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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines
Zeitschlitzes für eine Datenübertragung für
ein Fahrzeug in einem ad-hoc Netz und insbesondere ein Verfahren,
welches Datenkollisionen vermeidet.
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Mit
Hilfe einer Kommunikation zwischen Fahrzeugen, wie zum Beispiel
Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, untereinander, einer so
genannten Car-to-Car-Kommunikation, oder zwischen Fahrzeugen und
einer fest installierten Infrastruktur, einer so genannten Car-to-X-Kommunikation,
werden eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht, welche
die Verkehrssicherheit erhöhen und den Komfort für
den Fahrer verbessern. So können beispielsweise frühzeitige
Informationen über Verkehrsstörungen und mögliche
Hindernisse bereitgestellt werden, indem beispielsweise Informationen über
die Position von Fahrzeugen mit eingeschaltetem Warnblinker oder
Glätteinformationen auf Basis eines ESP-, ABS- oder ASR-Eingriffs
eines vorausfahrenden Fahrzeugs bereitgestellt werden. Darüber
hinaus können Fahrerassistenzsysteme, wie zum Beispiel
ein adaptiver Tempomat, Geschwindigkeits- und Abstandsinformationen
von vorausfahrenden Fahrzeugen erhalten. Weiterhin ist eine Kommunikation
mit der Verkehrsinfrastruktur, wie zum Beispiel Ampelanlagen oder
Wechselverkehrszeichen, möglich, welche mit Hilfe von Fahrerassistenzsystemen
zur Unterstützung des Fahrers verwendet werden. Schließlich
ist eine Verbesserung der Navigation oder der Aufbau einer Sprachverbindung
zu einem anderen Fahrzeug mit Hilfe der Car-to-X-Kommunikation möglich.
Eine derartige Car-to-X-Kommunikation kann beispielsweise über
ein so genanntes ad-hoc Netzwerk erfolgen. Diese Netzwerke sind
von keiner vorinstallierten Netzinfrastruktur abhängig
und es wird kein Netzwerkbetreiber benötigt. Da ad-hoc
Netze üblicherweise ohne Netzinfrastrukturvorrichtungen
zum Koordinieren der Kommunikation arbeiten, werden Verfahren benötigt,
um eine eindeutige und automatische Koordination der Teilnehmer
sicherzustellen. Aufgrund der hohen Veränderlichkeit der
Teilnehmer im Falle von Fahrzeugen, welche sich mit hoher Geschwindigkeit
bewegen, stellt diese Koordination große Probleme bereit.
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In
der
DE 10130786 wird
daher ein Kanalzugriffsverfahren für ad-hoc Funknetze zur
Interfahrzeugkommunikation bereitgestellt. Der Kanalzugriff erfolgt
in Zugriffszyklen nach dem Multiple Transmission Non Preemptive
Multiple Access (MT-NPMA) Verfahren. Bei diesem Verfahren wird zunächst
eine Auswertung der von verschiedenen Stationen oder Fahrzeugen übertragenen
Signalisierdaten in einer Priorisierungs- und nachfolgenden Eliminationsphase
durchgeführt und anschließend die Übertragung eines
oder mehrerer Nutzdatenpakete in einer Multi-Transmission (MT) Phase
ausgeführt, die eine vorgegebene Anzahl von Übertragungsintervallen
aufweist. Bei dem Verfahren werden Verbindungen zwischen zwei Stationen
aufgebaut und der Verbindung Zugriffszyklenfolgen mit passender
Periodendauer zugeordnet. Ein solcher Verbindungsaufbau ist jedoch
nicht konfliktfrei, wenn beispielsweise mehrere Stationen zum ersten
Mal in einem periodischen Zyklus senden, da die Auswahl unter den
freien MT-Intervallen zufällig erfolgt. Dies tritt in Car-to-X
Netzen jedoch sehr häufig auf, so dass derartige Verfahren hier
wenig geeignet sind. Das Verfahren verwendet daher geeignete Kollisionsauflösungsverfahren
bis keine Kollision mehr auftritt. Derartige Kollisionsauflösungsverfahren
haben jedoch aufgrund der Störanfälligkeit des Übertragungsmediums
Luft sowie der schwierigen Selektion und Vorhersagbarkeit dieser Störungen
