WO2010003722A1

WO2010003722A1 - Verfahren und vorrichtung zur ortsbestimmung

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Publication number: WO2010003722A1
Application number: PCT/EP2009/055889
Authority: WO
Inventors: Alejandro Ramirez; Bilal Khaddaj; Christian SCHWINGENSCHLÖGL
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-01-14
Also published as: DE102008032749A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station (MS) mittels einer Vielzahl von Basisstationen (BS). Es soll die erforderliche Anzahl von Messungen, der Energieverbrauch, eine durch einen erforderlichen Bedarf an Bandbreite bewirkte Kanalbelegung und eine Anzahl von Kollisionen von Datenpaketen gegenüber dem Stand der Technik wirksam verkleinert werden. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Signale (AS, ACK) zwischen einer m-ten Basisstation (BS_m) und der mobilen Station (MS) ausgetauscht werden, die Zeitdauern jeweils zwischen dem an allen weiteren Basisstationen (BS) erfolgenden Empfang der beiden Signale (AS, ACK) mittels Zeiterfassungseinrichtungen erfasst werden und mittels einer Rechnereinrichtung und mittels der erfassten Zeitdauern der Ort der mobilen Station (MS) berechnet wird. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Ortsbestimmung in geschlossenen Räumen.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Ortsbestimmung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vor^¬ richtung und eine Verwendung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station mittels einer Vielzahl von Basisstationen.

Es werden zahlreiche herkömmliche Verfahren zur drahtlosen Ortsbestimmung bereitgestellt. Die meisten der herkömmlichen Systeme verwenden zur Ortsbestimmung die empfangene Signal^¬ stärke (Received Signal Strength - RSS) , wobei die Energie des empfangenen Signals mit dem durch das Signal zurückgeleg^¬ ten Weg korreliert wird. Derartige Systeme sind zwar leicht zu verwirklichen, aber diese weisen eine geringe Genauigkeit auf .

Des Weiteren existieren Systeme, die die Durchlaufzeit (Time- of-Flight - ToF) eines Funksignales verwenden. Es existieren beispielsweise drei herkömmliche Verfahren zur Ortsbestimmung mittels der Durchlaufzeit (ToF) .

1. Gemäß einem Ankunftszeit- (Time of Arrival - ToA) Verfahren sendet eine Sendestation ein Signal zu einer vollständig syn- chronisierten Empfangsstation. Die Ausbreitungszeit ist zu der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit proportional. Nachteiligerweise muss der Ablauf durch drei oder mehr sen^¬ denden Stationen wiederholt werden, wobei die genaue Zeit je^¬ der Übertragung ebenso zu der empfangenen Station zugeleitet werden muss. Figur 1 zeigt eine Darstellung zum Prinzip Ankunftszeit (ToA) .

2. Das Verfahren des Zeitunterschiedes der Ankunft (Time Dif- ference of Arrival - TDoA) . Dieses Verfahren ist eine Erwei- terung des vorstehend beschriebenen Ankunftszeit- (ToA) -

Verfahrens. Gemäß diesem Verfahren werden eine Sendestation und mehrere Empfangsstationen verwendet. Alle Stationen sind derart vollständig synchronisiert, dass die Ausbreitungszeit unter Verwendung des gleichen Ablaufs wie beim ToA-Verfahren gemessen werden kann. Das durch die Sendestation ausgesendete Radiosignal ist das gleiche, das zur Messung aller Entfernun^¬ gen verwendet wird. Figur 2 zeigt eine Darstellung zum Prin- zip des Verfahrens der Zeitdifferenz der Ankunft (TDoA) .

3. Round-Trip-Time of Flight (RToF) . Gemäß diesem Verfahren wird ein Signal durch eine Funkstation A zu einer Funkstation B gesendet. Nachdem die Station B die Nachricht empfängt, antwortet diese der Station A zurück. Station A misst diese Zeitdifferenz, die erneut der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit korreliert wird, zusätzlich zu einer internen Verarbeitungsverzögerung in der Station B. Da keine Synchronisation erforderlich ist, ist die Komplexität des Systems wirksam verringert, aber nachteiligerweise muss das gleiche Verfahren durch mindestens drei Funkstationen zum Finden der Position einer Funkstation B wiederholt werden. Ein weiterer Vorteil des RToF-Verfahrens ist dass keine explizite Messung oder Zusammenarbeit von und mit der Station B erforderlich ist. Figur 3 zeigt eine Darstellung des Prinzips des RToF- Verfahrens .

