WO2010069338A1

WO2010069338A1 - Verfahren und vorrichtung zur ortung eines kommunikationsteilnehmers

Info

Publication number: WO2010069338A1
Application number: PCT/EP2008/010652
Authority: WO
Inventors: Markus Albrecht; Gerhard Hammer; Stefan Lüder
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren im Zusammenhang mit einer Ortung eines Kommunikationsteilnehmers (12), insbesondere Feldgeräts, in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk (10), wobei in dem Kommunikationsnetzwerk (10) eine Kommunikation zwischen einer Mehrzahl von Kommunikationsteilnehmern (12) und/oder ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Basisstationen (14) über von einem Netzwerkmanager (16) koordinierte Kommunikationsverbindungen, die einen oder mehrere Zeitschlitze (18) und einen oder mehrere Frequenzkanäle (44) festlegen, erfolgt, bei dem durch eine Lokalisierungsvorrichtung (22) eine Anfrage, in welcher der zu ortende Kommunikationsteilnehmer (12) und eine ortsfeste, eine relativ zu den Basisstationen (14) bekannte Position aufweisende Referenz-Station (28) angegeben werden, zur Reservierung von mindestens einem Zeitschlitz (30) und mindestens einem Frequenzkanal (44) an den Netzwerkmanager (16) gesendet wird und bei dem durch den Netzwerkmanager (16) eine Reservierung eines der Zeitschlitze (30) und eines der Frequenzkanäle (44) vorgenommen wird und dem Kommunikationsteilnehmer (12) und der Referenzstation (28) ein Ortungszeitpunkt (34) oder ein Ortungszeitschlitz (36) in dem reservierten Zeitschlitz (30) mitgeteilt werden. Auf diese Weise ist eine Kombination von Kommunikation und Ortungsverfahren auf Basis einer Signallaufzeit möglich, wobei Kommunikation und Ortung zu aufeinander abgestimmt Zeitpunkten erfolgen. Zur Ortung des Kommunikationsteilnehmers (12) müssen die an einem Ortungsverfahren beteiligten Kommunikationsteilnehmer (12), Referenzstationen (28) und Basisstationen (14) zeitlich nicht synchronisiert sein.

Description

Beschreibung

VERFAHREN. UND VORRICHTUNG ZUR ORTUNG EINES- KOMMUNIKATIONSTEILNEHMERS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren im Zusammenhang mit einer Ortung eines Kommunikationsteilnehmers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie bezieht sich weiter auf eine Lokalisierungsvorrichtung und einen Netzwerkmanager zur Durchführung des Verfahrens .

Derartige Verfahren sind bekannt und sorgen für eine zeitliche Koordination der Kommunikation zwischen den Kommunikati- onsteilnehmern. Diese Kommunikation erfolgt über Verbindungen, sogenannte Links, die genau festlegen, in welchem Zeit- schlitz und auf welchem Frequenzkanal die Kommunikation zu erfolgen hat. Nach jedem Zeitschlitz wird der Kanal gewechselt. Vom Netzwerkmanager wird festgelegt, welcher Kommunika- tionsteilnehmer in welchem Zeitschlitz und in welchem Frequenzkanal senden darf oder empfangen muss.

In einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, z. B. in einem WLAN-System (WLAN = Wireless Local Area Network) , können Teilnehmer auf Basis einer Auswertung einer Signalstärke geortet werden. Die Ortungsgenauigkeit dieser auf einer Signalstärke eines Teilnehmers basierenden Verfahren ist jedoch auf drei bis zehn Meter begrenzt und daher nur bei geringen Genauigkeitsanforderungen geeignet. Durch den bekannten Stan- dard WirelessHART (HART = Highway Addressable Remote Transdu- cer) können Dienste zur Verfügung gestellt werden, die für eine solche Signalstärkeauswertung notwendig sind.

Für eine Ortung von Teilnehmern eines Netzwerks gibt es bei- spielsweise Lokalisierungssysteme, die ausschließlich zur

Lokalisierung verwendet werden und eigenständige, spezialisierte Lösungen darstellen. Aus der DE 10 2006 040 497 Al der Anmelderin ist außerdem ein Verfahren zur Ortung von zeitlich nicht synchronisierten Funkteilnehmern auf Basis einer Signallaufzeit bekannt. In diesem Verfahren werden von einem Sender und einem Referenz- sender Signale an mindestens zwei Empfänger gesendet. Der Standort des Referenzsenders und der Empfänger muss bekannt sein. Eine zeitliche Synchronisation der Funkteilnehmer erübrigt sich aufgrund des Referenzsenders. Mit einer solchen Ortung können um etwa eine Zehnerpotenz genauere Ergebnisse erzielt werden.

