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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum rechnergestützten Verarbeiten von Messungen
von Merkmalen eines Funknetzes sowie ein entsprechendes Kommunikationsnetz.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um basierend
auf gemessenen Merkmalen eines Funknetzes mobile Objekte zu lokalisieren.
Das Funknetz umfasst dabei eine Vielzahl von stationären Basisstationen,
welche drahtlos Signale aussenden bzw. Signale empfangen. Innerhalb
des Funknetzes bewegt sich ein mobiles Objekt, welches ebenfalls
drahtlos Signale empfangen bzw. aussenden kann. Über entsprechende Merkmale bzw.
Parameter der von den Basisstationen bzw. dem mobilen Objekt ausgesendeten
Felder kann dann die Position des mobilen Objekts ermittelt werden.
Beispielsweise kann die Signalstärke
des von dem mobilen Objekt ausgesendeten Felds, welches von den
Basisstationen gemessen wird, bzw. die Signalstärke der Felder der einzelnen
Basisstationen an der Position des mobilen Objekts zur Positionsbestimmung
verwendet werden. Ebenso ist es möglich, über die Laufzeit von Feldsignalen
bzw. Wellenausbreitungsrichtungen das mobile Objekt zu lokalisieren.
Es werden dabei Lokalisierungsverfahren verwendet, welche auf Triangulation,
auf theoretischen bzw. angepassten Wellenausbreitungsmodellen oder auf
sog. Pattern-Matching
beruhen. Das Pattern-Matching eignet sich insbesondere zur Lokalisation
innerhalb von Räumen
bzw. Gebäuden
und verwendet eine Merkmalskarte, welche für eine Vielzahl von Stützstellen
im Raum entsprechende Merkmale des Funknetzes, z. B. in der Form
von Signalfeldstärken, bei
der Positionierung des mobilen Objekts an einer entsprechenden Stützstelle
enthält.
Durch Vergleich der Merkmale in der Merkmalskarte mit den tatsächlich gemessenen
Merkmalen des Funknetzes kann dann die Position des mobilen Objekts
geschätzt werden.
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Neben
der Lokalisation eines mobilen Objekts können die gemessenen Merkmale
eines Funknetzes auch dazu verwendet, um die oben erwähnte Merkmalskarte
zu generieren. Aus dem Stand der Technik sind dabei Verfahren bekannt,
welche die Erzeugung entsprechender Merkmalskarten durch Lernverfahren
beschreiben. Beispiele solcher Verfahren finden sich in den Druckschriften
[1], [2] und [3].
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In
bekannten Verfahren, in denen Merkmale eines Funknetzes zur Lokalisation
eines mobilen Objekts bzw. zum Generieren von Merkmalskarten verarbeitet
werden, erfolgt die Auswertung dieser Signale in einer einzelnen
Recheneinheit, welche beispielsweise in dem mobilen Objekt oder
in einer Basisstation integriert sein kann. Ebenso kann eine separate
zentrale Recheneinheit verwendet werden, an welche alle gemessenen
Merkmale zum Auswerten übermittelt
werden. Es erweist sich hierbei als nachteilhaft, dass bei Ausfall
der Recheneinheit das gesamte Verfahren abgebrochen wird und bereits
ermittelte Informationen verloren gehen. Darüber hinaus kann das Verfahren
nicht nur bedingt auf größere Lokalisationsbereiche
durch Hinzunahme weiterer Basisstationen bzw. mobiler Objekte erweitert
werden, da hierdurch die benötigte
Rechenleistung stark ansteigt und somit nicht mehr durch eine einzelne
Recheneinheit in vertretbarer Zeit durchgeführt werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum rechnergestützten Verarbeiten
von Messungen von Merkmalen eines Funknetzes sowie ein entsprechendes
Kommunikationsnetz zu schaffen, welche robust gegenüber Ausfällen sind
und flexibel für
unterschiedliche Größen von
Funknetzen eingesetzt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. das
Kommunikationsnetz gemäß Patentanspruch
22 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zum Verarbeiten von Messungen von Merkmalen eines Funknetzes,
welches eine Mehrzahl von Basisstationen und ein oder mehrere mobile
Objekte umfasst, wobei für
ein jeweiliges mobiles Objekt Messungen durchgeführt werden. Jede Messung ist
dabei einer Basisstation zugeordnet und beschreibt ein Merkmal eines
von dem jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Felds an der zugeordneten
Basisstation und/oder eines von der zugeordneten Basisstation ausgesendeten
Felds an dem jeweiligen mobilen Objekt.
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In
dem Verfahren wird eine Mehrzahl von mit den Basisstationen kommunizierende
Auswerteeinheiten verwendet, welche insbesondere basierend auf einem
Kommunikationsnetz mit den Basisstationen vernetzt sind. Dieses
Kommunikationsnetz kann durch das Funknetz gebildet sein, dessen
Merkmale verarbeitet werden, bzw. ein zusätzliches drahtloses und/oder
drahtgebundenes Kommunikationsnetz darstellen. Jeder Auswerteeinheit
ist dabei zumindest eine Basisstation des Funknetzes zugeordnet, d.
h. eine Auswerteeinheit kann für
lediglich eine einzelne Basisstation bzw. auch für eine Gruppe von mehreren
Basisstationen zuständig
sein.
