DE102017110704A1

DE102017110704A1 - Anordnung und Verfahren zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem

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Publication number: DE102017110704A1
Application number: DE102017110704.5A
Authority: DE
Inventors: Bastian Lindner; Niko Joram; Frank Ellinger
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Der Erfindung, welche eine Anordnung und Verfahren zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem (1) betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, mit welcher eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Positionsbestimmung unter Nutzung vorhandener Kommunikationssysteme (1) erreicht wird. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass zwischen der Antenne (6) und der Sende-Empfangs-Anordnung (9) der mobilen Kommunikationsanordnung (3) eine ein breitbandiges Positionsbestimmungssignal (S_FMCW) in ein schmalbandiges Signal (S_IF) umsetzende Anordnung zur Signalumsetzung (5) angeordnet ist. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass eine Umsetzung der breitbandigen Positionsbestimmungssignale (S_FMCW) in schmalbandige Signale (S_IF) vor der Positionsbestimmung für die mobile Kommunikationsanordnung (3) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem, wobei das Kommunikationssystem mehrere Sender zum Aussenden von Positionsbestimmungssignalen und eine mi1t einer Antenne verbundene mobile Kommunikationsanordnung umfasst, wobei die mobile Kommunikationsanordnung eine Sende-Empfangs-Anordnung zum Empfangen der Positionsbestimmungssignale und einen Signalverarbeitungsteil zur Durchführung einer Positionsbestimmung aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem, wobei mittels mehrerer Sender mehrere breitbandige Positionsbestimmungssignale bereitgestellt werden, aus welchen in einem Signalverarbeitungsteil einer mobilen Kommunikationsanordnung eine Bestimmung einer Position für die mobile Kommunikationsanordnung, welche an der Person oder dem Gerät befestigt ist.
Eine Bestimmung eines Standorts einer Person oder eines Gerätes ist beispielsweise innerhalb von Produktionshallen, Bürogebäuden, Einkaufszentren oder Krankenhäusern sehr vorteilhaft und erleichtert die Koordination von Personal und/oder Ressourcen. Neben einer Bestimmung eines Standorts einer Person, welche ein zur Standortbestimmung geeignetes Gerät bei sich trägt, kann beispielsweise auch der Standort von mobilen Geräten wie beispielsweise einem Gabelstapler oder autonomen Systemen in der Produktion oder der Logistik ermittelt werden. Eine derartige Bestimmung eines Standorts wird auch als Positionsbestimmung oder Lokalisierung bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik sind zur Positionsbestimmung von Objekten wie Personen oder Geräten beispielsweise innerhalb von Gebäuden mehrere Ansätze bekannt:
Ein erster Ansatz besteht darin, eine Messung der Signalstärke eines Empfangssignals in einem mobilen Empfänger eines vorhandenen Kommunikationssystems vorzunehmen. Vorgesehen ist es hierbei, dass die zu lokalisierende Person oder das Gerät mit einer Anordnung ausgestattet wird, welche zumindest den benötigten mobilen Empfänger beinhalte.
Im Ergebnis beispielsweise einer oder mehrerer derartiger Messungen der Signalstärke wird eine Ermittlung einer Entfernung des Empfängers von einem Sender mit einem bekannten Standort durchgeführt. Außerdem kann auch eine Position des Empfängers, beispielsweise mit seiner X- und Y-Koordinate innerhalb eines Gebäudes bestimmt werden. Alternativ kann natürlich auch eine Bestimmung seiner X-, Y- und Z-Koordinaten erfolgen.
Eine derartige Messung einer Signalstärke in einem Empfänger wird beispielsweise in einer unter https://www.airistaflow.com/wp-content/uploads/2016/07/AiRISTAFLow_Ekahau_RTLS_A4_DS.pdf veröffentlichten Lösung des Anbieters Ekahau mit dem Produktnamen „Airistaflow“ umgesetzt. Diese Lösung ist für den Einsatz in vorhandenen WLAN-Netzten vorgesehen und ermöglicht eine Lokalisierung von Personen innerhalb eines Gebäudes wie einem Krankenhaus. Zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Lokalisierung einer Person kann das System auch eventuell in der Umgebung des Gebäudes vorhandene Infrarot-Sender in Kombination mit dem WLAN-Netzten nutzen. Das Gerät ermöglicht außerdem eine Übertragung eines Notrufs oder einer anderen Information.
Einen zweiten Ansatz stellen spezielle Module oder Geräte für eine Positionsbestimmung dar. Hierfür muss eine komplette Basisbandbaugruppe mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit in einem derartigen Modul oder Gerät realisiert werden. In einigen Kommunikationsgeräten ist eine derartige komplette Basisbandbaugruppe bereits vorhanden und kann somit meist auch für die Lokalisierung von Personen oder Geräten genutzt werden.
Beispielsweise der Hersteller Symeo vertreibt Module, mit welchen eine auf einem FMCW-Signal beruhende Positionsbestimmung von Personen oder Geräten durchgeführt werden kann. Derartige Produkte werden unter https://www.symeo.com/de/produkte/positionssensoren/index.html angeboten.
Eine Übersicht bestehender Systeme zur Positionsbestimmung sowie zu Verfahren und Algorithmen zur Positionsbestimmung sind unter http://www.tfh-wildau.de/sbruntha/Material/ON/TM15/Referat-IndoorOrtung_tm15.pdf veröffentlicht.