Die DE 10 2007 043 649 Al der Anmelderin beschreibt ein auf der DE 10 2006 040 497 Al basierendes Verfahren zur Ortung eines Senders mithilfe eines weiteren Senders und mindestens zwei Empfängern, bei dem von den Sendern jeweils Signale auf bestimmten Frequenzkanälen, d. h. mit bestimmten Frequenzen, ausgesendet werden, die von den Empfängern empfangen werden, und bei dem in den Empfängern für jeden Frequenzkanal eine Phasendifferenz zwischen den empfangenen Signalen der Sender ermittelt und anhand dieser die Position des zu ortenden

Senders bestimmt wird. Dabei werden die Frequenzkanäle nach einem vorgegebenen Hoppingschema ausgewählt, d. h. die für das Aussenden von Signalen zu verwendenden Frequenzkanäle werden nicht in beliebiger oder chaotischer, sondern in einer vorherbestimmten Reihenfolge festgelegt.

WirelessHART und die beiden oben beschrieben Verfahren basieren auf dem Standard IEEE 802.15.4. Eine Koexistenz der o. g. Verfahren und anderen Funksystemen, z. B. WLAN oder Blue- tooth, in einem WirelessHART-Netzwerk scheint jedoch nicht möglich zu sein, da sie sich bei der Belegung von Frequenzkanälen gegenseitig stören können oder eine Anzahl vorgesehener Frequenzkanäle für eine Ortung nicht ausreicht.

Sämtliche in dieser Patentanmeldung zitierten Dokumente werden ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung einbezogen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem neben einer Kommunikation zwischen Kommunikationsteilnehmern in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk eine Ortung von Kommunikationsteilnehmern mit hoher Genauigkeit auf Basis der verwendeten Kommunikationshardware und des Kommunikationsprotokolls ohne Störung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu sind bei einem Verfahren im Zusammenhang mit einer Ortung eines Kommunikationsteilnehmers, insbesondere eines Feldgeräts, in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, in dem eine Kommunikation zwischen einer Mehrzahl von Kommunikationsteilnehmern und/oder ortsfesten Basis- Stationen mit bekannten Positionen über von einem Netzwerkmanager koordinierte Kommunikationsverbindungen, die einen oder mehrere Zeitschlitze und einen oder mehrere Freguenzkanäle festlegen, erfolgt, folgende Schritte vorgesehen: Durch eine Lokalisierungsvorrichtung wird an den Netzwerkmanager eine Anfrage zur Reservierung von mindestens einem Zeitschlitz und mindestens einem Frequenzkanal gesendet, in welcher der zu ortende Kommunikationsteilnehmer und eine ortsfeste Referenzstation, die relativ zu den Basisstationen eine bekannte Position aufweist, angegeben werden. Durch den Netzwerkmana- ger wird eine Reservierung eines der Zeitschlitze und eines der Frequenzkanäle vorgenommen und dem Kommunikationsteilnehmer und der Referenzstation werden ein Ortungszeitpunkt oder ein Ortungszeitschlitz in dem reservierten Zeitschlitz mitgeteilt. Die Lokalisierungsvorrichtung kann in der Anfrage zur Reservierung an den Netzwerkmanager auch mindestens einen Zeitschlitz und mindestens einen Frequenzkanal, die reserviert werden sollen, vorgeben und der Netzwerkmanager bestätigt dann diese Reservierungsanfrage oder lehnt sie ab. Verfahren „im Zusammenhang" mit einer Ortung meint hier, dass durch das Verfahren eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers in dem Kommunikationsnetzwerk vorbereitet wird. Die o. g. Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Lokalisierungsvorrichtung mit Mitteln zur Bestimmung einer Laufzeitdiffe- renz zwischen einem Eintreffen eines Ortungssignals und einem Eintreffen eines Referenzsignals für jede Basisstation, Mitteln zur Bestimmung der Differenzen zwischen diesen Laufzeitdifferenzen und Mitteln zur Berechnung der Ortsinformation des Kommunikationsteilnehmers aus den Differenzen. Des Weiteren wird die o. g. Aufgabe auch mit einem Netzwerkmanager mit Mitteln zur Koordination von Kommunikationsverbindungen, die einen oder mehrere Zeitschlitze und einen oder mehrere Frequenzkanäle festlegen, gelöst, bei dem Mittel zur Verarbei- tung einer Anfrage einer Lokalisierungsvorrichtung zur Reservierung mindestens eines Zeitschlitzes in mindestens einem Frequenzkanal vorgesehen sind. Weiterhin wird die o. g. Aufgabe auch mit einem Funksystemverbund mit einer Lokalisierungsvorrichtung wie oben beschrieben, zur Verwaltung von Informationen und Aufgaben, die eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers betreffen, und einem Netzwerkmanager wie oben beschrieben gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Verfahren in die vorhandene Kommunikation der Kommunikationsteilnehmer integriert werden kann, wobei das bereits vorhandene Kommunikationsnetzwerk durch Hinzufügen einer Lokalisierungsvorrichtung und Modifikation eines Netwerkmanagers einfach angepasst wird. Diese Erweiterung kann zudem an zentraler Stelle in dem Kommunikationsnetzwerk vorgenommen werden und ist daher besonders vorteilhaft in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk mit einer Anzahl mobiler Kommunikationsteilnehmer. Die Ortung der Kommunikationsteilnehmer, welche insbesondere als Feldgeräte ausgeführt sind, kann in dem Kommunikationsnetz- werk störungsfrei ablaufen, da hierfür Zeitschlitze reserviert werden, in denen keine andere Kommunikation abgewickelt wird. Ortung und Kommunikation erfolgen daher aufeinander abgestimmt. Dies wäre beispielsweise bei unabhängigen Lösungen für Ortung und Kommunikation nicht unbedingt gegeben. Außerdem wird ein Kostenaufwand für ein komplettes eigenständiges System zur Ortung gespart. Für die Ortung lassen sich nun spezielle Verfahren, die im Folgenden genauer beschrieben werden, einsetzen, die auf der Auswertung einer Signallauf- zeit basieren und genauer als eine in Kommunikationsnetzwerken verwendbare Ortung auf Basis einer Signalstärke sind. Somit lässt sich eine Ortungsgenauigkeit von bis zu einen halben Meter (0,5 m) erreichen. In industriellen Anlagen kann somit die Anwenderfreundlichkeit verbessert werden, indem Instandhaltungs- oder Reparaturpersonal zielgerichtet zu gewünschten Kommunikationsteilnehmern oder Feldgeräten geführt werden kann. Wurden die Kommunikationsteilnehmer in dem Kommunikationsnetzwerk mit einem Ortungsverfahren wie o. g. und im Weiteren ausgeführt geortet, kann ihnen auch eine bestimmte Kommunikationsfrequenz zugewiesen werden, so dass die Kommunikation mit diesem Kommunikationsteilnehmer weniger durch andere Kommunikationsteilnehmer im drahtlosen Kommunikationsnetzwerk, die im gleichen Frequenzband, z. B. 2,4 GHz, senden, gestört wird. Aufgrund der durch das Verfahren gemäß der Erfindung zur Verfügung stehenden Möglichkeiten zur genauen Ortung ergeben sich beispielsweise auch Vorteile bei einer Projektierung eines Feldgeräts, denn dessen logische Adresse kann mit seinen Ortskoordinaten verknüpft werden, so dass eine aufwendige manuelle Adressvergabe entfällt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspru- ches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachge- ordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.

