DE10134590A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Positionsbestimmung von Teilnehmergeräten eines Funkkommunikationssytems mit Hilfe von zusätzlichen Positionselementen - Google Patents

Abstract

In einem zellularen Funkkommunikationssystem (MCS) wird mindestens ein Ortungsmesssignal (PS1 mit PS4) von mindestens einem zusätzlichen Positionselement (PE11 mit PE14) aus mindestens einer Funkzelle (CE1) gesendet. Dabei wird vom jeweiligen Positionselement (PE11) die Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle (LS1) der jeweiligen Basisstation (NB1) dahingehend überwacht, ob ein Positionsanfragesignal (PAS) an diese und/oder von dieser übermittelt wird. Bei Detektion eines derartigen Positionsanfragesignals (PAS) wird von einem solchen mithörenden Positionselement (PE11) selbständig mindestens ein Ortungsmesssignal (PS1) in mindestens einen freien Signalabschnitt (DA1) der Funksignalisierung eingefügt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung mindestens eines Teilnehmergeräts eines Funkkommunikationssystems, das eine Vielzahl von Basisstationen zur Aufteilung in Funkzellen aufweist, wobei mindestens ein Ortungsmesssignal von mindestens einem zusätzlichen Positionselement aus mindestens einer Funkzelle gesendet wird.
• In Funkkommunikationssystemen wie z. B. nach dem GSM oder UMTS Standard kann es in der Praxis ggf. von Interesse sein, den aktuellen Standort bzw. Aufenthaltsort eines bestimmten Teilnehmergerätes, insbesondere Mobilfunkgeräts, zu bestimmen. Die Anforderungen an eine Positionsbestimmung des jeweiligen Teilnehmergerätes kann dabei sowohl vom jeweiligen Teilnehmer selbst, einem anderem Teilnehmer, als auch von der Netzinfrastrukturseite her kommen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem Funkkommunikationssystem eine Positionsbestimmung des jeweiligen Teilnehmergeräts möglichst effizient durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass vom jeweiligen Positionselement die Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle der jeweiligen Basisstation dahingehend überwacht wird, ob ein Positionsanfragesignal an diese und/oder von dieser übermittelt wird, und dass bei Detektion eines derartigen Positionsanfragesignals von einem solchen mithörenden Positionselement selbständig mindestens ein Ortungsmesssignal während mindestens eines freien Signalabschnitts der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle der Basisstation seiner zugeordneten Funkzelle gesendet wird.
• Dadurch, dass vom jeweiligen Positionselement in der Aufenthalts- und/oder Nachbarfunkzelle des jeweilig zu ortenden Teilnehmergeräts die Signalisierung auf der Luftschnittstelle auf ein etwaiges Positionsanfragesignal hin abgehört wird, und bei Detektion eines derartigen Positionsanfragesignals von einem solchen "mithörenden" Positionselement selbständig mindestens ein Ortungsmesssignal während mindestens eines freien Signalabschnitts der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle der Basisstation seiner zugeordneten Funkzelle eingefügt und gesendet wird, wird in effektiver Weise eine Positionsbestimmung ermöglicht. Denn eine aufwendige Zusatzsignalisierung, wie sie bei einer vorab festgelegten, d. h. starren bzw. fixen Zuordnung von Ortungsmesssignalen zu freien Zeitschlitzen der Signalisierung auf der Luftschnittstelle erforderlich wäre, kann jetzt durch das selbständige Einfügen der Ortungsmesssignale in freie Signalabschnitte durch das jeweilig beteiligte Positionselement entfallen. Dadurch ist eine flexible Ausnutzung freier Signalisierungsabschnitte auf der Luftschnittstelle ermöglicht. Eine Reduzierung der ursprünglich bereitgestellten Funkzellenkapazität, d. h. Übertragungsrate, und damit eine Einschränkung bei der Nutzsignal-/Nutzdatenübertragung ist somit weitgehend vermieden. Denn eine extra Vorabbereitstellung von fest zugeordneten Signalabschnitten, die eigens für die Ortungsmesssignalübertragung reserviert sind, kann entfallen.
• Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Positionsbestimmung mindestens eines Teilnehmergeräts eines Funkkommunikationssystems, welche nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.
• Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
• Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Funkzelle eines Funkkommunikationssystems, in der mit Hilfe von Positionselementen die Position eines sich dort aufhaltenden Mobilfunkgeräts nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann,
• Fig. 2 in schematischer Darstellung die weiteren Komponenten des Funkkommunikationssystems nach Fig. 1,
• Fig. 3 in schematischer Darstellung die zeitliche Struktur eines Zeitrahmens der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle zwischen einer Basisstation und einem zu ortenden Teilnehmergerät des Funkkommunikationssystems nach den Fig. 1 sowie 2, wobei in einen freien Signalabschnitt eines Zeitschlitzes dieses Zeitrahmens ein Ortungsmesssignal von einem mithörenden Positionselement nach dem erfindungsgemäßen Verfahren selbständig eingefügt worden ist, und
• Fig. 4 in schematischer Darstellung eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Teilnehmergeräts des Funkkommunikationssystems nach Fig. 2.
• Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Fig. 1 mit 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• In Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber ein vereinfachtes Funkkommunikationssystem MCS abgebildet, bei dem Nachrichtensignale über mindestens eine vordefinierte Luftschnittstelle LS1 zwischen mindestens einem Teilnehmergerät, insbesondere Mobilfunkgerät wie z. B. UE1, und mindestens einer Basisstation wie z. B. NB, SB nach einem Zeitmultiplex-Vielfachzugriffs-Übertragungsverfahren übertragen werden. Es ist vorzugsweise als Mobilfunksystem nach dem UMTS (= universal mobile telecommunication system)-Standard ausgebildet, bei dem Nachrichtensignale über die jeweilige Luftschnittstelle insbesondere nach einem kombinierten TDMA/CDMA-Vielfachzugriffs- Übertragungsverfahren (TDMA = time division multiple access; CDMA = code division multiple access) übertragen werden. Insbesondere wird es im sogenannten TDD- Mode betrieben (TDD = time division duplex). Im TDD-Mode wird eine getrennte Signalübertragung in Up- und Downlink-Richtung (Uplink = Signalübertragung vom Mobilfunkgerät zur jeweiligen Basisstation, Downlink = Signalübertragung von der jeweilig zugeordneten Basisstation zum Mobilfunkgerät) durch eine entsprechende separate Zuweisung von Zeitschlitzen mittels eines Zeitmultiplex-Verfahrens erreicht. Dabei wird vorzugsweise nur eine einzige Trägerfrequenz zur Signalübertragung in Up- und Downlink-Richtung verwendet. Um eine Teilnehmerseparierung vornehmen zu können, wird also vereinfacht ausgedrückt bei der Funkübertragung über die Luftschnittstelle des jeweiligen Teilnehmergeräts zur zugeordneten Basisstation (und umgekehrt) eine zeitliche Aufteilung der Nachrichtensignale in eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen vorgebbarer Zeitdauer mit vorgebbarer Zeitrahmenstruktur vorgenommen. Mehrere Teilnehmer, die zeitgleich in derselben Funkzelle mit der dortigen Basisstation in Kommunikation treten, werden in Kombination zur Zeitmultiplexaufteilung zweckmäßigerweise durch orthogonale Codes, insbesondere nach dem sogenannten CDMA-Verfahren (code division multiple access,) voneinander hinsichtlich ihrer Nachrichten-/Datenverbindungen separiert.
• Als Teilnehmergeräte sind vorzugsweise Mobilfunktelefone, insbesondere Handys, vorgesehen. Daneben können als Teilnehmergeräte auch sonstige Nachrichten- und/oder Datenübertragungsgeräte mit zugeordneter Funkeinheit (Sende- und/oder Empfangseinheit) wie z. B. Internet Computer, Fernsehgeräte, Notebooks, Faxgeräte, usw. zum Kommunikationsverkehr "on air", d. h. über eine Luftschnittstelle, Komponenten des Funkkommunikationsnetzes sein. Die Teilnehmergeräte können dabei ggf. auch stationär, d. h. ortsfest, im Funknetz angeordnet sein. Bevorzugt sind sie aber portabel ausgebildet und können sich somit mobil, d. h. an wechselnden Orten aufhalten.
• Das Mobilfunksystem MCS weist üblicherweise eine Vielzahl von Basisstationen auf, denen jeweils Mobilfunkzellen zugeordnet sind, d. h. jede Basisstation spannt jeweils eine Funkzelle auf und versorgt diese hinsichtlich des Funkverkehrs über mindestens eine Luftschnittstelle. Innerhalb einer solchen Funkzelle ist also jeweils deren Basisstation für die Kommunikation mit dem sich dort jeweilig aufhaltenden Teilnehmergerät zuständig. Vorzugsweise ist die jeweilige Basisstation annäherungsweise im Zentrum ihrer Funkzelle angeordnet (siehe Fig. 1).
• Hier im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sind der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei Basisstationen NB, SB eingezeichnet, die stellvertretend für die Vielzahl von anderen, im Funknetz vorhandenen Basisstationen sind. Ein zu ortendes Teilnehmergerät UE1 befindet sich in der Funkzelle der Basisstation SB. Insbesondere ist hier das Teilnehmergerät UE1 (User Equipment) allgemein ausgedrückt ein physikalisch mobiles, d. h. portables Endgerät zur Telekommunikation. Eine Basisstation ist jeweils eine Netzwerkkomponente, die mobile Endgeräte in einer Mobilfunkzelle über mindestens eine Luftschnittstelle bedient und ggf. kontrolliert.
• Die Basisstation SB ist hier in Fig. 2 diejenige Netzwerkkomponente, die aktuell das zu lokalisierende mobile Endgerät UE1 in ihrer momentanen Aufenthaltsfunkzelle, d. h. einer Serving-Mobilfunkzelle, über die Luftschnittstelle LS bedient und kontrolliert. Die Basisstationen wie z. B. NB, SB sind wiederum gruppenweise zusammenfassbar und über eine Festnetzverbindung Iub mit einer übergeordneten Netzwerkeinheit SRNC (Serving Radio Network Controller) verbunden, die unter Zuhilfenahme eines Protokolls RRC (radio resource control = Protokoll zur Übertragung von Nachrichten zwischen mobilem Teilnehmergerät und Serving Radio Network Controller) den Kommunikations-/Datenverkehr zwischen dem jeweiligen mobilen Teilnehmergerät und der jeweilig zugeordneten Basisstation organisiert und kontrolliert. Ein sogenannter serving radio network controller ist also eine Netzwerkkomponente für die Bedienung und Kontrolle von einer oder mehreren Basisstationen, die in UMTS NodeBs heißen. Der jeweilige serving radio network controller sowie die ihm zugeordneten Basisstationen bilden ein sogenanntes Radio Network System (RNS). Mehrere RNS-Systeme wiederum sind in UMTS zu einer logischen Systemeinheit UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) zusammengefasst. Die Vermittlungseinheit 3GMSC (= 3^rd Generation Mobile-services Switching Center) stellt das Interface, d. h. die Schnittstelle, zwischen dem Funksystem MSC und Festnetzen wie z. B. PLMN (public land mobile network = Öffentliches Landgestütztes Mobilnetzwerk) über eine Festverbindung Iu her. Das MSC führt dazu alle notwendigen Funktionen für Circuit Switched Services von und zu den Mobilstationen aus. Über eine Verbindungseinheit GMLC (Gateway Mobile Location Center) wird eine Kommunikationsverbindung für eine externe Location Applikation (wie z. B. Positionsbestimmung) oder einen externen Location Client (LCS-Client) ermöglicht. Diese Verbindungseinheit GMLC steht mit einem sogenannten "Home Location Register" HLR in Verbindung, dem ein Mobiler User für Protokoll- bzw. Kontrollzwecke (z. B. User Informationen) zugeordnet ist. Über die Verbindungseinheit GMLC kann eine externe Lokalisierungseinheit wie z. B. ein LCS-Client ELCS (location services)- Anwendersystem (wie z. B. Notrufzentralen, Überwachungszentralen, positionsabhängige Informationsdienste) mit dem Funkkommunikationssystem MCS in Kontakt treten.
