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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Informationsübertragung
zwischen zumindest einem im Innenraum eines Kraftfahrzeugs befindlichen
Mobiltelefon und zumindest einer stationären Mobilfunk-Basisstation.
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Für
Gebäude und Fortbewegungsmittel mit großen Innenräumen,
wie beispielsweise Züge, ist es bekannt, so genannte Femtobasisstationen
einzusetzen, um die Nutzung eines oder mehrerer Mobiltelefone im
Innenraum bzw. Fahrgastraum auch dann zu ermöglichen, wenn
das Mobiltelefon – etwa aufgrund einer zu großen
Entfernung von Basisstationen des Funknetzbetreibers und/oder aufgrund
der Abschirmung durch das Gebäude oder Fortbewegungsmittel – ohne
weitere Maßnahmen nicht mehr imstande wäre, in
ausreichender Qualität mit der nächstgelegenen
Basisstation des Funknetzbetreibers zu kommunizieren.
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Eine
Femtobasisstation empfängt dabei mit einer im Innenraum
angeordneten Innenantenne die Signale des Mobiltelefons, ggf. auch
mehrerer Mobiltelefone gleichzeitig, und strahlt diese Signale verstärkt über
eine außen an dem Gebäude oder Fortbewegungsmittel
angeordnete Außenantenne wieder ab.
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Durch
die Nutzung einer solchen Femtobasisstation wird der Signalverlust
vermieden, welcher bei Transmission durch die Fahrzeughülle
entstehen würde. Das Mobiltelefon kann somit bei geringerer Sendeleistung
weiter entfernte Gegenstellen erreichen. Geringere Strahlung im
Fahrzeuginnenraum, längere Akkulaufzeit des Mobiltelefons
und höhere Reichweite sind die Folge.
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Bei
der Anwendung von Femtobasisstation in Fortbewegungsmitteln mit
kleinen Innenräumen, z. B. bei Personenkraftwagen, treten
bei zu großem Verstärkergewinn jedoch typischerweise
Eigenschwingungen auf. Viele im Stand der Technik beschriebene Vorrichtungen
und Verfahren sind daher praktisch in Personenkraftwagen nicht anwendbar oder
nur mit sehr kleinem Verstärkergewinn betreibbar und somit
weitgehend nutzlos. Die mit dem Vorsehen einer Femtobasisstation
beabsichtigen Vorteile werden somit relativiert.
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Verbreitet
ist für Personenkraftwagen unter anderem aus diesem Grund
die Nutzung von Vorrichtungen und Verfahren zur Signalwandlung von
einer ersten in eine zweite Signalart. Beispielsweise sieht die
WO 9210046 A1 eine
Vorrichtung zur Weiterleitung von Signalen eines Mobiltelefons aus
dem Innenraum eines Kraftfahrzeugs in den Außenraum vor,
die eine Innenantenne, eine Wandlungseinheit und eine Außenantenne
aufweist, bei der das Mobiltelefon über die Innenantenne
Infrarotlicht-Signale an die Wandlungseinheit sendet, die Wandlungseinheit die
empfangenen Infrarotlicht-Signale in GSM-Signale wandelt und diese über
die Außenantenne an eine herkömmliche Mobilfunk-Basisstation
abstrahlt. Ein solches Verfahren erfordert jedoch unter anderem die
Bereitstellung einer Infrarotschnittstelle bei dem Mobiltelefon,
die einen Datentransfer zur Innenantenne mit der für eine
ausreichende Sprachqualität erforderlichen Datenrate zulässt.
Dies schränkt den Kreis nutzbarer Mobiltelefone erheblich
ein. Zudem verkompliziert die erforderliche Wandlung der Signale
des Mobiltelefons von einer ersten Signalart (Infrarot) in eine
zweite Signalart (GSM) das Kommunikationsverfahren und erfordert
aufwändige Gerätschaften.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung einer einfachen Vorrichtung,
die eine verbesserte Nutzung von Mobiltelefonen in Personenkraftwagen erlaubt.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1.
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Die
Erfindung bietet besondere Vorteile beim Einsatz in einem Personenkraftwagen,
ist jedoch auch zum Einsatz in anderen Kraftfahrzeugen mit einem
Innenraum zur Aufnahme von Passagieren geeignet. Anspruch 1 bezieht
sich daher auf Kraftfahrzeuge im Allgemeinen.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung erlaubt den Betrieb einer Femtobasisstation mit hohem
Verstärkergewinn in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem
Personenkraftwagen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung dann, wenn
eine elektromagnetische Entkopplung zwischen dem Innenraum des Kraftfahrzeugs
und dem Außenraum des Kraftfahrzeugs nicht oder nicht in
einem für die störungsfreie Anwendung herkömmlicher Verfahren
und Vorrichtungen ausreichenden Maße gegeben ist.
