DE19908728C2

DE19908728C2 - Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten des geographischen Ortes eines mobilen GSM-Endgerätes

Info

Publication number: DE19908728C2
Application number: DE1999108728
Authority: DE
Inventors: Bernd Becker
Original assignee: MAZ MIKROELEKTRONIK ANWENDUNGS
Current assignee: MAZ MIKROELEKTRONIK ANWENDUNGS
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: DE19908728A1; EP1033583A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten des geographischen Ortes eines mobilen GSM- Endgerätes (MS), indem die vom Abstand des Endgerätes zur Basisstation abhängigen Signallaufzeiten eingesetzt werden, um aus den ermittelten Signallaufzeiten für mindestens zwei - bei Rundstrahlern mindestens drei - dem Endgerät benachbarte Basisstationen die Abstandsradien mit den zugehörigen Toleranzen und deren gemeinsamen Schnittpunktsbereich als geographischen Ort des Endgerätes zu bestimmen.

Ein derartiges Verfahren zum Bestimmen der Koordinaten des geographischen Ortes eines mobilen Endgerätes ist bekannt (CAFFERY, J. Jr.: STÜBER, G. L.: Subscriber Locations in CDMA Cellular Networks. In: IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol. 47, No. 2, 1998, S. 406-416).

Dabei erfolgt die Ortsbestimmung derart, daß die vom Abstand des Endgerätes zur Basisstation abhängigen Signallaufzeiten eingesetzt werden, um aus den ermittelten Signallaufzeiten zumindest drei dem Endgerät benachbarte Basisstationen die Abstandsradien mit den zugehörigen Toleranzen und deren gemeinsamen Schnittpunkten als geographischen Ort des Endgerätes zu bestimmen.

Bevor auf die vorliegende Erfindung näher eingegangen wird, werden die verwendeten Abkürzungen und Begriffe definiert.
GSM: Global System for Mobile communication
MS: Mobile Station - mobiles GSM Endgerät
BS: Base Station - Basisstation im GSM Netz
GSM 03.22, GSM 05.08, GSM 05.10: Technische Spezifikation für das GSM Netz der ETSI
ETSI: European Telecommunications Standards Institute, 650 Route des Lucioles, Sophia Antipolis, Valbonne, France
Zeitmultiplex: Verfahren, um mehrere Übertragungskanäle auf einer Trägerfrequenz abzubilden. Hierzu werden im festen Zeitraster die Kanäle hintereinander übertragen
Zeitschlitz: Zeitfenster für einen Kanal beim Zeitmultiplexverfahren
TA: Timing Advance - GSM interner Parameter, um Signallaufzeiten, die sich durch unterschiedliche Abstände vom MS und BS ergeben, zu kompensieren
Uplink: Datenübertragungsverbindung von MS zu BS
Downlink: Datenübertragungsverbindung von BS zu MS
BCCH: Braodcast Control Channel - Identifikations- und Synchronisierungskanal einer Basisstation
c = 300 000 km/s: Lichtgeschwindigkeit.

Im GSM-Netz werden Daten im Zeitmultiplexverfahren übertragen. Hierbei muß gewährleistet werden, daß Uplink- Daten (von MS zu BS) in drei Zeitschlitzen (468,75 Bitlängen, GSM 05.10, Kapitel 6.4) nach Senden der Downlink- Daten von der BS empfangen werden. Je nach Abstand von MS zu BS entstehen unterschiedliche Signallaufzeiten in der Luftstrecke. Um diese Laufzeiten auszugleichen, muß die MS den Sendezeitpunkt des Uplink-Signals einstellen. Hierzu mißt die BS die Zeit zwischen gesendeten und empfangenen Daten und teilt die Abweichung zu den vorgeschriebenen drei Zeitschlitzen der MS in bestimmten Stufen mit. Eine Stufe entspricht der Laufzeit einer Bitperiode (48/13 µs, siehe GSM 05.10, Anhang A.1.1). Es sind 64 solcher Stufen vorgesehen, die der MS als Systemparameter Timing Advance (TA) übermittelt werden. TA kann Werte zwischen 0 und 63 annehmen. Eine Veränderung von TA um 1 entspricht einer Abstandsänderung d zwischen MS und BS um etwa 554 m. Dieser Wert ergibt sich aus folgender Formel:

