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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren der Position eines
Endgeräts
in einem System, bei dem ein Teil der Teilnehmerverbindung von einer
Funkverbindung zwischen dem Endgerät und einer Basisstation gebildet
wird. Ein derartiges System kann z.B. ein zellulares Mobilfunksystem
mehrerer Basisstationen sein, bei dem sich das Endgerät während einer
Verbindung von einer Zelle zu einer anderen bewegen kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Herkömmlicherweise
wurden Information über
die genaue Position eines Endgeräts
während der
Verbindung zwischen dem Endgerät
und einer Basisstation im Allgemeinen nicht als von entscheidender
Wichtigkeit betrachtet. Beim Planen von Funksystemen wie etwa zellularen
Telefonsystemen muss der Abstand des Endgeräts von der Basisstation jedoch
berücksichtigt
werden, wobei ein besonderes Augenmerk auf die Variation bzw. Änderung
des Abstands während
der Verbindung gelegt wird. Dies ist speziell bei digitalen zellularen
Zeitmultiplexsystemen unerlässlich,
bei denen eine Übertragung
in Bursts während
eines bestimmten Übertragungszeitschlitzes
durchgeführt
wird. Um zu vermeiden, dass sich auf der gleichen Trägerfrequenz
in aufeinander folgenden Zeitschlitzen übertragene Bursts im empfangenen
Signal an der Basisstation überlappen, werden
die von jedem einzelnen Mobilendgerät übertragenen Bursts um eine Sicherheitszeit
einer bestimmten Dauer am Ende von jedem Burst erweitert. Eine derartige
Sicherheitszeit ist erforderlich, weil die auf dem gleichen Funkträger aber
in aufeinander folgenden Zeitschlitzen übertragenden Mobilendgeräte in zufälligen Abständen von
der Basisstation angeordnet sind, wodurch auch die Ausbreitungszeit
von Funkwellen von der Basisstation zum Mobilendgerät von Zeitschlitz
zu Zeitschlitz variiert. Die Sicherheitszeit wird derart bestimmt,
dass die Basisstation innerhalb der Zeitspanne des Sende-/Empfangsrahmens die
Ankunftszeitdifferenz zwischen dem von der Basisstation übertragenen
Burst und dem vom Mobilendgerät
aus empfangenen Burst misst und anschließend einen Zeitvorlauf berechnet
(TA: „timing advance"), woraufhin die
Basisstation dessen Wert an das Mobilendgerät überträgt. Daher steuert die Basisstation
die Sendezeit jedes Mobilendgeräts
dynamisch auf Grundlage von dieser empfangener Bursts. In einem
GSM-System können dem
Zeitvorlauf bzw. „timing
advance" Werte im
Bereich von 0 bis 233 ms zugeordnet werden, was mit Bezug auf die Zeitschlitz-Gesamtdauer
bedeutet, dass ein mit dem maximalen Zeitvorlauf arbeitendes Mobilendgerät nicht
weiter als 35 km von der Basisstation entfernt sein kann.
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Wie
es allgemein bekannt ist, erfordert die Lokalisierung einer ausstrahlenden
Signalquelle immer mehr als einen Empfänger, die räumlich voneinander getrennt
sind. Verfahren zur Signalrichtungsschätzung basieren auf der Schätzung von
Zeitdifferenzen, die vom gleichen Signal benötigt werden, um die unterschiedlichen
Empfänger
zu erreichen. Eine Schätzung
von Ankunftszeitdifferenzen empfangener Signale wird durch Korrelieren
der Ausgabesignale von unterschiedlichen Empfängern durchgeführt. Die Zwischensignalverzögerung,
die den maximalen Wert der Korrelationsfunktion ergibt, stellt die
Schätzung
größter Wahrscheinlichkeit
für die
Ankunftszeitdifferenz dar, sofern dieser Wert der Korrelationsfunktion
einen voreingestellten Schwellenwert überschreitet.