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Die
Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, dass die elektromagnetische
Verkopplung zwischen Innen- und Außenantenne bisher den Haupthinderungsgrund
für die vorteilhafte Anwendung von Femtobasisstationen
bei Personenkraftwägen dargestellt hat. Unter anderen Einsatzbedingungen
konnten bereits bisher, beispielsweise bei der Anwendung von Femtobasisstationen
zur Verbesserung der Mobilfunk-Versorgung in den Fahrgasträumen
von Zügen, sehr hohe Verstärkungsfaktoren (bis 60
dB) verwendet werden. Solche Verstärkungsfaktoren werden
ermöglicht durch die Tatsache, dass der Innenraum eines
Eisenbahn-Waggons typischerweise ausreichend elektromagnetisch vom
Außenraum, in den die Außenantenne abstrahlt,
entkoppelt ist. Diese Entkopplung rührt unter anderem daher, dass
die Fenster moderner Züge in der Regel nicht geöffnet
werden können (auch aus Klimatisierungsgründen)
und dass wegen der großen Abmessungen von Zugabteilen bzw.
-waggons große räumliche Distanzen zwischen Innen-
und Außenantenne vorgesehen werden können. Hingegen
ist bei bekannten Vorrichtungen für kleinere Fortbewegungsmittel,
wie etwa Personenkraftwagen, wegen der geringen Entkopplung zwischen
Innen- und Außenraum der mögliche Verstärkergewinn
ohne weitere Maßnahmen auf einige dB beschränkt,
um einen stabilen Betrieb ohne Eigenschwingungen des Systems zu
erreichen. Diese Beschränkung wird durch die Erfindung
aufgehoben bzw. verringert, indem eine Vorrichtung mit einer bereits
durch ihre Funktionsweise bedingten geringeren Verkopplung zwischen
Innen- und Außenantenne geschaffen wird.
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Die
Erfindung vermeidet ferner die Notwendigkeit von Signalwandlungen
von einer ersten Signalart in eine zweite Signalart, insbesondere
von Infrarotsignalen in GSM-Signale. Unter einer Femtobasisstation
im Sinne des vorliegenden Dokuments wird eine Vorrichtung verstanden,
die lediglich Signale einer einzigen Signalart zwischen Innenantenne und
Außenantenne verstärkt (z. B. Empfang von GSM-Signalen
und Abstrahlung verstärkter GSM-Signale bzw. Empfang von
UMTS-Signalen und Abstrahlung verstärkter UMTS-Signale)
und gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Phase beeinflusst, die jedoch
keine Konvertierung der Signale in eine andere Signalart vornimmt
(z. B. Empfang von Infrarot-Signalen und Abstrahlung von GSM-Signalen,
vgl.
WO 9210046 A1 ,
oder Empfang von Bluetooth-Signalen und Abstrahlung von GSM-Signalen).
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Im
Folgenden wird – sofern nicht anders erwähnt – der
Einfachheit halber davon ausgegangen, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Informationsübertragung zwischen einem
einzigen im Innenraum eines Kraftfahrzeugs befindlichen Mobiltelefon und
einer einzigen – vorzugsweise der nächstgelegenen – stationären
Mobilfunk-Basisstation dient. Grundsätzlich ist die Erfindung
jedoch auch auf den Fall mehrerer im Innenraum des Kraftfahrzeugs
befindlicher Mobiltelefone und mehrerer stationärer Mobilfunk-Basisstation
anwendbar.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Femtobasisstation,
die eine im Innenraum eines Kraftfahrzeugs angeordnete Innenantenne
und eine außen an demselben Kraftfahrzeug angeordnete Außenantenne
aufweist.
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Diese
Femtobasisstation ist geeignet, an der Innenantenne empfangene Signale
des Mobiltelefons verstärkt über die Außenantenne
in den Außenraum des Kraftfahrzeugs abzustrahlen und an
der Außenantenne empfangene Signale der stationären Mobilfunk-Basisstation
verstärkt über die Innenantenne in den Innenraum
des Kraftfahrzeugs abzustrahlen. Die verstärkt in den Außenraum
des Kraftfahrzeugs abgestrahlten Signale können von der
stationären Mobilfunk-Basisstation empfangen werden. Die
verstärkt in den Innenraum abgestrahlten Signale können
von dem Mobiltelefon empfangen werden. Die Femtobasisstation arbeitet
also bidirektional, d. h. es wird sowohl ein „Uplink" vom
Mobiltelefon zur nächstgelegenen Mobilfunk-Basisstation
des Serviceproviders hergestellt als auch ein „Downlink"
in umgekehrter Richtung von der nächstgelegenen Mobilfunk-Basisstation
zum Mobiltelefon.