Bevorzugt werden der Lokalisierungsvorrichtung die vom Netzwerkmanager zur Ortung reservierten Zeitschlitze und Frequenzkanäle mitgeteilt. Die Lokalisierungsvorrichtung kann nun auch anderen in dem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk befindlichen Funksystemen mitteilen, wann eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers stattfinden wird.

Weiter bevorzugt wird eine Synchronisation der zur Ortung reservierten Zeitschlitze und Frequenzkanäle mit in dem Kommunikationsnetzwerk für die Kommunikation benötigten Zeitschlitzen durchgeführt. Auf diese Weise wird eine Koexistenz der Kommunikationssysteme in dem Kommunikationsnetzwerk, bei denen auch Zeitschlitze reserviert werden, und der Ortung erreicht.

Wenn die Zeitschlitze zur Ortung gleichzeitig in allen Frequenzkanälen reserviert werden, wird erreicht, dass auf keinem der Frequenzkanäle zeitgleich Daten in Zusammenhang mit einer KommunikationsVerbindung gesendet werden. Damit wird eine weitgehend störungsfreie Ortung garantiert.

Im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren mit den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen kann besonders vorteilhaft ein Verfahren zur Ortung eines Kommunikations- teilnehmers durchgeführt werden, wobei in dem Ortungszeitschlitz ein Ortungssignal von dem zu ortenden Kommunikationsteilnehmer an mindestens zwei Basisstationen und ein Referenzsignal von der Referenzstation an die mindestens zwei Basisstationen gesendet, wobei für jede Basisstation eine

Laufzeitdifferenz zwischen einem Eintreffen des Ortungssignals und einem Eintreffen des Referenzsignals bestimmt wird. Die Laufzeitdifferenzen weisen untereinander wiederum Differenzen auf, die bestimmt werden, um daraus eine Ortsinforma- tion des Kommunikationsteilnehmers zu berechnen. Bei einem solchen Ortungsverfahren müssen die Kommunikationsteilnehmer und vor allem die ortsfesten Basisstationen untereinander nicht zeitlich synchronisiert sein. Dieses Verfahren ist in der DE 10 2006 040 497 Al näher erläutert. Eine aufwendige und damit kostenintensive hochgenaue Synchronisation der

