-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten
Lokalisation eines mobilen Objekts mit Hilfe eines Mehrkanal-Funknetzes
sowie eine entsprechende Vorrichtung.
-
In
bekannten Lokalisationssystemen basierend auf Funknetzen wird die
Position eines mobilen Objekts über die Merkmale des Feldes
des Funknetzes bestimmt. Das Funknetz umfasst dabei eine Mehrzahl
von Basisstationen zum Senden und Empfangen von Signalen im Funknetz
und auch das mobile Objekt ist mit einer entsprechenden Sende- und/oder
Empfangseinheit ausgestattet. Zur Lokalisation des Objekts kann
das am Objekt empfangene Feld der Basisstationen oder das Feld des
mobilen Objekts, welches von den Basisstationen empfangen wird,
eingesetzt werden. Es sind verschiedene Ortungsverfahren bekannt,
welche unterschiedliche Merkmale des Feldes auswerten. Insbesondere
können feldstärkebasierte Ortungsverfahren eingesetzt werden,
welche die Empfangsfeldstärke des Feldes (englisch: RSS
= Received Signal Strength) messen. Ebenso können zeitbasierte
Ortungsverfahren, welche die Laufzeit des Signals bestimmen, und/oder winkelbasierte
Ortungsverfahren verwendet werden, welche eine Ortung unter Einbeziehung
des Einfallswinkels des Signals durchführen.
-
Im
Regelfall werden als Funknetze zur Durchführung einer Ortung
sog. Mehrkanal-Funknetze eingesetzt, welche auf vielen unterschiedlichen Kanälen
entsprechende Signale übertragen können. Die Kanäle
stellen dabei vorbestimmte Frequenzbänder in einem Frequenzbereich
dar. Bei einer Lokalisation eines mobilen Objekts in einem Mehrkanal-Funknetz,
bei dem die Position des Objekts über ein von dem Objekt
ausgesendetes Feld ermittelt wird, besteht das Problem, dass das
mobile Objekt auf vielen verschiedenen Kanälen Daten aussenden
kann. Deshalb ist es erforderlich, dass die Basisstationen des Mehrka nal-Funknetzes
die einzelnen Kanäle sequentiell abhören, um Daten
des mobilen Objekts zu empfangen und basierend darauf die Lokalisation durchzuführen.
Dies führt zu Messungenauigkeiten, da eine Basisstation
immer nur zeitweise auf einem Kanal hört und hierdurch
der Basisstation Datenübertragungen auf anderen Kanälen
entgehen können. Somit kann der Fall auftreten, dass eine
Basisstation feststellt, dass sie keine Signale von dem mobilen Objekt
empfängt, obwohl sich das mobile Objekt in Reichweite befindet,
da gerade Daten von dem Objekt auf einem anderen Kanal als dem Kanal
ausgesendet werden, den die Basisstation gerade abhört. Darüber
hinaus führt das Sammeln von Messungen betreffen das Feld
des mobilen Objekts für eine Vielzahl von sequentiell abgehörten
Kanälen zu einer Verzögerung bei der Lokalisation.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur rechnergestützten
Lokalisation eines mobilen Objekts mit Hilfe eines Mehrkanal-Funknetzes
zu schaffen, bei dem eine schnelle und genaue Lokalisation des Objekts
basierend auf einem von dem Objekt ausgesendeten Feld durchgeführt
werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 oder eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 19
gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
-
In
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Lokalisation
ein Mehrkanal-Funknetz umfassend eine Mehrzahl von Basisstationen
verwendet, wobei die Basisstationen entsprechende Sende- bzw. Empfangseinheiten
zum Aussenden bzw. Empfangen von Signalen des Funknetzes aufweisen.
Die Position der Basisstationen ist dabei bekannt bzw. im Betrieb
bestimmbar. Die Basisstationen befinden sich während der
Ortung vorzugsweise an einer festen Position im Raum. Gegebenenfalls
ist es jedoch auch möglich, dass die Position der Basisstationen
während der Ortung variiert.
-
Als
Mehrkanal-Funknetz können beliebige aus dem Stand der Technik
bekannte Netze, wie z. B. ein Mobilfunknetz (beispielsweise GSM
oder UMTS), ein DECT-Netz und dergleichen, verwendet werden. In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein WLAN-Funknetz
nach dem Standard IEEE 802.11 (IEEE = Institute of Electrical and
Electronics Engineers) eingesetzt. Bei der Verwendung eines WLAN-Funknetzes
stellen die Basisstationen sog. Zugangspunkte (englisch: Access
Points) dar. Die Basisstationen können gegebenenfalls auch
mobile Knoten in einem Sensornetzwerk sein, welche untereinander
ihre Positionen durch Datenaustausch bestimmen können.
