WO2002082848A1 - Method for improving the accuracy of position determination in a digital mobile radio network - Google Patents

Method for improving the accuracy of position determination in a digital mobile radio network Download PDF

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WO2002082848A1
WO2002082848A1 PCT/EP2002/002479 EP0202479W WO02082848A1 WO 2002082848 A1 WO2002082848 A1 WO 2002082848A1 EP 0202479 W EP0202479 W EP 0202479W WO 02082848 A1 WO02082848 A1 WO 02082848A1
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gsm
base station
station
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PCT/EP2002/002479
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Franz Schreib
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the accuracy of the position determination of a mobile station in a digital mobile radio network, and in particular to a method for improving the accuracy of the position determination of a mobile station in a digital mobile radio network according to the GSM standard, in which information is structured in bits Data packets, so-called “bursts" are exchanged.
  • bursts are e.g. described in the GSM specification (GSM 05.02 Section 5.2.2).
  • the mobile radio network operators want to localize their customers as precisely as possible in the mobile radio network in order to be able to send individually adapted advertising instructions to a mobile station's location where the user is staying.
  • These advertising notices can e.g. Indicates the nearest restaurant, bookshop or similar.
  • the mobile network operators are e.g. made the request to determine as precisely as possible the position of a user of a mobile station who requests an emergency call service via his mobile station. Abuse is to be prevented and accident victims should be pinpointed.
  • bursts are data packets of a specified length and a specified internal structure.
  • time slots of a predetermined length are provided in the data transmission protocol for exchanging a burst between a sending station and a receiving station, within which a sending station can send a burst and a receiving station connected to it can receive this burst ,
  • the base station In order to utilize the capacities of a base station, in the reception and transmission area of which there can be a large number of mobile stations., .Optimal., The base station is not permanently ready to receive for each mobile station, but can actually only receive a burst arriving from a specific mobile station during certain time slots receive. This means that a mobile station located at a certain distance from a base station has to send a burst while the base station is not yet ready to receive this burst. Rather, the base station has to be switched from the mobile station to the base station during the running time of the burst, so that it is then ready to receive when the burst arrives at the base station.
  • Timing advance measurements have a resolution that corresponds to the duration of a GSM symbol
  • the object of the present invention is therefore to provide improved methods for locating an active mobile station in a digital mobile radio network (in particular in a GSM system) in which timing advance measurements are implemented.
  • the improvement in the accuracy of the methods proposed according to the invention is based on signal evaluation and calculation methods which take advantage of the fact that individual bursts transmit energy in a structured manner. According to the invention, this is used in such a way that synchronization bits broadcast on the transmitter side for the premature time measurement are evaluated on the receiver side, and a correlation is carried out between received signals and individual synchronization bits, wherein characteristic correlation coefficients are evaluated, which provide a further estimate for the actual distance between the transmitting and the receiving
  • 1 shows the relationship between the delay time ("timing advance") and the distance between a mobile station and a base station; 2 shows the structure of an "access burst" in the GSM standard;
  • CONTEST shows a block diagram of an exemplary embodiment of a position determination algorithm on which a method according to the invention is based (“CONTEST”).
  • the present invention is explained using the GSM standard as an example. However, it is readily apparent to the person skilled in the art that the method according to the invention can also be used in digital mobile radio systems operated according to other mobile radio standards, provided that individual data packets (bursts) structured with synchronization bits are used to carry out timing advance measurements. It is also not absolutely necessary that the timing advance measurements are only carried out in "uplink” mode (from the mobile station to a base station). In principle, mobile radio systems are also conceivable in which timing advance measurements are carried out in the "downlink" - Operation (from the base station to a mobile station) can be performed.
  • Fig. 2 shows an example of the structure of a so-called "access burst" as it is in the GSM standard 05.02. is specified in section 5.2.7.
  • the access burst consists of 87 bits, namely 7 tail bits ("end bits”), 41 bit training sequence ("synchronization sequence”), 36 bit information and 3 tail bits
  • End bits It is only used in "uplink” mode (ie from the mobile station to the base station) and in R ⁇ CH.
  • an algorithm is described as it can be used in a method according to the invention for operating a GSM system in order to determine the location of a mobile station.
  • the algorithm is to be described with reference to FIGS. 2 to 5 for the R ⁇ CH channel (random access channel) in a GSM system. But it does' also applies to "normal bursts" in GSM systems apply (see. GSM 05.02 Section 5.2.3).
  • the 41 synchronization bits indicated in FIG. 2 in an access burst are, in the exemplary embodiment explained below, essential for the implementation of a location determination algorithm according to the invention.
  • Fig. 3 shows a block diagram of a
  • Timing Advance Algo- function block shown at the top in FIG. rithmus "is representative of the timing advance algorithms installed in practice by mobile operators at the time of registration.
  • Converter 1 (ADC - analog digital converter) in the receiving unit of a base station (ie in "uplink" mode) that corresponds to an incoming signal from a mobile station that is connected to the base station and its distance relative to the base station should be determined as accurately as possible.
  • the discrete IQ values x t correspond to the (analog) signal voltage values of an incoming signal at a receiving antenna of a receiving station, in the present example thus a GSM base station.
  • the complex values x- are reduced in a function block 2 by approximately 67,708 kHz, which corresponds to a rotation of 90 ° per symbol duration in the complex plane. This operation has already been implemented for the timing advance algorithm, which results in a linear system for the rotated complex values y-.
  • FIG. 4 shows an example of the correlation coefficients c m for the case of the correlation of the y obtained according to equation (1) with the synchronization sequence of the GSM access bursts, the discrete values c m having been interpolated in this representation, so that a continuous Envelope results as a correlation function.
  • the correlation index m according to equation (4) is plotted on the horizontal axis, and a correlation function derived from the correlation coefficients c m by interpolation is plotted on the vertical axis.
  • any interpolation method can be used for the interpolation of the correlation function from the discrete standardized correlation coefficients according to equation (4).
  • the location of the maximum of the correlation function is a measure of the distance between the mobile station and the base station.
  • the distance between two successive correlation indices m, m + l in FIG. 4 corresponds on a time axis to the duration of a symbol in the GSM standard, that is to say 3.77 ⁇ s. If the mobile station moves relative to the base station, the correlation maximum also shifts. A shift in the correlation maximum by the width of an entire symbol corresponds to a change in the distance between the mobile station and base station by approximately 555 m.
  • the exact position of the correlation maximum in FIG. 4 is often relatively unstable, since the correlation maximum flickers due to multiple-run effects and atmospheric disturbances on the signal transmission path, i.e. the position of the correlation maximum is not stable and is therefore not suitable in practice for determining the position of the mobile station.
  • the method according to the invention now uses a further transformation of the correspondence shown in FIG. 4, which is preferably brought about by software implemented method steps.
  • relation function in a representation in which there is an increase in the stability of the position of a correlation maximum in relation to atmospheric transmission distortions, taking advantage of the fact that in the function block timing advance algorithm shown in FIG Function block 3 provided implementation of the R ⁇ CH correlation according to equation (4), the energy of adjacent correlation results is added up according to the formula (6) given below.
  • k is a relatively small number measured on the total number 41 (generalizing max ) of the synchronization bits, and c " +; _j the conjugate complex value to c ⁇ +; " J.
  • timing advance value is determined by determining the position with maximum energy e max .
  • the discrete and standardized energy values E n determined according to equation (8) are now taken as the basis for a continuous energy sum function f (z) which is obtained by means of interpolation. This is illustrated in FIG. 3 by a branch from the “timing advance algorithm” block into a “location determination algorithm” block provided according to the invention.
  • a continuous energy sum function f (z) is first calculated as an envelope for the discrete standardized energy values E ⁇ by interpolation in function block 7.
  • FIG. 5 shows an example of the course of such a continuous energy sum function / (z), which is based on the (per se discrete - see equation (4)) correlation results in FIG. 4.
  • the distance between two successive energy sum indices n, n + 1 again corresponds to the duration of a symbol to be transmitted, i.e. 3.77 ⁇ s.
