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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Lokalisierung eines mobilen Kommunikationsendgerätes, das
heißt
zur Ermittlung des Ortes, an welchem sich ein mobiles Kommunikationsendgerät innerhalb
eines Mobilfunknetzes befindet. Bislang sind mehrere Lokalisierungsverfahren
bekannt. Eine sehr genaue Methode ist eine Lokalisierung eines mobilen
Kommunikationsendgerätes
auf Basis von GPS oder A-GPS. (A-)GPS steht dabei für (Assisted) Global
Positioning System; es handelt sich um ein satellitengestütztes Navigationssystem,
bei dem kodierte Satellitensignale vom Empfänger am Boden ausgewertet werden.
Auf Basis von GPS oder A-GPS kann eine Genauigkeit bis auf 1m erreicht
werden. Methoden, die auf GPS oder A-GPS basieren benötigen allerdings
eine zusätzliche
Hardware, wie beispielweise einen GPS-Empfänger, zumindest in dem mobilen
Kommunikationsendgerät,
was diese Methoden sehr teuer werden lässt, einen höheren Stromverbrauch
bedingt und im Allgemeinen eine zusätzliche Antenne erforderlich
macht. Ein weiteres sehr genaues Verfahren ist bekannt unter der
Bezeichnung EOTD (Enhanced Observed Time Difference). Hier werden
Genauigkeiten von bis zu 30m erreicht. Dieses Verfahren beruht auf
einer Lokalisierung des mobilen Kommunikationsendgerätes durch
das Mobilfunknetz unter aktiver Beteiligung von Netzkomponenten,
wobei die eigentliche Messung vom Endgerät durchgeführt wird und speziell dafür eingerichtete Mobilfunk-Netzelemente
aus diesen Messungen die geographische Position des Endgerätes bestimmen. Dies
erfordert ebenfalls erhebliche zusätzliche Investitionen in die
Netzwerktechnik und eine entsprechende EOTD-Software in dem mobilen
Kommunikationsendgerät.
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Ferner sind auch netzwerkgestützte Methoden
bekannt, die auf einer Messung einer bei einer Übertragung einer Nachricht
zwischen einem mobilen Kommunikationsendgerät und einer Basisstation auftretenden
Zeitverzögerung
aufgrund der Signallaufzeit beruhen. Diese auftretende Zeitverzögerung wird
als Timing Advance-(TA-)Wert bezeichnet und erlaubt die Bestimmung
der Entfernung zur aussendenden Basisstation. Eine Information über die
Richtung zur Basisstation ist damit nicht verbunden, so dass mehrere
Basisstationen benötigt
werden, um die Position eindeutig zu bestimmen.
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Des Weiteren sind auch Verfahren
bekannt, bei welchen sich das mobile Kommunikationsendgerät mittels
Bestimmung einer sogenannten Cell-ID, sowie eventuell zusätzlich mittels
einer Empfangsfeldstärke,
mit welcher das mobile Kommunikationsendgerät Signale der Basisstation
empfangen kann – man
spricht dabei von einem sogenannten RX-Level – und dem oben bereits erwähnten TA-Wert
selbst ortet. Bei der Cell-ID handelt es sich um eine Identifikation
bzw. Kennung der Zelle, in welcher sich das mobile Kommunikationsendgerät innerhalb
eines Mobilfunknetzes befindet. Bei diesen bekannten Verfahren werden
jedoch nur die Cell-ID und der TA-Wert der das mobile Kommunikationsendgerät aktuell
bedienenden Basisstation verwendet. Somit kann auch nur die Entfernung
des mobilen Kommunikationsendgerät
zu der das mobile Kommunikationsendgerät aktuell bedienenden Basisstation
bestimmt werden. Die geographische Position der Basisstation kann
dabei aus der Cell-ID bestimmt werden, sofern die entsprechenden
Angaben des Netzbetreibers vorliegen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung
des mobilen Kommunikationsendgerätes
hängt nun
stark von der Größe der Zelle
ab, in welcher sich das mobile Kommunikationsendgerät gerade
befindet. In ländlichen Gebieten
können
dabei ohne Weiteres Abweichungen von 10km oder mehr auftre ten. Die
Empfangsfeldstärke,
das heißt
der RX-Level, ist kein sehr zuverlässiges Maß, da die Empfangsfeldstärke sehr stark
von den Empfangsbedingungen, Abschattungseffekten und Richtwirkung
der Antennen der Basisstationen beeinflusst wird.
