Herausforderungen – Positionsbestimmung und Navigation

Der Abruf der Wettervorhersage beim Frühstück oder die Navigation zur Hauptverkehrszeit sind nur zwei Beispiele für Apps, die es Smartphone-Benutzern ermöglichen, von standortbezogenen Diensten (LBS) zu profitieren. Wie können dieses Apps so schnell die präzise Position des Telefons ermitteln?

LBS-Applikationen

LBS-Diagramm

LBS ist ein wachsendes Marktsegment, unter anderem mit der Bestimmung des Standorts eines Mobilgeräts für verschiedene Notfallanwendungen (E911, eCall) sowie kommerziellen Anwendungen, wie beispielsweise soziale Medien, RCS, Mapping und geo-basierte Werbung. Immer leistungsfähigere Smartphones, höchste Datengeschwindigkeiten über LTE sowie die Forderung der Verbraucher, „immer online“ zu sein, bedeutet, dass die Anzahl und die Art der LBS-Anwendungen in den kommenden Jahren massiv zunehmen wird. Aufgrund der Zunahme von LBS als ganzer Industriezweig nimmt auch die Nachfrage nach einer skalierbaren LBS-Testlösung zu, die alle LBS-Testsegmente abdeckt (Forschung und Entwicklung, Protokollkonformität, HF-Mindestleistung und OTA) und die von Mobilfunknetzbetreibern verwendeten Ortungstechniken und Protokolle unterstützt.

GNSS-basierte Ortung

Die primäre Methode für die Standortbestimmung basiert auf Satelliten im Weltraum als Teil des GNSS (Global Navigation Satellite System). Das allgemein bekannteste GNSS ist GPS, das von der US-Regierung betrieben und verwaltet wird. Moderne Geräte unterstützen jedoch gleichzeitig mehrere GNSS-Konstellationen (z. B. GPS und Glonass), um die Anzahl der sichtbaren Satelliten zu erhöhen. Weitere GNSS-Konstellationen wie beispielsweise Galileo und BeiDou befinden sich aktuell in der Entwicklung, was die Komplexität des GNSS-basierten Testens weiter steigert.

GNSS-Empfängertests sind nur dann aussagefähig, wenn sie unter kontrollierten, wiederholbaren und realistischen Bedingungen durchgeführt werden. Aus diesem Grund werden Ortungsgeräte in der Regel unter Verwendung eines GNSS-Simulators getestet und charakterisiert. Eine GNSS-Simulation muss die eigentliche Satelliten-Konstellation berücksichtigen (um eine korrekte Simulation der Satellitenumlaufbahnen durchführen zu können), die Eigenschaften der Signalausbreitung, die Eigenschaften der Empfangsantenne und die Empfängerumgebung. Ebenfalls Teil des Simulationsprozesses ist die realistische Modellierung der Benutzerbewegungen, wobei die Fahrzeuglage berücksichtigt wird. Störungen und Störsignale müssen generiert werden, um eine realitätsnahe Umgebung zu simulieren.

Ortung in kritischen Umgebungen: assisted GNSS (A-GNSS)

Assisted GNSS (A-GNSS) wird von Mobilfunkgeräten verwendet, um die Leistung zu verbessern, indem eine schnellere TTFF (Time to First Fix) und eine verbesserte Empfindlichkeit unterstützt werden. In A-GNSS unterstützt das zellulare Netzwerk den GNSS-Empfänger, indem es Assistenzdaten für die sichtbaren Satelliten bereitstellt. Die Assistenzdaten können zwischen dem Drahtlosnetzwerk und dem Gerät entweder über die Steuerbene (C-Ebene) unter Verwendung der Steuerkanäle und Signalisierung gemäß 3GPP (LPP, RRLP oder RRC) ausgetauscht werden, oder über die Benutzerebene (U-Ebene) über einen IP-Kanal unter Verwendung von SUPL (Secure User Plane Location), definiert von der Open Mobile Alliance (OMA). Die Assistenzdaten variieren außerdem abhängig vom GNSS und dem verwendeten Mobilfunkstandard, beispielsweise LTE, WCDMA oder GSM.