Des Weiteren ist ein Verfahren zur In-Raum-Positionsbestim- mung von Funkvorrichtungen beruhend auf Messungen einer Round-Trip-Time (RTT) zwischen der Basisstation (BS) und der mobilen Station (MS) bereitgestellt. Die Round-Trip-Time (RTT) ist die Zeit, die zum Senden eines Paketes und Empfan^¬ gen dessen Bestätigung erforderlich ist. Wie es in Figur 4 dargestellt ist, stellen diese Messungen die jeweiligen Ent- fernungen zwischen den Basisstationen (BS) und der mobilen

Station (MS) dar. Mit den gegebenen Koordinaten der Basisstationen (BS) werden zur Ortsbestimmung der mobilen Station (MS) verbundene oder getrennte Maschinenlernalgorithmen, Wahrscheinlichkeitsmodelle und Trilateration verwendet. Figur 4 stellt das Prinzip der RTT-Ortsbestimmung dar. Jede RTT- Messung bestimmt einen Abstand. Gemäß einem herkömmlichen RToF-Ortsbestimmungssystem müssen alle Basisstationen mit der mobilen Station zur Bestimmung der Position kommunizieren. Dies bewirkt nachteiligerweise einen signifikanten Verbrauch an Bandbreite, zusätzlich zu Datenpaketkollisionen, die in dem Medium, das bspw. ein Handynetzwerk, ein RFID-Net zwerk (radio frequency identificati- on) oder allgemein ein Radiosystem sein kann, stattfinden. Des Weiteren sind bei Verwendung von tragbaren Vorrichtungen, wie dies meistens bei der Verwendung von mobilen Stationen der Fall ist, Energieverbrauch und Batterieversorgung zu verbessern .

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Ort einer mobilen Station mittels einer Vielzahl von Basisstationen derart zu bestimmen, dass die erforderliche Anzahl von Messungen, der Energieverbrauch, eine durch einen erforderlichen Bedarf an Bandbreite bewirkte Kanalbelegung und eine Anzahl von Kol^¬ lisionen von Datenpaketen gegenüber dem Stand der Technik wirksam verkleinert werden. Es sollen keine expliziten Mes- sungen durch die mobile Station erforderlich sein.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch, eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.

Es wird ein neuartiges hybrides Verfahren vorgeschlagen, mit dem die Vorteile von TDoA genutzt und die Nachteile der Ver^¬ wendung von RToF vermieden werden können.

Die vorgeschlagene Lösung nutzt den Vorteil der Natur von

Funkkanälen, indem lediglich eine Basisstation direkt mit der mobilen Station kommuniziert, wobei die weiteren Basisstatio^¬ nen dieser Unterhaltung zuhören, sobald sie in Reichweite sind. Eine ausführliche Schritt-für-Schritt-Beschreibung des vorgeschlagenen Messverfahrens ist in Verbindung mit Figuren 13 bis 29 gegeben. Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass die ge^¬ samte Menge an erforderlichen Messungen gegenüber den herkömmlichen Verfahren auf weniger als 33% der ursprünglichen Menge reduziert werden kann. Der Energieverbrauch wird wirk- sam verringert. Eine Kanalbelegung kann ebenso wirksam verringert werden, so dass mehr Raum für Echtzeitübertragungen bereitgestellt werden, wie es beispielsweise Voice over IP (Internet-Telefonie, VoIP) oder industrielle zeitkritische Übertragungen sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aussenden eines Aussendesignals an die mobile Station und an alle wei^¬ teren Basisstationen mittels der m-ten Basisstation, wobei m= 1, 2... n, erfolgt ein Senden eines Bestätigungssignals an alle Basisstationen nach dem Empfang des Aussendesignals mittels der mobilen Station, erfolgt ein Erfassen der jeweiligen Zeitdauern zwischen Empfang des Aussendsignals und Empfang des Bestätigungssignals mittels den zu allen weiteren Basis^¬ stationen jeweils zugeordneten Zeiterfassungseinrichtungen.

Auf diese Weise werden die zwei Signale, und zwar das Aus- sendesignal und das Bestätigungssignal, zwischen der m-ten

Basisstation und der mobilen Station ausgetauscht. Die Zeiterfassungseinrichtungen erfassen die Zeitdauern jeweils zwischen dem an allen weiteren Basisstationen erfolgenden Empfang des Aussendesignals und des Bestätigungssignals. Mittels der Rechnereinrichtung und aller erfassten Zeitdauern kann ein Berechnen des Orts der mobilen Station erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erfassen der Zeitdauer zwischen Aussenden des Aussendesignals und Empfang des Bestätigungssignals mittels einer der m-ten

