Beschreibung
Verfahren zur Positionsbestiitimung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines mobilen Endgeräts innerhalb eines Mobilfunknetzes, bei welchem zwischen dem Endgerät und mehreren Positionselementen, deren Positionen im Mobilfunknetz bekannt sind, Laufzeiten und/oder LaufZeitdifferenzen von Signalcodes, welche dem jeweils sendenden Gerät eindeutig zugeordnet sind, ermittelt werden und unter Verwendung dieser Laufzeiten und/oder Laufzeitdifferenzen die Position des mobilen Endgeräts ermittelt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Systeme sowie ein mobiles Kommunikationsendgerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Für viele zusätzliche Funktionen eines Mobilfunkgeräts, beispielsweise Notruffunktionen, Navigationsfunktionen oder Informationsdienste, welche ortsbezogene Informationen anbie- ten, ist eine Positionsbestimmung des jeweiligen Mobilfunkgeräts notwendig. Für die Positionser ittlung von Mobilfunkgeräten gibt es die verschiedensten Verfahren. So sind z.B. im aktuellen UMTS-Standard Release 99 vier verschiedene Methoden definiert .
Eine erste Methode ist die sogenannte Cell-ID-Methode. Hierbei erfolgt die Positionsbestimmung anhand der Kennung der Mobilfunkzelle, in der sich das Endgerät zum Zeitpunkt der Positionsanfrage bzw. -bestimmung befindet. -Dabei wird der Mittelpunkt der Mobilfunkzelle als Position des Endgeräts angenommen. Es handelt sich dementsprechend nur um eine grobe Positionsbestimmung, die von der Größe der jeweiligen Mobilfunkzelle abhängt. Die Ungenauigkeiten liegen bei 100 m und mehr. Die Genauigkeit kann durch zusätzliche Messungen ver- bessert werden, indem beispielsweise die Laufzeit eines bekannten Signals von der Basisstation zum Endgerät und/oder zurück ausgewertet wird. Diese Zeitmessung ergibt mathema-
tisch verknüpft mit der Lichtgeschwindigkeit einen Abstand zwischen der Basisstation und dem Endgerät. Die Position des zu lokalisierenden Endgeräts ist damit nicht nur grob bestimmt, sondern es ist dann bekannt, dass es sich auf einem bestimmten Kreis, dessen Radius durch den ermittelten Abstand gegeben ist, in der Mobilfunkzelle befindet. Eine solche einfache LaufZeitmessung wird auch als TOA-Methode (Time of Ar- rival) bezeichnet.
Eine zweite Methode ist die sogenannte Assisted-GPS-Methode. Hierbei handelt es sich um eine Positionsbestimmung mit aktiver GPS-Unterstützung. Das Endgerät muß hierzu über einen geeigneten GPS-Empfänger verfügen, um die GPS-Signale von mindestens drei sichtbaren Satelliten zu empfangen. Die gemesse- nen Signale werden mit Assistenzsignalen, welche GPS- Empfänger im Mobilfunknetzwerk gemessen haben und die als Referenz dienen können, verknüpft, um so eine möglichst genaue Ortsbestimmung zu erreichen. Die damit erreichbaren Genauigkeiten in der Positionsangabe liegen bei derzeit ca. 5 bis 10 m.
Eine dritte Methode ist die sogenannte OTDOA-Methode (Obser- ved Time Difference of Arrival) . Diese Methode basiert auf Laufzeit-Messungen von Signalen der Luftschnittstelle zwi- sehen mehreren Basisstationen und dem zu lokalisierenden Endgerät. Gemäß dieser Methode versucht das zu lokalisierende Endgerät ein Paar eines bekannten Signals von zwei ortsverschiedenen, benachbarten Basisstationen zu detektieren. Die Empfangszeitpunkte des Signals werden dann zur Auswertung an eine Rechnereinheit - im Allgemeinen PCF (Position Calcula- tion Function) genannt - gesandt, welche die Differenz der Empfangszeiten auswertet. Diese Empfangszeitendifferenz beschreibt einen Hyperboloid, wodurch angegeben ist, dass der Aufenthaltsort des Endgeräts auf einer Hyperbel liegt. Durch die Einbeziehung einer weiteren Basisstation wird eine zweite Hyperbel ermittelt. Der Aufenthaltsort des Endgeräts befindet sich dann an einem der beiden Schnittpunkte der zwei Hyper-
beln. Für eine eindeutige Positionsbestimmung ist folglich noch eine weitere Information nötig, wobei entweder eine vierte Basisstation genutzt werden kann, um eine weitere Differenzmessung durchzuführen oder beispielsweise eine einfache LaufZeitmessung (TOA) zur eigenen Basisstation durchgeführt wird, um anhand dieser LaufZeitmessung dann zu entscheiden, welcher der beiden Hyperbelschnittpunkte der tatsächliche Aufenthaltsort ist. Ebenso kann beispielsweise auch in Zellen mit einer Sektorierung die Information über den Sektor, in dem sich das Endgerät aktuell befindet, zur Entscheidung herangezogen werden. Die Berechnung der Position aus den Differenzen der Laufzeiten hat den Vorteil, dass Bearbeitungszeiten in dem sendenden und dem empfangenden Gerät automatisch herausdividiert werden und somit die Positionsbestimmung ge- nauer ist.
Insbesondere in den Fällen, in denen sich das Endgerät nah an der das Endgerät aktuell bedienenden Basisstation befindet, kann es vorkommen, dass die Signale dieser Basisstation die zur Differenzmessung benötigten Signale der anderen Basisstation überdecken. Damit eine Detektion von Signalen anderer Basisstation möglich ist, wird bei der sogenannten 0TD0A- IPDL-Methode (Observed Time Difference of Arrival-Idle Period Downlink) die Übertragung der Basisstation, welche das zu lo- kalisierende Endgerät bedient, für kurze Zeitperioden, die sogenannten IPDLs, ausgeschaltet. Diese Sendepausen werden dann von dem Endgerät genutzt, um die Empfangszeitpunkte der Signale der Nachbarbasisstationen zu detektieren. Durch die vorübergehende Abschaltung der Übertragung von Signalen der bedienenden Basisstation tritt natürlich ein Kapazitätsverlust bzw. Informationsverlust in der entsprechenden Mobilfunkzelle auf . Andererseits wird mit dieser Methode aber eine Genauigkeit in der Positionsbestimmung bis zu ca. 20 m erreicht.
Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung im Netz selber auch ohne GPS-Unterstützung zu verbessern und gleichzeitig
die Belastung für das Mobilfunknetz gering zu halten, wurde bereits allgemein eine weitere Methode der eingangs genannten Art vorgeschlagen. Hierbei werden in einer Mobilfunkzelle mehrere Positionselemente stationiert, mit deren Unterstüt- zung Positionsbestimmungen nach dem Prinzip der OTDOA-Methode durchgeführt werden können. Die Anzahl der Positionselemente wird dabei vom Netzbetreiber entsprechend den örtlichen Gegebenheiten der jeweiligen Mobilfunkzelle und der geforderten Genauigkeit der Positionsbestimmung festgelegt. Die Positi- onselemente haben dabei zwei Hauptaufgaben. Sie hören zum einen auf den Mobilfunkverkehr in der jeweiligen Zelle im sogenannten „Downlink", d. h. in der Übertragungsrichtung von der jeweiligen Basisstation zu den in der Zelle befindlichen Mo- bilfunkgeräten. Zum anderen senden sie einen vordefinierten, jedem Positionselement zugeordneten Signalcode zu den zu lokalisierenden Endgeräten, wobei diese Sendung ebenfalls in einem Downlink-Kanal erfolgt. Das Hören und Senden erfolgt dabei auf einer definierten Downlink-Frequenz der Mobilfunkzelle. Vorzugsweise wird hierzu ein Steuersignalkanal verrwen- det, auf dem keine Nutzinformationen wie Sprachsignale gesendet werden, beispielsweise der sogenannte Broadcast Channel (BCH) . Bei dem Broadcast Channel handelt es sich um einen Kanal zur Übermittlung von allgemeinen Informationen von der Basisstation zu den Endgeräten innerhalb der Mobilfunkzelle. Beide Vorgänge, Hören und Senden, sind jedoch zeitlich voneinander getrennt, so dass es zu keiner Überlappung kommt. Die einzelnen Positionselemente platzieren beim Senden unabhängig voneinander beliebig ihre Signalcodes in freien Signalabschnitten der Downlink-Datenstruktur, beispielsweise in bestimmten Signalabschnitten des BCH, die ansonsten nicht genutzt werden. Es können aber auch freie Signalabschnitte anderer Downlink-Kanäle verwendet werden. Das zu lokalisierende Endgerät selbst ist über die freien Signalabschnitte, in denen die einzelnen Positionselemente ihre Signalcodes senden können, informiert und kann entsprechend dem allgemeinen Sig- nalisierungstiming versuchen, die Signalcodes der Positionselemente innerhalb der Downlink-Datenübermittlung zu detek-
tieren und so die genauen Ankunftszeiten der Signalcodes zu bestimmen. Die weitere Verfahrensweise und Bestimmung der Position erfolgt dann gemäß dem oben beschriebenen 0TD0A- Verfahren.