Während der Ortung sendet das mobile Objekt über
eine entsprechende Antenne ein Feld aus, welches von zumindest einem
Teil der Basisstationen empfangen werden kann.
-
In
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem
Schritt a) zunächst ein Kanal des Funknetzes als Ortungskanal
bestimmt, auf dem das mobile Objekt im Funknetz sendet. In einem
Schritt b) hört eine Gruppe von Basisstationen, welche
zumindest einen Teil der Mehrzahl von Basisstationen umfasst, den
Ortungskanal simultan ab. Basierend auf Merkmalen des über
den Ortungskanal von der Gruppe von Basisstationen empfangenen Feldes
des mobilen Objekts wird in einem Schritt c) die Position des mobilen
Objekts ermittelt.
-
Die
Positionsermittlung gemäß Schritt c) kann auf
beliebige Art und Weise mit bekannten Verfahren erfolgen. Es können
dabei als Merkmale des Feldes die Empfangsfeldstärke des
Feldes und/oder die Laufzeit von Signalen des Feldes und/oder der Einfallswinkel
von Signalen des Feldes zur Auswertung herangezogen werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass
ein fester Kanal zur Ortung des mobilen Objekts im Funknetz bestimmt
wird, wobei sichergestellt ist, dass das mobile Objekt im Funknetz
auf diesem Kanal sendet und zumindest ein Teil der Basisstationen
auch diesen Kanal gleichzeitig abhören. Auf diese Weise
wird ein sequentielles Abhören einer Vielzahl von Kanälen
des Mehrkanal-Funknetzes und der damit verbundenen Messungenauigkeiten
und Zeitverzögerungen bei der Durchführung der
Ortung vermieden.
-
In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Ortungskanal besonders einfach dadurch bestimmt,
dass ein für die Mehrzahl von Basisstationen und das mobile
Objekt vorgegebener Kanal als Ortungskanal verwendet wird. Der zu verwendende
Kanal kann dabei beispielsweise bei der Initialisierung des Verfahrens
den einzelnen Basisstationen und dem mobilen Objekt über
eine entsprechende Kommunikationsverbindung durch eine zentrale
Recheneinheit mitgeteilt werden.
-
In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Erkenntnis
genutzt, dass sich die Sendeeinheit eines mobilen Objekts bei Inbetriebnahme im
Regelfall mit einer der Basisstationen assoziiert. Der Vorgang der
Assoziierung ist ein hinlänglich aus dem Stand der Technik
bekannter Vorgang und ist für WLAN-Funknetze in dem Standard
IEEE 802.11 definiert. Bei der Assoziierung wird automatisch ein
fester Kanal zur Datenübertragung zwischen dem mobilen
Objekt und der assoziierten Basisstation festgelegt. Die Information über
die Assoziierung wird erfindungsgemäß derart genutzt,
dass in Schritt a) ermittelt wird, ob eine Basisstation in dem Mehrkanal-Funknetz
mit dem mobilen Objekt assoziiert ist, wobei im Falle einer Assoziation
der entsprechende Kanal der Assoziation als Ortungskanal bestimmt wird.
-
In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann ein Kanal auch ohne Informationen über die Assoziierung
als Ortungskanal bestimmt werden. Dabei hören in Schritt
a) eine oder mehrere Basisstationen der Mehrzahl von Basisstationen
die einzelnen Kanäle des Mehrkanal-Funknetzes aufeinander
folgend ab, wobei ein Kanal, auf dem während des Abhörens
Daten von dem mobilen Objekt in der oder den Basisstationen empfangen werden,
als Ortungskanal bestimmt wird. Sollte da bei beispielsweise der
Fall auftreten, dass während des Abhörens Daten
in der oder den Basisstationen auf mehreren Kanälen empfangen
werden, wird derjenige Kanal mit der größten Empfangsfeldstärke
als Ortungskanal bestimmt.
-
In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann das mobile Objekt nicht nur ein Feld aussenden,
sondern auch ein Feld von den Basisstationen empfangen, wobei im
Falle, dass von dem mobilen Objekt keine Daten über das Mehrkanal-Funknetz
ausgesendet werden, zumindest eine Basisstation Daten in das Funknetz
sendet, welche von dem mobilen Objekt empfangen werden und das mobile
Objekt veranlassen, wiederum selbst Daten in das Mehrkanal-Funknetz
auszusenden. Auf diese Weise kann Datenverkehr durch die Basisstationen
zur Ortung des mobilen Objekts initialisiert werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht die Gruppe aus Basisstationen aus allen Basisstationen
des Mehrkanal-Funknetzes. Das heißt, alle Basisstationen
hören den Ortungskanal simultan ab. Es ist jedoch auch möglich,
dass im Schritt b) ermittelt wird, welche Basisstationen der Mehrzahl
von Basisstationen gemäß einem Nachbarschaftsmaß benachbart
zu dem mobilen Objekt liegen, wobei die Basisstationen benachbart
zu dem mobilen Objekt die Gruppe von Basisstationen bilden. Auf
diese Weise wird eine Ortung nur basierend auf einem Teil der Basisstationen
durchgeführt, wodurch weniger Netzressourcen verwendet werden
und Basisstationen, welche aktuell nicht zu der Gruppe von Basisstationen
gehören, gegebenenfalls zur Datenübertragung anstatt
zur Ortung genutzt werden können.
