DE10104916A1 - Verfahren zur Positionsbestimmung mit einem Mobiltelefon - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Positionsbestimmung mit einem Mobilfunkgerät (M) in einem Mobilfunknetz mit Basisstationen (BTS), wobei die Kommunikation zwischen Mobilfunkgerät (M) und Basisstation (BTS) über Signalisierungskanäle und Verbindungskanäle erfolgt, hat die Schritte: DOLLAR A a) Empfangen von Basisstationskennungen (BSI) der empfangbaren Basisstationen (BTS) durch das Mobilgerät (M) und DOLLAR A b) Abfragen der geografischen Positionskoordinaten der Basisstationen (BTS) in einer Datenbank (BTS-POS); DOLLAR A c) Senden von Testdaten über den Signalisierungskanal an mindestens drei Basisstationen (BTS); DOLLAR A d) Empfangen der von den Basisstationen (BTS) zurückübertragenen Testdaten; DOLLAR A e) Vergleichen der zugehörigen gesendeten und empfangenen Testdaten zur Bestimmung von Fehlerraten bei der Datenübertragung; DOLLAR A f) Berechnen des Abstands zu den Basisstationen (BTS) als proportionalen Wert zu den Fehlerraten bei der Datenübertragung mit den einzelnen Basisstationen (BTS); DOLLAR A g) Berechnen der aktuellen Position aus den geografischen Positionskoordinaten der empfangbaren Basisstationen (BTS) und den berechneten Abständen zu den Basisstationen (BTS).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung mit einem Mobilfunktele­ fon in einem Mobilfunknetz mit Basisstationen, wobei die Kommunikation zwischen Mobilfunktelefon und Basisstationen über Signalisierungskanäle und Verbindungska­ näle erfolgt und wobei das Verfahren die Schritte hat:
Empfangen von Basisstationskennungen der empfangbaren Basisstationen durch das Mobiltelefon und
Abfragen der Positionskoordinaten der Basisstation in einer Datenbank.

Verfahren zur Positionsbestimmung bzw. Ortung mit Mobiltelefonen sind vielfältig im Stand der Technik beschrieben.

Hierbei ist grundsätzlich bekannt, eine Ortung anhand der Basisstationskennungen der empfangbaren Basisstationen durchzuführen. Die Entfernung zu den Basisstationen wird in der Regel mit Hilfe einer Laufzeitmessung eines zur Basisstation gesendeten und von der Basisstation zurückreflektierten Signals ermittelt.

Weiterhin ist bekannt, den Abstand zur Basisstationen anhand der Dämpfung eines zurückreflektierten Signals zu bestimmen.

Es ist weiterhin bekannt, die Position von Mobilfunktelefonen in einer Basisstation zu berechnen, wobei ein Laufzeitsignal von der Basisstation zu einem Mobiltelefon ge­ sendet, von diesem zurückreflektiert und in der Basisstation ausgewertet wird.

Weiterhin ist eine Positionserkennung mit dem Global-Positioning-System bekannt, die jedoch relativ teuer ist. Zudem ist die Verfügbarkeit und Genauigkeit des Systems aufgrund der primären militärischen Anwendung nicht gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein verbessertes Verfahren zur Positionsbestim­ mung mit einem Mobilfunktelefon zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch das gattungsgemäße Verfahren gelöst mit den Schritten:
Senden von Testdaten über den Signalisierungskanal an mindestens drei Basisstatio­ nen,
Empfangen der von den Basisstationen zurückübertragenen Testdaten,
Vergleichen der zugehörigen gesendeten und empfangenen Testdaten zur Bestimmung von Fehlerraten bei der Datenübertragung,
Berechnen des Abstands zu den Basisstationen als proportionalen Wert zu den Fehler­ raten bei der Datenübertragung mit den einzelnen Basisstationen,
Berechnen der aktuellen Position aus dem Positionskoordinaten der empfangbaren Ba­ sisstationen und den berechneten Abständen zu den Basisstationen.

