DE10130768C2

DE10130768C2 - Kanalzugriffsverfahren für Adhoc-Funknetze zur Interfahrzeug-Kommunikation

Info

Publication number: DE10130768C2
Application number: DE2001130768
Authority: DE
Inventors: Walter Franz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: DE10130768A1

Description

Die Erfindung betrifft Kommunikationssysteme für den Aus tausch von Daten zwischen Fahrzeugen untereinander.

Insbesondere betrifft die Erfindung Kommunikationssysteme, bei denen Daten unterschiedlicher Kategorien zwischen Fahr zeugen ausgetauscht werden sollen. Ein vergleichbares Kommunikationsverfahren ist aus der DE 198 49 294 A1 bekannt.

Interfahrzeug-Kommunikationssysteme zur direkten Kommunika tion zwischen Fahrzeugen werden eine Kommunikationsplatt form für ein breites Spektrum von Internet-Diensten und Verkehrstelematik-Anwendungen bilden.

Solche Interfahrzeug-Kommunikationssysteme werden in der Regel als Ad-hoc-Netz konzipiert. Sie sind somit von keiner vorinstallierten Netzinfrastruktur abhängig und es wird kein Netzbetreiber benötigt. Da zudem unlizensierte Funk bänder verwendet werden, ist die Datenübertragung selbst kostenfrei. Interfahrzeug-Kommunikationssysteme ermöglichen insbesondere den Austausch von Daten im lokalen Umfeld ei nes Fahrzeugs. Sie unterscheiden sich grundsätzlich von den Mobilfunknetzen, deren Haupteinsatzgebiet die Sprachkommu nikation bzw. in zunehmendem Maße der allgemeine Internet- Zugang ist und die somit auf ortsunabhängige Anwendungen ausgerichtet sind.

Neben typischen Internet- und Telematik-Anwendungen werden diese Funknetze verkehrsbezogene Anwendungen unterstützen, wie z. B. Gefahrenwarnung und kooperative Fahrerassistenz systeme. Hierdurch werden besondere Maßnahmen zur Sicherung und schnellen Übermittlung von Daten notwendig. Durch die Kommunikation über mehrere Fahrzeuge hinweg wird eine neue Dimension für die Bereitstellung von Telematik-Anwendungen erschlossen, indem z. B. Daten von Systemen vorausfahrender Fahrzeuge (Sensor-, Kamera-, Radarsysteme) dem Fahrer zu gänglich gemacht werden. Sensoren und Systeme verschiedener Fahrzeuge können miteinander kooperieren.

Ad-hoc-Funknetze weisen die Eigenschaft auf, dass sie zu ihrem Betrieb keine vorinstallierte Infrastruktur zwingend erfordern. Befinden sich z. B. mindestens zwei Funkknoten sich in Funkreichweite, so können diese miteinander kommu nizieren und zwar ohne auf irgendeine Netzinfrastruktur an gewiesen zu sein. Neben der Kommunikation zwischen Fahrzeu gen ist auch die Datenübertragung zwischen Fahrzeugen und sogenannten Feststationen möglich. Feststationen können z. B. am Straßenrand installiert sein. Sie können - müssen aber nicht - eine Verbindung zu Festnetzen (Internet) be reitstellen. Aus der DE 195 36 379 C2 ist ein entsprechendes Multi-hop-Kommunikationsverfahren bekannt.

Feststehende Stationen sind in diesem Zusammenhang keine Basisstationen in dem Sinne, dass sie die Kommunikations abläufe von anderen Funkknoten steuern. Feststationen wer den hier vielmehr aus protokolltechnischer Sicht wie Mobil stationen behandelt.

Allgemein bestimmen Kanalzugriffprotokolle den Sendezeit punkt und die weiteren Randbedingungen von Datenübertra gungen. Dabei wird das Kanalzugriffsverfahren sowohl für die Übertragung von Nutzdaten, als auch für die Übertragung von Signalisierinformationen zur Funknetz-Organisation ver wendet. Da insbesondere für Interfahrzeug-Kommunikation ne ben der Übertragung von zeitunkritischen Daten auch zeit kritische Datenübertragungen, z. B. zur Steuerung des Kom munikationsnetzes oder für zeitkritische Anwendungen (z. B. Übertragung von Bremsdaten), unterstützt werden müssen, muss dies ein leistungsfähiges Kanalzugriffsverfahren eben falls ermöglichen.

Die Erfindung geht von derartigen Systemen der Interfahr zeug-Kommunikation aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit solcher Systeme durch Einsatz eines spe ziellen Kanalzugriffsverfahrens zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungsmög lichkeiten ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprü che.

Die hier beschriebene Erfindung betrifft den Einsatz bzw. die Anpassung des Kanalzugriffprotokolls 'Multiple Trans mission Non-Preemptive Multiple Access' (MT-NPMA) an die Belange von Interfahrzeug-Funkkommunikationssystemen (ein schließlich der Kommunikation mit Feststationen).

Dieses Verfahren wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und den darin verwendeten Abkürzungen näher be schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schichtenmodell für Interfahrzeug-Kommunika tion;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des 'Elimination Yield Non-Preemptive Multiple Access' (EY-NPMA)- Verfahrens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des 'Multiple Transmission Non-Preemptive Multiple Access' (MT-NPMA)-Verfahrens.

