DE10308005A1 - Position determination method for communications network terminal e.g. cellular mobile telephone using observed time differences between signals exchanged with different transmission and/or reception stations - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Endung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Endeinrichtung in einem Kommunikationsnetz gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The present extension concerns a Method for determining the position of a terminal in a communication network according to the generic term of claim 1.
Insbesondere kann es sich bei der Endeinrichtung um ein Mobiltelefon handeln, während das Kommunikationsnetz als zellulares Kommunikationsnetz, beispielsweise als GSM-Netz (Global Systems For Mobile Communication), ausgebildet ist. In einem derartigen Kommunikationsnetz ist eine geographische Fläche in eine Anzahl von Zellen mit je einer Sende- und/oder Empfangsstation (auch Basisstation genannt) unterteilt. Auch wenn die Erfindung nachfolgend in erster Linie anhand des GSM-Netzes erläutert wird, so ist sie doch nicht auf dieses spezielle Netz beschränkt. Auch können die vorteilhaft als Mobiltelefone ausgebildeten Endeinrichtungen in anderer Ausgestaltung, beispielsweise als Laptops, Notebooks, digitale Organizer oder dergleichen ausgebildet sein.In particular, the Terminal device to act as a mobile phone while the communication network as a cellular communication network, for example as a GSM network (Global Systems For Mobile Communication). In such a Communication network is a geographical area in a number of cells with one transmitting and / or receiving station each (also base station called) divided. Even if the invention is first in the following Line explained using the GSM network is, it is not limited to this particular network. Also can which are advantageously designed as mobile telephones in another configuration, for example as laptops, notebooks, digital organizer or the like.
Anhand der Kenntnis der Koordinaten eines Mobilfunkteilnehmers kann man neue, auf den Standort des jeweiligen Nutzers angepasste Dienste, sogenannte Location Based Services (LBS) (standortabhängige Dienste), innerhalb von Mobilfunksystemen anbieten. Diese stellen Informationen, Transaktionen oder Ähnliches in einen räumlichen Bezug zur aktuellen Position des Teilnehmers. Die neuen Dienste bieten Möglichkeiten, die sich sowohl der Mobilfunknutzer, die Telekommunikationsgesellschaften, aber auch Application Service Provider (Dienstleister beziehungsweise Unternehmen, das dem Netzbetreiber Plattformen oder Software zur Einführung von Services anbietet) und Content Provider (Unternehmen, die Datenbanken zur Einrichtung von Services anbieten, im Falle von Location Based Services beispielsweise Straßenkarten, Positionsdatenbanken und dergleichen) zu Nutze machen können.Knowing the coordinates A cell phone subscriber can add new ones based on the location of each Services adapted to users, so-called location-based services (LBS) (location-based services), offer within mobile radio systems. These provide information Transactions or the like in a spatial Relation to the current position of the participant. The new services offer opportunities that both the mobile phone users, the telecommunications companies, but also application service providers (service providers respectively Company that provides platforms or software to the network operator introduction of services) and content providers (companies that provide databases offer to set up services in the case of location based Services for example road maps, Position databases and the like) can use.
Für den Netzbetreiber, der bestrebt ist, neue Wertschöpfungen zu erzielen, stellen die ortspezifischen Mobilfunkdienste eine sinnvolle und attraktive Erweiterung des Angebotsportfolios dar. Eine Positionsbestimmung bietet daher die Möglichkeit eine Reihe neuer Serviceideen innerhalb der Mobilfunksysteme anzubieten, mittels jener die Netzbetreiber die zuvor genannten Ziele erreichen könnten. Denn zum einen ermöglichen ortspezifische Dienste die Entwicklung maßgeschneiderter, personalisierter Services, zum anderen bedeutet das dafür erforderliche Equipment aber auch, dass der Teilnehmer, der ein entsprechendes Endgerät erworben hat, sich stärker an den Netzbetreiber bindet.For the network operator who strives to create new value to achieve, the location-specific mobile services provide a useful and attractive expansion of the offer portfolio. A position determination therefore offers the possibility to offer a number of new service ideas within the mobile radio systems by means of that the network operators could achieve the aforementioned goals. Because on the one hand allow location-specific Services the development of customized, personalized services, on the other hand, that means the necessary Equipment but also that the participant who has an appropriate terminal has acquired itself stronger binds to the network operator.
Eine Einteilung der verschiedenen Anwendungsgebiete von Location Based Services ist beispielsweise in die Rubriken Information, Navigation, Sicherheit, Marketing, Entertainment und dergleichen möglich.A division of the different Areas of application for location-based services are, for example in the categories information, navigation, security, marketing, Entertainment and the like possible.
Bezüglich der Rubrik Sicherheit forderte die US-Aufsichtsbehörde Federal Communication Commission (FCC) bereits im Jahre 1996 eine Lokalisierung der Teilnehmer mit mobilen Endgeräten im Notfall mittels des sogenannten E-911 Dienstes. Diese E-911 Lokalisierung soll zum Beispiel bei einer Autopanne, einem Verkehrsunfall oder einem Überfall eine rasche Hilfeleistung ermöglichen, auch wenn der mobile Teilnehmer seinen aktuellen Standort nicht kennt oder dieser möglicherweise nicht mehr ansprechbar ist.Regarding security demanded the US regulator Federal Communication Commission (FCC) back in 1996 Localization of participants with mobile devices in an emergency using the so-called E-911 service. This E-911 localization, for example in the event of a car breakdown, a traffic accident or a robbery enable rapid assistance, even if the mobile subscriber does not find his current location knows or this may be is no longer accessible.
Unter dem Sicherheitsaspekt sind weiterhin verschiedenste Trackingsysteme vorstellbar, mit denen die Position eines mobilen Endgerätes kontinuierlich geortet werden kann, was beispielsweise die Identifikation und das Auffinden von gestohlenen Fahrzeugen ermöglicht.Are under the security aspect still different tracking systems imaginable with which the Position of a mobile device can be located continuously, for example identification and allows you to find stolen vehicles.
Informationen stellen im Rahmen der Location Based Services ein bedeutungsvolles Anwendungsfeld dar, zumal fast jedem ortsabhängigen Dienst der Abruf standortbezogener Informationen zu Grunde liegt. Hier sind beispielsweise Services, wie Branchen-Informationen oder Points of Interest-Applikationen denkbar, die nicht alphabetisch sondern entfernungsabhängig in Bezug auf den aktuellen Standort des Dienstnutzers sortiert sind, mit deren Hilfe der mobile Teilnehmer schnell zum Beispiel die nächste Bank, die nächste Werkstatt, das nächste Restaurant oder die Sehenswürdigkeiten in der Nähe nebst einem kurzen Online-Reiseführer finden kann. Diese Informationsdienste sind bereits zum Teil auf SMS- beziehungsweise WAP-Basis verwirklicht.Provide information within the Location-based services are a significant field of application especially since almost everyone is location-dependent Service based on retrieval of location-based information. Here are, for example, services such as industry information or points of interest applications conceivable, which is not alphabetical but distance dependent in Sorted according to the current location of the service user, with the help of which the mobile subscriber can quickly find, for example, the next bank, the next Workshop, the next Restaurant or the sights nearby along with a short online travel guide Can be found. These information services are already partially open SMS or WAP basis realized.
Die Navigation ist ebenfalls eine wichtige Kategorie, die sehr eng mit dem vorherigem Begriff der Information zusammenhängt, da der Benutzer möglicherweise nicht nur wissen möchte, wo ein Angebot zu finden ist, sondern auch, wie er dort hingelangt. Ein Lösungsansatz hierfür wäre ein kombinierter Auskunfts- und Navigationsdienst, der dem Teilnehmer nicht nur die Telefonnummern der städtischen Theater, Restaurants oder Tankstellen angibt, sondern auch jene dieser genannten Einrichtungen nennt, die gerade am nächsten ist und ihn gleich dorthin führt. Hier ist von einer einfachen Wegbeschreibung bis zu einer konkreten Navigation, die auf die aktuelle Verkehrslage und Baustellen eingeht, alles denkbar. Sinnvoll für Location Based Services sind auch Ansätze für Navigationssysteme, die nicht an ein Fahrzeug gebunden sind und daher auch einem Fußgänger in einer Stadt helfen können, sich an markanten Punkten in der Umgebung zu orientieren.The navigation is also one important category that is very closely related to the previous concept of Information related because the user may not just want to know where to find an offer, but also how to get there. A solution therefor would be a Combined information and navigation service that the participant not just the phone numbers of the municipal theaters, restaurants or Petrol stations indicates, but also those of these facilities calls the one closest to you and leads him there straight away. Here is from simple directions to a concrete one Navigation that takes into account the current traffic situation and construction sites, everything conceivable. Useful for Location based services are also approaches for navigation systems that are not tied to a vehicle and therefore also a pedestrian in can help a city to orientate yourself to prominent points in the area.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Telematik, bei der die Verfolgung eines mobilen Endgerätes im Vordergrund steht. Hier sind Dienste wie Flottenmanagement oder komplexe Trackingsysteme vorstellbar, anhand derer ein Unternehmen stets feststellen kann, wo sich ein Fahrzeug seiner Flotte gerade befindet. Somit ist es möglich, Fahrzeuge effektiver einzusetzen oder Umwege und unnütze Leerfahrten zu vermeiden.Another important aspect is telematics, which focuses on tracking a mobile device. Services such as fleet management or complex tracking systems are conceivable here, by means of which a company can always determine where a vehicle of its fleet is currently located. Consequently it is possible to use vehicles more effectively or to avoid detours and unnecessary empty runs.
Schon in der Gegenwart kann eine Messung des Verkehrsaufkommens, um Daten für ein adaptives Verkehrsleitsystem zu erfassen, durch die Dichte von Mobiltelefonen realisiert werden, und nicht mehr wie bisher ausschließlich durch Messeinrichtungen am Fahrbahnrand, da sich bei der Mehrzahl der Verkehrsteilnehmer ein Mobiltelefon oder ein Telematikgerät im Fahrzeug befindet. So ist es unter der Verwendung dieser Verkehrsdichteinformationen möglich, einzelne Verkehrsteilnehmer mittels Offboard-Navigation an Stauabschnitten vorbeizuleiten.One can already in the present Measurement of traffic to data for an adaptive traffic management system to be realized by the density of mobile phones, and no longer exclusively through measuring devices as before at the edge of the road, as the majority of road users a mobile phone or a telematics device is in the vehicle. So it is possible, using this traffic density information, individual To guide road users past congestion sections using offboard navigation.
Marketing wird zukünftig ebenfalls einen wichtigen Stellenwert im Rahmen der Location Based Services einnehmen, da die gezielte Präsentation von ortsabhängiger Werbung, zum Beispiel Sonderangebote eines Supermarktes in direkter Nähe des Standortes des Benutzers, eine wesentlich höhere Effizienz verspricht, als Werbung im herkömmlichen Sinn. Ebenso gut vorstellbar sind Veranstaltungshinweise, wie Konzerte oder Sportveranstaltungen, die sich auf das unmittelbare örtliche Umfeld beziehen.Marketing will also be in the future an important part of location based services take as the targeted presentation of location dependent Advertising, for example special offers of a supermarket in direct Near the Location of the user, promises a much higher efficiency than Conventional advertising Sense. Event notices such as concerts are also conceivable or sporting events that focus on the immediate local Relate to the environment.
Neben den zuvor erwähnten Veranstaltungshinweisen beinhaltet die Kategorie des Entertainment eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten, die den Mobilfunknutzer möglicherweise interessieren. Dazu können unter anderem Kommunikationsdienste gehören, mittels derer man mit anderen Personen in Kontakt treten kann, die sich im direkten Umfeld aufhalten und denselben Dienst verwenden. Weiterhin könnte in sogenannten „friend finder"-Anwendungen die Position eines Mitgliedes eines genau festgelegten Personenkreises bestimmt werden, das diesen Service in seinem Profil für den Suchenden freigeschaltet hat. Anwendungsgebiete jenes Dienstes sind zum Beispiel die Ermittlung des Aufenthaltsortes des Kindes, den besorgte Eltern erhalten möchten, aber auch das schnelle Auffinden von Freunden für Verabredungen. In diesem Bereich sind noch zahlreiche Gebiete von weiteren möglichen Anwendungen denkbar, zum Beispiel Location Based Games, bei denen Teilnehmer in einem näherem örtlichen Umfeld gegen- oder miteinander spielen können.In addition to the event information mentioned above the entertainment category includes a variety of others Possibilities, that may interest the mobile user. You can do this include communications services that you use to connect with other people who are in the immediate vicinity stop and use the same service. Furthermore, in so-called "friend finder" applications the position of a member of a precisely defined group of people be determined that this service in its profile for the seeker unlocked. Areas of application of that service are for example determining the whereabouts of the child, the concerned parents want to get but also quickly finding friends for appointments. In this There are still numerous areas of possible areas Applications conceivable, for example location based games, in which participants in a closer local Environment can play against or with each other.
Es existieren aber auch Beweggründe für eine Positionsbestimmung der Mobilfunkteilnehmer, von der in erster Linie die Netzbetreiber profitieren können. Diese bestehen beispielsweise in der Funknetzoptimierung. Die Funkzellen können durch makroskopische und langfristige Überwachung und Identifizierung einzelner Hot Spots besser an die reale Auslastung ausgerichtet werden, was die spektrale Effizienz erhöht. Des weiteren ist eine lokalisierbare Fehlererkennung, zum Beispiel das Erkennen von Gebieten an denen gehäuft Gesprächsabbrüche erfolgen, und somit eine zusätzliche Qualitätssicherung innerhalb des Netzwerkes möglich.But there are also reasons for determining a position the mobile subscriber, of which primarily the network operator can benefit. These consist, for example, of radio network optimization. The radio cells can through macroscopic and long-term monitoring and identification individual hot spots better geared to real occupancy what increases spectral efficiency. Furthermore, one is localizable Error detection, for example the detection of areas on them heaped Calls are canceled, and therefore an additional one quality assurance possible within the network.
Eine weitere Anwendung für den Mobilfunkbetreiber, die ortsabhängige Tarifgestaltung, findet bereits Verwendung. Anhand des Standortes des Kunden ist es möglich, in einem Heimbereich günstigere Tarife als außerhalb dessen anzubieten. Die Preisstruktur der Gespräche über den Mobilfunknetzbetreiber bleibt infolgedessen vergleichbar zu der des Festnetzes. Unter der Bedingung von ortsabhängigen Tarifstrukturen können die Telekommunikationsunternehmen ihre Teilnehmer durch vergünstigte Angebote dazu bewegen, an den Orten zu telefonieren, wo dies in Bezug auf die Netzinfrastruktur oder eine künftige Netzplanung betriebswirtschaftlich vorteilhaft ist.Another application for the mobile operator, the location dependent Tariff structure is already in use. Based on the location of the customer it is possible cheaper in a home area Tariffs as outside to offer it. The price structure of the talks about the mobile network operator consequently remains comparable to that of the fixed network. Under the Condition of location dependent Tariff structures can the telecommunications companies discount their subscribers Get offers to make calls at the places where this is Business management related to the network infrastructure or future network planning is advantageous.
Durch die Kenntnis des Aufenthaltsortes des Mobilfunknutzers ist ebenfalls ein effektiveres Ressourcenmanagement möglich. Dies bedeutet, dass die Auswahl des Übertragungskanals, über den die Verbindung zum Teilnehmer aufgebaut wird, abhängig von der Position des Benutzers getroffen wird.By knowing the whereabouts of the mobile phone user is also more effective resource management possible. This means that the selection of the transmission channel over which the connection to the subscriber is established depending on the position of the user is hit.
Weiterhin könnten durch die Überwachung der Teilnehmerbewegung Handover-Entscheidungen (Handover = Leistungsmerkmal zellularer Mobilfunknetze, das ein automatisiertes Weiterreichen einer bestehenden Nutzdatenverbindung auf einen anderen Kanal der gleichen oder einer anderen Funkzelle realisiert) effektiver getroffen werden, indem unnötige Handover, die durch lokal begrenztes Fading bedingt sind, nicht ausgeführt werden, wodurch sich der sogenannte Ping-Pong Effekt eines hin- und wieder zurückvollzogenen Handovers vermeiden lässt.Could continue through surveillance the participant movement handover decisions (handover = Performance feature of cellular mobile radio networks, which an automated Forwarding an existing user data connection to another Channel of the same or a different radio cell) more effectively be taken by unnecessary Handovers caused by localized fading are not carried out, which causes the so-called ping-pong effect every now and then withdrawn handovers can be avoided.
