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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Funkkommunikationsnetzwerke und insbesondere auf ein Verfahren
zur Synchronisation von terrestrischen Knoten, die mit GNSS-Empfängern (Global Navigation
Satellite System) ausgestattet sind und zu einem terrestrischen
Netzwerk gehören.
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In terrestrischen Netzwerken, speziell
in Funkkommunikationsnetzwerken, ist die Synchronisation der verschiedenen
Elemente, die zum Netzwerk gehören
(z. B. Basisstationen, Mobilstationen) von entscheidender Bedeutung
für einen
korrekten Betrieb des Netzwerks. Bekannte Verfahren für die Synchronisation
in einem Funkkommunikationsnetzwerk bestehen darin, dass die terrestrischen
Knoten des Netzwerkes zur Synchronisation miteinander kommunizieren.
Diese Art der automatischen Synchronisation eines Netzwerks ist
den Änderungen der
Qualität
der Funkverbindung unterworfen. Darüber hinaus muss die Entfernung
zwischen den Netzwerkknoten mit einer hohen Genauigkeit bekannt sein,
um die Übertragungsverzögerung zwischen den
Netzwerkknoten zu berechnen und eine gute Synchronisations-Präzision zu
erreichen.
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Eine präzisere Synchronisation kann
erreicht werden, wenn die Netzwerkknoten zusätzlich mit GNSS-Empfängern ausgestattet
sind. Ein GNSS-System ermöglicht
die Synchronisation einer terrestrischen Endeinrichtung mit einer
allgemeinen Zeitreferenz, die den Satelliten der GNSS-Konstellation
gemeinsam ist. Für
eine korrekte Synchronisation müssen
GNSS-Signale, die von drei verschiedenen Satelliten der GNSS-Konstellation
ausgesendet werden, an der mit einem GNSS-Empfänger ausgestatteten Endeinrichtung
gleichzeitig empfangen werden. Dann ist es eine übliche Funktionalität eines GNSS-Empfängers, diese
3 GNSS-Signale zu korrelieren, um die Ortszeit zu berechnen.
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Diese Zeitreferenz-Erfassungsprozedur
dauert jedoch lang (ungefähr
1 Minute), insbesondere in Städten,
wo der Winkel, in dem die Endeinrichtung klare Sicht auf den Himmel
hat, eingeschränkt
ist. Dann dauert es oft lange, bis man eine Konfiguration erhält, in der
3 Satelliten in diesem schmalen Winkel mit klarer Sicht auf den
Himmel zu sehen sind.
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Darüber hinaus ist die Genauigkeit
der berechneten Ortszeit durch die Genauigkeit der vom Satelliten
gesendeten Zeitreferenz begrenzt (z. B. 10–4 s).
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Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Synchronisation
terrestrischer Endeinrichtungen, die mit einem GNSS-Empfänger ausgestattet
sind und zu einem terrestrischen Netzwerk gehören, schneller und mit einer
höheren
Genauigkeit durchgeführt
werden kann als mit den bekannten Verfahren nach dem bisherigen
Stand der Technik.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist die Bereitstellung eines terrestrischen Knotens, der so angepasst
ist, dass er ein solches Synchronisationsverfahren ausführt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgaben und weitere, die weiter
unten deutlich werden, werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 zur Synchronisation terrestrischer Knoten erreicht, die zu einem
terrestrischen Netzwerk gehören
und Mittel enthalten, um Informationen von einem Satelliten zu empfangen,
der zu einem globalen Satellitennavigationssystem (Global Navigation
Satellite System) gehört,
sowie durch einen entsprechenden terrestrischen Knoten gemäß Anspruch
8.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
müssen Synchronisations-Zonen,
die zu synchronisierende terrestrische Knoten umfassen, im terrestrischen Netzwerk
definiert werden. Dann erfassen in einem ersten Schritt alle terrestrischen
Knoten, die sich in der gewählten
Synchronisationszone befinden, eine Zeitreferenz (GNSS-Signal),
die von einem Satelliten gesendet wird, der sich gerade in dem festen
Winkel mit klarer Sicht auf den Himmel befindet, den alle terrestrischen
Knoten gemeinsam haben.
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In einem zweiten Schritt bestimmt
das terrestrische Netzwerk einen gemeinsamen Synchronisationszeitpunkt
und meldet ihn an die terrestrischen Knoten, die synchronisiert
werden müssen.
