EP4666088A1 - Verfahren zur rechnergestützten ermittlung des verlaufs einer anzahl von ausbreitungspfaden von funkwellen zwischen einem sender und einem empfänger eines funknetzes, zugehörige vorrichtung, computerprogrammprodukt und computerprogramm - Google Patents

Verfahren zur rechnergestützten ermittlung des verlaufs einer anzahl von ausbreitungspfaden von funkwellen zwischen einem sender und einem empfänger eines funknetzes, zugehörige vorrichtung, computerprogrammprodukt und computerprogramm

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Publication number
EP4666088A1
EP4666088A1 EP24704115.5A EP24704115A EP4666088A1 EP 4666088 A1 EP4666088 A1 EP 4666088A1 EP 24704115 A EP24704115 A EP 24704115A EP 4666088 A1 EP4666088 A1 EP 4666088A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
propagation path
object positions
path
receiver
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24704115.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Schmidhammer
Christian GENTNER
Stephan Sand
Benjamin Siebler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4666088A1 publication Critical patent/EP4666088A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/18—Network planning tools
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/391—Modelling the propagation channel
    • H04B17/3911—Fading models or fading generators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0273—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves using multipath or indirect path propagation signals in position determination

Definitions

  • the invention relates to a method for the computer-aided determination of the course of a number of propagation paths of radio waves between a transmitter and a receiver of a radio network.
  • radio waves between a transmitter and a receiver are generally transmitted not only on a direct connection between the transmitter and receiver, but also via so-called multi-path propagation paths with the interposition of reflections and scattering.
  • the information about the course of the existing propagation paths of radio waves between transmitter and receiver can be used, for example, in the context of passive localization to determine the position of the object via the attenuation of radio waves caused by the propagation paths of an object to be localized.
  • passive localization is described, for example, in the document [1].
  • P2930PC00 conclusions can be drawn about the geometry of the spatial area in which the radio network is installed from the course of propagation paths.
  • ray tracing methods in the prior art that use models of the environment to determine the transmission paths of radio waves. Ray tracing methods do not include any verification of whether the propagation paths determined thereby actually occur in the corresponding spatial environment.
  • the object of the invention is to obtain the course of one or more propagation paths of radio waves in a radio network from radio signal measurements. This object is achieved by the method according to patent claim 1. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
  • the method according to the invention provides a computer-aided or computer-implemented method for determining the course of a number of propagation paths (ie at least one propagation path) of radio waves between a transmitter and a receiver of a radio network.
  • the positions of the transmitter and receiver are known in advance and are fixed during the execution of the method.
  • the radio network covers a spatial area and a respective propagation path represents a transmission path of the radio waves of the radio network in the spatial area between the transmitter and the receiver.
  • the method preferably serves to determine the course of multipath propagation paths along which reflections have occurred in the spatial area.
  • the course of the propagation paths is preferably determined in a two-dimensional representation of the spatial area, in particular with respect to a top view of the spatial area (ie in a horizontal section plane of the spatial area).
  • a measurement is accessed that is currently being carried out or has already been completed. It is thus P2930PC00 enables access to corresponding measurement data from the measurement currently being carried out or already completed.
  • a large number of object positions in combination with the respective radio signals of the radio network are or were recorded for one or more objects that are moving in the spatial area.
  • radio signals includes those measurable signals of the radio network from which the number of signal values described below can be obtained.
  • moving object is to be understood broadly. In particular, an object does not necessarily have to be a moving object, but can also be a human user who is moving in the spatial area. The object can also be an animal.
  • a number of signal values are determined for a respective object position, whereby a respective signal value of the number of signal values belongs to a propagation path and is a signal strength measure of the radio waves that are received at the receiver on this propagation path at the time the respective object position is detected.
  • the term signal strength measure is to be understood broadly and can include any value that represents the strength of the incoming radio waves.
  • the signal strength measure can be represented by the received power on the corresponding propagation path or depend on this power.
  • the determination of corresponding signal values or signal strength measures that belong to a propagation path is known per se from the prior art.
  • this information can be determined using known channel estimation methods from a channel impulse response at the receiver in response to a radio signal pulse at the transmitter.
  • the method described in publication [2] can be used as channel estimation.
  • P2930PC00 In a step b) of the method according to the invention, a map of the spatial region is determined for a respective propagation path, in which object positions from at least some of the plurality of object positions are marked. For a marked object position, the signal value belonging to the respective propagation path is attenuated according to a predetermined criterion compared to an average of the signal values belonging to the respective propagation path across all object positions of at least some of the plurality of object positions.
  • Step b) thus highlights those object positions where the object is currently on or near the propagation path under consideration.
  • the term map represents a digital representation of an image of the spatial region in which object positions are marked. The map itself does not have to be visualized.
  • a step c) of the method according to the invention a number and in particular a plurality of lines are extracted from the map that was determined for the respective propagation path, along which the marked positions extend in the spatial area.
  • the extraction of the number of lines can be carried out using a method known per se.
  • the number of lines is extracted using a Hough transformation.
  • the course of the respective propagation path is finally determined from the number of lines, the course being composed of one or more connected sections of at least part of the number of lines.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that by determining object positions for which signal attenuation of radio waves occurs, the course of the propagation path attenuated by the object can be determined in a simple manner by line extraction.
  • the course of the respective propagation paths is thus not obtained purely by modeling, but rather P2930PC00 from measured radio signals.
  • the course of the propagation paths can be used, for example, to verify the results of ray tracing methods.
  • the course of the propagation paths can also be processed in a method for passive localization, such as in the method described in document [1].
  • information about the geometry of the spatial area in which the radio network is installed can be obtained from the measured courses of the propagation paths.
  • step a) a number of delay values is determined for a respective object position in addition to the number of signal values, whereby a respective delay value belongs to a propagation path and is a measure of the transmission time of the radio waves on this propagation path from the transmitter to the receiver. Analogous to the signal values, these delay values can be obtained using known channel estimation methods, such as the method described in document [2].
  • the delay value can represent any value that represents the transmission time of the radio waves between the transmitter and receiver.
  • the delay value can directly represent the transmission time or the length of the propagation path along which the radio waves propagate.
  • a large number of object positions of a single object moving in the spatial area are or were recorded during the measurement accessed in step a).
  • the corresponding spatial area can be very well recorded by measurements based on several objects. P2930PC00. Furthermore, falsification of the measurements is avoided by only taking into account measurement data in which a single object was present in the spatial area.
  • the object positions are or were recorded by optical distance measurement in the measurement accessed in step a). A tachymeter can be used for this, for example.
  • a corresponding measuring device on the respective objects can be dispensed with and an optical rangefinder set up in the spatial area can be used instead.
  • the object positions can also be recorded by satellite-based positioning, whereby the respective objects contain a receiver for satellite signals for this purpose.
  • a visualization is generated for a respective propagation path on a display of a user interface.
  • the spatial area is reproduced in the visualization, wherein the course of the respective propagation path determined in step d) is also shown in the reproduced spatial area and/or the signal value that was determined for the respective object position in step b) and belongs to the respective propagation path is displayed in visually coded form for at least some of the object positions.
  • the predetermined criterion in step b) is designed such that in a digital image of the spatial region in which the signal values for all object positions of the at least part of the plurality of object positions are represented as pixel values, for example as gray values, at the respective object positions, the marked object positions are identified as part of an edge by an edge extraction method.
  • the predetermined criterion in step b) is designed such that those object positions of the at least part of the plurality of object positions are marked for which the signal values each fall below a predetermined threshold value.
  • step d) a plurality of paths are formed from the number of lines, each of which is composed of connected sections of at least part of the number of lines, with a respective path beginning with a section of a line at the transmitter and ending with a section of a line at the receiver. From the plurality of paths, one path is then identified as the respective propagation path.
  • This propagation path is preferably identified as a function of the delay value, which can be determined in step a) in addition to the number of signal values for each propagation path. From the plurality of paths, the path whose path length has the smallest deviation from the length of the respective propagation path according to the delay value associated with it is identified as the propagation path. Using this criterion, a propagation path can be easily identified.
  • the method according to the invention can be used in any radio network.
  • a WLAN network from the IEEE 802.11 standard family can be used as a wireless network, e.g. WiFi 6 (IEEE 802.11ax standard).
  • the radio network can be a mobile radio network (e.g. 5G or 6G).
  • the invention relates to a device for the computer-aided determination of the course of a number of propagation paths of radio waves between a transmitter and a receiver of a radio network, wherein the device is set up to carry out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention.
  • the invention also relates to a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer. Furthermore, the invention relates to a computer program with a program code for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer. Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the attached figures. There are shown: Fig.
  • FIG. 1 a schematic plan view of a spatial area with a radio network extending therein, on the basis of which an embodiment of the method according to the invention is explained;
  • P2930PC00 Fig.2 is a diagram illustrating a measured channel impulse response for a radio signal of the radio network from Fig.1;
  • Fig.3 is a diagram illustrating the signal strength change for a propagation path from Fig.1 taking into account the movement of the user shown in Fig.1;
  • Fig.4 is a visualization of a signal attenuation map for the movement of the user shown in Fig.1;
  • Fig.5 is a further visualization of a signal attenuation map for another movement of the user from Fig.1;
  • Fig.6 is a schematic plan view analogous to Fig.1, using which a further embodiment of the method according to the invention is explained;
  • Fig.7 is a visualization of a signal attenuation map that was generated based on movements of several users in the spatial area;
  • the radio network comprises a large number of network nodes or access points, each of which can send and receive corresponding radio signals.
  • Fig.1 two of these network nodes are shown as black dots as an example.
  • the radio signal from the network node TR which acts as a transmitter, is evaluated.
  • This radio signal is received by the network node RE, which acts as a receiver.
  • the network node TR can also receive radio signals and the network node RE can also send radio signals.
  • the P2930PC00 radio network in the embodiment described here is based on the UWB standard (IEEE 802.15-4 family).
  • the radio network can also be based on a different standard, such as WLAN (IEEE 802.11 family).
  • the radio network can also be a cellular network.
  • the aim of the method described here is to determine the course of propagation paths of the radio waves within the spatial area R with the help of a moving object O by evaluating the radio signals received by the receiver RE.
  • this object is a human user who moves along a trajectory L, whereby the radio signal received by the receiver RE is recorded and evaluated at the exemplary times t 0 , t 1 , t 2 and t 3 , which correlate with object positions PO0, PO1, PO2 and PO3.
  • the spatial area R is delimited by two walls 1 and 2 and contains a scattering object 3 in addition to the network nodes TR and RE.
  • the dominant signal propagation paths between the transmitter TR and the receiver RE are indicated by lines with corresponding reference symbols PA1, PA2, PA3 and PA4.