Zur netzweiten Einführung der zuvor genannten Dienste im Massenmarkt ist es notwendig, möglichst ressourceneftiziente Positionierungsverfahren einzusetzen. Künftige im GSM-Netz realisierte Positionierungsverfahren sollen zusätzlich zu einer Standortberechnung mittels der Netzwerkinfrastruktur eine Ortsbestimmung durch das Handset (das mobile Endgerät, beispielsweise das Mobiltelefon oder dergleichen) ermöglichen.For the network-wide introduction of previously mentioned services in the mass market, it is necessary to be as resource-efficient as possible Use positioning procedures. Future realized in the GSM network Positioning procedures should be in addition to a location calculation a location determination by the network infrastructure Handset (the mobile device, for example, the mobile phone or the like).
Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, wie die Position eines mobilen Endgeräts, beispielsweise eines Mobiltelefons, in einem zellularen Kommunikationsnetz, beispielsweise dem GSM-Netz bestimmt werden kann.There are already different procedures known how the position of a mobile device, such as a cell phone, in a cellular communication network, for example the GSM network can be determined.
Diese unterscheiden sich in Bezug auf die Ortungsgenauigkeit, den technischen Aufwand und die damit verbundenen Investitionen für Endgeräte und Netzwerkinfrastruktur. Die Verfahren können nach bestimmten Kriterien unterteilt werden.These differ in relation on the location accuracy, the technical effort and thus related investments for terminals and network infrastructure. The procedure can be based on certain criteria be divided.
Eine Eigenschaft zur Klassifikation dieser Lokalisationstechniken ist, ob die Position unilateral, dies bedeutet, dass die Position des Objekts durch den Empfang von Signalen von mehreren Referenzpunkten, deren Position bekannt ist, geschätzt oder multilateral bestimmt wird, wobei das zu positionierende Objekt ein Signal sendet, das von mehreren Referenzorten empfangen wird.A property for classification of these localization techniques is whether the position is unilateral, this means that the position of the object by receiving signals from several reference points whose position is known, estimated or is determined multilaterally, the object to be positioned sends a signal that is received by several reference locations.
Weiterhin könnte man die Techniken im zellularen Kommunikationsnetz in die Gruppe der „handset-assisted" beziehungsweise in die der „handset-based" Positionierungstechniken einordnen. Handset-assisted heißt in diesem Zusammenhang, dass die Mobilstation (MS) beziehungsweise die mobile Endeinrichtung eventuell notwendige Messungen durchführt und diese Messwerte an die Netzinfrastruktur weitergibt. Die eigentliche Positionsberechnung wird jedoch im Netzwerk vollzogen. Die letztgenannte Art der Positionsbestimmung setzt vornehmlich multilaterale Positionierungstechniken ein. Im Gegensatz dazu führt die Mobilstation unter Verwendung von handset-based Positionierungstechniken alle Messungen bzw. Berechnungen selbst durch, die zur Positionsbestimmung notwendig sind. Ist es nicht möglich, dass die Mobilstation eigenständig bestimmte Parameter misst, so kann durch Übermittlung dieser Größen von der Netzwerkinfrastruktur an die Mobilstation jene dazu befähigt werden, handset-based Positionierungstechniken durchzuführen.Furthermore, the techniques in the cellular communication network could be grouped into the “handset-as sisted "or in the" handset-based "positioning techniques. In this context, handset-assisted means that the mobile station (MS) or the mobile terminal device carries out any necessary measurements and forwards these measured values to the network infrastructure. However, the actual position calculation is carried out in the network. The latter type of positioning primarily uses multilateral positioning techniques. In contrast to this, the mobile station itself uses handset-based positioning techniques to carry out all measurements or calculations that are necessary for determining the position. If it is not possible for the mobile station to measure certain parameters independently, the transmission of these variables from the network infrastructure to the mobile station can enable them to carry out handset-based positioning techniques.
Beispielsweise ist es möglich, eine Ortsbestimmung durch Richtungsermittlung vorzunehmen. Hierbei werden Richtungsbestimmungen zur Berechnung der Position des gewünschten Objektes einsetzt. Dabei messen Peilstationen die Empfangswinkel eines von diesem Objekt gesendeten Signals. Dieser liegt im idealen Fall entlang einer Gerade in der erhaltenen Empfangsrichtung. Setzt man mehrere Peilstationen ein, erhält man verschiedene Richtungsbestimmungen und es ergeben sich mehrere Geraden, an deren Schnittpunkt sich das Objekt befindet. Bei der Ortsbestimmung durch Richtungsbestimmung handelt es sich um ein multilaterales Verfahren.For example, it is possible to use a Determine the location by determining the direction. Here are Directions to calculate the position of the desired Object. Direction finders measure the reception angle a signal sent by this object. This is ideal Fall along a straight line in the received direction. Puts If you enter several DF stations, you get different directional determinations and there are several straight lines at their intersection the object is located. When determining the location by determining the direction it is a multilateral procedure.
Im zellularen Kommunikationsnetz, beispielsweise dem GSM.Netz, kann diese Grundtechnik der Richtungsbestimmung durch das sogenannte „Angle of Arrival" Verfahren verwirklicht werden. Dabei werden die Peilstationen durch Antennenarrays am Standort der Basisstationen realisiert. Diese Antennen bestehen aus mehreren (gewöhnlich 4 bis 12) Einzelantennen, deren Abstände Vielfache der halben Wellenlänge betragen. Darin besteht ein Nachteil dieser Positionierungsmethode, denn der Austausch von vorhandenen Antennen durch komplexe Antennenarrays bedingt hohe Investitionskosten. Zwar kann durch adaptive Antennen die Kapazität auf der Luftschnittstelle durch Verringerung der Interferenz erhöht werden, zur genauen Lokalisation von mobilen Teilnehmern ist jedoch eine schwer durchzuführende exakte Ausrichtung und Kalibrierung der Arrays notwendig, während die erreichbare Kapazitätserhöhung von einer Falschausrichtung nicht betroffen wird.In the cellular communication network, For example the GSM network, this basic technique of determining the direction through the so-called “Angle of arrival "procedures can be implemented. The DF stations realized by antenna arrays at the location of the base stations. These antennas consist of several (usually 4 to 12) individual antennas, their distances Multiples of half the wavelength be. The disadvantage of this positioning method is because the replacement of existing antennas with complex antenna arrays requires high investment costs. Adaptive antennas can the capacity on the air interface can be increased by reducing the interference, for the exact localization of mobile participants is however one difficult to carry out exact alignment and calibration of the arrays necessary while the achievable capacity increase of misalignment is not affected.
In Mobilfunksystemen ist es durch Mehrwegeausbreitung oder infolge von Abschattungen (Non Line of Sight (NIoS)-Ausbreitung) möglich, dass sich das Antennenarray auf eine inkorrekte Richtung ausrichtet. Anhand dieses Sachverhaltes lässt sich eine Empfindlichkeit dieses Verfahrens gegenüber jenen Ausbreitungsbedingungen begründen. Diese Sensibilität ist jedoch aufgrund der sich verändernden Scatterercharakteristiken vom Abstand der Mobilstation bezüglich der Basisstation abhängig.In mobile radio systems, it is through Multipath or as a result of shadowing (Non Line of Sight (NIoS) spread) possible, that the antenna array is pointing in the wrong direction. Based this fact leaves this method is sensitive to those Establish propagation conditions. This sensitivity is however due to the changing Scatterer characteristics from the distance of the mobile station with respect to the Base station dependent.
Bei einem Macrocell-Modell befindet sich ein kreisförmiges Gebiet von sogenannten Scatterern um die Mobilstation, die Basisstation ist jedoch weit außerhalb dieses Ringes plaziert. Im Gegensatz dazu ist die Basisstation in einem Microcell-Modell oft von lokalen Scatterern in ihrer Nähe umgeben. Unter dem Einsatz dieser Scatterer-Konfigurationen zeigt sich, dass bei der Verwendung von Macrocell-Szenarien die Signale unter einem geringen Fehler des Empfangswinkels an der Basisstation empfangen werden, jedoch sich bei dem Microcell-Modell durch Ausrichtung auf lokale Streuer in der Nähe der Basisstation potentiell große Fehler im Empfangswinkel und somit in der Position ergeben.Located on a macro cell model a circular one Area of so-called scatterers around the mobile station, the base station however, is far outside of this ring. In contrast, the base station is in a microcell model often surrounded by local scatterers in their vicinity. Using these scatterer configurations shows that when using macrocell scenarios the signals under one received small error of the reception angle at the base station in the microcell model by targeting local spreaders nearby the base station potentially large Errors in the reception angle and thus in the position result.
Bei einer weiteren Grundpositionierungstechnik, der Gruppe der Ortsbestimmung durch Abstandsberechnung, werden geometrische Distanzen zur Ermittlung des Standortes des Objektes eingesetzt. Die Kategorie dieser Abstandstechniken kann man weiterhin in zwei Basistechniken einteilen: Positionsbestimmung durch geometrischen Abstand zwischen Objekt und Referenzpunkt (Sphärische Ortsbestimmung), sowie Differenz zweier geometrischer Abstände zwischen Objekt und Referenzpunkt (Hyperbolische Ortsbestimmung).With another basic positioning technique, the group of location determination by distance calculation, are geometric Distances used to determine the location of the property. The category of these distance techniques can still be divided into two Classify basic techniques: position determination by geometric Distance between object and reference point (spherical location), and Difference between two geometrical distances between object and reference point (Hyperbolic location).
Die Basistechnik der sphärischen Ortsbestimmung benutzt direkt den geometrischen Abstand zwischen dem Objekt und einer Referenzposition. Im zweidimensionalen Anwendungsfall ergibt sich für die mögliche Position des Objektes eine Kreislinie mit dem gemessenen Abstand um den Referenzort. Mittels einer mehrfachen Lateration wird die Position des Objektes ermittelt. Werden zunächst zwei Messungen verschiedener Referenzorte kombiniert, so ergeben sich maximal zwei Positionen als potentieller Standort des Objektes, die den Schnittpunkten beziehungsweise dem Berührungspunkt der beiden Kreislinien entsprechen. Weitere Abstandsmessungen mit weiteren Referenzpunkten werden solange durchgeführt, bis diese Zweideutigkeit beseitigt ist. Ein Nachteil der Basistechnik der sphärischen Ortsbestimmung ist die Abhängigkeit der Auflösung von der Systemgeometrie, das heißt der Position der Referenzorte gegenüber dem positionierenden Objekt. Dieser Sachverhalt wird als „Dilution of Precision (DOP)" Problem bezeichnet. Dilution of Precision bedeutet in diesem Zusammenhang die Verstärkung eines Fehlers in den Eingangswerten der Positionsbestimmung zu dem Fehler des Standortes.The basic technique of spherical Position determination directly uses the geometric distance between the object and a reference position. In two-dimensional application results for the possible Position of the object a circular line with the measured distance around the reference location. Using a multiple lateration, the Position of the object determined. First, two measurements are different Combined reference locations, this results in a maximum of two positions as the potential location of the object, the intersection respectively the point of contact of the two circular lines. Further distance measurements with further reference points are carried out until this ambiguity is eliminated. A disadvantage of the basic technique of spherical Location is dependence the dissolution of the system geometry, that is, the position of the reference locations across from the positioning object. This state of affairs is called “Dilution of Precision (DOP) "Problem. Dilution of Precision means in this context the reinforcement an error in the input values of the position determination for the Location error.
In einem zellularen Kommunikationsnetz, beispielsweise im GSM-Netzwerk, kann die Basismethode der sphärischen Ortsbestimmung auch durch das sogenannte „Time of Arrival"-Verfahren realisiert werden, wobei mindestens drei Messstationen in den Basisstationen die Ausbreitungszeiten eines von der Mobilstation gesendeten Signals bestimmen. Anhand der bekannten Position der Basisstationen, die als Referenzpositionen dienen, und der gemessenen Ausbreitungszeiten, die proportional zum Abstand sind, kann die Position der Mobilstation multilateral ermittelt werden.In a cellular communication network, for example in the GSM network, the basic method of spherical location determination can also be implemented by the so-called "time of arrival" method, at least three measuring stations in the base stations determining the propagation times of a signal sent by the mobile station Known position of the base stations, which serve as reference positions, and the measured propagation times, which are proportional to the distance, can be the position the mobile station can be determined multilaterally.
Da die GSM-Spezifikation allerdings ein nichtsynchronisiertes Netzwerk vorsieht, senden die einzelnen Basisstationen ihre Bursts zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. erwarten die Basisstationen den Burstempfang zu ungleichen Momenten, wobei dieser zeitliche Versatz als Offset in den Zeitbasen bezeichnet wird. Die Kenntnis dieser Offsets zwischen den an der Positionierung beteiligten Basisstationen ist eine Voraussetzung für die Bestimmung der Ausbreitungszeiten und somit des Standortes der Mobilstation.Since the GSM specification, however a non-synchronized network is provided by the individual Base stations their bursts at different times or the base stations expect the burst reception at unequal moments, this time offset referred to as the offset in the time bases becomes. Knowing these offsets between those at the positioning Base stations involved is a prerequisite for the determination the propagation times and thus the location of the mobile station.
Zwar existiert ein Ansatz zur Messung der Ausbreitungszeit von der Mobilstation zur Basisstation ohne die explizite Bekanntheit der Offsets in den Zeitbasen, doch erweist sich dieser Ansatz als nicht praktikabel. Dort wird die round-trip Verzögerung, demnach die Zeitverzögerung einer von der Basisstation an die Mobilstation gesendeten Anforderung bis zum Eintreffen der Antwort der Mobilstation, gemessen. Die processing delays, die Verarbeitungszeiten innerhalb der Mobilstation und der Basisstation, sind allerdings je nach Hersteller unterschiedlich, demzufolge lässt sich die Ausbreitungszeit nicht im erforderlichen Maße abschätzen.There is an approach to measurement the propagation time from the mobile station to the base station without the explicit awareness of the offsets in the time bases, but proves this approach turns out to be impractical. There the round trip Delay, hence the time delay a request sent from the base station to the mobile station until the answer of the mobile station arrives. The processing delays, the processing times within the mobile station and the base station, are different depending on the manufacturer, therefore do not estimate the propagation time as necessary.
Daher liegt die Herausforderung in dieser Methode in der Synchronisierung der einzelnen Basisstationen, beziehungsweise in der Bestimmung dieser Offsets in den Zeitbasen, welche im asynchronen GSM-Netz im Grunde durch einen GPS-Receiver in jeder Basisstation erreicht werden kann, wodurch allerdings erhöhte Infrastrukturkosten entstehen. Die „Time of Arrival" Methode kann mit allen Handsets durchgeführt werden, eins Modifikation ist daher nicht erforderlich.Therefore the challenge lies in this method in the synchronization of the individual base stations, or in the determination of these offsets in the time bases, which in the asynchronous GSM network basically through a GPS receiver can be reached in every base station, but this increases the infrastructure costs arise. The "Time of arrival "method can be done with all handsets, one Modification is therefore not necessary.
Die Genauigkeit der Positionsbestimmung mittels „Time of Arrival" Verfahrens hängt von der Zahl der beteiligten Messstationen sowie von den örtlichen Gegebenheiten ab. In ländlichen Gebieten erreicht das Verfahren typischerweise eine Genauigkeit von 50 Metern, in schwierigen städtischen Gebieten beträgt die Unsicherheit rund 150 Meter.The accuracy of the position determination using "Time of arrival "procedure depends the number of measuring stations involved and the local ones Circumstances. In rural The method typically achieves accuracy in areas of 50 meters, in difficult urban Areas is the uncertainty around 150 meters.