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In
einem zellularen Funksystem wird der vorstehend beschriebene Vorgang
derart durchgeführt, dass
das Sendesignal eines Mobilendgeräts an einer Vielzahl von Basisstationen
oder wahlweise an einer Basisstation empfangen wird, die mit einem
Feld bzw. Array von Antennenelementen mit einzelnen Empfängern ausgestattet
ist. Dann können
die empfangenen Signale, die von den unterschiedlichen Basisstationen
oder einem Antennenfeld einer einzelnen Basisstation erhalten werden,
miteinander korreliert werden, um die Ankunftszeitdifferenzen und
daraus den Peilungswinkel des empfangenen Signals zu bestimmen.
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Diese
herkömmlichen
Ansätze
werden von der einhergehenden Rechenkomplexität in Beziehung zu der von ihnen
gebotenen Genauigkeit erschwert.
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In
einigen Fällen
ist es jedoch eine wünschenswerte
Eigenschaft des Netzwerks, maximal genaue Informationen über den
Aufenthaltsort des Mobilendgeräts
bereitzustellen. Ein derartiger Fall tritt auf, wenn es erforderlich
ist, die Bewegung des Mobilendgeräts so einzuschränken, dass
sie innerhalb des Sendegebiets von nur einer bestimmten Zelle erfolgt,
oder wenn ein genaueres Modell von Rufabrechnungstarifen gewünscht wird.
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Ein
Ansatz zur Lokalisierung eines Mobilendgeräts wird in der finnischen Patentanmeldung
Nr. 963,382 dargestellt, die am 30. August 1996 eingereicht wurde,
am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung jedoch noch nicht öffentlich
war. Dieses Verfahren verwendet einen geschätzten Wert des Zeitvorlaufs,
welcher ein fertig verfügbarer
Wert ist, der vom Kommunikationssystem berechnet wird und proportional
zum Abstand zwischen dem Endgerät
und der Basisstation ist. Während
die Schätzung
des Zeitvorlaufs, die für
den Abstand zwischen der versorgenden Basisstation und dem Endgerät berechnet
wird, nur eine grobe Schätzung
des Abstands des Endgeräts
von der Basisstation angibt, gibt die Schätzung des Endgeräte-Zeitvorlaufs, die
für eine größere Anzahl
von Basisstationen berechnet wird, den Endgeräteaufenthaltsort schon mit
einer relativ guten Genauigkeit an. Die letztgenannte Methode wird
von der OTD- („Observed
Time Difference")
Eigenschaft von Phase 2 des GSM-Standards unterstützt, die
die Ausbreitungszeitdifferenzen der Signale vom Mobilendgerät zu den
unterschiedlichen Basisstationen direkt angibt. Die zitierte Patentanmeldung
schlägt
weiter vor, dass der Mobilendgeräte-Aufenthaltsort
in CDMA- („Code
Division Multiple Access":
Codemultiplex) Systemen durch Korrelieren der von den Basisstationen
gesendeten Pilotsignale bestimmt werden kann.
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Das
Dokument mit dem Titel „Receiver
diversity for spread spectrum" von
Thompson, J.S. et al.: IEE Colloquium on spread spectrum techniques
for radio 1994 erörtert
die Vorteile von Antennenfeldern zur Verwendung in der Basisstation
von Direktsequenz-Spreizspektrum-CDMA-Systemen.
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Das
Dokument mit dem Titel „Super-resolution
of multipath channels in a spread spectrum location system" von Dumont, I. et
al.: Electronics Letters, Band 30, Nr. 19, September 1994 erörtert ein
Auflösen
von Mehrwegekomponenten, die näher
als ein bestimmter Grenzwert voneinander entfernt ankommen, damit
eine Sichtlinien- (LOS: „line
of sight") Komponente
identifiziert und für
Lokalisierungszwecke extrahiert bzw. gewonnen werden kann.
