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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung
mit Hilfe von Funk-Navigation. Es wird hierfür mindestens ein Funksignal mit
rotierender Sendecharakteristik verwendet. Dieses Verfahren ist
für die
Positionsbestimmung eines mobilen Objekts relativ zu mindestens
einem anderen mobilen oder stationären Objekt, also relativ zu mindestens
einer Referenzstation, anwendbar.
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Ein
solches Verfahren ist prinzipiell aus
US 5 157 408 A bekannt. Dort wird eine Bestimmung
des relativen Abstandes und der relativen Lage eines mobilen Objekts
zu einer Referenzstation beschrieben, welche eine rotierende Antenne
zur Abstrahlung eines rotierenden Funksignal besitzt. Als Funksignal wird
dabei ein pseudo-rauschkodiertes (Pseudo Noise coded d.h. PN coded)
Spreizspektrum-Signal ausgesandt, das mit einer Information über die
Abstrahlungsrichtung des rotierenden Funksignals moduliert wird,
woraus das mobile Objekt seine relative Lage zur Referenzstation
ermitteln kann. Als Alternative hierzu wird beschrieben, dass das
mobile Objekt die Lage aus der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des
Empfangs des rotierenden Funksignals mit maximaler Empfangsfeldstärke und
der Aussendung eines Nordreferenzsignals für die Nordorientierung des rotierenden
Funksignals ermitteln kann. Den relativen Abstand ermittelt das
mobile Objekt durch Aussenden eines Anfragesignals an die Referenzstation, die
mit einem entsprechenden Antwortsignal antwortet. Aus der Laufzeit
der Signale bzw. der Phasenverschiebung zwischen Anfra gesignal und
Antwortsignal kann das mobile Objekt den relativen Abstand zur Referenzstation
ermitteln.
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Nachteilig
an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass einerseits zur Lagebestimmung
ständig definierte,
allein für
die Positionsbestimmung nutzbare Daten an das mobile Objekt übertragen
werden müssen,
aus denen das mobile Objekt die Orientierung des Funksignals bestimmt,
andererseits zur Abstandsbestimmung eine nochmals zusätzliche
Signalisierung zwischen dem mobilen Objekt und der Referenzstation
erforderlich ist. Das Verfahren nach dem Stand der Technik bindet
also ständig
einen bestimmten Teil an Übertragungskapazität und ist
damit insbesondere nachteilig für
Funksysteme, in denen noch weitere Daten per Funk übertragen
werden sollen wie beispielsweise in bekannten Funk-Kommunikationssystemen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit bereit zu stellen,
eine Positionsbestimmung mittels eines Funksignals mit rotierender Sendecharakteristik
bei einem geringeren Bedarf an Übertragungskapazität durchzuführen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Verfahren und das Teilnehmer-Endgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw.
14. Vorteihafte Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur Positionsbestimmung
eines mobilen Objekts mit Hilfe von Funk-Navigation unter Verwendung
mindestens eines Funksignals mindestens einer Referenzstation. Als
mobiles Objekt kommen beispielsweise mobile Endgeräte eines
Funk-Kommunikationssystems in Frage, aber auch andere mobile Objekte
wie z.B. Fahrzeuge, Roboter o.ä.,
die zumindest mit geeigneten Einrichtungen zur Funk-Navigation ausgestattet
sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass zunächst dem mobilen Objekt der
Zusammenhang zwischen der Orientierung der Sendecharakteristik und
Referenzereignissen mitgeteilt wird. Diese Information kann dem
mobilen Objekt im einfachsten Fall einmalig oder auch in größeren Zeitabständen regelmäßig – von der
Referenzstation oder anderen geeigneten Einrichtungen – mitgeteilt und
dann in einem Datenspeicher des mobilen Objekts abgelegt werden.
Es ist dann also nur eine einmalige oder allenfalls in größeren Zeitabständen regelmäßige Signalisierung
zwischen der Referenzstation und dem mobilen Objekt erforderlich.
Die Information kann aber auch beispielsweise bereits vor Durchführung des
beschriebenen Verfahrens in einem geeigneten Datenspeicher des mobilen
Objekts abgespeichert werden, beispielsweise bei Herstellung des
mobilen Objekts wie z.B. eines Endgerätes für ein Funk-Kommunikationssystem.
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Das
mobile Objekt überprüft dann
bei Detektion der rotierenden Sendecharakteristik des Funksignals – das also
wie beschrieben über
einen Winkelbereich von 360° um
die Referenzstation eine zeitlich variierende Sendecharakteristik
besitzt – lediglich das
Vorliegen eines Referenzereignisses, ohne dass eine weitere Signalisierung
zwischen dem mobilen Objekt und der Referenzstation erforderlich
wäre. Mit Hilfe
der gespeicherten Informationen über
den Zusammenhang zwischen den Referenzereignissen und der Orientierung
der Sendecharakteristik kann das mobile Objekt aus dem Referenzereignis
die Orientierung der Sendecharakteristik ermitteln. Aus der Orientierung
der Sendecharakteristik wiederum kann das mobile Objekt seine relative
Lage zur Referenzstation bestimmen. Da mit liegt ein erster Teil
der gewünschten
Positionsinformationen des mobilen Objekts vor.
