DE102009017427A1

DE102009017427A1 - Verfahren und System zur Ortung in Mobilfunknetzen mittels Richtungspeilung mit Richtantennen

Info

Publication number: DE102009017427A1
Application number: DE200910017427
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: WO2010099900A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Ortung eines Mobilfunkendgerätes innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes, wobei das Mobilfunknetz eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation (11, 21, 22) aufweist, wobei das Endgerät (12, 23) in einer oder mehreren Basisstationen (11, 21, 22) eingebucht ist, wobei zumindest ein Teil der Basisstationen (11, 21, 22) zumindest eine Richtantenne aufweist und die Ortung mittels zumindest einer Basisstation (11, 21, 22) durch eine Richtungspeilung des Endgerätes (12, 23) erfolgt, wobei die Richtungspeilung mittels einer Richtantenne der Basisstation (11, 21, 22) durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne auf den Standort des Endgerätes (12, 23) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mobilfunksystem zur Ortung 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.
Die Ortung von Mobilfunkendgeräten erfolgt derzeit in Mobilfunknetzen auf zellularer Basis anhand des Standortes der jeweiligen Basisstation, in die das Endgerät eingebucht ist. Nachteilig ist dabei, dass hierdurch lediglich das Gebiet der Zelle, in deren Basisstation das Mobilfunkendgerät eingebucht ist, bekannt ist, nicht jedoch der exakte Standort innerhalb dieses recht großen Gebietes.
Um die Ortungsgenauigkeit zu verbessern, können auch Laufzeitmessungen der elektromagnetischen Signale von mehreren Basisstationen ausgewertet werden. Diese genauere Positionsbestimmung erfolgt dann per Triangulation.
Nachteilig ist dabei, dass die Genauigkeit der bekannten Verfahren zur Ortsbestimmung sehr eingeschränkt ist und die bekannte Triangulationsmessung sehr aufwendig ist, da das Endgerät in mehreren Basisstationen eingebucht sein muss. Dieses Verfahren versagt dann, wenn das Endgerät lediglich in einer einzigen Basisstation eingebucht ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Mobilfunksystem zur Ortung eines Mobilfunkendgerätes innerhalb des zellularen Mobilfunknetzes derart weiterzubilden, dass eine Ortung bereits dann möglich ist, wenn das Mobilfunkendgerät lediglich in einer einzigen Basisstation eingebucht ist. Ferner soll durch die Erfindung die Genauigkeit einer Ortung des Mobilfunkendgerätes verbessert werden, ohne dass es eines aufwendigen Verfahrens wie beispielsweise einer Triangulation bedarf.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 respektive ein Mobilfunksystem gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Besonders vorteilhaft bei dem Verfahren zur Ortung 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, ist es, dass die Ortung mittels zumindest einer Basisstation durch eine Richtungspeilung des Endgerätes erfolgt, wobei die Richtungspeilung mittels einer Richtantenne der Basisstation durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne auf den Standort des Endgerätes erfolgt.
Dieses Verfahren ist als Strahlformung oder beamforming bekannt. Die zugehörigen Antennensysteme werden oftmals als Smart Antennas bezeichnet.
Als Richtantenne kann 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.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden ausgehend von zwei oder mehr Basisstationen Richtungspeilungen des Endgerätes durchgeführt und es wird der Schnittpunkt dieser Richtungspeilungen ermittelt.
Durch die Ermittlung des Schnittpunktes zweier Richtungspeilungen, ausgehend von zwei Basisstationen, kann die exakte Position des Endgerätes innerhalb des zellularen Mobilfunknetzes bestimmt werden.
Vorzugsweise wird zusätzlich zu einer oder mehrerer Richtungspeilung/en die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen Basisstation und Endgerät gemessen, aus der die jeweilige Distanz zwischen Basisstation und Endgerät ermittelbar ist/ermittelt wird.
Durch eine Richtungspeilung verbunden mit einer Laufzeitmessung kann das Endgerät exakt geortet werden.
Vorzugsweise ist die Richtung der Ortung zu einer Normalrichtung kalibriert, insbesondere zu einer Himmelsrichtung. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung des Peilungswinkels gegen Norden.
Besonders vorteilhaft bei dem Mobilfunksystem zur Ortung eines Mobilfunkendgerätes innerhalb des zellularen Mobilfunksystems, wobei das System eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation aufweist, wobei das Endgerät in einer oder mehreren Basisstationen eingebucht ist, ist es, dass zumindest ein Teil der Basisstation zumindest eine Richtantenne aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Richtungspeilung durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne in Richtung auf das Endgerät durchzuführen.
Mit dem Begriff des Mobilfunksystems kann dabei umfasst sein das Mobilfunknetz selbst oder ein Teil des Mobilfunknetzes, d. h. beispielsweise einige Zellen des Netzes, wobei dieser Teil des Netzes erfindungsgemäß weitergebildet ist. Der Begriff des Mobilfunksystems kann jedoch auch weitere Einrichtungen mit umfassen, die zum Betrieb eines Mobilfunknetzes benötigt werden. Erfindungsgemäß kommt es lediglich darauf an, dass zumindest ein Teil der Basisstationen innerhalb des zellularen Mobilfunknetzes oder Mobilfunksystems jeweils zumindest eine Richtantenne aufweisen, die es gestatten, eine Richtungspeilung durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne in Richtung auf das Endgerät durchzuführen.
Als Richtantenne kann dabei insbesondere eine so genannte MIMO-Antenne zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise ist das System dazu eingerichtet, die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen Basisstation und Endgerät zu messen, aus der die jeweilige Distanz zwischen Basisstation und Endgerät ermittelbar ist/ermittelt wird.
