EP1493284A1 - Verfahren und anordnung sowie computerprogramm mit programmcode-mitteln und computerprogramm-produkt zur ermittlung einer position einer mobilen kommunikationseinrichtung in einem kommunikationsnetz - Google Patents

Verfahren und anordnung sowie computerprogramm mit programmcode-mitteln und computerprogramm-produkt zur ermittlung einer position einer mobilen kommunikationseinrichtung in einem kommunikationsnetz

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Publication number
EP1493284A1
EP1493284A1 EP03729823A EP03729823A EP1493284A1 EP 1493284 A1 EP1493284 A1 EP 1493284A1 EP 03729823 A EP03729823 A EP 03729823A EP 03729823 A EP03729823 A EP 03729823A EP 1493284 A1 EP1493284 A1 EP 1493284A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
base station
communication device
mobile communication
mobile
area
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03729823A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Hanebeck
Werner Hauptmann
Kai Heesche
Joachim Horn
Konrad Riegel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1493284A1 publication Critical patent/EP1493284A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location

Definitions

  • the invention relates to a determination of a position of a mobile communication device in a communication network (localization).
  • “Location Based Services” are understood to mean additional services provided by mobile operators, which users of the mobile radio systems are location-specific, i.e. depending on a position or a location of the respective user, are offered or made available, for example location or distance-dependent usage tariffs or orientation aids for rescue operations or search services.
  • the basis for a "location-based service” is therefore a localization or position determination of the respective user or his mobile communication device.
  • Various techniques are known for such a localization of mobile communication devices in communication networks, for example determining a position on the basis of a running time determination or running time measurement of communication signals from a mobile communication device to a base station of a communication network ([1], [2]) or localization by means of satellite-based systems like a GPS.
  • An individual mobile station that has registered with a fixed base station (call-carrying base station) is allocated a currently free time position in a TDMA frame.
  • the communication signals intended for the mobile station in question originate in signal packets, so-called bursts, with a length of 15 / 26ms from the base station, or the communication signals or bursts sent by the mobile station must arrive at the base station.
  • the communication signals emitted by the base station find their way to the mobile station due to scattering over different paths (multiple propagations), being attenuated as a function of frequency.
  • a reception field strength of the communication signals received by the mobile station is therefore not only dependent on the distance of the mobile station from the base station, but also on the frequency and topographical conditions between the mobile station and base station.
  • the individual data packets are therefore sent on different carrier frequencies, which means that selective interference of one frequency can be distributed to several participants.
  • the mobile station In order to compensate for the different transit times and to be able to supply the base station with frame-synchronous data, the mobile station measures the signal transit time to the base station and thereby corrects the start of transmission of its bursts.
  • the signal transit time is encoded in a so-called "ti ing advance” (TA) and is dependent on the distance between the mobile station and the base station carrying the call.
  • TA ti ing advance
  • 64 levels are available for the TA, which are coded with values 0 to 63 (bit) and represent the runtime.
  • the position of the mobile station can be inferred from a TA or from the signal transit time.
  • Measurement accuracy in the run time determination is one bit duration, i.e. in GSM 48/13 ⁇ s, which corresponds to a simple path length of approximately 554 m.
  • a position determination of a mobile radio device is already explicitly included in the standard or is required by this (TS 25.305 V3.1.0: stage 2 "Functional Specification of Location Services in UTRAN "(release 99), 3GPP TSG-RAN-WG2, 2000).
  • a back transformation of the processed uncertainty areas from hyperspace into the original space enables an analytical description of processed uncertainty areas also in the original space.
  • the localization methods mentioned have the disadvantages, among other things, that the positions of the mobile communication devices determined by them are imprecise and consequently involve great uncertainties. However, more precise methods require complex additional devices and costly modifications to the communication network and communication devices.
  • the invention is therefore based on the object of making it possible to locate a mobile communication device in a communication network precisely and with as little uncertainty as possible, which can be implemented as simply and inexpensively as possible.
  • a first communication signal is used the first communication determines a first possible location area of the mobile communication device from the first base station, using a second communication signal of the second communication determines a second possible location area of the mobile communication device from the second base station, the first possible location area and the second possible location area using a non-linear quantity-based filter combined, with a common location of the mobile communication device to the e rsten and the second base station is determined, and the position of the mobile communication device is determined using the common location area.
  • the arrangement for determining a position of a mobile communication device in a communication network with at least a first base station, set up for a first communication with the mobile communication device, and a second base station, set up for a second communication with the mobile communication device also has a first location determination unit which a first possible location area of the mobile communication device can be determined by the first base station using a first communication signal of the first communication, a second location determination unit with which a second possible location area of the mobile communication device can be determined by the second base station using a second communication signal, a location overlay unit with which the first possible location area and the second possible location area can be combined using a nonlinear quantity-based filter , wherein a common location area of the mobile communication device to the first and the second base station can be determined, and a position determination unit with which the position of the mobile communication device can be determined using the common location area.
  • the nonlinear quantity-based filtering in the invention is generally to be understood as follows: the possible areas of residence are transformed into a combination from an original space into a hyperspace, in this hyperspace the possible areas of residence are combined to form the common area, then the common area Residence area transformed back from hyperspace into the original space.
  • the computer program with program code means is set up to carry out all the steps according to the method according to the invention for determining a position, ie the localization method according to the invention, when the program is executed on a computer.
  • the computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier is set up to carry out all steps according to the localization method according to the invention when the program is executed on a computer.
  • the arrangement and the computer program with program code means, set up to carry out all steps according to the inventive localization method when the program is executed on a computer, and the computer program product with program code means stored on a machine-readable medium, set up all steps according to the Performing localization methods according to the invention when the program is executed on a computer are particularly suitable for carrying out the localization method according to the invention or one of its further developments explained below.
  • the inventive localization method is based on the idea of obtaining distance-relevant parameters and geographic information, in this case possible areas of residence or distance or location of the mobile station, from available communication signals between at least two base stations and a mobile station.
  • the location of the mobile station is then overlaid on the individual areas of uncertainty.
  • the nonlinear set-based filter When the areas of uncertainty are overlaid by the nonlinear set-based filter, the individual areas of uncertainty are reduced to a common intersection, the overall area of uncertainty.
  • a particular advantage of the invention lies in the fact that the localization is carried out on the basis of communication signals and known positions of base stations which are incurred during normal operation in a mobile radio system and are available there. As a result, complex changes and expansions as well as additional measurements of existing mobile radio systems or existing mobile radio systems can be dispensed with.
  • the invention or any further development described below can also be implemented by a computer program product which has a storage medium on which the computer program with program code means which carries out the invention or further development is stored.
  • a mobile communication device for example a mobile phone
  • a base station for example a omnidirectional antenna or an omnidirectional antenna or one or more sectoral antennas
  • data, the (first and the second) communication signals in Signal packets, so-called bursts, transmitted.
  • various distance-related parameters can be determined, which in turn can be used as a basis for determining the possible residence or remplibieten.
  • Such a distance-relevant, i.e. Distance-dependent parameter is, for example, a signal runtime of a signal packet between the mobile station and the base station.
  • the signal delay has a natural dependence on the distance between the mobile station and the (conversation-leading) base station and consequently provides information about a possible location area or distance area (uncertainty area) of the mobile station.
  • the signal transit time can be measured by a mobile station (or also by a base station) and encoded in a so-called timing advance (TA).
  • TA timing advance
  • 64 coding levels quantization levels
  • 64 bits can be available for the TA, which can be coded with values 0 to 63 (bit) and represent the runtime.
  • the measurement accuracy in determining the signal propagation time is one bit duration, for example in GSM 48/13 ⁇ s, which corresponds to a simple path length of approximately 554 m.
  • a measured and thus coded signal transit time leads to a possible area of uncertainty in the form of a circular ring around the base station with a width that corresponds to a bit duration, for example a circular ring with the width of 554 m for GSM.
  • the annulus can be restricted to one sector if a directional emission characteristic of the base station is taken into account.
  • antennas at a base station which emit in certain directions and one of which is in communication with the mobile station.
  • three antennas for example, there is a sector of 120 ° on which the circular ring can be restricted.
  • Another parameter relevant to distance is, for example, a field strength of a signal packet.
  • the field strength has a natural dependence on the distance between the mobile station and the (talking) base station and consequently provides information about a possible location area or distance area (uncertainty area) of the mobile station. This relationship between field strength and distance can be described by physical models that describe the propagation behavior of signals.
  • this model provides a maximum distance for a given or a measured field strength.
  • the field strength of a signal packet received by a base station can thus be measured by the mobile station and a maximum distance of the mobile station from the base station can be estimated therefrom using a propagation model.
  • This maximum distance can be described by an area of uncertainty in the form of a circle with a corresponding radius around the base station.
  • this circle can be limited to one sector if a directional emission characteristic of the base station is taken into account. As a result, there is an area of uncertainty in the form of a circular sector.
  • a mobile station is now in communication with a plurality of base stations or receives from them or exchanges signal packets with them, several such areas of uncertainty can be determined in each case with respect to the corresponding base station.
  • a non-linear, quantity-based filter is used to combine all the areas of uncertainty.
  • the nonlinear set-based filter in turn provides an easy-to-describe body, such as an ellipsoid, referred to as an envelope lipoid, in hyperspace.
  • This envelope ellipsoid fulfills the following conditions: a) it is analytically describable by an ellipsoid body which contains the intersection, b) it lies entirely in a • union of the areas of uncertainty.
  • the nonlinear set-based filter can also be used for the simultaneous intersection formation of several uncertainty areas in a single step.