-
Erfindungsgemäß kann
das Nachbarschaftsmaß auf beliebige Art und Weise definiert
sein. In einer Ausführungsform ist das Nachbarschaftsmaß als eine
vorgegebene räumliche Umgebung um eine vorgegebene Basisstation
aus der Mehrzahl von Basisstationen festgelegt, wobei alle Basisstationen
innerhalb der vorgegebenen räumlichen Umgebung die Gruppe
von Basisstationen bilden. Dabei ist die vorgegebene Basisstation
insbeson dere die räumlich am nächsten zu dem mobilen
Objekt liegende Basisstation, wobei die räumlich am nächsten
liegende Basisstation z. B. durch eine geeignete Abschätzung, vorzugsweise über
die empfangene Signalfeldstärke des mobilen Objekts, bestimmt
werden kann. Die vorgegebene Basisstation kann gegebenenfalls auch diejenige
Basisstation sein, welche mit dem mobilen Objekt über den
Ortungskanal assoziiert ist. Die räumliche Umgebung ist
dabei beispielsweise als ein Kreis mit vorgegebenem Radius um die
vorgegebene Basisstation definiert.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist das Nachbarschaftsmaß durch einen vorgegebenen
Feldstärkewert des an einer Basisstation über
den Ortungskanal empfangenen Feldes definiert, wobei alle Basisstationen, welche
das Feld mit einem Feldstärkewert über dem vorgegebenen
Feldstärkewert empfangen, die Gruppe von Basisstationen
bilden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist das Nachbarschaftsmaß über die
Merkmale einer Merkmalskarte des Mehrkanal-Funknetzes definiert,
wobei die Merkmalskarte für eine Vielzahl von räumlichen
Positionen jeweils die Merkmale des über den Ortungskanal an
den Basisstationen empfangenen Feldes des mobilen Objekts angibt,
wenn sich das Objekt an der jeweiligen räumlichen Position
befindet.
-
Die
Erstellung von Merkmalskarten ist hinlänglich aus dem Stand
der Technik bekannt. Bei einer feldstärkebasierten Ortung
umfasst die Merkmalskarte für jede Position der Vielzahl
von räumlichen Positionen einen Feldstärkevektor,
der für jede Basisstation der Mehrzahl von Basisstationen
einen Eintrag enthält, der angibt, mit welcher Feldstärke das über
den Ortungskanal ausgesendete Feld des mobilen Objekts bei der jeweiligen
Basisstation empfangen wird, wenn sich das mobile Objekt an der
jeweiligen Position befindet.
-
Eine
Definition des Nachbarschaftsmaßes basierend auf einer
Merkmalskarte umfassend Feldstärkevektoren erfolgt vorzugsweise
derart, dass jeder Basisstation ein Feldstärkevektor an
einer Position in Reichweite der Basisstation aus der Merkmalskarte
zugewiesen ist und eine vorbestimmte Basisstation bestimmt wird,
welche insbesondere räumlich am nächsten zu dem
mobilen Objekt liegt und/oder welche mit dem mobilen Objekt über
den Ortungskanal assoziiert ist. Die räumlich am nächsten
liegende Basisstation kann dabei wiederum mit Hilfe einer Abschätzung,
insbesondere über die empfangene Feldstärke des
Signals des mobilen Objekts, ermittelt werden. In dieser Variante
der Erfindung bilden diejenigen Basisstationen, denen ein Feldstärkevektor
zugewiesen ist, der gemäß einem Ähnlichkeitsmaß zu dem
Feldstärkevektor der vorbestimmten Basisstation ähnlich
ist, zusammen mit der vorbestimmten Basisstation die Gruppe von
Basisstationen.
-
In
einer bevorzugten Variante ist der einer jeweiligen Basisstation
zugewiesene Feldstärkevektor ein Feldstärkevektor
an einer Position, die sich im gleichen Raum wie die jeweilige Basisstation
befindet. Auf diese Weise wird die Signalausbreitung in Abhängigkeit
von der räumlichen Umgebung, insbesondere von Wänden
und weiteren Objekten, berücksichtigt.
