DE10356656A1

DE10356656A1 - Verfahren und Anordnung sowie Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer Karte zur Beschreibung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals

Info

Publication number: DE10356656A1
Application number: DE2003156656
Authority: DE
Original assignee: Hanebeck Uwe Dr; Siemens AG
Current assignee: Hanebeck Uwe Dr; Siemens AG
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-07-14
Also published as: TW200525167A; WO2005055628A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Modellierung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals. DOLLAR A Es wird an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils eine zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals gemessen. Unter Verwendung der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigenschaften des Kommunikationssignals wird das Modell für das Ausbreitungsverhalten ermittelt. Die Messungen an den ausgewählten Positionen werden unter Verwendung einer autonomen mobilen Einheit durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Modellierung und Kartographierung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals.

Funk-Kommunikationssysteme, basieren auf z. B. Wireless LAN, Bluetooth, GSM oder DECT, werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt. In industriellen Produktionsanlagen und Büroumgebungen, aber auch im Gesundheitswesen sind sie omnipräsent.

Ausbreitungseigenschaften eines elektromagnetischen Feldes, welches von der Kommunikationssignale ausstrahlenden Kommunikationsanlage erzeugt wird, bestimmen wesentlich eine Leistungsfähigkeit der Kommunikationsanlage hinsichtlich Flächendeckung, Verfügbarkeit und Übertragungsrate.

Funknetzbetreiber sind zum einen daran interessiert, die Verteilung der Feldausbreitungseigenschaften bzw. Signalcharakteristika, wie z. B. elektromechanische Feldstärke, Bit-Fehlerrate, Signal-Rausch-Abstand, etc. zu ermitteln, um das Funknetz optimal planen zu können, nach Installation des Netzes beauftragte Systemeigenschaften im Rahmen der Qualitätssicherung nachweisen zu können oder während des Betriebes der Anlage Fehlerzustände diagnostizieren zu können.

Zum andern sind die Netzdienstleister interessiert, ihren Kunden ortsabhängige Dienste anbieten zu können.

Hierfür muss die Position des Empfangsgeräts bekannt sein. Da für die Positionsschätzungen nur Daten, die während des normalen Netzbetriebes entsehen, verwendet werden sollen, bietet es sich an, auch hier die Signalcharakteristik zu betrachten.

Aus dem Stand der Technik bekannt sind Ansätze und Vorgehensweisen, die sich mit der Ortung von Endgeräten, wie DECT-Mobilteilen oder mit Wireless LAN ausgestatteten PDAs und Notebooks, in Funknetzen befassen.

Bei einigen Ansätzen, wie bei dem aus [1] bekannten, basiert die Lokalisierung allein auf der Netzwerktopologie. Dabei wird die Position des Endgeräts anhand der Basisstation, mit der es verbunden ist, und seiner Verbindungsgeschichte bestimmt.

Die Genauigkeit eines solchen Verfahrens ist allerdings gering, da als möglicher Aufenthaltsort nur ein sehr großes Gebiet um die Basisstation, mit der das Endgerät verbunden ist, angegeben werden kann.

Weitere bekannte Verfahren versuchen die Position auf Grund der empfangenen Feldstärken sämtlicher verfügbarer Sender zu schätzen. Teilweise wird dabei ein detailliertes physikalisches Modell für die Wellenausbreitung verwendet. Dafür sind allerdings detaillierte Informationen über die Umgebung vonnöten.

Aus [2] ist bekannt, das Wissen über die elektromagnetischen Eigenschaften der verschiedenen Wände im Gebäude zu verwenden. Solches Wissen ist im allgemeinen aber nicht verfügbar. Deshalb wird meistens zunächst eine Feldstärkekarte erstellt, die dann später zu Lokalisierung verwendet wird.

Häufig wird auf Basis der Feldstärkekarte eine Punktschätzung der Empfängerposition vorgenommen [3], [4].

In [5] wird ein rekursives stochastisches nichtlineares Filterverfahren zur Positionsschätzung von DECT-Mobiltelefonen beschrieben.

Bei den meisten dieser aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen wird die Karte von Hand vermessen, ein Aufwand, der im praktischen Einsatz schwer vertretbar ist.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, weniger aufwendige und automatisierbare Vorgehensweise zur Generierung einer solchen Karte anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Anordnung sowie durch das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und das Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer Karte zur Beschreibung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.

Bei dem Verfahren zur Ermittlung der Karte wird an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils eine zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals gemessen.

Dabei charakterisiert die physikalische Eigenschaft das Ausbreitungsverhalten des Kommunikationssignals.

Unter Verwendung der ausgewählten Positionen bzw. unter Verwendung entsprechender Ortsinformation der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigenschaften des Kommunikationssignals wird ein Modell für das Ausbreitungsverhalten ermittelt.

Unter Verwendung des Modells für das Ausbreitungsverhalten wird die Karte ermittelt werden, wobei das Modell selbst schon als Karte bezeichnet werden kann bzw. das Modell selbst schon die Karte sein kann.

