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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Funkkommunikationsgerät und Verfahren.
Das Gerät
und Verfahren sind in Mobilkommunikationssystemen nützlich.
Dabei kann es sich um zellulare Funkkommunikationssysteme, wie z.
B. Systeme unter Verwendung von Protokollen basierend auf den TETRA-Standards, handeln.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Mobilstation und
ein Verfahren, die dazu betreibbar sind, den Standort der Mobilstation
innerhalb solch eines Kommunikationssystems zu messen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
Terrestrial Trunked Radio (TETRA) handelt es sich um einen neuen
Satz von Standards, durch das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen
(ETSI) für
Mehrzweckfunkkommunikationssysteme definiert, der in Europa einge führt worden
ist und weltweit von einer wachsenden Anzahl von Systembetreibern übernommen
wird. Solche Betreiber umfassen vor allem Einrichtungen für die öffentliche
Sicherheit, wie z. B. die Polizei, militärische Organisationen und wirtschaftliche
Unternehmen, die Kommunikationsdienste auf zellularen Systemen an Privatunternehmen
vermieten.
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Wie
andere zellulare Systeme weist ein TERTRA-basiertes System üblicherweise ein Netz an Basistransceiverstationen,
aufgestellt über
den Versorgungsbereich, und eine Mehrzahl von Teilnehmermobilstationen
auf. Die Teilnehmermobilstationen werden auch als Mobilfunkstationen
oder Teilnehmerstationen oder Funkgeräte bezeichnet. In dieser Spezifikation
umfasst der Ausdruck 'Mobilstation' ("MS") mobile und tragbare
Funkkommunikationseinheiten, Funktelefone und dergleichen. Wenn
sie eingeschaltet ist, weist eine Mobilstation zu jeder Zeit eine
Zweiwegekommunikationsverbindung mit einer Basisstation auf. Diese
Basisstation wird als die versorgende Station bezeichnet. Dabei
handelt es sich um die Station, durch welche Kommunikationen mit
anderen Einheiten, einschließlich
anderen Mobilstationen, die innerhalb des Systems arbeiten, führen. Zugleich überwacht
die Mobilstation auch etliche benachbarte Basisstationen auf Signalstärke. Das
kann die MS tun, um eine geordnete Liste von bevorzugten Kandidatenbasisstationen
zu führen,
die die versorgende Station werden sollen, wenn sich Bedingungen,
z. B. auf Grund eines Standortwechsels der Mobilstation, ändern. In
der Technik kennt man diese Änderung
als Übergabe
("Handoff" oder "Handover").
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Innerhalb
zellularer Kommunikationssysteme im Allgemeinen und TETRA-basierter
Systeme im Besonderen besteht eine Notwendigkeit dafür, dass
man gelegentlich im Stande ist, irgendeine bestimmte aktive Mobilstation
innerhalb des Einsatzbereichs des Systems zu orten (d. h. deren
aktuellen Standort zu bestimmen). Solch eine Notwendigkeit kann
sich zum Beispiel im Falle eines Notfalls ergeben. In vielen Ländern gibt
es staatliche Forderungen, den Standort des Anrufers bei jedem Anruf,
der zu Notdiensten getätigt
wird, zur Verfügung
zu stellen. Als ein weiteres Beispiel kann es zum Zwecke einer Bereitstellung
standortbezogener Information, wie z. B. über das Internet geliefert,
eine Notwendigkeit für
Standortdaten geben.
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Ein
nahe liegendes Verfahren, um eine Mobilstation mit Ortungsfähigkeit
auszustatten, ist es, einen Empfänger
eines satellitengestützten
globalen Positionssystems (GPS) ("Global Positioning System") in sie zu integrieren.
Die Kosten für
solch einen Empfänger
liegen allerdings relativ hoch. Er weist auch den erheblichen Nachteil
auf, dass er im Hause oder wenn er für die Satelliten auf andere
Weise verborgen ist, wie es innerhalb von Städten gewöhnlich der Fall ist, nicht
arbeitet.
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Zur
Ausführung
der Standortfunktion einer Mobilstation sind etliche grundsätzliche
Funkverfahren allgemein bekannt. Diese umfassen die so genannten
Ankunftszeit ("time
of arrival") (TOA)-,
Ankunftszeitunterschied ("time
difference of arrival") (TDOA)-,
Ankunftsrichtung ("direction
of arrival") (DOA)-
und Eingangswinkel ("angle
of arrival") (AOA)-Verfahrenstypen.
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Bei
TOA wird die Ankunftszeit eines bestimmten empfangenen Signals mit
derjenigen einer Standardzeitbasis verglichen, wobei der Unterschied die
Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger anzeigt. Dadurch, dass
die Entfernungen zwischen der Mobilstation und benachbarten Basissta tionen
auf diese Weise bestimmt werden, kann der Standort der Mobilstation
durch einfache Triangulation festgestellt werden.
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Auf
dem Stand der Technik hat es sich bei dem allgemeinen Systemansatz,
der unternommen worden ist, um einen Standort einer Mobilstation
zu messen, um einen infrastrukturbasierten Ansatz gehandelt, wobei
Signale, die zwischen Basisstationen und einer Mobilstation übertragen
werden, verwendet werden, um die relevanten Messungen auszuführen und
eine Berechnung des Standorts basierend auf den Messungsergebnissen
unter Verwendung systemfester Hardware, z. B. eines oder mehrerer der
Systembasistransceiver, ausgeführt
wird.
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Es
kann schwierig sein, ein Senden spezieller Signale von der Mobilstation,
wie es durch einen infrastrukturbasierten Ansatz erfordert wird,
innerhalb irgendwelcher vorgegebenen Übertragungsstandards zu implementieren.
Das gilt insbesondere, falls solche Signale von irgendeiner wesentlichen Dauer
sein sollen, was für
eine höhere
Genauigkeit einer Standortmessung erforderlich wäre. Darüber hinaus sind die Systemeinrichtungsänderungen,
die erforderlich sind, um solch ein System zu implementieren, auf
Grund der nötigen
Kooperation zwischen Stationen, die erfordert wird, relativ aufwendig
und deshalb relativ kostspielig.
