DE102007029952B4 - Vorrichtung zur Informationsübertragung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Informationsübertragung zwischen zumindest einem im Innenraum eines Kraftfahrzeugs (1) befindlichen Mobiltelefon (3) und zumindest einer stationären Mobilfunk-Basisstation (4),wobei die Vorrichtung eine Femtobasisstation (2) umfasst, die eine im Innenraum eines Kraftfahrzeugs (1) angeordnete Innenantenne (2a) und eine außen an demselben Kraftfahrzeug (1) angeordnete Außenantenne (2b) aufweist, undwobei die Femtobasisstation (2) geeignet ist,- an der Innenantenne (2a) empfangene Signale zumindest eines Mobiltelefons (3) verstärkt über die Außenantenne (2b) in den Außenraum des Kraftfahrzeugs (1) abzustrahlen und- an der Außenantenne (2b) empfangene Signale der zumindest einen stationären Mobilfunk-Basisstation (4) verstärkt über die Innenantenne (2a) in den Innenraum des Kraftfahrzeugs (1) abzustrahlen,dadurch gekennzeichnet, dass die Innenantenne (2a) zirkular polarisiert ist unddass die Außenantenne (2b) linear polarisiert ist und als eine Antennenvorrichtung ausgebildet ist, die zumindest zwei Einzelantennen umfasst, die koordiniert als Antennen-Array mit variabler Richtcharakteristik (6) betreibbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Informationsübertragung zwischen zumindest einem im Innenraum eines Kraftfahrzeugs befindlichen Mobiltelefon und zumindest einer stationären Mobilfunk-Basisstation.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• GB 2 298 998 A beschreibt einen Mobilfunktransceiver für ein Kraftfahrzeug. Dieser weist eine Außen- und eine Innenantenne sowie einen zwischen diese Antennen geschalteten Verstärker auf. Die Außenantenne kann omnidirektional, die Innenantenne gerichtet sein. Zur Reduktion von Interferenzen kann vorgesehen sein, dass die beiden Antennen an voneinander entfernten Orten an einem Dach des Fahrzeugs angeordnet werden.
• EP 0 431 640 B1 lehrt ein Mobilfunkantennensystem bei einem Fahrzeug. Zur Ausbildung von Richtungskeulen wird der Einsatz phasengesteuerter Antennengruppen vorgeschlagen.
• Das nachveröffentlichte Dokument EP 2 011 243 B1 offenbart eine Anordnung zur Aufnahme eines Mobiltelefons in einem Kraftfahrzeug und zur Ankopplung des Mobiltelefons an Einrichtungen des Kraftfahrzeugs, insbesondere an eine Außenantenne oder an eine Freisprecheinrichtung des Kraftfahrzeugs. Die Anordnung weist eine Antennenstruktur zum drahtlosen Übertragen von Signalen zu und/oder von einer Sende- und/oder Empfangsantenne des Mobiltelefons auf. Ferner weist sie eine Halterung auf, die Bewegungsmöglichkeiten des Mobiltelefons zumindest einschränkt, und die ausgestaltet ist, denselben Mobiltelefontyp innerhalb eines durch die Halterung begrenzten örtlichen Bereichs in beliebigen Haltepositionen zu halten sowie verschiedene Mobiltelefontypen zu halten. Die Antennenstruktur ist derart ausgestaltet und relativ zu der Halterung angeordnet, dass in jeder möglichen Halteposition zwischen der oder den Antennen des gehaltenen Mobiltelefons und der Antennenstruktur eine drahtlose Signalübertragung stattfinden kann.
• Das Dokument DE 103 30 087 B3 offenbart eine Multifunktionsantenne mit den folgenden Merkmalen: Die Antenneneinrichtung umfasst zumindest vier Antennen. Eine Antenne ist zum Empfang von Satellitensignalen, insbesondere digitalen Satellitensignalen, geeignet, eine Antenne ist zum Empfang von terrestrischen Signalen, insbesondere terrestrisch ausgestrahlten Radioprogrammen, vorgesehen. Es ist eine Antenne für den Mobilfunkbereich vorgesehen und es ist eine Antenne zur Ermittlung der Geoposition vorgesehen. Die Antenne zum Empfang von terrestrischen Signalen ist als getrennte Antenne zusätzlich zu der Antenne zum Empfang von Satellitensignalen vorgesehen. Die zumindest vier Antennen sind in einer vorgegebenen Reihenfolge auf einem Chassis angeordnet, nämlich an einem Ende ist die Antenne zum Empfang der terrestrisch ausgestrahlten Signale, nachfolgend die Antenne zur Bestimmung der Geoposition, nachfolgend die Antenne zum Empfang von Satellitensignalen, und nachfolgend die Antenne für den Mobilfunkbereich angeordnet. Der Mittenabstand zwischen der terrestrischen Antenne und der benachbarten Antenne zur Geopositionierung ist kleiner als der Mittenabstand zwischen der Antenne zur Geopositionierung und der benachbarten Antenne zum Empfang von Satellitensignalen. Der Mittenabstand zwischen der Antenne für die Geopositionierung und der benachbarten Satellitenantenne ist kleiner als der Mittenabstand zwischen der Antenne und der Antenne für den Mobilfunkbereich. Die Antenne zum Empfang der terrestrisch ausgestrahlten Signale ist im vorlaufenden Bereich des Chassis angeordnet, sodass die dazu am entferntest sitzende Antenne für den Mobilfunkbereich im nachlaufenden Bereich auf dem Chassis angeordnet ist.