Es wurde erkannt, dass die Entfernung des Mobiltelefons zu den Basisstationen hinrei­ chend genau anhand der Fehlerrate bei der Testdatenübertragung an die Basisstatio­ nen bestimmt werden kann. Der Abstand ist hierbei proportional zu der Fehlerrate, wenn eine hinreichende Anzahl von Testdaten gesendet wird. Durch Abschattungen und ähnliche Störungen können die Messwerte für eine Basisstation zwar abweichen. Diese Ungenauigkeiten werden aber durch wiederholte Testdatenübertragung und Messung ausgeglichen. Das Messergebnis ist umso genauer, je mehr Basisstationen kontaktiert werden.

Da die Übertragung der Testdaten über den Signalisierungskanal erfolgt, ist es nicht erforderlich, zugelassene Teilnehmer des Mobilfunknetzes zu sein. Die bekannten Mo­ bilfunknetze erlauben nämlich eine Nutzung der Signalisierungskanäle und der soge­ nannten Loop-Back-Funktion der Basisstationen für das Zurückübertragen von im Si­ gnalisierungskanal übertragenen Testdaten, ohne, dass das Mobiltelefon bei der Basis­ station angemeldet sein muss. Das Verfahren ist damit kostenfrei, erfordert keine Än­ derung der Basisstationen und erlaubt eine gleichzeitige Nutzung der empfangbaren Basisstationen verschiedener Netzbetreiber.

Besonders vorteilhaft ist es, nicht nur die Fehlerrate der Testdaten, sondern zusätzlich auch die Signaldämpfung zu ermitteln und als Maß für die Entfernung der Mobiltele­ fons zur Basisstation zu verwenden. Auch hierbei ist die Entfernung proportional zur Dämpfung. Die Geschwindigkeit der Mobilstation kann ebenfalls bestimmt werden. Dazu wird der Frequency Correction Channel (FCH) benutzt. Dieser Kanal sendet defi­ nierte Sinusträgersignale einer diskreten Frequenz in einem bestimmten Rhythmus aus. Durch Auswertung des Doppler-Effektes wird die Geschwindigkeit der Mobilstati­ on errechnet.

Besonders vorteilhaft ist es, zusätzlich ein Frequenzsignal in einem Frequenzkorrektur­ kanal des Mobilfunknetzes an mindestens drei Basisstationen zu senden, die von den Basisstationen zurückübertragenden Frequenzsignale zu empfangen, die Phaserver­ schiebung und/oder Dämpfung zwischen den zugehörigen gesendeten und empfange­ nen Frequenzsignale zu ermitteln und die aktuelle Position in Abhängigkeit von der ermittelten Phasenverschiebung und/oder Dämpfung zu berechnen.

Die Testdaten werden vorzugsweise über den sogenannten Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) eines GSM-Mobilfunknetzes (Global System for Mobile Communication) zu übertragen.

Das Abfragen der geografischen Positionskoordinaten der Basisstationen erfolgt vor­ zugsweise zentral über eine Datenbank, die über die Basisstationen zugänglich ist. In einem GSM-Mobilfunknetz ist eine solche Datenbank in einem zentralen Mobile- Switching-Center verfügbar.

Der Zugriff auf die Datenbank kann durch Nutzung der GPRS-Technik beschleunigt werden. Hier ist dann zwar eine Genehmigung des Mobilfunkbetreibers erforderlich, dafür erhöht sich aber die mögliche Messfrequenz.

Gleichermaßen kann eine entsprechende Datenbank in dem Mobilfunktelefon vorgese­ hen werden, die vorzugsweise durch Zugriff auf die zentral verfügbare Datenbank in dem Mobile-Switching-Center selbstlernend erweitert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 - schematischer Aufbau eines GSM-Mobilfunknetzes und der Kommunika­ tion mit einem Mobilfunktelefon zur Positionsbestimmung.

