DE69922054T2

DE69922054T2 - Verfahren und system zur bestimmung des aufenthaltsortes eines funkteilnehmers in einem cdma-kommunikationssystem

Info

Publication number: DE69922054T2
Application number: DE69922054T
Authority: DE
Inventors: K. David MESECHER
Original assignee: InterDigital Technology Corp
Current assignee: InterDigital Technology Corp
Priority date: 1999-03-22
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: DE69922054D1; WO2000057661A1; US6748008B2; KR100454309B1; JP2006094538A; US6603800B1; CA2489816C; HK1076343A1; CA2767090A1; MXPA01009520A; ATE282935T1; SG126694A1; IL145283A0; US20020141484A1; ES2316914T3; EP1513366B1; KR20020006527A; US20040208237A1; EP1163819B1; CA2367572A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssysteme (CDMA = Code Division Multiple Access). Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System und ein Verfahren, das den geografischen Standort einer Teilnehmereinheit in einem CDMA-Kommunikationssystem bestimmt.
Beschreibung des Standes der Technik
Drahtlose Systeme, die zum Lokalisieren eines Teilnehmers fähig sind, sind auf diesem Gebiet bekannt. Ein drahtloses Verfahren verwendet das Global Positioning System (GPS). Beim GPS empfängt der Kommunikations-Handapparat von den 24 NAVSTAR-Satelliten kontinuierlich ausgesendete Daten. Jeder Satellit sendet Daten, welche die Identität des Satelliten, den Standort des Satelliten und die Sendezeit der Nachricht angeben. Der Handapparat vergleicht die Zeit, zu der jedes Signal empfangen wurde, mit der Zeit, zu der es gesendet wurde, um die Entfernung zu jedem Satelliten zu bestimmen. Unter der Verwendung der bestimmten Entfernungen zwischen den Satelliten und dem Handapparat zusammen mit dem Standort eines jeden Satelliten kann der Handapparat seinen Standort triangulieren und die Information an eine Kommunikations-Basisstation liefern. Das Integrieren von einem GPS in einer Teilnehmereinheit erhöht jedoch seine Kosten.
Ein weiteres Teilnehmer-Lokalisierungsverfahren ist im US-Patent Nr. 5,732,354 offenbart. Ein TDMA (Time Division Multiple Access) als die Luftschnittstelle einsetzendes Mobiltelefon ist inmitten von mehreren Basisstationen angeordnet. Das Mobiltelefon misst die von jeder der Basisstationen empfangene Signalstärke und sendet jede Stärke an jede entsprechende Basisstation. Bei einer mobilen Schaltzentrale werden die von den Basisstationen empfangenen Signalstärken verglichen und verarbeitet. Das Ergebnis ergibt die Entfernung zwischen dem Mobiltelefon und der jeweiligen Basisstation. Aus diesen Entfernungen wird der Standort des Mobiltelefons berechnet.
Drahtlose Kommunikationssysteme, die Spreizspektrums-Modulationsverfahren einsetzen, werden immer beliebter. Bei Codemultiplex-Vielfachzugriffs(CDMA)-Systemen werden Daten unter der Verwendung einer weiten Bandbreite (eines Spreizspektrums) durch Modulieren der Daten mit einer Pseudozufalls-Chipcodesequenz übertragen. Der hierdurch erzielte Vorteil besteht darin, dass CDMA-Systeme gegenüber einer Signalverzerrung und gegenüber interferierenden Frequenzen im Übertragungspfad widerstandsfähiger als Kommunikationssysteme sind, die die üblicheren Verfahren der Time Division Multiple Access (TDMA) oder Frequency Division Multiple Acces (FDMA) einsetzen.
Die EP 0 865 223 A2 ist ein Positionsschätzverfahren für ein zellulares mobiles System. Eine erste und eine zweite Signalsequenz werden zwischen der mobilen Station und der Basisstation ausgetauscht. Diese Signale können CDMA-Signale sein. Eine Phasendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Sequenz wird zum Bestimmen einer Entfernung zwischen der mobilen und der Basisstation verwendet. Bei der Verwendung mehrerer Basisstationen wird die Position unter der Verwendung einer Triangulierung geschätzt.
Das US-Patent Nr. 5,600,706 ist ein Positionierungssystem, das eine Entfernungsbestimmung in einem CDMA-System einsetzt. Das System verwendet Pilotsignale und eine Ankunftszeitdifferenz (Time Difference of Arrival/TDOA) und eine absolute Ankunftszeit (Time of Arrival/TOA) bei der Positionsbestimmung.
Die WO 98/18018 offenbart das Lokalisieren eines mobilen Endgeräts unter der Verwendung von zwei Antennen in einem Antennenfeld in einem TDMA-Kommunikationssystem. Eine Phasendifferenz der bei den zwei Antennen empfangenen Signalen wird zum Bestimmen eines Winkels von der Mittellinie der Antennen zum mobilen Endgerät verwendet. Die empfangene Signalstärke wird zum Schätzen der Entfernung des Endgeräts verwendet. Der Standort des Endgeräts wird unter der Verwendung des bestimmten Winkels und der Entfernung bestimmt.
Die WO 97/47148 offenbart das Bestimmen einer Position eines mobilen Endgeräts innerhalb eines zellularen Systems. Ein Signal wird mit einem niedrigen Leistungspegel gesendet. Der Leistungspegel wird vorübergehend erhöht. Das mit dem erhöhten Leistungspegel gesendete Signal wird zur Durchführung einer Positionsmessung des Endgeräts verwendet.
Das US-Patent Nr. 5,736,964 offenbart ein CDMA-System zum Lokalisieren einer Kommunikationseinheit. Eine Basisstation sendet eine Lokalisierungsanforderung an die Einheit. Die Einheit sendet eine Empfangszeit der Nachricht an die Basisstation. Eine Gruppe von Basisstationen bestimmt ebenfalls eine Empfangszeit einer Symbolsequenz in den Übertragungen der Einheit. Unter der Verwendung von Zeitmessungen wird der Standort der Einheit bestimmt.