große Zuverlässigkeitsprobleme. Unabhängig
von Umwelteinflüssen wie Wetter und Reflexionskörpern,
können durch das gleichzeitige Senden verschiedener Kommunikationsteilnehmer
Interferenzen bzw. Kollisionen auftreten. Diese Interferenzen können
zu nicht detektierbaren Auslöschungen von gesendeten Nachrichten
führen, dem so genannten Hidden Node Problem. D. h., selbst
bei theoretischem Vorhandensein eines störungsfreien Übertragungsmediums
kann es bei Anwendung bestehender Lösungsansätze
zu zuverlässigkeitskritischen Kommunikationsausfällen
kommen. Es existieren zwar weiterhin Ansätze, wie zum Beispiel
Heartbeat, Beaconing oder verschiedene Broadcastoptimierungen, um
das Hidden Node Problem zu vermindern, aber auch diese können
insbesondere in unregelmäßigen und/oder dichten
Verkehrssituationen das Problem nicht gänzlich ausschließen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Koordinieren
einer Datenübertragung bereitzustellen, welches für
Fahrzeuge in einem ad-hoc Netz geeignet ist und nicht durch das zuvor
genannte Hidden Node Problem beeinträchtigt wird.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur
Bestimmung eines Zeitschlitzes für eine Datenübertragung
für ein Fahrzeug in einem ad-hoc Netz nach Anspruch 1 und eine
Vorrichtung zur Bestimmung eines Zeitschlitzes für eine
Datenübertragung für ein Fahrzeug in einem ad-hoc
Netz nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche
definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer
globalen Zeitinformation, ein Bestimmen eines Zeitintervalls in
Abhängigkeit der bestimmten globalen Zeitinformation und
ein Bestimmen einer aktuellen globalen Position des Fahrzeugs zu
Beginn des Zeitintervalls. Ein Zeitschlitz für eine Datenübertragung
in dem Zeitintervall wird dann in Abhängigkeit der bestimmten
Position des Fahrzeugs bestimmt. Da der Datenübertragungszeitschlitz
für das Fahrzeug in dem Zeitintervall nur in Abhängigkeit
der Position des Fahrzeugs bestimmt wird, kann eine Datenkollision
zuverlässig vermieden werden. Darüber hinaus kann
jedem Fahrzeug in dem Zeitintervall ein Datenübertragungszeitschlitz
garantiert werden, so dass auch Echtzeitübertragungen bei
geeigneter Wahl des Zeitintervalls ermöglicht werden. Außerdem
kann der Zeitschlitz für die Datenübertragung
von dem Fahrzeug unabhängig von Informationen über
die Netzstruktur oder den Aufenthaltsort weiterer Fahrzeuge bestimmt
werden. Eine Bestimmung der aktuellen globalen Zeitinformation und
einer aktuellen globalen Position des Fahrzeugs ist bei modernen
Fahrzeugen mit Hilfe von globalen Positionsbestimmungssystemen,
wie zum Beispiel GPS oder Galileo, weit verbreitet und kostengünstig
verfügbar.
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Gemäß einer
Ausführungsform wird das Zeitintervall in eine vorbestimmte
Anzahl von gleich langen Datenübertragungszeitschlitzen
aufgeteilt. Zum Bestimmen des Datenübertragungszeitschlitzes
können mehrere vorbestimmte geographische Intervallzellen
verwendet werden, welche jeweils in eine vorbestimmte Anzahl von
geographischen Rasterzellen unterteilt sind. Die Anzahl der vorbestimmten
geographischen Rasterzellen entspricht der Anzahl der gleich langen
Datenübertragungszeitschlitze des Zeitintervalls. Jedem
der Datenübertragungszeitschlitze des Zeitintervalls wird
jeweils eine der Rasterzellen zugeordnet. Einem Fahrzeug, welches
sich zu Beginn des Zeitintervalls in einer der Rasterzellen befindet,
wird dann derjenige Datenübertragungszeitschlitz zugeordnet,
welcher der Rasterzelle des Fahrzeugs zugeordnet ist. Die Intervallzellen
können einheitliche Flächen umfassen, deren Lage
derart global vorbestimmt ist, dass sie ein Einsatzgebiet des Fahrzeugs
in lückenlos aneinander liegende Flächen aufteilen.