• Das Mobilfunkgerät UE1 hat im beispielhaft vorliegenden Verkehrszustand von Fig. 2 eine aktive, bestehende Kommunikationsverbindung zur Basisstation SB in seiner Aufenthalts- Funkzelle bereits aufgebaut. Somit können Nachrichtensignale bzw. Datensignale sowohl von der Basisstation SB zum Mobilfunkgerät UE1 (= downlink) als auch vom Mobilfunkgerät UE1 zur Basisstation SB ( = uplink) übertragen werden. An die Basisstation SB ist mit Hilfe von Netzelementen, die in der Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind, eine Auswerte-/Recheneinheit AE angeschlossen. Mit deren Hilfe wird die Positionsberechnung bzw. Positionsbestimmung (PCF = position calculating function) des Mobilfunkgeräts UE1 aufgrund von Messdaten vorgenommen. Dabei kann diese Auswerte-/Recheneinheit insbesondere auch Bestandteil der jeweiligen Basisstation sein und/oder im jeweiligen Mobilfunkgerät UE1 selbst implementiert sein.
• Fig. 1 zeigt exemplarisch die Funkzelle CE1 aus der Vielzahl von Funkzellen des Funkkommunikationssystems nach Fig. 2. Diese Funkzelle wird durch die annäherungsweise zentral angeordnete Basisstation NB1 funktechnisch versorgt. Um nun die Position, d. h. örtliche Lage des sich in der Funkzelle CE1 momentan aufhaltenden Mobilfunkgeräts UE1 bestimmen zu können, sind in der Funkzelle CE1 mehrere Positionselemente wie z. B. PE11 mit PE14 zusätzlich verteilt angeordnet. Vorzugsweise sind sie im Bereich der Außengrenzen der Funkzelle CE1 platziert. Zur Positionsermittlung des Mobilfunkgeräts UE1 sendet nun zum einen die Basisstation NB1 selbst über ihre Luftschnittstelle LS1 ein oder mehrere zugehörige Ortungsmesssignale PS1 mit PS4, deren Laufzeit für ihren Laufweg zum Mobilfunkgerät UE1 von diesem gemessen und daraus ein Distanzkreis RTK1 um die Basisstation NB1 als Mittelpunkt ermittelt wird (= sogenannte RTT-Messung (round trip time). Auf diesem Kreis RTK mit konstantem Radius liegt das Mobilfunkgerät UE1. Zur weiteren Eingrenzung dessen örtlicher Lage werden gleichzeitig oder jeweils um eine bekannte Zeitspanne zeitversetzt ein oder mehrere Ortungsmesssignale von mindestens zwei zusätzlichen Positionselementen wie z. B. PE11 und PE13 gesendet. Über entsprechende Laufzeitmessungen dieser Ortungsmesssignale durch das Mobilfunkgerät UE1 werden zumindest zwei weitere Distanzkreise CI1 und CI3 bestimmt. Dabei kennzeichnet der Distanzkreis CI1 diejenigen Orte, an denen ein Ortungsmesssignal des Positionselements PE11 jeweils die gleiche Laufzeit für seinen Laufweg zum Mobilfunkgerät UE1 aufweist. Der Distanzkreis CI2 beschreibt diejenigen Orte, an denen ein Ortungsmesssignal des Positionselements PE12 jeweils die gleiche Laufzeit für seinen Laufweg zum Mobilfunkgerät UE1 aufweist. Erst der Schnittpunkt aller drei Distanzkreise RTK1, CI1, CI2 gibt die örtliche Lage des Mobilfunkgeräts UE1 in eindeutiger Weise an.
• Zweckmäßigerweise werden die Positionselemente PE11 mit PE14 bezüglich des Zeitrasters der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle LS1 der Basisstation NB1 synchronisiert. Denn dadurch ist der Startzeitpunkt der Ortungsmesssignale der Positionselemente in eindeutiger Weise festgelegt, was die Auswertung der Laufzeiten der Ortungsmesssignale erleichtert.
• Zusätzlich oder unabhängig von den Kreisen CI1, CI2 können - wie bei der sogenannten OTDOA-Methode (observed time of arrival) - ggf. auch Ortshyperbeln aufgrund der Ortungsmesssignale bestimmt werden.
• Nähere Angaben zu dieser sogenannten OTDOA-Positionselement- Meßmethode (OTDOA = observed time difference of arrival) finden sich in 3G TSGR1#8(99)g57: Positioning method proposal, PANASONIC, New York (USA), TSG RAN1 Meeting#8, 12.- 15.10.1999, 3G TSGR2#8(99)e48: Positioning method proposal, PANASONIC, Cheju (Korea), TSG RAN2 Meeting#8, 2.-5.11.1999, 3G TSGR2#15-R2-001718: Assessment procedure for the OTDOA-PE positioning method, PANASONIC, Sophia Antipolis (Frankreich), TSG RAN2 Meeting#15, 21.-25.8.2000.