Das US-Patent Nr. 5,506,864 offenbart ein System zum Bestimmen einer Entfernung zwischen einer Basisstation und einer entfernten Einheit in einem CDMA-System. Die Basisstation sendet ein Basis-CDMA-Signal an die entfernte Einheit. Die entfernte Einheit sendet ein entferntes CDMA-Signal an die Basisstation. Das entfernte CDMA-Signal ist in seiner Zeitabstimmung mit dem empfangenen Basis-CDMA-Signal synchronisiert. Die Basisstation bestimmt die Entfernung zur entfernten Einheit durch Vergleichen der Chipcodesequenzen des gesendeten Basis-CDMA-Signals und des empfangenen entfernten CDMA-Signals.
Es bestimmt daher ein Bedarf nach einem präzisen Lokalisierungssystem einer mobilen Teilnehmereinheit, das in bestehenden CDMA-Kommunikationssystemen schon vorhandene Daten verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Teilnehmereinheit wird unter der Verwendung mehrerer Basisstationen in einem drahtlosen CDMA-Kommunikationssystem geografisch lokalisiert. Jede Basisstation sendet ein erstes Spreizspektrumssignal mit einem ersten Code. Für jedes empfangene erste Signal sendet die Teilnehmereinheit ein zweites Spreizspektrumssignal mit einem zweiten Code. Das zweite Spreizspektrumssignal ist mit seinem empfangenen ersten Signal zeitsynchronisiert. Eine Impulsantwort eines jeden empfangenen ersten Signals wird analysiert, um eine erste empfangene Komponente zu bestimmen. Bei jeder Basisstation wird eine Impulsantwort des empfangenen zweiten Signals dieser Basisstation analysiert, um eine erste empfangene Komponente zu bestimmen. Eine Entfernung zwischen jeder Basisstation und der Teilnehmereinheit wird bestimmt. Die Entfernungsbestimmung beruht teilweise auf einer Zeitdifferenz zwischen dem empfangenen Signal und dem gesendeten Signal und der bestimmten ersten empfangenen Komponente für die zweiten Signale. Der Standort der Teilnehmereinheit basiert teilweise auf den bestimmten Entfernungen, einem festen Standort einer jeden Basisstation und einer Maximum-Likelihood-Schätzung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung eines vereinfachten bekannten CDMA-Systems.
2 ist eine Darstellung eines bekannten CDMA-Systems.
3 ist ein Blockdiagramm von Hauptkomponenten in einem bekannten CDMA-System.
4 ist ein Blockdiagramm von Komponenten in einem bekannten CDMA-System.
5 ist eine Darstellung eines globalen Pilotsignals und eines zugewiesenen Pilotsignals, die zwischen einer Basisstation und einer Teilnehmereinheit hin- und hergesendet werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Systems, das mindestens drei Basisstationen verwendet.
7 ist eine Darstellung des Lokalisierens einer Teilnehmereinheit unter der Verwendung des Systems von 6.
8 ist ein Blockdiagramm, das in einer Teilnehmereinheit eingesetzte Komponenten zeigt.
9 ist eine Darstellung des Lokalisierens einer Teilnehmereinheit unter der Verwendung eines Systems mit zwei Basisstationen.
10 ist eine Darstellung des Lokalisierens einer Teilnehmereinheit unter der Verwendung eines Systems mit mehr als zwei Basisstationen.
11 ist eine detaillierte Darstellung eines Systems, das eine Basisstation mit mehreren Antennen hat.
12 ist eine Darstellung eines Systems, das eine Basisstation mit mehreren Antennen hat.
13 ist ein Blockdiagramm von Komponenten, die im System von 11 eingesetzt werden.
14 ist eine Darstellung einer Mehrwegeausbreitung.
15 ist eine grafische Darstellung einer typischen Impulsantwort von Mehrwegekomponenten.
16 ist ein Blockdiagramm von Komponenten in einem System, das eine Mehrwegeausbreitung korrigiert.
Es folgt eine Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen, in denen die gleichen Bezugszeichen durchwegs die gleichen Elemente repräsentieren. Die 6 – 12 stellen Systeme dar, die zum Implementieren einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden können, die im Zusammenhang mit den 14 – 16 dargestellt ist.
In 1 ist ein vereinfachtes CDMA-Kommunikationssystem gezeigt. Ein Datensignal mit einer vorgegebenen Bandbreite wird mit einem Spreizcode gemischt, der von einem Pseudozufalls-Chipcodesequenzgenerator erzeugt wird, wodurch ein digitales Spreizspektrumssignal erzeugt wird. Nach dem Empfang werden die Daten nach einer Korrelation mit der selben Pseudozufalls-Chipcodesequenz wieder hergestellt, die zum Senden der Daten verwendet wurde. Jedes zweite Signal in der Übertragungsbandbreite erscheint gegenüber dem entspreizt werdenden Signal als Rauschen.
Zur Zeitsynchronisation mit einem Empfänger wird für jeden Sender ein unmoduliertes Pilotsignal benötigt. Das Pilotsignal ermöglicht es den entsprechenden Empfängern, sich mit einem bestimmten Sender zu synchronisieren, wodurch eine Entspreizung eines Verkehrssignals beim Empfänger ermöglicht wird.
Bei einem typischen CDMA-System senden Basisstationen globale Pilotsignale an alle Teilnehmereinheiten in ihrem Kommunikationsbereich zum Synchronisieren von Übertragungen in einer Vorwärtsrichtung. Zusätzlich sendet in manchen CDMA-Systemen, zum Beispiel einem B-CDMA^TM-System, jede Teilnehmereinheit ein einzigartiges zugewiesenes Pilotsignal zum Synchronisieren von Übertragungen in einer Rückwärtsrichtung.