Ein weiteres Beispiel für eine sphärische Positionsbestimmung ist das Satellitennavigationssystem GPS. Für eine Positionsbestimmung wird der Funkkontakt zu mindestens vier Satelliten benötigt, die als Referenzpositionen dienen und der geometrische Abstand bezüglich jener zur Ausführung sphärischer Positionierungstechniken bestimmt wird. Das Hauptproblem neben einer zusätzlichen Hardware-Erweiterung in der mobilen Endeinrichtung in Form eines speziellen GPS-Empfängers, dessen gesteigerten Stromverbrauch und erhöhten Hardwareaufwand, der zu steigenden Gerätepreisen führt, sind die schwachen Signale der Satelliten. Innerhalb geschlossener Gebäude sind diese nicht zu empfangen, folglich sind GPS-Empfangsgeräte als „stand alone" Lösung für den Gebrauch in städtischen Verdichtungsräumen in ihrer Verwendbarkeit stark eingeschränkt. Zusätzlich spielt die sogenannte „urban canyon" Problematik eine bedeutende Rolle, denn in Häuserschluchten lässt sich eine freie Sicht auf vier Satelliten, die sich in einem niedrigen Erdorbit relativ zum Betrachter bewegen, nur schwer sicherstellen. Weiterhin benötigen herkömmliche GPS-Empfänger nach dem Einschalten zwischen zehn und 60 Sekunden, um anhand der empfangenen Satellitendaten ihren eigenen Standort zu bestimmen (Time to first fix). Diese Zeitspanne ist für die meisten Anwendungsgebiete einer Positionsbestimmung von mobilen Endeinrichtungen zu groß.Another example of a spherical position determination is the GPS satellite navigation system. For a position determination radio contact to at least four satellites is required serve as reference positions and the geometric distance with respect to that for execution spherical Positioning techniques is determined. The main problem besides one additional Hardware extension in the mobile terminal device in the form of a special GPS receiver, its increased power consumption and increased hardware expenditure, which too rising device prices leads, are the weak signals from the satellites. Inside closed building if these are not to be received, consequently GPS receivers are "standing alone "solution for the Use in urban conurbations severely limited in their usability. In addition, the so-called “urban canyon "problem plays an important role, because in house gorges let yourself a clear view of four satellites that are in a low Move earth orbit relative to the viewer, difficult to ensure. Still need conventional GPS receiver after switching on between ten and 60 seconds to use the received satellite data to determine their own location (Time to first fix). This period is for most areas of application a position determination of mobile terminals too large.
Die Vielzahl der genannten Probleme bei der Verwendung einer GPS-Empfangsstruktur in Handsets können unter Berücksichtung des sogenannten A-GPS Verfahrens vermindert werden, wofür allerdings ein zusätzlicher Hardwareaufwand im Mobilfunknetz erforderlich ist. Hierbei wird ein Teil der von den Satelliten gesendeten Positionsparameter bereits über fest installierte GPS-Receiver in der GSM-Netzinfrastruktur gewonnen, und über Cell Broadcast Kanäle an die mobilen Endeinrichtungen übermittelt. Dies erleichtert die Berechnung im Einzelfall und verkürzt einen Positionierungsvorgang bis auf wenige Sekunden, während die Genauigkeit in dem Bereich von 10 bis 50 Metern gleichzeitig erhöht wird. Zugleich ist nur ein GPS-Empfänger mit eingeschränktem Funktionsumfang im Handset erforderlich, dessen Kosten und Energiebedarf im Vergleich zu vollständigen Empfängern erheblich reduziert ist. Dessen ungeachtet ist auch bei der Verwendung des A-GPS Verfahrens eine Ortung innerhalb von Gebäuden nicht möglich. Daher ist zur vollständigen Abdeckung des Mobilfunknetzes eine Kombination mit anderen Technologien zu einem Hybrid-Positionierungssystem erforderlich.The multitude of the problems mentioned when using a GPS reception structure in handsets can take consideration the so-called A-GPS procedure can be reduced, but for what an additional Hardware expenditure in the cellular network is required. Here will some of the position parameters sent by the satellites are already over fixed installed GPS receivers in the GSM network infrastructure, and over Cell broadcast channels transmitted to the mobile terminals. This simplifies the calculation in individual cases and shortens one Positioning process down to a few seconds while the Accuracy in the range of 10 to 50 meters is increased at the same time. At the same time there is only one GPS receiver with limited Range of functions required in the handset, its costs and energy requirements compared to full recipients is significantly reduced. Regardless, it is also in use the A-GPS procedure does not locate inside buildings possible. Therefore, to complete Coverage of the cellular network a combination with other technologies to a hybrid positioning system required.
Bei der Verwendung des hyperbolischen Positionierungsverfahren, einer weiteren Basistechnik der Gruppe der Ortsbestimmung durch Abstandsbestimmung, wird der Standort mittels der Differenz der Abstände bezüglich zweier Referenzpositionen berechnet. Die Standlinie, die Menge aller möglichen Positionen des Objektes, entspricht jeweils einer Hyperbel, die durch die Abstandsdifferenz bezüglich dem Referenzpositionspaar und die beiden Referenzpunkte definiert ist.When using the hyperbolic Positioning procedure, another basic technique of the group the location by distance determination, the location is by means of the difference of the distances with respect to two Reference positions calculated. The stand line, the set of all possible Positions of the object, each corresponds to a hyperbola, the by the difference in distance the reference position pair and the two reference points is.
In der Folge wird erneut ein zweidimensionales
Koordinatensystem betrachtet. Die Position des Objektes wird ermittelt,
indem zunächst
zwei Messungen mit verschiedenen Referenzorfenpaaren kombiniert werden.
Es ergeben sich maximal zwei Positionen als potentielle Objektstandorte,
die den zwei möglichen Schnittpunkten
der beiden Hyperbeln entsprechen. Messungen von Abstandsdifferenzen
mit weiteren Referenzpunkten werden solange durchgeführt, bis
diese Unsicherheit, welcher dieser beiden Standorte der Position
des Objektes entspricht, beseitigt ist. Um eine zuverlässige Bestimmung
der Position zu erhalten, sind daher mindestens zwei Hyperbeln erforderlich,
was geringstenfalls drei Referenzpositionen entspricht. Dies ist beispielhaft
in
Die Abstandsdifferenz der Objekte bezüglich der i.ten und j.ten Referenzposition beträgt wobei die Koordinaten (Xk, Yk) die Position der k.ten Referenzposition und (x, y) die Position des Objektes repräsentieren.The distance difference of the objects with respect to the i.th and j.th reference positions is where the coordinates (Xk, Yk) represent the position of the kth reference position and (x, y) the position of the object.
Die Hyperbel ist dabei die Menge
aller Punkte, für
welche die Differenz der Abstände
bezüglich
zweier fest vorgegebener Punkte ein konstantes Quantum beträgt. Dies
ist beispielhaft in
Die hyperbolische Positionsbestimmung findet vorteilhaft Verwendung in dem weiter unten beschriebenen E-OTD Verfahren.The hyperbolic position determination is advantageously used in the described below E-OTD process.
Weiterhin ist es auch möglich, eine direkte Ortsbestimmung in zellularen Netzen vorzunehmen.It is also possible to use a to carry out direct location determination in cellular networks.
Zellulare Netze bieten aufgrund ihres Aufbaus eine weitere Möglichkeit einer Grundpositionierungstechnik. Dabei wird der Standort zugehöriger Endgeräte anhand der Kenntnis von Zellinformationen und den jeweiligen Versorgungsgebieten der einzelnen Zellen bestimmt.Cellular networks offer due to their Building another way a basic positioning technique. The location of associated end devices is used knowledge of cell information and the respective coverage areas of the individual cells.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise das sogenannte „Cell-ID" Verfahren. Wie ein Mosaik überdecken Funkzellen, in deren Zentrum sich jeweils eine Basisstation mit Funkantenne befindet, das gesamte Ausbreitungsgebiet des Mobilfunknetzes. Bei der Verwendung der direkten Ortsbestimmung in zellularen Netzen, wie sie beispielsweise im GSM-Mobilfunknetz realisiert wird, erfolgt die Ermittlung der Positionsdaten anhand des „Cell Identifiers" (Cell-ID), der die Funkzelle, in der sich die Endeinrichtung befindet, eindeutig identifiziert. Dies stellt die einfachste zu realisierende Standortbestimmung von Endeinrichtungen im GSM-Netz dar, weil deren Position durch den Standort der „Serving Cell" beschrieben wird. Mit dieser Lokalisierungsmethode lässt sich die Position jeder Endeinrichtung bestimmen, denn Veränderungen an den Mobilstationen sind nicht erforderlich. Lediglich bedarf es einer geringen Modifikation der Netzwerkinfrastruktur zur Transformation des „Cell Identifiers" in Koordinaten.Such a method is for example the so-called "Cell-ID" Method. Cover like a mosaic Radio cells, in the center of which there is a base station Radio antenna is located, the entire area of expansion of the mobile network. When using direct location in cellular networks, such as it is implemented, for example, in the GSM mobile radio network the determination of the position data on the basis of the "cell identifier" (cell ID) which identifies the radio cell, in which the terminal is located, clearly identified. This provides the easiest location determination of terminal equipment to be realized in the GSM network, because their position is described by the location of the serving cell becomes. With this localization method, the position of everyone can be Determine the terminal equipment because changes to the mobile stations are not required. Only a slight modification is required the network infrastructure to transform the "Cell Identifier" in coordinates.
In Ballungsgebieten erlauben Lokalisierungen über Micro-Zellen schon eine auf circa 300 m genaue Positionsangabe, hingegen kann eine Funkzelle in dünner besiedelten und schwach frequentierten Gebieten theoretisch bis etwa 35 Kilometer abdecken, was dementsprechend zu einer geringeren Genauigkeit der Positionsbestimmung führt.In metropolitan areas, localizations via micro-cells allow Already an exact position specification to about 300 m, however, can a radio cell in thin theoretically populated and low-traffic areas cover about 35 kilometers, which results in a smaller one Accuracy of position determination leads.
Um die Auflösung der Cell-ID Positionierungsmethode in großen Zellen zu erhöhen, können zwei zusätzliche Parameter hinzugezogen werden, der Wert der Timing Advance (TA) und die Empfangsfeldstärke der Signale der Nachbarzellen. Das Ergebnis unter der Verwendung der Timing Advance ist, dass sich die Mobilstation irgendwo innerhalb eines mindestens 550 Meter breiten Kreisringes um die Position der Basisstation befindet. Dieser Wert der Unsicherheit des Abstandes von der Base Trancieving Station (BTS) entspricht der Quantisierungsauflösung des Parameters der Timing Advance. Die Übereinstimmung des exakten Abstandes von der Basisstation mit dem in eine Strecke umgerechneten TA-Wert ist neben der Quantisierung im wesentlichen von der Entfernung der Endeinrichtung von der Basisstation und den Ausbreitungsbedingungen ((Non)Line of Sight, Mehrwegeausbreitung) abhängig.To resolve the Cell ID positioning method in large Cells to increase can two additional Parameters are consulted, the value of timing advance (TA) and the reception field strength the signals from the neighboring cells. The result under the use The timing advance is that the mobile station is somewhere within a circular ring at least 550 meters wide around the position of the Base station is located. This value of the uncertainty of the distance from the Base Trancieving Station (BTS) corresponds to the quantization resolution of the Timing Advance parameters. The exact match Distance from the base station with the one converted into a distance In addition to quantization, the TA value is essentially based on the distance the terminal equipment from the base station and the propagation conditions ((non) line of Sight, multipath propagation) dependent.
Ein weiteres Verfahren zur Positionsbestimmung ist das sogenannte E-OTD Verfahren, (Enhanced-Observed Time Difference), bei dem es sich um ein spezifiziertes Positionierungsverfahren für ein zellulares Kommunikationsnetz, beispielsweise für das GSM-Netz handelt, das anhand von gemessenen Zeitdifferenzen (Observed Time Differences) eine Positionsbestimmung des Terminals ermöglicht. Diese Lokalisierungstechnik erfüllt die genannte Forderung an zukünftige Positionierungsverfahren und bietet die Mobilstation als Alternative für einen konventionellen „stand alone" GPS-Empfänger an. Allerdings sind zum Einsatz dieses Positionierungsverfahrens neue Funktionseinheiten in der Netzwerkinfrastruktur, sogenannte Location Measurement Units (LMUs), zur Messung verschiedener für die Positionierung notwendiger Parameter im Verhältnis zu jeder dritten bis fünften Basisstation erforderlich. Um eine bestehende Netz-Infrastruktur, beispielsweise eine GSM-Infrastruktur mit dem E-OTD Verfahren auszustatten, ist daher eine große Anzahl von zusätzlichen Location Measurement Units notwendig, deren Standortbestimmung eine komplexe Aufgabe ist. Dabei müssen mögliche Netzerweiterungen infolge von benötigten Kapazitätserhöhungen in ausreichendem Maße in Betracht gezogen werden. Die zu entrichtenden Infrastrukturkosten zum Einsatz dieser LMUs ist einer der Hauptnachteile des bisherigen Systementwurfes des E-OTD Verfahrens, denn der finanzielle Aufwand für jede dieser Location Measurement Units ist sehr hoch.Another method for determining position is the so-called E-OTD method, (Enhanced-Observed Time Difference), which is a specified positioning method for a cellular Communication network, for example for the GSM network that based on measured time differences enables the terminal to be positioned. This localization technique Fulfills the stated claim to future Positioning procedure and offers the mobile station as an alternative for one conventional "stand alone "GPS receiver. However, there are new ones for using this positioning method Functional units in the network infrastructure, so-called location Measurement Units (LMUs), for measuring different ones for positioning necessary parameters in relation to every third to fifth Base station required. To an existing network infrastructure, for example one It is therefore necessary to equip the GSM infrastructure with the E-OTD process a big Number of additional locations Measurement units necessary, the location of which is complex Task is. Doing so possible Network expansions due to required capacity increases in sufficient measure be considered. The infrastructure costs to be paid using these LMUs is one of the main disadvantages of the previous one System design of the E-OTD process, because of the financial effort for every this location measurement units is very high.
Nachfolgend wird die grundsätzliche Funktionsweise des E-OTD Verfahrens beschrieben.Below is the basic one How the E-OTD process works is described.
Bei dem E-OTD Verfahren handelt es sich um ein Positionierungsverfahren für ein zellulares Kommunikationsnetz, das anhand von gemessenen Zeitdifferenzen sowohl Handset-basierte als auch Handset-unterstützte Positionsbestimmungen ermöglicht. Die Berechnung des Standortes der Mobilstation kann vorteilhaft aufgrund einer sphärischen oder hyperbolischen Ortsbestimmung erfolgen. Eine E-OTD Positionierung erfordert keine Veränderung an der Antennen- oder RF-Hardware, jedoch bedingt es eine Softwareerweiterung des Terminals. Durch diese Anforderung von neuen Endgerätefähigkeiten kann dieses Verfahren daher nur in dem Maße etabliert werden, wie sich die Endgeräte-Flotte erneuert.The E-OTD procedure is a positioning procedure for a cellular communication network, which enables both handset-based and handset-supported position determination based on measured time differences. The location of the mobile station can advantageously be calculated on the basis of a spherical or hyperbolic location determination. E-OTD positioning does not require any changes to the antenna or RF hardware, but it does require software expansion of the Terminals. This requirement of new terminal capabilities means that this process can only be established to the extent that the terminal fleet is renewed.
In der Folge werden zwei Systementwürfe zur Implementierung des E-OTD Verfahrens erläutert, die zur Messung verschiedener für die Positionierung notwendiger Parameter in der Netzwerkinfrastruktur Location Measurement Units (LMUs) benötigen. Die geographische Position der LMU beziehungsweise die Ausbreitungsverzögerungen zu den zugehörigen Base Transcieving Stations (BTS) oder Base Station Controller (BSC) seien als bekannt vorauszusetzen. Zur Unterstützung der E-OTD Lokalisierungsmethode muss für mindestens drei bis fünf Funkzellenstandorte eine LMU bereitgestellt sein, welche, je nach Systementwurf, Funkmessungen durchführt oder zur Synchronisation der Basisstationen eingesetzt wird.As a result, two system designs become Implementation of the E-OTD method explained, which is used to measure various for the Positioning necessary parameters in the network infrastructure Location Measurement Units (LMUs) are required. The geographic position the LMU or the propagation delays to the associated base Transcieving Stations (BTS) or Base Station Controller (BSC) assumed to be known. To support the E-OTD localization method must for at least three to five Radio cell locations an LMU can be provided, which, depending on System design, radio measurements or for synchronization the base stations is used.
Zur Verbindung der LMU mit dem restlichen Kommunikationsnetz-Netzwerk können nach Möglichkeit Leitungen an Stelle der Luftschnittstelle verwendet werden, da jene Verbindungen sich als weitaus weniger störanfällig erweisen und die Ausbreitungsverzögerung nicht durch Mehrwegeausbreitung verfälscht wird.To connect the LMU with the rest Communication network network can if possible lines be used in place of the air interface because those connections turn out to be far less prone to failure and the propagation delay is not falsified by multipath propagation.