Kommunikationsteilnehmer, die in anderen Verfahren für genaue Ortungsergebnisse benötigt wird, ist hierbei nicht erforderlich. In den Basisstationen vorhandene Uhren können beliebige Zeitversätze aufweisen, ihre Frequenz sollte jedoch in etwa gleich sein. Ein wesentlicher Aspekt dieses Ortungsverfahrens besteht nun darin, dass eine Referenzstation mit einer von den Basisstationen bekannten Position eingesetzt wird. Der zu ortende Kommunikationsteilnehmer und die Referenzstation senden beide ein Signal an die gleichen ortsfesten Basisstationen. Die Basisstationen bestimmen nicht den jeweils absoluten Zeitpunkt der Signalankunft, sondern die Laufzeitdifferenzen zwischen dem Eintreffen der Signale von dem zu orten- den Kommunikationsteilnehmer und der Referenzstation. Dabei ist ein Fehler aufgrund der zeitlich nicht synchronisierten Basisstationen umso geringer, je zeitnaher der zu ortende Kommunikationsteilnehmer und die Referenzstation ihre Signale ausgesendet haben. Daher müssen die Zeitversätze der Uhren in den Basisstationen nicht bekannt sein. Zwischen dem Aussenden der Signale von dem zu ortenden Kommunikationsteilnehmer und der Referenzstation kann ebenfalls ein Zeitversatz, ein sogenannter Sendeversatz, vorhanden sein. Dem zu ortenden Kommunikationsteilnehmer und der Referenzstation wird nun ein Ortungszeitschlitz einer bestimmten Länge mitgeteilt, in dem sie ihr Signal senden sollen. Die Aussendung des Ortungssignals und des Referenzsignals kann innerhalb dieses Ortungszeitschlitzes dann mit einem unbekannten Sendeversatz erfolgen. Dieser entsteht beispielsweise auch automatisch, wenn das Ortungssignal und das Referenzsignal im gleichen Frequenzkanal gesendet werden, da in diesem nur ein Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt gesendet werden kann. Der unbekannte Sendeversatz kann durch Differenzbildung der Laufzeitdifferenzen zwischen den Basisstationen herausgerechnet wer- den. Für das Verfahren müssen die Positionen der mindestens zwei Basisstationen, an die das Ortungssignal und das Referenzsignal gesendet werden, sowie die Position der Referenzstation bekannt sein und die Differenzen der Laufzeitdifferenzen der an die jeweiligen Basisstationen gesendeten Signa- Ie ermittelt werden. Danach kann mithilfe von Triangulationsberechnungen oder allgemein bekannten mathematischen Berechnungen eine Ortsbestimmung durchgeführt werden. Bevorzugt werden das Ortungssignal zum Ortungszeitpunkt in einem ersten Frequenzkanal und das Referenzsignal zeitgleich in einem zweiten Frequenzkanal gesendet. Der Sendeversatz ist damit gleich Null und muss nicht herausgerechnet werden.

Wenn in jeder Basisstation für den ersten und zweiten Frequenzkanal eine Phasendifferenz zwischen dem Ortungssignal und dem Referenzsignal ermittelt wird, lässt sich die Ortungsgenauigkeit noch weiter erhöhen. Wie oben bereits er- wähnt, ist es besonders kostensparend, wenn die beteiligten Kommunikationsteilnehmer nicht zeitlich synchronisiert sind. Dies kann z. B. mit einem Verfahren gemäß der DE 10 2007 043 649 Al erreicht werden. Voraussetzung dafür ist, dass ein Referenzsignal von einem ortsbekannten Sender gesendet wird. Eine Zeit- und Phasendifferenz des Ortungssignals des zu ortenden Kommunikationsteilnehmers zu dem Referenzsignal kann dann bestimmt werden. Besonders gute Ergebnisse bei der Auswertung einer Phasendifferenz werden erreicht, wenn die Frequenzkanäle, in denen das Ortungs- und das Referenzsignal gesendet werden, nicht beliebig ausgewählt werden, sondern nach einem bestimmten, symmetrischen Hopping- schema, dessen Bildung in der DE 10 2007 043 649 Al näher beschrieben ist.

Bevorzugt wird der Kommunikationsteilnehmer anhand einer

Signalstärke, mit der ein Signal von dem Kommunikationsteilnehmer an eine Basisstation gesendet wird, geortet. Diese Ortung kann zusätzlich oder nach einer Ortung auf Basis einer Signallaufzeit durchgeführt werden. Auf diese Weise kann ein Ergebnis der Ortung auf Basis einer Signallaufzeit überprüft oder korrigiert werden.

Die oben bereits erwähnte Lokalisierungsvorrichtung, mit der die o. g. Aufgabe in Verbindung mit dem oben bereits erwähn- ten Netzwerkmanager wie mit dem jetzt beschriebenen Verfahren und dessen Ausgestaltungen gelöst wird, zeichnet sich in vorteilhaften Ausführungsformen im Wesentlichen durch Mittel aus, die zum Ausführen einzelner Verfahrensschritte, die von dem Verfahren und dessen Ausgestaltungen umfasst sind, vorgesehen sind. Insoweit wird auf die vorangehende Beschreibung mit dem Hinweis verwiesen, dass mit einzelnen Verfahrensschritten eine Funktionalität der Lokalisierungsvorrichtung, die genau diese Verfahrensschritte ausführt, verbunden ist.