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Schließlich kann
das mobile Objekt gemäß einer
ersten Weiterbildung seinen relativen Abstand zur Referenzstation
aus Signalparametern des Funksignals. Damit greift das mobile Objekt
auf Informationen zu, die ohnehin im Rahmen der Aussendung des Funksignals
verfügbar
sind, ohne dass es dazu einer zusätzlichen Signalisierung bedarf.
Als Signalparameter können
seitens des mobilen Objekts gemessene physikalische Übertragungsparameter
des Funksignals betrachtet werden wie beispielsweise die Abschwächung des
Sendesignals (Path Loss) entlang des Ausbreitungsweges, das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal
to Noise Ratio) oder ähnliche
Qualitätsparameter.
Alternativ oder zusätzlich
können
als Signalparameter aber auch Dateninhalte des Funksignals betrachtet
werden, die Informationen über
physikalische Übertragungsparameter
des Funksignals beinhalten. Hierbei können beispielsweise Dateninhalte
betrachtet werden, die Informationen über die Signallaufzeit zwischen
der Referenzstation und dem mobilen Objekt beinhalten, wie die Timing
Advance-Information in Funk-Kommunikationssystemen.
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Alternativ
kann aber auch vorgesehen sein, dass das mobile Objekt allein aufgrund
von Informationen über
die relative Lage zu mehreren Referenzstationen seine Position bestimmt,
wobei die relative Lage wie vorstehend beschrieben ermittelt wird.
Hierbei handelt es sich also wiederum um ein Verfahren zur Positionsbestimmung
eines mobilen Objekts mit Hilfe von Funk-Navigation unter Verwendung
mindestens eines Funksignals mit rotierender Sendecharakteristik
mindestens einer Referenzstation. Auch in diesem Fall ist vorgesehen,
dass zunächst dem
mobilen Objekt der Zusammenhang zwischen der Ori entierung der Sendecharakteristik
und Referenzereignissen mitgeteilt wird, wie bereits oben beschrieben.
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Es
ist nun vorgesehen, dass das mobile Objekt bei Detektion der rotierenden
Sendecharakteristik eines ersten Funksignals das Vorliegen eines
Referenzereignisses überprüft, aus
dem Referenzereignis die Orientierung der Sendecharakteristik des
ersten Funksignals ermittelt und aus der Orientierung der Sendecharakteristik
des ersten Funksignals seine relative Lage zu einer ersten Referenzstation
bestimmt. In einem zweiten Schritt überprüft das mobile Objekt bei Detektion
der rotierenden Sendecharakteristik eines zweiten Funksignals das
Vorliegen eines weiteren Referenzereignisses, ermittelt aus dem
weiteren Referenzereignis die Orientierung der Sendecharakteristik
des zweiten Funksignals und bestimmt aus der Orientierung der Sendecharakteristik
des zweiten Funksignals seine relative Lage zu einer zweiten Referenzstation.
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Diese
Schritte entsprechen den bereits beschriebenen Schritten zur Bestimmung
der relativen Lage. Da nun aber die relative Lage des mobilen Objekts
zu zwei Referenzstationen bekannt ist, kann das mobile Objekt aus
der relativen Lage zu der ersten und zweiten Referenzstation seine
relative Position zu den Referenzstationen ermitteln. Diese ergibt sich
geometrisch aus dem Schnittpunkt zweier Geraden, die von den Standorten
der Referenzstationen ausgehen und deren Richtung durch die relative Lage
des mobilen Objekts zu den Referenzstationen definiert wird.
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Als
Referenzereignisse nach den vorgenannten Verfahren können dem
mobilen Objekt beispielsweise zeitliche Referenzereignisse mitgeteilt werden.
Dabei kann insbesondere mitgeteilt werden, zu welchem Zeitpunkt,
nach welcher Zeitdauer ab einem bestimmten Startzeitpunkt oder mit
welcher Zeitperiode die rotierende Sendecharakteristik eine bestimmte
Orientierung einnimmt.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
als Referenzereignisse aber auch definierte Datenstrukturen oder
Dateninhalte des Funksignals mitgeteilt werden. In diesem Fall wird
also mitgeteilt, bei Aussendung bzw. Empfang welcher definierten
Datenstruktur oder welches definierten Dateninhaltes die rotierende Sendecharakteristik
welche bestimmte Orientierung einnimmt. Dabei können als Referenzereignisse
beispielsweise Identifizierungsdaten mitgeteilt werden, die bestimmte
Datenabschnitte des Funksignals identifizieren. Werden die Daten
in Form von Datenrahmen übertragen,
so können
als Identifizierungsdaten beispielsweise Nummern von Datenrahmen (Sequence
Frame Number) mitgeteilt werden. Das mobile Objekt weiss in einen
solchen Fall, bei Übertragung
welches nummerierten Datenrahmens die rotierende Sendecharakteristik
welche bestimmte Orientierung einnimmt. Diese Nummern der Datenrahmen
sind in den entsprechenden Funksystemen ohnehin vorgesehen und können so
auf einfache Weise als Referenzereignisse genutzt werden. Es können aber
auch andere Datenstrukturen oder Dateninhalte genutzt werden, die
ohnehin in den auszusendenden Funksignalen enthalten sind und denen sich
eine bestimmte Orientierung der Sendecharakteristik zuordnen lässt.