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Die
US-4,888,593 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
des geographischen Aufenthaltsorts eines Signalsenders relativ zu einem
Empfänger
mittels Verwendung einer zyklischen Ankunftszeitdifferenz- (CTDOA: „Cyclic
Time Difference of Arrival„)
Methode, die eine periodische Kreuzkorrelationsfunktion einsetzt,
um die Zeitdifferenz der Ankunft des empfangenen Signals von Interesse
an unterschiedlichen Antennen zu bestimmen.
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Der
Aufenthaltsort eines Endgeräts
ist auch in Behördennetzwerken
besonders wichtig. Diese Netzwerke sind private zellulare Netzwerke,
die besonders auch zum Betrieb in verschiedenen Gefahren- bzw. Notsituationen
entworfen sind. Hierin ist es wichtig, dass das Netzwerk den Aufenthaltsort
des Endgeräts
ohne das Erfordernis identifizieren kann, dass der Mobilendgeräte-Benutzer
seinen Aufenthaltsort verbal berichten muss. In offenen Netzwerken
wäre die
Mobilendgeräte-Aufenthaltsortinformation
in Notrufsituationen auch eine wünschenswerte Eigenschaft,
weil der Notruf-Absender nicht immer notwendigerweise seinen exakten
Aufenthaltsort kennt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Mobilgeräte-Lokalisierungsverfahren bereitzustellen,
das durch einfache Berechnungsroutinen und einen maximalen Verwendungsgrad
der Eigenschaften bestehender Kommunikationsnetzwerke gekennzeichnet ist.
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Die
Ziele der Erfindung werden mit Hilfe der in den zugehörigen unabhängigen Ansprüchen formulierten
Spezifikationen erreicht.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Da
sich ein Funksignal über
einen Funkkanal in der Form einer Mehrwegeausbreitung ausbreitet, wodurch
das von der Basisstation empfangene Endgeräte-Sendesignal aus zeitlich
verteilten Mehrwegesignalkomponenten besteht, die sich über unterschiedliche
Distanzen ausgebreitet haben und den Empfänger daher zu unterschiedlichen
Zeiten erreichen, basiert die Erfindung auf der Idee, dass alle
zur Berechnung der Peilung des empfangenen Signals benötigten.
Informationen aus den Differenzen der verteilten Ankunftszeiten
des Mehrwegesignals extrahiert bzw. gewonnen werden können. Dementsprechend
wird das über
mehrere Wege ausgebreitete Signal als Erstes mit Hilfe eines Antennenfelds
der Basisstation empfangen, woraufhin die Kanalschätzungen
der von den einzelnen Antennenfeldelementen empfangenen Signale
gebildet und dann korreliert werden, um die relativen Zeitdifferenzen
zwischen ihnen zu bestimmen. Schließlich kann die geschätzte Peilung
des empfangenen Signals aus diesen Differenzen der Ankunftszeitschätzungen
der einzelnen Antennensignale berechnet werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ist geeignet zur Verwendung in Verbindung mit einem herkömmlichen
eindimensionalen Antennenfeld, einem sogenannten linearen Array,
wobei nur der Peilungswinkel des empfangenen Signals geschätzt werden kann.
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein zweidimensionales oder dreidimensionales
Antennenfeld verwendet. Damit können
die Peilungswinkelinformationen mit der Schätzung des Signalhöhenwinkels
ergänzt
werden. Unter Verwendung geometrischer Regeln kann der Aufenthaltsort
des Endgeräts
daher aus den bekannten Werten der Antennenfeldhöhe von der Erde und der geschätzten Peilungs-
und Höhenwinkel
des vom Antennenfeld empfangenen Signals berechnet werden.
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Die
Genauigkeit einer Positionsbestimmung kann weiter verbessert werden,
falls das Konzept auf eine größere Anzahl
an Basisstationen ausgeweitet werden kann, wobei jede mit einem
gleichen Typ von Antennenfeld ausgestattet ist. Dann wird die Schätzung einer
Empfangssignalpeilung an jeder Basisstation gemäß der Erfindung bestimmt und
der. tatsächliche
Aufenthaltsort des Mobilendgeräts
wird anschließend
aus diesen Peilungswinkelschätzungen berechnet.
