Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren
zur Positionsschätzung
einer Teilnehmerstation eines Funkkommunikationssystems sowie eine
entsprechende Vorrichtung anzugeben, die ermöglichen, mit einer geringeren
Dichte von Referenzpositionen eine Genauigkeit zu erzielen, die
mit derjenigen des oben beschriebenen Verfahrens vergleichbar ist.
Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Positionsschätzung
einer Teilnehmerstation eines Funkkommunikationssystems wird als
Position aus einer Mehrzahl von Referenzpositionen eine Referenzposition
ausgewählt,
wobei die Auswahl anhand eines Vergleichs wenigstens einer für wenigstens eine
der beiden Übertragungsrichtungen
zwischen der Teilnehmerstation und einer Funkstation des Funkkommunikationssystems
ermittelten Kanal-Impuls-Antwort mit für die Referenzpositionen bekannten
Kanal-Impuls-Antworten erfolgt. Erfindungsgemäß sind für die Referenzpositionen jeweils
zumindest zwei richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antworten bekannt
und werden für
den Vergleich verwendet.
Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine von der Teilnehmerstation
an einem aktuellen Aufenthaltsort, z.B. mittels einer omnidirektionalen
Antenne, ermittelte (gemessene) Kanal-Impuls-Antwort – aufgrund
von Mehrwegeausbreitung – durch
eine Überlagerung
mehrerer empfangener Wellenfronten entsteht. Bereits bei einer Ortsänderung
der Teilnehmerstation, die kleiner ist als die Wellenlänge einer
für eine Übertragung
verwendeten Funkwelle, kann sich die von der Teilneh merstation ermittelte
Kanal-Impuls-Antwort vollständig ändern. Die
Wellenfronten hingegen, deren Überlagerung
zu der ermittelten Kanal-Impuls-Antwort führt, bleiben innerhalb eines
bestimmten Gebietes unverändert. Lediglich
eine geänderte
Phasenlage der Wellenfronten führt
innerhalb eines derartigen Gebietes zu unterschiedlichen ermittelten
Kanal-Impuls-Antworten in
Abhängigkeit
vom Ort der Teilnehmerstation. Innerhalb eines derartigen Gebietes
setzen sich somit die an unterschiedlichen Positionen von der Teilnehmerstation
ermittelten Kanal-Impuls-Antworten aus einer Überlagerung der gleichen Wellenfronten
zusammen, die jedoch positions- und richtungsabhängige unterschiedliche Phasenlagen
haben.
Eine
einzelne Wellenfront bewirkt für
sich allein betrachtet eine von der Ausbreitungsrichtung der Wellenfront
abhängige,
mit einer entsprechend ausgerichteten Richtantenne messbare Kanal-Impuls-Antwort,
die im Folgenden als richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antwort bezeichnet
wird. Sind für jedes
derartige Gebiet eine Referenzposition und die entsprechenden richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten bekannt, kann überprüft werden, für welche
Referenzposition eine beispielsweise bezüglich der Phasenlagen der richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten optimierte Überlagerung der entsprechenden
richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten die geringste Abweichung
von der von der Teilnehmerstation an ihrem aktuellen Aufenthaltsort
ermittelten Kanal-Impuls-Antwort aufweist. Die derart ermittelte
Referenzposition kann als Position der Teilnehmerstation festgelegt
werden.
Bei
einer Referenzposition ist beispielsweise ein Punkt innerhalb des
entsprechenden Gebietes oder das entsprechende Gebiet selbst. Als
Position kann somit ein Punkt oder ein Gebiet festgelegt werden.
Besonders
vorteilhaft ist es, die ermittelte Kanal-Impuls-Antwort für wenigstens zwei Referenzpositionen
jeweils durch eine Summation der entsprechenden zumindest zwei richtungsspezifischen und
jeweils mit einem Faktor multiplizierten Kanal-Impuls-Antworten
anzunähern
und diejenige Referenzposition als Position der Teilnehmerstation
auszuwählen,
für die
die Annäherung
die geringste Abweichung von der ermittelten Kanal-Impuls-Antwort
aufweist.
Es
ist zweckmäßig, dass
die Annäherung
an die ermittelte Kanal-Impuls-Antwort für die wenigstens zwei Referenzpositionen
mittels der Methode des kleinsten quadratischen Fehlers erfolgt.
