DE102010023960A1

DE102010023960A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortsbestimmung

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Publication number: DE102010023960A1
Application number: DE102010023960A
Authority: DE
Inventors: Maksym Marchenko; Alejandro Ramirez; Dr. Schwingenschlögl Christian
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-12-22
Also published as: CN102947723A; WO2011157605A1; EP2548044A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station mittels eines modifizierten RTTDoA-Verfahrens, wobei für eine Bestimmung der Position der mobilen Station keine aufwändigen mathematischen Modellierungen, also insbesondere keine Trilaterationen und damit verbundene lineare Berechnungen, durchgeführt werden müssen. Stattdessen werden erfindungsgemäß Methoden eines Mustervergleichs angewandt, welche bezüglich der Rechenleistung einer Musterbestimmungseinheit erheblich geringere Anforderungen stellen. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Ortsbestimmung in geschlossenen Räumen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Verwendung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station mittels einer Vielzahl von Basisstationen.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Ortsbestimmung einer ersten Station mittels einer Mehrzahl von zweiten Stationen bekannt, die eine Messung einer Ausbreitungszeit eines drahtlos zwischen den Stationen übertragenen Signals vorsehen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden fallweise die erste Station als mobile Station, die zweite Station als Basisstation oder »Access Point« bezeichnet.
Bei den bekannten Verfahren zur Ortsbestimmung wird Gebrauch von einer Proportionalität der Ausbreitungszeit des Signals zu einer Entfernung der Stationen gemacht. Die Proportionalität beinhaltet einen Proportionalitätsfaktor, der in guter Näherung dem Wert für die Vakuumlichtgeschwindigkeit entspricht.
Aufgrund der Größe dieses Proportionalitätsfaktors wird eine extreme Genauigkeit zur Bestimmung der Signallaufzeit gefordert. Beispielsweise verursacht ein Fehler von lediglich einer Mikrosekunde in der Bestimmung der Signallaufzeit oder des Signallaufzeitunterschieds einen Fehler von 300 m in der Berechnung des Abstands.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Zeitunterschieds der Ankunft, in der Fachwelt auch als »Time Difference of Arrival« und im Folgenden abkürzend als TDOA bezeichnet, sieht eine Verwendung einer Sendestation und mehrere Empfangsstationen vor. Alle Stationen sind zeitlich so synchronisiert, dass die Ausbreitungszeit eines übertragenen Signals anhand des Zeitunterschieds bestimmt werden kann.
gemessen werden kann. Das durch die Sendestation ausgesendete Signal ist das gleiche, das zur Messung aller Entfernungen verwendet wird.
Ein weiteres bekanntes Verfahren, in der Fachwelt auch als »Round-Trip-Time of Flight« und im Folgenden abkürzend als RTT bezeichnet, sieht ein Hin- und Rücksignal gemäß dem im folgenden genannten Verfahren vor. Gemäß diesem Verfahren wird ein Hin-Signal von einer zweiten Station zu einer ersten Station gesendet. Nachdem die erste Station das Hin-Signal empfängt, antwortet die erste Station mit einem Rück-Signal an die zweite Station. Die zweite Station misst die Zeitdifferenz zwischen dem Sendezeitpunkt des Hinsignals und dem Zeitpunkt eines Eintreffens des Rücksignals und bestimmt daraus die Laufzeit. Bei der Bestimmung der Laufzeit ist zusätzlich eine interne Verarbeitungsverzögerung in der ersten Station zu berücksichtigen. Da keine Synchronisation erforderlich ist, ist die Komplexität des Systems in vorteilhafter Weise verringert.
Ein weiterer Vorteil des RTT-Verfahrens ist dass keine explizite Messung oder Zusammenarbeit von und mit der ersten Station erforderlich ist. Zur Bestimmung der Signallaufzeit werden nämlich üblicherweise Datenpakete unter Verwendung bekannter Kommunikationsprotokolle übertragen, welche von der Gegenseite automatisch beantwortet werden. Beispielsweise wird gemäß einem bekannten Protokoll WLAN (Wireless Local Area Network), welches auf dem Standard IEEE 802.11 basiert, von einer intrinsischen Eigenschaft des Standards IEEE 802.11 Gebrauch gemacht, dass jedes Datenpaket vom Empfänger unmittelbar durch ein bestätigendes Datenpaket (Acknowledge) quittiert wird.
In ähnlicher Weise unterstützen auch alternative Kommunikationsprotokolle eine derartige Quittierung, beispielsweise drahtlose Kommunikationsprotokolle wie ZigBee, Bluetooth, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), GSM (Global System for Mobile Communications), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) usw.
Zur Bestimmung der Laufzeit wird die Zeitdauer zwischen dem Hin- und Rücksignal gemessen und aus dieser Zeitdauer ein Abstand zwischen der initiierenden Station, beispielsweise der Basisstation, und der mobilen Station, beispielsweise ein PDA (Personal Digital Assistant), bestimmt. Aus der so bestimmten Laufzeit ergibt sich ein Abstand der mobilen Station zur Basisstation.