Mit Hilfe dieser Positionselemente ist es möglich, zur Positionsbestimmung nur die Signale einer einzigen Mobilfunkzelle zu nutzen, in der sich das zu bestimmende Endgerät befindet. Signale anderer Basisstationen der benachbarten Mobilfunkzel- len sind für die Positionsbestimmung grundsätzlich nicht mehr nötig. Sie können aber, sofern sie ohnehin vorhanden sind und eine Detektion möglich ist, trotzdem verwendet werden. Somit ist auch die Einführung der IPDLs nicht mehr zwingend notwendig, was den in der OTDOA-IPDL-Methode erwähnten Kapazitäts- verlust der Zelle vermeidet. Theoretisch können aber auch
IPDLs zusätzlich eingesetzt werden, um die Genauigkeiten in dem Verfahren weiter zu erhöhen.
Ein Problem dieses Verfahrens besteht darin, dass eine Viel- zahl von Positionselementen unabhängig voneinander ihre Signalcodes innerhalb der freien Signalabschnitte eines bestimmten Downlink-Kanals sendet. Bei ungünstigen Konstellationen kann dies dazu führen, dass viele - im Extremfall alle - Positionselemente zum gleichen Zeitpunkt bzw. fast gleichzeitig ihren spezifischen Signalcode senden. Dies führt zu einem unvollständigen Empfang bzw. einem Empfang in Bruchstücken der Signalcodes der einzelnen Positionselemente am Endgerät. Infolgedessen kann es zu Falschdetektionen kommen, oder das Mobilfunkgerät ist nicht in der Lage, die benötigten drei Mes- sungen für eine Positionsbestimmung nach der OTDOA-Methode durchzuführen. Damit ist dann eine Unterstützung der Positionsbestimmung mittels Positionselementen sehr erschwert oder im Extremfall gar nicht mehr möglich. ■
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zu dem genannten Stand der Technik zu schaffen, bei der unter Nutzung von Positionselementen im Mobilfunknetz eine möglichst
genaue Ortsbestimmung eines Mobilfunkgeräts durchführbar ist und dabei bei gleichzeitiger, möglichst geringer Kapazitätsbelastung des Mobilfunknetzes eine Störung der Positionselemente untereinander oder des Datentransfers zwischen der Ba- sisstation und dem Endgerät vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch entsprechende Systeme zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß den Patentansprüchen 18 und 21 gelöst. Die Unteransprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Systeme.
Nach einer ersten erfindungsgemäßen Methode werden dabei den einzelnen Positionselementen koordiniert Zeiträume vorgegeben, in denen das jeweilige Positionselement seinen spezifischen Signalcode an das mobile Endgerät senden darf . Dabei wird beispielsweise explizit nach einer Positionsanforderung festgelegt, welches Positionselement zu welchem Zeitpunkt in einem nächsten freien oder in den nächsten aufeinanderfolgenden freien Signalabschnitten in einem Downlink-Kanal der Übertragung zwischen der Basisstation und dem Endgerät senden darf. Das heißt, die einzelnen Positionselementen senden damit nach wie vor ihre Signalcodes innerhalb des Downlink- Kanals, jedoch in einer genau vorgegebenen, zeitlich geordneten Sendezeitfolge.
Diese Vorgabe der Zeiträume erfolgt vorzugsweise von einer Kontrolleinheit des Mobilfunknetzes aus, beispielsweise durch das sogenannten RNC (Radio Network Controller) . Dies ist eine Netzwerkkomponente für die Bedienung und Kontrolle mehrerer Basisstationen. Die Kontrolleinheit kann sich aber auch an beliebiger anderer Stelle im Netz, beispielsweise in einem MSC (Mobil Switching Center) oder in einer Basisstation, be- finden. Ebenso kann die Kontrolleinheit auch Teil des Endgeräts selber sein.
In den Fällen, in denen die Kontrolleinheit sich innerhalb des Mobilfunknetzes befindet, wird vorzugsweise vor einem Senden der Signalcodes durch die Positionselemente dem Endgerät durch die Kontrolleinheit über die jeweilige Basisstation übermittelt, in welchem Zeitraum welches Positionselement welchen Signalcode sendet. Das zu lokalisierende Endgerät kann dann mit der Zusatzinformation, in welchem Zeitraum welches Positionselement welches Signal sendet, diese Signalcodefolgen detektieren. Durch die explizite Kenntnis über die zu erwartenden Signalcodes der jeweiligen Positionselemente zu gezielten Zeitpunkten können sämtliche Receiveroperatio- nen, wie das Durchführen von Kreuzkorrelationen, die Signalsuche im Signalraum oder die Abstimmung der Empfangsfilter des Endgeräts, nur darauf abgestimmt werden, die betreffenden Signalcodes zu detektieren. Durch die Vorgabe der genauen Zeitpunkte wird eine Fehldetektion durch gleichzeitiges Versenden von Signalcodes zweier Positionselemente sicher vermieden. Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil liegt darin, dass dadurch der zeitgleiche Signaloverhead in der Signalisierung der Positionselemente zum lokalisierenden Endgerät innerhalb der aktuellen Mobilfunkzelle im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren reduziert wird.
Als Positionselement im Sinne dieser Erfindung kann im Übri- gen auch die Basisstation selber betrachtet werden, welche sich in einer Zusatzfunktion ebenso wie ein Positionselement verhalten kann und beispielsweise einen ähnlichen Signalcode wie die Positionselemente aussenden kann bzw. empfangen kann. Da aber zwischen dem Endgerät und der Basisstation ohnehin ein ständiger Datenaustausch durchgeführt wird, können auch diese Daten zu LaufZeitmessungen herangezogen werden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Methode wird nur ein Teil der zur Verfügung stehenden Positi- onsele ente ausgewählt, die dann tatsächlich einen Zeitraum zugewiesen bekommen, in welchem sie ihre spezifischen Signalcodes senden können. Hierbei bietet es sich an, nur den Posi-
tionselernenten einen Zeitraum zuzuweisen, von denen vermutet wird oder bekannt ist, dass sie sich am nächsten am Endgerät befinden. Informationen über die ungefähre Position des Endgeräts können aus vorherigen Messungen oder aus einfachen Vormessungen, z. B. einfachen TOA-Messungen zwischen Endgerät und Basisstation etc., gewonnen werden. Alle anderen Positionselemente senden dann keine Signalcodes. Da durch die geordnete Sendezeitfolge die Detektierung sicherer geworden ist und ohnehin die Messung der Signale von maximal vier Positi- onseinheiten ausreicht, um eine sichere Positionsbestimmung durchzuführen, kann auf diese Weise unnötiger Signalisie- rungsaufwand innerhalb der Mobilfunkzelle eingespart werden.
Ebenso erfolgt vorzugsweise eine Zuweisung von Zeiträumen bzw. von Sendekanälen sowie die Übermittlung von Positionsanfragen an die Positionselemente oder das Endgerät erst, nachdem die für die Positionsbestimmung zuständige Kdntrollein- heit des Mobilfunknetzes selber eine Positionsanfrage empfangen hat. Hierbei kann insbesondere auch innerhalb der Kon- trolleinheit überprüft werden, ob das jeweilige anfragende Gerät bzw. die anfragende Stelle überhaupt berechtigt ist, die Position des jeweiligen Endgeräts feststellen zu lassen.
Bei den Signalcodes der Positionselemente muss es sich um Signalcodes handeln, welche das jeweilige Positionselement eindeutig gegenüber dem Endgerät charakterisieren, d. h. die einzelnen Positionselemente müssen Signalcodes senden, die sich von denen anderer Positionselemente für das Endgerät leicht unterscheiden lassen. Hierzu bietet es sich beispiels- weise an, als Signalcodes für die Positionselemente Synchronisationscodes zu verwenden, die an sich zur Synchronisation einer Datenübermittlung zwischen der Basisstation und den von ihr zu bedienenden Endgeräten und/oder anderen Basisstationen vorgesehen sind, aber nicht benötigt werden. So sind derzeit beispielsweise im UMTS-Standard 256 sogenannte S-SCH-Codes definiert, welche als Synchronisationscodes genutzt werden können. Von diesen 256 S-SCH-Codes werden lediglich 16 ge-
nutzt. Für die Positionselemente stünden daher beim derzeitigen Standard 240 ungenutzte. S-SCH-Codes zur Verfügung.