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Im
Rahmen der Auswertung basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird für
ein jeweiliges mobiles Objekt in einem Schritt a) zunächst eine
Basisstation aus der Mehrzahl von Basisstationen derart ausgewählt, dass
ein Empfang des von dem jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten
Feldes an der ausgewählten
Basisstation und/oder ein Empfang des von der ausgewählten Basisstation ausgesendeten
Feldes am jeweiligen mobilen Objekt gewährleistet ist. Anschließend werden
in eifern Schritt b) an die Auswerteeinheit, welche der ausgewählten Basisstation
zugeordnet ist, Messungen übermittelt,
welche Basisstationen zugeordnet sind, die das von dem jeweiligen
mobilen Objekt ausgesendete Feld empfangen und/oder deren Feld von dem
jeweiligen mobilen Objekt empfangen wird.
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In
einem Schritt c) wertet die Auswerteeinheit, welche der ausgewählten Basisstation
zugeordnet ist, die übermittelten Messungen
aus, oder diese Auswerteeinheit bestimmt eine Auswerteeinheit zur Auswertung
der übermittelten
Messungen, woraufhin die übermittelten
Messungen in der bestimmten Auswerteeinheit ausgewertet werden.
Dabei besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, dass sich die Auswerteeinheit
selbst zur Auswertung der übermittelten Messungen
bestimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweiligen Auswerteeinheiten
in Abhängigkeit
von der Position des mobilen Objekts immer zu einer lokalen Auswertung
der Merkmale des Felds im Bereich um das mobile Objekt verwendet
werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zunächst eine Basisstation ausgewählt wird,
bei der sichergestellt ist, dass Funksignale zwischen der Basisstation
und dem mobilen Objekt ausgetauscht werden können. Die dieser Basisstation
zugeordnete Auswerteeinheit dient dann zum Auswerten bzw. delegiert
das Auswerten von Messungen solcher Basisstationen, welche Felder
von dem mobilen Objekt in seiner momentanen Position empfangen bzw.
deren Felder in der momentanen Position von dem mobilen Objekt empfangen
werden. Erfindungsgemäß wird somit
bei der Bewegung des mobilen Objekts sichergestellt, dass die Auswertung
der Felder zwischen den Auswerteeinheiten in Abhängigkeit von der Objektposition
wechselt, so dass verteilt über
alle Auswerteeinheiten die Merkmale des Funknetzes ausgewertet werden.
Gegebenenfalls besteht dabei die Möglichkeit, dass in der Auswerteeinheit,
welche der ausgewählten
Basisstation zugeordnet ist, nochmals weitere Kriterien überprüft werden.
Diese weiteren Kriterien berücksichtigen
insbesondere, ob sich die Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale
eignet. Beispielsweise können
diese weiteren Kriterien die auf den Auswerteeinheiten vorhandenen
Ressourcen derart berücksichtigen,
dass solche Auswerteeinheiten eher zur Auswertung der Messungen
bestimmt werden, welche über
mehr Ressourcen verfügen.
Unter Ressourcen sind dabei insbesondere die in der jeweiligen Auswerteeinheit
verfügbaren
Speicher- bzw. Rechenkapazitäten zu verstehen.
Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Auswerteeinheit, welche
nicht mehr ausreichend Kapazität
zum Auswerten der Messungen hat, durch eine andere Auswerteeinheit
mit höherer
Kapazität
bzw. freien Ressourcen ersetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist der
Begriff der Auswerteeinheit weit zu verstehen. Beispielsweise kann
die Auswerteeinheit eine entsprechende Recheneinheit innerhalb der
jeweiligen Basisstation umfassen. Die Auswerteeinheit kann dabei
durch den Hauptprozessor der Basisstation gebildet sein, jedoch
besteht auch die Möglichkeit,
dass in jeder Basisstation eine zusätzliche Recheneinheit zum Auswerten
der Messungen integriert ist. Ebenso kann jeder Basisstation eine
separate, nicht in der Basisstation integrierte Auswerteeinheit
zugeordnet sein. Allgemein ist keine Kopplung einer Auswerteeinheit
an eine einzige Basisstation erforderlich. Vielmehr besteht auch
die Möglichkeit,
dass getrennte Recheneinheiten verwendet werden, welche mehreren
Basisstationen zugeordnet sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann für beliebige
Felder von Funknetzen in der Form von lokalen bzw. gegebenenfalls
auch nicht lokalen drahtlosen Netzen eingesetzt werden. Bevorzugt
werden mit dem Verfahren Felder eines WLAN-Netzes und/oder eines
DECT-Netzes und/oder eines Mobilfunknetzes ausgewertet. Ebenso können beliebige gemessene
Merkmale der Felder ausgewertet werden, wie z. B. die bereits eingangs
beschriebenen Merkmale basierend auf Signalstärken und/oder Laufzeiten und/oder
Ausbreitungswinkeln der Felder im Funknetz. Werden Signalstärken als
Merkmale verwendet, beschreibt die Messung einer Basisstation insbesondere
die Signalstärke
des von dem jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Felds an der Basisstation
und/oder des von der Basisstation ausgesendeten Felds an dem jeweiligen
Objekt.
