DE69633666T2

DE69633666T2 - Standortermittlungssystem für zellularfunk

Info

Publication number: DE69633666T2
Application number: DE69633666T
Authority: DE
Inventors: Robert Peter Bracknell MUNDAY; Ian Ipswich GOETZ; Mark Stephen Chesham GANNON
Original assignee: O2 UK Ltd
Current assignee: Telefonica UK Ltd
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1996-05-01
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2016-05-02
Also published as: NO975041D0; CA2219783C; CN1629654A; EP0824840A1; CA2219783A1; KR19990008327A; NO975041L; JPH11505078A; CN1629654B; AU701275B2; PT824840E; NZ306501A; EP0824840B1; NO326039B1; MX9708410A; ES2231807T3; DK0824840T3; DE69633666D1; CN1178543C; GB9508884D0

Description

Die Erfindung betrifft Funk-Standortbestimmungssysteme. Eine Anzahl von Systemen zur Identifikation einer Mobileinheit unter Verwendung von Funkausbreitungseigenschaften werden zur Zeit entwickelt. Ein derartiges System ist das globale Positionsbestimmungssystem (GPS), bei dem eine portable Einheit eine Ortung unter Verwendung von Funkübertragungen von Weltraumsatelliten erhält. Dieses System ist sehr genau, aber benötigt spezielle Ausrüstung und ist an Orten, die eine schlechte Sichtbarkeit des Himmels haben, unzuverlässig, da mehrere weit voneinander entfernte Satelliten sich in einer Sichtlinienbeziehung mit dem Handapparat befinden müssen, damit eine Ortung erhalten werden kann.
Es sind mehrere Vorschläge für Systeme gemacht worden, die die Funkausbreitungseigenschaften eines Zellularfunksystems verwenden, um eine Ortung für eine Zellularfunk-Mobileinheit bereitzustellen. Dies würde ermöglichen, dass die Mobileinheit selbst als ein Positionsfindungsgerät dient. Bekannterweise ermöglichen es Zellularfunksysteme einem Benutzer, der einen portablen Handapparat (eine "Mobileinheit") besitzt, mittels einer Funkverbindung Telefongespräche zu senden und zu empfangen, entweder zu einer anderen Mobileinheit oder zu einer herkömmlichen festen Leitung. Die Funkverbindung wird zwischen der Mobileinheit und einer aus einem Netzwerk von festen Funk-Basisstationen aufgebaut, die über das abzudeckende Gebiet verteilt sind. Das System ermöglicht es jeder Mobileinheit, über irgendeine der Basisstationen zu kommunizieren; üblicherweise wird die Mobileinheit über die Basisstation kommunizieren, welche das Funksignal mit der besten Qualität bereitstellt.
Da sich die Mobileinheit während der Dauer eines Gesprächs bewegen kann, kann es notwendig werden, dass sie sich aus der Reichweite der Basisstation herausbewegt, mit der der Anruf ursprünglich aufgebaut wurde. Zellularfunksysteme umfassen daher Übergabesysteme, die es ermöglichen, dass eine Kommunikation mit einer zweiten Basisstation aufgebaut wird, und mit der ersten fallengelassen wird, ohne dass der Anruf selbst, so wie er von beiden Beteiligten des Gespräches wahrgenommen wird, unterbrochen wird. Bei dem als GSM ("Global System for Mobile Communications", globales System für mobile Kommunikationen) bekannten System überwacht die Mobileinheit häufig die BCCHs ("Broadcast Control CHannels", Sende-Steuerkanäle) der umgebenden Basisstationen, um festzustellen, welche Basisstation das beste Signal bereitstellt, und über welche Basisstation daher ein neuer Anruf aufgebaut werden sollte, oder ob eine Übergabe eingeleitet werden sollte. Dieser Prozess tritt sowohl während eines nicht aktiven, als auch während eines aktiven Betriebsmodus auf, d. h. es ist nicht notwendig, dass der Benutzer einen Anruf tätigt.
Entwicklungen in der GPS-Technologie führen dazu, dass eine sehr genaue Synchronisationsquelle inzwischen relativ kostengünstig in jeder Zellularfunk-Basisstelle implementiert werden kann. Eine gute Synchronisationsquelle weist eine Anzahl von Vorteilen auf, diese umfassen: verbesserte Übergabe, die Fähigkeit, den Effekt von Interferenz zwischen benachbarten Basisstationen zu verringern, und das Ermöglichen sehr genauer Abstrahlfrequenzen an der Funk-Schnittstelle. Es ist zu beachten, dass im Gegensatz zu einfachen gesendeten Zeitsignalen das GPS-Synchronisationssignal die Position des GPS-Empfängers berücksichtigt, und daher den Zeitverzug kompensieren kann, der durch die endliche Geschwindigkeit von Funkwellen verursacht wird.
Die europäische Patentschrift EP 0320913 (Nokia) beschreibt ein System, bei dem vom GPS-System abgeleitete Zeitgeber-Impulse von jeder von drei oder mehr Basisstationen übertragen werden, und ihre unterschiedlichen Ankunftszeiten an der Mobileinheit verwendet werden, um die Position der Einheit zu identifizieren. Dieses System des Standes der Technik erfordert, dass die Mobileinheit jede Basisstation nacheinander abfragt, was es erforderlich macht, die Kommunikation zwischen den verschiedenen Basisstationen zu übergeben, um diese Abfrage durchzuführen. Dies erfordert die Verwendung von mehreren Verkehrskanälen, oder von einem Hilfskanal, und erfordert ebenfalls, dass eine zuverlässige Funkkommunikation mit jeder nahegelegenen Basisstation aufgebaut werden kann.
In der internationalen Patentanmeldung WO 95/00821 (Omniplex) und dem US-Patent 5,293,645 (Sood) überträgt jede Basisstation synchronisierte Datenpaketsignale. Die Mobileinheit überwacht alle Datenpaketkanäle gleichzeitig, was entweder eine Mobileinheit erfordert, die mehrere Funkfrequenzen gleichzeitig empfangen kann, oder erfordert, dass alle Basisstationen ihre Datenpakete auf dem gleichen Kanal übertragen. Keine dieser Funktionen sind bei einem Zellularfunksystem üblich.
Diese Systeme erfordern ebenfalls die Übertragung von besonderen Zeitgeber- oder Synchronisations-Impulsen von den Zellenstellen (Basisstationen) zur Mobileinheit, und das Erkennen dieser Impulse durch die Mobileinheit. Dieses Erfordernis bürdet nicht nur der Mobileinheit einen Signal-Overhead auf, sondern erfordert auch eine zusätzliche Funktionalität in der Mobileinheit zum Erkennen der Zeitgeber-Impulse.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen des Standorts einer Mobileinheit eines Zellularfunksystems bereitgestellt, welches eine Mehrzahl von Basisstationen aufweist, umfassend die Schritte:
Bestimmen der Zeitdifferenzen zwischen den an der Mobileinheit gemessenen Übertragungen der Basisstationen,
Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen,
und Herleiten des Standorts der Mobileinheit aus den so bestimmten Entfernungsdifferenzen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen der Steuerkanäle wenigstens einiger der Basisstationen innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit synchronisiert sind, und dass die Mobileinheit die Zeitdifferenzen an der Mobileinheit einer Synchronisations-Trainingssequenz der Zeitmultiplex-Rahmenstruktur bestimmt, welche durch den Steuerkanal jeder Basisstation gesendet wird.
Indem der Steuerkanal verwendet wird, kann die Mobileinheit die bestehenden Funkverbindungs-Qualitätsüberwachungssysteme nutzen, die verwendet werden, um festzustellen, ob eine Übergabe stattfinden sollte, und braucht keine vollwertige Kommunikation mit irgendeiner der Basisstationen aufzubauen.
Vorzugsweise wird ein von jeder Basisstation übertragenes Trainingssignal mit einem in der Mobileinheit gespeicherten Referenz-Trainingssignal korreliert. Eine derartiger "Synchronisationsburst" (SCH) und dessen Korrelationsprozess sind bereits Teil des GSM-Standards zum Charakterisieren des Funkwegs. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher diese bestehenden Signale und Korrelations-Analyseprogrammierung nutzen. Zur Positionsbestimmung ist es allerdings bevorzugt, dass das System die erste identifizierte Korrelation des Referenzsignals verwenden sollte, anstelle der stärksten, wie es bei der Übergabe-Bestimmung verwendet wird. Das stellt sicher, dass der direkteste Signalweg, anstelle eines stärkeren aber indirekteren Wegs zur Abstandsberechnung verwendet wird.
