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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Positionen und/oder Abstände mehrerer Endgeräte eines Kommunikationsnetzes. Insbesondere betrifft die Erfindung die kooperative und/oder schnelle Positions- und/oder Abstandsbestimmung der Endgeräte (Teilnehmer bzw. Knoten) eines mobilen oder drahtgebundenen Kommunikationsnetzes.
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In klassischen terrestrischen Kommunikationsnetzen (z. B. GSM oder UMTS) können die Positionen von Mobilfunkteilnehmern durch externe Navigationsinfrastruktur ermittelt werden, wie beispielsweise durch GPS oder Galileo. Darüber hinaus kann das Mobilfunknetz selbst dazu benutzt werden, die Position zu bestimmen. So sind zum Beispiel in sämtlichen aktuellen und in der Standardisierung befindlichen Mobilfunksystemen Verfahren zur Positionierung mittels Laufzeitbestimmung (Ranging) durch Korrelationsverfahren integriert. Jedoch agieren die Mobilfunkendgeräte im Allgemeinen unabhängig voneinander, d. h. sie ermitteln ihre Position ohne Kenntnis der Position benachbarter Mobilfunkendgeräte. Zwar sind in diesen Systemen durchaus Methoden spezifiziert, die einen direkten Austausch zwischen den Mobilfunkendgeräten erlauben würden (Ad-Hoc Modus). Allerdings sollen diese zunächst für Kommunikationsaspekte (z. B. Relaying) benutzt werden.
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In ”zentralistischen” Positionierungs-Ansätzen werden die von einem Mobilfunkendgerät gemessenen Daten zunächst ”an das Netz” geschickt, welches anschließend die Position des Mobilfunkendgerätes berechnet. Ähnliche Verfahren werden ebenso für drahtlose Sensornetze (Wireless Sensor Networks) untersucht. In der Literatur existieren dabei erste theoretische Untersuchungen über absolute Schranken für die Positionsgenauigkeit. Die entsprechenden Algorithmen zur Lösung des zentralistischen kooperativen Positionierungsproblems basieren auf stark idealisierten Annahmen, wie z. B. recht einfachen Fehlermodellen für die Ranging-Eigenschaften. Wichtige Effekte wie Mehrwegeausbreitung, NLoS und Interferenz werden nicht berücksichtigt.
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Falls eine zentralistische Infrastruktur nicht existiert oder die Anzahl der zu ortenden Geräte so groß wird, dass eine effiziente direkte Kommunikation mit dieser Infrastruktur nicht mehr möglich ist, werden im Allgemeinen dezentrale bzw. verteilte Ansätze favorisiert. Dabei tauschen einzelne Knoten Informationen mit ihren direkten Nachbarn aus, so dass die Positionsschätzung lediglich auf lokaler Information basiert. Es wurde auch schon eine Implementierung basierend auf Faktorgraphen vorgeschlagen. Dabei tauschen die Knoten in einem iterativen Verfahren sogenannte Messages miteinander aus, die Wahrscheinlichkeitsdichten über die geschätzte Position der jeweiligen Knoten enthalten. Dieses Verfahren ist jedoch sehr komplex, da die berechneten Wahrscheinlichkeitsdichten sehr genau nachgebildet werden müssen. Darüber hinaus kann dieser Ansatz für ungünstige geometrische Konstellationen der Knoten instabil sein oder keine eindeutige Lösung liefern. Es wurde bereits dezentrale kooperative Positionierung analysiert, wobei das resultierende nichtlineare Optimierungsproblem verteilt gelöst wurde.
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Neben den Positionierungsaspekten der kooperativen Navigation sind aber auch Kommunikationsaspekte von größter Wichtigkeit. Insbesondere bei dezentraler kooperativer Positionierung ist ein kontinuierlicher Austausch von Daten zwischen den einzelnen Knoten (Endgeräten) notwendig. Darüber hinaus müssen die Ranging-Messungen effizient organisiert werden. Der IEEE 802.15.4a Standard stellt zwar prinzipiell entsprechende Mechanismen für die Luftschnittstelle (Physical Layer) zur Verfügung (das System beruht auf der ”Short-Range Impulse-Radio Ultra-Wideband” Technologie, wobei die Übertragung von Daten und das Ranging in einer einzigen Rahmenstruktur integriert sind). Während die Kommunikation und das Ranging zwischen einigen wenigen Knoten damit noch gehandhabt werden kann, sind für eine größere Anzahl von Knoten viel effizientere Vielfachzugriffskonzepte notwendig. Mittels erster Analysen konnten entsprechende Zeitmultiplexverfahren für den IEEE 802.15.4a Standard (von koordiniertem bis zufälligem Zeitmultiplex) evaluiert werden, wobei Entscheidungskriterien unter anderem die Zuverlässigkeit der Ranging-Messungen oder die Geometrie sind.
