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Die
Erfindung betrifft ein neuartiges System, das keiner Frequenzzuteilung
bedarf und deshalb an einem beliebigen Ort sofort in Betrieb gehen
kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, das nur aus gleichartigen
Bausteinen besteht, die in den Endgeräten und eventuellen Endgeräteanschlüssen eingesetzt
werden. Diese Bausteine können
durch geeignete Software für
verschiedenartige Funk- und Ortungssysteme verwendet werden. Die
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird anhand folgender Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 Gastkanäle im Mobilfunksystem
GSM 900
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2 Baustein
CLN (communications, location and navigation)
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3 Verbindungsaufbau
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4 Selbstorganisierender
Mobiler Verband
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5 Kommunikations-
und Ortungsrahmen
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6 Ortung
durch Abstandsmessung
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7 Ortung
nach der Erfindung
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Das
System nach der Erfindung ist in jedem Land einsetzbar, in dem ein
Mobilfunksystem existiert, das Downlink (Sender Basisstation) und
Uplink in Frequenzgetrenntlage betreibt. Als Beispiel wird in der
Folge das in Europa verwendete Mobilfunksystem GSM 900 betrachtet.
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GSM
900 hat den Downlink-Frequenzbereich (935–960 MHz) und den Uplink-Frequenzbereich (890–915 MHz)
in je 124 Kanäle
(Teilfrequenzbänder)
mit jeweils 200 kHz Bandbreite eingeteilt, wobei Kanäle gleicher
Nummer zusammengehören. Die
Kanäle
werden nach dem Cluster-Prinzip an die Basisstationen (BS) vergeben,
so dass an jedem Ort wenigstens ein Downlink-Kanal mit einer zur Kommunikation hinreichenden
Leistung empfangen werden kann. Die meisten Down-Link Kanäle werden
aber mit so kleiner Leistung empfangen, dass kein Handy synchronisieren
kann. Die zugehörigen
Uplink-Kanäle enthalten
damit keine GSM-Signale und können als
Gast-Kanäle
beliebigen Übertragungssystemen zur
Verfügung
gestellt werden. 1 zeigt vier Downlink-Kanäle, die
mit einer Leistung Pe weit unter der für Handy-Synchronisation notwendigen
Empfangsleistung (strichpunktierte Schwelle) empfangen werden, so
dass die jeweiligen Uplink-Kanäle
als Gast-Kanäle
dienen können.
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2 zeigt
den Baustein CLN (communications, location and navigation), mit
dem nicht nur in einem Gast-Kanal ein Übertragungssystem betrieben,
sondern auch Ortung (location) gemacht werden kann. Der Mikroprozessor
MP ist Quelle und Senke der übertragenen
Bitfolgen und steuert alle Vorgänge;
dabei bedient er sich der im Speicher S abgelegten Software. Zur
Ermittlung von Gast-Kanälen misst
der scannende Leistungsmesser PD (power meter downlink) laufend
die in jedem Downlink-Kanal empfangene Leistung und meldet die Ergebnisse
an MP.
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Die
Bandbreite der GSM-Kanäle
ist 200 kHz, deshalb haben die Baugruppen im Gast-Kanal auch diese
Bandbreite. Wenn MP einen Gast-Kanal ausgewählt hat, weist er O (oscillator),
T (transmitter), R (receiver) und PU (power meter uplink) an, sich
auf die entsprechende Bandmittenfrequenz einzustellen. Der Leistungsmesser
PU überwacht
die Empfangsleistung Pe im Gast-Kanal. Sie
muss so groß sein, dass
der Empfang mit hinreichend kleiner Bitfehlerrate erfolgt. Da ein
sendendes CLN eine bekannte Sendeleistung P hat, kann auf die Entfernung
d zwischen zwei kommunizierenden CLN geschlossen werden: Bei Freiraumausbreitung
zwischen Kugelstrahlern ist d = (c/4πf)√Ps/Pe ,
wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f die Bandmittenfrequenz ist.
Ist keine Freiraumausbreitung gegeben, so wird die Übertragung durch
Hindernisse gedämpft,
und der gemessene Wert Pe wird kleiner;
dadurch ist der berechnete Wert d größer als der tatsächliche.
Ein empfangendes CLN weiß also,
dass es sich innerhalb einer Kugel mit Radius d um das sendende
CLN befindet.
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Das
Gesamtsystem besteht nur aus den gleichberechtigten CLN, es gibt
also keine übergeordnete
Zentrale, die z. B. Sendeberechtigungen zuteilt. Falls es zur Organisation
des Zusammenlebens von CLN sinnvoll erscheint, kann jedes CLN die
Rolle des CLNO (CLN for organization) übernehmen.