Die Lösung der Positionierung mittels des Typs der sphärischen Lösung benötigt im Gegensatz zu der später vorgestellten hyperbolischen Lösung keine Bestimmung von Zeitintervallen in bezug auf den Empfang von unterschiedlichen Signalen am Orte der Mobilstation beziehungsweise einer LMU, denn die Ausbreitungszeiten der Signale werden im Hinblick auf jede Basisstation gesondert berechnet.The solution of positioning by means of of the spherical type solution needed unlike that later presented hyperbolic solution no determination of time intervals with respect to the reception of different signals at the location of the mobile station respectively an LMU, because the propagation times of the signals are taken into account calculated separately for each base station.
Bei der Verwendung des Typs der hyperbolischen Lösung werden prinzipiell nur relative Verzögerungen der Signale benötigt. Der genaue Übertragungszeitpunkt beziehungsweise eine Synchronisation zwischen der Endeinrichtung, den Basisstationen und den LMUs werden daher aufgrund der Messung von Zeitdifferenzen nicht beansprucht. Da im GSM-Netz jedoch, wie bereits erwähnt, eine Synchronisation zwischen den einzelnen Basisstationen nicht gegeben ist, muss zusätzlich der Offset in den Zeitbasen der Basisstationen, die an der Positionierung teilnehmen, ermittelt werden.When using the type of hyperbolic solution in principle, only relative signal delays are required. The exact time of transmission or a synchronization between the terminal device, the base stations and the LMUs are therefore based on the measurement not claimed by time differences. However, since in the GSM network, as already mentioned, a There is no synchronization between the individual base stations is additional the offset in the time bases of the base stations involved in the positioning participate, be determined.
Die folgenden drei grundlegenden relativ gemessenen Zeitgrößen sind mit der E-OTD Positionierungsmethode nach dem hyperbolischen Typ verknüpft.The following three basic ones are relatively measured time quantities with the E-OTD positioning method according to the hyperbolic type connected.
Die erste dieser Zeitgrößen, die
Observed Time Difference (OTD), bezeichnet das Zeitintervall zwischen
dem Empfang der Signale zweier unterschiedlicher Base Transceiver
Stations. Wenn im Zeitpunkt t1 das Signal der ersten Basisstation
empfangen wird, und t2 dem Moment entspricht, an dem das Signal
der zweiten Basisstation eintrifft, dann berechnet sich der OTD-Wert
zu
Die zweite mit dieser Positionsmethode
verknüpfte
Zeitgröße ist das
relative Synchronisationsintervall zwischen zwei Basisstationen,
die sogenannte Real Time Difference (RTD). Diese wurde bisher als
Offset in den Zeitbasen der entsprechenden Basisstationen bezeichnet.
Wenn zum einem Zeitpunkt t3 die erste Basisstation einen Burst sendet
und t4 diesem Moment bezüglich
der zweiten Basisstation entspricht, so bestimmt sich der Wert der
RTD aus der Differenz dieser Zeitpunkte
Von einem synchronisiertem Netzwerk kann gesprochen werden, wenn für jedes Basisstationspaar die RTD = 0 beträgt.From a synchronized network can be spoken if for each base station pair that has RTD = 0.
Die letzte relative zeitliche Größe, die
das E-OTD Verfahren nach dem hyperbolischen Typ charakterisiert,
ist die Geometric Time Difference (GTD). Diese bezeichnet das Zeitintervall
an einer bestimmten Position, das durch unterschiedliche Signallaufzeiten
bedingt ist. Wenn d1 der Länge
des Ausbreitungspfades zwischen der ersten Basisstation und d2 der
Länge des
Ausbreitungspfades zwischen der zweiten Basisstation und jeweils
der betrachteten Position entspricht, so wird der GTD-Wert gemäss
Die einzelnen relativ gemessenen
Zeitgrößen sind
durch
Die Bestimmung des Parameters der Observed Time Difference (OTDMS) am Standort der Mobilstation ist mittels der Analyse der Trainingssequenzen sowohl im Idle als auch im Dedicated Modus durch das Terminal selbst durchführbar, wobei Normal und Dummy Bursts verwendet werden können. Durch die Gelegenheit, diese Schätzung der Observed Time Difference im Idle Modus zu realisieren, wird keine zusätzliche Netzlast erzeugt, und weiterhin kann somit eine große Anzahl von Messwerten dieses Parameters erhalten werden, was den Gebrauch von erweiterten Filteralgorithmen auf diesen Wert gestattet.The determination of the observed time difference (OTDMS) parameter at the location of the mobile station can be carried out by means of the analysis of the training sequences both in idle and in dedicated mode by the terminal itself, whereby normal and dummy bursts can be used. The opportunity to realize this observation of the observed time difference in idle mode does not result in any additional Network load generated, and furthermore, a large number of measured values of this parameter can be obtained, which allows the use of advanced filter algorithms to this value.
Die Real Time Difference zwischen
den einzelnen Basisstationen wird in den bisherigen Systementwürfen des
E-OTD Verfahrens nach dem hyperbolischen Typ mittels der Location
Measurement Units bestimmt. Diese messen analog zu dem Vorgang in
den Mobilstationen die Observed Time Difference (OTDLMU) am Standort
der LMU. Da laut Voraussetzung im Gegensatz zur Position der Mobilstation
der Ort der LMU als bekannt angenommen wurde, ist der Wert der Geometric
Time Difference (GTDLMU) an deren Position ebenfalls berechenbar.
Daraufhin lässt
sich mit Gleichung (3-5) die Real Time Difference bestimmen.
Nach Umwandlung dieses Zeitintervalls in Abstandsdifferenzen und unter Einbeziehung der Positionen der Basisstationen werden Hyperbeln definiert, mittels derer die Bestimmung der Position des Terminals anhand des Ansatzes der hyperbolischen Positionsbestimmung erfolgt.After converting this time interval in distance differences and including the positions of the Base stations are defined hyperbolas, by means of which the determination the position of the terminal using the hyperbolic approach Position determination takes place.
Trotz der genannten Einschränkungen in Form einer notwendigen Erweiterung der Endeinrichtungen und dem finanziellen und logistischen Aufwand für neue Netzinfrastruktureinheiten bietet das E-OTD Verfahren zahlreiche Vorteile. Denn dieses erfordert im Vergleich zu anderen Positionierungsverfahren keinen erhöhten Kapazitätsaufwand im Netzwerk und bietet daher die Möglichkeit einzelne und kontinuierliche Positionsanforderungen zu verarbeiten, ohne gesteigerte Netzlasten hervorzurufen. Im Falle der Verwendung der handset-based Architektur werden alle für die Positionierung notwendigen Daten von der Netzwerkinfrastruktur an das Terminal übermittelt. Demzufolge wird keine Uplink-Verbindung zur Positionsberechnung benötigt und diese handset-based Architektur ist daher für kontinuierliche Positionsanforderungen besonders gut geeignet. Zusätzlich ist im Vergleich zu anderen Verfahren nur ein geringer Signalisierungsaufwand im Netzwerk notwendig, selbst wenn die Position Endeinrichtungs-unterstützt bestimmt wird. Weiterhin verhält sich das Handset entsprechend einem Messgerät, das den Messaufwand zum Bestimmen einiger Parameter im Unterschied zu anderen Positionierungsmethoden übernimmt. Dies wirkt sich wiederum positiv auf Kapazitätsanforderungen aus. Daher sind keine außerordentlichen Erhöhungen der Systemkapazität bei der Einführung dieses Verfahrens notwendig.Despite the restrictions mentioned in the form of a necessary extension of the terminal equipment and the Financial and logistical effort for new network infrastructure units the E-OTD process offers numerous advantages. Because this requires compared to other positioning methods, no increased capacity in the network and therefore offers the possibility of individual and continuous Process position requests without increasing network loads cause. In the case of using the handset-based architecture are all for the positioning of necessary data from the network infrastructure transmitted to the terminal. As a result, no uplink connection is used for position calculation needed and this handset-based architecture is therefore for continuous position requirements particularly suitable. additionally is only a low signaling effort in comparison to other methods necessary in the network, even if the position determines end device-supported becomes. Still behaves the handset corresponds to a measuring device that increases the measuring effort Determining some parameters different from other positioning methods. This in turn has a positive effect on capacity requirements. Therefore are not extraordinary increases the system capacity at the introduction this procedure is necessary.
Die vorgestellten spezifizierten Systementwürfe des E-OTD Verfahrens benötigen, wie bereits bemerkt, zur Positionsbestimmung zusätzlich zu den Basisstationen Location Measurement Units.The specified specified system designs the E-OTD process, as already noted, for determining the position in addition to the base stations Location measurement units.
Jedoch zeichnet sich der hyperbolische Typ im Vergleich zum sphärischen Typ durch mehrere Vorteile aus. Zum einen verfügt dieser Typ über eine geringere Komplexität, da relative Zeitdifferenzen zur Positionsbestimmung genügen und somit keine Echtzeitkoordination zwischen den einzelnen Signalen erreicht werden muss. Zum anderen kann der Systementwurf im Falle einer durchführbaren Bestimmung der Real Time Difference ohne den Einsatz von Location Measurement Units zur Realisierung der Aufgabenstellung angewendet werden, bei dem sphärischen Typ kann dies jedoch nicht gelingen.However, the hyperbolic stands out Type compared to spherical Type by several advantages. For one thing, this guy has one less complexity, since relative time differences are sufficient to determine the position and therefore no real-time coordination between the individual signals must be achieved. On the other hand, the system design in the case one feasible Determination of the real time difference without the use of location Measurement units are used to implement the task, with the spherical However, this type cannot succeed.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein alternativer Systemvorschlag bereitgestellt werden, der ohne oder mit eingeschränktem Einsatz von Location Measurement Units verwendet werden kann und daher geringere Infrastrukturkosten bezüglich des allgemeinen Ansatzes generiert.Based on the state of the art Technology, the present invention is based on the object To further develop methods of the type mentioned in the introduction such that the disadvantages described in connection with the prior art can be avoided. In particular, an alternative system proposal is to be provided be the one with no or limited use of location Measurement units can be used and therefore lower infrastructure costs in terms of of the general approach.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Möglichkeit geschaffen wird, die Real Time Difference zwischen den einzelnen Basisstationen bei Verwendung des E-OTD Verfahrens, insbesondere mittels Typs der hyperbolischen Lösung ohne den Gebrauch von Location Measurement Units in der Netzwerkinfrastruktur in ausreichender Genauigkeit zu schätzen.The present invention lies based on the knowledge that a possibility is created the real time difference between the individual Base stations when using the E-OTD method, in particular by means of the type of hyperbolic solution without the use of Location measurement units in the network infrastructure in sufficient To estimate accuracy.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.The object is achieved by the method with the features according to claim 1. Further Advantages arise from the subclaims, the description and the drawings.
Die Erfindung betrifft grundsätzlich ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Endeinrichtung, insbesondere eines Mobiltelefons, in einem Kommunikationsnetz, insbesondere in einem GSM-Netz, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Position der Endeinrichtung anhand von ermittelten Zeitdifferenzwerten von Signalen zwischen der Endeinrichtung und wenigstens zwei Sende- und/oder Empfangsstationen bestimmt wird.The invention basically relates to a method for determining the position of a terminal, in particular a mobile telephone, in a communication network, in particular in a GSM network, which is characterized in that the position of the terminal is determined on the basis of determined time difference values of Signals between the terminal device and at least two transmitting and / or receiving stations is determined.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Endeinrichtung, insbesondere eines Mobiltelefons, in einem zellularen Kommunikationsnetz, insbesondere in einem GSM-Netz, vorgeschlagen, wobei die Position der Endeinrichtung mittels eines E-OTD Verfahrens anhand von ermittelten Zeitdifferenzwerten (Observed Time Differences) von Signalen zwischen der Endeinrichtung und wenigstens zwei Sende- und/oder Empfangsstationen bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das relative Synchronisationsintervall zwischen zwei Sende- und/oder Empfangsstationen (Real Time Difterence) ohne die Notwendigkeit des Synchronisierens verschiedener Sende- und/od Empfangsstationen elektronisch ermittelt wird, indem in der Rechnereinheit elektronisch ein Schätzwert des relativen Synchronisationsintervalls berechnet wird.According to the invention, a method for determining the position a terminal, in particular a mobile phone, in one cellular communication network, in particular in a GSM network, proposed the position of the terminal device using an E-OTD method of determined time difference values of signals between the terminal and at least two transmitters and / or receiving stations is determined, characterized in that that the relative synchronization interval between two transmission and / or receiving stations (Real Time Difterence) without the need for Synchronization of different sending and / or receiving stations electronically is determined by electronically estimating the relative synchronization interval is calculated.
Dabei erfolgt die Ermittlung des Synchronisationsintervalls elektronisch in einer Rechnereinheit. Die Erfindung ist jedoch nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen der Rechnereinheit beschränkt. Die Rechnereinheit kann beispielsweise einen oder mehrere Computer, ein Computer-Netzwerk, wenigstens eine Servereinrichtung oder dergleichen aufweisen. Die Ausgestaltung der Rechnereinheit ergibt sich danach, wo diese ausgebildet ist, entweder als Zentraleinheit im Kommunikationsnetz oder als Einheit, die der mobilen Endeinrichtung zugeordnet ist.The determination of the Synchronization intervals electronically in a computer unit. However, the invention is not limited to specific embodiments the computing unit limited. The computing unit can, for example, one or more computers, a computer network, at least one server device or the like exhibit. The design of the computer unit results from where it is trained, either as a central unit in the communication network or as a unit that is assigned to the mobile terminal.
Die elektronische Ermittlung des Schätzwerts erfolgt über geeignete Mittel, bei denen es sich beispielsweise um die Rechnereinheit, Teile der Rechnereinheit, Schaltungsanordnungen elektronischer Bauelemente, Computerprogramme beziehungsweise Software, die in der Rechnereinheit implementiert ist/sind oder dergleichen handeln kann. Aufgrund der Signale zwischen den Sende- und/oder Empfangsstationen sowie den mobilen Endgeräten wird dann in der Rechnereinheit elektronisch und insbesondere automatisch der Schätzwert für das relative Synchronisationsintervall berechnet beziehungsweise ermittelt.The electronic determination of the estimate takes place via suitable means, which are, for example, the computer unit, Parts of the computer unit, circuit arrangements of electronic components, Computer programs or software in the computer unit is / are implemented or the like can act. Due to the Signals between the transmitting and / or receiving stations and the mobile devices then becomes electronic and in particular automatic in the computer unit the estimate for the relative synchronization interval calculated or determined.
Zusätzliche Hardwarekomponenten, wie beispielsweise die weiter oben beschriebenen LMUs sind nicht mehr erforderlich. Die bisher erforderliche Synchronisation kann entfallen.Additional hardware components, such as the LMUs described above are not more needed. The synchronization previously required can omitted.
Vorzugsweise wird das relative Synchchronisationsintervall in der Rechnereinheit unter Verwendung einer hyperbolischen Ortsbestimmungsmethode ermittelt.The relative synchronization interval is preferred in the computing unit using a hyperbolic location method determined.
Vorteilhaft ist die Rechnereinheit der Endeinrichtung zugeordnet, beispielsweise in dieser vorgesehen, wobei die Ortsbestimmung handset-basiert in der Endeinrichtung vorgenommen wird.The computer unit is advantageous assigned to the terminal device, for example provided in this, wherein the location is handset-based in the terminal becomes.
In weiterer Ausgestaltung kann die Rechnereinheit als zentrale Rechnereinheit im Kommunikationsnetz vorgesehen sein, wobei die Ortsbestimmung handset-unterstützt in der zentralen Rechnereinheit vorgenommen wird.In a further embodiment, the Computer unit as the central computer unit in the communication network be provided, the location determination supported by handset in the central computer unit is made.
Das relative Synchronisationsintervall wird vorteilhaft elektronisch mittels eines Pseudo-Synchronized Handover-Verfahrens ermittelt, das nachfolgend im Detail erläutert wird.The relative synchronization interval is advantageously electronically by means of a pseudo-synchronized handover method determined, which is explained in detail below.
