DE69810149T2

DE69810149T2 - Positionsbestimmungssystem für ein digitales telefonnetz

Info

Publication number: DE69810149T2
Application number: DE69810149T
Authority: DE
Inventors: Peter Duffett-Smith; Paul Hansen
Original assignee: Cambridge Positioning Systems Ltd
Current assignee: Cambridge Positioning Systems Ltd
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2018-10-22
Also published as: EP1271178A2; ATE229653T1; GEP20032874B; HUP0004241A2; HUP0004241A3; CN1276876A; EP1271178B1; JP2001521154A; DE69829421D1; WO1999021028A1; EA200000446A1; EP1025453B1; EP1025453A1; DE69810149D1; ES2189253T3; TR200001096T2; AU9549898A; BR9814614A; EA002006B1; CN1317567C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionierungssystem zur Verwendung mit digitalen Telefonnetzen, wie zum Beispiel einem GSM-Netzwerk.
EP-A-0 303 371 beschreibt ein Funk-Navigations- und -Nachführsystem, das zu anderen Zwecken aufgestellte unabhängige Funksender nutzt. Die Signale vom jeweiligen Sender werden, einzeln genommen, von zwei Empfangsstationen empfangen, von denen eine sich an einem festen und bekannten Standort befindet und die andere auf dem mobilen Objekt montiert ist, dessen Position zu ermitteln ist. Eine Repräsentation der an einer Empfangsstation empfangenen Signale wird über eine Verbindung an einen Prozessor an der anderen Empfangsstation gesendet, wo die empfangenen Signale zur Ermittlung ihrer Phasenunterschiede oder Zeitverzögerungen miteinander verglichen werden. Drei solche Messungen, die an drei weit voneinander entfernten unabhängigen Sendern durchgeführt werden, reichen zum Feststellen der Position des mobilen Empfängers in zwei Dimensionen, d. h. seiner Position am Boden, aus. Der Phasen- oder Zeitversatz zwischen den Master- Oszillatoren in den zwei Empfängern wird ebenfalls festgestellt.
In der WO-A-94-28432 ist gezeigt, wie dieses gleiche System auf die Funkpositionierung innerhalb von Tunneln, Tiefgaragen oder anderen abgeschirmten Orten angewendet werden kann.
In noch einer weiteren Patentbeschreibung, der WO-A-97-11384, werden diese Ideen weitergeführt und spezifisch auf GSM und andere digitale Telefonnetze angewendet, wie zum Beispiel CDMA, UMTS, oder satellitenbasierte Systeme (wobei bei den letzteren neben der Möglichkeit einer Positionierung auf der Erde auch die Möglichkeit der Messung der Höhe gegeben ist). Das System, das als CURSOR bekannt ist, verwendet die von den Netzsendern kommenden Signale zu Positionierungszwecken (siehe Fig. 1). Ein kurzer Burst der Signale von einem solchen Sender (der als eine Basis-Sendeempfänger-Station (Base Transceiver Station/BTS) bekannt ist) werden von einem mobilen Handapparat (der als CURSOR- Rover-Unit, CRU bekannt ist) empfangen, dessen Position zu bestimmen ist, wo sie in das Basisband umgewandelt, digitalisiert und im Speicher gespeichert werden. Der gleiche Burst wird ebenfalls von einem weiteren Empfänger (CURSOR-Basiseinheit, CBU) an einem festen und bekannten Standort empfangen, ebenfalls ins Basisband umgewandelt, digitalisiert und aufgezeichnet. Dieser Vorgang wird in der gleichen schnellen Abfolge an den Signalen von mindestens drei weit voneinander entfernten BTSs an beiden Empfängern durchgeführt, wonach die Aufzeichnungen über die Verbindungen L1 und L2 an einen zentralen Prozessor (den CURSOR-Positionsprozessor, CPP) übertragen werden. Hier werden die entsprechenden Sätze verglichen, wozu zum Beispiel ein Kreuzkorrelationsvorgang verwendet wird, um die Zeitverzögerungen zwischen ihnen zu ermitteln. Die drei Sätze von Aufzeichnungen erzeugen drei Zeitverzögerungen, aus denen die Position der CRU im Verhältnis zu den (bekannten) Positionen der BTSs und der bekannten Position der CBU ermittelt werden kann.
In einer praktischen Anwendung des obigen Systems auf ein digitales Telefonnetz, wie zum Beispiel GSM, werden die Signale des Sendesteuerungskanals (Broadcast Control Channel/BCCH) zur Positionierung verwendet. Dies geschieht deshalb, weil sie garantiert immer präsent sind, und zwar unabhängig vom Pegel des anderen auf dem Netzwerk vorhandenen Verkehrs.
In dem System, wie es in der WO-A-97-11384 beschrieben ist, muss für jede Positionsberechnung eine beträchtliche Menge von Daten von jedem Empfänger an den CPP übertragen werden. Die Übertragung von der CRU wird normalerweise unter Verwendung des Netzes selbst bewerkstelligt, indem zum Beispiel ein Datenübertragungsmerkmal verwendet wird. In einer typischen GSM-Anwendung kann es notwendig sein, 256 Bytes für jede der drei überwachten BTS aufzuzeichnen, wodurch ungefähr 800 Bytes zu übertragende Daten entstehen. Dies könnte durchgeführt werden, indem ein Datenübertragungsanruf eingerichtet wird, indem über einem Sprachanruf Daten verwendet werden, oder indem mehrere verkettete Short-Message-Service(SMS)-Pakete verwendet werden. Jede dieser Lösungen hat jedoch kommerzielle Nachteile. Zum Beispiel kann es sein, dass ein Benutzer, der einen Notoperator anruft, nicht darauf warten kann, dass zuerst ein Datenanruf eingerichtet wird, Daten übertragen werden und dann bereinigt werden, bevor er schließlich mit dem Operator sprechen kann.
Die vorliegende Erfindung soll diesen Nachteil überwinden, indem die Aufzeichnungen in einer anderen Weise durchgeführt werden und indem die speziellen Eigenschaften digitaler Telefonsignale ausgenützt werden. Die zu übertragende Datenmenge kann dabei dramatisch verringert werden, wodurch diese leicht zum Beispiel in ein SMS- Paket passt. Außerdem können die durch die CRU vorgenommenen Messungen in ihrer Gänze während der Leerlaufzeit des Handapparates durchgeführt werden, so dass keine Verzögerung entsteht, wenn der Benutzer einen Anruf zu machen wünscht, und sich eine bessere Positionierungslösung auf der Grundlage einer längeren Durchschnittsbildung der empfangenen Signale ergibt.
Die Betriebsprinzipien der vorliegenden Erfindung sind am besten zunächst durch eine Betrachtung der für das Cursor-System maßgeblichen Gleichungen zu verstehen, wie in der WO-A-97-11384 erläutert. In Fig. 2 zeigen wir die Geometrie eines zweidimensionalen Cursor-Systems. Der Ursprung der cartesischen Koordinatenachsen x und y ist auf die bei 0 positionierte CBU zentriert. Die Ausrichtung der Achsen spielt keine Rolle, kann aber passenderweise so gesetzt werden, dass die y-Achse entlang des Nord-Süd-Rasters einer örtlichen Landkarte liegt. Die mobile Einheit (CRU), R, ist an der Vektorposition r im Verhältnis zur CBU-Position 0. Eine BTS, A, ist bei einer Vektorposition a gezeigt.
Zuerst seien die Signale vom BTS A betrachtet. Die Zeitdifferenz Δta, die zwischen den bei 0 und R empfangenen Signalen gemessen werden, ergibt sich durch
Δta = ( r-a - a )/ν + &epsi;
wobei ν die Geschwindigkeit der Funkwellen und &epsi; der Taktzeitversatz zwischen den Taktgebern in den Empfängern bei 0 und R ist. In ähnlicher Weise können wir für zwei weitere BTSs (zum Beispiel B & C) an den Vektorpositionen b und c (die in Fig. 2 nicht gezeigt sind) wie folgt schreiben:
Δtb = ( r-b - b )/ν + &epsi;
und
Δtc = ( r-c - c )/ν + &epsi;. (1)
Δta, Δtb und Δtc werden durch die in der WO-A-97-11384 offenbarten Verfahren gemessen, und die Werte von a, b, c und ν sind bekannt, und daher können die Gleichungen zur Auffindung der Position des Handapparats r gelöst werden.
Man betrachte nun das Verhältnis zwischen den Signalen von beliebigen zwei BTSs, wie zum Beispiel A und B, die von der CRU empfangen werden. Zuerst wird angenommen, dass die CRU auf zwei Kanälen gleichzeitig empfangen kann, wobei ein Kanal auf den BCCH von A und der andere auf den BCCH von B abgestimmt ist. Wenn A und B zwei vollkommen unabhängige inkohärente Sender wären, gäbe es kein stabiles Verhältnis zwischen ihren Signalen, und eine beim Handapparat durchgeführte Kreuzkorrelation würde keinen signifikanten Peak ergeben. In einem GSM oder einem anderen digitalen Telefonnetz haben die Signale von BTSs A und B jedoch eine signifikante Kohärenz. Zum Beispiel haben sie jeweils eine gemeinsame Rahmenbildungsstruktur, sind mit qualitativ hochwertigen Referenzoszillatoren synchronisiert und tragen beträchtliche Mengen gemeinsamer Daten. Daher kann in der Kreuzkorrelation zwischen ihnen ein Peak gefunden werden. Wenn das Netzwerk synchronisiert wäre, das heißt, wenn die Rahmenbildungsstrukturen miteinander synchronisiert wären, wäre der Zeitversatz des Peaks die Differenz der Abstände von A und B zur CRU, dividiert durch ν. In der Praxis gibt es auch einen unbekannten und sich langsam verändernden Zeitversatz Eab, der manchmal auch als Sendezeitversatz oder relativer Sendeversatz oder relative Sendeverzögerung bekannt ist. Daher können wir wie folgt schreiben:
Δtab1 = ( r-a - r-b )/ν + &epsi;ab
wobei Δtab1 der Zeitversatz der von den BTSs A & B empfangenen Signale ist, wie das durch die Kreuzkorrelation bestimmt wurde. Wir können die gleiche Analyse auch an den simultan von den BTSs B und C empfangenen Signalen durchführen, wodurch sich Folgendes ergibt:
Δtbc1 = ( r-b - r-c )/ν + &epsi;bc. (2)
Die gleichen Signalpaare können auch von der CBU empfangen werden, wodurch sich entsprechende Zeitversätze Δtab2 und Δtbc2 wie folgt ergeben:
Δtab2 = ( a - b )/ν + &epsi;ab
und
Δtbc2 = ( b - c )/ν + &epsi;bc. (3)
Eine Subtraktion der Gleichungen 3 von den Gleichungen 2 ergibt
Δtab1 - Δtab2 = ( r-a - a - r-b + b )/ν
und
Δtbc1 - Δtbc2 = ( r-b - b - r-c + c )/ν. (4)
Die Werte von Δtab1 und Δtbc1 wurden bei der CRU wie oben beschrieben gemessen, und die Werte von Δtab2 und Δtbc2 wurden bei der CBU gemessen. Die Werte von a, b, c und ν sind bekannt, und daher kann die Position r der CRU unter Verwendung mathematischer Standardverfahren abgeleitet werden.
Hier ist zu bemerken, dass &epsi;, &epsi;ab und &epsi;bc alle aus den Gleichungen (4) verschwunden sind. Dies liegt daran, dass wir angenommen haben, dass die durch die CRU und CBU durchgeführten Messungen entweder simultan oder so nahe beieinander durchgeführt werden, dass zwischen ihnen keine bedeutende Drift auftritt. In der Praxis können wir die Eigenschaften der BTS-Signale zum Synchronisieren der Aufzeichnungen an den beiden Empfängern verwenden. Zum Beispiel sind in einem GSM-System die von den BTSs ausgestrahlten Signale komplex. Die Daten sind in sogenannte Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA)-Rahmen programmiert, die 4,615 ms dauern, die weiter in acht Zeitschlitze unterteilt sind. Jeder Zeitschlitz trägt 156,25 Bit mit einer Rate von ungefähr 271 kbitls und kann zum Beispiel einen "normalen Burst" von Daten und Trainingsbits, einen "Frequenzkorrekturburst" (FCB) eines festgelegten Musters, einen "Synchronisationsburst" (SCH) von Daten und Trainingsbits oder einen "Zugriffsburst" mit einer Synchronisationssequenz und Daten repräsentieren. Jeder dieser Bursts trägt auch einen Anfangsblock (Header), ein Endbit (Tau) und Schutzbits. Wie viele dieser Zeitschlitze zu einem Zeitpunkt in einem bestimmten Rahmen verwendet werden, hängt davon ab, wie das System eingerichtet wurde, und vom Verkehrsaufkommen zu diesem Zeitpunkt. Jedoch wird auch unter ruhigen Bedingungen der BCCH-Logikkanal in jedem Rahmen einen Zugriffsburst senden. Außerdem sind diese Rahmen nummeriert, mit einer Wiederholungsperiode von mehreren Stunden. Wir können daher das Eintreffen einer bestimmten Rahmennummer zum Synchronisieren des Starts der von der CRU und CBU durchgeführten Aufzeichnungen verwenden.
Wir können ebenfalls annehmen, dass die Zeitversätze zwischen den Oszillatoren, welche die BTS-Übertragungen steuern, und die Zeitversätze zwischen den Oszillatoren in den beiden Empfängern sich mit der Zeit langsam ändern und daher durch eine lineare Anpassung oder ein Polynom niedriger Ordnung über kürzere Zeiträume modelliert werden können. Die meisten Kristalloszillatoren weisen über kurze Zeiträume Stabilitäten eines Teils in 10&sup6; oder besser auf. Der durch jede Millisekunde einer Fehlsynchronisation eingeführte Positionsfehler beträgt daher wahrscheinlich höchstens einen Meter, z. B. höchstens 10&supmin;&sup6; · 10&supmin;³ · ν = 0,3 m, da ν gleich 3 · 10&sup8; m/s ist.
Während der gesamten bisherigen Erörterung wurde angenommen, dass sowohl die CRU als auch die CBU zwei Kanäle gleichzeitig empfangen können. Dies kann zwar für CBUs angenommen werden, ist jedoch bei mobilen Handapparaten selten der Fall. Es kann daher der Anschein entstehen, dass die vorliegende Erfindung in einem realen System kaum zur Anwendung kommen kann. Hier kommen uns jedoch wieder die speziellen Eigenschaften des digitalen Telefonsystems zur Hilfe. Es hat sich herausgestellt, dass Merkmale der Signale repetitiv sind und dass ein beträchtlicher Korrelationsgrad zwischen den Signalen von der gleichen BTS bestehen, wenn sie durch eine ganze Anzahl von Rahmenperioden verschoben sind. Zum Beispiel haben wir in dem Fall eines BCCH in ruhigen Bedingungen oben festgestellt, dass in jedem Rahmen ein Zugriffsburst übertragen wird. Ebenfalls ist es üblich, in einem 10- oder 11-Rahmen-Intervall einen Frequenzkorrekturburst und einen Synchronisationsburst zu senden. Wir haben schon die Korrelation bemerkt, die zwischen Signalen von unterschiedlichen BTSs zur gleichen Zeit besteht. Nun stellen wir eine Korrelation zwischen den Signalen von unterschiedlichen BTSs zu unterschiedlichen Zeiten fest. Zum Beispiel können wir eine bedeutende Kreuzkorrelation zwischen den BCCH- Signalen von der BTS A und von der BTS B feststellen, wobei die letzteren zum Beispiel genau um eine Rahmenperiode nach denjenigen von A aufgezeichnet werden. Dadurch hat der einen Kanal empfangende Empfänger im Handapparat mehr als genug Zeit, sich nach der Aufzeichnung der Signale von A erneut auf den Kanal B abzustimmen. Wir müssen nun jedoch einen längeren Zeitversatz zwischen den beiden Aufzeichnungen präzise messen können, da der Zeitversatz durch die Wiederholungsperiode der übertragenen Signale vergrößert wurde. Dies kann unter Verwendung des Kristalloszillators im Handapparat durchgeführt werden und führt wiederum einen Fehler von weniger als einem Meter für jede Millisekunde des Gesamtversatzes ein.
Die bisherige Erörterung zeigt, wie die partielle Kohärenz der Signale aus den benachbarten BTSs auf unterschiedlichen physischen Kanälen zur Messung von Zeitversätzen verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung führt diese Ideen weiter.
Erfindungsgemäß ist ein Positionierungssystem mit mindestens zwei Empfängern eines digitalen Telefonnetzes mit mehreren Sendequellen vorgesehen, wobei ein erster der Empfänger an einem bekannten Standort und ein zweiter ein mobiler Empfänger ist, dessen Position festzustellen ist, wobei das System Übertragungssignale verwendet, die ein Format aufweisen, von dem mindestens ein Teil vorbestimmte Werte aufweist oder von dem ein Teil wiederholt wird, wobei jeder Empfänger Folgendes aufweist:
einen Referenztakt;
eine Einrichtung zum Erzeugen eines mit dem Referenztakt synchronisierten Referenzsignals im jeweiligen Empfänger, wobei das Referenzsignal ein den Übertragungssignalen ähnliches Format hat und daher ein Teil mit dem Teil des empfangenen Signals identisch ist, der vorbestimmte Werte hat oder der wiederholt wird; und
eine Einrichtung in jedem Empfänger zum Vergleichen, zum Beispiel durch Kreuzkorrelation, des empfangenen Übertragungssignals und des Referenzsignals zum Bestimmen ihres relativen Zeitversatzes, damit hierdurch die Position des zweiten Empfängers dadurch bestimmt werden kann, dass die Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden bei den beiden Empfängern empfangenen Signalen bestimmt wird.
Die Erfindung weist ein Verfahren zum Feststellen der Position eines mobilen Empfängers in einem Digital-Telefonnetz-Positionierungssystem mit mindestens zwei Empfängern auf, von denen der erste an einem bekannten Standort und der zweite mobil ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Übertragen von Signalen von mehreren Quellen, wobei die Übertragungssignale ein Format haben, von dem mindestens ein Teil vorbestimmte Werte aufweist oder von dem ein Teil wiederholt wird;
Bestimmen des Zeitversatzes der Übertragungssignale, die beim jeweiligen Empfänger von einer Übertragungsquelle empfangen werden, im Verhältnis zu einem Referenztakt des jeweiligen Empfängers, durch Erzeugen eines Referenzsignals, das mit dem Referenztakt synchronisiert ist, wobei das Referenzsignal ein ähnliches Format wie die Übertragungssignale hat und einen Teil enthält, der zu den vorbestimmten Werten oder dem wiederholten Teil des empfangenen Signals identisch ist, und durch Vergleichen des empfangenen Übertragungssignals und des Referenzsignals; und
Bestimmen der Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden bei beiden Empfängern empfangenen Signalen durch Bestimmen ihrer relativen Zeitversätze, um dadurch die Position des zweiten Empfängers zu bestimmen.