  • the position of the mobile station can then be determined using the cut, back-transformed common uncertainty area.
  • a characteristic value of the common area of uncertainty can be determined, such as a center of gravity or an expected value, which is then used as an estimate for the position of the mobile station.
  • the invention is particularly suitable for use in the environment of a digital, cellular mobile radio system, such as a GSM network, for example for localizing a GSM telephone (mobile phone) there.
  • a digital, cellular mobile radio system such as a GSM network
  • GSM telephone mobile phone
  • the positions of the individual base stations and their antennas and their characteristics, which provide information about the coverage area of the respective antenna, are known from a GSM network.
  • Prediction maps of expected tendency field strengths are determined from environmental models and are also available.
  • the mobile phone for its part, is always in contact with the receivable antennas for a correct connection in order to be assigned the antenna best suited for a call from the network. To do this, it measures, among other things, the reception field strength of the receivable antennas and determines signal propagation times, which are then also known.
  • the cell phone is then located on the basis of this available information.
  • a distance range of the mobile phone from its leading antenna resulting from a quantization and a maximum possible distance are derived from the field strength measurements.
  • this distance specification can still be limited to a specific area around the antenna, since it is often directed antennas that, for example, only supply a sector of 120 °.
  • Measurements are then reduced with a nonlinear quantity-based filter to the common intersection in which the telephone can be accepted according to the 'model.
  • FIG. 1 shows a sketch of a GSM network architecture of a GSM mobile radio network
  • FIG. 2 shows a sketch of a TA uncertainty area (TA segment)
  • FIG. 3 shows a sketch of field strength uncertainty ranges (RxLev ranges);
  • FIG. 4 shows a sketch with an overlay of a TA segment with several RxLev areas
  • FIG. 5 shows a sketch of a TA segment generated by a nonlinear quantity-based filter
  • FIG. 6 shows a sketch of an RxLev range generated by a nonlinear, quantity-based filter
  • FIG. 7 shows a sketch of an intersection formation of a TA segment with RxLev areas by means of a non-linear, quantity-based filter.
  • Exemplary embodiment Localization of a mobile phone in a GSM mobile radio network
  • FIG. 1 shows a network architecture 101 of a GSM mobile radio network 100.
  • This mobile radio network 100 is a digital, cellular mobile radio system ([7], [8], [9]) with a hierarchical structure of a GSM system architecture 101 shown in FIG.
  • An area 103 supplied by an antenna 103 is referred to as cell 102 and is dimensioned according to the expected number of participants.
  • a base station (BTS) 104 always manages a location at which, however, several sectional antennas 103 can be positioned. If there is only one antenna 103 in a BTS 104 that supplies its entire environment, this is referred to as an omnidirectional antenna.
  • BSC base station controller
  • the calls from mobile stations (MS) 106 are bundled together for their cells 102 by a switching node, the Mobile Switching Center (MSC) 107.
  • MSC Mobile Switching Center
  • the communication between base 104 and mobile station 106 is particularly important.
  • the GSM network 100 is cellular, which enables frequency band repetition since only immediately adjacent radio cells 102 are not allowed to work with the same frequency groups.
  • the 25 MHz bandwidth available to a network operator is divided into 124 individual channels (carrier frequencies).
  • eight time-shifted conversation channels are accommodated in it and served by multiple time access. In this way, up to 1000 participants can be supplied in one area without repeating the frequency band.
  • the data transmission takes place within a time slot in signal packets, the so-called bursts, with a length of 15/26 ms.
  • the signals emitted by the base station (BTS) 104 find their way to the mobile station (MS) 106 due to scattering over different paths (multipath propagation), and are attenuated as a function of frequency.
  • the reception field strength of the mobile station (MS) 106 is therefore not only dependent on its distance from the base station (BTS) 104, but also on its frequency and the topographical conditions between the transmitter and receiver.
  • the individual data packets are sent on different carrier frequencies, whereby selective interference of one frequency can be distributed to several participants.
  • this requires precise synchronization between the mobile and base station.
  • the mobile station measures the signal transit time to the base station and thereby corrects the start of transmission of its data packets.
  • the signal propagation time is encoded in the so-called timing advance (TA) and, of course, is dependent on the distance between the mobile station and the base station carrying the call.
  • TA timing advance
  • the mobility of the subscribers can also have the consequence that the mobile station leaves the coverage area of a base station and thus an adjacent base station leaves the mobile station. Station must take over. This process is called handover.
  • the field strength of all receivable antennas is continuously measured by the mobile station, among other things.
  • the field strengths of the six best received antennas are communicated to the base station carrying the call in the so-called RxLev values, which can make a handover decision based on the quality of the connection and the number of participants in the other base stations.
  • the RxLev value contains information about the distance to the other receivable base stations 104, since the field strength decreases with the distance, and is therefore relevant for the location of the mobile station (MS) 106.
  • G s and G e stand for the gain of the transmitting or receiving antenna
  • c is the speed of light
  • r is the distance MS-BTS
  • f is the carrier frequency
  • the mobile station In order to make the handover synchronous, the first data packet from the mobile station for the new call-carrying base station must arrive at the BTS in the correct time frame. For this reason, the mobile station must know the TA value of the next call base station before the actual handover.
  • the MS constantly calculates the time difference between the base station on the call and the other receivable base stations. This is called the Observed Time Difference (OTD).
  • OTD Observed Time Difference
  • the base stations in turn always have the so-called Real Time Difference (RTD) ready for their neighbors and inform the mobile station of the RTD to the next talking base station before a handover.
  • RTD Real Time Difference
  • the MS can now calculate the TA value for the new call-carrying BTS, from which in turn conclusions can be drawn about the distance MS-BTS.
  • this second TA value is only available at the time of the handover and can therefore generally not be used for localization.
  • the timing station (TA) as a measure of the distance MS-BTS and the RxLev value as a field strength measure to a maximum of six further base stations are constantly available to the mobile station as parameters relevant to localization.
  • the coordinates of the base stations and cell centers can also be called up from the GSM network. Before the TA or RxLev value can be used for localization, the dependence on the distance to the respective base station must be modeled.
  • timing advance 64 stages are available for the timing advance (TA), which are coded with the values 0 to 63 and represent the runtime BTS-MS-BTS.
  • TA timing advance
  • a bit time of 3.69 ⁇ s corresponds to a distance of
  • the distance r between the MS and the call-carrying BTS is therefore in the quantization interval
  • a ring 200 with a width of 553 m 202 can be derived around the call-carrying BTS 201, in which the MS is located. Depending on the antenna, however, this ring 200 can be further restricted (to a ring segment 204). Very often there are several antennas on the mast of a BTS that emit in certain directions. These directions point to the cell center of the respective antenna. With three antennas on the same mast, for example, there is a sector 203 of 120 ° (FIG. 2).
  • the location of the mobile station can now be assumed within this TA segment 204.
  • the MS informs it of the field strengths of the six best received neighboring BTS.
  • RxLev values which, like the TA value, are represented in the value range from 0 to 63. This corresponds to a measuring range of the reception field strength from -HOdBm to -48dBm.
  • RxLev values should now be converted into a distance from the respective base station in order to be used for localization. It should be noted that the RxLev values do not only depend on the distance MS-BTS.
  • ⁇ P is the decrease in field strength
  • f is the carrier frequency
  • c is the speed of light
  • ⁇ is a frequency-dependent
  • ß is a terrain-dependent factor
  • the received power increases with the power ß Distance from.
  • a model for determining the distance can be derived from field strength measurements.
  • the linear approach is refined by defining at least one such straight line per antenna 306, 307, 308 (FIG. 3) for adaptation to its surroundings.
  • r_max 304 For the maximum distance r_max 304 it follows
  • the parameters offset and slope come from an antenna-specific database or can also be obtained from the prediction maps.
  • circles 301, 302, 303 result as equipotential lines, which represent the maximum possible distance for the received field strengths (cf. FIG. 3).
  • the directional dependence of the propagation in the sectional antennas 305, 306, 307 can now also be taken into account, and the circles 301, 302, 303 can be limited to a 120 ° segment 308, 309, 310, for example.
  • the location of the mobile telephone can be assumed within the restricted circle segments 308, 309, 3010.
  • both the TA segment (401, Fig. 4; Fig. 2) as the presumed location of the mobile phone and the RxLev circles (402, 403, Fig. 4; Fig. 3) as the assumed location 407 for calculating the resulting location Position of the mobile phone used.
  • the TA segment 401 of the call-carrying antenna 404 is combined with up to six circles 402, 403 from the field strength measurement to the neighboring base stations 405, 406 (407, FIG. 4).
  • the TA segment 401 should be the basis of this combination 407, i.e. Intersection of the individual areas act.
  • intersection formation 407 of the areas 401, 402, 403 takes place using a non-linear, quantity-based filter.
  • a non-linear, quantity-based filter is described in [10].
  • This non-linear, quantity-based filter is a means of control engineering, where several measurements with uncertainties, which can be represented in the form of uncertainty areas, have to be taken into account for state estimates.
  • uncertainties which can be represented in the form of uncertainty areas
  • the non-linear set-based filter When the areas of uncertainty are overlaid by the non-linear set-based filter, the individual areas of uncertainty are reduced to a common intersection, a total area of uncertainty.
  • both the TA ring segment 401 and each of the RxLev circles 402, 403 are treated as an uncertainty area of a distance measurement, and from this the total uncertainty area 407 is assumed to be assumed by the nonlinear quantity-based filtering
  • the location of the mobile phone is determined.
