CN112771790B - 用于操作车辆天线阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作车辆的多个天线的方法，其中，车辆在驶过外部通信基站的通信网络期间经由多个天线发射的通信信号与外部通信基站无线地通信，并且车辆具有多个天线和与天线可操作地连接的控制器。

Description

用于操作车辆天线阵列的方法

技术领域

本发明涉及用于操作车辆的多个天线的方法，其中车辆在驶过外部通信基站的通信网络/蜂窝网络期间经由多个天线所发射的通信信号与外部通信基站无线地通信。此外，本发明涉及一种车辆，其具有多个天线和与这些天线可操作地连接的控制器。

背景技术

现代车辆对无线通信、例如经由通信网络的无线通信有很高的要求。车辆的无线通信用于交换不同的信息。因此，由车辆接收或发送当前的消息和交通数据、音乐数据和视频数据以及用于车辆管理或用于与其他车辆协作的数据。车辆包括一个或多个天线用于无线通信，在无线通信时借助于这些天线发射和接收通信信号。

理想的近似点状的天线各向同性地、即相对于空间角均匀地发射和接收通信信号，并且不具有用于发射和接收通信信号的优选方向。相反，实际的天线具有由天线的结构形式所决定的、固定的方向特性，也就是说，所发射的或所接收的通信信号的信号强度根据所发射的通信信号的辐射方向或所接收的通信信号的入射方向而变化。因此，当天线相对于外部通信基站运动时，经由天线与外部通信基站的无线通信可能由于相对运动而受到无线信号的信号强度波动的影响。例如，通信连接的最大数据速率随着信号强度下降。

在现代车辆中能够安装多个天线，这些天线布置为彼此间隔开，并且共同形成车辆的天线装置。借助于设置在车辆中的、适当配置的并且与天线可操作地连接的控制器，这些天线可以在功能上连接成所谓的相控阵天线。这种天线装置也被称为天线阵列。

相控阵天线的多个天线由控制器控制以发射通信信号，这些通信信号各自具有特定的相对相位偏移。由此实现，多个天线发射的通信信号具有清楚表现的方向特性，即信号强度在优选方向上是强的，而在与优选方向不同的其他方向上是弱的。而对于利用相控阵天线接收通信信号，同样如此。相控阵天线的这种控制通常被称为数字波束形成(DBF)。

换句话说，借助相控阵天线可以将发射功率集中在优选方向上，由此提高所发射的通信信号的作用范围和/或通信连接的最大数据速率。然而，当车辆相对于外部通信基站横向于车辆和外部通信基站之间设想的连接直线运动时，这种定向通信连接可能在车辆行驶期间中断。因为车辆在行驶期间的运动可被良好地模型化，也就是说，混乱性很低，所以可以通过在车辆行驶期间预测性地跟踪优选方向来阻止通信连接中断。

US2017/223749A1公开了一种用于在车辆行驶期间在车辆和外部通信基站之间进行无线通信的方法。为了建立通信连接，车辆或外部通信基站的相控阵天线检测来自不同方向的通信信号，并且作为不同方向中所接收的通信信号的信号强度最大的那个方向，车辆或外部通信基站的控制器确定外部通信基站或车辆的相对方向。控制器控制天线装置，使得在所确定的相对方向上发射车辆或外部通信基站的通信信号。为了在车辆行驶期间保持通信连接，连续地确定相对方向，并且使天线装置的控制与所确定的相对方向适配，和/或将天线装置的控制与车辆的所检测的运动适配。

US 8,032,134B2公开了一种替代的用于在车辆行驶期间使车辆无线地与静止的外部通信基站通信的方法。在该方法中，车辆的通信系统从通信网络运营商或从外部通信基站本身获得外部通信基站的绝对位置坐标，并且连续地借助GPS(全球定位系统)确定其自身的绝对位置坐标，并且借助GOS(全球导航系统)确定其自身的方位/姿态。根据外部通信基站的绝对位置和自己的绝对位置和方位，通信系统计算基站的相对位置，并且根据所计算的相对位置调节从通信系统向外部通信基站发射的通信信号的方向特性。