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Die
Auswahl einer Basisstation in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann beliebig erfolgen, es muss lediglich sichergestellt sein, dass
ein Austausch von Funksignalen zwischen ausgewählter Basisstation und jeweiligem
mobilen Objekt möglich ist.
Bevorzugt sollte dabei jedoch auch ein guter Empfang der Felder
des Funknetzes in der Basisstation bzw. dem mobilen Objekt gewährleistet
sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird deshalb in
Schritt a) diejenige Basisstation ausgewählt, mit der das jeweilige
mobile Objekt im Funknetz assoziiert ist. Der Vorgang der Assoziation
ist ein üblicher
Mechanismus in Funknetzen. Das mobile Objekt stellt dabei in dem
Funknetz einen sog. Client dar, der zum drahtlosen Austausch von
Daten eine Basisstation mit gutem Empfang in seiner Reichweite sucht.
In einem WLAN-Netz ist der Client insbesondere ein mobiles, tragbares
Endgerät
mit WLAN-Funktionalität,
welches sich mit einer Basisstation in der Form eines entsprechenden
Access-Points assoziiert. In einem Mobilfunknetz ist der Client
ein entsprechendes Mobiltelefon, welches sich zum Datenaustausch
mit einer Basisstation in seiner Reichweite assoziiert. Die Assoziierung
dient in einem Funknetz dazu, dass die zu übertragenden Daten immer zwischen
dem Client und der assoziierten Basisstation übermittelt werden, wobei andere
Basisstationen im Funknetz, welche Funksignale des Clients ebenfalls
empfangen können,
diese Signale ignorieren. Die oben beschriebene Assoziation zwischen
mobilem Objekt und Basisstation stellt eine sehr einfache und effiziente
Variante einer Auswahl einer Basisstation dar, denn es kann auf
bereits bekannte Mechanismen im Rahmen einer Kommunikation in einem
Funknetz zurückgegriffen
werden.
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In
einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine
Messung einer Basisstation ein von der Basisstation gemessenes Merkmal
eines von dem jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Felds an der
Basisstation umfasst, werden Nachbarschaftslisten verwendet, mit
denen die Übermittlung
von Messungen an die Auswerteeinheit der ausgewählten Basisstation sichergestellt wird.
Dabei verwaltet eine jeweilige Basisstation eine Nachbarschaftsliste,
welche Basisstationen enthält, die
gemäß einem
Nachbarschaftskriterium zu der jeweiligen Basisstation benachbart
sind.
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In
einer besonders bevorzugten Variante ist das Nachbarschaftskriterium
zur Erzeugung der Nachbarschaftslisten derart definiert, dass eine Nachbarschaftsliste
einer jeweiligen Basisstation alle Basisstationen enthält, deren
jeweiliger Empfangsreichweitenbereich für das Feld des jeweiligen mobilen
Objekts mit dem Empfangsreichweitenbereich der jeweiligen Basisstation
für das
Feld des jeweiligen mobilen Objekts überlappt. In einer weiteren Ausführungsform
kann die Nachbarschaftsliste diejenigen Basisstationen enthalten,
welche innerhalb eines vorgegebenen Radius um die Basisstation angeordnet
sind, welche die Nachbarschaftsliste verwaltet, insbesondere innerhalb
einer geschätzten
Reichweite der Funksignale des mobilen Objekts für den Empfang durch diese Basisstation,
beispielsweise in einem Radius von 100 m. Bei der Bestimmung der Nachbarschaftsliste
können
gegebenenfalls auch gemessene bzw. modellierte Eigenschaften der
Signalverteilung um die jeweilige Basisstation herum berücksichtigt
werden, so dass insbesondere solche Basisstationen, welche sich
zwar nahe am mobilen Objekt befinden, jedoch das Signal des mobilen
Objekts wegen spezifischer räumlicher
Gegebenheiten nicht empfangen können,
nicht in die Nachbarschaftsliste aufgenommen werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
werden die oben beschriebenen Nachbarschaftslisten in Kombination
mit der Auswahl einer Basisstation basierend auf der Assoziierung
zwischen mobilem Objekt und Basisstation eingesetzt. Dabei ist in
der Nachbarschaftsliste einer jeweiligen Basisstation hinterlegt,
ob bzw. welche Basisstation aus der Nachbarschaftsliste mit dem
jeweiligen mobilen Objekt assoziiert ist. Im Rahmen dieser Ausführungsform
sendet eine jeweilige Basisstation an alle Basisstationen aus ihrer
Nachbarschaftsliste eine Nachricht, wenn sich das jeweilige mobile
Objekt und die jeweilige Basisstation assoziieren, wodurch die Basisstationen
aus der Nachbarschaftsliste darüber informiert
werden, welche Basisstation die ausgewählte Basisstation ist. Ferner übermittelt
eine jeweilige Basisstation ein von ihr gemessenes Merkmal des von
dem jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Felds an diejenige Basisstation
aus ihrer Nachbarschaftsliste, welche gemäß der Nachbarschaftsliste mit
dem mobilen Objekt assoziiert ist, sofern die Nachbarschaftsliste eine
mit dem mobilen Objekt assoziierte Basisstation umfasst. Hierdurch
wird gewährleistet,
dass die Messungen der Basisstationen immer an die ausgewählte Basisstation übermittelt werden,
welche die mit dem jeweiligen mobilen Objekt assoziierte Basisstation
ist.