  • the mobile station moves relatively quickly to the base station, or only a few bursts can be exchanged between a base station and a mobile station due to interference caused by the transmission path, before the connection is broken off or, if necessary, forwarded
  • the 25th problem often arises in practice that the current position of the correlation plateau of the energy sum function f (z) shown in FIG. 5 is ultimately not a reliable measure for estimating the distance between a mobile station and a base station.
  • 35 edge of the energy sum function f (z) is checked where the energy sum function f (z) has a predetermined threshold value (eg 50%) of the correlation plateau normalized to the value 1.
  • a predetermined threshold value eg 50%
  • the distance between the base station and the mobile station can then be calculated in the following way:
  • Z calibrate Z 0jc results . That is, the desired calibration constant Z calibaments is generally obtained by carrying out a measurement when the distance between the mobile station and base station is zero. The position of the plateau of the correlation maximum of the energy sum function f (z) and the position of the threshold value Zg .. can then be used to determine the calibration constant Z calibmt , which also applies if the distance between the mobile station and the base station is not equal to zero.

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Abstract

The invention relates to a method for improving the accuracy of position determination of a mobile station in a digital mobile radio network, particularly in a mobile radio network that is operated according to the GSM standard, during which timing advance measurements are conducted for bursts that are structured bit by bit. The exact distance between the mobile station and the base station is estimated from the run of the graph of a transformed and interpolated correlation function between individual signal values and synchronization bits.

Description

Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung in einem digitalen MobilfunknetzMethod for improving the accuracy of position determination in a digital mobile radio network
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung einer Mobilstation in einem digitalen Mobilfunknetz, und insbesondere auf ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung einer Mobilstation in einem digitalen Mobilfunknetz nach der GSM-Norm, in welchem Informationen in bitweise strukturierten Datenpaketen, sogenannten "Bursts" ausgetauscht werden. Solche "Bursts" sind z.B. in der GSM- Spezifikation (GSM 05.02 Section 5.2.2) beschrieben.The present invention relates to a method for improving the accuracy of the position determination of a mobile station in a digital mobile radio network, and in particular to a method for improving the accuracy of the position determination of a mobile station in a digital mobile radio network according to the GSM standard, in which information is structured in bits Data packets, so-called "bursts" are exchanged. Such "bursts" are e.g. described in the GSM specification (GSM 05.02 Section 5.2.2).
Die möglichst genaue Lokalisierung von mobilen Funkgeräten, die sich in einem von einem digitalen Mobilfunknetz abgedeckten Empfangs- und Sendebereich befinden, wird zusehends wichtiger.The most accurate localization possible of mobile radio devices that are located in a reception and transmission area covered by a digital mobile radio network is becoming increasingly important.
Z. B. möchten die Mobilfunknetzbetreiber ihre Kunden ög- liehst genau im Mobilfunknetz lokalisieren, um an den eweiligen Aufenthaltsort des Benutzers einer Mobilstation individuell angepasste Werbehinweise schicken zu können. Diese Werbehinweise können z.B. Hinweise auf das nächstgelegenste Restaurant, den nächstgelegensten Buchladen oder ähnliches sein.For example, the mobile radio network operators want to localize their customers as precisely as possible in the mobile radio network in order to be able to send individually adapted advertising instructions to a mobile station's location where the user is staying. These advertising notices can e.g. Indicates the nearest restaurant, bookshop or similar.
Von Seiten des Gesetzgebers wiederum wird an die Mobilfunknetzbetreiber z.B. die Anforderung gestellt, möglichst genau die Position eines Benutzers einer Mobilstation zu ermitteln, der über seine Mobilstation einen Notrufdienst anfordert. Dadurch soll Mißbrauch vorgebeugt werden und Unfallopfer sollen genau lokalisiert werden können.From the legislature's side, the mobile network operators are e.g. made the request to determine as precisely as possible the position of a user of a mobile station who requests an emergency call service via his mobile station. Abuse is to be prevented and accident victims should be pinpointed.
Für all diese Anwendungszwecke reichen die bisher erreichten Genauigkeiten zur Lokalisierung einer Mobilstation in einem Mobilfunknetz nicht aus. Verschiedene bekannte Verfahren zur Positionsbestimmung einer Mobilstation in einem digitalen Mobilfunknetz sind zum Beispiel in "Positioning GSM Telephones" von C. Dräne et. al . in IEEE Communications Magazine, April 1998, S. 46 ff. erläu- tert. Insbesondere sind dort auch sogenannte "Timing Advan- ce"-Messungen ( "Vorauseilzeit"-Messungen) erläutert, wie sie weiter unten noch ausführlicher erläutert werden.For all of these applications, the accuracies achieved so far for locating a mobile station in a mobile radio network are not sufficient. Various known methods for determining the position of a mobile station in a digital mobile radio network are described, for example, in "Positioning GSM Telephones" by C. Dräne et. al. in IEEE Communications Magazine, April 1998, p. 46 ff. In particular, so-called "timing advance" measurements ("advance time" measurements) are also explained, as will be explained in more detail below.
In digitalen Mobilfunknetzen, und insbesondere in GSM Syste- men, findet die Datenübertragung zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation durch sogenannte "Bursts" statt, das sind Datenpakete vorspezifizierter Länge und vorspezifizierter interner Struktur.In digital mobile radio networks, and in particular in GSM systems, the data transmission between a base station and a mobile station takes place by means of so-called "bursts", which are data packets of a specified length and a specified internal structure.
In gängigen Mobilfunknetzspezifikationen, insbesondere in der GSM Norm, sind zum Austausch eines Bursts zwischen einer sendenden Station und einer empfangenden Station Zeitschlitze vorbestimmter Länge im Datenübertragungsprotokoll vorgesehen, innerhalb derer eine sendende Station einen Burst senden und eine damit in Verbindung stehende empfangende Station diesen Burst empfangen kann.In current mobile radio network specifications, in particular in the GSM standard, time slots of a predetermined length are provided in the data transmission protocol for exchanging a burst between a sending station and a receiving station, within which a sending station can send a burst and a receiving station connected to it can receive this burst ,
Um die Kapazitäten einer Basisstation, in deren Empfangs- und Sendegebiet sich eine Vielzahl von Mobilstationen befinden kann., .optimal .auszunutzen, ist die Basisstation nicht für jede Mobilstation permanent empfangsbereit, sondern kann nur während bestimmter Zeitschlitze einen von einer bestimmten Mobilstation einlaufenden Burst tatsächlich empfangen. Dies führt dazu, dass eine sich in einem bestimmten Abstand von einer Basisstation befindliche Mobilstation einen Burst schon losschicken muss, während die Basisstation noch gar nicht bereit ist, diesen Burst zu empfangen. Die Basisstation muss vielmehr während der Laufzeit des Bursts von der Mobilstation zu Basisstation umgeschaltet werden, so dass sie dann zum Zeitpunkt des Eintreffens des Bursts bei der Basisstation empfangsbereit ist. Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Vorauseilzeit ("timing advance") Δt und dem Abstand Ax zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation, c ist die Lichtgeschwindigkeit (ca. 3*108 m/s ) . Der Faktor 1/2 ist zu berücksichti- 5 gen, da die Mobilstation den Synchronisationsburst bereits um die Laufzeit zwischen der Mobilstation und Basisstation verschoben sieht. Sendet die Mobilstation ein RÄCH Signal (RÄCH = "Random Access Channel"), so ist dieses abermals um die Laufzeit zwischen Mobilstation und Basisstation verzögert. 10 Die Vorauseilzeit (" timing advance") entspricht deshalb der doppelten Laufzeit.In order to utilize the capacities of a base station, in the reception and transmission area of which there can be a large number of mobile stations., .Optimal., The base station is not permanently ready to receive for each mobile station, but can actually only receive a burst arriving from a specific mobile station during certain time slots receive. This means that a mobile station located at a certain distance from a base station has to send a burst while the base station is not yet ready to receive this burst. Rather, the base station has to be switched from the mobile station to the base station during the running time of the burst, so that it is then ready to receive when the burst arrives at the base station. 1 shows the relationship between the timing advance Δt and the distance Ax between a mobile station and a base station, c is the speed of light (approx. 3 * 10 8 m / s). The factor 1/2 must be taken into account, since the mobile station already sees the synchronization burst shifted by the running time between the mobile station and the base station. If the mobile station sends a RÄCH signal (RÄCH = "Random Access Channel"), this is again delayed by the running time between the mobile station and the base station. 10 The timing advance is therefore twice the running time.