• Zusammenfassend betrachtet ist Kern dieser Positionsbestimmungsmethode, dass pro Mobilfunkzelle ein oder mehrere Positions-Elemente (PE) eingeführt werden, mit deren Unterstützung Positionsbestimmungen nach dem Prinzip der OTDOA-Methode durchgeführt werden können. Die Anzahl der Positions-Elemente wird vom Netzbetreiber vorzugsweise entsprechend den örtlichen Gegebenheiten (wie z. B. Topographie) der jeweiligen Mobilfunkzelle und der geforderten Genauigkeit der Positionsbestimmung festgelegt.
• Mit den PEs ist es möglich, zur Positionsbestimmung die Signale einzig nur derjenigen Mobilfunkzelle zu nutzen, in der das zu bestimmende UE sich befindet. Signale anderer NodeBs (in den benachbarten Mobilfunkzellen) für die OTDOA- Auswertung sind grundsätzlich nicht mehr nötig. Sie können aber natürlich bei Vorhandensein und Detektion trotzdem verwendet werden.
• Die PEs haben vorzugsweise zwei Hauptaufgaben:
  
• a) Hören auf den Mobilfunkzellverkehr in Downlinkrichtung, d. h. auf die Übertragung von der NodeB zu den Mobilfunkgeräten (user equipments (UEs)).
• b) Senden eines vordefinierten, jedem Positionselement zugeordneten Signalcodes zu den Mobilfunkgeräten in Downlinkrichtung.
• Das Hören und Senden erfolgt auf einer Frequenz, insbesondere der Downlink-Frequenz der Mobilfunkzelle (Serving-Cell). Gemeint ist dabei z. B. die Frequenz des Broadcast-Channels BCH. Beide Vorgänge, Hören und Senden, sind jedoch zweckmäßigerweise zeitlich voneinander getrennt, so dass es zu keiner Überlappung kommen kann und soll.
• Liegt eine Anforderung auf eine Positionsbestimmung eines Mobilfunkgeräts in einer Funkzelle vor, so werden die in der Mobilfunkzelle jeweilig vorhandenen Positionselemente von der jeweilig zugeordneten Basisstation bzw. Serving NodeB informiert (via höheren Signalisierungsschichten oder über den BCH), ihren zugeordneten Signalcode in einem bestimmten Downlink-Slot (DL-Slot) zu senden.
• Das Senden der Ortungsmesssignale könnte nun zu bestimmten Zeiten und in bestimmten, freien Signalabschnitten des DL- Slots des Übertragungssignals der Serving NodeB zu den Mobilfunkgeräten erfolgen, d. h. die Positionselemente könnten ihre eindeutigen Signalcodefolgen in durch die jeweilige Serving NodeB vorgegebenen Signalabschnitten der Signalisierung der Serving NodeB zu den Mobilfunkgeräten dieser Mobilfunkzelle platzieren. Z. B. könnten dies Signalabschnitte des BCH's sein, die dieser nicht nutzt oder Signalabschnitte im noch ungenutzten Datenteil eines Slots. Das jeweilig zu lokalisierende Teilnehmergerät wüsste dabei natürlich auch von den Signalabschnitten, in denen die Positionselemente ihre Signalcodes senden. So könnte das jeweilig zu ortende Teilnehmergerät entsprechend dem Signalisierungstiming versuchen, die Signalcodes der PEs in diesem bestimmten Teil des DL- Slots zu detektieren und dabei die Ankunftszeiten der Signalcodes bestimmen. Die weitere Verfahrensweise und Bestimmung der Position könnte entsprechend dem bekannten OTDOA- Verfahren erfolgen.
• Bei dieser Vorgehensweise würden die Positionselemente durch die jeweilige Basisstation bzw. Serving-NodeB der momentanen Aufenthaltsfunkzelle des jeweilig zu lokalisierenden Mobilfunkgeräts selbst konfiguriert werden, d. h. die Serving-NodeB würde den Positionselementen mitteilen, zu welchem Zeitpunkt im DL-Slot (downlink-Verbindung zwischen NodeB und UE) die Positionselemente die ihnen zugeteilten Signalcodefolgen senden dürfen. Bei dieser starren, d. h. fixen Zuordnung könnte dabei insbesondere folgendes Problem in ungünstigen Konstellationen auftreten:
  Die Positionselemente (PEs) können die Konfigurationsinformationen im BCH aufgrund schlechter Mobilfunkkanalbedingungen nicht detektieren, d. h. nicht auswerten, und haben somit keine Möglichkeit, ihre Signalcodefolgen im richtigen Timing (Einfügestart-Zeitpunkte) der DL-Verbindungen zu senden.
• Als ungünstige Konstellationen im Sinne der vorliegenden Erfindung gelten beispielsweise folgende Fälle:
  
• - Kapazitätsaus-/überlastung der Mobilfunkkanäle der betreffenden Mobilfunkzelle;
• - zu dicht besiedelte/bebaute Mobilfunkzelle, dadurch starke Mehrwegeausbreitung der Signale.
• Dadurch kann der Empfang des jeweiligen PE-Signalcodes unvollständig sein oder nur in "Bruchstücken" erfolgen. Eine Falschdetektion des PE-Signalcodes im Empfänger ist möglich. Das würde dazu führen, dass eine Unterstützung der Positionsbestimmung mit Positionselementen eines oder mehrerer Mobilfunkgeräte (UEs) in der betreffenden Mobilfunkzelle sehr erschwert oder gar nicht möglich ist.
• Eine effektive, einfache sowie zuverlässige Positionsermittlung ist nun selbst bei solchen schlechten Übertragungsbedingungen dadurch möglich, dass von mindestens einem, insbesondere zwei Positionselementen die Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle der jeweiligen Basisstation dahingehend überwacht wird, ob ein Positionsanfragesignal an diese und/oder von dieser übermittelt wird, und dass bei Detektion eines derartigen Positionsanfragesignals von einem solchen mithörenden Positionselement selbständig mindestens ein Ortungsmesssignal während mindestens eines freien Signalabschnitts der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle der Basisstation seiner zugeordneten Funkzelle gesendet wird.