Die eigentliche Berechnung der Position aus den gemessenen Laufzeiten bzw. LaufZeitdifferenzen kann beispielsweise entweder im Endgerät selbst oder in einer Kontrolleinheit des Mobilfunknetzes mit einer entsprechenden Berechnungseinheit durchgeführt werden. Im zweiten Fall muss das Endgerät nach einem Empfang der Signalcodes der Positionselemente das Mess- ergebnis der LaufZeitmessung, d. h. die einzelnen Laufzeiten oder die LaufZeitdifferenzen, an die Berechnungseinheit des Mobilfunknetzes übermitteln.
Ein System zur Bestimmung der Position des mobilen Endgeräts nach dieser ersten erfindungsgemäßen Methode benötigt neben dem zu lokalisierenden Endgerät eine Mehrzahl von Positionselementen, deren Positionen im Mobilfunknetz bekannt sind, Mittel, um die Laufzeiten bzw. LaufZeitdifferenzen der jeweiligen Signalcodes zu messen sowie Mittel, um unter Verwendung der Laufzeiten bzw. LaufZeitdifferenzen die Position des mobilen Endgeräts zu ermitteln. Darüber hinaus benötigt das System eine Kontrolleinheit, welche dem einzelnen Positionselement koordinierte Zeiträume vorgibt,' in denen das jeweilige Positionselement einen dem Positionselement zugeordneten Signalcode an das mobile Endgerät senden darf.
Vorzugsweise ist diese Kontrolleinheit mit einer den Positionselementen zugeordneten Basisstation verbunden, so dass die Übermittlung der betreffenden Zeiträume an die einzelnen Po- sitionselemente mittels dieser Basisstation über die Luftschnittstelle erfolgt und keine Verkabelung zu den einzelnen Positionselementen notwendig ist.
Bei der zweiten erfindungsgemäßen Methode senden nicht die Positionselemente einen für sie jeweils charakteristisches
Signalcode an das Endgerät, sondern das mobile Endgerät sendet stattdessen einen dem Endgerät zugeordneten Signalcode an
die Positionselemente. Das heißt, die Übertragung des Signalcodes zur LaufZeitmessung erfolgt auf einem Uplink-Kanal, d. h. auf einem Kanal, auf dem das jeweilige Endgerät an die bedienende Basisstation sendet.
Diese im Uplink-Kanal gesendeten Signale können sowohl an den Positionselementen als auch zusätzlich an der betreffenden Basisstation gemessen werden. Dabei werden jeweils die Empfangszeitpunkte ermittelt. Aus den Differenzen der Empfangs- Zeitpunkte oder aus den absoluten Laufzeiten kann dann nach dem oben beschriebenen Verfahren die Positionsbestimmung erfolgen. Die Auswertung der Signale erfolgt, wie bei der ersten Methode, in einer entsprechenden Recheneinheit, der sog. Position Calculation Function (PCF) , unabhängig, wo diese an- geordnet ist, entweder innerhalb des Mobilfunknetzes, beispielsweise innerhalb der besagten Kontrolleinheit, oder in dem Endgerät selbst.
Voraussetzung ist natürlich, dass die einzelnen Positionsele- mente die den einzelnen Mobilfunkgeräten innerhalb der Mobilfunkzelle zugewiesenen Signalcodes kennen. Ebenso müssen die Positionselemente darüber informiert werden, wenn ein bestimmter Benutzer mehrere Signalcodes hat. Diese Informationsübermittlung kann beispielsweise - ähnlich wie bei der ersten erfindungsgemäßen Methode - mittels einer Downlink- Signalisierung der Basisstation erfolgen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Signalcode .des Endgeräts ein dem Endgerät zum jeweiligen Zeitpunkt ohnehin zugeordneter
Spreizungscode verwendet, mit dem dieses Endgerät an die Basisstation der betreffenden Mobilfunkzelle sendet. Bei einem solchen Spreizungscode handelt es sich um den Code, mit dessen Hilfe eine zu übersendende Bit-Folge gespreizt wird, um das Signal in sogenannte Chips zu zerlegen. Die Zerlegung der einzelnen Bits in Chips hat den Vorteil, dass die einzelnen Signaleinheiten weniger Energie transportieren und damit nur
schwer abzuhören sind. Bei einem Spreizungscode von 16 wird beispielsweise ein Bit in 16 Chips zerlegt. Die Verwendung der Spreizungscodefolgen der Endgeräte zur Charakterisierung des jeweiligen Endgeräts auch gegenüber den Positionselementen hat den Vorteil, dass als Signal zur Positionsbestimmung Signale ausgewertet werden, die im normalen Signalisierungs- verkehr zwischen den Endgeräten und der aktuellen Basisstation sowieso vorkommen und somit ausschließlich Intrazellsigna- le zur Nutzung verwendet werden.
Diese zweite erfindungsgemäße Methode hat gegenüber den anderen Verfahren, bei denen die Signalcodes im Downlink von den Positionselementen zum Endgerät gesendet werden, folgende Vorteile:
Zum einen wird vermieden, dass die Positionselemente - beispielsweise im Broadcast Channel - Informationen für eine bestimmte Konfiguration zur Positionsermittlung erhalten müssen. Eine solche Konfigurationsinformation ist bei schlechten Mobilfunkkanalbedingungen zum Teil nicht möglich. Solche ungünstigen Konstellationen sind beispielsweise gegeben, wenn ohnehin innerhalb der Downlink-Mobilfunkkanäle der betreffenden Mobilfunkzelle eine Kapazitätsauslastung bzw. -Überlastung besteht oder wenn die Mobilfunkzelle sehr dicht bebaut ist und dadurch eine starke Mehrwegeausbreitung der Signale vorliegt.
Eine Unterstützung der Downlink-Positionsbestimmung mittels der Positionselemente von einem oder mehreren Endgeräten in- nerhalb der betreffenden Mobilfunkzelle wäre dann sehr erschwert oder gar nicht möglich, so dass beispielsweise bei einer Verschlechterung der Mobilfunkkanalbedingungen während des Betriebs eine Änderung der Wahl der Positionsermittlungs- technologie sogar notwendig wäre. Es müssten dann wiederum IPDLs oder GPS eingesetzt werden. Dies würde zu einem erhöhten Signalisierungsaufwand führen und zusätzliche Absprachen, beispielsweise eine erneute Positionsermittlungsanfrage etc.
zwischen dem zu lokalisierenden Endgerät und der bedienenden Basisstation, erfordern.
Weiterhin kann eine hohe Kapazitätsauslastung der Downlink- Mobilfunkkanäle dazu führen, dass die einzelnen Positionselemente im Downlink-Kanal keinen Platz mehr haben, ihre Signalcodes zu senden. Auch dieses Problem wird durch eine Uplink- Signalisierung gemäß dieser zweiten Methode der Erfindung vermieden.
Ein anderer nicht zu unterschätzender Vorteil des zweiten Signalisierungsverfahrens im Uplink-Kanal besteht in der erheblichen Reduzierung des Signalisierungs-Overheads der Basisstation zu den Endgeräten bzw. auch zu den Positionsele- menten in der aktuellen Zelle. Da das Verfahren entsprechend dieser zweiten Methode den aktiven Positionsbestimmungsmetho- den zuzuordnen ist, bei denen die Endgeräte selbständig aktiv werden können, gehen die Aktionen größtenteils vom Endgerät aus, was Absprachen zwischen dem Endgerät und der Basisstati- on über eventuelle freie Signalabschnitte im Uplink-Kanal und einzuführende Pausen für Messungen begrenzt bzw. unnötig macht .
Ein weiterer besonderer Vorteil dieses zweiten Verfahrens be- steht außerdem in der Möglichkeit der einfachen optionalen Nutzung von Positionselementen der NachbarZeilen. Dies setzt lediglich voraus, dass die Positionselemente der Nachbarzellen so instruiert werden, dass sie ebenfalls die spezifischen Signalcodes der Endgeräte der Nachbarzellen .kennen, bei- spielsweise so konfiguriert sind, dass sie die Spreizungsco- des der Endgeräte aus den Nachbarzellen erkennen können. Die Verwendung der Positionselemente der Nachbarzellen ist allerdings etwas komplizierter als die reine Nutzung von Positionselementen in der eigenen aktuellen Mobilfunkzelle, da ein solcher Informationsaustausch zwischen den beteiligten Zellen interzellspezifischer Art ist und den Signalisierungs- Overhead erhöhen kann.