Basisstation zugeordneten Zeiterfassungseinrichtung. Auf diese Weise kann eine genauere Ortsbestimmung ausgeführt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sendet die mobile Station das Bestätigungssignal nach einer internen Verarbeitungszeit aus.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bestimmt die Rechnereinrichtung eine für jeweils eine Basisstation erfass- te Zeitdauer durch die Gleichung (1) :

d(BS_m, MS) + d(MS, BS₁) - d(BS_m, BS₁)

^^{1) 1}BS₁ - ^τprocess + c

mit

φrocess = Verarbeitungszeit bei der mobilen Station (MS)

= interne Verzögerung bei der mobilen Station (MS) zwischen Empfangen des Aussendesignals (AS) und Antworten durch das Bestätigungssignal (ACK) d(a, b) = der Abstand zwischen zwei Stationen a und b. c = Lichtgeschwindigkeit im Medium.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ordnen die Rechnereinrichtungen eine Vielzahl von Gleichungen (1) in einer Matrixform (2) . Das heißt, für n verfügbare Basisstatio^¬ nen, mit der m-ten Basisstation, die direkt mit der mobilen Station kommuniziert, kann eine Matrix in der Form der Gleichung (2) angeordnet werden:

J

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen und mobiler Station mittels einer Gleichung (3) berechnen, wobei A eine Matrix vollständiger Ordnung ist. Der Abstand zwischen der mobilen Station und der Basisstation kann mittels der Gleichung (3) berechnet werden, und zwar unter der Annahme, dass die Zeiterfassungseinrichtungen unbegrenzte Auflösung besitzen :

1 0 - 0.5 0

0 1

0 - 0 . 5 . ^•

[3) D(BSi, ^MS) = ^A -I₁(T + C) = 1 0 (cT + e)

- 0 . 5 ^' - . 0 :

•

1 :

0 0 - 0 . 5 • • • 0 1

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen und mobiler Station mittels Gleichung (4) . Gleichung (4) gibt die Beziehung zwischen den Abständen zwischen den Basisstationen und der mobilen Station an.

{xi, X2, • • .x_m, • • • , x_n}_&{γi' Y2> • • • i Ym> Yn) stellen die entspre^¬ chenden Ordinaten und Abszissen der n Basisstationen in einem orthogonalen Bezugsrahmen dar. (XMS' ^γMs) sind die Koordinaten der zu bestimmenden mobilen Station:

(X₁ - x_MS)² + (_Yl - Y_MS)² d(BS]_, MS)²

(^X2 - ^XMS )² + (yi - ^YMS )² d(BS2, MS)²

(^xm ^{" x}Msf + (Ym ^{~ γ}Msf d(BS_m, MS)² (x_n - x_MS f + (y_n - Y_MS)² d(BS_n, MS)² Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station mittels den Abständen, Trilaterationen und Gleichung (5) . Das heißt, sind einmal die Abstände zu der mobilen Station be^¬ stimmt, werden Trilaterationen bzw. im Allgemeinen, abhängig von der Anzahl der Basisstationen, Multilaterationen zur Bestimmung der Koordinaten der mobilen Station verwendet, wobei die vorstehenden Gleichungen (1) bis (4) in einer Matrixform gemäß Gleichung (5) dargestellt werden können:

( 5 ;

(X₁ - X₂) (yi - y₂) Ci(BS₂, MS)² - Ci(BS₁ , MS)² + x² - x² + y² - y²

(X₁ - X₃) (Y₁ - Y₃) 2 Ci(BS₃, MS)² - Ci(BS₁ , MS)² + x² - x² ^3

^XMS

Ix₁ - x m ) (Y1 ^" Ym) YMS d(BS_m, MS)² - Ci(BS₁ , MS)² ' "² — x V₁ ² vi

[X₁ ^{~ x}n ) (YI ^" Yn , d BS_n, MS)² - d(BSi , MS)² + X² - X² + y² - y²

K L

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station mittels eines Verfahrens des kleinsten quadratischen Fehlers und der Gleichung (6) . Da gemäß Gleichung (5) K=(m-1)- 2 ist, und zwei Unbekannte zu bestimmen sind, ist das Ergebnis des Systems von Gleichung (5) überbestimmt. Gleichung (6) verwen- det das Verfahren des kleinsten quadratischen Fehlers zur Bestimmung der Ortskoordinaten der mobilen Station (XMS' YMS) ^:

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zeiterfassungseinheiten jeweils in den Basisstationen integriert . Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispie^¬ len in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :

Figur 1 ein erstes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines OrtsbestimmungsVerfahrens;

Figur 2 ein zweites herkömmliches Ausführungsbeispiel ei^¬ nes Ortsbestimmungsverfahrens;

Figur 3 ein drittes herkömmliches Ausführungsbeispiel ei^¬ nes Ortsbestimmungsverfahrens;

Figur 4 eine Darstellung zum herkömmlichen RTT- Ortsbestimmungsverfahren;

Figuren 5 bis 9 zeigen ein herkömmliches Ausführungsbeispiel einer Ortsbestimmung;

Figuren 10 bis 12 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungs^¬ beispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens;

Figuren 13 bis 29 zeigen einen genaueren Ablauf des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Orts- bestimmungsverfahrens;

Figur 30 zeigt schematisch eine Basisstation;

Figur 31 zeigt schematisch das Verfahren zur Ortsbestimmung einer mobilen Station.