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Ein
erheblicher Vorteil des offenbarten Verfahrens gegenüber herkömmlichen
Methoden ist seine Einfachheit der Berechnung. Da nur die Kanalschätzungen
korreliert werden, wird die Anzahl erforderlicher Rechenoperationen
radikal reduziert. Die hierbei erreichte Auflösung ist mindestens so gut
wie mit herkömmlichen
Verfahren, weil die Ankunftszeitdifferenzen zwischen den einzelnen
Antennensignalen mit der Auflösung
eines Abtastintervalls bestimmt werden können und die geringere Komplexität der Ankunftszeitdifferenzbestimmung
in der Nachverarbeitung der Informationen ausgenutzt werden kann. Insbesondere
mit der Verwendung zwei- oder dreidimensionaler Antennenfelder kann
eine Nachverarbeitung eine erhebliche Verbesserung der erreichbaren
Genauigkeit erbringen, weil sich die Peilung des empfangenen Signals
relativ langsam verändert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen ausführlich
untersucht, bei denen zeigen:
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1 ein zellulares Netzwerk;
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2 ein Antennenfeld an einer
Basisstation;
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3 ein Diagramm einer Verzögerungsverteilung
des empfangenen Signals;
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4 das Blockschaltbild eines
Empfängers;
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5 einige Kanalantwortschätzungen;
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6 eine Korrelation von Kanalantwortschätzungen;
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7 ein Ablaufdiagramm des
Verfahrens; und
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8 eine Bestimmung eines
Mobilgeräteabstands.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Bezugnehmend
auf 1 ist darin ein
typisches zellulares System gezeigt, in dem das Endgerät, hier
eine Mobilstation MS, über
einen Funkkanal an eine Basisstation BTS1 angeschlossen ist, von
wo aus die Verbindung über
eine Drahtleitung fortgesetzt wird. Das Endgerät kann sich während der
Verbindung von einer Zelle zu einer anderen bewegen, was erfordert,
dass der Funkkanal entsprechend von einer Basisstation zu einer
anderen weitergereicht wird, z.B. in einer Reihenfolge BTS1→BTS2→BTS3.
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Ein
in einem TDMA-System herkömmlicherweise
verwendetes Verfahren zum Lokalisieren eines Endgeräts basiert
auf der Verwendung geschätzter Zeitvorlaufwerte
TA1, TA2 und TA3. Da der Wert jedes Zeitvorlaufs proportional zum
Endgeräteabstand von
der Basisstation ist, ist es einfach, den Endgeräte-Aufenthaltsort auf Grundlage
dieser Zeitvorlaufschätzungen
relativ genau zu schätzen.
Dieser Ansatz weist einen besonderen Vorteil darin auf, dass das
Kommunikationssystem die Zeitvorlaufwerte sowieso berechnet.
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Die
Erfindung stützt
sich auf die Idee einer Verwendung eines herkömmlichen Antennenfelds. Ein
derartiges Antennenfeld besteht aus einer Vielzahl von als einzelne
Antennen arbeitenden Antennenelementen. Durch Abstimmen der Antennenelemente
bei diesem Typ von Antennenfeld ist es möglich, das Maximum der Strahlungsleistung
in eine gewünschte
Richtung oder einen räumlichen
Winkel zu lenken, wohingegen die Strahlungsleistung in anderen Richtungen
stark unterdrückt
ist, d.h. das Antennenfeld wird zum Bilden eines gewünschten
Strahlungsmusters verwendet.