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Die
EP-A-767,594 beschreibt ein Positionsbestimmungsverfahren, in dem
beobachtete Zeitunterschiedswerte eines Empfangs von Trainingssignalen
von unterschiedlichen Basisstationen in einer Mobilstation berechnet
werden. Die Mobilstation überträgt die berechneten
Unterschiedswerte allerdings zur weiteren Verarbeitung an eine Mobilkommunikationssysteminfrastruktur,
um den Standort der Mobilstation zu berechnen. Das Verfahren ist
insbesondere auf eine Ortung in einem GSM-Kommunikationssystem ausgerichtet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einem ersten Aspekt ein Betriebsverfahren in einem zellularen
Funkkommunikationssystem, welches gemäß einem TDMA-Protokoll (TDMA
= "time division multiple
access"/Zeitmultiplexzugriff)
arbeitet, zum Bereitstellen einer Kommunikation von Verkehrs- und Steuerdaten,
einschließlich
der folgenden Schritte, zur Verfügung
gestellt:
- a) Identifizieren, in einer Mobilstation,
die in dem System arbeitet, zumindest eines Signaltyps, welcher
gemessen werden kann und durch eine Mehrzahl von ausgewählten Basissendern,
einschließlich
eines versorgenden Basissenders und zumindest zwei anderen benachbarten
Basissendern, gesendet wird;
- b) Erlangen und Speichern, in der Mobilstation, eines Samples
der identifizierten Signale von den ausgewählten Basissendern;
- c) Erfassen, durch die Mobilstation, eines Auftretens des identifizierten
Signals in einem Signal, welches von dem versorgenden Basissender empfangen
wird, dann Korrelieren des Signals mit dem entsprechenden Sample,
welches in Schritt (b) gespeichert wurde, und Merken der Relativzeit der
Peak-Korrelation als eine entsprechende Ankunftszeit;
- d) Erfassen, durch die Mobilstation, eines Auftretens des identifizierten
Signals in jedem der Signale, die von den anderen ausgewählten benachbarten
Basissendern empfangen werden, dann Korrelieren des Signals in jedem
Fall mit dem entsprechenden Sample, welches in Schritt (b) gespeichert
wurde, und Merken der Relativzeit der Peak-Korrelation als eine
entsprechende Ankunftszeit; und
- e) Errechnen des Standorts der Mobilstation bezüglich der
ausgewählten
Basissender aus den Ankunftszeitwerten;
dadurch gekennzeichnet,
dass das identifizierte Signal, welches von jedem der Basissender
empfangen wurde und beim Merken der Ankunftszeitwerte verwendet
wurde, ein BNCH-Burst (BNCH = "Broadcast
Network Control Channel"/Rundsendenetzwerksteuerkanal)
ist, der Steuerdaten in einem Block eines vorgegebenen Zeitslots
des TETRA-TDMA-Protokolls
trägt,
und dass die Berechnung des Standorts von einer Mobilstation ausgeführt wird,
welche die Ankunftszeitwerte der ausgewählten BNCH-Bursts verwendet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einem zweiten Aspekt eine Mobilstation zur Verfügung gestellt,
welche dazu betreibbar ist, ihren eigenen Standort durch das Verfahren
gemäß dem ersten Aspekt
zu bestimmen, und welche folgendes umfasst:
einen Detektor
zum Detektieren des Empfangs eines Signals, welches von jedem der
zumindest drei Basissender gesendet wird, welche einen versorgenden Basissender
und zumindest zwei andere Basissender umfassen;
einen Speicher
zum Speichern eines Samples eines Signals, welches von jedem der
zumindest drei benachbarten Basissender gesendet wurde;
einen
Korrelierer, welcher an den Speicher und den Detektor gekoppelt
ist, um jedes detektierte Signal, welches durch den Detektor detektiert
wurde, mit einem entsprechenden der entsprechenden gespeicherten
Samples zu korrelieren, die von dem Speicher gespeichert werden,
und um sich eine Relativzeit der Peak-Korrelation für jedes
Signal als eine entsprechende Ankunftszeit zu merken; und
einen
Prozessor, der an dem Korrelierer gekoppelt ist, um die Zeitsteuerung
und/oder TDOA-Werte von Ergebnispaaren der Zeitkorrelierung zu berechnen und
um den Standort der Mobilstation aus zumindest zwei Paaren von TDOA-Werten
zu berechnen;
dadurch gekennzeichnet, dass das Signal, welches beim
Betrieb von jedem der Basissender empfangen wird und bei dem Merken
der Ankunftszeitwerte verwendet wird, ein BNCH-Burst ist, der Steuerdaten in einem
Block eines vorgegebenen Zeitslots des TETRA-TDMA-Protokolls trägt, und
dass die Berechnung des Standorts von der Mobilstation unter Verwendung
der Ankunftszeitwerte des ausgewählten BNCH-Bursts
ausgeführt
wird.
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Ein
bekanntes und wiederholbares Signal, welches für eine TDOA-Korrelationsmessung
dienen könnte,
ist zum Beispiel die Synchronisationssequenz ("Sync"),
die periodisch durch alle Basistransceiverstationen übertragen
wird. Allerdings weist das einen erheblichen Nachteil auf: die durch
alle Stationen gesendeten Sync-Signale sind identisch. Gruppen von
ihnen, topographisch verschachtelt, werden auf identischen Trägerfrequenzkanälen gesendet und
sind darüber
hinaus nicht durch Scrambling Codes ("scrambling"/Verwürfelung) differenziert. Deshalb
kann eine Mobilstation zusätzlich
zu dem Sync-Signal, das sie von jeder der benachbarten Stationen,
mit denen sie zu diesem Zweck kommuniziert, empfängt, etliche solcher entfernt übertragenen
Signale, jedes mit unterschiedlicher Verzögerung, empfangen, was ein
zusammengesetztes Signal ergibt, dessen Zeitsteuerung ein gewichtetes
Mittel ist. Zwar beeinträchtigt solch
Mehrfachsignalempfang normalerweise die Decodierung von Nachrichtensignalen nicht,
doch beeinträchtigt
er wahrscheinlich ernsthaft die Zeitsteuerungsgenauigkeit der Korrelationsoperation,
die zur Lokalisierung erforderlich ist. Folglich sollte vorzugsweise
ein anderes, weniger gebräuchliches,
Signal für
die erforderlichen Korrelationsoperationen dienen.