-
In
einer weiteren Variante ist das oben genannte Ähnlichkeitsmaß derart
festgelegt, dass ein Feldstärkevektor zu einem anderen
Feldstärkevektor gemäß dem Ähnlichkeitsmaß ähnlich
ist, wenn beide für zumindest einen Eintrag, der in beiden
Feldstärkevektoren der gleichen Basisstationen entspricht, einen
Feldstärkewert größer als ein vorgegebener Schwellwert,
insbesondere größer als Null, enthalten.
-
Die
in der oben beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendete Merkmalskarte kann auf beliebige Weise ermittelt
werden. Insbesondere kann die Merkmalskarte über ein Echtzeit-Lernverfahren
gelernt werden, wobei ein solches Lernverfahren in der Druckschrift
DE 10 2006 044 293
A1 beschrieben ist. Ebenso kann die Merkmalskarte in einem
Kalib rierungsprozess ermittelt werden. Darüber hinaus besteht
die Möglichkeit, dass die Merkmalskarte ohne Messungen
rechnergestützt aus Informationen über die Umgebung
bestimmt wird, in der sich das mobile Objekt bewegt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise
zur Lokalisation von mobilen Objekten in Automatisierungsanlagen
verwendet. Insbesondere können mit dem Verfahren mobile
Roboter in einer Automatisierungsanlage, wie z. B. einer Fertigungsanlage,
lokalisiert werden.
-
Neben
dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine
Vorrichtung zur rechnergestützten Lokalisation eines mobilen
Objekts, wobei die Vorrichtung im Betrieb ein Mehrkanal-Funknetz
mit Hilfe einer Mehrzahl von Basisstationen erzeugt und die Basisstationen
zumindest teilweise ein von dem mobilen Objekt ausgesendetes Feld
empfangen. Die Mehrzahl von Basisstationen sind ein Teil der Vorrichtung,
wobei die Vorrichtung ferner eine Recheneinheit umfasst, welche
im Betrieb mit den Basisstationen kommuniziert und folgende Schritte
durchführt:
- a) ein Kanal des Funknetzes
wird als Ortungskanal bestimmt, auf dem das mobile Objekt im Funknetz
sendet;
- b) eine Gruppe von Basisstationen, welche zumindest einen Teil
der Mehrzahl von Basisstationen umfasst, wird dazu veranlasst, den
Ortungskanal simultan abzuhören;
- c) basierend auf Merkmalen des über den Ortungskanal
von der Gruppe von Basisstationen empfangenen Feldes des mobilen
Objekts wird die Position des mobilen Objekts ermittelt.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise
derart ausgestaltet, dass jede der oben beschriebenen Varianten
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung
durchführbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung umfasst jede Basisstation neben einem Funkmodul zur
Ortung auch ein Funkmodul zur Datenübertragung, welche
beide in einem gemeinsamen oder auch in getrennten Gehäusen
untergebracht sind.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Figuren detailliert beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung der in einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Ortungsverfahrens verwendeten
Komponenten; und
-
2 eine
Draufsicht auf eine Umgebung, in der ein Experiment zur Ortung basierend
auf dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt
wurde.
-
1 zeigt
in schematischer Darstellung die in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren
technischen Komponenten. Erfindungsgemäß können
beliebige mobile Objekte mit entsprechenden Sendeeinheiten für
ein Mehrkanal-Funknetz geortet werden. Insbesondere können
herkömmliche Sendeeinheiten geortet werden, ohne dass bei
der Durchführung der Ortung Modifikationen an diesen Sendeeinheiten
vorgenommen werden müssen. In 1 sind als
Beispiele von mobilen Objekten ein Schnurlostelefon 1 nach
dem DECT-Standard, ein PDA 2 (PDA = Personal Digital Assistent)
mit einem WLAN-Funkmodul sowie eine Ortungsbox 3 mit einer
darin integrierten Sende- und Empfangseinheit für WLAN-Funknetze
wiedergegeben.
-
Im
Folgenden wird beispielhaft die Ortung basierend auf einem WLAN-Funknetz
erläutert. Zur Ortung sind mehrere Basisstationen in der
Form von WLAN-Zugangspunkten in der Umgebung installiert, in der
sich das entsprechende mobile Objekt bewegt. Beispielhaft sind in 1 zwei
solcher Zugangspunkte mit Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnet.
Anstatt eines WLAN-Funknetzes mit Zugangspunkten, welche stationär
angeordnet sind, können in einer Variante der Erfindung
gegebenenfalls auch mobile Sensorknoten in einem Sensornetzwerk
verwendet werden, welche basierend auf einem geeigneten Funknetz
mit einander kommunizieren und ihre Positionen bestimmen. Auch mit
einem solchen Sensornetzwerk kann gegebenenfalls ein mobiles Objekt geortet
werden.