Der hergeleitete Standort kann ebenfalls zeitlich gemittelt werden, um die Effekte von irreführenden Ergebnissen von reflektierten Signalen zu minimieren, die die scheinbare Entfernung zwischen der Basisstation und der Mobileinheit länger machen, als sie wirklich ist.
Der hergeleitete Standort kann über das Zellularfunknetzwerk zu einem entfernten Benutzer kommuniziert werden, anstelle zu dem Benutzer der Mobileinheit selbst. Ein Alarmsignal kann übertragen werden, wenn der hergeleitete Standort einem vorbestimmten Standort entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Mobileinheit zur Verwendung mit einem Zellularfunksystem bereitgestellt, wobei die Mobileinheit eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position der Mobileinheit umfasst; wobei die Vorrichtung umfasst:
Mittel zum Detektieren von Zeitdifferenzen von von unterschiedlichen Funkbasisstationen erhaltenen Signalen;
Mittel zum Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen; und
Mittel zum Bestimmen des Standorts der Mobileinheit aus den Entfernungsdifferenzen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mobileinheit Mittel aufweist zum Bestimmen der Zeitdifferenzen an der Mobileinheit einer Synchronisations-Trainingssequenz einer Zeitmultiplex-Rahmenstruktur, welche synchron von dem Steuerkanal jeder Basisstation gesendet wird. Die Mobileinheit kann ferner Mittel zum Empfangen von Daten von den sie aktuell versorgenden Basisstationen umfassen, betreffend Basisstationen innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit, wobei die Informationen die geographischen Standorte der Basisstationen enthalten.
Das Zellularfunknetzwerk kann komplementär zur Mobileinheit des zweiten Aspekts der Erfindung, wie oben beschrieben, sein. Alternativ können die Standort-Bestimmungsfunktionen durch das Netzwerk selbst durchgeführt werden. Demgemäß kann das Zellularnetzwerk umfassen:
Mittel zum Bestimmen der an der Mobileinheit gemessenen Zeitdifferenz zwischen von den Basisstationen übertragenen Signalen,
Mittel zum Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen; und
Mittel zum Herleiten des Standorts der Mobileinheit (M) aus den Entfernungsdifferenzen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen Übertragungssteuerkanäle aufweisen, welche mit von der Mobileinheit detektierbaren synchronisierten Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen betrieben werden, und dass das Zellularfunknetzwerk Mittel aufweist zum Empfangen eines Hin weises von der Mobileinheit auf die Ankunftszeit an der Mobileinheit einer Synchronisations-Trainingssequenz der Rahmenstruktur, welche von jeder Basisstation übertragen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position einer Mobileinheit bereitgestellt, welche ein eine Mehrzahl von Basisstationen aufweisendes Zellularfunksystem benutzt, wobei die Vorrichtung umfasst:
Mittel zum Bestimmen der an der Mobileinheit gemessenen Zeitdifferenzen des Betriebs der Basisstationen;
Mittel zum Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen; und
Mittel zum Herleiten des Standorts der Mobileinheit aus den Entfernungsdifferenzen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:
Mittel im Zellularfunksystem zum Synchronisieren der Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen von Steuerkanälen, welche von wenigstens einer Mehrzahl der Basisstationen innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit gesendet werden, und
Mittel in der Mobileinheit zum Bestimmen der Zeitdifferenzen an der Mobileinheit einer Synchronisations-Trainingssequenz der Zeitmultiplex-Rahmenstruktur, welche von dem Steuerkanal jeder Basisstation gesendet wird. Die Zeitdifferenz-Messmittel, Entfernungsdifferenz-Messmittel und Standort-Herleitungsmittel können jeweils ein Teil der Mobileinheit oder des festen Netzwerks sein. Wenn sie in der Mobileinheit sind, kann diese Einheit ferner Mittel zum Empfangen von Daten von der aktuell versorgenden Basisstation umfassen, betreffend Basisstationen innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit, wobei die Informationen die geographischen Orte der Basisstationen enthalten.
Bei bestehenden GSM-Systemen überträgt jede Basisstation einen Steuerkanal (BCCH), der eine TDMA-Rahmenstruktur aufweist. Diese Rahmenstruktur ist aus "Mehrfachrahmen" aufgebaut, die jeder 235,38 Millisekunden lang sind. Jeder Mehrfachrahmen weist eine Unterstruktur von 51 Rahmen auf, wobei jeder Rahmen acht Bursts aufweist. jeder Burst besteht aus drei "Schwanz"-Bits, 142 Informationsbits, drei weiteren "Schwanz"-Bits, und einer Schutzzeitspanne, welche der Dauer von 8¼ Bits entspricht. Der Rahmen hat daher eine Dauer von 156¼ Bits und jedes Bit hat eine Dauer von etwa 3,9 Mikrosekunden, daher hat ein Burst eine Dauer von 0,577 Millisekunden. Die Rahmen in jedem Mehrfachrahmen sind üblicherweise mit 00 bis 50 durchnummeriert, von denen fünf Frequenzsteuerrahmen (FCCH) sind (00, 10, 20, 30 und 40), und fünf Synchronisationsrahmen (SCH) sind; 01, 11, 21, 31, 41. Der Abstand zwischen den Synchronisationsrahmen ist daher im Allgemeinen 46,15 Millisekunden (80 Bursts), aber der Abstand zwischen den Rahmen 41 und 01 hat aufgrund der Anwesenheit des zusätzlichen Rahmens 50 eine längere Dauer von 50,77 Millisekunden (88 Bursts). Die Synchronisationsrahmen umfassen jeweils eine Trainingssequenz, welche bei dieser Ausführungsform der Erfindung als das kennzeichnende Merkmal verwendet wird.
Bei GSM bedeutet die Verwendung des Zeitmultiplex-Zugangs (TDMA), dass die Mobilstation und die versorgende Basisstation gut synchronisiert sein müssen. Damit die Mobileinheit den Identitätscode BSIC einer Basisstation dekodieren kann, muss sie sich kurz selbst mit dieser Basisstation synchronisieren. Demzufolge hat die Mobileinheit immer eine Anzeige, um welchen Bruchteil eines Rahmens (d. h. um wie viele Bits) jede der benachbartenen Basisstationen von der versorgenden Basisstation abweichen, wie von der Mobileinheit wahrgenommen. Wenn die Rahmenzyklen aller Basisstationen vollständig synchronisiert wären (d. h. alle Basisstationen gleichzeitig denselben Teil des Rahmens übertragen), wäre der Betrag, um den die Mobileinheit ihre Rahmenstruktur verschieben muss (relativ zur versorgenden Basisstation), um das BSIC der anderen Basisstationen zu dekodieren, rein eine Funktion der Differenz der Weglänge zwischen der versorgenden Basisstation und ihren Nachbarn. Bei bestehenden Systemen werden Mobileinheiten mit ihren versorgenden Basisstationen bis auf besser als ¼ Bit, 0,923 Mikrosekunden, synchronisiert, was bei Lichtgeschwindigkeit (3 × 10⁸ m/s) einer Auflösung von 277 m entspricht. Diese Genauigkeit kann für Standortzwecke maßgeblich verbessert werden, indem die in der Ausgleichseinrichtung der Mobileinheit vorhandenen Daten verwendet werden.
In der GSM-Praxis ist die Rahmenstruktur jeder Basisstation tatsächlich nicht im absoluten Sinn synchronisiert, sondern nur im relativen Sinn, so dass es für jede Basisstation einen Punkt in der Rahmenstruktur gibt, der mit dem externen Synchronisationssignal synchronisiert ist. Daher unterscheiden sich die Zeiten der Rahmenstrukturen der Basisstationen voneinander um einen beliebigen aber konstanten Betrag, der im Weiteren als "Versatz" bezeichnet wird. Der Begriff "synchronisiert" wird in dieser Beschreibung in diesem relativen Sinn verwendet (d. h. um einen konstanten Betrag unterscheidend), wenn nicht der Zusammenhang eindeutig etwas anderes verlangt.