  • the points of the original space are mapped into the hyperspace using a nonlinear transformation, where the complicated areas are formed by simple ellipsoids of the shape
  • x is the center point vector and C is the definition matrix of the ellipsoid.
  • the non-linear measurement equation of the TA ring can be represented as
  • H * is the transmission matrix in hyperspace
  • x * the state vector
  • cf is a constant correction factor. This should now be intersected with a prediction area (index p ) that contains all measurements. Finally, a limiting ellipsoid (index s ) can be described for the intersection
  • the parameter ⁇ serves to weight the prediction and measurement and can be used to minimize the volume of the limiting ellipsoid.
  • z z - cf and V * results from the square of the maximum uncertainty, so here too
  • the resulting pseudo-ellipsoid X '502 approximates the extent of the ring very well, but has a significant error in the sector constraint.
  • the ellipsoid should either be narrowed further in an even higher dimensional hyperspace or corrected by reducing the angle between the pairs of lines.
  • the circles 601 of the maximum possible distance of the RxLev model are cut with a further circle 602 which is shifted in the direction of radiation.
  • R v 2 (x - (a x + R v cos ⁇ )) 2 + (y - (a y + R v sin ⁇ )) 2 (20)
  • the nonlinear set-based filter again supplies the intersection of this as a pseudo-ellipsoid 603 in the form of the gray approximation in FIG. 6 that takes into account the radiation characteristics of the antenna.
  • both the TA and the RxLev model for directional antennas can be approximately limited to one sector according to their radiation characteristics.
  • Fig. 7 once again illustrates the procedure of the filter and the successive reduction in the area of uncertainty (Fig. 7a to Fig.7d, 704-705-706-707).
  • AI 701 is the talkative antenna with the sectoral TA segment 704 as the starting body for the intersection formation.
  • A2 702 is another, second antenna or base station with a directional characteristic of 120 °.
  • A3 is a third omnidirectional antenna.
  • the cut is made with a further circle 710 as the unsafe area of the circular antenna A3 703. This leads to a further reduction to the unsafe area 707.
  • the aim of the localization is to estimate the position of the mobile phone from its measurements as accurately as possible.
  • the nonlinear set-based filter determines an ellipsoid that includes the intersection of all areas.
  • the point with a minimal mean distance to the other points lying within the ellipsoid is therefore chosen as the position of the mobile station and the result of the localization.
  • the mean distance for each of these points must be determined before the minimum of these mean distances is available as a result.
  • the search for the minimum of the mean distances and thus the computing time can be limited somewhat by preselecting the points in question.
  • the expected value for the TA segment alone can also be determined analytically without going through a grid.
  • the expected value is calculated as the position of the mobile station

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz (Lokalisierung). Dazu werden aus Kommunikationssignalen der mobilen Kommunikationseinrichtung mit Basisstationen in dem Kommunikationsnetz mögliche Aufenthaltsgebiete für die mobile Kommunikationseinrichtung ermittelt und diese unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters zu einem gemeinsamen Aufenthaltsgebiet überlagert. Unter Verwendung des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets wird dann die Position der mobilen Kommunikationseinrichtung bestimmt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung sowie Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz
Die Erfindung betrifft eine Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz (Lokalisierung) .
Mit zunehmender Verbreitung mobiler Kommunikation nimmt auch eine Nachfrage nach zusätzlichen Dienstleistungen, sogenannten "Services", bei Mobilfunksystemen zu.
Unter "Location Based Services" werden dabei zusätzliche Dienstleistungen von Mobilfunkbetreibern verstanden, welche Nutzern von den Mobilfunksystemen ortsgebunden, d.h. abhängig von einer Position oder einem Standort des jeweiligen Nutzers, angeboten bzw. bereitgestellt werden, beispielsweise orts- oder entfernungsabhängige Nutzungstarife oder Orientierungshilfen für Rettungseinsätze oder Suchdienste.
Grundlegend für einen "Location Based Service" ist demzufolge eine Lokalisierung oder Positionsermittlung des jeweiligen Nutzers bzw. dessen mobilen Kommunikationsgeräts.
Für eine solche Lokalisierung von mobilen Kommunikationsgeräten in Kommunikationsnetze sind verschiedene Techniken bekannt, beispielsweise eine Positionsermittlung auf Basis einer LaufZeitbestimmung bzw. LaufZeitmessung von Kommunikationssignalen von einem mobilen Kommunikationsgerät zu einer Basisstation eines Kommunikationsnetzes ([1], [2]) oder eine Lokalisierung mittels satellitengestützter Systeme, wie ein GPS. Das aus [2] bekannte, Laufzeit basierte Positionsermittlungsverfahren wird für ein Mobiltelefon, im allgemeinen einer Mobilstation, in einem GSM-Kommunikationsnetz (= Global System for Mobile Communications) ([7], [8],- [9]) gemäß einer TDMA- Mobilfunk-Technik (Time Division Multiple Access-Mobilfunk) durchgeführt.
Einer einzelnen Mobilstation, die sich bei einer ortsfesten Basisstation (gesprächsführenden Basisstation) eingebucht hat, wird bei dieser eine derzeit freie Zeitlage in einem TDMA-Rahmen zugeteilt.
Zu dieser Zeitlage gehen die für die betreffende Mobilstation bestimmten Kommunikationssignale in Signalpaketen, sogenannten bursts, mit einer Länge von 15/26ms von der Basisstation ab, beziehungsweise müssen die von der Mobilstation gesendeten Kommunikationssignale bzw. bursts an der Basisstation eintreffen.
Die von der Basisstation emittierten Kommunikationssignale finden ihren Weg zur Mobilstation aufgrund von Streuungen über unterschiedliche Wege (Mehrfachausbreitungen) , wobei sie frequenzabhängig gedämpft werden.
Eine Empfangsfeldstärke der von der Mobilstation empfangenen Kommunikationssignale ist somit nicht nur von einer Entfernung der Mobilstation von der Basisstation, sondern auch von der Frequenz und topographischen Gegebenheiten zwischen Mobilstation und Basisstation abhängig. Deshalb werden die einzelnen Datenpakete auf verschiedenen Trägerfrequenzen verschickt, wodurch selektive Störungen einer Frequenz auf mehrere Teilnehmer verteilt werden können.
Dafür ist allerdings eine präzise Synchronisierung zwischen Mobilstation und Basisstation notwendig. Diese Synchronisierung wird durch eine Mobilität eines Nutzers zusätzlich erschwert, weil die Mobilstation sich nun in sich ändernden Entfernungen zur Basisstation befindet und ihre Kommunikationssignale unterschiedliche Laufzeiten aufweisen.
Um die unterschiedlichen Laufzeiten auszugleichen und der Basisstation rahmensynchrone Daten liefern zu können, misst die Mobilstation die Signallaufzeit zur Basisstation und korrigiert dadurch einen Sendebeginn ihrer bursts.
Die Signallaufzeit wird in einem sogenannten "ti ing advance" (TA) codiert und weist eine Abhängigkeit zur Entfernung zwischen Mobilstation und gesprächsführenden Basisstation auf.
Für das TA stehen 64 Stufen zur Verfügung, die mit Werten 0 bis 63 (bit-) codiert werden und die Laufzeit repräsentieren.
Da Positionen von Basisstationen bekannt sind, kann aus einem TA bzw. aus der Signallaufzeit auf die Position der Mobilstation geschlossen werden.
Eine Messgenauigkeit bei der LaufZeitbestimmung beträgt eine Bitdauer, also in GSM 48/13 μs, was einer einfachen Weglänge von etwa 554m entspricht.
Aus [3] ist eine Positionsermittlung einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem UMTS-Netz (= Universal Mobile Tele- communication System-Netz) bekannt .
Bei dem entsprechenden UMTS- Mobilfunkstandard, auf welchem das UMTS-Netz basiert, ist eine Positionsermittlung eines Mobilfunkgerätes bereits explizit im Standard enthalten bzw. wird durch diesen gefordert (TS 25.305 V3.1.0: stage 2 "Func- tional Specification of Location Services in UTRAN" (release 99), 3GPP TSG-RAN-WG2, 2000).
Aus [4], [5] und [6] sind weitere Verfahren zur Lokalisierung einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz bekannt. Aus [10] ist ein nichtlineares mengenbasiertes Filter bekannt.
Bei diesem nichtlinearen mengenbasierten Filter werden komplexe Unsicherheitsgebiete eines N-dimensionalen Orginalraums in einen L-dimensionalen Hyperraum transformiert, in welchem sie als Ellipsoide einfach dargestellt und bearbeitet werden können.
Eine Rücktransformation der bearbeiteten Unsicherheitsgebiete von dem Hyperraum in den Orginalraum ermöglicht eine analytische Beschreibung von bearbeiteten Unsicherheitsgebiete auch in dem Orginalraum.
Die genannten Lokalisierungsverfahren weisen unter anderem die Nachteile auf, dass die durch sie ermittelten Positionen der mobilen Kommunikationseinrichtungen ungenau und demzufolge mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Genauere Verfahren erfordern allerdings aufwendige Zusatzeinrichtungen und kostspielige Modifikationen an den bzw. der Kommunikationsnetze und Kommunikationseinrichtungen.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine genaue und mit möglichst geringen Unsicherheiten behaftete Lokalisierung einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz zu ermöglichen, welche möglichst einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren und die Anordnung sowie durch das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und das Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst. Bei dem Verfahren zur Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz mit mindestens einer ersten Basisstation, eingerichtet zu einer ersten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, und einer zweiten Basisstation, eingerichtet zu einer zweiten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, wird unter Verwendung eines ersten Kommunikationssignals der ersten Kommunikation ein erstes mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der ersten Basisstation ermittelt, unter Verwendung eines zweiten Kommunikationssignals der zweiten Kommunikation ein zweites mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der zweiten Basisstation ermittelt, das erste mögliche Aufenthaltsgebiet und das zweite mögliche Aufenthaltsgebiet unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters kombiniert, wobei ein gemeinsames Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung zu der ersten und der zweiten Basisstation ermittelt wird, und unter Verwendung des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets die Position der mobilen Kommunikationseinrichtung bestimmt wird.