• Die Quintessenz dabei ist das "Auffangen" bzw. Mithören der Positionsanforderungen der UEs (user equipment = z. B. Mobilfunkgerät) an den zuständigen Serving-RNC über die Serving- NodeB. Die Information über eine Positionsbestimmung ist durch eine Informationselement - Location Update in der RRC- Message (RRC = radio resource control) zum Verbindungsaufbau zwischen UE und NodeB (ausführliche Erläuterungen in den Ausführungsbeispielen) - vorhanden und in der Umgebung der UE, die diese Positionsanforderung sendete, hörbar. Sobald ein oder mehrere PEs eine Positionsanforderung hören, senden sie selbständig, d. h. automatisch, ihre ihnen zugeteilten Signalcodefolgen in freien, bereits bestehenden Signalabschnitten der Signalisierung der NodeB zu den UEs.
• Da die Zuordnung der maximal 240 Signalcodes (insbesondere können die 240 ungenutzten S-SCH Codes (= secondarysynchronization channels; in UMTS werden von 256 bereitgestellte Kanälen nur 16 allokiert und genutzt) zu entsprechenden PEs des Mobilfunknetzes den UEs im voraus durch den BCH bekannt ist (gesendet durch die NodeBs oder den höheren Signalisierungsschichten beim z. B. ersten Funkkontakt = Einloggen), ist es den UEs in der Serving Cell möglich, auf die Signalcodes der PEs aus den Nachbarzellen zu hören.
• Nach Absenden einer Positionsanforderung PAS (siehe Fig. 1) versuchen die UEs in vorteilhafter Weise nach einer kurzen Verzögerungsphase (ergibt sich aus der Zeit, die ein PE benötigt, um die Anfrage zu "hören" und daraufhin seinen Signalisierungscode zu senden), die bekannten PE-Signalcodefolgen zu detektieren, ohne dass ihnen der Zeitpunkt der freien Signalabschnitte explizit durch die NodeB mitgeteilt wird. Die Möglichkeit der Information über freie Signalabschnitte der NodeB an die UEs für z. B. PE-Signalcodefolgen, ist ggf. weiterhin möglich, wenn erwünscht, gefordert oder benötigt.
• Ein wichtiger und nicht zu unterschätzender Vorteil liegt insbesondere in der Möglichkeit der Reduzierung des Signalisierungsoverheads der NodeB zu den UEs bzw. PEs in der Serving-Cell, da ja jetzt die Positionselemente selbständig Ortungsmesssignale in freie, bereits vorhandene Signalabschnitte der Funksignalisierung einfügen. Bei "selbstständigem" Handeln der PEs beim Mithören (oder Abhören) einer Positionsanfrage durch ein UE an die Serving-NodeB (Location Request) in der Serving-Cell, kann die Signalisierung zwischen PEs und Serving-NodeB hinsichtlich Zeit und Signalisierung eingespart bzw. vermieden werden, d. h. ein störender Signalisierungs-Overhead in der Zelle kann vermieden werden.
• Sendet gemäß einer weiteren Weiterbildung nur eine bestimmte Anzahl von PEs ihre Signalcodefolgen in die Serving-Cell, insbesondere nur diejenigen Positionselemente, die in der Nähe des Mobilfunkgeräts sind bzw. die Positionsanforderung "abhören", und nicht alle möglichen, in der Funkzelle befindlichen PEs, so können weitere Einsparungen an Signalisierungsaufwand erreicht werden. (Beide oben erwähnten Vorteile werden im Ausführungsbeispiel 1 ausführlicher behandelt bzw. dargestellt.)
• Ein nächster anzugebender Vorteil ist die Möglichkeit der Nutzung von PEs aus den Nachbarmobilfunkzellen, wenn diese die Positionsanforderung einer UE aus einer Nachbarzelle "mithören". Dies setzt allerdings voraus, dass die PEs so konfiguriert sind, dass sie Kenntnisse über die Spreizungscodes der NodeBs der Nachbarzellen haben. Nur so ist es den PEs in den Nachbarzellen möglich, die freien Signalabschnitte der NodeBs zu entdecken, um ihre eigenen Signalcodefolgen für Positionsbestimmungen geeignet zu platzieren. (Dieser Vorteil wird näher betrachtet im Ausführungsbeispiel 2.)
• Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit der Positionsbestimmung und deren Genauigkeit nicht gemindert, sondern im Gegenteil gesteigert werden. Ein Verzicht auf extra vorrätige, bereits vorab allokierte Signalabschnitte - sogenannte IPDLs (idle period downlink) bei der bekannten OTDOA-IPDL-Methode - ist mit der vorliegenden Methode ebenfalls möglich. Damit kann ein etwaiger Funkkapazitätsverlust durch eventuelle IPDLs umgangen werden. So kann es dem Netzbetreiber gelingen, seine Zielkapazität zu erreichen, selbst mit dem zusätzlichen Dienstmerkmal bzw. Feature "Positionsbestimmungen von UEs".
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei sowohl im FDD-Mode (frequency division duplex) als auch im TDD-Mode von UMTS zum Einsatz kommen.
Ausführungsbeispiel 1
• Entsprechend Fig. 1 spannt die Basisstation NB1 die UMTS- Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) auf. Nachbarfunkzellen sollen im ersten Ausführungsbeispiel keine Rolle spielen. Diese NodeB wird gemäß Fig. 2 durch einen RNC kontrolliert. Zusammen mit diesem ergibt sich somit ein Teil eines Funksystem mit Kontrollorgan, Basisstation, Mobilfunkgeräten und Positionselementen.