Es zeigt sich, dass die Schätzung der Real Time Difference bei einer Nicht-Integrierung von Location Measurement Units in die Netzwerkinfrastruktur verwendet werden kann.It turns out that the estimate of Real time difference when location measurement is not integrated Units in the network infrastructure can be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht deutlich, wie eine Mobilstation bei einem Handover direkt in Synchronisation mit ihrer neuen Basisstation gelangt, indem diese den Timing Advance-Wert bezüglich der neuen Basisstation berechnet. Hierzu ist jedoch eine Schätzung der Real Time Difference notwendig, die im Falle eines vollzogenen Handovers erneuert wird.The method according to the invention makes it clear like a mobile station during a handover directly in synchronization with their new base station by giving them the timing advance value in terms of of the new base station. However, this is an estimate of the Real time difference necessary in the case of a completed handover is renewed.
Im Anwendungsfall des erfindungsgemäßen E-OTD Positionierungsverfahrens wird der in dieser Spezifikation vorgestellte Pseudo-Synchchonized Handover als Alternative zu den Location Measurement Units zur Bestimmung des Wertes der Real Time Difference verwendet, da gleichfalls jener als Produkt eine Schätzung der RTD liefert.In the application of the E-OTD according to the invention Positioning procedure is the one presented in this specification Pseudo-synchronized handover as an alternative to location measurement Units used to determine the value of the real time difference, since that as a product also provides an estimate of the RTD.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention is now based on embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
Zunächst wird dieser besondere
Pseudo-Synchronized Handover näher
erläutert.
Zur Verwendung dieses Pseudo-synchronisations Schema werden sowohl
an die Basisstation als auch an die Mobilstation neue Anforderungen
gestellt, die in der Folge erläutert
werden. Daher ist es notwendig, dass beide an dem Handover beteiligten
Basisstationen und die Mobilstation, beispielsweise ein Mobiltelefon,
diesen speziellen Handover ausdrücklich
unterstützen
und jener im Handover Request angefordert wurde. Die neu benötigten Erweiterungen
der Basisstationen bestehen in der Berechnung und Speicherung einer
Schätzung
der Real Time Difference bezüglich
jeder ihrer logischen Nachbarbasisstationen. Dies ist in
Ein Handover eines sich in dem Versorgungsgebiet der derzeitigen Basisstation (als Basisstation-alt bezeichnet) befindenden Handsets soll zu einer ihrer Nachbarbasisstationen (Basisstation-neu) vollzogen werden. Dabei stellt t-neu (bzw. t-alt) die Zeitverzögerung durch die Signalausbreitung zwischen der Mobilstation und Basisstation-neu (bzw. Basisstation-alt) dar.A handover of one in the coverage area the current base station (referred to as old base station) Handsets should go to one of their neighboring base stations (new base station) be carried out. Here, t-new (or t-old) puts through the time delay the signal propagation between the mobile station and base station new (or base station old).
Analog zu den Ausführungen weiter oben wird die Real Time Difference durch den Wert des Offsets der lokalen Systemzeit in Basisstation-alt minus derer von Basisstation-neu beschrieben, während die Observed Time Difference durch die Differenz in den Empfangszeitpunkten zwischen den Signalen von Basisstation-alt und Basisstation-neu am Orte der Mobilstation mit der gleichen Vorzeichenbedingung wie bei der Berechnung der RTD bestimmt wird.Analogous to the explanations above, the real time difference is described by the value of the offset of the local system time in base station old minus that of base station new, while the observed time difference is described by the difference in the reception times between the signals from base station old and Base station new at the location of the mobile station with the same sign condition as for the Be calculation of the RTD is determined.
Bei der Verwendung des Pseudo-Synchchonized Handovers wird im Rahmen der Handover-Prozedur von der aktuellen Serving Cell zum Terminal der bisherige in der Basisstation-alt gespeicherte Schätzwert der Real Time Difference (RTD-BTSaIt, BTSneu) zwischen ihr und der Basisstation-neu übermittelt (1).When using the pseudo-synchonized Handovers are part of the handover procedure from the current serving cell to the terminal the previous one stored in the old base station estimated value the real time difference (RTD-BTSaIt, BTSnew) between her and the Base station newly transmitted (1).
Unter normalen Ausbreitungsbedingungen sollte die Ausbreitungszeit t0 in der Nähe des letzten, von der Basisstation-alt zur Mobilstation gesendeten, Timing Advance-Wert (TA-alt) liegen. Durch Bewegung der Mobilstation und ein Auseinanderdriften der Oszillatoren der Basisstationen, sind alle genannten Werte langsam zeitvariant. Jedoch dessen ungeachtet seien sie definiert unmittelbar vor der Ausführung des Handovers.Under normal propagation conditions the propagation time t0 should be close to the last one, from the base station-old Timing Advance value (TA-old) sent to the mobile station. By moving the mobile station and drifting apart the oscillators of the base stations, all the values mentioned are slowly time-variant. However, regardless of this, they are defined immediately before the execution of the handover.
Unter den vorausgesetzten, neuen Endgerätefähigkeiten ist zu nennen, dass die Mobilstation die Bedingung erfüllen muss, die Observed Time Difference unmittelbar vor der Durchführung des Handovers zu messen (2). Diese definiert sich zu: Among the required new terminal capabilities, it should be mentioned that the mobile station must meet the condition to measure the observed time difference immediately before the handover is carried out (2). This defines itself as:
Anhand des empfangenen Schätzwertes
der Real Time Difference (RTD-BTSaIt,BTSneu} durch die derzeitige
Basisstation, der Messung der Observed Time Difference und dem alten
Timing Advance-Wert, kann die Mobilstation den Timing Advance-Wert
hinsichtlich der zukünftigen
Basisstation neu selbst bestimmen, ohne dass dieser an die Mobilstation übermittelt
wird (3).
Nach dem abgeschlossenen Handover
soll gemäss
der Spezifikation die Mobilstation ihrer aktuellen Basisstation
den Wert der von ihr gemessenen Observed Time Difference addiert
mit dem letzten Time Advance-Wert bezüglich der alten Basisstation
(TA-alt) in der Handover Complete Message übermitteln (4). Dies erlaubt
der Basisstation-neu aus dem übermittelten
OTD + TA(alt) und dem von ihr selbst ermittelten Schätzwert für die Ausbreitungsverzögerung t1
(TA-neu) erneut einen Schätzwert
der Real Time Difference zu berechnen (5).
In der Praxis ist ein zusätzliches, bisher noch unspezifiziertes Prozessing notwendig, um die Effekte der Schätzfehler und Quantelung zu vermindern.In practice, an additional, So far unspecified processing is necessary to get the effects of estimation error and reduce quantization.
In Hinblick auf die Komplexität des Endgerätes erweist sich als besonders positiv, dass durch die Verwendung des Pseudo-Synchchonized Handover bezüglich des E-OTD Positionierungsverfahrens keine zusätzlichen Notwendigkeiten von erweiterten Entgerätefähigkeiten für die Mobilstation entstehen. Denn die Bestimmung der Observed Time Difference, die einzige durch diese spezielle Handoverprozedur geforderte Modifikation der Mobilstation, wird letztendlich sowohl für diesen Handover als auch für die Positionsbestimmung benötigt.With regard to the complexity of the end device proves turned out to be particularly positive that through the use of the pseudo-synchonized Handover regarding of the E-OTD positioning procedure no additional needs of advanced device capabilities for the Mobile station arise. Because the determination of the observed time difference, the only modification required by this special handover procedure the mobile station, is ultimately used for this handover as well for the Positioning needed.
Zur Durchführung der Handset-based E-OTD Positionierungstechnik benötigt die Mobilstationl, wie bereits angedeutet, zusätzliche Daten zur selbständigen Bestimmung der eigenen Position, die von der Netzwerkinfrastruktur übermittelt werden müssen. Diese sogenannten E-OTD Broadcast Assistance Daten, die alle benötigten Informationen im Hinblick auf die Nachbarzellen beinhalten, werden durch eine Point-to-Multipoint Übermittlung von der Serving Cell an die sich in deren Versorgungsgebiet befindenden Mobilstationen unter Verwendung eines speziellen Cell Broadcast Kanals übermittelt. Dieser wird von den Mobiltelefonen im Idle Zustand durch den Broadcast Control Channel (BCCH) empfangen.To carry out the handset-based E-OTD Positioning technology needed the mobile station, as already indicated, additional data for independent determination the own position transmitted by the network infrastructure Need to become. This so-called E-OTD Broadcast Assistance data, all the information needed with regard to the neighboring cells include, by a Point-to-multipoint transmission from the serving cell to those in their service area Mobile stations using a special cell broadcast Channel transmitted. This is broadcast by the mobile phones in idle state Control Channel (BCCH) received.
In diesem Cell Broadcast Kanal werden jedoch nur Daten bezüglich der Nachbarzellen der Serving Cell übermittelt, die in der sogenannten System Information Neighbour List aufgeführt sind. Es besteht daher keine Möglichkeit Assistance Daten bezüglich anderer Basisstationen zu erhalten, die aufgrund von möglichen Überreichweiten empfangen werden und daher nicht in jener Liste erfasst sind.In this cell broadcast channel however only data regarding of the neighboring cells of the serving cell, which are transmitted in the so-called System Information Neighbor List are listed. Therefore there is none possibility Assistance data regarding other base stations because of possible overreaches are received and are therefore not included in that list.
Die folgende Tabelle zeigt den Inhalt der mittels der E-OTD Broadcast Assistance Message übermittelten Daten. Dabei sind diverse Informationselemente potentielle Felder, das heißt, sie können, müssen aber jedoch nicht übermittelt werden.The following table shows the content the transmitted via the E-OTD Broadcast Assistance Message Data. Various information elements are potential fields, this means, you can, have to but not transmitted become.
Informationselement
Das Element der Message Structure Definition legt den Inhalt der verbleibenden Cell Broadcast Nachricht fest, indem es kennzeichnet, welche der potentiellen Informationselemente übermittelt werden. Weiterhin wird durch dieses Element die Anzahl der in der System Information Neighbour List eingetragenen Nachbarbasisstationen angegeben und es teilt mit, ob jene Liste sektorisierte Basisstationsstandorte beinhaltet.The element of the message structure Definition defines the content of the remaining cell broadcast message by identifying which of the potential information items is being transmitted become. Furthermore, this element determines the number of in the System Information Neighbor List registered neighboring base stations specified and it communicates whether that list of sectorized base station locations includes.
Ebenso wird durch dieses Informationselement der maximale Wertebereich und die Quantisierung der später übermittelten Real Time Difference-Werte und die Genauigkeit der Positionsangaben der Nachbarbasisstationen definiert.Likewise, through this information element the maximum range of values and the quantization of those transmitted later Real time difference values and the accuracy of the position information of the neighboring base stations.
In der Folge werden die weiteren Informationselemente nur in ihren Grundzügen beschrieben. Das Informationselement der Neighbour Bitmap Definition determiniert bezüglich welcher Nachbarzellen aus der System Information Neighbour List die weiteren Assistance Daten in dieser Cell Broadcast Nachricht übertragen werden. Ferner kennzeichnet das Informationselement der Sectored Channels Definition, welche dieser ausgewählten Nachbarn, zu einem sektorisierten Basisstationsstandort zugeordnet werden.As a result, the others Information elements only described in their basic features. The information element the Neighbor Bitmap Definition determines which neighboring cells the further assistance from the System Information Neighbor List Data is transmitted in this cell broadcast message. Also marks the information element of the sectored channels definition, which this selected Neighbors, assigned to a sectorized base station location become.
Durch das durch das Informationselement der Sectored Channels BTS ID Definition geschieht die Konzentration dieser sektorisierten Kanäle zum exakt gleichen Basisstationsstandort. Weiterhin legt das Sectored BTS Sync/Async Definition Informationselement fest, ob die einzelnen sektorisierten Basisstationsstandorte synchrone oder asynchrone Kanäle beinhalten, das heisst die einzelnen Sektoren jener Basisstationen synchron oder asynchron ausgestrahlt werden.Through that through the information element The Sectored Channels BTS ID Definition is where the concentration happens of these sectorized channels to the exact same base station location. Furthermore, Sectored BTS sync / async definition information element determines whether the individual sectorized base station locations synchronous or asynchronous channels contain, that is, the individual sectors of those base stations synchronously or broadcast asynchronously.
Um die Schätzung der Observed Time Difference durch die Mobilstation durchführen zu können, ist es notwendig, dass diese Informationen über die von den einzelnen Nachbarbasisstationen verwendeten Trainingssequenzen erhält. Das Informationselement der BCC Definition beschreibt den sogenannten Base Station Color Code (BCC), der angibt, welche der acht potentiellen Trainingssequenzen von jeder der ausgewählten Nachbarbasisstationen augenblicklich verwendet wird.To estimate the observed time difference through the mobile station to be able it is necessary that this information is provided by the individual neighboring base stations training sequences used. The information element the BCC definition describes the so-called base station color Code (BCC) that indicates which of the eight potential training sequences from each of the selected ones Neighbor base stations are currently being used.
Weiterhin beinhaltet die E-OTD Broadcast Assistance Message die Informationselemente RTD Factor Values IE und RTD Drift Factor Values, die die, durch die LMUs oder den Pseudo-Synchronization Handover bestimmten, Real Time Difference Werte der durch die Neighbour Bitmap Definition ausgewählten Nachbarbasisstationen relativ zu der Serving Cell und die jeweiligen Driftfaktoren dieser RTD-Werte umfassen. Diese Driftfaktoren entsprechen der Stärke der Veränderung der Real Time Difference Werte über der Zeit. Der Wert der RTD kann die Quantität von bis zu der Dauer eines oder bis zu acht Time Slot Perioden unter der Auflösung von 1/16-1/128 Bit annehmen.The E-OTD also includes broadcast Assistance Message the information elements RTD Factor Values IE and RTD Drift Factor Values, which the, through the LMUs or the pseudo-synchronization Handover determined, real time difference values by the Neighbor Bitmap definition selected Neighboring base stations relative to the serving cell and the respective one Drift factors of these RTD values include. These drift factors correspond of strength of change the real time difference values above currently. The value of the RTD can be up to the duration of a quantity or up to eight time slot periods under the resolution of Accept 1 / 16-1 / 128 bit.
Weiterhin wird im Zusammenhang der Positionsberechnung der genaue Standort der Serving Gell und der Nachbarbasisstationen benötigt. Das Serving Gell Location Informationselement gibt daher die Breiten- bzw. Längengradangabe der Position der Serving Gell, insbesondere unter der Verwendung des WGS84 Koordinatensystems an. Demgegenüber übermittelt das Relative Neighbour Location Informationselement die Standpunkte der Nachbarbasisstationen mittels einer relativen Abstandsangabe in den zwei Raumrichtungen bezüglich der Serving Cell. Mit Hilfe dieser übermittelten Daten durch die Netzwerkinfrastruktur kann die Mobilstation selbständig die Bestimmung der eigenen Position durchführen.Furthermore, in the context of Position calculation of the exact location of the Serving Gell and the Neighbor base stations needed. The serving gell location information element therefore gives the latitude or Longitude fields the position of the serving gell, especially under the use of the WGS84 coordinate system. In contrast, the relative neighbor transmits Location information element the positions of the neighboring base stations by means of a relative distance specification in the two spatial directions with respect to the Serving cell. With the help of this transmitted The mobile station can independently transmit data through the network infrastructure Determine your own position.
Der konventionelle Weg zeitliche
Verzögerungen
zu messen, ist die Verwendung von Korrelationsmethoden, die das
zeitliche Muster eines Empfangssignals mit einem Referenzmuster
vergleicht. Unter der Voraussetzung eines verzerrenden Kanals mit
additiven Rauschen auf dem Übertragungsweg
können
die Signale zweier Basisstationen am Ort der Mobilstation wie folgt
dargestellt werden:
In der Folge bezeichnet A = A2/A1 und D = t2-t1, wobei (t1<t2). Der zeitliche Mittelwert von s(t), n1(t) und n2(t) betrage null und die Sendefunktion s(t) sei über die Zeit von n1(t) und n2(t) statistisch unabhängig. Nach dem Matched Filter des Übertragungskanals, das die Effekte der Interferenz und des Rauschens auf dem Übertragungskanal erniedrigt, erhält man das entzerrte Empfangssignal x1 und x2. Um einen Einblick in die zugehörige Signaltheorie zu erhalten, sei zyklische Kreuzkorrelationvorgestellt.In the following, A = A2 / A1 and D = t2-t1, where (t1 <t2). The time average of s (t), n1 (t) and n2 (t) is zero and the send function s (t) is over the time of n1 (t) and n2 (t) is statistically independent. According to the matched filter the transmission channel, that the effects of interference and noise on the transmission channel degraded, preserved the equalized received signal x1 and x2. For an insight into the associated To obtain signal theory, let us introduce cyclic cross-correlation.
