DE69630759T2 - Mobilstationsortungsverfahren und System und Mobilstation dafür - Google Patents

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    • G01S2205/008—Transmission of position information to remote stations using a mobile telephone network

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Mobilstation-Positionierungsverfahren sowie ein Positionierungssystem und eine Mobilstation, die das Verfahren implementiert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Senden von Mobilstation-Positionsinformationen von einer Mobilstation an eine Basisstation und an ein Mobilkommunikationssystem sowie eine Mobilstation, die das Verfahren implementiert. Das Verfahren kann vorteilhaft in einem digitalen Zeitmultiplex-Mobilkommunikationssystem, wie etwa in dem GSM-Mobiltelephonnetz (Globales System für Mobilkommunikationen), angewendet werden.
  • Die Positionsinformationen einer Mobilstation können für viele Zwecke verwendet werden:
    • – Die Gebührenberechnung für Anrufe kann gemäß der Position einer Mobilstation ausgeführt werden, wobei Anrufe, die aus einer Heimatumgebung geführt werden, z. B. billiger sein können;
    • – wenn ein Notruf von einer Mobilstation abgesetzt wird, ist es möglich, die Position dieser Mobilstation zu bestimmen;
    • – der Benutzer einer Mobilstation kann Informationen über seine Position benötigen, z. B. wenn er auf Reisen ist;
    • – die Polizei und andere Behörden können die Positionsinformationen verwenden, um z. B. eine gestohlene Mobilstation zu lokalisieren oder um eine vermißte Person zu verfolgen.
  • Außerdem kann ein Mobilkommunikationssystem die Positionsinformationen verwenden, wenn die versorgenden Basisstationen gewechselt werden. Bisher hat der Wechsel von Basisstationen die Verwendung weiterer Informationen erfordert, die vom Übertragungskanal gemessen werden, wie etwa die Signaldämpfung im Übertragungskanal, da die verfügbaren Positionsinformationen für den Zweck nicht genau genug sind. Außer der Genauigkeit müssen die Positionsinformationen, die für den Wechsel der Basisstationen verwendet werden, nahezu Echtzeit-Informationen sein, deshalb muß die Positionsmessung schnell und in kurzen Intervallen ausgeführt werden.
  • Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zum Lokalisieren einer Mobilstation. Im Stand der Technik kennt das Mobilkommunikationssystem die Basisstation, in deren Abdeckungsbereich sich die Mobilstation befindet, und deshalb kann die Position der Mobilstation mit der Genauigkeit der ungefähren Zellengröße im System bestimmt werden. Da die Zellengröße im System groß sein kann, z. B. 100 km2, ist die Genauigkeit dieser Positionsinformationen für die meisten Anwendungen zu gering.
  • Aus der Veröffentlichung [1] WO 92/05672 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Entfernung einer Mobilstation von einer Basisstation auf der Grundlage der Ausbreitungsverzögerung eines Signals, das zwischen der Mobilstation und der Basisstation übertragen wird, bestimmt wird. 1 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines derartigen Verfahrens. Durch die Messung der Ausbreitungsverzögerung eines Signals zwischen einer Basisstation 1 und einer Mobilstation 14 wird eine Entfernungsschätzung d1 für die Entfernung zwischen der Mobilstation und der Basisstation erhalten. Wegen einer bestimmten Meßgenauigkeit der Entfernungsmessung ist der angenommene Ort der Mobilstation ein ringförmiger Bereich, dessen Breite von der Meßgenauigkeit der Ausbreitungsverzögerung abhängt. Eine entsprechende Messung der Ausbreitungsverzögerung kann für ein Signal zwischen der Mobilstation und anderen Basisstationen ausgeführt werden. Das Ergebnis ist ein ringförmiger Lokalisierungsbereich für jede Basisstation, die bei der Messung verwendet wird. In der in 1 veranschaulichten Situation erzeugen die Ausbreitungsverzögerungen zwischen der Mobilstation und der Basisstation 11, zwischen der Mobilstation und der Basisstation 12 und zwischen der Mobilstation und der Basisstation 13 die Entfernungsschätzungen d1, d2 und d3, die den ringförmigen Bereichen 16, 17 bzw. 18 entsprechen. Die Ringe schneiden sich im Bereich 19, der den Lokalisierungsbereich der Mobilstation darstellt, der aus den drei Messungen der Ausbreitungsverzögerung erhalten wird. Somit kann der Standort der Mobilstation als ein Bereich bestimmt werden, von dem die Größenordnung der Abmessung die Meßgenauigkeit darstellt.
  • Das Verfahren, das auf einer Ausbreitungsverzögerung basiert, die an einem Signal zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation gemessen wird, besitzt den Nachteil, daß die Mobilstation mit jeder Basisstation, für die die Ausbreitungsverzögerung zu messen ist, eine Verbindung herstellen muß. Daher bleibt der Funktionsbereich für die Positionsmessung klein, da es in den meisten Fällen z. B. wegen großer Entfernungen, dämpfenden Hindernissen oder geringer Sendeleistung nicht möglich ist, Verbindungen mit einer ausreichenden Anzahl von Basisstationen herzustellen. Wenn die Positionsinformationen ständig aktualisiert werden müssen, bewirkt die Übertragung der Positionsinformationen eine beträchtliche Belastung der Verbindungskapazität des Mobilkommunikationssystems. Außerdem verlangsamt die große Datenmenge, die übertragen wird, die Messung. Es ist außerdem ein Problem des Verfahrens, daß Fehler in der absoluten Meßgenauigkeit der Mobilstation Fehler in dem erhaltenen Positionierungsergebnis erzeugen.