Für eine Bestimmung der Position der mobilen Station muss das genannte Verfahren nach den geometrischen Prinzipien z. B. einer Trilateration mit mindestens drei Basisstationen durchgeführt werden. Aus einer jeweiligen Laufzeit wird ein Abstand der mobilen Station zu einer jeweiligen Basisstation bestimmt. Mit den als bekannt vorauszusetzenden Ortskoordinaten der jeweiligen Basisstationen wird eine Ortsbestimmung der mobilen Station auf Basis einer Trilateration vorgenommen.
Gemäß einem weiteren herkömmlichen hybriden Verfahren, mit dem die Vorteile von TDoA genutzt und die Nachteile der Verwendung von RTT vermieden werden können, werden die Vorteile der Beschaffenheit von Funkkanälen genutzt, indem lediglich eine Basisstation direkt mit der mobilen Station kommuniziert, wobei die weitere in Reichweite befindliche Basisstationen dieser Kommunikation »zuhören«. Auf hybride Verfahren wird im Folgenden auch als RTTDoA-Verfahren (»Round Trip Time Difference of Arrival«) Bezug genommen.
Eine auf dieses RTTDoA-Verfahren gerichtete Patentanmeldung ist von der Anmelderin mit dem Titel »Verfahren und Vorrichtung zur Ortsbestimmung« unter der Anmeldenummer 10 2008 032 749.2 am 11.07.2008 beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegt worden.
Das genannte RTTDoA-Verfahren weist zwar den Vorteil auf, dass die gesamte Menge an erforderlichen Messungen gegenüber den voraus genannten Verfahren erheblich reduziert werden kann. Andererseits weist dieses Verfahren jedoch den Nachteil auf, dass ein erheblicher mathematischer Aufwand zur Bestimmung der Umgebung sowie der Position einer mobilen Station benötigt wird. Zudem ist eine Kenntnis der Position der Basisstationen erforderlich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Ort einer mobilen Station mittels einer Mehrzahl von Basisstationen derart zu bestimmen, dass eine aufwändige mathematische Modellierung der Umgebung weitgehend unterbleiben kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch, eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ortsbestimmung einer Station mittels einer Mehrzahl von Basisstationen umfasst ein Senden eines Signals; einen Empfang des Signals an mindestens einer Basisstation und ein Bestätigen des Signals nach dessen Empfang durch Senden eines Bestätigungssignals. Das Verfahren sieht weiterhin einen Empfang des Bestätigungssignals an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstationen sowie ein Erfassen einer jeweiligen zwischen dem Empfang des Signals und dem Empfang des Bestätigungssignals verstrichenen Zeitdauer an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstation vor. Anschließend erfolgt ein Bilden einer Gruppe von erfassten Zeitdauerwerten aus den jeweiligen erfassten Zeitdauern. Auf Basis dieser Gruppe von erfassten Zeitdauerwerten erfolgt eine Durchführung eines Musterabgleichs zwischen der Gruppe erfasster Zeitdauerwerte mit mindestens einer Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte, wobei die mindestens eine Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte einer voraus bestimmten Position der Station zugeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also ein RTTDoA-Verfahren vor, bei dem anhand erfasster Zeitdauerwerte eine Gruppe, z. B. ein Vektor gebildet wird. Dieser Vektor aus erfassten Zeitdauerwerten wird mit Hilfe eines Musterabgleichs mit gespeicherten Vektoren abgeglichen und anhand dieses Musterabgleichs eine Position der Station bestimmt.
Die gespeicherten Vektoren, also die Vektoren aus gespeicherten Zeitdauerwerten, sind einer jeweils voraus bestimmten Position der Station zugeordnet, wobei mehrere Positionen und deren zugehörige Vektoren aus Zeitdauerwerten beispielsweise im Rahmen einer Anlernphase bestimmt werden und die bestimmten Vektoren aus Zeitdauerwerten zusammen mit deren jeweiliger Position gespeichert werden.
Die vorgeschlagene Lösung nutzt die technischen Gegebenheiten von drahtlosen Kommunikationssystemen, indem lediglich eine Basisstation direkt mit der mobilen Station kommuniziert, wobei weiteren Basisstationen dieser Kommunikation »zuhören«, sobald sie in Reichweite sind.
Das Bestätigungssignal ist als Reaktion des Empfängers des Signals zu sehen. Das Bestätigungssignal ist daher nicht notwendigerweise an den ursprünglichen Absender des Signals gerichtet.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass für eine Bestimmung der Position der mobilen Station keine aufwändigen mathematischen Verfahren, also insbesondere keine Trilaterationen und damit verbundene lineare Berechnungen, durchgeführt werden müssen. Stattdessen werden erfindungsgemäß Methoden eines Mustervergleichs angewandt, welche bezüglich der Rechenleistung einer Musterbestimmungseinheit erheblich geringere Anforderungen stellen.
Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass keine Kenntnis der Position, also der Ortskoordinaten der jeweils eingesetzten Basisstationen erforderlich ist, welche bislang die Basis für eine Ortsbestimmung mittels Trilateration bildete.
Erfindungsgemäß ist lediglich in einer etwaigen Anlernphase eine Bestimmung einiger Vektoren von Zeitdauerwerten in einer Kommunikation der mobilen Station mit einer Mehrzahl von Basisstationen erforderlich, wobei jedem Vektor von Zeitdauerwerten die Position der Station zum Zeitpunkt der Erhebung des jeweiligen Vektors von Zeitdauerwerten zugeordnet werden muss.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Senden des Signals durch eine initiierende Basisstation vorgesehen. Ein Empfang des Signals erfolgt an der Station sowie an mindestens einer weiteren Basisstation. Eine Bestätigung des Signals nach dessen Empfang erfolgt von der Station durch Senden eines Bestätigungssignals. Das Verfahren sieht weiterhin einen Empfang des Bestätigungssignals an der Station und an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstationen vor. Gemäß dieser ersten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also eine Initiierung des Verfahrens von Seiten einer Basisstation vorgesehen.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Senden des Signals durch die Station bzw. mobile Station vorgesehen. Ein Empfang des Signals erfolgt an einer Basisstation, welche im weiteren Verlauf auch ein Bestätigungssignal senden wird, sowie an mindestens einer weiteren Basisstation, vorzugsweise mehreren Basisstationen, welche der weiteren Kommunikation lediglich »zuhören«. Eine Bestätigung des Signals nach dessen Empfang erfolgt durch die vorher erläuterte Basisstation durch Senden eines Bestätigungssignals. Das Verfahren sieht weiterhin einen Empfang des Bestätigungssignals an der Station und an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstationen vor. Gemäß dieser zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also eine Initiierung des Verfahrens von Seiten der Station vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 bis 3 ein Strukturbild zur schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahrens;
4 bis 20 ein Strukturbild zur schematischen Darstellung eines Ablauf des erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahrens;
21 ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer Basisstation;
22 ein Strukturbild zur schematischen Darstellung eines Verfahrens zur Ortsbestimmung einer mobilen Station.
1 bis 3 zeigen eine erste Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahrens. Das dabei zu Einsatz kommende Verfahren wird auch als »Round Trip Time Difference of Arrival«-Verfahren (RTTDoA) bezeichnet.
1 zeigt ein Senden eines Signals PACK durch eine das beispielhaft dargestellte Verfahren initiierende Basisstation BS_m. Das Signal PACK wird beispielsweise, jedoch nicht notwendigerweise, als Datenpaket PACK gesendet. Alternativ sind auch Signale PACK anderer Struktur verwendbar, insbesondere auch Analogsignale. In der folgenden Darstellung wird jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einer Gestaltung des Signals PACK als Datenpaket PACK ausgegangen.
Das Datenpaket PACK kann entweder ungerichtet, z. B. als Broadcast-Datenpaket, oder gerichtet kodiert sein. In letztem Fall ist in einem entsprechenden Feld des Datenpakets PACK eine mobile Station MS als Empfänger vermerkt. Die weiteren Basisstationen BS empfangen ebenfalls das Datenpaket PACK. Diese starten jeweils lokale interne – nicht dargestellte – Zeiterfassungseinrichtungen beim jeweiligen Empfang des Datenpakets PACK an der jeweiligen Basisstationen BS.
Gemäß 2 antwortet die mobile Station MS der Basisstation BS mit einem Bestätigungssignal ACK nach Empfang des Datenpakets PACK. Das Bestätigungssignal ist wie das Signal ACK als Datenpaket gestaltet.
Das Bestätigungssignal ACK wird ebenso durch die weiteren Basisstationen BS in deren Empfangsbereich erfasst, wobei die lokalen Zeiterfassungseinrichtungen der Basisstationen BS bei Empfang des Bestätigungssignals ACK gestoppt werden. Es wird also vorgeschlagen, dass Basisstationen BS, die derzeit nicht in eine Punkt-zu-Punkt-Übertragung einbezogen sind, dem Übertragungskanal »zuhören« und die Zeitdauer zwischen dem Empfang des Datenpakets PACK und der von der mobilen Station MS als Antwort gesendeten Bestätigungsnachricht ACK messen.
Zur Bestimmung der Position der Station MS aus den jeweiligen an den Basisstationen ermittelten Zeitdauern wurden bislang mathematische Lösungen vorgeschlagen, welche eine aufwändige Modellierung der Umgebung und Kenntnis der Position der Station MS vorsahen. Zudem war eine genaue Kenntnis der Position der jeweiligen Basisstationen erforderlich.