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Es war nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ein Verfahren bereit zu stellen, mit dessen Hilfe es möglich ist,
ein mobiles Kommunikationsendgerät
schnell, einfach und möglichst
präzise
innerhalb eines Mobilfunknetzes lokalisieren zu können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch
ein erfindungsgemäßes Verfahren
gemäß Anspruch
1. Weitere bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den entsprechenden Unteransprüchen angeführt.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren
zur Lokalisierung eines mobilen Kommunikationsendgerätes in einem
Mobilfunknetz, bestehend aus einer Mehrzahl von Zellen mit zugehörigen, jeweils
an einem festen Standort befindlichen Basisstationen bereit gestellt,
bei dem durch das mobile Kommunikationsendgerät in Bezug auf eine Basisstation
und auf mindestens eine davon benachbarte Basisstation jeweils eine
bei Übertragung
einer Nachricht zwischen dem mobilen Kommunikationsendgerät und der
jeweiligen Basisstation auftretende Zeitverzögerung, ein sogenannter TA-Wert
gemessen wird und durch das mobile Kommunikationsendgerät mittels
der jeweiligen Zeitverzögerungen
bzw. der TA-Werte in Bezug auf die entsprechenden Basisstationen
und deren jeweiligen entsprechenden Standorte das mobile Kommunikationsendgerät lokalisiert
wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist das mobile Kommunikationsendgerät in dem Mo bilfunknetz registriert.
Ferner wird vorzugsweise durch das mobile Kommunikationsendgerät in Bezug
auf eine das mobile Kommunikationsendgerät aktuell bedienende Basisstation
und auf mindestens eine davon benachbarte Basisstation jeweils eine
bei Übertragung
einer Nachricht zwischen dem mobilen Kommunikationsendgerät und der
jeweiligen Basisstation auftretende Zeitverzögerung, ein sogenannter TA-Wert
gemessen.
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Das Besondere und das Vorteilhafte
an dem Verfahren ist, dass der TA-Wert nicht nur in der aktuellen
Zelle bzw. in der das mobile Kommunikationsendgerät aktuell
bedienenden Zelle gemessen bzw. bestimmt wird, sondern auch in zu
der das mobile Kommunikationsendgerät aktuell bedienenden Zelle benachbarten
Zellen. Dazu werden von dem mobilen Kommunikationsendgerät vorteilhafterweise GSM-Standard-Prozeduren
verwendet, die sonst zur Anforderung eines Übertragungskanals, wie beispielweise
für Sprach-,
Daten- oder GPRS-Datenverbindungen ohnehin benutzt werden und daher
von jedem Mobilfunknetz unterstützt
werden. Die entsprechenden Verfahren sind beispielsweise in der GSM-Spezifikation
04.18, Kap. 3.3.1 und 3.5.2 sowie in der GSM-Spezifikation 04.60,
Kap. 7.1 dargelegt. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt daher
keine neue, spezifische Unterstützung
durch das Mobilfunknetz.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
werden bekannte GSM-Spezifikationen,
wie beispielsweise GSM 04.18 Vers. 8.13.0, Rel. 1999, GSM 04.60
Vers. 8.16.0, Rel. 1999, GSM 05.02 Vers. 8.10.0, Rel. 1999, GSM
24.008 Vers. 3.14.0, Rel. 1999 verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sendet das mobile Kommunikationsendgerät eine Anforderungsnachricht
für einen
Kommunikationskanal an eine der zu der das mobile Kommunikationsendgerät aktuell
bedienenden Basisstation benachbarten Basisstation und liest die
Zeitverzögerung
aus einer auf die Anforderungsnachricht folgenden Nachricht seitens
der jeweiligen Basisstation aus.