In dieser Beschreibung soll beispielsweise das sogenannte TDoA-Messverfahren (Time Difference of Arrival) zur Positionsbestimmung verwendet werden. Hierfür ist es beispielsweise vorgesehen, dass für eine zweidimensionale Lokalisierung (2D-Lokalisierung mit X-Koordinate und Y-Koordinate) einer Person oder eines Geräts sogenannte Positionsbestimmungssignale von drei oder mehr Sendern, welche beispielsweise sogenannte Basisstationen in einem WLAN-Netz sein können, mittels einer mobilen Kommunikationsanordnung empfangen werden, wobei die Basisstationen zur Lokalisierung FMCW-Signale in Form von Frequenzrampen senden. Die mobile Kommunikationsanordnung weist einen zum Empfang der Positionsbestimmungssignale geeigneten Empfänger auf und wird von der zu lokalisierenden Person getragen oder ist an dem zu lokalisierenden Gerät, Fahrzeug usw. befestigt.
Die mobile Kommunikationsanordnung verfügt auch über ein entsprechendes Mittel zur Auswertung der Positionsbestimmungssignale und zur Positionsbestimmung beispielsweise nach dem TDoA-Messverfahren. Ein derartiges Mittel kann eine programmierbare Datenverarbeitungseinheit wie ein Prozessor oder eine entsprechende Logikeinheit, also beispielsweise ein Field Programmable Gate Array (FPGA), sein. Das Mittel zur Auswertung der Positionsbestimmungssignale ist in der Lage, die Zeitdifferenzen der eintreffenden Positionsbestimmungssignale zueinander zu ermitteln und kann auf der Grundlage dieser Zeitdifferenzen mehrerer Positionsbestimmungssignale seine Position (X- und Y-Koordinate), beispielsweise mittels einer Multilateration bestimmen. Nach dem TDoA-Messverfahren entspricht eine Zeitdifferenz der Zeit, welche zwischen dem Eintreffen zweiter FMCW-Signale zweier Sende- oder Basisstationen im Empfänger vergeht. Ein Vorteil des TDoA-Messverfahrens liegt insbesondere darin, dass eine Zeitsynchronisation nur in den Sende- oder Basisstationen notwendig ist, in welchen die Erzeugung der Positionsbestimmungssignale zeitlich synchron erfolgen muss.
Zur Realisierung einer FMCW-Lokalisierung in einer mobilen Kommunikationsanordnung ist mindestens ein HF-Frontend mit interner Frequenzrampengenerierung notwendig. Außerdem muss eine Bestimmung der Frequenzanteile in einem heruntergemischten Signal, beispielsweise mittels einer schnellen Fourier-Transformation (englisch fast Fourier transform, FFT), durchgeführt werden und ein Algorithmus zur Interpolation der Positionen, wie beispielsweise ein Partikelfilter, vorhanden sein.
Eine weitere Anforderung besteht darin, dass das Kommunikationssystem einen möglichst verzerrungsarmen Empfangspfad für analoge Signale besitzen muss.
Vorhandene Kommunikationssysteme, welche in der vorliegenden Erfindung für eine Positionsbestimmung von Personen oder Geräten genutzt werden können sind beispielsweise:

• WLAN Transceiver
• Bluetooth Low Energy
• 5G-Technologie-Geräte
• Radio-Receiver

Als ein Beispiel für einen WLAN Transceiver kann eine WLAN/Bluetooth IC-Lösung von Cypress vom Typ CYW4343W1 angegeben werden. Siehe auch http://www.mouser.com/ds/2/100/002-15416_CYW4343W1_Single_Chip_ IEEE_802.11_b_g_n_-1077095.pdf.
Als Beispiel für den Bluetooth Low Energy Standard kann ein IC von dialog Semiconductor angegeben werden, welcher unter http://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/da14580_ds_3v4.pdf beschrieben ist.
Die Nachteile des bekannten Standes der Technik liegen beim ersten Ansatz mit einer Messung der Signalstärke eines Empfangssignals in einem Empfänger darin, dass eine derartige Positionsbestimmung nur in Gebäuden mit wenig veränderlichen Objekten funktioniert. Außerdem ist diese Methode der Positionsbestimmung verglichen mit einer breitbandigen laufzeitbasierten FMCW-Lokalisierung sehr ungenau.
Die Nachteile des bekannten Standes der Technik beim zweiten Ansatz mit speziellen Modulen liegen in den hohen Kosten und einem erhöhten Platzbedarf im Gerät, da die Signalverarbeitung meist doppelt, also beispielsweis einmal für ein Nutzsignal und einmal für ein Positionsbestimmungssignal, ausgeführt sein muss.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem anzugeben, womit eine einfache, kostengünstige und zuverlässige Positionsbestimmung unter Nutzung vorhandener Kommunikationssysteme erreicht wird.
Insbesondere ist eine empfängerseitige Aufbereitung eines Positionsbestimmungssignals mit einer FMCW-Modulation in vorhandenen Kommunikationssystemen vorgesehen, wobei der Empfänger in oder am zu lokalisierenden Objekt wie einer Person oder einem Gerät angeordnet ist.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Mittels der vorliegenden Erfindung soll eine genaue Positionsbestimmung von Objekten wie Personen oder Geräten unter Verwendung einer bestehenden Kommunikationsinfrastruktur oder eines vorhandenen Kommunikationssystems ermöglicht werden. Diese Positionsbestimmung kann insbesondere innerhalb von Gebäuden wie beispielsweise Produktionshallen, Bürogebäuden, Einkaufszentren oder Krankenhäusern durchgeführt werden. Als eine genaue Positionsbestimmung wird eine Bestimmung des Standorts, beispielsweise eines Empfängers in einer mobilen Kommunikationsanordnung wie einer WLAN-Baugruppe in einem Mobiltelefon oder einem Laptop, mit einer Abweichung in einem einstelligen oder zweistelligen Zentimeterbereich angesehen.