Die Intervallzellen können beispielsweise gleich große
Quadrate, Sechsecke oder andere geeignete Polygone sein, welche
das Einsatzgebiet des Fahrzeugs, wie zum Beispiel die gesamte Fläche
Europas, in lückenlos aneinander liegende Flächen
aufteilen. Weiterhin kann die Unterteilung einer Intervallzelle
in die Rasterzellen und die Zuordnung der Datenübertragungszeitschlitze
zu den Rasterzellen in jeder Intervallzelle gleich sein. Durch die
Verwendung einheitlicher Flächen für die Intervallzellen
und die gleiche Unterteilurig der Intervallzellen in die Rasterzellen
ist eine einfache Zuordnung einer Rasterzelle zu einer global bestimmten
Position des Fahrzeugs möglich und somit eine einfache
Zuordnung des entsprechenden Datenübertragungszeitschlitzes möglich.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst die Intervallzelle beispielsweise
eine quadratische Fläche von näherungsweise 400
m × 400 m. Weiterhin kann eine Rasterzelle beispielsweise eine
quadratische Fläche von näherungsweise 3 m × 3
m umfassen. Bei einer derartigen Aufteilung kann sichergestellt
werden, dass sich in jeder Rasterzelle maximal ein Fahrzeug befindet,
so dass eine eindeutige Zuordnung der Datenübertragungszeitschlitze
zu den Fahrzeugen gewährleistet ist. Bei einer Sendereichweite
des Fahrzeugs von beispielsweise 150 bis 200 m kann bei der oben
genannten Größe der Intervallzelle eine Interferenz
von Datenübertragungen von zwei Fahrzeugen aus zwei benachbarten
Intervallzellen zuverlässig verhindert werden und trotzdem
derselbe Zeitschlitz in jeder Intervallzelle wieder verwendet werden.
Dadurch wird eine gegenseitige Störbeeinflussung der Datenübertragungen
der Fahrzeuge in unterschiedlichen Intervallzellen zuverlässig
vermieden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform können Rasterzellen einer
Intervallzelle, welche sich in einem von Fahrzeugen nicht befahrbaren
Bereich befinden, bestimmt werden. Die diesen Rasterzellen zugeordneten
Datenübertragungszeitschlitze können anderen Rasterzellen
derselben Intervallzelle neu zugeordnet werden. Nicht befahrbare
Bereiche sind beispielsweise Bereiche außerhalb einer Fahrbahn,
Bereiche, in denen sich Gebäude befinden, oder Bereiche,
die aus sonstigen Gründen nicht befahrbar sind, wie zum
Beispiel Seen oder Wälder. Indem die Datenübertragungszeitschlitze
dieser nicht befahrbaren Bereiche anderen Rasterzellen, welche sich
in befahrbaren Bereichen befinden, zugeordnet werden, kann ein Fahrzeug,
welches sich in einer Rasterzelle befindet, der mehrere Datenübertragungszeitschlitze
zugeordnet sind, mehrere Datenübertragungszeitschlitze
nutzen, wodurch die Datenübertragung verbessert wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform können mehrere Rasterzellen
einer Intervallzelle, welche sich in von Fahrzeugen nicht befahrbaren
Bereichen befinden, bestimmt werden und diesen mehreren Rasterzellen
ein vorbestimmter Datenübertragungszeitschlitz zugeordnet
werden. Dadurch kann ein Fahrzeug, wenn es zum Beispiel aufgrund
eines Unfalls in einen nicht befahrbaren Bereich gelangt, den vorbestimmten
Datenübertragungszeitschlitz verwenden. Dieser Datenübertragungszeitschlitz kann
beispielsweise zum Übertragen von Notfallinformationen
verwendet werden.