Figur 1 zeigt ein erstes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens. Das dargestellte Ankunfts^¬ zeit- (Time of Arrival - ToA) -Verfahren wird folgendermaßen ausgeführt: Ein Sender sendet ein Signal zu einer perfekt synchronisierten Empfängerstation. Die Ausbreitungszeit ist zu der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit proportional. Dieser Ablauf muss durch drei oder mehr sendende Stationen wiederholt werden und die genaue Zeit jeder Sendung muss ebenso zu der empfangenden Station zugeleitet werden. Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Sender, Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Empfänger.

Figur 2 zeigt ein zweites herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens. Ein derartiges Verfahren ist durch die Zeitdifferenz der Ankunft bestimmt (Time Difference of Arrival - TDoA) . Dieses Verfahren ist eine Erweiterung des in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Verfahrens der Ankunftszeit (ToA) . Gemäß diesem Verfahren werden eine Sendestation und mehrere Empfangsstationen verwendet. Alle Statio^¬ nen sind perfekt synchronisiert, so dass die Ausbreitungszeit unter Verwendung desselben Ablaufs wie bei der ToA gemessen werden kann. Das durch die sendende Station ausgesendete Ra^¬ diosignal wird zur Messung aller Abstände verwendet.

Figur 3 zeigt ein drittes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines RToF-Ortsbestimmungsverfahrens . Bezugszeichen 1 kenn- zeichnet einen Sender, Bezugszeichen 2 kennzeichnet einen Empfänger .

Round-Trip-Time of Flight (RToF) . Gemäß diesem Verfahren wird ein Signal durch eine Funkstation A zu einer Funkstation B gesendet. Nachdem die Station B die Nachricht empfängt, ant^¬ wortet diese der Station A zurück. Station A misst diese Zeitdifferenz, die erneut der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit korreliert wird, zusätzlich zu einer internen Verarbeitungsverzögerung in der Station B. Da keine Synchro- nisation erforderlich ist, ist die Komplexität des Systems wirksam verringert, aber nachteiligerweise muss das gleiche Verfahren durch mindestens drei Funkstationen zum Finden der Position einer Funkstation B wiederholt werden. Ein weiterer Vorteil des RToF-Verfahrens ist dass keine explizite Messung oder Zusammenarbeit von und mit der Station B erforderlich ist. Figur 3 zeigt eine Darstellung des Prinzips des RToF- Verfahrens . Figur 4 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel eines RTT-Ortsbestimmungsverfahrens .

Des Weiteren ist ein Verfahren zur In-Raum- Positionsbestimmung von Funkvorrichtungen beruhend auf Messungen einer Round-Trip-Time (RTT) zwischen der Basisstation (BS) und der mobilen Station (MS) bereitgestellt. Die Round- Trip-Time (RTT) ist die Zeit, die zum Senden eines Paketes und Empfangen dessen Bestätigung erforderlich ist. Wie es in Figur 4 dargestellt ist, stellen diese Messungen die jeweili^¬ gen Entfernungen zwischen den Basisstationen (BS) und der mobilen Station (MS) dar. Mit den gegebenen Koordinaten der Basisstationen (BS) werden zur Ortsbestimmung der mobilen Station (MS) verbundene oder getrennte Maschinenlernalgorithmen, Wahrscheinlichkeitsmodelle und Trilateration verwendet. Figur 4 stellt das Prinzip der RTT-Ortsbestimmung dar. Jede RTT- Messung bestimmt einen Abstand.

Figur 5 bis 9 zeigen eine ausführliche Darstellung eines her- kömmlichen RToA-Ortsbestimmungsverfahrens . Gemäß Figur 5 sen^¬ det die Station AP]_ ein Signal zu der mobilen Station MS. Die mobile Station MS antwortet zurück. Die Station AP]_ misst die

Zeit, um die Entfernung zu bestimmen. Figur 6 zeigt das durch die Station AP2 erfolgende Messen der Entfernung zwischen Station AP2 und der mobilen Station MS. Figur 7 zeigt, dass die Station AP3 ebenso den entsprechenden Abstand misst. Figur 8 zeigt wie die Station AP4 den Abstand misst. Figur 9 zeigt wie abschließend die Station AP5 eine eigene Messung ausführt. Figuren 5 bis 9 zeigen zehn Sendungen, die für den RToF-Algorithmus erforderlich sind.