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Die
einfachste Konfiguration eines Antennenfelds ist das eindimensionale
lineare Feld, wobei die Elemente auf eine lineare Art und Weise äquidistant
angeordnet sind; die nächstkomplexere
Konfiguration ist ein zweidimensionales Feld, wobei die Elemente
in der gleichen Ebene angeordnet sind, z.B. an den Ecken eines Rechtecks;
und die komplexeste Konfiguration ist ein dreidimensionales Feld,
wobei die Elemente eine räumliche
Struktur wie etwa einen Würfel
oder eine Pyramide ausbilden. Anordnungen zum getrennten Verarbeiten
der Elemente-Empfangs-/ Sendesignale sind in jeder Antennenkonfiguration
entsprechend bereitgestellt.
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Unter
Bezugnahme auf 2 hat
nun ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
eines am oberen Ende eines Antennenmasts 22 angebrachten
Antennenfelds eine dreidimensionale Konfiguration mit einer ersten
Menge an Antennenelementen a, b, c, d, e, f,..., k, l in einer xy-Ebene
an den Schnittpunkten eines äquidistanten
Gitters und einer entsprechenden zweiten Menge an Antennenelementen
m, n,..., usw., ebenfalls in einer xy-Ebene, vertikal mit einer Distanz z
von der ersten Ebene entfernt angeordnet. Die von den Elementen
empfangenen und gesendeten Signale werden in einem Antennensignalverarbeitungsblock 21 verarbeitet.
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In
der nachstehenden Beschreibung sei angenommen, dass das betroffene
zellulare System ein CDMA-System ist, wobei die Basisstationen gemäß 2 die Übertragung durch Spreizen der
Informationen über
die gesamte Sendebandbreite mit Hilfe eines für jede Verbindung einzeln zugewiesenen Spreizcodes
durchführen.
Daher hat das Endgerät wie
zum Beispiel eine Mobilstation MS ( 1)
eine Verbindung mit einer Basisstation BTS1 durch Spreizen seiner
Sendeleistung über
die gesamte Funkkanalbandbreite unter Verwendung seines individuellen Spreizcodes
hergestellt. Zusätzlich
sei angenommen, dass die Basisstation mit einem zwei- oder dreidimensionalen
Antennenfeld zum Beispiel vom gemäß 2 gezeigten Typ ausgestattet ist.
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Das
CDMA-Signal, das vom Endgerät
gesendet wurde, dessen Aufenthaltsort zu bestimmen ist, erreicht
jedes Element des Antennenfelds in der Basisstation als eine ebene
Welle. Das von jedem Antennenfeldelement empfangene Signal ist einer Mehrwegeausbreitung
unterzogen worden, weshalb es aus einer Anzahl zeitlich verteilter
Signalkomponenten besteht, die jedes Element zu unterschiedlichen
Zeiten erreichen. Von jedem Antennenelement werden die Signale weiter
an einen herkömmlichen Rake-Empfänger geliefert.
Ein gesonderter Empfänger
ist für
jedes Antennenelement bereitgestellt.
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Gemäß 4 ist ein Empfänger gezeigt,
der eine Bank von N Korrelatorblöcken
aufweist, die in der Darstellung als Blöcke 41, 42,..., 4N bezeichnet sind.
In jedem Block wird das von einem Antennenelement an den Block gelieferte
empfangene Signal mit dem gleichen Code korreliert, der zum Spreizen des
Signals im Sende-Endgerät verwendet
wurde, aber indem die Zeitverzögerung
variiert wird, wodurch die Mehrwegeausbreitungskomponenten aus dem
empfangenen Signal erhalten werden können. Gemäß der Anzahl N der Korrelatorblöcke können N Mehrwegeausbreitungskomponenten
aufgelöst
werden, die in Kombination die Impulsantwort des Funkkanals zwischen
einem bestimmten Antennenfeldelement und dem Endgerät bilden.