Erfindungsgemäß werden die Messungen an den ausgewählten Positionen unter Verwendung einer autonomen mobilen Einheit, wie einem autonomen Roboter, durchgeführt. Die autonome mobile Einheit ist dabei eingerichtet, beispielweise durch eine entsprechende Messeinrichtung, zu einem Empfang des Kommunikationssignals und zur Messung der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals.

Die Anordnung zur Ermittlung der Karte weist eine autonome mobile Einheit auf, welche eingerichtet ist, beispielweise durch eine entsprechende Messeinrichtung, zu einem Empfang des Kommunikationssignals und zur Messung einer physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals.

Die autonome mobile Einheit führt Messungen durch an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz. Gemessen wird an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils die zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals.

Ferner weist die Anordnung eine Auswerteeinheit auf, welche unter Verwendung der ausgewählten Positionen bzw. unter Verwendung entsprechender Ortsinformation der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigenschaften des Kommunikationssignals ein Modell für das Ausbreitungsverhalten ermittelt. Weiter ermittelt die Auswerteeinheit unter Verwendung des Modells für das Ausbreitungsverhalten die Karte.

Anzumerken sei auch hier, dass das Modell selbst schon als Karte bezeichnet werden kann bzw. das Modell selbst schon die Karte sein kann.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die autonome mobile Einheit die Messungen autonom und automatisierbar durchführen kann und dadurch die Karte automatisch erstellbar ist.

Dies wiederum ermöglich, dass die Karte auch während des laufenden Betriebs des Kommunikationsnetzes ständig aktualisiert werden kann, so dass sie sich Änderungen in der Netzstruktur (z.B. Ausfälle einzelner Sendestationen) anpasst.

Das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Karte durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

Das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Karte durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

Die Anordnung sowie das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sowie das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sind insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Verfahren als auch auf die Anordnung sowei die software-technischen Realisierungen.

Die Erfindung und die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.

Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildungen ausführt.

Auch kann die Erfindung oder jede im weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildungen ausführt.

Bei einer Kommunikation in einem Kommunikationsnetz, wie einem Funknetzwerk, zwischen einer mobilen Kommunikationseinrichtung (Mobilstation), beispielsweise einem Mobiltelefon, und einer Basisstation, beispielsweise einer Rundantenne bzw. einem Rundstrahler oder einer bzw. mehrerer sektoraler Antennen, werden Daten, die Kommunikationssignale, in Signalpaketen, sogenannten bursts, übertragen.

Basierend auf (messbaren) physikalischen Eigenschaften der übertragenen bzw. abgestrahlten Kommunikationssignalen bzw. Signalpaketen lassen sich verschiedene entfernungsrelevante Parameter ermitteln, welche wiederum als Grundlage für die Ermittlung von Abstrahl- bzw. Signalcharakteristika von (Signal-)Sendern herangezogen werden können.

Ein solcher entfernungsrelevanter, d.h. entfernungsabhängiger, Parameter ist beispielsweise eine Feldstärke eines Kommunikationssignals bzw. Signalpakets, eine Bit-Fehler-Rate oder ein Signal-Rausch-Abstand.

Die Feldstärke eines ausgestrahlten Kommunikationssignals weist eine natürliche Abhängigkeit zur Entfernung von einem Sender, der (gesprächsführenden) Basisstation, auf und liefert demzufolge eine Information über das Ausbreitungsverhalten (Ausbreitungscharakteristik) des Senders.

Diese Abhängigkeit zwischen der Feldstärke, im allgemeinen der physikalischen Eigenschaft, und der Entfernung vom Sender bzw. dem (Empfangs-)Ort oder der (Empfangs-)Position in dem Kommunikationsnetz kann durch physikalische Modelle, welche ein Ausbreitungsverhalten von Signalen beschreiben, beschrieben werden.

Bei einem sogenannten Vorwärts-Modell wird die physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals in Abhängigkeit von einer Position in dem Kommunikationsnetz bzw. einer Entfernung beschrieben.

Ein Rückwärts- bzw. inverses Modell beschreibt die Position in dem Kommunikationsnetz in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals.

Ein geeignetes Modell vom Typ Vorwärts-Modell, ähnlich dem aus [5], weist beispielweise einen deterministischen Anteil (Teilmodell) und einen stochastischen Anteil (Teilmodell) auf.

Der deterministische Anteil beschreibt die Abhängigkeit zwischen der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals und einer Position in dem Kommunikationsnetz; der stochastische Anteil beschreibt eine Unsicherheit des deterministischen Anteils.

Die Unsicherheit des deterministischen Anteils kann dabei eine Unsicherheit des Kommunikationssignals, insbesondere ein Messrauschen, und/oder eine Unsicherheit der Abhängigkeit, insbesondere eine Unsicherheit des Ausbreitungsmodells, sein.

Größere Kommunikationsnetze weisen in der Regel mehrer oder eine Vielzahl von Basisstationen, deren jede ein Kommunikationssignal abstrahlt, auf.

Hier ist es zweckmäßig, mehrere Karten bzw. Modelle zu ermitteln, wobei jeweils eine Karte bzw. Modell das Ausbreitungsverhalten eines von einer Basisstation in dem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals beschreibt.