In einem digitalen Telefonnetz, zum Beispiel einem GSM-System, sind die Übertragungsquellen vorzugsweise die Basis-Sendeempfänger-Stationen, und der mobile Empfänger kann ein digitaler Handapparat sein.
Die Referenzsignale liefern nämlich Schablonen (Templates), die mit den Übertragungssignalen abgeglichen werden können. Unter Verwendung der Tatsache, dass die Signale auf die gleiche Weise formatiert sind und daher identische Teile aufweisen, wird ermöglicht, dass sie abgeglichen (z. B. kreuzkorreliert) werden, und die Zeitmenge, durch die eine Aufzeichnung des einen im Verhältnis zum anderen zur Erzielung einer Abstimmung verschoben werden muss, liefert eine Abschätzung des Zeitversatzes.
Die Kenntnis der Zeitversätze ermöglicht ein Berechnen der relativen empfangenen Zeitversätze zwischen den verschiedenen Übertragungsquellensignalen und daher der zu bestimmenden Position des Mobiltelefons, wie in größerem Detail weiter unten beschrieben ist.
Die Zeitversätze können unter Verwendung örtlich erzeugter Schablonen (Templates) in einem GMS-Telefonsystem zum Beispiel auf die folgende Weise gemessen werden. Es sei zum Beispiel angenommen, dass die CRU einen kurzen Burst von Signalen vom BTS A aufgezeichnet hat. In dieser Aufzeichnung ist eine Rahmengebungsstruktur und andere "vorgegebene" Daten (oder vorbestimmte Werte), wie oben beschrieben, enthalten, was ein konstantes Merkmal dieser Übertragungen ist. Der Prozessor in der CRU kann auf der Grundlage der bekannten Struktur der Netzwerksignale ein passendes Template erzeugen und diejenigen Teile ignorieren, wo die exakte Form der empfangenen Daten nicht bekannt ist. Ein solches Template ist beispielsweise in Fig. 3 gezeigt. Die schraffierten Teile der übertragenen Signale, die bei (a) gezeigt sind, sind exakt durch das Netzwerkprotokoll (die Rahmengebungsstruktur usw.) spezifiziert. Diese können durch das lokal erzeugte Template, das bei (b) gezeigt ist, abgeglichen werden. Die unschraffierten Teile von (a) können nicht vorhergesagt werden, und daher werden diese Teile bei der Korrelation nicht verwendet. Im Korrelationsvorgang zwischen den empfangenen Signalen (a) und dem lokal erzeugten Template (b), tragen nur die schraffierten Teile systematisch zu einem Korrelationspeak bei, und der unschraffierte Teil kann ignoriert werden. Wenn das Template mit der Aufzeichnung abgeglichen wird, entspricht der Korrelationspeak dem Zeitversatz, d. h. dem Zeitversatz zwischen den empfangenen Signalen und dem örtlichen Takt innerhalb der CRU. Dieser Zeitversatz Δta1 ist wie folgt gegeben
Δta1 = ( r-a /ν + &epsi;a + &epsi;&sub1;
wobei 8a der Zeitversatz der BTS-Übertragung und &epsi;&sub1; der Zeitversatz des internen Taktes der CRU ist, beide im Verhältnis zu einer theoretisch angenommenen universellen "absoluten" Zeit. Die Signale von B und C können ebenfalls auf die gleiche Weise gemessen werden, wobei sich Folgendes ergibt
Δtb1 = ( r-b )/ν + &epsi;b + &epsi;&sub1;
und
Δtc1 ( r-c /ν + &epsi;c + &epsi;&sub1;. (5)
Die gleichen Messungen können ebenfalls bei der CBU durchgeführt werden, wodurch sich Folgendes ergibt:
Δta2 ( a /ν + &epsi;a + &epsi;&sub2;,
Δtb2 ( b /ν + &epsi;b + &epsi;2,
und
Δtc2 ( c /ν + &epsi;c + &epsi;&sub2;.(6)
Eine Subtraktion der Gleichungen 6 von 5 ergibt:
Δta1 - Δta2 = ( r-a - a )/ν + &epsi;
Δtb1 - Δtb2 = ( r-b - b )/ν + &epsi;
und
Δtc1 - Δtc2 ( r-c - c )ν + &epsi; (7)
wobei &epsi; = &epsi;&sub1; - &epsi;&sub2; ist. Hier ist festzustellen, dass die Gleichungen 7 genau wie die Gleichungen 1 sind und daher in der gleichen Weise zum Auffinden der Position der CRU, r gelöst werden können. Daher wird also ein CURSOR-System vorgesehen, das in genau der gleichen Weise funktioniert, wie das in der WO-A-97-11384 beschrieben ist, mit den gleichen Eigenschaften der Genauigkeit, Geschwindigkeit usw. Die Unterschiede liegen in der Weise, in der die Messungen durchgeführt werden und im Inhalt der über die Verbindungen an den CPP gesendeten Daten. In einem CURSOR-System, wie es in der WO-A-97-11384 beschrieben ist, werden die Zeitversätze von der CPP aus unverarbeiteten Daten bestimmt, die sowohl von CRU als auch CBU aufgezeichnet wurden. Nach der Erfindung der vorliegenden Anmeldung werden die Zeitversätze lokal bestimmt, wozu viel weniger Daten gesendet werden müssen. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass bei diesem System die relativen Übertragungsverzögerungen der von verschiedenen BTSs übertragenen Signale nicht gemessen und niemals in der Berechnung verwendet werden. Die Geometrie der Berechnung basiert auf dem Schnitt von an den Positionen der BTSs zentrierten Kreisen. Dies unterscheidet sich stark von anderen Systemen, bei denen das Äquivalent der CBU die relativen Übertragungsverzögerungen misst und sie an die Verarbeitungseinheit sendet, die dann auf der Grundlage des Schnittes von Hyperbolen eine Standardberechnung durchführt.
Die obige Beschreibung zeigt, wie die Verwendung eines einzigen lokal erzeugten Templates zum Schätzen der Zeitversätze verwendet werden kann. Das Template kann aus den bekannten Eigenschaften der Netzwerksignale, wie das oben beschrieben ist, erzeugt werden oder kann unter Verwendung der gemessenen Signale, zum Beispiel aus dem ersten empfangenen Kanal als das Template zur Korrelation mit den anderen Kanälen gemessen werden. Manchmal kann es von Vorteil sein, mehr als ein Template bei dem Schätzungsvorgang zu verwenden, insbesondere, wenn die empfangenen Signale verzerrt sind, zum Beispiel durch die Auswirkungen einer Mehrwegepropagation. Das beste Template im Hinblick auf die Maximierung der Korrelation ist eines, das exakt mit den empfangenen Signalen übereinstimmt. Die auf diese Weise erhaltene Schätzung des Zeitversatzes kann jedoch eine systematische Abweichung (Bias) enthalten, die durch die Verwendung unterschiedlicher Templates festgestellt werden kann. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht, wo das übertragene Profil bei (a) und das empfangene Profil (etwas idealisiert) bei (b) gezeigt ist. Ein Sortiment von Templates, die unterschiedlichen Graden der Mehrwegeverzerrung entsprechen, die bei (c1), (c2) usw. gezeigt sind, können mit den empfangenen Daten abgeglichen werden, und dasjenige, welches die beste Übereinstimmung ergibt, liefert eine Schätzung der Mehrwegeverzögerung.
Ein GSM-CURSOR-Positionierungssystem hat demnach gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung eine stationäre CBU, welche ständig die BCCHs von den sie umgebenden BTSs rollieren lässt und die Zeitversätze zwischen ihnen und dem mit dem internen Takt synchronen Template misst. Ihr lokaler Prozessor unterhält eine polynomiale Anpassung niedriger Ordnung zu den Zeitversätzen, so dass durch Interpolation ein Wert für jeden bestimmten Moment (wie zum Beispiel die Ankunft einer vorgegebenen Rahmennummer) erhalten werden könnte. Die Polynomialkoeffizienten oder die interpolierten Zeitversätze sind alles, was auf Anforderung an den CPP gesendet werden muss. Ein CURSOR-fähiger Handapparat in der Zelle unterhält einen ähnlichen Satz von Polynomialanpassungen. Dies kann durch ein Rollieren durch alle BCCHs innerhalb der Reichweite während der Leerlaufzeit geschehen, d. h. wenn kein Anruf durchgeführt wird und der Prozessor nicht viel tut. Sobald eine Positionsmessung erforderlich ist, werden die Polynomialkoeffizienten, die interpolierten Zeitversätze oder die Punkte um den Peak der Kreuzkorrelation in einem SMS-Paket an den CPP gesendet, zusammen mit einer Definition der Art der beschriebenen Messung, zum Beispiel, durch die Ankunft einer bestimmten Rahmennummer auf einem bestimmten Kanal. Solch eine Nachricht ist in Fig. 5 gezeigt. Eine Vier-Byte-Repräsentation der Anzahl von Millisekunden ergibt einen Bereich von ± 128 ms mit einer Auflösung, die ungefähr 2 cm eines Positionsfehlers entspricht. Die Kapazität des SMS-Pakets erlaubt daher viel mehr als die mindestens 3 BTSs, die für jede Positionsbestimmung zu verwenden sind, wodurch die Robustheit und Zuverlässigkeit der Messung erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung kann dem Telefonnetzbetreiber neben der oben beschrieben CURSOR-Positionierung auch noch einen zweiten Vorteil liefern. Auch wenn, wie oben bemerkt wurde, die CBUs die relativen Übertragungsverzögerungen des BTS- Netzwerks nicht messen müssen, um die Position der CRU zu bestimmen, so könnte man dennoch veranlassen, dass sie dies tun. Die Information könnte an die gebietsweisen Controller gesendet werden, wo sie zum "Synchronisieren" des Netzwerks der BTSs verwendet würden.