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Die
Verstärkungen im Uplink und Downlink sind vorzugsweise äquivalent,
um die Leistungsregelung des Mobilfunknetzes weiter zu unterstützen. Durch
die weitgehende Reziprozität des Kanals (Uplink und Downlink
sind etwa auf derselben Frequenz) ist im zeitlichen Mittel nicht
von wesentlichen Dämpfungsunterschieden zwischen den beiden
Kanälen auszugehen.
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Erfindungsgemäß ist
die Innenantenne zirkular polarisiert und die Außenantenne
ist linear polarisiert.
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Durch
die Verwendung einer zirkular polarisierten Innenantenne kann eine
Empfangsqualität im Fahrzeuginnenraum erreicht werden,
die nahezu unabhängig von der Ausrichtung des Mobiltelefons
ist. Insbesondere kann durch die Verwendung einer zirkular polarisierten
Patch-Antenne als Innenantenne und deren Ausrichtung derart, dass
die Sitzplätze der Passagiere des Kraftfahrzeugs, insbesondere
der Fahrersitz innerhalb der Hauptkeule der Patch-Antenne liegen,
ein gute Empfangsqualität nahezu unabhängig von
der genauen Position des Mobiltelefons im Fahrzeuginnenraum erreicht
werden. Außerdem kann durch die Verwendung einer zirkular
polarisierten Patch-Antenne als Innenantenne und deren Ausrichtung
derart, dass die Außenantenne außerhalb der Hauptkeule
der Patch-Antenne liegt, die Abstrahlung der Innenantenne in Richtung
der Außenantenne gering gehalten werden.
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Eine
diese Kriterien erfüllende Ausrichtung lässt sich
beispielsweise gewährleisten, indem Außenantenne
und Innenantenne in unmittelbarer Nähe zueinander an einer
Begrenzung des Innenraums angeordnet sind. Wenn die Innenantenne
als zirkular polarisierte Patch-Antenne ausgebildet ist, wird sie vorzugsweise
so ausgerichtet, dass ihre Hauptkeule im Wesentlichen senkrecht
bezüglich dieser Begrenzung in den Innenraum gerichtet
ist. Die auf der anderen Seite dieser Begrenzung liegende Außenantenne
ist dann außerhalb der Hauptkeule der Innenantenne. Die
Sitzplätze der Passagiere des Kraftfahrzeugs, insbesondere
der Fahrersitz, liegen bei geeigneter Wahl des Anbringungsorts,
beispielsweise am Fahrzeughimmel mittig auf Höhe der B-Säule
des Kraftfahrzeugs, und ausreichend großem Öffnungswinkel
der Hauptkeule der Patch-Antenne innerhalb dieser Hauptkeule. Indem
der Öffnungswinkel andererseits nicht zu groß gewählt
wird, geeignet erscheinen je nach Fahrzeuggeometrie 90 Grad bis
160 Grad, kann eine gewisse Richtwirkung der Innenantenne erzielt
werden. Der Gewinn der Gesamtanordnung wird dann auch durch diese
Wirkung der zirkular polarisierten Innenantenne als Richtantenne
erhöht.
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Auch
die übrigen Komponenten, z. B. Verstärkerschaltung(en)
und/oder Multiplexer, der Femtobasisstation werden vorzugsweise
in unmittelbarer Nähe zur Innenantenne und zur Außenantenne
angeordnet. Aus der unmittelbaren Nähe resultieren zudem
sehr kurze Leitungsverbindungen. Daraus ergeben sich Kosten- und
Montagevorteile. Die Femtobasisstation kann besonders vorteilhaft
als integriertes Modul ausgeführt werden. Lagerung, Logistik
und Montage werden so in besonderem Maße vereinfacht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird die Außenantenne außen am Fahrzeugdach und
die Innenantenne direkt gegenüber liegend am Dachhimmel
des Fahrzeug-Innenraums angeordnet. Dabei kann die Femtobasisstation
besonders vorteilhaft als integriertes Dachmodul ausgeführt
werden.
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Auch
eine Einarbeitung oder Anbringung der vorzugsweise als integriertes
Modul ausgeführten Femtobasisstation an einer Fahrzeugscheibe
ist jedoch denkbar. Insbesondere bei einer solchen Ausführungsform
kann die Femtobasisstation problemlos bei einem vorhandenen Kraftfahrzeug
ohne Femtobasisstation nachgerüstet werden.
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Die
erfindungsgemäß lineare Polarisation der Außenantenne
ist bereits deshalb vorteilhaft, weil auch die Antenne der nächstgelegenen
Mobilfunk-Basisstation typischerweise linear polarisiert ist und
so bei übereinstimmender Ausrichtung der beiden Antennen
eine Funkverbindung mit hohem Gewinn zwischen diesen herstellbar
ist.