• Das zu lokalisierendes Mobilfunkgerät UE1 befindet sich in der UMTS-Mobilfunkzelle CE1, der Serving-Cell, und wird von dieser Basisstation NB1 versorgt bzw. bedient. Dabei kann die Anfrage PAS zur Positionsbestimmung sowohl vom Mobilfunkgerät UE1 selbst, als auch von einer oder mehreren Netzwerkkomponenten des Funkkommunikationssystems und somit von irgendeinem anfragenden LCS-Client im Netzwerk des Funkkommunikationssystems ausgehen (Fig. 2). Relevant ist dabei insbesondere die Tatsache, dass das Mobilfunkgerät UE1 in jedem Fall eine RRC-Verbindung zur Basisstation bzw. NodeB NB1 aufbaut, um die Bestätigung der Positionsanforderung PAS an die Basisstation NB1 bekannt zu geben.
• Des weiteren befinden sich eine gewisse Anzahl von Positionselementen (PEs) in der UMTS-Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1). Im Detail sind das hier die Elemente PE11, PE12, PE13 und PE14. Die PE-Verteilung in der UMTS-Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) wird derart vorgenommen, dass wenigstens die Signale von zwei PEs von dem Mobilfunkgerät UE1 in der Funkzelle CE1 gut zu "hören", d. h. zu detektieren sind. Im allgemeinen bedeutet dies, dass die PEs zweckmäßigerweise so stationiert sind, dass die Ortungsmesssignale aller PEs in Summe die UMTS-Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) in Verbindung mit der NodeB NB1 möglichst zu 100% abdecken.
• Gemäß Fig. 1 befindet sich das Mobilfunkgerät UE1 in der UMTS-Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) nahe an der rechten Zellgrenze, so dass die Möglichkeit besteht, dass es bei einer Positionsanfrage Ortungsmesssignale der am nächsten liegenden Positionselemente PE13 und PE14 auswerten kann. Hingegen können Probleme hinsichtlich der Detektion der Signale der anderen, zu weit entfernten PEs (wie z. B. PE11 und PE12) auftreten, weil diese PEs vom Mobilfunkgerät schlecht oder gar nicht zu detektieren sind. Gründe sind die größeren Entfernungen, dadurch schwächere Signalleistungen und eventuell quantitativ mehr Abschattungen in der Entfernung zwischen den PEs und dem Mobilfunkgerät UE1.
• Ein Ablauf-Szenario kann exemplarisch folgendermaßen aussehen:
  Die Position des Mobilfunkgeräts UE1 in der UMTS- Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) soll aufgrund einer Positionsanfrage PAS bestimmt werden. Dabei ist es nicht relevant, warum und woher eine Positionsanfrage kam. Unabhängig von der in der Anforderungen definierten Genauigkeit der Positionsbestimmung, welche durch das Netzwerk entschieden wird (hauptsächlich vom RNC), bereitet sich das Mobilfunkgerät vor, Positionselemente (PEs) einzusetzen, d. h. auf die Signalisierungscodes der PEs der Mobilfunkzelle CE1 zu hören. Als erstes wird die NodeB NB1 mit Hilfe einer Bestätigung der Positionsanfrage PAS informiert. (Die NodeB kann ggf. zusätzlich die PEs der Mobilfunkzelle über den BCH über die Zeitpunkte informieren, wann das jeweilige PE seinen ihm zugeordneten Signalcode in die DL-Slotstruktur von der NodeB zur UE einfügt. Diese Informationen können die PEs insbesondere z. B. nutzen, nachdem ein erster Positionsbestimmungsversuch fehlgeschlagen ist. Diese Information bekommt natürlich auch das UE mitgeteilt, da auch das UE die DL Verbindung der Serving- NodeB (NodeB) hört.)
• Die Positionsanfrage ist auch den PEs in der Umgebung der zu lokalisierenden UE durch genanntes "Mithören" bzw. "Abfangen" des Informationselementes - "Location Update" - in der RRC- Message bekannt. Nach Auswertung dieses Informationselementes fügen nun die Positionselemente PE11, PE12, PE13 und PE14 unabhängig von "Befehlen" der Serving-NodeB (NodeB) ihre Signalcodefolgen als Ortungsmesssignale in die jeweilige DL- Slotstruktur in freie Signalabschnitte, d. h. in Leerzeitabschnitte der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle LS1 ein. Das Mobilfunkgerät UE1 versucht, mit dem Wissen der Signalcodefolgen und des dazugehörigem Positionselements (durch z. B. einen Rake-Empfänger = Korrelationsempfänger, mit dem Zeitverschiebungen durch Korrelationen ermittelt werden können) Empfangszeiten der Codefolgen zu bestimmen. Diese Informationen sendet das Mobilfunkgerät UE1 an die Serving-NodeB (NodeB). Die NodeB bzw. die PCF (position calculation function) im UTRAN bestimmt dann daraus Zeitdifferenzen zwischen den Empfangszeitpunkten der PE-Signalcodefolgen. Diese Differenzen werden vorzugsweise auf Ortshyperbeln und/oder Distanzkreise entsprechend der bekannten ODTOA-Methode abgebildet. Der gemeinsame Schnittpunkt der Hyperbeln ist die gesuchte Position in einem von der Umgebung abhängigen Genauigkeitswertebereich.
• Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung die zeitliche Struktur eines Zeitrahmens FRi der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle LS1 zwischen der Basisstation NB1 und dem zu ortenden Mobilfunkgerät UE1 von Fig. 1. Dabei ist in einen freien Signalabschnitt eines Zeitschlitzes dieses Zeitrahmens ein Ortungsmesssignal von einem mithörenden Positionselement nach dem erfindungsgemäßen Verfahren selbständig eingefügt worden. Der Zeitrahmen FRi der zeitlichen Länge TF weist eine Vielzahl von einzelnen, zeitlich nacheinanderfolgenden Zeitschlitzen SL0 mit SL14 von jeweils derselben, konstanten Zeitdauer auf. Solche Zeitrahmen folgen dabei sukzessive, d. h. fortlaufend bei der Nachrichtenübertragung aufeinander. Dies ist in der Fig. 3 durch jeweils drei Punkte am Anfang und Ende des Zeitrahmens FRi angedeutet. Die Struktur des Zeitrahmens FRi entspricht vorzugsweise der slot- Struktur eines sogenannten TDD-Frames (TDD = Time Division Duplex, frame = Zeitrahmen). Ein TDD-Frame wie zum Beispiel FRi besteht dabei vorzugsweise insgesamt aus 15 Zeitschlitzen (= time slots) SL0 mit SL14. Dabei kann jeder Zeitschlitz eindeutig entweder für Übertragungen im Uplink- oder Downlinkverkehr allokiert, d. h. reserviert bzw. bereitgestellt sein.
