrieren. Für
den Uplink wird das Sync-Wort, das von dem empfangenden Korrelator-Schaltkreis
verwendet wird (nicht explizit gezeigt), um den Zeitschlitz zu finden,
weg von dem Anfang oder dem Ende des Zeitschlitzes angeordnet. Der
Grund für
diese Anordnung ist, dass die Uplink-Zeit sukzessiver Zeitschlitze auf
einer Trägerfrequenz
von unterschiedlichen Mobilfunk-Endgeräten bereitgestellt wird, die
unterschiedliche Zeitschlitze auf dem gleichen Träger verwenden.
Folglich gibt es ein Risiko, dass Uplink-Zeitschlitze miteinander überlappen,
wenn diese an einer Funkbasisstation von unterschiedlichen Mobilfunk-Endgeräten ankommen.
Die mehr oder weniger zentralisierte Anordnung des Sync-Wortes minimiert die
Chancen einer derartigen Überlappung.
Dieses Problem existiert für
den Downlink nicht. Sollte nichtsdestotrotz eine derartige Überlappung
auf dem Uplink auftreten, ist es wichtig, zumindest das Sync-Wort
davor zu bewahren, gestört
zu werden.
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4 ist
ein Diagramm, das ein Format 401 für einen Rückwärts-(Uplink)-Sprachkanal-Nachrichtenstrom
unter dem IS-54-Standard
darstellt, auf dem TOA-Messungen gemäß der vorliegenden Erfindung
durchgeführt
werden. Die absolute TOA kann irgendeinen vereinbarten Punkt in
einer Nachricht bezeichnen (z.B. das Ende des ersten Wort-Sync 402). Der
Ausgleicher 205 kann von einer Zeitdiversität unterstützt werden,
um durch Beobachten mehrerer Wort-Syncs in einer Nachricht und Korrigieren
mit der nominalen Zeitverzögerung 403 den
vereinbarten Punkt in einer Nachricht zu finden. Zum Beispiel ist diese
Fähigkeit
wertvoll, wenn der vereinbarte Punkt 402 in einer Nachricht
durch Abklingen gestört
wird. Analoge Sprachkanäle
umfassen keine digitale Zeitreferenz und daher ist es notwendig,
das mobile Endgerät
zu veranlassen, eine Uplink-Nachricht auf dem Sprachkanal zu senden
(z.B. in Reaktion auf eine Prüfungsanweisung
auf dem Downlink).
-
5 ist
ein Flussdiagramm, das ein Positionsbestimmungsverfahren 500 darstellt,
das in Verbindung mit dem in 1 gezeigten
System 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. In Bezug auf 1 und 5 wird,
wenn eine Positionsbestimmungsanfrage in das SN 103 gelangt (Schritt 501),
bei Schritt 503 eine Bestimmung durchgeführt, ob
das zu positionierende Mobilendgerät 108 sich in einem
Gesprächsmodus
befindet, durch Anfragen an einen MSC 102 über Fernleitungen 104,
einen Anruf zu dem mobilen Endgerät aufzubauen. Falls das mobile
Endgerät 108 im
Leerlauf ist, wird der Anruf bei Schritt 507 aufgebaut.
Falls bei Schritt 503 das mobile Endgerät bereits in einem Gesprächsmodus
ist, wird bei Schritt 505 eine Bestimmung durchgeführt, ob
der verwendete Verkehrskanal ein digitaler Verkehrskanal ist. Falls
nicht (z.B. der Verkehrskanal ist analog), wird eine Prüfungsnachricht
von dem MSC 102 an das mobile Endgerät 108 gesendet, um
für das
Mobilendgerät
eine Uplink-Antwort in digitaler Form zu empfangen (z.B. basierend auf
dem in 4 gezeigten Format). Falls ansonsten bei Schritt 505 der
Verkehrskanal digital ist, wird eine Prüfungsnachricht nicht erfordert.
Bei Schritt 509 bestimmt der MSC 102, welche (z.B.
drei) BSs an dem Positionsbestimmungsprozess teilnehmen sollen und
fordert TOA-Messungen von zumindest den drei spezifizierten Funkbasisstationen,
wie zum Beispiel BS1, BS2 und BS3, über Verbindungen 101 an
und zeigt die diesbezügliche
Verkehrskanalnummer an. Der Steuerabschnitt 110 in jeder
der drei BSs fordert den ModRX 130 auf, die Position eines
Mobilfunk-Endgerätes
auf dem spezifizierten Kanal zu bestimmen. Bei Schritt 511 führen die
drei BSs Messungen gemäß einem
bekannten TOA-Messverfahren durch und melden die resultierende Messinformation an
den MSC 102 zusammen mit der verknüpften Kanalnummer (CHN). Bei
Schritt 513 übersetzt
der MSC 102 die CHN in eine Mobilfunk-Endgerät-Identität (MS-ID)
unter Verwendung einer Nachschlagetabelle 109 in dem MSC.