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In
einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen die Nachbarschaftslisten auch
dann zur Auswahl einer Basisstation, wenn das mobile Objekt mit
keiner Basisstation assoziiert ist bzw. zur Auswahl ein anderes
Kriterium als die Assoziation verwendet werden soll. Dabei informiert
eine jeweilige Basisstation dann, wenn sie ein Merkmal des von dem
jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Felds misst, alle Basisstationen
aus ihrer Nachbarschaftsliste über
das Vorhandensein des mobilen Objekts und das gemessene Merkmal,
woraufhin unter den Basisstationen, welche ein Merkmal des von dem
jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Feldes messen, eine Basisstation
als ausgewählte
Basisstation bestimmt wird. Diese Auswahl kann basierend auf einem
dezentralen Aushandlungsalgorithmus zwischen den Basisstationen
erfolgen. Insbesondere wird dabei diejenige Basisstation als ausgewählte Basisstation
bestimmt, welche die größte Signalstärke des
von dem jeweiligen mobilen Objekt ausgesendeten Felds gemessen hat.
Jede Basisstation überprüft dabei,
wie groß die
Signalstärken
gemäß den an
sie übermittelten
Merkmalen der anderen Basisstationen im Vergleich zu der von ihr
selbst gemessenen Signalstärke
ist. Stellt eine Basisstation fest, dass ihre gemessene Signalstärke die
größte ist,
erklärt
sie sich als ausgewählte
Basisstation und informiert die anderen Basisstationen hierüber, woraufhin
den anderen Basisstationen nicht erlaubt ist, sich als ausgewählte Basisstation
zu erklären.
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Der
soeben beschriebene Mechanismus des Aushandelns einer ausgewählten Basisstation kommt
insbesondere als Option dann in Betracht, wenn die Auswahl einer
Basisstation basierend auf einer Assoziation erfolgen soll, es jedoch
keine mit dem jeweiligen mobilen Objekt assoziierte Basisstation
gibt. In dieser Variante informiert eine jeweilige Basisstation
alle Basisstationen aus ihrer Nachbarschaftsliste über das
Vorhandensein des mobilen Objekts und das gemessene Merkmal nur
dann, wenn in ihrer Nachbarschaftsliste keine mit dem jeweiligen
mobilen Objekt assoziierte Basisstation enthalten ist.
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Eine
besonders einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann dann erreicht werden, wenn eine Messung einer Basisstation
ein von dem jeweiligen mobilen Objekt gemessenes Merkmal eines von
der Basisstation ausgesendeten Felds an dem jeweiligen mobilen Objekt
umfasst. In diesem Fall müssen
nämlich
die Messungen nicht von den Basisstationen an die ausgewählte Basisstation übermittelt
werden, sondern die im jeweiligen mobilen Objekt gemessenen Merkmale
können
von dem mobilen Objekt an diejenige Auswerteeinheit übermittelt
werden, die der ausgewählten
Basisstation zugeordnet ist. Diese Variante der Erfindung wird vorzugsweise
mit der Ausführungsform
kombiniert, bei der die ausgewählte
Basisstation diejenige Basisstation ist, die mit dem mobilen Objekt
assoziiert ist. In diesem Fall liegt dem mobilen Objekt unmittelbar aufgrund
des Assoziationsstatus die Information über die ausgewählte Basisstation
vor. Das mobile Objekt kann beispielsweise bei der assoziierten
Basisstation nach den Verbindungsparametern zum Zugriff auf die zugeordnete
Auswerteeinheit (beispielsweise IP-Adresse, Port, Passwort und dergleichen)
anfragen und anschließend
die Messungen direkt an die Auswerteeinheit senden. Ebenso kann
die Auswerteeinheit, welche zum Auswerten der Messungen vorgesehen
ist, die Messungen direkt beim mobilen Objekt anfordern. Des Weiteren
besteht die Möglichkeit, dass
zunächst
die ausgewählte
Basisstation die Messungen von dem mobilen Objekt abruft und anschließend zu
der entsprechenden Auswerteeinheit übermittelt. Gegebenenfalls
kann die Basisstation die Messungen auch zur späteren Verwendung zwischenspeichern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Konfigurationsdaten, welche zur Auswertung der Messungen
benötigt
werden, lokal auf die Auswerteeinheiten verteilt, so dass jede Auswerteeinheit
zumindest diejenigen Konfigurationsinformationen beinhaltet, welche
sie zur Auswertung der übermittelten
Messungen benötigt.