2 zeigt ein CDMA-Kommunikationssystem 30. Das Kommunikationssystem 30 umfasst mehrere Basisstationen 36₁ , 36₂ , ... 36_n . Jede Basisstation 36₁ , 36₂ , ... 36_n ist in einer drahtlosen Kommunikation mit mehreren Teilnehmereinheiten 40₁ , 40₂ , ... 40_n , die stationär oder mobil sein können. Jede Teilnehmereinheit 40₁ , 40₂ , ... 40_n kommuniziert entweder mit der nächstliegenden Basisstation 36₁ oder der Basisstation 36₁ , die das stärkste Kommunikationssignal liefert. Jede Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n ist, wie in 3 gezeigt, in Kommunikation mit anderen Komponenten im Kommunikationssystem 30.
Eine Ortsvermittlungsstelle 32 liegt in der Mitte des Kommunikationssystems 30 und kommuniziert mit mehreren Netzwerk-Schnittstelleneinheiten (Network Interface Units/NIUs) 34₁ , 34₂ ... 34_n . Jede NIU ist in Kommunikation mit mehreren Funkträgerstationen (Radio Carrier Stations/ RCS) 38₁ , 38₂ ... 38_n oder Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n . Jede RCS 38₁ , 38₂...38_n oder Basisstation 36₁ , 36₂...36_n kommuniziert mit mehreren Teilnehmereinheiten 40₁ , 40₂ ... 40_n innerhalb ihres Kommunikationsbereichs.
4 zeigt ein Blockdiagramm wichtiger Teile eines bestehenden Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystems. Jede unabhängige Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n erzeugt ein einzigartiges globales Pilotsignal unter der Verwendung eines Global-Pilot-Chipcode-Erzeugungsmittels 42₁ und eines Spreizspektrums-Verarbeitungsmittels 44₁ . Das Global-Pilot-Chipcode-Erzeugungsmittel 42₁ erzeugt eine einzigartige Pseudozufalls-Chipcodesequenz. Die einzigartige Pseudozufalls-Chipcodesequenz wird zum Spreizen der resultierenden Signalbandbreite, wie zum Beispiel 15 MHz, verwendet, wie sie bei der B-CDMA^TM-Luftschnittstelle eingesetzt wird. Das Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel moduliert die Global-Pilot-Chipcodesequenz auf eine gewünschte Mittelfrequenz nach oben. Das globale Pilotsignal wird durch den Sender 46₁ der Basisstation an alle Teilnehmereinheiten 40₁ gesendet.
Ein Empfänger 48₁ bei der Teilnehmereinheit 40₁ empfängt verfügbare Signale von mehreren Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n . Wie in 5 gezeigt, gelangt der globale Pilot 50₁ von der Basisstation 36₁ zur Teilnehmereinheit 40₁ und kann wie folgt dargestellt werden:
Die Zeit, über die das Signal von der Basisstation 36₁ zur Teilnehmereinheit 40₁ gelangt, τ₁, ist gleich dem Abstand zwischen der Basisstation 36₁ und der Teilnehmereinheit 40₁ , d₁, geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit, c.
Wieder mit Bezug auf 4 kann ein Global-Pilot-Chipcode-Wiederherstellungsmittel 54₁ in der Teilnehmereinheit 40₁ Global-Pilot-Chipcodesequenzen von mehreren Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n empfangen. Die Teilnehmereinheit 40₁ erzeugt eine Replik einer Global-Pilot-Chipcodesequenz und synchronisiert die Zeitabstimmung der erzeugten Replik mit dem empfangenen globalen Piloten 50₁ . Die Teilnehmereinheit 40₁ hat auch einen Prozessor 82₁ zum Durchführen der vielen Analysefunktionen der Teilnehmereinheit 40₁ .
Die Teilnehmereinheit 40₁ erzeugt ein zugewiesenes Pilotsignal 52₁ unter der Verwendung des Erzeugungsmittels 56₁ des zugewiesenen Pilotchipcodes und eines Spreizspektrums-Verarbeitungsmittels 58₁ . Das Erzeugungsmittel 56₁ des zugewiesenen Pilotchipcodes erzeugt eine Pseudozufalls-Chipcodesequenz, deren Zeitabstimmung mit der wieder hergestellten globalen Pilotchipcodesequenz synchronisiert ist. Als ein Ergebnis hiervon wird die zugewiesene Pilotchipcodesequenz bezüglich der Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n um τ₁ verzögert. Das Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel 58₁ erzeugt das zugewiesene Pilotsignal 52₁ durch Modulieren der zugewiesenen Pilotchipcodesequenz auf eine gewünschte Mittelfrequenz nach oben. Das zugewiesene Pilotsignal 52₁ wird an alle Basisstationen 36₁ , 36₂ , ... 36_n innerhalb der Reichweite gesendet, um das zugewiesene Pilotsignal 52₁ zu empfangen.
Die Basisstation 36₁ empfängt das zugewiesene Pilotsignal 52₁ mit dem Empfänger 62₁ der Basisstation. Der empfangene zugewiesene Pilot 52₁ legt die gleiche Entfernung d₁ wie das globale Pilotsignal 50₁ zurück, wie in 5 gezeigt. Demnach wird das empfangene zugewiesene Pilotsignal bezüglich der mobilen Einheit 40₁ um τ₁ und bezüglich dem globalen Pilot 50₁ , der an der Basisstation 36₁ erzeugt wird, um 2τ₁ verzögert.