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Ein
Verfahren und eine Mobilstation gemäß der Erfindung sind solcherart,
dass die Mobilstation für
Signale von jedem von zwei oder mehr Paaren der Basissender dazu
betreibbar ist, den Unterschied zwischen den zwei entsprechenden
Ankunftszeiten zu berechnen und davon den Unterschied zwischen den
entsprechenden nominalen Zeiten eines Auftretens der entsprechenden
messbaren Signale zu subtrahieren, wobei jedes Paar einen entsprechenden Ankunftszeitunterschiedswert
(TDOA) ergibt und wobei der Standort aus den TDOA-Werten berechnet wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Mobilstation und ein Verfahren
zur Verwendung in einem zellularen Kommunikationssystem zur Verfügung, um
die Mobilstation bezüglich
benachbarter Basisstationen, z. B. Basissender oder Transceiver,
unter Verwendung eines mobilstationsbasierten Ansatzes und Ankunftszeit-
oder Ankunftszeitunterschied (TDOA)-Verfahren zu orten, was weder
das Senden spezieller Signale zu dem Zweck noch irgendeine Kommunikation
zwischen Basisstationen erfordert, sondern sich vollständig auf
Signale stützt,
die normalerweise durch die Basisstationen übertragen werden. Die Mobilstation
und das Verfahren können zweckmäßigerweise
ohne erforderliche Modifikation an fester Infrastrukturhardware
oder an Systemsignalisierungsprotokollen, die bereits im Einsatz
sind, implementiert werden, wodurch die erheblichen Kosten und Aufwand,
die mit solcher Modifikation verbunden sind, umgangen werden.
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Folglich
ist die vorliegende Erfindung dazu geeignet, eine Standortmessung
einer Mobilstation in einem digitalen Funkkommunikationssystem gemäß den TETRA-Standard-Prozeduren zur Verfügung zu stellen.
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind, dass die Standortergebnisse
höchst
genau sein können
und erhalten werden können,
ohne dass sie durch Signale von anderen Basisstationen (die keine Signale
für die
Messungen zur Verfügung
stellen) beeinflusst sind. Die Dauer des Standortprozesses kann
rasch, zum Beispiel in einer Zeit, die vier Sekunden nicht überschreitet,
ausgeführt
werden.
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Eine
Messung von TDOA von zwei Basisstationen wie in der bevorzugten
Form der Erfindung erfordert gewöhnlich,
dass bekannte Datensegmente in den Signalen beider Basisstationen
vorhanden sind, und umfasst ein Korrelieren des von jeder der zwei
Basisstationen empfangenen Signals mit dessen gespeicherter Version
und ein Messen der Relativzeitrelation zwischen den zwei Korrelationsmaxima.
Das Wesen der Erfindung ist es, bestimmte gewöhnlich durch die Basisstationen übertragene
detektierbare Signalsegmente, die entweder vollständig bekannt
sind oder wahrscheinlich wiederholt werden, sich aber dennoch zwischen
allen Basisstationen unterscheiden, um sich nicht gegenseitig zu
beeinträchtigen,
als geeignete Objekte einer TDOA-Messung zu identifizieren. Im Zusammenhang
mit TETRA umfassen solche Signalsegmente in erster Linie Bursts, die
Steuerdaten des Broadcast Network-Typs von Steuerkanal tragen, die
als BNCH-Signale zu bezeichnen sind. Üblicherweise werden diese Signale gemäß einem
Schema, das für
jede Basisstation einzigartig ist, gescrambelt.
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Eine
Prozedur zur Verwendung in einer Mobilstation zur Durchführung einer
TDOA-Messung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst:
- (1) Erfassen
eines von spezifizierten Bursts in dem Signal, das von jeder der
drei am stärksten empfangenen
Basisstationen empfangen wird, und Errichten eines entsprechenden
digitalen abgestimmten Filters für
jeden solchen Burst;
- (2) Auftasten ("gating") des nächsten Auftretens des
entsprechenden Bursts in dem von der versorgenden Basisstation empfangenen
Signal, es durch den entsprechenden abgestimmten Filter führen und
sich die Zeit der maximalen Korrelation merken;
- (3) Schalten eines Empfangs zu der zweiten Basisstation und
Ausführen
eines Prozesses ähnlich demjenigen
von Schritt (2) auf dem entsprechenden Burst;
- (4) Wiederholen von Schritt (3) für die dritte Basisstation;
- (5) Bestimmen der Zeitsteuerungsunterschiede zwischen dem Signal,
empfangen von der versorgenden Station und denjenigen von den anderen zwei
Stationen, wobei ihre inhärenten
nominellen Verzögerungen
berücksichtigt
werden und daraus die Entfernungen der Mobilstation von ihnen berechnen.
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Das
zellulare Kommunikationssystem, in dem die Mobilstation gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung angewendet wird, kann ein mobiles oder tragbares
Funkgerät
(PMR) zur Verwendung in einem TETRA-System sein.
