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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines
Endgerätes
in einem Funk-Kommunikationssystem, insbesondere einem ersten Mobilfunk-Kommunikationssystem,
welches mehrere Sende-Empfangseinrichtungen aufweist. Das Endgerät ist dabei
zum Aufbau einer Kommunikationsverbindung mit mindestens einer Sende-/Empfangseinrichtung
des Funk-Kommunikationssystems eingerichtet. Dies bedeutet, dass
das Endgerät
entweder aufgrund von gerätetechnischen und/oder
datentechnischen Vorkehrungen, insbesondere aufgrund der Einrichtung
einer Zugangsberechtigung, zum Aufbau einer solchen Kommunikationsverbindung
eingerichtet ist. Zur Positionsbestimmung werden Sendeparameter
innerhalb des ersten Funk-Kommunikationssystems herangezogen. Solche
Sendeparameter können
beispielsweise die Signalfeldstärke
oder Signalqualität
eines Sendesignals, Signallaufzeiten oder auch gewisse Signalinhalte
wie Identifikationsdaten der sendenden Einrichtung sein. Diese Sendeparameter
können
aus einer ungerichteten Datenübertragung
(Broadcast) einer Sende-/Empfangseinrichtung und/oder des Endgerätes und/oder
aus einer Kommunikationsverbindung zwischen dem Endgerät und einer
Sende-/Empfangseinrichtung
des Funk-Kommunikationssystems entstammen.
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Solche
Verfahren sind in dem Stand der Technik bereits offenbart. So beschreibt
WO 98/15149 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Teilnehmer-Endgerätes in einem
zugehörigen
Mobilfunk-Kommunikationssystem, wobei die Signalfeldstärken von
mehreren Sende-/Empfangseinrichtungen dieses Mobilfunk-Kommunikationssystems
durch ein Teilnehmer-Endgerät
dieses Mobilfunk-Kommunikationssystems gemessen werden, und mit
gespeicherten Referenzdaten einer Feldstärkematrix für diese Sende-/Empfangseinrichtungen verglichen
werden.
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Ein
solches Verfahren findet jedoch seine Grenzen in Gebieten, in welchen
in dem Mobilfunk-Kommunikationssystem, zu dem das Teilnehmer-Endgerät gehört, keine
ausreichende Zahl von Sende-/Empfangseinrichtungen vermessen werden kann,
weil beispielsweise die zugehörigen
Funkzellen zu groß sind
und benachbarte Sende-/Empfangseinrichtungen zu weit beabstandet
sind. Dabei kommt es insbesondere zu Messungenauigkeiten und/oder
Mehrdeutigkeiten im Rahmen der Positionsbestimmung, die mangels
ausreichender Zahl an Sende-/Empfangseinrichtungen
nicht aufgelöst
werden können.
Die Position eines Teilnehmer-Endgerätes kann in solchen Fällen nicht
eindeutig oder nur mit sehr großer
Ungenauigkeit bestimmt werden.
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In
WO 02/082848 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines
Teilnehmer-Endgerätes
in einem zugehörigen
Mobilfunk-Kommunikationssystem beschrieben, welches auf dem Laufzeitverfahren
(Timing Advance TA) basiert. Dabei werden zur Erhöhung der
Genauigkeit der Positionsbestimmung Synchronisationsbits, die von
den Sende-/Empfangseinrichtungen ausgestrahlt und von den Teilnehmer-Endgeräten empfangen
werden, mit einem geeigneten Algorithmus ausgewertet. Es erfolgt
dabei eine Korrelation zwischen den empfangenen Signalen und einzelnen
Synchronisationsbits. Auch dieses Verfahren führt jedoch zu Mehrdeutigkeiten
bzw. Ungenauigkeiten, sofern nicht eine ausreichende Zahl an Sende-/Empfangseinrichtungen vermessen
werden kann.
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Aus
C. Drane et al., „Positioning
GSM Telephones",
IEEE Communications Magazine, April 1998, S. 46–59 sind Verfahren zur Bestimmung
der Position eines Teilnehmer-Endgerätes in einem zugehörigen Mobilfunk-Kommunikationssystem
bekannt, die auf Laufzeitmessungen (Propagation Time), Messungen
von Laufzeitunterschieden (Time Difference Of Arrival TDOA), Messungen
der Empfangswinkel (Angle Of Arrival AOA) oder Messungen der Trägerphasen
(Carrier Phase) basieren. Die Positionsbestimmung kann entweder
seitens des Teilnehmer-Endgerätes
-Mobile Based- oder seitens des Mobilfunk-Kommunikationssystems
-Network Based- erfolgen, oder auch durch eine Mischform dieser
Verfahren (Hybrid Positioning).