Es wäre möglich (aber aus anderen Gründen unerwünscht), das GSM-System derart zu rekonfigurieren, dass die Basisstationen alle im absoluten Sinn synchronisiert sind. Bei einer bevorzugten Anordnung wird allerdings für jede Basisstation der jeweilige Versatz von der Ankunftszeit des charakteristischen Merkmals des Rahmens an der Mobileinheit subtrahiert, um die Differenz zwischen der Entfernung der Basisstation von der Mobileinheit und der Entfernung der versorgenden Basisstation von der Mobileinheit zu erhalten. Diese Berechnungen können im festen Teil des Netzwerks ausgeführt werden, aber bei einer bevorzugten Anordnung werden Daten, die sich auf den zu jeder Basisstation gehörigen Versatz beziehen, von der versorgenden Basisstation zur Mobileinheit übertragen, und die Zeitdifferenz wird durch die Mobileinheit aus den Versatzdaten und den Ankunftszeiten des charakteristischen Merkmals von jeder Basisstation bestimmt. Demgemäß stellt ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Zellularfunknetzwerk zur Verwendung mit den oben definierten Mobileinheiten bereit, umfassend: eine Mehrzahl von Basisstationen, welche mit Steuerkanälen betrieben werden, die synchrone Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen senden, Mittel zum Identifizieren, welche der Basisstationen sich in Funkreichweite einer bestimmten Mobileinheit befinden, und Mittel zum Übertragen von Daten, welche sich auf den Standort und auf die Synchronisations-Versätze jeder derartigen Basisstation beziehen, an die Mobileinheit.
Die Zeitdifferenzen stellen die Differenzen der Weglängen zwischen den unterschiedlichen Basisstationen bereit, sie stellen allerdings keine absolute Weglänge bereit. In den oben beschriebenen Systemen des Standes der Technik wird ausgesagt, dass die Zeit von Signalen von wenigstens drei Basisstationen ausreichend ist, um (in zwei Dimensionen) eine eindeutige Positionsortung bereitzustellen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, nicht nur die Differenz der Ankunftszeiten der Signale von den unterschiedlichen Basisstationen zu kennen, sondern auch deren absolute Ankunftszeiten relativ zu einer festen Zeitskala. Dies erfordert, dass die Mobileinheit eine Uhr aufweist, die mit denen der Basisstationen synchronisiert ist. Die Basisstationen können unter Verwendung des GPS-Systems synchronisiert sein, aber die Mobileinheiten können selbst nicht mit dem GPS-System synchronisiert werden, sofern sie nicht ebenfalls GPS-Empfänger enthalten, wodurch die Komplexität wieder eingeführt wird, die durch die Verwendung von Zellularfunkcharakteristiken vermieden werden sollte.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, dass ein Zeitvorlauf verwendet werden sollte, um die Entfernung von der versorgenden Basisstation zu bestimmen. Ein Zeitvorlauf ist der Betrag, um den eine Mobileinheit durch die versorgende Basisstation angewiesen wird, ihre Übertragungen relativ zu den von der Mobileinheit empfangenen Signalen nach vorne zu verschieben, um zu ermöglichen, dass die Übertragungen von der Mobileinheit an der Basisstation an ihrem zugeordneten Punkt im TDMA-Rahmen ankommen. Der Zeitvorlauf entspricht der Zeit, die Funkwellen brauchen, um die Hin-und-Zurück-Entfernung zwischen der Basisstation und der Mobileinheit zurückzulegen, d. h. das Zweifache der Weglänge. Der Zeitvorlauf wird allerdings nur bestimmt, wenn eine Mobileinheit gerade einen Anruf verarbeitet. Ferner wird der Zeitvorlauf für das stärkste Signal ermittelt, was nicht notwendigerweise das direkteste ist, wenn eine Interferenz zwischen mehreren Wegen auftritt, und die Genauigkeit des Zeitvorlaufs ist weiterhin relativ grob.
Stattdessen werden bei einer bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung die Zeitdifferenzen zwischen wenigstens vier Basisstationen bestimmt (zweckmäßigerweise sind dies die Differenzen zwischen der aktuell versorgenden Basisstation und jeder von drei benachbarten Basisstationen), wodurch die Bestimmung des absoluten Standorts der Mobileinheit in zwei Dimensionen ermöglicht wird. Wie unten beschrieben werden wird, stellt die Verwendung von vier Basisstationen ein eindeutiges Ergebnis in zwei Dimensionen bereit, ohne die Notwendigkeit für eine absolute Referenz in der Mobileinheit. Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung werden die Zeitdifferenzen zwischen wenigstens fünf Basisstationen (der versorgenden Basisstation und vier anderen) bestimmt, wodurch die Bestimmung des Standorts der Mobileinheit in drei Dimensionen ermöglicht wird. Diese letztere Anordnung wird bevorzugt, wenn die Höhendifferenzen der Basisstationen und/oder der Mobileinheit groß sind in Relation zu der Gesamtgenauigkeit des Systems.
Ausführungsformen der Erfindung können trotzdem Zeitvorlaufinformationen verwenden, um das grundlegende Verfahren in Situationen zu ergänzen, bei denen weniger als die minimale Anzahl von Basisstationen durch die Mobileinheit detektiert werden. Andere ergänzende Informationen können ebenfalls verwendet werden, wenn dies die Umstände erfordern, wie beispielsweise Informationen, die sich auf die Richtung der Mobileinheit relativ zur Antenne beziehen. Wenn eine oder mehrere der Basisstationen im Zellularfunksystem eine sehr begrenzte Reichweite aufweisen, kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt aufweisen, wobei, wenn erkannt wird, dass die Mobileinheit sich innerhalb der Reichweite eine der Basisstationen mit begrenzter Reichweite befindet, der Standort der Mobileinheit als der Standort der Basisstation mit begrenzter Reichweite bestimmt wird.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 einen Teil eines Zellularfunksystems zeigt;
2 eine schematische detailliertere Illustration eines Teils des Systems aus 1 ist und die verschiedenen Parameter anzeigt, die bei den vom erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Berechnungen verwendet werden;
3 eine Ausbreitung über mehrere Wege illustriert; und
4 einen Graph der Korrelation in Abhängigkeit von der Zeit für eine Trainingssequenz zeigt.
1 zeigt ein Zellularfunksystem, umfassend eine Mobileinheit M, eine Basisstation A, welche aktuell die Mobileinheit M versorgt, und sechs benachbarte Basisstationen B, C, D, E, F, G. Jede Basisstation ist so gezeigt, dass sie einen hexagonalen Sendegebietsbereich, oder eine "Zelle" aufweist, aber in der Praxis sind die Zellen aus topographischen Gründen und aufgrund der Anordnung der Basisstationen unregelmäßiger. Weiterhin bedeuten die Ausbreitungscharakteristiken von Funkwellen, dass sich die Sendegebietsbereiche in der Praxis überlappen, und dass die Mobileinheit Signale von mehreren nahegelegenen Basisstationen detektieren kann, wenn auch schwächer als von der versorgenden Basisstation A. Zum Zwecke dieser Illustration wird angenommen, dass die Mobileinheit M wenigstens den BCCH (Steuerkanal) der Basisstationen A, B, C, D und E detektieren kann.
Der Sendegebietsbereich der Basisstation A ist in drei 120-Grad-Sektoren A1, A2 und A3 aufgeteilt gezeigt, von denen jeder durch eine jeweilige Sektorantenne an der Basisstation A versorgt wird, die ihre eigene Kanalzuordnung aufweist.
Innerhalb des Sendegebiets der Basisstation befindet sich weiterhin eine Mikrozelle H. Dies ist eine Zelle, die ihre eigene Basisstation mit niedriger Leistung (und daher einer kurzen Reichweite) aufweist, und vorgesehen ist, um einen begrenzten Bereich zu versorgen, in dem eine hohe Nachfrage für Anrufverkehr herrscht und/oder der durch die Hauptzellularstruktur schlecht versorgt wird, zum Beispiel wegen hoher Gebäude.
In 2 ist die Mobileinheit M gezeigt und fünf Basisstationen A, B, C, D, E sind jeweils zusammen mit ihren Koordinaten in drei Dimensionen (X_a, Y_a, Z_a; X_b, Y_b, Z_b; X_c, Y_c, Z_c; X_d, Y_d, Z_d; X_e, Y_e, Z_e) und der Entfernung der Mobileinheit von jeder Basisstation d_a, d_b, d_c, d_d, d_e repräsentiert. Die unbekannten Koordinaten der Mobileinheit M sind als (x, y, z) repräsentiert.