Die Anordnung zur Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz mit mindestens einer ersten Basisstation, eingerichtet zu einer ersten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, und einer zweiten Basisstation, eingerichtet zu einer zweiten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, weist auf eine erste Aufenthaltsermittlungseinheit, mit welcher unter Verwendung eines ersten Kommunikationssignals der ersten Kommunikation ein erstes mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der ersten Basisstation ermittelbar ist, eine zweite Aufenthaltsermittlungseinheit, mit welcher unter Verwendung eines zweiten Kommunikationssignals der zweiten Kommunikation ein zweites mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der zweiten Basisstation ermittelbar ist, eine Aufenthaltsüberlagerungseinheit, mit welcher das erste mögliche Aufenthaltsgebiet und das zweite mögliche Aufenthaltsgebiet unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters kombinierbar ist, wobei ein gemeinsames Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung zu der ersten und der zweiten Basisstation ermittelbar ist, und eine Positionsermittlungseinheit, mit welcher unter Verwendung des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets die Position der mobilen Kommunikationseinrichtung bestimmbar ist.
Unter der nichtlinearen mengenbasierten Filterung bei der Erfindung ist im allgemeinen die Vorgehensweise wie folgt zu verstehen: die möglichen Aufenthaltsgebiete werden zur Kombination von einem Orginalraum in einen Hyperraum transformiert, in diesem Hyperraum erfolgt die Kombination der möglichen Aufenthaltsgebiete zu dem gemeinsamen Aufenthaltsgebiet, anschließend wird das gemeinsame Aufenthaltsgebiet von dem Hyperraum in den Orginalraum zurücktransformiert.
Vorteilhaft an dieser Vorgehensweise ist, dass in dem Hyperraum die dorthin transformierten möglichen Aufenthaltsgebiete unter Verwendung vorgebbarer Körper einfach beschrieben und bearbeitet, in diesem Fall kombiniert, werden können.
Das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung einer Position, d.h. dem erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahren, durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird. Das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Die Anordnung sowie das Computerprogramm mit Programmcode- Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sowie das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sind insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahrens oder einer seiner nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.
Dem erfinderischen Lokalisierungsverfahren liegt die Idee zugrunde, aus zu Verfügung stehenden Kommunikationsssignalen zwischen mindestens zwei Basisstationen und einer Mobilstation entfernungsrelevante Parameter und daraus geographische Informationen, in diesem Fall mögliche Aufenthalts- oder Ent- fernungs- bzw. Aufenthaltsgebiete der Mobilstation, zu gewinnen.
Die genannten Aufenthalts- oder Entfernungs- bzw. Aufenthaltsgebiete - und keine exakten Abstände bzw. Entfernungen - ergeben sich, weil die entfernungsrelevanten Parameter Unge- nauigkeiten, wie Mess- und Rechenungenauigkeiten oder Modellfehler, und damit Unsicherheiten, welche in den genannten "unscharfen" Gebieten, sogenannten Unsicherheitsgebieten, resultieren, beinhalten.
Zur Reduzierung der Unsicherheiten bzw. der Unsicherheitsgebiete zu einer geringeren Gesamtunsicherheit bzw. zu einem kleineren Gesamtunsicherheitsgebiet als möglicher Äufent- haltsort der Mobilstation werden dann die einzelnen Unsicherheitsgebiete überlagert.
Dazu wird ein Mittel aus der Regelungstechnik, wo für Zu- standsschätzungen mehrere mit Unsicherheiten behaftete Messungen berücksichtigt werden müssen, verwendet, nämlich ein nichtlineares mengenbasiertes Filter.
Bei der Überlagerung der Unsicherheitsgebiete durch das nichtlineare mengenbasierte Filter werden die einzelnen Unsicherheitsgebiete auf eine gemeinsame Schnittmenge, das Ge- samtunsicherheitsgebiet, reduziert .
In diesem Gesamtunsicherheitsgebiet wird schließlich die Mobilstation vermutet.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Lokalisierung auf Basis von Kommunikationsssignalen und bekannten Positionen von Basisstationen durchgeführt wird, welche in einem normalen Betrieb bei einem Mobilfunksystem anfallen und dort zur Verfügung stehen. Dadurch kann auf aufwendige Änderungen und Erweiterungen sowie Zusatzmessungen bestehender Mobilfunktsysteme bzw. bei bestehenden Mobilfunksystemen verzichtet werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf die Verfahren als auch auf die Anordnung.
Die Erfindung und die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden. Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.
Auch kann die Erfindung oder jede im weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.
Bei einer Kommunikation in einem Kommunikationsnetz zwischen einer mobilen Kommunikationseinrichtung (Mobilstation) , beispielsweise einem Mobiltelefon, und einer Basisstation, beispielsweise einer Rundantenne bzw. einem Rundstrahler oder einer bzw. mehrerer sektoraler Antennen, werden Daten, die (ersten und die zweiten) KommunikationsSignale, in Signalpaketen, sogenannten bursts, übertragen.
Basierend auf 'den bzw. unter Verwendung der übertragenen Kommunikationssignalen bzw. Signalpaketen lassen sich verschiedene entfernungsrelevante Parameter ermitteln, welche wiederum als Grundlage für die Ermittlung von den möglichen Aufenthalts- bzw. Entfernungsbebieten herangezogen werden können.
Ein solcher entfernungsrelevanter, d.h. entfernungsabhängiger, Parameter ist beispielsweise eine Signallaufzeit eines Signalpaketes zwischen der Mobilstation und der Basisstation.
Die Signallaufzeit weist eine natürliche Abhängigkeit zur Entfernung zwischen der Mobilstation und (gesprächsführender) Basisstation auf und liefert demzufolge eine Information über ein mögliches Aufenthaltsgebiet bzw. Entfernungsgebiet (Unsicherheitsgebiet) der Mobilstation. Die Signallaufzeit kann von einer Mobilstation (oder auch von einer Basisstation) gemessen und in einem sogenannten timing advance (TA) kodiert werden. Für das TA können 64 Codierstufen (Quantisierungsstufen) zur Verfügung stehen, die mit Werten 0 bis 63 (bit-) codiert werden können und die Laufzeit repräsentieren.
Eine Messgenauigkeit bei der Signallaufzeitbestimmung beträgt in Folge der Quantisierung eine Bitdauer, beispielsweise in GSM 48/13 μs, was dort einer einfachen Weglänge von etwa 554m entspricht.
Demzufolge führt eine gemessene und derart codierte Signallaufzeit zu einem möglichen Unsicherheitsgebiet in Form eines Kreisrings um die Basisstation mit einer Breite, welche einer Bitdauer entspricht, beispielsweise ein Kreisring mit der Breite von 554m bei GSM.
Der Kreisring kann auf einen Sektor eingeschränkt werden, wenn eine Richtungsabstrahlcharakteristik der Basisstation berücksichtigt wird.
Sehr häufig befinden sich mehrere Antennen an einer Basisstation, welche in bestimmte Richtungen abstrahlen und von welchen eine in Kommunikation mit der Mobilstation steht. Bei drei Antennen ergibt sich beispielsweise ein Sektor von 120°, auf welchem der Kreisring eingeschränkt werden kann.
Ein weiterer entfernungsrelevanter Parameter ist beispielsweise eine Feldstärke eines Signalpakets.
Die Feldstärke weist wie auch die Signallaufzeit eine natürliche Abhängigkeit zur Entfernung zwischen der Mobilstation und der (gesprächsführenden) Basisstation auf und liefert demzufolge eine Information über ein mögliches Aufenthaltsgebiet bzw. Entfernungsgebiet (Unsicherheitsgebiet) der Mobilstation. Diese Abhängigkeit zwischen Feldstärke und Entfernung kann durch physikalische Modelle, welche ein Ausbreitungsverhalten von Signalen beschreiben, beschrieben werden.
Unterstellt man bei einem solchen Modell eine ungehinderte Ausbreitung von Signalen, so liefert dieses Modell für eine vorgegebene bzw. eine gemessene Feldstärke eine maximale Entfernung.
So kann von der Mobilstation die Feldstärke eines von einer Basisstation empfangenen Signalpakets gemessen werden und daraus unter Verwendung eines Ausbreitungsmodells ein maximaler Abstand der Mobilstation von der Basisstation abgeschätzt werden.
Dieser maximale Abstand kann durch ein Unsicherheitsgebiet in Form eines Kreises mit entsprechendem Radius um die Basisstation beschrieben werden.
Auch hier kann dieser Kreis auf einen Sektor eingeschränkt werden, wenn eine Richtungsabstrahlcharakteristik der Basisstation berücksichtigt wird. Demzufolge ergibt sich hier ein Unsicherheitsgebiet in Form eines Kreissektors.
Steht nun eine Mobilstation mit mehreren Basisstationen in Kommunikation bzw. empfängt von diesen bzw. tauscht mit diesen Signalpakete aus, so können mehrere solcher Unsicherheitsgebiete jeweils bezüglich der entsprechenden Basisstation ermittelt werden.