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Das
Bestimmen, ob sich eine Rasterzelle in einem von Fahrzeugen nicht
befahrbaren Bereich befindet oder nicht, kann beispielsweise mit
Hilfe von Kartenmaterial, welches einem Navigationssystem des Fahrzeugs
zur Verfügung steht, bestimmt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird bei dem Verfahren bestimmt,
ob sich in einer Rasterzelle, welche sich in Fahrtrichtung des Fahrzeugs
vor dem Fahrzeug befindet, ein weiteres Fahrzeug befindet, oder
ob die Rasterzelle oder sogar mehrere Rasterzellen in Fahrt richtung
des Fahrzeugs leer sind. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines
Assistenzsystems des Fahrzeugs zur Abstandsmessung bestimmt werden.
Werden Rasterzellen vor dem Fahrzeug gefunden, in welchen sich kein
weiteres Fahrzeug befindet, so werden die diesen Rasterzellen zugeordneten
Datenübertragungszeitschlitze derjenigen Rasterzelle zugeordnet,
in der sich das Fahrzeug befindet. Dadurch kann das Fahrzeug diese
zusätzlichen Datenübertragungszeitschlitze für
eine Datenübertragung nutzen, wodurch sich die Datenübertragungsrate
erhöht, ohne dass eine Gefahr einer Datenkollision besteht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird eine Sendeleistung für
eine von dem Fahrzeug ausgesendete Datenübertragung in
Abhängigkeit einer Größe der Intervallzelle
und einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs eingestellt. Da sich das
Fahrzeug unter Umständen mit hoher Geschwindigkeit in der
Intervallzelle bewegt, kann sich das Fahrzeug zu dem Zeitpunkt,
zu dem es gemäß seiner Rasterzelle und dem zugeordneten
Datenübertragungszeitschlitz eine Datenübertragung
durchführt, bereits erheblich von der Stelle zu Beginn
des Zeitintervalls entfernt haben. Wenn beispielsweise das Zeitintervall
1 Sekunde beträgt und sich das Fahrzeug mit 200 km/h bewegt
und dem Fahrzeug der letzte Zeitschlitz in dem Zeitintervall zugeordnet
ist, so hat das Fahrzeug in der Zeit zwischen dem Zuordnen des Zeitschlitzes zu
Beginn des Zeitintervalls und dem Senden der Datenübertragung
näherungsweise 55 m zurückgelegt. Die Sendeleistung
für eine von dem Fahrzeug ausgesendete Datenübertragung
wird dementsprechend heruntergeregelt, um eine Überreichweite
in eine benachbarte Intervallzelle zu vermeiden. Bei der oben genannten
Zellengröße von beispielsweise 400 m × 400
m wird die Sendeleistung dementsprechend so weit heruntergeregelt,
dass eine Sendereichweite von beispielsweise 150 m nicht überschritten
wird.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die aktuelle globale Position des
Fahrzeugs auch zum Zeitpunkt der Datenübertragung bestimmt
werden.