Ein System zur Durchführung dieses zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens muss wiederum neben dem zu lokalisierenden Endgerät eine Mehrzahl von Positionselementen aufweisen, Mittel, um Laufzeit oder LaufZeitdifferenzen von Signalen zwischen diesen Geräten zu messen sowie Mittel, um unter Verwendung der Laufzeiten und/oder LaufZeitdifferenzen die Position des mobilen Endgeräts zu ermitteln. Dabei muss das Endgerät selbst Mittel zum Versenden eines dem Endgerät zugeordneten Signalcodes an die Positionselemente aufweisen, und die Posi- tionselemente müssen jeweils eine Empfangseinrichtung zum
Empfang des Signalcodes eines Endgeräts sowie Mittel zum Gewinnen von Informationen zur Bestimmung der Laufzeit des Signalcodes vom Endgerät zum betreffenden Positionselement aufweisen.
Vorzugsweise weisen die Positionselemente außerdem jeweils eine Sendeeinrichtung auf, um die gewonnenen Laufzeitinforma- tionen über die Basisstation an eine Kontrolleinheit zu übermitteln. Alternativ können die Positionselemente auch die LaufZeitinformationen an das Endgerät übermitteln.
Dem jeweiligen Endgerät kann ein spezieller Kanal zur Aussendung seines Signalcodes zugeordnet werden. Alternativ hierzu kann die Sendung auch auf einem allgemeinen Kanal erfolgen, beispielsweise auf dem sog. PRACH-Kanal, auf dem die einzelnen Endgeräte unaufgefordert Meldungen an das Mobilfunknetz, d. h. zur bedienenden Basisstation, senden dürfen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform schalten die Positions- elemente erst nach Empfang einer Positionsanfrage in einen
Bereitschaftszustand, um einen Signalcode eines Endgeräts zum Ermitteln der Laufzeit zu empfangen. Dies hat den Vorteil, dass die Positionselemente erst nach einer entsprechenden Nachricht nach bestimmten Signalcodes von bestimmten Endgerä- ten suchen müssen und nicht ständig durch unnötige Mithöraktivitäten auf allen möglichen Kanälen blockiert sind.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel muss dabei zunächst die Kontrolleinheit des Mobilfunknetzes eine entsprechende Positionsabfrage erhalten und beispielsweise deren Authentizität und Zulässigkeit prüfen. Nach Erhalt dieser Positions- abfrage an die Kontrolleinheit des Mobilfunknetzes versendet diese über die Basisstation an das zu lokalisierende Endgerät einen entsprechenden Befehl, um einen Signalcode zur Positionsermittlung auszusenden. Die Positionselemente haben hier eine sogenannte Mithörfunktion im Downlink-Signalisierungs- verkehr der Mobilfunkzelle, sofern für die Übermittlung des Befehls an das Endgerät zur Aussendung des Signalcodes ein allgemeiner Kanal verwendet wird. Das heißt, die Positionselemente hören diesen Befehl ab und schalten dann beispielsweise in den Bereitschaftszustand, um den entsprechenden Sig- nalcode vom Endgerät zu empfangen. Eine andere Variante der Bekanntmachung der Positionsanfrage an die Positionselemente ist eine explizite Downlink-Signalisierung über einen sog. „Dedicated Channel" nur für die betreffenden Positionselemente, welche zur Positionsbestimmung benötigt werden. Bei- spielsweise können das wiederum die Positionselemente sein, welche sich in einer bestimmten Umgebung um das jeweilige Endgerät befinden. Voraussetzung hierfür ist, dass eine grobe Bestimmung der Position des Endgeräts innerhalb der Zelle bereits mit einem einfachen vorgeschalteten Verfahren erfolgt ist.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden den Positionselementen mit der Positionsanfrage auch die dem jeweiligen Endgerät zugeordneten Signalcodes bzw. der Sprei- zungscode und/oder der zugeordnete Sendekanal übermittelt. Diese Übermittlung kann auf beliebige Weise im Zusammenhang mit der Positionsanfrage erfolgen, d. h. zum einen kann die Positionsanfrage beispielsweise diese Information direkt enthalten oder die Übersendung der Informationen erfolgt bei- spielsweise kurz nach der Positionsanfrage.
Insbesondere bei einem solchen Uplink-Signalisierungs- verfahren ist es sinnvoll, wenn auch die. Basisstation selber Empfangszeitmessungen durchführt und diese der Berechnungseinrichtung zur Berechnung der Position aus den Laufzeiten, der PCF, zur Verfügung stellt. Da die Basisstation sowieso die Hauptempfängerin der Uplink-Signale des Endgeräts ist, stellt dies kein zusätzliches Problem dar und bietet eine größere Sicherheit und Genauigkeit bei der Positionsermittlung.
Bei beiden erfindungsgemäßen Methoden kann der Signalcode außerdem auch Informationen über den genauen Sendezeitpunkt - eine Art Zeitstempel - umfassen, so dass auf diese Weise eine absolute LaufZeitmessung nach der TOA-Methode möglich ist.
Bei beiden erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise zum Senden der Signalcodes und/oder zur Übermittlung der Positionsanfragen oder zur Übermittlung von bestimmten vorgegebenen Sendezeiträumen oder zum Senden der Signalcodes immer ein Steuerinformationskanal des Mobilfunknetzes genutzt, d. h. es werden nicht die Kanäle genutzt, auf denen die Nutzdaten, beispielsweise Gesprächsdaten oder andere Daten, übertragen werden.
) Beide erfindungsgemäßen Verfahren haben den Vorteil, dass IPDLs der aktuellen bedienenden BasisStation innerhalb der aktuellen Zelle nicht benötigt werden. Da keine Abschaltung bzw. Ruhepausen irgendwelcher Kanäle in der Zelle notwendig sind, wird die Übertragungskapazität durch die erfindungsge- mäßen Verfahren auch nicht vermindert. Des Weiteren sind keine zusätzlichen Module in den Endgeräten oder in den stationären Einheiten des Mobilfunknetzes notwendig, wie dies z. B. bei den verschiedenen GPS-Verfahren der Fall ist.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die
einzelnen Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können. Insbesondere können alle nur verfahrensmäßig beschriebenen Merkmale auch bezüglich eines Systems zur Durchführung des Verfahrens erfindungswesentlich sein und umgekehrt. Es stellen dar:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Positionsbestimmung mittels der TOA-Methode unter Zuhilfenahme von Positi- onselementen in einer Mobilfunkzelle,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Positionsbestimmung mit einer OTDOA-Methode,
Figur 3 eine schematische Darstellung der Positionierung mehrerer Positionselemente und Basisstationen in benachbarten Mobi1funkze11en,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines Mobilfunknetzes,
Figur 5 ein Beispiel einer Downlink-Datenstruktur (hier einer TDD-Slotstruktur) des Datenverkehrs von einer Basisstation zu einem Endgerät,
Figur 6 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Einfügen von Signalcodes von Positionselementen in die Downlink- Datenstruktur gemäß Figur 5,
Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Einfügen von Signalcodes der Positionselemente in die Downlink- Datenstruktur gemäß Figur 5,
Figur 8 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Einfügen von Signalcodes von Positionselementen in die Downlink- Datenstruktur gemäß Figur 5,
Figur 9 ein Beispiel einer Uplink-Datenstruktur (hier eine TDD-Slotstruktur) des Datenverkehrs von einem Endgerät zur Basisstation,
Figur 10 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Einfügen eines Signalcodes eines Endgeräts in die Datenstruktur gemäß Figur 9,
Figur 11 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Einfügen ei- nes Signalcodes eines Endgeräts in die Datenstruktur gemäß Figur 9.
In den Figuren und in der nachfolgenden Beschreibung wird bei der Darstellung des Aufbaus des Mobilfunknetzes und bei den Datenstrukturen der einzelnen Kanäle von einem UMTS-Standard ausgegangen. Hierbei handelt es sich aber lediglich um ein spezielles Ausführungsbeispiel . Die Erfindung ist nicht auf einen UMTS-Standard beschränkt, sondern kann prinzipiell bei jedem anderen beliebigen Mobilfunkstandard, beispielsweise GSM, ebenfalls zum Einsatz kommen, sofern in diesem System Positionselemente in den Mobilfunkzeilen stationiert werden.
