WO2009089990A1 - Verfahren zur bestimmung der lage eines objekts mit hilfe eines mimo-wlan-funknetzes - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der lage eines objekts mit hilfe eines mimo-wlan-funknetzes Download PDF

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stationary
determined
stationary radio
radio
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Joachim Bamberger
Henning Lenz
Michael Munzert
Christian SCHWINGENSCHLÖGL
Andrei Szabo
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S5/04—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/72—Diversity systems specially adapted for direction-finding

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of an object with the aid of a MIMO WLAN radio network as well as a corresponding radio network and a radio device for use in such a radio network.
  • WLAN Wireless Local Area Network
  • IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
  • the signal strength of a stationary radio device also referred to as access point or base station
  • RSS Received Signal Strength
  • the mobile radio is located here on the object whose distance to the base station to be determined.
  • it is known to determine the distance of an object in a WLAN network via the transmission time of a radio signal from the stationary radio device to the mobile radio device (so-called PT method (PT Propagation Time).
  • PT Propagation Time
  • a so-called MIMO WLAN radio network is used for position determination, although this type of WLAN radio network has not been known for a very long time.
  • Such radio networks are characterized in that they comprise at least one stationary radio device and a mobile radio device, wherein a plurality of antennas are provided on both radio devices.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • a mobile radio device of a MIMO WLAN network is positioned on the object in the method according to the invention and a stationary radio device of the MIMO WLAN network is in communication range to the mobile radio device.
  • the stationary and mobile radio devices communicate with one another via their antennas on a MIMO channel, and the direction of the object relative to the stationary radio device is determined based on an estimated channel matrix and / or on control vectors of the MIMO channel.
  • the invention is based on the recognition that in MIMO WLAN networks it is possible to estimate a direction on a single MIMO channel.
  • already determined or determinable quantities in the form of an estimated channel matrix or of control vectors are used in the MIMO WLAN system.
  • Channel matrices and steering vectors are well known to those skilled in the art, with a channel matrix describing the transmission characteristics of a channel in the form of channel responses and the control vectors describing the spatial orientation of the stationary and mobile radio as Information included.
  • the control vectors can be determined from the channel matrix and vice versa.
  • a so-called beamforming of the radio signal emitted by the stationary radio device can be carried out in such a way that the signal strength in the direction of the mobile radio device is particularly high. This is done by a combination of the signals to be transmitted via the individual antennas with the aid of the control vectors.
  • the newly developed WLAN standard IEEE 802. Hn is used for the WLAN radio network. This standard is described in document [1], the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
  • An operating mode according to the standard IEEE 802. Hn is the so-called beamforming operating mode, in which the signals to be transmitted by the antennas of the stationary radio equipment for spatial alignment of the signals towards the mobile radio are combined with each other via the control vectors mentioned above.
  • the beamforming mode of operation is described in document [1], especially in section 9.20, pages 119 to 125, section 7.3.2.47.6, page 47, section 7.4.7.4 to 7.4.7.6, pages 59 to 68, section 7.4.7.7 and 7.4.7.8, pages 68 to 75, and section 20.3.5, pages 215 to 220.
  • the control vectors calculated in this beam forming beamforming operating mode are used in accordance with the present invention to determine the direction of the object relative to the stationary radio.
  • One beamforming mode of operation is an "explicit feedback” mode of operation in which the control vectors are computed by the mobile radio and transmitted to the stationary radio over the MIMO channel
  • the other beamforming mode of operation is an operating mode with so-called “implicit feedback” in which the channel matrix is estimated by the stationary radio and the control vectors are calculated therefrom.
  • the method according to the invention can also be combined with the so-called antenna selection mode, which represents a further mode of operation.
  • a time-variant mapping of the signals of the stationary radio device takes place on the antennas of the mobile radio device.
  • the antenna selection mode of operation is described in document [1], especially in Section 9.21, pages 125 to 128, section 7.3.2.47.7, page 50, section 7.4.7.9, pages 75 and 76.
  • a channel estimation is performed so that there is a channel matrix with which the direction of the object relative to the stationary radio can be determined. The channel matrix is thereby estimated in the mobile radio device and transmitted to the stationary radio device via the MIMO channel.
  • Radio device defined by an angle relative to a predetermined main direction of the stationary radio device.
  • the main direction is, in particular, the main beam direction of the antennas arranged on the stationary radio device.
  • the determination of the direction of the object relative to the stationary radio device becomes sufficient used in the prior art known method.
  • a delay-and-sum method or the MUSIC algorithm or ESPRIT algorithm or further developments of these algorithms can be used.
  • a maximum likelihood technique can be used to determine the direction of the object. The methods just mentioned are explained, for example, in document [2].
  • OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • the direction of the object relative to the stationary radio device can be determined, for example, that for each one or more of the frequency sub-frequency-dependent individual directions of the object are determined relative to the stationary radio device. From these individual directions, a direction can be determined, which then represents the determined direction of the object relative to the stationary radio device. For example, an average value can be formed from the individual directions, which then represents the direction of the object.
  • the direction of the object relative to the stationary radio device is preferably determined in the time domain in an OFDM system.
  • the signals of the frequency sub-carriers are transformed into channel impulse responses, preferably with an inverse Fourier transformation.
  • the direction of the object relative to the stationary radio device is then determined based on the channel matrix and / or the control vectors of the channel impulse response with the shortest time delay, this direction as a line of sight or LoS (LoS) direction of the stationary radio device defined to the object becomes.
  • LoS LoS
  • the position of the object in space is determined based on the channel matrices and / or the control vectors of the channel impulse responses using a ray tracing method and / or a domant path method.
  • Ray-tracing methods and fixed-path methods are well known from the prior art and are therefore not explained in detail.
  • the distance of the object to the stationary radio device is also determined for precise position determination of the object, wherein this determination preferably also takes place with the aid of the MIMO WLAN radio network.
  • the distance of the object can be determined by the strength of the signals emitted by the stationary radio device at the mobile radio device and / or by the transit time of the signals emitted by the stationary radio device to the mobile radio device. It is therefore possible additionally to use the RSS or PT methods already mentioned at the outset to determine the distance.
  • At least two stationary radio devices are provided, wherein for each of the stationary radio devices, the direction of the object relative to the respective stationary radio device is determined and from this the position of the
  • Object in the room is determined. This is made possible, in particular, by essentially determining the point at which the two directions intersect.
  • At least one direction of the object relative to the stationary radio device and at least one distance of the object are determined based on at least two different measurements Object determined by a stationary radio device, based on an optimization of a given cost function, the position of the mobile object is determined in space.