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Gemäß der
Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Zeitschlitzes
für eine Datenübertragung für ein Fahrzeug
in einem ad-hoc Netz bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst ein
Zeitbestimmungsmittel zum Bestimmen einer aktuellen globalen Zeitinformation,
ein Positionsbestimmungsmittel zum Bestimmen einer aktuellen globalen
Position des Fahrzeugs und eine Verarbeitungseinheit, welche mit
dem Zeitbestimmungsmittel und dem Positionsbestimmungsmittel gekoppelt
ist. Die Verarbeitungseinheit bestimmt ein Zeitintervall in Abhängigkeit
der globalen Zeitinformation und eine aktuelle globale Position
des Fahrzeugs zu Beginn des Zeitintervalls. in Abhängigkeit
der bestimmten Position des Fahrzeugs wird ein Datenübertragungszeitschlitz
für das Zeitintervall bestimmt. Die derartig ausgestaltete Vorrichtung
ist zum Durchführen des zuvor beschriebenen Verfahrens
und seiner Ausführungsformen geeignet und umfasst daher
auch die zuvor beschriebenen Vorteile.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen
erläutert.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Zeitschlitzes für
eine Datenübertragung für ein Fahrzeug in einem
ad-hoc Netz gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
schematisch mehrere geographische Intervallzellen, welche bei einem
Verfahren zur Bestimmung eines Zeitschlitzes für eine Datenübertragung
für ein Fahrzeug in einem ad-hoc Netz gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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3 zeigt
eine Einteilung der Intervallzellen der 2 in Rasterzellen
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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4 zeigt
die Intervallzellen der 3 mit mehreren Fahrzeugen auf
mehreren Fahrbahnen, wobei jedem Fahrzeug ein Senderadius gemäß der vorliegenden
Erfindung zugeordnet ist.
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5 zeigt
die Intervallzellen der 3 und ein sich schnell bewegendes
Fahrzeug, welchem ein Senderadius gemäß der vorliegenden
Erfindung zugeordnet ist.
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6 zeigt
die Intervallzellen der 2 mit Rasterzellen, welchen
mehreren Datenübertragungszeitschlitze von benachbarten
Rasterzellen aus nicht befahrbaren Bereichen zugeordnet sind.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Zeitschlitzes
für eine Datenübertragung für ein Fahrzeug
in einem ad-hoc Netz. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Zeitbestimmungsmittel 11,
ein Positionsbestimmungsmittel 12, eine Verarbeitungseinheit 13,
einen Datenspeicher 14 und eine Antenne 15. Das
Positionsbestimmungsmittel 12 und das Zeitbestimmungsmittel 11 sind
derart ausgestaltet, dass sie über die Antenne 15 Signale
von einem Satelliten 16 empfangen können, um eine
aktuelle Position des Fahrzeugs und eine aktuelle Zeitinformation
zu bestimmen. Dies kann beispielsweise mit einem globalen Positionsbestimmungssystem,
wie zum Beispiel GPS oder Galileo, durchgeführt werden.
Darüber hinaus kann jedoch auch jedes beliebige weitere
Verfahren zur genauen Positions- und Zeit bestimmung für
das Fahrzeug verwendet werden, wie zum Beispiel eine Positionsbestimmung
in Verbindung mit Fahrzeugdaten und terrestrischen Positionsbestimmungsinformationen
sowie Kartenmaterial von dem Datenspeicher 14, welcher
beispielsweise eine CD oder eine DVD oder eine Festplatte umfasst.
Eine genaue Zeitinformation kann beispielsweise aus Zeitinformationen
eines Mobilfunknetzes oder eines Zeitinformationssenders, wie zum
Beispiel DCF77, bestimmt werden.
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Die
so bestimmte Zeitinformation und Positionsinformation werden der
Verarbeitungseinheit 13 zugeführt und daraus in
der Verarbeitungseinheit 13 ein Datenübertragungszeitschlitz
für eine Datenübertragung von dem Fahrzeug bestimmt,
wie nachfolgend im Zusammenhang mit den 2–5 beschrieben
werden wird.
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Zunächst
wird die gesamte Fläche des Einsatzgebietes des Fahrzeugs,
wie zum Beispiel Europa oder die gesamte Erde, in einheitliche lückenlos aneinander
liegende Quadrate, Hexagone oder anderen geeignete Polygone aufgeteilt.
Diese Flächenelemente werden nachfolgend Intervallzellen
genannt. In 2 sind vier derartige aneinander
liegende quadratische Intervallzellen 17–20 dargestellt, welche
einen Teil des Einsatzgebietes des Fahrzeugs abdecken. Durch die
Intervallzellen 17 und 18 verläuft eine
Fahrbahn 21, auf der sich ein Fahrzeug 22 befindet.