Zu Illustrationszwecken wird die Ausführungsform als entsprechend dem GSM-Standard betrieben beschrieben, unter Verwendung von GPS-Daten, aber dies ist nicht begrenzend zu verstehen. Bei GSM hält jede Basisstation (zum Beispiel die Basisstation A) Informationen in Bezug auf sie selbst und auf sechs nahegelegene Basisstationen B, C, D, E, F, G. Zum Zweck der vorliegenden Erfindung werden nur vier nahegelegene Basisstationen B, C, D, E der sechs verwendet, wobei die vier in Frage kommenden Basisstationen im Allgemeinen die sind, welche das stärkste Signal an der Mobileinheit M bereitstellen. Die Basisstation überträgt die Daten zu Mobileinheit M auf ihrem BCCH (Sendesteuerkanal). Diese Daten umfassen die Funkfrequenz des BCCH jeder Basisstation, was es der Mobileinheit ermöglicht, die Signalqualität jedes BCCH periodisch abzutasten, und ermöglicht, dass Übergaben auf Grundlage der Ergebnisse dieses Abtastens stattfinden.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird zusätzliche Information zu der, die für das GSM-System erforderlich ist, zur Mobileinheit übertragen, entweder über den BCCH oder in einer separaten Datenmitteilung. Diese Information umfasst den Standort jeder der Basisstationen A, B, C, D, E und deren relative Rahmenversätze (wie oben definiert). Dieser Versatz zeigt an, wie sich die Zeit der TDMA-Rahmenstruktur zu einem Referenz-Zeitrahmen verhält, der der Zeitrahmen der versorgenden Basisstation A oder eine allgemeine Referenz sein kann.
Die Funkverbindung zwischen der Mobileinheit M und der Basisstation A ist ein Zeitmultiplex-Mehrfachzugangs- (TDMA) System, bei dem unterschiedliche Mobileinheiten zu unterschiedlichen Zeiten mit der Basisstation auf derselben Funkfrequenz kommunizieren. Zu Zeiten, zu denen die Basisstation A an andere Mobileinheiten (nicht gezeigt) überträgt, überwacht die Mobileinheit M die BCCH-Frequenzen der nahegelegenen Basisstationen B, C, D, E, (F, G), wie sie ihr durch die Basisstation A identifiziert worden sind.
Jede Basisstation überträgt periodisch eine Trainingssequenz (SCH). Insbesondere wird bei GSM die SCH fünfmal in jedem Mehrfachrahmen des BCCH übertragen, in TDMA-Rahmen 01, 11, 21, 31 und 41. Diese Trainingssequenz entspricht einer in der Mobileinheit gespeicherten Sequenz, welche angeordnet ist, um Korrelationen zwischen der gespeicherten Sequenz und den BCCH-Übertragungen zu identifizieren, wodurch ermöglicht wird, dass die Mobileinheit und die Basisstation synchronisiert werden und dass eine Abschätzung der Signalqualität gemacht werden kann.
3 illustriert ein als "Mehrfachweg" bekanntes Phänomen. In einer üblichen Umgebung können sich Funksignale zwischen einer Basisstation A und einer Mobileinheit M über eine Anzahl von verschiedenen Wegen fortpflanzen, aufgrund von Reflektionen und Strahlenbrechung, welche von Gebäuden und anderen Hindernissen verursacht sind. Diese Wege weisen im Allgemeinen unterschiedliche Längen auf; zum Beispiel ist ein direkter Weg 41 kürzer als ein Weg 42, der durch ein Gebäude 40 reflektiert ist. Die Korrelation der Trainingssequenz kann daher mehr als eine Korrelation identifizieren, welche zu unterschiedlichen Zeiten auftreten. Dies ist in 4 illustriert, wobei eine erste Korrelation 31 zu einer Zeit t₃₁ und eine zweite, stärkere Korrelation 32 zu einer Zeit t₃₂ auftritt. Diese Situation kann auftreten, wenn der direkte Weg 41 einer Abschwächung ausgesetzt ist, zum Beispiel durch Laub, und der indirekte Weg 42 nicht abgeschwächt wird. Im Beispiel von 3 wird ein starkes indirektes Signal 42 auftreten, wenn das Gebäude 40 ein guter Reflektor für Funkwellen ist.
Zum Zweck des Bewertens, ob eine Übergabe angemessen ist, und zum Synchronisieren mit einer Basisstation, würde die stärkste Korrelation 32 verwendet, obwohl sie einem längeren Weg 42 als die frühere, schwächere Korrelation 31 entspricht. Zum Zweck der Positionsidentifikation wird allerdings die Entfernung in einer geraden Linie von der Basisstation benötigt, und daher wird die Ankunftszeit der ersten Korrelation 31 verwendet, und nicht die stärkste Korrelation 32. Die erste Korrelation kann sich selbst auf ein reflektiertes Signal beziehen, wenn es keinen Weg gibt, der einer direkten Sichtverbindung entspricht, aber sie wird trotzdem am nächsten an der Zeit liegen, zu der ein direktes Signal angekommen wäre.
Die Mobileinheit M identifiziert von den jeweiligen BCCHs die Ankunftszeiten T_B, T_C, T_D, T_E des ersten Auftretens der Trainingssequenz von jeder nahegelegenen Basisstation B, C, D, E und vergleicht sie mit der Ankunftszeit T_A der Trainingssequenz von der versorgenden Basisstation A, um Zeitintervalle T₁ = T_B – T_A; T₂ = T_C – T_A; T₃ = T_D – T_A; T₄ = T_E – T_A bereitzustellen. Diese Intervalle können genau gemessen werden, indem die Anzahl der digitalen Bits gezählt wird, die zwischen der Ankunft dieser Signale verstreichen. Dies gibt eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1 Mikrosekunde. Die Intervalle werden aufgrund von drei Faktoren unterschiedlich sein: ein Unterschied in der Weglänge; unterschiedliche relative Rahmenversätze; und Übertragung in verschiedenen Rahmen. Es ist zuerst notwendig, die letzten beiden Faktoren auszuschalten, um die Unterschiede in der Weglänge zu bestimmen.
Jede Basisstation überträgt dieselbe Synchronisations-Trainingssequenz fünfmal in jedem Steuerkanal-Mehrfachrahmen, das heißt in einem Zeitintervall t_F. Da die Mobileinheit die Steuerkanal-Mehrfachrahmen als ein Verfahren zur Prä-Synchronisation überwacht, wird sie nicht immer Korrelationen von allen Basisstationen A, B, C, D, E in demselben Teil der Mehrfachrahmen-Zyklusstruktur identifizieren. Die Zeitdifferenz t_F zwischen Synchronisationsrahmen (SCH) innerhalb des Steuerkanal-Mehrfachrahmens ist wenigstens 46,15 ms, wie vorhin erläutert, was lang genug ist, damit eine Funkwelle sich ungefähr 13800 km fortbewegt. Demzufolge können Vielfache der Rahmenlänge einfach ausgeschlossen werden.
Die verschiedenen Versätze von SCH innerhalb des Mehrfachrahmens können berücksichtigt werden, indem an jeder Basisstation die Zeit der Übertragung der Steuerkanal-Mehrfachrahmensequenz relativ zu einer allgemeinen Referenz, wie beispielsweise dem GPS-Synchronisationssignal, gemessen wird. Die versorgende Basisstation A überträgt über den BCCH ein Signal, das die Versätze der nahegelegenen Basisstationen repräsentiert (entweder relativ zur allgemeinen Referenz, oder vorzugsweise relativ zu ihren eigenen Übertragungen), wodurch ermöglicht wird, dass diese Versätze kompensiert werden.
Auf diese Art und Weise kann eine Zeitdifferenz t₁ = T₁ – (n₁t_F + Q_B) hergeleitet werden, wobei Q_B der Versatz von Basisstation B relativ zu Basisstation A ist, t_F die Rahmenlänge ist, und n₁ eine ganze Zahl ist, die unter normalen Umständen so ausgewählt ist, dass der Betrag von t₁ minimal ist. GPS stellt Zeitsignale bereit, die bis zu 50 Nanosekunden genau sind, und dies kann an den Basisstationen verwendet werden, um die Zeitinformationen bereitzustellen, die erforderlich sind, um die Versatzwerte Q zu bestimmen. Die Rahmenlänge t_F ist eine Konstante des Systems. Die Genauigkeit der Wertes von t₁ wird daher größenteils durch die Genauigkeit bestimmt, mit der T₁ gemessen wird (üblicherweise in der Größenordnung von 1 Mikrosekunde, wie bereits erläutert).