Durch diese Verteilung der Konfigurationsinformationen kann Speicherplatz
in den einzelnen Auswerteeinheiten gespart werden, denn nicht jede
Auswerteeinheit muss die Konfigurationsinformationen für das gesamte
Funknetz vorhalten. Die Konfigurationsdaten umfassen dabei insbesondere
die relevanten Merkmalskarten, Signalmodelle, die Positionen der
Basisstationen in der jeweiligen Nachbarschaftsliste und dergleichen.
Die Konfigurationsinformationen können im Rahmen einer Vorkonfiguration
der Auswerteeinheit auf dieser hinterlegt werden. Die Konfigurationsdaten
können
dabei durch einen entsprechenden Datentransfer, beispielsweise über eine Speicherkarte
oder durch Abruf von einem zentralen Datenserver an die entsprechende
Auswerteeinheit übermittelt
werden. Ebenso besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, dass jede Auswerteeinheit
zumindest teilweise ihre Konfigurationsinformationen selbst lernt,
was beispielsweise bei den eingangs beschriebenen Verfahren zum
Lernen von Merkmalskarten der Fall sein kann.
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Mit
den im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens übermittelten
Messungen können
in der entsprechenden Auswerteeinheit verschiedene Auswertungen
durchgeführt
werden. Insbesondere können
die Messungen derart ausgewertet werden, dass die Position des jeweiligen
mobilen Objekts bestimmt wird und/oder zumindest ein Teil einer
Merkmalskarte generiert und insbesondere basierend auf einem Lernverfahren
gelernt wird, wobei die Merkmalskarte für eine Mehrzahl von Stützstellen
im Raum die Merkmale des Funknetzes bei Positionierung des jeweiligen
mobilen Objekts an der Stützstelle
angibt. Als Lernverfahren zum Lernen einer Merkmalskarte, insbesondere
in der Form einer Feldstärke-Karte
mit Signalfeldstärken
als Merkmale, können
insbesondere die Verfahren aus den eingangs erwähnten Druckschriften [1] bis
[3] verwendet werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist jede Auswerteeinheit für
einen vorgegebenen Teilbereich der Merkmalskarte zuständig, d. h.
jede Auswerteeinheit generiert bzw. lernt die Merkmalskarte in dem
entsprechenden vorgegebenen Teilbereich. Vorzugsweise überlappen
dabei die vorgegebenen Teilbereiche zumindest teilweise, wobei Auswerteeinheiten,
die für
miteinander überlappende Teilbereiche
zuständig
sind, ihre Auswertungen in den Überlappungszonen
der Teilbereiche austauschen, wobei eine Auswerteeinheit die von
einer anderen Auswerteeinheit stammenden Auswertungen in der Überlappungszone
bei der Generierung der Merkmalskarte berücksichtigt. Beispielsweise
kann jeder Auswerteeinheit ein Lernbereich zugewiesen werden, in
dem die Merkmalskarte gelernt wird. Jedes Mal, wenn eine Auswerteeinheit
dann die zu einem vorbestimmten Zeitpunkt vorgenommenen Messungen
von anderen Auswerteeinheiten empfängt, wird ein Lernschritt des
Verfahrens durchgeführt,
woraufhin eine aktualisierte Merkmalskarte in dem Lernbereich erhalten
wird. Gegebenenfalls können
dabei die Messdaten auch zunächst
für eine
spätere
Verarbeitung zwischengespeichert werden, um eine größere Menge
an Messdaten auf einmal zu verarbeiten.
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Wie
soeben beschrieben, können
bei überlappenden
Teilbereichen die Auswertungen aus den Überlappungszonen zwischen den
Auswerteeinheiten ausgetauscht werden. Beim Lernen einer Merkmalskarte
können
beispielsweise die Merkmale an den Stützstellen in der Überlappungszone,
welche von einer Auswerteeinheit ermittelt wurden, mit den Merkmalen
an den gleichen Stützstellen,
welche von einer anderen Auswerteeinheit ermittelt wurden, derart
kombiniert werden, dass ein Mittelwert aus diesen Merkmalen gebildet
wird und jede Auswerteeinheit diesen Mittelwert an den entsprechenden
Stützstellen
der Merkmalskarte in dem ihr zugewiesenen Teilbereich verwendet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden eine oder mehrere Schnittstellen bereitgestellt, über welche
die Auswertungen der Auswerteeinheiten in geeigneter Weise von Nutzern
bzw. externen Rechner abgerufen werden können. Beispielsweise kann eine
solche Schnittstelle als zentraler Rechner ausgestaltet sein, wobei
die Auswertungen der Auswerteeinheiten unter Zwischenschaltung des
zentra len Rechners abgerufen werden können. Dabei kann der zentrale Rechner
beispielsweise eine Anfrage eines externen Rechners bezüglich der
Position eines bestimmten mobilen Objekts derart verarbeiten, dass
diese Anfrage an diejenige Auswerteeinheit weitergeleitet wird,
welche die Messungen in Bezug auf dieses mobile Objekt gerade auswertet.
Diese Auswerteeinheit kann dann die gewünschten Informationen direkt oder
unter Zwischenschaltung des zentralen Rechners an den externen Rechner übermitteln.