  • Außerdem ist ein Verfahren von der Veröffentlichung [2] EP 398 773 bekannt, bei dem eine Mobilstation von einem Mobilkommunikationssystem Informationen über Takte und Standortkoordinaten von Basisstationen in der Nähe der Mobilstation erhält. Dann mißt die Mobilstation die Zeitdifferenzen der von den Basisstationen erhaltenen Signale und bestimmt die Position der Mobilstation auf der Grundlage gemessener Zeitdifferenzen, Takte der Basisstation und Positionskoordinaten und des Algorithmus zur Positionslokalisierung, der in der Mobilstation gespeichert ist. Die Veröffentlichung beschreibt nicht im Detail, wie das Verfahren in einem Mobilkommunikationssystem implementiert werden würde. Das Prinzip der Messung, das auf Zeitdifferenzen basiert, wird in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer beschrieben.
  • Das in der Veröffentlichung [2] beschriebene Verfahren besitzt den Nachteil, daß die Mobilstation einen beträchtlichen Umfang an Verarbeitung in Bezug auf die Berechnung von Positionskoordinaten ausführen muß, wodurch anderen Funktionen der Mobilstation Prozessorkapazität entzogen wird. Ferner müssen die Algorithmen, die in dem Mobilkommunikationssystem verwendet werden, in der Mobilstation gespeichert werden, wodurch es sehr schwierig wird, am Verfahren Änderungen auszuführen, da dann die Mobilstationsbasis des Systems aktualisiert werden muß. In erster Linie benötigt das System und nicht die Mobilstation die Positionsinformationen, was bedeutet, daß außerdem der Nachteil besteht, daß die von der Mobilstation berechneten Positionskoordinaten von der Mobilstation an das System übertragen werden müssen. Die Basisstation muß gleichfalls ständig Informationen über die Positionskoordinaten und die Takte der am nächsten gelegenen Basisstationen an die Mobilstation senden. Da die Positionsinformationen eine recht große Datenmenge umfassen, würde die Übertragung dieser Informationen die Übertragungskapazität des Systems beträchtlich verbrauchen.
  • Das Dokument WO 95/00821 offenbart ein System zum Bestimmen des Standorts einer Teilnehmervorrichtung. Die Lösung verwendet die gleichzeitige zeitlich synchronisierte Übertragung von jeder Zellenstelle. Der interne Takt einer Teilnehmervorrichtung wird auf ein Synchronisationssignal synchronisiert, das von einer Basisstation empfangen wird. Das Synchronisationssignal ist in allen Abwärtsstrecken-Datensignalen enthalten, die im System übertragen werden. Nachdem der interne Takt auf das Synchronisationssignal einer Basisstation synchronisiert wurde, zählt die Teilnehmervorrichtung die Taktimpulse, bis ein Synchronisationssignal von einer zweiten Basisstation empfangen wird. Diese Taktanzahl repräsentiert die Zeitdifferenz zwischen der Ankunft der beiden Synchronisationssignale. Bei dieser Lösung erfolgt eine Korrelation bzw. ein Vergleich für alle empfangenen Daten, was bedeutet, daß das Synchronisationswort kurz sein muß, und der Korrelationsalgorithmus muß sehr einfach sein und Daten mit geringer Auflösung verarbeiten. Es ist folglich nicht möglich, eine genaue Messung des Signalverlaufs oder des Standorts zu erreichen. Die Lösung von D1 dient somit für Anwendungen mit geringer Genauigkeit und geringen Zuverlässigkeitsanforderungen. Die Lösung wäre insbesondere nicht in einem digitalen TDMA-System anwendbar, da die Datenübertragungsrate auf einer speziellen Empfangsfrequenz so groß ist, daß es nicht möglich wäre, eine Korrelationsberechnung für alle empfangenen Daten aufzuführen.
  • Das Dokument US 5.423.067 beschreibt eine weitere Lösung zum Bestimmen der Position einer Mobilstation. Bei dieser Lösung wird die Entfernung zwischen der Mobilstation und der versorgenden Basisstation auf der Grundlage des in Kommunikationen benötigten zeitlichen Vorlaufs bestimmt. Die Entfernungen zwischen der Mobilstation und anderen Basisstationen werden bestimmt, indem in der Mobilstation die relativen Zeitpunkte für die Ankunft von Signalen von den anderen Basisstationen gemessen werden. Die Lösung basiert somit auf der ähnlichen Messung der Ausbreitungsverzögerung wie sie im Dokument WO 92/05672 beschrieben wurde und besitzt ebenfalls den Nachteil der Ungenauigkeit, die durch Fehler im absoluten Verlauf des Taktes der Mobilstation bewirkt wird.