Auch soweit ein Funksystemverbund wie eingangs erwähnt betroffen ist, mit dem die o. g. Aufgabe gelöst wird, kann im Wesentlichen auf die vorangehende Beschreibung des Verfahrens und dessen Ausgestaltungen verwiesen werden. In dem Funksystemverbund kann die Lokalisierungsvorrichtung bevorzugt auch als separates Gerät angeordnet sein.

Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegen- stände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen. Es zeigen

FIG 1 ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk mit Mitteln zur

Ortung von Kommunikationsteilnehmern und

FIG 2 für eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers reservierte Zeitschlitze neben für eine Kommunikation der Kommunikationsteilnehmer belegten Zeitschlitzen.

FIG 1 zeigt ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk 10. Dieses umfasst eine Anzahl von Kommunikationsteilnehmern 12, welche insbesondere Feldgeräte sind. Die Positionen der Kommunikationsteilnehmer 12 müssen nicht bekannt sein. Das Kommunikationsnetzwerk 10 umfasst als weitere Kommunikationsteilnehmer ortsfeste, bekannte Positionen aufweisende Basisstationen 14. Die Kommunikationsteilnehmer 12 kommunizieren untereinander und/oder mit den Basisstationen 14 über Kommunikationsverbindungen. Das Kommunikationsnetzwerk basiert auf dem Wireless- HART-Standard, bei dem die Funkübertragung auf dem drahtlosen Kommunikationsstandard IEEE 802.15.4 basiert und als Übertragungsverfahren das TDMA-Verfahren (TDMA = Time Division Multiple Access) verwendet wird. Die zeitliche Koordination der Kommunikation zwischen den Kommunikationsteilnehmern erfolgt dabei über einen Netzwerkmanager 16. Dieser legt fest, wel- eher Kommunikationsteilnehmer in welchem in FIG 2 gezeigten

Zeitschlitz 18 Daten senden darf oder empfangen muss. Näheres zu diesem Verfahren wird weiter unten im direkten Zusammenhang mit FIG 2 noch genauer erläutert. Der Netzwerkmanager 16 ist kommunikativ mit einem Computer 20 und einer Lokalisie- rungsvorrichtung 22 verbunden, z. B. über einen Datenbus 24. Durch den Netzwerkmanager 16 werden Kommunikationsverbindungen zwischen den Teilnehmern 12, 14 des Kommunikationsnetzwerks 10 geplant und optimiert. Durch die Lokalisierungsvorrichtung 22 wird nun das Kommunikationsnetzwerk 10 nach Wire- lessHART-Standard auf dem IEEE 802.15.4-Standard mit einem System zur Ortung von Kommunikationsteilnehmern 12 kombiniert. Die Lokalisierungsvorrichtung 22 umfasst einen auch als Lokalisierungsmanager 26 zu bezeichnenden Teil, in dem alle Aufgaben und Optionen bezüglich einer Ortung verwaltet werden. Die Lokalisierungsvorrichtung 22 ist zudem für die Berechnung von Lokalisierungsalgorithmen und die Bereitstellung von Ortsinformationen an Lokalisierungsapplikationen zuständig.

In der Lokalisierungsvorrichtung 22 sind alle Informationen, welche Kommunikationsteilnehmer 12 geortet werden sollen und in welchem Zyklus eine Ortung jeweils erfolgen soll. Die Ortung und der Zyklus sind z. B. von einer Lokalisierungsapplikation abhängig und können von dieser angefragt werden. Um in dem Kommunikationsnetzwerk 10 eine Ortung durchzuführen, muss dafür ein Zeitschlitz 18 oder ein Teil der Zeitschlitze 18 und mindestens ein Frequenzkanal 44 (FIG 2) reserviert werden. Von der Lokalisierungsvorrichtung wird daher eine

