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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Funksystem, eine Hauptstation
und ein Verfahren zum Betreiben des Funksystems, insbesondere aber nicht
ausschließlich
zum Ermitteln der Lage einer Funkeinheit oder Station in dem Funksystem.
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Funkpositionierungssysteme
sind durchaus bekannt und umfassen Triangulation, wobei Peilungen
zu wenigstens zwei Signalquellen gemacht werden und die Lage an
dem Schnittpunkt der zwei Peilungen ermittelt wird.
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Die
Europäische
Patentschrift
EP 1 111 951 beschreibt
ein drahtloses System, wie ein DECT ("Digitally Enhanced Cordless Telephone") oder ein drahtloses
LAN, mit einer Anzahl Basisstationen, die je einen einzigartigen
Basisstationsidentifizierer senden. Eine tragbare Station, deren
Lage ermittelt werden soll, macht Signalqualitätsmessungen, wie die empfangene
Signalstärke
oder die Bitfehlerrate, an Downlinksignalen von wenigstens drei
Basisstationen. Die tragbare Station teilt diese Signalqualitätsmessungen
zusammen mit der betreffenden Basisstationsidentitäten einem
Server mit, der die Signalqualitätsmessungen
mit einem Layoutarchitekturplan der Basisstationen innerhalb des
Deckungsgebietes des Kommunikationssystems korreliert. Eine relative Lage
der tragbaren Anordnung wird danach von der Server bestätigt, wobei
die relative Lageninformation einem beantragenden Kunden, wie einem
PC, zur Verfügung
gestellt wird.
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Ein
derartiges System ist gemeint zur Anwendung in relativ großen Umgebungen,
wie in Büros,
bei denen es erforderlich ist, dass ein drahtloses Netzwerk strategisch
liegende Basisstationen haben, damit ein im Wesentlichen ständig Funkdeckungsgebiet
geschaffen wird. Es ist ebenfalls wesentlich für das genannte System, dass
die tragbare Station längere
Zeit mit Energie versehen wird, damit die Basisstationsidentitäten aufgezeichnet
werden können. Ein
Derartiges System ist ungeeignet um die Lage in einem relativ kleinen
Netzwerk zu ermitteln, wie dies in einer Heimsituation gefunden
wird, wobei es sein kann, dass es nur eine einzige Basisstation
gibt und die tragbaren Einheiten preisgünstige Funkanordnungen geringer
Leistung sind, wie von einem Schlüsselring geliefert.
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US
5.918.176 beschreibt ein System, wobei eine Kommunikationseinheit,
wie eine mobile Teilnehmereinheit, Signale von einer Anzahl Knoten,
wie Satelliten, empfängt,
die empfangenen Signalleistungspegel misst, und teilt die empfangenen
Signalleistungspegel einer Steuereinrichtung mit, die danach die
Leistungspegel der Kommunikati onssignale und die "Hand-Off' Bahnen einstellen
kann, damit die Kommunikation mit der besten Qualität für die Kommunikationseinheit
geliefert wird. Jede Mitteilung umfasst einen Zellenidentifizierer,
der mit dem Knoten assoziiert ist, so dass es notwendig ist, dass
die Kommunikationseinheit identifiziert, von welchem Knoten das
Signal empfangen worden ist. Weiterhin ist die Kommunikationseinheit
imstande, in dem Bericht die Lage und eine Zeitmarkierung vorzusehen, die
mit jeder Messung assoziiert ist um die Steuermöglichkeit bei der Selektion
der Messungen behilflich zu sein. Um dies zu tun muss die Kommunikationseinheit
imstande sein, die eigene Lage zu ermitteln.