Vorzugsweise ist das System ferner dazu eingerichtet, die Richtung der Ortung zu einer Normalrichtung, insbesondere zu einer Himmelsrichtung, zu kalibrieren. Vorzugsweise erfolgt die Kalibrierung respektive die Ermittlung des Peilungswinkels gegen die Nord-Richtung N.
Im Allgemeinen sind die Positionen der Basisstationen bekannt, respektive ist es ohne weiteres möglich, die exakten Positionen der Basisstationen genauestens zu bestimmen. Dadurch dass diese Daten bekannt sind, kann dann durch die Ortung des Endgerätes innerhalb des zellularen Mobilfunknetzes mittels Richtungspeilung mit Richtantennen, insbesondere MIMO Antennen, einerseits die relative Position von Endgerät zur Basisstation sowie aus der bekannten Position der Basisstation die absolute Position des georteten Endgerätes ermittelt werden.
Weitere Nutzungsmöglichkeiten sind Navigation, Location Based Services, Trackingapplikationen, sowie andere telematische Appikationen, die eine Ortungsfunktionalität benötigen.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Ortungsdaten einer anonymen oder nichtanonymen Weiterverarbeitung zugeleitet werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, gezielt nach vermissten Personen durch Ortung der Mobilfunkendgeräte dieser Personen zu suchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System ermöglichen es bei verschiedensten Mobilfunkstandards eine Peilmessung durchzuführen, um Endgeräte exakt zu orten. Eine Peilmessung von Mobilfunkendgeräten wird dann ermöglicht, wenn im Mobilfunknetz Richtantennen, insbesondere MIMO Antennen, eingesetzt werden, bei denen die Funkkeule durch Phasenverschiebung der einzelnen Antennen individuell auf den jeweiligen Mobilfunkteilnehmer, d. h. genauer gesagt auf das jeweilige Mobilfunkendgerät, ausgerichtet werden kann.
Dieses Verfahren kann angewendet werden, wenn ein TDD-Modus (Time-Devision-Duplex) genutzt wird, da dann die Kommunikation in jedem Zeitintervall nur mit jeweils einem Mobilfunkendgerät in einer Mobilfunkzelle durchgeführt wird.
Mögliche Mobilfunkstandards sind 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 oder unterstützen.
Nun kann in jeder Basisstation, in der das zu ortende Mobilfunkendgerät eingebucht ist, eine Winkelmessung vorgenommen werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Winkel zu einer Bezuggröße, z. B. die Abweichung von der Nordung, weiterverarbeitet werden. Durch die Auswertung der Peilung ergeben sich nun verschiedene Möglichkeiten zur Ortung alleine oder in Kombination, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
1 einen ersten Anwendungsfall der Ortung mittels einer Basisstation;
2 einen weiteren Anwendungsfall der Ortung unter Verwendung zweier Basisstationen.
Bei dem ersten Anwendungsfall gemäß 1 wird nur eine Basisstation 11 genutzt, in die das Mobilfunkendgerät 12 innerhalb der Zelle, die durch die Basisstation 11 abgedeckt wird, eingebucht ist.
Die Basisstation 11 weist eine Richtantenne auf. Es erfolgt eine Peilung des Endgerätes 12 durch Ausrichtung der Funkkeule, d. h. der Hauptkeule der Richtantenne der Basisstation 11 in Richtung auf das Mobilfunkendgerät 12, welches geortet werden soll. Aus dieser Peilung kann der Winkel α relativ zur Nordrichtung N ermittelt werden.
Ferner erfolgt eine Laufzeitmessung des Signals zwischen Basisstation 11 und Mobilfunkendgerät 12. Aus der Laufzeitmessung kann die Distanz d zwischen Basisstation 11 und Endgerät 12 ermittelt werden.
Durch die Kombination von Laufzeitmessung, d. h. die Ermittlung der Distanz d, und die Peilung, d. h. Ermittlung des Winkels α zur Nordrichtung N, kann die Ortung des Endgeräts 12 exakt durchgeführt werden. Durch die Ermittlung des Abstandes d zwischen Basisstation 11 und Mobilfunkendgerät 12 sowie den Winkel α als Abweichung von der Nordung N ist nun die exakte Position des angepeilten Endgerätes 12 innerhalb des Mobilfunknetzes bekannt.
In 2 sind zwei mögliche Anwendungsfälle dargestellt, die nachfolgend erläutert werden. Dabei ist das Mobilfunkendgerät 23 gleichzeitig eingebucht in zwei Basisstationen 21 und 22.
In einem ersten Anwendungsfall erfolgen zwei Peilungen ausgehend von den Basisstationen 21 und 22. Durch die erste Peilung der Basisstation 21 wird der Winkel α in Abweichung zur Nordrichtung N von der Basisstation 21 zum Standort 23 des Mobilfunkendgerätes ermittelt. In einer zweiten Peilung ausgehend von der zweiten Basisstation 22 wird der Winkel β als Abweichung von der Nordrichtung N zum Standort 23 des Mobilfunkendgeräts durchgeführt.
Aus den beiden Peilungen (Winkel α von der ersten Basisstation 21 und Winkel β von der zweiten Basisstation 22 jeweils zur Nordung N) kann der Schnittpunkt berechnet und somit am Schnittpunkt der beiden Peilrichtungen die Position des Endgerätes 23 ermittelt werden.
In einem weiteren Anwendungsfall bei zwei oder mehreren Basisstationen können zusätzlich zu den beiden Peilungen (Winkel α von Basisstation 21 und Winkel β von zweiten Basisstation 22 zur Nordung N) am Schnittpunkt die Position des Endgerätes 23 ermittelt werden und zusätzlich werden Laufzeitmessungen der Signale zwischen den Basisstationen 21 und 22 sowie dem Endgerät 23 durchgeführt, wodurch eine Überprüfung und eine genauere Bestimmung der Position des Endgeräts 23 ermöglicht wird, da aus den Laufzeitmessungen der Abstand zwischen erster Basisstation 21 und Endgerät 23 sowie ferner der Abstand zwischen zweiter Basisstation 22 und Endgerät 23 ermittelbar ist.
Hierdurch ist eine weitere Verifikation des durch Ermittlung des Schnittpunktes der beiden Peilungen ermittelten Standortes des Endgerätes 23 möglich.