  • the propagation path PA2 represents a path with a reflection of the radio waves on the wall 1
  • the propagation path PA3 represents a path with a reflection of the radio waves on the wall 2.
  • the propagation path PA4 is a path in which the radio waves are scattered by the scattering object 3.
  • the aim is to determine the previously unknown course of the multipath propagation paths PA2, PA3 and PA4.
  • the form of the radio signals received at the receiver RE is explained first, before the determination of the course of the propagation paths is discussed in more detail.
  • the individual signal components received via the various propagation paths are determined based on the different lengths of the P2930PC00 Propagation paths with different propagation delays are received.
  • This results in a channel impulse response CIR from a received radio signal which is a superposition of the signal components of the various propagation paths between the transmitter TR and receiver RE that are attenuated along the signal transmission.
  • the channel impulse response CIR is the sum of an infinite number of propagation paths.
  • the receiver RE can only detect signals whose power is above a certain sensitivity threshold.
  • Fig.2 shows an example of the channel impulse response measured by the receiver RE for a radio signal pulse transmitted by the transmitter TR in accordance with the UWB standard IEEE 802.15-4a.
  • the propagation distance ⁇ ⁇ ⁇ (delay time multiplied by the speed of light) in meters is plotted along the abscissa, and the amount A of the signal amplitude (i.e. the signal strength in the form of the received signal power) is plotted along the abscissa.
  • the corresponding signal propagation paths result as peaks in the channel impulse response, with the propagation paths associated with the peaks being referenced by the reference symbols PA1 to PA4 of these paths.
  • the channel impulse response h( ⁇ ⁇ , ⁇ ) can be described at discrete times ⁇ ⁇ of signal detection by a finite number of N signal components corresponding to the different propagation paths as follows:
  • ⁇ ( ⁇ ) denotes the Dirac distribution.
  • Each signal component corresponds to a propagation path and is characterized by the time-varying propagation delay ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) and the time-varying complex amplitude ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ).
  • P2930PC00 stationary network nodes ie a stationary transmitter TR and a stationary receiver RE
  • the received radio signal is limited in bandwidth, i.e. it is sampled in the time domain with a resolution of 1/B, where B is the bandwidth. Consequently, the signal amplitude of a single sample is a sum of different contributions. Furthermore, the received radio signal is influenced by noise.
  • the channel impulse response CIR is measured and from this the amplitude ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) and propagation delay ⁇ ⁇ for the corresponding signal component (i.e. the corresponding propagation path) are obtained using a channel estimate known per se.
  • the propagation delay only needs to be determined for one point in time ⁇ ⁇ , since the network nodes are stationary.
  • the propagation delay can be a value averaged over the points in time ⁇ ⁇ .
  • is then determined from the amplitude ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) .
  • the change in signal strength or the signal strength relative to the averaged signal strength is thus given as follows:
  • the channel estimation is carried out to determine the amplitude ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) and the propagation delay ⁇ ⁇ based on the algorithm from the publication [2].
  • other known algorithms for channel estimation can also be used.
  • Fig.3 shows, as an example, the signal strength change ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) in dB determined for the scenario in Fig.1 for the propagation path PA2 as a function of time t.
  • the detection times t 0 to t 3 are highlighted by dashed vertical lines according to Fig.1.
  • the object or the user therefore has a strong influence on the received signal strength. This influence is used in the method according to the invention to determine the course of the corresponding propagation paths of the radio signals in the spatial area, as will be explained in more detail below.
  • the starting point for all embodiments described here is the above-described detection of the signal strength changes for corresponding signal components or propagation paths by means of a channel estimation, whereby at the time the corresponding signal strength change occurs, the position of an object in the spatial area covered by the radio network is also detected at the same time.
  • the corresponding position of an individual user O who is moving along the trajectory L is tracked.
  • the user's position can be detected in various ways.
  • the data is recorded by an external measuring device that continuously records the user's position, for example optically using a tachymeter.
  • the user's position can also be recorded using a signal measurement within the radio network.
  • the user carries a terminal device with a transmitting and receiving unit in accordance with the radio network standard, whereby the user's position is determined by measuring the runtime of the radio signals between the network nodes and the terminal device.
  • the terminal device carried by the user transmits a beacon as a radio signal with the transmission time encoded in it.
  • the beacon is received by the network nodes, whereupon the P2930PC00
  • the user's position is estimated using the signal propagation time of the beacon to the network nodes.
  • the individual network nodes transmit beacons that are received by the user's terminal, which in turn estimates the user's position using the signal propagation times of the beacons and then transmits them to a central backend server.
  • a central backend server is used in which the user's position data is stored or estimated and the signal strength changes are determined based on the channel impulse responses, which are measured in the receiver RE and transmitted to the backend server.
  • the determination of the course of the propagation paths according to the invention preferably also takes place in the backend server, although another computer can also be used for this if necessary, provided that the data required to determine the course of the propagation paths is transmitted to it.
  • Fig.4 shows a visualization of the spatial area R from Fig.1, which is shown on a display of a user interface as part of an embodiment of the method according to the invention.
  • the reference symbols shown in Fig.4 are not part of the visualization.
  • the visualization in Fig.4 shows the propagation path PA2, the course of which is determined as part of the method according to the invention.
  • the visualization also shows the path traveled by the user or object O along the trajectory L, with the signal strength changes that were determined at respective times for corresponding positions of the user during his movement being color-coded on the line L, which is not apparent from the black and white representation in Fig.4.
  • the color coding is used to convey that the signal strengths are attenuated, which is due to the fact that the user is on or near the propagation path PA2.
  • the signal attenuation is thus visible from Fig.4, so that this visualization can also be understood as a signal attenuation map for the propagation path PA2.
  • P2930PC00 Fig.5 shows a visualization analogous to Fig.4, whereby the trajectory L of the user is now considerably longer and crosses the propagation path PA2 more often.
  • the signal strength changes are again color-coded, with signal attenuations in Fig.5 again indicated by dashed sections D.
  • the course of the propagation path PA2 is indicated by the positions of the individual attenuated sections D, since when the corresponding attenuations occur, the propagation path is crossed by the object or by the user O. Since in the visualization of Fig.5 the course of the propagation path is already conveyed by the signal attenuations shown, the explicit reproduction of the propagation path can also be dispensed with in this visualization if necessary.
  • the signal strength changes are determined for positions of an individual user O who is moving in the spatial area R. In a modified embodiment, however, it is also possible for the corresponding signal strength changes to be determined cooperatively, taking into account multiple movement trajectories of users in the corresponding spatial area.
  • Fig.6 shows the same spatial area R and the same radio network with the transmitter TR and the receiver RE as Fig.1.
  • the signal strength changes are recorded at a plurality of times t 1 to t M and t M+1 to t N.
  • an object O in the form of a user moves along the trajectory L in the spatial area R
  • another object or another user O' moves along the trajectory L' in the spatial area R.
  • Both users O and O' carry a terminal device 5 with them, with which the corresponding positions of the users are recorded at the times shown t 1 to t M or t M+1 to t N.
  • this position recording can be carried out, for example, by means of satellite-based positioning or by measuring the runtime of beacons in the radio network.
  • the above-mentioned P2930PC00 are determined by recording the channel impulse response in the receiver RE and a subsequent channel estimation.
  • the corresponding signal attenuations can also be shown in a signal attenuation map on the display of a user interface by means of a visualization.
  • FIG.7 A corresponding visualization for the propagation path PA2 is shown in Fig.7, whereby the reference symbols shown are not part of the visualization.
  • Fig.7 not just two, but four movement trajectories L1, L2, L3 and L4 of four users are taken into account.
  • the determined signal strength changes are again color-coded along the movement trajectories, with sections with attenuated signal values being shown by dashed sections D in the black and white representation of Fig.7.
  • the corresponding signal strength changes it may happen that several users are present in the room at the same time. This leads to a falsification of the signal attenuation. For this reason, those signal values for which several users were present in the room at the same time are crossed out from the recorded signal strength changes.
  • the objects were users, but an object can also be any other moving unit, such as a self-driving robot.
  • the recording or measurement of the positions and channel impulse responses can possibly have been carried out before the start of the method. In other words, step S1 does not have to be part of the method. However, access to a memory with the recorded positions and channel impulse responses must be guaranteed.
  • the positions along a movement trajectory of a single object can be recorded (see Fig.1). Alternatively, the positions along the movement trajectories of several objects can also be taken into account (see Fig.6).
  • a step S2 the signal strength changes ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇ ) for the corresponding object positions and the delay time ⁇ ⁇ are determined for the considered propagation path from the channel impulse responses using a channel estimate.
  • the signal attenuation resulting from the signal strength changes due to the existing users can be visualized in a signal attenuation map on the display DI of a user interface UI, as described above using Fig.4, Fig.5 and Fig.7. If necessary, the signal attenuation map can also be visualized at the end of the process, in which case the determined course of the propagation path can also be shown in the signal attenuation map.
  • a map MA of the considered spatial area R is determined.
  • the map MA In this map MA, those object positions are marked where the P2930PC00 in step S2 are below a predetermined threshold and thus represent attenuated radio signals that occur when a user crosses the corresponding propagation path.
  • the map does not have to be visualized, but can simply be represented by digital data.
  • the map MA can be viewed as a binary representation of the signal attenuation map explained above.
  • the marked positions in the map MA can also be determined in a way other than by comparison with a predetermined threshold.
  • an edge detection method can be carried out in a digital image of the spatial area in which the determined signal strength changes are represented by pixel values at corresponding positions of the moving object(s), whereby an object position is marked if it belongs to a detected edge according to the result of the edge detection method.
  • the lines present in the map MA are extracted using a known Hough transformation.
  • the Hough transformation is an efficient and robust method for detecting lines (ie straight lines) in image data.
  • the Hough transformation is based on a straight line or line representation in the Hesse normal form, which describes a line by its distance from the coordinate origin of the image coordinate system and the angle of the normal vector on the line. As part of the Hough transformation, the angle of the normal vector is discretized.
  • the angle ⁇ and the distance ⁇ span the coordinate system of an output image that represents the Hough transformation. Initially, all pixels of the output image have the value zero.
  • pairs of angles and distances are calculated for each marked position in the MA map using the above equation and the pixels in the output image belonging to the pairs are increased by one.
  • the result of the Hough transformation can be visualized as a grayscale image in which the x-axis represents the distance ⁇ and the y-axis represents the angle ⁇ of a potential line and the gray levels or pixel values of the pixels of the grayscale image represent the set of marked positions from the MA map that lie on the potential line.