Ebenso besteht die Möglichkeit,
dass die Auswertungen der Auswerteeinheiten immer auch auf dem zentralen Rechner
abgespeichert werden, so dass die angefragte Information direkt
im zentralen Rechner zur Verfügung
gestellt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann der Abruf von Auswertungen auch dezentral erfolgen. Beispielsweise können die
Auswerteeinheiten ein Peer-to-Peer-Netz bilden,
wobei über
Anfragen an das Peer-to-Peer-Netz
mit an sich bekannten Mechanismen solcher Netze die angefragten
Auswertungen abgerufen werden können.
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Neben
dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein
Kommunikationsnetz zum rechnergestützten Verarbeiten von Messungen von
Merkmalen eines Funknetzes, wobei dieses Kommunikationsnetz eine
Mehrzahl von Basisstationen und ein oder mehrere mobile Objekte
umfasst. Die Mehrzahl von Basisstationen und das oder die mobilen
Objekte bilden dabei das Funknetz und im Betrieb des Funknetzes
werden für
ein jeweiliges mobiles Objekt Messungen durchgeführt, wobei jede Messung einer
Basisstation zugeordnet ist und ein Merkmal eines von dem jeweiligen
mobilen Objekt ausgesendeten Feldes an der zugeordneten Basisstation
und/oder eines von der zugeordneten Basisstation ausgesendeten Feldes
an dem jeweiligen Objekt beschreibt. Das Kommunikationsnetz umfasst eine
Mehrzahl von mit den Basisstationen vernetzten Auswerteeinheiten,
wobei jeder Auswerteeinheit ein oder mehrere Basisstationen des
Funknetzes zugeordnet sind. Das Kommunikationsnetz ist dabei derart
ausgestaltet, dass jede Variante des im Vorangegange nen beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahrens
in dem Kommunikationsnetz durchführbar ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten 1 detailliert beschrieben.
Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Funknetz mit
einer Mehrzahl von Basisstationen und einem mobilen Objekt, wobei
in dem Funknetz eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
durchgeführt
wird.
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1 zeigt
ein Funknetz basierend auf einem WLAN-Netz mit neun Basisstationen
AP1, AP2, ..., AP9 in der Form sog. Access-Points. Jede Basisstation beinhaltet
dabei eine entsprechende Antenne zum Empfang bzw. zum Aussenden
von Funksignalen innerhalb des WLAN-Netzes. In dem Funknetz bewegt
sich ein mobiles Objekt O, das ebenfalls eine entsprechende Antenne
aufweist, mit der Funksignale im Funknetz empfangen bzw. ausgesendet
werden können.
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In
der Ausführungsform
der 1 wird das Funknetz zur Lokalisation des mobilen
Objekts O verwendet. Hierzu wird das von dem mobilen Objekt O ausgesendete
Feld verwendet, welches von den jeweiligen Basisstationen in Reichweite
zum mobilen Objekt empfangen wird. Die einzelnen Basisstationen
messen dabei die Signalstärke
des Feldes des sich bewegenden mobilen Objekts O und basierend auf
mehreren gemessenen Signalstärken
verschiedener Basisstationen kann dann mit an sich bekannten Verfahren
die Position des mobilen Objekts O berechnet werden. Gegebenenfalls
können
die erfassten Messungen auch zum Lernen einer entsprechenden Karte
verwendet werden, welche für
eine Vielzahl von Stützstellen
im räumlichen
Bereich des Funkfelds jeweils angibt, welche Signalstärken bei den
einzelnen Basisstationen zu erwarten sind, wenn sich das mobile
Objekt an einer entsprechenden Stützstelle befindet.
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In
dem Szenario der 1 befindet sich das mobile Objekt
O an einer Position, in der die Basisstation AP1, AP2, AP3, AP4
und AP5 in Reichweite der Funksignale des Objekts O sind.
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Demgegenüber können die
Basisstationen AP6, AP7, AP8 und AP9 die Funksignale wegen eines
zu großen
Abstands vom Objekt O nicht empfangen. In 1 wird durch
entsprechende Doppelpfeile P1, P2, P3, P4 und P5 angedeutet, dass
sich die entsprechenden Basisstationen AP1, AP2, AP3, AP4 und AP5
in Funkreichweite zum mobilen Objekt O befinden. In herkömmlichen,
aus dem Stand der Technik bekannten Lokalisationsverfahren werden
die einzelnen Signalstärke-Messungen
in den Basisstationen AP1 bis AP5 an eine zentrale Auswerteeinheit gesendet,
welche anschließend
basierend auf bekannten Verfahren die Position des Objekts O bestimmt.
Dies hat den Nachteil, dass bei Ausfall der Auswerteeinheit alle
im Funknetz erfassten Informationen verloren gehen. Darüber hinaus
kann es zu Problemen bei Erweiterung des Funknetzes um neue Basisstationen
kommen, da dann unter Umständen aufgrund
der erhöhten
Anzahl an Messungen die Ressourcen in der zentralen Auswerteeinheit
zur Durchführung
der entsprechenden Berechnungen nicht mehr ausreichen.