Die weitere Figurenbeschreibung erfolgt unter weiterer Bezugnahme auf die Funktionseinheiten von jeweils vorausgehenden Figuren. Identische Bezugszeichen in verschiedenen Figuren repräsentieren hierbei identische Funktionseinheiten.
Ein Zeitablaufdiagramm des RTTDoA-Verfahrens wird in Verbindung mit 3 erläutert. Ein Fortschreiten der Zeit ist in
3 von oben nach unten aufgetragen, sodass ältere Zeitpunkte weiter oben und jüngere Zeitpunkte weiter unten in 3 angeordnet sind.
Eine Basisstation BS_m bezeichnet die initiierende Basisstation, welche mit der mobilen Station MS kommuniziert. Eine gestrichelt dargestellte Linie bezeichnet die Signallaufzeit des Datenpakets PACK, das von der Basisstation BS_m zu der mobilen Station MS gesendet wird.
Eine jeweils durchgezogen dargestellte Linie stellt das Bestätigungssignal ACK in Form eines Datenpakets dar, das von der mobilen Station MS zu der Basisstation BS_m gesendet wird. Die weiteren Basisstationen BS_i, BS_j »hören den Kommunikationskanal ab«. Die Basisstation BS_i ist geometrisch näher an der Basisstation BS_m angeordnet, während die Basisstation BS_j weiter beabstandet ist.
3 stellt in einer vertikalen Richtung eine jeweilige verstrichene Zeitdauer ΔTBS_i, ΔTBS_j, ΔTBS_m an den Basisstationen BS_i, BS_j, BS_m dar. Die Basisstation BS_m sendet das Datenpaket PACK zu der mobilen Station MS. Das Paket löst die Zeiterfassungseinrichtungen der Basisstationen BS_i und BS_j aus.
Im Stand der Technik ist bekannt, eine Verarbeitungszeit T_process durch die mobile Station MS vor einer Beantwortung mit dem Bestätigungssignal ACK an die Basisstation BS_m zu berücksichtigen. Diese Verzögerung durch eine Verarbeitungszeit T_process ist um mehrere Größenordnungen größer als die Ausbreitungszeiten der Radiosignale.
Die durchgezogenen Linien zwischen der mobilen Station MS und den Basisstationen BS_i, BS_j weisen eine zu der gestrichelten Linie unterschiedliche Steigung auf.
Die verstrichenen Zeiten, die durch eine im Übrigen beliebige Basisstation BS gemessen werden, sind in 3 vertikal dargestellt.
4 bis 13 zeigen ausführliche Darstellungen zum erfindungsgemäßen RTTDoA-Ortsbestimmungsverfahren. In 4 bis 13 ist für eine Basisstation BS das Kurzzeichen AP mit einem jeweiligen Index gewählt.
4 zeigt, wie eine erste Basisstation AP₁ ein Signal PACK zu der mobilen Station MS sendet. Eine der Basisstation AP₁ zugeordnete – nicht dargestellte – Zeiterfassungseinrichtung wird zu Zeitpunkt des Sendens des Datenpakets PACK gestartet. Die Zeiterfassungseinrichtung wird gestoppt, wenn das entsprechende Bestätigungssignal ACK empfangen wurde. Aufgrund der Rundsendeeigenschaften des Funkmediums und der örtlichen Anordnung der Basisstationen in diesem Ausführungsbeispiel, ist die Basisstation AP₃ die erste, die das gesendete Paket empfängt. Zum Zeitpunkt dieses Empfangs startet die Basisstation AP₃ eine lokale – nicht dargestellte – Zeiterfassungseinrichtung.
5 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das durch die Basisstation AP₁ ausgesendete Datenpaket PACK an der mobilen Station MS eintrifft. Daraufhin bereitet die mobile Station MS eine Antwort, und zwar das Aussenden des Bestätigungssignals ACK als Antwort auf das Datenpaket PACK vor.
6 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das durch die Basisstation AP₁ ausgesendete Datenpaket PACK an der Basisstation AP₂ eintrifft. An der Basisstation AP₂ wird eine lokale – nicht dargestellte – Zeiterfassungseinrichtung gestartet.
7 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das durch die Basisstation AP₁ ausgesendete Datenpaket PACK an der Basisstation AP₅ eintrifft. An der Basisstation AP₅ wird eine lokale – nicht dargestellte – Zeiterfassungseinrichtung gestartet.
8 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das durch die Basisstation AP₁ ausgesendete Datenpaket PACK an der geometrisch am weitesten entfernten Basisstation AP₄ eintrifft. An der Basisstation AP₄ wird eine lokale – nicht dargestellte – Zeiterfassungseinrichtung gestartet.