Die Erfindung weist daher ebenfalls ein System zum Synchronisieren eines GSM- oder ähnlichen digitalen Telefonnetzwerks durch die Verwendung der durch die stationären Empfänger an bekannten Standorten gemäß einem der oben erfindungsgemäß definierten Verfahren gemessenen Zeitversätze auf; dabei werden ebenfalls die so bestimmten Zeitversätze zum Synchronisieren des Netzwerks verwendet.
Normalerweise ist es nicht notwendig, physische Veränderungen vorzunehmen, um die Versätze auf Null zu verringern, doch reicht es aus, lediglich eine Abbildung der Versätze zu unterhalten, was es dem Netzwerk-Betriebssystem ermöglicht, in seinen Vorgängen entsprechend auf sie einzugehen. Die Vorteile eines "synchronisierten" Netzwerks sind zum Beispiel ein schnelleres und zuverlässigeres Weiterreichen zwischen benachbarten Zellen, während gerade durchgeführt werdende Anrufe zwischen ihnen wandern.
Bei einer regionalen oder nationalen Umsetzung eines erfindungsgemäßen Systems wird ein Netzwerk von CBUs, die im Bereich des GSM oder anderen mobilen digitalen Telefonsystems stationiert sind, verwendet werden. Ein benachbartes Paar solcher CBUs kann die Übertragungssignale von einem oder mehreren gemeinsamen BTSs empfangen, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Zu einer vorbestimmten Zeit, wie zum Beispiel beim Eintreffen einer bestimmten Rahmennummer von einem der BTSs führen beide CBUs eine Messung des Zeitversatzes des Eintreffens der Signale im Verhältnis zu ihrem internen Takt durch, wie oben beschrieben ist. Da die Positionen der CBUs und der BTSs alle bekannt sind, kann die erste der Gleichungen 7 zum Berechnen des Wertes von &epsi; verwendet werden, der nun den Zeitversatz zwischen den internen Takten der beiden CBUs repräsentiert. Durch die Durchführung ähnlicher Messungen zwischen allen nebeneinander liegenden Paaren von CBUs im Netzwerk ist es daher möglich, eine Abbildung der relativen Zeitversätze ihrer internen Takte zu erstellen und so das Netzwerk von CBUs zu synchronisieren.
Eine Synchronisierung des Netzwerks von CBUs auf diese Weise bringt mehrere Vorteile einschließlich der Folgenden. Zuerst können die Positionen von neu eingerichteten BTSs im Netzwerk nun im Verhältnis zu den bekannten Positionen der CBUs gemessen werden, indem Paare von CBUs verwendet werden, bei denen eine im Wesentlichen als die CRU betrachtet werden kann, jedoch stationär an einem bekannten Standort. Zum Beispiel sind in der ersten der Gleichungen 7 alle Variablen außer einer bekannt, so dass zwei Messungen der Signale eines neuen BTS zum Feststellen seiner Position ausreichen. Dadurch wird der CURSOR-Operator von dem BTS-Netzwerkoperator unabhängig. Zweitens können Fehler in der Position einzelner BTSs oder in der Synchronisation nebeneinander liegender CBUs erfasst werden, indem die im vorhergehenden Absatz beschriebenen Messungen über alle möglichen Kombinationen nebeneinander liegender Paare von CBUs und gemeinsamer BTSs wiederholt werden. Drittens bietet das synchronisierte Netzwerk von CBUs ein alternatives Mittel für die Erstellung einer Abbildung der Übertragungszeitversätze der BTSs, diesmal jedoch bezüglich einer gemeinsamen "CBU-Systemzeit" und nicht nur relativ zueinander. Eine der CBUs im Netzwerk könnte mit einer qualitativ hochwertigen Atomuhr ausgestattet werden, so wie zum Beispiel einem Wasserstoff-Maser oder einer Cäsiumstrahlvorrichtung, und als der Zeitstandard des gesamten Netzwerks verwendet werden.
Das Netzwerk von CBUs, ob es synchronisiert ist oder nicht, kann ebenfalls dazu veranlasst werden, eine periodische Abtastung des gesamten zugeteilten Frequenzbandes für das Auftauchen neuer BTS-Einheiten und ebenso von Veränderungen in den von vorher existierenden Einheiten verwendeten Frequenzkanälen durchzuführen. Daher ist es möglich, dass ein CURSOR-Operator, nachdem er sein regionales Netzwerk von CBUs eingerichtet hat, seinen Betrieb mit einem großen Grad der Unabhängigkeit vom BTS-Netzwerkoperator ausführt.
In der EP-A-0 303 371 ist beschrieben, wie die Position eines mobilen Empfängers unter Verwendung der Messung der Phase verfolgt werden kann, mit dem damit zusammenhängenden Vorteil einer viel größeren Präzision, als sie unter der Verwendung der hier beschriebenen Zeitmessungsverfahren erzielt werden kann. Manchmal kann es ein Vorteil sein, in einer praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung sowohl die Phase als auch die Zeit zu messen. Die in Phase befindlichen und um 90º phasenverschobenen Teile des empfangenen Signals können während der Messung des Zeitversatzes erhalten werden. Diese können zum Schätzen der Phase des empfangenen Signals verwendet werden. Wie oben erwähnt, sind die Phasenmessungen viel präziser als die Zeitversatzmessungen. Es kann daher von Vorteil sein, die Phasen- und Zeitversatzmessungen bei der Berechnung der Position der CRU oder der Positionsveränderung zu kombinieren.
Als Beispiel sei ein digitales GSM-Telefonnetzwerk betrachtet. Am Anfang des Positionsberechnungsvorgangs werden die Zeit- und Phasendifferenzen wie in der WO-A-97- 11384 und oben beschrieben berechnet. Dann werden die Messungen wiederholt. Die zweite Phasenmessung besteht aus der ersten Phasenmessung plus der Veränderung der Phase zwischen der ersten und der zweiten Messung. Die Phasen- und Zeitdifferenzen können als unterschiedliche Schätzungen der gleichen unbekannten Größen gesehen werden. Wenn daher sowohl die Phasen- als auch die Zeitdifferenzmessungen in zwei unterschiedlichen Epochen durchgeführt werden, reflektieren die Veränderungen dieser Messungen die Bewegung der mobilen Einheit. Da die Phasen- und Zeitdifferenz die gleiche Unbekannte messen, sollte die Differenz zwischen den beiden Sätzen von Phasenmessungen die gleiche sein wie die Differenz zwischen den beiden Sätzen von Zeitdifferenzmessungen, wenn sie entsprechend skaliert werden. Diskrepanzen zwischen diesen beiden werden hauptsächlich durch die Auswirkungen von Mehrwegeeffekten und Messungsrauschen verursacht. Allgemein ist es möglich, Messungen mit einer Präzision von einem Prozent der "Wellenlänge" des Signales zu erhalten, das gemessen wird. Dies entspricht einer Präzision von unter einem Zentimeter für die Phasenbeobachtungen, verglichen mit einer Präzision von ungefähr 10 Metern für die Zeitdifferenzbeobachtungen. Beide unterliegen Mehrwege- und Messrauschen, der resultierende Fehler kann für die Phasendaten jedoch wesentlich geringer sein.
Es kann von Vorteil sein, die zweite Zeitdifferenzmessung als die Summe der ersten Zeitdifferenzmessung und der Veränderung in der Phasenmessung (in geeigneter Weise skaliert) von der ersten zur zweiten Messepoche zu berechnen. Es ist ebenfalls möglich, die Phasendaten zum Berechnen einer verbesserten Zeitdifferenzmessung der ersten Epoche zu berechnen.
Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann das System daher sowohl die Phasendifferenz als auch die Zeitverzögerung zwischen dem Eintreffen der Signale an jedem der Empfänger messen, wobei diese Phasenmessungen zusätzlich zu den Zeitmessungen verwendet werden, um verbesserte Schätzungen der Zeitverzögerungen durchzuführen, um die Position des zweiten Empfängers zu bestimmen.
Die Erfindung weist ebenfalls einen Handapparat auf, mit
einem Referenztakt;
einer Einrichtung zum Erzeugen eines mit dem Referenztakt synchronisierten Referenzsignals, wobei das Referenzsignal ein ähnliches Format hat wie die Übertragungssignale und daher einen identischen Teil zum Teil des empfangenen Signals hat, das vorbestimmte Werte hat oder das wiederholt wird;
einer Einrichtung zum Vergleichen, zum Beispiel durch eine Kreuzkorrelation, des empfangenen Übertragungssignals und des Referenzsignals zum Bestimmen ihres relativen Zeitversatzes;
einer Einrichtung zum Übertragen von diesen relativen Zeitversatz repräsentierenden Daten, wodurch die Position des Handapparates festgestellt werden kann.
In der Praxis kann, wie oben erwähnt, ein Fehler aufgrund der Mehrwegepropagation dadurch entstehen, dass man kein genaues Wissen über die Wege hat, über welche die Signale die Empfänger erreichen. Die Mehrwegepropagation spreizt die Kreuzkorrelation, wodurch es schwieriger wird, die Position des Peaks zu schätzen. Sie kann auch zu einer Kreuzkorrelation mit vielen Peaks führen, wobei der erwünschte Peak eine kleinere Amplitude als andere hat. Wenn alle Signale auf indirekten Routen eintreffen, kann es sein, dass überhaupt kein Peak dem Luftlinien-Propagationsweg entspricht. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Mehrwegepropagation immer zu einer Verzögerung der Signale im Vergleich mit dem direkten Weg führt. Vorausgesetzt, die Basisstationsantenne ist in einem klaren Bereich über dem umgebenden Störbereich, so dass sie nur die direktesten Signale empfängt, dann erscheinen die verzögerten Signale beim Rover immer auf der späteren Seite des Peaks der Kreuzkorrelation.