Die Fig. 1 lässt den Aufbau eines Mobilfunknetzes im GSM-Standard schematisch er­ kennen. Das Mobilfunknetz besteht im wesentlichen aus Basisstationen BTS, die die Funkverbindungen zu Mobilfunkgeräten M herstellen, Die Basisstationen BTS sind flä­ chendeckend zellular aufgebaut, wobei sich in jeder Zelle mindestens eine Basisstation BTS befindet. Die Basisstationen eines Basisstationssystems BSS sind sternförmig an eine Basisstationssteuerungszentrale BCE und über eine Übertragungseinheit TCE zur Signalanpassung und Übertragungssteuerung an eine zentrale Vermittlungsstelle MSC (Mobile-Service-Switching-Center) geschaltet. Eine Vielzahl von Vermittlungsstellen MSC bilden ein Wahlnetz, das Vermittlungssubsystem SSS (Switching-Sub-System) genannt wird. Dieses Vermittlungssubsystem SSS ermöglicht auch den Übergang zu weiteren Netzen KVSt, wie z. B. zu einem herkömmlichen stationären Telefonnetz.

Eine Vermittlungsstelle MSC hat Zugriff auf Datenbanken zur Nutzerverwaltung. So ist jeder Mobilfunkteilnehmer in seiner Heimat-Vermittlungsstelle MSC in einer Heimat- Datei HLR (Home-Location-Register) mit seinen Berechtigungen gespeichert. Sobald sich der Mobilfunkteilnehmer in einem fremden Bereich anmeldet, wird er dort in einer Besucher-Datei VLR (Visitor-Location-Register) aufgenommen und es wird in seiner Heimat-Datei HLR ein Eintrag über seinen neuen Standort veranlasst. So kann ein Mo­ bilfunkteilnehmer länder- und netzübergreifend erreicht werden.

Vor dem Aufbau einer Verbindung wird die Berechtigung des Benutzer durch Überprü­ fung der Berechtigung des Mobilfunkgeräts und der Codekarte mit Hilfe der sogenann­ ten Geräte-Identifizierungs-Datei EIR (Equipment-Identity-Register) und der Authentifi­ zeriungsdatei (Authentication-Center) überprüft.

Die Vermittlungsstellen MSC haben weiterhin Zugriff auf eine Datenbank BTS-POS, in denen die geografischen Positionen der einzelnen Basisstationen verzeichnet sind.

Die Basisstationen BTS senden laufend Basisstationskennungen BSI aus, die von dem Mobilfunkgerät M empfangen werden. Das Mobilfunkgerät greift dann mit Hilfe der Basisstationskennungen BSI über die Basisstationen BTS auf die Positionsdatenbank BTS-POS der Vermittlungsstellen MSC zu und fragt die geografischen Positionskoordi­ naten der empfangbaren Basisstationen BTS ab. Damit ist der Standort des Mobil­ funkgerätes M zunächst grob bekannt.

Weiterhin werden Testdaten über den Signalisierungskanal an die Basisstationen BTS gesendet. Vorzugsweise wird hierfür der Stand-Alone Dedicated Control Channel SDCCH des GSM-Mobilfunknetzes verwendet. Gleichermaßen können die Daten auch über den Frequenzkorrekturkanal FCCH (Frequency Correction Channel) oder über ei­ nen sonstigen Steuerkanal übertragen werden.

Die verfügbaren Kanäle eines GSM-Mobilfunknetzes sind nachfolgend tabellarisch auf­ geführt;

In einem GSM-Mobilfunknetz erfolgt die Datenübertragung in einem Zeitmultiplex- Verfahren TDMA (Time Devision Multi Access). Zudem sind die Sendefrequenzen in Kanäle mit definierter Bandbreite eingeteilt, so dass die Datenübertragung auch im Frequenzmultiplex erfolgt. Zudem ist die Datenübertragung zwischen dem Ablink, d. h. vom Mobilfunkgerät M zur Basisstation BTS und dem Downlink, d. h. zwischen der Basisstation BTS und dem Mobilfunkgerät M um drei Zeitschlitze und 64 Bit versetzt, damit die Mobilfunkgeräte M nicht gleichzeitig empfangen und senden müssen. Zum Ausgleich von Laufzeitunterschieden kann dieser Abstand verringert werden. In den Zeitschlitzen werden entweder Signalisierungs- und Nutzinformationen übersendet. Dies wird durch eine entsprechende Kennung angezeigt.