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Die
Kanalimpulsantwort kann in dem Fall, dass 4 Korrelatorblöcke (N=4)
verwendet werden, eine Form haben, die ähnlich der gemäß 3 gezeigten ist. Hierbei
wird Anzapfung 1 von Korrelatorblock 1 hervorgebracht, Anzapfung
2 von Korrelatorblock 2, usw. Die Höhen der Anzapfungen entsprechen
der Spektralleistung jeder über
unterschiedliche Wege ausgebreiteten Signalkomponente, und die Abstände der
Anzapfungen sind proportional der Ankunftszeitdifferenz der Impulssignalkomponente
relativ zu einem eine Bezugszeit darstellenden Nullzeitpunkt. Entsprechend
ist die Ankunftsverzögerung
für Anzapfung
1 gleich DT1, die Ankunftsverzögerung für Anzapfung
2 gleich DT2, die Ankunftsverzögerung
für Anzapfung
3 gleich DT3 und die Ankunftsverzögerung für Anzapfung 4 gleich DT4. Entsprechende
Mehrwege-Kanalantwortschätzungen
werden von jedem mit einem Antennenfeldelement verbundenen Empfänger erhalten
und alle Signalschätzungen
werden an einen kombinatorischen Block geliefert, wo sie kohärent summiert
werden. Das Summierungsergebnis wird dann an einen Detektor weitergeleitet.
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Bezüglich der
meisten ihrer Teile ist die vorstehend beschriebene Technik im Stand
der Technik wohl bekannt. Nun wird der herkömmliche Summierungsschritt
gemäß der Erfindung
um ein Korrelieren der von jedem der Empfänger erzeugten Mehrwege-Kanalantwortschätzungen
ergänzt.
Die Mehrwege-Kanalantwortschätzungen
und ihre von der Korrelatorbank erhaltenen Ausbreitungsverzögerungswerte
werden an einen Korrelator/Positionsberechnungsblock 46 geliefert.
Da die Schätzung
der Empfangssignalpeilung auf der Schätzung der Ankunftszeitdifferenzen
zwischen den Augenblicken basiert, wenn das gleiche Signal die unterschiedlichen
Empfänger
erreicht, kann die Schätzung
dieser Zeitdifferenzen im Block 56 durch Korrelieren der
Ausgabesignale der unterschiedlichen Empfänger durchgeführt werden.
Daher umfassen die Eingabesignale des Blocks 56 auch die
Kanalantwortschätzungen
von den Ausgaben der anderen Empfänger der Antennenfeldelemente.
Der Verzögerungswert
zwischen den Kanalantwortschätzungen,
der die höchste
Korrelation erzeugt, ergibt eine Schätzung für die Ankunftszeitdifferenz,
sofern der Korrelationsfunktionswert größer ist als ein voreingestellter
Schwellenwert.
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Als
Nächstes
wird die Funktion der Erfindung unter Bezugnahme 7 erläutert.
Eine Korrelation wird vorteilhafterweise derart durchgeführt, dass
eine Mehrwege-Kanalantwortschätzung
EREF, die von einem der Antennenfeldelemente
erhalten wird, als der Bezugswert bzw. die Referenz ausgewählt wird,
Phase 71. In der Darstellung gemäß 2 wurde zum Beispiel die aus dem Antennensignal
von Antennenelement 1 verarbeitete Mehrwege-Kanalantwort als die
Referenz ausgewählt.
Als Nächstes
wird im Vorgang eine Suchroutine durchgeführt, um zu testen, um wie viel
die Mehrwege-Kanalantwortschätzung, die
vom Antennensignal des benachbarten Feldelements k erhalten wird,
zeitlich verschoben werden muss, um die beste Übereinstimmung (Angleichung) mit
der Mehrwege-Kanalantwortschätzung
EREF zu erreichen, die aus dem Antennensignal
von Feldelement 1 erhalten wird, Phase 72. Nachdem diese
Korrelation maximiert wurde, wird der entsprechende Wert der zeitlichen
Verschiebung ti gespeichert, der äquivalent
zur Ankunftsverzögerungsdifferenz
ist, Phase 73, und die äquivalente
Korrelationsoperation wird der Reihe nach für das nächste Antennenfeldelement j
durchgeführt.