Für eine derart genaue Positionsbestimmung beispielsweise mittels sogenannter FMCW-Signale (engl. frequency modulated continouous wave) muss nach dem Stand der Technik ein breitbandiges Positionsbestimmungssignal über eine Empfängeranordnung empfangen und mittels einer Auswerte- oder Verarbeitungseinheit ausgewertet bzw. verarbeitet werden. Bestehende Kommunikationssysteme wie beispielsweise WLAN-, Bluetooth- oder Rundfunkempfangs-Systeme empfangen und verarbeiten aber vorzugsweise schmalbandige Empfangssignale. Somit ist eine Verarbeitung beispielsweise von breitbandigen FMCW-Signalen mit diesen meist vorhandenen Systemen nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung realisiert eine empfängerseitige Vorverarbeitung breitbandiger Positionsbestimmungssignale wie einem FMCW-Signal und dessen Anpassung zur Weiterverarbeitung mit einer mobilen Kommunikationsanordnung in einem bestehenden Kommunikationssystem, wie einem WLAN-, Bluetooth- oder Rundfunkempfangs-System.
Hierfür ist ein erfindungsgemäßer Verfahrensschritt vorgesehen, bei welchem das zur Positionsbestimmung genutzte FMCW-Signal (Positionsbestimmungssignal S_FMCW) mit einer sogenannten Frequenzrampe in einer Mischanordnung gemischt wird. Das Resultat dieses Verfahrensschritts ist die Erzeugung eines schmalbandigen Signals (S_IF), welches in einer Empfänger- bzw. einer Sende-Empfangs-Anordnung einer vorhandenen mobilen Kommunikationsanordnung wie beispielsweise einem Mobiltelefon, einem Laptop oder einem Rundfunkempfänger weiterverarbeitet werden kann.
Die anschließend notwendige Signalverarbeitung, bei welcher die für die Positionsbestimmung notwendigen Informationen wie beispielsweise Zeitdifferenzen zwischen den im Empfänger ankommenden Positionsbestimmungssignalen beim TDoA-Verfahren bestimmt werden, übernimmt die in der mobilen Kommunikationsanordnung vorhandene Anordnung zur Signalverarbeitung bzw. ein Signalverarbeitungsteil. Vorgesehen ist es hierfür, dass der vorhandene Signalverarbeitungsteil hardwaremäßig oder softwaremäßig für die Aufgabe der Lokalisierung angepasst oder erweitert wird. Dies kann beispielsweise in einem frei programmierbaren System durch einen entsprechenden zusätzlichen Teil einer Software erfolgen.
Dieser zusätzliche Teil der Software steuert sowohl den nach dem TDoA-Verfahren notwendigen Ablauf zur Ermittlung der Zeitdifferenzen als auch die Ermittlung der Positionsdaten, wie beispielsweise die X-, Y-, Z-Koordinaten, aus den ermittelten Zeitdifferenzen. Weiterhin kann von dieser Software auch die Übermittlung der Positionsdaten an eine zentrale Einheit innerhalb des Kommunikationssystems gesteuert werden. In einer derartigen zentralen Einheit werden die ermittelten Positionsdaten mehrerer zur Positionsbestimmung geeigneter mobiler Kommunikationsanordnungen zusammengeführt.
Das zur Positionsbestimmung einer Person oder eines Geräts genutzte Verfahren bzw. der genutzte Algorithmus ist nicht auf das TDoA-Verfahren beschränkt und kann angepasst werden. Zur Anwendung kommen kann beispielsweise unter der Annahme einer exakten Zeitsynchronisation in den Empfängern auch das ToA-Verfahren (Time of Arrival) oder bei einer Bereitstellung eines Rücksendepfads das RToF-Verfahren (Round Trip of Flight).
In einer stark vereinfachten Form des Verfahrens kann beispielsweise unter Nutzung eines Empfangssignals eines Senders für ein Positionsbestimmungssignal auch nur eine Ermittlung einer Entfernung der mobilen Kommunikationsanordnung zu diesem Sender erfolgen.
Die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrensschritts wird in einer Anordnung zur Signalumsetzung realisiert, welche zwischen einer vorhandenen Antenne und einem Empfänger bzw. eine Sende-Empfangs-Anordnung einer vorhandenen mobilen Kommunikationsanordnung, wie beispielsweise einem Mobiltelefon (Smartphone), angeordnet wird. Derart wird ein vorhandenes Kommunikationssystem, wie beispielsweise ein WLAN-System, mit stationären Kommunikationsanordnungen wie Basisstationen und mobilen Kommunikationsanordnungen wie einem Mobiltelefon oder einem Laptop um die Funktionalität einer genauen Positionsbestimmung der mobilen Kommunikationsanordnungen erweitert. Der Standort einer oder mehrerer dieser mobilen Kommunikationsanordnungen innerhalb des vorhandenen Kommunikationssystems kann somit bestimmt werden.
Zur Positionsbestimmung von Geräten wie beispielsweise einem Gabelstapler ist es vorgesehen, an diesem beweglichen Gerät eine entsprechende WLAN-Sende-Empfangsanordnung anzubringen, in welcher die erfindungsgemäße Signalumsetzung und Positionsbestimmung durchgeführt werden.