In allen Ausführungsbeispielen wird außerdem davon ausgegangen, dass sämtliche Positionselemente und die Basisstation feststehen. Im Prinzip ist dies aber nicht unbedingt notwendig. Es reicht aus, wenn zum jeweiligen Zeitpunkt der Feststellung der Position des Endgeräts die Position der anderen Geräte bekannt ist. Üblicherweise handelt es sich aber um feststehende Geräte. Für die LaufZeitmessung und die nachfol- gende Berechnung der Position ist es im Übrigen unerheblich, ob das Signal vom Endgerät an die jeweiligen feststehenden Geräte oder umgekehrt gesendet wird. Entscheidend ist lediglich die Zeit, die das Signal von dem sendenden Gerät zum empfangenden Gerät braucht. Diese Zeitdauer ist aber im Ide- alfall nur abhängig von der Distanz der Geräte zueinander.
Figur 1 zeigt einen typischen Aufbau einer Mobilfunkzelle C mit einer Basisstation BS und mehreren Ppsitionselementen PE. Insgesamt befinden sich in dem dargestellten Ausführungsbei- spiel in der Mobilfunkzelle C vier verschiedene Positionsele- mente PEi, PE2, PE3, PE4 um die Basisstation BS herum angeordnet. Weiterhin ist in der Figur ein Endgerät UE dargestellt, dessen Position festgestellt wird. Zur Positionsfeststellung wird hier die TOA-Methode verwendet, bei der die absolute Laufzeit eines Signals zwischen einer fest stationierten Sta- tion, d. h. der Basisstation BS, oder einem Positionselement zum Endgerät UE festgestellt wird.
Wie aus dieser Figur einfach zu ersehen ist, ergibt die Lauf- zeitmessung eines Signals zwischen der Basisstation BS und dem Endgerät UE einen Kreis TB um die Basisstation BS, auf dem sich das zu lokalisierende Endgerät UE befinden kann. Die LaufZeitmessungen von Signalen zwischen einem ersten Positionselement PEi und dem Endgerät UE sowie zwischen einem zweiten Positionselement PE3 und dem Endgerät UE ergeben zwei weitere Kreise Ti, T3 um die beiden Positionselemente PEi und PE3. Der gemeinsame Schnittpunkt aller drei Kreise Ti, T3, TB ist dann im idealen Fall die gesuchte Position P des Endgeräts UE. Eine derartige LaufZeitmessung ist sowohl bei einem FDD-Verfahren (Freguency Division Duplex-Verfahren) als auch in einem TDD-Verfahren (Time Division Duplex-Verfahren) möglich. Im FDD-Verfahren ist ein solcher Kreis TB auch als RTT- Kreis (Round Trip Time) bekannt, im TDD-Verfahren als RxTD- Kreis (Receive Timing Deviation) .
Ein Problem bei dieser einfachen TOA-Methode besteht darin, dass die gemessenen Laufzeiten durch interne Verarbeitungs- zeiten in den Geräten verfälscht werden können. Eine größere Genauigkeit lässt sich mit der sogenannten OTDOA-Methode erreichen, deren Grundprinzip in Figur 2 dargestellt ist.
Bei dieser Methode werden die Differenzen der Laufzeiten von Signalen zwischen dem zu lokalisierenden Endgerät UE und zwei
verschiedenen fest positionierten Geräten, beispielsweise der Basisstation BS und einem Positionselement PEi, PE oder zwei Positionselementen PEi, PE2 gemessen bzw. aus den absoluten Laufzeiten berechnet. Durch die Differenzmessung bzw. - berechnung werden absolute Fehler in den Laufzeiten bereits zumindest teilweise herausdividiert, so dass eine Positionsbestimmung mit den LaufZeitdifferenzen genauer ist als mit den absoluten Laufzeiten.
Genau wie aufgrund einer absoluten LaufZeitmessung feststeht, dass sich das zu lokalisierende Endgerät auf einem Kreis mit einem Radius entsprechend der Laufzeit um das stationäre Gerät befinden muss, lässt sich mit Hilfe einer Differenzmessung zwischen den Laufzeiten zu zwei stationären Geräten festlegen, dass sich das zu lokalisierende Endgerät auf einer Hyperbel zwischen den beiden stationären Geräten befinden muss, da die Hyperbel definiert ist als der geometrische Ort aller Punkte, für die die Differenz der Abstände von zwei gegebenen festen Punkten konstant ist. In Figur 2 ist zum einen eine erste Hyperbel ΔTi, 2 eingezeichnet, welche sich aus einer Laufzeitdifferenzmessung zwischen den Laufzeiten eines Endgeräts UE an der Position P zu dem Positionselement PEi und zu dem Positionselement PE2 ergibt. Außerdem ist eine zweite Hyperbel ΔT2, Bs eingezeichnet, welche sich aus einer Laufzeitdifferenzmessung zwischen den Laufzeiten des Endgeräts UE zur Basisstation BS und zum Positionselement PE2 ergibt. Die Breite der beiden Hyperbeln ΔT2, BS, ΔTi, 2 stellt hierbei den Fehler in der Laufzeitdifferenzmessung dar. Die Genauigkeit ist hierbei von der Umgebung, z.B. von der Bebau- ungsdichte und der Art der Bebauung etc. abhängig.
In Figur 2 ist nur ein kleiner Ausschnitt des gesamten Bildes dargestellt. Es ist aber klar, dass sich die beiden Hyperbeln ΔT( BS, ΔTi, 2 nicht nur an dem darstellten Schnittpunkt, sondern noch an einem weiteren Punkt schneiden. Durch die beiden Laufzeitdifferenzmessungen wird daher nur festgelegt, dass sich das gesuchte Endgerät UE an einem der beiden
Schnittpunkte bzw. in einem der beiden Schnittpunktfelder befinden muss. Mit Hilfe einer einfachen TOA-Messung zwischen dem Endgerät UE und einem der festen Geräte, beispielsweise hier der Basisstation BS, lässt sich dann feststellen, in welchem der Hyperbel-Schnittpunkte sich das Endgerät UE befindet .
Figur 3 zeigt einen erweiterten Ausschnitt aus einem Mobilfunknetz mit mehreren benachbarten Zellen Ci, C2, C3, C4. Jede dieser Zellen hat jeweils eine eigene Basisstation BSi, BS , BS3, BS4. Außerdem befinden sich auch in jeder dieser Zellen mehrere Positionselemente PEn, PEι2 ... PE4ι, PE2 usw. In der Regel werden bei der vorliegenden Erfindung - soweit möglich - nur die Positionselemente und die Basisstation der eigenen Zelle, in der sich das Endgerät UE gerade befindet, herangezogen, um die Position des Endgeräts UE zu bestimmen. Dadurch werden der Aufwand eines zeilübergreifenden zusätzlichen Datenverkehrs und Absprachen vermieden. Sofern aber keine besonders hohe Netzauslastung besteht und sich die Gelegenheit bietet, mit Hilfe von Positionselementen oder Basisstationen benachbarter Zellen eine bessere Genauigkeit oder eine schnelleren Positionsbestimmung zu erreichen, kann dennoch auf die Positionselemente und Basisstationen der Nachbarzellen zurückgegriffen werden. Dies gilt auch in solchen Fällen, in denen eine Positionsbestimmung mit den in der eigenen Zelle zur Verfügung stehenden Mitteln nicht möglich ist.
Die Verteilung der Positionselemente PE in den Zellen wird derart angenommen, dass zumindest zwischen zwei Positionsele- menten und einem beliebig in der jeweiligen Zelle angeordneten Endgerät UE eine gute Verbindung besteht, so dass möglicherweise von einem Positionselement PE ausgesendete Signale gut vom Endgerät UE zu detektieren sind oder umgekehrt von einem Endgerät UE ausgesendete Signale gut an den Positions- elementen PE zu detektieren sind. Befindet sich das Endgerät UE gemäß der Abbildung 3 in der ersten Mobilfunkzelle Ci nah an der rechten Zellgrenze, so besteht die Möglichkeit, dass
LaufZeitmessungen zwischen den Positionselementen PEu und PE- zum Endgerät UE sowie zwischen der Basisstation BS und dem Endgerät UE leicht durchführbar sind, da hier eine gute Signalverbindung besteht. Hingegen könnten Probleme hinsieht- lieh der Detektion von Signalen der sich an der linken Zellgrenze befindenden Positionselemente PEi2 und PEi3 auftreten. Gründe hierfür sind die größere Entfernung sowie eine dadurch schwächere Signalleistung sowie evtl. quantitativ mehr Abschattungen in der Entfernung zwischen den jeweiligen Positi- onselementen PEι2, PEι3 und dem Endgerät UE.