Auch wenn die Auswirkungen der Mehrwegepropagation unter vielen Umständen relativ klein sein mögen und vielleicht durch das oben erwähnte Mehrfach-Template- Verfahren überwunden werden, wäre es oft wünschenswert, ihre Auswirkungen in einfacher Weise zu verringern.
Wir haben erkannt, dass die Auswirkungen einer Mehrwege-Porpagation durch das Identifizieren und Messen der Ankunftszeit eines von einer Sendequelle eintreffenden empfangenen Signals im Verhältnis zum mit dem Referenztakt synchronen Referenzsignal in der Zeit oder in einem äquivalent transformierten Raum durch die folgenden Schritte minimiert werden können:
Autokorrelieren eines gemessenen Teils des empfangenen Signals;
Konstruieren eines Templates mit einem Teil der Autokorrelation eines erwarteten Teils des empfangenen Signals und einem Teil der Autokorrelation eines Teils des gemessenen Teils des empfangenen Signals;
Kreuzkorrelieren des erwarteten Teils des empfangenen Signals mit dem gemessenen Teil des empfangenen Signals; und
Messen des Versatzes, mit dem das Template am besten auf die Kreuzkorrelation passt, als die Empfangszeit des durch eine Sendequelle gesendeten Signals im Vergleich zum Referenzsignal.
Die Erfindung umfasst daher auch einen mobilen Empfänger, z. B. einen Telefonhandapparat (Mobiltelefon), der eine Einrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens aufweist.
Es ist möglich, dieses Verfahren in äquivalenter Weise zum Beispiel im Fourier- Transformationsbereich durchzuführen, wobei in diesem Fall die Autokorrelationsfunktion zum Leistungsspektrum und die Kreuzkorrelationsfunktion zum Kreuzleistungsspektrum wird.
Die Signalteile, die leicht zu identifizieren sind und im Voraus bekannt sind, können im Fall eines GSM-Systems zum Beispiel die erweiterte Trainingssequenz sein. Im Fall eines CDMA-Systems können die Teile des Signals Pilot-Spreizcodes sein.
Die Einrichtung zum Konstruieren des Templates kann eine Einrichtung zum Kombinieren eines Teils der Autokorrelation eines erwarteten Teils des empfangenen Signals, welches Versatzzeiten vor derjenigen des zentralen Peaks des empfangenen Signals entspricht, mit einem Teil der Autokorrelation eines Teils des gemessenen Teils des empfangenen Signals, der Versatzzeiten nach derjenigen des zentralen Peaks entspricht, aufweisen.
Es folgt eine Beschreibung eines Beispiels einer bestimmten Umsetzung eines erfindungsgemäßen Systems anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schema eines CURSOR-Netzwerks;
Fig. 2 die Geometrie eines CURSOR-Netzwerks;
Fig. 3 Teile eines GSM-Signals und eines von einem Handapparat zu Korrelationszwecken erzeugten Templates;
Fig. 4a-d einen Satz idealisierter Signalprofile zum Veranschaulichen der Verwendung mehrfacher Templates zum Verringern der Auswirkungen einer Mehrwegepropagation;
Fig. 5 ein durch einen Handapparat übertragenes SMS-Paket;
Fig. 6 einen Teil eines Netzwerks von CBUs, die ein erfindungsgemäßes System einsetzen;
Fig. 7 ein Fließdiagramm eines Teils des in dem Beispiel durchgeführten Messvorgangs;
Fig. 8A bis 8D geschätzte und gemessene Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen von Signalen in dem System, die zum Verringern der Auswirkungen einer Mehrwegepropagation verwendet werden können;
Fig. 9 die Komponenten eines beispielhaften GSM-Netzwerk-Positionierungssystems;
und
Fig. 10 schematisch einen mobilen Handapparat zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Beispiels einer bestimmten Umsetzung eines erfindungsgemäßen Systems, wenn es auf ein digitales GSM-Mobiltelefonsystem angewendet wird. Wie oben beschrieben und wie in Fig. 9 veranschaulicht, weist ein GSM-CURSOR- System die folgenden Elemente auf: (a) ein Netzwerk von BTS-Einheiten 1A, 1B, 1C usw., die Signale, insbesondere BCCH-Signale, aussenden; (b) ein Netzwerk von CBUs 2A, 2B usw., das in dem Bereich aufgestellt wurde, das vom BTS-Netzwerk bedient wird, die die BCCH-Signale empfangen und an bekannten Orten stationär sind; (c) eine CPP-Einheit 3, durch welche die Positionen der mobilen Handapparate berechnet werden; und (d) mehrere CURSOR-fähige Handapparate 4, die CRUs, deren Positionen zu bestimmen sind.
Ein CURSOR-fähiger Handapparat (CRU) 4 verrichtet den größten Teil seiner Arbeit während der Leerlaufzeit (zum Preis eines geringfügig erhöhten Batterieverbrauchs). Daher wurden die CURSOR-Messungen zu dem Zeitpunkt schon durchgeführt, wenn der Benutzer in üblicher Weise einen Anruf durchführt.
Fig. 10 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Handapparats, der ein herkömmlicher digitaler zellularer Funkapparat (Mobiltelefon) sein kann, der zum erfindungsgemäßen Betrieb modifiziert wurde. Der Handapparat 4 weist eine Antenne 41 auf, die ein Signal an einen Empfänger 42 liefert, von dem das empfangene Signal an einen digitalen Signalprozessor (DSP) 43 weitergeleitet wird. Der digitale Signalprozessor 43 hat einen zugeordneten RAM 44 und ein ROM 45 oder etwas Ähnliches zum Enthalten der durch den DSP 43 verwendeten Software. Ein herkömmlicher Mikroprozessor oder ein zentraler Controller (CPU) 46 empfängt vom DSP verarbeitete Signale und hat ebenfalls einen zugeordneten RAM 47 und ROM oder etwas Ähnliches 48 zum Enthalten der Betriebssoftware. Die anderen normalen Komponenten eines zellularen Telefonhandapparates, z. B. Batterie, Tastenfeld, LCD-Anzeige usw. sind nicht gezeigt, da sie für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind. Zur Verwendung im Sinne der Erfindung werden der DSP 43 und der zugeordnete RAM 44, die unter der Steuerung eines modifizierten im ROM 45 gespeicherten Programms betrieben werden, zum Durchführen der benötigten Signalmessungen betrieben, und der Mikroprozessor 46 und der zugeordnete RAM 47 werden zum Messen der Zeitversätze unter der Steuerung eines modifizierten im ROM 48 gespeicherten Programms betrieben.
GSM-CURSOR-Messungen werden an den in Phase befindlichen (I) und in Quadratur befindlichen (Q) unverarbeiteten Datenabtastungen vom Analog-Digital-Wandler durchgeführt. Ungefähr 140 I- und Q-Abtastungen werden im Handapparat mit einer Abtastrate von ungefähr 541.000 Abtastungen pro Sekunde aufgezeichnet. Diese Daten werden vor einer DSP-Verarbeitung extrahiert, wie zum Beispiel einer Kanalentzerrung, weil die durch die Verarbeitung eingeführte Zeitverzögerung nicht genau bekannt ist.
Die I- und Q-Abtastungen werden wie folgt im DSP 43 verarbeitet. Für die Erfassung eines Markersignals (siehe Definition unten), wie zum Beispiel eines Frequenzkorrekturbursts, werden die I- und Q-Ausgangssignale zuerst kombiniert, wodurch ein standardmäßiges FM-Demodulator-Ausgangssignal entsteht, das aus der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Werten von tan&supmin;¹(Q/I) besteht, das im vollen Bereich von 0 bis 360 Grad berechnet wird. Ein Frequenzkorrekturburst (FCB) erscheint dann als ein Satz aufeinanderfolgender "Null"- oder "Eins"-Abtastungen und kann als solcher erkannt werden. Die Kreuzkorrelation zwischen dem erwarteten und dem aufgezeichneten Codesignal (siehe Definition unten) kann entweder an dieser gleichen demodulierten Serie oder unter der Verwendung der I- und Q-Werte selbst als die realen und imaginären Komponenten in einer komplexen Kreuzkorrelationsoperation durchgeführt werden.
Mindestens drei solcher Aufzeichnungen müssen an geometrisch diversen Sendesteuerungskanal(Broadcast Control Channel/BCCH)-Trägern durchgeführt werden, auch wenn in der Praxis fünf oder sechs durchgeführt werden. Die niedrige Datenspeicheranforderung hierfür ist ungefähr 140 · 2 = 280 Bytes pro Kanal. Bei einem Handapparat ist es normal, dass er eine Nachbarliste von bis zu sechs BCCHs in der Umgebung aufrecht erhält. Dies ist die Liste, die zum CURSOR-Betrieb verwendet wird. Die Rahmennummern des BCCH in der aktuellen Zelle werden dekodiert und als Zeitstempel fur jeden CURSOR-Messsatz verwendet. Der vollständige Satz von Aufzeichnungen, die beispielsweise auf sechs Kanälen durchgeführt wurden, wird synchron mit dem internen kristallgesteuerten Oszillator durchgeführt. Alle aufgezeichneten Daten werden zur sekundären Verarbeitung an den Controller-RAM kopiert.