  • a line is recognized when the pixel value of the corresponding pixel in the grayscale image meets a threshold criterion.
  • step S6 the extracted lines are then put together section by section in such a way that a propagation path results.
  • the method for arriving at this propagation path is described below.
  • a first subset ⁇ ⁇ ⁇ of lines is extracted from the set ⁇ of lines. All lines in this subset start in the transmitter TR.
  • a second subset ⁇ ⁇ ⁇ of lines is extracted from the set ⁇ of lines. All lines in this subset end at the receiver RE.
  • a set P is determined from all paths that are composed of consecutive sections of the above set ⁇ of lines and that satisfy the condition that the path coincides with a line passing through the transmitter TR, ie from the subset ⁇ ⁇ ⁇ , P2930PC00 and ends with a line running through the receiver RE, ie from the subset ⁇ ⁇ ⁇ ,. Furthermore, only paths which do not exceed a maximum number of reflections are taken into account. This maximum number must not be more than the total number of lines from the above set ⁇ plus the value 1 and minus the total number of lines belonging to the subsets ⁇ ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ ⁇ . Furthermore, the line sections contained in each path must only be traversed once between the transmitter TR and the receiver RE.
  • the set D of the corresponding path lengths ⁇ ⁇ in the spatial region R is also determined.
  • the first section of a path is on a line ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , which begins at the location of the sender TR and ends at an intersection point between the lines ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the last section of the path is on a line ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , which starts at the intersection between ⁇ ⁇ ⁇ 1 and ⁇ ⁇ ⁇ and ends at the location of the receiver RE.
  • Each line of the path is traversed only once, whereby the maximum possible number ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ of reflections is limited by the cardinality of ⁇ ⁇ , i.e. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • a maximum number of reflections can be specified in advance, i.e. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ min ⁇
  • the propagation delay comes from the channel estimation described above.
  • the path from the set P which has the smallest difference to the propagation distance is determined as the propagation path.
  • this difference should have the value zero.
  • the difference is usually always greater than zero.
  • the path with the smallest difference to the propagation distance is usually the path that corresponds to the actual propagation path.
  • paths with differences between path length and propagation distance above a threshold value are deleted from the set P in advance. The end result is the corresponding propagation path with its course between transmitter and receiver.
  • the method described above does not require any prior information about the spatial area, such as floor plans.
  • a method is created for the first time with which the course of propagation paths of radio waves between a transmitter and a receiver in a spatial area can be determined by evaluating radio signals in a radio network. For this purpose, radio signals are detected while an object is moving in the spatial area, with the course of the propagation paths being determined from the signal attenuation caused by the object.
  • the information about the course of the propagation paths can be used in the context of a passive localization which takes multi-path propagation paths into account. Such a passive localization is disclosed, for example, in the above-mentioned publication [1].
  • knowledge about the course of the propagation paths can be used to P2930PC00 23 can be used to obtain information about the geometry of the spatial area.

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  • Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung des Verlaufs einer Anzahl von Ausbreitungspfaden (PA1, PA2, PA3, PA4) von Funkwellen zwischen einem Sender (TR) und einem Empfänger (RE) eines Funknetzes, wobei: a) Signalwerte (I) unter Zugriff auf eine Messung ermittelt werden, bei der für ein oder mehrere Objekte (O, O'), welche sich im Raumbereich (R) bewegen, eine Vielzahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) in Kombination mit jeweiligen Funksignalen des Funknetzes erfasst werden, wobei die Signalwerte (I) eine Anzahl von Signalwerten (I) für eine jeweilige Objektposition (PO0, PO1, PO2, PO3) enthalten, wobei ein jeweiliger Signalwert (I) der Anzahl von Signalwerten (I) zu einem Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehört und ein Signalstärkemaß der Funkwellen ist, welche am Empfänger (RE) auf diesem Ausbreitungspfad zum Zeitpunkt der Erfassung der jeweilige Objektposition empfangen werden; b) für einen jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) eine Karte (MA) des Raumbereichs (R) ermittelt wird, in welcher Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) markiert sind, wobei für eine markierte Objektposition der zum jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehörige Signalwert (I) gedämpft ist; c) aus der Karte (MA) eine Anzahl von Linien (gi) extrahiert wird, entlang derer sich die markierten Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) im Raumbereich (R) erstrecken; d) aus der Anzahl von Linien (gi) der Verlauf des jeweiligen Ausbreitungspfads (PA1, PA2, PA3, PA4) ermittelt wird.

Description

P2930PC00 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Königswinterer Str.522-524 53227 Bonn ____________________________________________________________________ Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung des Verlaufs einer Anzahl von Ausbreitungspfaden von Funkwellen zwischen einem Sender und einem Emp- fänger eines Funknetzes ____________________________________________________________________ Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung des Verlaufs einer Anzahl von Ausbreitungspfaden von Funkwellen zwischen einem Sender und einem Empfänger eines Funknetzes. In einem Funknetz werden Funkwellen zwischen einem Sender und einem Empfän- ger in der Regel nicht nur auf direkter Verbindungsstrecke zwischen Sender und Empfänger, sondern auch über sog. Mehrwege-Ausbreitungspfade unter Zwischen- schaltung von Reflexionen und Streuungen übertragen. Die Information über den Verlauf der vorhandenen Ausbreitungspfade von Funkwellen zwischen Sender und Empfänger können z.B. im Rahmen einer passiven Lokalisation genutzt werden, um über die Dämpfung von Funkwellen, die auf den Ausbreitungspfaden durch ein zu lokalisierendes Objekt verursacht wird, die Position des Objekts zu bestimmen. Eine solche passive Lokalisation ist z.B. in dem Dokument [1] beschrieben. Ferner P2930PC00 können über den Verlauf von Ausbreitungspfaden Rückschlüsse über die Geometrie des Raumbereichs gewonnen werden, in dem das Funknetz installiert ist. Zur Bestimmung des Verlaufs von Ausbreitungspfaden gibt es im Stand der Technik sog. Raytracing-Verfahren, die Modelle der Umgebung nutzen, um hierüber die Übertragungswege von Funkwellen zu bestimmen. Raytracing-Verfahren enthalten keine Verifikation, ob die damit ermittelten Ausbreitungspfade auch tatsächlich in der entsprechenden Raumumgebung auftreten. Aufgabe der Erfindung ist es, den Verlauf von einem oder mehreren Ausbreitungs- pfaden von Funkwellen eines Funknetzes aus Funksignalmessungen zu gewinnen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbil- dungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine rechnergestützte bzw. computer-imple- mentierte Methode bereit, um den Verlauf einer Anzahl von Ausbreitungspfaden (d.h. zumindest eines Ausbreitungspfads) von Funkwellen zwischen einem Sender und einem Empfänger eines Funknetzes zu bestimmen. Die Positionen von Sender und Empfänger sind vorbekannt und während der Durchführung des Verfahrens fest. Das Funknetz deckt einen Raumbereich ab und ein jeweiliger Ausbreitungspfad re- präsentiert einen Übertragungsweg der Funkwellen des Funknetzes im Raumbereich zwischen dem Sender und dem Empfänger. Vorzugsweise dient das Verfahren zur Bestimmung des Verlaufs von Mehrwege-Ausbreitungspfaden, entlang derer Refle- xionen im Raumbereich aufgetreten sind. Darüber hinaus wird der Verlauf der Aus- breitungspfade vorzugsweise in einer zweidimensionalen Repräsentation des Raum- bereichs, insbesondere in Bezug auf eine Draufsicht auf den Raumbereich (d.h. in ei- ner horizontalen Schnittebene des Raumbereichs), bestimmt In einem Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf eine Messung zuge- griffen, die gerade durchgeführt wird oder bereits abgeschlossen ist. Es wird somit P2930PC00 ein Zugriff auf entsprechende Messdaten der aktuell durchgeführten bzw. bereits ab- geschlossenen Messung ermöglicht. Bei der Messung wird bzw. wurde für ein oder mehrere Objekte, welche sich im Raumbereich bewegen, eine Vielzahl von Objekt- positionen in Kombination mit jeweiligen Funksignalen des Funknetzes erfasst. Mit anderen Worden wird zum Zeitpunkt der Erfassung einer Objektposition, d.h. der Po- sition des Objekts oder eines der Objekte im Falle von mehreren Objekten, ein Funk- signal durch eine Signalmessung im Funknetz erfasst. Unter dem Begriff der Funk- signale fallen solche messbaren Signale des Funknetzes, aus denen die nachfolgend beschriebene Anzahl von Signalwerten gewonnen werden kann. Der obige Begriff des sich bewegenden Objekts ist weit zu verstehen. Insbesondere braucht ein Objekt nicht zwangsläufig ein sich bewegender Gegenstand sein, sondern es kann sich bei dem Objekt auch um einen menschlichen Benutzer handeln, der sich im Raumbereich bewegt. Ebenso kann das Objekt ggf. ein Tier sein. Im Rahmen von Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anzahl von Signalwerten für eine jeweilige Objektposition ermittelt, wobei ein