Im Schichtenmodell in Fig. 1 ist der übliche Aufbau der Kommunikationsprotokolle für die Interfahrzeug-Kommunika tion dargestellt. Über der physikalischen Schicht (Funkmo dem) wird die Koordination des Kanalzugriffs und die Siche rung auf Link-Ebene in der MAC/LLC-Schicht durchgeführt. Auf der dritten Ebene wird zwischen Nutz- (z. B. hier IP- Daten) und Funktionen zur Organisation des Funknetzes un terschieden. Letztere beinhalten unter anderem das Routing, das die Wegewahl in Ad-hoc-Funknetzen ermöglicht, wenn zwei Fahrzeuge nicht direkt miteinander kommunizieren können.

Beschreibung des Kanalzugriffsverfahrens MT-NPMA

Das MT-NPMA-Verfahren für den Kanalzugriff für Ad-hoc- Funknetze wurde zuerst in der nachveröffentlichten Druckschrift [1] beschrieben. Es stellt eine Modifikation des 'Elimination Yield Non-Preemptive Multiple Access' (EY- NPMA)-Verfahrens dar, welches in dem HIPERLAN Typ 1-Standard [2] spezifiziert ist. Zur Beschreibung des MT-NPMA-Verfahrens wird daher zuerst das EY-NPMA-Verfahren erläutert. Danach wird das MT-NPMA-Verfahren beschrieben.

EY-NPMA

Der HIPERLAN Typ1 - Standard der ETSI (European Telecommu nikations Standards Institute) beschreibt ein lokales Ad- hoc-Funknetz (Funk-LAN). Dieser Standard spezifiziert unter anderem das Kanalzugriffsverfahren EY-NPMA. Zielumgebung für Systeme nach diesem Standard ist insbesondere die Büro umgebung.

In diesem Abschnitt wird auf das Kanalzugriffsverfahren für HIPERLAN eingegangen. Dieses wird als 'Elimination Yield Non-Preemptive Multiple Access' (EY-NPMA) bezeichnet. Das Verfahren wurde speziell für HIPERLAN Typ1 konzipiert und wurde auf die Anforderungen, die an HIPERLAN-Typ1-Systeme gestellt werden, ausgerichtet. Diese umfassen insbesondere:

- Dezentralität. Dezentrale Systemarchitektur mit der Kon sequenz, daß ein HIPERLAN-Knoten auf der Ebene der MAC- Schicht (Media Access Control, = Kanalzugriff) keine Informationen über die Anzahl, Zustände und Adressen der Knoten in seiner Kommunikations- und Detektionsreich weite besitzt.
- Zeitkritische Dienste. Unterstützung von zeitkritischen Diensten mittels eines Prioritätsmechanismus zur Behand lung von Datenpaketen anhand deren Restlebenszeiten.
- Zeitinvariante Topologie. Topologieänderungen aufgrund der maximalen Geschwindigkeit der HIPERLAN-Knoten von 10 m/s und der Funkreichweite von rund 50 Meter.

Aufgrund der zu erwartenden häufigen Topologieänderungen und aufgrund des dezentralen Ansatzes von HIPERLAN wurde ein nichtkonfliktfreies Zugriffsverfahren ausgewählt, wel ches auf dem 'Carrier Sense'-Prinzip aufbaut. Dies bedeu tet, daß sendewillige Stationen zuerst den Funkkanal abhö ren und nur dann senden, wenn kein anderer Sendevorgang detektiert werden kann.

Detektiert eine sendewillige Station einen anderen Sende vorgang, so wartet sie ab, bis dieser vorüber ist. Danach tritt sie in eine sogenannte Wettbewerbsphase ein, d. h. sie durchläuft einen Mechanismus, indem sie entweder den Kanal weiter abhört, oder aber Nutz- bzw. Signalisierdaten sen det. Hierbei wird einkalkuliert, dass unter Umständen meh rere Stationen gleichzeitig senden. Man spricht in diesem Falle von einer Kollision. Die Wettbewerbsphase dient dazu, die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu minimieren. Das EY-NPMA-Verfahren definiert folgende drei Teilphasen für die Wettbewerbsphase:

- Priorisierungsphase. Bestimmung derjenigen Stationen, die die höchste Priorität besitzen.
- Eliminations-Phase. Erste Ausscheidungsphase.
- Yield-Phase. Zweite Ausscheidungsphase.

Da sendende Funkknoten während des Sendevorgangs nicht er kennen können, ob die Kommunikation erfolgreich war - hier für sind die Verhältnisse an der Antenne des Empfängers maßgeblich - ist ein Quittierungsmechanismus Bestandteil des EY-NPMA-Verfahrens. Direkt nach dem erfolgreichen Emp fang eines Datenpaketes quittiert dies der Empfänger durch Senden eines Bitmusters. Diese Quittierung wird nur für Unicast-Übertragungen durchgeführt. Multi- und Broadcast pakete werden nicht quittiert.

In Fig. 2 ist der Ablauf des EY-NPMA-Verfahrens an einem Beispiel mit 5 Stationen (sog. 'Knoten') dargestellt. In x- Richtung ist die Zeit aufgetragen. Nehmen wir an, Station 1 überträgt zu Beginn ein Datenpaket an Station 2. Nach einer Schutzzeit (Acknowledge Interframe Space, i_AK bestätigt Station 2 den korrekten Empfang des Datenpakets, indem sie eine entsprechende Quittung unter Verwendung der niedrigen Datenrate an Station 1 sendet. Nach einer weiteren Schutz zeit (Interframe Space, i_CS) beginnt der eigentliche neue Kanalzugriffszyklus. Dabei wird die Zeit zwischen Beginn des Kanalzugriffs und Sendebeginn in Intervalle, sog. 'Zeitschlitze' eingeteilt. Es wird zwischen Prioritäts-, Elimination- und den sogenannten Yield-Zeitschlitzen unterschieden.