Figuren 10 bis 12 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahrens. Ein derartiges Verfahren wird hier als ein Round-trip-time-difference-of- arrival- (RTDOA-) Verfahren bezeichnet. Figur 10 zeigt, dass eine Basisstation BS ein Paket PACK zu der mobilen Station MS sendet. Das Paket PACK entspricht einem Aussendesignal AS. Die verbleibenden Basisstationen BS starten jeweils lokale interne Zeiterfassungseinrichtungen beim Erfassen, dass ein Paket PACK ausgesendet wurde. Die mobile Station MS antwortet der Basisstation BS mit einem Bestätigungssignal ACK nach dem Empfangen des Pakets. Dies stellt Figur 11 dar. Das Bestäti- gungssignal ACK wird ebenso durch die anderen Basisstationen BS im Bereich erfasst, wobei die lokalen Zeiterfassungseinrichtungen bei Empfang des Bestätigungssignals ACK gestoppt werden. Figur 10 zeigt, dass eine Basisstation BS zu der mobilen Station MS sendet, wobei die weiteren Basisstationen BS empfangen. Figur 11 zeigt, dass die mobile Station MS mit ei^¬ nem Bestätigungssignal ACK antwortet, das alle Basisstationen BS empfangen. Es wird also vorgeschlagen, dass die Basissta^¬ tionen BS, die derzeit nicht in die Punkt zu Punkt- Übertragung einbezogen sind, dem Kanal zuhören und die Zeit zwischen dem ersten Paket AS und dem entsprechenden Bestätigungssignal ACK messen, das von der mobilen Station MS als Antwort ausgesendet wurde. Da diese Zeiten nicht auf einfache Weise in echte Abstände umgewandelt werden können, da die ge^¬ ometrischen Lagen der Stationen kompliziert sind, wird eine mathematische Lösung vorgeschlagen.

Die verstrichene Zeit, die durch eine Basisstation BS bemes^¬ sen wurde, wird indirekt auf die Entfernung zu der mobilen Station MS bezogen. Ein Zeitablaufdiagramm des vorgeschlage- nen Verfahrens wird in Verbindung mit Figur 12 dargestellt. Die Basisstation BS_m stellt die Basisstation dar, die direkt mit der mobilen Station MS kommuniziert. Die gestrichelte Li^¬ nie ist das Paket, das von der Basisstation BS_m zu der mobi^¬ len Station MS gesendet wird. Die durchgezogene Linie stellt das Radiopaket dar, das von der mobilen Station MS zu der Basisstation BS_m gesendet wurde. Die weiteren Basisstationen BS hören den Radiokanal ab. Die Basisstation BS-j_ ist physika^¬ lisch näher an der Basisstation BS_m angeordnet, wobei die Basisstation BSj weiter beabstandet ist. Figur 12 stellt die verstrichene Zeit an den Basisstationen BS dar. Die Basissta^¬ tion BS_m sendet deren Paket beziehungsweise Aussendesignal zu der mobilen Station MS. Das Paket löst die Zeiterfassungseinrichtungen der Basisstationen BS-j_ und BSj aus. Diese beiden Basisstationen werden zu verschiedenen absoluten Zeiten ausgelöst. Es ist eine Verarbeitungszeit durch die mobile Stati^¬ on MS vor Antworten an die Basisstation BS_m mit einem Bestätigungssignal ACK erforderlich. Diese Verarbeitungsverzöge- rung ist um mehrere Größenordnungen größer als die Ausbreitungszeiten der Radiosignale. Wenn die mobile Station MS ant^¬ wortet, gelangen die Pakete über verschiedene Pfade zu den Basisstationen BS-j_ und BS-; Die durchgezogenen Linie zwischen der mobilen Station, der Basisstation BS-j_ und BSj weisen eine zu der gestrichelten Linie unterschiedliche Steigungen auf. Die verstrichene Zeit, die durch eine Basisstation BS gemes^¬ sen wird, ist durch die Gleichung (1) bestimmt:

_ d(BS_m, MS) + d(MS, BS₁) - d(BS_m, BS₁) (1) T_BSi - T_process +

mit

^τprocess ^{: =} Verarbeitungszeit bei der mobilen Station (MS) = interne Verzögerung bei der mobilen Station

(MS) zwischen Empfangen des Aussendesignals (AS) und Antworten durch das Bestätigungssignal (ACK) . d(a, b) : = der Abstand zwischen zwei Stationen a und b. c : = Lichtgeschwindigkeit im Medium.