Die mehreren Karten bzw. Modelle lassen sich zu einer Gesamtkarte zusammenfassen.

Ferner kann es zweckmäßig sein, die ausgewählten Positionen bzw. deren Ortsinformation durch die autonome mobile Einheit bestimmen zu lassen. Dazu kann die autonome mobile Einheit mit einem Positionsmesssystem zur Ermittlung der Position der autonomen mobile Einheit in dem Kommunikationsnetz und/oder einem Bahnplanungssystem zur Ermittlung einer Bewegungsbahn in dem Kommunikationsnetz ausgerüstet sein.

Bekannt sind beispielsweise Odometer und/oder bildverarbeitende Positionsmesssysteme wie auch Systeme für eine Koppelnavigation.

Die durch die erfinderische Vorgehensweise erstellte Karte oder das Modell kann Grundlage für zahlreiche Anwendungen bei Kommunikationsnetzen sein.

So kann die Karte bzw. das Modell und/oder die Gesamtkarte bzw. das Gesamtmodell eingesetzt werden/wird zu einer Planung und/oder einer Installation und/oder Inbetriebnahme und/oder Diagnose von Fehlerzuständen und/oder Qualitätssicherung des Kommunikationsnetzes.

Auch kann das Modell für das Ausbreitungsverhalten und/oder die Karte und/oder die Modelle für die Ausbreitungsverhalten und/oder die Gesamtkarte eingesetzt werden/wird zu einer Lokalisierung mindestens einer mobilen Kommunikationseinrichtung in dem Kommunikationsnetz, welche mindestens eine mobile Kommunikationseinrichtung eingerichtet ist zu einem Empfang des Kommunikationssignals und/oder zum Empfang der Kommunikationssignale.

Hierbei wird an einer zu bestimmenden Position in dem Kommunikationsnetz eine Messung der an dieser Position empfangbaren Kommunikationssignalen bzw. deren physikalischen Eigenschaften durchgeführt. Unter Verwendung der Karte bzw. des Modells kann dann und der gemessenen physikalischen Größen kann dann die zu bestimmende Position ermittelt werden.

Weiter kann vorgesehen werden, die Erstellung der Karte bzw. des Modells von einer Lokalisierung unabhängig zu machen. Dabei kann dann fortlaufend mittels des autonomen mobilen Systems und der erfinderischen Vorgehensweise die Karte aktualisiert werden, während unter Verwendung bereits erstellter Karten mobile Kommunikationseinrichtung in dem Kommunikationsnetz lokalisiert werden können.

Die Erfindung bzw. die erfinderische Erstellung der Karte eignet sich insbesondere zu einem Einsatz im Umfeld eines digitalen, zellularen Mobilfunksystems, wie eines GSM-Netzes, und dort beispielsweise zur Lokalisierung eines GSM-Telefons (Mobiltelefon).

Dabei werden bei dem Einsatz der Erfindung nur die dem Mobiltelefon zur Verfügung stehenden Daten verwendet, wobei weder am GSM-Netz noch an Mobilstationen in dem GSM-Netz kostspielige Änderungen vorzunehmen sind.

Auch eignet sich die Erfindung zu einem Einsatz im Umfeld weiterer digitaler, zellularen Mobilfunksysteme, wie eines WLAN, eines Netzes auf Basis von Bluetooth oder eines DECT-Netzes, und dort beispielsweise zur Lokalisierung eines DECT-Mobiltelefons.

In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im weiteren näher erläutert wird.

Es zeigen

1 Vorgehensweise bei der Erstellung einer Feldstärkenkarte mit anschließender Lokalisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

2 Vorgehensweise bei der Erstellung einer Feldstärkenkarte mit gleichzeitiger Lokalisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

3 Skizze, die eine schematische Gegenüberstellung von Modellfehler und Messrauschen zeigt;

4 Omnidirektionaler Roboter gemäß einem Ausführungsbeispiel;

5 Positionserkennung durch Bildverarbeitung;

6 Skizze, die einen Vergleicheiner Positionsschätzung basierend auf einer Koppelnavigation und Kameranavigation verdeutlicht;

7 erste (Teil-)Karte für eine erste Basisstation in dem Funknetz gemäß einem Ausführungsbeispiel;

8 zweite (Teil-)Karte für eine zweite Basisstation in dem Funknetz gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiel: Automatische Kartographierung der Signalcharakteristik in einem Funknetzwerk

Im Ausführungsbeispiel wird wie folgt dargestellt:
Zunächst werden Grundlagen einer Kartographierung von Funknetzen beschrieben.
Anschließend wird eine Karte zur Beschreibung der Ausbreitungscharakteristika von Basisstationen in einem Funknetz sowie deren Erstellung beschrieben. Dabei wird beschrieben, wie sich die Karte aus einem deterministischen und einem stochastischen Teil zusammensetzt.
Weiter wird eine auf dieser Karte basierende Lokalisierung beschrieben.

Daran schließt sich eine Beschreibung einer experimentellen Verifikation der vorgestellten Vorgehensweise. Hier wird sowohl ein Robotersystem zur automatischen Vermessung der Feld stärken beschrieben als auch die Qualität der Karten betrachtet.