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DE 10 2009 005 977 A1 beschreibt ebenfalls kooperierende Mobilfunkteilnehmer und ebenso eine Verteilung der Ressourcen in Abhängigkeit von den Anforderungen des Mobilfunkteilnehmers. Die einzig benannte Ressource ist die Sendeleistung, wobei hierbei das Sende-zu-Störleistung-Verhältnis (Signal-to-Noise-Ratio (SNR)) maßgeblich ist. Störleistung ist vornehmlich thermisches Rauschen, kann aber auch ein interferierendes Signal anderer Teilnehmer sein. Somit wird zusätzlich in
DE 10 2009 005 977 A1 ein Schutzabstand vorgeschlagen, um die Interferenz zu reduzieren. Dies hat wiederum die Verbesserung der Sende-zu-Störleistung zum Ziel.
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DE 10 2004 021 318 A1 sieht die Verwendung eines anderen Modulationsschemas als nach dem Standard vor, wobei deren Sendemaske eingehalten werden soll. Durch dieses Modulationsschema werden für dieses nicht verwendete Träger genutzt, welche somit außerhalb der eigentlichen Spezifikation liegen.
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Aufgabe der Erfindung ist die schnelle und damit effektive Positions- bzw. Abstandsbestimmung der Endgeräte (bzw. Knoten) eines Kommunikationsnetzwerks unter Verwendung eines kooperativen Ansatzes.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Positionen und/oder Abstände mehrerer Endgeräte eines Kommunikationsnetzes nach Anspruch 1 vorgeschlagen, die mehreren Gruppen zugeordnet sind, wobei jede Gruppe mindestens ein Endgeräte umfasst; die Merkmale einzelner Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird für die Positionsbestimmung bzw. für die Abstandsbestimmung der Endgeräte eines Kommunikationsnetzwerks ein bestimmtes Spektrum (Frequenzband) zur Verfügung gestellt, das von mehreren bzw. allen Endgeräten gemeinsam genutzt wird. Durch geschickte Wahl der Lage der Positionssignale innerhalb des zur Verfügung stehenden begrenzten Frequenzbandes der Energie und/oder der Bandbreite der Frequenzteilbänder ist eine effiziente und damit schnelle und genaue Bestimmung der relativen Positionen bzw. Abstände der auf mehrere Gruppen verteilten Endgeräte möglich. Pro Gruppe wird das gleiche Signal verwendet. Von Gruppe zu Gruppe sind die Unterträgerfrequenzen der Signale verschieden.
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Mit der Erfindung wird also das Ziel verfolgt, die Frequenzteilbänder möglichst am Rand des Gesamtfrequenzbandes liegend zu definieren. Dies ist nicht für alle Frequenzteilbänder möglich; daher wird die erfindungsgemäße Verschachtelungsstrategie als Kompromiss vorgeschlagen. Das Resultat wird aber im Allgemeinen besser für alle Teilnehmer und es kann Zeit eingespart werden, was für mobile Systeme wichtig ist.
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Die Frequenzteilbänder sollten einander nicht überlappen, um Interferenzen zu vermeiden. Nichtsdestotrotz kann man in bestimmten Situationen geringe Interferenzen tolerieren und somit eine Überlappung erlauben.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Frequenzteilbänder gleiche oder ungleiche Bandbreiten aufweisen, einander überlappen und/oder miteinander verschachtelt sind und/oder dass schmalbandigere Frequenzteilbänder vollständig oder teilweise innerhalb breitbandigerer Frequenzteilbändern liegen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Endgerät die Abtastfrequenz zur Beeinflussung des Energiebedarfs dieses Endgeräts variabel eingestellt wird (dynamische Anpassung).
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Durch die Erfindung kann die Abtastfrequenz an die zumindestens notwendige Abtastrate angepasst werden, und somit kann neben dem Energieverbrauch am Sender (durch die Signalleistung des zu übertragenden Signals) auch am Empfänger eine Beeinflussung des Energieverbrauchs erreicht werden. Dies kann somit neben der gewünschten Güte der notwendigen Genauigkeit mit einbezogen werden.