-
Die
in 1 gezeigten Zugangspunkte 3 und 4 umfassen
jeweils in einem Gehäuse ein erstes WLAN-Funkmodul, welches
nur zur Datenübertragung zwischen mobilen Objekten und
dem Zugangspunkt genutzt wird, sowie ein zweites Funkmodul, welches
ausschließlich zur Ortung eingesetzt wird. Es ist jedoch
auch möglich, die Zugangspunkte jeweils mit lediglich einem
einzelnen WLAN-Funkmodul auszustatten, welches je nach Anwendungsfall zur
Datenübertragung und/oder Ortung von mobilen Objekten genutzt
werden kann.
-
Alle
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass die Ortung basierend
auf einem Feld erfolgt, welches von dem mobilen Objekt ausgesendet
wird und bei den Zugangspunkten empfangen wird. In der nachfolgend
beschriebenen Ausführungsform wird über eine Messung
der Empfangssignalstärke des Feldes des mobilen Objekts
an den jeweiligen Basisstationen und durch geeignete Verrechnung
der Messdaten der verschiedenen Basisstationen die Position des
mobilen Objekts im Raum bestimmt. Entsprechende Verfahren zur Bestimmung
einer Position eines mobilen Objekts über die Signalstärke
eines empfangenen Feldes sind hinlänglich aus dem Stand der
Technik bekannt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
Druckschrift
DE
10 2006 044 293 A1 beschrieben.
-
Zur
Berechnung der Position des mobilen Objekts werden die entsprechenden
Feldstärkedaten von allen Zugangspunkten in einer zentralen
Recheneinheit 6 gesammelt, welche über entsprechende
Kommunikationsverbindungen mit allen Basisstationen kommunizieren
kann. Über eine graphische Benutzeroberfläche,
welche in 1 schematisch mit dem Bezugszeichen 7 angedeutet
ist, können einem Benutzer dann entsprechende Informationen über
die Position des mobilen Objekts auf einem Bildschirm angezeigt
werden. Insbesondere kann eine Karte der Umgebung wiedergegeben
werden, in der sich das mobile Objekt bewegt, wobei in der Karte
die Position des mobilen Objekts gekennzeichnet ist und dessen Positionsveränderung
verfolgt werden kann.
-
Um
erfindungsgemäß eine effiziente Ortung durch das
Feld eines mobilen Objekts in einem Mehrkanal-Funksystem zu erreichen,
wird zunächst ein fester Kanal in dem Mehrkanal-Funknetz
festgelegt bzw. ermittelt, über den die Ortung erfolgen
soll. Auf diesem Ortungskanal messen dann alle Basisstationen simultan,
wodurch eine präzise Ortung erreicht werden kann. Im Gegensatz
hierzu werden im Stand der Technik von den Basisstationen die Kanäle
des Mehrkanal-Funknetzes sukzessive basierend auf einem Kanal-Hopping-Schema
durchlaufen, um festzustellen, auf welchem Kanal Datenpakete von
dem mobilen Objekt übertragen werden. Basierend auf dem
Signal auf diesem Kanal erfolgt dann die Ortung. Dieses Verfahren
hat den Nachteil, dass die Zeitpunkte einer Paketübertragung
von den einzelnen Basisstationen verpasst werden können,
was zu Messungenauigkeiten führt. Ferner müssen
die Basisstationen oftmals über einen langen Zeitraum die Kanäle
abhören, um genug Messungen zur Durchführung der
Ortung zu erhalten.
-
Das
obige Problem tritt in dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht mehr auf, da sichergestellt ist, dass alle Basisstationen
simultan den gleichen Ortungskanal abhören. Die Bestimmung
des Ortungskanals kann dabei auf verschiedene Arten durchgeführt
werden. In einer Variante kann vorab ein bestimmter Kanal des WLAN-Funknetzes
als Ortungskanal festgelegt sein. Dieser Kanal kann beispielsweise
durch die Recheneinheit 6 vorgegeben sein, und wird den
Basisstationen und dem mobilen Objekt mitgeteilt. Das mobile Objekt
kann die Information betreffend den verwendeten Ortungskanal beispielsweise
durch eine Datenübertragung über das WLAN-Funknetz
erhalten. Wird nunmehr eine Ortung initialisiert, schalten sowohl
das mobile Objekt als auch alle Basisstationen auf den Ortungskanal.
Das heißt, das mobile Objekt sendet Datenpakete auf dem
Ortungskanal aus, und alle Basisstationen hören den Ortungskanal
simultan ab.