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Die
rotierende Sendecharakteristik kann durch mindestens eine rotierende
gerichtete Abstrahlung des Funksignals erzeugt werden. Der Fall
einer einzigen rotierenden gerichteten Abstrahlung ist grundsätzlich aus
dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt. Vorteilhaft kann
aber die rotierende Sendecharakteristik durch mehrere rotierende
gerichtete Abstrahlungen des Funksignals erzeugt werden. Es werden
also mehrere gerichtete Abstrahlungen erzeugt, die einander in einem
gewissen zeitlichen Abstand folgen, wobei die erste gerichtete Abstrahlung
einen Umlauf von 360° ausgehend
von einem bestimmten Abstrahlwinkel noch nicht abgeschlossen hat,
wenn eine darauffolgende gerichtete Abstrahlung diesen bestimmten
Abstrahlwinkel erreicht hat.
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Alternativ
zu einer gerichteten Abstrahlung kann die rotierende Sendecharakteristik
aber auch durch eine omnidirektionale Abstrahlcharakteristik des
Funksignals erzeugt werden, in der mindestens eine rotierende gerichtete
Abschwächung
des Funksignals erzeugt wird. Die rotierende Sendecharakteristik
ergibt sich dann also durch mindestens ein rotierendes Minimum der
Abstrahlung des Funksignals. Auch hier können analog zum Fall mehrerer
gerichteter Abstrahlungen auch mehrere gerichtete Abschwächungen
vorgesehen werden.
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Die
Referenzstation kann für
alle hier beschriebene Verfahren prinzipiell ein beliebiges Funksignal
aussenden, also beispielsweise statt reinen Positionsbestimmungs-Signalen
auch Signale, mit denen Kommunikationsdaten oder Signalisierungsdaten
eines Funk-Kommunikationssystems übertragen werden, die Sprachdaten,
Multimediadaten oder sonstige Nutz- und Steuerdaten enthalten.
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Wenn
dem mobilen Objekt im Rahmen der vorstehend beschriebenen Verfahren
zusätzlich
noch die absolute Position der Referenzstation übermittelt bzw. eingespeichert
wurde, so kann das mobile Objekt aus der relativen Position zur
Referenzstation mit Hilfe der Kenntnis der absoluten Position der
Referenzstation auch seine eigene absolute Position ermitteln.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sende-/Empfangseinrichtung
eines Funk-Kommunikationssystems, die mindestens eine Einrichtung
zur Erzeugung mindestens eines Funksignals mit rotierender Sendecharakteristik
aufweist. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von geeigneten Mitteln
zur Formung einer gerichteten Abstrahlung von Sendesignalen wie
z.B. unter Verwendung von Antennenarrays erfolgen. Eine solche Sende-/Empfangseinrichtung
ist für
die Durchführung
der vorgenannten Verfahren geeignet. Die Sende-/Empfangseinrichtung
kann weiter in geeigneter Weise für die Realisierung der vorstehend
beschriebenen Verfahren angepasst werden.
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Weiterer
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Teilnehmer-Endgerät eines
Funk-Kommunikationssystems, aufweisend eine Einrichtung zur Detektion
der rotierenden Sendecharakteristik des Funksignals, eine Einrichtung
zur Überprüfung des
Vorliegens eines Referenzereignisses, eine Einrichtung zur Ermittlung
der Orientierung der Sendecharakteristik aus dem Referenzereignis,
eine Einrichtung zur Bestimmung der relativen Lage zur Referenzstation
aus der Orientierung der Sendecharakteristik und gegebenenfalls
eine Einrichtung zur Ermittlung des relativen Abstandes zur Referenzstation aus
Signalparametern des Funksignals. Dieses Teilnehmer-Endgerät ist also
besonders geeignet, das vorgenannte Verfahren umzusetzen und damit
eine Positionsbestimmung des Teilnehmer-Endgerätes zu gestatten. Das Teilnehmer-Endgerät kann weiterhin in
geeigneter Weise für
die Realisierung weiterer vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte
angepasst werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung weist das Teilnehmer-Endgerät eine Einrichtung zur Detektion
der rotierenden Sendecharakteristik eines ersten und eines zweiten
Funksignals, eine Einrichtung zur Überprüfung des jeweiligen Vorliegens
eines Referenzer eignisses, eine Einrichtung zur Ermittlung der jeweiligen
Orientierung der Sendecharakteristik des ersten und des zweiten
Funksignals aus dem Referenzereignis, eine Einrichtung zur Bestimmung
der relative Lage zu einer ersten und zu einer zweiten Referenzstation
aus der jeweiligen Orientierung der Sendecharakteristik des ersten
und des zweiten Funksignals und eine Einrichtung zur Ermittlung
der relativen Position zu den Referenzstationen aus der relativen Lage
zu der ersten und zweiten Referenzstation auf.