Es ist zu beachten, dass der Wert von t₁ negativ sein kann, wenn die Basisstation B näher an der Mobileinheit ist als die versorgende Basisstation A, was vorkommen kann, wenn die Basisstation A ein stärkeres Signal an der Mobileinheit aufweist als die Basisstation B, trotz ihrer größeren Entfernung, oder wenn bei der Basisstation B kein Funkkanal verfügbar ist. Wie oben erwähnt ist das Intervall zwischen SCH-Rahmen entweder 88 Bursts oder 80, und daher gibt es zwei mögliche Werte für t_F (46,15 oder 50,77 Millisekunden). Die Position innerhalb des Mehrfachrahmens kann durch die Mobileinheit leicht bestimmt werden, und der geeignete Wert von t_F wird ausgewählt.
Werte t₂ = T₂ – (n₂t_F + Q_C), t₃ = T₃ – (n₃t_F + Q_D) und t₄ = T₄ – (n₄t_F + Q_E) können auf eine ähnliche Art und Weise hergeleitet werden.
Die Werte t₁, t₂, t₃ und t₄ erzeugen, wenn sie mit c, der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen, multipliziert werden, Werte d₁, d₂, d₃ und d₄, welche jeweils die Differenzen zwischen der Weglänge d_a und den Weglängen d_b, d_c, d_d und d_e sind (siehe 1). Insbesondere d₁ = d_a – d_b; d₂ = d_a – d_c; d₃ = d_a – d_d; und d₄ = d_a – d_e.
Es ist offensichtlich, dass die Mobileinheit keine Mittel hat, um den GPS-Synchronisationsimpuls selbst zu detektieren, da sie kein GPS-Empfänger ist. Die Ankunftszeiten der Trainingssequenzen können daher nur relativ zueinander gemessen werden, nicht gegen eine absolute Zeitskala, und daher ist die Zeit t_a, die ein Signal braucht, um die Mobileinheit M von der Basisstation A zu erreichen, unbekannt. Daher kann die Entfernung d_a der Mobileinheit M von der Basisstation A (welches einfach die Entfernung ist, um die sich Funkwellen in dieser unbekannten Zeit t_a ausbreiten) nicht direkt hergeleitet werden (und ähnlich ist es bei den Basisstationen B, C, D, E). Die relativen Ankunftszeiten zeigen nur an, dass sich zum Beispiel die Basisstation B um eine Entfernung d₁ = d_a – d_b weiter von der Mobileinheit M weg befindet als die Basisstation A.
Um der Mobileinheit zu ermöglichen, ihre Position zu berechnen, muss sie die Standorte der Basisstationsstellen in ihrer Umgebung kennen. Diese Information könnte zur Mobileinheit weitergegeben werden, indem entweder eine "Zellen-Sende"-Mitteilung oder eine Kurzmitteilung (SMS), wie sie bei einigen Zellularsystemen vorgesehen ist, verwendet wird; beide können Mitteilungslängen bis zu gut ausreichenden 160 Zeichen verarbeiten. Informationen, die an eine Mobileinheit von einer Basisstation versendet werden, würden umfassen: die Koordinaten dieser Basisstation und Informa tionen über die benachbarten Basisstationen, wie beispielsweise deren Standorte und deren Versätze (die Zeit der Trainingssequenz relativ zu einem allgemeinen Standard, oder relativ zur versorgenden Basisstation), ein Flag zum Anzeigen, ob eine Basisstation präzise synchronisiert worden ist, die Zeit und das Datum.
Die versorgende Basisstation A überträgt nicht nur ihre eigenen Details, sondern auch Details ihrer Nachbarn B, C, D, E. Die Mobileinheit M kann dann alle Informationen bekommen, die sie braucht, ohne an die anderen Basisstationen übergeben werden zu müssen. Die Rate, mit der derartige Informationen ausgesendet werden, wird bemessen werden müssen, um es der Mobileinheit zu ermöglichen, ihre Position schnell zu berechnen. Dies wäre besonders wichtig, wenn ein Verfolgungsdienst die Informationen verwenden soll. Der "Kurzmitteilungsdienst" (SMS), der im GSM-System verfügbar ist, könnte verwendet werden, wenn ein Kunde den Dienst anfangs anfordert, um eine Authentifizierung bereitzustellen und unbefugte Benutzung zu verhindern. Sobald ein Kunde als ein Nutzer bestätigt worden ist, könnte eine SMS dann einen Verschlüsselungsschlüssel an die Mobileinheit übertragen, um ihr zu ermöglichen, die Zellen-Sende-Nachricht zu dekodieren. Dieses System wäre relativ sicher, da die über die Funkschnittstelle geleiteten Mitteilungen bereits durch das Verschlüsselungssystem von GSM geschützt sind.
Anstelle des Zellen-Sende-Systems könnte SMS verwendet werden, um die gesamte Basisstationsstellen-Standortsinformationen zu einer Mobileinheit weiterzugeben und ihr zu ermöglichen, ihre Position zu berechnen. Dieses Verfahren wäre weniger anfällig für Betrug als eine Zellen-Sendung, da SMS ein Punkt-zu-Punkt-System ist. Die große Anzahl von Mitteilungen, die benötigt wird, um eine potentiell große Anzahl von Mobileinheiten zu erreichen, könnte sich als eine zu hohe Belastung des Netzwerks herausstellen. Ein weiteres Problem mit einem SMS-basierten System ist es, zu identifizieren, von welchen Basisstations-Stellen die Details zu einer bestimmten Mobileinheit gesendet werden sollen, ohne zunächst zu wissen, wo die Mobileinheit ist. Daher müsste die ID einer versorgenden Basisstation einer Mobileinheit dem Netzwerk bekannt sein, bevor die Informationen bezüglich ihrer benachbarten Basisstationen über SMS übertragen werden können.
Ein Verfolgungsdienst würde die Benutzung von SMS, die von der Mobileinheit ausgeht, erfordern, wenn der Standort an ein entferntes Zentrum weitergegeben werden sollte, zum Beispiel an die Notfalldienste oder an ein Flottensteuerzentrum. Von der Mobileinheit übertragene Positionsinformationen könnten einen Zeitstempel umfassen, um Verzögerungen im SMS-Netzwerk und die Bewegung der Mobileinheit zu berücksichtigen.
Die Bestimmung der Position aus Zeitdifferenzen wird nun detailliert beschrieben. Es wird aus dem Folgenden ersichtlich, dass fünf Basisstationen das notwendige Minimum sind, um ein eindeutiges Ergebnis in drei Dimensionen sicherzustellen, wenn die absolute Entfernung von keiner von diesen bekannt ist. Wenn nur zwei Dimensionen betrachtet werden, sind vier Basisstationen ausreichend.
2 zeigt die der Mobileinheit zur Verfügung stehenden Informationen. Die Werte x, y und z repräsentieren die Position der Mobileinheit in drei Dimensionen, die zu berechnen sind. Die Werte X_a, usw. zeigen die bekannten Positionen der Basisstationen an, wie sie zu der Mobileinheit M über den BCCH übertragen werden.