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches,
zuverlässiges,
preisgünstiges
Funkpositionierungssystem zu schaffen.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funksystem mit
wenigstens einer Hauptstation und einer Anzahl Sekundärstationen geschaffen,
wobei die Hauptstation Mittel aufweist zum Aufstellen eines Hauptprotokolls
der Zeitmarkierung von Signalen, die von den Sekundärstationen übertragen
wurden, und deren Identitäten,
wobei wenigstens eine der Sekundärstationen
Mittel aufweist zum Aufstellen eines Protokolls der Zeitmarkierung von
Signalen, die von den anderen Sekundärstationen empfangen wurden,
zusammen mit ihrer gemessenen Qualität, und Mittel zum Zuführen des
Protokolls zu der Hauptstation, dadurch gekennzeichnet, dass die
Hauptstation weiterhin Mittel aufweist zum Korrelieren der Zeitmarkierungen
in dem ihr zugeführten
Protokoll mit den Zeitmarkierungen in dem Hauptprotokoll zum Identifizieren
der Sekundärstationen,
von denen die empfangenen Signale herrühren und zum Benutzen der Signalqualitätsmessungen
in dem empfangenen Protokoll zum Ermitteln der relativen Lage, gegenüber den
Lagen der identifizierten Sekundärstationen,
der Sekundärstation,
die ihr Protokoll sendete.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betreiben eines Funksystems mit wenigstens einer Hauptstation und
einer Anzahl Sekundärstationen
geschaffen, wobei das Verfahren umfasst, dass wenigstens eine der Sekundärstationen
ein Protokoll der Zeitmarkierung von Signalen aufstellt, die von
den anderen Sekundärstationen übertragen
worden sind, und der betreffenden gemessenen empfangenen Qualität und zum Transportieren
des Protokolls zu der Hauptstation, dadurch gekennzeichnet, dass
die Hauptstation die Signale empfängt, die von den Sekundärstationen übertragen
worden sind, dass sie ein Hauptprotokoll der Zeitmarkierung von
Signalen, die von den Sekundärstationen übertragen
worden sind, und deren Identitäten
aufstellt, dass sie die Zeitmarkierungen in dem empfangenen Protokoll
mit den Zeitmarkierungen in dem Hauptprotokoll korreliert, damit
die Identität
der Sekundärstationen
ermittelt werden kann, von denen die Signale herrühren, und
dass sie die gemessenen Signalqualitätsangaben in dem empfangenen
Protokoll benutzt zum Ermitteln der relativen Lage, gegenüber den
Lagen der identifizierten sekundären
Stationen, der sekundären
Station, die das Protokoll transportierte.
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Gewünschtenfalls
messen die Sekundärstationen
die RSSI eines empfangenen Signals. Dies hat den Vorteil, dass die
Sekundärstation
nur eingeschaltet bleiben soll um die Signalstärke zu messen, was kurz sein
kann, und vermeidet die Notwendigkeit, dass die Identität der Station
ermittelt werden soll, die das Signal überträgt. Dies vermeidet die Notwendigkeit,
dass die Sekundärstation
zu dem empfangenen Signal synchronisiert wird und dass dieses Signal
demoduliert und decodiert wird, was Batterieenergie spart. Andere
bekannte Verfahren zum Messen der Qualität von Funksignalen umfassen
Bitfehlerrate (BER), Eintreffphase (POA), Eintreffzeit (TOA) und
Eintrefffrequenz (FOA).
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Das
Hauptprotokoll kann eventuell die relativen Lagen einiger nicht
tragbarer Elemente speichern, beispielsweise Hi-Fi-Systeme, Rauchalarmsysteme,
Sicherheitssensoren, Lichtschalter, Zentralheizungsregler, in dem
Raum, der überwacht
wird und die Lage einer Sekundärstation
wird gegenüber wenigstens
einem der nicht tragbaren Elementen angegeben.
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Die
Lage einer Sekundärstation
kann sichtbar angegeben werden, beispielsweise als eine Nachricht,
wiedergegeben an dem Schirm eines Fernsehempfängers.