Unter der Annahme des Faktors a = 0, der die sogenannte cycle frequency darstellt, ergibt sich Gleichung (3-121 zu der konventionellen Kreuzkorrelation.Assuming the factor a = 0, which represents the so-called cycle frequency, gives the equation (3-121 to the conventional cross correlation.
Da von einer begrenzten Beobachtungszeitdauer T ausgegangen werden muss, erhält man einen Schätzwert der Kreuzkorrelation durch: Since a limited observation period T must be assumed, an estimate of the cross correlation is obtained by:
Anschließend an das Matched Filter
besteht die Möglichkeit
das entzerrte Empfangssignal x1 und x2 erneut zu filtern, um die
Auflösung
der Verzögerungsbestimmung
zu vergrößern. Dies
verdeutlicht
Die beiden Filterfunktionen N 1(f) und H2(f) zur Vergrößerung der Auflösung der Verzögerungsbestimmung müssen, um eine Verfälschung der zeitlichen Verzögerung zu vermeiden, gleiche Phasencharakteristiken haben.The two filter functions N 1 (f) and H2 (f) to enlarge the resolution the delay determination have to, a falsification the time lag to avoid having the same phase characteristics.
Die Filterfunktionen können so gewählt werden, um einen größeren Peak in der Kreuzkorrelation von x1 und x2 zu erhalten, was in einer höheren Auflösung der Zeitdifferenzen, aber auch in einem schmälerem Spektrum resultiert. Durch dieses schmale Spektrum können die Peaks durch eine begrenzte Beobachtungszeit besonders im Falle eines niedrigen Signal-zu-Rausch Verhältnisses in bedeutendem Maße gestört werden. Daher muss bei der Auswahl der entsprechenden Filterfunktion ein Kompromiss zwischen einer guten Auflösung und der Robustheit gegenüber Interferenz und Rauschen der Verzögerungsschätzung gefunden werden. Es existieren verschiedenste Filterfunktionen ψ(f) = H1(f) · H2(f)* mit Vorteilen beziehungsweise deren Beeinträchtigungen. Bei einer Filterfunktion von Y(f) = 1 erhält man die konventionelle Kreuzkorrelation.The filter functions can be selected in order to obtain a larger peak in the cross-correlation of x1 and x2, which results in a higher resolution of the time differences, but also in a narrower spectrum. Due to this narrow spectrum, the peaks can be significantly disturbed by a limited observation time, especially in the case of a low signal-to-noise ratio. Therefore, when choosing the appropriate filter function, a compromise between a good resolution and the robustness against interference and noise of the delay estimate must be found. There are various filter functions ψ (f) = H1 (f) · H2 (f) * with advantages or their impairments. With a filter function of Y (f) = 1, the conventional cross-correlation is obtained.
Unter der Voraussetzung einer Mehrwegeausbreitung lässt sich die Kreuzkorrelation repräsentieren durch die Impulsantwort des Übertragungskanals repräsentiert.Assuming multipath propagation, the cross correlation can be represented by represents the impulse response of the transmission channel.
Konventionelle Verzögerungsschätzer, die auf dem Korrelatorprinzip basieren, werden durch Mehrwegeausbreitung beeinflusst. Diese können verschiedene Verzögerungsanteile, die einander überlappen, aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Bandbreite in GSM-System nicht trennen. Daher ist die herkömmliche Kanalschätzung allein nicht ausreichend um die Korrelation exakt zu bestimmen. Verschiedenste Methoden wurden daher entwickelt, um den Einfluss der Mehrwegeausbreitung auf die Verzögerungsschätzung zu verkleinern. Als Beispiele sind hier hochauflösende Verzögerungsdetektoralgorithmen wie Root-MUSIC und TLS-Esprit zu nennen.Conventional delay estimates based on the correlator principle are influenced by multipath propagation. These cannot separate different delay components that overlap one another due to the small bandwidth available in the GSM system. Therefore, the conventional channel estimation alone is not sufficient to determine the correlation exactly. Various methods have therefore been developed to reduce the influence of multipath propagation on the delay estimate. Examples include high-resolution delay detector algorithms such as Root MU To name SIC and TLS-Esprit.
Eine Positionsbestimmung mittels des Ansatzes einer hyperbolischen Ortsbestimmung unter Verwendung des E-OTD Verfahrens erfolgt generell durch die Ausführung zweier Schritte. Der erste Schritt besteht aus der Berechnung der Geometric Time Difference Werte nach Gleichung (3-5). Aufgrund der Übermittlung der Werte der Real Time Difterences durch die Netzinfrastruktur an die Mobilstation und der Schätzung der Observed Time Difterences durch sie selbst, ist diese in der Lage jene Geometric Time Difference Werte selbst zu berechnen.A position determination using using the hyperbolic location approach the E-OTD procedure is generally carried out by executing two Steps. The first step is to calculate the Geometric Time difference values according to equation (3-5). Due to the transmission of the Real time differences through the network infrastructure to the Mobile station and the estimate the Observed Time Difterences by themselves, this is in the Able to calculate those geometric time difference values yourself.
In einem zweiten Schritt werden diese GTDs in Abstandsdifferenzen umgewandelt. mittels derer ein nichtlineares Gleichungssystem unter Verwendung der Gleichung (2-5) erzeugt wird. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass Werte der Geometric Time Difference infolge der Definition der übermittelten RTD-Werfe ausschließlich bezüglich der Serving Cell bestimmt werden können. Mögliche Geometric Time Differences in Bezug zweier Nachbarbasisstationen können daher nicht betrachtet werden.In a second step, these are GTDs converted into distance differences. by means of which a non-linear System of equations is generated using equation (2-5). It should be noted that values of the Geometric Time Difference as a result of the definition of the transmitted RTD throws only in terms of the serving cell can be determined. Possible geometric time differences in relation to two neighboring base stations can therefore not be considered become.
Nachfolgend wird ein generelles, im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbares, geometrisches Modell zur Positionsbestimmung unter der Verwendung von N Basisstationen beschrieben. das bei den verschiedenen Lösungsansätzen der hyperbolischen Gleichungen in den nachfolgenden Abschnitten verwendet wird.Below is a general in the method according to the invention usable, geometric model for position determination under using N base stations. the different Approaches to the hyperbolic equations used in the following sections becomes.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann man annehmen, dass es sich bei der Basisstation mit dem Index i=1 um jene handelt, die der Serving Cell der Mobilstation entspricht.Without restricting generality one assumes that the base station with the index i = 1 is the one that corresponds to the serving cell of the mobile station.
Für weitere Berechnungen werden die Geometric Time Difference Δτi,1 zwischen der Basisstation i und der Serving Cell, wobei Δτi der Ausbreitungszeit eines Signals zwischen der Basisstation i und der Mobilstation entspricht, die geometrische Abstandsdifferenz, und der relative Abstand der i. ten Basisstation in Bezug auf die Serving Cell in x-beziehungsweise in y-Richtung definiert.For further calculations, the geometric time difference Δτi, 1 between the base station i and the serving cell, where Δτi corresponds to the propagation time of a signal between the base station i and the mobile station, the geometric distance difference, and the relative distance of the i. base station in relation to the serving cell in the x or y direction Are defined.
Über die Genauigkeit der Positionierung respektive den Berechnungsaufwand entscheidet nach der Aufstellung des nichtlinearen Gleichungssystems allein der verwendete Algorithmus zur Lösung dieses Systems. Aufgrund der beschränkten Rechenkapazität des Mobiltelefons verwendet man möglichst effiziente Algorithmen, um eine Lösung dieses nichtlinearen Gleichungssystems zu erhalten, die dem Schätzwert der Position der Mobilstation entspricht.about the accuracy of the positioning or the calculation effort decides after setting up the nonlinear system of equations only the algorithm used to solve this system. by virtue of the limited computing capacity mobile phones use the most efficient algorithms, for a solution to obtain this nonlinear system of equations, which is the estimated value of the Position of the mobile station corresponds.
Es existiert eine Auswahl von Algorithmen, die das nichtlineare Gleichungssystem unter verschiedener Komplexität beziehungsweise unterschiedlichen Restriktionen lösen. Um den für die Applikation geeignetsten auszuwählen, muss daher eine Entscheidung unter verschiedenen Kriterien erfolgen. Zu diesen Merkmalen gehören die Voraussetzungen des Algorithmus, dessen Genauigkeit, der Rechenaufwand und die Fähigkeit Vorteile aus überbestimmten Gleichungssystemen zu ziehen.There is a selection of algorithms which the nonlinear system of equations under different complexity respectively solve different restrictions. To the for the application most suitable to choose a decision must therefore be made under different criteria. These characteristics include the requirements of the algorithm, its accuracy, the computational effort and the ability advantages from overdetermined To draw systems of equations.
Der Fall eines überbestimmten Gleichungssystems entspricht einer Beteiligung von einer größeren Anzahl von Gleichungen zur Positionsbestimmung, als zur Bestimmung der Unbekannten notwendig ist. Im 2-D-Fall ergibt sich im erläuterten hyperbolischen Systementwurf ein überbestimmtes Gleichungssystem durch die Verwendung von mehr als 3 Basisstationen (Serving Cell und mehr als 2 Nachbarbasisstationen), die mehr als 2 nichtlineare Gleichungen gemäß Gleichung (2-5) definieren. Restriktionen der einzelnen Algorithmen können unter anderem eine notwendige apriori-Positionsschätzung beziehungsweise eine bestimmte Referenzortkonstellation sein.The case of an overdetermined system of equations corresponds to a participation of a larger number of equations to determine the position, as necessary to determine the unknown is. In the 2-D case, the hyperbolic system design explained an overdetermined System of equations through the use of more than 3 base stations (Serving cell and more than 2 neighboring base stations) that more than 2 nonlinear equations according to equation Define (2-5). Restrictions of the individual algorithms can be found under other a necessary a priori position estimate or one certain reference location constellation.
Zum einen existiert eine Reihe einfacher Algorithmen, die das nichtlineare Gleichungssystem unter der Voraussetzung lösen, dass die Referenzpositionen in linearer Weise angeordnet sind. Da diese Konfiguration nicht der prinzipiellen Infrastruktur eines zellularen Netzes entspricht, können diese Algorithmen im Anwendungsfall der Positionsbestimmung einer Mobilstation, beispielsweise eines Mobiltelefons im Mobilfunknetz nicht verwendet werden. Zur Vollständigkeit seien diese Algorithmen, die linear angeordnete Referenzorte voraussetzen, erwähnt: Carter's Beamforming, Hahn, Abel und Smith.On the one hand there are a number of simple algorithms that the nonlinear system of equations under the Solve the requirement that the reference positions are arranged in a linear manner. Since this configuration does not correspond to the basic infrastructure of a cellular network, these algorithms cannot be used in the application of determining the position of a mobile station, for example a mobile telephone in the mobile radio network. For completeness, these algorithms, which presuppose linear reference locations, should be mentioned: Carter's Beamforming, Hahn, Abel and Smith.
Für zufällig verteilte Standorte der Basisstationen sind daher nur komplexere Algorithmen zur Positionsbestimmung der Mobilstation zu verwenden. Daher werden anschließend die untersuchten Algorithmen zur Lösung des nichtlinearen Gleichungssystems unter der Voraussetzung von zufällig verteilten Referenzpositionen erläutert. Dabei wurden die verwendeten Algorithmen in folgende Klassen unterteilt.For fortuitously distributed locations of the base stations are therefore only more complex To use algorithms for determining the position of the mobile station. Therefore, then the investigated algorithms for solving the nonlinear system of equations assuming random distributed reference positions explained. The used Algorithms divided into the following classes.
Die Gruppe von Lösungsansätzen, die eine explizite und geschlossene Form der Lösung darstellen, werden nachfolgend durch die sogenannte Lösungsmethode nach Chan repräsentiert. Ein weiteres Lösungsschema dieser Klasse ist das Lösungsverfahren nach Fang.The group of approaches that are explicit and closed form of solution are shown below by the so-called solution method represented by Chan. Another solution scheme this class is the solution method after catch.
Die zweite Fraktion von Algorithmen ergibt sich durch iterative Lösungsansätze, die bei einer Verwendung von überbestimmten Gleichungssystemen anhand von Least Squares Kriterien Vorteile in der Positionsbestimmung ziehen können. Diese werden durch die Taylor-Reihen Methode beziehungsweise durch das Verfahren nach Levenberg-Marquardt vertreten.The second fraction of algorithms results from iterative approaches that when using overdetermined Systems of equations based on least squares criteria advantages in the position determination can pull. These are through the Taylor series method respectively represented the procedure according to Levenberg-Marquardt.
Weiterhin kann, wie im Berechnungsverfahren Fehlerbetrachtung angewendet, durch logische und geometrische Überlegungen und Verwendung der maximalen Fehlerschranke der Geometric Time Difference die Position des Terminals bestimmt werden.Furthermore, as in the calculation method Error analysis applied through logical and geometric considerations and using the maximum error bound of the geometric time difference the position of the terminal can be determined.
Lösungsmethode nach ChanSolution method according to Chan
Bei dieser Lösungsmöglichkeit handelt es sich um einen Algorithmus, der in einer geschlossenen Form lediglich die beiden möglichen Schnittpunkte zweier Hyperbeln bestimmt. Daher kann dieser Algorithmus keine Vorteile aus überbestimmten Gleichungssystemen ziehen.This solution is an algorithm that in a closed form only the two possible Intersections of two hyperbolas determined. Therefore this algorithm cannot Benefits from over-determined Draw systems of equations.
Mathematische Prozedur des Algorithmus
unter dem beschriebenen geometrischen Modell: x und y kann durch
Umformen des durch Gleichung (2-5) gebildeten Gleichungssystems
in Abhängigkeit
des unbekannten Abstandes R1 beschrieben werden zu setzt man nun x = f1 (R1)
und y = f2 (R1) in die folgende Gleichung ein, so erhält man eine Funktion ausschließlich in
der Unbekannten R1:
Als Lösungen dieser quadratischen Gleichung erhält man zwei denkbare Abstände R1 der Mobilstation zur Serving Cell. Die beiden Schnittpunkte der Hyperbeln, die die möglichen Standorte des Terminals repräsentieren, ergeben sich durch das jeweilige Einsetzen der beiden Lösungen der Quadratischen Gleichung in Gleichung (3-19).As solutions to this quadratic Equation you have two possible distances R1 of the mobile station to the serving cell. The two intersections of the Hyperbolas that the possible Represent locations of the terminal, result from the respective insertion of the two solutions of Quadratic equation in equation (3-19).
Die Zweideutigkeit dieser potentiell zwei Schnittpunkte kann in der Mehrzahl aller Fälle beseitigt werden, indem die apriori-Information über die maximale Zellgröße (R1 < 35 km) ausgewertet wird. Denn es zeigt sich, dass in der Regel eine Lösung für R1 einen Abstand ergibt, der größer als die maximale Zellgröße ist, und somit als Lösung ausscheidet. In der Praxis schneiden sich aufgrund von Schätzfehlern bei der Lösung von überbestimmten Gleichungssystemen nicht alle Kurven in genau einem Punkt. Um eine Lösung zu erhalten, deren Fehler bezüglich den mit Schätzfehlern behafteten Standlinien den geringsten Betrag aufweist, ist es notwendig, die Position der Mobilstation mittels einer Least Squares Lösung zu bestimmen. Die Grundlagen der verwendeten Least Squares Lösungen seien nachfolgend erläutert.The ambiguity of this potentially two intersections can be eliminated in the majority of all cases by the apriori information about the maximum cell size (R1 <35 km) was evaluated becomes. Because it turns out that usually a solution for R1 one Distance that is greater than is the maximum cell size, and thus as a solution excretes. In practice, they intersect due to estimation errors in solving over-determined Systems of equations not all curves at exactly one point. To one solution to get their errors regarding the one with estimation errors has the smallest amount, it is necessary the position of the mobile station using a least squares solution determine. The basics of the least squares solutions used are explained below.
Gegeben sei die Gleichung
Für den Anwendungsfall der hyperbolischen Positionsbestimmung wird durch Umformung der Gleichung das nachfolgende mathematische Modell eingeführt.For the use case of hyperbolic position determination is by Transforming the equation introduced the following mathematical model.