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Die
Standortergebnisse, die durch die Mobilstation gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung erlangt werden, können bis zu einer Aktualisierung
in einem Speicher innerhalb der Station gespeichert werden. Die
Ergebnisse (die periodisch aktualisiert werden können) können zur Erfassung durch Funkkommunikation
an eine zugehörige
Systemeinheit, z. B. einen versorgenden Basistransceiver oder eine Systemdatenbank, übertragen
werden. Alternativ oder zusätzlich
können
die Ergebnisse (die periodisch aktualisiert werden können) durch
Funk oder andere Kommunikationsverbindung an eine Bestimmung außerhalb
des Systems, z. B. eine Polizeileitzentrale, wo die Standortinformation
für die
Polizei von Interesse ist und von ihr benötigt wird, übertragen werden. Alternativ
oder zusätzlich
können
die Ergebnisse (die periodisch aktualisiert werden können) auf
einer Anzeigevorrichtung, die zu der Mobilstation zugehörig ist,
z. B. Teil der Mobilstation, angezeigt werden. Die Ergebnisse können konstant,
von Zeit zu Zeit oder auf Anforderung eines Benutzers, z. B. durch
Auswahl einer entsprechenden Taste oder Hard- oder Softkeys, die
für diesen
Zweck zur Verfügung
gestellt sind, angezeigt werden. Die Ergebnisse können in
irgendeinem geeigneten Format, z. B. als Zahlen, die Standortkoordinaten
repräsentieren,
z. B. kartesische Koordinaten oder Polarkoordinaten und/oder als
ein graphisches Kartenbild, wobei der erfasste Standort auf der
Karte angezeigt wird, angegeben werden.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun als Beispiel mit Bezug auf
die Begleitzeichnungen beschrieben, in denen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 eine
schematische Darstellung des in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendeten TDOA-Standortverfahrens ist;
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2 ein
schematisches Diagramm zeitlicher Signalstruktur gemäß den TETRA-Standards ist;
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3 ein schematisches Diagramm der detaillierten
Struktur bestimmter Burstsignale innerhalb eines Slots der Struktur
von 2 ist;
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4 ein
schematisches Diagramm des Schemas einer Zuordnung von Broadcaststeuersignalen
innerhalb des achtzehnten Rahmens des Multirahmens von 2 ist;
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5 ein
schematisches Diagramm der Zeitspannen innerhalb irgendeines TETRA-Rahmens,
worüber
messbare Signale auftreten, gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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6 ein
schematisches Diagramm der Zeitspannen innerhalb eines achtzehnten
Rahmens in dem TETRA-Protokoll, worüber messbare Signale auftreten,
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der
Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun mit Bezug auf ein bestimmtes zellulares Kommunikationssystem
unter Verwendung der TETRA-Standards beschrieben. Die TETRA-Standards werden von
dem Europäischen
Institut für
Telekommunikationsnormen herausgegeben und sind einem ordentlichen
Fachmann in der entsprechenden Technik bekannt, auch wenn diejenigen
ihrer Aspekte, die für
ein Verständnis
der Erfindung nützlich
sind, unten dargelegt werden.
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1 stellt
eine Mobilstation dar, die sich mit drei angrenzenden Basistransceiverstationen
in Funkkontakt befindet. Es ist plausibel anzunehmen, dass sich
die Position der Mobilstation innerhalb eines Dreiecks befindet,
das durch diejenigen drei Stationen als Ecken gebildet wird, auch
wenn ebenfalls eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie sich in
einer gewissen Entfernung außerhalb
dieses Dreiecks befindet. Die Aufgabe, die die vorliegende Erfindung ausführen hilft,
ist es, die Mobilstation (unten auch als der "Teilnehmer" bezeichnet) innerhalb des Dreiecks genauer
zu lokalisieren. In den meisten praktischen Fällen bedeutet das, die Station
bis auf innerhalb ungefähr
100 Meter ihrer wirklichen Position zu orten, obschon es die Erfindung
ermöglicht,
dass eine höhere
Genauigkeit erzielt wird.
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2 stellt
an verschiedenen Zeitskalen die Rahmenstruktur eines Signals, das
durch eine Basisstation gemäß dem TETRA-Standard übertragen wird,
schematisch dar. Dieser Standard schreibt unter anderem im Wesentlichen
vor, dass das Signal zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation
in jedem Frequenzband auf eine TDMA-Art und Weise unter – gewöhnlich vier – physikalischen
Kanälen
zu multiplexen ist. Die Grundeinheit ist ein Zeitslot 12, dessen
Dauer diejenige von 510 Modulationsbits ist, und der gewöhnlich einen
physikalischen Kanal bildet. Eine Gruppe von vier aufeinander folgenden Zeitslots
bildet einen Rahmen 14 und eine Gruppe von 18 aufeinander
folgenden Rahmen bildet einen Multirahmen 16. Jeder Slot
trägt ein
oder mehrere logische Kanäle.
Das Signal, das während
eines Zeitslots über tragen
wird, wird als ein Burst bezeichnet. Es besteht aus einer Sequenz
von 510 Bits 10, die entsprechend eine Sequenz von 255 "Symbolen' – zwei aufeinander folgende
Bits auf ein Symbol – modulieren.
Ein Slot wird auch konzeptionell in zwei gleiche Hälften, 255
Bits lang, geteilt, die Subslots 13 genannt werden.
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In
TETRA gibt es sinngemäß zwei Hauptkategorien
von Kanälen:
Verkehrskanäle
(TCH), die die Daten der Teilnehmer tragen, die Sprach- oder andere
Daten, die zwischen ihnen zu kommunizieren sind, repräsentieren
können,
und Steuerkanäle
(CCH), die interne Daten zum Steuern des Systembetriebs enthalten.
Steuerkanäle
werden in fünf
Kategorien klassifiziert, von denen sich eine, der Broadcast Control Channel
(Rundsendesteuerkanal) (BCCH), an alle Mobilstationen richtet – und allgemeine
Steuerinformation, die allerdings zwischen bestimmten Zellen variieren
kann, an sie rundsendet. Es gibt zwei Typen von BCCH: den Broadcast
Network Channel (Rundsendenetzwerkanal) (BNCH), der System- und Zellidentifikation,
einige betriebliche Parameter und Information über die benachbarten Zellen
trägt,
und den Broadcast Synchronisation Channel (Rundsendesynchronisationskanal)
(BSCH), der Anfangssynchronisationsdaten und einige andere betriebliche Parameter
trägt.
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Broadcast
Control Channels werden physikalisch durch Downlinkburstsignale
("downlink"/Abwärtsstrecke)
getragen, bei denen es sich um zwei Typen, nämlich "Normal" und "Synchronisation" handeln kann. Die Struktur eines normalen
Burstsignals wird in Hinblick auf einen Zeitslot 12 in 3A dargestellt.