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Nach der Erfindung wird die Bandbreite des übertragenden Signals variiert. Diese Variation bringt auch eine (nämlich quadratische) Reduktion der CRLB (Cramer-Rao Lower Bound) mit sich. Die CRLB ist eine untere Grenze (= Lower Bound), die durch die Erfindung verringert wird. Desweiteren werden nach der Erfindung die genutzten Frequenzteilbänder so auf verschiedene Nutzer verteilt, dass alle davon wie gewollt profitieren.
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Ferner erfordert die Erfindung keine Spezifikationsänderungen. Die Frequenzbänder sind bedeutsamer in der Genauigkeit (Performance Metrik) der Positionierungsverfahren und dem trägt die Erfindung Rechnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für drahtgebundene und drahtlose Kommunikationsnetzwerke, wobei im letztgenannten Fall die Endgeräte des als Mobilfunksystem ausgeführten Kommunikationsnetzwerkes mobile Endgeräte sind. Ganz allgemein gilt, dass die Endgeräte, deren relative Position bzw. Abstand erfindungsgemäß bestimmt werden kann, Daten übertragen, bei denen es sich um von den Endgeräten ermittelte Messwerte, um Audio- oder um Videodaten handelt.
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Eine Optimierung von kooperativer Positionierung durch optimiertes Auswählen der Links wurde bereits vorgeschlagen (Optimum Link Selection, etc.). Dabei gehen die erwarteten Ranging-Fehler oder auch Kommunikationsaspekte (insbesondere Delay) auf den einzelnen Links mit in die Berechnung ein.
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Was die Signalstruktur angeht, ist die zu erwartende Varianz des Ranging-Fehlers, die im Allgemeinen durch die Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) abgeschätzt wird, direkt abhängig von dem Signalleistungs-zu-Rauschleistungsverhältnis (SNR) und der Bandbreite, dem Abstand der Unterträger und der Unterträgerkennzahl und somit davon, welche Unterträger belegt sind. In Systemen, die auf Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) beruhen, kann die CRLB für den Ranging-Fehler zwischen zwei Endgeräten z. B. mit
berechnet werden. Dabei sind
- – σ2 die Varianz eines weißen Gaußschen Rauschprozesses,
- – Δf 2 / SC der Abstand der Unterträger,
- – NUsed die Anzahl der aktuell belegten Unterträger,
- – Sk und Hk das gesendete Signal bzw. de Kanalkoeffizient auf dem k-ten Unterträger und
- – c0 ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale.
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Man sieht deutlich, dass es aus Positionierungs-Sicht von Vorteil ist, beim Signaldesign möglichst viel Energie in die Unterträger am Rand des Bandes einzubringen.
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Was jedoch noch nicht umgesetzt wurde und mit der Erfindung vorgeschlagen wird, ist die Anpassung der Signalstruktur für eine Verbesserung der kooperativen Positionierung für Systeme, die auf die gleiche Frequenzressource (Spektrum) zugreifen müssen, was insbesondere zur kooperativen Positionsbestimmung der mobilen Endgeräte eines Mobilfunknetzes angewendet werden kann.
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Im Vergleich zu bekannten Verfahren wird das Signaldesign bzw. das Zugriffsverfahren nach der Erfindung in einem kooperativen Positionierungssystem dynamisch an die aktuellen Verhältnisse angepasst. Optimierungskriterium kann dabei die CRLB sein, die in Abhängigkeit von belegten Unterträgern und den Eigenschaften des gesendeten Signals berechnet wird.
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Die Erfindung ist unter anderem durch ein oder mehrere der nachfolgenden Merkmale charakterisiert:
- – Das Verfahren funktioniert im statischen wie im dynamischen Fall.
- – Es ist anwendbar auch für andere Modulations- bzw. Zugriffsverfahren (z. B. CDMA, TDMA).
- – Das Verfahren funktioniert sowohl in zentralistisch organisierten Systemen als auch in Ad-Hoc- oder verteilten Systemen.
- – Das Verfahren gilt für verschiedene Typen von Kanälen (AWGN, Multipath) soweit durch entsprechende Kanalschätzverfahren ausreichende Kanalzustandsinformation vorhanden ist.