Es werden fünf Basisstationen betrachtet:
Basisstation A bei (X_a, Y_a, Z_a); Entfernung zur Mobileinheit ist d_a
Basisstation B bei (X_b, Y_b, Z_b); Entfernung zur Mobileinheit ist d_b
Basisstation C bei (X_c, Y_c, Z_c); Entfernung zur Mobileinheit ist d_c
Basisstation D bei (X_d, Y_d, Z_d); Entfernung zur Mobileinheit ist d_d
Basisstation E bei (X_e, Y_e, Z_e); Entfernung zur Mobileinheit ist d_e
Die Mobileinheit tastet die Basisstationen ab und misst die Zeitdifferenzen t₁, t₂, t₃, t₄ zwischen der versorgenden Basisstation und jeder umgebenden Ba sisstation, wie oben beschrieben. Diese Zeitdifferenzen sind direkt proportional zu den Weglängendifferenzen d₁ = t₁c, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen ist, etwa 300 Meter pro Mikrosekunde. Daher kann die Mobileinheit einfach d₁ bis d₄ berechnen, wobei: d1 = da – db d2 = da – dc d3 = da – dd d4 = da – de
Die folgenden fünf Gleichungen repräsentieren den Standort der Mobileinheit, auf Grundlage der Gleichung für eine Kugel: (x – Xa)2 + (y – Ya)2 + (z – Za)2 = da 2 Gleichung [1] (x – Xb)2 + (y – Yb)2 + (z – Zb)2 = db 2 Gleichung [2] (x – Xc)2 + (y – Yc)2 + (z – Zc)2 = dc 2 Gleichung [3] (x – Xd)2 + (y – Yd)2 + (z – Zd)2 = dd 2 Gleichung [4] (x – Xe)2 + (y – Ye)2 + (z – Ze)2 = de 2 Gleichung [5]
Nun ist d₁ = d_a – d_b. Umgeschrieben als d₁ – d_a = –d_b, und quadrieren beider Seiten ergibt: d1 2 – 2d1da + da 2 = db 2 Gleichung [6]
[1] und [2] werden in [6] substituiert: d1 2 – 2d1da + (x – Xa)2 + (y – Ya)2 + (z – Za)2 = (x – Xb)2 + (y – Yb)2 + (z – Zb)2
Wenn umgeformt wird, um bekannte Variablen auf die rechte Seite zu stellen, ergibt sich: –d1da – x(Xa – Xb) – y(Ya – Yb) – z(Za – Zb) = k1/2 Gleichung [7a]wobei k₁ aus den bekannten Werten besteht: k1 = –d1 2 – Xa 2 – Ya 2 – Za 2 + Xb 2 + Yb 2 + Zb 2
Zur Vereinfachung definieren wir: Xab = Xa – Xb, Yab = Ya – Yb,und: Zab = Za – Zb.
Gleichung 7a wird: –d1da – xXab – yYab – zZab = k1/2 Gleichung [7]
Wenn dieser Prozess mit den Gleichungen [3] bis [5] wiederholt wird, ergibt sich:
Basisstationen A und C –d2da – xXac – yYac – zZac = k2/2 Gleichung [8]wobei: k2 = –d2 2 – Xa 2 – Ya 2 – Za 2 + Xc 2 + Yc 2 + Zc 2
Basisstationen A und D –d3da – xXad – yYad – zZad = k3/2 Gleichung [9]wobei: k3 = –d3 2 – Xa 2 – Ya 2 – Za 2 + Xd 2 + Yd 2 + Zd 2
Basisstationen A und E –d4da – xXae – yYae – zZae = k4/2 Gleichung [10]wobei: k4 = –d4 2 – Xa 2 – Ya 2 – Za 2 + Xe 2 + Ye 2 + Ze 2
Wenn Gleichung [7] bezüglich d_a umgeformt wird:
Substitution von [11] in [8] führt zu:
Substitution von [11] in [9] führt zu:
Substitution von [11] in [10] führt zu:
Für eine zweidimensionale Positionsbestimmung können alle z-Koordinaten ignoriert werden. Dies wird einen Fehler einführen, aufgrund der Tatsache, dass es unwahrscheinlich ist, dass sich die vier Basisstationen und die Mobileinheit alle in genau derselben Ebene befinden. Insbesondere sind Basisstationen, wann immer möglich, auf Hügeln oder großen Strukturen (Gebäuden oder zu diesem Zweck erbauten Masten) angebracht, um ihre Reichweite zu verbessern, während Mobileinheiten im Allgemeinen in Bodennähe betrieben werden. Wenn die Höhendifferenzen klein sind (in der Größenordnung der Genauigkeit des Systems als Ganzem), wird der Fehler allerdings unbedeutend sein.
Mit diesen Begrenzungen können wir das Problem in zwei Dimensionen lösen, indem die z-Koordinaten aus den Gleichungen und aus der Berechnung der Terme k₁, k₂, usw. ignoriert werden. Gleichung [12] wird dann:
und Gleichung [13] wird:
Beide dieser Gleichungen repräsentieren gerade Linien in der x-y-Ebene. Der Punkt, an dem sich diese beiden Linien kreuzen, repräsentiert die Position der Mobileinheit. Der Punkt kann gefunden werden, indem eine Gleichung in die andere substituiert wird.
In drei Dimensionen repräsentieren die Gleichungen [12], [13] und [14] je weils Ebenen im Raum. Der Schnitt von zwei Ebenen repräsentiert eine gerade Linie, daher werden alle drei Gleichungen benötigt, um den Standort (x, y, z) der Mobileinheit eindeutig zu finden.
Die allgemeine Gleichung einer Ebene ist: Ax + By + Cz + D = 0
Für Gleichung [12]: A = X_abd₂ – X_acd₁; B = Y_abd₂ – Y_acd₁; C = Z_abd₂ – Z_acd₁; und
Um den Schnitt der drei Ebenen zu lösen, müssen die Gleichungen in Hessematrix-Form gebracht werden. Für Gleichung [12]:
Die Ebene kann nun einfach als ein Vektor repräsentiert werden:
nx = –p, wobei: n = n₁i + n₂j + n₃k
Sobald alle der Ebenen in dieser Form repräsentiert sind, kann der Schnitt einfach berechnet werden.
Es ist zu beachten, dass viel von der Software, die benötigt wird, um Zeitdifferenzeninformationen zu verarbeiten, in Mobileinheiten bereits existiert. Wie vorhin erläutert, können die Ankunftszeit-Informationen von der Mobileinheit zum Netzwerk kommuniziert werden, was es ermöglicht, die Standortbestimmungs-Funktion durch das Netzwerk durchführen zu lassen. Alternativ kann die Positionsberechnung mit sehr wenig Netzwerk-Belastung in der Mobileinheit selbst durchgeführt werden. Dieses System könnte eine große Anzahl von Nutzern unterstützen, da es es nicht notwendig macht, dass Anrufe getätigt werden, abgesehen von anfänglichen Authentifizierungs-SMS-Mitteilungen. Ein derartiges System würde allerdings das Hinzufügen von spezieller Software in der Mobileinheit erfordern, um die notwendigen Berechnungen durchzuführen. Verbesserungen in der Signalverarbeitung, zum Beispiel durch die Verwendung von Daten, die von der Ausgleichseinrichtung der Mobileinheit erhalten werden, können ebenfalls verwendet werden, um besser als das ¼ Bit (0,923 Mikrosekunden, entspricht 277 Meter) aufzulösen, das rein für die Bit-Synchronisation gebraucht wird. Die in der Ausgleichseinrichtung der Mobileinheit vorhandenen Daten sollten eine Auflösung bis zu 4% von einem Bit ermöglichen, was etwa 50 Metern entspricht.
Faktoren wie Mehrfachwege, Abschattungen und Fading können zur Folge haben, dass sich die Genauigkeit der Standortberechnung mit der Zeit ändert. Daher ist es wünschenswert, eine Zeitmittelung bei dem Standortberechnungs-Algorithmus zu verwenden, um die Genauigkeit zu verbessern.
Es gibt eine Anzahl von möglichen Diensten, die als Zusatz zu einem Positionsbestimmungs-Dienst bereitgestellt werden könnten. Die Zellularfunkindustrie wird durch illegale Praktiken um große Geldbeträge betrogen, wie beispielsweise durch "Klonen", was die betrügerische Praxis ist, einer Mobileinheit, üblicherweise einer gestohlenen, die elektronische Identität einer anderen, rechtmäßigen Einheit zu geben. Auf dem "Klon" getätigte Anrufe werden dann durch das Zellularnetzwerk dem rechtmäßigen Benutzer abgerechnet. Die Existenz eines Klons wird üblicherweise erst dann wahrgenommen, wenn der rechtmäßige Benutzer seine Rechnung erhält, oder wenn sowohl der Klon als auch der rechtmäßige Nutzer versuchen, gleichzeitig Zugang zu dem System zu erhalten. Das Bereitstellen eines eingebauten Ortungsdienstes würde bedeuten, dass eine gestohlene oder auf andere Weise verdächtige Mobileinheit schnell geortet und wiedergefunden werden könnte.
Auf ähnliche Art würde es eine in ein Fahrzeug eingebaute Mobileinheit ermöglichen, das Fahrzeug zu orten, wenn es gestohlen werden sollte. Damit derartige Dienste effektiv sind, müsste die Ortungssoftware aus der Entfernung angeschaltet werden können, entweder von den offiziellen Besitzern oder von der Polizei.