Man sieht, dass sie primär
aus zwei separaten Information tragenden Blöcken – Block 1 und Block 2 bezeichnet,
jeder 216 Bits lang, – besteht,
die ihren ent sprechenden Subslots zugeordnet sind und durch Gruppen
von Bits für
zusätzliche
Betriebsmittel flankiert werden. Die letzteren Gruppen weisen feste Muster
auf, die darüber
hinaus allen Stationen gemein sind und vor allem dazu dienen, die
Empfangs- und Demodulationsprozesse zu synchronisieren; insbesondere
dienen Trainingssequenzen zur Symbolsynchronisation. Die zwei Blöcke, die
variable Information enthalten, dienen gewöhnlich dazu, die logischen
Verkehrskanäle
und bestimmte Steuerkanäle zu
tragen. Im Gegensatz zu den zusätzlichen
Gruppen von Bits sind die Bits in jedem Informationsblock gescrambelt:
das heißt,
sie werden mit einer bekannten Sequenz, die spezifisch für jede Basisstation
ist, multipliziert (XOR'd).
Das Scrambling hilft dabei, Nebensprechen zwischen identischen Kanälen in Zellen,
die dieselben Frequenzen teilen (auch wenn die Zellen voneinander
beabstandet sind) zu eliminieren.
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Man
erkennt, dass die Struktur eines Synchronisationsburstsignals, in 3B in
Bezug zu einem Zeitslot 12 dargestellt, derjenigen eines
normalen Signals allgemein ähnlich
ist. Allerdings gibt es Unterschiede in der ersten Hälfte, wo
Block 1 wesentlich kürzer
ist. Erneut sind die Bits jedes Blocks hier gescrambelt; allerdings
erfolgt das Scrambling gemäß einem üblichen
(Standard) Muster und nicht einmalig für jede Station.
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Jeder
Block eines normalen Bursts kann einen separaten Kanal tragen oder
beide Blöcke
zusammen tragen einen Kanal, wie es zum Beispiel gewöhnlich für einen
Verkehrskanal, der Sprachübertragung
trägt,
der Fall ist. Ein Broadcast Control Channel (BCCH) wird allerdings
immer durch einen einzelnen Block getragen. Die Zuordnung bestimmter
Vorkommen von BOCH zu jedem Block in den verschiedenen Burstypen, oder
sogar zu verschiedenen Slots entlang einem Multirahmen, wird durch
den TETRA-Standard spezifiziert. Von den zwei BCCH-Typen wird der
Broadcast Synchronisation Channel (BSCH) immer durch die erste Hälfte eines Synchronisationsbursts
getragen. Hingegen wird der Broadcast Network Channel (BNCH) immer
durch die zweite Hälfte
entweder eines Synchronisationsbursts oder eines normalen Bursts
getragen. Das letztere kann zum Beispiel auftreten, wann immer es
freie Kanalkapazität
gibt (d. h. der bestimmte Zeitslot nicht für Verkehrsdienst oder Steuerung
benötigt
wird).
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Gemäß dem TETRA-Standard
wird ein bestimmter Träger
per Station als der Hauptträger
bezeichnet und Zeitslot 1 auf dem Hauptträger wird ausschließlich für Steuerkanäle dediziert.
Das ist wie zum Beispiel in 5 für zwei aufeinander
folgende Rahmen (für
drei Basisstationen) durch das Symbol MCCH 22 bezeichnet.
Alle anderen physikalischen Kanäle
sind in erster Linie den verschiedenen Verkehrskanälen zugeordnet.
Wenn die Anzahl an aktiven Verkehrskanälen der Anzahl solcher physikalischen
Kanäle
entspricht, gilt das System als "ausgelastet" und keine weiteren
Verkehrskanäle
können akzeptiert
werden. Falls allerdings die Anzahl aktiver Verkehrskanäle zu irgendeiner
Zeit kleiner ist als die Anzahl an physikalischen Kanälen (eine
geläufige
Situation), gibt es einige so genannte unbesetzte physikalische
Kanäle.
Die letzteren werden dann dazu veranlasst, einige Nullsignale, bei
denen es sich um Bits mit konstantem Wert handelt, zu tragen. Darüber hinaus
ist Rahmen Nummer 18 (2) jedes
Multirahmens 16 auf jedem Träger vollständig für Steuerkanäle (CCHs) dediziert. Die Zuordnung
bestimmter Typen von CCH zu jedem Block jedes Slots des Rahmens 18 wird
in der Tabelle von 4 dargestellt und man er kennt,
dass sie über
einen Zyklus von vier Multirahmen, als ein Superrahmen bezeichnet,
variiert. Für
Lokalisierungsmessungen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nur ein CCH-Typ,
nämlich
der Broadcast Network Channel (BNCH), von Interesse. Und zwar deswegen,
weil er einerseits ziemlich konstant ist und deshalb für nachfolgende
Detektion und Messung gespeichert werden kann. Andererseits unterliegt
er dem Scramblingschema, das für
jede Basisstation spezifisch ist, und kann somit ohne Interferenz
von einem ähnlichen
Signal von einer anderen Basisstation durch eine Mobilstation eindeutig
erfasst werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Orten einer Mobilstation durch eine Berechnung
innerhalb der Mobilstation, die auf Signalen ausgeführt wird,
die von zumindest drei Basisstationen empfangen werden, unter Verwendung
von Ankunftszeitunterschiedsverfahren (TDOA), wie in 1 dargestellt wird,
durchgeführt.
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Gewöhnlich ist
ein gleichzeitiger Empfang von mehreren Basisstationen möglich, was
auf die Tatsache zurückzuführen ist,
dass sich in einem zellularen Netz Versorgungsbereiche angrenzender
Basisstationen gegenseitig überlappen.
Der Zeitunterschied wird als das Intervall δ zwischen den Empfangszeiten ähnlicher
Signale von zwei Basisstationen genommen; δ = t1 – t2. Wenn die Mobilstation 2 einen
bestimmten Wert δ zwischen
zwei Basisstationen 4 beobachtet, befindet sich ihr möglicher
Standort entlang einer Hyperbel 6 mit Fokussen an den Standorten
der zwei Basisstationen. Der Unterschied zwischen ihren Fokaldistanzen
entspricht cδ,
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Es werden zumindest zwei solcher
Hyperbeln benötigt,
so dass ihr Schnittpunkt als die Standortschätzung genommen werden kann,
wie in 1 dargestellt wird. Die Schätzungsgenauigkeit kann erhöht werden,
indem δ für weitere Paare
von Basisstationen gemessen wird und die Standorte, die von dem
Schnittpunkt jedes Paares von Hyperbeln erhalten werden, gemittelt
werden. TETRA verwendet Mobile Assisted Handoff, wodurch benachbarte
Basisstationen in irgendeiner Präferenzordnung
aufgeführt
werden. Auf diese Weise können
die zur Standortmessung zu verwendenden Stationen, wie oben umrissen
wird, aus der zum Handoff verwendeten geordneten Liste ausgewählt werden.