1. Kartographierung

Während des normalen Betriebs messen Funknetzempfänger, wie z. B. DECT Mobilteile, ständig die Feldstärken aller zur Verfügung stehenden Sendestationen.

Wenn die genauen Positionen der Sendestationen bekannt sind und ein geeignetes physikalisches Modell zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen existiert, können diese Daten verwendet werden, um die Position des Benutzers zu schätzen.

In praktischen Szenarien sind die Positionen der Sendestationen zumeist nicht oder nur ungenau bekannt und von Änderungen betroffen.

Ein exaktes physikalisches Modell für die Wellenausbreitung lässt sich besonders für Innenbereiche nur schwer oder überhaupt nicht erstellen, da es in komplexer Weise von den Gebäudeeigenschaften abhängt [6].

Deshalb wird wie folgt beschrieben zunächst eine Karte der Feldstärken der einzelnen Sender erstellt. Anschließend werden die Endgeräte mittels dieser Karte lokalisiert.

Die Feldstärkekarte lässt sich durch das Messmodell

beschreiben, das die logarithmischen gemessenen Signalstärken aller Sender

mit ζ = 1...N als deterministische nicht-lineare Funktion h_ϛ(x_k) in Abhängigkeit von den Positionskoordinaten x_k = [x_1,kx_2,k]^T des Empfängers darstellt.

v_k beschreibt den additiven Fehler der logarithmischen Messung. Dies entspricht der multiplikativen Unsicherheit, die aus der unbekannten Dämpfung resultiert.

In den betrachteten Funknetzwerken können die Sender durch eine eindeutige, bei der Kommunikation übertragene, ID identifiziert werden. So lässt sich jede Messung genau einer der Messgleichungen zuordnen, was das Schätzproblem deutlich vereinfacht.

Auch in der Lokalisierungsphase soll nicht in den normalen Netzbetrieb eingegriffen werden. Zusätzliche Sensoren am Benutzer oder dem Empfangsgerät sind nicht erwünscht. Deshalb muss die Lokalisierung allein basierend auf den Feldstärkemessungen des Empfängers erfolgen.

2. Kartographierung und Lokalisierung

Wie 1 zeigt, wird zunächst in der Kartographierungsphase 100 vom Roboter 110 auf Basis von Messungen 111 und einer geschätzten Referenzlage 112 eine Feldstärkekarte 120 erstellt 115. Diese Karte 120 besteht aus Teilkarten 121, die die Sendecharakteristik jeweils einer Basisstation beschreiben.

In der späteren Lokalisierungsphase 150 können mehrere (menschliche) Benutzer 160, die ein Empfangsgerät, z. B. ein DECT Mobiltelefon oder einen mit Wireless LAN oder Bluetooth ausgestatteten PDA, mit sich führen, anhand der Karte 120 lokalisiert werden 165.

2 zeigt eine gleichzeitige Ausführung der beiden Phasen, der Kartographierungsphase 100 und der Lökalisierungsphase 150.

Hierbei aktualisiert der Roboter 110 die Karte 120, während die Benutzer 160 schon lokalisiert 165, 170 werden.

Somit ist eine stets aktuelle Karte 120 gewährleistet, in die Änderungen des Netzwerks, wie z. B. Ausfall oder Austausch einzelner Sender, sofort einfließen.

Kartographierungsphase (100)

Deterministisches Messmodell

Bei dem bei der Erstellung der Karte zugrunde gelegten deterministischen Messmodell wird angenommen, dass die logarithmische empfangene Feldstärke eines Senders linear mit der Entfernung abnimmt.

Bei zweidimensionalen Positionskoordinaten x_k lässt sich der lineare Abfall der logarithmischen Feldstärke der Basisstation ζ durch die Messgleichung

beschreiben.

In den so erhaltenen N Gleichungen (für jede Basisstation eine), sind die insgesamt 6N Parameter aus m_ϛ, P_ϛ und Δ_ϛ zu schätzen.

Stochastisches Teilmodell

Das stochastische Teilmodell der Unsicherheiten muss sowohl das Messrauschen als auch die Abweichung zwischen der tatsächlichen Sendercharakteristik und dem Messmodell in Betracht ziehen.

Modellunsicherheiten

Die Modellunsicherheiten stellen den Unterschied zwischen dem exakten Modell der logarithmischen empfangenen Feldstärke und dem deterministischen Messmodell h_ϛ(x_k) dar.

3 zeigt diesen Unterschied.

Dieser Fehler rührt zum einen von dem Modell. Zum anderen repräsentiert er aber auch lokale Abweichungen, die aus den spezifischen Gebäudeeigenschaften resultieren. Hierunter sind z. B. verschiedene Dämpfungs- oder Reflektionseigenschaften der verschiedenen Materialen zu verstehen. Die Modellunsicherheiten werden hier mit dem Mittelwert μ ⟨1⟩ / ν,ϛ und der Standardabweichung σ ⟨1⟩ / ν,ϛ beschrieben.

Messrauschen

Das Messrauschen stellt die zeitliche Variation der Messungen an einem Punkt dar. In 3 ist beispielhaft zu erkennen, wie die Messwerte von der tatsächlichen Sendercharakteristik abweichen.