Da die Chipcodesequenz des zugewiesenen Piloten 52₁ , der an der Basisstation 36₁ empfangen wird, um 2τ₁ bezüglich der Chipcodesequenz des globalen Pilotsignals 50₁ , das an der Basisstation 36₁ erzeugt wird, verzögert ist, kann die Umlaufzeit 2τ₁ durch Vergleichen der Zeitabstimmung der beiden Chipcodesequenzen bestimmt werden. Unter der Verwendung der Umlaufzeit zwei τ₁ kann die Entfernung d₁ zwischen der Basisstation 36₁ und der Teilnehmereinheit 40₁ wie folgt bestimmt werden:
Wenn eine Spreizsequenz mit einer Chiprate von mindestens 80ns verwendet wird und das Kommunikationssystem die Fähigkeit hat, 1/16 eines Chips nachzuverfolgen, kann die Entfernung d₁ bis auf zwei Meter gemessen werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Umsetzen der vorliegenden Erfindung. Es wird bei der Teilnehmereinheit 40₁ keine zusätzliche Hardware benötigt. Die einzigen Veränderungen werden durch Software im Prozessor 82₁ der Teilnehmereinheit und den Prozessoren 66₁ , 66₂ ...66_n , 68, 70₁ , 70₂ ... 70_n , die in der Basisstation 36₁ , der NIU 34₁ oder der Ortsvermittlungsstelle 32₁ , den (Polizei-)Revieren 74₁ , 74₂ ... 74_n und bei der Rettungswagenleitstelle 76 angeordnet sind.
Der Teilnehmereinheit 40₁ wird durch eine Basisstation 36₁ ein Signal gesendet, dass ein 911-Anruf (Notruf) getätigt wurde und dass das Teilnehmer-Lokalisierungsprotokoll einzuleiten ist. Nach dem Empfang synchronisiert die Teilnehmereinheit 40₁ sequenziell ihre Sende-Chipcodesequenz mit den Chipcodesequenzen von mindestens drei Basisstationen. Um einen Empfang durch die Basisstationen 36₂ , 36₃ ... 36_n außerhalb des normalen Kommunikationsbereichs der Teilnehmereinheit zu ermöglichen, werden diese Übertragungen mit einem höheren als dem normalen Leistungspegel gesendet, wobei ein adaptiver Leistungsregelungsalgorithmus vorübergehend außer Kraft gesetzt wird.
Ein Prozessor 66₁ in jeder Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n ist mit dem Wiederherstellungsmittel 64₁ des zugewiesenen Pilotchipcodes und dem Global-Pilot-Chipcodegenerator 42₁ verbunden. Der Prozessor 66₁ vergleicht die beiden Chipcodesequenzen, um die Rundlaufzeit τ₁, τ₂ ... τ_n und die entsprechenden Entfernungen d₁, d₂... d_n zwischen der Teilnehmereinheit 40₁ und der entsprechenden Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n zu bestimmen.
Innerhalb entweder einer NIU 34₁ oder der Ortsvermittlungsstelle 32 empfängt ein Prozessor 68 die Entfernungen d₁, d₂ ... d_n von den Prozessoren 66₁ , 66₂ ... 66_n in allen Basisstationen 36₁ , 36₂ ...36_n . Der Prozessor 68 verwendet die Entfernungen d₁, d₂ ... d_n zum Bestimmen des Standorts der Teilnehmereinheit 40₁ wie folgt.
Unter der Verwendung der bekannten Länge und Breite von drei Basisstationen 36₁ , 36₂ , 36₃ und der Entfernungen d₁, d₂, d₃ wird der Standort der Teilnehmereinheit 40₁ bestimmt. Wie in 7 gezeigt ist, werden unter der Verwendung der drei Entfernungen d₁, d₂, d₃ drei Kreise 78₁ , 78₂ , 78₃ mit Radien 80₁ , 80₂ , 80₃ konstruiert. Jeder Kreis 78₁ , 78₂ , 78₃ ist um eine entsprechende Basisstation 36₁ , 36₂ , 36₃ zentriert. Der Schnittpunkt der drei Kreise 78₁ , 78₂ , 78₃ ist am Standort der Teilnehmereinheit 40₁ .
Unter der Verwendung der kartesischen Koordinaten wird die der jeweiligen Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n entsprechende Länge und Breite als X_n, Y_n dargestellt, wobei X_n die Länge und Y_n die Breite ist. Wenn X, Y den Standort der Teilnehmereinheit 40₁ repräsentiert, ergeben sich unter der Verwendung der Entfernungsformel die folgenden Gleichungen: (X1 – X)2+(Y1 – Y)2 = d1 2 Gleichung (3) (X2 – X)2 + (Y2 – Y)2 = d2 2 Gleichung (4) (X3 – X)2 + (Y3 – Y)2 = d3 2 Gleichung (5)
In der Praxis können aufgrund kleiner Fehler bei der Berechnung der Entfernungen d₁, d₂, d₃ die Gleichungen 3, 4 und 5 nicht unter Einsatz herkömmlicher Algebra gelöst werden. Zum Ausgleichen der Fehler wird zum Bestimmen des Standorts eine Maximum-Likelihood-Schätzung verwendet, die dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt ist. Zur höheren Genauigkeit können zusätzliche Basisstationen 36₄ , 36₅ ... 36_n zum Berechnen zusätzlicher Entfernungen zur Einbeziehung in die Schätzungsanalyse verwendet werden.
Der Standort der Teilnehmereinheit wird über das Kommunikationssystem 30 an mindestens ein Polizeirevier 74₁ , 74₂ ... 74_n und eine Rettungswagenleitstelle 76 gesendet. Ein Prozessor 70₁ innerhalb jedes Reviers 74₁ , 74₂ ... 74_n und der Rettungswagenleitstelle 76 empfängt den Standort aller 911-Anrufe, die im System ihren Ursprung haben, und zeigt den Standort auf einem herkömmlichen Computerbildschirm 72₁ an. Die Anzeige umfasst eine Auflistung aller 911-Anrufe und -Adressen auf einer geografischen Landkarte.
Bei einer alternativen Vorgehensweise wird die Anzahl von Prozessoren verringert, indem über das Kommunikationssystem 30 rohe Daten übertragen werden und die rohen Daten an einem einzigen Ort verarbeitet werden.