Man kann den Wert TA zur Abstandsbestimmung zwischen einer MS und der BS nutzen. Laut GSM 05.10, Kapitel 6.10 darf eine MS eine Abweichung von ± 1 Bitperiode gegenüber der Sollverzögerung zwischen Empfangs- und Sendesignal haben. Der Abstand D der MS zur BS ergibt sich dann zu:

D = TA.d - q

mit -d ≦ q ≦ d

Dementsprechend ist eine Abstandsbestimmung in 554 m- Schritten mit einer Toleranz q von ± 554 m möglich.

Die Toleranz q ist durch konstruktive Maßnahmen bekannt und konstant. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Abstand D zwischen MS und BS von 554 m zu bestimmen.

Die MS kann die Uplink-Daten in Zeitschritten T_S relativ zum Sollsendezeitpunkt (drei Zeitschlitze abzüglich TA, vgl. GSM 05.10) verzögern. Hierdurch wird eine Vergrößerung der Entfernung von MS zu BS simuliert. Die Anzahl der Verzögerungsschritte wird so lange erhöht, bis die BS den Parameter TA um eins erhöht. Anhand der Anzahl dieser Schritte N_S ergibt sich als Abstand zwischen MS und BS der Wert D':

D' = TA.d - N_S.d'

mit d' = T_S.c Abstandsstufe

Wird als Zeitschritt T_S der Wert von 1/13 µs gewählt, ergibt sich als Abstandsstufe d'

Somit wird eine Abstandsmessung ohne Einbeziehung der dynamischen Fehler auf 23 m genau ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß dieses mit deutlich erhöhter Genauigkeit die Koordinaten des geo graphischen Ortes eines mobilen GSM-Endgerätes liefern kann.

Dies wird dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Mobilstation beginnt, die zu einer ersten Basisstation ausgesendeten Signalpakete schrittweise zu verzögern, wobei diese Schritte einem Bruchteil des Timingadvancesignal-Zeitinkrements und damit einer scheinbaren Vergrößerung des Abstands zu der Basisstation entsprechen,
dass die Basisstation bei Auftreten einer bestimmten Verzö gerungszeit - wie bislang bei einer tatsächlichen Erhöhung der Entfernung Basisstation-Mobilstation den Wert des Timingadvancesignals inkrementiert an die Mobilstation ausgibt,
dass in der Mobilstation aus der Anzahl der Verzögerungs schritte und dem Wert des Timingadvancesignals die Entfernung zur Basisstation errechnet wird,
dass die Mobilstation dieses Verfahren mit mindestens einer weiteren Basisstation durchführt, und
dass die Mobilstation selbst oder die Mobilstation über einen Provider aus den ermittelten Entfernungen den Schnittbereich und damit den Ort der Mobilstation ermittelt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der einzigen Figur der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Diese zeigt schematisch, wie der Ort A eines mobilen GSM- Gerätes über drei Basisstationen ermittelt wird.

Folgende Voraussetzungen müssen gegeben sein:

- Die MS muß an ihrem Standort in der Lage sein, mit mindestens drei Basisstationen zu kommunizieren.
- Der Standort der Basisstationen muß bekannt sein.

Durch Verwendung der Abstandswerte von drei Basisstationen BS1 bis BS3 kann der Aufenthaltsort A einer MS berechnet werden. Dieser Ort A ist Schnittpunkt bzw. Schnittbereich der Abstandsradien zwischen den drei Basisstationen und der MS.

Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind

1. die übliche Laufzeitmessung zwischen Mobilstationen und Basisstationen wird zur Abstandsbestimmung von der Mobilstation und der Basisstation genutzt,
2. die tatsächliche Laufzeitmessung wird durch eine künstliche zeitliche Verzögerung in der Mobilstation manipuliert,
3. die künstliche zeitliche Verzögerung wird höher aufgelöst als 1 bit-Periode,
4. keine Modifikationen durch den Netzwerkbetreiber sind notwendig,
5. bekannte systematisch konstante Fehler der Mobilstation werden eliminiert,
6. beliebig viele Basisstationen können zu Abstandsmessungen benutzt werden,
7. die Abstandsmessungen können von mehreren Basisstationen zu einer Ortsbestimmung verwendet werden.