Zu diesem Zeitpunkt haben nunmehr alle Basisstationen AP₂, ..., AP₅ das durch die Basisstation AP₁ gesendete Datenpaket PACK empfangen. Mittlerweile oder nach einer weiteren Zeitdauer ist die interne Verarbeitungszeit T_process in der mobilen Station MS abgelaufen und es wird ein Bestätigungssignal ACK (»Acknowledge«) an die Adresse der Basisstation AP₁ ausgesendet.
9 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das durch die mobile Station MS ausgesendete Bestätigungssignal ACK an der Basisstation AP₄ eintrifft, welche der mobilen Station MS geometrisch am nächsten ist. Die zu dem in 8 dargestellten Zeitpunkt gestartete Zeiterfassungseinrichtung der Basisstation AP₄ wird nun gestoppt.
10 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das Bestätigungssignalpaket ACK an der Basisstation AP₂ eintrifft. Die dortige lokale Zeiterfassungseinrichtung wird gestoppt.
11 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das Bestätigungssignal ACK an der Basisstation AP₁ eintrifft, worauf die dortige lokale Zeiterfassungseinrichtung gestoppt wird.
12 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das Bestätigungssignal ACK an der Basisstation AP₅ eintrifft. Die dortige lokale Zeiterfassungseinrichtung wird gestoppt.
13 zeigt einen Zeitpunkt, an dem das Bestätigungssignal ACK an der Basisstation AP₃ eintrifft, die in diesem Fall von der mobilen Station MS am weitesten entfernt ist. Die Zeiterfassungseinrichtung der Basisstation AP₃ wird gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt haben alle Basisstationen AP ihre Messungen beendet.
An jeder Zeiterfassungseinrichtung der jeweiligen Basisstation AP wird nun eine jeweils verstrichene Zeitdauer zwischen dem Start und dem Stopp der Zeiterfassungseinrichtung ermittelt.
Die gemessenen Zeitdauerwerte entsprechen aufgrund der komplexen Geometrie nicht direkt den Entfernungen, die der gemessenen Zeitdauer zugeordnet ist. Um auf Grundlage dieser Messungen zu der Position der mobilen Station MS zu gelangen, mussten gemäß dem Stand der Technik aufwändige mathematische Modellierungen angewendet werden.
Zum besseren Verständnis des zeitlichen Ablaufs zeigen 14 bis 20 zeitliche Ablaufdiagramme.
14 stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem die Basisstation BS_m die Übertragung zu der mobilen Station MS beginnt. Da die Basisstation BS_i einen kleineren Abstand von der Basisstation BS_m als die mobile Station MS aufweist, trifft das Datenpaket PACK zuerst an der Basisstation BS_i ein.
15 stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem das Packet PACK bei der mobilen Station MS angelangt ist.
16 stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem das Datenpaket PACK an der am entferntesten positionierten Basisstation BS_j eintrifft.
17 stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem die mobile Station MS nunmehr ein Bestätigungssignal ACK vorbereitet und abgesandt hat, welches zunächst an der am nähesten positionierten Basisstation BS_j eingetroffen ist.
18 stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem das Bestätigungssignal ACK an der Basisstation BS_m eintrifft. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Entfernung zwischen der mobilen Station MS und der Basisstation BS_m kleiner als die Entfernung zwischen der mobilen Station MS und der Basisstation BS_i.
19 stellt einen Zeitpunkt dar, zu dem das Bestätigungssignal ACK abschließend an der Basisstation BS_i eintrifft. Es wird auf die unterschiedlichen Steigungen der durchgezogenen Linie hingewiesen, die durch die räumliche Geometrie der teilnehmenden Stationen verursacht ist.
20 stellt in vertikalen Richtungen die Zeitdauerwerte ΔTBS_m, ΔTBS_i, ΔTBS_j dar, die durch die jeweils internen Zeiterfassungseinrichtungen der Basisstationen BS_m, BS_i, BS_j gemessen worden sind. Diese Informationen werden nun für die Ortsbestimmung der Station MS verwendet.
Hierzu werden beispielsweise die an den weiteren Basisstationen BS_i, BS_j erfassten Zeitdauerwerte ΔTBS_i, ΔTBS_j an die initiierende Basisstation BS_m übermittelt.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist unter Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel eine Kenntnis des Zeitdauerwerts ΔTBS_m, also der zur Erfassung einer zwischen dem Senden des Signals PACK durch die initiierende Basisstation BS_m und dem Empfang des Bestätigungssignals ACK an der initiierenden Basisstation BS_m verstrichene Zeitdauer ΔTBS_m, nicht unbedingt erforderlich für die Positionsbestimmung der Station MS.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist unter Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel die Bestimmung der Verarbeitungszeit T_process in der Station MS nicht erforderlich für die Bestimmung der Position der Station MS, wie weiter unten erläutert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, anhand der erfassten Zeitdauerwerte ΔTBS_m, ΔTBS_i, ΔTBS_j eine Gruppe, z. B. einen Vektor zu bilden. Dieser Vektor aus erfassten Zeitdauerwerten ΔTBS_m, ΔTBS_i, ΔTBS_j wird mit Hilfe eines Musterabgleichs mit gespeicherten Vektoren abgeglichen und anhand dieses Musterabgleichs eine Position der Station bestimmt.