为了在发射和接收通信信号时连续地跟踪优选方向，即改变明显的方向特性，需要大量的计算操作，这可能增大车辆控制器的负荷。因此，还追求减小用于连续跟踪优选方向的计算成本。

为此目的，WO 2005/031917A1公开了一种用于在两辆车辆行驶期间在第一车辆与第二车辆之间进行无线通信的方法。第一车辆计算第二车辆的相对位置作为车辆坐标中的矢量，根据所计算的相对位置选择车辆的天线系统，并且根据所选择的天线系统的方向特性和所计算的第二车辆的相对位置计算要从天线系统发射的通信信号的所需信号强度。当第一车辆与多个第二车辆无线通信时，在表中管理相应的向量。

对无线通信的需求目前已经很高、并且将随着未来几代车辆的发展而增长，这导致大量、且越来越多的耗电，并且因此降低车辆的效率，即续航里程。这种效果在电动车中被认为是特别不利的。

发明内容

本发明的目的是，提出一种改进的用于操作车辆的多个天线的方法，该方法避免了所描述的缺点并且耗电低。此外，本发明的目的是，提供一种具有多个天线和可操作地连接到天线的控制器的车辆。

本发明的一个主题是一种操作车辆的多个天线的方法，其中车辆在驶过外部通信基站的通信网络期间经由多个天线所发射的通信信号与外部通信基站无线地通信。现代车辆对于与外部通信基站进行无线通信的需求很高，并且在未来会日益增长。外部通信基站例如可以是移动通信网络的基站，该基站在其周围产生移动通信网络。

在根据本发明的方法中，根据所确定的外部通信基站的相对位置的精度来调节所发射的通信信号的信号强度和/或方向特性。换言之，在车辆行驶期间以变化的信号强度和/或方向特性与外部通信基站进行无线通信。通过改变多个天线中每一个的发射功率来改变所发射的通信信号的信号强度，并且相应地直接影响能耗，进而影响车辆的效率。通过根据所确定的外部通信基站的相对位置的精度(置信度)来灵活地改变多个天线的发射功率和/或方向特性，可以提高车辆的效率。

在一个优选的实施方式中，当所确定的相对位置的精度高时，使方向特性被显著地展现和/或将信号强度调节为低，和/或当所确定的相对位置的精度低时，使方向特性被微弱地展现和/或将信号强度调节为高。越精确地知道外部基站的相对位置，通信信号的方向特性就可以被设置得越显著，而不会中断与外部通信基站的无线通信。换句话说，通信信号被尽可能精确地对准到外部通信基站。相反，如果不了解或仅不准确地知道外部基站的相对位置，则必须各向同性或近似各向同性地发射通信信号，以保证与外部通信基站的无线通信。多个天线的方向特性被设置得越显著，通信信号的信号强度以及天线的发射功率由此就可以被减小得越多。

与外部通信基站的无线通信所需的、所发射的定向通信信号的信号强度取决于外部通信基站与车辆的距离。越准确地已知距离，所发射的通信信号的信号强度可以被设定得越小，因为不必为所发射的通信信号设置大的安全余量来保证与外部通信基站的无线通信。换句话说，较小的安全余量就足以使所发射的通信信号以高安全性到达外部通信基站。

结果，在尽可能小的空间角度范围内发射信号强度尽可能小的通信信号，这伴随着多个天线的低功耗和高效率的无线通信。

在有利的实施方式中，在行驶期间连续地确定外部通信基站的相对位置，和/或连续地调节方向特性和/或信号强度。在车辆行驶期间，当车辆相对于外部通信基站运动时，外部通信基站的相对位置连续地改变。通过连续地适配所发射的通信信号的方向特性和/或信号强度，进一步降低了车辆无线通信的能耗，这进一步提高了车辆的效率。