Im Beispiel in Fig. 2 konkurrieren nun die drei Stationen 3, 4 und 5 um den Kanal. Zuerst werden die Stationen elimi niert, die in diesem Zugriffszyklus nicht die höchste Priorität besitzen. Dazu detektieren alle Stationen einer ihrer Priorität entsprechende Anzahl von Prioritäts-Zeit schlitzen den Kanal. Empfangen sie während dieser Zeit kein Signal, so senden sie den sogenannten Prioritätspuls. Im darstellten Beispiel haben alle drei Stationen die Priori tät 2 (= 3. Prioritätsrang der Prioritätsfolge 0, 1, 2, . . .) und senden demzufolge im dritten Prioritätszeitschlitz. Stationen mit niedrigerer Priorität erkennen dies, indem sie den Kanal ständig mitdetektieren, und scheiden, sobald sie das Signal erkennen, aus diesem Kanalzugriffszyklus aus.

Nach dem Signalisieren der Priorität treten die verbleiben den Stationen in eine erste Ausscheidungsphase, die sogenannte Elimination-Phase, ein. Dazu wird der Prioritätspuls um eine zufällig gewählte Zahl von Elimination-Zeitschlitze verlängert. In Folge setzen sich diejenigen Stationen, die den Prioritätspuls am längsten senden, gegenüber anderen Stationen durch (im Beispiel in Fig. 2 die Stationen 3 und 5). Alle anderen (Station 4) erkennen nämlich die länger andauernden Prioritätspulse, indem sie nach dem Senden ih res eigenen (kürzeren) Prioritätspulses schnellstmöglich den Kanal detektieren und die noch immer Prioritätspulse sendenden Stationen empfangen. Damit scheiden Stationen mit kürzeren Prioritätspulsen in der Eliminationsphase aus (hier also Station 4).

Verbleibende Stationen (hier die Stationen 3 und 5) über wachen nun nach einer Schutzzeit i_ESV eine individuell zu fällig gewählte Anzahl von Yield-Zeitschlitzen, ob der Ka nal weiterhin frei bleibt. Diese Zeit wird als Yield-Phase bezeichnet. Bleibt der Kanal frei, so sendet die Station mit der (zufällig) kürzesten Yield-Phase ihr Datenpaket. Dies detektieren dann andere, wegen ihrer (zufällig) länger festgelegten Yield-Phase noch wartende Stationen und schei den aus. Im dargestellten Beispiel nach Fig. 2 hat Station 5 eine Anzahl von 4 Yield-Zeitschlitzen Wartezeit festge legt, die konkurrierende Station 3 eine größere Zahl. Somit sendet also die Station 5 nach dem 4. Yield-Zeitschlitz ihr Datenpaket, Station 3 scheidet aus. Senden mehr als eine Station (wegen zufällig identisch gewählter Anzahl von Yield-Zeitschlitzen), so tritt eine Kollision auf.

Ein oben beschriebener Kanalzugriffszyklus beginnend mit der Prioritätsausscheidung und nachfolgender Elimination- und Yield-Phase wird als synchronisierter Kanalzugriff be zeichnet, da alle Stationen sich auf das zuletzt empfangene Signal synchronisiert haben. Daneben gibt es noch einen freien Kanalzugriff, bei dem die Wettbewerbsphase nicht durchlaufen wird, sondern direkt gesendet werden kann. Dies ist der Fall, wenn eine genügend lange Zeit seit dem letzten Signal auf dem Funkkanal verstrichen ist.

Multiple Transmission Non-Preemtive Multiple Aagess-Ver fahren (MT-NPMA)

In der Dissertationsschrift [1] wird ein neues Kanalzu griffsverfahren für dezentral organisierten Kanalzugriff in lokalen Funknetzen - das 'Multiple Transmission Non-Preemp tive Multiple Access'-Verfahren - vorgeschlagen. Das MT- NPMA-Verfahren wird folgend näher beschrieben.

Modellbeschreibung von MT-NPMA

Das MT-NPMA-Verfahren wird als Alternative für den Einsatz in HIPERLAN-Systemen angesehen. Es unterliegt daher den gleichen Anforderungen, wie das EY-NPMA-Verfahren des HIPERLAN Typ 1-Standards. Daneben bietet es eine Reihe neuer Funktionalitäten, die vorteilhaft für Interfahrzeug- Kommunikationssysteme eingesetzt werden können. Die Nutzung der Möglichkeiten und Funktionalitäten des MT-NPMA-Verfah rens für diese Anwendungsszenarien ist Gegenstand dieser Erfindung.