Auch das Messrauschen lässt sich durch Mittelwert μ ⟨2⟩ / ν,ϛ und Standardabweichung σ ⟨2⟩ / ν,ϛ beschreiben.

Kombination der Unsicherheiten.

Die Unsicherheit des Gesamtmodells ist die Kombination von Modellunsicherheit und Messrauschen. Um ein einfaches Modell zu erhalten wird hier angenommen, dass die Unsicherheiten unabhängig und unkorreliert sind.

In diesem Fall lässt sich die Gesamtunsicherheit jedes Senders ϛ = 1,...,N durch eine Verteilung mit dem Mittelwert

und der Standardabweichung

beschreiben.

Lokalisierungsphase (150)

In der Lokalisierungsphase 150 sollen mehrere Endgeräte gleichzeitig lokalisiert werden können.

Da für ortsabhängige Dienste die Positionsinformation serverseitig und nicht auf Klientenseite benötigt wird, sollte die Lokalisierung möglichst auf einem zentralen Rechner, auf dem auch die Karteninformationen gespeichert sind, ausgeführt werden.

Dadurch ergeben sich für den Lokalisierungsalgorithmus folgende Anforderungen.

Die Rechenleistung sollte möglichst frei zwischen den verschiedenen Lokalisierungsanwendungen verteilt werden können. Deshalb wird ein anytime-Algorithmus mit einstellbarer Genauigkeit benötigt.

Ein solcher liefert jederzeit ein sinnvolles Ergebnis. Ein früher Abbruch der Berechnung beeinflusst also nur die Genauigkeit der Positionsschätzung, nicht aber ihre Verfügbarkeit.

Mit längerer Laufzeit wird die Genauigkeit der Schätzung erhöht.

Da bei der Positionsschätzung anhand der Feldstärkekarten Nichtlinearitäten auftreten können, muss ein nichtlineares Filterverfahren zum Einsatz kommen.

Dieses verwendet zusätzlich noch ein Modell für die Bewegung des Benutzers, um die Qualität der Schätzung zu verbessern und die Kombination von Messungen zu ermöglichen.

Geeignete Filterverfahren für die Lokalisierung sind z.B. das Progressive Bayes-Filter [7], das eine optimale Lösung findet, oder das PDSME-Filter [5].

Letzteres ist zwar suboptimal, dafür allerdings deutlich einfacher und schon in der Anwendung auf Lokalisierungsproblemen in Funknetzen erprobt.

Bei der Lokalisierung eines mobilen Kommunikationsgeräts wird dann zunächst eine oder mehrere Messungen der elektrischen Feldstärke an dem zu bestimmenden Ort durchgeführt.

Mit Hilfe dieser Messungen und den zuvor erstellten Feldstärkekarten kann eine Ortsschätzung durchgeführt werden.

Hierzu kann beispielsweise das aus [12] bekannte Verfahren basierend auf ein Pattern Matching zusammen mit einer räumlichen Abtastung der Feldstärkekarten, das aus [13] oder [5] bekannte Verfahren basierend auf nicht lineare Filtertechniken, oder eine Lösung der Navigationsgleichungen verwendet werden.

Die Lösung der Navigationsgleichungen (6) mit dem Ortsvektor x →, den gemessenen Feldstärken E mess / 1 – E mess / N für die Basisstationen bzw. Antennen 1 – N, und den ortsabhängigen Karten, bzw. Modellen, der Feldstärken E₁(x →) – E_N(x →), geschieht bei spielsweise mittels eines Nullstellensuchverfahrens, oder mittels einer Minimierung der quadratischen Gleichungsfehlersumme e (7).

3. Experimentelle Verifikation

Zur Verifizierung obig vorgestellter Vorgehensweise werden zunächst Messungen in einem WLAN, einem sogenannten DUKATH-Netz [8], vorgenommen.

Da Interesse besteht ortsabhängige Dienste, wie z. B. das Übertragen von Zusatzmaterial auf den PDA zu, anzubieten muss die Möglichkeit geboten werden, eine große Zahl von Benutzern gleichzeitig zu lokalisieren.

Die Ergebnisse sind aber nicht auf Wireless LAN und das DUKATH-Netz beschränkt. Sie lassen sich auch auf andere Funknetze z. B. gemäß den Bluetooth- oder DECT-Standards übertragen.

Technischer Aufbau

Die Kartenerstellung wird von einem autonomen mobilen Roboter (4, 400 bzw. 110) durchgeführt.

Es handelt sich hierbei um eine OmniBase-Plattform [9].

Für die Kartographierung wurde die Plattform mit einem speziellen Aufbau versehen (4), auf dem ein Compaq iPAQ Pocket PC 401 mit einer Lucent Orinoco Wireless LAN-Karte angebracht ist.

Während der Roboter 400 durch das Gebäude fährt, misst der iPAQ 401 die Feldstärken aller verfügbaren Sendestationen.