在另一个实施方式中，为了确定外部通信基站的相对位置，在一精度下估计外部通信基站的相对位置，通过测量来检测外部通信基站的相对位置，并且借助所检测的相对位置来更新所估计的相对位置和/或借助所检测的相对位置来提高所估计的相对位置的精度。通过估计首先得到外部通信基站的近似相对位置。例如，所述估计可以基于车辆的位置和方位以及外部通信基站的位置进行。例如可以借助GPS(全球定位系统)确定车辆的当前位置和方位，尽管是相当不精确的。可以从数字地图中获得或者从通信基站本身传输外部通信基站的绝对位置。在已知外部通信基站的功率的情况下，也可以根据由车辆接收的外部通信基站的通信信号的方向特性以及信号强度来检测外部通信基站的相对位置。所检测到的外部通信基站的相对位置被用于对所估计的外部通信基站的相对位置作出更新，或者用于提高所估计的相对位置的精度。

特别优选地，车辆的传感器装置连续地提供车辆的运动数据，控制器根据所提供的运动数据计算车辆的运动，并且控制器根据所计算出的车辆运动连续地对更新的和/或精确估计的相对位置作出更新。以这种方式，在车辆行驶期间，外部通信基站的相对位置被不断地更新。因此，进一步提高了外部通信基站的相对位置的精度。

在许多实施方式中，使用到达方向算法(DoA)、到达角算法(AoA)、坐标变换、卡尔曼滤波器、卡尔曼滤波器的非线性延伸、粒子滤波器、贝叶斯网络、马尔可夫网络和/或神经网络。到达方向算法和到达角度算法被用于基于所检测的测量值来计算外部通信基站的相对位置。可以根据需要在任意的坐标系之间执行坐标变换。地理坐标、笛卡尔坐标、极坐标、柱面坐标和球坐标是示例性坐标系的坐标。卡尔曼滤波器或其非线性扩展以及粒子滤波器分别用于使测量曲线平滑，即计算出测量的异常值。贝叶斯网络和马尔可夫网络是用于确定概率(精度、置信度)的工具，对其也可使用神经网络(人工智能，KI)。

在一个有利的实施方式中，在车辆与外部通信基站之间的通信中止之后，重复估计、检测、更新和提高的步骤，和/或确定通信网络的边界，并且在车辆从通信网络离开并且车辆进入相邻的通信网络之后实施相对于相邻的通信网络的外部通信基站的估计、检测、更新和提高的步骤。与当前通信网络的外部通信基站的无线通信的中断以及通信网络的切换、由此相关的外部通信基站的切换需要重新初始化根据本发明的方法。

例如可以根据由外部通信基站发射的通信信号的信号强度来确定通信网络的边界。替代地或附加地，该边界也可以在如下方面被识别，即附加地接收相邻通信网络的外部通信基站的通信信号。

另外，在其他实施方式中，在进入相邻通信网络之后，根据所计算的车辆的运动来连续地进一步更新先前通信网络的外部通信基站的所估计的相对位置。当车辆沿着通信基站边界行驶并且车辆多次地处于两个相邻的通信基站边界之间时，这是有用的。通过改进两个外部通信基站的相对位置，取消了对该方法的重新初始化，由此进一步提高了该方法的效率，并因此提高了车辆的效率。

基于多个天线的布置和待调节的信号强度和/或待调节的方向特性来巧妙地计算多个天线中的每个天线的发射功率，并且根据所计算的发射功率来驱动每个天线。多个天线的布置确定了待施加给每个天线的发射功率，以便设定所需的信号强度和/或方向特性。理想地，每个天线的发射功率由控制器计算。

本发明的主题还包括一种车辆，其具有多个天线和与天线可操作地连接的控制器。这种车辆被广泛应用，从而本发明可以被广泛应用。

在根据本发明的车辆中，控制器被配置为以根据本发明的方法操作多个天线。根据相应的配置，在车辆中存在的控制器适合于降低多个天线的功耗。因此，也可以成本低廉地在车辆中事后实施该方法。

根据本发明的方法的主要优点在于，多个天线的平均发射功率较低。因此，车辆需要较少的能量来进行无线通信，这涉及车辆的高效率、增加的续航里程以及车辆的低CO₂排放。此外，根据本发明的方法降低由车辆引起的增加的电磁污染。所提出的方法的另一优点是，车辆的现有控制器可以被事后配置为实施根据本发明的方法。