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Typischerweise
ist die Antenne der nächstgelegenen Mobilfunk-Basisstation
senkrecht oder als Kreuzdipol (je ein Dipol –45° und
+45° aus dem Lot gedreht) ausgerichtet. Eine übereinstimmende
Ausrichtung der Außenantenne ist demnach gewährleistbar,
wenn eine im Wesentlichen senkrechte Ausrichtung der Außenantenne
im Raum gewährleistbar ist. Vorzugsweise wird die im Wesentlichen
senkrechte Ausrichtung der Außenantenne im Raum gewährleistet
durch eine fahrzeugfeste Anbringung der Außenantenne bzw.
der gesamten Femtobasisstation, bei der die Außenantenne
immer dann senkrecht im Raum ausgerichtet ist, wenn das Kraftfahrzeug waagrecht
steht. Starke Abweichungen von dieser senkrechten Ausrichtung könnten
lediglich durch starke Schwankungen des Nick- und/oder Rollwinkels
des Kraftfahrzeugs verursacht werden. Diese Winkel sind jedoch in
den meisten Geländeformen und bei normaler Fahrweise relativ
geringen Schwankungen unterworfen. Es kann somit im einfachsten
Fall von einer während des gesamten Fahrzeugbetriebs senkrecht
stehenden Außenantenne ausgegangen werden. Sonderfälle,
in welchen diese Annahme nicht zutrifft, nutzen die in modernen
Kommunikationssystemen gezielt berücksichtige Mehrwegeausbreitung – welche
auch in diesen Situationen eine Verbindung ermöglicht.
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Durch
die kombinierte Anwendung zirkularer Polarisation der Innenantenne
und linearer Polarisation der Außenantenne wird eine gegenüber
bekannten Vorrichtungen verbesserte Entkopplung erreicht. Insbesondere
werden zirkular polarisierte Signalwellen der Innenantenne an der
linear polarisierten Außenantenne um 3 dB unterdrückt
empfangen. Der Verstärkergewinn der Femtobasisstation kann
entsprechend höher gewählt werden, ohne eine Destabilisierung
des Systems zu verursachen bzw. zu riskieren.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird als Außenantenne
eine Antennenvorrichtung verwendet, die zumindest zwei Einzelantennen
umfasst, die koordiniert als Antennen-Array mit variabler Richtcharakteristik
betreibbar sind. Vorzugsweise umfasst das Antennen-Array sogar zumindest
drei koordiniert betreibbare Einzelantennen. So wird eine besonders
ausgeprägte und variable Richtwirkung ermöglicht.
Für eine besonders hochwertige Ausführung dieser
Weiterbildung der Erfindung können auch fünf oder
mehr Einzelantennen eingesetzt werden.
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Durch
den Einsatz eines solchen Systems intelligenter Antennen für
den Außenraum lässt sich eine Strahlformung erreichen,
die in einem erhöhten Antennengewinn der Außenantenne
resultiert. Die Strahlformung ermöglicht somit einen Zuwachs
an Systemgewinn durch Addition des Antennengewinnes zum Verstärkergewinn.
Die von der Außenantenne abgestrahlte Sendeenergie wird
in Richtung der Gegenstelle, d. h. der nächstgelegenen
Mobilfunk-Basisstation gebündelt, wodurch eine höhere Strahlleistungsdichte
am Empfänger entsteht. Im Empfangsfall werden die von den
Einzelantennen empfangenen Signale unter jeweiliger Anwendung einer
Phasenverschiebung phasenrichtig überlagert. Dadurch wird
ebenfalls ein erhöhter Antennengewinn und somit ein Zuwachs
an Systemgewinn erreicht.
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Die
im vorhergehenden Absatz beschriebene erste Weiterbildung der Erfindung
ist auch unabhängig von der Erfindung gemäß Anspruch
1 als eigenständige Maßnahme zur Verbesserung
des Gewinns der Außenantenne bzw. des Systemgewinns anwendbar.
Bei günstigen Sende-/Empfangsrichtungen wird eine zusätzliche
Reduktion der Verkopplung zwischen Innen- und Außenantenne
erreicht. Daraus ergibt sich ein synergetisches Zusammenwirken der Merkmale
der ersten Weiterbildung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Somit
ist die Anwendung der ersten Weiterbildung der Erfindung besonders
vorteilhaft im Zusammenhang mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Zur
gerätetechnischen Umsetzung der ersten Weiterbildung wird
vorzugsweise eine Steuereinheit bei der Femtobasisstation vorgesehen,
die den koordinierten Betrieb der Einzelantennen steuert. Vorzugsweise
wird die Femtobasisstation inklusive Steuereinheit bautechnisch
als ein einziges Modul ausgeführt.