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Alle
vorgenannten Einrichtungen der Teilnehmer-Endgeräte sind zunächst als Repräsentanten
für die
entsprechenden Funktionsprinzipien zu verstehen und können auf
unterschiedliche Weise durch tatsächliche Einrichtungen realisiert
werden. Alle vorgenannten Einrichtungen können prinzipiell durch funktionell
und/oder baulich separate tatsächliche
Einrichtungen realisiert werden. Es können aber auch z.B. eine einzige
oder mehrere funktionell und/oder baulich abgeschlossene Einrichtung
jeweils mehrere Funktionen der genannten Einrichtungen zusammengefasst übernehmen
oder es kann gar eine einzige funktionell und/oder baulich abgeschlossene
Einrichtung alle Funktionen übernehmen.
Dies ist auch durch eine Realisierung einer vorgenannten Einrichtung
in Form einer Datenverarbeitungsprozedur, also einer Software, möglich.
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Spezielle
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend am Beispiel eines
Mobilfunk-Kommunikationssystems anhand der 1 bis 10 erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Lagebestimmung eines Mobilfunk-Endgerätes mit Hilfe zeitlicher Referenzereignisse
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2:
Lagebestimmung eines Mobilfunk-Endgerätes mit Hilfe von Nummern von
Datenrahmen als Referenzereignisse
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3:
Positionsbestimmung eines Mobilfunk-Endgerätes aus zeitlichen Referenzereignissen mit
Hilfe zweier Referenzstationen
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4:
Positionsbestimmung eines Mobilfunk-Endgerätes aus zeitlichen Referenzereignissen und
Signalparametern des Funksignals einer Referenzstation
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5:
Verwendung mehrerer gerichteter, rotierender Funkstrahlen zur Lagebestimmung
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6:
Verwendung einer gerichteten, rotierenden Abschwächung des Funksignals zur Positionsbestimmung
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7:
Mobilfunk-Endgerät
zur Positionsbestimmung nach einem Verfahren entsprechend 4
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8:
Mobilfunk-Endgerät
zur Positionsbestimmung nach einem Verfahren entsprechend 3
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9:
Zeitschlitzstruktur eines TDD-Systems
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10:
Zeitschlitzrahmen eines TDD-Systems mit Mittamble
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1 zeigt
eine Basisstation BS eines Mobilfunk-Kommunikationssystems sowie
ein entsprechendes Mobilfunk-Endgerät MT, also beispielsweise ein
Mobiltelefon oder eine Navigationseinrichtung mit einer Schnittstelle
zu diesem Mobilfunk-Kommunikationssystem. Die Basisstation BS sei
im einfachsten Fall auch diejenige Basisstation des Mobilfunk-Kommunikationssystems,
die aktuell das Mobilfunk-Endgerät
MT für übliche Kommunikationsverbindungen versorgt,
d.h. in deren Funkzelle das Mobilfunk-Endgerät MT gerade eingebucht ist.
Wie im weiteren ausgeführt
wird, können
aber auch benachbarte Basisstationen BS für die im folgenden beschriebenen
Verfahren herangezogen werden.
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Die
Basisstation BS ist so konfiguriert, dass sie ein Funksignal mit
rotierender Sendecharakteristik 1 erzeugt, beispielsweise
durch Strahlformung (Beam Forming) mit entsprechenden Antennenarrays.
Es können
prinzipiell aber auch rotierende Antennen verwendet werden. Als
Funksignal kann beispielsweise ein Signalisierungskanal wie z.B.
ein Broadcast-Kanal
verwendet werden, der sowieso in jedem System vorhanden sein muss.
Einem diskreten Zeitpunkt t0, t4,
t8 etc. ist jeweils eine diskreter Abstrahlwinkel
des gerichteten Funksignals 1 zugeordnet. Im Beispiel nach 1 ist
der gesamte Umfang um die Basisstation BS, also ein Winkelbereich
von 360°,
in 6°-Schritte
unterteilt. Das Funksignal wandert pro in einem definierten Zeitintervall Δt, beispielsweise
in 10 ms, um das definierte Winkelintervall von 6° weiter und
kommt in diesem Fall alle 600 ms, beispielsweise ausgehend von einem
definierten Zeitnullpunkt T0, jeweils bei
0° vorbei.
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Durch
eine entsprechende Signalisierung wird dem Mobilfunk-Endgerät MT dieser
Zusammenhang zwischen Zeit und Abstrahlwinkel mitgeteilt und im
Mobilfunk-Endgerät
MT gespeichert. Eine solche Mitteilung muss im einfachsten Fall
nur einmal erfolgen, wenn dieser Zusammenhang stets konstant bleibt.
Es kann dem Mobilfunk-Endgerät
MT dieser Zusammenhang für
die versorgende Basisstation BS und gegebenenfalls auch für benachbarte
Basisstationen BS übermittelt
werden, wenn es im Rahmen eines Handovers zu der entsprechenden
Basisstation BS wechselt. Es kann dem Mobilfunk-Endgerät MT dieser
Zusammenhang aber auch für
alle Basisstationen BS des Mobilfunk-Kommunikationssystems beispielsweise
beim ersten Einbuchen des Mobilfunk-Endgeräts MT in das Mobilfunk-Kommunikationssystem
mitgeteilt werden. In all diesen Fällen ist jedoch nur eine minimaler
Signalisierungsaustausch zwischen Basisstation BS und Mobilfunk-Endgerät MT erforderlich.