Genaue Positionsinformationen wären auch auf andere Art von unschätzbarem Wert für die Notfalldienste. Dieser Dienst würde es ermöglichen, dass Hilfe schnell und effizient an eine Person in einer Notlage geleitet werden kann, die von einer derart ausgestatteten Mobileinheit einen Notfall-Anruf tätigt. Es kann wünschenswert sein, dass der Kunde die Kontrolle darüber hat, ob der Dienst aktiviert ist, um jede Kundenwahrnehmung zu vermeiden, dass er von den Behörden unter Beobachtung steht.
Die Notfalldienste und andere Organisationen mit großen Einsatzkräften, wie beispielsweise Versorgungsunternehmen, können ihrerseits das Zellularnetzwerk anstelle eines privaten mobilen Netzwerks (PMR, "private mobile network") verwenden, und der Verfolgungsdienst würde es einem Kontrolleur ermöglichen, die Verteilung seines Einsatzkräfte-Personals zu überwachen.
Ein Verfolgungsdienst kann ebenfalls verwendet werden, um den Fortschritt von wertvollen oder empfindlichen Frachten zu überwachen. Das System könnte so ausgelegt sein, dass es bei Abweichungen von einer vorher gesetzten Route warnt. Eine weitere Anwendung könnte ein Alarmdienst sein, um müde Zugreisende darauf aufmerksam zu machen, dass sie ihren Heimatbahnhof erreichen.
Wie oben festgestellt muss ein Signal von vier Basisstationen erhalten werden, um eine Positionsbestimmung in zwei Dimensionen bereitzustellen (fünf Basisstationen für drei Dimensionen). Es gibt einige Situationen, bei denen weniger Basisstationen innerhalb der Reichweite vorhanden sind. In diesen Situationen können verschiedene zusätzliche Verfahren verwendet werden, um eine Positionsbestimmung zu erhalten.
Bei einer möglichen Anordnung kann die Mobileinheit gezwungen werden, von der aktuell versorgenden Basisstation A an eine benachbarte Basisstation zu übergeben, zum Beispiel an Basisstation B (siehe 1). Diese Basisstation wird eine von der von Basisstation A verschiedene "Nachbarliste" aufweisen (obwohl die Listen mehrere Basisstationen gemeinsam aufweisen werden). Zwischen den beiden Nachbarlisten können ausreichend Basisstationen innerhalb der Reichweite der Mobileinheit sein, so dass eine Ortung erhalten werden kann. Die Basisstationen in jeder Nachbarliste werden jede ihre Versätze gemäß der jeweiligen Basisstation A oder B bestimmt haben, aber dies kann berücksichtigt werden, da der Versatz von Basisstation B relativ zu Basisstation A bekannt ist, da sie jeweils in der Nachbarliste der anderen stehen.
Andere zusätzliche Verfahren können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann die absolute Entfernung zur aktuell versorgenden Basisstation aus dem Zeitvorlauf hergeleitet werden, das heisst, aus dem Betrag, um den die Übertragungen der Mobileinheit relativ zu den von der Basisstation empfangenen Signalen nach vorne verschoben werden müssen, damit sie an der Basisstation im richtigen Zeitfenster ankommen. Dies ist nur bis auf etwa 600 Meter genau, und der Zeitvorlauf wird normalerweise nur berechnet, wenn ein Anruf getätigt wird, nicht wenn die Mobileinheit auf Stand-by geschaltet ist.
Wie in 1 für Basisstation A gezeigt, kann eine (oder mehrere) Zellen in Sektoren aufgeteilt sein, das heisst, die Basisstation weist mehrere Antennen auf, von denen jede einen begrenzten Azimuth-Bereich versorgt (üblicherweise 60 oder 120 Grad). Eine Identifikation, dass der Sektor A1 die Mobileinheit versorgt, kann verwendet werden, um zu identifizieren, welche Lösung der Gleichungen richtig ist. Dieses Verfahren ist allerdings nicht praktikabel, wenn die Basisstation eine omnidirektionale Antenne aufweist, und auch nicht, wenn zwei oder mehr mögliche Ergebnisse alle in demselben Sektor A1 auftreten. Da insbesondere die Sektoraufteilung azimuthal ist, wird sie keine Mehrdeutigkeit in der z-Koordinate (Höhe) auflösen. Ferner besteht die Möglichkeit, dass eine seitliche oder rückwärtige Keule der Sektorantenne detektiert werden könnte.
Eine weitere Möglichkeit ist es, aus den möglichen Lösungen, diejenige als die wahrscheinlichste neue zu identifizieren, die am nächsten an dem vorher identifizierten Standort der Mobileinheit liegt. Dies kann einigermaßen zuverlässig sein, wenn sich die Mobileinheit verglichen mit der Zeit zwischen Standort-Aktualisierungen langsam bewegt.
1 zeigt ebenfalls eine Mikrozelle H. Mikrozellen sind sehr kleine Zellen, die von Basisstationen mit niedriger Leistung versorgt werden, welche oft weit unterhalb der Höhe der Dächer oder sogar innerhalb von Gebäuden angebracht sind, um in Standorten mit sehr hoher Nachfrage eine zusätzliche Abdeckung bereitzustellen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass ein GPS-Empfänger in einer derartigen Basisstation nicht funktionieren würde, da er nicht zuverlässig Sichtkontakt zu den Satelliten hätte, und außerdem zu kostspielig wäre. Da weiterhin die Antenne der Mikrozelle H wahrscheinlich auf niedriger Höhe oder innerhalb eines Gebäudes ist, ist es wahrscheinlich, dass eine Mobileinheit, die sich innerhalb der Reichweite einer Mikrozellen-Basisstation befindet, nicht innerhalb der Funkreichweite von nicht weniger als vier Basisstationen befindet, und sich möglicherweise innerhalb der Reichweite von keiner Basisstation außer der, die die Mikrozelle H versorgt, befindet. Da allerdings die Mikrozelle H nur ein sehr kleines Gebiet versorgt, kann die Information, dass sich die Mobileinheit M innerhalb der Reichweite der Mikrozelle H befindet, eine ausreichende Genauigkeit geben, um die Mobileinheit mit der gleichen Genauigkeit zu orten wie das grundlegende System.
Alle diese zusätzlichen Prozesse weisen das Potential für systematische Fehler auf, haben eine geringere Genauigkeit als das grundlegende System, und erfordern weiterhin eine zusätzliche Verarbeitung, aber können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um den Dienst aufrecht zu erhalten, wenn weniger als das Minimum von vier (fünf) Basisstationen innerhalb der Reichweite der Mobileinheit sind.