jeweiliger Signal- wert der Anzahl von Signalwerten zu einem Ausbreitungspfad gehört und ein Signal- stärkemaß der Funkwellen ist, welche am Empfänger auf diesem Ausbreitungspfad zum Zeitpunkt der Erfassung der jeweilige Objektposition empfangen werden Der Begriff des Signalstärkemaßes ist weit zu verstehen und kann jede Größe umfas- sen, welche die Stärke der ankommenden Funkwellen repräsentiert. Insbesondere kann das Signalstärkemaß durch die empfangene Leistung auf dem entsprechenden Ausbreitungspfad repräsentiert werden bzw. von dieser Leistung abhängen. Die Be- stimmung entsprechender Signalwerte bzw. Signalstärkemaße, die zu einem Ausbrei- tungspfad gehören, ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann diese Information mittels bekannter Verfahren der Kanalschätzung aus einer Kanalimpulsantwort am Empfänger in Reaktion auf einen Funksignalimpuls am Sen- der ermittelt werden. Zum Beispiel kann als Kanalschätzung das in der Druckschrift [2] beschriebene Verfahren genutzt werden. P2930PC00 In einem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für einen jeweiligen Ausbreitungspfad eine Karte des Raumbereichs ermittelt, in welcher Objektpositio- nen aus zumindest einem Teil der Vielzahl von Objektpositionen markiert sind. Da- bei ist für eine markierte Objektposition der zum jeweiligen Ausbreitungspfad gehö- rige Signalwert gemäß einem vorbestimmten Kriterium gegenüber einem Mittelwert der zum jeweiligen Ausbreitungspfad gehörigen Signalwerte über alle Objektpositio- nen des zumindest einen Teils der Vielzahl von Objektpositionen gedämpft. Durch Schritt b) werden somit solche Objektpositionen hervorgehoben, bei denen sich das Objekt gerade auf bzw. in der Nähe des betrachteten Ausbreitungspfads befindet. Der Begriff der Karte stellt eine digitale Repräsentation eines Bilds des Raumbereichs dar, in dem Objektpositionen markiert sind. Die Karte selbst muss dabei nicht visua- lisiert werden. In einem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der Karte, die für den jeweiligen Ausbreitungspfad ermittelt wurde, eine Anzahl und insbesondere eine Mehrzahl von Linien extrahiert, entlang derer sich die markierten Positionen im Raumbereich erstrecken. Die Extraktion der Anzahl von Linien kann dabei mit ei- nem an sich bekannten Verfahren erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Anzahl von Linien mittels einer Hough-Transformation extrahiert. In einem Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird schließlich aus der An- zahl von Linien der Verlauf des jeweiligen Ausbreitungspfads ermittelt, wobei sich der Verlauf aus einem oder mehreren zusammenhängenden Abschnitten zumindest eines Teils der Anzahl von Linien zusammensetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Ermitt- lung von Objektpositionen, für welche eine Signaldämpfung von Funkwellen auftritt, der Verlauf des durch das Objekt gedämpften Ausbreitungspfads auf einfache Weise durch eine Linienextraktion bestimmt werden kann. Der Verlauf der jeweiligen Aus- breitungspfade wird somit nicht rein durch eine Modellierung gewonnen, sondern P2930PC00 aus gemessenen Funksignalen ermittelt. Der Verlauf der Ausbreitungspfade kann z.B. zur Verifikation der Ergebnisse von Raytracing-Verfahren genutzt werden. Ebenso kann der Verlauf der Ausbreitungspfade in einem Verfahren zur passiven Lo- kalisation, wie in dem in Dokument [1] beschriebenen Verfahren, verarbeitet werden. Darüber hinaus lassen sich aus den gemessenen Verläufen der Ausbreitungspfade In- formationen über die Geometrie des Raumbereichs gewinnen, in dem das Funknetz installiert ist. In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt a) für eine jeweilige Objektposition neben der Anzahl von Signalwerten eine Anzahl von Verzögerungswerten ermittelt, wobei ein jeweiliger Verzögerungswert zu einem Ausbreitungspfad gehört und ein Maß der Übertragungsdauer der Funkwellen auf diesem Ausbreitungspfad vom Sender zum Empfänger ist. Analog zu den Signalwer- ten können diese Verzögerungswerte mit an sich bekannten Verfahren der Kanal- schätzung gewonnen werden, wie z.B. mit dem in der Druckschrift [2] beschriebenen Verfahren. Der Verzögerungswert kann dabei eine beliebige Größe darstellen, wel- che die Übertragungsdauer der Funkwellen zwischen Sender und Empfänger reprä- sentiert. Beispielsweise kann der Verzögerungswert direkt die Übertragungsdauer darstellen oder auch die Länge des Ausbreitungspfads, entlang der sich die Funkwel- len ausbreiten. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bzw. wurde bei der Mes- sung, auf die in Schritt a) zugegriffen wird, eine Vielzahl von Objektpositionen eines einzelnen, sich im Raumbereich bewegenden Objekts erfasst. Alternativ ist es auch möglich, dass bei der Messung eine Vielzahl von Objektpositionen mehrerer Objekte erfasst wird, welche sich im Raumbereich bewegen, wobei der zumindest eine Teil der Vielzahl von Objektpositionen, die in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfah- rens berücksichtigt werden, nur solche Objektpositionen enthält, welche jeweils zu einem Objekt gehören, das zum Zeitpunkt der Erfassung seiner Objektposition das einzige Objekt im Raumbereich war. Mit dieser Variante kann der entsprechende Raumbereich sehr gut durch Messungen basierend auf mehreren Objekten erfasst P2930PC00 werden. Ferner werden Verfälschungen der Messungen vermieden, indem nur Mess- daten berücksichtigt werden, bei denen ein einzelnes Objekt im Raumbereich vor- handen war. In einer weiteren Ausführungsform werden bzw. wurden bei der Messung, auf die in Schritt a) zugegriffen wird, die Objektpositionen durch optische Entfernungsmessung erfasst. Hierzu kann beispielsweise ein Tachymeter verwendet werden. Bei der opti- schen Entfernungsmessung kann ggf. auf ein entsprechendes Messgerät auf den je- weiligen Objekten verzichtet werden und stattdessen ein im Raumbereich aufgestell- ter optischer Entfernungsmesser genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Objektpositionen auch durch satellitengestützte Ortung erfasst werden, wobei hierfür die jeweiligen Objekte einen Empfänger für Satellitensignale enthalten. Alter- nativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Objektpositionen über eine Laufzeit- messung von Funksignalen im Funknetz zu erfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Laufzeitmessung um ein Verfahren, bei dem die Laufzeit von Funksigna- len gemessen wird, welche von einem Funkgerät im jeweiligen Objekt empfangen und/oder ausgesendet werden. In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird für einen jeweiligen Ausbreitungspfad eine Visualisierung auf einem Display einer Benutzerschnittstelle erzeugt. In der Visualisierung ist dabei der Raumbereich wiedergegeben, wobei fer- ner im wiedergegebenen Raumbereich der in Schritt d) ermittelte Verlauf des jeweili- gen Ausbreitungspfads dargestellt wird und/oder für den zumindest einen Teil der Objektpositionen jeweils der Signalwert visuell codiert angezeigt wird, der für die je- weilige Objektposition in Schritt b) ermittelt wurde und zu dem jeweiligen Ausbrei- tungspfad gehört. Hierdurch wird einem Benutzer sehr intuitiv der Verlauf eines ent- sprechenden Ausbreitungspfads vermittelt. Gegebenenfalls können in der Visualisie- rung auch der Verlauf bzw. die Signalwerte zu mehreren Ausbreitungspfaden wie- dergegeben werden. P2930PC00 In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das vorbestimmte Kriterium in Schritt b) derart ausgestaltet, dass in einem digitalen Bild des Raumbereichs, in dem die Signalwerte für alle Objektpositionen des zumindest einen Teils der Vielzahl von Objektpositionen als Pixelwerte, beispielsweise als Grauwerte, an den jeweiligen Ob- jektpositionen repräsentiert werden, die markierten Objektpositionen durch eine Kan- ten-Extraktions-Methode als Teil einer Kante identifiziert werden. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das vorbestimmte Kriterium in Schritt b) derart ausgestaltet, dass diejenigen Objektpositionen des zu- mindest einen Teils der Vielzahl von Objektpositionen markiert werden, für welche die Signalwerte jeweils einen vorbestimmten Schwellwert unterschreiten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt d) aus der Anzahl von Linien eine Vielzahl von Pfaden gebildet, wel- che sich jeweils aus zusammenhängenden Abschnitten zumindest eines Teils der An- zahl von Linien zusammensetzen, wobei ein jeweiliger Pfad mit einem Abschnitt ei- ner Linie am Sender beginnt und mit einem Abschnitt einer Linie am Empfänger en- det. Aus der Vielzahl von Pfaden wird dann ein Pfad als der jeweilige Ausbreitungs- pfad identifiziert. Vorzugsweise erfolgt die Identifikation dieses Ausbreitungspfads in Abhängigkeit von dem Verzögerungswert, die in Schritt a) neben der Anzahl von Signalwerten für jeden Ausbreitungspfad ermittelt werden kann. Dabei wird aus der Vielzahl von Pfaden derjenige Pfad als Ausbreitungspfad identifiziert, dessen Pfad- länge die geringste Abweichung von Länge des jeweiligen Ausbreitungspfads gemäß des zu ihm gehörigen Verzögerungswerts hat. Mit diesem Kriterium kann auf einfa- che Weise ein Ausbreitungspfad identifiziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beliebigen Funknetzen zum Einsatz kom- men. Beispielsweise kann als Funknetz ein WLAN-Netz aus der Standardfamilie IEEE 802.11 genutzt werden, z.B. WiFi 6 (Standard IEEE 802.11ax). Ebenso ist es möglich, dass das Funknetz ein UWB-Netz (UWB = Ultra Wide Band) gemäß der P2930PC00 Standardfamilie IEEE 802.15-4 ist. Ferner kann das Funknetz ein Mobilfunknetz (z.B.5G oder 6G) sein. Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur rechnergestützten Ermittlung des Verlaufs einer Anzahl von Ausbreitungspfaden von Funkwellen zwischen einem Sender und einem Empfänger eines Funknetzes, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine oder mehrere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens durch- zuführen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevor- zugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Fi- guren detailliert beschrieben. Es zeigen: Fig.1 eine schematische Draufsicht auf einen Raumbereich mit sich darin ausbrei- tendem Funknetz, anhand der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wird; P2930PC00 Fig.2 ein Diagramm, welches eine gemessene Kanalimpulsantwort für ein Funksig- nal des Funknetzes aus Fig.1 verdeutlicht; Fig.3 ein Diagramm, welches die Signalstärkeveränderung für einen Ausbreitungs- pfad aus Fig.1 unter der Berücksichtigung der Bewegung des in Fig.1 darge- stellten Benutzers wiedergibt; Fig.4 eine Visualisierung einer Signaldämpfungskarte für die in Fig.1 gezeigte Be- wegung des Benutzers; Fig.5 eine weitere Visualisierung einer Signaldämpfungskarte für eine andere Be- wegung des Benutzers aus Fig.1; Fig.6 eine schematische Draufsicht analog zu Fig.1, anhand der eine weitere Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wird; Fig.7 eine Visualisierung einer Signaldämpfungskarte, die basierend auf Bewegun- gen von mehreren Benutzern im Raumbereich erzeugt wurde; und Fig.8 ein Flussdiagramm, das die wesentlichen Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht. Die nachfolgend beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wer- den anhand des in Fig.1 und in weiteren Figuren gezeigten Raumbereichs R erläu- tert, in dem ein Funknetz installiert. Das Funknetz umfasst eine Vielzahl von Netz- knoten bzw. Zugangspunkten, die jeweils entsprechende Funksignale aussenden und empfangen können. In Fig.1 sind beispielhaft zwei dieser Netzknoten durch schwarze Punkte dargestellt. Dabei wird das Funksignal des Netzknotens TR ausge- wertet, der als Sender fungiert. Dieses Funksignal wird vom Netzknoten RE empfan- gen, der als Empfänger fungiert. Unabhängig hiervon kann der Netzknoten TR auch Funksingale empfangen und der Netzknoten RE auch Funksignale aussenden. Das P2930PC00 Funknetz basiert in der hier beschriebenen Ausführungsform auf dem UWB- Standard (Familie IEEE 802.15-4). Nichtsdestotrotz kann das Funknetz auch auf ei- nem anderen Standard, wie z.B. WLAN (Familie IEEE 802.11) basieren. Ebenso kann das Funknetz ein Mobilfunknetz sein. Ziel des hier beschriebenen Verfahrens ist es, durch Auswertung der beim Empfän- ger RE empfangenen Funksignale den Verlauf von Ausbreitungspfaden der Funkwel- len innerhalb des Raumbereichs R mit Hilfe eines sich bewegenden Objekts O zu be- stimmen. Dieses Objekt ist in Fig.1 ein menschlicher Benutzer, der sich entlang ei- ner Trajektorie L bewegt, wobei zu den beispielhaft dargestellten Zeitpunkt t0, t1, t2 und t3, die mit Objektpositionen PO0, PO1, PO2 und PO3 korrelieren, das beim Empfänger RE empfangene Funksignal erfasst und ausgewertet wird. Der Raumbereich R wird durch zwei Wände 1 und 2 begrenzt und enthält neben den Netzknoten TR und RE ein streuendes Objekt 3. Die dominanten Signalausbreitungs- pfade zwischen dem Sender TR und dem Empfänger RE sind durch Linien mit ent- sprechenden Bezugszeichen PA1, PA2, PA3 und PA4 angedeutet. Der Ausbreitungs- pfad PA1 ist der sog. LoS-Pfad (LoS = Line of Sight), welcher die direkte Ausbrei- tung der Funkwellen (d.h. ohne Reflexionen) zwischen dem Sender TR und dem Empfänger RE darstellt. Der Ausbreitungspfad PA2 stellt einen Pfad mit einer Refle- xion der Funkwellen an der Wand 1 dar und der Ausbreitungspfad PA3 repräsentiert einen Pfad mit einer Reflexion der Funkwellen an der Wand 2. Demgegenüber ist der Ausbreitungspfad PA4 ein Pfad, bei dem die Funkwellen an dem streuenden Objekt 3 gestreut werden. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist es das Ziel, den vorab nicht bekannten Verlauf der Mehrweg-Ausbreitungspfade PA2, PA3 und PA4 zu ermitteln. Im Folgenden wird zunächst die Form der am Empfänger RE empfangenen Funksig- nale erläutert, bevor näher auf die Bestimmung des Verlaufs der Ausbreitungspfade eingegangen wird. Die einzelnen, über die verschiedenen Ausbreitungspfade emp- fangenen Signalkomponenten werden aufgrund der unterschiedlichen Längen der P2930PC00 Ausbreitungspfade mit unterschiedlichen Propagationsverzögerungen empfangen. Hieraus ergibt sich aus einem empfangenen Funksignal eine Kanalimpulsantwort CIR, die eine Überlagerung der entlang der Signalübertragung gedämpften Signal- komponenten der verschiedenen Ausbreitungspfade zwischen Sender TR und Emp- fänger RE ist. Allgemein ist die Kanalimpulsantwort CIR die Summe einer unendli- chen Anzahl von Ausbreitungspfaden. Jedoch kann der Empfänger RE nur Signale erfassen, deren Leistungen oberhalb einer bestimmten Sensitivitätsschwelle liegen. Fig.2 zeigt beispielhaft die vom Empfänger RE gemessene Kanalimpulsantwort für einen vom Sender TR ausgesendeten Funksignalimpuls entsprechend dem UWB- Standard IEEE 802.15-4a. Entlang der Abszisse ist die Propagationsdistanz ^^^^ ∙ ^^^^ (Verzögerungszeit multipliziert mit Lichtgeschwindigkeit) in Metern und entlang der Abszisse der Betrag A der Signalamplitude (d.h. die Signalstärke in der Form der empfangenen Signalleistung) aufgetragen. Die entsprechenden Signalausbreitungs- pfade ergeben sich als Peaks in der Kanalimpulsantwort, wobei die mit den Peaks as- soziierten Ausbreitungspfade durch die Bezugszeichen PA1 bis PA4 dieser Pfade re- ferenziert sind. Wie zu erwarten, hat der direkte LoS-Ausbreitungspfad zwischen Sender TR und Empfänger RE das Signal mit der größten Signalstärke, wohingegen die anderen Ausbreitungspfade deutlicher geringere Signalstärken aufweisen. Die Kanalimpulsantwort ℎ( ^^^^ ^^^^, ^^^^) kann zu diskreten Zeitpunkten ^^^^ ^^^^ der Signalerfas- sung durch eine endliche Anzahl von N Signalkomponenten entsprechend den unter- schiedlichen Ausbreitungspfade wie folgt beschrieben werden: Dabei bezeichnet ^^^^(∙) die Dirac-Verteilung. Jede Signalkomponente entspricht ei- nem Ausbreitungspfad und wird durch die zeitlich veränderliche Propagationsverzö- gerung ^^^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^) und die zeitlich veränderliche komplexe Amplitude ^^^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^) charakteri- siert. Dabei entspricht i = 1 dem LoS-Ausbreitungspfad, der gemäß Fig.1 der Aus- breitungspfad PA1 ist. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden P2930PC00 stationäre Netzknoten (d.h. eine stationärer Sender TR und ein stationärer Empfänger RE) betrachtet, so dass die jeweiligen Propagationsverzögerungen zeitlich fest sind, d.h. es gilt ^^^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ ) = ^^^^ ^^^^. Das empfangene Funksignal ist in der Bandbreite begrenzt, d.h. es wird in der Zeit- domäne mit der Auflösung von 1/B abgetastet, wobei B die Bandbreite ist. Demzu- folge ist die Signalamplitude einer einzelnen Abtastung eine Summe aus unterschied- lichen Beiträgen. Ferner ist das empfangene Funksignal durch Rauschen beeinflusst. Im Rahmen der hier beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kanalimpulsantwort CIR gemessen und hieraus mittels einer an sich be- kannten Kanalschätzung die Amplitude ^^^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ ) und Propagationsverzögerung ^^^^ ^^^^ für die entsprechende Signalkomponente (d.h. den entsprechenden Ausbreitungspfad) gewonnen. Die Propagationsverzögerung braucht dabei lediglich für einen Zeitpunkt ^^^^ ^^^^ bestimmt werden, da die Netzknoten stationär sind. Alternativ kann die Propagati- onsverzögerung ein über die Zeitpunkte ^^^^ ^^^^ gemittelter Wert sein. Aus der Amplitude ^^^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^) wird anschließend die Veränderung ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^) der Signalstärke bzw. Signalleis- tung | ^^^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)| relativ zu der über alle verarbeiteten Messungen gemittelten Signal- stärke | ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ | bestimmt. Die Signalstärkeveränderung bzw. die Signalstärke relativ zur gemittelten Signalstärke ist somit wie folgt gegeben: In einer bevorzugten Variante erfolgt die Kanalschätzung zur Bestimmung der Amplitude ^^^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ ) und der Propagationsverzögerung ^^^^ ^^^^ basierend auf dem Algorith- mus aus der Druckschrift [2]. Es können jedoch auch andere bekannte Algorithmen zur Kanalschätzung genutzt werden. Fig.3 zeigt beispielhaft die für das Szenario der Fig.1 ermittelte Signalstärkeverän- derung ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^) in dB für den Ausbreitungspfad PA2 in Abhängigkeit von der Zeit t. Dabei sind in Fig.3 die Erfassungszeitpunkte t0 bis t3 entsprechend der Fig.1 durch gestrichelte vertikale Linien hervorgehoben. Wie man erkennt, tritt eine starke P2930PC00 Dämpfung der Signalstärke zum Zeitpunkt t2 auf, zu dem das Objekt bzw. der Benut- zer O gerade den Ausbreitungspfad PA2 passiert. Das Objekt bzw. der Benutzer ha- ben somit einen starken Einfluss auf die empfangene Signalstärke. Dieser Einfluss wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu genutzt, den Verlauf entsprechen- den Ausbreitungspfade der Funksignale im Raumbereich zu bestimmen, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Ausgangspunkt aller hier beschriebenen Ausführungsformen ist die oben beschrie- bene Erfassung der Signalstärkeveränderungen für entsprechende Signalkomponen- ten bzw. Ausbreitungspfade mittels einer Kanalschätzung, wobei zum Zeitpunkt des Auftretens der entsprechenden Signalstärkeveränderung auch gleichzeitig die Posi- tion eines Objekts in dem vom Funknetz abgedeckten Raumbereich erfasst wird. In der Ausführungsform der Fig.1 wird dabei die entsprechende Position eines einzel- nen Benutzers O mitverfolgt, der sich entlang der Trajektorie L bewegt. Die Positionserfassung des Benutzers kann auf verschiedene Weise erfolgen. In einer Variante erfolgt die Erfassung durch ein externes Messgerät, das die Position des Nutzers kontinuierlich aufzeichnet, wie z.B. optisch mittels eines Tachymeters. Al- ternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Position