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Nach
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Hauptstation
zur Verwendung in einem Funksystem mit einer Anzahl sekundärer Stationen
geschaffen, wobei die Hauptstation Empfangsmittel zum Empfangen
eines demselben von einer der Anzahl sekundärer Stationen zugeführten Protokolls
aufweist, wobei das empfangene Protokoll Zeitmarkierungen von Signalen
umfasst, die von anderen sekundären
Stationen zusammen mit deren gemessener Qualität empfangen wird, gekennzeichnet
durch die Empfangsmittel, die dazu vorgesehen sind, die Signale
zu empfangen, die von den sekundären
Stationen übertragen
worden sind, durch Mittel zum Aufstellen eines Hauptprotokolls der
Zeitmarkierung der Signale, die von den sekundären Stationen empfangen worden
sind, und deren Identitäten, durch
Mittel zum Korrelieren der Zeitmarkierungen in dem Protokoll, das
denselben zusammen mit den Zeitmarkierungen in dem Hauptprotokoll
zugeführt worden sind,
zum Identifizieren der sekundären
Stationen, von denen die empfangenen Signale herrühren und
zum Benutzen der Signalqualitätsmessungen
in dem empfangenen Protokoll zum Ermitteln der relativen Lage, gegenüber den
Lagen der identifizierten sekundären
Stationen, der sekundären
Station, die das Protokoll verschickte.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Funk LANs,
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2 ein
Blockschaltbild einer Sekundärstation,
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3 ein
Blockschaltbild einer Hauptstation, und
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4 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
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In
der Zeichnung sind für
entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet worden.
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In 1 ist
das dargestellte Funk-LAN dazu vorgesehen, dass ein Benutzer die
Möglichkeit
hat, mit einer Fernbedienung 10, die in ein schnurloses Zellentelefon
einverleibt ist, das Verhalten von Geräten, wie eines Fernsehers (TV),
eines hi-fi-Systems 14, eines Videokasettenrecorders (VCR),
einer Tischlampe 18 und eines Sicherheitssensors 20 zu regeln
und/oder zu überwachen.
Ein derartiges Funk-LAN kann entsprechend einem bekannten Protokoll,
wie Bluetooth, (eingetragenes Warenzeichen), ZigBee oder IEEE 802.11
funktionieren. Da Einzelheiten dieser Protokolle veröffentlicht
worden sind, werden diese an dieser Stelle nicht weiter beschrieben,
da dies für
das Verständnis
der vorliegenden Erfindung nicht relevant ist.
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Um
eine Lage zu ermitteln werden Funkeinheiten mit Gegenständen assoziiert,
deren Lage oder Stelle für
einen Benutzer bekannt sein soll. In der dargestellten Ausführungsform
sind die Funkeinheiten als nicht nur an die normalerweise feste
Geräte 12 bis 20 angehängt, sondern
auch an tragbare Anordnungen, wie die Fernbedienung 10 und
einen Schlüssel 22.
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Die
Architektur des Funksystems ist um eine Hauptstation (MS) konfiguriert,
die in 1 auf einem Fernsehempfänger 12 angeordnet
und damit verbunden ist, und eine Anzahl Sekundärstationen SS. Bevor Ausführungsformen
der Sekundärstation und
der Hauptstation beschrieben werden, wird die Wirkungsweise des
Systems kurz beschrieben. Das Grundprinzip zum Ermitteln der Stelle/Lage
verlässt sich
darauf, dass die Hauptstation MS die Stelle/Lage eines Geräts oder
eines Gegenstandes auf Basis der Qualität, beispielsweise der Stärke, von
Funksignalen von einigen bekannten Sendern ermittelt, wie diese
von den Sekundärstationen
SS empfangen und in einem Protokoll gespeichert werden, das per
Funk zu der Hauptstation übertragen
wird. Da die Sekundärstationen
wenig Energie verbrauchende Funkeinheiten sind, ist es erwünscht, dass
ihre EIN-Zeiten möglichst
kurz sind. Mit dieser Aufgabe im Gedanken, setzt das Verfahren nach
der vorliegenden Erfindung voraus, dass die Empfangszeiten von Signalen
durch die Sekundärstationen
mit den Sendezeiten der Signale korreliert werden können, die
zu regelmäßigen Intervallen
oder beliebig auftreten können,
und deswegen ist es nicht notwendig, dass die Sekundärstationen
nach wie vor eingeschaltet sind um ein empfangenes Signal zu demodulieren
und das Signal zu decodieren um die Identität des Senders zu ermitteln. Wenn
aber Energiesparung nicht sehr wichtig ist, kann die Qualität der empfangenen
Signale unter Anwendung von Techniken wie Bitfehlerrate (BER), Eintreffphase
(POA), Eintreffzeit (TOA) und Eintrefffrequenz (FOA) ermittelt werden,
was eine gewisse Verarbeitung des empfangenen Signals erfordert.
