Detektion direkter Sichtverbindung zu einer UMTS-Basisstation zur verbesserten OTDOA-basierten Ortung einer Mobilstation (PDF)

Für die Ortung in terrestrischen Funknetzen sind die Ortungsverfahren OTDOA (Observed Time Difference of Arrival) und TOA (Time of Arrival) weit verbreitet. Diese sehen die Auswertung von Laufzeitdifferenzen bzw. Laufzeiten der Signale verschiedener Basisstationen in einer Mobilstation vor. UMTS-Mobilfunknetze eignen sich in besonderer Weise für eine derartige laufzeitbasierte Ortung, da die Symbolrate auf der Luftschnittstelle deutlich höher ist als bei schmalbandigen Mobilfunksystemen wie beispielsweise GSM und damit eine genauere Synchronisation ermöglicht wird. Durch dieses Potential wird eine UMTS-basierte Ortung zum Einen als Ergänzung einer satellitengestützten Ortung in kritischen Empfangssituationen interessant. Zum Anderen stellt sie eine preisgünstige Alternative für die Ortung von Mobilstationen dar.
Ein bedeutender Nachteil des OTDOA- und des TOA-Verfahrens im Mobilfunkumfeld besteht in der Notwendigkeit direkter Sichtverbindung zwischen der Mobilstation und allen am Ortungsprozess beteiligten Basisstationen. Mobilfunkkanäle sind jedoch durch ein häufiges Fehlen dieser Sichtverbindung gekennzeichnet. In Folge dessen treten bei Anwendung dieser Verfahren Zeitabweichungen auf, welche wiederum in einer geringeren Ortungsgenauigkeit resultieren. Es müssen daher geeignete Maßnahmen getroffen werden, um im Fall fehlender Sichtverbindung den Einfluss dieser Zeitabweichungen auf die geschätzte Position der Mobilstation zu reduzieren. Da eine Vielzahl hierfür geeigneter Maßnahmen zwar bei fehlender Sichtverbindung den gewünschten Effekt erzielt, im Fall existierender Sichtverbindung jedoch zu einer Verschlechterung der Positionsgenauigkeit führt, ist eine blinde Erkennung der vorherrschenden Sichtverbindungssituation von besonderem Interesse. Der in dieser Arbeit vorgestellte Algorithmus erlaubt diese Erkennung anhand der Auswertung des durch die Mobilstation empfangenen Signals.
Der Algorithmus ist Teil eines ebenfalls im Rahmen der Arbeit vorgestellten Ortungkonzepts, welches für existierende und fehlende Sichtverbindung jeweils unterschiedliche Strategien zur Schätzung der Position vorsieht. Während bei fehlender Sichtverbindung eine Ortung gemäß dem klassischen OTDOA-Verfahren erfolgt, wird bei detektierter Sichtverbindung zu einer Basisstation die verfügbare Distanzinformation in die Ortung einbezogen.
Um das vorgestellte Ortungskonzept zu verifizieren wurden Simulationen durchgeführt, welche sich allesamt an realen UMTS-Mobilfunkkonstellationen im Raum Paderborn orientieren. Alle Simulationen zeigen hohe Erkennungsraten der vorherrschenden Sichtverbindungssituation. In Folge dessen können deutlich höhere Positionsgenauigkeiten bei Verwendung des vorgestellten Ortungskonzepts gegenüber dem klassischen OTDOA-Verfahren erzielt werden.