des Benutzers über eine satellitengestützte Ortung mit einem entsprechenden, vom Benutzer mitgeführ- ten Endgerät erfasst wird. Ebenso kann die Erfassung der Position des Benutzers durch eine Signalmessung in- nerhalb des Funknetzes erfolgen. Hierzu führt der Benutzer ein Endgerät mit einer Sende- und Empfangseinheit entsprechend dem Standard des Funknetzes mit sich, wobei über eine Laufzeitmessung der Funksignale zwischen den Netzknoten und dem Endgerät die Position des Benutzers ermittelt wird. In einer Variante (Uplink) überträgt das vom Benutzer mitgeführte Endgerät als Funksignal einen Beacon mit darin codiertem Sendezeitpunkt. Der Beacon wird von den Netzknoten empfangen, woraufhin dann zentral in einem Backend-Rechner die P2930PC00 Position des Benutzers über die Signallaufzeit des Beacons hin zu den Netzknoten geschätzt wird. In einer anderen Variante (Downlink) übertragen die einzelnen Netz- knoten Beacons, die von dem Endgerät des Benutzers empfangen werden, das dann wiederum über die Signallaufzeiten der Beacons die Benutzerposition schätzt und anschließend an einen zentralen Backend-Server überträgt. Dabei wird in allen Vari- anten der Erfindung ein zentraler Backend-Server genutzt, in dem die Positionsdaten des Benutzers hinterlegt oder geschätzt werden und die Signalstärkeveränderungen basierend auf den Kanalimpulsantworten ermittelt werden, welche im Empfänger RE gemessen und zum Backend-Server übertragen werden. Vorzugsweise erfolgt im Ba- ckend-Server auch die erfindungsgemäße Bestimmung des Verlaufs der Ausbrei- tungspfade, wobei hierfür ggf. auch ein anderer Rechner genutzt werden kann, sofern an diesen die Daten übertagen werden, die zur Bestimmung des Verlaufs der Aus- breitungspfade benötigt werden. Fig.4 zeigt eine Visualisierung des Raumbereichs R aus Fig.1, die im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Display einer Be- nutzerschnittstelle wiedergegeben wird. Die in Fig.4 wiedergegebenen Bezugszei- chen sind nicht Bestandteil der Visualisierung. In der Visualisierung der Fig.4 ist der Ausbreitungspfad PA2 wiedergegeben, dessen Verlauf im Rahmen des erfindungsge- mäßen Verfahrens bestimmt wird. Die Visualisierung zeigt ferner den zurückgeleg- ten Weg des Benutzers bzw. Objekts O entlang der Trajektorie L, wobei die Signal- stärkeveränderungen, die zu jeweiligen Zeitpunkten für entsprechenden Positionen des Benutzers bei seiner Bewegung ermittelt wurden, farblich auf der Linie L codiert sind, was aus der Schwarz-Weiß-Darstellung der Fig.4 nicht ersichtlich wird. In dem gestrichelt dargestellten Abschnitt D wird dabei mittels der Farbcodierung vermittelt, dass die Signalstärken gedämpft sind, was daran liegt, dass sich der Benutzer auf bzw. in der Nähe des Ausbreitungspfads PA2 befindet. Aus Fig.4 wird somit die Signaldämpfung ersichtlich, so dass diese Visualisierung auch als Signaldämpfungs- karte für den Ausbreitungspfads PA2 aufgefasst werden kann. P2930PC00 Fig.5 zeigt eine Visualisierung analog zu Fig.4, wobei nunmehr die Trajektorie L des Benutzers wesentlich länger ist und öfters den Ausbreitungspfad PA2 kreuzt. Entlang der Strecke L sind die Signalstärkeveränderungen wieder farblich codiert, wobei Signaldämpfungen in Fig.5 wiederum durch gestrichelte Abschnitte D ange- deutet sind. Wie man erkennt, wird durch die Positionen der einzelnen gedämpften Abschnitte D der Verlauf des Ausbreitungspfads PA2 angedeutet, da beim Auftreten der entsprechenden Dämpfungen der Ausbreitungspfad durch das Objekt bzw. durch den Benutzer O gekreuzt wird. Da in der Visualisierung der Fig.5 der Verlauf des Ausbreitungspfads bereits durch die dargestellten Signaldämpfungen vermittelt wird, kann in dieser Visualisierung ggf. auch auf die explizite Wiedergabe des Ausbrei- tungspfads verzichtet werden. In dem anhand von Fig.1 bis Fig.5 erläuterten Ausführungsbeispiel werden die Sig- nalstärkeveränderungen für Positionen eines einzelnen Benutzers O ermittelt, der sich im Raumbereich R bewegt. In einer abgewandelten Ausführungsform ist es je- doch auch möglich, dass die entsprechenden Signalstärkeveränderungen auch koope- rativ unter Berücksichtigung von mehreren Bewegungstrajektorien von Benutzern im entsprechenden Raumbereich ermittelt werden. Ein solcher kooperativer Ansatz ist in der schematischen Draufsicht der Fig.6 gezeigt, die den gleichen Raumbereich R und das gleiche Funknetz mit dem Sender TR und dem Empfänger RE wie Fig.1 wiedergibt. Die Signalstärkeveränderungen werden zu einer Vielzahl von Zeitpunk- ten t1 bis tM und tM+1 bis tN erfasst. Dabei bewegt sich in der Zeitspanne von t1 bis tM ein Objekt O in der Form eines Benutzers entlang der Trajektorie L im Raumbereich R, wohingegen sich zu den späteren Zeitpunkten tM+1 bis tN ein anderes Objekt bzw. ein anderer Benutzer O' entlang der Trajektorie L' im Raumbereich R bewegt. Beide Benutzer O und O' führen ein Endgerät 5 mit sich, mit dem die entsprechende Positi- onen der Benutzer zu den dargestellten Zeitpunkten t1 bis tM bzw. tM+1 bis tN erfasst werden. Wie oben beschrieben, kann diese Positionserfassung beispielsweise mittels satellitengestützter Ortung oder über Laufzeitmessung von Beacons im Funknetz er- folgen. Für die Zeitpunkte t1 bis tM und tM+1 bis tN werden auch die oben P2930PC00 beschriebenen Signalstärkeveränderungen durch Erfassen der Kanalimpulsantwort im Empfänger RE und einer anschließenden Kanalschätzung ermittelt. Durch die Berücksichtigung von Bewegungstrajektorien mehrerer Benutzer wird eine bessere Abdeckung des Raumbereichs erreicht und hierdurch eine größere An- zahl von Signalwerten erfasst, wodurch die weiter unten beschriebene Bestimmung des Verlaufs der Ausbreitungspfade verbessert werden kann. Analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel können auch im Falle mehrerer Benutzer mittels einer Visualisierung die entsprechenden Signaldämpfun- gen in einer Signaldämpfungskarte auf dem Display einer Benutzerschnittstelle wie- dergegeben werden. Eine entsprechende Visualisierung für den Ausbreitungspfad PA2 ist in Fig.7 gezeigt, wobei die dargestellten Bezugszeichen nicht Bestandteil der Visualisierung sind. Gemäß Fig.7 werden nicht nur zwei, sondern vier Bewe- gungstrajektorien L1, L2, L3 und L4 von vier Benutzern berücksichtigt. Entlang der Bewegungstrajektorien sind die ermittelten Signalstärkeveränderungen wiederum farblich codiert, wobei Abschnitte mit gedämpften Signalwerten in der Schwarz- Weiß-Darstellung der Fig.7 durch gestrichelte Abschnitte D dargestellt sind. Bei der Erfassung der entsprechenden Signalstärkeveränderungen kann unter Umständen der Fall auftreten, dass mehrere Benutzer gleichzeitig im Raumbereich anwesend sind. Dies führt zu einer Verfälschung der Signaldämpfung. Deswegen werden aus den er- fassten Signalstärkeveränderungen diejenigen Signalwerte herausgestrichen, bei de- nen gleichzeitig mehrere Benutzer im Raumbereich vorhanden waren. Mit anderen Worten werden bei der Ermittlung des Verlaufs der Ausbreitungspfade sowie bei der obigen Visualisierung nur solche Signalstärkeveränderungen berücksichtigt, bei de- ren Erfassung nur ein einzelner Benutzer im Raumbereich anwesend war. Nachfolgend wird anhand von Fig.8 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfah- rens beschrieben, mit der aus den ermittelten Signalstärkeveränderungen für einen entsprechenden Ausbreitungspfads der Verlauf dieses Ausbreitungspfads bestimmt werden kann. Es wird im Folgenden ein einzelner Ausbreitungspfad mit P2930PC00 entsprechender, durch Kanalschätzung gewonnener Signalkomponente betrachtet, wobei das Verfahren auch für mehrere Signalausbreitungspfade unter Berücksichti- gung der entsprechenden Signalkomponenten durchgeführt werden kann. Wie im Vorangegangenen erläutert, werden in einem ersten Schritt des Verfahrens zunächst die Positionen von einem oder mehreren Objekten im Raumbereich erfasst und gleichzeitig für die erfassten Positionen die Kanalimpulsantworten gemessen. Im Vorangegangenen waren die Objekte Benutzer, jedoch kann ein Objekt auch eine be- liebige andere bewegliche Einheit sein, wie z.B. ein selbstfahrender Roboter. Die Er- fassung bzw. Messung der Positionen und Kanalimpulsantworten kann ggf. schon vor Beginn des Verfahrens durchgeführt worden sein. Mit anderen Worten muss Schritt S1 kein Bestandteil des Verfahrens sein. Es muss jedoch ein Zugriff auf einen Speicher mit den erfassten Positionen und Kanalimpulsantworten gewährleistet sein. Wie oben erläutert, können die Positionen entlang einer Bewegungstrajektorie eines einzelnen Objekts erfasst werden (siehe Fig.1). Alternativ können auch die Positio- nen entlang der Bewegungstrajektorien von mehreren Objekten berücksichtigt wer- den (siehe Fig.6). In einem Schritt S2 werden für den betrachteten Ausbreitungspfad aus den Kanalim- pulsantworten die Signalstärkeveränderungen ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ ) für die entsprechenden Objekt- positionen und die Verzögerungszeit ^^^^ ^^^^ mit einer Kanalschätzung ermittelt. In einem optionalen Schritt S3 kann die Signaldämpfung, die sich aus den Signalstärkeverän- derungen aufgrund der vorhandenen Benutzer ergibt, in einer Signaldämpfungskarte auf dem Display DI einer Benutzerschnittstelle UI visualisiert werden, wie im Vo- rangegangenen anhand von Fig.4, Fig.5 und Fig.7 beschrieben wurde. Gegebenen- falls kann die Signaldämpfungskarte auch am Ende des Verfahrens visualisiert wer- den, wobei dann in der Signaldämpfungskarte auch der ermittelte Verlauf des Aus- breitungspfads wiedergegeben werden kann. In einem Schritt S4 wird schließlich eine Karte MA des betrachteten Raumbereichs R ermittelt. In dieser Karte MA sind solche Objektpositionen markiert, bei denen die P2930PC00 in Schritt S2 ermittelten Signalstärkeveränderungen unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegen und somit gedämpfte Funksignale darstellen, die dann auftreten, wenn ein Benutzer den entsprechenden Ausbreitungspfad kreuzt. Die Karte muss da- bei nicht