  • Gemäß dem oben Dargestellten können Mobilstation-Positionsinformationen auf viele Arten erzeugt werden, die Charakteristiken der Lösungen des Standes der Technik erfüllen jedoch nicht die Anforderungen der Anwendungen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Positionsinformationen einer Mobilstation sowie eine Mobilstation, die das Verfahren implementiert, zu schaffen, wobei die obenerwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
  • Eine Idee der Erfindung besteht darin, die Position einer Mobilstation auf der Grundlage der beobachteten Zeitdifferenz (observed time difference, OTD) zwischen Signalen zu berechnen, die von wenigstens zwei Basisstationen empfangen werden. Die Messung der Zeitdifferenz wird vorteilhaft in der Mobilstation ausgeführt und das Meßergebnis wird zur versorgenden Basisstation übertragen. Die Messung der Zeitdifferenz kann vorteilhaft implementiert werden, indem empfangene Bursts verwendet werden, deren Stärke unter dem Decodierungspegel der Mobilstation liegen. Die Übertragung des Meßergebnisses erfolgt vorteilhaft im Signalgebungskanal. Nach der Überrragung von Meßergebnissen bestimmt ein Positionierungsdienstzentrum (PSC) im Mobilkommunikationsnetz auf der Grundlage der Meßergebnisse, der Standortkoordinaten der Basisstation und von Taktinformationen eine Schätzung der Standortkoordinaten der Mobilstation.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet. Das erfindungsgemäße Positionierungssystem ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 4 gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße Mobilstation ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 ein Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Position einer Mobilstation auf der Grundlage der Messung der Ausbreitungsverzögerung zwischen einer Basisstation und der Mobilstation zeigt;
  • 2 eine bekanntes, auf der Zeitdifferenz basierendes Positionierungsverfahren zeigt, das in der erfindungsgemäßen Lösung verwendet wird;
  • 3 ein erfindungsgemäßes Positionierungssystem in Form eines Block schaltplans zeigt;
  • 4 eine erfindungsgemäße Lösung zum Verarbeiten eines Signals in einer Mobilstation zeigt; und
  • 5 ein Ergebnis einer Kreuzkorrelationsmessung zeigt, die in einer erfindungsgemäßen Mobilstation ausgeführt wird.
  • Nachfolgend wird zuerst das Funktionsprinzip des auf der Zeitdifferenz basierenden Positionierungsverfahrens und das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Positionierungsverfahrens beschrieben. Anschließend werden ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Empfangen von Signalen, die von Basisstationen gesendet werden, und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen der Zeitdifferenz beschrieben. Dann wird eine erfindungsgemäße Implementierung zum Verarbeiten eines Signals in einem Empfänger beschrieben. Anschließend wird eine erfindungsgemäße Signalgebungsanordnung zum Übertragen der Meßinformationen von der Mobilstation zur Basisstation beschrieben. Schließlich wird beschrieben, welche Vorteile die erfindungsgemäße Lösung im Vergleich zum Stand der Technik besitzt. In der Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen wird auf das GSM-System Bezug genommen, das in [3] "The GSM System for Mobile Communications" von M. Mouly und M.-B. Pautet, 1992 genauer offenbart ist.
  • 2 veranschaulicht das Funktionsprinzip der Messung, die auf der Zeitdifferenz basiert. Dabei empfängt eine Mobilstation Signale von mehreren Basisstationen, in diesem Fall von drei Basisstationen BTS1, BTS2 und BTS3. Eine Schätzung der Position der Mobilstation wird mittels der Zeitdifferenz der Ankunft (TDOA) von Signalen, die von den Basisstationen empfangen werden, bestimmt, wobei es möglich ist, mittels der Zeitdifferenz zwischen Signalen, die von zwei Basisstationen empfangen werden, die Differenz d1 – d2 zwischen der Entfernung d1 zwischen der Mobilstation und einer ersten Basisstation und der Entfernung d2 zwischen der Mobilstation und einer zweiten Basisstation zu berechnen. Dann bilden jene möglichen Positionen der Mobilstation, bei denen der Wert der Entfernungsdifferenz gleich d1 – d2 ist, eine hyperbolische Kurve, die die möglichen Positionen der Mobilstation repräsentiert. Diese Kurve ist in 2 als eine gestrichelte Linie dargestellt. Da das Meßergebnis eine bestimmte Fehlerspanne besitzt, ist der Standortbereich der Mobilstation in der Realität ein Band zwischen zwei Hyperbeln, wobei die Breite des Bands von der Fehlerspanne des Meßergebnisses abhängt. Wenn Signale von wenigstens drei Basisstationen BTS1, BTS2 und BTS3 empfangen werden, enthält das Ergebnis mehrere Standortbereiche A12, A13 und A23 und die Mobilstation befindet sich dann am Schnittpunkt AMS dieser Bereiche. Die Bestimmung eines begrenzten Standortbereichs erfordert die Zeitdifferenzmessung für Signale, die von wenigstens drei Basisstationen empfangen werden, es sei denn andere Verfahren, wie etwa die Messung der Ausbreitungsverzögerung, werden zusätzlich zur Zeitdifferenzmessung verwendet.
  • 3 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Positionierungssystems. Es umfaßt ein Mobilkommunikationssystem, von dem in der Figur vier Basisstationen BTSA (22), BTSB (23), BTSC (24) und BTSD (25) gezeigt sind. Eine Mobilstation 21 empfängt in einem Empfangsblock 210 Signale von den Basisstationen BTSA, BTSB und BTSC. Die Mobilstation mißt im Block 211 die Zeitdifferenzen der Signale, die von den verschiedenen Basisstationen empfangen werden, und sendet sie zum Sendeblock 212 der Mobilstation. Die Ergebnisse der Zeitdifferenzmessung werden vom Sendeblock der Mobilstation über die Luftschnittstelle an die die Mobilstation 21 versorgende Basisstation 22 gesendet. Von der versorgenden Basisstation werden die Zeitdifferenzinformationen weiter zum Positionierungsdienstzentrum PSC (26) des Mobilkommunikationssystems gesendet, das die Positionsschätzung für die Mobilstation auf der Grundlage der Zeitdifferenzinformationen und von Standortkoordinaten und Takten der Basisstation berechnet. Das Positionierungsdienstzentrum PSC kann in Verbindung mit anderen Teilen des Mobilkommunikationssystems angeordnet sein und muß keine getrennte Einheit sein. Außer der auf der Zeitdifferenz basierenden Positionsmessung kann das System ebenfalls andere Verfahren verwenden.