Anfrage zur Reservierung von mindestens einem der Zeitschlitze 18 und mindestens einem der Frequenzkanäle 44, in denen ein Kommunikationsteilnehmer 12 geortet werden soll, an den Netzwerkmanager 16 gestellt. Diese Anfrage enthält den zu ortenden Kommunikationsteilnehmer 12 und einen weiteren Kommunikationsteilnehmer 12 als Referenzstation 28. Die Referenzstation 28 weist eine ortsfeste Position auf, die den Basisstationen 14 bekannt ist. Der Netzwerkmanager 16 kann nun die Anforderung von der Lokalisierungsvorrichtung 22 in die Planung und Optimierung der Kommunikation in dem Kommunikationsnetzwerk 10 einbeziehen. Er reserviert dann einen oder mehrere Zeitschlitze 30 in mindestens einem der Frequenzkanäle 44 (in FIG 2 gezeigt) und teilt dem zu ortenden Kommunikationsteilnehmer 12 und der Referenzstation 28 mittels geeig- neter Kommandos 32, z. B. im WirelessHART-Standard vorgesehenen WirelessHART-Kommandos, einen in FIG 2 dargestellten Ortungszeitpunkt 34 oder Ortungszeitschlitz 36 wie in FIG 2 innerhalb des reservierten Zeitschlitzes 30 mit. Zu diesem Ortungszeitpunkt 34 oder in diesem Ortungszeitschlitz 36 sendet der zu ortenden Kommunikationsteilnehmer 12 ein Ortungssignal 38 und die Referenzstation 28 ein Referenzsignal 40 an mindestens eine Basisstationen 14. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Aussenden von Signalen im WirelessHART- Netzwerk synchronisiert wird. Die Lokalisierungsvorrichtung 22 erhält vom Netzwerkmanager 16 eine Bestätigung auf ihre Anfrage sowie die Information, welche Zeitschlitze 30 und Frequenzkanäle 44 reserviert wurden. Daraufhin kann die Loka- lisierungsvorrichtung 22 andere Funksysteme, die in dem Kommunikationsnetzwerk 10 agieren, darüber informieren, wann eine Ortung stattfindet. Da andere Funksystem auch eine Reservierung von Zeitschlitzen vorsehen, z. B. IWLAN (IWLAN = Industrial Wireless Local Area Network) im iPCF-Modus (iPCF = industrial Point Coordination Function) , können sie sich mit der Lokalisierungsvorrichtung 22 synchronisieren, so dass eine Koexistenz der Lokalisierung und dem entsprechenden Funksystem, z. B. IWLAN, erreicht wird.

FIG 2 zeigt die für eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers 12 reservierten Zeitschlitze 30 neben den für eine Kommunikation der Kommunikationsteilnehmer 12 belegten Zeitschlitze 18 in Bezug auf eine Zeitachse 42. Für die Kommunikation werden bei dem TDMA-Verfahren Zeitschlitze 18 und Frequenzkanäle 44 festgelegt, in denen Daten gesendet oder empfangen werden. Die einzelnen Zeitschlitze 18 haben eine Dauer von 10 ms, wodurch sich 100 Zeitschlitze 18 pro Sekunde und Frequenzkanal 44 ergeben. Die Zeitschlitze sind in Superframes organisiert, welche periodisch wiederholt werden und zyklische sowie azyklische Kommunikation unterstützen. Im WirelessHART-Standard sind 15 Kanäle in einem 2,4 GHz-ISM- Band spezifiziert. Nach jedem Zeitschlitz 18 wird der Frequenzkanal 44 gewechselt. In FIG 2 sind drei Signale (A, B, C) zur Kommunikation dargestellt, die in verschiedenen Zeit- schlitzen 18 und Frequenzkanälen 44 gesendet werden. Zwischen diesen Zeitschlitzen 18 zur Kommunikation sind in Bezug auf die Zeitachse 42 reservierte Zeitschlitze 30 als Bereiche dargestellt, in denen eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers 12 (FIG 1) erfolgen soll. Eine Reservierung der Zeit- schlitze 30 zur Ortung wird im Allgemeinen in allen Frequenzkanälen 44 vorgenommen, wie es auch in FIG 2 dargestellt ist. So stehen alle Frequenzkanäle 42 für die Ortung zur Verfügung, bei der je nach Verfahren verschiedene Frequenzkanäle 44 verwendet werden. Ein gleichzeitiges Senden von Kommunikationssignalen in einem der Frequenzkanäle 44, wodurch Störungen bei der Ortung entstehen könnten, wird somit verhindert. Zur Ortung selbst können in den dafür reservierten Zeit- schlitzen 30 unterschiedliche Verfahren angewendet werden, bevorzugt solche, die auf einer Signallaufzeit basieren.

In dem Ortungszeitschlitz 36, der sich innerhalb der reservierten Zeitschlitze 30 befindet, kann von dem zu ortenden Kommunikationsteilnehmer 12 (FIG 1) ein Ortungssignal 38 (FIG 1) und von der Referenzstation 28 (FIG 1) ein Referenzsignal 40 (FIG 1) an mindestens zwei Basisstationen 14 (FIG 1) gesendet werden, so dass eine Laufzeitdifferenz zwischen einem Eintreffen des Ortungssignals 38 und einem Eintreffen des Referenzsignals 40 in den Basisstationen 14 bestimmt wird.