Vorauseilzeitmessungen ("Timing Advance"-Messungen) haben eine Auflösung, die der Dauer eines GSM Symbols entspricht,Timing advance measurements have a resolution that corresponds to the duration of a GSM symbol,
15 d.h. 3,77 μs. In GSM 05.04 Section 2.1.1 finden sich nähere Spezifikationen zu den im GSM Standard verwendete "Symbolen" und deren Eigenschaften. Die Dauer eines Symbols entspricht somit einem Abstand von ca. 3*108 m/s » 3,77 μs = 555 m zwischen Basisstation und Mobilstation.15 ie 3.77 μs. GSM 05.04 Section 2.1.1 contains more detailed specifications on the "symbols" used in the GSM standard and their properties. The duration of a symbol thus corresponds to a distance of approx. 3 * 10 8 m / s »3.77 μs = 555 m between the base station and the mobile station.
2020
Eine Ortsauflösung von ca. 555 m ist jedoch nicht ausreichend für die Vorgaben, die die amerikanische Bundesbehörde FCC für Positionsortungsdienste vorgibt, (vgl. z.B. Christopher Dräne, Malcolm Macnaughtan, and Craig Scott, "Positioning GSMHowever, a spatial resolution of approx. 555 m is not sufficient for the requirements that the American federal authority FCC specifies for position location services (see e.g. Christopher Dräne, Malcolm Macnaughtan, and Craig Scott, "Positioning GSM
25. Telephones ", IEEE Communications magazine,. April 1998 oder25. Telephones ", IEEE Communications magazine, April 1998 or
Sirin Tekinay, Ed Chao and Robert Richton "Performance Bench- marking for Wireless Location Systems", IEEE Communications magazine, April 1998.Sirin Tekinay, Ed Chao and Robert Richton "Performance Benchmarking for Wireless Location Systems", IEEE Communications magazine, April 1998.
30 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, verbesserte Verfahren zur Lokalisierung einer aktiven Mobilstation in einem digitalen Mobilfunknetz (insbesondere bei einem GSM System) bereitzustellen, in dem Timing Advance Messungen implementiert sind.The object of the present invention is therefore to provide improved methods for locating an active mobile station in a digital mobile radio network (in particular in a GSM system) in which timing advance measurements are implemented.
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Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch 1 gelöst. Weiterhin wird ein Com- puterprogrammprodukt bereitgestellt, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer maschinenlesbaren Form dargestellt wird, und welches zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf Basisstationen oder Mobilstationen eines digi- talen Mobilfunknetzes heruntergeladen werden kann.This is achieved according to the invention by a method according to independent method claim 1. Furthermore, a com Computer program product provided with which a method according to the invention is represented in a machine-readable form and which can be downloaded to base stations or mobile stations of a digital mobile radio network in order to carry out a method according to the invention.
Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.The dependent claims relate to preferred embodiments of the present invention.
Die Verbesserung der Genauigkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren beruht auf Signalauswertungs- und Rechenverfahren, die die Tatsache ausnutzen, dass einzelne Bursts bitweise strukturiert Energie übertragen. Erfindungsgemäß wird dies, so ausgenutzt, dass zur Vorauseilzeitmessung senderseitig ausgestrahlte Synchronisationsbits empfängersei- tig ausgewertet werden, und eine Korrelation zwischen empfangenen Signalen und einzelnen Synchronisationsbits durchgeführt wird, wobei charakteristische Korrelationskoeffizienten ausgewertet werden, die einer weiteren Abschätzung für den tatsächlichen Abstand zwischen sendender und empfangenderThe improvement in the accuracy of the methods proposed according to the invention is based on signal evaluation and calculation methods which take advantage of the fact that individual bursts transmit energy in a structured manner. According to the invention, this is used in such a way that synchronization bits broadcast on the transmitter side for the premature time measurement are evaluated on the receiver side, and a correlation is carried out between received signals and individual synchronization bits, wherein characteristic correlation coefficients are evaluated, which provide a further estimate for the actual distance between the transmitting and the receiving
Station zugrundegelegt werden.The station.
Dabei kann bei einem GSM-Mobilfunksystem auf in diesem bereits implementierte Software-Ressourcen zur Durchführung ei- _nes Timing ..Advance. Algorithmusses zurückgegriffen .werden, wie. dies durch die Ansprüche 3 und 4 zum Ausdruck gebracht ist .In this case, in the case of a GSM mobile radio system, software resources which have already been implemented in it can be used to carry out timing. Advance. Algorithm must be used, such as. this is expressed by claims 3 and 4.
Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispie- len in Verbindung mit den Zeichnungen.The advantages and features of the present invention also result from the exemplary embodiments explained below in conjunction with the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 den Zusammenhang zwischen der Verzögerungszeit ("timing advance") und dem Abstand einer Mobilstation zu einer Basisstation; Fig. 2 den Aufbau einer "Access Burst" in der GSM Norm;1 shows the relationship between the delay time ("timing advance") and the distance between a mobile station and a base station; 2 shows the structure of an "access burst" in the GSM standard;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein einem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundelie- genden Positionsbestimmungsalgorithmus ( "CONTEST"-3 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a position determination algorithm on which a method according to the invention is based (“CONTEST”).
Algorithmus) in einem GSM-System;Algorithm) in a GSM system;
Fig. 4 den Verlauf einer interpolierten Korrelationsfunk- tion für den RACH-Kanal in Abhängigkeit von einem Korrelationsindex, wie er bei Verwendung des4 shows the course of an interpolated correlation function for the RACH channel as a function of a correlation index, as it is when using the
"CONTEST"-Algorithmusses auftritt; und"CONTEST" algorithm must occur; and
Fig. 5 den Verlauf einer interpolierten Energiesummenfunktion in Abhängigkeit von.einem Korrelationsindex, wie er bei Verwendung des "CONTEST"-Algorithmusses auftritt.5 shows the course of an interpolated energy sum function as a function of a correlation index, as occurs when the "CONTEST" algorithm is used.
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft anhand der GSM- Norm erläutert. Für den Fachmann ist es aber ohne weiteres einsichtig, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch in nach anderen Mobilfunknormen betriebenen digitalen Mobilfunksyste- men einsetzbar ist, sofern in diesen mit Synchronisationsbits strukturierte Einzeldatenpakete ("Bursts") zur Durchführung von Timing Advance Messungen benutzt werden. Es ist zudem nicht zwingend notwendig, das.s .Timing Advance Messungen nur im "uplink"-Betrieb (von der Mobilstation zu einer Basisstation) durchgeführt werden, grundsätzlich sind auch Mobilfunksysteme denkbar, bei denen Timing Advance Messungen im "down- link"-Betrieb (von der Basisstation zu einer Mobilstation) durchgeführt werden.The present invention is explained using the GSM standard as an example. However, it is readily apparent to the person skilled in the art that the method according to the invention can also be used in digital mobile radio systems operated according to other mobile radio standards, provided that individual data packets (bursts) structured with synchronization bits are used to carry out timing advance measurements. It is also not absolutely necessary that the timing advance measurements are only carried out in "uplink" mode (from the mobile station to a base station). In principle, mobile radio systems are also conceivable in which timing advance measurements are carried out in the "downlink" - Operation (from the base station to a mobile station) can be performed.