In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird als der jeweilige Faktor
eine Exponentialfunktion der Form exp(j·Φ) verwendet, wobei Φ Werte zwischen
0 und 2π annehmen
kann und es gilt j = √–1
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist alle Merkmale auf, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
benötigt
werden. Insbesondere können
entsprechende Mittel zur Durchführung
der einzelnen Verfahrensschritte oder Verfahrensvarianten vorgesehen
sein.
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Eine
Teilnehmerstation ist beispielsweise ein Mobiltelefon, oder auch
eine ortsbewegliche oder ortsfeste Vorrichtung zur Übertragung
von Bild- und/oder Tondaten, zum Fax-, Short-Message-Service SMS-, Multimedia-Messaging-Service
MMS- und/oder Email-Versand
und/oder zum Internetzugang.
Eine
Funkstation ist eine netzseitige Einrichtung eines Funkkommunikationssystems,
die Mittel aufweist, um mit einer Teilnehmerstation eine Funkverbindung
aufzubauen und Nutz- und/oder
Signalisierungsdaten auszutauschen.
Die
Erfindung kann vorteilhaft in beliebigen Funkkommunikationssystemen
verwendet werden. Unter Funkkommunikationssystemen sind Systeme zu
verstehen, in denen eine Datenübertragung
zwischen Stationen über
eine Funkschnittstelle erfolgt. Die Datenübertragung kann sowohl bidirektional
als auch unidirektional erfolgen. Funkkommunikationssysteme sind
insbesondere beliebige Mobilfunksysteme, beispielsweise nach dem
GSM- (Global System for Mobile Communications) oder dem UMTS- (Universal
Mobile Telecommunications System) Standard. Auch zukünftige Mobilfunksysteme,
beispielsweise der vierten Generation, sowie Ad-hoc-Netze sollen
unter Funkkommunikationssystemen verstanden werden. Funkkommunikationssysteme
sind beispielsweise auch drahtlose lokale Netze (WLANs: Wireless
Local Area Networks) gemäß den Standards
IEEE (Institute of Electrical and Electronical Engineers) 802.11
a bis i, Hiper-LAN
1 und HiperLAN 2 (HiperLAN: High Performance Radio Local Area Network)
sowie Bluetooth-Netze.
Die
Figur zeigt schematisch eine Teilnehmerstation MS und eine Funkstation
BS eines Funkkommunikationssystems. Die Funkstation BS ist über nicht
dargestellt Einrichtungen in der Lage, Daten mit anderen Funkstationen
des Funkkommunikationssystems sowie mit weiteren Stationen, beispielsweise
aus einem Festnetz, auszutauschen. Weiterhin ist die Funkstation
BS mit einer Vorrichtung V zur Positionsschätzung der Teilnehmerstation
MS verbunden. In der Vorrichtung V sind für eine Vielzahl von Referenzpositionen,
die in einem Funkabdeckungsbereich der Funkstation BS liegen, jeweils
drei richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antworten abgespeichert.
Selbstverständlich
können
für jede
Referenzposition auch mehr als drei oder lediglich eine oder zwei
richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antworten abgespeichert
sein. Selbstverständlich
kann für
unterschiedliche Referenzpositionen auch eine unterschiedliche Anzahl
von richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten verwendet werden. Die jeweilige
Anzahl hängt
beispielsweise davon ab, für
wie viele Einfallsrichtungen richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antworten
ermittelt werden, die bei einer nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäß optimierten Überlagerung
das Optimierungsergebnis im Wesentlichen beeinflussen können. Eine
Positionsschätzung
durch die Vorrichtung V wird durch einen, in diesem Ausführungsbeispiel
in der Vorrichtung angeordneten, Prozessor P gesteuert.
Der Übersichtlichkeit
halber sind in der Figur nur drei Referenzpositionen RP1, RP2, RP3
dargestellt. Durch gestrichelte Pfeile, die jeweils auf die Referenzpositionen
RP1, RP2, RP3 weisen, sind jeweils die drei richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten
hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31, hd32, hd33 dargestellt.