Diese Zeiten sind in Figur 12 vertikal dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Gesamtgröße von Messungen, die erforderlich sind, auf weniger als 33% der ursprünglichen Größe. Bei einer Realisierung des vorgeschlagenen Systems, wenn fünf messende Stationen verwendet werden, ist die Batterielebensdauer sechs Mal länger als bei einer Realisierung eines herkömmlichen RToF-Verfahrens . Die Kanal- belegung wird ebenso um das Zehnfache verringert, so dass mehr Raum für Echtzeitübertragungen bereitgestellt wird, wie dies beispielsweise Voice over IP oder industrielle zeitkri^¬ tische Kommunikation sind.

Figuren 13 bis 22 zeigen ausführliche Darstellungen zum er- findungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahren, das als RTDoA-

Verfahren abgekürzt wird. Figur 13 zeigt wie eine Basisstati^¬ on AP]_ ein Datenpaket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS zu der mobilen Station MS sendet. Eine Zähleinrichtung bei der Basisstation AP]_ wird zum Beginnen des Zählvorgangs akti- viert. Die Zähleinrichtung wird gestoppt, wenn die entspre^¬ chende Antwort empfangen wurde. Aufgrund der Rundfunkeigen^¬ schaften des Funkmediums und der örtlichen Anordnung der Moden in diesem Ausführungsbeispiel, ist die Basisstation AP3 die erste, die das gesendete Paket empfängt. Dies zeigt Fig. 13. Zu diesem Zeitpunkt startet die Basisstation AP3 deren interne Zähleinrichtung. Das Aussenden des Aussendesignals AS ist in den Figuren 13 bis 17 mit PACK dargestellt.

Dasselbe Datenpaket PACK, das durch die Basisstation AP]_ aus- gesendet worden ist, kommt an der mobilen Station MS an. Dies zeigt Fig. 14. Daraufhin bereitet die mobile Station MS eine Antwort, und zwar das Aussenden des Bestätigungssignals ACK als Antwort auf das Paket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS vor.

Figur 15 stellt dar, wie das durch die Basisstation AP]_ ausgesendete Datenpaket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS an der Basisstation AP2 ankommt. An der Basisstation AP2 wird die lokale Zähleinrichtung beziehungsweise Zeiterfassungsein- richtung gestartet.

Figur 16 stellt dar, wie dasselbe Datenpaket PACK an der Ba^¬ sisstation AP5 ankommt. Die lokale Zähleinrichtung der Basisstation AP5 beginnt mit dem Zählen.

Figur 17 stellt dar, wie die Basisstation AP4 als letzte Basisstation das Datenpaket PACK empfängt, da die Basisstation AP4 am weitesten von der Basisstation AP]_ entfernt ist. Die entsprechende lokale Zähleinrichtung startet den Zählvorgang.

Zu diesem Zeitpunkt wird ein neuer Ablauf gestartet. Alle Ba- sisstationen AP2 bis AP5 haben dasselbe Paket PACK bezie^¬ hungsweise Aussendesignal AS empfangen, das durch die Basis^¬ station AP]_ ausgesendet worden ist. Jetzt ist die interne

Verarbeitungszeit in der mobilen Station MS abgelaufen und es wird ein Bestätigungssignal ACK beziehungsweise ein ACK-Paket an die Adresse der Basisstation AP]_ ausgesendet.

Figur 18 stellt dar, wie das Bestätigungssignal ACK, das durch die mobile Station MS ausgesendet worden ist, zuerst an der Basisstation AP4 ankommt, da diese der mobilen Station MS örtlich am nächsten ist. Die mit Figur 17 gestartete Zähleinrichtung wird nun gestoppt.

Figur 19 stellt dar, wie das Bestätigungssignalpaket ACK bei der Basisstation AP2 ankommt. Nun wird der dortige Zähler ge- stoppt.

Figur 20 stellt dar, wie das Bestätigungssignal ACK bei der Basisstation AP]_ ankommt, wobei die dortige lokale Zeiterfas^¬ sungseinrichtung gestoppt wird.

Figur 21 stellt dar, dass das Bestätigungssignal ACK bei der Basisstation AP5 anlangt. Die dortige lokale Zeiterfassungs^¬ einrichtung wird gestoppt.

Figur 22 zeigt die Ankunft des Bestätigungssignals ACK an der Basisstation AP3, die in diesem Fall von der mobilen Station

MS am weitesten entfernt ist. Die Zeiterfassungseinrichtung der Basisstation AP3 wird gestoppt.