  • Im GSM-System wird die Zeitdifferenz zwischen Signalen, die von zwei Basisstationen empfangen werden, als eine beobachtete Zeitdifferenz (OTD) bezeichnet. Die Messung der beobachteten Zeitdifferenz wird zum Synchronisieren der Mobilstation auf den Takt der neuen Basisstation verwendet, wenn die versorgende Basisstation gewechselt wird, deswegen ist das Verfahren der OTD-Messung im Stand der Technik bekannt. Die OTD wird in zwei Schritten gemessen, da eine Mobilstation Signale von zwei Basisstationen nicht gleichzeitig empfangen kann. Zuerst mißt die Mobilstation eine erste Zeitdifferenz zwischen dem eigenen Takt der Mobilstation und dem Takt des Signals, das von einer ersten Basisstation empfangen wird. Dann mißt die Mobilstation eine zweite Zeitdifferenz zwischen der Mobilstation und einer zweiten Basisstation. Die beobachtete Zeitdifferenz OTD wird erhalten, indem die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Zeitdifferenz berechnet wird. Die OTD-Messung ist in [4] prETS 300579: GSM 0.5.10-Version 4.4.1, "European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Radio subsystem synchronisation", European Telecommunications Standards Institute, 1994, S. 14 genauer beschrieben.
  • Die Genauigkeit der Positionsmessung kann verbessert werden, indem die beobachtete Zeitdifferenz für Signale gemessen wird, die von möglichst vielen Basisstationen empfangen werden. In schwach bevölkerten Regionen sind die Entfernungen zwischen Basisstationen jedoch groß, deswegen müßte ein Signal von einer weit entfernten Basisstation empfangen werden. Dann kann das empfangene Signal schwach sein. Die Schwäche eines Signals kann außerdem durch dämpfende Hindernisse oder eine geringe Sendeleistung bewirkt werden. Dann kann die Mobilstation das Signal, das von der Basisstation ankommt, nicht decodieren. In Lösungen des Standes der Technik wird ein empfangenes Signal nicht verwendet, wenn die Bitfehlerrate der durch die Decodierung erhaltenen Bitfolge unter einem vorgegebenen Wert bleibt. Dann kann eine gewöhnliche Mobilstation die beobachtete Zeitdifferenz OTD nicht messen.
  • Dieses Problem kann gemäß der Erfindung gelöst werden, indem bewirkt wird, daß die Mobilstation die Trainingsfolgen von Signalen erfaßt, die erkannt werden können, jedoch unter dem für die Decodierung erforderlichen Signalpegel bleiben. Die Lösung basiert auf der Tatsache, daß die in dem Positionierungsverfahren benötigte beobachtete Zeitdifferenz OTD mit einer ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden kann, wenn die Trainingsfolge des empfangenen undecodierten Signals durch eine Korrelationsmessung erfaßt werden kann, wodurch ihr Anfangszeitpunkt bestimmt werden kann. Dann ist es in Bezug auf die Genauigkeit des Ergebnisses nicht von großer Wichtigkeit, ob die Bitfehlerrate des decodierten Signals schlecht ist. Somit kann das Verfahren verwendet werden, um die beobachtete Zeitdifferenz für eine größere Anzahl von Basisstationen als bei Verfahren des Standes der Technik zu bestimmen, wodurch die Genauigkeit der Positionsmessung verbessert wird. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft in einer Situation, wenn eine kleine Anzahl von Basisstationen vorhanden ist, deren Signale den niedrigsten Decodierungspegel übersteigen.
  • Der Zeitwert eines Signals, das von einer Basisstation empfangen wird, kann vorteilhaft gemessen werden, indem an Stelle von einem Burst wenigstens zwei empfangene Bursts verwendet werden. Indem bei der Messung Trainingsfolgen verwendet werden, die aus mehreren empfangenen Bursts extrahiert werden, kann die Meßgenauigkeit wesentlich verbessert werden. Gemäß dem Stand der Technik wird der Zeitwert gemessen, indem ein Synchronisationsburst verwendet wird, der für diesen Zweck gewöhnlich eine lange Trainingsfolge besitzt. Wenn bei der Zeitmessung mehrere Bursts verwendet werden, ist es vorteilhaft, zusätzlich zu den Synchronisationsbursts außerdem normale Bursts zu verwenden, die in Verkehrs- und Steuerkanälen verwendet werden und die gewöhnlich eine kürzere Trainingsfolge besitzen. Da die Häufigkeit des Auftretens von normalen Bursts beträchtlich größer ist als die der Synchronisationsbursts, kann die Messung rasch ausgeführt werden.
