DE102009017426A1

DE102009017426A1 - Verfahren und Mobilfunkendgerät zur Positionsbestimmung in Mobilfunknetzen mittels Richtungspeilung

Info

Publication number: DE102009017426A1
Application number: DE102009017426A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. Quade
Original assignee: T Mobile International AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-09
Also published as: KR101352361B1; JP2012519289A; CN102209908A; BRPI1009339A2; WO2010099898A1; US20110244883A1; KR20110099729A; WO2010099898A4; MX2011003638A; EP2404189A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mobilfunkendgerät sowie ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Mobilfunkendgerätes (13, 22) innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes, wobei das Mobilfunknetz eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation (12, 14, 21) aufweist, wobei das Endgerät (13, 22) in einer oder mehreren Basisstationen (12, 14, 21) eingebucht ist, wobei die Positionsbestimmung mittels des Endgerätes (13, 22) durch eine Richtungspeilung zumindest einer Basisstation (12, 14, 21) erfolgt, deren absolute Position bekannt ist, wobei die Richtungspeilung mittels einer in das Endgerät (13, 22) integrierten Richtantenne durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne auf den Standort der Basisstation (12, 14, 21) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mobilfunkendgerät zur Positionsbestimmung eines Mobilfunkendgerätes innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes, wobei das Mobilfunknetz eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation aufweist, wobei das Endgerät in einer oder mehreren Basisstationen eingebucht ist oder sein kann.
Die Ortung von Mobilfunkendgeräten erfolgt in Mobilfunknetzen auf zellularer Basis anhand des Standortes der jeweiligen Basisstation, in die das Endgerät eingebucht ist, da die Basisstation einen definierten Bereich abdeckt. Nachteilig ist dabei, dass lediglich das Gebiet bekannt ist, nicht jedoch die exakte Position des Mobilfunkendgeräts innerhalb dieses recht großen Gebiets.
Ferner ist es bekannt, um die Ortsgenauigkeit zu verbessern, Laufzeitmessungen der elektromagnetischen Signale von mehreren Basisstationen auszuwerten, wobei die genauere Positionsbestimmung dann per Triangulation erfolgen kann.
Nachteilig ist dabei, dass das Endgerät in mindestens drei Basisstationen gleichzeitig eingebucht sein muss und die Triangulationsmessung sehr aufwendig ist.
Ein weiterer Nachteil ist, dass bei dem bekannten Verfahren zur Ortsbestimmung die Genauigkeit sehr beschränkt ist. Ferner ist es bei vielen Anwendungen erwünscht, dass eine Positionsbestimmung Seitens des Endgerätes durchgeführt werden kann, was bei den bekannten Verfahren nicht möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Mobilfunkendgerät zur Positionsbestimmung des Mobilfunkendgeräts innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes bereitzustellen, welches eine sehr exakte Positionsbestimmung des Mobilfunkendgeräts innerhalb des zellularen Mobilfunknetzes gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Mobilfunkendgerät gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Besonders vorteilhaft bei dem Verfahren zur Positionsbestimmung eines Mobilfunkendgeräts innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes, wobei das Mobilfunknetz eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation aufweist, wobei das Endgerät in einer oder mehreren Basisstationen eingebucht ist, ist es, dass die Positionsbestimmung mittels des Endgerätes durch eine Richtungspeilung zumindest einer Basisstation erfolgt, deren Position bekannt ist, wobei die Richtungspeilung mittels einer in das Endgerät integrierten Richtantenne durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne auf den Standort der Basisstation erfolgt.
Die Positionsbestimmung des Mobilfunkendgeräts erfolgt somit dadurch, dass zumindest eine Basisstation, in die das Mobilfunkendgerät eingebucht ist, angepeilt wird. Dabei ist die absolute Position der angepeilten Basisstation bekannt. Dieses Verfahren ist als Strahlformung oder beamforming bekannt. Die zugehörigen Antennensysteme werden oftmals als Smart Antennas bezeichnet.
Als Richtantenne kann dabei insbesondere eine so genannte MIMO-Antenne zum Einsatz kommen. MIMO (englisch: Multiple-Input Multiple-Output) bezeichnet in der Nachrichtentechnik die Nutzung mehrer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation.
Vorzugsweise werden Richtungspeilungen zweier oder mehrerer Basisstationen mittels des Endgeräts durchgeführt und es wird der Schnittpunkt dieser Richtungspeilungen ermittelt, wodurch der Standort des Endgeräts innerhalb des Mobilfunknetzes bekannt ist.