visualisiert werden, sondern sie kann lediglich durch digitale Daten reprä- sentiert werden. Die Karte MA kann als eine binäre Repräsentation der oben erläuter- ten Signaldämpfungskarte betrachtet werden. Die markierten Positionen in der Karte MA können ggf. auch auf andere Weise als durch Vergleich mit einem vorbestimmten Schwellwert ermittelt werden. Insbeson- dere kann in einem digitalen Bild des Raumbereichs, in dem die ermittelten Signal- stärkeveränderungen durch Pixelwerte an entsprechenden Positionen des oder der be- wegten Objekte repräsentiert werden, eine Methode der Kantendetektion durchge- führt werden, wobei eine Objektposition dann markiert wird, wenn sie gemäß dem Ergebnis der Methode der Kantendetektion zu einer detektierten Kante gehört. Das entsprechende digitale Bild muss dabei nicht visualisiert werden, sondern kann ledig- lich durch digitale Daten aus Objektpositionen mit zugeordneten Pixelwerten reprä- sentiert werden. In einem Schritt S5 werden schließlich mittels einer an sich bekannten Hough-Trans- formation die in der Karte MA vorhandenen Linie extrahiert. Die Hough-Transfor- mation ist ein effizientes und robustes Verfahren, um Linien (d.h. Geraden) in Bild- daten zu detektieren. Die Hough-Transformation basiert auf einer Geraden- bzw. Li- niendarstellung in der Hesseschen Normalform, welche eine Linie durch ihren Ab- stand zum Koordinatenursprung des Bildkoordinatensystems und den Winkel des Normalenvektors auf der Linie beschreibt. Im Rahmen der Hough-Transformation wird der Winkel des Normalenvektors diskretisiert. Dabei wird für jede markierte Position mit zweidimensionaler Koordinate (x, y) in der Karte MA und alle diskreten Winkel ^^^^ der Abstand ^^^^ einer entsprechenden Linie zum Koordinatenursprung mit folgender Formel berechnet: ^^^^ = ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ + ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ P2930PC00 Der Winkel ^^^^ und der Abstand ^^^^ spannen das Koordinatensystem eines Ausgabe- bilds auf, das die Hough-Transformation repräsentiert. Anfänglich haben alle Pixel des Ausgabebilds den Wert Null. Im Rahmen der Hough-Transformation werden für jede markierte Position in der Karte MA Paare von Winkeln und Abständen mit der obigen Gleichung berechnet und die zu den Paaren gehörigen Pixel im Ausgabebild um eins erhöht. Das Ergebnis der Hough-Transformation kann als ein Graustufenbild visualisiert werden, in dem die x-Achse den Abstand ^^^^ und die y-Achse den Winkel ^^^^ einer po- tentiellen Linie darstellt und die Graustufen bzw. Pixelwerte der Pixel des Graustu- fenbilds die Menge an markierten Positionen aus der Karte MA darstellt, die auf der potentiellen Linie liegen. Eine Linie wird dabei dann erkannt, wenn der Pixelwert des entsprechenden Pixels in dem Graustufenbild ein Schwellwertkriterium erfüllt. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist das Schwellwertkriterium dadurch gege- ben, dass die NH Pixel mit den größten Pixelwerten im Graustufenbild der Hough- Transformation als Linien identifiziert werden. Hierdurch wird eine Menge ^^^^ = von möglichen Linien erhalten, die einen Ausbreitungspfad beschreiben. In dem darauf folgenden Schritt S6 werden dann die extrahierten Linien abschnitt- weise derart zusammengesetzt, dass hieraus ein Ausbreitungspfad resultiert. Im Fol- genden wird das Verfahren beschrieben, wie man zu diesem Ausbreitungspfad ge- langt. Zunächst wird eine erste Teilmenge ^^^^ ^^^^ ^^^^ von Linien aus der Menge ^^^^ von Linien ex- trahiert. Alle Linien dieser Teilmenge beginnen im Sender TR. Ferner wird eine zweite Teilmenge ^^^^ ^^^^ ^^^^ von Linien aus der Menge ^^^^ von Linien extrahiert. Alle Li- nien dieser Teilmenge enden am Empfänger RE. Anschließend wird eine Menge P aus allen Pfaden bestimmt, die sich aus aufeinander folgenden Abschnitten der obi- gen Menge ^^^^ von Linien zusammensetzen und die Bedingung erfüllen, dass der Pfad mit einer durch den Sender TR verlaufenden Linie, d.h. aus der Teilmenge ^^^^ ^^^^ ^^^^, P2930PC00 beginnt und mit einer durch den Empfänger RE laufenden Linie, d.h. aus der Teil- menge ^^^^ ^^^^ ^^^^, endet. Darüber hinaus werden nur Pfade berücksichtigt, die eine Maxi- malanzahl von Reflexionen nicht überschreiten. Diese Maximalanzahl darf höchstens so groß sein wie die Gesamtanzahl von Linien aus der obigen Menge ^^^^ zuzüglich des Werts 1 und abzüglich der Gesamtanzahl von Linien, die zu den Teilmengen ^^^^ ^^^^ ^^^^ und ^^^^ ^^^^ ^^^^ gehören. Ferner dürfen die in jedem Pfad enthaltenen Linienabschnitte nur einmal zwischen Sender TR und Empfänger RE durchlaufen werden. Für alle Pfade der Menge P wird darüber hinaus die Menge D der entsprechenden Pfadlängen ^^^^ ^^^^ im Raumbereich R bestimmt. Mathematisch lässt sich die Bestimmung der Menge P aus Pfaden wie folgt beschrei- ben: Es wird eine Menge P von Pfaden mit den zugehörigen Pfadlängen ^^^^ ^^^^ bestimmt, wo- bei ein jeweiliger Pfad aus der Menge P folgende Bedingung erfüllt: - Ein Pfad ^^^^ ∈ ^^^^ ist eine Sequenz von ^^^^ ^^^^ Linien, d.h. unter Verwendung von Tup- pel-Notation gilt ^^^^ = { ^^^^1, … , ^^^^ ^^^^ ^^^^}, wobei ^^^^ ^^^^ ∈ ^^^^. - Der erste Abschnitt eines Pfads ist auf einer Linie ^^^^1 ∈ ^^^^ ^^^^ ^^^^, die am Ort des Sen- ders TR beginnt und an einem Schnittpunkt zwischen den Linien ^^^^1 und ^^^^2 endet. - Für zweifache Reflexionen oder Reflexionen höherer Ordnung ist der m-te inter- mediäre Abschnitt des Pfads auf einer Linie ^^^^ ^^^^ ∈ ^^^^ ^^^^ = ^^^^\ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ∪ ^^^^ ^^^^ ^^^^, die an ei- nem Schnittpunkt zwischen ^^^^ ^^^^−1 und ^^^^ ^^^^ beginnt und an einem Schnittpunkt zwischen ^^^^ ^^^^ und ^^^^ ^^^^+1 endet, wobei ^^^^ ∈ ] 1, ^^^^ ^^^^ [ gilt. - Der letzte Abschnitt des Pfads ist auf einer Linie ^^^^ ^^^^ ^^^^ ∈ ^^^^ ^^^^ ^^^^, die am Schnittpunkt zwischen ^^^^ ^^^^ ^^^^−1 und ^^^^ ^^^^ ^^^^ beginnt und am Ort des Empfängers RE endet. - Jede Linie des Pfads wird nur einmal durchlaufen, wodurch die maximal mögliche Anzahl ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ von Reflexionen durch die Kardinalität von ^^^^ ^^^^ beschränkt ist, d.h. es gilt ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ≤ | ^^^^ ^^^^| + 1. Optional kann vorab eine Maximalanzahl von Reflexio- nen festgelegt sein, d.h. es gilt ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ ≤ min {| ^^^^ ^^^^| + 1, ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^}. P2930PC00 Algorithmisch kann die Bestimmung der Menge P aus Pfaden mit zugeordneten Pfadlängen zum Beispiel basierend auf folgendem Pseudocode umgesetzt werden: Eingabe: Menge von Linien durch Sender TR: ^^^^ ^^^^ ^^^^ Menge von Linien durch Empfänger RE: ^^^^ ^^^^ ^^^^ Menge von restlichen Linien: ^^^^ ^^^^ Maximale Reflexionsordnung: ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ = min{| ^^^^ ^^^^| + 1, ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^} Ausgabe: Menge der potentiellen Ausbreitungspfade: ^^^^ Menge der entsprechenden Pfadlängen: ^^^^ for ^^^^ ^^^^ ∈ ^^^^ ^^^^ ^^^^ do for ^^^^ ^^^^ ∈ ^^^^ ^^^^ ^^^^ do for ^^^^ = 1: ^^^^ ^^^^ ^^^^ ^^^^ do if ^^^^ = 1 then füge Pfad ^^^^ =� ^^^^ ^^^^, {}, ^^^^ ^^^^� zu ^^^^ hinzu else Berechne die Menge ^^^ ^^^^^ aller Variationen ohne Wiederholung von ^^^^ − 1 Linien ^^^^ ∈ ^^^^ ^^^^ Füge Pfade ^^^^ =� ^^^^ ^^^^, ^^^^, ^^^^ ^^^^� ^^^^ ^^^^ ^^^^ hinzu, ∀ ^^^^ ∈ ^^^^ ^^^^ Berechne Pfadlänge ^^^^ ^^^^ des Pfads ^^^^ durch Summation der Distanzen zwischen aufeinander folgenden Schnittpunkten, die entlang des Pfads ^^^^ von dem Sender TR zum Empfänger RE verlaufen Füge Pfadlänge ^^^^ ^^^^ zu ^^^^ hinzu endif endfor endfor endfor In einem nächsten Schritt werden die Unterschiede zwischen den Pfadlängen der er- mittelten Pfade und der Propagationsdistanz ^^^^ ^^^^ = ^^^^ ∙ ^^^^ gemäß der P2930PC00 Propagationsverzögerung ^^^^ des betrachteten Ausbreitungspfads bestimmt. Die Propa- gationsverzögerung stammt aus der oben beschriebenen Kanalschätzung. Schließlich wird derjenige Pfad aus der Menge P als Ausbreitungspfad bestimmt, der den ge- ringsten Unterschied zu der Propagationsdistanz aufweist. Im Idealfall sollte dieser Unterschied den Wert Null annehmen. Aufgrund von Messrauschen und Schätzfeh- lern ist der Unterschied jedoch in der Regel immer größer Null. Nichtsdestotrotz ist der Pfad mit dem geringsten Unterschied zur Ausbreitungsdistanz in der Regel der Pfad, der dem tatsächlichen Ausbreitungspfad entspricht. Um sicherzustellen, dass kein falscher Pfad ausgewählt wird, werden vorab Pfade mit Unterschieden zwischen Pfadlänge und Ausbreitungsdistanz oberhalb eines Schwellwerts aus der Menge P gestrichen. Als Endergebnis erhält man schließlich den entsprechenden Ausbreitungspfad mit seinem Verlauf zwischen Sender und Empfänger. Allgemein braucht das oben be- schriebene Verfahren keine Vorabinformation über den Raumbereich, wie z.B. Ge- schoßpläne. Zusätzliche Informationen über den Raumbereich können jedoch auf einfache Weise in das Verfahren integriert werden und den Prozess der Auswahl des geeigneten Pfads als Ausbreitungspfad verbessern. Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird erstmalig ein Verfahren geschaffen, mit dem durch Auswertung von Funksignalen in einem Funknetz der Verlauf von Ausbreitungspfaden von Funkwellen zwischen einem Sender und einem Empfänger in einem Raumbereich bestimmt werden kann. Hierzu werden Funksignale erfasst, während sich ein Objekt im Raumbereich bewegt, wobei aus der durch das Objekt hervorgerufenen Signaldämpfung der Verlauf der Ausbreitungspfade ermittelt wird. Die Information über den Verlauf der Ausbreitungspfade kann im Rahmen einer pas- siven Lokalisation, welche Mehrweg-Ausbreitungspfade berücksichtigt, verwendet werden. Eine solche passive Lokalisation ist z.B. in der oben erwähnten Druckschrift [1] offenbart. Ferner kann das Wissen über den Verlauf der Ausbreitungspfade dazu P2930PC00 23 genutzt werden, um Informationen über die Geometrie des Raumbereichs zu erhal- ten.