• Das Dokument DE 101 33 295 A1 offenbart eine Antennenanordnung für Kraftfahrzeuge zur Anbringung auf einer im Wesentlichen waagerechten metallischen Karosseriefläche, die Antennenanordnung bestehend aus: Strahlern für höhere Frequenzen sowie Netzwerken zur Anbindung der Strahler an Funktionsgeräte des Fahrzeugs, sowie aus einer Haube als Witterungsschutz und Gestaltungselement, wobei die Antennenanordnung in vorzugsweise mehrere eigenständige Baugruppen gegliedert ist, d. h. insbesondere: a) eine Platine mit den Antennen und mit vorzugsweise auf der den Antennen abgewandten Seite der Platine angeordneten Schaltungsmodulen, die in Verbindung mit weiterführenden HF-Leitungen stehen, b) ein Chassis auf der Schaltungsseite der Platine sowie c) eine Haube oberhalb der Antennen, und wobei die Platine mechanisch mit dem Chassis zu verbinden ist, das Chassis zur Abschirmung der Schaltungen untereinander und gegen das Fahrzeuginnere ausgebildet ist, die Platine mit den Antennen und Schaltungen sowie das Chassis im montierten Zustand ein Komplett-Teil bilden, das in eine Öffnung in der Karosserie einzufügen ist, die in der Größe dem Chassis entspricht, die Oberseite der Platine im eingebauten Zustand koplanar der Oberfläche der Karosserie ist, und wobei die Platine mit Chassis lösbar in der Karosserieöffnung zu befestigen ist und die Haube vorzugsweise unabhängig davon mit der Karosserie zu verbinden ist.
• Das Dokument DE 10 2005 010 895 B4 offenbart eine aperturgekoppelte Antenne mit folgenden Merkmalen: einer ersten flächigen Strahlungselektrode, deren geometrische Form ausgelegt ist, um die Abstrahlung einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle zu ermöglichen; einer Massefläche; und einem Wellenleiter, der ausgelegt ist, um der Antenne Energie zuzuführen. Der Wellenleiter ist, beabstandet von der Massefläche, auf einer ersten Seite der Massefläche angeordnet. Die erste Strahlungselektrode ist, beabstandet von der Massefläche, auf einer zweiten Seite der Massefläche angeordnet. Die Massefläche weist eine Apertur auf, die einen ersten Schlitz in der Massefläche, einen zweiten Schlitz in der Massefläche und einen dritten Schlitz in der Massefläche umfasst. Der erste Schlitz und der zweite Schlitz bilden zusammen einen Schlitz von der Form eines Kreuzes. Der dritte Schlitz verläuft durch einen Schnittpunkt des ersten Schlitzes und des zweiten Schlitzes. Der Wellenleiter und die erste Strahlungselektrode sind so angeordnet, dass Energie von dem Wellenleiter über die Apertur zu der ersten Strahlungselektrode gekoppelt werden kann. Der dritte Schlitz ist so ausgelegt, dass eine Betriebsfrequenz, für die die aperturgekoppelte Antenne ausgelegt ist, um höchstens 30 Prozent von einer Resonanzfrequenz des dritten Schlitzes abweicht. Die Länge des ersten Schlitzes und die Länge des zweiten Schlitzes unterscheiden sich von der Länge des dritten Schlitzes, um zu ermöglichen, dass der dritte Schlitz bei der Betriebsfrequenz näher an seiner Resonanz betrieben wird als der erste Schlitz und der zweite Schlitz.
• Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer einfachen Vorrichtung, die eine verbesserte Nutzung von Mobiltelefonen in Personenkraftwagen erlaubt.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• 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.
• Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Anspruch.
• 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.
• 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 Personenkraftwagen 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 60dB) 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.
• 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).
• 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.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Femtobasisstation, die eine im Innenraum eines Kraftfahrzeugs angeordnete Innenantenne und eine außen an demselben Kraftfahrzeug angeordnete Außenantenne aufweist.
• 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.
• 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.
• Erfindungsgemäß ist die Innenantenne zirkular polarisiert und die Außenantenne ist linear polarisiert.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Gemäß 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 der Erfindung können auch fünf oder mehr Einzelantennen eingesetzt werden.
• 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.
• Zur gerätetechnischen Umsetzung der Erfindung 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.
• 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.
• Gemäß einer 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 Weiterbildung der Erfindung werden der Verstärkungsfaktor des Uplinks und der Verstärkungsfaktor des Downlinks gleichlaufend angepasst.
• Die oben genannte 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 Weiterbildung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Somit ist auch die Anwendung dieser Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Bei Anwendung der Erfindung ergeben sich aus der Variabilität der Richtcharakteristik der Außenantenne schwer modellierbare Veränderungen der elektromagnetischen Verkopplung zwischen Innen- und Außenantenne. Eine Regelung gemäß der Weiterbildung erlaubt es dennoch, das System mit einem Verstärkungsfaktor nahe der Stabilitätsgrenze zu betreiben.
• Somit ist ein synergetisches Zusammenwirken der Merkmale der Weiterbildung mit den Merkmalen der Erfindung gegeben. Besonders vorteilhaft ist insofern die gemeinsame Anwendung der Erfindung und der Weiterbildung.
• 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.
• 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 Erfindung dient. Die Weiterbildung ist somit besonders einfach und kostengünstig umsetzbar.
• Durch die 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.
• 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.
• 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
• 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
• 2 den prinzipiellen Aufbau einer Femtobasisstation gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 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.
• 1 zeigt den grundlegenden Signalfluss zwischen dem Mobiltelefon 3 und einer stationären Mobilfunk-Basisstation 4 in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 1.
• 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.
• Die Leistungsfähigkeit der Femtobasisstation 2 ist durch verschiedene Maßnahmen erhöht.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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:

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

• 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.
• 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.
• 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.
• Der Leistungs-Combiner 14 führt die Ausgangssignale der Phasenregelungsglieder 13 zusammen und führt das Gesamtsignal über den Diplexer 11 der Innenantenne 2a zu.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Die beschriebenen Maßnahmen machen den bisher aus technischen Gründen je nach Auslegung im Wesentlichen nutzlosen oder im Hinblick auf die Systemstabiltiät 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.
• Gegenüber bekannten Lösungen, die auf einer Anbringung des Mobiltelefons in einer Halterung im Fahrzeuginnenraum basieren, besitzt die Erfindung vielfältige Vorteile.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Informationsübertragung zwischen zumindest einem im Innenraum eines Kraftfahrzeugs (1) befindlichen Mobiltelefon (3) und zumindest einer stationären Mobilfunk-Basisstation (4), wobei die Vorrichtung eine Femtobasisstation (2) umfasst, die eine im Innenraum eines Kraftfahrzeugs (1) angeordnete Innenantenne (2a) und eine außen an demselben Kraftfahrzeug (1) angeordnete Außenantenne (2b) aufweist, und wobei die Femtobasisstation (2) geeignet ist, - an der Innenantenne (2a) empfangene Signale zumindest eines Mobiltelefons (3) verstärkt über die Außenantenne (2b) in den Außenraum des Kraftfahrzeugs (1) abzustrahlen und - an der Außenantenne (2b) empfangene Signale der zumindest einen stationären Mobilfunk-Basisstation (4) verstärkt über die Innenantenne (2a) in den Innenraum des Kraftfahrzeugs (1) abzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenantenne (2a) zirkular polarisiert ist und dass die Außenantenne (2b) linear polarisiert ist und als eine Antennenvorrichtung ausgebildet ist, die zumindest zwei Einzelantennen umfasst, die koordiniert als Antennen-Array mit variabler Richtcharakteristik (6) betreibbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand zumindest einer Messung von Sendesignalen zumindest ein Verkopplungsindikator der elektromagnetischen Verkopplung zwischen Innenantenne (2a) und Außenantenne (2b) bestimmbar ist und in Abhängigkeit von diesem Verkopplungsindikator eine Anpassung zumindest eines Verstärkungsfaktors der Femtobasisstation (2) vornehmbar ist.

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