- – Ein weiteres Merkmal ist die Interferenz, d. h., die Mehrfachbelegung von Unterträgern. Sie kann u. U. geduldet werden (z. B. bei ausreichendem Abstand zwischen den jeweiligen Endgeräten) oder bei entsprechenden Maßnahmen um diese empfangsseitig zu kompensieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
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1 eine Basisstation und mehrere mobile Endgeräte eines Mobilfunksystems,
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2 Positionssignale im Zeit- und Frequenzbereich, wie sie erfindungsgemäß verschachtelt verwendet werden, wobei zwei Beispiele für die Verschachtelung gezeigt sind, und
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3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Leistungsfähigkeit der Erfindung.
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Die Teilnehmer 12, 14, 16 von in diesem Beispiel drei Gruppen 12', 14', 16' von Teilnehmern eines mehrere Basisstationen 10 aufweisenden Mobilfunksystems 18 wollen untereinander ihre Distanz bestimmen, um sich zu lokalisieren. Hierbei ist die genutzte Ressource, nämlich das Spektrum, begrenzt und kann für jeden Teilnehmer unter der Voraussetzung, dass sie bzw. es von jedem alleine genutzt werden kann, maximal genutzt werden. Allerdings ist, um eine gemeinsame optimale Entscheidung zu treffen, eine Abstimmung auf Basis verschiedener Kriterien zwischen den Teilnehmern nötig. Hierbei können Kriterien, wie die zu fordernde Positionsgenauigkeit, der mögliche Energieverbrauch und/oder die zeitliche Entscheidung relevant sein. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Performance aller Nutzer entsprechend den notwendigen Ressourcen und Kriterien zu optimieren.
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3 zeigt den gravierenden Performance Unterschied bei der Nutzung von sechs unterschiedlichen Verbindungen zwischen den Nutzern. Die Verbindungen unterscheiden sich nur in der Leistung des Rauschens, sind also z. B. äquivalent zum Abstand untereinander. 1. Die X-Achse (horizontale Achse) bezeichnet die jeweilige Verbindung zwischen zwei Endgeräten. Die vertikalen Balken beschreiben den resultierenden Positionierungsfehler aus dieser einen Verbindung. Der Fehler basiert auf der zur Verfügung gestellten Ressource (Bandbreite). Es wurden drei verschiedene Verfahren miteinander verglichen (Uniform 1 (gleichmäßig verteile Bandbreite) und 2 (linear ansteigende Bandbreite (daher wird die Performance für den mittleren Balken immer besser)), sowie Optimal (es wurden letztendlich sämtliche Verbindungen getestet)). Die Güte (Rauschlevel) der Verbindungen war unterschiedlich. Die drei horizontalen Linien beschreiben den Durchschnittswert der Performance gemittelt über alle sechs Verbindungen eines Verfahrens. Die einander zugeordneten horizontalen Linien (Durchschnittswerte der Performance) und die das jeweilige Verfahren charakterisierenden Balken sind jeweils gleich schraffiert. Die obere horizontale Linie zeigt den Durchschnittswert der Performance für das Verfahren Uniform 1, die mittlere horizontale Linie zeigt den Durchschnittswert der Performance für das Verfahren Uniform 2 und die unterste horizontale Linie zeigt den Durchschnittswert der Performance des Verfahrens Optimum. Das Kriterium war es, die Performance aller Verbindungen so zu optimieren, dass der Mittelwert möglichst klein ist. Dies ist beim Verfahren Optimum erreicht worden.
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Das zur Verfügung stehende Spektrum SF ist in 2 für zwei Verschachtelungsbeispiele oben gezeigt. Weiterhin zeigt 2 zwei Positionssignale SI1 und SI2, die in diesem Ausführungsbeispiel als SI-Funktionen ausgeführt sind, sowie die zugehörigen Signale im Frequenzbereich. Zu erkennen ist, dass die Energie der Positionssignale SI1 und SI2 in die Unterträger UT1SF1, UT2SF1 und UT1SF2, UT2SF1 an den Rändern der den SI-Signalen jeweils zugeordneten Frequenzteilbändern SF1, SF2 eingebracht ist.
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Anwendungen der Erfindung finden sich im Bereich der Innenbereichs-Lokalisierung mit verschiedenen kooperierenden und auch teilweise nicht kooperierenden Teilnehmern durch Radiosignale. Insbesondere die Optimierung der Ressource Spektrum unter der Bedingung, dass Zeit, Leistung und unterschiedliche Anforderungen benötigt werden, erlauben durch den verteilten Ansatz eine signifikante Verbesserung.