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Weiter
wird ausgeführt,
dass bei einer zumindest teilweise seitens des Teilnehmer-Endgerätes erfolgenden
Positionsbestimmung zusätzlich
auch Messungen der entsprechenden Sendeparameter eines Mobilfunk-Kommunikationssystems
eines anderen Netzbetreibers durchgeführt werden können. Als Voraussetzung
dafür wird
jedoch angegeben, dass eine Kooperation zwischen den verschiedenen
Netzbetreibern basierend auf einer gemeinsamen Datenbank existieren
muss, in der die Standorte und Frequenzen aller Sende-/Empfangseinrichtungen
(Base Transceiver Station BTS) gespeichert sind. Da aber gerade
diese Informationen sehr sensible Daten der entsprechenden Netzbetreiber
darstellen und in der Regel ein scharfer Wettbewerb zwischen den
Netzbetreibern herscht, sind solche Kooperationen und gemeinsame
Datenbanken in der Praxis kaum realisierbar. Dieser Lösungsansatz
ist damit äußerst unrealistisch.
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Als
weitere Alternative wird in dem Artikel von C. Drane et al. die
Möglichkeit
genannt, das Teilnehmer-Endgerät
mit einem GPS-Empfänger
zu versehen. Diese Möglichkeit
wird jedoch abgelehnt, da sie eine aufwändige und teure Umrüstung der
gängigen
Teilnehmer-Endgeräte
notwendig machen würde.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Bestimmung der
Position eines Endgerätes
in einem Funk-Kommunikationssystem bereitzustellen,
die auch in solchen Gebieten eine Positionsbestimmung mit hinreichender
Genauigkeit erlaubt, in denen das Endgerät nur eine geringe Anzahl von
Sende-/Empfangseinrichtungen des zugehörigen Funk-Kommunikationssystems
empfangen kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
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Die
Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines
Endgerätes
in einem ersten Funk-Kommunikationssystem mit Sende-Empfangseinrichtungen,
wobei das Endgerät
zum Aufbau einer beispielsweise bidirektionalen Kommunikationsverbindung
mit mindestens einer Sende-/Empfangseinrichtung des ersten Funk-Kommunikationssystems
eingerichtet ist, und zur Positionsbestimmung Sendeparameter innerhalb
des ersten Funk-Kommunikationsystems herangezogen werden.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass zur Positionsbestimmung zusätzlich Sendeparameter, insbesondere
Identifikationsdaten und Signalfeldstärken, von Sende-/Empfangseinrichtungen
eines zweiten Funk-Kommunikationssystems herangezogen werden, wobei
das Endgerät
nicht zum Aufbau einer Kommunikationsverbindung mit dem zweiten Funk-Kommunikationssystems
eingerichtet ist.
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Es
werden also zur Positionsbestimmung auch Sendeparameter von Sende-/Empfangseinrichtungen
eines systemfremden bzw. teilnehmerfremden Funk-Kommunikationssystems
herangezogen, zu dem das Endgerät
jedoch aus gerätetechnischen datentechnischen
und/oder organisationstechnischen Gründen keine Kommunikationsverbindung aufbauen
kann oder soll. Beispiele wären
ein Funk-Kommunikationssystem eines anderen Netzbetreibers, oder
einer anderen, für
das Endgerät
gesperrten Netzhierarchie desselben Funk-Kommunikationssystems oder
einer gesperrten Klasse von Kommunikationsdiensten. Trotzdem ist
das Endgerät nicht
vollkommen „blind" gegenüber Identifikationsdaten
und Signalfeldstärken
von Sende-/Empfangseinrichtungen des zweiten Funk-Kommunikationssystems.
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Im
Gegensatz zu dem von C. Drane et al. beschriebenen Verfahren ist
bei der Erfindung keinerlei Kooperation mit dem systemfremden oder
teilnehmerfremden Funk-Kommunikationssystem oder gar eine gemeinsame
Datenbank mit Positionsdaten der Sende-/Empfangseinrichtungen erforderlich,
da das erfindungs gemäße Verfahren
ganz ohne diese Maßnahmen
auskommt. Dagegen wird bei den Ausführungen in der WO 98/15149
erst gar nicht die Problematik erkannt, die entsteht, wenn eine
nur geringe Zahl von Sende-/Empfangseinrichtungen vermessen werden
kann, eine Einbeziehung von Sende-/Empfangseinrichtungen fremder
Funk-Kommunikationssysteme wird entsprechend nicht in Erwägung gezogen.