So ist es sinnvoll, die Kommunikation zwischen der Mobilstation und der gesprächsführenden Basisstation für eine Signallaufzeitbestimmung heranzuziehen und das entsprechende Unsicherheitsgebiet, den Kreisringsektor, zu bestimmen. Darüber hinaus können sonstige, am besten von der Mobilstation empfangbare Basisstationen jeweils für eine Feldstärkenmessung herangezogen und jeweils das entsprechende Unsicherheitsgebiet, den Kreis bzw. das Kreissegment, ermittelt werden.
Zur Kombination aller Unsicherheitsgebiete wird erfindungsgemäß ein nichtlineares mengenbasiertes Filter verwendet.
Bei diesem nichtlinearen mengenbasierten Filter werden komplexe Unsicherheitsgebiete eines N-dimensionalen Orginalraums in einen L-dimensionalen Hyperraum transformiert, in welchem sie einfach, beispielsweise durch ein Ellipsoid, dargestellt und bearbeitet, d.h. kombiniert, werden können.
Um allen Unsicherheitsgebieten gerecht zu werden, ist es sinnvoll eine Schnittmenge aller Unsicherheitsgebiete, in diesem Fall in dem Hyperraum, zu bilden.
Als Ergebnis der Schnittmengenbildung liefert das nichtlineare mengenbasierte Filter wiederum einen einfach zu beschreibenden Körper, wie ein Ellipsoid, bezeichnet als ein Hüllel- lipsoid, im Hyperraum.
Dieses Hüllellipsoid erfüllt die folgenden Bedingungen: a) es ist analytisch durch ein Ellipsoid beschreibbare Körper, welcher die Schnittmenge beinhaltet, b) es liegt komplett in einer •Vereinigungsmenge der Unsicherheitsgebiete .
Die anschließende Rücktransformation des Hüllellipsoids vom Hyperraum in den Orginalraum ermöglicht eine analytische Beschreibung der Schnittmenge der Unsicherheitsgebiete auch in dem Orginalraum. Anzumerken ist, dass zur Beschreibung der transformierten Unsicherheitsgebiete in dem Hyperraum auch andere Körper als Ellipsoide verwendet werden können.
Ferner ist es möglich, das nichtlineare mengenbasierte Filter sukzessive bzw. schrittweise anzuwenden, d.h. immer jeweils zwei Unsicherheitsgebiete werden nacheinander geschnitten.
Alternativ dazu kann das nichtlineare mengenbasierte Filter auch für die gleichzeitige Schnittmengenbildung von mehreren Unsicherheitsgebieten in einem einzigen Schritt angewendet werden.
Unter Verwendung des geschnittenen, rücktransformierten gemeinsamen Unsicherheitsgebietes kann dann die Position der Mobilstation ermittelt werden.
Dazu kann beispielsweise ein Kennwert des gemeinsamen Unsicherheitsgebiets bestimmt werden, wie ein Schwerpunkt oder ein Erwartungswert, welcher dann als Schätzung für die Position der Mobilstation verwendet wird.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zu einem Einsatz im Umfeld eines digitalen, zellularen Mobilfunksystems, wie einem GSM-Netz, beispielsweise dort zur Lokalisierung eines GSM-Telefons (Mobiltelefon) .
Dabei werden bei dem Einsatz der Erfindung nur die dem Mobiltelefon zur Verfügung stehenden Daten verwenden, wobei weder am GSM-Netz noch an Mobilstationen in dem GSM-Netz kostspielige Änderungen vorzunehmen sind.
Beispielsweise sind bekannt von einem GSM-Netz die Positionen der einzelnen Basisstationen und deren Antennen sowie deren Charakteristik, welche Auskunft über das Versorgungsgebiet der jeweiligen Antenne gibt. Prädiktionskarten von zu erwar- tenden Feldstärken werden aus Umgebungsmodellen ermittelt und liegen ebenfalls vor.
Das Mobiltelefon seinerseits steht für einen korrekten Verbindungsaufbau immer in Kontakt mit den empfangbaren Antennen, um die am besten für ein Gespräch geeignete Antenne vom Netz zugeteilt zu bekommen. Dazu misst es unter anderem die Empfangsfeldstärke der empfangbaren Antennen sowie bestimmt Signallaufzeiten, die dann ebenfalls bekannt sind.
Auf Basis dieser vorliegenden Informationen erfolgt dann die Lokalisierung des Mobiltelefons.
Es werden daraus für die Signallaufzeit ein aus einer Quantisierung entstehender Entfernungsbereich des Mobiltelefons zu seiner gesprächsführenden Antenne und aus den Feldstärkemessungen ein maximal möglicher Abstand abgeleitet.
Zusätzlich kann diese Entfernungsangabe noch auf einen bestimmten Bereich um die Antenne beschränkt werden, da es sich häufig um gerichtete Antennen handelt, die beispielsweise nur einen Sektor von 120° versorgen.
Diese Gebiete resultierend aus den einzelnen
Messungen werden dann mit einem nichtlinearen mengenbasierten Filter auf die gemeinsame Schnittmenge reduziert, in der das Telefon nach dem' Modell angenommen werden kann.
In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im weiteren näher erläutert wird.
Es zeigen
Figur 1 eine Skizze einer GSM-Netzarchitektur eines GSM- Mobilfunknetzes; Figur 2 eine Skizze eines TA-Unsicherheitsbereichs (TA- Segment) ;
Figur 3 eine Skizze von Feldstärken-Unsicherheitsbereichen (RxLev-Bereiche) ;
Figur 4 eine Skizze mit einer Überlagerung eines TA-Segnemts mit mehreren RxLev-Bereichen;
Figur 5 eine Skizze eines durch ein nichtlineares mengenbasiertes Filter erzeugten TA-Segments;
Figur 6 eine Skizze eines durch ein nichtlineares mengenbasiertes Filter erzeugten RxLev-Bereichs;
Figur 7 eine Skizze einer Schnittmengenbildung von einem TA- Segment mit RxLev-Bereichen durch ein nichtlineares mengenbasiertes Filter.
Ausführungsbeispiel: Lokalisierung eines Mobiltelefons in einem GSM-Mobilfunknetz
GSM-Netzarchitektur des GSM-Mobilfunknetzes
In Fig.1 ist eine Netzarchitektur 101 eines GSM- Mobilfunknetzes 100 dargestellt.
Bei diesem Mobilfunknetz 100 handelt es sich um ein digitales, zellulares Mobilfunksystem ([7], [8], [9]), mit einem in Fig.l dargestellten hierarchischen Aufbau einer GSM- Systemarchitektur 101.
Als Zelle 102 wird ein von einer Antenne 103 versorgte Gebiet bezeichnet, welches je nach erwarteter Teilnehmerzahl dimensioniert wird. Eine Basisstation (BTS) 104 verwaltet immer einen Standort, an dem allerdings mehrere sektionale Antennen 103 positioniert sein können. Falls sich nur eine Antenne 103 bei einer BTS 104 befindet, die deren gesamte Umgebung versorgt, spricht man von einem Rundstrahler.
Mehrere Basisstationen werden gemeinsam von einem Base Station Controller (BSC) 105 gesteuert.
Die Gespräche von Mobilstationen (MS) 106 werden gebündelt für ihre Zellen 102 von einem Vermittlungsknoten, dem Mobile Switching Center (MSC) 107, verbunden.
Für die Lokalisierung der Mobilstation (MS) 106 ist dabei besonders die Kommunikation zwischen Basis- 104 und Mobilstation 106 wichtig.
Um möglichst viele Teilnehmer mit ihren Mobilstationen (MS) 106 gleichzeitig bedienen zu können, ist das GSM—Netz 100 zellular aufgebaut, was eine Frequenzband-Wiederholung ermöglicht, da nur unmittelbar benachbarte Funkzellen 102 nicht mit denselben Frequenzgruppen arbeiten dürfen.
Desweiteren werden die 25 MHz Bandbreite, die einem Netzbetreiber zur Verfügung stehen, in 124 einzelne Kanäle (Trägerfrequenzen) aufgeteilt. Darin werden schließlich jeweils acht zeitlich versetzte Gesprächskanäle untergebracht und mittels Zeitvielfachzugriff bedient. So können in einem Gebiet ohne Frequenzband-Wiederholung an die 1000 Teilnehmer versorgt werden.
Die Datenübertragung findet innerhalb eines Zeitschlitzes in Signalpaketen, den sogenannten bursts, mit einer Länge von 15/26 ms statt. Die von der Basisstation (BTS) 104 emittierten Signale finden ihren Weg zur Mobilstation (MS) 106 aufgrund von Streuungen über unterschiedliche Wege (Mehrwegausbreitung) , wobei sie frequenzabhängig gedämpft werden.
Somit ist die Empfangsfeldstärke der Mobilstation (MS) 106 nicht nur von ihrer Entfernung zur Basisstation (BTS) 104, sondern auch von ihrer Frequenz und den topographischen Gegebenheiten zwischen Sender und Empfänger abhängig.
Deswegen werden die einzelnen Datenpakete auf verschiedenen Trägerfrequenzen verschickt, wodurch selektive Störungen einer Frequenz auf mehrere Teilnehmer verteilt werden können. Dafür ist allerdings eine präzise Synchronisierung zwischen Mobil- und Basisstation notwendig.
Diese Synchronisierung wird durch die Mobilität der Teilnehmer zusätzlich erschwert, weil die Mobilstationen sich nun in unterschiedlichen Entfernungen von der Basisstation befinden und ihre Signale deswegen unterschiedliche Laufzeiten aufweisen.