Zu diesem Zeitpunkt haben alle Basisstationen AP ihre Messungen beendet. Diese Messungen entsprechen nicht direkt den Entfernungen, aufgrund der komplizierten Geometrie, die der gemessenen Zeit zugeordnet ist. Um auf der Grundlage dieser Messungen zu der Position der mobilen Station MS zu gelangen, müssen mathematische Verfahren angewendet werden. Derartige Verfahren sind in Verbindung mit den Ansprüchen beansprucht.

Figuren 23 bis 29 sind zeitliche Darstellungen zum besseren Verständnis der verwendeten mathematischen Gleichungen (1) bis (6) .

Figur 23 stellt dar, dass die Basisstation BS_m die Übertra- gung zu der mobilen Station MS beginnt. Da die Basisstation BS-_L einen kleineren Abstand von der Basisstation BS_m als die mobile Station MS aufweist, wird das Paket PACK beziehungs^¬ weise das Aussendesignal AS zuerst an der Basisstation BS-j_ ankommen. Figur 24 stellt dar, wie das Packet PACK bei der mobilen Station MS angelangt ist.

Figur 25 stellt dar, wie das Paket PACK bei der Basisstation BSj ankommt, wobei diese eine Basisstation darstellt, die weiter als die mobile Station MS von der Basisstation BS_m entfernt positioniert ist. Gemäß Figur 26 wird dargestellt, dass die mobile Station MS nun genug Zeit gehabt hat, ein Bestätigungssignal ACK vorzubereiten und dieses zu senden. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Basisstation BSj näher an der mobilen Station MS als jede andere Basissta- tion BS.

Gemäß Figur 27 wird dargestellt, wie das Bestätigungssignal ACK an der Basisstation BS_m als nächsten Schritt in der Zeitdarstellung ankommt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Entfernung zwischen der mobilen Station MS und der Basisstation BS_m kleiner als die Entfernung zwischen der mobilen Station MS und der Basisstation BS-j_. Figur 28 stellt dar, wie das Bestätigungssignal ACK abschließend an der Basisstation BS-j_ ankommt. Es wird auf die unterschiedlichen Gradienten der durchgezogenen Linie hingewiesen, die durch die räumliche Geometrie der teilnehmenden Stationen verursacht ist. Figur 29 stellt in vertikalen Richtungen die Zeitunterschiede dar, die durch die örtlichen internen Zeiterfassungseinrichtungen gemessen worden sind. Diese Informationen werden für den erfindungsgemäßen mathematischen Ansatz gemäß den Ansprü- chen verwendet .

Die Figur 30 zeigt schematisch eine Basisstation BS_m, die bei dem beschriebenen Verfahren zum Einsatz kommen kann. Die Basisstation BS_m weist hierzu die bereits erwähnte Zeiterfas- sungseinrichtung 110 sowie die Rechnereinrichtung 120 auf.

In der Figur 31 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Orts^¬ bestimmung einer mobilen Station schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 210 werden zwei Signale AS, ACK zwischen einer m-ten Basisstation BS_m und der mobilen Station MS ausgetauscht. Mittels der Zeiterfassungseinrichtungen 110 werden in einem zweiten Schritt 220 die Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale AS, ACK jeweils an allen weiteren Basisstationen erfasst. Im dritten Schritt 230 wird schließlich mittel der Rechnereinrichtung 120 der Ort der mobilen Station MS mittels der erfassten Zeitdauern errechnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor^¬ richtung eignen sich insbesondere für die Ortsbestimmung au- ßerhalb geschlossener (outdoors) Räume, da in diesem Fall in der Regel gewährleistet ist, dass sich keine Hindernisse zwi^¬ schen den Stationen befinden, die die Übertragung zwischen den Stationen stören könnte.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ortsbestimmung einer mobilen Station (MS) mittels einer Vielzahl (n) von Basisstationen (BSi, ...BS_m, ...BS_n) , gekennzeichnet durch

Austauschen von zwei Signalen (AS, ACK) zwischen einer m-ten Basisstation (BS_m) und der mobilen Station (MS) ; mittels Zeiterfassungseinrichtungen erfolgendes Erfassen der Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale (AS, ACK) jeweils an allen weiteren Basisstationen; mittels einer Rechnereinrichtung erfolgendes Berechnen des Orts der mobilen Station (MS) mittels der erfassten Zeitdauern .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal ein mittels der m-ten Basisstation (BS_m) an die mobile Station (MS) und an alle weiteren Basisstationen ausgesendetes Aussendesignal (AS) ist; das zweite Signal ein mittels der mobilen Station (MS) nach dessen Empfang des Aussendesignals (AS) an alle Basisstatio^¬ nen gesendetes Bestätigungssignal (ACK) ist; allen weiteren Basisstationen jeweils eine Zeiterfassungseinrichtung zugeordnet ist, die jeweils eine Zeitdauer zwischen Empfang des Aussendesignals (AS) und Empfang des Bestäti^¬ gungssignals (ACK) erfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mittels einer der m-ten Basisstation (BS_m) zugeordneten Zeiterfassungseinrichtung erfolgendes Erfassen der Zeitdauer (T_Bsm) zwischen Aussenden des Aussendesignals (AS) und Empfan^¬ gen des Bestätigungssignals (ACK) .