附图说明

借助附图中的实施方式示意性地示出本发明，并且参考附图进一步描述本发明。其中：

图1以示意图示出了根据本发明的车辆的实施方式的俯视图；

图2以示意图示出了根据本发明的方法的实施方式的流程图；

图3以示意图示出了图1所示的通信信号的不同的方向特性a)至d)；

图4在函数图中示出了图1所示的通信信号的信号强度的特性曲线。

具体实施方式

图1以示意图示出根据本发明的车辆10的实施方式的俯视图。车辆10包括彼此间隔开布置的多个天线11和可操作地连接到天线11的控制器12。控制器12配置为以下面描述的方法100来操作多个天线11。此外，车辆10包括未示出的常规的用于检测车辆10在行驶期间的运动的传感器装置。

在车辆10的运行期间，车辆10驶过外部通信基站20、30的通信网络21、31，并且经由多个天线11发射的通信信号40与相应的外部通信基站20、30无线地通信。通信网络21具有边界22，在该边界处，车辆10离开通信网络21，并且进入相邻的通信网络31中。

图2以示意图示出了根据本发明的、用于操作车辆10的多个天线11的方法100的一种实施方式的流程图。在该方法中，根据所确定的外部通信基站20、30的相对位置及所确定的相对位置的精度来调节所发射的通信信号40的信号强度41(参见图4)和/或方向特性42(参见图3)。为此，在行驶期间连续地确定外部通信基站20、30的相对位置，并且相应地根据所确定的外部通信基站20、30的相对位置和所确定的相对位置的精度来调节方向特性42以及信号强度41。

具体地，当所确定的相对位置的精度高时，方向特性42被显著地展现，并且信号强度41被设置为低；而当所确定的相对位置的精度(置信度)低时，方向特性42被微弱地展现，并且信号强度41被设置为高。

为了确定外部通信基站20、30的相对位置，在初始化步骤中，以一精度估计110外部通信基站20、30的相对位置。然后，通过测量来检测120外部通信基站20、30的相对位置，并且借助于所检测的相对位置来更新140所估计的相对位置。以这种方式，借助于检测到的相对位置来提高所估计的相对位置的精度。

车辆10的传感器装置连续地提供车辆10的运动数据，控制装置12根据这些运动数据计算150车辆10的运动。在另一步骤中，根据车辆10的计算的运动来连续地对经更新的和/或通过提高精度而精确估计的相对位置进行更新160。

在上述方法步骤中，根据需要使用到达方向算法(Direction of Arrival，DoA)、到达角算法(Angle of Arrival，AoA)、坐标变换、卡尔曼滤波器、卡尔曼滤波器的非线性扩展、粒子滤波器、贝叶斯网络、马尔可夫网络或神经网络。不言而喻，所述算法、变换、过滤器和网络并非穷举的，而是可以在方法内多次地并且以任意组合地被使用。

在车辆10与外部通信基站20、30的通信中止之后，例如当车辆10布置在隧道中或者布置在外部通信基站20、30的通信阴影中时，重复估计步骤110、检测步骤120、更新步骤140和提高的步骤。

此外，在行驶期间确定130通信网络21的边界22。另外，在车辆10离开通信网络21，并且车辆10进入相邻通信网络31之后，即在经过边界22之后，针对相邻通信网络31的外部通信基站30执行估计步骤110、检测步骤120、更新步骤140和提高的步骤。

此外，在进入相邻通信网络31之后，在一段时间内根据所计算的车辆10的运动，连续地进一步更新160先前通信网络21的外部通信基站20的所估计的相对位置。由此，在车辆10在相邻的通信网络21、31之间多次变换时可以不必多次使该方法初始化。

根据多个天线11的布置和待调节的信号强度41和/或待调节的方向特性42(参见图3)来计算170多个天线11中的每个天线11的发射功率43(参见图4)，并且根据所计算的发射功率43(参见图4)来驱动每个天线11。