Bei Schritt 515 sendet der MSC Messungen von Funkbasisstationen
BS1, BS2 und BS3 zusammen mit der MS-ID an das SN 103. Bei Schritt 517 berechnet
das SN 103 die Position des Mobilendgerätes 108 gemäß einem
bekannten Triangulations-Algorithmus.
Die resultierende Positionsinformation wird zu dem Positionsbestimmungssystem-Kunden
befördert,
der die Position des beteiligten Mobilfunk-Endgerätes angefordert
hat.
-
In
einer unterschiedlichen Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann eine kleine Änderung in dem Flussdiagramm
aus 5 einen Übergabeschritt
vor einem Durchführen
der TOA-Messungen bei
Schritt 509 umfassen, um Überlappungen von benachbarten
Zeitschlitzen und Störung
der TOA-Messungen zu vermeiden, wenn entfernt gelegene Funk-BSs
an Positionsbestimmungen teilnehmen.
-
In
noch einer anderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann eine andere, kleine Modifikation
in dem Flussdiagramm aus 5 einen Schritt zum Anweisen
mehr als einer TOA-Messung
von einer Funkbasisstation umfassen, wenn die Funkbasisstation eine
Vielzahl (z.B. mehrere) von ModRXs aufweist, die mit dieser verbunden
sind, jedoch diese ModRXs an unterschiedlichen, entfernt gelegenen Orten
installiert sind.
-
In
noch einer anderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann eine andere, kleine Modifikation
in dem Flussdiagramm aus 5 eine Ersetzung bei Schritt 509 des
Verfahrens „Messe
TOA und DOA auf einem Kanal von mehr als einer oder gleich einer BS" statt des „Messe
TOA auf einem Kanal von ≥ 3 BS", wie gezeigt, umfassen,
wenn in der Funkabdeckung der MS es drei BSs gibt, die in der Lage
sind, eine DOA zu bestimmen. In diesem Fall umfassen die Schritte 511 bis 517 ebenso
das Handhaben von DOA-Messungen.
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In
noch einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann eine leichte Modifikation in dem Flussdiagramm
aus 5 Schritte zum Wiederholen der Positions-bestimmenden
Schritte 503 bis 509 umfassen, falls bei Schritt 509 bestimmt wird,
dass das Uplink-Signal auf dem gewünschten Verkehrskanal zu schwach
ist, um TOA-Messungen in einigen BSs durchzuführen. In diesem Fall wird ein
Schritt hinzugefügt,
wodurch die sendende Leistung des MS erhöht wird (oder das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert
wird), bevor Schritt 503 wiederholt wird, entweder durch
Durchführen
einer Inter-BS-Übergabe
zu einer weiter entfernt gelegenen, bedienenden BS oder durch Durchführen einer
Intra-BS-Übergabe an
einen Verkehrskanal, der weniger von Interferenzen in einer messenden
BS gestört
ist oder vorzugsweise durch direktes Anweisen der MS ihre sendende
Leistung zu erhöhen.
-
6 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein zellulares Mobilfunksystem 600 mit
einer integrierten Positionsbestimmungsfunktion gemäß der bevorzugten,
in 1 gezeigten Ausführung zeigt, dass jedoch modifiziert
ist, um das neue Konzept der „kaskadierten
Positionsbestimmung" zu
implementieren. In Bezug auf
-
1 und 6 umfasst
zusätzlich
zu Elementen, die in 1 gezeigt und in Bezug auf diese oben
beschrieben sind, ein System 600 zumindest eine Standard-MS 601.
Die MS 601 ist vorzugsweise fest verdrahtet über eine
Zubehöreinheit 602 mit
der BS1 verbunden. Die MS (Endgerät) 601 kommuniziert
mit dem MSC 102 über
eine Funkbasisstation BS4 (603) über eine Funkluftschnittstelle 604.
In der in 6 gezeigten Ausführung werden
die Funkbasisstation BS4 (603) und Funkluftschnittstelle 604 (mobile
Verbindung) durch die Festverbindung 101 (gezeigt in 1)
zwischen der BS1 und dem MSC 102 ersetzt. Folglich macht
es die Verwendung einer mobilen Verbindung (z.B. BS4 und Luftschnittstelle 604),
wie zum Beispiel die in 6 gezeigte, beispielhafte, mobile
Verbindung, es möglich,
BS1 (oder BS2 oder BS3) in einem sich bewegenden Fahrzeug (z.B.