Daraus ergibt sich die sogenannte Designmatrix AThis results in the so-called Design matrix A
Die einzelnen Messwerte, die Abstandsabweichungen Rj,1, werden aus der Differenz des Abstands der Mobilstation zur Basisstatian j und des Abstandes zur Basisstation 1, der Serving Cell, berechnet. Aufgrund dieser Differenzbildung sind die einzelnen Messwerte nicht mehr als unkorrefiert anzusehen. Dies bedeutet, dass die Kovarianzsmatrix nicht einer Einheitsmatrix entspricht.The individual measured values, the distance deviations Rj, 1, from the difference in the distance of the mobile station to Base statian j and the distance to base station 1, the serving Cell, calculated. Because of this difference, the individual Measured values can no longer be regarded as incorrect. This means that the covariance matrix does not correspond to a unit matrix.
Um die Korrelation der verschiedenen Abstandsdifferenzen zu berechnen, wird der Vektor der Geometric Time Difference -Werte eingeführt der sich in einen Vektor ΔT, der die Ausbreitungszeiten bezüglich den einzelnen Basisstationen enthält, und eine Verknüpfungsmatrix N dieser Ausbreitungszeiten zerlegen lässt. Dabei entspricht N einer N × N –1 Matrix. Daraus ergibt sich die unnormierte Kovarianzmatrix der Messwerte des beschriebenen mathematischen Modells In order to calculate the correlation of the different distance differences, the vector of the geometric time difference values is introduced which can be broken down into a vector ΔT, which contains the propagation times with respect to the individual base stations, and a linkage matrix N of these propagation times. N corresponds to an N × N -1 matrix. The non-normalized covariance matrix of the measured values of the described mathematical model results from this
Taylor-ReiheTaylor series
Ein erster Ansatz, um überbestimmte hyperbolische Gleichungssysteme zu lösen, ist die sogenannte Taylor-Reihen Methode. Dies ist ein iterativer Algorithmus, der das nichtlineare Gleichungssystem in der Nähe einer notwendigen apriori-Schätzung des Terminalstandortes linerarisiert. Die Positionsschätzung wird Schritt für Schritt verbessert, indem in jeder Iteration die lokale Least Squares (LS) Lösung berechnet wird.A first approach to over-determined Solving hyperbolic systems of equations is the so-called Taylor series Method. This is an iterative algorithm that uses the nonlinear System of equations near one necessary a priori estimate of the terminal location linearized. The position estimate will step for Step improved by local least squares in each iteration (LS) solution is calculated.
Iterationsvorschrift der Lösung mit einer Taylor-Reihe wobei in jedem Schritt die folgenden Vektoren und Matrizen neu berechnet werden: Fehlervektor der gemessenen gegenüber der aktuellen iterativen Abstandsdifferenz Abstand der aktuellen iterativen Lösung bezüglich den Referenzorten die unnormierte Designmatrix unter der Verwendung der aktuellen iterativen Lösung Iteration rule of the solution with a Taylor series the following vectors and matrices are recalculated in each step: error vector of the measured versus the current iterative distance difference Distance of the current iterative solution with respect to the reference locations the non-standardized design matrix using the current iterative solution
Levenberg-Marquardt VerfahrenLevenberg-Marquardt process
Das Levenberg-Marquardt Verfahren
basiert auf dem bekannten Gauss-Newton Verfahren und wird in der
Regel zur nichtlinearen Approximation eingesetzt. Es wird eine Funktion
f(x) zu Messwerten y^ gesucht, so dass sie Summe der Fehlerquadrate
||F(x)||2 minimal wird:
Die Lösung kann iterativ berechnet werden, in dem bei einem Startwert x0 beginnend, schrittweise die folgenden Werte berechnet werden.The solution can be calculated iteratively, starting with a starting value x0, gradually following the following values be calculated.
Dabei ist Δ(n) die Lösung einer linearen Ausgleichsaufgabe, die sich aus der Erweiterung der Gleichung JT(x(n))·J(x(n))·Δ(n) = –J(x(n))·F(x(n)) des Newton-Verfahrens zum Levenberg-Marquardt Verfahren ergibt wobei J(x(n)) der Jacobi-Matrix von F(x(n)) der Stelle x(n) und I einer Diagonalmatrix entspricht.Δ (n) is the solution to a linear compensation task which results from the expansion of the equation J T (x (n) ) · J (x (n) ) · Δ (n) = –J (x (n) ) · F (x (n) ) of the Newton method for the Levenberg-Marquardt method results where J (x ( n) ) of the Jacobi matrix of F (x ( n) ) corresponds to the position x (n) and I to a diagonal matrix.
Der Wert λ(0) wird mit einem sehr kleinen Wert initialisiert. Verkleinert sich mit Δ(n) der Fehler, so wird λ(n+1) für den nächsten Iterationsschritt durch Division mit einem Faktor verkleinert. Vergrößert sich jedoch der Fehler, wird λ(n+1) durch Multiplikation mit dem entsprechenden Faktor wieder vergrößert. Für geringe Beträge des Faktors λ(n) nähert sich das Levenberg-Marquardt Verfahren dem Newton Verfahren an, wobei das Levenberg-Marquardt Verfahren im Vergleich über eine erhöhte Robustheit verfügt, während für ansteigende Werte von λ(n) das Verfahren der Methode des steilsten Abstieges nahezu entspricht.The value λ (0) is initialized with a very small value. If the error decreases with Δ (n) , then λ (n + 1) is reduced for the next iteration step by division by a factor. However, if the error increases, λ (n + 1) is increased again by multiplying by the corresponding factor. For small amounts of the factor λ (n) , the Levenberg-Marquardt method approximates the Newton method, whereby the Levenberg-Marquardt method has increased robustness in comparison, while for increasing values of λ (n) the method of the method of the steepest Descent almost corresponds.
Fehlerbetrachtungerror analysis
Die Berechnungsmethode der Fehlerbetrachtung benutzt systematische und geometrische Überlegungen, um die Position des Terminals zu bestimmen. Aufgrund von Fehlern in der Messung der Observed Time Difference beziehungsweise im Schätzwert des Real Time Difference Wertes entspricht die gemessene Abstandsdifferenz am Orte der Mobilstation nicht der exakten Abstandsabweichung.The calculation method of error analysis uses systematic and geometric considerations to position of the terminal. Due to errors in the measurement the observed time difference or in the estimated value of the Real time difference value corresponds to the measured distance difference not the exact distance deviation at the location of the mobile station.
Die inneren Hyperbeln – wie in
In der Schnittmenge alter Hyperbelgebiete befindet sich demnach der Aufenthaltsort der Mobilstation. Bei der Positionierung mittels Fehlerbetrachtung wird mit der Hilfe des maximalen GTD-Fehlers die Position des Terminals als der geometrische Mittelpunkt dieser erhaltenen Schnittmenge berechnet.In the intersection of old hyperbolic areas the location of the mobile station is accordingly. In the Positioning by means of error analysis is done with the help of maximum GTD error the position of the terminal as the geometric Center point of this intersection obtained.
Um die Leistungsfähigkeit der Ortsbestimmungstechnik objektiv messen zu können und den Vergleich mit vorhergehenden Literaturangaben zu ermöglichen, werden die folgenden Maßstäbe zur Messung der Auflösungsgenauigkeit der Ortsbestimmung eingeführt.To the performance of the location technology to be able to measure objectively and to enable comparison with previous references, are the following standards for measurement the resolution accuracy localization introduced.
(Root) Mean Square Error ((R)MSE)(Root) Mean Square Error ((R) MSE)
ine oft verwendete Methode zur Messung der Genauigkeit der Positionsbestimmung ist der Vergleich des gemessenen Mean Square Fehler mit dem theoretisch erreichbaren Mean Square Fehler nach der Cramer Rao Grenze.A frequently used method of measurement the accuracy of the position determination is the comparison of the measured Mean square error with the theoretically achievable mean square Mistake after the Cramer Rao border.
Der gemessene Mean Square Fehler
bestimmt sich durch:
Dilution of Precision (DOP)Dilution of Precision (DOP)
Wie bereits erwähnt, besteht ein nicht zu vernachlässigender Einfluss der Geometrie der Referenzorte gegenüber dem zu positionierenden Objekt auf die Genauigkeit der Ortsbestimmung. Die Stärke dieses Einflusses repräsentiert der Faktor der Dilution of Precision.As already mentioned, there is one that should not be neglected Influence of the geometry of the reference locations compared to the one to be positioned Object on the accuracy of location. The strength of this Represented influence the factor of dilution of precision.
Bei der Entwicklung eines Positionierungssystems
ist es daher notwendig, durch Auswahl der Standorte der Referenzpunkte
diesen Faktor zu minimieren. Jedoch steht bei der Planung eines
zellularen Netzes die Verfügbarkeit
von Kommunikationsservices und die Erreichbarkeit des mobilen Teilnehmers
im Vordergrund, wobei anhand dieser Kriterien die Standorte für Basisstationen
ausgewählt
werden, was sich allerdings in erster Linie nicht notwendig mit
einem geringen DOP-Wert vereinbaren lässt.
Im Falle der hyperbolischen Positionsbestimmung muss der Faktor der Dilution of Precision in anderer Weise als wie weiter oben beschrieben hergeleitet werden, da hier, gemäss der Herleitung der Least Squares Lösung, nicht mehr von unkorrelierfen Messfehlern ausgegangen werden kann.In the case of hyperbolic positioning the factor of dilution of precision must be in a way other than how described above, since here, according to the derivation the least squares solution, Incorrect measurement errors can no longer be assumed.
Der Faktor der Dilution of Precision lässt sich jedoch unter der Verwendung der Designmatrix A berechnen: However, the dilution of precision factor can be calculated using design matrix A:
Die Horizontale Dilution of Precision (HDOP) ist ein Maß der geometrischen Stärke in beiden Richtungen. Es lässt sich berechnen durch: wobei σs 2 dem Mean Square Fehler der Abstandsdifferenz und σx 2 beziehungsweise σY 2 dem Mean Square Fehler der Positionsschätzung in der jeweiligen Richtung entsprechen.The horizontal dilution of precision (HDOP) is a measure of the geometric strength in both directions. It can be calculated by: where σ s 2 corresponds to the mean square error of the distance difference and σ x 2 or σ Y 2 to the mean square error of the position estimate in the respective direction.
Koordinatensystemecoordinate systems
Die Positionen der Serving Gell werden, wie weiter oben bereits erwähnt, in Koordinaten nach dem sogenannten WGS84 System an die Mobilstation übermittelt. Um jedoch die übermittelten relativen Angaben der Nachbarbasisstationsstandorte auszuwerten und einfach durchzuführende Positionsberechnungen in einem zweidimensionalen Fall zu ermöglichen, müssen diese WGS84 Koordinaten in andere, plane Koordinatensysteme umgewandelt werden. Hierfür bietet sich die xy-Darstellung des Gauss-Krüger Koordinatensystems an. Beide Koordinatensysteme werden in der Folge vorgestellt.The positions of the serving gell are as mentioned above, transmitted to the mobile station in coordinates according to the so-called WGS84 system. However, to the transmitted evaluate relative information of the neighboring base station locations and easy to do Enable position calculations in a two-dimensional case have to these WGS84 coordinates are converted into other, flat coordinate systems become. Therefor the xy representation of the Gauss-Krüger coordinate system is useful. Both coordinate systems are presented below.
WGS84 KoordinatensystemWGS84 coordinate system
Das World Geodetic System (WGs), das im Jahr 1984 durch das US Department of Defense verönentlicht wurde, wurde in den letzten Jahren als das gebräuchlichste Koordinatensystem verwendet. Dieses besteht aus orfhogonalen dreidimensionalen Koordinatenachsen, deren Ursprung im Erdmassezentrum liegt. Die z-Achse verläuft durch den geographischen Nordpol, während die x-Achse durch den Schnittpunkt des Äquators mit dem Nullmeridian verläuft. Die y-Achse schließlich erstreckt sich rechtwinklig bezüglich den zuvor genannten Achsen.The World Geodetic System (WGs), released in 1984 by the US Department of Defense has been used as the most common coordinate system in recent years used. This consists of orthogonal three-dimensional coordinate axes, whose origin is in the earth mass center. The z axis runs through the geographic North Pole while the x-axis through the intersection of the equator with the prime meridian runs. The y axis finally extends at right angles to the aforementioned axes.
Der Ursprung des beschriebenen Koordinatensystems wiederum liegt im geometrischen Zentrum des WGS84-Ellipsoids, der durch die Rotation einer Ellipse um die kleine Achse, die in Nord-Süd Richtung orientiert ist, gebildet wird. Die Dimensionen dieser Ellipse lauten: große Achse a = 6378137 m und kleine Achse b= 6356752,314 m. Die Koordinaten eines Punktes auf der Oberfläche dieses Ellipsoids werden durch Werte von Längen- und Breitengrade angegeben. Längengrade können Werte von -180° bis +180° annehmen, während Breitengrade im Bereich von -90° bis +90° ausgewählt werden.The origin of the coordinate system described again lies in the geometric center of the WGS84 ellipsoid, the by the rotation of an ellipse around the minor axis, which is in the north-south direction is oriented, is formed. The dimensions of this ellipse are: size Axis a = 6378137 m and minor axis b = 6356752.314 m. The coordinates of a point on the surface of this ellipsoid are given by values of longitude and latitude. longitudes can Values from -180 ° to Assume + 180 °, while Latitude in the range of -90 ° to + 90 ° can be selected.
Gauss-Krüger KoordinatensystemGauss-Krüger coordinate system
Die Positionsangabe nach Gauß und Krüger arbeitet nach dem Prinzip der transversalen Merkatorprojektion, bei der die Erdkugel mittels einer zylindrisch-transversalen Abbildung auf einen Zylinder-Mantel projiziert wird.The position specification according to Gauss and Krüger works according to the principle of the transverse projection projection, in which the Earth globe by means of a cylindrical-transverse image on a Cylinder jacket is projected.
Die Positionsangabe erfolgt mit Hilfe
jeweils 3° breiter
Streifen um einen sogenannten Hauptmeridian, wobei das Gauss-Krüger Koordinatensystem
Um den aktuellen in einem GSM-Kommunikationsnetz verfügbaren Grad der Positionsgenauigkeit zu verdeutlichen, wurden in einer Versuchsreihe in der Umgebung von München zunächst diverse Messfahrten durchgeführt. Als Ergebnis dieser Messfahrten konnte die Genauigkeit der Gell ID Methode, ohne die Verwendung von zusätzlichen Parametern, wie den Wert der Timing Advance sowie Signalstärkebetrachtungen, gefolgert werden. Weiterhin zeigt sich, dass entsprechend der Verteilungen der empfangenen, geometrisch unterschiedlichen Nachbarbasisstationen in über 99% der Fälle von diesen mindestens zwei zur Verfügung stehen und folglich das E-OTD Verfahren anwendbar ist.To the current in a GSM communication network available To clarify the degree of position accuracy were in one Test series in the Munich area initially carried out various measurement runs. As As a result of these measurement runs, the accuracy of the Gell ID method, without the use of additional Parameters, such as the value of the timing advance and signal strength considerations, be inferred. It also shows that according to the distributions of the received, geometrically different neighboring base stations in about 99% of cases at least two of these are available and consequently that E-OTD procedure is applicable.
Anschließend wurden mittels des pseudo-synchronisierten Handover modifizierten E-OTD Positionierungsverfahren Simulationen durchgeführt, um Einschätzungen über die erreichbare Positionierungsgenauigkeit zu gewinnen.They were then pseudo-synchronized Handover modified E-OTD positioning procedure simulations carried out, to make assessments about the gain achievable positioning accuracy.
Die Grundbedingungen dieser Simulationen sollen nachfolgend verdeutlicht werden.The basic conditions of these simulations are to be clarified below.