Um sicherzustellen, dass ein Mobilfunkgerät mit einem A-GNSS-Empfänger ordnungsgemäß funktioniert und konform zu den relevanten 3GPP- und 3GPP2-Spezifikationen ist, muss die Testlösung in der Lage sein, alle Drahtlos- und GNSS-Standards in einem Gerät zu unterstützen.

Netzbasierte Ortung

LTE-Erweiterungen umfassen die Unterstützung netzwerkbasierter Ortungsannäherungen: es wurden neue Referenzsignale zur Positionierung (PRS) eingeführt. Das Mobilfunkgerät misst die OTDOA (Observed Time Difference of Arriva) von PRS von mehreren eNBs und meldet diese Messungen zurück an das Netzwerk, um Positionsannäherungen ermitteln zu können. Die Technologie hinter LBS ist aufgrund der verfügbaren Techniken für die Positionsbestimmung kompliziert und vielfältig: satellitenbasiert, netzwerkbasiert oder hybrid. Erhöht wird diese Komplexität durch die Anzahl der verfügbaren GNSS-Konstellationen (GPS, Glonass, BeiDou, Galileo usw.) und Protokolle für den A-GNSS-Datenaustausch (LPP, RRLP, RRC) über die C-Ebene und die U-Ebene.

Hybride Positionsbestimmung

Umgebungen mit beschränkter Leistung benötigen eine Kombination unterschiedlicher Ortungstechniken, wie beispielsweise A-GNSS und OTDOA/eCID, um die Position zu berechnen. Die hybride Positionsbestimmung kann genutzt werden, um satellitenbasierte und netzwerkbasierte Ortungsmethoden zu kombinieren, um die Position (erste Korrektur) zu bestimmen, wenn eine einzelne Ortungsmethode wie A-GPS, A-Glonass, A-BeiDou, OTDOA oder eCID nicht ausreichend ist, um eine Position zu erhalten.

Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz bietet eine umfangreiche Palette an Testlösungen für alle Aspekte der LBS-Tests, um sicherzustellen, dass alle für die Ortung verwendeten Komponenten nahtlos zusammenarbeiten.

Für die GNSS-Empfängercharakterisierung ist der R&S®SMBV100A, ein vollfunktionaler und flexibler Vektorsignalgenerator, die ideale Wahl. Der R&S®SMBV100A bietet verschiedene GNSS-Optionen, unter anderem GPS, Glonass, Galileo und BeiDou, die individuell kombiniert werden können, um die erforderlichen Testanforderungen zu erfüllen. Diese Lösung macht es einfach, realistische Bedingungen zu simulieren, wie beispielsweise atmosphärische Einflüsse, Mehrwegeausbreitung und Signalabschattung aufgrund von Gebäuden, Antennenmustern und Fahrzeugbewegung.

Das R&S®TS-LBS Testsystem bietet eine vollständige Testabdeckung von standortbezogenen Diensten von der Forschung und Entwicklung bis hin zur Konformität. Es deckt alle wichtigen 3GPP-Mobilfunkstandards ab, wie beispielsweise GSM, WCDMA und LTE, und berücksichtigt alle modernen Positionsbestimmungsverfahren, einschließlich A-GNSS, OTDOA/eCID und hybrid, ebenso wie die Steuerebene und die Benutzerebene, Field to Lab und Positionsberechnung. Das R&S®TS-LBS ist ein vollständig automatisiertes Konformitätstestsystem, das validierte Protokollkonformität, Mindestleistung und Carrier-Acceptance-Testfälle im Hinblick auf Design, Vorzertifizierung und Bauartgenehmigung unterstützt. Basierend auf dem Multistandard-fähigen R&S®CMW500 Wideband Radio Communication Tester und dem R&S®SMBV100A GNSS-Simulator ist das R&S®TS-LBS eine skalierbare Lösung, die an alle LBS-Testanforderungen angepasst werden kann.

Positionsbestimmung und Navigation – Messtechniklösungen

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