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Bei
der Femtobasisstation kann eine Schnittstelle zur Anbindung an ein
Navigationssystem des Kraftfahrzeugs vorgesehen werden. Sofern das
Navigationssystem über erweiterte Kartendaten verfügt, die
Informationen bezüglich den Standorten von Mobilfunk-Basisstationen
und gegebenenfalls weitere Daten betreffend diese Mobilfunk-Basisstationen
(z. B. Provider, Verfügbarkeit, Sendeleistung, etc.) enthalten,
kann über diese Schnittstelle Information bezüglich
der nächstgelegenen Mobilfunk-Basisstation bereitgestellt
werden. Diese Information kann seitens der Femtobasisstation für
eine besonders einfache und/oder besonders exakte Anpassung der Richtcharakteristik
verwendet werden.
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Gemäß einer
zweiten, alternativ oder zusätzlich anwendbaren, bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung wird zunächst anhand zumindest
einer Messung von Sendesignalen zumindest ein Verkopplungsindikator
der elektromagnetischen Verkopplung zwischen Innenantenne und Außenantenne
bestimmt und anschließend in Abhängigkeit von
diesem Verkopplungsindikator eine Anpassung zumindest eines Verstärkungsfaktors
der Femtobasisstation vorgenommen. Der Verstärkungsfaktor
kann auf diese Weise intelligent derart geregelt werden, dass er
zu einem möglichst hohen Systemgewinn beiträgt,
ohne eine Destabilisierung des Systems zu verursachen oder zu riskieren.
Die Anpassung kann sich auf den Verstärkungsfaktor des
Uplinks und/oder auf den Verstärkungsfaktor des Downlinks
beziehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
dieser zweiten Weiterbildung der Erfindung werden der Verstärkungsfaktor
des Uplinks und der Verstärkungsfaktor des Downlinks gleichlaufend
angepasst.
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Auch
die oben genannte zweite Weiterbildung der Erfindung ist unabhängig
von der Erfindung gemäß Anspruch 1 als eigenständige
Maßnahme zur Gewährleistung eines möglichst
hohen Systemgewinns anwendbar. Bei Anwendung der Erfindung gemäß Anspruch
1 kann sich eine gesteigerte Sensitivität der Verkopplung
zwischen Innen- und Außenantenne hinsichtlich bestimmter
Einflussgrößen, z. B. der Öffnung eines
Seitenfensters, ergeben. Daraus ergibt sich ein synergetisches Zusammenwirken
der Merkmale der zweiten Weiterbildung mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Somit ist auch die Anwendung dieser zweiten Weiterbildung der
Erfindung besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Ebenso
ist die zweite Weiterbildung der Erfindung unabhängig von
der ersten Weiterbildung anwendbar. Bei Anwendung der ersten Weiterbildung ergeben
sich aus der Variabilität der Richtcharakteristik der Außenantenne
jedoch ebenfalls schwer modellierbare Veränderungen der
elektromagnetischen Verkopplung zwischen Innen- und Außenantenne. Eine
Regelung gemäß der zweiten Weiterbildung erlaubt
es dennoch, das System mit einem Verstärkungsfaktor nahe
der Stabilitätsgrenze zu betreiben. Somit ist auch ein
synergetisches Zusammenwirken der Merkmale der zweiten Weiterbildung
mit den Merkmalen der ersten Weiterbildung gegeben. Besonders vorteilhaft
ist insofern die gemeinsame Anwendung der beiden genannten Weiterbildungen.
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Der
Verkopplungsindikator kann beispielsweise bestimmt werden, indem
im Down- und/oder Uplink-Pfad sowohl das jeweils gesendete Signal
gemessen wird als auch das jeweils empfangene Signal gemessen wird
und die beiden gemessenen Signale einer Korrelation unterzogen werden.
Die Messung des gesendeten Signals kann jedoch unterbleiben und
stattdessen das Soll-Sendesignal verwendet werden, wenn das Ein-/Ausgangsverhalten
der Sendeantenne hinreichend bekannt ist. Es ist dann kein zusätzlicher
Sensor erforderlich, um das Sendesignal zu bestimmen.
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Die
Korrelation der beiden Signale kann von einer Recheneinheit vorgenommen
werden, die weitere Aufgaben ausführt, beispielsweise zusätzlich
als Steuereinheit für den koordinierten Betrieb eines Antennen-Arrays
gemäß der ersten Weiterbildung dient. Die beiden
Weiterbildungen sind somit besonders einfach und kostengünstig
umsetzbar.