Um das Systemverhalten in bestimmten Konfigurationen zu erhalten, wie es in der Realität entstehen könnte, wurde von dem klassischen und theoretischen Modell der Anordnung der Funkzellen in Wabenstruktur abgesehen. Als zwei Extremkonfigurationen der Anordnung und Anhäufung der Basisstationen wurden zwei Szenarien ausgewählt, welche eine möglichst typische geometrische Verteilung und Dichte von Basisstationen in urbanen und ländlichen Bevölkerungsräumen repräsentieren sollen. Bei der Modellierung dieser Szenarien wurde auf reale Standorte von Basisstationen in einem GSM-Kommunikationsnetz zurückgegriffen. In der Simulationsumgebung werden logische Nachbarzellen dieser im Modell benutzten Basisstandorte benötigt, also jene Funkzellen zu denen ein Handover vom Netzbetreiber erlaubt, beziehungsweise überhaupt möglich ist, um mittels eines pseudosynchronisierten Handover die Real Time Difference zwischen diesen beiden Zellen zu schätzen. Da nicht zu jeder Nachbarzelle, im geometrischen Sinne, ein Handover vom Netzbetreiber vorgesehen ist und Umbrella-Zellen einzelne Micro- oder Pico-Zellen überdecken, wurden die Standorte aller logischen Nachbarzellen mittels einer speziellen Datenbank des Kommunikationsnetz-Standortverzeichnisses bestimmt, die zu jeder Funkzelle alle Zellen beinhaltet, zu denen ein direkter Handover durchführbar ist.To system behavior in certain To get configurations of how it could arise in reality from the classic and theoretical model of the arrangement of the radio cells apart from honeycomb structure. As two extreme configurations of the arrangement and accumulation of the base stations, two scenarios were selected, one as possible typical geometric distribution and density of base stations in urban and rural Represent population areas should. When modeling these scenarios was based on real locations used by base stations in a GSM communication network. Logical neighboring cells become these in the simulation environment base locations used in the model, i.e. those radio cells to which a handover from the network operator allows, or at all possible is the real time by means of a pseudo-synchronized handover Estimating difference between these two cells. Since not every neighboring cell, in the geometric sense, a handover provided by the network operator and umbrella cells cover individual micro or pico cells, the locations of all logical neighboring cells were determined using a special database of the communication network location directory, which contains all cells for each radio cell, to which a direct one Feasible handover is.
Urban SzenarioUrban scenario
Dieses Szenario, dass die Verteilung und Dichte von Basisstationen in einer Großstadt repräsentieren soll, beinhaltete 111 Basisstationsstandorte in der Innenstadt Münchens. Der mittlere Abstand zweier benachbarter Zellstandorte beträgt in diesem städtischen Szenario etwa 900 Meter.This scenario that the distribution and density of base stations in a big city 111 base station locations in downtown Munich. The mean distance two neighboring cell locations in this is urban Scenario about 900 meters.
Rural SzenarioRural scenario
Das ländliche Szenario umfasste 176
Standorte von Basisstationen in einem ländlichen Gebiet Bayerns, deren
jeweilige benachbarte Zellstandorte im Mittel
Modellierung der MehrwegeausbreitungModeling multipath propagation
Eine Mehrwegeausbreitung ergibt sich durch Reflektion, Streuung oder Dispersion an Objekten, die in der Ausbreitungsumgebung des Signals liegen. Dies führt dazu, dass das Signal sowohl in der Zeit (delay spread), im Raum (angle spread) aber auch, falls das Objekt sich bewegt, in der Frequenz (Doppler spread) gespreizt wird. Das Empfangssignal ergibt sich durch mehrfache zeit- und frequenzverschobene und verschieden gedämpfte Replikas des Sendesignals, die aus unterschiedlichen Richtungen am Ort des Empfängers eintreffen. Ein Objekt kann als Scatterer bezeichnet werden, wenn dessen Ausmaße größer als die Wellenlänge der Sendefrequenz sind.There is a multipath propagation by reflection, scattering or dispersion on objects in the Propagation environment of the signal. This causes the signal to both in time (delay spread), in space (angle spread) but also if the object moves, spread in frequency (Doppler spread) becomes. The received signal results from multiple time and frequency shifted and steamed differently Replicas of the broadcast signal coming from different directions at the place of the recipient arrive. An object can be called a scatterer if its dimensions larger than the wavelength of the Are transmission frequency.
Macrocell-ModellMacrocell Model
Die Modellierung der Scatttererkonfiguration
eines Macrocell-Szenarios geht zunächst davon aus, dass in der
Mehrzahl aller Fälle
ein direkter Line of Sight nicht vorhanden ist, da die Mobilstation
von einer Vielzahl lokaler Scatterer in ihrem Umfeld umgeben ist.
Die Basisstation befindet sich in diesem Szenario auf einer erhöhten Position,
folglich ist deren unmittelbare Umgebung von lokalen Streuern relativ
frei. Jakes und Gans haben diese in eine geometrische Situation
in ein Scatteringmodell zusammengefasst, das in der Literatur auch
als Geometrically Based Single-Bounce Circluar Model bezeichnet
wird. Dabei befindet sich – wie
in
Microcell-ModellMicrocell Model
Das Scattering-Modell des Microcell-Modelles
basiert auf der Annahme, dass sich Basisstationen auf der Höhe von Häuserdächern befinden.
Infolgedessen sind diese im Gegensatz zum vorher erläuterten
Modell auch von lokalen Scatterern in der Nähe umgeben. Nach
Aus dieser Konfiguration der Scatterer-Region ergibt sich, dass mit der gleichen Wahrscheinlichkeit die Signale in der Nähe der Basisstation wie in der Nähe des Terminals gestreut werden. Durch die geometrische Eigenschaft der Ellipse sind ausschließlich Signale mit der maximalen Ausbreitungsverzögerung τmax möglich.This configuration of the scatterer region shows that the signals are scattered near the base station with the same probability as near the terminal. Due to the geometric property of the ellipse, only signals with the maximum propagation delay τ max are possible.
Daraus ergeben sich die Hauptachsen der Ellipse zu: The main axes of the ellipse result from this:
Die Simulationen wurden unter Einsatz
der weiter oben erläuterten
Lösungsverfahren
durchgeführt. Um
für die
Algorithmen der Taylor-Reihe und des Levenberg-Marquardt Verfahrens
eine apriori-Schätzung
des Terminalstandortes zu erhalten, wurde jeweils zunächst eine
Berechnung der Position durch die Lösungsmethode nach Chan ausgeführt. Diese
wurde nach eigenen Überlegungen
in der Art modifiziert, dass auch eine Positionsbestimmung unter
Verwendung von vier Basisstationen (
Um nun bei überbestimmten Gleichungssystemen anhand der Lösungsmethode nach Chan die möglichst beste Positionsschätzung zu erhalten, werden jene zwei (für das weiter oben vorgestellte Chan Verfahren) bzw. drei (für das modifizierte Chan Verfahren) Hyperbeln ausgewählt, die besonders günstig erschienen, Hierfür wurden zunächst alle Konstanten der Hyperbein perechnet, die aufgrund der Referenzpositionen der empfangenen Nachbarzellen und der Serving Cell und der gemessenen Abstands-differenzen definiert werden. Die Kriterien für die Auswahl der entsprechenden Standlinien sind in erster Linie, ob die Hyperbel definiert ist und die jeweilige Steigung der Hyperbelasymptoten. Denn es stellte sich schon in früheren Untersuchungen heraus, dass es sich positiv auf den Fehler in der Positionsbestimmung auswirkt, wenn der Radiusunterschied klein gegenüber b ist, dass heißt die Steigung der Hyperbeläste vom Betrag groß ist.Now with overdetermined systems of equations using the solution method according to Chan, if possible best position estimate to get those two (for the Chan method presented above) or three (for the modified Chan method) selected hyperbolas, the particularly cheap appeared, for this were initially all constants of the hyperbones are calculated based on the reference positions the received neighboring cells and the serving cell and the measured Distance differences can be defined. The criteria for selection The corresponding lines of life are primarily whether the hyperbola is defined and the respective slope of the hyperbola symptoms. Because it was already in earlier Investigations have shown that it is positive for the error in the Position determination has an effect if the radius difference is small compared to b, that means the slope of the hyper loads of the amount is large.
Mit dem bisher beschriebenen mittels des pseudo-synchronisierten Handover modifizierten E-OTD Positionierungsverfahren wurden Simulationen durchgeführt, um die erreichbare Positionierungsgenauigkeit bei Verwendung verschiedener Randbedingungen zu untersuchen.With the means described so far of the pseudo-synchronized handover modified E-OTD positioning method simulations were carried out the achievable positioning accuracy when using different To investigate boundary conditions.
Die Genauigkeit der E-OTD Methode unter der untersuchten Modifikation hängt zum einen von dem verwendeten Lösungsverfahren des nichtlinearen Gleichungssystems ab. Der Algorithmus nach Chan bietet für zufällig verteilte Basisstationen der Anzahl drei die optimale Performance, sowohl für weit entfernte als auch nahe Basisstationen, denn ist der Schätzfehler der GTD-Werte klein, so ist die Lösung nach diesem Algorithmus eine Approximation des sogenannten maximum likelihood Schätzers.The accuracy of the E-OTD method the modification examined depends on the one hand on the one used solution process of the nonlinear system of equations. The Chan algorithm offers for fortuitously distributed base stations of the number three the optimal performance, as well as distant as well as near base stations because is the estimation error of the GTD values is small, so the solution is according to this algorithm an approximation of the so-called maximum likelihood estimator.
Weiterhin können mehr als drei empfangene Basisstationen zur Steigerung der Positionsgenauigkeit verwendet werden. Laut der Literatur erweist es sich jedoch unter Verwendung des Taylor-Reihen Ansatzes als nachteilig, dass die Vernachlässigung der höheren Terme besonders in Situationen mit großem DOP-Werten zu großen Fehlern in der Positionsbestimmung führen können. Des weiteren benötigt diese Methode einen guten Schätzwert der Lösung als Anfangswert, um ein Konvergieren zu garantieren, was mittels der Simulationsergebnisse belegt wurde. Hierbei könnte weiterhin analysiert werden, ab welchem mittleren Zellabstand die apriori Positionsschätzung nach dem Lösungsverfahren nach Chan oder des BTS-Standortes der Serving Cell die korrektere Positionsbestimmung liefert.Furthermore, more than three received Base stations used to increase position accuracy become. According to the literature, however, it turns out to be using of the Taylor series approach as disadvantageous that neglect the higher Terms especially in situations with large DOP values for large errors lead in position determination can. Furthermore needed this method is a good estimate the solution as an initial value to guarantee convergence of what is achieved by means of the simulation results have been verified. This could continue be analyzed from which average cell spacing the a priori reckoning according to the solution process according to Chan or the BTS location of the serving cell, the more correct one Position determination delivers.
Das Levenberg-Marquardt Verfahren betrachtet die Gradienten der Funktion, wobei es vorkommen kann, dass der ermittelte Minimalwert ein lokales, nicht aber das globale Minimum darstellt. Auch kann es vorkommen, dass der Algorithmus gar nicht konvergiert, was unter der Voraussetzung des innerstädtischen Szenarios bestätigt werden konnte. Das Ergebnis der Iteration ist wiederum stark von der Wahl der apriori Positionsschätzung und dem gewählten Skalierungsfaktor λ(o) abhängig.The Levenberg-Marquardt method considers the gradients of the function, whereby it can happen that the determined minimum value represents a local, but not the global minimum. It can also happen that the algorithm does not converge at all, which could be confirmed under the precondition of the inner city scenario. The result of the iteration is strongly dependent on the choice of the a priori position estimate and the selected scaling factor λ (o) .
Der Algorithmus der Fehlerbetrachtung kann zwar mittels überbestimmter Gleichungssysteme die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöhen, weist aber im Vergleich ein geringeres Auflösungsvermögen auf.The algorithm of error analysis can by means of overdetermined Systems of equations increase the accuracy of the position determination but in comparison a lower resolution.
Im Falle dieser überbestimmten Gleichungssysteme bietet sich daher innerhalb der untersuchten Algorithmen das Verfahren der Taylor-Reihe als Empfehlung in beiden Szenarien an: Denn dessen Berechnungsaufwand ist nur geringfügig größer als der des Lösungsschema nach Chan, dieser kann anhand von Least Squares Kriterien Vorteile in der Positionsbestimmung bei überbestimmten Gleichungssystemen ziehen und es tritt kein Fehlerverhalten des Iterationsalgorithmus, wie es bei Levenberg-Marquardt geschehen kann. auf.In the case of these overdetermined systems of equations The method is therefore available within the algorithms examined the Taylor series as a recommendation in both scenarios: Because of that Calculation effort is only slightly greater than that of the solution scheme According to Chan, this can benefit from least squares criteria in determining the position of over-determined ones Draw systems of equations and there is no error behavior of the Iteration algorithm, as happened with Levenberg-Marquardt can. on.
Zum Vergleich der erreichten Positionsgenauigkeiten sei hierbei auf die Ortungsauflösung unter Verwendung der definierten Szenarien und des Cell-ID Verfahrens hingewiesen: Wenn die Position der Mobilstation in der Art bestimmt werden würde, dass diese dem Standort der nächstgelegenen Basisstation entspricht, so beträgt unter diesen Voraussetzungen die Ortungsauflösung im Fall des ländlichen Szenarios etwa 3790 m (67%igen Quantile) und 2895 m (RMSE(90%)). Die erreichte Genauigkeit unter den einzelnen Algorithmen im Falle der ländlichen Umgebung stellt daher eine deutliche Verbesserung der Positionsgenauigkeit gegenüber dem bisher verfügbaren Grad der Ortung durch die Verwendung des Cell Identifiers dar.To compare the positional accuracy achieved, reference is made to the location resolution using the defined scenarios and the Cell-ID procedure: If the position of the mobile station were determined in such a way that it corresponds to the location of the closest base station, the Location resolution in the case of the rural scenario about 3790 m (67% quantiles) and 2895 m (RMSE (90%)). The accuracy achieved under the individual algorithms in the case of the rural environment therefore represents a significant improvement in the position accuracy compared to the previously available degree of location by using the cell identifier.
Im innerstädtischen Umfeld gelingt es diesem modifizierten E-OTD Verfahren, zumindest eine gleiche Auflösung wie bei Cell-ID Verfahren (67%ige Quantile: 285m und RMSE(90%): 210 m) zu erreichen.It works in an inner-city environment this modified E-OTD process, at least the same resolution as with Cell-ID method (67% quantile: 285m and RMSE (90%): 210 m) to achieve.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein modifizierter Systementwurf des E-OTD Verfahrens bereitgestellt worden, der ohne oder unter eingeschränktem Einsatz von Location Measurement Units verwendet werden kann. Die Analyse des vorgestellten, modifizierten E-OTD Entwurfes zeigt, dass insbesondere Steigerungen der Positionierungsgenauigkeit in Bezug auf die derzeitig einzige eingesetzte Positionierungsmethode, das Cell-ID Verfahren, in ländlichen Bereichen möglich sind. Dabei kann dieses modifizierte E-OTD Verfahren, im Gegensatz zu den anderen genannten Positionierungsmethoden, nach der Einführung des Pseudo-Synchronized Handovers schnell, mit geringerem logistischen Aufwand und ohne erhöhte Infrastrukturkosten implementiert werden. Weiterhin ist als Vorteil zu nennen, dass die Endeinrichtungen, die das E-OTD Verfahren nach dem allgemeinen Systementwurf unterstützen und in kurzer Zeit auf dem Markt erhältlich sein werden, kompatibel zu dem erfindungsgemäßen, modifizieren Systementwurf sind, da alle beschriebenen Veränderungen sich lediglich auf die Netzwerkinfrastruktur beziehen.According to the present invention a modified system design of the E-OTD method is provided been made without or with limited use of location Measurement units can be used. The analysis of the presented modified E-OTD The design shows that in particular increases the positioning accuracy in relation to the only positioning method currently used, the Cell-ID procedure, in rural Areas possible are. This modified E-OTD process, in contrast to the other positioning methods mentioned, after the introduction of the Pseudo-synchronized handovers quickly, with less logistic Effort and without increased Infrastructure costs are implemented. It is also an advantage to mention that the end devices following the E-OTD procedure support the general system design and in a short time available on the market will be compatible with the modified system design according to the invention are because all the changes described refer only to the network infrastructure.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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DE10308005A DE10308005A1 (en) | 2002-02-26 | 2003-02-25 | Position determination method for communications network terminal e.g. cellular mobile telephone using observed time differences between signals exchanged with different transmission and/or reception stations |
Applications Claiming Priority (3)
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DE10308005A Withdrawn DE10308005A1 (en) | 2002-02-26 | 2003-02-25 | Position determination method for communications network terminal e.g. cellular mobile telephone using observed time differences between signals exchanged with different transmission and/or reception stations |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10308005A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2159594A1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-03-03 | Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. | Method and an apparatus for determining the location of a device in a network |
-
2003
- 2003-02-25 DE DE10308005A patent/DE10308005A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2159594A1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-03-03 | Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. | Method and an apparatus for determining the location of a device in a network |
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