Jeder der Referenzpositionen RP1, RP2, RP3 ist jeweils ein Gebiet
G1, G2, G3 zugeordnet innerhalb dessen eine mittels einer omnidirektionalen
Antenne ermittelte gesamte Kanal-Impuls-Antwort im Wesentlichen
durch eine Überlagerung
der drei richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten hd11, hd12, hd13, hd21,
hd22, hd23, hd31, hd32, hd33 gebildet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt
es sich bei den Referenzpositionen beispielsweise um Punkte, deren
geografische Lage z.B. durch jeweils drei Ortskoordinaten angegeben
werden kann.
Jede
richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antwort hd11, hd12, hd13, hd21,
hd22, hd23, hd31, hd32, hd33 kann mittels einer entsprechend ausgerichteten
Richtantenne an einem beliebigen Ort innerhalb des entsprechenden
Gebietes G1, G2, G3 gemessen werden und entsteht durch jeweils wenigstens
eine Wellen front, die aufgrund von Mehrwegeausbreitung beim Aussenden
einer Funkwelle durch die Funkstation BS entsteht.
Eine
Festlegung der Lage der Referenzpositionen RP1, RP2, RP3 sowie der
entsprechenden Gebiete G1, G2, G3, das Vermessen der jeweiligen richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31,
hd32, hd33 sowie die in der Datenbank pro Referenzposition gespeicherte
Anzahl von richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten, kann beispielsweise
mittels eines Simulationsprogramms ermittelt werden. Bei dem Simulationsprogramm
handelt es sich beispielsweise um ein Programm, das möglichst
realitätsgetreu
das Funkkommunikationssystem in seinen Übertragungseigenschaften nachbildet.
Beispielsweise handelt es sich um ein so genanntes Ray-Tracing Programm,
das eine realistische Simulation von Ausbreitungsvorgängen elektromagnetischer
Wellen ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit
die in der Vorrichtung V abgelegte Datenbank zur Positionsschätzung anzulegen,
besteht darin, mittels Messstationen ermittelte richtungsspezifische
Kanal-Impuls-Antworten hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31,
hd32, hd33 sowohl zur Festlegung der Gebiete G1, G2, G3 als auch
der Referenzpositionen RP1, RP2, RP3 und der Anzahl der pro Referenzposition
gespeicherten Kanal-Impuls-Antworten zu verwenden. Pro Referenzposition
werden beispielsweise nur diejenigen richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten
gespeichert, für
deren Einfallsrichtung die Energie oder Empfangsleistung der wenigstens
einen einfallenden Wellenfront einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Ein mittlerer Abstand der Referenzpositionen liegt beispielsweise
zwischen 5 Metern und 10 Metern.
Die
Teilnehmerstation MS empfängt
Signale SIG von der Funkstation BS. Mittels dieser Signale SIG,
die die Teilnehmerstation MS über
eine omnidirektionale Antenne empfängt, ermittelt die Teilnehmerstation
MS eine Kanal-Impuls-Antwort hMS an ihrem Aufenthaltsort. Die ermittelte
Kanal-Impuls-Antwort
hMS sendet die Teilnehmerstation MS an die Funkstation BS. Die Funkstation
BS leitet die ermittelte Kanal-Impuls-Antwort hMS an die Vorrichtung V zur
Positionsschätzung
der Teilnehmerstation MS weiter.
In
der Vorrichtung V erfolgt nun ein Vergleich der ermittelten Kanal-Impuls-Antwort
hMS mit durch optimierte Überlagerungen
der richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten der drei Referenzpositionen RP1,
RP2, RP3 bestimmten Kanal-Impuls-Antworten.
Die
ermittelte Kanal-Impuls-Antwort hMS und die für die Referenzpositionen RP1,
RP2, RP3 gespeicherten richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten
hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31, hd32, hd33 können als
Vektoren dargestellt werden, deren jeweilige Dimension beispielsweise größer oder
gleich der Anzahl der für
die Referenzpositionen RP1, RP2, RP3 gespeicherten richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten
hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31, hd32, hd33 ist. Die Komponenten
der Vektoren geben jeweils die Empfangsleistung an, mit der ein
Signal (Impuls) der Funkstation BS bei einer bestimmten Verzögerungszeit
empfangen wird. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Dimension der Vektoren der betrachteten Kanal-Impuls-Antworten
hMS, hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31, hd32, hd33 größer oder
gleich drei.