Alternativ oder kumulativ können bei der Durchführung einer oder mehrerer Richtungspeilungen die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen Basisstation und Endgerät gemessen werden, wobei aus der Laufzeitmessung die jeweilige Distanz zwischen Basisstation und Endgerät ermittelbar ist/ermittelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der absolute Standort einer jeden mittels des Endgeräts angepeilten Basisstation zur Auswertung an das Endgerät übermittelt. Dies kann unmittelbar von der Basisstation an das Endgerät und/oder durch eine Datenbankabfrage erfolgen. Insbesondere ist es möglich, eine solche Datenbank in das Mobilfunkendgerät zu integrieren, so dass der absolute Standort einer jeden angepeilten Basisstation bekannt ist, so dass aus diesem absoluten Standort der Basisstation und dem relativen Standort des Mobilfunkendgerätes im Bezug auf die Basisstation wiederum der absolute Standort des Endgerätes ermittelbar ist.
Vorzugsweise wird die Richtung der Peilung zu einer Normalrichtung kalibriert. Bei dieser Normalrichtung kann es sich um die Ausrichtung des Mobilfunkendgeräts selbst oder aber um eine Himmelsrichtung, insbesondere die Nordrichtung N handeln.
Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Mobilfunkendgerät, welches innerhalb eines zellularen Mobilfunksystems, das eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation aufweist, in einer oder mehreren Basisstationen eingebucht sein kann, ist es, dass das Mobilfunkendgerät zur Positionsbestimmung eine Richtantenne aufweist und dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Richtungspeilung/en durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne in Richtung auf eine oder mehrere Basisstationen, deren absolute Position bekannt ist/sind und in der/die das Endgerät eingebucht ist, durchzuführen.
Als Richtantenne kann dabei insbesondere eine so genannte MIMO-Antenne zum Einsatz kommen. MIMO (englisch: Multiple-Input Multiple-Output) bezeichnet in der Nachrichtentechnik die Nutzung mehrer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation.
Vorzugsweise ist das Mobilfunkendgerät dazu eingerichtet, die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen dem Mobilfunkendgerät und einer Basisstation zu messen, aus der die jeweilige Distanz zwischen Endgerät und Basisstation ermittelbar ist/ermittelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mobilfunkendgerät einen Kompass auf und ist dazu eingerichtet, die Richtung der Peilung zu einer Normalrichtung, insbesondere zu einer Himmelsrichtung, zu kalibrieren, insbesondere den Winkel, d. h. die Abweichung gegen die Nordrichtung N zu ermitteln. Ermittelt wird somit der Winkel der Ausrichtung der Peilung auf die Basisstation.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Mobilfunkendgerät eine Datenbank auf, in der die absoluten Positionen der Basisstationen abgespeichert sind, so dass über eine Datenbankabfrage der absolute Standort einer angepeilten Basisstation abfragbar ist und zur weiteren Auswertung in dem Mobilfunkendgerät zu Verfügung steht. Alternativ oder kumulativ kann das Mobilfunkendgerät dazu eingerichtet sein, eine solche Datenbankabfrage bei einer externen Datenbank automatisch durchzuführen. Vorzugsweise werden die aus der Datenbank abgefragten Daten automatisch weiter verarbeitet.
Diese Positionsfeststellung kann beispielsweise dazu dienen, die aktuelle Position des Mobilfunkendgeräts innerhalb des zellularen Mobilfunknetzes im Falle eines Notrufs oder dergleichen zu ermitteln und automatisch zu übertragen. Weitere Nutzungsmöglichkeiten sind Navigation, Location Based Services, Trackingapplikationen, sowie andere telematische Appikationen, die eine Ortungsfunktionalität benötigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nutzt das Mobilfunkendgerät somit vorzugsweise eine Datenbank, bei der die übermittelten Kennungen von Mobilfunkzellen, wie z. B. die Zellidentität (englisch: Cell-ID), geographischen Positionen zugeordnet sind. Die Datenbank kann dabei in das Endgerät integriert sein oder von einem externen Gerät, z. B. von einem Server, bereitgestellt werden, der eine Datenbankabfrage durch das Mobilfunkendgerät gestattet.
Weiterhin wird mittels der verwendeten Funktechnik ein relativer Winkel der Funkkeule zur jeweiligen Basisstation, die angepeilt wird, ermittelt. Eine Peilmessung von Basisstationen wird dadurch ermöglicht, dass im Mobilfunkendgerät eine Richtantenne, insbesondere MIMO Antennen eingesetzt werden, bei denen die Funkkeule durch Phasenverschiebung der einzelnen Antennen individuelle in die jeweilige Basisstation ausgerichtet werden kann. Dieses Verfahren kann dann angewendet werden, wenn ein TDD-Modus (Time-Division-Duplex) genutzt wird, da dann die Kommunikation in jedem Zeitintervall nur mit jeweils einem Mobilfunkendgerät in einer Mobilfunkzelle durchgeführt wird. Mögliche Mobilfunkstandards sind hierzu insbesondere: GSM (inklusive GPRS, EDGE), UMTS im TDD-Modus (inklusive HSxPA), WiMAX, Long Term Evolution (LTE), High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) oder sonstige Mobilfunkstandards, die den Einsatz von MIMO Antennen zulassen.