Das MT-NPMA ist eine Weiterentwicklung des EY-NPMA-Verfah rens. So werden die Priorisierungs- und die Eliminations- Phase wie beim EY-NPMA-Verfahren durchlaufen (siehe Fig. 3). Neu am MT-NPMA-Verfahren ist, daß nun in der zweiten Wettbewerbsphase (Yield-Phase) nicht nur ein Paket, sondern mehrere Pakete von verschiedenen Stationen übertragen wer den können. Die zweite Wettbewerbsphase wird daher bei die sem Verfahren im folgenden als 'Multiple Transmission'- oder MT-Phase bezeichnet. Die MT-Phase besteht aus einer festen Anzahl von 'Multiple Transmission'-Zeitschlitzen, die entweder leer sind oder in denen eine Übertragung ggf. mit anschließender Quittierung stattfindet. Ein Kanalzugriffszyklus ist erst dann beendet, wenn alle MT-Zeit schlitze durchlaufen sind. Dabei wird, wenn in einem MT- Zeitschlitz ein Paket gesendet wird, die Paketübertragung einschließlich Quittierung als ein MT-Zeitschlitz gezählt. Jede Station, die die Eliminations-Phase gewinnt, wählt zu fällig und z. B. gleichverteilt einen MT-Zeitschlitz aus. In diesem sendet sie ihr Datenpaket. Die anderen Stationen de tektieren dies und zählen entsprechend die MT-Zeitschlitze mit. Der Zugriffszyklus endet erst dann, wenn alle MT-Zeit schlitze durchlaufen sind. Ein vollständiger Durchgang - beginnend mit der Priorisierungs-Phase und endend mit dem Ablauf des letzten MT-Zeitschlitzes - wird als MT-Zugriffs zyklus bezeichnet.

Die Priorisierungs- und die Eliminations-Phase werden pro Kanalzugriffszyklus (und somit ggf. für mehrere Übertra gungen von Datenpaketen innerhalb einer MT-Phase) nur ein mal durchlaufen, was eine wesentliche Verringerung des Overheads (= für Datenübertragung nicht verfügbare Sende zeit der Priorisierungs- u. Eliminierungs-Phase) bedeutet. Andererseits müssen in jedem Zugriffszyklus alle MT-Zeit schlitze abgewartet werden. Im Vergleich zum EY-NPMA-Ver fahren, bei dem der Kanalzugriffszyklus nach Senden des Paketes beendet ist, bedeutet dies für den Fall, das z. B. während der gesamten MT-Phase nur ein einziges Datenpaket übertragen wird, einen erhöhten Overhead. In [1] wird je doch nachgewiesen, dass das MT-NPMA-Verfahren im Vergleich zum EY-NPMA bei richtiger Parametrisierung ein wesentlich besseres Leistungsverhalten ermöglicht.

Fig. 3 zeigt einen Zugriffszyklus am Beispiel von drei konkurrierenden Stationen nach dem Multiple Transmission- NPMA Verfahren. Der Zugriffszyklus endet erst dann, wenn alle MT-Zeitschlitze durchlaufen sind, wobei ein Zeitschlitz, in dem ein Datenpaket (Data) übertragen und quit tiert wird (Ack), wie ein leerer Zeitschlitz gezählt wird.

Datenströme in MT-NPMA

Die in den vorigen Abschnitten beschriebenen Zugriffsver fahren EY-NPMA und MT-NPMA besitzen selbst keine Mechanis men, um die zeitgerechte Übertragung von zeitkritischen Datenpaketen zu garantieren. Der HIPERLAN-Standard sieht allenfalls vor, dass falls eine Station zeitkritische Pa kete übertragen muss, sie diese vorzieht und gemäß der Restlebenszeit der Pakete den Paketen Prioritäten zuweist. Dabei gilt: Je kürzer die Restlebenszeit, desto höher die Priorität. Kann ein Paket nicht während seiner Lebenszeit übertragen werden, so wird es verworfen.

Dieses Verhalten ist insbesondere bei einer gleichzeitigen Übertragung zeitkritischer Datenpakete und asynchronem Da teitransfer kritisch. Da letztere Daten häufig in größeren Blöcken auftreten und somit kurzzeitig viel Übertragungs kapazität beanspruchen können, kann das Funknetz bei pa rallelem Datentransfer mehrerer Stationen für einige Zeit in hohe Auslastungen getrieben werden und somit z. B. Sprachverbindungen durch Verwerfen eines hohen Anteils von Sprachpaketen unterbrechen.

In [1] wird eine Erweiterung des MT-NPMA-Verfahrens vorge schlagen, die einen konfliktfreien Vielfachzugriff für ver bindungsorienterte, periodische Datenübertragungen ermög licht.

Prinzip des kollisionsfreien Zugriffs im Rahmen des MT- NPMA-Verfahrens

Das MT-NPMA-Verfahren erlaubt aufgrund seiner Eigenschaften mit wenigen Erweiterungen auch den kollisionsfreien Zugriff für zeitkritische Dienste, die regelmäßig Daten übertragen. Dabei kann den Stationen, die zeitkritische Datenpakete übertragen, nach einer Verbindungsaufbauphase der kolli sionsfreie Kanalzugriff zumindest in genügend stark ver maschten bzw. vollvermaschten Funknetzen garantiert werden. In [1] werden Maßnahmen beschrieben, die das MT-NPMA-Ver fahren auch im Falle teilvermaschter Funknetze anwendbar machen.

Die Zugriffszyklen werden unterschieden in solche, in denen kollisionsfrei zugegriffen wird, und in solche, in denen asynchrone Datenübertragungen stattfinden. Im folgenden werden erstere als periodische Zugriffszyklen und letztere als asynchrone Zugriffszyklen bezeichnet. Periodische Zu griffszyklen treten mit der für die verbindungsorientierte Kommunikation typischen Periode auf. Eine Folge zusammen gehöriger periodischer Zugriffszyklen wird als (periodi sche) Zugriffszyklenfolge bezeichnet.