Im Fall eines Handapparates, CRU 4, wird der GSM-CURSOR-Messvorgang in regelmäßigen Intervallen von zwischen 10 und 60 Sekunden während der Leerlaufzeit des Handapparates im DSP 43 (siehe Fig. 10) durchgeführt und wird unten anhand von Fig. 7 beschrieben. Jeder Vorgang dauert weniger als eine Sekunde. Zwei repetitive Eigenschaften einer BCCH-Sendung werden leicht identifiziert. Die erste davon werden wir als Marker- Signal und die zweite als Code-Signal bezeichnen, das zu einer bekannten Zeit nach dem Marker eintrifft. Das Markersignal könnte zum Beispiel ein Frequenzkorrekturburst (FCB) und das Codesignal ein Synchronisationsburst (SCH) sein. Es gibt auch viele andere Möglichkeiten. Der Handapparat wartet auf die Ankunft eines Markersignals und zeichnet das Codesignal auf (siehe Fig. 7). Der Vorgang beginnt bei Schritt 701, und die Liste von n Kanälen und ihre Frequenzen werden aus der Nachbarliste des Handapparates bezogen 702. Ein mit dem Referenzoszillator des Handapparates synchroner Zähler wird bei Schritt 703 rückgesetzt, und ein Index i wird auf Null gesetzt. In der Hauptverarbeitungsschleife 704-713 wird zuerst bei Schritt 704 der Index inkrementiert, und der Handapparat stimmt sich bei Schritt 705 auf den ersten BCCH in der Liste ab und wartet bei Schritt 706 auf die Ankunft des nächsten Markersignals. Wenn die Taktschrittzählung in Schritt 708 die der Ankunft des Codesignals entsprechende Nummer erreicht hat, wird dann bei Schritt 709 die Aufzeichnung von ungefähr 2 · 140 Bytes durchgeführt, und bei Schritt 711 wird die Rahmennummer notiert. Der Taktschrittzähler wird dann bei Schritt 712 aufgezeichnet, und je nachdem, ob die Kanalnummer geringer als n ist (Schritt 713), kehrt der Vorgang zu Schritt 704 zurück, und der Handapparat stimmt sich erneut auf den nächsten BCCH in der Liste ab und erwartet die Ankunft des nächsten Markersignals auf diesem Kanal. Wenn das Markersignal erfasst wird, wird der Wert des Taktschrittzählers aufgezeichnet, und nach der entsprechenden Wartezeit für das Codesignal werden weitere 2 · 140 Bytes aufgezeichnet. Dieser Vorgang wird für alle Kanäle auf der Liste wiederholt, indem zyklisch die Prozessschleife durchgegangen wird, bis bei Schritt 713 festgestellt wird, dass die Aufzeichnungen für alle n Kanäle durchgeführt wurden. Die aufgezeichneten Daten werden zur Speicherung im RAM 48 an den CPU- Controller 46 übertragen.
Der Handapparat-CPU-Controller, der Mikroprozessor 46, führt dann eine ganzzahlenbasierte Analyse der Daten durch, wobei die Ergebnisse in einem zyklischen Puffer im RAM 48 gespeichert werden, bei dem die ältesten Werte durch die jüngsten ersetzt werden. Bei dieser Analyse wird jede der Aufzeichnungen mit einem Template auf der Grundlage des erwarteten Codesignals (wie oben erwähnt, dem Synchronisationsburst SCH) kreuzkorreliert. Die Werte um den Peak der Kreuzkorrelation werden identifiziert und in komprimierter Form wie unten beschrieben im RAM 48 gespeichert. Wenn der Benutzer einen Anruf einleitet, bei dem die CURSOR-Funktionalität verwendet werden soll, werden die im zyklischen Ergebnispuffer vorhandenen Werte, welche die entsprechenden Taktzählwerte enthalten, in ein SMS-Paket gepackt, das dann an den CPP gesendet wird, wo der Standort des Handapparates bestimmt wird.
Die Daten, die an den CPP zu senden sind, können aus dem Folgenden bestehen:
die volle BTS-Identifikation für die aktuelle Zelle,
die gewählte Nummer, die dem Dienst entspricht, für den der Standort angefordert wurde,
die Rahmennummer des Synchronisationsbursts, der von der aktuellen Zelle aufgezeichnet wurde,
die Taktzählwerte für jeden der Kanäle,
die Datenrepräsentationen,
die Kurz-IDs für die gemessenen BTS.
Die CBU wird im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die CRU betrieben. Die Hauptunterschiede bestehen darin, dass (a) die CBU einen viel größeren Satz umgebender BCCH-Übertragungen überwacht (typischerweise 15-20), (b) die Messungen öfter durchgeführt werden, zum Beispiel alle fünf Sekunden, (c) die Daten unter der Verwendung einer beliebigen geeigneten Einrichtung, z. B. einer ISDN-Verbindung, an den CPP zurückgesendet werden, (d) in manchen Betriebsmodi die CBU einen Anruf an den CPP durchführt, wenn sie feststellt, dass eine Zeit-Drift einer ausreichenden Größe stattgefunden hat, und (e) die CBU in Netzwerk-Überwachungs- und Synchronisations-Betriebsarten, wie oben beschrieben, betrieben werden können.
Der CPP funktioniert typischerweise in einem CRU-aktivierten Modus. Ein eintreffendes CURSOR-SMS-Paket regt eine Abfrage der entsprechenden CBU oder CBUs zum Extrahieren der aufgezeichneten Daten an, die den Zeiten der CRU-Messungen entsprechen. Die CPP verwendet dann Standardverfahren, wie in unseren vorhergehenden Patentbeschreibungen, die oben erwähnt sind, beschrieben, um unter Verwendung der obigen Gleichungen 7 die Position der CRU zu berechnen. Die CPP kann zuerst eine interne Datenbank jüngerer CBU-Messungen befragen, um festzustellen, ob sie schon die erforderliche CBU-Information empfangen hat, bevor neue Daten von einer CBU angefordert werden.
Der oben erwähnte Komprimierungsvorgang ist für jede einer Anzahl von Kreuzkorrelationsvektoren der Folgende:
Die Werte, die identifiziert werden, sind der Peakwert c der Kreuzkorrelation und die beiden Werte unmittelbar in der Nachbarschaft auf jeder Seite des Peakwertes, b, a bzw. d, e, wodurch sie in der Reihenfolge a, b, c, d, e sind;
der Wert von a wird von den anderen Werten subtrahiert, wodurch sich Werte von 0 ergeben, b-a, c-a, d-a & e-a;
der größte dieser Werte ist c-a, und dieser Wert wird so skaliert, dass er einen Wert der 33-Bit-Zahl hat, die aus einer "1" besteht, die von 32 "Nullen" gefolgt wird, multipliziert mit einem Faktor x, besteht;
der gleiche Skalierungsfaktor x wird zum Multiplizieren von b-a, d-a & e-a verwendet, so dass sie äquivalent skaliert werden;
die unteren 24 Bit dieser Werte werden dann entfernt, wodurch in jedem Fall eine 8- Bit-Repräsentation zurückbleibt;
da der erste und der dritte der ursprünglichen Werte nun 0 bzw. 256 aufweisen, was bekannt ist, müssen nur die zweite, die vierte und die fünfte Zahl an den CPP gesendet werden, und da jede der drei resultierenden Zahlen in einer 8-Bit-Repräsentation dargestellt werden kann (d. h. einem Wert zwischen 0 und 255), wobei die ersten beiden positive 8-Bit- Ganzzahlen und die dritte eine signierte 8-Bit-Ganzzahl und jede daher ein einziges Byte ist, kann die Form der gesamten Korrelationskurve lediglich durch drei Datenbytes in der SMS- Nachricht repräsentiert werden.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Minimieren der Auswirkungen der Mehrwegepropagation wird unten im Zusammenhang mit den begleitenden Fig. 8A bis 8D beschrieben, die geschätzte und gemessene Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen von Signalen im System veranschaulichen, wie unten beschrieben ist.
Wie oben erwähnt, erlaubt ein Messen der Ankunftszeit der am frühesten ankommenden der Exemplare eines solchen zusammengesetzten Mehrwegesignals im Verhältnis zu einem internen Referenzsignal des mobilen Empfängers, diesen Fehler zu minimieren. Dieses Beispiel der vorliegenden Erfindung nutzt die leicht zu identifizierenden Signalstrukturen, die so konzipiert sind, dass sie gute Autokorrelationseigenschaften haben, z. B. die erweiterten Trainingssequenzen in einem GSM-Digital-Zellularnetz, und ist in den Fig. 8A bis 8D gezeigt. Die Autokorrelationsfunktion der erweiterten Trainingssequenz in einem GSM-Signal (das in Fig. 8A gezeigt ist) ist wohl bekannt. Die linke Seite (die der negativen Zeitachse entspricht) wird als die linke Seite einer geschätzten Kreuzkorrelationsfunktion (die in Fig. 8C gezeigt ist) der empfangenen Signale und der erwarteten erweiterten Trainingssequenz verwendet. Die rechte Seite der Autokorrelationsfunktion der gemessenen erweiterten Trainingssequenz (die in Fig. 8B gezeigt ist und der positiven Zeitachse entspricht) wird als die rechte Seite der geschätzten Kreuzkorrelationsfunktion (Fig. 8C) verwendet. Die empfangenen Signale werden mit der erwarteten erweiterten Trainingssequenz und der resultierenden gemessenen Kreuzkorrelationsfunktion (die in Fig. 8D gezeigt ist) kreuzkorreliert und mit der geschätzten Kreuzkorrelationsfunktion (Fig. 8C) zum Ermitteln des Zeitversatzes verglichen.