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In
einem Gast-Kanal arbeiten in der Regel mehrere CLN im Zeitmultiplex
zusammen. Durch diesen Burst-Betrieb zeigt ein von wenigstens einem CLN
belegter Gast-Kanal einen charakteristischen mäanderförmigen Leistungsverlauf. Jedes
CLN kann also erkennen, ob ein Gast-Kanal frei ist.
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Ein
CLN A möchte
eine bidirektionale Übertragung
mit einem anderen CLN B zustande bringen. 3 zeigt den
Ablauf. CLN A wählt
einen freien Gast-Kanal und sendet seinen ersten Burst, bzw. zunächst nur
die Präambel.
(Ein Burst besteht aus der Präambel,
die u. a. die Adresse des Rufenden (A) und des Gerufenen (B) enthält, und
der Nutzinformation.) Durch die Präambel ist der Rahmenbeginn
definiert; die Rahmendauer tR ist zwischen
allen CLN abgesprochen.
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Alle
freien CLN beobachten mit dem Leistungsmesser PU alle bis dato freien
Gast-Kanäle
und stellen fest, dass in einem dieser Gast-Kanäle eine Belegung auftritt.
Sie werten die Präambel
aus. CLN B entdeckt seine Adresse; die anderen CLN gehen wieder
weg und streichen diesen Gast-Kanal aus der Liste der freien Gast-Kanäle. CLN
B sendet nun seinen Burst am vorgesehenen Platz im Rahmen; damit ist
der Verbindungsaufbau beendet.
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Die
Gast-Funktechnik dient typisch zur Realisierung von Kurzstrecken-Funkverbindungen,
z. B. in einer Werkhalle. Die auftretenden Laufzeiten sind dann
klein gegenüber
der Bitbreite, d. h. ein Mobiler Verband kann bitsynchron betrieben
werden. (Ein Mobiler Verband ist ein Kollektiv gleichberechtigter CLN,
die sich ein Teilfrequenzband im Zeitmultiplex teilen; dabei wird
im einfachsten Fall eine allen CLN bekannte feste Rahmenaufteilung
verwendet.) Es soll nun ein Betriebsfall betrachtet werden, den
man als „Drahtlose
TK-Anlage” bezeichnen
könnte.
Es gibt mehr Teilnehmer als Plätze
im Rahmen; man lebt von der Verkehrstheorie: Nicht alle Teilnehmer
wollen gleichzeitig kommunizieren. Da, wie oben gesagt, keine übergeordnete
Zentrale vorhanden ist, muss sich der Mobile Verband selbst organisieren
können: „Selbstorganisierender
Mobiler Verband” (SMV).
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4 zeigt
ein Beispiel. Ein CLN hat auf einen vorher freien Gast-Kanal zugegriffen
und wurde dadurch zum CLNO; damit ist der Rahmen definiert. Nach
der üblichen
Präambel
sendet CLNO die sogenannte Rahmenaufteilung. Jedes CLN ist durch
seine Personal Number (PN) gekennzeichnet. Der Rahmen enthält z. B.
8 Zeitschlitze (A bis H), die von CLNO an beliebige CLN vergeben
werden können. Zu
dem Zeitpunkt links in 4 sind die Zeitschlitze C und
E frei.
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Ein
neues CLN (PN = 33) möchte
einen Zeitschlitz erhalten. Es sendet seine Präambel in einem freien Zeitschlitz
Wenn CLNO die in der Präambel enthaltene PN
richtig erkennt, erscheint bei der nächsten Rahmenaufteilung die
gewünschte
Zuordnung. Wenn zwei CLN bei einem Erstzugriff kollidieren, passiert
nichts: Keines der beiden CLN entdeckt seine PN in der Rahmenaufteilung.
Die Optimierung der Erstzugriffsprozedur (Stichworte: Fehlererkennende
Codierung der Präambel,
Slotted ALOHA, usw.) ist ingenieurmäßiges Handeln und soll nicht weiter
beschrieben werden.
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Bei
der Anwendung des Systems z. B. in einer Werkhalle sind die größten Entfernungen
zwischen CLN z. B. < 100
m. Wird im Gast-Kanal der Bandbreite 200 kHz z. B. mit einer Bitrate
250 kbit/s gearbeitet, dann ist die Bitbreite 4 μs. Die Laufzeit ist ein Größenordnung
kleiner, so dass das Gesamtsystem bitsynchron betrieben werden kann.
Der Zeitschlitz braucht dann keine Präambel, sondern nur noch die
Nutzinformation zu enthalten.