In einer besonderen Ausprägung ist im Endgerät ein elektronischer Kompass integriert, so dass die relativen Peilwinkel der Messung zu absoluten Winkeln, z. B. gegenüber der Nordrichtung N, ermittelt werden können.
Weiterhin kann die von der Basisstation an das Endgerät übertragene Signallaufzeit in eine Distanz umgerechnet werden, wenn für die Signalgeschwindigkeit annähernd Lichtgeschwindigkeit angesetzt wird.
Dabei kann es jedoch passieren, dass das Ortungsergebnis durch Reflektionen der Signale an Oberflächen wie z. B. Häuserfronten verfälscht werden kann und nicht mehr die richtigen Winkel ermittelt werden können. Eine besonders vorteilhafte Anwendung dieses Verfahrens ergibt sich daher vor allem im nicht urbanen Bereich, beispielsweise für Navigationslösungen auf Autobahnen und dergleichen. Des Weiteren wird die Genauigkeit dann steigen, wenn viele Basisstationen verwendet werden, die eine möglichst hohe Frequenz nutzen. Hierdurch wird eine direktere „Sichtverbindung” ohne Reflektionen zwischen Endgerät und Basisstation wahrscheinlicher.
Durch die Auswertung der Peilung ergeben sich nunmehr verschiedene Anwendungsfälle alleine oder in Kombination, die nachfolgend anhand der beiden Figuren erläutert werden. Es zeigen:
1 einen ersten Anwendungsfall einer Positionsbestimmung durch Anpeilung zweier Basisstationen;
2 einen zweiten Anwendungsfall der Positionsbestimmung durch Anpeilung einer Basisstation und Messung der Signallaufzeit.
Bei dem in 1 dargestellten Anwendungsfall werden die beiden relativen Winkel α und β zur eigenen Ausrichtung 11 des Endgeräts ermittelt. Hierzu werden vom Standort 13 des Endgeräts aus die beiden erreichbaren, d. h. in Funkreichweite liegenden Basisstationen 12 und 14 angepeilt. Die dadurch ermittelten beiden Winkel α und β ausgehend vom Standort 13 relativ zu den Basisstationen 12 und 14 werden bezogen auf die Ausrichtung 11 des Endgeräts selbst.
Durch Auswertung einer Geodatenbank, welche die Positionen der Basisstationen 12 und 14 enthält, kann nun der Schnittpunkt 13 der mindestens zwei Peilrichtungen ermittelt werden. Der Schnittpunkt 13 der beiden Peilrichtungen im Hinblick auf die Basisstation 12 und 14 stellt hierbei die Endgeräteposition dar.
Da aus der Geodatenbank die absoluten Positionen der Basisstation 12 und 14 bekannt sind, kann ebenfalls nicht nur die relative Positionierung des Schnittpunktes 13 im Bezug auf die Lage der Basisstation 12 und 14 ermittelt werden, sondern auch der absolute Standort 13.
Bei dem in 2 dargestellten Anwendungsfall wird nur eine Basisstation 21 zur Positionsbestimmung des Endgeräts 22 benötigt. Durch die gemessene Signallaufzeit zwischen Basisstation 21 und Endgerät 22 wird die Distanz d zwischen dem Standort 22 des Mobilfunkendgeräts und dem Standort der Basisstation 21 ermittelt. Ferner wird aus der gemessenen Peilrichtung und der Kompassrichtung ein normierter Winkel α gegen die Nordrichtung N ermittelt. Hieraus kann nun die Position 22 relativ zur Position der Basisstation 21 errechnet werden, aus dem Winkel α gegen die Nordrichtung N und der Distanz d. Anhand der Geodatenbank, aus der die absolute Position der Basisstation 21 abfragbar ist, kann wiederum die absolute Position des Endgeräts 22 ermittelt werden.
Ebenfalls besteht die Möglichkeit die beiden dargestellten Anwendungsfälle 1 und 2 miteinander zu kombinieren und durch kombinierte Peilung mehrerer Basisstationen und Laufzeitmessung die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zur Positionsbestimmung von Endgeräten im Mobilfunknetzen mittels Richtungspeilung mit Richtantennen, beispielsweise MIMO Antennen, bei dem in Mobilfunknetzen, die den TDD-Modus (Time-Division-Duplex) nutzen, die jeweilige Richtung der Funkkeule, d. h. der Hauptkeule der Richtantenne, vom Endgerät zur Basisstation zur Positionsbestimmung genutzt wird. Zur Bestimmung der absoluten Position des Mobilfunkendgeräts kann auf eine Geodatenbank zurückgegriffen werden, aus der die absolute Position der angepeilten Basisstation abfragbar ist, so dass aus der Richtungspeilung und der Bestimmung der relativen Position zur Basisstation wiederum die absolute Position des Mobilfunkendgeräts ableitbar ist.