  • Die obenerwähnte verfeinerte Zeitmessung wird vorteilhaft in zwei Schritten ausgeführt, wobei zuerst die Zeit für einen Synchronisationsburst gemessen wird, um eine Zeitschätzung zu erhalten, und dann ein zweite verfeinerte Messung ausgeführt wird, wobei wenigstens zwei Bursts verwendet werden. Bei der zweiten Messung können außerdem zusätzlich zu möglichen Synchronisationsbursts normale Bursts vorteilhaft verwendet werden. Die Auflösung der zweiten Messung wird vorteilhaft verbessert, indem die Anzahl der Abtastwerte der aus dem Burst extrahierten Trainingsfolge interpoliert wird, so daß sie größer wird. Die Vergrößerung der Anzahl der Abtastwerte erhöht den Bedarf an Verarbeitungskapazität, das kann jedoch ausgeglichen werden, indem die Zeitschätzung, die bei der ersten Messung erhalten wird, bei der Bestimmung des Fensters der Korrelationsberechnung verwendet wird. Wenn für die Zeitmessung normale Bursts verwendet werden, muß die Mobilstation die Trainingsfolge kennen, die von der Basisstation auf diesem Kanal verwendet wird, denn es gibt acht mögliche Trainingsfolgen, die in normalen Bursts verwendet werden. In Bezug auf die Kanäle, die von der Mobilstation verwendet werden, gibt die Basisstation die verwendete Trainingsfolge während des Anrufaufbaus an. Wenn die Mobilstation die Trainingsfolge nicht kennt, kann sie die Trainingsfolge auf der Grundlage einer Kreuzkorrelationsmessung bestimmen, indem sie eine Kreuzkorrelation abwechselnd zwischen der empfangenen Trainingsfolge und jeder möglichen Trainingsfolge ausführt.
  • 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zum Verarbeiten empfangener Signale in einer Mobilstation. In der Anordnung wird ein empfangenes Signal im Block 31 abgetastet und der zu messende Burst wird im Block 32 aus dem Signal extrahiert. Der Trainingsfolgenabschnitt wird im Block 33 aus dem Burst extrahiert und dieser Signalabschnitt wird im Block 34 interpoliert. Der Zweck der Interpolation besteht darin, die Anzahl der Signalabtastwerte zu vergrößern, um die Auflösung zu verbessern. Der Empfang des Steuer- und Verkehrskanals, der die normale Funktion des Telephons betrifft, wird im Block 30 ausgeführt. Außerdem werden im Block 35 Informationen über die von der Basisstation verwendete Kanalkonfiguration und insbesondere über die verwendete Trainingsfolge aus den Parametern und den Befehlen der Basisstation extrahiert, die in Verbindung mit der normalen Funktion des Telephons empfangen werden. Wenn die von dem System auf dem zu messenden Kanal verwendete Trainingsfolge bekannt ist, wird diese Folge als die Folge TSC gewählt, die im Block 36 bei der Kreuzkorrelation verwendet wird. Die Kreuzkorrelation wird zwischen der interpolierten Trainingsfolge, die aus dem empfangenen Signal extrahiert wurde, und der gewählten Trainingsfolge TSC im Block 37 ausgeführt. Das Ergebnis der Kreuzkorrelation wird verwendet, um im Block 36 zu prüfen, ob die gewählte Trainingsfolge TSC die richtige ist. Wenn sich die Auswahl als falsch erweist, wählt der Block 36 aus den vom System verwendeten Trainingsfolgen eine neue aus, bis die richtige Trainingsfolge TSC gewählt wird. Wenn die richtige Trainingsfolge gefunden wurde, wird das Zeitprofil, das als ein Ergebnis der Kreuzkorrelation erhalten wurde, oder möglicherweise die Zeitprofile, die an mehreren Bursts gemessen wurden, im Block 38 verarbeitet, um die Zeitschätzung zu bestimmen. Der Block 38 sammelt die erhaltenen Meßergebnisse und die Zeitdifferenzschätzungen werden als Differenz dieser Schätzungen berechnet. Die Zeitdifferenzschätzungen werden dann im Block 39 an die Basisstation gesendet.
  • 5 zeigt ein Zeitprofil, das als ein Ergebnis der Kreuzrelation zwischen einer empfangenen Trainingsfolge und der in der Mobilstation gespeicherten Trainingsfolge erhalten wird. Dabei ist ein diskreter Zeitwert kp, der dem maximalen Wert P des Zeitprofils |h(k)| entspricht, eine Schätzung für den zeitlichen Verlauf der empfangenen Trainingsfolge. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bestimmen des zeitlichen Verlaufs eines empfangenen Signals genauer beschrieben.
  • Das empfangene Signal, das in der Form von abgetasteten Daten ist, soll x(n) = i(n) + j*q(n) sein, wobei n die Ordnungszahl des Abtastwerts ist. Dieses Signal wird interpoliert, um die Anzahl der Abtastwerte zu vergrößern, wobei das interpolierte Signal x'(k) ist, wobei k = R*n und R das Interpolationsverhältnis ist. Dieses bekannte Signalinterpolationsverfahren ist in [5] "Discrete-Time Signal Processing", Alan V. Oppenheim und Ronald W. Shcafer, Prentice Hall, 1989, Kapitel 3.6.2 genauer beschrieben.
  • Eine bekannte Trainingsfolge wird moduliert und auf eine höhere Abtastfrequenz interpoliert. Das erreichte Ergebnis entspricht dem idealen übertragenen Signal. Dieses Realwertsignal soll t(k) sein.