Figur 4 zeigt einen typischen Aufbau der Verschaltung von verschiedenen Zellen zu einem Mobilfunknetz nach dem UMTS- Standard. Dabei sind mehrere Basisstationen (in der Darstel- lung der Einfachheit halber zwei Basisstationen BSi, BS2) mit einem sogenannten RNC (Radio Network Controller) verbunden. Der RNC ist allgemein eine Netzwerkkomponente für die Bedienung und Kontrolle von einer oder mehreren Basisstationen. Die Basisstationen werden im UMTS-Standard auch als NodeB be- zeichnet. Die Basisstation BSi, die gerade das Endgerät UE bedient, wird auch als Serving-NodeB (S-NodeB) bezeichnet. Der aktuell das Endgerät UE bedienende RNC wird dementsprechend auch als S-RNC bezeichnet. Der RNC bildet gemeinsam mit den NodeB im UMTS-System ein sogenanntes RNS (Radio Network System) . Mehrere solcher RNS sind dann zu einem UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) verschaltet und werden von einem sog. 3G-MSC (3rd Generation Mobile-services Switching Center) bedient. Dieses 3G-MSC (oder kurz MSC genannt) stellt das Interface zwischen dem Funksystem und den Festnetzen dar. Das MSC führt dazu alle notwendigen Funktionen für Circuit Switched Service von und zu den Mobilstationen aus. Weiterhin ist an diesem MSC ein sog. GMLC (Gateway Mobile Location Center) angeschlossen. Dies ist die Verbindungseinheit für eine externe Location Application oder einen externen Location Services Client (LCS-Client) . Ebenso ist an dieses GMLC das sog. HLR (Home Location Register) angeschlossen, in welchem die notwendigen Daten der Nutzer des Mobil-
funknetzes wie PIN-Codes, Gesprächsdaten für Protokollzwecke etc. gespeichert sind. Über das MSC kann außerdem eine Verbindung zu anderen öffentlichen, landgestützten Mobilnetzwerken, auch PLMN (Public Land Mobile Network) genannt, herge- stellt werden.
In einem Ausführungsbeispiel zu der ersten erfindungsgemäßen Methode wird von einem solchen Aufbau des Mobilfunknetzes ausgegangen. Weiterhin wird angenommen, dass sich ein zu lo- kalisierendes Mobilfunkgerät UE in einer der Zellen befindet und von einer bestimmten Basisstation BS versorgt bzw. bedient wird. Die Position dieses Endgeräts UE soll bestimmt werden. Hierzu erhält eine Kontrolleinheit KE - im vorliegenden Fall die aktuell dieses Endgerät bedienende S-RNC (siehe Figur 4) - eine Positionsanfrage. Dabei ist es für die Erfindung nicht relevant, warum oder woher eine solche Positionsanfrage kommt. Sie kann beispielsweise vom Mobilfunkgerät selbst ausgehen oder vom Mobilfunknetz bzw. von irgendeinem anfragenden LCS-Client (Figur 4) innerhalb des Netzwerkes. Relevant ist lediglich die Tatsache, dass eine solche Positionsanfrage existiert, so dass das jeweilige Endgerät UE eine sog. RRC-Verbindung zum S-RNC aufbauen muss, um die Positionsanforderung zu bestätigen und um die weiteren Vorgänge zur Positionsbestimmung zu ermöglichen. RRC (Radio Resource Control) ist hierbei das Protokoll zur Übertragung von allgemeinen Nachrichten zwischen dem Endgerät UE und dem S-RNC. Die Anforderung über eine Positionsbestimmung, beispielsweise durch das Endgerät UE, kann durch ein spezielles Informationselement im Datenverkehr, das sog. „Location Update" in der RRC-Nachricht beim Verbindungsaufbau zwischen dem Endgerät UE und dem S-RNC, übermittelt werden.
Das S-RNC wählt dann in Abhängigkeit von der in der Anforderung definierten Genauigkeit der Positionsbestimmung die Me- thode zur Positionsbestimmung aus. Diese Auswahl ist generell abhängig von Parametern wie Genauigkeit der Methode, Schnelligkeit der Methode oder der Fähigkeit des Endgeräts UE, die-
se Methode zu unterstützen. Anschließend werden von dem S-RNC die Positionselemente bestimmt, die in der Nähe des zu lokalisierenden Endgeräts UE liegen. Dies ist z. B. durch Auswertung des sog. Measurement-Protokolls möglich. Es handelt sich hierbei um eine grobe Abschätzung durch TOA-LaufZeitmessungen, die Kreise ergeben, wo sich die verschiedenen Endgeräte in einer Zelle befinden, wobei der Mobilfunkkanal, der z. B. für die Leistungsregelung notwendig ist, nicht einbezogen wird.
Nachdem entsprechende Positionselemente hinsichtlich ihrer geographischen Lage ausgewählt wurden, werden die Sendeti- mings festgelegt, d. h. es werden die Zeiträume bestimmt, wann die einzelnen Positionselemente in welchem Abschnitt der Downlink-Datenstruktur ihren Signalcode senden dürfen.
Diese Festlegung wird danach über einen Downlink-Kanal, in der Regel den BCH (Broadcast Channel) , welcher für allgemeinen Informationen genutzt wird, an das Endgerät UE und die Positionselemente PE bekannt gegeben. Alternativ kann hierzu aber auch ein gerichteter (Dedicated) Kanal nur zu dem jeweiligen zu lokalisierenden Endgerät UE und zu den betreffenden Positionselementen PE, die genutzt werden sollen, verwendet werden. Somit haben alle Positionselemente genaue Kenntnis über den jeweiligen Sendezeitpunkt bzw. den Sendezeitraum, in dem sie ihren spezifischen Signalcode an das zu lokalisierende Endgerät senden können. Ebenso ist das zu lokalisierende Endgerät UE über die Sendezeiträume der einzelnen PEs informiert. Außerdem wird das zu lokalisierende Endgerät auch über die jeweiligen spezifischen Signalcodes der einzelnen Positionselemente, die diese aussenden, informiert.
Als Signalcodes können beispielsweise die im UMTS-Standard bisher ungenutzten S-SCH-Codes zur Synchronisation zwischen der Basisstation und den Endgeräten und/oder anderen Basisstationen genutzt werden. Hierbei stehen insgesamt 240 ungenutzte Codes zur Verfügung. Diese Codes können innerhalb ei-
ner Mobilfunkzelle fest den einzelnen Positionselementen zugeordnet .werden und können beispielsweise den einzelnen Endgeräten bereits im Voraus, d. h. schon vor einer Positionsanfrage beim ersten Kontakt des Endgeräts mit der jeweiligen Basisstation, beim Einloggen, bekannt gegeben werden. Auch hierzu kann wiederum der Broadcast Channel verwendet werden.
Die verschiedenen Positionselemente werden dann ihre zugeordneten Signalcodes genau nach den Vorgaben in die Downlink- Datenstruktur von der Basisstation BS zum Endgerät UE einfügen. Das Endgerät UE versucht dann, mit Wissen der jeweiligen Signalcodes sowie des dazugehörigen Positionselements PE und der EmpfangsZeiträume die genauen Empfangszeiten der Signalcodes zu bestimmen. Dies ist beispielsweise mit Hilfe eines Rake-Empfängers möglich. Hierbei handelt es sich um einen
Korrelationsempfänger, mit dem Zeitverschiebungen durch Korrelationen ermittelt werden können. Diese Informationen sendet dann das Endgerät UE über die Basisstation an eine Kontrolleinheit im Mobilfunknetz, beispielsweise hier das S-RNC, zurück. Im S-RNC oder in einer anderen angeschlossenen Einrichtung des Mobilfunknetzes befindet sich eine Berechnungseinheit, die sog. PCF (Position Calculation Function) . Diese bestimmt, wie eingangs beschrieben, aus den Werten die Zeitdifferenzen zwischen den Empfangszeitpunkten der Signalcodes der Positionselemente PE, bildet diese Differenzen auf Hyperbeln ab und sucht dann nach den gemeinsamen Schnittpunkten der Hyperbeln, um so die Position - in einem von der Umgebung abhängigen Genauigkeitswertebereich - festzustellen.
Eine typische Downlink-Datenstruktur DLD sowie Möglichkeiten der Einpassung der Signalcodes der Positionselemente in diese Downlink-Datenstruktur DLD wird in den Figuren 5 bis 8 beschrieben.