Ferner kann eine Laufzeitmessung durchgeführt werden zur Ermittlung der Distanz zwischen Mobilfunkendgerät und angepeilter Basisstation. Ebenfalls kann ein elektronischer Kompass in das Mobilfunkendgerät integriert sein, so dass eine Geodatenbank, eine Richtungspeilung, die gemessene Signallaufzeit und ein elektronischer Kompass zur geographischen Positionsbestimmung genutzt werden können.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Daten der Positionsbestimmung in einer Applikation im Endgerät weiterverarbeitet werden, beispielsweise bei der Generierung einer automatischen Mitteilung beim Absetzen eines Notrufs enthaltend die festgestellte Position des Mobilfunkendgerätes.
Die Geodatenbank enthaltend die absoluten Positionen der Basisstationen kann in das Endgerät integriert sein. Eine Identifikation und Zuordnung der Basisstationen kann beispielsweise über die Zellidentität erfolgen.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Geodatenbank extern angeordnet ist, d. h. sich auf einem anderen Gerät befindet und das Endgerät Informationen aus der Datenbank abrufen und weiter auswerten kann.

Claims

Verfahren zur Positionsbestimmung eines Mobilfunkendgerätes (13, 22) innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes, wobei das Mobilfunknetz eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation (12, 14, 21) aufweist, wobei das Endgerät (13, 22) in einer oder mehreren Basisstationen (12, 14, 21) eingebucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung mittels des Endgerätes (13, 22) durch eine Richtungspeilung zumindest einer Basisstation (12, 14, 21) erfolgt, deren absolute Position bekannt ist, wobei die Richtungspeilung mittels einer in das Endgerät (13, 22) integrierten Richtantenne durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne auf den Standort der Basisstation (12, 14, 21) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Richtungspeilungen zweier oder mehrerer Basisstationen (12, 14, 21) mittels des Endgerätes (13, 22) durchgeführt werden und der Schnittpunkt dieser Richtungspeilungen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur einer oder mehrerer Richtungspeilung/en die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen Basisstation (12, 14, 21) und Endgerät (13, 22) gemessen wird, aus der die jeweilige Distanz (d) zwischen Basisstation (12, 14, 21) und Endgerät (13, 22) ermittelbar ist/ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Standort einer jeden mittels des Endgerätes (13, 22) angepeilten Basisstation (12, 14, 21) zur Auswertung an das Endgerät (13, 22) übermittelt wird, insbesondere unmittelbar von der Basisstation an das Endgerät (13, 22) und/oder durch eine Datenbankabfrage bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Peilung zu einer Normalrichtung (11), insbesondere zu einer Himmelsrichtung, kalibriert wird, insbesondere dass der Winkel (α, β) gegen Norden (N) ermittelt wird.
Mobilfunkendgerät (13, 22), welches innerhalb eines zellularen Mobilfunksystems, das eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation (12, 14, 21) aufweist, in einer oder mehreren Basisstationen (12, 14, 21) eingebucht sein kann, insbesondere zur Anwendung und Ausführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilfunkendgerät (13, 22) zur Positionsbestimmung eine Richtantenne aufweist und dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Richtungspeilung/en durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne in Richtung auf eine oder mehrere Basisstationen (12, 14, 21), deren absolute Position bekannt ist/sind und in der/die das Endgerät (13, 22) eingebucht ist, durchzuführen.
Mobilfunkendgerät (13, 22) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilfunkendgerät (13, 22) dazu eingerichtet ist, die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen dem Mobilfunkendgerät und einer Basisstation (12, 14, 21) zu messen, aus der die jeweilige Distanz (d) zwischen Endgerät (13, 22) und Basisstation (12, 14, 21) ermittelbar ist/ermittelt wird.
Mobilfunkendgerät (13, 22) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilfunkendgerät (13, 22) einen Kompass aufweist und dazu eingerichtet ist, die Richtung der Peilung zu einer Normalrichtung (11), insbesondere zu einer Himmelsrichtung, zu kalibrieren, insbesondere den Winkel (α, β) gegen Norden (N) zu ermitteln.
Mobilfunkendgerät (13, 22) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilfunkendgerät (13, 22) eine Datenbank aufweist, wobei über eine Datenbankabfrage der absolute Standort einer angepeilten Basisstation (12, 14, 21) abfragbar ist.