图3以示意图示出图1所示的通信信号40不同的方向特性42。方向特性42的展现强度/显著性从a)经过b)和c)增大到d)。在该方法的初始化期间调节出在图3a)中示出的弱的方向特性42。随着外部通信基站20、30的相对位置的精度的增大，根据所实现的精度逐步地调节出更强地展现的方向特性42，如在图3b)、c)和d)中所描绘的那样。

图4在函数图50中示出在图1中所示的通信信号40的信号强度41的特性曲线，其大致对应于发射功率43的特性曲线。在函数图50的横坐标51上绘制了时间，并且在函数图的纵坐标52上绘制了所发射的通信信号40的信号强度41或者多个天线11的发射功率43。从方法100的初始化出发，在车辆10在通信网络21、31中行驶期间随着方法100的执行时间的提高，所发射的通信信号的信号强度41或者多个天线11的发射功率43随着外部通信基站20、30的所估计的相对位置的越来越高的精度而减小。

附图标记列表：

10车辆

11天线

12控制器

20外部通信基站

21通信网络

22边界

30外部通信基站

31通信网络

40通信信号

41信号强度

42方向特性

43发射功率

50函数图

51横坐标

52纵坐标

100方法

110估计相对位置

120检测相对位置

130确定边界

140更新所估计的相对位置

150计算运动

160更新所估计的相对位置

170计算方向特性和/或信号强度

Claims (10)

1.一种用于操作车辆(10)的多个天线(11)的方法(100)，其中，所述车辆(10)在驶过外部通信基站(20、30)的通信网络(21、31)期间经由多个天线(11)所发射的通信信号(40)与外部通信基站(20、30)无线地通信，根据所确定的外部通信基站(20、30)的相对位置的精度来调节所发射的通信信号(40)的信号强度(41)和方向特性(42)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所确定的相对位置的精度高时，使方向特性(42)被显著地展现和将信号强度(41)调节为低，和当所确定的相对位置的精度低时，使方向特性(42)被微弱地展现和将信号强度(41)调节为高。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在行驶期间连续地确定外部通信基站(20、30)的相对位置，连续地调节方向特性(42)和信号强度(41)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了确定外部通信基站(20、30)的相对位置，在一精度下估计(110)外部通信基站(20、30)的相对位置，通过测量来检测(120)外部通信基站(20、30)的相对位置，借助所检测的相对位置来更新(140)所估计的相对位置和借助所检测的相对位置来提高所估计的相对位置的精度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，车辆(10)的传感器装置连续地提供车辆(10)的运动数据，控制器(12)根据所提供的运动数据计算(150)车辆(10)的运动，根据所计算的车辆(10)的运动连续地对经更新的和以提高的精度估计的相对位置进行更新(160)。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用到达方向算法、到达角算法、坐标变换、卡尔曼滤波器、卡尔曼滤波器的非线性扩展、粒子滤波器、贝叶斯网络、马尔可夫网络和/或神经网络。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在车辆(10)与外部通信基站(20、30)的通信中止之后，重复估计步骤(110)、检测步骤(120)、更新步骤(140)和提高的步骤，和/或确定(130)所述通信网络(21)的边界(22)，在车辆(10)从通信网络(21)离开并且车辆(10)进入相邻的通信网络(31)之后，针对该相邻的通信网络(31)的外部通信基站(30)执行估计步骤(110)、检测步骤(120)、更新步骤(140)和提高的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在进入所述相邻的通信网络(31)之后，根据所计算的车辆(10)的运动，附加地继续更新(160)先前的通信网络(21)的外部通信基站(20)的所估计的相对位置。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述多个天线(11)的布置和待调节的信号强度(41)和待调节的方向特性(42)来计算(170)所述多个天线(11)中的每个天线(11)的发射功率(43)，根据所计算的发射功率(43)来驱动每个天线(11)。

10.一种车辆(10)，该车辆具有多个天线(11)和与所述天线(11)以可操作方式连接的控制器(12)，所述控制器配置用于，以根据权利要求1至9中任一项所述的方法(100)来操作所述多个天线(11)。