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Durch
die zweite Weiterbildung der Erfindung kann die Verkopplung von
Innen- und Außenantenne hinreichend genau bestimmt bzw.
abgeschätzt werden, um eine zielgerichtete Anpassung der
Verstärkung in Abhängigkeit von bestimmten Situationsmerkmalen
(z. B.: Seitenfenster geöffnet/geschlossen) und gegebenenfalls
von der Strahlausrichtung einer intelligenten Außenantenne
zu ermöglichen. Dadurch kann immer ein optimaler Verstärkungswert eingestellt
werden – im einfachsten Falle stets nahe der Stabilitätsgrenze,
jedoch stets unterhalb derselben. Dadurch wiederum kann die Sendeleistung
des Mobiltelefons und die Strahlung im Fahrzeuginnenraum stets auf
ein Minimum reduziert werden.
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Die
Korrelation und die Anpassung können zeitgesteuert stattfinden,
z. B. periodisch in gleich bleibenden Zeitabständen, oder
ereignisgesteuert, z. B. beim Detektieren der Betätigung
eines Fensterhebers oder einer erkannten Instabilität,
ausgelöst werden.
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Im
Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben
sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen
der Erfindung. Im Einzelnen zeigen jeweils schematisch
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1 die
Anordnung einer Femtobasisstation in einem Kraftfahrzeug gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sowie den grundlegenden Signalfluss zwischen einem Mobiltelefon
und einer stationären Mobilfunk-Basisstation unter Nutzung
der Erfindung und
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2 den
prinzipiellen Aufbau einer Femtobasisstation gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Kraftfahrzeug 1 sei mit einer Femtobasisstation 2 ausgerüstet,
um die Nutzung von Mobiltelefonen 3 im Fahrzeuginneren
zu ermöglichen bzw. die erforderliche Sendeleistung eines
Mobiltelefons 3 bei Nutzung im Fahrzeuginneren zu verringern.
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1 zeigt
den grundlegenden Signalfluss zwischen dem Mobiltelefon 3 und
einer stationären Mobilfunk-Basisstation 4 in
der Umgebung des Kraftfahrzeugs 1.
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Die
Femtobasisstation weist eine Innenantenne 2a im Fahrzeuginnenraum
und eine außen am Kraftfahrzeug 1 angeordnete
Außenantenne 2b auf. Eine in 1 nicht
eigens grafisch dargestellte Signalverarbeitungseinheit 2c zwischen
den beiden Antennen 2a und 2b erlaubt die Einstellung
jeweils eines Verstärkungsfaktors für den Uplink
(Mobiltelefon 3 sendet an stationäre Mobilfunk-Basisstation 4)
und den Downlink (stationäre Mobilfunk-Basisstation 4 sendet
an Mobiltelefon 3). Der Verstärkungsfaktor im Uplink
wird im Folgenden als k_up bezeichnet, der Verstärkungsfaktor
im Downlink als k_down.
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Die
Leistungsfähigkeit der Femtobasisstation 2 ist
durch verschiedene Maßnahmen erhöht.
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Zum
einen wird durch eine geeignete Typenauswahl der beiden Antennen 2a und 2b und
eine geeignete Anordnung und Ausrichtung der beiden Antennen 2a und 2b die
Verkopplung zwischen beiden Antennen reduziert. Somit wird die Einstellung
größerer Verstärkungsfaktoren k_up und
k_down ermöglicht. Das Mobiltelefon 3 kann dann
mit geringerer Sendeleistung betrieben werden.
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Für
eine Reduktion der Verkopplung wird im Innenraum eine zirkular polarisierte
Richtantenne 2a (z. B. CP-Patch) eingesetzt. Die Richtwirkung
der Antenne 2a wird dabei ähnlich der in 1 skizzierten Hauptkeule 5 eingestellt,
um die Sende- bzw. Empfangsenergie auf den Innenraum zu konzentrieren. Vorzugsweise
ist die Innenantenne 2a in etwa auf der Höhe der
B-Säule in das Dach des Kraftfahrzeugs 1 integriert
und besitzt einen Öffnungswinkel 5a der Hauptkeule
zwischen 90 Grad und 160 Grad. Sowohl Insassen (z. B. mit Mobiltelefon
in einer Tasche der Kleidung) als auch mögliche Ablagen
der Mobiletelefone befinden sich dann in der Hauptkeule 5.
Die Verkopplung wird dabei sowohl durch geringere Leistungsabstrahlung
der Innenantenne 2a in Richtung der Außenantenne 2b als
auch durch die zirkulare Polarisation der Innenantenne 2a reduziert.
Zirkular polarisierte Wellen werden an der linear polarisierten Außenantenne 2b um
3 Dezibel (dB) unterdrückt empfangen. Ein weiterer Vorteil
einer solchen Konfiguration der Innenantenne 2a besteht
in der aus der zirkularen Polarisation der Innenantenne 2a resultierenden
Unabhängigkeit der Funkverbindung zwischen Mobiltelefon 3 und
Innenantenne 2a von der Ausrichtung des Mobiltelefons 3.