8 ist eine weitere Ausführungsform eines Lokalisierungssystems. Mindestens zwei Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n haben miteinander synchronisierte Zeitabstimmungen und übertragen ihre entsprechenden globalen Pilotsignale 52₁ , 52₂ ... 52_n mit zeitsynchronisierten Chipcodesequenzen. Die Teilnehmereinheit 40₁ empfängt die globalen Piloten 52₁ , 52₂ ... 52_n . Die empfangenen globalen Piloten 52₁ , 52₂ ... 52_n sind jedoch nicht synchronisiert. Der globale Pilot 52₁ von einer ersten Basisstation 36₁ legt die Strecke d₁ zurück und wird um τ₁ verzögert. Der globale Pilot 52₂ von einer zweiten Basisstation 36₂ legt die Strecke d₂ zurück und wird um τ₂ verzögert. Die Teilnehmereinheit 40₁ stellt die Global-Pilot-Chipcodesequenz der jeweiligen Basisstation mit ihrem Global-Pilot-Chipcode-Wiederherstellmittel 54₁ wieder her. Ein Prozessor 82₁ in der Teilnehmereinheit 40₁ ist mit dem jeweiligen Global-Pilot-Chipcode-Wiederherstellmittel 54₁ , 54₂ ... 54_n verbunden. Der Prozessor 82₁ vergleicht die Chipcodesequenzen eines jeden Paars von Pilotchipcodesequenzen und berechnet die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ ... Δt_n zwischen den Sequenzen wie folgt.
Innerhalb der Teilnehmereinheit 40₁ werden die von der jeweiligen Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n verwendeten Chipcodesequenzen gespeichert. Nach dem Synchronisieren mit dem Piloten 36₁ der ersten Basisstation speichert der Prozessor 82₁ den Ort, an dem in der Sequenz die Synchronisation erreicht wurde. Dieser Vorgang wird für die anderen Basisstationen 36₂ , 36₃ ... 36_n wiederholt. Der Synchronisationsvorgang kann sequenziell (mit einer Synchronisation mit der Chipcodesequenz der ersten Basisstation, dann der zweiten usw.) oder parallel (mit einer Synchronisation mit allen Basisstationen zur gleichen Zeit) erfolgen.
Durch die Verwendung der relativen Zeitdifferenz zwischen τ₁, τ₂ ... τ_n der Chipcodesequenz einer jeden Basisstation und durch die Kenntnis, dass der Pilot einer jeden Basisstation zur selben Zeit gesendet wurde, werden bei zwei Basisstationen die Zeitdifferenzen wie folgt berechnet: Δt1 = τ2 – τ1 Gleichung (6) Δt2 = τ3 – τ2 Gleichung (7)
Die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ ... Δt_n werden an mindestens eine der Basisstationen 36₁ gesendet.
Mindestens eine Basisstation 36₁ stellt die Zeitdifferenzdaten aus den empfangenen Signalen unter der Verwendung des Zeitdifferenz-Wiederherstellmittels 84₁ wieder her. Die Zeitdifferenzdaten werden mit den Entfernungsdaten d₁ über das Kommunikationssystem an einen Prozessor 68 gesendet. Der Prozessor 68 bestimmt den Standort der Teilnehmereinheit 40₁ unter der Verwendung der Zeitdifferenzdaten Δt₁, Δt₂ ... Δt_n und der Entfernungsdaten d₁, d₂ ... d_n wie folgt.
Unter der Verwendung von Information von lediglich zwei Basisstationen 36₁ , 36₂ verwendet, wie in 9 gezeigt, der Prozessor die Entfernungen d₁, d₂ zum Erzeugen von zwei Kreisen 78₁ , 78₂ . Unter der Verwendung der Zeitdifferenz Δt₁ kann wie folgt eine Hyperbel 86₁ konstruiert werden.
Alle Punkte entlang der Hyperbel 86₁ empfangen die globalen Pilotsignale 52₁ , 52₂ von den synchronisierten Basisstationen 36₁ , 36₂ mit der selben Zeitdifferenz Δt₁. Die Zeitdifferenz Δt₁ kann durch Einsetzen von Δt₁ für t₁ und Δd₁ für d₁ in der Gleichung 1 in eine Entfernungsdifferenz Δd₁ umgewandelt werden. Unter der Verwendung der Entfernungsformel und X, Y als dem Standort der Teilnehmereinheit 40₁ ergibt sich die folgende Gleichung:
Durch Verwendung der Gleichung 8 mit den Gleichungen 3 und 4 in einer Maximum-Likelihood-Schätzung kann der Standort der Teilnehmereinheit 40₁ bestimmt werden. Der Standort der Teilnehmereinheit wird nachfolgend an das nächste Polizeirevier 74₁ , 74₂ ... 74_n und an eine Rettungswagenleitstelle 76 im Zellbereich gesendet.
Um die Genauigkeit zu verbessern, werden zusätzliche Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n verwendet. 10 zeigt die Verwendung der Erfindung mit drei Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36₃ . Die Entfernungen d₁, d₂, d₃ werden zum Erzeugen von drei Kreisen 78₁ , 78₂ ... 78₃ verwendet. Unter der Verwendung der Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ werden zwei sich schneidende Hyperbeln 86₁ , 86₂ konstruiert. Mit einer Maximum-Likelihood-Schätzung ergibt die Standortberechnung der Teilnehmereinheit mit zwei Hyperbeln 86₁ , 86₂ und drei Kreisen 78₁ , 78₂ , 78₃ eine größere Genauigkeit.
Wie in 8 gezeigt, muss die Teilnehmereinheit 40₁ jede globale Pilotchipcodesequenz verarbeiten, um die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ ... Δt_n zu bestimmen. Bei einer alternativen Vorgehensweise wird der Teilnehmereinheit 40₁ die Verarbeitung abgenommen.