Die Fläche jeder Intervallzelle der 2 ist quadratisch.
Die Fläche jeder Intervallzelle wird wiederum in ein Raster
mit so genannten Rasterzellen aufgeteilt, wie in 3 dargestellt.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform
wird jede Intervallzelle 17–20 in jeweils
neun gleich große Rasterzellen aufgeteilt, welche jeweils
als Quadrate in einer 3×3 Matrix in jeder der Intervallzellen 17–20 angeordnet
sind. In 3 sind die Rasterzellen der
Intervallzelle 17 exemplarisch mit Bezugszeichen 23–31 gekennzeichnet.
Die Intervallzellen 18–20 werden in vergleichbarer
Art und Weise in Rasterzellen aufgeteilt, welche jedoch aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht mit Bezugszeichen versehen
sind. Jeder Rasterzelle wird ein Zeitschlitz 1–9 aus
einer Gesamtmenge von zur Verfügung stehenden Zeitschlitzen zugeordnet,
wie in 3 dargestellt. Das Raster der Rasterzellen und
die dazu gehörige Zeitschlitzzuordnung 1–9 sind
in jeder Intervallzelle 17–20 identisch und
allen Teilnehmern bzw. Fahrzeugen bekannt. Ebenso sind jedem Teilnehmer
Anfangszeitpunkte und Endzeitpunkte von Zeitintervallen bekannt.
Innerhalb eines jeden Zeitintervalls sind die Zeitschlitze 1–9 definiert.
Beispielsweise kann ein Zeitintervall eine Dauer von 1 Sekunde haben
und genau zum Sekundenwechsel der globalen Zeitinformation, welche
mit Hilfe des Zeitbestimmungsmittels 11 bestimmt wird,
beginnen. Ein Zeitschlitz des Zeitintervalls beträgt somit
im vorliegenden Beispiel bei 9 Rasterzellen und 9 Zeitschlitzen
genau 1/9 Sekunde und eine Reihenfolge der Zeitschlitze kann beispielsweise
durch die Nummerierung, wie sie in 3 dargestellt
ist, definiert sein. Im vorliegenden Beispiel der 3 ist
somit den Rasterzellen 23 der verschiedenen Intervallzellen 17–20 jeweils
der Zeitschlitz 1 zugeordnet und somit eine Datenübertragungszeit von
1/9 Sekunde beginnend mit dem Sekundenwechsel der globalen Zeitinformation.
Den Rasterzellen 24 der Intervallzellen 17–20 ist
jeweils der Zeitschlitz 2 zugeordnet und somit eine Datenübertragungszeit
von 1/9 Sekunde beginnend 1/9 Sekunde nach dem Sekundenwechsel der
globalen Zeitinformation zugeordnet. Den weiteren Rasterzellen 25–31 sind
in vergleichbarer Art und Weise die Zeitschlitze 3–9 und
die entsprechenden Datenübertragungszeiten innerhalb des
Zeitintervalls zugeordnet.
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Zu
Beginn eines jeden Zeitintervalls, also beispielsweise bei dem Sekundenwechsel
der globalen Zeitinformation, bestimmt nun jedes Fahrzeug seine
genaue Position und somit die Rasterzelle 23–31 und
die Intervallzelle 17–20 in der sich
das Fahrzeug befindet. Da jeder Rasterzelle ein Zeitschlitz 1–9 zugeordnet
ist, wird somit jedem Fahrzeug ein entsprechender Zeitschlitz 1–9 der
Rasterzelle 23–31 zugeordnet.