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Dabei synchronisiert sich das mobile
Kommunikationsendgerät
zunächst
vorzugsweise auf einen BCCH-Träger
der benachbarten Basisstation auf, indem die auf diesem Kanal ausgesandten
Synchronisationssignale und -informationen gelesen werden. Daraufhin
liest das mobile Kommunikationsendgerät von der benachbarten Basisstation
eine Nachricht, eine sogenannte System Information oder eine Packet
System Information, beispielsweise die System Information 3 gemäß der GSM-Spezifikation 4.18,
Kap. 9.1.35 und 10.5.2.34, die für
das Messverfahren notwendige Informationen sowie die benachbarte
Basisstation identifizierenden Informationen enthält. Dies
sind unter anderem eine sogenannte Cell-ID, was einer Art Kennung
der Zelle der jeweiligen Basisstation entspricht, einen sogenannten
Location Area Identifier (LAI), welcher eine Aussage über eine
Gruppe von Zellen identifiziert, sowie Parameter, die den Zugriff
auf die jeweilige Zelle regeln, wie beispielsweise eine sogenannte
Control Channel Description, einen sogenannten Cell Selection Parameter
und ein RACH (Random Access Channel) Control Parameter. Anschließend sendet
das mobile Kommunikationsendgerät
eine Anforderungsnachricht für
einen Kommunikationskanal, einen sogenannten Channel Request oder
Packet Channel Request an die benachbarte Basisstation. Die Anforderungsnachricht
wird dabei über
einen sogenannten Random Access Channel, RACH, gemäß GSM-Spezifikation 05.02,
Kap. 3.3.3.1, oder einen sogenannten Packet Random Access Channel,
PRACH, gemäß GSM-Spezifikation
05.02 Kap. 3.3.3.2.1, gesendet. Das mobile Kommunikationsendgerät erhält daraufhin
eine Rückmeldung,
eine sogenannte Im mediate Assignment Antwort oder Packet Uplink
Assignment Antwort, in der der in Bezug auf die benachbarte Basisstation
zu ermittelnde TA-Wert enthalten ist. Den TA-Wert hat die Basisstation
ermittelt, das heißt, dass
die eigentliche Messung des TA-Wertes indirekt, nämlich über die
entsprechende Basisstation erfolgt. Der dem mobilen Kommunikationsendgerät zugewiesene
Kanal wird von dem mobilen Kommunikationsendgerät nicht aktiviert. Seitens
der Basisstation wird die Reservierung der zugewiesenen Ressource nach
kurzer Zeit durch den Ablauf eines gesetzten Timers, beispielsweise
des Timers T3101 gemäß GSM-Spezifikation
04.18 Kap. 11.1.2, wieder aufgehoben. Damit ist die Messung für eine Basisstation bzw.
für eine
entsprechende Zelle abgeschlossen. Das mobile Kommunikationsendgerät führt nun
erfindungsgemäß sukzessive
eine derartige Messung in Bezug auf mehrere Basisstationen durch.
Dabei werden die das mobile Kommunikationsendgerät aktuell bedienende Basisstation
sowie vorzugsweise mindestens zwei davon benachbarte Basisstationen
berücksichtigt.
Vorzugsweise wird die Messung zuletzt in Bezug auf die das mobile
Kommunikationsendgerät
aktuell bedienende Basisstation durchgeführt, da dann das mobile Kommunikationsendgerät gleich wieder
funktions- bzw. einsatzbereit ist.
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Vorzugsweise werden die TA-Werte
von mehr als drei Basisstationen gemessen. Es empfiehlt sich generell,
soviel Zellen bzw. Basisstationen wie möglich in das Verfahren mit
einzubeziehen. Zum einen kann damit, insbesondere auch bei ungünstiger geometrischer
Anordnung einiger Basisstationen, die Genauigkeit der Lokalisierung
bzw. der Ortung des mobilen Kommunikationsendgerätes erhöht werden. Zum anderen können dabei
fehlerhafte Messwerte erkannt und ausgeschlossen werden. Derartige
fehlerhafte Messungen entstehen beispielsweise durch eine Mehrwegeausbreitung,
bei denen die Signale zwischen End gerät und einer oder mehreren Basisstationen
reflektiert werden und die Signallaufzeit daher größer ist
als es die geometrischen Verhältnisse erwarten
ließen.