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Das
Mobilfunk-Endgerät
MT kann das Funksignal 1 entweder über geeignete Trainingssequenzen
oder Pilotsignale innerhalb des Funksignals oder auch schlicht über das
vom Mobilfunk-Endgerät
MT gemessene Maximum der Feldstärke
des Funksignals 1 detektieren. Wenn das Mobilfunk-Endgerät MT nun
das Funksignal 1 detektiert, kann es mit Hilfe der Uhrzeit
auf den Sektor 2 schließen, in dem es sich von der
Basisstation BS aus befindet, also auf seine relative Lage zu der
Basisstation BS. Da jedem zeitlichen Referenzereignis, also jedem
Zeitpunkt t0 bis tn ein
diskreter Abstrahlwinkel zugeordnet ist, kann das Mobilfunk-Endgerät MT ohne
jede zusätzlichen
Signalisierung von oder zu der Basisstation BS allein durch eine
interne Prüfung
des Vorliegens des zeitlichen Referenzereignisses aus dem gespeicherten Zusammenhang
zwischen Zeitpunkt und Abstrahlwinkel den betreffenden Abstrahlwinkel
und damit die relative Lage zur Basisstation BS ermitteln.
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Alternativ
zu zeitlichen Referenzereignissen können dem Mobilfunk-Endgerät aber auch
Identifizierungsdaten für
bestimmte Datenabschnitte des Funksignals 1 mitgeteilt
werden, insbesondere Nummern von Datenrahmen (Sequence Frame Number SFN)
des Funksignals 1. Diese Alternative ist in 2 dargestellt.
Das Mobilfunk-Endgerät
MT weiss dann, dass bei Empfang eines Datenrahmens mit einer bestimmten
Sequence Frame Number SFN0, SFN4,
SFN8 etc. dessen Aussendung unter einem
definierten Abstrahlwinkel, beispielsweise 0° für SFN0 erfolgte.
Dieser Zusammenhang zwischen Sequence Frame Number und Abstrahlwinkel
kann dem Mobilfunk-Endgerät
MT analog zu den vorher beschriebenen Alternativen für zeitliche
Referenzsignale durch eine entsprechende Signalisierung mitgeteilt
werden und im Mobilfunk-Endgerät
MT gespeichert werden. Aus dem Zusammenhang zwischen gesendeter
Sequence Frame Number und Abstrahlrichtung kann dann das Mobilfunk-Endgerät MT nach
Detektion des Funksignals 1 wiederum den Sektor 2 ermitteln,
in dem es sich befindet, also seine relative Lage zur Basisstation
BS.
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Einige
Vorteile dieses Verfahrens sollen nun dargestellt werden: Es sind
praktisch keine zusätzlichen
navigationsspezifischen Einrichtungen nötig. Weiterhin muss die Aussendung
von Funksignalen der Basisstation BS in der aktuellen Mobilfunkzelle nicht
unterbrochen werden, um benachbarte Basisstationen BS zu messen,
da die Funksignale im Rahmen der üblichen Frequenz- und Kanalzuteilung
des Mobilfunk-Kommunikationssystems aufeinander abgestimmt sind.
Aus diesem Grund ergibt sich gerade für die Anwendung der Erfindung
in einem Mobilfunk-Kommunikationssystem auch kaum eine zusätzliche
Interferenz durch das zur Positionsbestimmung benutzte Funksignal.
Das Mobilfunk-Endgerät MT
muss keine eigene Signalisierung aktiv aussenden. Die Genauigkeit
dieses Verfahrens ist überdies skalierbar.
Je schmaler die gerichtete Abstrahlung des Funksignals erfolgt,
also je schmaler der dadurch entstehende Funkstrahl, desto höher ist
die Winkelauflösung
und in desto kleinere Winkelintervalle kann die Einteilung gemäß 1 und 2 erfolgen.
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3 zeigt
eine Methode zur Positionsbestimmung mit Hilfe von zwei Referenzstationen
BS1, BS2. Das Mobilfunk-Endgerät
MT ermittelt jeweils seine relative Lage zu jeder der Basisstationen
BS1, BS2 nach einem der bereits beschriebenen Verfahren. In 3 ist
beispielhaft die Methode mit Hilfe von zeitlichen Referenzereignissen
dargestellt. Das Mobilfunk-Endgerät MT ermittelt
im Fall nach 3, dass es sich relativ zur
Basisstation BS1 unter einem Winkel befindet, der dem Abstrahlungszeitpunkt
tA4 entspricht und relativ zur Basis station
BS2 unter einem Winkel, der dem Abstrahlungszeitpunkt tB47 entspricht.