Fig. 2 zeigt beispielhaft den Aufbau eines sogenannten "Access Burst" wie er in der GSM Norm 05.02. in Abschnitt 5.2.7 spezifiziert ist. Der Access Burst besteht aus 87 Bit, nämlich 7 Tailbits ("Endbits"), 41 Bit Training Sequence ("Syn- chronsationssequenz"), 36 Bit Information und 3 TailbitsFig. 2 shows an example of the structure of a so-called "access burst" as it is in the GSM standard 05.02. is specified in section 5.2.7. The access burst consists of 87 bits, namely 7 tail bits ("end bits"), 41 bit training sequence ("synchronization sequence"), 36 bit information and 3 tail bits
("Endbits") . Er wird nur im "uplink"-Betrieb (also von Mobilstation zur Basisstation hin) und im RÄCH benutzt. Als nächstes wird ein Algorithmus beschrieben, wie er in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines GSM Systems Verwendung finden kann, um den Aufenthaltsort einer Mobilstation zu ermitteln. Der Algorithmus soll anhand der Fig. 2 bis 5 für den RÄCH Kanal (random access Channel) in einem GSM System beschrieben werden. Er lässt' sich jedoch auch auf "normal bursts" in GSM- Systemen anwenden (vgl. GSM 05.02 Section 5.2.3).("End bits"). It is only used in "uplink" mode (ie from the mobile station to the base station) and in RÄCH. Next, an algorithm is described as it can be used in a method according to the invention for operating a GSM system in order to determine the location of a mobile station. The algorithm is to be described with reference to FIGS. 2 to 5 for the RÄCH channel (random access channel) in a GSM system. But it does' also applies to "normal bursts" in GSM systems apply (see. GSM 05.02 Section 5.2.3).
Die in Fig. 2 angedeuteten 41 Synchronisationsbits in einem Access Burst sind bei dem im folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel wesentlich für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsalgorithmusses .The 41 synchronization bits indicated in FIG. 2 in an access burst are, in the exemplary embodiment explained below, essential for the implementation of a location determination algorithm according to the invention.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einesFig. 3 shows a block diagram of a
Ausführungsbeispiels für ein einem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Positionsbestimmungsalgorithmus ("CONTEST"-Algorithmus = Correlation Energy Threshold Method = Korrelationsenergieschwellenverfahren) in einem GSM-System, in welchem eine Timing Advance Messung zum Austausch eines Timing Advance Werts zwischen Mobilstation und Basisstation durchgeführt wird.Embodiment for a position determination algorithm on which a method according to the invention is based ("CONTEST" algorithm = Correlation Energy Threshold Method = correlation energy threshold method) in a GSM system in which a timing advance measurement for exchanging a timing advance value is carried out between the mobile station and the base station.
Bei der in Fig. 3 obenliegend gezeichneten Kette einzelner Funktionsblöcke 2 bis 5 wird dabei auf Software-Ressourcen zurückgegriffen, wie sie in Basisstationen bereits implementiert sind, und die in Fig. 3 in einem Block "Timing Advance Algorithmus" zusammengefasst sind.In the chain of individual function blocks 2 to 5 shown at the top in FIG. 3, software resources are used, as are already implemented in base stations, and which are combined in FIG. 3 in a block "Timing Advance Algorithm".
Einzelheiten zu derartigen Timing Advance Algorithmen sind nicht einschlägig in der GSM-Norm spezifiziert, sondern sind in der Regel durch Mobilfunkbetreiber in ihren proprietären Spezifikationen für den Betrieb von Mobilfunkbasisstationen individuell implementiert. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann davon ausgegangen werden, dass der in Fig. 3 oben liegend gezeigte Funktionsblock "Timing Advance Algo- rithmus" repräsentativ ist für die zum Anmeldezeitpunkt in der Praxis von Mobilfunkbetreibern installierten Timing Advance Algorithmen.Details of such timing advance algorithms are not specifically specified in the GSM standard, but are usually implemented individually by mobile radio operators in their proprietary specifications for the operation of mobile radio base stations. For the purposes of the present invention, it can be assumed that the "Timing Advance Algo-" function block shown at the top in FIG. rithmus "is representative of the timing advance algorithms installed in practice by mobile operators at the time of registration.
Für weitere Erläuterung sei angenommen, es lägen 156 komplexe IQ Werte x. (Inphase-Quadrature Phase Werte) von einem AD-For further explanation it is assumed that there are 156 complex IQ values x. (In-phase quadrature phase values) from an AD
Wandler 1 (ADC - analog digital Converter) in der Empfangseinheit einer Basisstation (also im "Uplink"-Betrieb) vor, die einem eingehenden Signal von einer Mobilstation entspre- chen, die mit der Basisstation in Verbindung steht, und deren Abstand relativ zur Basisstation möglichst genau ermittelt werden soll . Die diskreten IQ Werte xt entsprechen dabei den an einer Empfangsantenne einer empfangenden Station, im vorliegenden Beispiel also einer GSM-Basisstation, eingehenden (analogen) Signalspannungswerten eines eintreffenden Signals.Converter 1 (ADC - analog digital converter) in the receiving unit of a base station (ie in "uplink" mode) that corresponds to an incoming signal from a mobile station that is connected to the base station and its distance relative to the base station should be determined as accurately as possible. The discrete IQ values x t correspond to the (analog) signal voltage values of an incoming signal at a receiving antenna of a receiving station, in the present example thus a GSM base station.
Es sei angenommen, dass diese komplexen IQ-Werte x- , im Basisband des AD-Wandlers 1 ausgegeben werden. Die Vorgabe 0 < i = 156 ergibt sich dabei aus der Norm GSM 05.02. Section 5.2.2.It is assumed that these complex IQ values x- are output in the baseband of the AD converter 1. The specification 0 <i = 156 results from the GSM 05.02 standard. Section 5.2.2.
Die komplexen Werte x- werden in einem Funktionsblock 2 um ungefähr 67.708 kHz herabgesetzt, was einer Drehung um 90° pro Symboldauer in der komplexen Ebene entspricht. Diese Ope- ration ist für den Timing Advance Algorithmus bereits implementiert, wodurch sich ein lineares System für die gedrehten komplexen Werte y- ergibt .The complex values x- are reduced in a function block 2 by approximately 67,708 kHz, which corresponds to a rotation of 90 ° per symbol duration in the complex plane. This operation has already been implemented for the timing advance algorithm, which results in a linear system for the rotated complex values y-.
Die nachfolgende Formel beschreibt diese Operation;The following formula describes this operation;
ι * /r y,.=x,.«exp(-r—) (1)ι * / ry. = X ,. « Exp (-r—) (1)
Dann findet im Funktionsblock 3 beispielhaft eine Korrelation der y. mit der Synchronisationssequenz des GSM Access Bursts statt. In einer anderen Ausführungsform könnte hier auch eine Korrelation der y, mit der Synchronisationssequenz eines GSMThen a correlation of the y is found in function block 3 as an example. with the synchronization sequence of the GSM access burst. In another embodiment, there could also be a correlation of the y with the synchronization sequence of a GSM
Normal Bursts stattfinden. Für die Korrelation der yt mit der Synchronisationssequenz des GSM Access Bursts werden z.B. die Symbole t- verwendet, welche aus den in der Norm GSM 05.02 Version 4.6.0 Abschnitt 5.2.7 definierten Bits abgeleitet werden, d.h.Normal bursts take place. For the correlation of the y t with the synchronization sequence of the GSM access burst, the symbols t- are used, for example, which are derived from the bits defined in the GSM 05.02 version 4.6.0 section 5.2.7, ie
t, = ÄV,+7»2-l (2)t, = ÄV, +7 »2-l (2)
wobei hier gilt 0<Z<41 (3)where 0 <Z <41 (3)
Für andere Synchronisationssequenzen gilt verallgemeinernd, dass eine Synchronisation mit Bits t- stattfindet, wobei eine Anzahl lmax von Synchronisationsbits vorliegt.As a general rule for other synchronization sequences, synchronization takes place with bits t-, a number l max of synchronization bits being present.