• In Fig. 3 ist schematisch der zeitliche Aufbau bzw. die Struktur, d. h. die zeitliche Unterteilung eines Zeitschlitzes (= time slot) wie z. B. SLi des Zeitrahmens FRi dargestellt. Der jeweilige Zeitschlitz wie z. B. SLi weist 4 Zeitabschnitte bzw. Zeitsektionen DA1, MI, DA2, PC2 auf, die für die Übertragung von verschiedenen Gruppen von Signaltypen reserviert sind. Der erste Zeitabschnitt DA1 des Zeitschlitzes SLi ist für die Übertragung von Nutzdaten, sogenannten data symbols, vorbelegt. Danach werden im zweiten, nachfolgenden Zeitabschnitt bzw. -block MI sogenannte Midambles übertragen. Dies sind Signale für die Kanalschätzung und/oder Synchronisation des jeweiligen Teilnehmergeräts und/oder der jeweiligen Basisstation. Aufgrund dieser Kanalschätzparameter wird insbesondere eine Kanalentzerrung im jeweiligen Mobilfunkgerät und/oder der jeweiligen Basisstation durchgeführt. Nach diesem Zeitblock MI folgt wiederum ein Zeitabschnitt DA2 für eine weitere Übertragung von Nutzdaten. Dadurch, dass die Midambles für die Kanalschätzung zwischen den beiden Blöcken mit den Nutzdaten bzw. - Nutzsignalen übertragen werden, wird weitgehend sichergestellt, dass der jeweilige Funkkanal optimal im Zeitmittel entzerrt werden kann. Während des vierten, letzten Zeitabschnitts PC2 des Zeitschlitzes SLi wird schließlich keine Signalübertragung vorgenommen, d. h. diese sogenannte guard period ist unbelegt, um eine Sicherheitszeitlücke zwischen den einzelnen, zweitlich nacheinander übertragenen Zeitschlitzen zu haben. Dadurch werden insbesondere störende Signalüberlagerungen bzw. Interferenzen aufeinanderfolgender slots durch Signallaufzeitunterschiede wie z. B. bei Mehrwegeausbreitung weitgehend vermieden, so dass eine einwandfreie Signaldetektion weitgehend sichergestellt ist. Insgesamt betrachtet kann also während des jeweiligen Zeitschlitzes die Funkübertragung eines sogenannten Bursts (Datenbüschels) mit vorgegebener zeitlicher Aufteilung bzw. Sektionierung erfolgen. Detaillierte Angaben zur Zeitrahmen- und Zeitschlitzstruktur sind im jeweiligen Mobilfunkstandard, hier im Ausführungsbeispiel insbesondere im UMTS-Standard gemacht. (z. B. 3G TS 25.221 "physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (TDD)", Version 3.2.0 (2000-03), 3G TS 25.305 "stage 2 functional specification of location services in UTRAN", Version 3.1.0 (2000-03, 3G TS 25.224 "physical layer procedures (TDD)", Version 3.2.0 (2000-03).)
• Hier im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird beispielhaft der Signalisierungscode PS1 eines der Positionselemente wie z. B. PE11 während des Zeitabschnitts DA1 im Zeitschlitz SLi des Zeitrahmens FRi übertragen, da hier ein freier Signalabschnitt zur Verfügung stand.
Ausführungsbeispiel 2 (Nutzung PEs aus den Nachbarzellen)
• Ausführungsbeispiel 2 gemäß Fig. 4 basiert vom Grundprinzip her auf dem obigen Ausführungsbeispiel 1. Der Unterschied zu Fig. 1 liegt allerdings in der Nutzung von Positionselementen (z. B. PE21/PE31, PE32, PE33/PE41, PE42) von Nachbarfunkzellen (CE2, CE3, CE4) zur Positionsbestimmung für den Fall des "Mithörens" bzw. "Abfangens" des Informationselementes - Location Update - in der RRC-Message (radio request control). D. h., sollten PEs der Nachbarmobilfunkzellen (UMTS CEx, z. B. mit x = 1-4) das Informationselement ebenfalls mitbekommen, so sollten diese zweckmäßigerweise daraufhin reagieren, unabhängig davon, ob sie die eigene oder die Nachbarzellen bedienen.
• Ein Ablauf-Szenario könnte exemplarisch folgendermaßen aussehen:
  Die Position des Mobilfunkgeräts UE1 in der UMTS- Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) soll aufgrund einer Positionsanfrage PAS bestimmt werden. Dabei ist es nicht relevant, warum und woher eine Positionsanfrage PAS kam. Unabhängig von der in der Anforderungen definierten Genauigkeit der Positionsbestimmung, welche durch das Netzwerk entschieden wird (hauptsächlich vom RNC), bereitet sich das UE vor, Positionselemente (PEs) einzusetzen, d. h. auf die Signalisierungscodes der PEs der Mobilfunkzellen CE1-CE4 zu hören. Als erstes wird die NodeB NB1 mit einer Bestätigung der Positionsanfrage PAS informiert. (Die NodeB kann zusätzlich die PEs der Mobilfunkzelle über den BCH über die Zeitpunkte informieren, wann das jeweiliges Positionselement (Abkürzung PE) seinen ihm zugeordneten Signalcode in die DL-Slotstruktur von der NodeB zur UE einfügen kann. Diese Informationen können die PEs z. B. nutzen, nachdem ein erster Positionsbestimmungsversuch fehlgeschlagen ist. Diese Information bekommt natürlich auch das UE mitgeteilt, da auch das UE die DL Verbindung der Serving-NodeB (NodeB₁) hört.)