Daher wird die Korrelationsroutine sequentiell für jede Mehrwege-Kanalantwortschätzung wiederholt,
die vom Korrelatorblock erzeugt wird, woraufhin die beste Anpassung
der Mehrwege-Kanalantwortschätzung
für das
empfangene Signal jedes Antennenfeldelements erhalten wird. Es ist
hierbei zu beachten, dass die mit den Antennenfeldelementen verbundenen
Empfänger
in einer synchronen Betriebsart arbeiten müssen, um ein korrektes Ergebnis
zu erhalten.
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Nachdem
jedes der von den Antennenfeldelementen empfangenen Signale verarbeitet
ist, ist es bekannt, um wie viel die Kanalantwortschätzung jedes
Antennenfeldelements bezüglich
des Anzapfungsdiagramms (bezugnehmend auf das Anzapfungsdiagramm
gemäß 3) des Referenzelements
zeitlich verschoben werden muss, wodurch die Verzögerungsdifferenz
des empfangenen Signals in jedem Antennenfeldelement mit Bezug auf
das empfangene Signal des Referenzelements aufgelöst wird.
Anschließend
kann die Peilung des Antennensignals berechnet werden, Phase 75.
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Der
Korrelationsvorgang wird weiter gemäß 5 erläutert,
deren oberer Teil das Vier-Anzapfungs-Diagramm der Kanalantwortschätzung für das empfangene
Signal von Referenzelement 1 zeigt, während der untere Teil die entsprechende
Vier-Anzapfungs-Kanalantwortschätzung
für Antennenfeldelement
e zeigt. Die Kanalantwortschätzungen
sind über
der gleichen Zeitskala aufgetragen und der gemeinsame Zeitbezugspunkt
wird durch den Bezugszeitpunkt von Kanalantwortsignalanzapfungen
des Bezugselements selbst gebildet. Die Funktion einer Korrelation
besteht darin, einen derartigen Wert einer Zeitverschiebung zu ermitteln,
der den Wert jeder gewünschten
Korrelationsfunktion maximiert, wenn er auf die Kanalantwortschätzung von
Element e angewandt wird.
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Gemäß 6 ist eine mögliche Form
der Korrelationsfunktion gezeigt, wenn die Kanalantwortschätzung von
Antennenfeldelement e entlang der Zeitachse verschoben wird. Es
kann aus dem Diagramm gesehen werden, dass die beste Korrelation erhalten
wird, wenn die Kanalantwortschätzung
von Element e um eine Zeit te verschoben
wird. Offensichtlich ist diese Zeit auch äquivalent zu der Ankunftszeitdifferenz
zwischen den empfangenen Signalen an den Antennenfeldelementen.
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Nachdem
die Ankunftszeitdifferenzen zwischen jedem Signal jedes einzelnen
Antennenelements berechnet ist, kann die Peilung des empfangenen
Signals unter Verwendung der geometrischen Darstellungsart gemäß 8 geschätzt werden. Ist das verwendete
Antennenfeld ein eindimensionales lineares Feld, kann nur der Sektor
des empfangenen Signals bestimmt werden, das heißt sein Peilungswinkel a, während der
Abstand des Endgeräts
nicht berechnet werden kann. In den meisten Fällen reicht eine Information über den
Peilungssektor des Endgeräts
aus. Ist das Antennenfeld zwei- oder dreidimensional, kann andererseits
auch der Signalhöhenwinkel
b des empfangenen Signals berechnet werden. Daher können auf
Grundlage der bekannten räumlichen
Winkelkoordinaten (Peilung und Höhe)
der Signalquelle normale Regeln der Geometrie zur Berechnung des
Abstands d des Endgeräts
von der Basisstation angewandt werden. Folglich ist der Vorgang zur
Lokalisierung des Endgeräts
fähig.