Nachteilig hierbei ist es allerdings, dass das Verfahren dann zeitaufwendiger
ist, da mehr Zellen einbezogen werden und das mobile Kommunikationsendgerät die oben
beschriebene Vorgehensweise zur Ermittlung des TA-Wertes in Bezug
auf jede Zelle bzw. Basisstation mit mehreren Zellen durchführen muss.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das mobile Kommunikationsendgerät mittels einer Triangulations-Berechnung
lokalisiert. Für
eine Triangulations-Berechnung zur Lokalisierung des mobilen Kommunikationsendgerätes werden
die TA-Werte von mindestens drei Basisstationen benötigt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Verfahren durchgeführt,
während
das mobile Kommunikationsendgerät
in einem sogenannten „Idle,
normal service, updated"-Zustand
gemäß GSM-Spezifikation GSM
24.008 Kap. 4.1.2 oder – für GPRS-fähige Kommunikationsendgeräte – in einem „Registered,
normal Service, updated"-Zustand
gemäß GSM-Spezifikation
24.008 Kap. 4.1.3 ist. Die entsprechenden Radio-Resource-Zustände sind „idle mode" oder „packet
idle mode" gemäß GSM-Spezifikation
04.18 Kap. 3.1.2.1 oder 3.1.2.6 bzw. „packet idle mode" gemäß GSM-Spezifikation
04.60 Kap. 5.3. Das bedeutet, dass das mobile Kommunikationsendgerät in einem
Mobilfunknetz registriert, aber nicht aktiv ist. In diesem Zustand
ist beispielsweise kein Anruf bzw. „call" bzw. keine GPRS-Datenübertragung
aktiv. In diesem Zustand werden ebenfalls regelmäßig Messungen des mobilen Kommunikationsendgerätes, beispielsweise
Messungen der relativen Feldstärke
benachbarter Basisstationen zur Bestimmung der nächsten bzw. stärksten Basisstation durchgeführt. Für die Dauer
der TA-Messungen werden diese Messungen dann unterbrochen bzw. nicht durchgeführt. Dies
ist allerdings nicht von Nachteil, da ein Großteil der durch diese Messungen
erhältlichen
Parameter auch bei der eingangs beschriebenen Bestimmung des TA-Wertes
quasi als Nebenprodukt abfallen.
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Besonders vorteilhaft ist es anzusehen,
dass durch die Messung von TA-Werten auch von zu der das mobile
Kommunikationsendgerät
aktuell bedienenden Basisstation benachbarten Basisstationen und
die Einbeziehung von deren Standortkoordinaten die Selbstortung
des mobilen Kommunikationsendgerätes
wesentlich genauer vorgenommen werden als es bei den bisher bekannten
Verfahren unter Einbeziehung des TA-Wertes der Fall war. Die Genauigkeit
und die Zuverlässigkeit
dieser Lokalisierung bzw. Positionsbestimmung hängt auch von der geographischen
Anordnung der Basisstationen ab. Vorzugsweise ist eine Genauigkeit
von 200 bis 300m erreichbar.
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Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße Verfahren
wesentlich billiger und einfacher zu realisieren als andere Verfahren.
Hier zu nennen ist beispielsweise das eingangs erwähnte EOTD- oder das GPS-Verfahren.
Dies liegt darin begründet,
dass keine zusätzliche
Hardware oder sonstige Investitionen in die Netzwerktechnik erforderlich
ist. Die Messwerte bzw. die TA-Werte
können
auf Applikationsebene und damit unabhängig von der Netzwerktechnik
verarbeitet und für
Location Based Services zur Verfügung
gestellt werden. Dadurch können
Nutzer eines Kommunikationsendgerätes oder Applikationen mit einem
Kommunikationsendgerät,
das die hier beschriebenen Verfahren implementiert, sofort „Location
Based Services" nutzen,
ohne dass der Netzbetreiber zeit- und kostenaufwendige Aufrüstungsmaßnahmen
seines Mobilfunknetzes durchführen
muss.