  • Der zeitliche Verlauf wird dann bestimmt, indem die Impulsantwortschätzung h(k) aus dem empfangenen interpolierten Signal x'(k) berechnet wird:
  • Figure 00110001
  • Die Amplitude |h(k)| dieser Impulsantwort wird bei der Zeitmessung verwendet. Eine auf diese Weise erhaltene Impulsantwort ist in 5 gezeigt.
  • Der erste Peak, der in der Amplitude der Impulsantwort erscheint, repräsentiert gewöhnlich den direkten Weg des Signals, während die anderen Peaks reflektierte Ausbreitungswege repräsentieren. Da der direkte Ausbreitungsweg gewöhnlich in der Impulsantwort dominiert, ist es verhältnismäßig einfach, den ersten Peak zu erfassen. In einer verrauschten Umgebung ist jedoch die Erfassung des Impulsantwort-Peaks schwieriger. Die Erfassungsungenauigkeit kann jedoch durch die Ausführung mehrerer Messungen kompensiert werden.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 ein einfacher Algorithmus offenbart, um den ersten Peak der Impulsantwort zu bestimmen. Zuerst wird der erste Minimalwert M, der nach dem ersten Peak erscheint, gefunden. Diese minimale Amplitude wird als ein Schwellenwert H verwendet. Dann kann der Ort des ersten Peaks als der gewichtete Mittelwert kp der Abtastwerte |h(k)| definiert werden, deren Amplituden den Schwellenwert H übersteigen und die vor dem ersten Minimalwert M liegen:
    Figure 00120001
    p(l) soll eine Reihe von Peak-Erfassungsergebnissen sein, die von aufeinanderfolgenden Messungen erhalten werden. Da das Peak-Erfassungsverfahren gelegentlich einen Peak hervorbringt, der einem fehlerhaft reflektierten Signal entspricht, können manchmal in dem Erfassungsergebnis p(l) schwere Fehler enthalten sein. Deswegen können die Ergebnisse vorteilhaft gefiltert werden, indem ein Mittelwertfilter verwendet wird: p'(l) = Mittelwert (p(l), p(l + 1), ..., p(l + L)
  • Da die Fehlerverteilung nicht symmetrisch ist, ist es außerdem möglich, ein Minimum-Filter zu verwenden, um die Ergebnisse zu filtern: p''(l) = min(p'(l), p'(l + 1), ..., p' (l + L)
  • Optimale Werte für die Konstanten L und L' können durch Simulation und/oder experimentell bestimmt werden.
  • Schließlich können die Peak-Positionsschätzungen vorteilhaft Bemittelt werden, um die Wirkung des Gaußschen Rauschens und von Frequenzfehlern zu verringern.
  • Wenn die Peak-Positionsschätzungen p''(m), m = 1, ..., N Bemittelt werden, wird der Fehler in der folgenden Weise verringert. Die Varianz der Ergebnisse p''(m) soll σ2 sein. Gemäß dem Theorem des mittleren Grenzwerts folgt der Mittelwert der Schätzungen p''(m) der Normalverteilung N(μ, σ2/N, wobei die Varianz des Mittelwerts zur Anzahl N der Bemittelten Abtastwerte umgekehrt proportional ist und die Standardabweichung des Mittelwerts zur Quadratwurzel der Anzahl N umgekehrt proportional ist.
  • Das obenbeschriebene Positionierungsverfahren erfordert, daß die Zeitdifferenzinformationen von der Mobilstation an die Basisstation gesendet werden. Das wird vorteilhaft gelöst, indem gemäß der Erfindung eine modifizierte Signalebungsnachricht verwendet wird, um die Informationen auf einem Signalgebungskanal zu senden. Im GSM ist der langsame zugeordnete Steuerkanal (SACCH) ein für diesen Zweck geeigneter Signalgebungskanal.
  • Gemäß der Stand der Technik enthält eine Nachricht, die auf dem SACCH-Kanal gesendet wird, Informationen über Feldstärkemessungen, die von der Mobilstation für Signale von in der Nähe gelegenen Basisstationen ausgeführt werden. Außerdem enthält die Nachricht Informationen über die Häufigkeit, mit der die Feldstärkemessung ausgeführt wurde, und über die Basisstation, für die die Messung ausgeführt wurde. Gemäß der Erfindung ist die Nachricht codiert, so daß sie zusätzlich zu den obenerwähnten möglichen Daten Informationen über die Zeitdifferenzmessungen enthält.
  • Die Verwendung des SACCH-Kanals gemäß der Erfindung zum Senden von Positionsinformationen von einer Mobilstation an eine Basisstation besitzt mehrere Vorteile:
    • – Die Nachricht der Signalgebungskanalmessung wird häufig übertragen, z. B. wird im GSM-System ein SACCH-Burst in Intervallen von 480 ms gesendet,
    • – das Senden von Informationen kann während eines Anrufs erfolgen, und
    • – die Verwendung eines bereits festgelegten Kanals für das Senden von Positionsinformationen erhöht weder die Belastung der Funkschnittstelle noch verschlechtert sie die Qualität der gesendeten Sprache.
  • Die Verwendung der Meßnachricht beim Senden der Positionsinformationen besitzt jedoch eine wesentliche nachteilige Auswirkung, da die Meßnachricht in einem Abschnitt der Nachricht codiert sein kann, der nicht ständig für einen anderen Zweck benötigt wird.