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Zur
Umgehung der soeben beschriebenen Nachteile wird in der Ausführungsform
der 1 eine Vielzahl von Auswerteeinheiten verwendet,
welche mit Bezugszeichen AU1, AU2, ..., AU9 bezeichnet sind. Jede
dieser Auswerteeinheiten ist einer entsprechenden Basisstation AP1,
AP2, ..., AP9 zugeordnet. Die Auswerteeinheiten AU1 bis AU9 sind
dabei untereinander vernetzt, wobei die Vernetzung aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 nicht
angedeutet ist. Die Vernetzung kann dabei wiederum drahtlos über ein
entsprechendes WLAN-Netz oder auch über ein drahtgebundenes Netz,
beispielsweise in der Form eines LAN-Netzes, erreicht werden. In
diesem Netz ist ferner ein zentraler Rechner R integriert, wobei
die Vernetzung des Rechners mit den Auswerteeinheiten aus Übersichtlichkeitsgründen wiederum nicht
angedeutet ist. Die Funktion dieses Rechners R wird weiter unten
näher erläutert.
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In
der hier beschriebenen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Auswerteeinheit, welche die Signalstärken der in den Basisstationen
empfangenen Funksignale des Objekts O auswertet, über die
Assoziation des mobilen Objekts O mit einer der Basisstationen in
Funkreichweite des Objekts bestimmt. Das mobile Objekt O stellt dabei
einen Client in dem Funknetz dar, der sich zur Datenkommunikation
mit einer der Basisstationen in seiner Reichweite assoziiert. Bei
einer nachfolgenden Datenkommunikation kommuniziert der Client dann
nur mit der assoziierten Basisstation und die anderen Basisstationen
in Reichweite des Clients ignorieren die über das Funknetz übertragenen
Daten. Der Vorgang der Assoziation ist hinlänglich aus lokalen Funknetzen,
wie z. B. WLAN-Netzen bzw. DECT-Netzen, bekannt. Eine entsprechende
Assoziation findet auch in nicht-lokalen Funknetzen, beispielsweise
in Mobilfunknetzen, statt. Ist eine Assoziation eines mobilen Objekts
mit einer Basisstation vollzogen, können die restlichen Basisstationen
nicht mehr mit dem mobilen Objekt kommunizieren. Im Rahmen der Assoziation
ist dabei gewährleistet, dass
aktuell eine sehr gute Funkverbindung zwischen dem mobilen Objekt
O und der assoziierten Basisstation besteht.
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In
dem Szenario der 1 ist das mobile Objekt gerade
mit der Basisstation AP2 assoziiert, wie durch den Doppelpfeil AS
angedeutet ist. Wenn sich das Objekt O im Rahmen seiner Bewegung
von der Basisstation AP2 entfernt, erfolgt schließlich nach
einer vorgegebenen Zeit eine Assoziation des Objekts mit einer anderen
Basisstation, welche die Signale des mobilen Objekts O besser empfängt. In der
hier beschriebenen Ausführungsform
wird diejenige Auswerteeinheit, welche der gerade assoziierten Basisstation
zugeordnet ist, dazu ausgewählt,
die Auswertung von allen Basisstationen in Funkreichweite zum mobilen
Objekt O vorzunehmen. Das heißt,
in dem Szenario der 1 wird die Auswerteeinheit AU2
der Basisstation AP2 zum Auswerten der an den Basisstationen AP1,
AP2, AP3, AP4 und AP5 gemessenen Funksignale des mobilen Objekts
O bestimmt.
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Um
nunmehr zu erreichen, dass neben den Messungen der Basisstation
AP2 auch die gemessenen Signalstärken
der Basisstationen AP1, AP3, AP4 und AP5 zur Auswerteeinheit AU2
gelangen, verwaltet jede Basisstation eine Nachbarschaftsliste,
welche diejenigen Basisstationen in ihrer Nachbarschaft enthält, die
zu informieren sind, wenn sich die jeweilige Basisstation mit dem
mobilen Objekt O assoziiert. Die Nachbarschaftsliste kann dabei
beispielsweise durch einen bestimmten Radius um die jeweilige Basisstation
gegeben sein, wobei alle Basisstationen innerhalb des Radius in
der Nachbarschaftsliste enthalten sind. Der Radius entspricht dabei
z. B. der Funkreichweite des mobilen Objekts für die jeweilige Basisstation.
Ebenso kann der Radius größer als diese
Funkreichweite sein, z. B. doppelt so groß. In einer besonders bevorzugten
Variante wird die Nachbarschaftsliste einer entsprechenden Basisstation derart
erstellt, dass zu der Nachbarschaftsliste alle Basisstationen gehören, deren
Empfangsreichweitenbereich für
das mobile Objekt mit dem Empfangsreichweitenbereich der entsprechenden
Basisstation überlappt.