Gemäß 6 synchronisiert die mobile Einheit 40₁ den zugewiesenen Piloten mit einer der Global-Pilot-Chipcodesequenzen der Basisstation, wie zum Beispiel der am nächsten liegenden Basisstation 36₁ , mit einer Verzögerung von τ₁. Der zugewiesene Pilot 50₁ wird an alle Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n gesendet. Der zugewiesene Pilot 50₁ wird bei jeder Basisstation mit einer entsprechenden Verzögerung τ₁ + τ₁, τ₁ + τ₂, τ₁ + τ₃ empfangen. Jede Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n sendet dann die verzögerte Chipcodesequenz zusammen mit der berechneten Entfernung an einen Prozessor 68, der in einer NIU 34₁ oder einer Ortsvermittlungsstelle 32 angeordnet ist. Der Prozessor 68 berechnet dann die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ ... Δt_n durch Vergleichen der empfangenen zugewiesenen Pilotchipcodesequenzen. Da alle empfangenen zugewiesenen Pilotchipcodesequenzen um τ₁ verzögert sind, fällt die Verzögerung τ₁ aus den resultierenden Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ ... Δt_n heraus. Demgemäß kann die Teilnehmereinheit 40₁ unter der Verwendung der Hyperbeln 86₁ , 86₂ , wie zuvor beschrieben, lokalisiert werden.
Die 11, 12 und 13 zeigen eine Basisstation 36₁ mit mehreren Antennen 88₁ , 88₂ ... 88_n . Zwei der Antennen 88₁ , 88₂ liegen entlang einer Mittellinie 92 um, wie in 11 gezeigt, einen bekannten Abstand I auseinander. Beide Antennen 88₁ , 88₂ empfangen das zugewiesene Pilotsignal 90₁ , 90₂ von der Teilnehmereinheit 40₁ . Die Antenne 88₂ , die von der Teilnehmereinheit 40₁ weiter entfernt ist, empfängt jedoch das Signal über eine etwas längere Entfernung d₁' und mit einer leichten Verzögerung bezüglich der näheren Antenne 88₁ . Diese Verzögerung führt, wie in 13 gezeigt, zu einer Trägerphasendifferenz Φ zwischen den bei der jeweiligen Antenne empfangenen Signalen. Ein Prozessor 66 kann unter der Verwendung der empfangenen Trägerphasendifferenz und der Chipcodesequenz, die vom jeweiligen Wiederherstellungsmittel 96₁ , 96₂ ... 96_n des zugewiesenen Pilotchipcodes wieder hergestellt wurde, den Standort der Teilnehmereinheit 40₁ wie folgt bestimmen.
Wie in 12 gezeigt, ist die Teilnehmereinheit 40₁ in einer Entfernung d₁ in einem Winkel α von der Mittellinie 92 der Antennen 88₁ , 88₂ gelegen. Wie im Maßstab von 12 zu sehen, erscheinen die beiden empfangenen zugewiesenen Pilotsignale 90₁ , 90₂ als koinzident. Wie in 11 gezeigt, sind die empfangenen zugewiesenen Pilotsignale 90₁ , 90₂ jedoch leicht voneinander getrennt. Das empfangene zugewiesene Pilotsignal 90₁ , das zur ersten Antenne 88₁ zurück gelangt, legt eine Entfernung d₁ zurück. Das empfangene zugewiesene Pilotsignal 90₂ , das zur zweiten Antenne 88₂ zurückkehrt, legt eine etwas längere Entfernung d₁' zurück. Wie in 11 gezeigt, ist die Differenz zwischen den beiden Entfernungen d₁, d₁' eine Entfernung m.
Da die Entfernungen d₁, d₁' zwischen den Antennen 88₁ , 88₂ und der Teilnehmereinheit 40₁ viel größer als die Entfernung I zwischen den Antennen 88₁ , 88₂ sind, folgen die empfangenen zugewiesenen Pilotsignale 90₁ , 90₂ ungefähr parallelen Pfaden. Durch Konstruieren eines rechtwinkligen Dreiecks unter der Verwendung eines Punkts 94, der sich in einer Entfernung d₁ von der Teilnehmereinheit 40₁ , wie in 11 gezeigt, befindet, kann der Winkel α durch das folgende geometrische Verhältnis bestimmt werden: α = cos–1 (m/l). Gleichung (9)
Die Entfernung m kann durch die Verwendung einer Trägerphasendifferenz Φ zwischen den beiden empfangenen Signalen 90₁ , 90₂ wie folgt bestimmt werden:
Die Entfernung m ist gleich der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen Φ im Radians, multipliziert mit der Wellenlänge des Signals λ, geteilt durch 2π. Die Wellenlänge λ kann von der bekannten Frequenz f des zugewiesenen Pilotsignals wie folgt abgeleitet werden: λ = c/f. Gleichung (11)
Der Prozessor 68 vergleicht auch die Chipcodesequenzen der Global-Pilot-Erzeugungsmittel 42₁ mit der wieder hergestellten zugewiesenen Pilot-Chipcodesequenz zum Bestimmen der Entfernung d₁, wie in 6 gezeigt. Unter der Verwendung sowohl des Winkels α als auch der Entfernung d₁ lokalisiert der Prozessor 66₁ die Teilnehmereinheit 40₁ unter der Verwendung einfacher Geometrie. Es gibt viele Verfahren, die dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt sind, zum Eliminieren der Mehrdeutigkeit zwischen Standorten über und unter den Antennen 88₁ , 88₂ . Ein solches Verfahren ist der Einsatz von Antennen mit der Verwendung einer Sektorisierung. Danach wird der Standort der Teilnehmereinheit an die Reviere 74₁ , 74₂ ... 74_n und die Rettungswagenleitstelle 76 gesendet. Zusätzliche Antennen können zum Verbessern der Genauigkeit des Systems verwendet werden.