Die Erweiterungen des MT-NPMA-Verfahrens zur Unterstützung konfliktfreier Zugriffe umfassen:

a) Unterscheidungskriterien zwischen periodischen und asynchronen Zugriffszyklen.
b) Regeln für die konfliktfreie Übertragung innerhalb der periodischen Zugriffszyklen.
c) Regeln für Verbindungsauf- und -abbau.
d) Regeln zur Unterstützung verschiedener verbindungsorien tierter, zeitkritischer Kommunikationsdienste mit z. B unterschiedlichen Periodendauern.

Im folgenden werden diese Erweiterungen zum MT-NPMA-Verfah ren beschrieben.

a) Unterscheidung zwischen periodischen und asynchronen Zugriffszyklen

Die Unterscheidung der beiden Typen von Zugriffszyklen er folgt durch die Kanalzugriffspriorität (Priorisierungs-Pha se). Periodische Zugriffszyklen besitzen gegenüber den asynchronen vorzugsweise eine höhere Zugriffspriorität, z. B. können den periodischen Zugriffszyklen die höheren Zugriffsprioritäten, z. B. 0 und 1 zugeordnet werden.

b) Übertragung innerhalb eines periodischen Zugriffszyklus

Die Übertragung innerhalb eines periodischen Zugriffszyklus geschieht wie folgt: Jeder aufgebauten Verbindung ist genau ein MT-Zeitschlitz zugeordnet. Dieser MT-Zeitschlitz bleibt der Verbindung in jedem der Zugriffszyklen einer Zugriffs zyklenfolge zur exklusiven Nutzung überlassen. Innerhalb dieser MT-Zeitschlitze überträgt der Sender jeweils ein Datenpaket und erwartet vom Empfänger die entsprechende Quittung. Ist ein MT-Zeitschlitz nicht belegt, so bleibt der Zeitschlitz leer.

c) Verbindungsauf- bzw. -abbau

Für einen Verbindungsaufbau empfängt eine Station die Si gnale auf dem Funkkanal und überprüft, ob eine Zugriffs zyklenfolge mit passender Periodendauer bereits gesendet wird. Wenn ja, so wählt die Station in einem Zyklus der gefundenen Folge einen freien MT-Zeitschlitz und sendet ein erstes Datenpaket. Ein solcher Verbindungsaufbau ist nicht konfliktfrei. Senden beispielsweise mehrere Stationen zum ersten Mal in einem periodischen Zyklus, so können sie kollidieren, da die Auswahl unter den freien MT-Zeitschlit zen zufällig erfolgt. - Geeignete Kollisionsauflösungsver fahren sind jedoch bekannt und in der Fachliteratur be schrieben. Tritt keine Kollision auf und wird der korrekte Empfang vom Empfänger quittiert, so ist der ausgewählte MT- Zeitschlitz dieser Verbindung zugeordnet.

Konnte die Station keine passenden periodischen Zugriffs zyklenfolgen detektieren, so initiiert sie selbst eine neue periodische Zugriffszyklenfolge, indem sie mit entsprechen der Priorität (s. o.) auf den Funkkanal in einem der - bis her asynchronen - Zugriffszyklen zugreift. Die Station ver wendet dann zur Datenübertragung z. B. den ersten MT-Zeit schlitz dieses Zugriffszyklus'.

d) Unterstützung verschiedener verbindungsorientierter Kommunikationsdienste

Mit dem vorgestellten Verfahren ist es möglich, verschiede ne zeitkritische Kommunikationsdienste mit verschiedener Periodizität parallel zu unterstützen. Dies geschieht, indem für jeden Verbindungstyp eine eigene Zugriffszyklen folge aufgebaut wird. Die Folgen müssen allerdings geeignet voneinander unterschieden werden können. Hierzu wird die Priorisierungs- bzw. Eliminations-Phase verwendet. Jede Zugriffszyklenfolge verwendet eine eindeutige Länge der Eliminations-Phase. Diese wird bei der Initiierung derart ausgewählt, daß keine zwei gleichen Eliminationslängen bei verschiedenen Folgen auftreten. Hierzu detektiert die initiierende Station vorab den Übertragungskanal ausrei chend lange.

Eine Zugriffszyklenfolge ist daher durch die Zugriffsprio rität, durch die Länge der Eliminations-Phase und durch die zeitliche Lage gekennzeichnet. Dabei können unterschiedli che Zugriffszyklenfolgen sowohl gleiche als auch verschie dene Periodendauern besitzen.

Die in diesem Abschnitt vorgeschlagene Erweiterung des MT- NPMA-Verfahrens zur konfliktfreien Übertragung von perio dischen Daten besitzt eine Reihe von Eigenschaften und Vorteilen. So werden verbindungsorientierte Dienste ohne zentrale Steuerung unterstützt. Es werden keine festen Rahmenstrukturen vordefiniert. Die Zugriffszyklenstruktur ergibt sich vielmehr aus dem Verhalten aller dezentral or ganisierten Stationen. Die Anzahl der aufgebauten Verbin dungen pro Folge begrenzt sich auf die Anzahl der MT-Zeit schlitze, die bei der Auslegung des Kommunikationsnetzes festgelegt wird. Nach Aufbau einer Verbindung erfolgt die Übertragung kollisionsfrei. Die Zugriffszyklenfolge bleibt solange bestehen, solange nicht alle Verbindungen abgebaut sind.