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Grundsätzlich könnten im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
statt Sende-/Empfangseinrichtungen eines zweiten Funk-Kommunikationssystems
auch andere, systemfremde Sendeeinrichtungen berücksichtigt werden, wie beispielsweise Rundfunksender
oder Funkbaken.
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Insbesondere
wird im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Positionsbestimmung
auf Basis eines Vergleiches zwischen vorgespeicherten Referenzdaten
für ortsabhängig ermittelte
Signalfeldstärken
der Sende-/Empfangseinrichtungen des zweiten Funk-Kommunikationssystems
und seitens des Endgerätes
ermittelten Signalfeldstärke-Messdaten
erfolgt. Grundsätzlich
könnten
aber auch beispielsweise Modellrechnungen und Simulationen für den Vergleich
herangezogen werden, die auch in Echtzeit erfolgen könnten.
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Es
kann weiterhin vorgesehen werden, dass mindestens eine Sende-/Empfangseinrichtung
des ersten Funk-Kommunikationssystems zumindest Messanweisungen
aussendet, von welchen benachbarten Sende-/Empfangseinrichtungen
des zweiten Funk-Kommunikationssystems Sendeparameter zur Positionsbestimmung
herangezogen werden sollen, wobei die Messanweisungen auf Basis
der gespeicherten Referenzdaten ermittelt werden. Das erste Funk-Kommunikationssystem
greift also auf gespeicherte Referenzdaten von Signalfeldstärken des zweiten
Funk-Kommunikationssystems zu, um dem Endgerät mitzuteilen, welche Sende-/Empfangseinrichtungen
vermessen werden sollen. Dabei können insbesondere
die entsprechenden Identifikationsdaten der Sende-/Empfangseinrichtungen
des zweiten Funk-Kommunikations systems durch eine Sende-/Empfangseinrichtung
des ersten Funk-Kommunikationssystems an das Endgerät übertragen
werden. Diese können
beispielsweise in eine Nachbarschaftsliste aufgenommen werden, die üblicherweise zumindest
Identifikationsdaten von Sende-/Empfangseinrichtungen des ersten
Funk-Kommunikationssystems enthält,
die derjenigen Sende-/Empfangseinrichtung
benachbart sind, zu welchem das Endgerät aktuell eine Kommunikationsverbindung hält. Identifikationsdaten
fremder Sende-/Empfangseinrichtungen waren bislang in solchen Nachbarschaftslisten
nicht vorgesehen. Die Nachbarschaftsliste enthält in der Regel neben den genannten
Messanweisungen bzw. Identifikationsdaten noch weitere Signalisierungsdaten.
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Bevorzugt
wird weiter vorgesehen, dass die Messanweisungen mit vordefinierten
Klassifizierungsparametern für
die Sende-/Empfangseinrichtungen
des zweiten Funk-Kommunikationssystems korreliert werden, die derart
ausgewählt
werden, dass ein Handover-Versuch des Endgerätes zu einer Sende-/Empfangseinrichtung
des zweiten Funk-Kommunikationssystems unterbunden wird. Diese Klassifizierungsparameter
können
beispielsweise im Rahmen der Messanweisungen an das Endgerät übertragen
werden, so dass bereits auf der Seite des Endgerätes eine Selektion der systemfremden
Sende-/Empfangseinrichtungen
erfolgen kann. Damit kann bereits seitens des Endgerätes eine
unerwünschte
(weil nicht realisierbare) Handover-Anfrage unterbunden werden.
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Es
kann aber auch alternativ vorgesehen werden, dass diese Klassifizierung
nur netzseitig erfolgt, wobei im Funk-Kommunikationssystem in gespeicherter
Form vorliegende Klassifizierungsparameter verwendet werden. Aufgrund
der gespeicherten Klassifizierungsparameter erfolgt damit netzseitig eine
Klassifizierung der vom Endgerät
vermessenen Sende-/Empfangseinrichtungen,
wobei den Sende-/Empfangseinrichtungen
solche Klassifizierungsparameter zugewiesen werden, dass ein Handover effektiv
unterbunden wird.