Bei der Synchronisation mit den Synchronisationsbits eines Access Bursts werden z.B. 73 (= 68 + 5, nämlich 68 extended guard bits nach GSM 05.02 Section 5.2.7 sowie z.B. 5 Bits für die Dauer des Mobilfunkkanals ) Korrelationsergebnisse cm auf folgende Weise erhalten:When synchronizing with the synchronization bits of an access burst, for example 73 (= 68 + 5, namely 68 extended guard bits according to GSM 05.02 Section 5.2.7 and for example 5 bits for the duration of the mobile radio channel) correlation results c m are obtained in the following way:
Figure imgf000010_0001
mit 0<m<73 ( 5 :
Figure imgf000010_0001
with 0 <m <73 (5:
Für andere Synchronisationssequenzen gilt verallgemeinernd, dass Korrelationsergebnisse cm auf folgende Weise erhalten:As a general rule for other synchronization sequences, correlation results c m are obtained in the following way:
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
Statt, wie Gleichung (5) zugrundegelegt, 5 Symboldauern kann auch eine andere Anzahl von Symbolen für die Dauer des Mobilfunkkanals angenommen werden, so dass für die Anzahl der erhaltenen Korrelationsergebnisse allgemein gilt:Instead of 5 symbol durations on the basis of equation (5), a different number of symbols can also be assumed for the duration of the mobile radio channel, so that the following generally applies to the number of correlation results obtained:
0<m≤mmax (5'). Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Korrelationskoeffizienten cm für den Fall der Korrelation der nach Gleichung (1) erhaltenen y- mit der Synchronisationssequenz der GSM Access Bursts, wobei in dieser Darstellung die diskreten Werte cm interpoliert worden sind, so dass sich eine kontinuierliche Einhüllende als Korrelationsfunktion ergibt.0 <m≤m max (5 '). FIG. 4 shows an example of the correlation coefficients c m for the case of the correlation of the y obtained according to equation (1) with the synchronization sequence of the GSM access bursts, the discrete values c m having been interpolated in this representation, so that a continuous Envelope results as a correlation function.
Auf der waagerechten Achse ist der Korrelationsindex m nach Gleichung (4) aufgetragen, auf der senkrechten Achse eine aus den Korrelationskoeffizienten cm durch Interpolation abgeleitete Korrelationsfunktion. Für die Interpolation der Korrelationsfunktion aus den diskreten normierten Korrelationskoeffizienten nach Gleichung (4) kann an sich auf beliebige Interpolationsverfahren zurückgegriffen werden.The correlation index m according to equation (4) is plotted on the horizontal axis, and a correlation function derived from the correlation coefficients c m by interpolation is plotted on the vertical axis. For the interpolation of the correlation function from the discrete standardized correlation coefficients according to equation (4), any interpolation method can be used.
Die Lage des Maximums der Korrelationsfunktion ist dabei ein Maß für den Abstand zwischen der Mobilstation und der Basisstation. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kor- relationsindices m, m + l in Fig. 4 entspricht auf einer Zeit- achse der Dauer eines Symbols im GSM-Standard, also 3.77 μs . Bewegt sich die Mobilstation relativ zur Basisstation, so verschiebt sich auch das Korrelationsmaximum. Eine Verschiebung des Korrelationsmaximums um die Breite eines ganzen Symbols entspricht dabei einer Veränderung des Abstands zwischen Mobilstation und Basisstation um ca. 555 m.The location of the maximum of the correlation function is a measure of the distance between the mobile station and the base station. The distance between two successive correlation indices m, m + l in FIG. 4 corresponds on a time axis to the duration of a symbol in the GSM standard, that is to say 3.77 μs. If the mobile station moves relative to the base station, the correlation maximum also shifts. A shift in the correlation maximum by the width of an entire symbol corresponds to a change in the distance between the mobile station and base station by approximately 555 m.
In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die genaue Lage des Korrelationsmaximums in Fig. 4 oft relativ unstabil ist, da es aufgrund von Mehrfachlaufeffekten und atmosphärischen Stö- rungen auf dem Signalübertragungsweg zu einem "Flackern" des Korrelationsmaximums kommt, d.h. die Lage des Korrelationsma- ximums ist nicht stabil und deshalb in der Praxis nicht zur Positionsbestimmung der Mobilstation geeignet.In practice, however, it can be seen that the exact position of the correlation maximum in FIG. 4 is often relatively unstable, since the correlation maximum flickers due to multiple-run effects and atmospheric disturbances on the signal transmission path, i.e. the position of the correlation maximum is not stable and is therefore not suitable in practice for determining the position of the mobile station.
Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt nun eine weitere, bevorzugterweise durch softwaremäßig implementierte Verfahrensschritte bewirkte Transformation der in Fig. 4 gezeigten Kor- relationsfunktion in eine Darstellung, bei der sich eine Erhöhung der Stabilität der Lage eines Korrelationsmaximums gegenüber atmosphärisch bedingten ÜbertragungsVerzerrungen ergibt, und zwar unter Ausnutzung der Tatsache, dass in dem in Fig. 3 gezeigten Funktionsblock Timing Advance Algorithmus z.B. bereits vorgesehen ist, dass nach der im Funktionsblock 3 vorgesehenen Durchführung der RÄCH Korrelation gemäß Gleichung (4) die Energie von benachbarten Korrelationsergebnissen entsprechend der nachfolgend angegebenen Formel (6) auf- addiert wird.The method according to the invention now uses a further transformation of the correspondence shown in FIG. 4, which is preferably brought about by software implemented method steps. relation function in a representation in which there is an increase in the stability of the position of a correlation maximum in relation to atmospheric transmission distortions, taking advantage of the fact that in the function block timing advance algorithm shown in FIG Function block 3 provided implementation of the RÄCH correlation according to equation (4), the energy of adjacent correlation results is added up according to the formula (6) given below.
In dem in Fig. 3 gezeigten Blockdiagramm ist in dem Timing Advance Algorithmus bereits eine Auswertung der Energie der Korrelationsergebnisse in zwei Funktionsblöcken 4 und 5 imp- lementiert.In the block diagram shown in FIG. 3, an evaluation of the energy of the correlation results is already implemented in two function blocks 4 and 5 in the timing advance algorithm.
Dabei ist vorgesehen, dass z.B. mit den 73 Korrelationsergebnissen aus Gleichung (4) Energiewerte en berechnet werden.It is provided that, for example, be calculated using the 73 correlation results from equation (4) e n energy values.
Dies geschieht z.B. nach folgender Formel en ~ 2-JCn+l~lCn+l-l ( 6 ) .This happens, for example, according to the following formula e n ~ 2-J C n + l ~ l C n + ll (6).
/=1/ = 1
Dabei ist k eine relativ kleine Zahl gemessen an der Gesamtzahl 41 (verallgemeinernd max)der Synchronisationsbits, und c„+;_j der konjugiert komplexe Wert zu cπ+;j .Here, k is a relatively small number measured on the total number 41 (generalizing max ) of the synchronization bits, and c "+; _j the conjugate complex value to c π +; " J.
Im vorliegenden Fall sei beispielhaft k = 5 implementiert.In the present case, let k = 5 be implemented as an example.
Mit k = 5 erhält man nach Gleichung (6) insgesamt 73 - 5 + 1 = 69 Energiewerte en . Es gilt also:With k = 5, a total of 73 - 5 + 1 = 69 energy values e n are obtained according to equation (6). So the following applies:
0<n<69 (7).0 <n <69 (7).
Die auf 1 normierten WerteThe values standardized to 1
£ = ( 8 ) e max werden normierte Energiewerte En genannt.£ = (8) e max are called standardized energy values E n .
Verallgemeinernd gilt:In general, the following applies:
0<n≤nmax (7 *' \)0 <n≤n max (7 * '\)
Im einem bekannten Timing Advance Algorithmus ist im Funkti- onsblock 5 z.B. vorgesehen, dass der Timing Advance Wert durch die Bestimmung der Position mit maximaler Energie emax ermittelt wird.In a known timing advance algorithm, it is provided in function block 5, for example, that the timing advance value is determined by determining the position with maximum energy e max .