Eine Alternative würde darin bestehen, mehr als eine Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n zu verwenden. Ein Prozessor 68, der entweder in einer NIU 34₁ oder einer Ortsvermittlungsstelle 32 untergebracht ist, sammelt Entfernungs- und Winkelinformation von mehr als einer Basisstation 36₁ , 36₂ ... 36_n sowie die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ ... Δt_n zwischen den Basisstationen 36₁ , 36₂ ... 36_n . Unter der Verwendung des Maximum-Likelihood-Schätzverfahrens bestimmt der Prozessor 68 einen genaueren Standort der Teilnehmereinheit 40₁ .
14 zeigt eine Mehrwegeausbreitung. Ein Signal, wie zum Beispiel ein globales Pilotsignal, wird von einer Basisstation 36₁ ausgesendet. Das Signal folgt einer Vielzahl von Pfaden 98₁ , 98₂ ... 98_n zwischen der Basisstation 36₁ und der Teilnehmereinheit 40₁ .
15 ist eine Kurvendarstellung, welche die Impulsantwort 100 der empfangenen Mehrwegekomponenten zeigt. Da jede empfange Mehrwegekomponente einen anderen Weg zurücklegt, trifft sie bei einem Empfänger mit einer durch die Länge des Weges 98₁ , 98₂ ... 98_n bestimmten Ausbreitungsverzögerung ein. Die Impulsantwort 100 zeigt die kollektive Signalstärke aller Mehrwegekomponenten, die bei der jeweiligen Ausbreitungsverzögerung empfangen wurden.
Die vorhergehend beschriebenen Teilnehmereinheits-Lokalisierungsverfahren nahmen an, dass sich die Teilnehmereinheit 40₁ mit der Luftlinien-Mehrwegekomponente 98₁ synchronisiert, welche die Entfernung d₁ zurücklegt. Wenn sich die Teilnehmereinheit jedoch mit einer Mehrwegekomponente 98₁ , 98₂ ... 98_n synchronisiert, die nicht der Luftlinie folgt, entsteht, wie in 15 gezeigt, bei der Entfernungsberechnung ein Fehler aufgrund der Verzögerung MD₁.
16 ist ein System, das Mehrwegefehler korrigiert. Der globale Pilot 50₁ wird von der Basisstation 36₁ an die Teilnehmereinheit 40₁ gesendet. Die Teilnehmereinheit 40₁ sammelt alle Mehrwegekomponenten unter der Verwendung eines Mehrwegeempfängers 102₁ , wie er zum Beispiel in der US-Patentanmeldung Nr. 08/669,769 (Lomp et al.) offenbart ist. Ein Prozessor 82₁ in der Teilnehmereinheit 40₁ analysiert die Impulsantwort 100 des empfangenen globalen Pilotsignals 50₁ .
Da die Luftlinien-Mehrwegekomponente 98₁ die kürzeste Entfernung d₁ zurücklegt, ist die als erste empfangene Komponente 98₁ die Luftlinienkomponente. Wenn die Luftlinienkomponente nicht empfangen wird, ist die erste empfangene Komponente 98₁ die am nächsten Liegende und demnach die beste verfügbare Schätzung für die Luftlinienkomponente. Der Prozessor 82₁ vergleicht die Chipcodesequenz der ersten empfangenen Komponente 98₁ mit der Chipcodesequenz, die zum Synchronisieren der zugewiesenen Pilotchipcodesequenz verwendet wurde. Der Vergleich ergibt die Verzögerung aufgrund der Mehrwegeausbreitung MD₁. Die Mehrwegeverzögerung MD₁ wird an die Basisstation 36₁ gesendet.
Ein Prozessor 66₁ und ein Mehrwegeempfänger 104₁ in der Basisstation 36₁ führen die selbe Analyse am empfangenen zugewiesenen Pilotsignal durch. Als Ergebnis wird die Mehrwegeverzögerung MD₂ des zugewiesenen Pilotsignals bestimmt. Zusätzlich stellt das Mehrwegeverzögerungs-Wiederherstellungsmittel 106₁ die Mehrwegeverzögerung MD₁ des übertragenen globalen Pilotsignals zur Verwendung durch den Prozessor 66₁ wieder her. Der Prozessor 66₁ vergleicht die erzeugte Global-Pilot-Chipcodesequenz mit der wieder hergestellten zugewiesenen Pilot-Chipcodesequenz zum Bestimmen der Umlaufzeit 2τ₁. Zum Korrigieren der Mehrwegeausbreitung subtrahiert der Prozessor 66₁ sowohl die Mehrwegeverzögerung MD₁ des globalen Pilotsignals als auch die Mehrwegeverzögerung MD₂ des zugewiesenen Pilotsignals von der berechneten Umlaufzeit 2τ₁ . Die korrigierte Umlaufzeit wird zum Bestimmen des Standorts der Teilnehmereinheit in einem der zuvor beschriebenen Verfahren verwendet.
Auch wenn die vorliegende Erfindung teilweise unter eingehender Bezugnahme auf bestimmte spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, sollen diese Einzelheiten unterrichtenden und keinen einschränkenden Charakter haben. Vom Fachmann wird eingesehen werden, dass im Umfang der Ansprüche viele Variationen des Aufbaus und des Betriebs möglich sind.