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Jeweils,
wenn einer der Sender sendet, bemerkt die Hauptstation MS aus der Übertragung
die Identifikation des Senders und den Zeitpunkt, wo die Übertragung
auftritt (Zeitmarkierung) und speichert diese Information in einem
Hauptprotokoll. Die Sekundärstationen
SS detektieren, wenn sie aktiv sind, alle Übertragungen, die in dem betreffenden
Bereich stattfinden und bemerken den Zeitpunkt und die Signalqualität, normalerweise
die empfangene Funksignalstärke
(RSS), die einen Wert hat, der von dem Abstand von einem Sender
und der Übertragungsleistung
abhängig
ist, und speichert in dem eigenen Protokoll die Übertragungszeit (Zeitmarkierung)
und den Funksignalstärkenindikator
(RSSI). Weil nur die RSS gemessen wird, ist es nicht notwendig,
das Signal zu demodulieren oder den Senderidentifizierer zu empfangen.
Deswegen brauchen die an die Geräte 12 bis 20 angehängten Funkeinheiten
nicht alle unter Anwendung desselben Funk-LAN-Protokolls, wie Bluetooth,
Zigbee & IEEE
802.11 zu arbeiten, sondern sie können verschiedene Protokolle
benutzen, so dass es keine Anforderung gibt, dass eine Anzahl Sekundärstationen
SS ein gemeinsames Protokoll benutzen. Weiterhin braucht, weil für eine Sekundärstation, deren
Stelle ermittelt werden soll, nicht notwendig ist, dass Signale
demoduliert werden, die von den anderen Sekundärstationen, übertragen
worden sind, eine derartige Sekundärstation nicht demselben Protokoll wie
die anderen Sekundärstationen
zu entsprechen. Wenn geeig net oder notwendig, sendet eine Sekundärstation
SS ihr Protokoll zu der Hauptstation MS. Ein Prozessor in der Hauptstation
MS korreliert die Zeitmarkierungseingaben in das Protokoll der Sekundärstation
mit denjenigen in das Hauptprotokoll und ermittelt die Identität der Sender
und deren betreffenden Sendeleistung. Unter Verwendung dieser Information
zusammen mit den entsprechenden RSSI in dem Protokoll der Sekundärstation
wird die Stelle/Lage der Sekundärstation
ermittelt.
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Gegebenenfalls
wird die Nennausgangsleistung der Sender auch mit ihrer Identität durch
die Hauptstation MS gespeichert und wenn das Funksignal von einem
der Sender herrührend
empfangen wird, wird die Signalstärke bemerkt und mit der Nennausgangsleistung
verglichen, wodurch geprüft
wird, ob der Sender befriedigend funktioniert und/oder ob er gegenüber der
vorhergehenden Lage verschoben worden ist. Wenn es über die
Leistung des Senders Zweifel gibt, kann er angelehnt werden, wenn
die Lage einer Sekundärstation
berechnet wird.
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In 2 umfasst
die Sekundärstation
SS einen Transceiver, der aus einer Antenne 24 besteht, die
mit dem Eingang einer Empfängerstufe
(Rx) 26 und mit dem Ausgang einer Senderstufe (Tx) 28 gekoppelt
ist. Eine RSS Messstufe 30 ist mit der RX Stufe 26 gekoppelt.
Die RSS Stufe 30 erzeugt einen RSSI, der einem Mikroprozessor 32 zugeführt wird. Ein
Taktgeber 34 ist mit dem Mikroprozessor 32 gekoppelt.