Gemäß dem hier beispielhaft für ein GSM-Mobilfunksystem be- trachteten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nunmehr die nach Gleichung (8) ermittelten diskreten und normierten Energiewerte En als Basis für eine kontinuierliche Energiesummenfunktion f (z) genommen, welche mittels Interpolation erhalten wird. In Fig. 3 ist dies durch eine Ver- zweigung aus dem Block "Timing Advance Algorithmus" in einen erfindungsgemäß vorgesehenen Block "Ortsbestimmungsalgorithmus" veranschaulicht .According to the exemplary embodiment of the present invention considered here by way of example for a GSM mobile radio system, the discrete and standardized energy values E n determined according to equation (8) are now taken as the basis for a continuous energy sum function f (z) which is obtained by means of interpolation. This is illustrated in FIG. 3 by a branch from the “timing advance algorithm” block into a “location determination algorithm” block provided according to the invention.
Im Block "Ortsbestimmungsalgorithmus" wird im Funktionsblock 7 zunächst eine kontinuierliche Energiesummenfunktion f (z) als Einhüllende für die diskreten normierten Energiewerte Eπ durch Interpolation berechnet .In the "location determination algorithm" block, a continuous energy sum function f (z) is first calculated as an envelope for the discrete standardized energy values E π by interpolation in function block 7.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Verlauf einer solchen kon- tinuierlichen Energiesummenfunktion /(z), welche auf den (an sich diskreten - vgl. Gleichung (4)) Korrelationsergebnissen in Fig. 4 basiert. In Fig. 5 entspricht der Abstand zwischen zwei auf einander folgenden Energiesummenindices n, n + 1 wiederum der Dauer eines übertragenden Symbols, d.h. 3,77 μs.FIG. 5 shows an example of the course of such a continuous energy sum function / (z), which is based on the (per se discrete - see equation (4)) correlation results in FIG. 4. In Fig. 5, the distance between two successive energy sum indices n, n + 1 again corresponds to the duration of a symbol to be transmitted, i.e. 3.77 μs.
Für die Interpolation der Energiesummenfunktion /(z) aus den diskreten normierten Energiewerten nach Gleichung (7) kann an sich auf beliebige Interpolationsverfahren zurückgegriffen werden. Die einfachste Form ist die lineare Interpolation.For the interpolation of the energy sum function / (z) from the discrete standardized energy values according to equation (7) can be any interpolation method can be used. The simplest form is linear interpolation.
Nun besteht das Ziel darin, die Position des Maximums der E- nergiesummenfunktion f (z) zu bestimmen, welche dem Maximum der in Fig. 4 gezeigten Korrelationsfunktion bestmöglich entspricht. Wegen des in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten "Fla- ckerns" des Korrelationsmaximums und wegen der in Verbindung mit Gleichung (6) bei der Energiewertberechnung berücksich- tigten Anzahl von z.B. £=5 benachbarten Korrelationskoeffizienten zeigt die Energiesummenfunktion f (z) in Fig. 5 im Bereich ihres Maximums den Verlauf eines abgeplatteten und im Laufe der Zeit langsam "hin und her wandernden" Korrelationsplateaus der Höhe 1.The goal now is to determine the position of the maximum of the energy sum function f (z), which corresponds to the maximum of the correlation function shown in FIG. 4 as best as possible. Because of the "flickering" of the correlation maximum explained in connection with FIG. 4 and because of the number of, e.g., taken into account in the energy value calculation in connection with equation (6). In the region of its maximum, the energy sum function f (z) in FIG. 5 shows the course of a flattened correlation plateau of height 1 that slowly "moves back and forth over time" in the region of its maximum.
Die Geschwindigkeit, mit der die Lage des Korrelationsplateaus "wandert" ist je nach Zahl k der zur Bildung der Energiesummenfunktion f (z) in Gleichung (6) berücksichtigen benachbarten Korrelationskoeffizienten deutlich niedriger, als die Geschwindigkeit, mit der das Maximum der nach Gleichung (4) bzw. (4M ermittelten Korrelationskoeffizienten "flackert" .The speed at which the position of the correlation plateau "migrates", depending on the number k of the correlation coefficients that are taken into account to form the energy sum function f (z) in equation (6), is significantly lower than the speed at which the maximum of the according to equation (4 ) or (4M determined correlation coefficient "flickers".
Bei einem nur sehr langsam hin- und herwandernden Korrelati- onsplateau .der Energiesummenfunktion f (z) läßt sich z.B. die . Mitte des Korrelationsplateaus relativ leicht abschätzen und als Schätzwert für das Maximum der nach Gleichung (4) bzw. (4 ermittelten Korrelationskoeffizienten annehmen.With a very slow back and forth correlation plateau. Of the energy sum function f (z), e.g. the . Estimate the middle of the correlation plateau relatively easily and accept it as an estimate for the maximum of the correlation coefficients determined according to equation (4) or (4).
Häufig stellt sich aber in der Praxis das Problem, das eine zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelte "Momentaufnahme" zur Bestimmung der Lage des Plateaus der in Fig. 5 gezeigten E- nergiesummenfunktion f (z) keine zuverlässige Aussage darüber zuläßt, wo ein Maximum der nach Gleichung (4) bzw. (4') er- mittelten Korrelationskoeffizienten ohne laufstreckenbedingte Verzerrungseffekte idealtypisch läge. Hier könnte an sich eine längere Beobachtung der Lage eines langsam "wandernden" Korrelationsplateaus und eine zeitliche Mittelwertbildung Abhilfe schaffen. Bei einer Mobilstation, die über einen ausreichend langen BeobachtungsZeitraum hinweg 5 ihren Abstand relativ zu einer Basisstation nicht (merklich) ändert, kann man durch zeitliche Mittelwertbildung mehrerer in aufeinanderfolgenden Zeitabständen ermittelter Korrelationsplateaus einen Mittelwert für die Mitte dieser Korrelationsplateaus bilden, der wiederum als Schätzwert für das Maxi- 10 mum der nach Gleichung (4) bzw. (4M ermittelten Korrelationskoeffizienten dient.Frequently, however, the problem arises in practice that a "snapshot" determined at a certain point in time to determine the position of the plateau of the energy sum function f (z) shown in FIG. 5 does not allow a reliable statement as to where a maximum of the Equation (4) or (4 ') determined correlation coefficients without distortion effects due to the route would ideally be typical. A longer observation of the situation of a slowly "moving" correlation plateau and a temporal averaging could help here. In the case of a mobile station that does not (noticeably) change its distance relative to a base station over a sufficiently long observation period 5, by averaging a number of correlation plateaus determined in successive time intervals, one can form an average for the center of these correlation plateaus, which in turn is an estimate of the Maximum 10 mum serves the correlation coefficient determined according to equation (4) or (4M).
In der Praxis stellt sich aber das Problem, dass die hierfür benötigten Zeiten oft nicht zur Verfügung stehen, z.B. weilIn practice, however, the problem arises that the times required for this are often not available, e.g. because
15 sich die Mobilstation relativ schnell zur Basisstation bewegt, oder aufgrund von übertragungswegbedingten Störungen nur wenige Bursts zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation ausgetauscht werden können, bevor es zu einem Abbruch der Verbindung oder gegebenenfalls zu einem Weiterrei-15 the mobile station moves relatively quickly to the base station, or only a few bursts can be exchanged between a base station and a mobile station due to interference caused by the transmission path, before the connection is broken off or, if necessary, forwarded
20 chen der Mobilstation von einer dezidierten Basisstation zu einer benachbarten Basisstation kommt (sogenanntes "Hando- ver" ) .20 of the mobile station comes from a dedicated base station to an adjacent base station (so-called "handover").
Das heißt, auch hier zeigt sich in der Praxis oftmals das 25. Problem, dass die momentane Lage des Korrelationsplateaus der in Fig. 5 gezeigten Energiesummenfunktion f (z) letztlich kein zuverlässiges Maß für die Abschätzung des Abstands zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation ist.In other words, the 25th problem often arises in practice that the current position of the correlation plateau of the energy sum function f (z) shown in FIG. 5 is ultimately not a reliable measure for estimating the distance between a mobile station and a base station.