Hierbei zeigt Figur 5 zunächst eine typische Downlink- Datenstruktur im TDD-Verfahren eines UMTS-Standards, eine sogenannte Slot-Struktur. Dargestellt ist im unteren Teil von
Figur 5 ein Rahmen mit einer Länge von 10 ms, welcher insgesamt in 15 Slots unterteilt ist.
Im oberen Teil ist die genaue Struktur eines einzelnen Slots dargestellt. Ein solcher Slot besteht aus 2560 Chips. Der Slot ist in sog. DPDCH-Abschnitte (Dedicated Physical Data Channel) , in welchen Nutzdaten transportiert werden, und DPCCH-Abschnitte (Dedicated Physical Control Channel) , in welchen Steuerdaten transportiert werden, unterteilt.
Der Slot beginnt mit einem ersten DPDCH-Abschnitt, in dem die Bits eines ersten Datenstrings als Nutzdaten eingefügt werden können. Daran schließt sich ein DPCCH-Abschnitt an, welcher zunächst die sog. TPC-Daten (Transmit Power Control) enthält, welche eine Leistungsangäbe wiedergeben. Der zweite Teil dieses DPCCH-Abschnitts enthält den TFCI (Transport Format Com- bination Indicator) , der aussagt, wie die Informationen für den Transport zerlegt werden und wie die Daten dementsprechend wieder zusammengesetzt werden müssen. An diesen DPCCH- Abschnitt schließt sich dann die sog. Midamble an. Diese Mi-ι damble ist eine bekannte Referenzbitfolge von 512 oder 256 Chip Länge. Er dient dazu, um die Qualität des Kanals zu schätzen und Verzerrungen und Zeitverzögerungen im Empfänger wieder herauszurechnen. An die Midamble schließt sich wieder- um ein DPDCH-Abschnitt an, welcher einen zweiten Datenstring Data 2 enthalten kann. Den Abschluss eines Slots bildet der sogenannte „Pilot". Dieser Pilot ist auch unter dem Begriff „Guard Period" bekannt. Er dient dazu, um Überlappungen zwischen zwei aufeinander folgenden Slots und damit einhergehen- de Signalverfälschungen zu vermeiden.
In der Regel sind die Slotstrukturen in den verschiedensten Mobilfunkstandards im TDD-Verfahren in dieser oder ähnlicher Form aufgebaut .
Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, wie ein einzelner Signalcode eines Positionselements PE in einen Slot ein-
gebaut werden kann. Der Slot ist ähnlich aufgebaut wie der Slot in Figur 5, jedoch gibt es Unterschiede im Detail. Hierbei beginnt der Slot mit 256 Chips, die für das Codesignal PES einer PE, hier beispielsweise dem zweiten Positionsele- ment PE2, zur Verfügung stehen. Die Länge dieser Signalcodefolge PES ist also genau der Zeitraum TPE2, in dem das Positionselement PE2 seinen Signalcode senden darf. An diese Signalcodefolge PES schließt sich dann die Midamble mit einer Länge von 512 Chips an. Dahinter befindet sich ein freier Da- tenteil, um andere Nutzdaten von der Basisstation zum Endgerät zu übertragen. Der Slot schließt dann wie üblich mit einem Pilot ab. Ebenso sind die anderen Slots innerhalb des Rahmens aufgebaut, wobei bei einigen der Slots am Beginn jeweils ein Positionselement eine Signalfolge senden darf. In den übrigen Slots wird dieser Abschnitt beispielsweise von
Nutzsignalen der Basisstation an das Endgerät besetzt. In dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sendet ein erstes Positionselement PEi in einem Zeitabschnitt TPEi innerhalb des Slots #1. Dem zweiten Positionselement PE2 ist der Zeitabschnitt TPE2 in dem vergrößert dargestellten Slot #i
(i = 2 bis 13) zugewiesen. Dem dritten Positionselement PE3 ist schließlich der Zeitabschnitt TPE3 im Slot #14 zugewiesen.
Figur 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Positionselemente PEi, PE2, PE3 ihre Signalcodes PESi, PES2, PES3 innerhalb eines einzelnen Slots unterbringen dürfen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich jeweils drei Abschnitte, in denen die Positionselemente PEi, PE2 und PE3 ihre Signalcodes PESi, PES2, PES3 senden dürfen, am
Anfang des Slots. Die Länge TPEi, TPE2, TPE3 dieser Signalcodes PESi, PES2, PES3 darf jeweils wieder maximal 256 Chips betragen. Die drei Abschnitte sind gegeneinander durch Guard- Chips, im vorliegenden Fall jeweils 69 Guard-Chips, getrennt, um die Überlappungsgefahr zu mindern. An den letzten Abschnitt, in welchem das dritte Positionselement PE3 seinen Signalcode PES3 senden darf, schließt sich dann die Midamble
mit 512 Chips an. Danach kommt wiederum ein freier Datenteil von 976 Chip Länge und abschließend der Pilot.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Figur 8 dargestellt. Hierbei sind die Signalcodes der Positionselemente jeweils auf dem ersten Datenteil vor der Midamble und dem zweiten Datenteil nach der Midamble verteilt. Die Slotstruktur beginnt hier mit 256 Chips, die zur Übersendung des Signalcodes PESi des ersten Positionselements PEi zur Verfügung stehen. Daran schließen sich 395 freie Chips an, denen der zweite Abschnitt TPE2 von 256 Chips nachfolgt, in dem das zweite Positionselement PE2 seinen Signalcode PES senden darf. Anschließend an diesen Abschnitt TPE2 für den Signalcode PES2 des zweiten Positionselements PE2 befindet sich dann die Midamble mit 512 Chip Länge. Getrennt durch 69 Guard-Chips folgt dann schließlich ein Abschnitt TPE3 von 256 Chips, der für das dritte Positionselement PE3 zur Verfügung steht, damit dieses seinen Signalcode PES3 senden kann. Schließlich bleiben weitere 592 freie Chips, die dann durch den üblichen Pilot beendet wer- den.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen lediglich drei Möglichkeiten, die Sendezeiträume TPEi, TPE2, TPE3 für die Signalcodes PESi, PES , PES3 der Positionselemente PEi, PE2, PE3 exakt in die Slotstruktur einzufügen. Es sind darüber hinaus noch zahlreiche weitere Möglichkeiten denkbar. Ebenso können auch Signalcodes von mehr als drei Positionselementen oder von der Ba- sisstation selbst eingefügt werden.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Methode wird von einem Aufbau des Mobilfunknetzes ausgegangen, wie er im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 beschrieben wurde. Auch hier wird wiederum angenommen, dass sich ein zu lokalisierendes Mobilfunkgerät UE innerhalb einer Mobilfunkzelle befindet und mittels einer Basisstation BS vom zuständigen S-RNC versorgt bzw. bedient wird. Ebenso beginnt hier die Positionsbestimmung wieder mit einer Anfrage zur Po-
sitionsbeStimmung an eine Kontrolleinheit KE - beispielsweise wie in Figur 4 die S-RNC - wobei es auch hier irrelevant ist, von wem die Anfrage zur Positionsbestimmung letztendlich kommt.
Nachdem eine Positionsanforderung an der Kontrolleinheit KE, vorliegt, wird diese Positionsanfrage beispielsweise durch ein Informationselement wie das Location Request in der RRC- Message eines allgemeinen Downlink-Signals zu dem zu lokali- sierenden Endgeräts und auch zu den Positionselementen der entsprechenden Mobilfunkzelle gesendet. Dabei haben die Positionselemente eine sog. Mithörfunktion im Downlink-Signali- sierungsverkehr der Mobilfunkzelle, sofern diese Informationen über einen allgemeinen Kanal (einen sogenannten Common- Kanal) gesendet werden. Alternativ können auch gerichtete
Downlink-Kanäle verwendet werden. Sofern eine solche explizite Signalisierung über einen gerichteten Kanal erfolgt, so wird diese Information nur an die Positionselemente weitergeleitet, welche für die Positionsbestimmung eingesetzt werden sollen. Falls die Positionsanfrage vom Endgerät selbst kam, wird diese Anfrage von der Kontrolleinheit KE auf ähnliche Weise bestätigt.
Nach Bekanntwerden einer Positionsanforderung bzw. der nach- folgenden Bestätigung der Kontrolleinheit, dass die Positionsanfrage durchgeführt werden darf, sendet das zu lokalisierende Endgerät UE seinen zugeordneten Signalcode UES. Bei dem Signalcode UES handelt es sich im vorliegenden Fall um die Spreizungscodefolge, welche dem jeweiligen Endgerät UE ohne- hin innerhalb der Mobilfunkzelle eindeutig zugeordnet ist.