Des weiteren kann ein erhöhter Systemgewinn resultieren
aus der Wirkung der Patch-Antenne 2a als Richtantenne im
Innenraum.
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Eine
weitere Maßnahme ermöglicht eine Erhöhung
des Systemgewinnes, ohne den Verstärkergewinn bzw. die
Verstärkungsfaktoren k_up und k_down zu erhöhen:
Durch den Einsatz eines Systems intelligenter Einzelantennen für
den Außenraum, die gemeinsam als Antennen-Array betrieben werden
und gemeinsam die Außenantenne 2b bilden, lässt
sich eine Strahlformung (Beam Forming bzw. Digital Beam Forming)
erreichen. Diese Strahlformung ermöglicht einen Zuwachs
an Systemgewinn durch Addition des Antennengewinnes zum Verstärkergewinn.
Die abgestrahlte Energie wird in Richtung der Gegenstelle 4 gebündelt
(vgl. Hauptkeule 6 in 1), wodurch
eine höhere Strahlleistungsdichte am Empfänger 4 entsteht.
Für den Empfangsfall werden die Signale phasenrichtig überlagert,
wodurch ebenfalls eine Systemgewinn erreicht wird.
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2 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Femtobasisstation gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Außenantenne 2b umfasst dabei drei Einzelantennen. In 2 werden
die folgenden Bezugszeichen verwendet:
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- 10
- Diplexer,
zugeordnet zur Außenantenne 2b, für die
Trennung der Signale des Uplink und des Downlink
- 11
- Diplexer,
zugeordnet zur Innenantenne 2a, für die Trennung
der Signale des Uplink und des Downlink
- 12
- Verstärker
mit geringem Rauschen im Downlink
- 13
- Phasenregelungsglied
im Downlink (z. B. Phasenschieber, „switched delay line"
oder Vektormodulator)
- 14
- Leistungs-Combiner
im Downlink (z. B. Wilkinson-Combiner)
- 15
- Verstärker
mit geringem Rauschen im Uplink
- 16
- Leistungsteiler
im Uplink (z. B. Wilkinson-Divider)
- 17
- Phasenregelungsglied
im Uplink (z. B. Phasenschieber, „switched delay line"
oder Vektormodulator)
- 18
- Linearer
Leistungsverstärker im Uplink
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Die
Diplexer 10 nehmen in an sich bekannter Weise eine Trennung
der im Downlink über die Einzelantennen der Außenantenne 2b empfangenen
Signale und der im Uplink über die Einzelantennen der Außenantenne 2b gesendeten
Signale vor. Jeder Einzelantenne ist ein Diplexer 10 zugeordnet.
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Der
Diplexer 11 nimmt eine Trennung der im Downlink über
die Innenantenne 2a gesendeten Signale und der im Uplink über
die Innenantenne 2a empfangenen Signale vor.
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Die
Verstärker 12 verstärken die im Downlink über
die Einzelantennen der Außenantenne 2b empfangenen
Signale und führen sie jeweils einem Phasenregelungsglied 13 zu.
Die Phasenregelungsglied 13 werden derart untereinander
koordiniert betrieben, dass sich die zeitlich gegeneinander verschobenen
Empfangssignale der Einzelantennen konstruktiv überlagern.
Die ideale Phasenbeziehung wird aus dem Zeitversatz der ankommenden
Signale oder durch Maximierung (z. B. Newton'sches Näherungsverfahren)
der summierten Leistung gewonnen.
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Der
Leistungs-Combiner 14 führt die Ausgangssignale
der Phasenregelungsglieder 13 zusammen und führt
das Gesamtsignal über den Diplexer 11 der Innenantenne 2a zu.
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Der
Verstärker 15 verstärkt das im Uplink über
die Innenantenne 2a empfangene Signal und führt
es dem Leistungsteiler 16 zu, der es in drei im Wesentlichen
gleiche Signalanteile aufspaltet. Diese Signalanteile werden jeweils
einem Phasenregelungsglied 17 zugeführt. Die Phasenregelungsglieder 17 werden
derart untereinander koordiniert betrieben, dass über jeweils
einen Verstärker 18 und einen Diplexer 10 an
die Einzelantennen der Außenantenne 2b jeweils
ein Sendesignal ausgegeben wird, das sich mit den Sendesignalen
der anderen Einzelantennen in der Abstrahlrichtung der Gegenstelle 4 konstruktiv überlagert.
Die ideale Sendephasenbelegung der Einzelantennen ist prinzipbedingt
identisch der optimalen Empfangsphasenbelegung und wird entsprechend
festgelegt. Die Sendeenergie wird somit genau in die Richtung abgestrahlt,
aus der die Empfangseinheit am meisten Leistung empfängt.