In einem auf IEEE 802.11 [10] basierenden Netzwerk senden die Basisstationen ständig Beacon-Signale. Diese Signale dienen den mobilen Endgeräten dazu die Station herauszufinden, zu der sie die beste Verbindung bekommen können. Bei der Vermessung der Feldstärken werden diese Beacon-Signale ausgewertet.

Die Netzzugehörigkeit der Stationen ist dabei unerheblich. Die zur Messung verwendete Netzwerkkarte verhält sich dabei passiv, d. h. sie sendet selbst keine Signale aus.

Die Messergebnisse werden über eine serielle Schnittstelle an den Roboter 400 übertragen, wo sie zusammen mit der vom Roboter geschätzten Referenzlage weiterverarbeitet werden.

Roboterlokalisierung

Die OmniBase-Plattform

Die omnidirektionale Roboterplattform OmniBase ist modular aufgebaut. Sie besitzt vier gleichartige Radmodule mit je einem Standard-Rad.

In jedem Radmodul sind zwei Antriebsmotoren untergebracht, von denen einer zur Lenkung und einer zum Antrieb des Rades dient. Da die insgesamt acht Motoren der Radmodule unabhängig von einander angesteuert werden können ist die Möglichkeit gegeben die Plattform frei in drei Freiheitsgraden (Position und Orientierung) zu bewegen.

Die Koordination der Antriebe erfolgt mittels einer Low-Level-Steuerung in der Plattform. Die Plattform fährt immer auf Momentankreisen um den sog. ICR (Instantaneous Center of Rotation).

Um eine vibrationsarme Fahrt zu erreichen müssen alle vier Räder auf konsistenten Bahnen um den ICR ausgeregelt werden.

Die Bahnplanung erfolgt in einem übergeordneten Steuerrechner, wobei die Kommunikation zwischen dem Steuerrechner und der Low-Level-Steuerung der Plattform über eine CORBASchnittstelle erfolgt.

Sie stellt drei Funktionen zur Verfügung:

– Abfragen der von der Odometrie geschätzten Lage des Roboters in globalen Koordinaten,
– Setzen der Lage in globalen Koordinaten und
– Setzen der Geschwindigkeiten.

Der Geschwindigkeitsvektor u_k = [ẋ_kẏ_kψ ._k]^T gibt die Soll-Geschwindigkeiten entlang der x- bzw. y-Achse des globalen Koordinatensystems und die Winkelgeschwindigkeit der Orientierung des Roboters an.

Die Plattform wird also in globalen Koordinaten angesteuert.

Bildverarbeitung

Der Roboter 400 lokalisiert sich mittels einer Deckenkamera 402 am gleichmäßigen Deckenmuster in Räumen.

Die Decke besteht beispielweise aus weißen quadratischen Deckenplatten mit 1200mm Seitenlänge. Zwischen den Platten befinden sich graue Verstrebungen. Die Kreuzungen der Deckenverstrebungen werden als Landmarken betrachtet. Sie befinden sich auf einem 1200 mm-Raster.

Zur Erkennung der Landmarken wird zunächst ein Eckenfilter aus der Intel Open Source Computer Vision Library [11] angewandt.

Vier Eckpunkte, die ein Quadrat mit einer Seitenlänge zwischen 20 Pixel und 35 Pixel bilden werden als Landmarke erkannt. Als Quadrat gilt eine Figur aus Eckpunkten, wenn die Seitenlängen nahezu gleich (Toleranz: 2 Pixel) und die Winkel nahezu 90° sind.

5 zeigt ein Kamerabild 500, in dem eine Landmarke erkannt wurde.

Die gemessene Lage des Roboters x^m = ⎣x^my^mψ^m⎦^T ergibt sich aus der tatsächlichen Lage der Landmarke und ihrer Lage im Kamerabild.

Lokalisierung

Da die in der Bildauswertung die Lage des Roboters in globalen Koordinaten bestimmt wird, lässt sich die Messgleichung zu

vereinfachen.

Der Systemfehler Messfehler v_k wird als unkorreliert und normalverteilt um den Mittelwert Null mit der Kovarianz R angenommen.

In jedem Zeitschritt wird ein Prädiktionsschritt durchgeführt. Dabei wird x ^ p / k, die prädizierte Lage des Roboters, von der Odometrie ermittelt. Die Fehlerkovarianz wird durch

vereinfacht fortgeschrieben, wobei Q für die Kovarianzmatrix des Systemfehlers, C^p für die priore und C^e für die posteriore Kovarianzmatrix stehen.

Immer wenn ein Messdatum vorliegt, d. h. eine Landmarke erkannt wurde, wird ein Messschritt durchgeführt. Dies muss nicht in jedem Zeitschritt der Fall sein. Der sog. Kalman-Gain K_k lässt sich wegen der einfachen Messgleichung vereinfacht als

darstellen.

Die geschätzte Lage des Roboters x ^ e / k und die posteriore Kovarianz C e / k ergeben sich als

Die geschätzte Lage des Roboters x ^ e / k wird anschließend auf der Plattform als aktuelle Position gesetzt.

6 zeigt den Fehler der reinen Koppelnavigation gegenüber der Kameranavigation.