Nachdem die vorangehend beschriebene Entfernungsermittlung abgeschlossen und die Entfernungsdaten gespeichert wurden, bucht sich die MS aus der verwendeten Basisstation aus und bucht in die nächste Basisstation nach der Liste der erreichbaren BCCH Träger ein. Daraufhin führt die MS die Entfernungsermittlung zu dieser neuen Basisstation aus. Falls weitere Abstandsmessungen erwünscht sind, wird dieser Vorgang wiederholt, das heißt, die MS bucht sich in eine weitere Basisstation ein, bis die erforderliche Anzahl der Abstandsmessungen erreicht ist. Bei diesem Verfahren ist es nicht zwingend erforderlich, daß die erste ausgewählte Basisstation die stärkste erreichbare ist. Die Reihenfolge der nacheinander ausgewählten Basisstationen ist vielmehr frei wählbar. Beispielsweise kann mit der stärksten erreichbaren Basisstation die letzte Entfernungsmessung durchgeführt werden, um dann in dieser Basisstation eingebucht zu bleiben.

Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung zur Ortsbestimmung einer MS unter Ermittlung der Häufigkeit, mit der sich ein MS an einem bestimmten Ort befindet

Nachdem die BS den Parameter TA bestimmt und zur MS gesendet hat, wird die Zeitspanne zwischen Sende- und Empfangsdaten mit einer Abtastfrequenz _a bestimmt, die größer als _b ist. Die Differenz dieser Zeitspanne zu den vorgeschriebenen drei Zeitschlitzen ist der Parameter Δt.

Aus der Zeitdifferenz Δt und der Abtastfrequenz _a ergibt sich die Anzahl der Abtastungen:

N = Δt._a

Bei einer Abtastfrequenz _a von z. B. 13 MHz ergeben sich Abstandsstufen zwischen MS und BS von d' = 11,5 m:

mit _a = 13 MHz Abtastfrequenz

Nun ergibt sich als Abstand zwischen MS und BS der Wert D':

D' = TA.d ± d + N.d' = D + N.d'

Die Toleranz von ± 554 m ist vom MS her bedingt.

Die Abweichung von der Sollverzögerung zwischen Empfangs- und Sendesignal einer MS muß für diese MS konstant sein.

Nimmt eine MS über eine BS Kontakt mit einem Mobilfunknetz auf, kann beim Mobilfunknetzbetreiber die Signalverzögerung zwischen Sendesignal der BS und Empfangssignal der von der MS zur BS gesendeten Daten gespeichert werden. Diese Signalverzögerung ist abhängig vom Abstand der MS zu dieser BS. Bei folgenden Verbindungen der MS zu dieser BS kann die gemessene Signal-erzögerung mit der gespeicherten verglichen werden. Befindet sich die MS in derselben Entfernung zu dieser BS, entspricht die gemessene der gespeicherten Signalverzögerung. Für den Parameter Timing Advance (TA) ergibt sich folgender Wert:

Damit ergibt sich, daß bei konstantem Abstand D auch TA konstant und unabhängig von der Abweichung zur Sollverzögerung der MS ist. Damit ist das Ergebnis der Abstandsmessung auf 554 m reproduzierbar.

Es ergibt sich der Wert für die Anzahl der Abstandsstufen:

N.d' + TA. = D' + k

mit D' Abstand zwischen MS und BS (in 11,5 m Schritten)
k Konstanter Fehler der Sollverzögerung der MS mit -d ≦ k ≦ +d;
d = 554 m

mit _a = 13 MHz Abtastfrequenz

Damit ergibt sich, daß bei konstantem Abstand D' auch N und TA konstant und unabhängig von der Abweichung zur Sollverzögerung der MS sind. Somit ist das Ergebnis der Abstandsmessung ohne Einbeziehung der dynamischen Fehler auf 11,5 m reproduzierbar, wenn _a = 13 MHz beträgt.