Claims

Verfahren zur Ortung eines Mobilfunkendgerätes innerhalb eines zellularen Mobilfunknetzes, wobei das Mobilfunknetz eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation (11, 21, 22) aufweist, wobei das Endgerät (12, 23) in einer oder mehreren Basisstationen (11, 21, 22) eingebucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortung mittels zumindest einer Basisstation (11, 21, 22) durch eine Richtungspeilung des Endgerätes (12, 23) erfolgt, wobei die Richtungspeilung mittels einer Richtantenne der Basisstation (11, 21, 22) durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne auf den Standort des Endgerätes (12, 23) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von zwei oder mehr Basisstationen (11, 21, 22) Richtungspeilungen des Endgerätes (12, 23) 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 und Endgerät gemessen wird, aus der die jeweilige Distanz (d) zwischen Basisstation (11, 21, 22) und Endgerät (12, 23) ermittelbar ist/ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Ortung zu einer Normalrichtung, insbesondere zu einer Himmelsrichtung, kalibriert wird, insbesondere dass der Winkel (α, β) gegen Norden (N) ermittelt wird.
Mobilfunksystem zur Ortung eines Mobilfunkendgerätes innerhalb des zellularen Mobilfunksystems, wobei das System eine Vielzahl von Zellen mit jeweils einer Basisstation (11, 21, 22) aufweist, wobei das Endgerät (12, 23) in einer oder mehreren Basisstationen (11, 21, 22) eingebucht ist, insbesondere zur Anwendung und Ausführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Basisstationen (11, 21, 22) zumindest eine Richtantenne aufweist und dazu eingerichtet ist, eine Richtungspeilung durch Ausrichtung der Hauptkeule der Richtantenne in Richtung auf das Endgerät (12, 23) durchzuführen.
Mobilfunksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu eingerichtet ist, die jeweilige Laufzeit des Funksignals zwischen Basisstation (11, 21, 22) und Endgerät (12, 23) zu messen, aus der die jeweilige Distanz (d) zwischen Basisstation (11, 21, 22) und Endgerät (12, 23) ermittelbar ist/ermittelt wird.
Mobilfunksystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu eingerichtet ist, die Richtung der Ortung zu einer Normalrichtung, insbesondere zu einer Himmelsrichtung, zu kalibrieren, insbesondere den Winkel (α, β) gegen Norden (N) zu ermitteln.