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Wie
in der Zusammenfassung oben erwähnt wird,
erfordert eine Ankunftszeitunterschiedmessung von zwei Basisstationen
gewöhnlich
eine Präsenz bekannter
Datensymbole in den Signalen von beiden Basisstationen und umfasst
ein Korrelieren des von jeder der zwei Basisstationen empfangenen
Signals mit dessen gespeicherter Version und ein Messen der Relativzeitrelation
zwischen den zwei Korrelationsmaxima. Die gespeicherte Version jedes
Signals wird aus einem anfänglichen
Sampling erlangt und wird vorzugsweise als ein entsprechender digitaler zeitdomainangepasster
Filter realisiert. Der Korrelationsprozess besteht dann aus einem
Führen
eines empfangenen Signals durch den Filter und einem Erfassen der
Relativzeitsteuerung eines maximalen Ausgangs, wie in der Technik
wohlbekannt ist. Da somit jedes Signal mit einer identischen Kopie
von sich selbst korreliert wird, kann der Prozess als Autokorrelation
bezeichnet werden.
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Die
erforderliche Präzision
einer Zeitunterschiedsmessung kann aus der erforderlichen Genauigkeit
des Mobilstationsstandorts abgeleitet werden, indem die letztere
durch die Lichtgeschwindigkeit geteilt wird. Falls somit zum Bei spiel
die gewünschte Standortgenauigkeit
100 Meter beträgt,
sollte die Präzision
des Zeitunterschieds 100/c = 0,33 Mikrosekunden betragen. Es wird
angemerkt, dass das ungefähr
100 mal kürzer
ist als die nominelle Dauer eines Bits in dem TETRA-Schema. Um eine
solche Präzision
zu erzielen, sollte das zu korrelierende Signal so lang wie möglich und
rausch- und störungsfrei
sein. Trainingsequenzen, die bei TETRA in jedem übertragenen Burst vorhanden
sind, sind zu diesem Zweck aus zwei Gründen ausgeschlossen:
- (a) sie sind relativ kurz (üblicherweise 22 Bits);
- (b) sie sind in allen Kanälen,
selbst denjenigen Kanälen
auf Gleichkanalfrequenzen, identisch und darüber hinaus ungescrambelt. Deshalb
können
Signale von entfernten Basisstationen sich selbst an das Signal
von Interesse anfügen,
wobei auf diese Weise ihre scheinbare Durchschnittszeitsteuerung
verschoben wird.
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Demgegenüber beträgt die Länge eines
Informationsblocks in einer normalen Sequenz 216 Bits, was für die erwünschte Messungspräzision ausreichend
sein sollte. Offensichtlich sind Signale in diesen Blöcken, die
dem Verkehrskanal dienen, nicht geeignet, da sie gewöhnlich mit
Zeit variieren und somit nicht zur Autokorrelation verwendet werden
können.
Hingegen sind Signale, die einen Steuerkanal tragen, vorhersehbarer,
wobei folglich eine Autokorrelation ermöglicht wird. Von diesen wiederum
sind BSCH-Signale ungeeignet, da sie nicht individuell gescrambelt
sind. Sie können
folglich Störungen
von Gleichfrequenzkanälen
in entfernten Basisstationen verursachen, die denjenigen der Trainingssequenzen,
die oben erörtert
werden, ähnlich
sind.
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Bursts,
die den BNCH-Kanal tragen sind hingegen sehr für den Zweck einer TDOA-Messung
geeignet, da, wie oben bereits erwähnt wird:
- (a)
sie für
jegliche Basisstation ziemlich konstant sind, d. h. viele Male wiederholt,
bevor sich Systembedingungen ändern,
und sie deshalb zur Autokorrelation geeignet sind; und
- (b) diese Signale einem Scrambling unterliegen, welches für jede Basisstation
einmalig ist, und somit ähnliche
Signale, die auf einer Co- bzw. Gleichfrequenz von einer entfernten
Basisstation empfangen werden können,
nicht korreliert werden und folglich die Genauigkeit der Messung nicht
beeinflussen.
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Es
wird angemerkt, dass es auch möglich
ist, einen speziellen logischen Kanal, mit irgendeinem konstanten
Inhalt, der durch geeignete Blöcke
von Bursts getragen würde,
für TDOA-Messungen
zu definieren. Solch ein neuer Typ eines Kanals gehört allerdings
nicht zum Standard und würde
folglich ein Ändern
von Einstellungen in allen bereits eingesetzten oder von verschiedenen
Herstellern hergestellten Funkgeräten erforderlich machen. Somit
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise nur die Signale, die den BNCH-Kanal tragen,
für den Zweck
einer Standortbestimmung verwendet.
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Wie
oben dargelegt wird, wird ein BNCH-Signal durch einen einzelnen
Block eines Bursts getragen (d. h. innerhalb eines Subslots). Dabei
kann es sich um den zweiten Block eines normalen Bursts (3A)
oder eines Synchronisationsbursts (3B) handeln,
wobei in dem letzteren Fall der erste Block einen BSCH (Sync)-Kanal
trägt.
wenn das System nicht ausgelastet ist, können Slots mit beiden Bursttypen
frei sein, um zusätzliche
Beispiele eines BNCH-Signals
zu tragen. Wenn das System ausgelastet ist, können nur bestimmte Slots in
Rahmen 18 jedes Multirahmenzyklusses, mit normalen Bursts,
BNCH-Signale (in dem zweiten Block) tragen, wie in 4 dargestellt
wird.