Zur Übertragung von Nutzdaten werden Verkehrskanäle bzw. Traffic Channels TCH verwendet, wobei Vollraten Traffic Channels TCH/F (full rate) und Halbraten Traffic Channels TCH/H vorgesehen sind. Jedem Traffic Channel TCH ist ein Slow Associa­ ted Control Channel SACCH zugeordnet, der für nicht dringenden Datenaustausch wie Messdaten des Funkspektrums benutzt wird. Für eiligere Signalisierungsdaten wird der Fast Associated Control Channel FACCH verwendet. Muss eine Verbindung aus­ schließlich für Signalisierungszwecke aufgebaut werden, z. B. Location Updating, Short Message oder Call Forwarding, so wird dafür der Stand-Alone Dedicated Control Channel SDCCH benutzt.

Der Broadcast Control Channel BCCH dient dazu, die Grundinformationen zu verbrei­ ten, die von allen Mobilstationen benötigt werden, um mit den Basisstationen BTS zu kommunizieren. Für die Synchronisation der Mobilfunkgeräte M mit den Basisstationen BTS sorgen der Synchronisation Channel SCH und der Frequenzkorrekturkanal FCCH (Frequency Correction Channel), die beide im Broadcast Control Channel BCCH enthal­ ten sind. Der Frequenzkorrekturkanal FCCH sendet in seinen Informations-Bits nur Nullen, die in der physikalischen Schicht zu einem Sinussignal führen. Über den Syn­ chronisation Channel SCH synchronisieren sich die Mobilfunkgeräte M Bit genau, wo­ bei unterschiedliche Entfernung bzw. Laufzeiten zwischen Mobilfunkgeräten M und der Basisstation BTS mit dem sogenannten "Time-Alignment-Prozess" ausgeglichen werden.

Die von den Basisstationen BTS versendeten Broadcast Informationen umfassen In­ formationen, die für die Identifizierung des Netzes, der Location Area und der Zelle notwendig sind, Informationen für das Einbuchen und die Messung von Zielzellen für ein mögliches Handover, Information für die Benutzung des sogenannten Random Access Channels RACH und Informationen für unterschiedliche Optionen, wie Fre­ quency Hopping, VAD/DTX und Power Control.

Zur eigentlichen Verbindungsaufnahme dienen die Common Control Channel (CCCH). Wenn ein Gespräch von dem Mobilfunkgeräte M initiiert wird, so dann erfolgt der Aufbau des Gesprächs nach einer Zufallszeit über den Random Access Channel RACH durch das Senden eines Random Access Bursts an die Basisstation BTS im sogenann­ ten Slotted-Aloha-Zugriffsverfahren. Diese leitet dann über den Access Grant Channel AGCH die Zuteilung der Signalisierungskapazität ein. Bei einem netzseitigen Ge­ sprächsaufbau wird das Mobilfunkgerät M zunächst über den Paging Channel PCH aufgerufen, wobei dieses wieder über den Random Access Channel RACh anwortet.

Der Stand-Alone Dedicated Control Channel SDCCH ist ein bidirektionaler Verwal­ tungskanal, der bis zu acht Signalisierungsverbindungen über einen Zeitschlitz abwic­ keln kann. Die Traffic Channels TCH und die ihnen zugeordneten Slow Associated Control Channels SACCH und Fast Associated Control Channels FACCH werden in 26er-Mehrfachrahmen übertragen. Die Übertragung der restlichen Kanäle erfolgt in 51er-Rahmen, wobei die Zuordnung in den jeweiligen Rahmen nach festen Mustern erfolgt.