Aus den Differenzen der Laufzeitdifferenzen kann danach mithilfe geeigneter mathematischer Berechnungen, z. B. Triangulationsberechnungen, in der Lokalisierungsvorrichtung 22 (FIG 1) eine Ortsinformation ermittelt werden. Bei einem solchen Verfahren müssen die einzelnen Kommunikationsteilnehmer 12 und Basisstationen 14 zeitlich nicht synchronisiert sein. Das Ortungssignal 38 und das Referenzsignal 40 können außerdem im gleichen Frequenzkanal 44 gesendet werden. Ist ein Ortungszeitschlitz 36 für das Senden des Ortungssignals 38 und des Referenzsignals 40 vorgesehen, kann in diesem also z. B. zuerst das Ortungssignal 38 in einem der Frequenzkanäle 44 und danach das Referenzsignal 40 in dem gleichen Frequenzkanal 44 gesendet werden. Die dadurch entstehende Zeitversätze beim Senden werden durch die mathematischen Berechnungen herausgerechnet. Ist durch den Netzwerkmanager 16 (FIG 1) ein bestimmter Ortungszeitpunkt 34 für das Aussenden von Ortungssignal 38 und Referenzsignal 40 innerhalb eines reservierten Zeitschlitzes 30 vorgesehen, muss zu diesem Ortungszeitpunkt 34 das Ortungssignal 38 in einem ersten Frequenzkanal 44 zeitgleich mit dem Referenzsignal 40 in einem zweiten Frequenzkanal 44 gesendet werden. Dadurch wird ein Zeitversatz beim Senden vermieden. Wenn in diesem Fall zusätzlich noch eine Phasendifferenz zwischen den in dem ersten und zweiten Frequenzkanal gesendeten Signalen 38, 40 ermittelt wird, erhöht sich die Ortungsgenauigkeit.

Durch geeignete Gestaltung der Lokalisierungsvorrichtung 22 (FIG 1), z. B. durch eine Software, lassen sich Ortsinformationen in dem Kommunikationsnetzwerk 10 (FIG 1) auch auf Basis einer Signalstärke bestimmen. Damit kann die Signalstärke der Signale eines Kommunikationsteilnehmern 12 (FIG 1) zu anderen Kommunikationsteilnehmern 12 oder Basisstationen 14 (FIG 1) ausgewertet werden und daraus eine Position des Kommunikationsteilnehmers 12 bestimmt werden. Diese Art der Ortung ist jedoch ungenauer als Ortungsverfahren auf Basis der Signallaufzeit und dient daher in dem hier dargestellten Kommunikationsnetzwerk 10 im Allgemeinen nur zu einer Über- prüfung oder gegebenenfalls einer Korrektur der Ortsinformationen. Auch ist denkbar, dass eine Ortung auf Basis der Signalstärke nur bei bestimmten Anwendungen eingesetzt wird, bei denen keine hohe Genauigkeit der Ortsinformationen erforderlich ist. Sollte zu einem späteren Zeitpunkt ein genaueres Ergebnis für die Anwendung gewünscht werden, kann dann auf eine Ortung auf Basis der Signallaufzeit zurückgegriffen werden .

Damit lässt sich die Erfindung kurz wie folgt darstellen: Es wird ein Verfahren im Zusammenhang mit einer Ortung eines Kommunikationsteilnehmers 12, insbesondere Feldgeräts, in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk 10, wobei in dem Kommunikationsnetzwerk 10 eine Kommunikation zwischen einer Mehrzahl von Kommunikationsteilnehmern 12 und/oder ortsfes- ten, bekannte Positionen aufweisenden Basisstationen 14 über von einem Netzwerkmanager 16 koordinierte Kommunikationsverbindungen, die einen oder mehrere Zeitschlitze 18 und einen oder mehrere Frequenzkanäle 44 festlegen, erfolgt, angegeben, bei dem durch eine Lokalisierungsvorrichtung 22 eine Anfrage, in welcher der zu ortende Kommunikationsteilnehmer 12 und eine ortsfeste, eine relativ zu den Basisstationen 14 bekannte Position aufweisende Referenzstation 28 angegeben werden, zur Reservierung von mindestens einem Zeitschlitz 30 und mindestens einem Frequenzkanal 44 an den Netzwerkmanager 16 gesendet wird und bei dem durch den Netzwerkmanager 16 eine Reservierung eines der Zeitschlitze 30 und eines der Frequenzkanäle 44 vorgenommen wird und dem Kommunikationsteil- nehmer 12 und der Referenzstation 28 ein Ortungszeitpunkt 34 oder ein Ortungszeitschlitz 36 in dem reservierten Zeitschlitz 30 mitgeteilt werden. Auf diese Weise ist eine Kombination von Kommunikation und Ortungsverfahren auf Basis einer Signallaufzeit möglich, wobei Kommunikation und Ortung je- weils zu aufeinander abgestimmt Zeitpunkten oder in aufeinander abgestimmten Zeitspannen erfolgen. Zur Ortung des Kommunikationsteilnehmers 12 müssen die an einem Ortungsverfahren beteiligten Kommunikationsteilnehmer 12, Referenzstationen 28 und Basisstationen 14 zeitlich nicht synchronisiert sein.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren im Zusammenhang mit einer Ortung eines Kommunikationsteilnehmers (12), insbesondere Feldgeräts, in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk (10), wobei in dem Kommunikationsnetzwerk (10) eine Kommunikation zwischen einer Mehrzahl von Kommunikationsteilnehmern (12) und/oder ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Basisstationen (14) über von einem Netzwerkmanager (16) koordinierte Kommunikationsverbin- düngen, die einen oder mehrere Zeitschlitze (18) und einen oder mehrere Frequenzkanäle (44) festlegen, erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Lokalisierungsvorrichtung (22) eine Anfrage, in welcher der zu ortende Kommunikationsteilnehmer (12) und eine ortsfeste, eine relativ zu den Basisstationen (14) bekannte Position aufweisende Referenzstation (28) angegeben werden, zur Reservierung von mindestens einem Zeitschlitz (30) und mindestens einem Frequenzkanal (44) an den Netzwerkmanager (16) gesendet wird und dass durch den Netzwerkmanager (16) eine Reservierung eines der Zeitschlitze (30) und eines der Frequenzkanäle (44) vorgenommen wird und dem Kommunikationsteilnehmer (12) und der Referenzstation (28) ein Ortungszeitpunkt (34) oder ein Ortungszeitschlitz (36) in dem reservierten Zeitschlitz (30) mitgeteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lokalisierungsvorrichtung (22) die vom Netzwerkmanager (16) zur Ortung reservierten Zeitschlitze (30) und Frequenzkanäle (44) mitgeteilt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Synchronisation der zur Ortung reservierten Zeitschlitze (30) und Frequenzkanäle (44) mit in dem Kommunikati- onsnetzwerk (10) für die Kommunikation benötigten Zeitschlitzen (18) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zeitschlitze (30) zur Ortung gleichzeitig in allen Frequenzkanälen (44) reserviert werden.