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Eine
Verwendung solcher Signale für
den Zweck von TDOA-Messungen wird nun durch Beispiele und mit der
Hilfe von 4–6 ausführlicher
beschrieben – und
zwar für
jede der zwei Situationen, die in dem System vorkommen können, nämlich:
- (a) die versorgende Station ist nicht ausgelastet, d.
h. etliche Slots sind nicht zugeordnet; und
- (b) die versorgende Station ist ausgelastet, d. h. alle physikalischen
Kanäle,
die gewöhnlich
für Verkehr
verfügbar
sind (die Slots 2–4
auf dem Hauptträger
und alle Slots auf den anderen Trägern umfassen), sind Verkehrskanälen zugeordnet.
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Im
Allgemeinen ist die grundlegende Prozedur wie folgt
- 1) Ein BNCH-Signal von der gegenwärtig aktiven Basisstation wird
empfangen, erfasst, digitalisiert und als die Gewichtungen eines
digitalen angepassten Filters gespeichert.
- 2) Eine Liste benachbarter Basisstationen wird erlangt (vorzugsweise
die Handoffliste von der versorgenden Basisstation) und zwei von
ihnen (oder eventuell mehr, falls eine größere Standortgenauigkeit gewünscht wird)
werden ausgewählt;
für jede
von ihnen schaltet die Mobilstation vorübergehend auf die entsprechende
Steuerkanalfrequenz und Schritt 1 wird wiederholt, was zu entsprechenden
angepassten Filtern führt.
- 3) Digitalisierte Signale, die anschließend von der aktuellen versorgenden
Basisstation empfangen werden, werden durch den entsprechenden angepassten
Filter geführt,
um ein kontinuierliches Korrelationssignal zu erlangen.
- 4) Das Korrelationssignal wird während Spannen, bei denen eine
Wiederholung des gespeicherten Signals erwartet wird, zeitgegatet
("time-gated") wie auch oberhalb
irgendeiner Schwelle amplitudengegatet ("amplitude-gated"), um die Präsenz eines messbaren Signals
zu detektieren.
- 5) Die Zeitsteuerung des Peaks des Korrelationssignals wird
sich mit Bezug auf die (synchrone) Rahmenstruktur gemerkt.
- 6) Die Mobilstation schaltet vorübergehend zu der Steuerträgerfrequenz
der ersten benachbarten Basisstation und die Schritte 3–5 werden
wiederholt.
- 7) Schritt 6 wird für
die zweite benachbarte Basisstation (und eventuell für weitere,
falls eine größere Standortgenauigkeit
gewünscht
wird) wiederholt.
- 8) Die gemerkten Zeiten werden zwei zu einer Zeit verglichen
und die Entfernungen von den Basisstationen werden wie oben erläutert aus
den erlangten Zeitunterschiedswerten berechnet.
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Schritt
1 wird vorzugsweise unmittelbar nach Herstellen einer Kommunikation
mit der aktuellen versorgenden Basisstation (nach Rufinitiierung
oder Handoff) ausgeführt,
da das BNCH-Signal dann sowieso als Teil des Prozesses empfangen
wird. In diesem Stadium wird auch die Liste benachbarter Stationen,
wie sie für
den Schritt 2 benötigt
wird, automatisch erlangt. Schritt 2 wird vorzugsweise zu irgendeiner
günstigen
Zeit vor Initiierung des Standortbestimmungsprozesses (Schritt 3
und weiter) ausgeführt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird in einem Fall (a) festgesetzt, dass der aktuelle
BNCH-Kanal in einigen
oder all den unbenutzten Slots getragen werden kann. Eine typische Situation
wird in 5 als ein Beispiel dargestellt. 5 stellt
die vier Zeitslots jedes von zwei typischen aufeinander folgenden
Rahmen, k und k + 1, auf dem Haupt (Steuer)-Träger der versorgenden Basisstation
und von zwei benachbarten Basisstationen (#2 und #1 bezeichnet,
in derjenigen vertikalen Ordnung) dar. In diesem bestimmten Beispiel
zeigt sich ein BNCH-Signal in der zweiten Hälfte von:
- – Slots
1 und 3 von Rahmen k der versorgenden Station,
- – Slot
3 von Rahmen k der benachbarten Station #1 und
- – Slot
4 von Rahmen k + 1 der benachbarten Station #2. Falls in dem Moment
des Beispiels von 5 eine Standortmessung erfordert
wird, dann verfährt
die Mobilstation, die von der versorgenden Basisstation Signale
empfängt,
mit den Schritten 3–5
oben, wobei die BNCH-Daten 22 in Slot 1 von Rahmen k eingegatet
werden. Sie führt dann
die Schritte 6 und 7 aus, wobei der Reihe nach jeweils Signale von
der ersten benachbarten Basisstation und der zweiten benachbarten
Basisstation empfangen werden und die BNCH-Daten entsprechend in
Slot 3 von Rahmen k 24 und Slot 4 von Rahmen k + 1 25 eingegatet
werden.
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Es
wird angemerkt, dass zum Schalten von der versorgenden Basisstation
zu der ersten benachbarten Station eine Dauer von mehr als einem
ganzen Slot verfügbar
ist.
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Falls
allerdings das BNCH-Signal der benachbarten Station #1 in Slot 2
(anstelle von 3 wie dargestellt) aufgetreten wäre, hätte die benötigte Schaltzeit ungefähr die Dauer
eines halben Slots betragen (was ungefähr 7 Millisekunden sind). Die meisten
Funkgeräte
sind im Stande, bei der Geschwindigkeit zu schalten; falls allerdings
eine bestimmte Mobilstation nicht so schnell schalten kann, hat
sie eine von zwei Alternativen, um das Signal von der zweiten benachbarten
Station zu verarbeiten: (a) nur einen Teil jedes BNCH-Signalblocks
für die
Korrelation zu verwenden; (b) auf die nächste Gelegenheit, um das Signal
von derjenigen benachbarten Station zu empfangen, zu warten.
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Es
wird auch angemerkt, dass in dem Beispiel von 5,
falls nur das zweite BNCH-Signal von der versorgenden Station 23 (in
Slot 3 auftretend) zur Korrelation erfasst würde, die Mobilstation ein Signal 24,
das gleichzeitig durch benachbarte #1 gesendet wird, nicht empfangen
könnte
und auf ein weiteres späteres
Auftreten solch eines Signals warten müsste.