P2930PC00 Literaturverzeichnis: [1] M. Schmidhammer, C. Gentner, S. Sand, U.-C. Fiebig, "Multipath-enhanced device-free localization in wideband wireless networks", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.20, Nr.4, Seiten 453-457, 2021 [2] B. H. Fleury, M. Tschudin, R. Heddergott, D. Dahlhaus, K. I. Pedersen, "Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments using SAGE algorithm", IEEE J. Sel. Areas Commun., Vol.17, Nr.3, Seiten 434-450, März 1999

Claims

P2930PC00 Patentansprüche 1. Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung des Verlaufs einer Anzahl von Ausbreitungspfaden (PA1, PA2, PA3, PA4) von Funkwellen zwischen einem Sender (TR) und einem Empfänger (RE) eines Funknetzes, wobei das Funk- netz einen Raumbereich (R) abdeckt und ein jeweiliger Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) einen Übertragungsweg der Funkwellen des Funknet- zes im Raumbereich (R) zwischen dem Sender (TR) und dem Empfänger (RE) repräsentiert, wobei: a) Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ )) unter Zugriff auf eine durchgeführte oder abgeschlos- sene Messung ermittelt werden, bei der für ein oder mehrere Objekte (O, O'), welche sich im Raumbereich (R) bewegen, eine Vielzahl von Objekt- positionen (PO0, PO1, PO2, PO3) in Kombination mit jeweiligen Funksig- nalen des Funknetzes erfasst werden, wobei die Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ )) eine Anzahl von Signalwerten ( ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ )) für eine jeweilige Objektposition (PO0, PO1, PO2, PO3) enthalten, wobei ein jeweiliger Signalwert ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) der Anzahl von Signalwerten ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) zu einem Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehört und ein Signalstärkemaß der Funkwellen ist, welche am Empfänger (RE) auf diesem Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) zum Zeitpunkt der Erfassung der jeweilige Objektposition (PO0, PO1, PO2, PO3) empfangen werden; b) für einen jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) eine Karte (MA) des Raumbereichs (R) ermittelt wird, in welcher Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) aus zumindest einem Teil der Vielzahl von Objekt- positionen (PO0, PO1, PO2, PO3) markiert sind, wobei für eine markierte Objektposition der zum jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehörige Signalwert ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) gemäß einem vorbestimmten Kriterium gegenüber einem Mittelwert der zum jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehörigen Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) über alle Objektpositio- nen (PO0, PO1, PO2, PO3) des zumindest einen Teils der Vielzahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) gedämpft ist; P2930PC00 c) aus der Karte (MA), die für den jeweiligen Ausbreitungspfad (PO0, PO1, PO2, PO3) ermittelt wurde, eine Anzahl von Linien (gi) extrahiert wird, entlang derer sich die markierten Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) im Raumbereich (R) erstrecken; d) aus der Anzahl von Linien (gi) der Verlauf des jeweiligen Ausbreitungs- pfads (PA1, PA2, PA3, PA4) ermittelt wird, wobei sich der Verlauf aus ei- nem oder mehreren zusammenhängenden Abschnitten zumindest eines Teils der Anzahl von Linien (gi) zusammensetzt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) neben der Anzahl von Signalwerten ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) eine Anzahl von Verzögerungswerten ( ^^^^ ^^^^) ermittelt wird, wobei ein jeweiliger Verzögerungswert ( ^^^^ ^^^^) zu einem Aus- breitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehört und ein Maß der Übertragungs- dauer der Funkwellen auf diesem Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) vom Sender (TR) zum Empfänger (RE) ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mes- sung, auf die in Schritt a) zugegriffen wird, eine Vielzahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) eines einzelnen Objekts (O), welches sich im Raumbe- reich (R) bewegt, erfasst wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mes- sung, auf die in Schritt a) zugegriffen wird, eine Vielzahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) mehrerer Objekte (O, O'), welche sich im Raumbereich (R) bewegen, erfasst wird, wobei der zumindest eine Teil der Vielzahl von Ob- jektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) nur solche Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) enthält, welche jeweils zu einem Objekt (O, O') gehören, das zum Zeitpunkt der Erfassung seiner Objektposition das einzige Objekt im Raumbe- reich (R) war. P2930PC00 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass bei der Messung, auf die in Schritt a) zugegriffen wird, die Objektpo- sitionen (PO0, PO1, PO2, PO3) durch optische Entfernungsmessung und/oder über satellitengestützte Ortung und/oder über eine Laufzeitmessung von Funk- signalen im Funknetz erfasst werden. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass für einen jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) eine Visualisierung auf einem Display (DI) einer Benutzerschnittstelle (UI) erzeugt wird, wobei in der Visualisierung der Raumbereich (R) wiedergegeben ist, wo- bei ferner im wiedergegebenen Raumbereich (R) der in Schritt d) ermittelte Verlauf des jeweiligen Ausbreitungspfads (PA1, PA2, PA3, PA4) dargestellt wird und/oder für den zumindest einen Teil der Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) jeweils der ermittelte Signalwert ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) visuell codiert angezeigt wird, der zu dem jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehört. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass das vorbestimmte Kriterium in Schritt b) derart ausgestaltet ist, dass in einem digitalen Bild des Raumbereichs (R), in dem die Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) für alle Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) des zumindest einen Teils der Vielzahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) als Pixelwerte an den jeweiligen Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) repräsentiert werden, die markierten Objektpositionen durch eine Kanten-Extraktions-Methode als Teil einer Kante identifiziert werden. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Kriterium in Schritt b) derart ausgestaltet ist, dass diejenigen Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) des zumindest einen Teils der Viel- zahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) markiert werden, für welche die Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) jeweils einen vorbestimmten Schwellwert unterschrei- ten. P2930PC00 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Anzahl von Linien (gi) mittels einer Hough-Transformation extra- hiert wird. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass in Schritt d) aus der Anzahl von Linien (gi) eine Vielzahl von Pfaden gebildet wird, welche sich jeweils aus zusammenhängenden Abschnitten zu- mindest eines Teils der Anzahl von Linien (gi) zusammensetzen, wobei ein je- weiliger Pfad (P) mit einem Abschnitt einer Linie am Sender (TR) beginnt und mit einem Abschnitt einer Linie am Empfänger (RE) endet, wobei aus der Vielzahl von Pfaden ein Pfad als der jeweilige Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) identifiziert wird. 11. Verfahren nach Anspruch 10 in Kombination mit Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass aus der Vielzahl von Pfaden derjenige Pfad als der jeweilige Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) identifiziert wird, dessen Pfadlänge die geringste Abweichung von der Länge des jeweiligen Ausbreitungspfads (PA1, PA2, PA3, PA4) gemäß dem zu ihm gehörigen Verzögerungswert ( ^^^^ ^^^^) hat. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass das Funknetz ein WLAN-Netz oder ein UWB-Netz oder ein Mobil- funknetz ist. 13. Vorrichtung zur rechnergestützten Ermittlung des Verlaufs einer Anzahl von Ausbreitungspfaden (PA1, PA2, PA3, PA4) von Funkwellen zwischen einem Sender (TR) und einem Empfänger (RE) eines Funknetzes, wobei das Funk- netz einen Raumbereich (R) abdeckt und ein jeweiliger Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) einen Übertragungsweg der Funkwellen des Funknet- zes im Raumbereich (R) zwischen dem Sender (TR) und dem Empfänger (RE) P2930PC00 repräsentiert, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens einge- richtet ist, bei dem: a) Signalwerte ( unter Zugriff auf eine durchgeführte oder abgeschlos- sene Messung ermittelt werden, bei der für ein oder mehrere Objekte (O, O'), welche sich im Raumbereich (R) bewegen, eine Vielzahl von Objekt- positionen (PO0, PO1, PO2, PO3) in Kombination mit jeweiligen Funksig- nalen des Funknetzes erfasst werden, wobei die Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ )) eine Anzahl von Signalwerten ( ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ )) für eine jeweilige Objektposition (PO0, PO1, PO2, PO3) enthalten, wobei ein jeweiliger Signalwert ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) der Anzahl von Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) zu einem Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehört und ein Signalstärkemaß der Funkwellen ist, welche am Empfänger (RE) auf diesem Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) zum Zeitpunkt der Erfassung der jeweilige Objektposition (PO0, PO1, PO2, PO3) empfangen werden; b) für einen jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) eine Karte (MA) des Raumbereichs (R) ermittelt wird, in welcher Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) aus zumindest einem Teil der Vielzahl von Objekt- positionen (PO0, PO1, PO2, PO3) markiert sind, wobei für eine markierte Objektposition der zum jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehörige Signalwert ( ^^�^^ ^^^^ ( ^^^^ ^^^^ )) gemäß einem vorbestimmten Kriterium gegenüber einem Mittelwert der zum jeweiligen Ausbreitungspfad (PA1, PA2, PA3, PA4) gehörigen Signalwerte ( ^^�^^ ^^^^( ^^^^ ^^^^)) über alle Objektpositio- nen (PO0, PO1, PO2, PO3) des zumindest einen Teils der Vielzahl von Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) gedämpft ist; c) aus der Karte (MA), die für den jeweiligen Ausbreitungspfad (PO0, PO1, PO2, PO3) ermittelt wurde, eine Anzahl von Linien (gi) extrahiert wird, entlang derer sich die markierten Objektpositionen (PO0, PO1, PO2, PO3) im Raumbereich (R) erstrecken; d) aus der Anzahl von Linien (gi) der Verlauf des jeweiligen Ausbreitungs- pfads (PA1, PA2, PA3, PA4) ermittelt wird, wobei sich der Verlauf aus P2930PC00 einem oder mehreren zusammenhängenden Abschnitten zumindest eines Teils der Anzahl von Linien (gi) zusammensetzt. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 12 einge- richtet ist. 15. Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausge- führt wird. 16. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Ver- fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn der Programmcode auf ei- nem Rechner ausgeführt wird.
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