• Die Positionsanfrage ist auch den Positionselementen (PEs), namentlich PE11 und PE14 aus der momentanen Aufenthalts- Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1), PE21 aus der Nachbar- Mobilfunkzelle CE2 (UMTS cell2) und PE31 und ev. PE32 aus der Nachbar-Mobilfunkzelle CE3 (UMTS cell3) in der Umgebung des zu lokalisierenden Mobilfunkgeräts UE1 durch "Mithören" bzw. "Abfangen" des Informationselementes - Location Update - in der RRC-Message bekannt. Nach Auswertung dieses Informationselementes fügen nun die genannten PEs unabhängig von "Befehlen" der Serving-NodeB (NodeB NB1), d. h. selbständig, ihre Signalcodefolgen in die jeweilige DL-Slotstruktur der UMTS-Mobilfunkzelle CE1 (UMTS cell1) in freien, gegebenen, d. h. bereits sowieso vorhandenen Zeitabschnitten ein. Dies bedeutet natürlich für die PEs der Nachbarzellen CE2 und CE3, dass sie zweckmäßigerweise ebenfalls über die Informationen der freien Signalabschnitte verfügen müssen.
• Das Mobilfunkgerät UE1 versucht mit dem Wissen der Signalcodefolgen und des dazugehörigem PE (durch z. B. einen Rake- Empfänger = Korrelationsempfänger, mit dem Zeitverschiebungen durch Korrelationen ermittelt werden können) Empfangszeiten der Codefolgen zu bestimmen. Diese Informationen sendet das UE1 an die Serving-NodeB (NodeB). Die NodeB bzw. die PCF im UTRAN bestimmt dann daraus Zeitdifferenzen zwischen den Empfangszeitpunkten der PE-Signalcodefolgen. Diese Differenzen werden zweckmäßigerweise auf Ortshyperbeln und/oder Distanzkreisen abgebildet. Deren jeweiliger gemeinsame Schnittpunkt ist die gesuchte Position in einem von der Umgebung abhängigen Genauigkeitswertebereich.
• Das an Hand eines UMTS- Funkkommunikationssystems beispielhaft beschriebene Lokalisierungsverfahren ist selbstverständlich auch bei anderen Funkkommunikationssystemen wie z. B. nach dem GPRS- (general packet radio service), EDGE- (enhanced data rates for GSM environments) Standard anwendbar.

Claims (10)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung (P01) mindestens eines Teilnehmergeräts (UE1) eines Funkkommunikationssystems (MCS), das eine Vielzahl von Basisstationen (NB1 mit NB4) zur Aufteilung in Funkzellen (CE1 mit CE4) aufweist, wobei mindestens ein Ortungsmesssignal (PS1 mit PS4) von mindestens einem zusätzlichen Positionselement (PE11 mit PE14) aus mindestens einer Funkzelle (CE1) gesendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vom jeweiligen Positionselement (PE11) die Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle (LS1) der jeweiligen Basisstation (NB1) dahingehend überwacht wird, ob ein Positionsanfragesignal (PAS) an diese und/oder von dieser übermittelt wird, und dass bei Detektion eines derartigen Positionsanfragesignals (PAS) von einem solchen mithörenden Positionselement (PE11) selbständig mindestens ein Ortungsmesssignal (PS1) während mindestens eines freien Signalabschnitts (DA1) der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle (LS1) der Basisstation (NB1) seiner zugeordneten Funkzelle (CE1) gesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierung auf der Luftschnittstelle (LS1) nach einem Zeitmultiplexverfahren, insbesondere nach dem TDD-Mode (time division duplex) des UMTS-Standards (universal mobile telecommunication system), durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ortungsmesssignal (PS1) des jeweiligen Positionselements (PE1) ein eindeutiger Identifizierungscode zugeordnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Teilnehmergerät (UE1) ein Mobilfunkgerät, insbesondere Mobilfunktelefon, verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ortungsmesssignal (PS1) vom jeweiligen Positionselement (PE11) während mindestens eines unbelegten Signalabschnitts (DA1) des Broadcast-Kanals der Basisstation (NB1) seiner zugeordneten Funkzelle (CE1) gesendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Positionsbestimmung eines zu ortenden Teilnehmergeräts (UE1) Ortungsmesssignale von mindestens zwei Positionselementen (PE11, PE13) herangezogen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionselemente (PE11 mit PE14) bezüglich des Zeitrasters der Funksignalisierung auf der Luftschnittstelle (LS1) der Basisstation (NB1) ihrer jeweilig zugeordneten Funkzelle (CE1) synchronisiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des jeweiligen Ortungsmesssignals (PS1 mit PS4) für dessen Laufweg zwischen seinem Positionselement (PE11 mit PE14) und dem jeweilig zu lokalisierenden Teilnehmergerät (UE1) ermittelt und zur Auswertung bereitgestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ortungsmesssignal (PS1) von mindestens einem Positionselement (PE11) in der jeweiligen Aufenthaltsfunkzelle (CE1) des jeweilig dort zu ortenden Teilnehmergeräts (UE1) und/oder von mindestens einem zusätzlichen Positionselement (PE31) mindestens einer benachbarten Funkzelle (CE3) selbständig gesendet wird.

10. Vorrichtung zur Positionsbestimmung mindestens eines Teilnehmergeräts eines Funkkommunikationssystems, welche nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.