Vorgesehen ist es auch, dass Daten, welche einen lokalisierten Standort einer mobilen Kommunikationsanordnung mit seinen X- und Y-Koordinaten oder seinen X-, Y- und Z-Koordinaten beinhalten, unmittelbar oder mittelbar, von der mobilen Kommunikationsanordnung beispielsweise über eine Basisstation an eine beliebige zentrale Einheit im Kommunikationssystem übermittelt werden. In dieser zentralen Einheit können die Informationen mehrerer lokalisierter Objekte erfasst und verwaltet werden.
In aktuellen mobilen Kommunikationsanordnungen wie beispielsweise Smartphones werden Standard-Chipsätze mit hoher Stückzahl zur Steuerung der Kommunikation verwendet. Für viele mobile Anwendungen würde auch die genaue Bestimmung der eigenen Position, innerhalb von Gebäuden, einen Mehrwert bedeuten. Beispiele für derartige Anwendungen wären die Lokalisierung von Personen in Einkaufszentren oder Gabelstaplern in der Logistik.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 6 bis 10 angegeben.
Die Erfindung sieht vor, dass die von mehreren Sendern bereitgestellten und von einer mobilen Kommunikationsanordnung empfangenen breitbandigen Positionsbestimmungssignale (S_FMCW) in schmalbandige analoge Signale (S_IF) umgesetzt werden, bevor eine Positionsbestimmung erfolgt.
Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, dass das empfangene breitbandige Positionsbestimmungssignal (S_FMCW) unter Zuhilfenahme eines lokal erzeugten oder generierten Frequenzrampensignals zu einem schmalbandigen Signal (S_IF) beispielsweise in einer Mischanordnung verarbeitet wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die das breitbandige Positionsbestimmungssignal empfangende Kommunikationsanordnung in zwei Betriebsarten betrieben werden kann. In einer ersten Betriebsart (Modus 1) wird eine beispielsweise nach einem WLAN-Standard übliche Verarbeitung bzw. Aufbereitung von Sende- bzw. Empfangssignalen für die mobile Kommunikationsanordnung sichergestellt, bei welcher eine erfindungsgemäße Signalumsetzung nicht zum Einsatz kommt.
In der zweiten Betriebsart wird eine Positionsbestimmung mittels der im Kommunikationssystem bereitgestellten Positionsbestimmungssignale in der mobilen Kommunikationsanordnung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Signalumsetzung durchgeführt. Zur Erzeugung der Positionsbestimmungssignale können in dem vorhandenen Kommunikationssystem mehrere geeignete zusätzlich Sender zum Abstrahlen dieser Positionsbestimmungssignale bereitgestellt werden. In dieser zweiten Betriebsart wird beim Einsatz des vorgeschlagenen TDoA-Verfahrens nur ein Empfang und eine Verarbeitung der Positionsbestimmungssignale durchgeführt, nicht aber eine Erzeugung oder Senden von Signalen durch die mobile Kommunikationsanordnung.
Vorgesehen ist es, bei der Positionsbestimmung mindestens eine X-Koordinate und eine Z-Koordinate der Position der mobilen Kommunikationsanordnung zu bestimmen. Alternativ ist es vorgesehen, dass die X-, Y- und Z-Koordinate der mobilen Kommunikationsanordnung bestimmt wird Die Bestimmung der Koordinaten kann beispielsweise in einem Weltkoordinatensystem oder einem anderen geeigneten Koordinatensystem durchgeführt werden.
Vorgesehen ist es auch, die bei der Positionsbestimmung in der mobilen Kommunikationsanordnung ermittelten Positionsdaten in der mobilen Kommunikationsanordnung aufzubereiten und in einer geeigneten Weise zur Anzeige zu bringen. Eine derartige Anzeige kann beispielsweise die ermittelten Koordinaten in einer Textform darstellen oder unter Zuhilfenahme einer Karte oder eines Grundrisses einen aktuellen Standort auf der Karte oder dem Grundriss markiert zur Anzeige bringen.
Ebenfalls ist es vorgesehen, dass die bei der Positionsbestimmung in der mobilen Kommunikationsanordnung ermittelten Positionsdaten an eine zentrale Einheit im Kommunikationssystem übertragen werden. Eine derartige Datenübertragung findet in der ersten Betriebsart der mobilen Kommunikationsanordnung statt. Eine derartige Datenübertragung kann beispielsweise über eine Basisstation eines WLAN-Netzes zu einem zentralen Server erfolgen. Dieser zentrale Server kann mittels der empfangenen Positionsdaten beispielsweise eine Produkt- oder Geräteortung in einem Lagerhaus oder eine Produkt- oder Personenortung in einem Krankenhaus realisieren.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:

1: eine auszugsweise Prinzipdarstellung eines vorhandenen Kommunikationssystems mit einer Erweiterung durch erfindungsgemäße Anordnungen zur Signalumsetzung,
2: eine beispielhafte Ausführung zur Umsetzung der Erfindung,
3: eine Darstellung der verfahrensgemäßen Signalumsetzung,
4: ein Ausführungsbeispiel zur Umsetzung der Erfindung mit einem WLAN/Bluetooth IC und
5: ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Umsetzung der Erfindung.

Die 1 zeigt eine auszugsweise Prinzipdarstellung eines vorhandenen Kommunikationssystems 1 mit einer Erweiterung durch erfindungsgemäße Anordnungen 5 zur Signalumsetzung.