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Insbesondere
können
die Identifikationsdaten der systemfremden Sende-/Empfangseinrichtungen
mit einer Zuordnung zu einer bestimmten Hierarchie einer hierarchischen
Funk-Netzarchitektur und/oder mit bestimmten Schwellwerten für die zu
erwartenden Messergebnisse der Signalfeldstärken verknüpft werden, wobei diese so
gewählt
werden, dass ein Handover-Versuch in dem ersten Funk-Kommunikationssystem
ausgeschlossen ist. Dazu können
beispielsweise die systemfremden Sende-/Empfangseinrichtungen einer Hierarchieebene
mit der niedrigsten Priorität
in der hierarchischen Netzarchitektur zugeordnet werden. Die Sende-/Empfangseinrichtungen
des ersten Funk-Kommunikationssystems werden einer oder mehreren anderen
Hierarchien mit höherer
Priorität
zugeordnet, so dass ein Handover-Versuch immer zu den systemeigenen
Sende-/Empfangseinrichtungen
mit höherer
Priorität
initiiert wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
aber auch den systemfremden Sende-/Empfangseinrichtungen Schwellwerte
für die
zu erwartenden Messergebnisse der gemessenen Signalfeldstärken zugeordnet werden,
die bevorzugt so gewählt
werden, dass als minimal zulässiger
Wert für
einen Handover zu einer solchen Sende-/Empfangseinrichtung der maximal möglichen
Messwert für
die Signalfeldstärke
festgesetzt wird.
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Werden
dann Messergebnisse vom Endgerät
an das Funk-Kommunikationssystem übermittelt, so werden diese
seitens des Funk-Kommunikationssystems
mit den Klassifizierungsparametern korreliert und, da die gemessene
Signalfeldstärke
immer unter dem maximal möglichen
Messwert liegt, wird netzseitig nie ein Handover zu einer systemfremden Sende-/Empfangseinrichtung
zugelassen.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Genauigkeit der Positionsbestimmung kann vorgesehen werden, dass
zur Positionsbestimmung zusätzlich
Randbedingungen für
die möglichen
Bewegungstrajektorien von Endgeräten
im Bereich des ersten Funk-Kommunikationssystems berücksichtigt
werden. So sind beispielsweise in Gebäu den, in Straßenschluchten
oder auf vorbestimmten Verkehrswegen wie Straßen, Schienen oder Wasserwegen
Randbedingungen gegeben, die die möglichen Bewegungstrajektorien
von Teilnehmer-Endgeräten
auf bestimmte Pfade, Flächenbereiche
oder Raumbereiche beschränken.
Zur Ermittlung dieser Randbedingungen kann beispielsweise auf netzseitig
oder seitens des Endgerätes
gespeicherte digitale Karten zugegriffen werden. Diese Vorkenntnisse
kann verwendet werden, um die mögliche
Position eines Endgerätes
weiter einzugrenzen.
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Es
kann insbesondere vorgesehen werden, dass die Ermittlung der vorgespeicherten
Referenzdaten durch eine Referenzmessung mit Hilfe einer mobilen
Messeinrichtung erfolgt, eine Einrichtung zur Erfassung von Signalfeldstärken und
Identifikationsdaten des zweiten Funk-Kommunikationssystems, sowie
eine Einrichtung zur Positionsbestimmung der Messeinrichtung aufweist.
Eine solche Messeinrichtung kann im einfachsten Fall ein Endgerät oder zumindest
die wesentlichen Funktionen eines Teilnehmer-Endgerätes des
zweiten Funk-Kommunikationssystems beinhalten. Es können aber
auch andere, handelsübliche
Geräte
zur Messung von Signalfeldstärken
verwendet werden. Die Einrichtung zur Positionsbestimmung kann beispielsweise
als Endgerät eines
Satelliten-Positionsbestimmungs-Systems SPS wie beispielsweise GPS
oder Galileo ausgebildet sein. Es können aber auch Einrichtungen
verwendet werden, die beispielsweise auf Basis von digitalen Kartendaten
und Sensoren arbeiten.
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Zur
Ermittlung der vorgespeicherten Referenzdaten können wiederum bevorzugt Randbedingungen
für die
möglichen
Bewegungstrajektorien von Endgeräten
im Bereich des ersten Funk-Kommunikationssystems
berücksichtigt
werden. Sind beispielsweise die möglichen Bewegungstrajektorien
von Endgeräten
auf bestimmte Verkehrswege wie Gänge,
Straßen,
Schienen oder Wasserwege beschränkt,
so reduziert sich die Referenzmessung auf ein weitgehend eindimensionales
Messverfahren. Dadurch wird vorteilhaft der nötige Messaufwand erheblich
reduziert und damit die Gewinnung der Referenzdaten um ein Vielfaches
beschleunigt.