Das Mobilfunkgerät M sendet nun Testdaten über den Stand-Alone Dedicated Control Channel SDCCH, die von der entsprechenden Basisstation BTS automatisch und direkt wieder zurückübertragen werden (Loop-Back-Funktion). Nunmehr werden die zugehö­ rigen gesendeten und empfangenen Testdaten miteinander verglichen und Fehlerraten bei der Datenübertragung bestimmt. Der Abstand des Mobilfunkgerätes zu der ent­ sprechenden Basisstation wird als proportionaler Wert zu den bestimmten Fehlerraten berechnet. Aus den geografischen Positionskoordinaten der Basisstationen BTS-POS und den berechneten Abständen des Mobilfunkgerätes M zu den Basisstationen BTS kann die aktuelle Position berechnet werden.

Das über den Frequenzkorrekturkanal gesendete Sinussignal wird ebenfalls von der Basisstation BTS automatisch zurückübertragen. Dann kann aus der Dämpfung, der Phasenverschiebung und/oder weiteren Signalstörungen ein weiteres Kriterium zur Berechnung des Abstands des Mobilfunkgerätes M von der jeweiligen Basisstation BTS verwendet werden. Auch hierbei wird davon ausgegangen, dass der Abstand proportional zu der Dämpfung, der Phasenverschiebung und/oder den weiteren Signal­ störungen ist.

Der Proportionalitätsfaktor kann in dem Mobilfunkgerät M festgelegt oder für jede Ba­ sisstation BTS oder jedes Basisstationssystem BSS definiert und in einer Datenbank abgespeichert werden, auf die das Mobilfunkgerät M zugreift.

Die proportionale Abhängigkeit muss nicht unbedingt linear sein, sondern kann unter Umständen auch einem anderen Algorithmus folgen, der jedoch ebenfalls definiert ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung mit einem Mobilfunktelefon (M) in einem Mobilfunknetz mit Basisstationen (BTS), wobei die Kommunikation zwischen Mobilfunktelefon (M) und Basisstationen (BTS) über Signalisierungskanäle und Verbindungskanäle erfolgt, mit den Schritten:
Empfangen von Basisstationskennungen (BSI) der empfangbaren Basisstationen (BTS) durch das Mobiltelefon (M) und
Abfragen der Positionskoordinaten der Basisstation (BTS) in einer Datenbank (BTS-POS),
Senden von Testdaten über den Signalisierungskanal an mindestens drei Basis­ stationen (BTS),
Empfangen der von den Basisstationen (BTS) zurückübertragenen Testdaten,
Vergleichen der zugehörigen gesendeten und empfangenen Testdaten zur Be­ stimmung von Fehlerraten bei der Datenübertragung,
Berechnen des Abstands zu den Basisstationen (BTS) als proportionalen Wert zu den Fehlerraten bei der Datenübertragung mit den einzelnen Basisstationen (BTS),
Berechnen der aktuellen Position aus dem Positionskoordinaten der empfangba­ ren Basisstationen (BTS) und den berechneten Abständen zu den Basisstationen (BTS).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Senden eines Frequenzsignals in einem Frequenzkorrekturkanal des Mobilfunk­ netzes an mindestens drei Basisstationen (BTS),
Empfangen der von den Basisstationen (BTS) zurückübertragenen Frequenzsi­ gnalen und
Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen den zugehörigen gesendeten und empfangenen Frequenzsignalen und
Berechnen der aktuellen Positionen in Abhängigkeit von der ermittelten Phasen­ verschiebung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testda­ ten über den Stand-Alone-Dedicated-Control-Channel (SDCCH) eines GSM- Mobilfunknetzes übertragen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Abfragen der Positionskoordinaten der Basisstationen (BTS) in einer Zentrale über die Basisstationen zugängliche Datenbank.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugriff auf die in einem Mobil-Searching-Center (MSC) eines GSM-Mobilfunknetzes verfügbare Datenbank erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Abfragen der Positionskoordinaten der Basisstationen (BTS) in einer in dem Mobiltelefon (M) verfügbaren Datenbank.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch selbstlernendes Abspeichern neuer Positionskoordinaten von Basisstationen (BTS).

8. Mobilfunktelefon (M) mit einem Computerprogramm, einen Prozessor und Spei­ cher, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm Programmcodemit­ tel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hat.

9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computerprogramm auf einem Mobilfunktelefon (M) mit einem Prozessor und Speicher ausgeführt wird.