Der Mikroprozessor 32 befördert den RSSI und die Empfangszeit
zu einem Protokoll 36, das durch einen RAM gebildet wird,
der Speicherstellenpaare 38A, 40A bis 38n, 40n aufweist,
zur Speicherung der Zeit bzw. des RSSIs. In einer alternativen, nicht
dargestellten Ausführungsform
haben die Empfängerstufe 26 und
die RSS Stufe 30 Eingänge,
die mit der Antenne 14 gekoppelt sind, und Ausgänge, die
mit betreffenden Eingängen
des Mikroprozessors 32 gekoppelt sind.
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Der
Mikroprozessor 32 ist auch mit einem Modulator 42 gekoppelt,
der Eingaben moduliert, die aus dem Protokoll 36 auf einer
Trägerwelle
ausgelesen wurden zur fortschreitenden Übertragung durch die Tx28 zu
der Hauptstation MS.
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In 3 ist
die Architektur der Hauptstation MS etwas anders als die der Sekundärstation
SS. Der Kürze
wegen werden nur die Unterschiede nachstehend beschrieben. Der Mikroprozessor 32 ist
mit einem ersten Speicher (RAM) 44 gekoppelt, der Speicherstellenpaare
hat zur Speicherung von Senderidentifikationen und deren betreffenden
Stellen, ggf. können
deren Ausgangsleistungen auch gespeichert werden, in einem zweiten Speicher
(RAM), der als Hauptprotokoll 46 funktioniert, der Speicherstellenpaare 48A, 50A bis 48n, 50n aufweist
zur Speicherung der Sendezeit eines der Sender bzw. seiner Identität, und in
einem dritten Speicher (RAM) 52, der Speicherstellenpaare
hat zur Speicherung von Zeiten und RSSIn eines Protokolls einer
Sekundärstation, das
der Hauptstation MS zugeführt
worden ist. Der erste, zweite und dritte Speicher können Gebiete
eines großen
RAMs sein, der eine integrierte Schaltung sein kann oder eine andere
geeignete Speicheranordnung, wie die Festplatte eines Computers.
Korrelation der Eingaben in das Hauptprotokoll 46 und in den
dritten Speicher 52 wird von dem Mikroprozessor 32 durchgeführt, der
danach Stellen/Lageninformation erzeugt, die an dem Fernsehempfänger 12 wiedergegeben,
zu dem Ferncontroller 10 übertragen oder als Textnachricht
einem Handy oder als e-Mail einem WAP Telefon oder PC zugeführt werden
kann.
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Das
in 4 dargestellte Flussdiagramm illustriert die Verarbeitungsschritte
beim Durchführen einer
Ausführungsform
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Der Block 60 bezieht
sich auf die Hauptstation MS, die die Senderidentifikationen, die
Stellen und, ggf. die gemessenen oder Nennausgangsleistungen in
dem ersten Speicher 44 speichert (3). Der
Block 62 bezieht sich auf die Hauptstation, die Übertragungen
empfängt
und die die Sender identifiziert und sich ihre Sendezeiten als Zeitmarkierungen
merkt. Der Block 64 bemerkt das Hinzufügen von Eingaben an das Hauptprotokoll 46 9Fig.
3). Die durch die Blöcke 62, 64 dargestellten
Vorgänge
setzen sich fort, wie durch den Ausgang des Blocks 64 angegeben,
der zu dem Eingang des Blocks 62 zurückgekoppelt ist.
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Inzwischen
merkt sich der Block 66 die Sekundärstationen SS, die Übertragungen
empfängt und
die RSSen und Zeiten misst. Der Block 68 merkt sich jede
Sekundärstation
SS, die RSSIen und die assoziierte Zeitmarkierung in dem Protokoll 36 speichert
(2). Der von den Blöcken 66, 68 bemerkte Prozess
ist auch ein sich wiederholender Prozess.