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Ein
spezielles Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 für eine Anwendung
in einem GSM-R-Mobilfunknetz als Beispiel für ein oben genanntes Funk-Kommunikationssystem
beschrieben. Es zeigen:
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1:
Schematische Darstellung der Positionsbestimmung eines GSM-R Teilnehmer-Endgerätes mit
Hilfe eines systemfremden PLMN-Netzes
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2:
Schematische Darstellung der Architektur des GSM-R-Kommunikationssystems
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3:
Schematische Darstellung einer Referenzmessung
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In
GSM-R-Mobilfunknetzen (GSM-Railway) sind zur Bestimmung des Aufenthaltsortes
eines mobilen Teilnehmer-Endgerätes,
genannt Mobilstation (Mobile Station MS), grundsätzlich Lokalisierungsverfahren
einsetzbar, die neben der Identifikation einer das Teilnehmer-Endgerät MS bedienenden
Sende-/Empfangseinrichtung,
genannt Basisstation (Base Transceiver Station) GSM-R BTS#1 und
deren damit verbundenen Standort noch die Messung der Signallaufzeit
zwischen Basis- und Mobilstation heranziehen. Eine solche Technik
kommt exemplarisch unter dem Namen CITA (Cell Identifier Timing
Advance) in GSM-Netzen zum Einsatz. Hierbei berechnet sich der ungefähre Aufenthaltsort
der Mobilstation MS aus dem Standort der bedienenden Basisstation
BTS sowie einem der Signallaufzeit TA äquivalenten Abstand in Richtung
des Strahlungsmaximums der genutzten Antenne. Unter Teilnehmer-Endgerät ist im Umfang
der Erfindung beispielsweise auch ein Endgerät in einem Zug zu verstehen,
dass Betriebsparameter mit zentralen Zugsteuerungseinrichtungen austauscht.
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Bisher
lassen sich solche Lokalisierungsverfahren effektiv nur in Gebieten
einsetzen, die über
relativ kleine Zellen verfügen.
In Gebieten mit einer geringen Dichte von Basisstationen BTS führen derartige
Verfahren in der Regel zu beträchtlichen
Lokalisierungsfehlern. Weiterhin ergeben sich Nachteile, wenn bei
fehlender Richtcharakteristik der Antenne der Basisstation BTS und
kleinen Zellradien die Signallaufzeit TA keine zusätzliche
Information liefert. Dies betrifft in der Regel Mikrozellen, die über omnidirektionale
Antennen verfügen.
Da jedoch der Versorgungsradius dieser Zellen sehr klein ist, gibt
der Standort der Antenne eine recht gute Positionsschätzung ab.
Der durch die Nichtauswertbarkeit der Signallaufzeit TA entstandene
Nachteil ist somit als eher gering einzustufen.
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Nicht
mehr zufrieden stellende Ergebnisse erhält man jedoch, wenn sehr große Zellradien
in Verbindung mit Antennen, die keine eindeutige Richtcharakteristik
aufweisen, angetroffen werden. Die Lokalisierungsfehler sind dann
in der Regel so groß,
dass aus dem Verfahren kein Nutzen mehr gezogen werden kann. Eine
derartige Situation tritt insbesondere bei GSM-R-Netzwerken auf, die von Eisenbahnbetreibern
für ihre
interne Kommunikation entlang der Schienenstränge aufgebaut werden. Die möglichen
Bewegungstrajektorien TR für
eine Mobilstation MS sind dabei durch das Schienen-Verkehrswegenetz
vordefiniert. Es liegen also Randbedingungen für die möglichen Bewegungstrajektorien
TR vor, die diese auf ein weitgehend eindimensionales Problem reduzieren.
Dies ist in 1 schematisch dargestellt.
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1 zeigt
exemplarisch ein GSM-R Netzwerk mit sehr wenigen Zellen bzw. zugehörigen Basisstationen
(GSM-R BTS#1, BTS#2) entlang eines Schienenstranges als möglicher
Bewegungstrajektorie TR. Dabei treten folgende Probleme auf: Zum
einem sind die Zellen sehr groß,
man spricht von Zellengrößen im Bereich
von einigen Kilometern bis 70 Kilometer. Weiterhin sind die Antennen
derart gestaltet, dass diese mit einer schmalen Hauptkeule entlang
beider Seiten der Schienenstränge
strahlen. In 1 ist exemplarisch die Mehrdeutigkeit
für den Fall
gezeigt, dass von der Mobilstation MS als Maß für die Signallaufzeit TA 1 von
der versorgenden Basisstation GSM-R BTS#1 empfangen wurden. Somit werden
in extremen Fällen
aus der Mehrdeutigkeit der Signallaufzeit TA 1 mögliche Aufenthaltsorte für die Mobilstation
MS bestimmt, die bis zu 140 km auseinander liegen. Die Angabe des
Standortes der Basisstation GSM-R BTS#1 als Mittelwert der möglichen
Aufenthaltsorte ist dann die einzig mögliche Schätzung des Aufenthaltsortes
für die
Mobilstation MS.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
auf einfache Weise die Zuhilfenahme weiterer Messwerte zur Auflösung der
Mehrdeutigkeit. Die Erfindung kommt dabei ohne Modifikation von
Mobilstation MS oder Basisstation BTS aus. Um die beschriebenen Mehrdeutigkeiten
aufzulösen
bzw. die Lokalisierungsgenauigkeit zu erhöhen, erfolgt die Vermessung
von systemfremden Sende-/Empfangseinrichtungen (Basisstationen BTS).