Vorteile des MT-NPMA-Verfahrens für die Interfahrzeug- Rommunikation

Das MT-NPMA-Kanalzugriffsverfahren ist für die Inter-Fahr zeugkommunikation in Ad-hoc-Funknetzen besonders geeignet. Hierbei wird ausgenutzt, daß sowohl spontane asynchrone Kommunikationsvorgänge, wie z. B. die Übertragung der Daten eines Bremsvorgangs unterstützt werden, als auch Kommuni kationsvorgänge, die eine Vielzahl von Übertragungen (z. B. Übertragung von großen Dateien oder Übertragungen innerhalb von TCP-Flows) erfordern, bzw. regelmäßig auftreten (z. B. Signalisierung für die Routing-Mechanismen der Ad-hoc- Netze).

Dadurch, dass das MT-NPMA-Verfahren mehrere Prioritäten unterstützt, kann es verschiedene Kommunikationsvorgänge innerhalb verschiedener Prioritätsstufen durchführen. Sol che Kommunikationsvorgänge umfassen insbesondere:

- Signalisierdaten für die Organisation des Ad-hoc-Funk netzes: z. B. Übertragung von Daten für das Routing, zur Erfassung der erreichbaren Fahrzeuge, Austausch von Po sitionsdaten zwischen den Fahrzeugen.
- Datenübermittlung innerhalb sicherheitssteigernder An wendungen: z. B. Übertragung von Bremsdaten, von detek tierten Hindernissen bzw. Straßenverhältnissen, Be schleunigungswerte vorherfahrender Fahrzeuge oder allge mein die Übertragung von Sensordaten zwischen Fahrzeu gen.
- Nichtzeitkritische Daten, z. B. im Rahmen von IP-basier ten Anwendungen (Email, Kurznachrichten, WWW, Chat).

Die Erfindung sieht dabei vor, dass die auf Restlebenszei ten basierende Priorisierung, die in [2] definiert ist und dem MT-NPMA-Verfahren zugrunde liegt, aufgegeben wird und eine Priorisierung vorzugsweise anhand von Anwendungen bzw. Anwendungsfeldern durchgeführt wird. Eine vorteilhafte Aus prägung im Rahmen dieser Erfindung sieht z. B. vor, dass Datenübertragungen von sicherheitssteigernden Anwendungen die höchste Priorität zugewiesen wird. Neben der Zuweisung von Prioritäten mit Hilfe der Priorisierungsphase des MT- NPMA-Verfahrens, gibt es zudem die Möglichkeit, die Elimi nationsphase zur Priorisierung zu nutzen, indem feste, statt zufällige Längen dieser Phase verwendet werden. Dies wird insbesondere bei periodischen Zugriffszyklen einge setzt.

Für eine Anwendung für ein Inter-Fahrzeug-Kommunikations system kann das MT-NPMA-Verfahren derart genutzt werden, daß eine Fahrzeuggruppe, die sich z. B. auf einer Autobahn bewegt, eine eigene MT-NPMA-Zyklusfolge für die Kommunika tion innerhalb der Fahrzeuggruppe verwendet. Dies bedeutet, daß die Fahrzeuggruppe einen periodischen Zyklus für sich reserviert und innerhalb der MT-Phase dieses Zyklus' Daten sendet. Dabei kann jedem Fahrzeug entweder ein fester Zeit schlitz, eine Gruppe von Zeitschlitzen oder kein fester Zeitschlitz zugeordnet sein. Hat ein Fahrzeug keinen Zeit schlitz, so kann es sich einen reservieren, indem es wie oben beschrieben in einem freien MT-Zeitschlitz zu senden beginnt, oder es kann, falls es eine spontane Kommunikation durchführen will, einen asynchronen Zyklus abwarten. Ist ein periodischer Zyklus kleiner als die maximale hierfür zur Verfügung stehende Zeit, so können asynchrone Zyklen eingefügt werden.

Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Anwendungsmöglich keiten des MT-NPMA-Verfahrens für Interfahrzeug-Kommunika tionssysteme ausgeführt.

Skalierbarkeit an verschiedene Einsatzfelder

Ein Interfahrzeug-Funkkommunikationssystem muss in den ver schiedensten Anwendungsszenarien verwendbar sein. Konträre Anforderungen stellen dabei die Stadtumgebung und Autobah nen dar. Während in der Stadtumgebung sehr viele Fahrzeuge bzw. Feststationen auf engen Raum mit geringeren Geschwin digkeiten zu erwarten sind, ist auf Landstraße bzw. auf Autobahnen mit Fahrzeuggruppen zu rechnen, die sich in gleicher Richtung bzw. in gegensätzlicher Richtung bewegen. Für die verschiedenen Anwendungsszenarien läßt sich das MT- NPMA-Verfahren derart einsetzen, daß z. B. in Umgebungen mit vielen Teilnehmern vorzugsweise asynchrone Zugriffszyklen eingesetzt werden. Für ausgewählten Anwendungen, wie zum Beispiel zur Koordination des Verkehrs an Kreuzungen, kann eine Feststation, die so angebracht ist, dass sie die Kreu zung funktechnisch 'ausleuchtet', zur Koordination des Ka nalzugriffs mittels einer periodischen Zugriffsfolge heran gezogen werden. Dabei kann die Zuteilung der Zeitschlitze der MT-Phase nicht zufällig durch die Fahrzeuge, sondern fest oder durch Vergabe durch die Feststation z. B. anhand des Straßenverlaufs erfolgen.