Hierzu wurde ein Gang eines Gebäudes in dem Funknetz zehn mal durchfahren, was einer Gesamtstrecke von ca. 700m entspricht. Nach den zehn Durchfahrten betrug die Abweichung in der Orientierung mehr als 45°. Die Abweichung in der Position beträgt mehrere Meter. Wird die Bildverarbeitung hinzugenommen, beträgt der Fehler der Positionsschätzung im Mittel ca. 15 cm.

Kartenerstellung

Bei der Kartenerstellung werden die für jede Basisstation die 6 Parameter aus Gleichung 3 geschätzt, wobei für x_k die Referenzposition des Roboters und für h_ϛ(x_k) die gemessene Feldstärke des Senders ϛ an der Stelle x_k eingesetzt wird.

Die Schätzung erfolgt mit der Methode der kleinsten Quadrate.

In den 7 und 8 sind die Teilkarten für zwei Basisstationen zu sehen.

Zusätzlich sind die tatsächlichen Messwerte und die gefahrene Bahn des Roboters eingezeichnet. In den 7 und 8 ist zu erkennen, dass die tatsächlichen Messwerte durch das Modell gut beschrieben werden.

Die Gesamtunsicherheit des Systems lässt sich aus der Abweichung des Messmodells zu den Messwerten schätzen. Die Teilunsicherheiten sind unbekannt. Das Messrauschen ließe sich z. B. dadurch bestimmen, dass Mittelwert und Standardabweichung mehrerer Messungen an einem Punkt berechnet werden. Da hier aber die Messungen entlang verschiedener Bahnen gemacht werden, gibt es im Allgemeinen nur eine Messung pro Bahnpunkt.

Da sich Sendestationen des Funknetzes teilweise in unterschiedlichen Stockwerken von Gebäuden befinden als der Roboter kann die Genauigkeit des Modells gegebenenfalls dadurch erhöht werden, dass der Positionsvektor zu einem vierdimensionalen Lagevektor erweitert wird.

In diesem Fall würden z für die Höhe und außerdem ψ für die Orientierung in der x-y-Ebene ergänzt.

Da sich dadurch auch die Anzahl der zu schätzenden Parameter von 6N auf 15N erhöht, wären deutlich mehr Messwerte zur Kartenerstellung nötig. Idealerweise würden dazu auch Messfahrten in anderen Stockwerken durchgeführt.

Im obigen wurde ein System gemäß der vorliegenden Erfindung vorgestellt, das automatisch die örtlichen Signalcharakteristiken von Funknetzen vermisst und kartographiert.

Eine Anwendung dafür ist das Erstellen von Karten mit deren Hilfe Benutzer in Funknetzen lokalisiert werden können. Die erstellten Karten beschreiben die Feldstärkeverteilungen aller verfügbaren Sendestationen in analytischer Form.

Der Modellfehler und das Messrauschen werden stochastisch modelliert. Damit können zur Lokalisierung auf Basis dieser Karten analytische stochastische Filterverfahren eingesetzt werden.

Messungen wurden mit der omnidirektionalen Roboterplattform Omni-Base in einem Funknetz durchgeführt.

In diesem Dokument sind folgende Schriften zitiert:

[1] Peyrard, F., Soutou, C., Mercier, J.J.: Mobile Stations Localization in a WLAN, in: Proceedings of the 25th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN'00), Tampa, Florida (2000) 136 – 142
[2] Hassan-Ali, M., Pahlavan, K.: A New Statistical Model for Site-Specific Indoor Radio Propagation Prediction Based on Geometric Optics and Geometric Probability. IEEE Transactions on Wireless Communications 1 (2002) 112 – 124
[3] Howard, A., Siddiqi, S., Sukhatme, G.S.: An Experimental Study of Localization Using Wireless Ethernet. In: Erscheint in: Proceedings of the 4th International Conference on Field and Service Robotics, Japan (2003)
[4] Bahl, P., Padmanabhan, V.N.: RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System. In: Proceedings of IEEE INFOCOM 2000. Volume 2., Tel Aviv, Israel (2000) 775 – 784
[5] Rauh, A., Briechle, K., Hanebeck, U.D., Bamberger, J., Hoffmann, C.: Localization of DECT Mobile Phones Based on a New Nonlinear Filtering Technique. In: Proceedings of SPIE Bd. 5084, AeroSense Symposium, Orlando, Florida (2003)
[6] Fleury, B.H., Leuthold, P.E.: Radiowave Propagation in Mobile Communications: An Overview of European Research. IEEE Communications Magazine 34 (1996) 70 – 81
[7] Hanebeck, U.D., Briechle, K., Rauh, A.: Progressive Bayes: A New Framework for Nonlinear State Estimation. In: Proceedings of SPIE Bd. 5099, AeroSense Symposium, Or lando, Florida (2003)
[8] Hettler, A., Wigand, R.: DUKATH – Drahtlose Universität Karlsruhe (TH) (Stand: Juli 2003) http://www.unikarlsruhe.de/_DUKATH/.
[9] Hanebeck, U.D., Saldic, N., Freyberger, F., Schmidt, G.: Modulare Radsatzsysteme für omnidirektionale mobile Roboter. In: Robotik 2000 Tagung (VDI/VDEGesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik), VDI Berichte 1552, Berlin (2000) 39 – 44
[10] IEEE: IEEE Std 802.11-1997 Information Technology – Telecommunications And Information Exchange Between Systems – Local And Metropolitan Area Networks-specific Requirements – Part 11: Wireless Lan Medium Access Control (MAC) And Physical Layer (PHY) Specifications. (1997)
[11] Intel Corporation: Open Source Computer Vision Library. (Stand: Juli 2003) http://www.intel.com/research/mrl/research/opencv/
[12] DE-Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10345255.9
[13] DE-Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10318590.9.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Karte zur Beschreibung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals, – bei dem an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils eine zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals gemessen wird, welche physikalische Eigenschaft das Ausbreitungsverhalten des Kommunikationssignals charakterisiert, – bei dem unter Verwendung der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigenschaften des Kommunikationssignals ein Modell für das Ausbreitungsverhalten ermittelt wird, – bei dem unter Verwendung des Modells für das Ausbreitungsverhalten die Karte ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messungen an den ausgewählten Positionen unter Verwendung einer autonomen mobilen Einheit durchgeführt wird, welche eingerichtet ist zu einem Empfang des Kommunikationssignals und zur Messung der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die autonome mobile Einheit ein mobiler Roboter ist und/oder das Kommunikationsnetz ein Funknetz, insbesondere ein Funknetz basierend auf Wireless LAN oder Bluetooth oder GSM oder DECT, ist und/oder die gemessene physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals eine Ausbreitungseigenschaft eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eine Feldstärke oder eine Bit-Fehlerrate oder Signal-Rausch-Abstand, ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Modell die physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals in Abhängigkeit von einer Position in dem Kommunikationsnetz beschreibt oder das Modell eine Position in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaft beschreibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Modell ein nichtlineares Ausbreitungsmodell mit einem deterministischen Anteil und einem stochastischen Anteil ist, – welcher deterministische Anteil eine Abhängigkeit zwischen der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals und einer Position in dem Kommunikationsnetz beschreibt und – welcher stochastische Anteil eine Unsicherheit des deterministischen Anteils beschreibt.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem die Unsicherheit des deterministischen Anteils eine Unsicherheit des Kommunikationssignals, insbesondere ein Messrauschen, und/oder eine Unsicherheit der Abhängigkeit, insbesondere eine Unsicherheit des Ausbreitungsmodells, sind bzw. ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Modell die Karte ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem mehrere Karten ermittelt werden, wobei jeweils eine Karte das Ausbreitungsverhalten eines von einer Basisstation in dem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals beschreibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Gesamtkarte und/oder ein Gesamtmodell des Gesamtausbreitungsverhaltens der Kommunikationssignale von mehreren Basisstationen gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die autonome mobile Einheit ein Positionsmesssystem zur Ermittlung der Position der autonomen mobile Einheit in dem Kommunikationsnetz und/oder ein Bahnplanungssystem zur Ermittlung einer Bewegungsbahn in dem Kommunikationsnetz aufweist.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem das Positionsmesssystem ein Odometer und/oder ein bildverarbeitendes Positionsmesssystem und/oder ein System für eine Koppelnavigation umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die ausgewählten Positionen unter Verwendung der autonomen mobilen Einheit bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Karte und/oder die Gesamtkarte eingesetzt werden/wird zu einer Planung und/oder einer Installation und/oder Inbetriebnahme und/oder Diagnose von Fehlerzuständen und/oder Qualitätssicherung des Kommunikationsnetzes.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Modell für das Ausbreitungsverhalten und/oder die Karte und/oder die Modelle für die Ausbreitungsverhalten und/oder die Gesamtkarte eingesetzt werden/wird zu einer Lokalisierung mindestens einer mobilen Kommunikationseinrichtung in dem Kommunikationsnetz, welche mindestens eine mobile Kommunikationseinrichtung eingerichtet ist zu einem Empfang des Kommunikationssignals und/oder zum Empfang der Kommunikationssignale.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Karte und/oder die Gesamtkarte aktualisiert werden.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem die Aktualisierung der Karte und/oder der Gesamtkarte gleichzeitig mit einer Lokalisierung einer mobilen Kommunikationseinrichtung erfolgt.
Anordnung zur Ermittlung einer Karte zur Beschreibung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals, – mit einer autonomen mobilen Einheit mit einer Messeinrichtung zu einem Empfang des Kommunikationssignals und zur Messung einer physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals, wobei die physikalische Eigenschaft ein Ausbreitungsverhalten des Kommunikationssignals charakterisiert, – mit der autonomen mobilen Einheit, die eingerichtet ist zur Durchführung von Messungen an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz, wobei von der autonomen mobilen Einheit an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils die zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals messbar ist, – mit einer Auswerteeinheit, mit welcher unter Verwendung der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigenschaften des Kommunikationssignals ein Modell für das Ausbreitungsverhalten ermittelbar ist und mit welcher unter Verwendung des Modells für das Ausbreitungsverhalten die Karte ermittelbar ist.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gemäß Anspruch 17, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.