Die gespeicherten Vektoren, also die Vektoren aus gespeicherten Zeitdauerwerten ΔTBS_m, ΔTBS_i, ΔTBS_j, sind einer voraus bestimmten Position der Station zugeordnet, die beispielsweise im Rahmen einer Anlernphase bestimmt werden.
Im Rahmen einer etwaigen Anlernphase wird die Station MS zum Beispiel auf einer Mehrzahl von Kalibrierungspunkten mit jeweils vorbestimmter Position und jeweils bekannten Ortskoordinaten positioniert. An den jeweiligen Kalibrierungspunkten wird im Rahmen der der Anlernphase ein analoges RTTDoA-Verfahren durchgeführt, wobei die mit Hilfe dieses RTTDoA-Verfahrens jeweils ermittelten Vektoren der Zeitdauerwerte jeweils zusammen mit der bekannten Position des jeweiligen Kalibrierungspunkte gespeichert werden, an dem diese mit der Station ermittelt wurden. Mit anderen Worten ist nach Abschluss der Anlernphase jedem gespeicherten Vektor von Zeitdauerwerte eine Position zugeordnet.
Gemäß einer zweiten Alternative kann eine Zuordnung des jeweiligen Vektors von Zeitdauerwerten zur Position der Station auch in der Weise erfolgen, dass die Station der Reihe nach an weitgehend beliebigen Orten positioniert wird, an einem jeweiligen Ort eine Bestimmung des Vektors nach dem RTTDoA-Verfahren erfolgt und an diesem jeweiligen Ort auch die tatsächliche Position der Station mit Hilfe eines parallelen Ortsbestimmung (z. B. Vermessung, GPS, Extrapolation aus bekannten Koordinaten usw.) ermittelt wird.
Die Ortskoordinaten für die jeweilige tatsächliche Position der Station sind in der Anlernphase gemäß der oben genannten ersten Alternative vor der Bestimmung des Vektors in der Musterbestimmungseinheit definiert und gespeichert worden, so dass in der Anlernphase die Station der Reihe nach an vordefinierten Kalibrierungspunkten zu positionieren ist.
Gemäß der oben genannten zweiten Alternative werden die Ortskoordinaten alternativ für die jeweilige tatsächliche, durch Parallelortsbestimmung ermittelte Position nach Bestimmung des Vektors an die Musterbestimmungseinheit übermittelt und dort gespeichert.
Eine solche Anlernphase ist dann entbehrlich, wenn die Räumlichkeiten vorher bekannt sind und die gespeicherten Vektoren mit zugehöriger Position schon im Auslieferungszustand der initiierenden Basisstation gespeichert sind.
Im Folgenden wird erläutert, wie eine Durchführung des Musterabgleichs zwischen der Gruppe bzw. dem Vektor erfasster Zeitdauerwerte mit mindestens einem Vektor gespeicherter Zeitdauerwerte zur Bestimmung einer Position der Station MS durchgeführt wird.
Beispielsweise, jedoch nicht notwendigerweise, wird dieser Musterabgleich an der initiierenden Basisstation BS_m als Sender des Signals PACK vorgenommen. An dieser Basisstation BS_m liegt vorzugsweise auch die Gruppe bzw. der Vektor erfasster Zeitdauerwerte aller weiteren Basisstationen BS_i, BS_j vor.
Nachdem gemäß den obigen Ausführungen alle Zeitdauerwerte ΔTBS_i, ΔTBS_j der übrigen Basisstationen ermittelt wurden, wird eine Gruppe bzw. ein Vektor von erfassten Zeitdauerwerten aus den jeweiligen erfassten Zeitdauern der übrigen Basisstationen gebildet.
Eine – nicht dargestellte – Musterabgleichseinheit, welche beispielsweise der initiierenden Basisstation BS_m zugeordnet ist, führt nun den Musterabgleich mit dem Vektor gespeicherter Zeitdauerwerte, auch »Kalibrierungsvektor« genannt, welcher innerhalb der Anlernphase einer bestimmten Position der Station MS zugeordnet wurde, durch.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Musterabgleichs wird ein Abgleich auf Basis eines »Maximum-Likelihood«-Algorithmus durchgeführt.
Dabei ist eine jeweilige Subtraktion zwischen dem Vektor aus erfassten Zeitdauerwerten und einem jeweiligen Vektor aus gespeicherten Zeitdauerwerten vorgesehen. Das Verfahren wird nacheinander mit dem Vektor aus erfassten Zeitdauerwerten und jedem jeweiligen Vektor aus gespeicherten Zeitdauerwerten durchgeführt, wobei sich ein jeweiliger Ergebnisvektor als Ergebnis der jeweiligen Subtraktion ergibt.