Das Senden kann beispielsweise auf dem sogenannten PRACH erfolgen. Hierbei handelt es sich um einen Uplink-Kanal, auf dem die Endgeräte unaufgefordert Meldungen an das System bzw. an die Basisstation senden dürfen. Alternativ kann eine sog. Restriktion durchgeführt werden, d. h. es wird dem Endgerät zuvor von der Kontrolleinheit KE über die Basisstation. mitge-
teilt, auf welchem speziellen Uplink-Kanal (z. B. PUSCH) das Endgerät .seinen Signalcode UES senden darf. Die Information der Kanalwahlrestriktion muss dann auch den Positionselementen bekannt gegeben werden.
Die Übersendung des Signalcodes UES, beispielsweise der Spreizungscodefolge, erfolgt dann im nächsten freien Uplink- Slot des vorgegebenen Kanals. Die einzelnen Positionselemente versuchen, sofort nach Bekanntgabe einer Positionsanfrage Mitteilungen auf dem PRACH oder auf dem vorgegebenen Kanal des entsprechenden Endgeräts unabhängig voneinander und unabhängig von der Basisstation zu detektieren. Ebenso kann auch die Basisstation selbst versuchen, die eindeutige Signalfolge des Endgeräts zu detektieren.
Die Detektion kann jeweils wieder mittels eines Rake- Receivers oder eines Match-Filters erfolgen. Das heißt, die Messung erfolgt mit Hilfe von Autokorrelationsfunktionen mit dem Wissen der bekannten, vom Endgerät gesendeten Signalco- des. Sofern alle Positionselemente über die Positionsanfrage informiert sind, können dementsprechend auch alle Positionselemente versuchen, die Signalfolge zu detektieren.
Nach der Detektion des Signalcodes UES werden dann die Emp- fangszeiten an den einzelnen Positionselementen bestimmt.
Diese Information senden die Positionselemente und die Basisstation an die PCF (Position Calculation Function) , welche die eigentlichen Berechnungen zur Positionsbestimmung durchführt. Diese PCF bestimmt beispielsweise aus den absoluten Zeiten zur Durchführung der OTDOA-Methode die Zeitdifferenzen zwischen den Empfangszeitpunkten und bildet diese Differenzen auf Hyperbeln ab. Der gemeinsame Schnittpunkt der Hyperbeln ist dann wieder die gesuchte Position. Alternativ kann auch eine Messung allein nach dem TOA-Verfahren durchgeführt wer- den, oder es wird eine Mischung aus OTDOA und TOA, wie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, durchgeführt. Die PCF kann sich dabei an beliebiger Stelle im Mobilfunknetz, aber
auch in dem Endgerät selber befinden. In diesem Fall werden die Messergebnisse von den Positionselementen PE und von der Basisstation BS vorzugsweise direkt an das Endgerät UE und in die darin befindliche PCF übermittelt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zusätzlich auch die Positionselemente der Nachbarzellen zur Positionsbestimmung mit genutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Teil der Positionselemente der Nachbarmobilfunkzellen ebenfalls das Informationselement in der RRC-Message, das Location Update, empfängt. In dem Moment, wo dieses Informationselement empfangen wird, reagieren die betreffenden Positionselemente daraufhin automatisch, unabhängig davon, ob sie die eigene oder die Nachbarzelle bedienen. Das heißt, sie versuchen un- abhängig von den Abläufen in der jeweiligen Zelle, in der sich das Endgerät UE befindet, ebenfalls den Signalcode des betreffenden Endgeräts UE zu detektieren. Dies bietet sich selbstverständlich vor allem dann an, wenn die Übermittlung des Informationselements sowie auch die Sendung des charakte- ristischen Signalcodes UES des Endgeräts UE auf Co mon-
Kanälen durchgeführt wird. Weitere Voraussetzung ist, dass die in der Zelle verwendeten Spreizungscodes und Midambles den Positionselementen in den Nachbarzellen bekannt sind. Dies ist beispielsweise auch durch eine explizite Übermitt- lung der Spreizungscodes und Midambles, beispielsweise auf einem Common-Kanal , möglich.
Die Messergebnisse werden dann nach Abschluss der Messung als Uplink-Signale von den Positionselementen der Nachbarzellen an die Basisstation der Zelle, in der sich das zu lokalisierende Endgerät befindet, gesendet. Dort werden die Signale der PCF zugeführt bzw. an die PCF im Endgerät UE übermittelt. Alternativ kann auch eine Übermittlung über die jeweilige Basisstation der Nachbarzelle und das Mobilfunknetz erfolgen.
Die Figuren 9 bis 11 zeigen ein typisches Ausführungsbeispiel einer Uplink-Datenstruktur ULD sowie zwei verschiedene Mög-
lichkeiten, die Signalcodefolge UES, hier den Spreizungscode des Endgeräts UE, innerhalb, dieser Uplink-Datenstruktur ULD unterzubringen.
Figur 9 zeigt hierbei eine TDD-Uplink-Struktur eines Slots in der Datenübermittlung vom Endgerät UE zur Basisstation BS. Ein solcher Slot umfasst wieder 2560 Chips, dementsprechend beträgt die Slotlänge 2560 mal der Chiplänge, welche ca. 0,26 μsec . beträgt. Der Slot beginnt mit einer Anzahl von frei be- legbaren Datensymbolen. Im dargestellten Modus beträgt ein Symbol maximal 16 Chips. Anschließend an diese frei belegbaren Datensymbole schließt sich ein TFCI-Abschnitt an (Transport Format Combination Indicator) , welcher aussagt, wie die Informationen für den Transport zerlegt wurden. Auf diesen TFCI-Abschnitt folgt die Midamble von 512 oder 256 Chip Länge und anschließend ein TPC-Abschnitt (Transmit Power Control) , welcher die Leistungsangaben enthält. An den TPC-Abschnitt schließt sich dann der zweite Teil des TFCI an. Darauf folgt ' wieder ein Abschnitt mit frei belegbaren Datensymbolen und am Schluss eine Guard Period, welche die gleiche Funktion hat wie der Pilot in der zuvor beschriebenen Downlink- Datenstruktur.
Figur 10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem der eindeutige Signalcode UES des sendenden Endgerats, hier der Spreizungscode des Endgeräts, im ersten frei belegbaren Datenteil vor der Midamble des Slots angeordnet wird.
Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die- ser Spreizungscode UES im zweiten belegbaren Datenteil, d. h. hinter der Midamble, angeordnet ist.
Neben diesen Beispielen gibt es auch noch weitere beliebige Möglichkeiten, einen eindeutigen Signalcode eines Endgeräts innerhalb eines Uplink-Slots einzuordnen. Ebenso können anstelle des Spreizungscodes auch andere eindeutige Signalcodes verwendet werden. Die Verwendung des Spreizungscodes bietet
sich von daher an, da ein solcher Spreizungscode dem Endgerät innerhalb einer Mobilfunkzelle ohnehin eindeutig zugeordnet ist. Außerdem kann der übersendete Signalcode auch noch einen Zeitstempel enthalten, welcher Auskunft über den genauen Sendezeitpunkt gibt, so dass unter Verwendung dieses Sendezeitpunkts und des EmpfangsZeitpunkts auch die absoluten Laufzeiten des Signals vom Endgerät zum jeweils empfangenden Gerät ermittelt werden können.
Liste der verwendeten Abkürzungen:
BCH Broadcast Channel
DPDCH Dedicated Physical Data Channel DPCCH Dedicated Physical Control Channel
FDD Frequency Division Duplex
GMLC Gateway Mobile Location Center
GPS Global Positioning System
HLR Home Location Register IPDL Idle Period Downlink
LCS Location Services
MSC Mobileservices Switching Center
NodeB Basisstation entsprechend dem UMTS-Standard
OTDOA Observed Time Difference of Arrival PCF Position Calculation Function
PLMN Public Land Mobile Network
PRACH Physical Random Access Channel
RNC Radio Network Controller
RNS Radio Network System RRC Radio Resource Control
RTT Round Trip Time
RxTD Receive Timing Deviation
S-SCH Secondary-Synchronisation Channel
S-RNC Serving Radio Network Controller TDD Time Division Duplex
TFCI Transport Format Combination Indicator
TOA Time Of Arrival
TPC Transmit Power Control
UMTS Universal Mobile Telecommunications System UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network
3G-MSC 3rd Generation Mobileservices Switching Center