Claims

Verfahren zum geografischen Lokalisieren einer Teilnehmereinheit (40₁ ) unter der Verwendung mehrerer Basisstationen (36) in einem drahtlosen CDMA-Kommunikationssystem, wobei jede Basisstation (36) für jedes empfangene erste Signal, ein erstes Spreizspektrumssignal mit einem ersten Code sendet, die Teilnehmereinheit (40₁ ) ein zweites Spreizspektrumssignal mit einem zweiten Code an die Basisstation (36) dieses empfangenen ersten Signals zeitsynchronisiert mit diesem empfangenen ersten Signal sendet, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: bei der Teilnehmereinheit (40₁ ) für jedes empfangene erste Signal, Analysieren einer Impulsantwort von Mehrwegekomponenten dieses empfangenen ersten Signals zum Bestimmen einer ersten empfangenen Komponente; bei jeder Basisstation (36), Analysieren einer Impulsantwort von Mehrwegekomponenten des empfangenen zweiten Signals dieser Basisstation zum Bestimmen einer ersten empfangenen Komponente; für jede Basisstation (36), Bestimmen einer Entfernung zwischen der Basisstation (36) und der Teilnehmereinheit (40₁ ) teilweise auf der Grundlage einer Zeitdifferenz zwischen dem zweiten Code des empfangenen zweiten Signals und dem ersten Code des gesendeten ersten Signals dieser Basisstation und der bestimmten ersten empfangenen Komponente für das empfangene zweite Signal dieser Basisstation; und Bestimmen des Standorts der Teilnehmereinheit (40₁ ) teilweise auf der Grundlage der bestimmten Entfernungen, einem festen Standort jeder Basisstation (36) und einer Maximum-Likelihood-Schätzung.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (36) miteinander zeitsynchronisiert sind; die Teilnehmereinheit (40₁ ) eine Zeitdifferenz des Empfangs zwischen den empfangenen ersten Signalen bestimmt und eine Darstellung der Zeitdifferenz aussendet; und die Maximum-Likelihood-Schätzung die bestimmte Zeitdifferenz zum Bestimmen des Teilnehmereinheitsstandorts verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (36) miteinander zeitsynchronisiert sind; eine Zeitdifferenz des Empfangs zwischen dem empfangenen zweiten Signal einer jeden Basisstation bestimmt wird; und die Maximum-Likelihood-Schätzung die bestimmte Zeitdifferenz zum Bestimmen des Teilnehmereinheitsstandorts verwendet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maximum-Likelihood-Schätzung eine Formel für eine der jeweiligen Zeitdifferenz zugeordneten Hyperbel und einer Formel für einen der jeweiligen bestimmten Entfernung zugeordneten Kreis verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Senden eines jeden zweiten Signals mit der bestimmten ersten empfangenen Komponente seines empfangenen ersten Signals zeitsynchronisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Teilnehmereinheit (40₁ ) für jede Basisstation (36) eine Darstellung einer Zeitdifferenz zwischen der ersten empfangenen Komponente und einer Synchronisationszeit des gesendeten zweiten Signals dieser Basisstation (36) sendet.
Drahtloses CDMA-Kommunikationssystem zum Lokalisieren einer Teilnehmereinheit (40₁ ) unter der Verwendung mehrerer Basisstationen (36), wobei jede Basisstation (36) für jedes empfangene erste Signal ein erstes Spreizspektrumssignal mit einem ersten Code sendet, wobei die Teilnehmereinheit (40₁ ) ein zweites Spreizspektrumssignal mit einem zweiten Code an die Basisstation (36) des empfangenen ersten Signals zeitsynchronisiert mit diesem empfangenen ersten Signal sendet, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Teilnehmereinheit (40₁ ) eine Einrichtung (82₁ ) für jedes empfangene erste Signal zum Analysieren einer Impulsantwort von Mehrwegekomponenten dieses empfangenen ersten Signals zum Bestimmen einer ersten empfangenen Komponente umfasst; jede Basisstation (36) eine Einrichtung (66) zum Analysieren einer Impulsantwort von Mehrwegekomponenten des empfangenen zweiten Signals dieser Basisstation zum Bestimmen einer ersten empfangenen Komponente, eine Einrichtung zum Bestimmen einer Entfernung zwischen dieser Basisstation (36) und der Teilnehmereinheit (40) teilweise auf der Grundlage einer Zeitdifferenz zwischen dem zweiten Code des empfangenen zweiten Signals und dem ersten Code des gesendeten ersten Signals und der bestimmten ersten empfangenen Komponente für das empfangene zweite Signal dieser Basisstation umfasst; und eine Einrichtung (66, 68, 70) zum Bestimmen des Standorts der Teilnehmereinheit teilweise auf der Grundlage der bestimmten Entfernungen, einem festen Standort jeder Basisstation (36) und einer Maximum-Likelihood-Schätzung.
System nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (36) miteinander zeitsynchronisiert sind; die Teilnehmereinheit (40₁ ) eine Einrichtung (82₁ ) zum Bestimmen einer Zeitdifferenz des Empfangs zwischen den empfangenen ersten Signalen; und eine Einrichtung (60₁ ) zum Aussenden einer Darstellung der Zeitdifferenz aufweist; und die Maximum-Likelihood-Schätzung die bestimmte Zeitdifferenz zum Bestimmen des Teilnehmereinheitsstandorts verwendet.
System nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstationen (36) miteinander zeitsynchronisiert sind; das System weiter eine Einrichtung (66, 68, 70) zum Bestimmen einer Zeitdifferenz des Empfangs zwischen dem empfangenen zweiten Signal einer jeden Basisstation umfasst; und die Maximum-Likelihood-Schätzung die bestimmte Zeitdifferenz zum Bestimmen des Teilnehmereinheitsstandorts verwendet.
System nach Anspruch 8 oder 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maximum-Likelihood-Schätzung eine Formel für eine der jeweiligen Zeitdifferenz zugeordneten Hyperbel und einer Formel für einen der jeweiligen bestimmten Entfernung zugeordneten Kreis verwendet wird.
System nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Senden eines jeden zweiten Signals mit der bestimmten ersten empfangenen Komponente seines empfangenen ersten Signals zeitsynchronisiert ist.
System nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Teilnehmereinheit (40₁ ) eine Einrichtung (60₁ ) zum Senden für jede Basisstation (36) einer Darstellung einer Zeitdifferenz zwischen der Komponente der kürzesten Luftlinie und einer Synchronisationszeit des gesendeten zweiten Signals dieser Basisstation (36) umfasst.