Um diese auszugleichen und der Basisstation rahmensynchrone Daten liefern zu können, mißt die Mobilstation die Signallaufzeit zur Basisstation und korrigiert dadurch den Sendebeginn ihrer Datenpakete. Die Signallaufzeit wird im sogenannten ti ing advance (TA) kodiert und weist natürlich eine Abhängigkeit zur Entfernung zwischen Mobilstation und gesprächsführender Basisstation auf.
Da die Koordinaten der Basisstationen bekannt sind, kann daraus auf die Position der Mobilstation geschlossen werden.
Die Mobilität der Teilnehmer kann auch zur Folge haben, daß die Mobilstation den Versorgungsbereich einer Basisstation verläßt, und somit eine benachbarte Basisstation die Mobil- Station übernehmen muß. Dieser Vorgang wird als Handover bezeichnet.
Um die richtige Basisstation mit den besten Voraussetzungen bezüglich der Qualität der Verbindung auswählen zu können, werden unter anderem von der Mobilstation laufend die Feldstärken aller empfangbaren Antennen gemessen.
Die Feldstärken der sechs am besten empfangenen Antennen werden der gesprächsführenden Basisstation in den sogenannten RxLev-Werten mitgeteilt, die daraus unter Berücksichtigung der Verbindungsqualität und der Teilnehmerzahl der anderen Basisstationen eine Handover-Entscheidung treffen kann.
Der RxLev-Wert enthält dabei eine Information über die Entfernung zu den anderen empfangbaren Basisstationen 104, da die Feldstärke mit der Entfernung abnimmt, und ist somit für die Lokalisierung der Mobiisstation (MS) 106 relevant.
Würde es sich um eine reine Freiraumausbreitung handeln, so ließe sich die empfangene bezüglich der gesendeten Leistung durch die Gleichung
beschreiben, wobei Gs und Ge für den Gewinn der Sende- beziehungsweise Empfangsantenne stehen, c die Lichtgeschwindigkeit, r der Abstand MS-BTS und f die Trägerfrequenz ist.
Durch die Mehrwegausbreitung aufgrund von Reflexionen an der Erdoberfläche und Spiegelungen an Hindernissen oder die Dämpfung beispielsweise in Gebäuden ist diese Abnahme aber nicht mehr wie im Vakuum proportional zum Quadrat des Abstandes, sondern kann Werte bis zum Faktor 5 erreichen,
Um das Handover synchron zu gestalten, muß schon das erste Datenpaket der Mobilstation für die neue gesprächsführende Basisstation im richtigen Zeitrahmen bei der BTS ankommen. Deswegen muß die Mobilstation schon vor dem eigentlichen Handover unter anderem den TA-Wert der nächsten gesprächsführenden Basisstation wissen.
Dazu berechnet die MS ständig die Zeitdifferenz zwischen gesprächsführender Basisstation und den anderen empfangbaren Basisstationen. Diese wird als Observed Time Difference (OTD) bezeichnet.
Die Basisstationen wiederum halten immer die sogenannte Real Time Difference (RTD) zu ihren Nachbarn bereit und teilen der Mobilstation vor einem Handover den RTD zur nächsten gesprächsführenden Basisstation mit.
Aus dieser RTD und der zugehörigen OTD kann die MS nun den TA-Wert zur neuen gesprächsführenden BTS berechnen, woraus wiederum Rückschlüsse auf die Entfernung MS-BTS gezogen werden können. Allerdings steht dieser zweite TA-Wert nur zum Zeitpunkt des Handovers zur Verfügung und kann somit im allgemeinen nicht für die Lokalisierung verwendet werden.
Lokalisierungsparameter im GSM-Mobilfunknetz und deren Unsicherheitsgebiete
Als lokalisierungsrelevante Parameter stehen der Mobilstation fortwährend das timing advance (TA) als ein Maß für den Abstand MS-BTS und der RxLev-Wert als Feldstärkemaß zu maximal sechs weiteren Basisstationen zur Verfügung.
Zusätzlich sind aus dem GSM-Netz unter anderem die Koordinaten der Basisstationen und der Zellzentren abrufbar. Bevor der TA- oder RxLev-Wert allerdings für die Lokalisierung verwendet werden kann, muß die Abhängigkeit von der Entfernung zur jeweiligen Basisstation modelliert werden.
Für den RxLev-Wert kann dazu auch auf die den Netzbetreibern zur Verfügung stehenden Prädiktionskarten zurückgegriffen werden, die für ein 25m Raster die zu erwartende Feldstärke enthalten.
Tirrting Advance (TA)
Für das timing advance (TA) stehen 64 Stufen zur Verfügung, die mit den Werten 0 bis 63 kodiert werden und die Laufzeit BTS-MS-BTS repräsentieren. Eine Bitdauer 3,69μs entspricht dabei einer Entfernung von
d = --3,69μs -3-108— = 553,46m (3)
2 s
zwischen BTS und MS.
Damit kann über den verfügbaren Wertebereich eine maximale Entfernung von etwa 35km ausgeglichen werden.
Wegen der Rundung bei der bitweisen Angabe des TA-Wertes liegt der Abstand r der MS zur gesprächsführenden BTS somit im Quantisierungsintervall
iΛ
553,46m TA < r < 553,46m TA + - lλ , TA > 0 2/
0 < r < 276,73m, TA= 0 (4)
Aus dem TA-Wert -kann also ein Ring 200 mit 553m Breite 202 um die gesprächsführende BTS 201 abgeleitet werden, in dem sich die MS befindet. Dieser Ring 200 läßt sich allerdings je nach Antenne noch weiter (zu einem Ringsegment 204) einschränken. So befinden sich sehr häufig mehrere Antennen am Mast einer BTS, die in bestimmte Richtungen abstrahlen. Diese Richtungen zeigen zum Zellzentrum der jeweiligen Antenne. Bei drei Antennen am selben Mast ergibt sich beispielsweise ein Sektor 203 von 120° (Fig.2).
Innerhalb dieses TA-Segments 204 kann nun der Aufenthaltsort des Mobilstation vermutet werden.
RxLev-Wert
Damit die gesprächsführende BTS allerdings eine andere BTS zum Handover auswählen kann, werden ihr von der MS die Feldstärken der sechs am besten empfangenen Nachbar-BTS mitgeteilt.
Diese Feldstärken werden in den sogenannten RxLev-Werten kodiert, die wie der TA-Wert im Wertebereich von 0 bis 63 dargestellt werden. Dies entspricht einem Meßbereich der Empfangsfeldstärke von -HOdBm bis -48dBm.
Diese RxLev-Werte sollen nun in eine Entfernung zur jeweiligen Basisstation umgerechnet werden, um für die Lokalisierung verwendbar zu sein. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die RxLev-Werte aber nicht nur vom Abstand MS-BTS abhängen.
Die Ermittlung der Abstandsinformation aus den Feldstärkewerten gemäß [11] führt zu einem Abstand r zwischen Mobil- und Basisstation
ΔP(dB) = 10 • α • log f-fλ - 10 • ß • log(4πr), (5)
VcJ
wobei ΔP die Abnahme der Feldstärke, f die Trägerfrequenz, c die Lichtgeschwindigkeit, α ein frequenzabhängiger und ß ein terrainabhängiger Faktor sind.
Die Empfangsleistung nimmt dabei mit der Potenz ß der Entfernung ab.
Eine andere anwendbare Näherung zur Abstandsgewinnung ist in [12] beschrieben.
Alternativ dazu kann ein Modell zur Abstandsermittlung aus Feldstärkemessungen abgeleitet werden.
Es wird als Näherung eine lineare Abhängigkeit in Form einer Gerade zwischen den RxLev-Werten und den Abständen MS-BTS gewählt.
Verfeinert wird der lineare Ansatz, indem wenigstens eine solche Gerade pro Antenne 306, 307, 308 (Fig.3) zur Anpassung an deren Umgebung definiert wird. Für den maximalen Abstand r_max 304 folgt also
r_max = Offset + Steigung*RxLev (6)
wobei die Parameter Offset und Steigung aus einer antennenspezifischen Datenbank stammen oder auch aus den Prädiktionskarten gewonnen werden können.
Im weiteren wird angenommen, dass sich die Signale allen Hindernissen zum Trotz kreisförmig ausbreiten (Fig.3), wobei der vorher aus den RxLev-Werten abgeleiteten Abstand als Radius der Kreise 301, 302, 303 dient.
So ergeben sich im Idealfall Kreise 301, 302, 303 als Äquipotentiallinien, die die maximal mögliche Entfernung für die empfangenen Feldstärken darstellen (vgl. Fig.3).
Zusätzlich kann nun noch wie beim TA-Wert die Richtungsabhängigkeit der Ausbreitung bei den sektionalen Antennen 305, 306, 307 berücksichtigt, und die Kreise 301, 302, 303 beispielsweise auf ein 120°-Segment 308, 309, 310 beschränkt werden. Innerhalb der beschränkten Kreissegmente 308, 309, 3010 kann der Aufenthaltsort des Mobiltelefons vermutet werden.
Berücksichtigung und Kombination der TA- und RxLev- Information
Weiter werden nun sowohl das TA-Segment (401, Fig.4; Fig.2) als vermuteter Aufenthaltsort des Mobiltelefons auch die RxLev-Kreise (402, 403, Fig.4; Fig.3) als vermutete Aufenthaltsorte 407 zur Berechnung der resultierenden Position des Mobiltelefons herangezogen.