30 Es hat sich hingegen in der Praxis gezeigt, dass der Verlauf der Flanken des Korrelationsmaximums (bei ortsfester Mobilstation) sehr stabil ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird diese Tatsache so ausgenutzt, dass an der ansteigenden oder an der absteigenden30 On the other hand, it has been shown in practice that the course of the edges of the correlation maximum (in the case of a stationary mobile station) is very stable. In a preferred embodiment of the present invention, this fact is exploited so that the rising or falling
35 Flanke der Energiesummenfunktion f (z) geprüft wird, wo die Energiesummenfunktion f (z) einen vorbestimmten Schwellwert (z.B. 50%) des auf den Wert 1 normierten Korrelationsplateaus erreicht .35 edge of the energy sum function f (z) is checked where the energy sum function f (z) has a predetermined threshold value (eg 50%) of the correlation plateau normalized to the value 1.
Aufgrund des durch die wohldefinierten Eigenschaften der Syn- chronisationsbits für den Idealfall (ohne Störeffekte) bekannten verzerrungsfreien Verlaufs einer idealtypischen Korrelationsfunktion lässt sich empirisch ermitteln, um welche "Versatzstrecke" ZQ X ein solcher Schwellwert mit Λ:»100% von der "idealen" Mitte des Korrelationsplateaus entfernt liegen müßte.On the basis of the distortion-free course of an ideal-typical correlation function, which is known from the well-defined properties of the synchronization bits for the ideal case (without interference effects), it can be empirically determined by which "offset distance" Z QX such a threshold value with Λ: »100% of the" ideal "center away from the correlation plateau.
Bestimmt man die Lage ZQ X des Schwellwerts an der an- oder absteigenden Flanke des Korrelationsmaximums, wo also Λ:»100% des Maximalwertes des "Korrelationsplateaus" erreicht werden, so kann man unter Berücksichtigung eines vorab empirisch bestimmten Versatzes zca,ibm,e in Fig. 5 die Position zpos bestimmen, welche einem in der Darstellung in Fig. 4 gezeigten, "i- dealtypischen" , also nicht aufgrund von Übertragungsstrecken- bedingten Verzerrungen "flackernden" Korrelationsmaximum ent- sprechen würde. Diese Position entspricht mit größtmöglicher Wahrscheinlichkeit der exakten Position der Mobilstation.If one determines the position Z QX of the threshold value on the rising or falling edge of the correlation maximum, where Λ: »100% of the maximum value of the" correlation plateau "is reached, one can take into account a previously empirically determined offset z ca , ibm , e in FIG. 5 determine the position z pos , which would correspond to an “i-deal typical” correlation maximum shown in the illustration in FIG. 4, that is to say that it would not “flicker” due to distortions caused by transmission links. This position corresponds with the greatest possible probability to the exact position of the mobile station.
Erfindungsgemäß wird also durch Auswertung der Position von Schwellwerten an den auf- oder absteigenden Flanken einer E- nergiesummenfunktion f (z) die genaue Position des ..Korrelati-_. onsmaximums der Korrelationskoeffizienten cm mittels empirischer Korrekturfaktoren abgeschätzt.According to the invention, by evaluating the position of threshold values on the rising or falling edges of an energy sum function f (z), the exact position of the ..Korrelati-_. onsmaximums of the correlation coefficients c m estimated using empirical correction factors.
In Fig. 5 ist veranschaulicht, wie der Wert 0,5 als Schwel- lenwert an der ansteigenden Flanke der Energiesummenfunktion gewählt worden ist, d.h. es wird die Stelle der ansteigenden Flanke ermittelt, wo /(z05)=0,5 gilt.FIG. 5 illustrates how the value 0.5 was chosen as the threshold value on the rising edge of the energy sum function, ie the location of the rising edge is determined where / (z 05 ) = 0.5 applies.
Von diesem Wert Zoι5 ist eine vorab empirisch ermittelte Ka- librierungskonstante zcalibmle abzuziehen (beziehungsweise bei bei der abfallenden Flanke hinzuzufügen) , um einen bestmögli- chen Schätzwert zpos für die tatsächliche Position des Korre¬ lationsmaximums zu erhalten, d.h. im vorliegenden BeispielA previously empirically determined calibration constant z calibmle must be subtracted from this value Zo ι5 (or added to the falling edge) in order to obtain the best possible Chen estimate for heading the actual position of Korre ¬ lationsmaximums to obtain, ie in the present example
Zpos ~ θ,5 Zcalibrate ' " 'Zpos ~ θ, 5 Zcalibrate '"'
Der Abstand zwischen der Basisstation und der Mobilstation kann dann auf folgende Weise berechnet werden:The distance between the base station and the mobile station can then be calculated in the following way:
Abstand = 555 * z p, os ( 10 )Distance = 555 * z p, os (10)
In einer Verallgemeinerung von Gleichung (9) gilt also:In a generalization of equation (9):
Setzt man in Gleichung (9) Zpos =0 , so ergibt sich Zcalibrate =Z0jc . D.h, man erhält die gewünschte Kalibrierungskonstante Zcalibmte allgemein dadurch, dass man eine Messung durchführt, wenn der Abstand zwischen Mobilstation und Basisstation gleich Null ist . Aus der Lage des Plateaus des Korrelationsmaximums der Energiesummenfunktion f (z) und der Lage des Schwellwerts Zg.. lässt sich dann die Kaiibrierungskonstante Zcalibmte ermitteln, die auch Gültigkeit hat, wenn der Abstand zwischen Mobilsta- tion und Basisstation ungleich Null ist.If Z pos = 0 in equation (9), then Z calibrate = Z 0jc results . That is, the desired calibration constant Z calibaments is generally obtained by carrying out a measurement when the distance between the mobile station and base station is zero. The position of the plateau of the correlation maximum of the energy sum function f (z) and the position of the threshold value Zg .. can then be used to determine the calibration constant Z calibmt , which also applies if the distance between the mobile station and the base station is not equal to zero.
Messergebnisse des CONTEST AlgorithmussesMeasurement results of the CONTEST algorithm
Eine Version des CONTEST Algorithmusses wurde in Feldversuchen getestet. Dabei fand ein Vergleich mit Positionsmesswerten statt, die mit GPS-Empfängern (Global Positioning System = Ortspeilung mittels von geostationären Satelliten ausge- sandten OrtungsSignalen) . Es ergaben sich sehr genaue Messungen mit einer Genauigkeit besser als 50 m, aber es gab auch Messungen mit einem Fehler von 460 m. Die Ergebnisse müssen noch eingehender analysiert werden. Die Fehler könnten auf Zeitmessfehlern in der "Layer 1 trace", Zeitmessfehlern in der Mobilstation oder anderen noch nicht verstandenen Ursachen beruhen. Die Ergebnisse zeigen aber, dass in GSM eine Mobilstation im Prinzip mit einer Genauigkeit in der Fläche von 50 m unter Verwendung des CONTEST Algorithmusses lokalisiert werden kann.A version of the CONTEST algorithm was tested in field trials. A comparison was made with position measurement values, that with GPS receivers (Global Positioning System = location bearing by means of location signals transmitted by geostationary satellites). There were very accurate measurements with an accuracy better than 50 m, but there were also measurements with an error of 460 m. The results have to to be analyzed in more detail. The errors could be based on timing errors in the "Layer 1 trace", timing errors in the mobile station or other causes which have not yet been understood. The results show, however, that in principle a mobile station can be localized with an accuracy of 50 m using the CONTEST algorithm.