Wenn dieser gemeinsame Synchronisationszeitpunkt gekommen ist, erfassen
alle terrestrischen Knoten in der gewählten Synchronisationszone
eine vordefinierte Sequenz, die von einem Satelliten gesendet wird.
Der restliche Synchronisationsfehler, der nach der Erfassung der
groben Zeitreferenz verbleibt, wird nach der Erfassung der vordefinierten
Sequenz durch alle terrestrischen Knoten kompensiert. Die Präzision der
Zeitreferenz ist in diesem Fall gleich der Präzision, mit der die vordefinierte
Zeitsequenz im Global Navigation Satellite System wiederholt wird.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hat den Vorteil, dass nur ein Satellit im von allen zu synchronisierenden
terrestrischen Knoten gemeinsam gesehenen Sichtwinkel auf den klaren
Himmel vorhanden sein muss. Als Folge davon wird die Verzögerung für die Synchronisation
der terrestrischen Knoten verringert.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die
Zusammenarbeit des GNSS-Systems mit dem terrestrischen Netzwerk
bei der Synchronisationsprozedur es ermöglicht, eine höhere Genauigkeit
der Synchronisation zu erhalten.
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In einer weiteren Ausführung der
vorliegenden Erfindung wird dieses Synchronisationsverfahren in
einem Verfahren zur Bestimmung der Position einer Mobilstation in
einem Funkkommunikationsnetzwerk verwendet, wenn diese Mobilstation
auch mit einem GNSS-Empfänger
ausgestattet ist.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Weitere Eigenschaften und Vorteile
der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführung
deutlich, die durch nicht einschränkende Beschreibungen angegeben
wird und aus den begleitenden Zeichnungen, in denen:
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1a, 1b ein vereinfachtes System
zeigen, das einen Satelliten umfasst, der zu einem GNSS-System gehört, und
terrestrische Knoten, die zu einem terrestrischen Netzwerk gehören, in
dem das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann;
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2 ein
Flussdiagramm zeigt, das die Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung beschreibt;
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3 eine
bevorzugte Ausführung
für die Verwendung
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4 ein
System zeigt, in dem das Verfahren der vorliegenden Erfindung für Lokalisierungszwecke
verwendet werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1a zeigt
ein vereinfachtes System, das einen Satelliten 11 umfasst,
der zu einem GNSS-System gehört,
und zwei terrestrische Knoten 12, 13, 14, die
zu einem terrestrischen Netzwerk gehören, in dem das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
bezieht sich der Begriff GNSS-System auf eine beliebige Konstellation
von Satelliten, die Zeit-Referenz-Informationen und vordefinierte
Datensequenzen rundsenden können.
Ein solches GNSS-System kann durch die Satelliten gebildet werden,
die zu einem GPS-System gehören,
eine beliebige Satellitenkonstellation, wie z. B. Galileo ist auch
so angepasst, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet
werden kann.
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Satellit 11 ist im Winkel
mit klarer Sicht auf den Himmel enthalten, den die terrestrischen
Knoten 12, 13, 14 gemeinsam haben (d.
h. es gibt keine Hindernisse zwischen Satellit 11 und den
terrestrischen Knoten 12, 13, 14, die
den Empfang der vom Satelliten 11 gesendeten Informationen
verhindern).
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Die terrestrischen Knoten 12, 13, 14 enthalten
einen GNSS-Empfänger-Teil
und einen Teil für das
terrestrische Netzwerk. Eine Schnittstelle zwischen dem GNSS-Empfänger-Teil
muss bereitgestellt sein, um Informationen vom GNSS-Empfänger-Teil
zum Teil des terrestrischen Netzwerks weiterzuleiten.
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Der GNSS-Empfänger-Teil umfasst die übliche GNSS-Empänger-Funktionalität als Zeitreferenz-Erfassungsmodul
zur Erkennung einer Zeitreferenz, hier grobe Zeitreferenz RTR genannt,
die vom Satelliten der Konstellation gesendet wird (1b). Die grobe Zeitreferenz RTR ist vorzugsweise
eine absolute Zeitangabe. Weiterhin enthält der GNSS-Empfänger-Teil
ein Modul zur Erfassung einer vordefinierten Sequenz, mit dem eine
vordefinierte Sequenz, Seq., erkannt wird, die vom Satelliten in
regelmäßigen Zeitabständen, T-Intervall,
rundgesendet wird.