Vorteile des Verfahrens zur Bestimmung, ob sich ein mobiles GSM-Endgerät wiederholt an einem bestimmten Ort aufhält, sind

1. die übliche Laufzeitmessung zwischen Mobilstationen und Basisstationen wird zur Abstandsbestimmung von der Mobilstation und der Basisstation genutzt,
2. die übliche Laufzeitmessung wird durch Zeitintervalle - die kleiner sind als eine bit-Periode - höher aufgelöst, um eine höhere Genauigkeit in der Abstandsbestimmung zu erreichen,
3. die höhere Auflösung der Zeitintervalle wird an der Basisstation vorgenommen,
4. Modifikationen an der Mobilstation sind nicht notwendig,
5. systematische Fehler durch die wiederholte Abstandsbewertung werden eliminiert,
6. beliebig viele Basisstationen können zu Abstandsmessungen benutzt werden,
7. die Abstandsmessungen von mehreren Basisstationen werden zu einer Ortsbestimmung verwendet.

Verfahren nach der Erfindung zur Lokalisierung einer MS durch den Mobilfunknetzbetreiber

Nachdem die BS, wie bereits weiter oben geschildert, den Parameter TA bestimmt und zur Ms gesendet hat, wird die Zeitpanne zwischen Sende- und Empfangsdaten mit einer Abtastfrequenz _a bestimmt, die größer als _b ist. Die Differenz dieser Zeitspanne zu den vorgeschriebenen drei Zeitschlitzen ist der Parameter Δt.

N = Δt._a

Bei einer Abtastfrequenz _a von z. B. 13 MHz ergeben sich Abstandsstufen zwischen MS und BS von d' = 11,5 m.

Nun ergibt sich als Abstand zwischen MS und BS der Wert D':

D' = TA.d - q + N.d' = D + N.d'

Die Toleranz von ±554 m ist von der MS her bedingt.

Folgende Voraussetzungen müssen erfüllt sein:
Die Abweichung q der Sollverzögerung zwischen Empfangs- und Sendesignal einer MS muß für diese MS bekannt und konstant sein.

Da q bekannt und konstant ist, besteht die Möglichkeit den Abstand D in Stufen von 554 m zu bestimmen.

Unter Verwendung der bereits erläuterten Gleichung ergibt sich der Wert D' des Abstandes zwischen MS und BS:

D' = N.d' + TA.d - q

mit q Konstanter und bekannter Fehler der Sollverzögerung der

mit _a = 13 MHz Abtastfrequenz

Somit hat die Abstandsmessung ohne Einbeziehung der dynamischen Fehler eine Genauigkeit von 11,5 m, wenn _a beispielsweise 13 MHz beträgt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten des geographischen Ortes eines mobilen GSM-Endgerätes (MS), indem die vom Abstand des Endgerätes zur Basisstation abhängigen Signal laufzeiten eingesetzt werden, um aus den ermittelten Signallaufzeiten für mindestens zwei - bei Rundstrahlern mindestens drei - dem Endgerät benachbarte Basisstationen die Abstandsradien mit den zugehörigen Toleranzen und deren gemeinsamen Schnittpunktsbereich als geographischen Ort des Endgerätes zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mobilstation beginnt, die zu einer ersten Basisstation ausgesendeten Signalpakete schrittweise zu verzögern, wobei diese Schritte einem Bruchteil des Timingadvancesignal-Zeitinkrements und damit einer scheinbaren Vergrößerung des Abstands zu der Basisstation entsprechen,
dass die Basisstation bei Auftreten einer bestimmten Verzögerungszeit - wie bislang bei einer tatsächlichen Erhöhung der Entfernung Basisstation-Mobilstation - den Wert des Timingadvancesignals inkrementiert an die Mobilstation ausgibt,
dass in der Mobilstation aus der Anzahl der Verzögerungs schritte und dem Wert des Timingadvancesignals die Entfernung zur Basisstation errechnet wird,
dass die Mobilstation dieses Verfahren mit mindestens einer weiteren Basisstation durchführt, und
dass die Mobilstation selbst oder die Mobilstation über einen Provider aus den ermittelten Entfernungen den Schnittbereich und damit den Ort der Mobilstation ermittelt.