Die einzelnen Komponenten eines jeweiligen Ergebnisvektors werden sodann unter Anwendung eines Root-Mean-Square-Berechnungsverfahrens in eine jeweilige skalare Ergebnisgröße addiert. Die jeweilige skalare Ergebnisgröße wird dabei mit allen anderen skalaren Ergebnisgröße verglichen.
Die kleinste skalare Ergebnisgröße ergibt sich dabei dann, wenn die zu bestimmende Position der Station MS am nächsten zu einer während der Anlernphase gespeicherten Position liegt. In diesem Fall entspricht die anhand des Vektors gespeicherter Zeitdauerwerte (Kalibrierungsvektor) gespeicherte Position in guter Näherung der zu bestimmenden Position der Station MS. Eine Verfeinerung der Positionsbestimmung wird durch eine Extrapolation zwischen den Kalibrierungsvektoren vorgenommen, welche dem Vektor erfasster Zeitdauerwerte am ähnlichsten sind.
In alternativen Ausführungsformen der Erfindung werden Verfahren neuronaler Netzwerke zur Durchführung des Musterabgleichs angewandt.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Erfassung des Zeitdauerwertes ΔTBS_m der initiierenden Basisstation BS_m nicht erforderlich, da eine entsprechende Anzahl an Vektoren aus erfassten Zeitdauerwerten der weiteren Basisstationen ausreichen.
Weiterhin ist eine Erfassung der Verarbeitungszeit T_process gemäß 17 ff. nicht notwendig, da diese lediglich eine Konstante zwischen der Übertragungszeit auf der initiierenden Basisstation BS_m und der Übertragungszeit an der Station MS darstellt, die bei der erwähnten Subtraktion zwischen dem Vektor aus erfassten Zeitdauerwerten und einem jeweiligen Vektor aus gespeicherten Zeitdauerwerten eliminiert werden würde.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Kenntnis der genauen Position der eingesetzten Basisstationen BS_i, BS_j, BS_m entbehrlich, da zu Gunsten des erfindungsgemäßen Musterabgleichs eine Berechnung der geometrischen Verhältnisse entfallen kann.
Dieses Musterabgleichsverfahren eignet sich insbesondere für Szenarien, in denen keine direkte Sichtlinie (Line of Sight, LOS) zwischen einigen oder allen Basisstationen und der Station besteht. Dies ist insbesondere in typischen »Indoor«-Szenarien oder im städtischen Umfeld der Fall.
Durch den Wegfall der mathematischen Modellierung der Umgebung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in örtlichen Situationen, bei denen starke Reflexionen der ausgetauschten Signale vorliegen, also z. B. in der Umgebung von umfangsreichen Wassermengen oder in einer industriellen Produktionsumgebung, bei der typischerweise viele reflektierende Metallgegenstände vorliegen.
Die Figurenbeschreibung erläutert eine Implementierung anhand einer ersten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, gemäß der eine Initiierung des Verfahrens von Seiten einer Basisstation vorgesehen.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Senden des Signals durch die Station bzw. mobile Station vorgesehen. Ein Empfang des Signals erfolgt an einer Basisstation, welche im weiteren Verlauf auch ein Bestätigungssignal senden wird, sowie an mindestens einer weiteren Basisstation, vorzugsweise mehreren Basisstationen, welche der weiteren Kommunikation lediglich »zuhören«. Eine Bestätigung des Signals nach dessen Empfang erfolgt durch die vorher erläuterte Basisstation durch Senden eines Bestätigungssignals. Das Verfahren sieht weiterhin einen Empfang des Bestätigungssignals an der Station und an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstationen vor. Gemäß dieser zweiten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also eine Initiierung des Verfahrens von Seiten der Station vorgesehen.
21 zeigt schematisch eine Basisstation BS_m, auf der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann. Die Basisstation BS_m weist hierzu die bereits erwähnte Zeiterfassungseinrichtung 110 sowie eine Musterbestimmungseinheit 120 auf.