Claims

1. Positionierungssystem mit mindestens zwei Empfängern eines digitalen Telefonnetzwerks mit mehreren Sendequellen (1A-1C), wobei der erste (2A, 2B) der Empfänger an einem bekannten Standort und der zweite (4) ein mobiler Empfänger ist, dessen Position zu bestimmen ist, wobei das System Übertragungssignale verwendet, die ein Format haben, von dem mindestens ein Teil vorbestimmte Werte hat oder von dem ein Teil wiederholt wird, wobei jeder Empfänger aufweist:

- einen Referenztakt;

- eine Einrichtung (43) zum Erzeugen eines mit dem Referenztakt synchronisierten Referenzsignals in jedem Empfänger, wobei das Referenzsignal ein ähnliches Format zu demjenigen der Übertragungssignale hat, und daher ein Teil mit demjenigen Teil des empfangenen Signals identisch ist, der vorbestimmte Werte hat oder der wiederholt wird; und

- eine Einrichtung (46) in jedem Empfänger zum Vergleichen des empfangenen Übertragungssignals und des Referenzsignals zum Bestimmen ihres relativen Zeitversatzes, wodurch die Position des zweiten Empfängers dadurch bestimmt werden kann, dass die Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden an beiden Empfängern empfangenen Signale festgestellt wird.

2. Positionierungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Referenzsignal aus den bekannten Eigenschaften des Übertragungssignals erzeugt wird.

3. Positionierungssystem nach Anspruch 2, bei dem das Referenzsignal aus einer ersten empfangenen Sendung erzeugt wird.

4. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter mit einem zentralen Prozessor (3), wobei der zentrale Prozessor von den Empfängern (2A/2B, 4) Daten empfängt, welche die relativen Zeitversätze der am jeweiligen Empfänger von den Sendequellen (1A-1C) empfangenen Übertragungssignale repräsentieren und zum Bestimmen der Position des zweiten Empfängers (4) durch Bestimmen der Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden bei beiden Empfängern empfangenen Signalen aus den relativen Zeitversätzen geeignet sind.

5. Positionierungssystem nach Anspruch 4, bei dem der zentrale Prozessor (3) die Daten von den Empfängern (2A/2B, 4) über eines oder mehrere Pakete eines Datendienstes in einem GSM-Netzwerk empfängt.

6. Positionierungssystem nach Anspruch 4 oder Anspruch 5. bei dem die Position des mobilen Empfängers (4) repräsentierende Daten vom zentralen Prozessor (3) gesendet werden.

7. Positionierungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Position des mobilen Empfängers repräsentierende Daten vom zentralen Prozessor (3) an den mobilen Empfänger (4) gesendet werden.

8. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Sendesignale Steuerkanalsignale sind.

9. Positionierungssystem nach Anspruch 8, bei dem die Sendesignale BCCH-Signale eines GSM-Netzwerkes aufweisen.

10. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Sendesignale nummerierte TDMA-Rahmen aufweisen, die in vorbestimmten Intervallen wiederholt werden, und bei dem die Empfänger so ausgelegt sind, dass sie Aufzeichnungen der Sendesignale aus den Sendequellen im Verhältnis zur Ankunftszeit eines vorgegebenen nummerierten Rahmens herstellen, wodurch der Start dieser Aufzeichnungen synchronisiert wird.

11. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das so ausgelegt ist, dass die Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden bei beiden Empfängern (2A/2C, 4) zu einer Zeit festgestellt wird, wenn der mobile Empfänger (4) sonst nicht beschäftigt ist.

12. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Empfänger (2A/2C, 4) Mehrkanalempfänger sind.

13. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem Messungen sowohl der Phasendifferenz als auch der Zeitverzögerung zwischen der Ankunft der Signale beim jeweiligen der Empfänger (2A/2C, 4) festgestellt werden, wobei die Phasenmessungen zusätzlich zu den Zeitmessungen verwendet werden, um verbesserte Schätzungen der Zeitverzögerungen vorzunehmen, um die Position des zweiten Empfängers (4) zu bestimmen.

14. Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer Einrichtung zum Minimieren der Auswirkungen einer Mehrwegepropagation durch Identifizieren und Messen der Ankunftszeit eines von einer Sendequelle (1A-1C) kommenden empfangenen Signals, im Verhältnis zu einem mit einem internen Referenztakt synchronisierten Referenzsignal in der Zeit oder in einem äquivalent transformierten Raum, wobei die Einrichtung

- einen gemessenen Teil dieses empfangenen Signals autokorreliert;

- ein Template konstruiert, das einen Teil der Autokorrelation eines erwarteten Teils des empfangenen Signals und einen Teil der Autokorrelation eines Teils des gemessenen Teils des empfangenen Signals umfasst;

- den erwarteten Teil des empfangenen Signals mit dem gemessenen Teil des empfangenen Signals kreuzkorreliert, und

- den Versatz misst, mit dem das Template am besten auf die Kreuzkorrelation passt, als die Ankunftszeit des durch eine Sendequelle ausgesendeten Signals im Verhältnis zum Referenzsignal.