-
Anstatt
den Ortungskanal vorab festzulegen, kann der Ortungskanal auch über
die Information bestimmt werden, mit welcher Basisstation das zu
ortende mobile Objekt in dem WLAN-Funknetz assoziiert ist. Bei Inbetriebnahme
des Funkmoduls des mobilen Objekts assoziiert sich dieses Modul
gemäß dem WLAN-Standard mit einer entsprechenden
Basisstation in der Umgebung des mobilen Objekts mit der Folge,
dass zwischen dem mobilen Objekt und der assoziierten Basisstation
ein fester Kanal des Mehrkanal-Funknetzes festgelegt ist, über
den herkömmlicherweise die Datenübertragung erfolgt.
Die Information betreffend eine Assoziierung kann bei den einzelnen
Basisstationen abgefragt werden. Insbesondere kann mit Hilfe der
zentralen Recheneinheit 6 von allen Basisstationen die
Information eingelesen werden, ob bzw. welche Basisstation über
welchen Kanal mit dem mobilen Objekt assoziiert ist. Sind solche
Informationen vorhanden, kann der Kanal der Assoziation als Ortungskanal
eingesetzt werden. Anschließend hören alle Basisstationen
wiederum simultan diesen Ortungskanal ab.
-
Sollte
das zu ortende mobile Objekt mit keiner der Basisstationen assoziiert
sein, kann ein fester Ortungskanal auch dadurch bestimmt werden,
dass die Basisstationen vor Durchführung der Ortung zunächst
alle Kanäle des WLAN-Funknetzes abhören, um zu
bestimmen, auf welchem Kanal Datenpakete von dem mobilen Objekt
empfangen werden. Die Kanäle können dabei gemäß einem
Kanal-Hopping-Schema abgehört werden. Nach Durchführung des
Abhörens der Kanäle wird derjenige Kanal, über den
Datenpakete empfangen werden konnten, als der Ortungskanal festgelegt.
Bei WLAN-Funknetzen tritt dabei das Problem auf, dass die Frequenzbereiche
der einzelnen vordefinierten Kanäle miteinander überlappen
und somit unter Umständen Datenpakete auf mehreren benachbarten
Kanälen empfangen werden. In diesem Fall wird über
die zentrale Recheneinheit 6 derjenige Kanal als Ortungskanal
ausgewählt, auf den das Signal mit der größten
Signalstärke empfangen worden ist. Es konnte nachgewiesen
werden, dass dieser Kanal im Regelfall auch tatsächlich
der Kanal ist, über den die Sende- und Empfangseinheit
des mobilen Objekts Datenpakete ausgesendet hat.
-
Wie
bereits oben dargelegt, enthält das Mehrkanal-Funknetz
eine Mehrzahl von Basisstationen bzw. WLAN-Zugangspunkten. In einer
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können
alle Basisstationen des WLAN-Funknetzes zur Ortung verwendet werden.
Um den Rechenaufwand bei der Ortung zu reduzieren, kann nach vorgegebenen
Kriterien jedoch auch nur eine bestimmte Gruppe von Basisstationen
aus der Gesamtmenge der Basisstationen zur Ortung eingesetzt werden.
-
Ein
Kriterium, welche Basisstationen zur Ortung des mobilen Objekts
verwendet werden, ist beispielsweise die räumliche Entfernung
der Basisstationen von dem mobilen Objekt. Es kann in einer Variante
der Erfindung eine Nachbarschaft um eine vorgegebene Basisstation
festgelegt werden, wobei die vorgegebene Basisstation z. B. die
zu dem mobilen Objekt am nächsten liegende Basisstation
oder diejenige Basisstation ist, die mit dem mobilen Objekt assoziiert
ist. Die Information, welche Basisstation am nächsten zu
dem mobilen Objekt ist, kann über die Empfangsfeldstärke
des in den jeweiligen Basisstationen empfangenen Felds ermittelt
werden, wobei diejenige Basisstation, welche das Feld mit der größten
Feldstärke empfängt, als die zum mobilen Objekt am
nächsten liegende Basisstation festgelegt wird. Die Nachbarschaft
kann als eine Region um die vorgegebene Basisstation definiert werden,
beispielsweise kann die Region als ein Kreis festgelegt sein. Da
die Positionen der einzelnen Basisstationen bekannt sind, kann hierdurch
auf einfache Weise bestimmt werden, welche weiteren Basisstationen
in diesem Kreis um die vorgegebene Basisstation liegen. Diese Basisstationen
werden dann zusammen mit der vorgegebenen Basisstation zur Ortung
verwendet.
-
In
einer weiteren Variante kann die Gruppe von Basisstationen, welche
für die Ortung verwendet werden, auch über die
Signalausbreitungsbedingungen in der Umgebung bestimmt wer den. Dies
erfolgt insbesondere unter Zuhilfenahme einer sog. Merkmalskarte
(englisch: feature map), welche vorab gemessen oder berechnet wurde.