Bewegt sich eine Anzahl von Fahrzeugen entlang einer Über landstraße, wie z. B. einer Autobahn, so können diese Fahr zeuge innerhalb einer periodischen Zugriffszyklenfolge mit einander kommunizieren. Diese Zugriffszyklenfolge kann vor teilhaft verwendet werden, um neben Nutzdaten auch Steuer daten z. B. für das Routingprotokoll kontinuierlich auszu tauschen. Spontane Kommunikation, z. B. die Übermittlung von Bremsdaten kann über asynchrone MT-NPMA-Zyklen vorzugsweise mit höherer Priorität erfolgen. Für die Weiterverbreitung der Information an nachfolgende Fahrzeuge kann wiederum, falls die geforderten Übermittlungszeiten dies zulassen, periodische Zugriffszyklusfolgen genutzt werden.

Sicherheitssteigernde Anwendungen

Sicherheitssteigernde Anwendungen basieren beispielsweise auf der Übertragung von Sensordaten zwischen Fahrzeugen. Dies kann spontan erfolgen, etwa dann, wenn ein Fahrzeug plötzlich bremst oder in einen Unfall verwickelt wird. In diesem Falle wird ein asynchroner MT-Zyklus mit höchster Priorität gestartet. Im Sinne der Erfindung wird dabei die Möglichkeit der Priorisierung von Datenpakete des MT-NPMA- Verfahrens mittels der Priorisierungsphase verwendet.

Werden Anwendungen realisiert, die einen kontinuierlichen Datenaustausch zwischen den Fahrzeugen erfordern, z. B. zum Zwecke der Abstandserfassung oder von kooperativen Fahr manövern (z. B. Platooning), so wird vorzugsweise eine periodische Zyklusfolge hierfür eingesetzt. Auch dieser Zugriffsfolge wird eine feste Priorität - vorzugsweise eine hohe - zugeordnet.

Einbinden von Feststationen durch das MT-NPMA-Verfahren

Bei der Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Feststation sind beide im allgemeinen nur kurze Zeit in Funkkontakt.

Hier ermöglicht das MT-NPMA-Verfahren vorteilhaft folgende Vorgehensweisen:

1. Für die Kommunikation von Feststationen zu fahrenden Fahrzeugen kann die Feststation einen asynchronen MT- NPMA-Zyklus initiieren. Durch die Verwendung und Reser vierung einer vorzugsweisen hohen Priorität, wird die Kommunikation von der Feststation zu den Fahrzeugen sichergestellt.
2. Eine Feststation kann auch eine periodische Zugriffszyk lenfolge initiieren und sich somit einen festen Anteil an der Funkkapazität sichern. Hierbei kann z. B. eine be stimmte Priorität der Prioritätsausscheidungsphase vor gesehen werden. Befinden sich mehrere Feststationen ge genseitig in Funkreichweite, so können die MT-NPMA-Zyk len der Feststation durch die Länge der Eliminations- Phase unterschieden werden. Diese Längen können den Feststationen fest oder dynamisch zugeordnet sein.
3. Für die Kommunikation von den Fahrzeugen zu den Fest stationen können auch Zeitschlitze in den MT-NPMA-Zu griffszyklen von vorbeifahrenden Fahrzeuggruppen genutzt werden.
4. Für die Kommunikation von einer Feststation zu den Fahr zeugen kann ein oder können mehrere Zeitschlitze inner halb periodischer MT-NPMA-Zyklen reserviert werden.

Übertragung von Signalisierinformation zur Organisation des Ad-hoc-Netzes

Für den Betrieb von Ad-hoc-Funknetzen müssen im allgemeinen Signalisierdaten zur Netzorganisation kontinuierlich über tragen werden (Schicht 3, Fig. 1). Solche Daten umfassen u. a. Anfragen zur Detektion der Stationen in Funkreichwei te, Signalisierdaten zum Aufbau von Routing-Tabellen und Signalisierdaten für die Steuerung von Sendevorgängen (Sendeleistung). Für diese Kommunikation können periodische MT-NPMA-Zyklen eingesetzt werden. Dabei kann jedem Fahrzeug einer Fahrzeuggruppe ein spezieller Zeitschlitz zugeordnet werden. Die periodischen Zyklen mehrerer Fahrzeuggruppen können z. B. durch die Länge der Eliminationsphase unter schieden werden. Das Eliminationssignal kann auch mit höhe rer Leistung gesendet werden oder auch mit einer anderen, günstigeren Frequenz (höhere Reichweite) gesendet werden, um den Effekt der 'Hidden Stations' (Fahrzeuge außerhalb der Funkreichweite) zu unterdrücken.

Verknüpfung des Zugriffsverfahrens mit der Position bzw. Fahrtrichtung

In naher Zukunft kann davon ausgegangen werden, dass Fahr zeuge mit Positionsbestimmungssystemen ausgestattet sind, so daß die Fahrzeuge ihre Position im Bereich weniger Meter und zudem ihre Fahrtrichtung bestimmen können.

Mit dem MT-NPMA-Verfahren kann dies ausgenutzt werden, um die MT-Zeitschlitze periodischer Zugriffsfolgen nicht mehr durch zufälligen Zugriff, sondern anhand der Position eines Fahrzeuges in einer Gruppe von Fahrzeugen zuzuteilen.

Fahrzeuggruppen können vorteilhaft eine periodische Zu griffsfolge für die Kommunikation innerhalb der Gruppe verwenden. Die Unterscheidung der verschiedenen Zugriffs folgen erfolgt vorzugsweise anhand der Anzahl der Elimina tionszeitschlitze. Neben der Länge der Eliminations-Phase sind die periodischen Zugriffszyklen durch ihre Periode und den Zeitpunkt des Auftretens gekennzeichnet. Dadurch daß vorherfahrende Fahrzeuggruppen die Kenndaten der periodi schen Zugriffsfolgen nachfolgender Fahrzeuggruppen an Fahr zeuggruppen, die in Gegenrichtung fahren signalisieren, kann eine Kommunikation zwischen Fahrzeuggruppen, die in gegensätzlichen Richtungen fahren, koordiniert werden.