  • Matching method can be used to determine the position of the object, wherein in such a method in advance for a variety of positions, the expected properties of the MIMO channel in positioning of the object at this point are known and compared with the measured properties.
  • the properties are again the estimated channel matrix or the control vectors.
  • the method according to the invention can be used in any technical field and for a wide variety of industrial applications.
  • the determination according to the invention of the position of an object can be used to navigate a robot used in industrial installations, e.g. used in automation systems or production lines, for transporting goods or performing automated processes.
  • the navigation of the robot in particular the current position of the robot is required, which can be determined by the inventive method described above.
  • the invention further relates to a WLAN MIMO radio network, comprising a stationary radio with multiple antennas and a mobile, with several antennas positioned on an object, the stationary and mobile radio via their antennas on a MIMO Channel in the operation of the radio network can communicate with each other.
  • a means for determining the position of the object is provided. hen, with which based on an estimated channel matrix and / or on control vectors of the MIMO channel, the direction of the object relative to the stationary radio device can be determined.
  • the radio network is preferably designed such that each of the above-described variants of the method according to the invention can be carried out with the radio network.
  • the invention further relates to a radio device for use in the radio network according to the invention just described, wherein the means for determining the position of the object in the stationary radio device is provided.
  • the radio device may be a stationary or a mobile radio device.
  • 1 is a schematic representation of a MIMO WLAN
  • Radio network by means of which an embodiment of the method according to the invention for determining the position of an object is explained.
  • the network of Fig. 1 comprises the access point 1 having two transmitting and receiving antennas Ia and Ib and which corresponds to the stationary radio according to the terminology of the claims. Furthermore, another, on a mobile provided len object provided radio device 2, which also has two transmitting and receiving antennas 2a and 2b. For reasons of clarity, the mobile object is not shown in FIG.
  • the access point or the base station 1 and the mobile radio device 2 are in communication range with each other and communicate with each other via a MIMO channel.
  • the WLAN radio network is operated in the so-called beamforming operating mode, which is explained in document [1].
  • the radiation emitted by the access point 1 is aligned with the mobile radio device 2.
  • steering vectors known to the person skilled in the art with which the signals for the individual antennas are suitably combined, are calculated to reach the radio waves towards the mobile object.
  • the control vectors thereby contain the information about the spatial properties of the MIMO channel used for the communication, and according to the invention this information is extracted in order to determine the direction of the mobile radio device 2 with respect to the access point 1.
  • a 2D position determination is carried out for the mobile object, the orientation of the mobile object being given by the angle .alpha
  • Main beam direction H of the access point 1 is measured, wherein the main beam direction is indicated by a dashed line.
  • the orientation of the object relative to the access point 1 is indicated by a solid line R.
  • the operating mode with explicit feedback according to the standard IEEE 802.Hn is used as the beamforming operating mode.
  • the implicit feedback beamforming mode of operation may also be used.
  • the MIMO channel is estimated based on the return channel from the mobile radio device to the stationary radio device, and based on the reciprocity of the channels can then be determined by means of a corresponding one
  • Transformation of the control vectors are calculated.
  • the use of the explicit feedback over the implicit feedback has the advantage that the control vectors are already transmitted in a corresponding signaling frame to the access point and do not have to be calculated there first.
  • the access point 1 and the mobile radio device 2 must be calibrated. Calibration is described for both implicit and explicit feedback in the WLAN standard IEEE 802. Hn.
  • the antenna selection mode of the WLAN standard IEEE 802.Hn can alternatively or additionally also be used. According to this mode of operation, a time-variant mapping of the signals of different frequency subcarriers to the antennas of the mobile radio device 2 is achieved. In the antenna selection mode, the entire MIMO channel is estimated, ie it becomes calculated by the mobile radio a channel matrix. This channel matrix is transmitted to the stationary radio device 1 and can be used there again with the standard methods described above to calculate the orientation of the mobile object relative to the access point 1.
  • the angle ⁇ can therefore be determined separately for each frequency subcarrier in a simple manner and should have substantially the same values for each frequency subcarrier.
  • the mean value of all measured angles of the frequency subcarriers can then be determined, for example, as the final angle ⁇ .
  • the angle is preferably not calculated directly from the OFDM subcarriers.
  • an inverse Fourier transformation of the individual frequency channels is carried out first, so that the channel impulse responses are obtained.
  • the individual channel impulse responses include the corresponding angles for various multipath propagations resulting, for example, from scattering on walls.
  • the impulse response with the least time delay is determined, since this response should correspond to the LoS direction between the access point and the stationary radio device.
  • the direction of the object relative to the stationary radio device is then determined in the form of the angle ⁇ .
  • the other angles which result from the impulse responses with longer delays, can also be used in a special variant of the method according to the invention.
  • the localization of the mobile object takes place with the aid of ray-tracing methods or dominant-path methods, in which the object for determining the position may also possibly not be arranged in visual communication with the access point 1.
  • the distance between the object and the access point is determined to obtain the exact position of the object relative to the access point 1.
  • the distance between the object and the access point is determined using known methods, for example with RSS methods in which the distance is determined via the received signal strength in the mobile radio device, or with PT methods which calculate the propagation time of signals.
  • the distance calculation and the calculation of the angle ⁇ are subject to errors.
  • the error occurring in the calculation of the distance is indicated in FIG. 1 by a distance range ⁇ d and the error in the angle determination by an angular range ⁇ . This results in an error in the position determination, which is represented by the 2D area A.
  • Tracing method or dominant path method can be used for position determination.
  • the weighted sum of the errors in the distance determination or angle determination based on the various measurements is used as the cost function.
  • C denotes the cost function and d and ⁇ represent the actual distance or the actual angle at which the object is located.
  • the individual quantities di or ⁇ stand for the individual measurements, wherein according to the index i over all distance measurements and according to the index j over all angle measurements is summed.
  • Several angular measurements can be obtained, for example, by the use of multiple access points or by a separate angle determination for individual frequency subcarriers.
  • the weights W ⁇ 1 and w 2 taking into account the relevance of individual errors and have previously been empirically determined based on reference measurements.
  • the minimum of the cost function is determined as a function of 2D coordinates (x, y) or 3D coordinates (x, y, z).
  • the final position p is thus:
  • the above cost function C has the disadvantage that in Cartesian coordinates, the error in the angle determination varies depending on whether the mobile object is closer to or farther from the access point. This error fluctuation can be determined by a suitable definition of the weights. or W2: be compensated.
  • W2 be compensated.