15. Positionierungssystem nach Anspruch 14, bei dem die Einrichtung zum Konstruieren des Templates eine Einrichtung zum Kombinieren eines Teils der Autokorrelation eines erwarteten Teils des empfangenen Signals, das Versatzzeiten vor dem zentralen Peak des empfangenen Signals entspricht, mit einem Teil der Autokorrelation eines Teils des gemessenen Teils des empfangenen Signals, das Versatzzeiten nach denjenigen des zentralen Peaks entspricht, aufweist.

16. Digitales Telefonnetzwerk mit einem Positionierungssystem nach einen der vorhergehenden Ansprüche.

17. Digitales Telefonnetzwerk nach Anspruch 16, weiter mit mehreren stationären Empfängern (2A, 2C) an bekannten Standorten; und einer Einrichtung zum Synchronisieren des Netzwerks durch Ermitteln der Zeitversätze, welche durch die mehreren stationären Empfänger gemessen wurden.

18. Digitales Telefonnetzwerk nach Anspruch 16, weiter mit mehreren stationären Empfängern (2A, 2C) an bekannten Standorten, wobei jeder der Empfänger einen internen Takt hat; und einer Einrichtung zum Synchronisieren der stationären Empfänger durch Ermitteln der Zeitversätze ihrer entsprechenden internen Takte.

19. Digitales Telefonnetzwerk nach Anspruch 18, weiter mit einer Einrichtung zum Synchronisieren des Netzwerkes durch Ermitteln von Sendezeitversätzen der Sendequellen (1A-1C) von den stationären Empfängern (2A, 2C).

20. Digitales Telefonnetzwerk nach Anspruch 18, weiter mit einer Einrichtung zum Ermitteln der Position einer Sendequelle (1A-1C) aus den stationären Empfängern (2A, 2C).

21. Handapparat (4) für ein digitales Telefonnetzwerk, das ein Positionierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist, wobei der Handapparat folgende Elemente aufweist:

- einen Referenztakt;

- eine Einrichtung (43) zum Erzeugen eines mit dem Referenztakt synchronisierten Referenzsignals, wobei das Referenzsignal ein den Sendesignalen ähnliches Format und daher einen Teil hat, der mit demjenigen Teil des empfangenen Signals identisch ist, der vorbestimmte Werte hat oder der wiederholt wird;

- eine Einrichtung (46) zum Vergleichen der empfangenen Sendesignale und des Referenzsignals zum Bestimmen ihres relativen Zeitversatzes;

- eine Einrichtung (42) zum Senden von den relativen Zeitversatz repräsentierenden Daten, wodurch die Position des Handapparates bestimmt werden kann.

22. Verfahren zum Bestimmen der Position eines mobilen Empfängers in einem digitalen Telefonnetzwerk-Positionierungssystem mit mindestens zwei Empfängern (2A/2C, 4), von denen der erste (2A/2C) an einem bekannten Standort und der zweite (4) mobil ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Senden von Signalen von mehreren Quellen (1A-1C); wobei die Sendesignale ein Format haben, von dem mindestens ein Teil vorbestimmte Werte hat oder von dem ein Teil wiederholt wird;

- Bestimmen des Zeitversatzes der bei jedem Empfänger (2A/2C, 4) von einer Sendequelle eintreffenden empfangenen Sendesignalen im Verhältnis eines Referenztaktes des jeweiligen Empfängers, durch Erzeugen eines mit dem Referenztakt synchronisierten Referenzsignals, wobei das Referenzsignal ein ähnliches Format hat wie die Sendesignale und einen Teil aufweist, der mit den vorbestimmten Werten oder dem wiederholten Teil des empfangenen Signals identisch ist, und Vergleichen des empfangenen Sendesignals und des Referenzsignals; und

- Feststellen der Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden Signalen, die an beiden Empfängern (2A/2C, 4) empfangen wurden, durch Feststellen ihres relativen Zeitversatzes, um so die Position des zweiten Empfängers (4) zu bestimmen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Referenzsignal aus den bekannten Eigenschaften des Sendesignals erzeugt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Referenzsignal aus einer ersten empfangenen Sendung erzeugt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei Daten, welche die relativen Zeitversätze der Sendesignale repräsentieren, die beim jeweiligen Empfänger von den Sendequellen ausgehend empfangen werden, von einem zentralen Prozessor (3) von den Empfängern (2A/2C, 4) ausgehend empfangen werden, und die Position des zweiten Empfängers (4) dadurch berechnet wird, dass die Zeitverzögerung zwischen den entsprechenden Signalen, die bei den beiden Empfängern empfangen wurden, aus den relativen Zeitversätzen bestimmt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Daten von den Empfängern (2A/2C, 4) beim zentralen Prozessor in einem oder mehreren Paketen eines Datendienstes in einem GSM-Netzwerk empfangen werden.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, bei dem die Position des mobilen Empfängers (4) repräsentierende Daten vom zentralen Prozessor (3) gesendet werden.

28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Position des mobilen Empfängers (4) repräsentierende Daten vom zentralen Prozessor (3) an den mobilen Empfänger gesendet werden.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem die Sendesignale Steuerkanalsignale sind.

30. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Sendesignale BCCH-Signale in einem GSM-Netzwerk aufweisen.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem die Sendesignale nummerierte TDMA-Rahmen aufweisen, die zuvor in bestimmten Intervallen wiederholt werden, und wobei die Empfänger (2A/2C, 4) Aufzeichnungen der Sendesignale von den Sendequellen im Verhältnis zur Ankunftszeit eines vorgegebenen nummerierten Namens herstellen, wodurch der Start der Aufzeichnungen synchronisiert wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, wobei die Zeitverzögerung zwischen entsprechenden an beiden Empfängern (2A/2C, 4) empfangenen Signalen zu einer solchen Zeit festgestellt wird, zu der der mobile Empfänger (4) keine Sprachdaten sendet.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, bei dem Messungen sowohl der Phasendifferenz als auch der Zeitverzögerung zwischen der Ankunft der Signale am jeweiligen der Empfänger (2A/2C, 4) festgestellt werden, wobei die Phasenmessungen zusätzlich zu den Zeitmessungen verwendet werden, um verbesserte Schätzungen der Zeitverzögerungen vorzunehmen, um die Position des zweiten Empfängers (4) zu bestimmen.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, bei dem die Auswirkungen einer Mehrwegepropagation dadurch minimiert werden, dass die Ankunftszeit eines von einer Sendequelle (1A-1C) empfangenen Signals im Verhältnis zu einem mit einem Referenztakt synchronisierten Referenzsignal in der Zeit oder einem äquivalent transformierten Raum identifiziert und gemessen wird, mit den folgenden Schritten: Autokorrelieren eines gemessenen Teils des empfangenen Signals;

- Konstruieren eines Templates, das einen Teil der Autokorrelation eines erwarteten Teils des empfangenen Signals und einen Teil der Autokorrelation eines Teils des gemessenen Teils des empfangenen Signals aufweist;

- Kreuzkorrelieren des erwarteten Teils des empfangenen Signals mit dem gemessenen Teil des empfangenen Signals; und

- Messen des Versatzes, bei dem das Template am besten auf die Kreuzkorrelation passt, als die Ankunftszeit des durch eine Sendequelle ausgesendeten Signals im Verhältnis zum Referenzsignal.

35. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem das Template dadurch konstruiert wird, dass ein Teil der Autokorrelation eines erwarteten Teils des empfangenen Signals, der Versatzzeiten vor derjenigen des zentralen Peaks des empfangenen Signals entspricht, mit einem Teil der Autokorrelation eines Teils des gemessenen Teils des empfangenen. Signals, das Versatzzeiten nach derjenigen des zentralen Peaks entspricht, kombiniert wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 35, bei dem aus dem Vergleich resultierende Werte durch ein Verfahren komprimiert werden, bei dem:

- der größte Wert und die Werte in unmittelbarer Nachbarschaft und zu beiden Seiten des größten Wertes identifiziert werden,

- der niedrigste Wert auf einer Seite von den anderen Werten subtrahiert wird, um einen Satz resultierender Werte herzustellen;

- der größte resultierende Wert durch einen ausgewählten Faktor skaliert wird, um einen bekannten Wert zu haben;

- die anderen resultierenden Werte mit dem gleichen Faktor skaliert werden;

- die niedrigstwertigen Bits in jedem Fall dann entfernt werden, wodurch die höchstwertigen Bits als Repräsentationen in jedem Fall übrig bleiben;

- die niedrigsten und höchsten Repräsentationen verworfen werden, da sie bekannt sind; und

- nur die verbleibenden Repräsentationen zum Repräsentieren der Ergebnisse des Vergleichs verwendet werden.