5. Verfahren zur Ortung eines Kommunikationsteilnehmers (12) im Anschluss an ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Ortungszeitschlitz (36) ein Ortungssignal (38) von dem zu ortenden Kommunikationsteilnehmer (12) an mindestens zwei Basisstationen (14) und ein Referenzsignal (40) von der Referenzstation (28) an die mindestens zwei Basisstationen (14) gesendet werden, wobei für jede Basisstation (14) eine Laufzeitdifferenz zwischen einem Eintreffen des Ortungssignals (38) und einem Eintreffen des Referenzsignals (40) bestimmt wird, wobei Differenzen zwischen diesen Laufzeitdifferenzen bestimmt werden, und wobei aus den Differenzen eine Ortsinformation des Kommunikationsteilnehmers (12) berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ortungssignal (38) zum Ortungs Zeitpunkt (34) in einem ersten Frequenzkanal (44) und das Referenzsignal (40) zeitgleich in einem zweiten Frequenzkanal (44) gesendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in jeder Basisstation (14) für den ersten und zweiten Frequenzkanal (44) eine Phasendifferenz zwischen dem Ortungssignal (38) und dem Referenzsignal (40) ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kommunikationsteilnehmer (12) anhand einer Signalstärke, mit der ein Signal von dem Kommunikationsteilnehmer (12) an eine Basisstation (14) gesendet wird, geortet wird.

9. Lokalisierungsvorrichtung (22) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit Mitteln zum Stellen einer Anfrage zur Reservierung von mindestens einem Zeitschlitz (30) an einen Netzwerkmanager (16),

Mitteln zur Bestimmung einer Laufzeitdifferenz zwischen einem Eintreffen eines Ortungssignals (38) und einem Eintreffen eines Referenzsignals (40) für jede Basisstation (14), Mitteln zur Bestimmung der Differenzen zwischen diesen Laufzeitdifferenzen und

Mitteln zur Berechnung der Ortsinformation des Kommunikati- onsteilnehmers (12) aus den Differenzen.

10. Lokalisierungsvorrichtung (22) nach Anspruch 9, mit Mitteln zum Abrufen einer Phasendifferenz zwischen dem Ortungssignal (38), welches in einem ersten Frequenzkanal (44) gesendet wird, und dem Referenzsignal (40), welches in einem zweiten Frequenzkanal (44) gesendet wird, von den Basisstationen (14), die das Ortungssignal (38) und das Referenzsignal (40) empfangen.

11. Lokalisierungsvorrichtung (22) nach Anspruch 9 oder 10, mit Mitteln zur Ortung des Kommunikationsteilnehmers (12) anhand einer Signalstärke, mit der ein Signal von dem Kommunikationsteilnehmer (12) an eine Basisstation (14) gesendet wird.

12. Netzwerkmanager (16) mit Mitteln zur Koordination von Kommunikationsverbindungen, die einen oder mehrere Zeitschlitze (18, 30) und einen oder mehrere Frequenzkanäle (44) festlegen, gekennzeichnet durch Mittel zur Verarbeitung einer Anfrage einer Lokalisierungsvorrichtung (22) zur Reservierung mindestens eines Zeitschlitzes (30) in mindestens einem Frequenzkanal (44) .

13. Funksystemverbund zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Lokalisierungsvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Verwaltung von Informationen und Aufga- ben, die eine Ortung eines Kommunikationsteilnehmers (12) betreffen, und einem Netzwerkmanager (16) nach Anspruch 12.

14. Funksystemverbund mit einer Lokalisierungsvorrichtung (22) als separates Gerät.