Zudem können Kollisionen von periodischen Zugriffszyklen vermieden werden.

In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung kann die Wahl der Anzahl von Eliminationszeitschlitzen in Zugriffs zyklenfolgen von der Richtung der Straße abhängig gemacht werden.

Steuerung des Verkehrs z. B. an Kreuzungen

Das MT-NPMA-Verfahren lässt sich vorteilhaft für die Orga nisation des Verkehrs in Bereichen mit höherem Gefahrenpo tenzial - z. B. an Kreuzungen - verwenden. Hierbei kann bei spielsweise im Bereich einer Kreuzung eine periodische Zu griffszyklenfolge eingesetzt werden, die nur im Bereich der Kreuzung gilt und die ausschließlich zur Organisation des Verkehrs an der Kreuzung verwendet wird.

Diese periodische Zyklenfolge kann von einem Fahrzeug, das sich der Kreuzung nähert und noch keine Zyklenfolge detek tiert, initiiert werden. Es ist auch möglich - und die Er findung schließt diesen Anwendungsfall mit ein -, daß für die Steuerung des Verkehrsflusses eine Feststation einge setzt wird. In diesem Fall kommuniziert die Feststation mit den Fahrzeugen innerhalb dieser Zugriffsfolge. Besonders vorteilhaft ist es, wenn den einzelnen sich kreuzenden Straßen MT-NPMA-Zeitschlitze fest zugewiesen sind. Hierzu müssen die Fahrzeuge allerdings anhand des Positioniersy stems eine Zuordnung zu den Straßen bzw. zur Fahrtrichtung durchführen können.

Für die Koordination an Kreuzungen kann eine bestimmte Priorität bzw. eine bestimmte Priorität und vordefinierte Längen der Eliminationsphasen definiert werden.

Literaturangaben

[1] Walter Franz: 'Untersuchungen zu dezentral organisier ten, nichtkonfliktfreien Kanalzugriffsverfahren in draht losen lokalen Netzen' (Dissertation eingereicht an der Uni versität Stuttgart, Fachbereich Elektrotechnik im April 1998)
[2] ETSI Standard: 'High Performance Radio Local Area Network' (HIPERLAN Type

1

), Functional Specification, ISBN

2-7437-2385-8

,

1998

Claims

1. Verfahren für eine Kanalzugriffssteuerung in dezentralen Adhoc-Funknetzen zur Interfahrzeug-Kommunikation, wobei Si gnalisierdaten und Nutzdaten unterschiedlicher Kategorien übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal zugriff in Zugriffszyklen nach dem 'Multiple Transmission Non-Preemptive Multiple Access' (MT-NPMA)-Verfahren er folgt, in denen zunächst eine Auswertung der von verschie denen Stationen übertragenen Signalisierdaten in einer Priorisierungs- und nachfolgenden Eliminationsphase durch geführt wird und anschließend die Übertragung eines oder mehrerer Nutzdaten-Pakete in einer 'Multiple-Transmission' (MT)-Phase erfolgt, die eine vorgegebene Anzahl von Über tragungsintervallen aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedenen Kategorien von Nutzdaten durch Zuordnung ent sprechender Signalisierdaten unterschiedliche Prioritäten zugewiesen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugewiesenen Signalisierdaten bezüglich der Elimina tionsphase unterschiedlich ausgelegt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass gleichen Kategorien von Nutzdaten jeweils bezüglich der Eliminationsphase gleiche Signalisierdaten zugewiesen wer den.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben spontan generierten, asynchronen Zugriffszyklen auch periodische Zugriffszyklen und/oder periodische Zugriffszyklenfolgen verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass periodischen Zugriffszyklen zur Unterscheidung von asyn chronen Zugriffszyklen spezielle Signalisierdaten zugewie sen sind, die bezüglich der Priorisierungsphase unter schiedlich ausgelegt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Zugriffszyklenfolgen mit unterschiedlicher Periode durch Signalisierdaten gekennzeichnet sind, die bezüglich der Eliminationsphase unterschiedlich ausgelegt sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass periodische Zugriffszyklenfolgen zur Nutzdaten- und/oder zur Signalisierdatenübermittlung zwischen Fahrzeugen eingesetzt werden, die (z. B. aufgrund ihrer Position, Fahrtrichtung und Geschwindigkeit) einer Fahrzeuggruppe zugeordnet werden können.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedenen Fahrzeugen einer Fahrzeuggruppe unterschied liche Übertragungsintervalle der MT-Phase der periodischen Zugriffzyklenfolge zugeordnet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung von Nutzdaten sicher heitsbezogener Kategorien (z. B. Daten über Bremsvorgänge an nachfolgende Fahrzeuge) asynchrone Zugriffszyklen mit hoher Priorität verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeich net, dass für die Kommunikation zwischen Feststationen und Fahrzeugen periodische Zugriffszyklenfolgen verwendet wer den.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feststation mehrere Übertragungsintervalle der MT-Phasen der periodischen Zugriffszyklen für die Daten übertragung zu den Fahrzeugen reserviert.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass für die Kommunikation zwischen Feststationen und Fahrzeugen eine bestimmte Priorität fest gelegt ist.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Signalisierdatenübertragung während der Eliminationsphase mit höherer Intensität durchgeführt wird.