  • Nachfolgend wird ein Beispiel der Übertragung von Positionsinformationen gemäß der Erfindung in dem GSM-System präsentiert.
  • Zuerst übergibt das Kommunikationsnetz die Parameter zum Senden von Positionsinformationen an die Mobilstation. Diese Parameter enthalten die Wiederholungsrate, bei der die Positionsinformationen gesendet werden sollen, und die minimale Anzahl von Nachbarzellen, die z. B. drei beträgt. Die Mobilstation sendet gemäß der Erfindung den Meßbericht z. B. in der folgenden Weise:
    • – Um die modifizierte Struktur der Meßnachricht anzugeben, wird das Bit 8 des Oktetts 3 in der Meßnachricht auf " 1" gesetzt.
    • – Das Feld NO-NCELL-M der Meßnachricht wird gesetzt, um anzugeben, wie viele Messungen in der Nachricht gesendet werden. Die Anzahl der Meßergebnisse wird durch die Variable N repräsentiert. Diese Zahl muß größer sein als die minimale Anzahl von Messungen, die vom System angegeben wird.
    • – Die Mobilstation verwendet die letzten 2*(6 – N) Oktette der Meßnachricht, um die Positionsinformationen zu senden.
  • Das Verfahren bewirkt keine Einschränkungen an dem Format der Positionsinformationen, das in dem System verwendet wird.
  • Der SACCH-Kanal wird lediglich während eines Anrufs verwendet. Wenn keine aktive Verbindung besteht, können die Positionsinformationen z. B. in Verbindung mit der Standortaktualisierung gesendet werden.
  • Das obenbeschriebene Verfahren kann auch zum Senden von Positionsinformationen in anderen Verfahren zur Positionslokalisierung verwendet werden. Zusätzlich zur Übertragung von Positionsinformationen kann das obenbeschriebene Verfahren zur Informationsübertragung ebenso für die Übertragung anderer Informationen verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Position einer Mobilstation besitzt im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik viele Vorteile:
    • – Das Verfahren bewirkt keine zusätzliche Belastung der Luftschnittstelle.
    • – Das Verfahren bewirkt keine wesentliche zusätzliche Belastung des Prozessors der Mobilstation.
    • – Infolge der obenerwähnten Faktoren kann die Positionierung rasch und in kurzen Intervallen ausgeführt werden.
    • – Das Verfahren kann einfach in bestehende Netze eingeführt werden, wobei Änderungen an Mobilstationen und am Netz gering sind.
    • – Eine Aktualisierung des Positionierungsalgorithmus kann ohne Änderungen an Mobilstationen ausgeführt werden.
    • – Das Verfahren kann an Orten verwendet werden, an denen eine Mobilstation ein Signal von wenigstens drei Basisstationen empfangen und die Trainingsfolgen der Signale erfassen kann.
    • – Das Verfahren kann für die Positionierung sowohl von feststehenden als auch beweglichen Mobilstationen verwendet werden.
    • – Da die Positionierung in einem Positionierungsdienstzentrum ausgeführt wird, können die Positionierungsdienste den Dienstnutzern in Rechnung gestellt werden.
    • – Die Positionierung kann während eines Anrufs ausgeführt werden, ohne diesen zu stören, was in vielen Anwendungen gefordert wird, z. B. wenn die Posi tionsinformationen für einen Wechsel der Basisstationen verwendet werden.
  • Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden oben beschrieben. Das erfindungsgemäße Prinzip kann natürlich im Umfang der Ansprüche in bezug auf Einzelheiten der Implementierung und Verwendungsbereiche modifiziert werden.
  • Obwohl die Erfindung oben in Verbindung mit dem GSM-System beschrieben wurde, kann die Erfindung ebenfalls in anderen digitalen Kommunikationssystemen angewendet werden, wie z. B. das DCS 1800/1900 (digitales Kommunikationssystem bei 1800/1900 MHz), das in den USA verwendete TDMA-System (US-TDMA) oder das in Japan verwendete digitale System (JDC). Das erfindungsgemäße Verfahren ist gleichfalls nicht auf die obenbeschriebenen Kanal- und Bursttypen beschränkt.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Lokalisieren einer Mobilstation (21), bei dem in der Mobilstation (21) eine beobachtete Zeitdifferenz zwischen Signalen, die von wenigstens zwei Basisstationen (21, 22, 23) empfangen werden, gemessen wird und Positionskoordinaten für die Mobilstation (21) auf der Grundlage der beobachteten Zeitdifferenz bestimmt werden, wobei die Zeitdifferenz von der Mobilstation (21) an ein Mobilkommunikationssystem (22, 26) übertragen wird und die Positionskoordinaten in dem Mobilkommunikationssystem (26) auf der Grundlage der Zeitdifferenz berechnet werden, und bei dem – Signale von einer ersten Basisstation (22) und von einer zweiten Basisstation (23) empfangen werden, – ein erster Zeitwert zwischen dem internen Takt der Mobilstation und dem Takt des von der ersten Basisstation empfangenen Signals gemessen wird, – ein zweiter Zeitwert zwischen dem internen Takt der Mobilstation und dem Takt des von der zweiten Basisstation empfangenen Signals gemessen wird, – die Differenz zwischen dem ersten Zeitwert und dem zweiten Zeitwert berechnet wird und – die Differenz als die beobachtete Zeitdifferenz verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Mobilstation Informationen über die von einer Basisstation verwendeten Trainingsfolgen gespeichert werden und daß für die Messung des ersten und des zweiten Zeitwertes – ein Burst aus dem empfangenen Signal extrahiert wird, – eine Trainingsfolge aus dem Burst extrahiert wird, – eine Kreuzkorrelationsmessung zwischen der aus dem Burst extrahierten Trainingsfolge und den in der Mobilstation gespeicherten Trainingsfolgen ausgeführt wird, um ein Zeitprofil (|h(k)|) zu erzeugen, – mehrere Peak-Positionen in dem Zeitprofil (|h(k)|) bestimmt werden, – eine Filterung verwendet wird, um die bestimmten Peak-Positionen zu verarbeiten, und – auf der Grundlage der Filterung ein Zeitwert bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Zeitpunkt (kp), der dem Maximum (P) des Zeitprofils entspricht, berechnet wird, und – der Zeitwert auf der Grundlage des Zeitpunkts (kp) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenzinformationen von einer Mobilstation (21) an eine Basisstation (22) in einer in eine oder mehrere Nachrichten eines Signalgebungskanals codierten Form übertragen werden.