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung einer Mobilstation in einem digitalen Mobilfunk- netz, insbesondere einem nach der GSM-Norm betriebenen Mobilfunknetz, in dem Voreilzeit essungsverfahren ("Timing Advance Measurement"-Verfahren) implementiert sind, bei denen Synchronisationsbits zur Synchronisation von Zeitschlitzen verwendet werden, in denen eine sendende Station zu übertragende Symbole sendet und eine empfangende Station diese empfängt, wobei zwischen bei einer empfangenden Station von einer sendenden Station eingehenden Signalen und vordefinierten Synchronisationsbits charakteristische Korrelationskoeffizienten und daraus abgeleitete Energiekoeffizienten berechnet werden,1. Method for improving the accuracy of the position determination of a mobile station in a digital mobile radio network, in particular a mobile radio network operated according to the GSM standard, in which lead time measurement methods ("timing advance measurement" method) are implemented, in which synchronization bits for the synchronization of Time slots are used in which a transmitting station transmits symbols to be transmitted and a receiving station receives them, wherein characteristic correlation coefficients and energy coefficients derived therefrom are calculated between signals arriving at a receiving station from a transmitting station and predefined synchronization bits,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,characterized,
dass die Lage des Maximums einer durch Interpolation aus den Energiekoeffizienten abgeleiteten kontinuierlichen und über der Dauer der übertragenen Symbole aufgetragenen Energiesummenfunktion f(z) bewertet wird, und die Lage dieses Maximums als Maß für eine weitere Abschätzung für den tatsächlichen Abstand zwischen sendender und empfangender Station zugrundegelegt wird.that the position of the maximum of an energy sum function f (z) derived by interpolation from the energy coefficients and plotted over the duration of the transmitted symbols is evaluated, and the position of this maximum is used as a measure for a further estimate of the actual distance between the transmitting and receiving station becomes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,2. The method according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,characterized,
dass an der ansteigenden oder an der abfallenden Flanke des Graphen der über der Symboldauer aufgetragenen Energiesummen- funktion f(z) Schwellwerte ermittelt werden, wo der Wert der Energiesummenfunktion f(z) einen vordefinierten Prozentsatz (x»100%) des normierten Maximums der Energiesummenfunktion f(z) einnimmt, und wobei ein vorab empirisch ermittelter Versatz Zcalibrate für den zeitlichen Abstand zwischen dem Maximum der Energiesummenfunktion f (z) und dem Schwellwert ermittelt worden ist, so dass eine um den Versatz zcaäbme gegenüber der Schwellwertposition ^ verschobene Position im Maximum der Energiesummenfunktion mit höchstmöglicher Wahrscheinlichkeit der idealtypischen Position des Maximums der Korrelationskoeffizienten der eingehenden Signale und der Synchronisations- bits entspricht, welche das Maximum der Korrelationsfunktion ohne laufstreckenbedingte Verzerrungen idealtypisch einnehmen würde, und wobei aus der geschätzten idealtypischen Lage die- ses Maximums der Korrelationsfunktion der tatsächliche räumliche Abstand zwischen Mobilstation und Basisstation ermittelt wird.that threshold values are determined on the rising or falling edge of the graph of the energy sum function f (z) plotted over the symbol duration, where the value of the energy sum function f (z) is a predefined percentage (x »100%) of the normalized maximum of the energy sum function f (z), and where a previously empirically determined offset Z calibrate for the time interval between the maximum the energy sum function f (z) and the threshold value have been determined so that a position shifted by the offset z caäbme relative to the threshold value position ^ in the maximum corresponds to the energy sum function with the highest possible probability of the ideal-typical position of the maximum of the correlation coefficients of the incoming signals and the synchronization bits , which would ideally assume the maximum of the correlation function without distortions due to the route, and the actual spatial distance between the mobile station and base station is determined from the estimated ideal-typical position of this maximum of the correlation function.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,3. The method according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,characterized,
dass im Rahmen eines in einem GSM Mobilfunksystem von der Ba- sisstation durchgeführten Timing Advance Algorithmusses folgende Schritte durchgeführt werden:that the following steps are carried out as part of a timing advance algorithm carried out by the base station in a GSM mobile radio system:
a) Bereitstellen von eingehenden Signalwerten entsprechenden komplexen Werten x- im Basisband eines basisstationsempfängerseitigen Analog-Digital-Wandlers.;.a) Providing incoming signal values corresponding to complex values x- in the baseband of an analog-digital converter on the base station receiver.
b) Herabsetzen der komplexen Werte x- um einen Frequenzwert, der einer Drehung um 90° in der komplexen Ebene entspricht, wodurch als Ergebnis die x- in korrespondierende Werte i * 7t y. = x. • &xp(-j ) transformiert werden; c) Durchführen einer Korrelation mit den Synchronisationsbits t- einer Synchronisationssequenz der GSM Access Bursts oder der GSM Normal Bursts, wodurch Korrelationsergebnisse cm auf folgende Weise erhalten werden: 4ι cm = 2yffl+/_1 *t1 mit 0<m< max; ι=ι k d) Berechnen von Energiewerten en = ∑cn+Mc* +M , wobei
Figure imgf000021_0001
b) lowering the complex values x- by a frequency value which corresponds to a rotation by 90 ° in the complex plane, as a result of which the x- in corresponding values i * 7t y. = x. • & xp (-j) are transformed; c) performing a correlation with the synchronization bits t - a synchronization sequence of the GSM access bursts or the GSM normal bursts, as a result of which correlation results c m are obtained in the following way: 4 ι c m = 2y ffl + / _ 1 * t 1 with 0 <m <max; ι = ι kd) calculating energy values e n = ∑c n + M c * + M , where
Figure imgf000021_0001
O κ n≤ m^ - k + 1 , e e) Normalisieren der Werte zu En = — — ;O κ n≤ m ^ - k + 1, ee) normalize the values to E n = - -;
"'max f) Berechnen einer einhüllenden Interpolationskurve /(z)auf Basis der Energiewerte En ;"'max f) calculating an enveloping interpolation curve / (z) based on the energy values E n ;
g) Ermitteln einer Position z^ eines vorbestimmten Schwellwerts Λ:»100 % eines auf den Wert 1 normierten Korrelationsplateaus an der ansteigenden oder abfallenden Flanke der In- terpolationskurve;g) determining a position z ^ of a predetermined threshold value Λ: »100% of a correlation plateau normalized to the value 1 on the rising or falling edge of the interpolation curve;
h) Berechnen von
Figure imgf000021_0002
zcaiibme mit einem empirisch vorbestimmten Kalbrierungsversatzwert zcα;,fera,eum einen bestmöglichen Schätzwert zpos für eine Position im Maximum der Energiesum- menfunktion zu erhalten, welche mit größtmöglicher Wahrscheinlichkeit der Position des Maximums eines idealtypischen, nicht übertragungswegbedingt verzerrten Maximums der Korrelationsfunktion der eingehenden Signale mit den Synchronisationsbits entspricht;
h) Calculate
Figure imgf000021_0002
z caiibme with an empirically predetermined calibration offset value z cα; , fera , e in order to obtain the best possible estimated value z pos for a position in the maximum of the energy sum function, which corresponds with the greatest possible probability to the position of the maximum of an ideal-typical maximum, not distorted due to the transmission path, of the correlation function of the incoming signals with the synchronization bits;
i) Umrechnen der Position des Schätzwerts z in eine Abschätzung des Abstands zwischen Mobilstation und Basisstation gemäßi) converting the position of the estimated value z into an estimate of the distance between the mobile station and the base station according to
Abstand = 555 m * zpoi .Distance = 555 m * z poi .
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,4. The method according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Schritt d) eine Korrelation mit derd a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in step d) a correlation with the
Synchronisationssequenz der GSM Access Bursts durchgeführt wird wobei die Synchronisationsbits t- verwendet werden, welche aus den in der Norm GSM 05.02 Version 4.6.0 Abschnitt 5.2.7 definierten Bits wie folgt abgeleitet werden:Synchronization sequence of the GSM access bursts is carried out using the synchronization bits t-, which are derived as follows from the bits defined in the GSM 05.02 version 4.6.0 section 5.2.7:
t. =5_V/+7*2-l, wobei 0</<41 t. = 5_V / + 7 * 2-l, where 0 </ <41
5. Computerprogrammprodukt, gespeichert auf einem computerlesbaren Medium, wobei das Computerprogrammprodukt maschinenlesbare Programmmittel zum Einlesen von in dem Computerprogrammprodukt enthaltenen Befehlsschritten zur Implementierung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer Basisstation oder einer Mobilstation in einem digitalen Mobilfunknetz enthält. 5. Computer program product, stored on a computer-readable medium, the computer program product containing machine-readable program means for reading command steps contained in the computer program product for implementing a method according to one of the preceding claims in a base station or a mobile station in a digital mobile radio network.
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