In der Ausführungsform
der 1 enthält die
Nachbarschaftsliste der Basisstation AP2, welche sich mit dem Objekt
O assoziiert hat, die Basisstationen AP1, AP3, AP4 und AP5 in Reichweite
des mobilen Objekts O. Basierend auf der Nachbarschaftsliste in
der Basisstation AP2 informiert dann diese Basisstation alle Basisstationen
aus der Nachbarschaftsliste über
die Assoziation mit dem mobilen Objekt O. Diese Information wird
in den Nachbarschaftslisten der anderen Basisstationen für den Eintrag
der Basisstation AP2 hinterlegt. Bei der Durchführung von Messungen sendet
dann jede der Basisstationen AP1 bis AP5 ihre Messungen an die Auswerteeinheit
AU2, welche der assoziierten Basisstation AP2 zugeordnet ist. Dies
geschieht dadurch, dass nach einer Messung die jeweilige Basisstation in
der Nachbarschaftsliste nachschaut, mit welcher Basisstation das
mobile Objekt assoziiert ist und anschließend die Messung an die der
assoziierten Basisstation zugeordnete Auswerteeinheit übermittelt.
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Tritt
nunmehr in dem Netz der 1 der Fall auf, dass sich das
mobile Objekt mit keiner Basisstation assoziiert (beispielsweise
weil das mobile Objekt keine Zugangsberechtigung zu dem Netz der
Basisstationen hat), können
die entsprechenden Nachbarschaftslisten auch zur Bestimmung einer
Auswerteeinheit auf andere Weise als basierend auf einer Assoziation verwendet
werden. Dies kann dadurch geschehen, dass die Stärke eines empfangenen Funksignals
des mobilen Objekts als Kriterium für die Auswahl einer Auswerteeinheit
herangezogen wird. Im Falle, dass eine Basisstation ein Signal eines
mobilen Objekts misst, überprüft die Basisstation
zunächst,
ob eine Basisstation aus ihrer Nachbarschaftsliste mit dem mobilen
Objekt assoziiert ist. Ist dies nicht der Fall, sendet die Basisstation
ihre gemessene Signalstärke
an alle Basisstationen aus der Nachbarschaftsliste. Auf diese Weise
werden zwischen den Basisstationen in Reichweite des mobilen Objekts
die entsprechend empfangenen Signalstärken der Basisstationen verteilt.
Unter diesen Basisstationen wird dann diejenige Basisstation ausgewählt, welche
das Signal des mobilen Objekts am stärksten empfangen hat. Diese
Basisstation bestimmt sich als ausgewählte Basisstation und gibt diese
Information an die Basisstationen in ihrer Nachbarschaftsliste weiter,
welche sich nachfolgend nicht mehr als ausgewählte Basisstationen bestimmen können. Durch
die Auswahl einer Basisstation wird dann diejenige Auswerteeinheit,
die der ausgewählten
Basisstation zugeordnet ist, für
die Auswertung der Messungen verantwortlich. Das heißt, die
Basisstationen, welche Messungen von dem mobilen Objekt empfangen,
senden diese Messungen nunmehr an die verantwortliche Auswerteeinheit.
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Um
in der Ausführungsform
des Verfahrens gemäß 1 einen
Zugriff von externen dritten Rechnern auf die verteilt in den einzelnen
Auswerteeinheiten ermittelten Auswertungen zu gewährleisten,
wird der mit den Auswerteeinheiten vernetzte Rechner R verwendet.
Dieser Rechner enthält
die entsprechende Information, welche Auswerteeinheit zu welchem
Zeitpunkt die Funksignale eines bestimmten mobilen Objekts ausgewertet
hat. Eine entsprechende Anfrage von einem externen Rechner kann
dann durch den zentralen Rechner R über den Abruf der Information
bei der entsprechenden Auswerteeinheit beantwortet werden.
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Das
im Vorangegangenen beschriebene erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe
von Vorteilen auf. Insbesondere skaliert das Verfahren bei der Hinzunahme
von weiteren Basisstationen, da dann auch weitere Auswerteeinheiten
zum Auswerten der Funksignale im Netz hinzukommen. Darüber hinaus
gehen bei Ausfall einer Auswerteeinheit nicht die gesamten Daten
im Netz verloren, da die Auswertung der Messungen auf eine Vielzahl
von Auswerteeinheiten verteilt ist. Das Verfahren kann für beliebige Auswertungen
von Merkmalen eines Funknetzes eingesetzt werden, insbesondere sowohl
zur Lokalisation eines mobilen Objekts als auch zur Generierung bzw.
zum Lernen einer Merkmalskarte. Dabei können für die Merkmalskarte entsprechende
Teilbereiche definiert werden, wobei jede Auswerteeinheit für einen
entsprechenden Teilbereich der Merkmalskarte zuständig ist.
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Literaturverzeichnis
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- [1] DE
10 2006 044 293 A1
- [2] B. Betoni Parodi, H. Lenz, A. Szabo, H. Wang, J. Horn,
J. Bamberger, D. Obradovic: "Initialization
and Online-Learning
of RSS Maps for Indoor/Campus Localization", PLANS 2006 – 2006 IEEE/ION
Position, Location and Navigation Symposium, San Diego, USA, pp
164–172
- [3] B. Betoni Parodi, H. Lenz, A. Szabo, J. Bamberger,
J. Horn: "Algebraic
and Statistical Conditions for Use of SLL", ECC 2007 – European
Control Conference 2007, Kos, Griechenland