Das GPS-System weist systematische Fehler darin auf, die zu einer Genau igkeit von etwa 100 Metern führen. Für manche Anwendungen, wie beispielsweise die Landvermessung, wird eine größere Genauigkeit benötigt, und ein als "differentielles GPS" bekanntes System ist entwickelt worden, um dies zu überwinden. Dies umfasst das Platzieren eines GPS-Empfängers an einer genau bekannten "Ortungsgerät"-Position und das Messen des Fehlers in seiner Position, wie sie vom GPS gemessen ist, wobei dieser Fehlerwert dann an andere Benutzer übermittelt wird. Das Positionsbestimmungssystem der vorliegenden Erfindung erfordert, dass eine beträchtliche Anzahl von Zellular-Basisstationen mit GPS-Empfängern ausgerüstet werden, um genaue Synchronisationssignale bereitzustellen. Da die Positionen der Zellular-Basisstationen fest sind, können sie durch andere Mittel mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, was es ermöglicht, sie zu verwenden, um einen derartigen GPS-Ortungsgerät-Dienst anzubieten.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Standorts einer Mobileinheit (M) eines Zellularfunksystems, welches eine Mehrzahl von Basisstationen (A, B, C, D, E) aufweist, umfassend die Schritte: Bestimmen der Zeitdifferenzen zwischen den an der Mobileinheit (M) gemessenen Übertragungen der Basisstationen, Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit (M) von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen, und Herleiten des Standorts der Mobileinheit (M) aus den so bestimmten Entfernungsdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen der Steuerkanäle wenigstens einiger der Basisstationen (A, B, C, D, E) innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit (M) synchronisiert sind, und dass die Mobileinheit (M) die Zeitdifferenzen an der Mobileinheit (M) einer Synchronisations-Trainingssequenz der Zeitmultiplex-Rahmenstruktur bestimmt, welche durch den Steuerkanal jeder Basisstation gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dann, wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen (A, B, C, D, E) als das zum eindeutigen Festlegen ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden, der für eine Kommunikation mit der Partnerbasisstation (A) erforderliche Zeitvorlauf genutzt wird, um die Entfernung zwischen der Mobileinheit (M) und der Partnerbasisstation herzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dann, wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen (A, B, C, D, E) als das zum eindeutigen Festlegen ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden, zusätzlich Information, welche sich auf die Richtung der Mobileinheit (M) relativ zu einer oder mehrerer der Basisstationen (A, B, C, D, E) bezieht, zum Identifizieren des korrekten Standorts genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Trainingssignal von jeder Basisstation übertragen wird und die Mobileinheit (M) Korrelationen der von jeder Basisstation (A, B, C, D, E) empfangenen Signale mit einem von der Mobileinheit (M) gespeicherten Referenz-Trainingssignal identifiziert.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Zellularfunksystem gemäß dem GSM-Standard betrieben wird und das Trainingssignal der gemäß diesem Standard übertragene Synchronisationsburst (SCH) ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die erste identifizierte Korrelation des Referenzsignals, welche dem direktesten Signalweg entspricht, zur Entfernungsberechnung genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der hergeleitete Standort zeitlich gemittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere der Mehrzahl von Basisstationen im Zellularfunksystem eine sehr kurze Reichweite aufweisen, und umfassend den zusätzlichen Schritt, bei welchem dann, wenn die Mobileinheit (M) als sich innerhalb der Reichweite einer der Basisstationen begrenzter Reichweite befindend erkannt wird, der Standort der Mobileinheit (M) als der Standort der Basisstation begrenzter Reichweite bestimmt wird.
Mobileinheit (M) zur Verwendung mit einem Zellularfunksystem, wobei die Mobileinheit (M) eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position der Mobileinheit (M) umfasst; wobei die Vorrichtung umfasst: Mittel zum Detektieren von Zeitdifferenzen von von unterschiedlichen Funkbasisstationen erhaltenen Signalen; Mittel zum Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit (M) von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen; und Mittel zum Bestimmen des Standorts der Mobileinheit (M) aus den Entfernungsdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mobileinheit (M) Mittel aufweist zum Bestimmen der Zeitdifferenzen an der Mobileinheit (M) einer Synchronisations-Trainingssequenz einer Zeitmultiplex-Rahmenstruktur, welche synchron von dem Steuerkanal jeder Basisstation gesendet wird.
Mobileinheit (M) nach Anspruch 9, welche Mittel aufweist zum Herleiten der Entfernung zwischen der Mobileinheit (M) und der Partnerbasisstation (A) aus dem für Kommunikation mit der Partnerbasisstation erforderlichen Zeitvorlauf, wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen (A, B, C, D, E) als das zum eindeutigen Identifizieren ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden.
Mobileinheit (M) nach Anspruch 9 oder 10, welche Mittel aufweist zum Bestimmen der Richtung der Mobileinheit (M) relativ zu einer oder mehrerer der Basisstationen (A, B, C, D, E), wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen als das zum eindeutigen Identifizieren ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden.
Mobileinheit (M) nach Anspruch 9, 10 oder 11, ferner umfassend Mittel zum Empfangen von Daten, welche den Standort der Basisstationen betreffen.
Mobileinheit (M) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welche für einen Betrieb gemäß dem GSM-Standard ausgelegt ist, und wobei die Mobileinheit ausgelegt ist, den gemäß diesem Standard übertragenen Synchronisationsburst (SCH) zu detektieren.
Mobileinheit (M) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner umfassend Mittel zum Identifizieren der Basisstationen (A, B, C, D, E) innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit (M).
Zellularfunknetzwerk, umfassend: eine Mehrzahl von Basisstationen (A, B, C, D, E), welche mit Steuerkanälen betrieben werden, die synchrone Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen senden, Mittel zum Identifizieren, welche der Basisstationen (A, B, C, D, E) sich in einer Funkreichweite einer bestimmten Mobileinheit (M) befinden, Mittel zum Identifizieren der an der Mobileinheit (M) gemessenen Zeitdifferenz zwischen von den Basisstationen (A, B, C, D, E) übertragenen Signalen, Mittel zum Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit (M) von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen; und Mittel zum Herleiten des Standorts der Mobileinheit (M) aus den Entfernungsdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (A, B, C, D, E) Übertragungssteuerkanäle aufweisen, welche mit von der Mobileinheit (M) detektierbaren synchronisierten Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen betrieben werden, und dass das Zellularfunknetzwerk Mittel aufweist zum Empfangen eines Hinweises von der Mobileinheit (M) auf die Ankunftszeit an der Mobileinheit (M) einer Synchronisations-Trainingssequenz der Rahmenstruktur, welche von jeder Basisstation übertragen wird.
Zellularfunknetzwerk nach Anspruch 15, welches für einen Betrieb gemäß dem GSM-Standard ausgelegt ist, und wobei die Mobileinheit den gemäß diesem Standard auf dem Steuerkanal übertragenen Synchronisationsburst (SCH) detektiert.
Zellularfunknetzwerk nach Anspruch 16, welches Mittel aufweist zum Herleiten der Entfernung zwischen der Mobileinheit (M) und der Partnerbasisstation (A) aus dem für Kommunikation mit der Partnerbasisstation erforderlichen Zeitvorlauf, wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen als das zum eindeutigen Identifizieren ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden.
Zellularfunknetzwerk nach Anspruch 16 oder 17, welches Mittel aufweist zum Bestimmen der Richtung der Mobileinheit (M) relativ zu einer oder mehrerer der Basisstationen (A, B, C, D, E), wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen als das zum eindeutigen Identifizieren ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden.
Vorrichtung zum Bestimmen der Position einer Mobileinheit (M), welche ein eine Mehrzahl von Basisstationen aufweisendes Zellularfunksystem benutzt, wobei die Vorrichtung umfasst: Mittel zum Bestimmen der an der Mobileinheit (M) gemessenen Zeitdifferenzen des Betriebs der Basisstationen (A, B, C, D, E); Mittel zum Bestimmen der Entfernungsdifferenzen der Mobileinheit (M) von jeder der Basisstationen aus den Zeitdifferenzen; und Mittel zum Herleiten des Standorts der Mobileinheit (M) aus den Entfernungsdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst: Mittel im Zellularfunksystem zum Synchronisieren der Zeitmultiplex-Rahmenstrukturen von Steuerkanälen, welche von wenigstens einer Mehrzahl der Basisstationen (A, B, C, D, E) innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit (M) gesendet werden, und Mittel in der Mobileinheit (M) zum Bestimmen der Zeitdifferenzen an der Mobileinheit (M) einer Synchronisations-Trainingssequenz der Zeitmultiplex-Rahmenstruktur, welche von dem Steuerkanal jeder Basisstation gesendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Zeitdifferenz-Messungs mittel, Entfernungsdifferenz-Bestimmungsmittel und Standort-Herleitungsmittel einen Teil der Mobileinheit (M) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 20, ferner umfassend Mittel zum Identifizieren der Basisstationen (A, B, C, D, E) innerhalb einer Funkreichweite der Mobileinheit (M) und Mittel zum Übertragen von Daten zu der Mobileinheit (M), welche auf die geographischen Standorte der Basisstationen bezogen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19, 20 oder 21, welche ausgelegt ist, gemäß dem GSM-Standard betrieben zu werden, und wobei die Mobileinheit ausgelegt ist, den auf dem Steuerkanal jeder Basisstation gemäß diesem Standard übertragenen Synchronisationsburst (SCH) zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 22, welche Mittel aufweist zum Herleiten der Entfernung zwischen der Mobileinheit (M) und der Partnerbasisstation (A) aus dem für Kommunikation mit der Partnerbasisstation erforderlichen Zeitvorlauf, wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen als das zum eindeutigen Identifizieren ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, welche Mittel aufweist zum Bestimmen der Richtung der Mobileinheit (M) relativ zu einer oder mehrerer der Basisstationen, wenn von der Mobileinheit (M) weniger Basisstationen als das zum eindeutigen Identifizieren ihrer Position erforderliche Minimum detektiert werden.