In
der Vorrichtung V werden somit für
jede Referenzposition RP1, RP2, RP3 folgende Ausdrücke derart
optimiert, dass jeweils die von der Teilnehmerstation MS ermittelte
Kanal-Impuls-Antwort
hMS möglichst
gut angenähert
wird.
Referenzposition RP1:
- hd11·exp(j·Φ11) + hd12·exp(j·Φ12) + hd13·exp(j·Φ13)
Referenzposition RP2:
- hd21·exp(j·Φ21) + hd22·exp(j·Φ22) + hd23·exp(j·Φ23)
Referenzposition RP3:
- hd31·exp(j·Φ31) + hd32·exp(j·Φ32) + hd33·exp(j·Φ33)
Die
Annäherung
an die ermittelte Kanal-Impuls-Antwort hMS erfolgt vorzugsweise
mittels der Methode des kleinsten quadratischen Fehlers durch Anpassung
der Phasenfaktoren exp(j·Φxy), mit
x, y = 1, 2, 3.
Die
Vorrichtung V wählt
nachfolgend die zweite Referenzposition RP2 als Position der Teilnehmerstation
MS aus, da nach Optimierung der Phasenfaktoren die Überlagerung
der richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten hd21, hd22, hd33 der
zweiten Referenzposition RP2 die geringste Abweichung von der ermittelten
Kanal-Impuls-Antwort hMS aufweist.
Die
Verwendung von Phasenfaktoren setzt voraus, dass die Streuzentren,
aus denen die unterschiedlichen Wellenfronten, d.h. richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten hd11, hd12, hd13, hd21, hd22, hd23, hd31,
hd32, hd33, innerhalb eines Gebietes G1, G2, G3 resultieren, einen
großen
Abstand zu dem entsprechenden Gebiet G1, G2, G3 haben. Unter dieser
Annahme bleiben die Amplituden der Wellenfronten innerhalb des entsprechenden
Gebietes im Wesentlichen konstant und nur Phasenverschiebungen müssen berücksichtigt
werden. Gilt diese Annahme nicht, so können anstelle der exponentiellen
Phasenfaktoren komplexe Faktoren die außer einer Phase auch eine Amplitude
aufweisen verwendet werden.
Selbstverständlich lässt sich
die Erfindung auch für Übertragungen
in Aufwärtsrichtung,
d.h. von der Teilnehmerstation MS zur Funkstation BS anwenden. In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
sind in der Datenbank der Vorrichtung V für jede Referenzposition RP1,
RP2, RP3 beispielsweise drei richtungsspezifische Kanal-Impuls-Antworten
gespeichert, die sich ergeben, wenn von der jeweiligen Referenzposition
eine Funkwelle an die Funkstation BS gesendet wird. Die Funkstation
BS misst mittels einer omnidirektionalen Antenne die Kanal-Impuls-Antwort
der Teilnehmerstation MS und vergleicht – wie zuvor für die andere Übertragungsrichtung
beschrieben – die
ermittelte Kanal-Impuls-Antwort mit optimierten Überlagerungen der richtungsspezifischen
Kanal-Impuls-Antworten der Referenzpositionen. Die Funkstation legt
als Position der Teilnehmerstation MS diejenige Referenzposition
fest, für
die die optimierte Überlagerung
der entsprechenden richtungsspezifischen Kanal-Impuls-Antworten die
geringste Abweichung von der von der Funkstation BS ermittelten
Kanal-Impuls-Antwort aufweist.
Die
Vorrichtung V zur Positionsschätzung der
Teilnehmerstation MS kann beispielsweise in einer Einrichtung eines
Funkzugangsnetzes des Funkkommunikationssystem oder in einer Einrichtung
eines Kernnetzes (core network) des Funkkommunikationssystems angeordnet
sein. Funkstationen des Funkkommunikationssystems können zumindest
teilweise mit der gleichen Vorrichtung und/oder mit unterschiedlichen
Vorrichtungen zur Positionsschätzung
verbunden sein. Selbstverständlich
kann auch eine einzige Vorrichtung zur Positionsschätzung für alle Funkstationen
bzw. Teilnehmerstationen vorgesehen sein.