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Ferner ist zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Verfahren
aktuell bestimmte Werte für
die Lokalisierung bzw. die TA-Werte
verwendet, während herkömmliche
Verfahren üblicherweise
einen TA-Wert benutzen, der beim letzten, eventuell bereits länger zurückliegenden
Verbindungsaufbau zur Basisstation als „Nebenprodukt" einer sowieso erforderlichen
Signalisierung ermittelt wurde und bei sich bewegenden bzw. mobilen
Kommunikationsendgeräten eventuell
gar nicht mehr aktuell ist.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
sollen anhand der folgenden Figur näher erläutert werden. Es zeigt
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1 Schematische
Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
ein Ablauf einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
skizziert. Dargestellt ist eine Lokalisierung eines mobilen Kommunikationsendgerätes mittels
einer Triangulations-Berechnung. Ein mobiles Kommunikationsendgerät MS befindet
sich in einem Mobilfunknetz, das aus einer Anzahl von Zellen besteht.
Jede dieser Zellen weist eine ihr zugeordnete Basisstation BS auf. Hier
dargestellt sind 3 verschiedene Basisstationen BS1, BS2 und BS3.
Im vorliegenden Fall ist beispielsweise die BS1 die das mobile Kommunikationsendgerät aktuell
bedienende Basisstation. Die Basisstationen BS2 und BS3 sind davon
benachbarte Basisstationen. Das mobile Kommunikationsendgerät MS synchronisiert
sich beispielsweise zunächst
auf einen BCCH-Träger
(Broadcast Control Channel) der Basisstation BS2 auf. Anschließend sendet
das mobile Kommunikationsendgerät
MS auf dem sogenannten BACH/PRACH der Basisstation BS2 eine Anforderungsnachricht,
einen sogenannten Channel Request oder Packet Channel Request. Daraufhin erhält das MS
eine Rückmeldung
seitens der Basisstation BS2, eine sogenannte Immediate Assignment Antwort
oder Packet Uplink Assignment Antwort. Mit dieser Nachricht wird
der MS von der Basisstation BS2 ein Kanal zugeordnet. Gleichzeitig
wird mit dieser Nachricht auch der TA-Wert in Bezug auf die Basisstation
BS2 übermittelt,
das heißt
die auftretende Verzögerungszeit
für eine
Nachricht, die zwischen der MS und der Basisstation BS2 gesendet
wird. Der zugewiesene Kanal wird von der MS nicht aktiviert und
nach Ablauf einer bestimmten Zeit wird die Reservierung der zugewiesenen
Ressource wieder aufgehoben. Damit ist die Messung der MS in Bezug
auf die Basisstation BS2 beendet. Die gleiche Messung wird sodann
von der MS nochmals in Bezug auf die Basisstation BS3 und BS1 durchgeführt. Bevorzugt wird
die Messung in Bezug auf die Basisstation BS1 zuletzt durchgeführt, da
dann nach Abschluss der Messungen die MS sogleich wieder in ihrem
funktionsfähigen
Zustand ist, da die Basisstation BS1 die für die MS aktuell zuständige Basisstation
ist. Jede Basisstation wird, wie angedeutet, von Kreisen umgeben,
die jeweils einer bestimmten Entfernung von der Basisstation entsprechen.
Von einem bestimmten TA-Wert lässt
sich nun rückschließen, in
welchem Kreis die MS in Bezug auf die jeweilige Basisstation liegen
muss. Der innerste Kreis wird jeweils als der nullte Kreis bezeichnet,
der nächstfolgende
als der erste Kreis und so fortfolgend. Wie in 1 dargestellt befindet sich nun die MS
in Bezug auf die Basisstationen BS1 und BS3 in dem jeweiligen ersten Kreis,
welcher einem bestimmten Entfernungsintervall d1 entspricht. Das
Entfernungsintervall d1 kann beispielsweise 550-1100m entsprechen.
In Bezug auf die Basisstation BS2 befindet sich die MS im zweiten
Kreis, welcher einem Entfernungsintervall d2 entspricht. Dies kann
bei spielsweise 1100-1650m umfassen. Durch diese Kreise lässt sich
die MS relativ genau „einkreisen", so dass die MS
aus diesen drei Angaben recht genau ihre Position berechnen kann.