In der hier beschriebenen Variante umfasst die Merkmalskarte für
eine Vielzahl von Positionen in der Umgebung, in der sich das mobile
Objekt bewegt, einen Feldstärkevektor, der für
jede Basisstation einen Eintrag enthält, der die Feldstärke
angibt, welche von der jeweiligen Basisstation empfangen wird, wenn
sich das mobile Objekt an der jeweiligen Position befindet. Die
Merkmalskarte berücksichtigt somit die Umgebungsbedingungen, wie
beispielsweise Wände und andere Objekte im Raum, welche
die Signalausbreitung beeinflussen und das Signal dämpfen.
-
Die
Merkmalskarte kann beispielsweise durch hinlänglich aus
dem Stand der Technik bekannte Kalibrationsmessungen ermittelt werden.
In einer Variante wird dabei die gesamte Umgebung durch das mobile
Objekt durchlaufen, und an jeder Position der Merkmalskarte werden
die entsprechenden Feldstärken an den Basisstationen ermittelt. Eine
Kalibrierung kann gegebenenfalls auch durch eine gegenseitige Messung
der Basisstationen untereinander durchgeführt werden. In
einer besonders bevorzugten Variante wird die Merkmalskarte mit
einem Echtzeit-Lernverfahren gelernt, bei dem parallel zu einer
Ortung auch die Merkmalskarte bestimmt wird. Ein solches Echtzeit-Lernverfahren
ist in der bereits oben erwähnten Druckschrift
DE 10 2006 044 293
A1 beschrieben. Gegebenenfalls ist es auch möglich,
aus Informationen über die Umgebung, in der sich das mobile
Objekt bewegt, beispielsweise basierend auf einem Umgebungsplan,
mit entsprechenden bekannten Signalausbreitungsmodellen die Merkmalskarte
rechnergestützt zu bestimmen.
-
Eine
Bestimmung von einer Gruppe von Basisstationen in Abhängigkeit
von einer Merkmalskarte mit entsprechenden Feldstärkevektoren
an einer Vielzahl von Positionen im Raum kann beispielsweise wie
folgt ablaufen. Zunächst wird für jede Basisstation
des Mehrkanal-Funknetzes eine Position an oder in der Nähe
der jeweiligen Basisstation festgelegt, und der entsprechende Feldstärkevektor
an dieser Position wird der Basissta tion zugewiesen. Sollte die
Umgebung mehrere Räume aufweisen, kann jeder Basisstation
beispielsweise eine Position mit entsprechendem Feldstärkevektor
zugewiesen werden, welche sich in dem Raum befindet, in dem auch
die jeweilige Basisstation angeordnet ist. Wird nunmehr eine der
Basisstationen im Ortungsbetrieb als nächstgelegene Basisstation
ermittelt, wird die Gruppe der Basisstationen aus der nächstgelegenen
Basisstation und allen weiteren Basisstationen gebildet, denen ein
Feldstärkevektor zugewiesen ist, der zu dem Feldstärkevektor,
welcher der nächstgelegenen Basisstation zugewiesen ist, ähnlich
ist. Die Ähnlichkeit kann dabei insbesondere derart definiert
sein, dass Feldstärkevektoren ähnlich sind, wenn
sie beide für zumindest einen Eintrag, der für
beide Feldstärkevektoren der gleichen Basisstation entspricht, einen
Feldstärkewert von ungleich Null aufweisen. Somit wird
die Gruppe der Basisstationen aus allen Basisstationen gebildet,
denen ein ähnlicher Feldstärkevektor zugewiesen
ist, wobei die Ähnlichkeit gegebenenfalls auch anders als
oben beschrieben definiert sein kann.
-
In
einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ferner berücksichtigt, dass der Fall auftreten
kann, dass das mobile Objekt nicht ausreichend Datenpakete aussendet,
so dass keine zuverlässige Ortung durchgeführt
werden kann. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass
eine oder mehrere der Basisstationen Datenverkehr zu dem mobilen
Objekt initialisieren, woraufhin das mobile Objekt dazu veranlasst
wird, auf empfangene Datenpakete zu antworten. Dies kann in einem WLAN-Funknetz
dadurch erfolgen, dass mehrere definierte Pakete an das mobile Objekt
durch eine oder mehrere der Basisstationen gesendet werden, wobei die
Pakete eine Bestätigung durch das mobile Objekt in der
Form von Acknowledgement-Nachrichten erfordern. Diese Nachrichten
erzeugen somit wiederum Datenverkehr von dem mobilen Objekt hin
zu den Basisstationen, der von den einzelnen Basisstationen gemessen
und zur Lokalisation verwendet werden kann.