Dabei wird das TA-Segment 401 der gesprächsführenden Antenne 404 mit den bis zu sechs Kreisen 402, 403 aus der Feldstärkemessung zu den benachbarten Basisstationen 405, 406 kombiniert (407, Fig.4).
Aufgrund des sehr einfachen linearen Abstandsmodells der Feldstärke sollte allerdings das TA-Segment 401 als Basis dieser Kombination 407, d.h. Schnittmengenbildung der einzelnen Gebiete, fungieren.
Filterung bzw. Überlagerung der Unsicherheitsgebiete unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters
Die Schnittmengenbildung 407 der Gebiete 401, 402, 403 (Fig.4) erfolgt unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters. Ein solches nichtlineares mengenbasiertes Filter ist in [10] beschrieben.
Dieses nichtlineare mengenbasierte Filter ist ein Mittel aus der Regelungstechnik, wo für Zustandsschätzungen mehrere mit Unsicherheiten behaftete Messungen, welche sich in Form von Unsicherheitsgebieten darstellen lassen, berücksichtigt werden müssen. Bei der Überlagerung der Unsicherheitsgebiete durch das nichtlineare mengenbasierte Filter werden die einzelnen Unsicherheitsgebiete auf eine gemeinsame Schnittmenge, ein Ge- samtunsicherheitsgebiet, reduziert .
Um den nichtlineare mengenbasierte Filter aus [10] auf das obige Lokalisierungsproblem anzuwenden, wird sowohl das TA- Ringsegment 401 als auch jeder der RxLev-Kreise 402, 403 als ein Unsicherheitsgebiet einer Abstandsmessung behandelt und daraus durch die nichtlineare mengenbasierte Filterung das Gesamtunsicherheitsgebiet 407 als vermuteter Aufenthaltsort des Mobiltelefons bestimmt.
Grundlagen
Die Idee bei diesem nichtlinearen mengenbasierten Filter besteht darin, die komplizierten Unsicherheitsgebiete des N- dimensionalen Originalraums in einem L-dimensionalen Hyperraum mit L > N einfach darzustellen.
Dazu werden die Punkte des Originalraums mittels einer nichtlinearen Transformation in den Hyperraum abgebildet, wo die komplizierten Gebiete durch einfache Ellipsoide der Form
A _ι Λ
X = {x : [x x]x(C) 1[x - x] < 1}, (7)
dargestellt werden können. Dabei ist x der Mittelpunktsvektor und C die Definitionsmatrix des Ellipsoids.
Die nichtlineare Meßgleichung des TA-Rings ist darstellbar als
R2 < (x - ax)2 + (y - ay)2 < R2 a = (x - a. )2 + (y - av)2 + v (8)
mit Ri als innerem, Ra als äußerem Radius, ax ay als die Koordinaten der Antenne und v als Unsicherheit der Messung in einem Hyperraum (Index *) mit Zustandsvektor
, x5j (9)
in lineare Form
-2axxx 2ayx2 + x„ + xκ + a; + a„ + v (10)
Die Unsicherheit v* = v der transformierten Messung ist dabei beschränkt auf das Intervall
Verallgemeinert folgt somit für die Messgleichung (10) in Zustandsvariablen
(al + a ) + v
'12'
z* = H * x * +cf + v*, und letztlich z * = H * x * +v*,
die durch das Gebiet
beschränkt wird.
H* ist dabei die Übertragungsmatrix im Hyperraum, x* der Zustandsvektor und cf ein konstanter Korrekturfaktor. Dies soll nun mit einem Prädiktionsgebiet (Index p) geschnitten werden, das alle Messungen beinhaltet. Für die Schnittmenge läßt sich schließlich ein begrenzendes Ellipsoid (Index s) beschreiben
(14) mit
:s'* = xP'* + λ C P '< (H )τv' + λ H cPr (H r H x ¥ι (15)
er' = d P&' (16)
, JL. -_ Λ. I JL, ] -J
,s, _ λ C p' JH H *Cp, * (17)
d = 1 + λ - λ*(z* - H*χP'*)TjV* + λ cP'*(H*)T| ' z - H x '
(18)
Der Parameter λ dient dabei der Gewichtung von Prädiktion und Messung und kann zur Minimierung des Volumens des begrenzenden Ellipsoids verwendet werden. z = z - cf und V* ergibt ssiich aus dem Quadrat der maximalen Unsicherheit, also hier zu
Um den so erzeugten TA-Ring 501 auf einen 120 -Sektor wie in Fig.2 zu beschränken, wird im nächsten Filterschritt Xs' * zum Prädiktionsgebiet Xp' und dieses wieder mit zwei unsicherheitsbehafteten Messungen in Form von Geradenpaaren 503, 504, die einen Winkel von 120° einschließen, geschnitten. So entsteht rekursiv das Segment 502 in Fig.5.
Das entstehende Pseudo-Ellipsoid X ' 502 nähert sehr gut die Ausdehnung des Ringes an, doch weist es einen signifikanten Fehler bei der Sektorbeschränkung auf.
Deswegen sollte das Ellipsoid entweder in einem noch höherdi- mensionalen Hyperraum weiter verengt oder mit einer Reduzierung des Winkels zwischen den Geradenpaaren korrigiert werden.
Die exakte Lösung über die Ausweitung des Hyperraumes hat dabei aber den Nachteil einer unverhältnismäßig ansteigenden Rechenzeit. Mit der Variation des Winkels, den die beiden Geradenpaare einschließen, kann der Sektor zwar scheinbar besser approximiert werden, doch wird das nicht von den Ergebnissen honoriert. Offensichtlich liegen nicht alle Messungen im vom Modell angenommen Segment, so daß ein etwas größerer Winkelbereich den Messungen gerechter wird.
Für die Berechnungen wird deswegen die Approximation in Fig.5 beibehalten und somit die Meßunsicherheiten ansatzweise in das mengentheoretische TA-Modell miteinbezogen.
Um auch das Modell der Feldstärkemessungen an die Ausstrahlungscharakteristik der Antennen anzupassen und um somit die richtungsunabhängige Ausbreitung der Signale auf den bestrahlten Antennensektor zu beschränken, wird auch hier eine weitere virtuelle Messung als Approximation eingeführt, die dann rekursiv über das Filter berücksichtigt werden muß.
Beim TA-Segment geschieht dies über zwei Geradenpaare 503, 504, also zwei weitere Messungen.
Eine andere Möglichkeit, die Beschränkung auf einen Sektor zu approximieren, bietet die Einführung einer zweiten kreisförmigen Messung, wie es Fig.6 verdeutlicht.
Dabei werden die Kreise 601 der maximal möglichen Entfernung des RxLev-Modells mit einem weiteren, in Ausstrahlungsrichtung verschobenen Kreis 602 geschnitten.
Die Kreisgleichung des verschobenen Kreises 602 lautet
Rv 2 = (x - (ax + Rv cos φ))2 + (y - (ay + Rv sin φ))2 (20)
mit Rv als Radius
Rv 2 = j? (21 )
2 cos(α / 2)
und (ax,ay) als Koordinaten und φ als Winkel zwischen x-Achse und Hauptausstrahlungsrichtung der Antenne.
Das nichtlineare mengenbasierte Filter liefert davon wieder die Schnittmenge als ein die Ausstrahlungscharakteristik der Antenne berücksichtigendes Pseudo-Ellipsoid 603 in Form der grauen Approximation in Fig.6.
Gegenüber dem TA-Segment kann so ein Filterschritt gespart werden. Freilich würde es sich auch anbieten, das TA-Segment auf die selbe Art über den Schnitt mit einem verschobenen Kreis zu erzeugen, doch lieferte das ein etwas schlechteres Ergebnis. Beim RxLev—Segment hingegen ist die vorgestellte Approximation des Sektors die bessere Wahl, was an den Meßunsicherheiten liegen dürfte.
Mit dem nichtlinearen mengenbasierten Filter können somit sowohl das TA- als auch das RxLev-Modell für gerichtete Antennen gemäß ihrer Ausstrahlungscharakteristik näherungsweise auf einen Sektor beschränkt werden.
Die Hauptaufgabe des Filters ist es aber weiterhin, mehrere Messungen mit ihren örtlichen Einschränkungen zu erfassen.
Ausgehend vom TA-Kreisring, der gegebenenfalls auf einen Sektor reduziert wird, lassen sich die weiteren Kreise der
RxLev-Messungen nun rekursiv berücksichtigen und jeweils ein die Schnittmenge umschließendes Pseudo-Ellipsoid Xs' * ermitteln.
Am Beispiel einer Antennenkonstellation mit gesprächsführender 120°-Antenne (TA-Ringsegment) und einem Rundstrahler beziehungsweise einer 120"-Antenne (RxLev-Messungen) veranschaulicht Fig.7 noch einmal die Vorgehensweise des Filters und die sukzessive Verkleinerung des Unsicherheitsgebietes (Fig.7a bis Fig.7d, 704-705-706-707).
Dabei ist AI 701 die gesprächsführende Antenne mit dem sektoralen TA-Segment 704 als Ausgangskörper für die Schnittmengenbildung.
A2 702 ist eine weitere, zweite Antenne bzw. Basisstation mit einer Richtungscharakteristik von 120°.
A3 ist eine dritte Rundantenne ohne Richtungscharakteristik.
Bei dem ersten Schnitt (Fig.7b) wird das sektorale TA-Segment 704 mit einem Kreis 708 als Unsicherheitsgebiet (noch ohne Berücksichtigung der Richtungscharakteristik) der zweiten An- tenne geschnitten, was zu einem reduzierten Schnittgebiet 705 führt .