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Wie
vorstehend beschrieben basiert das vorliegende Verfahren auf einem
Extrahieren aller zur Bestimmung der Empfangssignalpeilung erforderlichen
Informationen aus den Ankunftszeitdifferenzen der Mehrwegesignale,
wodurch andere vom empfangenen Signal transportierte Informationen,
wie etwa der Teilnehmer-Sendesignalspreizcode
oder die übertragenen
Symboldaten, die Schätzung
der Empfangssignalpeilung nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Die
vorteilhafteste Anwendung der Erfindung wird in einem CDMA-System
erreicht, weil die Mehrwege-Kanalantwortschätzungen
vom CDMA-Empfänger
fortwährend und
direkt verfügbar
sind, weshalb eine getrennte Berechnung dieser vermieden wird. Eine
weitere mögliche
Anwendung kann in einem TDMA-System erreicht werden, in dem die
Kanalimpulsantwort des empfangenen Signals zum den Zweck des Anpassens
des Kanalequalizers bzw. -entzerrers berechnet wird. Das Mehrelemente-Antennenfeld
stellt eine Anzahl von Kanalantworten bereit, die mit Bezug auf
einen gemeinsamen Zeitbezugspunkt korreliert werden, woraufhin die
Mehrwegeausbreitungs-Zeitdifferenzen
berechnet werden können.
Schließlich
kann die Peilung des empfangenen Signals aus den Ankunftszeitdifferenzen
berechnet werden.
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Bei
beiden Anwendungen kann die Berechnungsgenauigkeit verbessert werden,
indem die Ergebnisse einer Verarbeitung wie etwa zum Beispiel einer
Tiefpassfilterung unterzogen werden, da die Empfangssignalpeilung
unter realistischen Bedingungen mit einer relativ geringen Rate
variiert. Daher ermöglicht
der Filterungsprozess eine Beseitigung zufälliger Einschwing- bzw. Ausgleichsvorgänge aus den
Schätzungen
der Mobilstationsabstände.
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Analog
zu allen anderen im Stand der Technik bekannten Methoden ist die
Genauigkeit des vorliegenden Verfahrens stark von der Qualität des Funkkanals
abhängig.
Kann eine direkte Sichtlinie zwischen der Basisstation und dem Endgerät hergestellt
werden, ist der Aufenthaltsort der Mobilstation leicht zu bestimmen,
aber bei Umständen
großer
Kanalantwortverteilungen, wobei das empfangene Signal aus mehrfach
reflektierten Signalkomponenten besteht, kann die Lokalisierung
des Endgeräts
eine unmögliche
Aufgabe werden. Eine derartige Situation kann in großen Makrozellen
eines Netzwerks auftreten.
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Die
vorstehende Beschreibung des Verfahrens gemäß der Erfindung betrifft eine
Anwendung auf nur eine einzelne Basisstation. Falls gewünscht, kann
die Genauigkeit einer Endgeräte-Lokalisierung durch
Ausnutzung einer Makro-Diversity
genannten Methode verbessert werden, was eine Erweiterung des Berechnungsgitters
bedeutet, um auch die benachbarten Basisstationen abzudecken. Daher
kann die Endgeräte-Lokalisierung
unter Verwendung der von jeder der Basisstationen berechneten Peilungsschätzungen
durchgeführt
werden. Diese Anordnung setzt voraus, dass die Peilungsinformationen
an einem einzelnen Punkt gesammelt werden, wo die endgültige Berechnung
der Endgeräte-Lokalisierung durchgeführt wird.
Bei dieser Anordnung müssen
die Empfänger
der unterschiedlichen Basisstationen nicht notwendigerweise in gegenseitigem
Gleichlauf betreiben werden, aber die Basisstationen sollten identische
Antennefelder aufweisen und die mit dem Antennenfeld verbundenen
Empfänger
müssen
an jeder Basisstation in gegenseitigem Gleichlauf betrieben werden.