-
Die
Variante, bei der nicht alle Basisstationen, sondern nur eine bestimmte
Gruppe von Basisstationen zur Lokalisation verwendet werden, hat
besondere Vorteile. Insbesondere wird der Aufwand zur Bewegungsverfolgung
des mobilen Objekts reduziert, da nur noch ein Teil der Basisstationen
an der Lokalisation beteiligt ist. Hierdurch werden weniger Netzwerkressourcen
zur Bewegungsverfolgung des mobilen Objekts benötigt. Somit
können Basisstationen, welche momentan nicht zur Lokalisation
verwendet werden, auch für andere Zwecke, insbesondere
zur Datenübertragung, eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist
es ferner möglich, dass mit dem Verfahren auch die Ortung
mehrerer mobiler Objekte durchgeführt wird. Zum Beispiel
kann ein Teil der Basisstationen auf einem Ortungskanal ein erstes
mobiles Objekt lokalisieren und ein anderer Teil der Basisstationen
kann auf einem anderen Ortungskanal ein zweites mobiles Objekt lokalisieren.
-
2 zeigt
schematisiert ein Experiment, mit dem eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens getestet wurde.
In 2 ist in Draufsicht eine Umgebung in einem Flughafengebäude dargestellt,
in dem über entsprechende Transportbänder, welche
zur Verdeutlichung an einigen Stellen mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet
sind, Gepäckstücke transportiert werden. Auf weitere
Einzelheiten der dargestellten Umgebung wird nicht eingegangen, da
sie für die Durchführung des Experiments nicht
relevant sind. Ferner ist in 2 durch
eine Linie L ein Weg gekennzeichnet, den ein Benutzer mit einem entsprechenden
mobilen Objekt umfassend eine WLAN-Antenne durchlaufen hat. In der
Umgebung ist dabei eine Mehrzahl von (nicht gezeigten) Basisstationen
in der Form von WLAN-Zugangspunkten installiert, welche ein Mehrkanal-Funknetz
bilden. Die Basisstationen sind mit einer (nicht gezeigten) zentralen
Recheneinheit verbunden, welche in 1 mit Bezugszeichen 6 bezeichnet
ist.
-
Die
einzelnen WLAN-Zugangspunkte messen die von dem mobilen Objekt empfangenen WLAN-Frames
und senden dann ihre Messungen an die zentrale Recheneinheit, welche
die Informationen ag gregiert und dann hieraus die Position des mobilen Objekts
bestimmt. Wie bereits oben erwähnt, kann gegebenenfalls
durch die Basisstationen des WLAN-Netzes Datenverkehr zu dem mobilen
Objekt initialisiert werden, um hierdurch zu erreichen, dass das
mobile Objekt seinerseits Datenverkehr, beispielsweise durch Acknowledgement-Nachrichten, initialisiert.
Die zentrale Recheneinheit dient dabei zur Steuerung des Verhaltens
des WLAN-Netzwerks, wobei insbesondere eine IP-basierte Kommunikation zwischen
den Zugangspunkten und der Recheneinheit eingesetzt wird. Über
diese Kommunikationsverbindung kann die zentrale Recheneinheit Messintervalle,
abzuhörende Kanäle, Hopping-Schematas und dergleichen
konfigurieren.
-
In 2 sind
die einzelnen Positionen, an denen das mobile Objekt lokalisiert
wurde, durch P0, P1, ..., P7 bezeichnet. Die Lokalisation erfolgte
dabei basierend auf einer Variante, bei welcher der Ortungskanal über
die Assoziation des mobilen Objekts mit einer entsprechenden Basisstation
ermittelt wurde. Diese Assoziation hat sich auf dem Weg des mobilen
Objekts mehrfach verändert, da Basisstationen außer
Reichweite des mobilen Objekts gelangt sind und somit eine Assoziation
mit einer neuen Basisstation über einen neuen Ortungskanal
durchgeführt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die
einzelnen Positionen P0 bis P7 sehr gut lokalisiert werden konnten.
Darüber hinaus ist in 2 mit dem
Bezugszeichen X die Position eines sog. „Störers” dargestellt,
bei dem es sich um ein Objekt handelt, welches über eine
WLAN-Antenne ebenfalls Datenpakete über einen Kanal aussendet.
Dieser Störer war mit keiner Basisstation assoziiert. Nichtsdestotrotz
konnte auch die Position des Störers exakt bestimmt werden.
Dabei wurde eine Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingesetzt, bei der ein Ortungskanal dadurch ermittelt
wird, dass zunächst sukzessive alle Kanäle durch
die Basisstationen abgehört werden und derjenige Kanal
als Ortungskanal verwendet wird, über den Datenpakete von
dem mobilen Objekt (d. h. dem Störer) empfangen werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006044293
A1 [0023, 0034, 0043]