Dabei kann es sich um ein öffentliches
Mobilfunknetz (Public Land Mobile Network PLMN) handeln, welches
in der Regel über kleinere
Zellen verfügt.
Dies kann technisch in der Art geschehen, dass Identifikationsdaten
der systemfremden Basisstationen PLMN BTS zumindest in einige der
Nachbarschaftslisten des GSM-R-Netzes aufgenommen werden, die von
den Basisstationen GSM-R BTS ausgesendet werden. Dabei werden die entsprechenden
Identifikationscodes des systemfremden PLMN-Netzwerkes in die Liste
der erlaubten Identifikationscodes des GSM-R-Netzes eingetragen.
Dabei können
auch einzelne Sektoren der systemfremden Basisstationen PLMN BTS#1
bis PLMN BTS#5 über
einen eigenen Identifikationscode verfügen.
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Daraufhin
teilt die Mobilstation MS in ihren Messberichten über die
gemessenen Signalfeldstärken,
die es an das GSM-R-Netz
sendet, auch die Signalfeldstärken
der systemfremden Basisstationen PLMN BTS mit. Der Ablauf der Lokalisierung
einer Mobilstation soll anhand der schematischen Darstellung der
GSM-R-Architektur nach 2 genauer verdeutlicht werden.
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Für eine externe,
positionsbasierte Anwendung LCSA wird die Position einer Mobilstation
MS benötigt.
Dabei kann es sich beispielsweise um ortsabhängige Werbe- oder Informationsdienste
handeln, aber auch um eine positionsabhängige Gebührenerfassung wie ein Mautsystem.
Die Anwendung LCSA sendet eine Anfrage an ein Gateway Mobile Location
Center GMLC des GSM-R-Netzes. Die GMLC erfragt daraufhin vom Home
Location Register HLR die Routing-Informationen für die betreffende Mobilstation
MS. Als Antwort sendet das HLR die Adresse des Visitor Mobile Switching
Center VMSC zurück,
das für
die Mobilstation MS aktuell zuständig ist.
Das GMLC sendet daraufhin eine Positionsanfrage an das zuständige VMSC.
Das VMSC sendet als Antwort den Identifikationscode der versorgenden BTS
und den Wert für
die Signallaufzeit (Timing Advance) TA zurück. Das VMSC sendet außerdem die Positionsanfrage
an den zuständigen
Base Station Controller BSC weiter. Dieser BSC leitet die Positionsanfrage
wiederum an das zugehörige
Serving Mobile Location Center SMLC weiter. Das SMLC fragt daraufhin über den
BSC bei der versorgenden BTS die Messdaten der Sendeparameter (Signalfeldstärken, Timing
Advance) der systemeigenen Basisstationen GSM-R BTS sowie der Signalfeldstärken der
systemfemden Basisstationen PLMN BTS ab. Die entsprechenden Messdaten
wurden von der Mobilstation MS aufgrund der Anweisungen in der Nachbarschafsliste
durchgeführt,
welche von der versorgenden BTS ausgesendet wurde. Die ermittelten Messdaten
werden von der Mobilstation dann automatisch in regelmäßigen Zeitabständen (bei
GSM-R alle 480 ms) an die versorgende BTS übermittelt. Diese speichert
die Messdaten in einem Ringspeicher und gibt eine Sequenz von aktuellen
Messdaten auf Anfrage an die BSC zurück, welche diese Messdaten
dann an die SMLC weiterleitet.
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Das
SMLC vergleicht die Messdaten für
die Signalfeldstärken
der systemfremden Basisstationen PLMN BTS mit gespeicherten Referenzwerten
für ortsabhängig ermittelte
Signalfeldstärken
dieser systemfremden Basisstationen PLMN BTS und bezieht das Vergleichsergebnis
in die Positionsermittlung mit ein, wobei zusätzlich die Sendeparameter der
systemeigenen Basisstationen GSM-R BTS wie oben beschrieben zur
Positionsbestimmung einbezogen werden. Es können dabei zusätzlich die
Signalfeldstärken
der systemeigenen Basisstationen GSM-R BTS mit gespeicherten Referenzwerten
für ortsabhängig ermittelte
Signalfeldstärken
dieser systemeigenen Basisstationen GSM-R BTS verglichen werden,
um die Genauigkeit der Positionsbestimmung noch weiter zu erhöhen.