  • a better approach, however, is to transform the angles into Cartesian coordinates, ie the position of the mobile object is given not in polar coordinates but in Cartesian coordinates in the cost function. In this case, the above cost function C is then as follows:
  • pattern matching can also be used, where a pattern in the form of a reference map for a large number of points in space is given.
  • the pattern contains the expected properties of the MIMO channel, the expected receive signal strength RSS and the expected transit time PT for the plurality of points in the room, if the object is located at the respective point in the room.
  • a cost function can again be specified, which is a weighted sum of the errors of the measurement at the pattern positions. The weights of the sum depend on the variances ⁇ 2 of the measurements.
  • the cost function may thus be, for example, as follows:
  • the individual measured values are summed, where RSS 1 represents the measured received signal strength, PT 1 the measured signal propagation time and O 1 the measured angle.
  • the corresponding values at the positions of the pattern are indicated by the values RSS ⁇ , PT ⁇ and Q ⁇ 1 .
  • the individual weights are hereby indirectly proportional to the standard deviation ⁇ and the sum over all weights gives the value 1.
  • the process of the invention has a number of advantages.
  • it is possible to determine the position of a mobile object only with a single access point, so that the infrastructure of the WLAN network is simplified.
  • This is made possible by using a MIMO WLAN network, eg according to the standard IEEE 802. Hn, in which the communication between only a single access point and a mobile radio device with known DOA method the direction of an object can be determined.
  • the use of a single position-access access point enables a remote positioning system where location is based only on information from that access point and is performed either in the access point or in the mobile radio on the object.
  • the method according to the invention is also suitable for use with a plurality of access points, in which case the localization result is more accurate than with known methods.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts mit Hilfe eines MIMO-WLAN-Funknetzes, wobei das Funknetz eine stationäre Funkeinrichtung mit mehreren Antennen und eine mobile, auf dem Objekt positionierte Funkeinrichtung mit mehreren Antennen umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die stationäre und mobile Funkeinrichtung über deren Antennen auf einem MIMO-Kanal miteinander kommunizieren und dass basierend auf einer geschätzten Kanalmatrix und/oder auf Steuervektoren des MIMO-Kanals die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung ermittelt wird. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zu Grunde, dass in MIMO-WLAN-Systemen, insbesondere nach dem Standard IEEE 802.11n, die Richtung eines Objekts bereits aus den Informationen eines MIMO-Kanals zwisehen einer auf dem Objekt positionierten Funkeinrichtung und einer stationären Funkeinrichtung bestimmt werden kann. Insbesondere können hierbei die in verschiedenen Betriebsmodi des IEEE Standards 802.11n ermittelten Kanalmatrizen bzw. Steuervektoren zur Richtungsbestimmung eingesetzt werden, wobei die Richtungsbestimmung mit bekannten Verfahren, wie z.B. dem MUSIC- oder ESPRIT-Algorithmus, erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beliebigen industriellen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, bei denen eine Positionsbestimmung eines mobilen Objekts erforderlich ist. Beispielsweise kann das mobile Objekt ein Roboter sein, der in einer Automatisierungsanlage zum Transport von Gütern bzw. zur Durchführung von automatisierten Vorgängen verwendet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts mit Hilfe eines MIMO-WLAN-Funknetzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts mit Hilfe eines MIMO-WLAN-Funknetzes sowie ein entsprechendes Funknetz und eine Funkeinrichtung zur Verwendung in einem solchen Funknetz.
Die Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet der Positionsbestimmung von Objekten mit sog. WLAN-Netzen (WLAN = Wireless Local Area Network) , bei denen es sich um lokale Funknetze mit Reichweiten von in etwa 300 m handelt. WLAN-Funknetze sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, und die Eigenschaften dieser Funknetze werden durch die IEEE-Standards (IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers) der Familie 802.11 beschrieben.
Bei herkömmlichen WLAN-Netzen wird zur Entfernungsmessung beispielsweise die an einer mobilen Funkeinrichtung empfangene Signalstarke eines von einer stationären Funkeinrichtung (auch als Zugangspunkt oder Basisstation bezeichnet) ausgesendeten Signals verwendet (sog. RSS-Verfahren, RSS = Recei- ved Signal Strength) . Die mobile Funkeinrichtung befindet sich hierbei auf dem Objekt, dessen Abstand zur Basisstation bestimmt werden soll. Darüber hinaus ist es bekannt, den Abstand eines Objekts in einem WLAN-Netz über die Ubertragungs- zeit eines Funksignals von der stationären Funkeinrichtung zu der mobilen Funkeinrichtung zu bestimmen (sog. PT-Verfahren; PT = Propagation Time) . Bei der Positionsbestimmung von Objekten in herkömmlichen WLAN-Netzen erweist es sich als nachteilhaft, dass hierzu immer zwei stationäre Funkeinrichtungen benotigt werden, deren Entfernungsmessungen zusammengeführt werden, um hieraus die Position des Objekts zu berechnen. Es wird somit eine aufwandige Infrastruktur von mehreren Basisstationen benotigt und die Positionsbestimmung ist oft ungenau . Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts zu schaffen, mit dem einfach und genau der Ort eines Objekts ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelost. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhangigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemaßen Verfahren wird zur Positionsbestimmung ein sog. MIMO-WLAN-Funknetz eingesetzt, wobei diese Art von WLAN-Funknetzen noch nicht sehr lange bekannt ist. Solche Funknetze zeichnen sich dadurch aus, dass sie zumindest eine stationäre Funkeinrichtung und eine mobile Funkeinrichtung umfassen, wobei auf beiden Funkeinrichtungen mehrere Antennen vorgesehen sind. Auf diese Weise wird ein MIMO-System (MIMO = Multiple Input Multiple Output) geschaffen, wobei MIMO- Systeme für andere Netze als WLAN bereits bekannt sind. Zur Bestimmung der Lage des Objekts ist in dem erfindungsgemaßen Verfahren eine mobile Funkeinrichtung eines MIMO-WLAN-Netzes auf dem Objekt positioniert und eine stationäre Funkeinrichtung des MIMO-WLAN-Netzes befindet sich in Kommunikationsreichweite zur mobilen Funkeinrichtung. Dabei kommunizieren die stationäre und mobile Funkeinrichtung über deren Antennen auf einem MIMO-Kanal miteinander, und es wird basierend auf einer geschätzten Kanalmatrix und/oder auf Steuervektoren des MIMO-Kanals die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung ermittelt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es in MIMO-WLAN-Netzen möglich ist, auf ei- nem einzelnen MIMO-Kanal eine Richtung abzuschätzen. Hierzu werden erfindungsgemaß in dem MIMO-WLAN-System bereits ermittelte bzw. bestimmbare Großen in der Form einer geschätzten Kanalmatrix bzw. von Steuervektoren verwendet. Kanalmatrizen und Steuervektoren (englisch: steering vectors) sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, wobei eine Kanalmatrix die U- bertragungseigenschaften eines Kanals in der Form von Kanalantworten beschreibt und die Steuervektoren die raumliche Ausrichtung der stationären und mobilen Funkeinrichtung als Information enthalten. Aus der Kanalmatrix lassen sich dabei die Steuervektoren bestimmen und umgekehrt. Mit Hilfe der Steuervektoren kann insbesondere ein sog. Beamforming des von der stationären Funkeinrichtung ausgesendeten Funksignals derart vorgenommen werden, dass die Signalstärke in Richtung der mobilen Funkeinrichtung besonders hoch ist. Dies geschieht durch eine Kombination der über die einzelnen Antennen auszusendenden Signale mit Hilfe der Steuervektoren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der neu entwickelte WLAN-Standard IEEE 802. Hn für das WLAN-Funknetz eingesetzt. Dieser Standard ist in dem Dokument [1] beschrieben, dessen gesamte Offenbarung durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung wird.