Damit erhält
das Mobilfunk-Endgerät
MT die Kenntnis, dass es sich einerseits in dem Sektor 2 relativ
zur Basisstation BS1 befindet, andererseits aber auch in dem Sektor 3 relativ
zur Basisstation BS2. Aus der geometrischen Ermittlung des Überschneidungsbereiches 4 dieser
beiden Sektoren 2, 3 kann das Mobilfunk-Endgerät MT seine
Position zu ermitteln. Hierzu benötigt das Mobilfunk-Endgerät MT lediglich
noch die Kenntnis der Positionen der Basisstationen BS1, BS2 relativ
zueinander oder deren absolute Position. Diese können dem Mobilfunk-Endgerät MT im
Rahmen der bereits erwähnten
Signalisierung mit übermittelt
werden.
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Ein
dazu alternatives Verfahren ist in 4 dargestellt.
Hierbei ermittelt wiederum das Mobilfunk-Endgerät MT zunächst seine relative Lage zu der
Basisstation BS nach einem der vorgenannten Verfahren, nach dem
Beispiel in 4 über zeitliche Referenzereignisse.
Weiterhin bestimmt das Mobilfunk-Endgerät MT bestimmte
Signalparameter des Funksignals 1, insbesondere die Abschwächung 5 (Path
Loss) der Sendeleistung P des Funksignals 1 entlang seines
Ausbreitungsweges d im Vergleich zu einem Referenzsignal. Da diese
Abschwächung 5 ein
Maß für die Länge des
Ausbreitungsweges d ist, kann das Mobilfunk-Endgerät MT daraus
seinen relativen Abstand d zu der Basisstation BS ermitteln. Aus der
ermittelten relativen Lage und dem ermittelten relativen Abstand
d kann dann das Mobilfunk-Endgerät MT
seine relative Position 6 zu der Basisstation BS ermitteln.
Wurde dem Mobilfunk-Endgerät
MT überdies
im Rahmen der bereits erwähnten
Signalisierung auch die absolute Position der Basisstation BS mitgeteilt,
so kann das Mobilfunk-Endgerät
MT aus den gewonnenen Kenntnissen auch seine absolute Position ermitteln.
Statt der Abschwächung
des Funksignals 1 kann aber auch die Signallaufzeit gemessen
werden oder eine entsprechende Information (Timing Advance) aus
dem Informationsgehalt der Daten des Funksignal 1 entnommen
werden.
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5 zeigt
eine weitere Alternative, bei der zur Erzeugung der rotierenden
Sendecharakteristik nicht nur eine gerichtete, rotierende Abstrahlung 1, sondern
mehrere gerichtete, rotierende Abstrahlungen 1, 7 der
Basisstation BS vorgesehen sind. Über jede der gerichteten Abstrahlungen
kann dabei zeitgleich das identische Funksignal übertragen werden. Zwischen
den beiden Abstrahlungen 1, 7 liegt eine Zeitdifferenz Δt, der eine
entsprechende Winkeldifferenz der Abstrahlungswinkel entspricht.
Beträgt,
wie im Fall der 5, der Abstrahlungswinkel der
ersten Abstrahlung 1 zum Zeitpunkt t0 gerade
0°, so erreicht die
zweite Abstrahlung diesen Abstrahlungswinkel nach der Zeit Δt. Damit
können
mögliche
Ungenauigkeiten der Positionsbestimmung auf Grund von Signalschwankungen
der gerichteten Abstrahlungen 1, 7 kompensiert
werden, da pro Zeit häufiger
eine gerichtete Abstrahlung 1, 7 detektiert wird
und so in kürzerer
Zeit über
mehrere gerichtete Abstrahlungen 1, 7 gemittelt
werden kann.
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Eine
weitere Alternative der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt.
Es werden dort durch die Basisstation BS N gerichtete Abstrahlungen 8 für das beschriebene
Funksignal erzeugt, die als Resultat eine praktisch omnidirektionale
Sendecharakteristik liefern. Nun wird in umlaufender Reihenfolge nacheinander
jeweils eine der gerichteten Abstrahlungen 8 für eine bestimmte
Zeitdauer Δt
ausgeschaltet, so dass in der omnidirektionalen Sendecharakteristik
eine gerichtete Abschwächung 9 entsteht, die
wiederum zu einer rotierenden Sendecharakteristik des Funksignals
führt.
Die weitere Detektion der rotierenden Sendecharakteristik durch
das Mobilfunk-End gerät
MT und der Ermittlung der relativen Lage in einem Sektor 2 erfolgt
analog zu den bereits beschriebenen Verfahren, wobei das Mobilfunk-Endgerät MT nun
jedoch das Minimum der Abstrahlung (d.h. das Minimum der Empfangsleistung)
zur Detektion heranzieht. Dieses Verfahren bietet eine besonders
vorteilhafte Möglichkeit,
um in üblichen
Mobilfunk-Kommunikationssystemen benutzt zu werden, da der entsprechende
Kanal des verwendeten Funksignals in der meisten Zeit zur Verfügung steht
und lediglich kurzeitige Einbrüche
der Empfangsleistung stattfinden, die bei den in Mobilfunksystemen
vorhandenen Fadingkanälen
ohnehin auftreten können.