Krankenwagen, Polizeiwagen, Militärfahrzeug, usw.) zu lokalisieren
und verbessert dynamisch die Positionsbestimmungsgenauigkeit durch
Bewegen einer oder mehrerer BSs (z.B. BS1, BS2, BS3, usw.) relativ
nahe an dem Bereich von Interesse (z.B. relativ nahe zu einer Person
in Not, die die MS 108 trägt). Falls es lediglich eine
feste BS in dem Bereich von Interesse gibt, kann es schwierig sein,
die Position des Motorfahrzeugs und ebenso der MS 108 zu
bestimmen. Wie in 6 gezeigt, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung das Fahrzeug in der Zeitreferenzeinheit 114 einen „GPS-Empfänger" zusätzlich zu einer „Zeitreferenz" umfassen, der von
dem GPS gesteuert wird. Folglich kann das Fahrzeug seine Position über eine
MS 601 in den Fällen
melden, bei denen die Verwendung des internen GPS-Empfängers von
Vorteil ist.
-
Beim
Betrieb kann das oben gezeigte und in Bezug auf 5 beschriebene
Verfahren ebenso verwendet werden, um die Position der Mobilstation 601 und
daher des Motorfahrzeugs zu bestimmen und zu melden, das die BS
trägt (z.B.
BS1, BS2 oder BS3). Um vorzugsweise die Signalinterferenz für die in 6 gezeigte
Ausführung
zu minimieren, überlappen
die TOA-/DOA-Messungen, die von der Mobilfunk-BS (z.B. BS1, BS2
oder BS3) durchgeführt werden,
nicht zeitlich mit entweder den TOA-/DOA-Messungen der festen Funkbasisstation BS4
(603), die die Position des Motorfahrzeugs bestimmt, oder
der Meldung, die über
die Mobilverbindung übertragen
wird (Luftschnittstelle 604 und BS4 (603)).
-
7 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das ein zellulares Mobilfunksystem 700 gemäß einer in 1 gezeigten,
bevorzugten Ausführung
zeigt, jedoch modifiziert, um zumindest eine Referenz-Mobilstation
(MSR) 709 statt dem GPS 120 und der Zeitreferenz 114 zu
verwenden (1). In Bezug auf 1 und 7 umfasst
zusätzlich
zu den Elementen, die in 1 gezeigt und oben in Bezug
auf diese beschrieben sind, ein System 700 die MSR 709,
die eine bekannte Position relativ zu den Funkbasisstationen BS1,
BS2, BS3 aufweist. Die Basisstationen BS1, BS2, BS3 sind betriebsbereit,
um Uplink-Funkverbindungen 705 zu empfangen, die von der
MSR 709 übertragen
werden. Insbesondere überträgt die MSR 709 eine
relative Zeitreferenz oder „Zeitmarkierung” an jede
Basisstation BS1, BS2 und BS3, wobei die „Zeitmarkierung" aus zum Beispiel
dem Beginnen eines bestimmten Rahmens bestehen kann.
-
In
Reaktion auf ein Empfangen der relativen Zeitreferenz oder „Zeitmarkierung" bestimmt jeder ModRX 130 in
Basisstationen BS1, BS2 oder BS3 die entsprechende TOA der „Zeitmarkierung". Und jede TOA wird
dann in Anbetracht der bekannten Entfernung zwischen der MSR 709 und
den jeweiligen Basisstationen BS1, BS2 und BS3 korrigiert.
-
Danach
bestimmt jede ModRX 130 eine TOA, die mit der MS 108 verknüpft ist,
wobei die TOA relativ zu der entsprechenden „Zeitmarkierung" gemessen wird. Die
gemessenen TOAs (z.B. MSRs und MSs) werden dann an den Dienstknoten 103 übermittelt,
der ein bekanntes hyperbolisches Positionsbestimmungsverfahren implementiert,
um die geografische Position der MS 108 sicherzustellen.
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Zusätzlich kann
die MSR 709 innerhalb einer der Basisstationen (z.B. BS2)
lokalisiert sein, in der die Anordnung des MSR 709 bekannt
wäre. In
einer derartigen Situation würde
eine zweite MSR (nicht gezeigt) in dem System 700 benötigt, um
die notwendige Anzahl von TOA-Messungen zu erhalten, die erforderlich
sind, die Position der MS 108 zu bestimmen, da jede Basisstation
BS1, BS2 und BS3 zumindest einen „Zeitmarkierung" von der MSR 709 empfangen
sollte, um die notwendigen TOAs zu bestimmen. Es ist möglich, die
zweite MSR (nicht gezeigt) an einer der anderen Basisstationen (z.B.
BS1 oder BS3) zu lokalisieren, so dass die notwendigen TOAs gemessen
werden, um in der Lage zu sein, die Position der MS 108 zu
bestimmen.
-
Obwohl
eine bevorzugte Ausführung
des Verfahrens und Gerätes
der vorliegenden Erfindung in den begleitenden Zeichnungen dargestellt
wurde und in der vorangehenden detaillierten Beschreibung beschrieben
wurde, ist es selbstverständlich, dass die
Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungen beschränkt ist,
sondern im Stande unterschiedlicher Neuanordnungen, Modifikationen
und Ersetzungen ist, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen,
wie dieser durch die folgenden Ansprüche dargestellt und definiert
wird.