In dem Standard IEEE 802. Hn finden sich verschiedene Betriebsmodi und es wurde erkannt, dass die Informationen, welche in den unterschiedlichen Betriebsmodi bereitgestellt werden, zur Richtungsbestimmung der mobilen Funkeinrichtung re- lativ zu der stationären Funkeinrichtung verwendet werden können .
Ein Betriebsmodus gemäß dem Standard IEEE 802. Hn ist der sog. Beamforming-Betriebsmodus, bei dem die von den Antennen der stationären Funkeinrichtung auszusendenden Signale zur räumlichen Ausrichtung der Signale hin zur mobilen Funkeinrichtung über die oben erwähnten Steuervektoren miteinander kombiniert werden. Der Beamforming-Betriebsmodus ist in dem Dokument [1] beschrieben, und zwar insbesondere in Abschnitt 9.20, Seiten 119 bis 125, Abschnitt 7.3.2.47.6, Seite 47, Abschnitt 7.4.7.4 bis 7.4.7.6, Seiten 59 bis 68, Abschnitt 7.4.7.7 und 7.4.7.8, Seiten 68 bis 75, und Abschnitt 20.3.5, Seiten 215 bis 220. Die in diesem Beamforming-Betriebsmodus zur Strahlformung berechneten Steuervektoren werden erfin- dungsgemäß zur Ermittlung der Richtung des Objekts relativ zur stationären Funkeinrichtung verwendet. In dem Standard IEEE 802. Hn gibt es zwei Arten von Beamfor- ming-Betriebsmodi, welche beide mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden können. Bei dem einen Beamfor- ming-Betriebsmodus handelt es sich um einen Betriebsmodus mit sog. „explizitem Feedback", bei dem die Steuervektoren von der mobilen Funkeinrichtung berechnet werden und über den MIMO-Kanal an die stationäre Funkeinrichtung übertragen werden. Der andere Beamforming-Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus mit sog. „implizitem Feedback", bei dem die Kanalmatrix von der stationären Funkeinrichtung geschätzt wird und daraus die Steuervektoren berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Verwendung des Standards IEEE 802. Hn auch mit dem sog. Antennen-Selektions- Modus kombiniert werden, der einen weiteren Betriebsmodus darstellt. Bei diesem Betriebsmodus erfolgt eine zeitvariante Abbildung der Signale der stationären Funkeinrichtung auf die Antennen der mobilen Funkeinrichtung. Der Antennen- Selektions-Betriebsmodus ist in dem Dokument [1] beschrieben, und zwar insbesondere in Abschnitt 9.21, Seiten 125 bis 128, Abschnitt 7.3.2.47.7, Seite 50, Abschnitt 7.4.7.9, Seiten 75 und 76. Bei diesem Betriebsmodus wird auch eine Kanalschätzung durchgeführt, so dass eine Kanalmatrix vorliegt, mit der dann die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung bestimmt werden kann. Die Kanalmatrix wird dabei in der mobilen Funkeinrichtung abgeschätzt und an die stationäre Funkeinrichtung über den MIMO-Kanal übertragen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Richtung des Objekts relativ zu der stationären
Funkeinrichtung durch einen Winkel relativ zu einer vorgegebenen Hauptrichtung der stationären Funkeinrichtung definiert. Die Hauptrichtung ist dabei insbesondere die Hauptstrahlrichtung der auf der stationären Funkeinrichtung ange- ordneten Antennen.
Erfindungsgemäß werden zur Ermittlung der Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt. Insbesondere können ein Delay-and-Sum-Verfahren bzw. der MUSIC- Algorithmus oder ESPRIT-Algorithmus oder Weiterentwicklungen dieser Algorithmen verwendet werden. Ebenso kann eine Maxi- mum-Likelihood-Technik zur Ermittlung der Richtung des Objekts eingesetzt werden. Die soeben genannten Verfahren werden beispielsweise in der Druckschrift [2] erläutert.
In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist das Funknetz ein sog. OFDM-System (OFDM = Orthogonal Fre- quency Division Multiplexing) , bei dem zur Kommunikation zwischen der stationären und mobilen Funkeinrichtung mehrere orthogonale Frequenzsubtrager eingesetzt werden. OFDM-Systeme sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb an dieser Stelle nicht naher erläutert. Wird ein
OFDM-WLAN-System verwendet, kann die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass für einen oder mehrere der Frequenzsubtrager jeweils frequenzabhangige Einzelrichtungen des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung bestimmt werden. Aus diesen Einzelrichtungen kann eine Richtung bestimmt werden, welche dann die ermittelte Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung darstellt. Beispielsweise kann aus den Einzelrichtungen ein Mittelwert gebildet werden, der dann die Richtung des Objekts darstellt.