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Bei
günstigen Sende-/Empfangsrichtungen wird durch die Richtwirkung
der derart beschaffenen und derart betriebenen Außenantenne 2b eine
zusätzliche Reduktion der Kopplung zwischen den Antennen 2a und 2b erreicht.
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Eine
weitere Verbesserungsmaßnahme sieht eine Echtzeit-Messung
der elektromagnetischen Verkopplung zwischen den Antennen 2a und 2b vor,
um das System optimal zu nutzen: Es wird eine Leistungsregelung
der Verstärkungsfaktoren k_up und k_down der Signalverarbeitungseinheit 2c, die
beispielsweise gemäß 2 ausgeführt
sein kann, vorgenommen. Bei Ausführung gemäß 2 bestimmt
sich k_up im Wesentlichen aus dem Produkt der Verstärkungsfaktoren
der Glieder 15, 16 und 18, während
sich k_down im Wesentlichen aus dem Produkt der Verstärkungsfaktoren
der Glieder 12 und 14 ergibt.
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Die
Leistungsregelung wird vorgenommen in Abhängigkeit von
einer gemessenen bzw. auf der Basis von Messungen bestimmten Antennenkopplung. Durch
eine Korrelation von gesendetem und empfangenem Signal (im Down-
und/oder Uplink-Pfad), wird die Verkopplung zwischen Innenantenne 2a und
Außenantenne 2b geschätzt, um eine Anpassung
der oben genannten Verstärkungsfaktoren in Abhängigkeit
von der jeweiligen Situationen (z. B.: Seitenfenster geöffnet/geschlossen)
und ggf. der Strahlausrichtung der intelligenten Antenne gemäß 2 zu
ermöglichen. Auf diese Weise kann immer ein optimaler Verstärkungswert
der Verstärkungsfaktoren k_up und k_down und damit eine
minimale Sendeleistung des Mobiltelefons erreicht werden.
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Die
beschriebenen Maßnahmen machen den bisher aus technischen
Gründen je nach Auslegung im Wesentlichen nutzlosen oder
im Hinblick auf die Systemstabiltät riskanten Einsatz von
Femtobasisstationen in Kraftfahrzeugen mit kleinem Innenraum, insbesondere
in Personenkraftwagen, möglich und sinnvoll. Es wird eine
erhebliche Steigerung der unter Stabilitätsaspekten erreichbaren
Verstärkung erzielt. Dies wird durch Maßnahmen
zur wirkungsvollen Reduktion der Antennenkopplung erreicht.
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Gegenüber
bekannten Lösungen, die auf einer Anbringung des Mobiltelefons
in einer Halterung im Fahrzeuginnenraum basieren, besitzt die Erfindung
vielfältige Vorteile.
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Zum
einen wird eine Einsparung der HF-Verkabelung zwischen dem bisher
erforderlichen Halter des Mobiltelefons und der Außenantenne
erreicht. Aufgrund der hohen Meterkosten einer solchen Verkabelung
kann eine erhebliche Kostenreduktion des Kabelbaumes erreicht werden.
Weiters entfallen Anschlussstecker und dedizierte Halter.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
zudem völlig unabhängig von Hersteller und Art
der vorgesehenen Antennenankopplung. Daraus ergeben sich Kostenvorteile
und ein Komfortgewinn durch Einsparung einer neuen Halterung beim
Wechsel des Mobiltelefons.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
wegen der zirkularen Polarisation der Innenantenne unabhängig
von der Ausrichtung des Mobiltelefons im Fahrzeug. Insbesondere
bei Ausrichtung einer breiten Hauptkeule der Innenantenne auf die
Sitzplätze im Fahrzeuginnenraum ist die Funktion der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auch unabhängig von der Position des Mobiltelefons
im Fahrzeug. Somit wird auch das Tragen des Mobiltelefons in Hand-,
Hemd-, Jacken- oder Hosentaschen ohne Nachteile möglich.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt
ferner die gleichzeitige Nutzung mehrerer Mobiltelefone im Fahrzeuginnenraum.
Da eine Femtobasisstation im Sinne der Erfindung lediglich Signale
einer einzigen Signalart empfängt und verstärkt
in derselben Signalart wieder aussendet, kann eine bestehende Mobilfunk-Verbindung
beim Einsteigen in das Kraftfahrzeug problemlos transparent übernommen
und fortan im Kraftfahrzeug unter Nutzung der Femtobasisstation
weitergeführt werden. Auch beim Aussteigen aus dem Kraftfahrzeug kann
eine bestehende Mobilfunk-Verbindung problemlos ohne weitere Nutzung
der Femtobasisstation weitergeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 9210046
A1 [0006, 0013]