Ein in der 1 gezeigtes vorhandenes Kommunikationssystem 1, wie beispielsweise ein WLAN-System, umfasst mindestens eine stationäre Kommunikationsanordnung 2 und eine mobile Kommunikationsanordnung 3. Im Beispiel der 1 ist eine stationäre Kommunikationsanordnung 2 wie eine Basisstation 2 (WLAN Router) und drei mobile Kommunikationsanordnungen 3a, 3b und 3c dargestellt. Derartige mobile Kommunikationsanordnungen 3a, 3b, 3c können beispielsweise Mobiltelefone oder Laptops sein.
Gemäß der Erfindung kann eine Positionsbestimmung mittels eines Empfängers in einer mobilen Kommunikationsanordnung 3 erfolgen. Ausgehend davon, dass eine Person eine mobile Kommunikationsanordnung 3 bei sich trägt, lässt sich somit auch eine Aussage über die aktuelle Position dieser Person ableiten. Die von der mobilen Kommunikationsanordnung 3 bestimmten Positionsdaten entsprechen dann der Position der Person.
Für den Fall, dass eine Positionsbestimmung eines Geräts wie beispielsweise einem Gabelstapler innerhalb einer Lagerhalle erfolgen soll, wird dieses Gerät mit einer geeigneten mobilen Kommunikationsanordnung 3 ausgestattet und über die Position dieser mobilen Kommunikationsanordnung 3 auf die Position des Gabelstaplers geschlossen.
Die mobilen Kommunikationsanordnungen 3a, 3b, 3c wie auch die stationäre Kommunikationsanordnung 2 weisen je eine Antenne 6 auf und bauen eine in dem vorhandenen Kommunikationssystem 1 übliche Verbindung, beispielsweise nach dem WLAN-Standard, zueinander auf, um eine entsprechende Datenübertragung zu gewährleisten.
Zur Realisierung einer Positionsbestimmung sind im Umfeld des bestehenden Kommunikationssystems 1 mehrere Sender 4 zum Aussenden eines zur Positionsbestimmung geeigneten sogenannten Positionsbestimmungssignals angeordnet. Im Beispiel der 4 sind vier Sender 4a, 4b, 4c, 4d für Positionsbestimmungssignale angeordnet, welche jeweils ein FMCW-Signal in bekannter Weise, wie beispielsweise Frequenzrampen, aussenden.
Um eine Positionsbestimmung mit den mobilen Kommunikationsanordnungen 3a, 3b, 3c zu ermöglichen ist es vorgesehen, dass jeweils zwischen einer Antenne 6 und der mobilen Kommunikationsanordnung 3 selbst eine Anordnung zur Signalumsetzung 5 angeordnet ist. Im Beispiel der 1 ist die mobile Kommunikationsanordnung 3a über die Anordnung zur Signalumsetzung 5a mit ihrer zugehörigen Antenne 6 verbunden. Dementsprechend ist die mobile Kommunikationsanordnung 3b über die Anordnung zur Signalumsetzung 5b mit ihrer zugehörigen Antenne 6 verbunden und so weiter.
Mittels einer derart angeordneten Anordnung zur Signalumsetzung 5a kann das über die zugehörige Antenne 6 beispielsweise vom Sender 4c empfangene breitbandige Positionsbestimmungssignal (FMCW-Signal, S_FMCW) umgesetzt und der mobilen Kommunikationsanordnung 3a in Form eines von dieser mobilen Kommunikationsanordnung 3a verarbeitbaren schmalbandigen Signals (S_IF) zugeführt werden. In der mobilen Kommunikationsanordnung 3a, insbesondere in einem Empfängerteil dieser Kommunikationsanordnung 3a erfolgt eine Umsetzung des analogen Signals (S_IF) in eine digitale Signalform sowie die Positionsbestimmung beispielsweise mittels des TDoA-Verfahrens. Zu diesem Zweck wird die mobile Kommunikationsanordnung 3a entsprechend softwaremäßig und/oder hardwaremäßige erweitert bzw. angepasst.
Auch wenn in der 1 nur drei mobile Kommunikationsanordnungen 3a, 3b. 3c wie Mobiltelefone oder Laptops um die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Signalumsetzung 5a, 5b, 5c erweitert und somit zur Positionsbestimmung vorbereitet sind, ist die Anzahl der derartig modifizierten mobilen Kommunikationsanordnungen 3 nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
In der 2 ist eine beispielhafte Ausführung zur Umsetzung der Erfindung zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten gezeigt. Dargestellt ist eine Anordnung zur Signalumsetzung 5, welche mit ihrem ersten Anschluss 7 mit einer Antenne 6 verbunden ist. Die Anordnung zur Signalumsetzung 5 ist mit ihrem zweiten Anschluss 8 mit einer in einer mobilen Kommunikationsanordnung 3 angeordneten Sende-Empfangs-Anordnung 9 verbunden, welche ein sogenanntes analoges Frontend 10 zur Signalwandlung sowie einen Signalverarbeitungsteil 11 umfasst.
Der Signalverarbeitungsteil 11 ist derart gestaltet, dass dieser in einer ersten Betriebsart (Modus1) eine beispielsweise nach einem WLAN-Standard übliche Verarbeitung bzw. Aufbereitung von Sende- bzw. Empfangssignalen ermöglicht. Hierfür wird meist eine programmgesteuerte Signalverarbeitungseinheit im eingesetzt. Eine derartige Verarbeitung von Signalen in der ersten Betriebsart wird durch den mit Signalverarbeitung 12 (Modus1) gekennzeichneten Block abgebildet. Dieser Block zur Signalverarbeitung 12 umfasst sowohl notwendige Hardware- sowie auch Softwarekomponenten zur Realisierung der in der mobilen Kommunikationsanordnung 3 üblichen Verarbeitung der Empfangs- und Sendesignale beispielsweise nach dem WLAN-Standard.