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Die
Positionsbestimmung kann beispielsweise mit Hilfe eines Viterbi-Algorithmus
erfolgen, der eine Sequenz von gemessenen Signalfeldstärken fremder
(und ggf. eigener) Basisstationen mit gespeicherten Referenzwerten
vergleicht. Der Algorithmus ordnet jeder Position eine Wahrscheinlichkeit
entsprechend den Messdaten unter Berücksichtigung von Modellen für Messfehler
und mögliche
Bewegungen zu und gibt als Ergebnis die wahrscheinlichste Position
aus. In diesem Algorithmus werden dabei Nachbarschaftsbeziehungen
von benachbarten, kleinsten Lokalisierungseinheiten (Pixel) berücksichtitt.
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Das
SMLC berechnet die Position der Mobilstation MS auf Basis der o.g.
Daten und sendet das Ergebnis, also die entsprechenden Positionsdaten, an
den BSC. Der BSC leitet dieses Ergebnis an das VMSC weiter. Das
VMSC sendet das Ergebnis wiederum an das GMLC, welches die Positionsdaten
an die externe, positionsbasierte Anwendung LCS übermittelt.
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Um
einen Handover der bidirektionalen Kommunikationsverbindung zwischen
der versorgenden BTS (in 1 als GSM-R BTS#1 bezeichnet)
an systemeigene Basisstationen (in 1 beispielsweise
an GSM-R BTS#2) durch dieses Verfahren nicht zu behindern, werden
folgede Vorkehrungen getroffen: Es werden den systemfremden Basisstationen
PLMN BTS im GSM-R-Netz Klassifizierungsparameter zugewiesen, die
so gewählt
werden, dass eine unerlaubte Weitergabe der Verbindung an die systemfremden
Basisstationen gar nicht erst in Betracht gezogen wird. Dies kann
entweder dadurch erfolgen, dass den im GSM-R-Netz gespeicherten Identifikationsdaten
der systemfremden Basisstationen ein entsprechender Schalter (Flag)
hinzugefügt wird,
dessen Wert so gesetzt wird, dass zu diesen Basisstationen kein
Handoverversuch unternommen wird. Alternativ werden die Schwellwerte,
Prioritäten und
Hysteresewerte für
einen Handover zu diesen Basisstationen derart gesetzt, dass ein
Handover unmöglich
ist. So kann beispielsweise der Schwellwert für die minimal erforderliche
Signalfeldstärke
für die systemfremden
Basisstationen PLMN BTS auf den maximal möglichen Messwert gesetzt werden
oder diesen Basisstationen die niedrigst mögliche Priorität zugewiesen
werden. Im letzteren Fall können
alle systemfremden Basisstationen PLMN BTS einer gemeinsamen Hierarchie
bzw. Hierarchieebene (Layer) einer hierarchischen Netzarchitektur
zugewiesen werden, die dann die niedrigst mögliche Priorität erhält.
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Um
den Entscheidungsprozeß für einen Handover
an eine neue systemeigene Basisstation GSM-R BTS nicht unnötig zu behindern,
kann weiterhin vorgesehen werden, dass die Anzahl zusätzlich zu
vermessender systemfremder Basisstationen PLMN BTS von vorneherein
begrenzt wird. Damit kann verhindert werden, dass durch die Vermessung zusätzlicher,
systemfremder Basisstationen keine ausreichende Menge an Messdaten
von Basisstationen des eigenen Netzes zur Verfügung steht. In diesem Fall
würde das
Netzwerk Messberichte erhalten, in denen keine oder nur wenig Informationen über Basisstationen
enthalten ist, die möglicherweise
für eine
Weitergabe des Gespräches
(Handover) geeignet sind. Wenn die systemfremden Basisstationen PLMN
BTS aus einem anderen Frequenzband gewählt werden als die systemeigenen
Basisstationen GSM-R BTS, kann eine minimale Anzahl von Sendern
pro Frequenzband definiert werden, die vermessen werden sollen.
Damit ist sichergestellt, das unter allen Umständen die stärksten Sender (Basistationen)
des eigenen Netzes vermessen und die entspre chenden Messdaten an
das GSM-R-Netz übermittelt
werden.