Damit kann also praktisch jedes beliebige Funksignal bzw. jeder
beliebige Kanal für
das beschriebene Verfahren verwendet werden, ohne dass der übliche Betrieb
des Mobilfunk-Kommunikationssystems merklich beeinflusst wird.
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Im
folgenden soll auf eine spezielle Möglichkeit der Realisierung
der vorliegenden Erfindung in einem Mobilfunk-Kommunikationssystem
eingegangen werden. In Mobilfunk-Kommunikationssystemen werden Daten
wie Signalisierungsdaten, Sprachdaten oder andere Nutzdaten über eine
Funkschnittstelle zwischen Basisstationen BS und Mobilfunk-Endgeräten MT übertragen.
Ein Beispiel für
aktuelle Mobilfunk-Kommunikationssysteme sind Mobilfunknetze der
zweiten Generation nach dem GSM-Standard und
mit einem TDMA-Übertragungsverfahren,
die bei Trägerfrequenzen
von 900, 1800 oder 1900 MHz betrieben werden. Ein weiteres Beispiel
sind zukünftige Mobilfunknetze
der dritten Generation wie UMTS, welches auf einem CDMA-, TD/CDMA-,
FDD (Frequency Division Duplex)- oder TDD (Time Division Duplex)-Übertragungsverfahren
basiert und Trägerfrequenzen
im Bereich von ca. 2000 MHz nutzt. Auf diesen Trägerfrequenzen werden die zu übertragenden
Daten zwischen den netzseitigen Basisstationen BS des Mobilfunknetzes
und den Mobilfunk-Endgeräten
MT übertragen.
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Spezielle
Mobilfunknetze sind also solche, die eine Zeitschlitzstruktur aufweisen.
Die Zeitschlitze sind dabei in der Regel in Zeitschlitzrahmen zusammengefasst,
die wiederum Teil einer höheren Rahmenstruktur
sein können.
Beispiele für
solche Mobilfunknetze mit einer Zeitschlitzstruktur sind TDMA-,
TDD-, TD/CDMA-, TD/SDCDMA- und FDD-Systeme.
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Innerhalb
eines Zeitschlitzes einer Datenverbindung wird normalerweise ein
Datenrahmen oder Burst mit einer bestimmten, vordefinierten Struktur übertragen.
Der Datenrahmen kann neben Nutzdaten noch weitere Daten wie Kontrolldaten,
Messdaten oder Signalisierungsdaten beinhalten, die für die Übertragung
der Nutzdaten notwendig oder hilfreich sind.
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9 zeigt
eine Zeitschlitzstruktur eines TDD-Systems, bei dem ein Zeitschlitzrahmen
16 Zeitschlitze ts0 bis ts15 umfasst. In 9 sind die ersten
acht Zeitschlitze ts0 bis ts7 der Abwärts-Verbindung (Downlink) zugeordnet,
die übrigen
Zeitschlitze ts8 bis ts15 nach dem Umschaltpunkt SP (Switching Point)
sind der Aufwärts-Verbindung (Uplink)
zugeordnet. Es können
innerhalb eines solchen Zeitschlitzrahmens auch mehrere Umschaltpunkte
SP vorgesehen werden und diese Umschaltpunkte können an unterschiedlichen Stellen
in den Zeitschlitzrahmen eingefügt
werden.
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10 zeigt
die Aufteilung eines Datenrahmens (Burst), der innerhalb eines Zeitschlitzes übertragen
wird. Dieser Datenrahmen umfasst eine erste Menge von Nutzdaten
D1, gefolgt von Messdaten bzw. Signalisierungsdaten MA (Mittamble),
einer zweiten Menge von Nutzdaten D2 und Kontrolldaten GP zur Über prüfung einer
fehlerfreien Übertragung der
Nutzdaten. Die Mittamble MA werden in der Regel insbesondere für Messungen
der Übertragungseigenschaften
der Funkverbindung vorgesehen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die in 10 dargestellte
Mittamble MA eines UMTS-Mobilfunk-Kommunikationssystems, das nach
einem TDD-Verfahren arbeitet, bei einem Funksignal mit rotierender
Sendecharakteristik dazu benutzt werden, dieses Funksignal eindeutig
einer bestimmten Basisstation BS zuzuordnen. Diese Mittamble MA
kann dann als Trainingsequenz für
die Detektion der rotierenden Sendecharakteristik verwendet werden.
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Bei
einem FDD-System ist bei bisher bestehenden oder geplanten Systemen
in der Regel keine Mittamble MA vorgesehen. Bei solchen Systemen kann
aber zur Realisierung der vorliegenden Erfindung statt einer Mittamble
MA ein zusätzliches
Pilotsignal verwendet werden, das ebenso wie die Mittamble MA im
Fall eines TDD-Systems zur Detektion und eindeutigen Zuordnung von
rotierenden Sendecharakteristiken zu bestimmten Basisstationen BS verwendet
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann also bei Mobilfunknetzen nach dem UMTS-Standard im FDD und
TDD Modus angewendet werden. Wie bereits beschrieben kann von Datenrahmen
zu Datenrahmen die gerichtete Abstrahlung des Funksignals um einen
vorher definierten Winkelbetrag weitergeschaltet werden. Die Weiterschaltung
um einen bestimmten Winkelbetrag kann aber auch gekoppelt mit anderen
Referenzereignissen erfolgen, beispielsweise mit jedem Zeitschlitz
bei Zeitmultiplex-Systemen oder bei TD-SCDMA-Systemen beispielsweise
mit jedem Unterrahmen (Subframe) der Datenrahmen-Struktur. Durch
solche geeigneten Maßnahmen kann
die Detektiergeschwindigkeit wiederum geeignet variiert und im Idealfall
erhöht
werden. Über
die Datenrahmen-Nummer SFN kann wie beschrieben das Mobilfunk-Endgerät MT den
zugehörigen
Winkel ermitteln.