Zur Verarbeitung der von der Anordnung zur Signalumsetzung 5 aufbereiteten und über den zweiten Anschluss 8 ausgegebenen Positionsbestimmungssignale, welche über das Frontend 10 zum Signalverarbeitungsteil 11 der Sende-Empfangs-Anordnung 9 gelangen, ist für eine Positionsbestimmung in einer zweiten Betriebsart (Modus2) ein Block Positionsbestimmung 13 (Modus 2) vorgesehen. Dieser Block zur Positionsbestimmung 13 umfasst sowohl notwendige Hardware- als auch Softwarekomponenten zur Realisierung einer Positionsbestimmung beispielsweise mittels eines FMCW-Signals nach dem TDoA-Verfahren.
Die Trennung der Blöcke 12 und 13 stellt eine funktionale Trennung der Abläufe in einer ersten und einer zweiten Betriebsart dar und bedeutet nicht, dass eine zur Signalverarbeitung 12 genutzte, nicht näher dargestellte, programmierbare Signalverarbeitungseinheit nicht bei der Bestimmung von Positionsdaten bei der Positionsbestimmung 13 zum Einsatz kommt.
Eine Auswahl zwischen der ersten Betriebsart (Modus 1) zur Signalverarbeitung 12 oder der zweiten Betriebsart (Modus 2) zur Positionsbestimmung 13 erfolgt innerhalb der Sende-Empfangs-Anordnung 9 über einen zweiten Betriebsartenschalter 15. Für den Fall, dass der erste Betriebsartenschalter 14 in der Anordnung zur Signalumsetzung 5 in die erste Betriebsart geschaltet wird, so wird auch der zweite Betriebsartenschalter 15 in der Sende-Empfangs-Anordnung 9 in die erste Betriebsart geschaltet.
Für den Fall, dass eine Positionsbestimmung erfolgen soll, werden beide Betriebsartenschalter 14 und 15 in die Position der zweiten Betriebsart (Modus 2) umgeschaltet. Ein Umschalten der Betriebsartenschalter 14 und 15 wird von einer in der mobilen Kommunikationsanordnung 3 angeordneten, nicht dargestellten Steuereinheit, je nach erforderlicher Betriebsart, vorgenommen.
Die zwischen der Antenne 6 und der mobilen Kommunikationsanordnung 3 angeordnete Anordnung zur Signalumsetzung 5 weist mindestens eine ersten Betriebsartenschalter 14 und eine Mischanordnung 16 auf.
In der ersten Betriebsart (Modus 1) ist der erste Betriebsartenschalter 14 in die in der 2 gezeigten unteren Position geschaltet, so dass Sende- oder Empfangssignale die Anordnung zur Signalumsetzung ohne eine Beeinflussung passieren können.
Für den Fall, dass eine Positionsbestimmung mit der mobilen Kommunikationsanordnung 3 erfolgen soll, wird der erste Betriebsartenschalter 14 sowie auch der zweite Betriebsartenschalter 15 in die jeweils obere Position für die zweite Betriebsart (Modus 2) umgeschaltet. Innerhalb der Anordnung zur Signalumsetzung 5 gelangt das von einem Sender 4 ausgestrahlte breitbandige Positionsbestimmungssignal FMCW-Signal S_FMCW somit über den ersten Anschluss 7 und den ersten Betriebsartenschalter 14 zu einem ersten Eingang einer Mischanordnung 16. Der Mischanordnung 16 wird über ihren zweiten Eingang ein Frequenzrampensignal S_LO zugeführt. Das Ergebnis der Verarbeitung der Signale S_FMCW und S_LO in der Mischanordnung 16 ist ein schmalbandiges Signal S_IF, welches im Bereich der Bandbreite des HF-Bereichs der Sende-Empfangs-Anordnung 9 liegt und von dieser verarbeitet werden kann. Das von der Mischanordnung 16 erzeugte Signal S_IF kann von der Mischanordnung direkt über den zweiten Anschluss 8 aus der Anordnung zur Signalumsetzung 5 ausgegeben werden. Das derart erzeugte Signal S_IF wird in diesem Fall ohne weitere Signalverarbeitung am zweiten Anschluss 8 ausgegeben und entspricht somit dem Signal S_HF.
Optional kann das Signal S_IF mittels eines Filters oder eines weiteren Mischers 26 an Erfordernisse des Frequenzbands f_HF der Sende-Empfangs-Anordnung 9 angepasst werden. Dieser optionale weitere Mischer 26 bzw. ein Filter ist in der 2 mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellt. Beispielsweise kann durch den weiteren Mischer 26 das von der Mischanordnung 16 erzeugte Signal S_IF an bestimmte Bedingungen für die HF-Frequenz der Sende-Empfangs-Anordnung 9 angepasst und als Signal S_HF am zweiten Anschluss 8 ausgegeben werden. Der Einsatz eines Filters 26 ermöglicht beispielsweise eine Beseitigung ungewollter Frequenzen oder Frequenzanteile.