Im nächsten Schnitt (Fig.7c) wird die Richtungscharakteristik der zweiten Antenne 702 berücksichtigt. Dies erfolgt durch einen verschobenen Kreis 709, wie im obigen beschrieben. Als weiter reduziertes Schnittgebiet ergibt sich das Gebiet 706.
Im letzten Schnitt (Fig.7d) erfolgt der Schnitt mit einem weiteren Kreis 710 als Ünsicherheitsgebiet der Rundantenne A3 703. Dies führt zu einer weiteren Reduktion auf das Ünsicherheitsgebiet 707.
Positionsbestimmung
Ziel der Lokalisierung ist es, die Position des Mobiltelefons aus seinen Messungen möglichst genau zu schätzen.
Dazu werden aus den Messungen Aufenthaltsgebiete abgeleitet, in denen eine Gleichverteilung angenommen wird.
Von diesen Gebieten bestimmt das nichtlineare mengenbasierte Filter ein Ellipsoid, das die Schnittmenge aller Gebiete umfaßt.
Von diesem (Fig. 7d, 707) gilt es jetzt noch einen Punkt zu ermitteln, der den mittleren Abstand über das gesamte Pseudo- Ellipsoid des Endgebietes minimiert.
Dies kann näherungsweise über ein Raster realisiert werden, indem der Punkt (x,y) des Rasters ausgewählt wird, der die Summe
über alle N Rasterpunkte minimiert, die innerhalb des endgültigen Pseudo-Ellipsoids liegen und die durch das numerische Auswerten von Gleichung (14) vorliegen.
Als Position der Mobilstation und Ergebnis der Lokalisierung wird also der Punkt mit minimalem mittleren Abstand zu den anderen innerhalb des Ellipsoids liegenden Punkten gewählt.
Dazu muß für jeden dieser Punkte der mittlere Abstand ermittelt werden, bevor das Minimum dieser mittleren Abstände als Ergebnis vorliegt. Etwas einschränken kann man die Suche nach dem Minimum der mittleren Abstände und somit die Rechenzeit aber durch eine Vorauswahl der in Frage kommenden Punkte.
Dafür bietet sich die nähere Umgebung des Mittelwertes über die innerhalb des Segments liegenden Punkte des Rasters an, der auch eine numerische Näherung für den Erwartungswert ist und der den quadratischen Abstand minimiert.
Der Erwartungswert für das TA-Segment alleine kann aber auch ohne den Umweg über ein Raster analytisch bestimmt werden.
Wird das TA-Segment dafür mit einer geeigneten Transformation in den Koordinatenursprung symmetrisch um die x-Achse wie in Fig.2 gelegt, berechnet sich der Erwartungswert als Position der Mobilstation durch
η sin(α / 2) 12 • (TA)2 +1
E = 2 • d ^ '- ■ γX— '—^— , TA > 0 α (12 • TA)
Λ , „ sin(α / 2)
Ex = 2 / 3 • d * - , TA = 0 (23) α
Ey = 0. In diesem Dokument sind folgende Schriften zitiert:
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Claims

Patentansprüche
1.Verfahren zur Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz mit mindestens einer ersten Basisstation, eingerichtet zu einer ersten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, und einer zweiten Basisstation, eingerichtet zu einer zweiten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, bei dem unter Verwendung eines ersten Kommunikationssignals der ersten Kommunikation ein erstes mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der ersten Basisstation ermittelt wird, bei dem unter Verwendung eines zweiten KommunikationsSignals der zweiten Kommunikation ein zweites mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der zweiten Basisstation ermittelt wird, bei dem das erste mögliche Aufenthaltsgebiet und das zweite mögliche Aufenthaltsgebiet unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters kombiniert werden, wobei ein gemeinsames Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung zu der ersten und der zweiten Basisstation ermittelt wird, bei dem unter Verwendung des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets die Position der mobilen Kommunikationseinrichtung bestimmt wird.
2.Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste und/oder das zweite Kommunikationssignal in
Form von Datenpaketen übertragen werden.
3.Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem unter Verwendung des ersten und/oder des zweiten Kommunikationssignals ein und/oder mehrere entfernungsabhängige Parameter ermittelt werden bzw. wird, welche bzw. welcher von einer Entfernung der mobilen Kommunikationseinrichtung zu einer von den Basisstationen abhängen bzw. abhängt und unter Verwendung dessen oder derer das erste und/oder das zweite mögliche Aufenthaltsgebiet ermittelt werden bzw. wird.
4.Verfahren nach Anspruch 3, bei dem bei der Ermittlung des ersten und/oder zweiten möglichen Aufenthaltsgebiets aus dem oder den entfernungsabhängigen Parametern ein Signalausbreitungsmodell verwendet wird.
5.Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem der entfernungsabhängige Parameter eine Signallaufzeit des ersten oder des zweiten Kommunikationssignals oder eine Feldstärke des ersten oder des zweiten Kommunikations- signals ist.
6.Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der entfernungsabhängige Parameter von der mobilen
Kommunikationseinrichtung bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, bei dem der entfernungsabhängige Parameter codiert, insbesondere Bit-codiert wird.
8.Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der bit-codierte Parameter ein ti ing advance-Wert oder ein RxLev-Wert ist.
9.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der Ermittlung des ersten und/oder zweiten möglichen Aufenthaltsgebiets eine Abstrahlcharakteristik, insbesondere eine Richtungsabstrahlcharakteristik, der ersten und/oder zweiten Basisstation berücksichtigt wird.
10.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste mögliche Aufenthaltsgebiet ein Kreisring, insbesondere ein Kreisringsektor ist.
11.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite mögliche Aufenthaltsgebiet ein Kreis, insbesondere ein Kreissektor ist.
12.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kommunikationsnetz mehrere erste und/oder zweite
Basisstationen aufweist,
- deren jede eingerichtet ist zu einer Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, wobei jeweils unter Verwendung des entsprechenden Kommunikationssignals der jeweiligen Kommunikation ein mögliches Aufenthaltsgebiet ermittelt wird, bei dem alle möglichen Aufenthaltsgebiete unter Verwendung des nichtlinearen mengenbasierten Filters kombiniert werden, wobei ein gemeinsames Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung zu den Basisstationen ermittelt wird.
13.Verfahren nach Anspruch 12, bei dem nacheinander immer nur zwei mögliche Aufenthaltsgebiete kombiniert werden.
14.Verfahren nach Anspruch 12, bei dem alle möglichen Aufenthaltsgebiete gleichzeitig miteinander kombiniert werden.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der nichtlinearen mengenbasierten Filterung die möglichen Aufenthaltsgebiete von einem Orginalraum in einen Hyperraum transformiert werden, in welchem sie unter Verwendung eines ellipsoidalen Körpers beschrieben werden.
16.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der nichtlinearen mengenbasierten Filterung die möglichen Aufenthaltsgebiete von einem Orginalraum in einen Hyperraum transformiert werden, in welchem sie zu dem gemeinsamen Aufenthaltsgebiet kombiniert werden.
17.Verfahren nach Anspruch 15 und 16, bei dem das gemeinsame Aufenthaltsgebiet in dem Hyperraum unter Verwendung eines ellipsoidalen Körpers, insbesondere durch ein Hüllellipsoid, beschrieben wird.
18.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kombination der möglichen Aufenthaltsgebiete zu dem gemeinsamen Aufenthaltsgebiet durch eine Schnittmengenbildung durchgeführt wird.
19.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Position der mobilen Kommunikationseinrichtung ein Kennwert des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets, insbesondere ein Schwerpunkt oder ein Erwartungswert des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets, verwendet wird.
2O.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt zur Lokalisierung eines Mobiltelefons in einem digitalen, zellularen Mobilfunknetz, insbesondere in einem GSM- Netz, wobei die mobile Kommunikationseinrichtung das Mobiltelefon, die erste Basisstation eine gesprächsführende Basisstation und die zweite Basisstation eine von dem Mobiltelefon sonstige empfangbare Basisstation in dem Mobilfunknetz sind.
21.Anordnung zur Ermittlung einer Position einer mobilen Kommunikationseinrichtung in einem Kommunikationsnetz mit mindestens einer ersten Basisstation, eingerichtet zu einer ersten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, und einer zweiten Basisstation, eingerichtet zu einer zweiten Kommunikation mit der mobilen Kommunikationseinrichtung, mit - einer ersten Aufenthaltsermittlungseinheit, mit welcher unter Verwendung eines ersten Kommunikationssignals der ersten Kommunikation ein erstes mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der ersten Basisstation ermittelbar ist, - einer zweiten Aufenthaltsermittlungseinheit, mit welcher unter Verwendung eines zweiten Kommunikationssignals der zweiten Kommunikation ein zweites mögliches Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung von der zweiten Basisstation ermittelbar ist, einer Aufenthaltsüberlagerungseinheit, mit welcher das erste mögliche Aufenthaltsgebiet und das zweite mögliche Aufenthaltsgebiet unter Verwendung eines nichtlinearen mengenbasierten Filters kombinierbar ist, wobei ein gemeinsames Aufenthaltsgebiet der mobilen Kommunikationseinrichtung zu der ersten und der zweiten Basisstation ermittelbar ist, und einer Positionsermittlungseinheit, mit welcher unter Verwendung des gemeinsamen Aufenthaltsgebiets die Position der mobilen Kommunikationseinrichtung bestimmbar ist.
22.Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
23.Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gemäß Anspruch 22, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
24.Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
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