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Der Teil für das terrestrische Netzwerk
umfasst die übliche
Funktionalität
eines terrestrischen Netzwerks. Vorzugsweise umfasst das terrestrische Netzwerk
einen zentralen Haupt-Knoten, der die verschiedenen terrestrischen
Knoten 12, 13, 14 steuert.
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Die terrestrischen Knoten 12, 13, 14 enthalten
auch eine interne Uhr, die vom GNSS-Empfänger-Teil
und dem Teil für
das terrestrische Netzwerk gemeinsam genutzt werden kann. Es ist
der Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Berechnung
der Differenz der internen Uhren bereitzustellen und dann die internen
Uhren der terrestrischen Knoten 12, 13, 14 einzustellen.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, das die Schritte 21 bis 25 des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung beschreibt.
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In Schritt 21 führen die GNSS-Empfänger-Teile
der terrestrischen Knoten 12, 13, 14 eine Erfassung
der groben Zeitreferenz durch, indem die interne Zeitreferenz auf
die Zeitreferenz RTR eingestellt wird, die vom Satelliten 11,
der sich in dem Winkel mit klarer Sicht auf den Himmel befindet,
den alle terrestrischen Knoten 12, 13, 14 gemeinsam
haben, rundgesendet wurde. Zu diesem Zweck kann der Satellit zusammen
mit der groben Zeitreferenz seine Kennung rundsenden, so dass die
terrestrischen Knoten 12, 13, 14 überprüfen können, ob
die empfangene grobe Zeitreferenz vom selben Satelliten kommt. Diese Überprüfung kann
auch im zentralen Knoten des terrestrischen Netzwerks durchgeführt werden,
wenn die terrestrischen Knoten 12, 13, 14 die
geeigneten Informationen an den zentralen Knoten melden. Die Erfassung
der groben Zeitreferenz ist eine Standard-GNSS-Prozedur, die üblicherweise eine Genauigkeit
von 10–4 Sekunden
hat.
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Die interne Uhr der terrestrischen
Knoten 12, 13, 14 wird auf diese grobe
Zeitreferenz eingestellt.
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Schritt 22 umfasst die Auswahl eines
gemeinsamen Synchronisations-Zeitpunktes für alle terrestrischen Knoten 12, 13, 14.
Dieser gemeinsame Synchronisationszeitpunkt wird vorzugsweise im zentralen
Knoten des terrestrischen Netzwerks berechnet und an die terrestrischen
Knoten 12, 13, 14 übertragen. Die Festlegung des
gemeinsamen Synchronisations-Zeitpunktes berücksichtigt das Zeitintervall
T-Intervall und das Vorhandensein eines Satelliten der Satelliten-Konstellation
in dem Winkel mit klarer Sicht auf den Himmel, den alle terrestrischen Knoten 12, 13, 14 gemeinsam
haben.
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Schritt 23 umfasst die Erfassung
der vordefinierten Sequenz Seq, die vom Satelliten 11 am gemeinsamen
Synchronisationszeitpunkt CSD gesendet wird, durch den GNSS-Empfänger-Teil
der terrestrischen Knoten 12, 13, 14.
Die vordefinierte Sequenz Seq ist ein eindeutiges Muster, das im
GNSS-Empfänger-Teil
bekannt ist. Dies kann der GNSS-Satelliten-Code
oder eine bekannte CDMA-Sequenz sein. Wegen der relativen Ungenauigkeit
der groben Zeitreferenz entspricht der gemeinsame Synchronisationszeitpunkt
CSD nicht exakt dem Beginn der vordefinierten Sequenz. Der terrestrische
Knoten muss die Zeitdifferenz Tdiff zwischen dem gemeinsamen Synchronisationszeitpunkt
und dem effektiven Empfang der vordefinierten Sequenz bestimmen.
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Schritt 24 besteht in der Einstellung
der internen Zeitreferenz unter Berücksichtigung der Zeitdifferenz
Tdiff. Die interne Zeiteinstellung umfasst die Addition oder Subtraktion
von Tdiff zur oder von der internen Zeitreferenz, abhängig davon,
ob die vordefinierte Sequenz Seq vor oder nach dem gemeinsamen Synchronisationszeitpunkt
empfangen wurde.