Falls bei der Übertragung über den MIMO-Kanal Mehrweg-Pfade auftreten, wird in einem OFDM-System die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung vorzugsweise in der Zeitdomane ermittelt. Hierzu werden die Signale der Frequenzsubtrager in Kanalimpulsantworten transformiert, und zwar vorzugsweise mit einer inversen Fourier-Transformation . In einer Variante wird dann basierend auf der Kanalmatrix und/oder den Steuervektoren der Kanalimpulsantwort mit der kürzesten Zeitverzogerung die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung bestimmt, wobei diese Richtung als Sichtverbindung oder LoS-Richtung (LoS = Line of Sight) der stationären Funkeinrichtung zum Objekt definiert wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass alle Kanalimpulsantworten zur Lagebestimmung des Objekts verwendet werden, wobei diese Variante vorzugsweise dann zum Einsatz kommt, wenn keine eindeutige Sichtverbindung zwischen statio- närer und mobiler Funkeinrichtung bestimmbar ist. In diesem Fall wird die Position des Objekts im Raum basierend auf den Kanalmatrizen und/oder den Steuervektoren der Kanalimpulsantworten mit Hilfe eines Ray-Tracing-Verfahrens und/oder Domi- nant-Path-Verfahrens bestimmt. Ray-Tracing-Verfahren und Do- minant-Path-Verfahren sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb nicht näher erläutert.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird zur genauen Positionsbestimmung des Objekts ferner die Ent- fernung des Objekts zur stationären Funkeinrichtung bestimmt, wobei diese Bestimmung vorzugsweise auch mit Hilfe des MIMO- WLAN-Funknetzes erfolgt. Insbesondere kann die Entfernung des Objekts über die Stärke der von der stationären Funkeinrichtung ausgesendeten Signale an der mobilen Funkeinrichtung und/oder über die Laufzeit der von der stationären Funkeinrichtung ausgesendeten Signale bis zur mobilen Funkeinrichtung ermittelt werden. Es können somit zusätzlich die bereits eingangs erwähnten RSS- bzw. PT-Verfahren zur Entfernungsbestimmung zum Einsatz kommen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zumindest zwei stationäre Funkeinrichtungen vorgesehen, wobei für jede der stationären Funkeinrichtungen die Richtung des Objekts relativ zu der jeweiligen stationären Funkeinrichtung ermittelt wird und daraus die Position des
Objekts im Raum bestimmt wird. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass im Wesentlichen der Punkt ermittelt wird, an dem sich die beiden Richtungen schneiden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden basierend auf mindestens zwei verschiedenen Messungen zumindest eine Richtung des Objekts relativ zur stationären Funkeinrichtung und zumindest eine Entfernung des Objekts von einer stationären Funkeinrichtung ermittelt, wobei basierend auf einer Optimierung einer vorgegebenen Kostenfunktion die Position des mobilen Objekts im Raum bestimmt wird. Durch geeignete Wahl der Kostenfunktion können somit entsprechende Mess-Ungenauigkeiten berücksichtigt werden.
In einer weiteren Variante der Erfindung, insbesondere wenn die Umgebung, in der sich das mobile Objekt bewegt, komplex ist und nur wenige Sichtverbindungen zwischen stationärer und mobiler Funkeinrichtungen bestehen, kann ein Pattern-
Matching-Verfahren zur Bestimmung der Position des Objekts verwendet werden, wobei bei einem solchen Verfahren vorab für eine Vielzahl von Positionen die zu erwartenden Eigenschaften des MIMO-Kanals bei Positionierung des Objekts an dieser Stelle bekannt sind und mit den gemessenen Eigenschaften verglichen werden. Die Eigenschaften sind hierbei wiederum die abgeschätzte Kanalmatrix bzw. die Steuervektoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in beliebigen technischen Gebieten und für unterschiedlichste industrielle Anwendungen verwendet werden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Bestimmung der Lage eines Objekts zur Navigation eines Roboters eingesetzt werden, der in industriellen Anlagen, z.B. in Automatisierungsanlagen bzw. Fertigungsstraßen, zum Transport von Gütern bzw. Durchführung von automatisierten Vorgängen verwendet wird. Bei der Navigation des Roboters wird insbesondere die aktuelle Position des Roboters benötigt, welche mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden kann.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein WLAN-MIMO-Funknetz, umfassend eine stationäre Funkeinrichtung mit mehreren Antennen und eine mobile, auf einem Objekt positionierte Funkeinrichtung mit mehreren An- tennen, wobei die stationäre und mobile Funkeinrichtung über deren Antennen auf einem MIMO-Kanal im Betrieb des Funknetzes miteinander kommunizieren können. In einem solchen Funknetz ist ein Mittel zur Bestimmung der Lage des Objekts vorgese- hen, mit welchem basierend auf einer geschätzten Kanalmatrix und/oder auf Steuervektoren des MIMO-Kanals die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung ermittelbar ist. Das Funknetz ist dabei vorzugsweise derart ausges- taltet, dass jede der oben beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Funknetz durchführbar ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Funkeinrichtung zur Verwendung in dem soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Funknetz, wobei das Mittel zur Bestimmung der Lage des Objekts in der stationären Funkeinrichtung vorgesehen ist. Die Funkeinrichtung kann dabei eine stationäre oder eine mobile Funkeinrichtung sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figur detailliert beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MIMO-WLAN-
Funknetzes, anhand welcher eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Objekts erläutert wird.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht ein MIMO-WLAN-Funknetz, welches basierend auf dem neuentwickelten WLAN-Standard IEEE 802. Hn arbeitet. Dieser Standard unterstützt die Datenübertragung über multiple Sende- und Empfangsantennen. Das WLAN-System ist dabei ein OFDM-System, bei dem über eine Vielzahl von or- thogonalen Frequenzsubträgern Datensymbole übertragen werden. Die Funktionsweise von OFDM-Systemen ist hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und wird deshalb nicht näher erläutert.
Das Netz der Fig. 1 umfasst den Zugangspunkt 1, der zwei Sende- und Empfangsantennen Ia und Ib aufweist und welcher der stationären Funkeinrichtung gemäß der Terminologie der Ansprüche entspricht. Ferner ist eine weitere, auf einem mobi- len Objekt vorgesehene Funkeinrichtung 2 vorgesehen, welche ebenfalls zwei Sende- und Empfangsantennen 2a und 2b aufweist. Aus Ubersichtlichkeitsgrunden ist das mobile Objekt nicht in Fig. 1 gezeigt. Der Zugangspunkt bzw. die Basissta- tion 1 und die mobile Funkeinrichtung 2 befinden sich in Kommunikationsreichweite zueinander und kommunizieren über einen MIMO-Kanal miteinander.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsform wird das WLAN- Funknetz in dem sog. Beamforming-Betriebsmodus betrieben, der in dem Dokument [1] erläutert ist. Gemäß diesem Betriebsmodus erfolgt eine Ausrichtung der von dem Zugangspunkt 1 ausgesendeten Strahlung hin zu der mobilen Funkeinrichtung 2. Hierzu werden die dem Fachmann bekannten Steuervektoren (englisch: steering vectors) berechnet, mit denen die Signale für die einzelnen Antennen geeignet kombiniert werden, um eine Ausrichtung der Funkwellen hin zu dem mobilen Objekt zu erreichen. Die Steuervektoren beinhalten dabei die Information u- ber die raumlichen Eigenschaften des zur Kommunikation ver- wendeten MIMO-Kanals, und erfindungsgemaß wird diese Information extrahiert, um die Richtung der mobilen Funkeinrichtung 2 in Bezug auf den Zugangspunkt 1 zu ermitteln. In der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 erfolgt eine 2D-Positionsbestimmung für das mobile Objekt, wobei die Ausrichtung des mobilen Ob- jekts gegeben ist durch den Winkel α, der in Bezug auf die
Hauptstrahlrichtung H des Zugangspunkts 1 gemessen wird, wobei die Hauptstrahlrichtung durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die Ausrichtung des Objekts relativ zu dem Zugangspunkt 1 ist dabei durch eine durchgezogene Linie R ange- geben.