  4. Mobilstation-Positionierungssystem, das ein Mobilkommunikationssystem umfaßt, das mehrere Basisstationen (22, 23, 24, 25) und Mobilstationen (21) enthält, wobei – eine Mobilstation (21) Signale empfängt, die von wenigstens zwei Basisstationen (22, 23, 24) gesendet werden, – die Mobilstation einen ersten Zeitwert zwischen dem internen Takt der Mobilstation und dem Takt des von der ersten Basisstation empfangenen Signals mißt, – die Mobilstation einen zweiten Zeitwert zwischen dem internen Takt der Mobilstation und dem Takt des von der zweiten Basisstation empfangenen Signals mißt, – die Mobilstation (21) Zeitdifferenzen zwischen den empfangenen Signalen mißt, um Zeitdifferenzinformationen zu erhalten, – die Mobilstation (21) die Zeitdifferenzinformationen an eine Basisstation sendet und – das Mobilkommunikationssystem (26) eine Positionsschätzung für die Mobilstation (21) auf der Grundlage der Zeitdifferenzinformationen bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Mobilstation Informationen über die von einer Basisstation verwendeten Trainingsfolgen gespeichert werden und daß die Mobilstation für die Messung des ersten und des zweiten Zeitwertes – aus dem empfangenen Signal ein Burst extrahiert, – aus dem Burst eine Trainingsfolge extrahiert, – eine Kreuzkorrelationsmessung zwischen der aus dem Burst extrahierten Trainingsfolge und den in der Mobilstation gespeicherten Trainingsfolgen ausführt, um ein Zeitprofil (|h(k)|) zu erzeugen, – mehrere Peak-Positionen in dem Zeitprofil (|h(k)|) bestimmt, – eine Filterung verwendet, um die bestimmten Peak-Positionen zu verarbeiten, und – auf der Grundlage der Filterung einen Zeitwert bestimmt.
  5. Mobilstation (21), die umfaßt: Mittel (210) zum Empfangen von Signalen von wenigstens zwei Basisstationen (22, 23, 24), Mittel zum Messen eines ersten Zeitwertes zwischen dem internen Takt der Mobilstation und dem Takt des von der ersten Basisstation empfangenen Signals, Mittel zum Messen eines zweiten Zeitwerts zwischen dem internen Takt der Mobilstation und dem Takt des von der zweiten Basisstation empfangenen Signals sowie Mittel (211) zum Ausführen einer Zeitdifferenzmessung für die Signale, um Zeitdifferenzergebnisse zu erhalten, wobei die Mobilstation (21) Mittel (212) umfaßt, die die Zeitdifferenzergebnisse oder hieraus abgeleitete Informationen von der Mobilstation an eine Basisstation senden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mobilstation Mittel umfaßt, die Informationen über die von einer Basisstation verwendeten Trainingsfolgen speichern, und daß die Mobilstation für die Messung des ersten und des zweiten Zeitwertes umfaßt: – Mittel zum Extrahieren eines Bursts aus dem empfangenen Signal, – Mittel zum Extrahieren einer Trainingsfolge aus dem Burst und – Mittel zum Ausführen einer Kreuzkorrelationsmessung zwischen der aus dem Burst extrahierten Trainingsfolge und den in der Mobilstation gespeicherten Trainingsfolgen, um ein Zeitprofil (|h(k)|) zu erzeugen, – Mittel zum Bestimmen mehrerer Peak-Positionen in dem Zeitprofil (|h(k)|), – Filterungsmittel zum Verarbeiten der bestimmten Peak-Positionen und – Mittel zum Bestimmen eines Zeitwertes auf der Grundlage der Filterung.
  6. Mobilstation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (212) zum Senden der Zeitdifferenzinformationen an eine Basisstation in einem Signalgebungskanal umfaßt.
  7. Mobilstation nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Messen des Zeitverlaufs eines empfangenen Signals auf der Grundlage der aus wenigstens zwei Bursts extrahierten Trainingsfolgen umfaßt.
  8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder des Positionierungssystems nach Anspruch 4 oder der Mobilstation nach einem der Ansprüche 5 bis 7 im GSM-System, im DCS 1800/1900-System, im US-TDMA-System oder im JDC-System.
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