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Bei
TDD kann beispielsweise eine oder mehrere Mittambeln MA ohne weitere
Nutzdaten innerhalb des Datenrahmens gesendet, denn für das Mobilfunk-Endgerät MT kann
zur Detektion bereits alleine der Empfang der Mittamble eines Datenrahmens genügen, weitere
Dateninhalten des Datenrahmens sind grundsätzlich nicht erforderlich.
Dieser Datenrahmen, der alleine aus einer Mittamble MA besteht, kann
potentiell zusätzlich
zu einer zellweit gesendeten Mittamble MA übertragen werden, die eventuell aus
Kompatibilitätsgründen für ältere Mobilfunk-Endgeräte MT weiterhin
gesendet werden muss, um für alle
Mobilfunk-Endgeräte
MT die für
den Kommunikationsbetrieb benötigten
Daten bereitzustellen. Durch die guten Korrelationseigenschaften
der Mittambeln MA untereinander wird bereits automatisch gewährleistet,
dass durch die im Rahmen des vorliegenden Verfahrens gesendete Mittamble
MA die Intrazellinferenz kaum vergrößert wird. Darüber hinaus kann
auch die Leistung der zellweit gesendeten Mittamblen MA abgesenkt
werden, um die Interferenz im System zu verringern. Im Extremfall
wird die Leistung der gegebenenfalls zusätzlich gesendeten Mittambeln
MA genauso groß gewählt wie
die Absenkung der zellweiten Mittamble MA. Hierdurch bleibt die
Interzell-Interferenz unverändert
gegenüber
einem System ohne Navigationsstrahl. Darüber hinaus ist diese Lösung für den Sendeverstärker der
Basisstation BS am effizientesten, da keine Leistungssprünge im Sendesignal
auftreten.
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Die 7 und 8 zeigen
Mobilfunk-Endgeräte
MT spezielle Teilnehmer-Endgerät
eines Funk-Kommunikationssystems. Diese Endgeräte weisen neben den nachfolgend
erläuterten
Einrich tungen übliche
Einrichtungen zur Funk-Kommunikation innerhalb des Funk-Kommunikationssystems auf.
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Das
Endgerät
MT nach 7 ist geeignet zur Realisierung
eines Verfahrens nach 4. Es weist insbesondere folgendes
auf: eine Einrichtung (Rotating Characteristic Detection Unit RCDU)
zur Detektion der rotierenden Sendecharakteristik des Funksignals,
eine Einrichtung (Reference Check Unit RCU) zur Überprüfung des Vorliegens eines Referenzereignisses,
eine Einrichtung (Orientation Determination Unit ODU) zur Ermittlung
der Orientierung der Sendecharakteristik aus dem Referenzereignis, eine
Einrichtung (Bearing Determination Unit BDU) zur Bestimmung der
relativen Lage zur Referenzstation aus der Orientierung der Sendecharakteristik und
eine Einrichtung (Range Determination Unit RDU) zur Ermittlung des
relativen Abstandes zur Referenzstation aus Signalparametern des
Funksignals. Damit kann das Endgerät MT seine Position nach dem
bereits anhand der 4 beschriebenen Verfahren bestimmen.
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Das
Endgerät
MT nach 8 ist geeignet zur Realisierung
eines Verfahrens nach 3. Es weist insbesondere folgendes
auf: eine Einrichtung (Rotating Characteristic Detection Unit RCDU)
zur Detektion der rotierenden Sendecharakteristik eines ersten und
eines zweiten Funksignals, eine Einrichtung (Reference Check Unit
RCU) zur Überprüfung des
jeweiligen Vorliegens eines Referenzereignisses, eine Einrichtung
(Orientation Determination Unit ODU) zur Ermittlung der jeweiligen
Orientierung der Sendecharakteristik des ersten und des zweiten Funksignals
aus dem Referenzereignis, eine Einrichtung (Bearing Determination
Unit BDU) zur Bestimmung der relative Lage zu einer ersten und zu
einer zweiten Referenzstation aus der jeweiligen Orientierung der
Sendecharakteristik des ersten und des zweiten Funksignals und eine
Einrichtung (Position Determination Unit PDU) zur Ermittlung der
relativen Position zu den Referenzstationen aus der relativen Lage
zu der ersten und zweiten Referenzstation. Damit kann das Endgerät MT seine
Position nach dem bereits anhand der 3 beschriebenen
Verfahren bestimmen.