In der hier beschriebenen Ausfuhrungsform wird als Beamfor- ming-Betriebsmodus der Betriebsmodus mit explizitem Feedback gemäß dem Standard IEEE 802. Hn verwendet. Bei diesem Modus werden die Steuervektoren von der mobilen Funkeinrichtung abgeschätzt und über den MIMO-Kanal an den Zugangspunkt 1 zurückgegeben. Aus den Steuervektoren wird dann in dem Zugangspunkt die Richtung R abgeschätzt, wobei hierzu eine Standard- DOA-Abschätzung (DOA = Direction of Arrival) verwendet wird. Beispiele für solche Standard-DOA-Abschätzungen sind in der Druckschrift [2] beschrieben und dem Fachmann hinlänglich bekannt. Beispielsweise kann die sog. Delay-and-Sum-Methode eingesetzt werden oder es kann der sog. MUSIC-Algorithmus o- der der ESPRIT-Algorithmus verwendet werden. Ebenso können Maximum-Likelihood-Methoden eingesetzt werden. Die genannten Methoden verwenden als Eingangsgröße die Steuervektoren bzw. gegebenenfalls auch die Kanalmatrix des MIMO-Kanals, wobei die Kanalmatrix und die Steuervektoren durch einfache mathematische Operationen ineinander umrechenbar sind.
Anstatt des Beamforming-Betriebsmodus mit explizitem Feedback kann zur Bestimmung der Ausrichtung des Objekts relativ zu dem Zugangspunkt 1 auch der Beamforming-Operationsmodus mit implizitem Feedback gemäß dem Standard IEEE 802. Hn verwendet werden. Hierbei wird der MIMO-Kanal basierend auf dem RückKanal von der mobilen Funkeinrichtung hin zur stationären Funkeinrichtung abgeschätzt und basierend auf der Reziprozi- tat der Kanäle können dann mit Hilfe einer entsprechenden
Transformation der Steuervektoren berechnet werden. Die Verwendung des expliziten Feedbacks gegenüber dem impliziten Feedback hat den Vorteil, dass die Steuervektoren bereits in einem entsprechenden Signalisierungs-Frame zu dem Zugangs- punkt übertragen werden und nicht erst dort berechnet werden müssen. Für das erfindungsgemäße Verfahren müssen der Zugangspunkt 1 und die mobile Funkeinrichtung 2 kalibriert werden. Die Kalibrierung ist sowohl für implizites als auch explizites Feedback in dem WLAN-Standard IEEE 802. Hn beschrie- ben.
Anstatt des Betriebs in dem Beamforming-Betriebsmodus kann alternativ bzw. zusätzlich auch der Antennen-Selektions-Modus des WLAN-Standards IEEE 802. Hn verwendet werden. Gemäß die- sem Betriebsmodus wird eine zeitvariante Abbildung der Signale verschiedener Frequenzsubträger auf die Antennen der mobilen Funkeinrichtung 2 erreicht. Bei dem Antennen-Selektions- Modus wird der gesamte MIMO-Kanal abgeschätzt, d.h. es wird durch die mobile Funkeinrichtung eine Kanalmatrix berechnet. Diese Kanalmatrix wird an die stationäre Funkeinrichtung 1 übertragen und kann dort mit dem oben beschriebenen Standard- Methoden wiederum zur Berechnung der Ausrichtung des mobilen Objekts relativ zum Zugangspunkt 1 verwendet werden.
In dem Szenario der Fig. 1 sind keine weiteren Objekte in der Umgebung der stationären und mobilen Funkeinrichtung vorgesehen, so dass es nicht zu Streuungen an anderen Objekten kommt. Der Winkel α kann deshalb auf einfache Weise für jeden Frequenzsubträger separat ermittelt werden und sollte für jeden Frequenzsubträger im Wesentlichen die gleichen Werte aufweisen. Als endgültiger Winkel α kann dann beispielsweise der Mittelwert aller gemessenen Winkel der Frequenzsubträger festgelegt werden. Sollten jedoch Streuung an Objekten auftreten, wird der Winkel vorzugsweise nicht direkt aus den OFDM-Subträgern berechnet. In diesem Fall wird zunächst eine inverse Fourier-Transformation der einzelnen Frequenzkanäle durchgeführt, so dass man die Kanalimpulsantworten erhält. Die einzelnen Kanalimpulsantworten beinhalten die entsprechenden Winkel für verschiedene Mehr-Pfade-Propagationen, welche sich beispielsweise durch Streuung an Wänden ergeben. Um nunmehr die Sichtverbindung LoS (LoS = Line of Sight) zu ermitteln, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Er- findung die Impulsantwort mit der geringsten Zeitverzögerung bestimmt, da diese Antwort der LoS-Richtung zwischen Zugangspunkt und stationärer Funkeinrichtung entsprechen sollte. Für diese Impulsantwort wird dann die Richtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung in der Form des Win- kels α bestimmt. Die anderen Winkel, welche sich aus den Impulsantworten mit längeren Verzögerungen ergeben, können in einer speziellen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls verwendet werden. In dieser speziellen Variante erfolgt die Lokalisation des mobilen Objekts mit Hilfe von Ray- Tracing-Verfahren bzw. Dominant-Path-Verfahren, bei denen das Objekt zur Positionsbestimmung auch gegebenenfalls nicht in Sichtverbindung zu dem Zugangspunkt 1 angeordnet sein kann. Bei der Verwendung von solchen Verfahren muss jedoch die Ge- bäudestruktur bekannt sein, in dem sich das WLAN-Netz befindet, um mögliche Mehrfach-Pfade zwischen dem Zugangspunkt und dem mobilen Objekt zu berechnen.