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Um
die Genauigkeit der Lokalisierung weiter zu steigern, kann eine
Einschränkung
der Lokalisierung auf die möglichen
Bewegungstrajektorien der Mobilstation MS erfolgen. Insbesondere
bei Eisenbahnnetzwerken werden sich die zu lokalisierenden Mobilstationen
MS fast ausschließlich
im Bereich des Schienennetzes aufhalten. Dessen Verlauf ist in der Regel
a-priori bekannt und beispielsweise in Form von gespeicherten digitalen
Karten abrufbar, so dass diese Information zu einer Steigerung der
Lokalisierungsgenauigkeit herangezogen werden kann. Je enger das
Suchgebiet vorab auf die wahre Position eingeschränkt wird,
desto genauer sind in der Regel die Lokalisierungsergebnisse. Insbesondere
reduziert sich eine Positionsbestimmung entlang von Verkehrswegen
wie Bahnschienen auf eine eindimensionale Suche. Neben einer verbesserten
Genauigkeit wird auch der erforderliche Rechenaufwand für die Positionsbestimmung
signifikant reduziert. Die möglicherweise
hohe Geschwindigkeit der Mobilstation könnte dann durch eine Ausweitung
der Zahl der kleinsten Lokalisierungseinheiten (Pixel) im Positionsbestimmungs-Algorithmus
lateral entlang des Schienenstranges berücksichtigt werden, wobei neben
dem nächsten
Pixel auch das übernächste oder noch
weiter entfernte Pixel mit einbezogen werden können.
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Die
zur Positionsbestimmung erforderlichen Referenzdaten können grundsätzlich mit
Hilfe von Programmen zur Vorhersage von Funkwellenausbreitungen
ermittelt werden. Hierzu sind aber genaue Kenntnisse über das
Netwerk mit der dazugehörigen Parametrisierung
notwendig. Die Berücksichtigung systemfremder
Sender erfordert dabei Kenntnisse über den Aufbau der systemfremden
Zellen. Diese sind in den meisten Fällen nicht zugänglich. 3 zeigt
ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung der Referenzdaten.
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Im
vorliegenden Beispiel liegt ein lediglich linienförmig ausgedehntes
Netzwerk vor, wie sie entlang von Verkehrswegen wie Schienensträngen existieren.
Damit werden Referenzdaten über
Signalfeldstären
und die zugehörigen
Identifikationsdaten der jeweiligen Basisstationen nur entlang der
Schienenstränge
benötigt.
Diese werden gemäß 3 durch eine
mobile Messeinrichtung (Mobile Measurement Unit) MMU bestimmt, die
eine Einrichtung zur Erfassung von Signalfeldstärken (Signal Measurement Unit)
SMU und eine Einrichtung zur Positionsbestimmung (Location Measurement
Unit) LMU aufweist. Die MMU ermittelt dabei die erforderlichen Referenzwerte
durch Messung entlang einer möglichen
Bewegungstrajektorie TR, im Beispiel nach 1 entlang eines
Schienenstranges. Zur Ermittlung der Referenzwerte für die Signalfeldstärken der
systemfremden Basisstationen PLMN BTS kann dabei im einfachsten
Fall als SMU ein Teilnehmer-Endgerät dieses Netzes verwendet werden.
Die LMU kann beispielsweise auf GPS oder Galileo basieren.
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Der
Aufwand für
die Messung der Referenzdaten ist relativ gering, da dies automatisiert
ablaufen kann, in dem man die MMU beispielsweise an Zügen montiert,
die dann im Laufe des normalen Betriebes nach und nach das gesamte
Schienennetz erfassen.
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Die
ortabhänig
gemessenen Referenzdaten werden von der mobilen Messeinrichtung
MMU nach dem Ende der Messung über
eine geeignete Schnittstelle an das GSM-R-Netz übertragen. Innerhalb des GSM-R-Netzes
werden die Referenzdaten entweder an jedes SMLC weitergeleitet und
dort gespeichert, oder sie werden in eine gemeinsame Datenbank eingespeist
und gespeichert, auf die alle SMLC zugreifen können. Weiterhin werden zumindest
Teile der Referenzdaten oder im GSM-R-Netz basierend auf den Referenzdaten
erstellte Anweisungen an die BSCs übermittelt, wobei die für einen
bestimmten BSC erforderlichen Referenzdaten oder Anweisungen je
nach Standort der Basisstationen BTS ausgewählt werden können, die
zu diesem BSC gehören. Der
BSC erstellt auf Basis der empfangenen Referenzdaten oder Anweisungen
weitere Anweisungen zur Erstellung der Einträge in die Nachbarschaftsliste,
die dann an die jeweiligen Basisstationen BTS weitergeleitet werden.