Im unteren Teil der 2 sind für die erste Betriebsart 12 (Modus 1) und für die zweite Betriebsart 13 (Modus 2) zugehörige Amplituden-Frequenz-Verläufe für den ersten Anschluss 7 jeweils links und für den zweiten Anschluss 8 der Anordnung zur Signalumsetzung 5 jeweils rechts dargestellt. Wie zu erkennen ist, wird in der ersten Betriebsart 12 (Modus 1) keine Veränderung des Signals bzw. des Frequenzbands f_HF durch Anordnung zur Signalumsetzung 5 vorgenommen. In der zweiten Betriebsart 13 (Modus 2) wird ein empfangenes breitbandiges eingangsseitiges Positionsbestimmungssignal S_FMCW mit der Bandbreite f_FMCW am ersten Anschluss 7 in ein schmalbandiges ausgangsseitiges Signal S_IF mit der Bandbreite f_HF am zweiten Anschluss 8 unter Nutzung der Mischanordnung 16 umgesetzt.
In der 3 ist eine verfahrensgemäße Signalumsetzung in der Anordnung zur Signalumsetzung 5 unter Nutzung der Mischanordnung 16 gezeigt. Dargestellt ist die Mischanordnung 16 mit ihrem ersten nach links zeigenden Eingang, an welchem das empfangene breitbandige Positionsbestimmungssignal S_FMCW anliegt. Der Frequenzbereich dieses Positionsbestimmungssignals S_FMCW liegt zwischen f_FMCW1 und f_FMCWn.
An den zweiten nach oben gerichteten Eingang der Mischanordnung 16 wird das Frequenzrampensignal S_LO angelegt. Der Frequenzbereich dieses Frequenzrampensignals S_LO liegt zwischen f_LO1 und f_LOn.
Das durch den Mischanordnung 16 erzeugte Ausgangs-Signal S_IF wird an dem nach rechts zeigenden Ausgang der Mischanordnung 16 ausgegeben und weist eine Frequenz von etwa f_IFn auf, wobei $f_{IFn} = f_{FMCWn} \pm f_{Lon}$
gilt.
Wenn zu jedem Zeitpunkt die Frequenzen f_FMCW und f_LO gleich sind, also die Signallaufzeit gleich Null ist, dann ist auch der Frequenzanteil f_IFn=0.
Für den Fall, dass die Signallaufzeit größer als Null ist, ergibt sich bei der Verarbeitung der Frequenzen in der Mischanordnung 16 ein Frequenzunterschied, welcher nachfolgend wieder in die Signallaufzeit umgerechnet werden kann.
In der 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel zur Umsetzung der Erfindung mit einem WLAN/Bluetooth IC der Firma Cypress gezeigt, wobei in der 4 nicht alle funktional wichtigen Verbindungen zwischen den Einheiten des IC dargestellt sind. Ein derartiger integrierter Schaltkreis (englisch integrated circuit IC) weist beispielsweise Einheiten wie ein erstes FM-HF-Frontend (FM Front-End) 17, ein FM-Digitalteil 18, eine digitale Verarbeitungseinheit (Digital) 19, eine digitale Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle (Dig. I/O) 20, eine Takteinheit (clock) 21, eine digitale Bluetooth-Verarbeitungseinheit (Bluetooth PHY) 22, eine digitale Steuereinheit (Dig. Control) 23, eine digitale Signal- und Datenverarbeitung (DIG. PHY MAC) 24 sowie ein zweites HF-Frontend (RF Front-End) 25 auf.
Das erste FM-HF-Frontend (FM RF Front-End) 17 und das zweites HF-Frontend (RF Front-End) 25 sind jeweils mit einer zugehörigen Antenne 6 verbunden. Die hier in den Klammern angegebenen Bezeichnungen beziehen sich auf die Angaben des Herstellers.
Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise mittels eines derartigen WLAN/Bluetooth IC realisiert werden, indem eine Anordnung zur Signalumsetzung 5 zwischen das zweite HF-Frontend (RF Front-End) 25 und der zugehörigen Antenne 6 angeordnet wird. Außerdem wird die den IC steuernde Software entsprechend erweitert oder angepasst, sodass eine Positionsbestimmung im Empfänger mithilfe mehrerer FMCW-Signale (Positionsbestimmungssignale) möglich wird.
In einer alternativen Lösung kann eine Anordnung zur Signalumsetzung 5 zwischen das erste FM-RF-Frontend (FM RF Front-End) 17 und der zugehörigen Antenne 6 angeordnet werden, was in der 4 nicht dargestellt ist. Eine softwaremäßige Anpassung erfolgt auch in dieser alternativen Lösung. In dieser Variante ist ein Einsatz eines weiteren Mischers 26, wie er in der 2 in der Anordnung zur Signalumsetzung 5 optional gezeigt ist, zur Anpassung an das FM-Eingangssignal des ersten FM-RF-Frontend (FM RF Front-End) 17 vorgesehen.
In der 5 ist ein alternatives zweites Ausführungsbeispiel zur Umsetzung der Erfindung zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem gezeigt. Der in der 5 dargestellte Bluetooth Low Energy IC von digital Semiconductor ist mit einem programmierbaren ARM-Prozessor ausgestattet. Auch in diesem Fall kann die Anordnung zur Signalumsetzung 5 zwischen die mit Radio Transceiver bezeichnete Baugruppe und die zugehörige Antenne 6 angeordnet werden und derart ein FMCW-Signal als Positionsbestimmungssignal zur Verarbeitung durch den Radio Transceiver umgesetzt bzw. angepasst werden. Weiterhin wird der programmierbare ARM-Prozessor durch einen entsprechenden zusätzlichen Programmteil dazu befähigt, die Positionsbestimmung im Empfänger mithilfe mehrerer FMCW-Signale umzusetzen.