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Der
Block 70 merkt sich die Hauptstation MS, die eine der Sekundärstationen
SS instruiert um das Protokoll zu senden. Der Block 72 merkt
sich die betreffende Sekundärstation
SS, die die Eingaben aus dem Protokoll sendet und ihre Speicherung
in dem dritten Speicher 52 (3). Der
Block 74 bezieht sich auf die Hauptstation MS, die die
Transportzeitmarkierungen mit den Zeitmarkierungen in dem Hauptprotokoll 46 korreliert
und die Identitäten
der Sender ermittelt. Der Block 76 bezeichnet den Mikroprozessor 32 in
der Hauptstation MS, der die Stelle/Lage der Sekundärstation
SS berechnet.
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Gegebenenfalls
kann, wenn Korrelation der Zeitmarkierungen oder Berechnung der
Stelle der Sekundärstation
SS zu einer Zweideutigkeit führt, diese
Zweideutigkeit dadurch gelöst
werden, dass die Hauptstation MS die Flugzeit eines Signals misst, das
von der Sekundärstation
SS gesendet wurde, und aus der Flugzeit die Entfernung der Sekundärstation
SS berechnet.
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Das
nachfolgende Beispiel illustriert das Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung auf eine spezielle Art und Weise. Ein drahtloses Heimautomatisierungssystem
ist in einer Heimumgebung wirksam. Eine in einen Fernsehempfänger integrierte
einzelne Hauptstation wird benutzt zum Leiten von Signalen zwischen
Sekundärstationen
geringer Leistung. Verschiedene Sekundärstationen haben eine Stelleninformationsvoraussetzung
und haben folglich die betreffende Funktionalität ein Protokoll der empfangenen
Signalstärken
und der entsprechenden Zeitmarkierungen zu überwachen und zu führen. In
den vorhergehenden 30 Minuten haben diese Sekundärstationen
alle Signale, die es in dem Raum gegeben hat, protokolliert. Dabei
können
Signale sein von Sicherheitssensoren, hi-fi, Lichtschaltern, Fernbedienungen,
Zentralheizungsreglern und dergleichen. Ein Benutzer beantragt einen
Lagenindikator einen Schlüssel
oder einen Satz von Schlüsseln
zu liefern, beispielsweise den Schlüssel 22 in 1.
Die Hauptstation MS beantragt die Sekundärstation SS, die mit dem Schlüssel 22 assoziiert
ist, das Protokoll von RSSIen und der Zeitmarkierungen hinaufzuladen und
macht eine Querverweisung zu den Eingaben in das Hauptprotokoll
aller neulich aktiven Sender. Zwischen der hi-fi 14 (1)
und dem Sicherheitssensor 20 (1) wird
eine hohe Korrelation berechnet. Am Schirm des Fernsehempfängers 12 erscheint
eine Nachricht um anzugeben, dass die Schlüssel sich wahrscheinlich halbwegs
zwischen der Hi-Fi 14 und dem Sicherheitssensor 20 an
der Decke befinden.
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Wenn
ein Benutzer die Hauptstation MS mit Stelleninformation für signifikantere
Items der Einrichtung versehen hat, kann es sein, dass die Hauptstation
imstande ist, dem Benutzer einen Vorschlag zu machen, dass die Schlüssel sich
beispielsweise in einem Regal über
der Hi-Fi-Anlage befinden.
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Die
vorliegende Erfindung kann in drahtlose Systeme einverleibt werden,
entweder in eine Master-Slave- oder Peer-to-Peer-Architektur, da
dies eine Lösung
mit geringer Leistung schafft, wobei wesentliche Verarbeitung und
Querverweis von Daten an einer einzigen Stelle erfolgt. Dies minimiert
Datentransport über
das Netzwerk und ermög licht
es, dass Anordnungen in eine "Schlaf"-Mode gehen, da RSSI Messungen
in einer einzelnen Schaltungsanordnung durchgeführt werden könnten.
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In
der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen schließt das Wort "ein" vor einem Element
das Vorhandensein einer Anzahl derartiger Elemente nicht aus. Weiterhin
schließt
das Wort "umfassen" das Vorhandensein
anderer Elemente oder Verfahrensschritte als die genannten nicht
aus.