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Nachdem
somit alle drei Relativzeiten empfangen und gemessen wurden, wird
Schritt 8 ausgeführt,
um die Standortberechnung abzuschließen.
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Der
Steuer (d. h. Haupt)-Träger
ist der für
die obige Prozedur bevorzugte, weil dies gemäß bevorzugten Systemprozeduren
derjenige ist, dessen verfügbare
(drei) Zeitslots gewöhnlich
die letzten sind, die Verkehrskanälen durch das System zugeordnet werden,
und deshalb diejenigen sind, die am wahrscheinlichsten leer und
somit Rundsendesteuerkanälen
zuordenbar sind, wenn das System nicht ausgelastet ist.
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Zeitsteuerung
und Standortmessung in einem Fall (b) basiert auf dem besonderen
Merkmal in dem TETRA-Standard, dass jeder achtzehnte Rahmen auf
allen Trägerfrequenzen
vollständig
für Steuersignale
dediziert ist. In der Tat basiert sie insbesondere auf der Tatsache,
dass ein BNCH- Signal
einmal in einem Zyklus von vier Multirahmen, d. h. einmal alle 72
Rahmen, durch den zweiten Block jedes Slots desjenigen Rahmens getragen
wird. Das ist, wie es in der Tabelle von 4 erscheint
und oben erläutert wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden messbare BNCH-Signale erfasst und von der versorgenden
Station und den benachbarten Stationen während irgendeines Rahmens 18 in
der Folge, in der sie in dem Multirahmenzyklus auftreten, zur Korrelation
empfangen. Zum Beispiel wird zuerst das Signal 26 in Slot
4 (während des
ersten Multirahmens) von der versorgenden Station empfangen, um
die Schritte 3–5
der oben beschriebenen Prozedur auszuführen. Dann wird ein Signal 27 in
Slot 3 (während
des zweiten Multirahmens) von benachbarter Station #1 empfangen,
um den Schritt 6 auszuführen.
Diese bestimmte Situation wird darüber hinaus in dem Rahmen-18-Zeitsteuerungsdiagramm
von 6 dargestellt, wobei das messbare Signal 27 als
gleichzeitig mit ähnlichen
Signalen von den anderen Stationen auftretend dargestellt wird.
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Anschließend wird
Schritt 7 auf einem messbaren Signal 28 in Slot 2 (während des
dritten Multirahmens) ausgeführt.
Optional könnte
der Schritt 7 dann für
eine weitere benachbarte Station wiederholt werden (für größere Standortgenauigkeit),
wobei ein Signal 29 in Slot 1 (während des vierten Multirahmens)
verwendet wird und so weiter, wobei erneut die Signale 26, 27 usw.
in nachfolgenden Multirahmenzyklen für weitere benachbarte Stationen
oder alternativ zum Wiederholen von Messungen auf den ersten zwei
benachbarten Stationen verwendet werden. Schließlich wird Schritt 8 ausgeführt, um
den Standortprozess abzuschließen.
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Es
wird angemerkt, dass in der bevorzugten Ausführungsform irgendein anderer
Zeitslot (des Rahmens 18 in dem entsprechenden Multirahmenzyklus)
für die
versorgende Station gewählt
werden könnte
und andere Slots in der Reihenfolge ihres Auftretens für die benachbarten
Stationen gewählt
werden könnten.
Zum Beispiel könnten
Slots 3, 2 und 1 (in derjenigen Reihenfolge) mit entsprechenden
Signalen 27, 28 und 29 entsprechend verwendet
werden. Vorzugsweise bestimmt der Rahmen 18, der in dem
Viermultirahmenzyklus zuerst auftritt, nachdem die Anforderung zur
Ortung erhalten worden ist, welcher Zeitslot zuerst gewählt wird.
Diese Wahl erfolgt automatisch, falls der Korrelierer so eingestellt
ist, dass er einfach das erste Auftreten eines messbaren (d. h.
BNCH) Signals detektiert. Es wird darüber hinaus angemerkt, dass
die messbaren Signale von den verschiedenen Stationen auch in irgendeiner
anderen Reihenfolge empfangen werden könnten. Allerdings gewährleistet
die oben erläuterte
bevorzugte Reihenfolge, dass die gesamten Daten über die kürzestmögliche Zeitspanne empfangen
und verarbeitet werden. Im ungünstigsten
Fall weist diese Spanne für das
Minimum von drei Stationen zur Lokalisierung die Dauer von drei
Multirahmen, d. h. ungefähr
drei Sekunden, auf. Es wird auch angemerkt, dass die Trägerschaltzeit,
die von der Mobilstation erfordert wird, in diesem Fall sehr lang
ist.
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Der
ungünstigste
Fall ist der, in dem das System ausgelastet ist. Das passiert allerdings
selten. Auch in diesem ungünstigsten
Fall kann eine vollständige
Standortmessung unter Verwendung von Drei-Stations-TDMA innerhalb
von höchstens
drei Sekunden ausgeführt
werden. Es wird angemerkt, dass für eine sich schnell bewegende
Station (z. B. in einem Fahrzeug) solch eine Verzögerung die
Genauigkeit einer Standortberechnung herabsetzen kann, doch ist
in so einem Fall ein bestimmter Standort sowieso nicht definierbar.
Darüber
hinaus können
im Falle einer Notsituation Kanäle
künstlich
durch das System freigemacht werden, wobei auf diese Weise eine
Gelegenheit für
eine Fall-'a'-Operation geschaffen wird, die natürlich gewöhnlich viel
schneller ist.
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Ein
optionales Mittel zum Beschleunigen von Standortmessungen ist es,
das Protokoll des Systems zu modifizieren, so dass BNCH-Signale – sowohl
in Rahmen 1–17 eines
Multirahmens (um Fall-(a)-Messungen zu beschleunigen) als auch in Rahmen 18 (im
Falle eines ausgelasteten Systems)-künstlich
in unbenutzte Slots eingebracht werden. In letzterem Fall könnten einige
oder alle der Messungen auf drei Stationen möglicherweise innerhalb eines
einzigen Rahmens abgeschlossen werden.