In allen Ausführungsbeispielen kann somit eine Positionsbestimmung in einem Empfänger einer mobilen Kommunikationsanordnung 3 in der zweiten Betriebsart durchgeführt werden. Besteht darüber hinaus die Notwendigkeit, die derart bestimmten Daten zur Position einer mobilen Kommunikationsanordnung 3 an eine zentrale Einheit zu übertragen, erfolgt diese Datenübertragung nach der Positionsbestimmung in der ersten Betriebsart wie im jeweiligen Standard wie beispielsweise WLAN oder Bluetooth üblich. Werden Positionsdaten mehrerer mobiler Kommunikationsanordnungen 3a, 3b, 3c an eine zentrale Einheit übertragen, kann derart eine Übersicht der einzelnen Positionen der Personen oder Geräte für verschiedene Zwecke erstellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kommunikationssystem
2: stationäre Kommunikationsanordnung
3, 3a, 3b, 3c: mobile Kommunikationsanordnung
4, 4a, 4b. 4c. 4d: Sender für Positionsbestimmungssignal (FMCW-Sender)
5, 5a, 5b, 5c: Anordnung zur Signalumsetzung
6: Antenne
7: erster Anschluss
8: zweiter Anschluss
9: Sende-Empfangs-Anordnung
10: Frontend
11: Signalverarbeitungsteil
12: Signalverarbeitung (Modus/Betriebsart 1)
13: Positionsbestimmung (Modus/Betriebsart 2)
14: erster Betriebsartenschalter
15: zweiter Betriebsartenschalter
16: Mischanordnung
17: erstes FM-HF-Frontend (FM RF Front-End)
18: FM-Digitalteil
19: digitale Verarbeitungseinheit (Digital)
20: digitale Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle (Dig. I/O)
21: Takteinheit (clock)
22: digitale Bluetooth-Verarbeitungseinheit (Bluetooth PHY)
23: digitale Steuereinheit (Dig. Control)
24: digitale Signal- und Datenverarbeitung (DIG. PHY MAC)
25: zweites HF-Frontend (RF Front-End)
26: weiterer Mischer oder Filter

Claims

Anordnung zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem (1), wobei das Kommunikationssystem (1) mehrere Sender (4) zum Aussenden von Positionsbestimmungssignalen und eine mit einer Antenne (6) verbundene mobile Kommunikationsanordnung (3) umfasst, wobei die mobile Kommunikationsanordnung (3) eine Sende-Empfangs-Anordnung (9) zum Empfangen der Positionsbestimmungssignale und einen Signalverarbeitungsteil (11) zur Durchführung einer Positionsbestimmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Antenne (6) und der Sende-Empfangs-Anordnung (9) der mobilen Kommunikationsanordnung (3) eine ein breitbandiges Positionsbestimmungssignal (S_FMCW) in ein schmalbandiges Signal (S_IF) umsetzende Anordnung zur Signalumsetzung (5) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Signalumsetzung (5) einen mit der Antenne (6) verbundenen ersten Anschluss (7) aufweist, welcher mit einem ersten Betriebsartenschalter (14) verbunden ist und dass der erste Betriebsartenschalter (14) in Abhängigkeit seiner Schalterstellung entweder direkt oder über mindestens eine Mischanordnung (16) mit dem zweiten Anschluss (8) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anordnung zur Signalumsetzung (5) in einer Reihenschaltung zur Mischanordnung (16) ein weiterer Mischer oder Filter (26) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anordnung zur Signalumsetzung (5) ein Frequenzgenerator angeordnet ist, welcher ein lokal generiertes Frequenzrampensignal (S_LO) erzeugt und dass der Frequenzgenerator mit der Mischanordnung (16) verbunden ist.
Verfahren zur Positionsbestimmung von Personen oder Geräten in einem Kommunikationssystem (1), wobei mittels mehrerer Sender (4) mehrere breitbandige Positionsbestimmungssignale bereitgestellt werden, aus welchen in einem Signalverarbeitungsteil (11) einer mobilen Kommunikationsanordnung (3) eine Bestimmung einer Position für die mobile Kommunikationsanordnung (3), welche an der Person oder dem Gerät befestigt ist, erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umsetzung der breitbandigen Positionsbestimmungssignale (S_FMCW) in schmalbandige Signale (S_IF) vor der Positionsbestimmung für die mobile Kommunikationsanordnung (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung der breitbandigen Positionsbestimmungssignale (S_FMCW) in schmalbandige Signale (S_IF) in eine Mischstufe (16) unter Nutzung eines lokal generierten Frequenzrampensignals (S_LO) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Kommunikationsanordnung (3) zwischen einer ersten Betriebsart (12), in welcher eine Verarbeitung bzw. Aufbereitung von Sende- bzw. Empfangssignalen nach einem im Kommunikationssystem (1) genutzten Standard erfolgt und einer zweiten Betriebsart (13), in welcher die Positionsbestimmung durchgeführt wird, umschaltbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Positionsbestimmung X- und Y-Koordinaten oder X-, Y- und Z-Koordinaten der mobilen Kommunikationsanordnung (3) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Positionsbestimmung ermittelten Daten an eine zentrale Einheit im Kommunikationssystem (1) übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die breitbandigen Positionsbestimmungssignale FMCW-Signale sind und die Positionsbestimmung unter Anwendung eines TDoA-Verfahrens erfolgt.