In der hier beschriebenen Ausführungsform wird nicht nur die Winkelrichtung α des Objekts in Bezug auf den Zugangspunkt 1 ermittelt, sondern es wird auch die Entfernung zwischen dem Objekt und dem Zugangspunkt bestimmt, um die genaue Position des Objekts relativ zum Zugangspunkt 1 zu erhalten. Die Ent- fernung zwischen Objekt und Zugangspunkt wird dabei mit bekannten Verfahren bestimmt, beispielsweise mit RSS-Verfahren, bei denen die Distanz über die empfangene Signalstärke in der mobilen Funkeinrichtung ermittelt wird, oder mit PT- Verfahren, welche die Laufzeit von Signalen berechnen. Die Entfernungsberechnung sowie die Berechnung des Winkels α sind hierbei mit Fehlern behaftet. Der bei der Berechnung der Entfernung auftretende Fehler ist in Fig. 1 dabei durch einen Distanzbereich Δd und der Fehler in der Winkelbestimmung durch einen Winkelbereich Δα angedeutet. Hieraus ergibt sich ein Fehler in der Positionsbestimmung, welcher durch die 2D- Fläche A wiedergegeben ist.
Um nunmehr unter Berücksichtigung der Messfehler möglichst genau die Position des Objekts zu lokalisieren, werden in ei- ner bevorzugten Variante mit Hilfe einer Kostenfunktion verschiedene geometrische Informationen zusammengeführt, insbesondere die Entfernung des mobilen Objekts vom Zugangspunkt 1 (bestimmt durch ein RSS- oder PT-Verfahren) , der Winkel α, der mit der oben beschriebenen Verarbeitung ermittelt wurde, sowie gegebenenfalls die Struktur der Umgebung, sofern Ray-
Tracing-Verfahren bzw. Dominant-Path-Verfahren zur Positionsbestimmung verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei als Kosten- funktion die gewichtete Summe der Fehler in der Entfernungsbestimmung bzw. Winkelbestimmung basierend auf den verschiedenen Messungen verwendet. Die Kostenfunktion kann dabei beispielsweise wie folgt lauten: C = C ( d ( x , y ) , α ( x , y ) ) = SUm1 W^ 1 ( Cl- Cl1 ) 2 + sum: w2 , : ( α-α-, ) ( 1 )
Hierbei bezeichnet C die Kostenfunktion und d bzw. α stehen für die tatsächliche Entfernung bzw. den tatsächlichen Winkel, an dem sich das Objekt befindet. Die einzelnen Größen di bzw. α: stehen hierbei für die einzelnen Messungen, wobei gemäß dem Index i über alle Entfernungsmessungen und gemäß dem Index j über alle Winkelmessungen summiert wird. Mehrere Win- kelmessungen können dabei beispielsweise durch die Verwendung von mehreren Zugangspunkten bzw. durch eine separate Winkelbestimmung für einzelne Frequenzsubträger erhalten werden. Die Gewichte W^1 und w2,: berücksichtigen dabei die Relevanz der einzelnen Fehler und wurden vorab empirisch basierend auf Referenzmessungen bestimmt.
Zur Bestimmung der endgültigen Position p wird das Minimum der Kostenfunktion in Abhängigkeit von 2D-Koordinaten (x, y) bzw. 3D-Koordinaten (x, y, z) ermittelt. Als endgültige Posi- tion p ergibt sich somit:
p = argminp C, wobei p = (x,y) oder p = (x,y,z) (2)
Die oben genannte Kostenfunktion C hat den Nachteil, dass in kartesischen Koordinaten der Fehler in der Winkelbestimmung in Abhängigkeit davon schwankt, ob das mobile Objekt näher oder weiter entfernt vom Zugangspunkt ist. Diese Fehlerschwankung kann durch eine geeignete Definition der Gewichte Wi,! bzw. W2,: kompensiert werden. Ein besserer Ansatz ist je- doch die Transformation der Winkel in kartesische Koordinaten, d.h. die Position des mobilen Objekts wird nicht in Polarkoordinaten, sondern in kartesischen Koordinaten in der Kostenfunktion angegeben. In diesem Fall lautet die obige Kostenfunktion C dann wie folgt:
C = C (d (x, y) , α (x, y) ) = SUm1 W1 (di cos O1 - d cos α) 2 + SUm1 W1 (di sin O1 - d sin α) 2 (3) Hierbei wird mittels i über kombinierte Entfernungs- und Winkelmessungen summiert und die einzelnen Koeffizienten W1 wurden wiederum empirisch durch Referenzmessungen bestimmt.
Für komplexe Umgebungen mit wenigen Sichtverbindungen zwischen Objekt und Zugangspunkt können gegebenenfalls auch Mus- terabgleich-Verfahren (englisch: Pattern-Matching) eingesetzt werden, bei denen ein Muster in der Form einer Referenzkarte für eine Vielzahl von Punkten im Raum vorgegeben ist. Das Muster enthält für die Vielzahl von Punkten im Raum jeweils die zu erwartenden Eigenschaften des MIMO-Kanals, die zu erwartende Empfangs-Signalstärke RSS sowie die zu erwartende Laufzeit PT, wenn sich das Objekt an dem jeweiligen Punkt im Raum befindet. Für dieses Pattern-Matching-Verfahren kann wiederum eine Kostenfunktion angegeben werden, welche eine gewichtete Summe der Fehler der Messung an den Pattern- Positionen ist. Die Gewichte der Summe hängen dabei von den Varianzen σ2 der Messungen ab. Die Kostenfunktion kann somit beispielsweise wie folgt lauten:
C = SUm1 Wi1 1 (RSS1 - RSS3J 2 + SUm1 W2^ ( PT1 - PT3 ! ) 2
+ SUm1 W3 ^ 1 (O1 - C^1 ) 2 ( 4 )
Hierbei wird wiederum über die einzelnen Messwerte summiert, wobei RSS1 die gemessene empfangene Signalstärke, PT1 die gemessene Signallaufzeit und O1 den gemessenen Winkel repräsentiert. Die entsprechenden Werte an den Positionen des Musters werden dabei durch die Werte RSS^, PT^ und Q^1 angedeutet. Die einzelnen Gewichte sind hierbei indirekt proportional zur Standardabweichung σ und die Summe über alle Gewichte ergibt den Wert 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere besteht die Möglichkeit, nur mit einem einzelnen Zugangspunkt die Position eines mobilen Objekts zu ermitteln, so dass die Infrastruktur des WLAN-Netzes vereinfacht ist. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein MIMO-WLAN-Netz, z.B. gemäß dem Standard IEEE 802. Hn, eingesetzt wird, bei dem aus der Kommunikation zwischen lediglich einem einzelnen Zugangspunkt und einer mobilen Funkeinrichtung mit bekannten DOA- Verfahren die Richtung eines Objekts bestimmt werden kann. Die Verwendung eines einzigen Zugangspunkts zur Positionsbe- Stimmung ermöglicht ein dezentrales Positionierungssystem, bei dem die Lokalisierung nur auf Informationen von diesem Zugangspunkt beruht und entweder im Zugangspunkt oder in der mobilen, auf dem Objekt befindlichen Funkeinrichtung durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich jedoch gegebenenfalls auch zur Verwendung mit mehreren Zugangspunkten, wobei in diesem Fall das Lokalisierungsergebnis genauer ist als mit bekannten Verfahren.