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Die Erfassung der vordefinierten
Sequenz ermöglicht
es, eine Synchronisationsgenauigkeit von besser als 10–6 Sekunden
zu erreichen.
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Für
eine weitere Verfeinerung der Synchronisationsgenauigkeit können die
terrestrischen Knoten 12, 13, 14 den
Sichtwinkel bestimmen, unter dem sie den Satelliten 11 am
gemeinsamen Synchronisationszeitpunkt sehen, und als Folge davon
die unterschiedlichen Laufzeiten der vordefinierten Sequenz Seq
zu den verschiedenen terrestrischen Knoten 12, 13, 14 berücksichtigen.
Die Bestimmung des Sichtwinkels, unter dem ein GNSS-Empfänger einen
Satelliten zu einem vordefinierten Zeitpunkt sieht, ist eine Standard-GNSS-Funktion,
die im GNSS-Empfänger-Teil
der terrestrischen Knoten 12, 13, 14 enthalten
sein muss.
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Zusammenfassend kann man sagen, dass angenommen
wird, dass die erste grobe Erfassung der Zeitreferenz genau genug
ist, um die terrestrischen Knoten 12, 13, 14 in
die Lage zu versetzen, dieselbe Version der vordefinierten Sequenz
Seq zu erfassen und nicht verschiedene, die T-Intervall Sekunden
später
oder vorher gesendet wurden, was zu einer fehlerhaften Synchronisation
in Schritt 23 und 24 führen
würde.
Dann wird die genaue Synchronisation erzielt, indem die Zeitreferenz
bei Erfassung der vordefinierten Sequenz Seq eingestellt wird.
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Aus Gründen der Einfachheit wird das
Synchronisationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung für
den vereinfachten Fall beschrieben, in dem drei terrestrische Knoten 12, 13, 14 zu
synchronisieren sind. Es wird einem Fachmann klar sein, dass die
vorliegende Ausführung
leicht auf jede beliebige Anzahl von terrestrischen Knoten angewendet werden
kann, vorausgesetzt sie liegen in einer Synchronisationszone, die
eine geeignete Größe hat. Geeignete
Größe bedeutet,
dass der feste Winkel mit klarer Sicht auf den Himmel, den die zu
synchronisierenden terrestrischen Knoten in der Synchronisationszone
gemeinsam haben, groß genug
sein muss, um sicherzustellen, dass ein zum GNSS-System gehörender Satellit
diesen festen Winkel oft genug einnimmt, um die Synchronisation
zu ermöglichen.
Typische Durchmesser für
Synchronisationszonen reichen von einem Durchmesser von 20 km in
ländlichen
Gegenden bis zu einem Durchmesser von unter 1 km in dicht besiedelten
Städten.
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Um ein größeres terrestrisches Netzwerk
zu synchronisieren, müssen
mehrere Synchronisationszonen im terrestrischen Netzwerk definiert
werden. Darüber
hinaus wird jede Synchronisationszone unabhängig von anderen Synchronisationszonen
synchronisiert, da nur eine Synchronisation im Umfang einer Synchronisationszone
bereitgestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführung des
Synchronisationsverfahrens gehört
mindestens eine terrestrische Station jeder Synchronisationszone
zu mindestens zwei Synchronisationszonen und unterhält so viele
Zeitreferenzen wie Synchronisationszonen, zu denen sie gehört. Dies
ermöglicht
es, die terrestrischen Knoten im Umfang des terrestrischen Netzwerks
zu synchronisieren. Vorzugsweise wird der Inhalt der Synchronisationszonen
im zentralen Knoten des terrestrischen Netzwerks unterhalten und gesteuert.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführung
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung. Für eine
hohe Synchronisationsgenauigkeit und eine geringe Synchronisationsverzögerung umfasst
jede Synchronisationszone zwei terrestrische Knoten, und jeder terrestrische
Knoten unterhält
zwei Zeitreferenzen. Diese Ausführung
ermöglicht
es, den größten festen
Winkel mit klarer Sicht auf den Himmel zu haben, da er nur von zwei
terrestrischen Stationen gemeinsam verwendet wird. Als Folge davon
wird die Synchronisationsverzögerung
reduziert, da ein Satellit der Konstellation den festen Winkel mit
klarer Sicht auf den Himmel, der von den beiden terrestrischen Knoten
gemeinsam verwendet wird, schneller einnimmt.