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Das
System kann ausschließlich
zur Kommunikation (communications, C) oder ausschließlich zur
Ortung/Navigation (location/navigation, IN) eingesetzt werden. Bei
C enthält
der Burst die Bits der Nachrichtenübertragung. Bei IN enthält der Burst
u. a. den Wert der Sendeleistung Ps und – falls
bekannt – die
Ortskoordinaten x, y, z). Wenn das System sowohl C als auch IN machen
muss, dann ist es zweckmäßig, Zeitrahmen
für C und
LIN alternieren zu lassen (5).
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Im
Folgenden soll ein neuartiges Ortungsverfahren entwickelt werden.
CLN kann in verschiedener Weise zur Ortung eingesetzt werden. Bekannt ist
die Beobachtung des Downlink von Mobilfunk-Basisstationen, für die PD
zur Verfügung
steht. Es soll aber nachstehend nur von der systeminternen Ortung
die Rede sein.
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Da
die Sendeleistung Ps im Burst angegeben wird,
und PU die Empfangsleistung Pe misst, hat
man die oben erwähnte
Information zur Bestimmung der Entfernung d zwischen sendenden und
empfangenden CLN. 6 zeigt vier CLN in einer Ebene,
von denen 1, 2 und 3 ihre Standorte kennen. Das vierte CLN weiß, dass
es sich im schraffierten Bereich befindet.
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Alle
diskutierten Ortungsverfahren funktionieren natürlich dreidimensional; aus
zeichnerischen Gründen
werden die Beispiele aber in einer Ebene dargestellt.
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Bei
der Ortung nach 6 muss ein CLN, das sich orten
will, die Berechnung der Distanzen d durchführen. 7 zeigt
die Ortung nach der Erfindung, bei der keine Berechnungen notwendig
sind. Die Kreise in 7 sind Funkzellen: Innerhalb
der Funkzelle wird ein Burst mit einer zur fehlerfreien Erkennung
der BN hinreichenden Leistung empfangen. Nach der Erfindung senden
die CLN, die ihren Ort kennen, nicht nur einen, sondern mehrere
Bursts, wobei die Sendeleistung Ps von Burst
zu Burst gesteigert wird. (Die Darstellung der Sendeleistungen in 7 ist
nicht maßstäblich.)
In jedem Burst ist die Burstnummer (BN) angegeben. In der BN kennzeichnet
die erste Stelle das sendende CLN und die zweite Stelle den Burst.
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Wie
man sieht, ergeben sich Zonen, die durch die dort empfangenen BN
gekennzeichnet sind. Die Zonen A bis E in der Bildmitte sind zu
weit von den sendenden CLN entfernt, so dass von keinem der erste
Burst mit einer zur Erkennung der BN hinreichenden Leistung empfangen
wird. Die Zone F liegt innerhalb aller Funkzellen von CLN 1 und
außerhalb
aller Funkzellen von CLN 4, was sich in den empfangenen
BN ausdrückt.
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Die
Ortung nach der Erfindung erlaubt es, durch geeignete Wahl der Sendeleistung
in interessanten Bereichen die Zonen klein zu machen; natürlich ergeben
sich dann in den weniger interessanten Bereichen größere Zonen.
Die Ortungsgenauigkeit kann durch Erhöhung der Zahl der Bursts je
CLN gesteigert werden.
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Man
kann den CLN, die sich orten wollen, in ihrem Speicher S eine Karte
der Zonen mitgeben. Nach Empfang eines kompletten Rahmens weiß das CLN,
in welchen Zonen es sich befindet. Da die Bursts nur die BN enthalten
müssen,
ist wenig Information zu übertragen,
so dass man mit kleiner Rahmendauer arbeiten kann (z. B. tR = 1 ms); die Ortung erfolgt also schnell.
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Bei
vielen Anwendungen interessiert sich eine Zentrale dafür, wo sich
ein mobiles CLN befindet. Das mobile CLN hat dann keine Zonenkarte, sondern überträgt im nächsten Kommunikationsrahmen
(5) die erkannten BN an die Zentrale, die über eine
aktuelle Zonenkarte verfügt.
Falls das mobile CLN seinen Ort auch wissen will, teilt die Zentrale die
erkannte Zone mit.
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CLN
kann bei Bedarf nach Feststellung der Aufenthaltszone zusätzlich die
Ortung nach 6 durchführen.
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Man
könnte
die Karte der Zonen durch Messfahrten ermitteln. Vorteilhafter ist
es, an wichtigen Punkten empfangende CLN zu deponieren, die Änderungen
der beobachteten BN der Zentrale mitteilen, so dass diese stets über die
aktuelle Zonenkarte verfügt.
In einem Selbstorganisierenden Mobilen Verband (4)
kann CLNO die Aufgabe der Zentrale übernehmen.