In der 22 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Ortsbestimmung einer mobilen Station schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 210 werden zwei Signale PACK, ACK zwischen einer m-ten Basisstation BS_m und der mobilen Station MS ausgetauscht. Mittels der Zeiterfassungseinrichtungen 110 werden in einem zweiten Schritt 220 die Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale PACK, ACK jeweils an allen weiteren Basisstationen erfasst. Im dritten Schritt 230 wird schließlich mittels der Musterbestimmungseinheit 120 der Ort der mobilen Station MS mittels der erfassten Zeitdauern bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich neben einer Ortsbestimmung in geschlossenen Räumen auch für die Ortsbestimmung außerhalb geschlossener Räume, da in diesem Fall in der Regel gewährleistet ist, dass sich keine Hindernisse zwischen den Stationen befinden, die die Übertragung zwischen den Stationen stören könnte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard IEEE 802.11 [0008]
Standards IEEE 802.11 [0008]

Claims

Verfahren zur Ortsbestimmung einer Station (MS) mittels einer Mehrzahl von Basisstationen (BS_i, BS_j, BS_m), umfassend, a) Senden eines Signals (PACK); b) Empfang des Signals (PACK) an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstation (BS_i, BS_j); c) Bestätigen des Signals (PACK) nach dessen Empfang durch Senden eines Bestätigungssignals (ACK); d) Empfang des Bestätigungssignals (ACK) an mindestens einer der Mehrzahl von Basisstationen (BS_i, BS_j, BS_m); e) Erfassen einer jeweiligen zwischen dem Empfang des Signals (PACK) und dem Empfang des Bestätigungssignals (ACK) verstrichenen Zeitdauer an mindestens einer der Basisstationen (BS_i, BS_j); f) Bilden einer Gruppe von erfassten Zeitdauerwerten aus den jeweiligen erfassten Zeitdauern, g) Durchführen eines Musterabgleichs zwischen der Gruppe erfasster Zeitdauerwerte mit mindestens einer Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte, wobei die mindestens eine Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte einer voraus bestimmten Position der Station (MS) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a1) dass das Signal durch eine initiierende Basisstation (BS_m) gesendet wird, b1) dass das Signal (PACK) zusätzlich an der Station (MS) empfangen wird; c1) dass das Signal (PACK) nach dessen Empfang an der Station (MS) durch Senden eines Bestätigungssignals (ACK) von der Station (MS) bestätigt wird; d1) dass des Bestätigungssignals (ACK) zusätzlich an der Station (MS) empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a1) dass das Signal durch die Station (MS) gesendet wird, c1) dass das Signal (PACK) nach dessen Empfang an einer der Basisstationen (BS_m) durch Senden eines Bestätigungssignals (ACK) von der besagten Basisstation (BS_m) bestätigt wird; d1) dass des Bestätigungssignals (ACK) zusätzlich an der Station (MS) empfangen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch, mittels einer der Basisstation (BS_i, BS_j) zugeordneten Zeiterfassungseinrichtung erfolgendes Erfassen des Zeitdauerwerts zwischen dem Empfang des Signals (PACK) und Empfang des Bestätigungssignals (ACK).
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Musterabgleich ein Maximum-Likelihood-Verfahren angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Musterabgleich ein Neuronales-Netzwerk-Verfahren angewandt wird.
Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer Station (MS), mit – einer initiierenden Basisstation (BS_m) zum Aussenden eines Signals (PACK); – der mobilen Station (MS) zum Empfang des Signals (PACK) und zur Bestätigen des Signals (PACK) nach dessen Empfang mittels eines Bestätigungssignals (ACK); – mindestens einer weiteren Basisstation (BS_i, BS_j) zum Empfang des Signals (PACK) sowie zum Empfang des Bestätigungssignals (ACK), jeweils umfassend eine Zeiterfassungseinrichtung (110) zur Erfassung einer zwischen dem Empfang des Signals (PACK) und dem Empfang des Bestätigungssignals (ACK) an der weiteren Basisstation (BS_i, BS_j) verstrichenen Zeitdauer; – einer Musterbestimmungseinheit (120) zur Bildung einer Gruppe von erfassten Zeitdauerwerten aus den jeweiligen erfassten Zeitdauern und weiterhin eingerichtet zum Musterabgleich zwischen der Gruppe erfasster Zeitdauerwerte mit mindestens einer Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte, wobei die mindestens eine Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte einer voraus bestimmten Position der Station (MS) zugeordnet ist.
Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer Station (MS), mit – der mobilen Station (MS) zum Aussenden eines Signals (PACK); – einer Basisstation (BS_m) zum Empfang des Signals (PACK) und zur Bestätigen des Signals (PACK) nach dessen Empfang mittels eines Bestätigungssignals (ACK); – mindestens einer weiteren Basisstation (BS_i, BS_j) zum Empfang des Signals (PACK) sowie zum Empfang des Bestätigungssignals (ACK), jeweils umfassend eine Zeiterfassungseinrichtung (110) zur Erfassung einer zwischen dem Empfang des Signals (PACK) und dem Empfang des Bestätigungssignals (ACK) an der weiteren Basisstation (BS_i, BS_j) verstrichenen Zeitdauer; – einer Musterbestimmungseinheit (120) zur Bildung einer Gruppe von erfassten Zeitdauerwerten aus den jeweiligen erfassten Zeitdauern und weiterhin eingerichtet zum Musterabgleich zwischen der Gruppe erfasster Zeitdauerwerte mit mindestens einer Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte, wobei die mindestens eine Gruppe gespeicherter Zeitdauerwerte einer voraus bestimmten Position der Station (MS) zugeordnet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, gekennzeichnet durch, die Musterbestimmungseinheit (120) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.