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Station (MS) das Bestätigungssignal (ACK) nach ei^¬ ner internen Verarbeitungszeit (T_prOcess) aussendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine für jeweils eine Basisstation (BS₁) erfasste Zeitdauer durch die Gleichung

d(BS_m, MS) + d(MS, BS₁) - d(BS_m, BS₁)

^^{1) 1}BS₁ - ^τprocess + c

mit

Tp₁ rocess • = Verarbeitungszeit bei der mobilen Station (MS)

= interne Verzögerung bei der mobilen Station (MS) zwischen Empfangen des Aussendesignals (AS) und Antworten durch das Bestätigungssignal (ACK) d(a, b) = der Abstand zwischen zwei Stationen a und b. c : = Lichtgeschwindigkeit im Medium.

bestimmt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Gleichungen (1) in einer Matrixform anordnet

J

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen (BS) und mobiler Station (MS) mittels folgender Gleichung

(3) D(BS₁, MS) = + e)

berechnet, wobei A eine Matrix vollständiger Ordnung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen (BS) und mobiler Station (MS) mittels folgender Gleichung

(X₁ - x_MS )² + (_Yl - Y_MS )² d(BS₁, MS)² d(BS2, MS)²

( 4 ; (^X2 - ^XMS )² + (yi - ^YMS )²

(^xm ^{" x}Msf + tm ^{" γ}Msf d(BS_m, MS)² (x_n - x_MS f + (y_n - Y_MS)² d(BS_n, MS)²

berechnet, wobei x und y die entsprechenden Abszissen- und Ordinatenwerte der Stationen darstellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station (MS) mittels den Abständen, Trilateration und folgender Gleichung ( 5 :

>1 - ^X2J (Y1 ^" Y2J Ci(BS₂, MS)² - Ci(BS₁ , MS)² + x² - x² + y² - y²

- X₃) (yi - y₃) Ci(BS₃, MS)² - Ci(BSi , MS)² + x² - x² + y² - y²

^XMS 1

(χi ^{" x}m ) (γi ^" Ym ) _YMS_ 2 d(BS_m, MS)² - Ci(BS₁ , MS)² + x² - x^ V₁ ² vi

_ (χi ^{" x}n ) (Y! ^" Yn )_ Cl(BS_n , MS)² - Cl(BS₁ , MS)² + x² - x² + y² - y²

K L

berechnet .

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station (MS) mittels eines Verfahrens des kleinsten quadratischen Fehlers und folgender Gleichung

berechnet .

11. Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station (MS) mittels einer Vielzahl (n) von Basisstationen (BSi, ...BS_m, ...BS_n) , gekennzeichnet durch eine m-te Basisstation (BS_m) und die mobile Station (MS) zum Austauschen von zwei Signalen (AS, ACK);

Zeiterfassungseinrichtungen zum Erfassen der Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale (AS, ACK) jeweils an allen weiteren Basisstationen; eine Rechnereinrichtung zum Berechnen des Orts der mobilen Station (MS) mittels der erfassten Zeitdauern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal ein mittels der m-ten Basisstation (BS_m) an die mobile Station (MS) und an alle weiteren Basisstationen ausgesendetes Aussendesignal (AS) ist; das zweite Signal ein mittels der mobilen Station (MS) nach dessen Empfang des Aussendesignals (AS) an alle Basisstatio^¬ nen gesendetes Bestätigungssignal (ACK) ist; allen weiteren Basisstationen jeweils eine Zeiterfassungsein- richtung zugeordnet ist, die jeweils eine Zeitdauer zwischen Empfang des Aussendesignals (AS) und Empfang des Bestäti^¬ gungssignals (ACK) erfasst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der m-ten Basisstation (BS_m) eine Zeiterfassungseinrichtung zur Erfassung der Zeitdauer (T_Bsm) zwischen Aussenden des Aus^¬ sendesignals (AS) und Empfangen des Bestätigungssignals (ACK) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiterfassungseinrichtungen jeweils in den Basisstationen integriert sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch die mobile Station (MS) zum Aussenden des Bestätigungssignals (ACK) nach einer internen Verarbeitungszeit (T_prOcess) •

16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch die Rechnereinrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 10.