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts mit Hilfe eines MIMO-WLAN-Funknetzes, wobei das Funknetz eine stationä- re Funkeinrichtung (1) mit mehreren Antennen (Ia, Ib) und eine mobile, auf dem Objekt positionierte Funkeinrichtung (2) mit mehreren Antennen (2a, 2b) umfasst, bei dem die stationäre und mobile Funkeinrichtung (1, 2) über deren Antennen (Ia, Ib, 2a, 2b) auf einem MIMO-Kanal mitein- ander kommunizieren und bei dem basierend auf einer geschätzten Kanalmatrix und/oder auf Steuervektoren des MIMO-Kanals die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Funknetz auf dem Standard IEEE 802. Hn beruht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Funknetz in einem Beamforming-Betriebsmodus betrieben wird, bei dem die von den Antennen (Ia, Ib) der stationären Funkeinrichtung (1) auszusendenden Signale zur räumlichen Ausrichtung der Signale hin zur mobilen Funkeinrichtung (2) über die Steuervektoren miteinander kombiniert werden, wobei die Steuervektoren zur Ermittlung der Richtung (R) des Objekts relativ zu der statio- nären Funkeinrichtung (1) verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem im Beamforming- Betriebsmodus die Steuervektoren von der mobilen Funkeinrichtung (2) berechnet werden und über den MIMO-Kanal an die sta- tionäre Funkeinrichtung (1) übertragen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem in dem Beamforming-Betriebsmodus die Kanalmatrix von der stationären Funkeinrichtung (1) geschätzt wird und daraus die Steuervektoren berechnet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Funknetz in einem Antennen-Selektions-Modus betrieben wird, bei dem die Kanalmatrix in der mobilen Funkeinrichtung (2) abgeschätzt wird und über den MIMO-Kanal an die stationäre Funkeinrichtung (1) übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) durch einen Winkel (α) relativ zu einer vorgegebenen Hauptrichtung (H) der stationären Funkeinrichtung (1) definiert ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) mit einem Delay-and-Sum-Verfahren ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) mit dem MUSIC-Algorithmus oder Weiterentwicklungen des MUSIC-Algorithmus ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) mit dem ESPRIT-Algorithmus oder Weiterentwicklungen des ESPRIT-Algorithmus ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) mit einem Maximum-Likelihood-Verfahren ermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Funknetz ein OFDM-System ist, bei dem zur Kommunikation zwischen der stationären und mobilen Funkeinrichtung (1, 2) mehrere orthogonale Frequenzsubträgern eingesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem für einen oder mehrere der Frequenzsubträger jeweils frequenzabhängige Einzelrichtungen des Objekts relativ zu der stationären Funkein- richtung (1) bestimmt werden und aus den Einzelrichtungen die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) ermittelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Signale der Frequenzsubträger in Kanalimpulsantworten transformiert werden .
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem basierend auf der Ka- nalmatrix und/oder den Steuervektoren der Kanalimpulsantwort mit der kürzesten Zeitverzögerung die Sichtrichtung des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem basierend auf den Kanalmatrizen und/oder den Steuervektoren der Kanalimpulsantworten mit Hilfe eines Ray-Tracing-Verfahrens und/oder Dominant-Path-Verfahrens die Position des Objekts im Raum bestimmt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner die Entfernung des Objekts zur stationären Funkeinrichtung (1) bestimmt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Entfernung des Objekts zur stationären Funkeinrichtung (1) mit Hilfe des Funknetzes bestimmt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Entfernung des Objekts über die Stärke der von der stationären Funkeinrichtung (1) ausgesendeten Signale an der mobilen Funkeinrichtung (2) und/oder über die Laufzeit der von der stationären Funkeinrichtung (1) ausgesendeten Signale bis zur mobilen Funkeinrichtung (2) ermittelt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest zwei stationäre Funkeinrichtungen (1) vorgesehen sind, wobei für jede der stationären Funkeinrichtungen (1) die Richtung (R) des Objekts relativ zu der jeweiligen stationären Funkeinrichtung (1) ermittelt wird und daraus die Position des Objekts im Raum bestimmt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem basierend auf wenigstens zwei verschiedenen Messungen zumindest eine Richtung (R) des Objekts relativ zu einer stationären Funkeinrichtung (1) und zumindest eine Entfernung des Objekts von einer stationären Funkeinrichtung (1) ermittelt werden und basierend auf einer Optimierung einer vorgegebene Kostenfunktion die Position des Objekts im Raum bestimmt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Kostenfunktion eine gewichtete Summe vorgegebener Fehler der einzelnen Messungen ist.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Position des Objekts im Raum mit einem Pattern- Matching-Verfahren ermittelt wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt ein Roboter ist und das Verfahren zur Navigation des Roboters verwendet wird.
25. WLAN-MIMO-Funknetz, umfassend eine stationäre Funkeinrichtung (1) mit mehreren Antennen (Ia, Ib) und eine mobile, auf einem Objekt positionierte Funkeinrichtung (2) mit mehreren Antennen (2a, 2b) , wobei die stationäre und mobile Funk- einrichtung (1, 2) über deren Antennen (Ia, Ib, 2a, 2b) auf einem MIMO-Kanal im Betrieb des Funknetzes miteinander kommunizieren können und ein Mittel zur Bestimmung der Lage des Objekts vorgesehen ist, mit welchem basierend auf einer geschätzten Kanalmatrix und/oder auf Steuervektoren des MIMO- Kanals die Richtung (R) des Objekts relativ zu der stationären Funkeinrichtung (1) ermittelbar ist.
26. Funknetz nach Anspruch 25, welches derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 24 durchführbar ist.
27. Funkeinrichtung (1) zur Verwendung in einem Funknetz nach Anspruch 25 oder 26, wobei das Mittel zur Bestimmung der Lage des Objekts in der Funkeinrichtung vorgesehen ist.
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