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Das terrestrischen Netzwerk ist vorzugsweise
ein zellulares Funkkommunikationsnetz, wobei die terrestrischen
Knoten zu synchronisierende Basisstationen des zellularen Netzwerks
sind und der zentrale Knoten zum Beispiel ein BSC ist, der in jeder Zelle
des Netzwerks zur Verfügung
steht.
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4 zeigt
ein System, in dem das Verfahren der vorliegenden Erfindung für Lokalisierungszwecke
verwendet werden kann, und zwar in einem Verfahren zur Bestimmung
der Position einer Mobilstation in einem Funkkommunikationsnetz.
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In dieser bevorzugten Ausführung sind
die zu synchronisierenden terrestrischen Knoten mindestens drei
Basisstationen und ein mobiles Endgerät eines zellularen Funkkommunikationsnetzes.
Das mobile Endgerät,
sowie die Basisstationen sind mit einem GNSS-Empfänger-Teil
ausgestattet.
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Wenn die drei Basisstationen und
die Mobilstation mit dem Synchronisationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung synchronisiert wurden, kann man eine geschätzte Position
des mobilen Endgerätes
mit einem üblichen
Triangulations-Verfahren erhalten, wie z. B. mit dem TOA-Verfahren
(Time of Arrival).
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Das TOA-Verfahren liefert gute Ergebnisse, wenn
die verschiedenen Knoten, d. h. die Basisstationen und das mobile
Endgerät
perfekt synchronisiert sind.
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Um genauere Ergebnisse der Lokalisierung zu
erzielen, ist es möglich,
die verschiedenen Schritte des Lokalisierungsverfahrens mehrmals
zu wiederholen. Für
jede Iteration wird die aktuelle Lokalisierung des mobilen Endgerätes genauer,
denn die Synchronisation der drei Basisstationen und der Mobilstation
wird auch genauer sein und die Lokalisierung des mobilen Endgerätes mit
dem TOA-Verfahren wird auch präziser.
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Der Iterationsprozess kann angehalten
werden, wenn ein vordefinierter Präzisionsgrad erreicht ist, oder
nach einer vordefinierten Zeitdauer, da sich das mobile Endgerät bewegen
kann, was die erzielte Genauigkeit begrenzt.
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Eine grob geschätzte Position der Mobilstation
wird im Synchronisationsverfahren verwendet. Diese grob geschätzte Position
des mobilen Endgerätes
kann man dank üblicher
Positioniermethoden erhalten, die einem Fachmann gut bekannt sind.
Alternativ kann die grobe Schätzung
auch aus den Positionen der drei umgebenden Basisstationen beliebig
hergeleitet werden. Üblicherweise
sind die Positionen der Basisstationen feste Parameter, die in einer zentralen
Einheit des terrestrischen Netzwerks bekannt sind. Alternativ kann
die grobe Schätzung
der Position der Mobilstation direkt als eine Systemfunktionalität des GNSS
erhalten werden.
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Um das oben beschriebene Lokalisierungsverfahren
noch weiter zu verfeinern, kann das System an ein GIS (Geographic
Information System) angeschlossen werden, das Informationen über die
Höhen von
geografischen Standorten in einem Bereich enthält. Kennt man grob die Position
eines mobilen Teilnehmers, kann man seine Höhe durch Abfrage des GIS erhalten.
Die Höhendifferenz
zwischen den drei Basisstationen und der Mobilstation wird berücksichtigt,
um die Differenz der Laufzeit zwischen dem Satelliten und den terrestrischen
Knoten zu berechnen. Dann ist die Synchronisation genauer und der mit
dem TOA-Verfahren erhaltene Standort der Mobilstation ist ebenfalls
genauer. In dieser Ausführung des
Verfahrens wird die Genauigkeit der Lokalisierung auch durch mehrere
Iterationen der verschiedenen Schritte erhöht.
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Abbildungen
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1a
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Fig.
1b
| 1)
T-int erval: | T-Intervall |
| 2)
RTR acquisition: | RTR-Erfassung |
| 3)
Set internal clock to 12:23:45 | Interne
Uhr auf 12:23:45 stellen |
| 4)
internal clock = internal clock + Tdiff | Interne
Uhr = Interne Uhr + Tdiff |
Fig.
2
| Step 21: | Schritt 21 |
| Step 22: | Schritt 22 |
| Step 23: | Schritt 23 |
| Step 24: | Schritt 24 |
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3
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4