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4 zeigt
das zuvor beschriebene Zuordnungsverfahren der Zeitschlitze 1–9 anhand
eines etwas komplexeren Beispiels der Intervallzellen 17–20 der 3,
die ein Einsatzgebiet abdecken, in welchem drei Fahrbahnen 21, 32, 33 vorhanden
sind. Auf der Fahrbahn 21 befindet sich das Fahrzeug 22, auf
der Fahrbahn 32 ein Fahrzeug 34 und auf der Fahrbahn 33 ein
Fahrzeug 35. Zu Beginn des Zeitintervalls bestimmten die
Fahrzeuge 22, 34, 35 jeweils ihre globale
Position und daraus mit Hilfe der Intervallzellen 17–20 und
Rasterzellen 23–31 einen ihnen zugeordneten
Zeitschlitz 1–9. In dem in 4 dargestellten
Beispiel ist dem Fahrzeug 22 der Zeitschlitz 5 zugeordnet,
dem Fahrzeug 34 ebenfalls der Zeitschlitz 5 zugeordnet
und dem Fahrzeug 35 der Zeitschlitz 1 zugeordnet.
Da die Zeitschlitze 1–9 in jeder Intervallzelle 17–20 identisch
verteilt sind, befinden sich in einem bestimmten Umkreis einer jeden
Rasterzelle keine weiteren Rasterzellen, welchen ein gleicher Zeitschlitz
zugeordnet ist. Der bestimmte Umkreis entspricht dabei der Größe
einer Intervallzelle. Alle Fahrzeuge können also in diesem
Umkreis gleichzeitig kollisionsfrei senden. Die Umkreise der Fahrzeuge 22, 34 und 35 sind
in 4 als Umkreise 36–38 dargestellt.
Der Umkreis 36 ist dem Fahrzeug 22 zugeordnet,
der Umkreis 37 ist dem Fahrzeug 34 zugeordnet
und der Umkreis 38 ist dem Fahrzeug 35 zugeordnet.
Die Umkreise 36 und 37 überschneiden sich
nicht, daher können die Fahrzeuge 22 und 34 zum
gleichen Zeitschlitz 5 Daten übertragen. Da die Fahrzeuge 35 und 22 zu
unterschiedlichen Zeitschlitzen Daten übertragen (Fahrzeug 35 zu
Zeitschlitz 1 und Fahrzeug 22 zu Zeitschlitz 5),
treten trotz der Überschneidung der Umkreise 36 und 38 keine
Kollisionen der Datenübertragungen auf. Das gleiche gilt für
die Überschneidung der Umkreise 37 und 38.
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Jedes
Fahrzeug 22, 34, 35 kann nun den ihm zugeordneten
Zeitschlitz zum Senden nutzen. Im oben beschriebenen Beispiel eines
Zeitintervalls von einer Sekunde und neun Zeitschlitzen kann das
Fahrzeug 35 für eine Zeitschlitzdauer von 1/9
Sekunde direkt zu Beginn des Zeitintervalls Daten übertragen. Die
Fahrzeuge 22 und 34 können dementsprechend für
1/9 Sekunde ungefähr nach 444 Millisekunden nach dem Sekundenwechsel,
d. h. nach dem Beginn des Zeitintervalls, Daten übertragen.
Bis zum Beginn der Datenübertragung, d. h. nach ungefähr
444 Millisekunden, haben sich die Fahrzeuge 22 bzw. 34 jedoch
weiter bewegt. Um eine Überschneidung der Übertragungsumkreise 36–38 zuverlässig
zu verhindern, ist eine Verringerung der Sendeleistung und somit
eine Verkleinerung des Umkreises in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit
und des Zeitschlitzes erforderlich. 5 zeigt
eine derartige Verringerung des Sendeumkreises für das
Fahrzeug 22. Hatte das Fahrzeug 22 zu Beginn des
Zeitintervalls noch die in 4 gezeigte
Position in der Rasterzelle mit dem Zeitschlitz 5, so hat
sich das Fahrzeug 22 bis zum Beginn der eigentlichen Datenübertragung
beispielsweise bis zu der in 5 gezeigten
Position weiter bewegt. Der ursprüngliche Übertragungsumfang 36 wird
daher dementsprechend auf den in 5 gezeigten
Umfang 39 verkleinert, so dass eine Übertragungsstörung
mit einer Übertragung in der Intervallzelle 17 zuverlässig
verhindert wird.
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Ist
ein Zeitintervall vergangen, muss jedes Fahrzeug erneut seine Position,
die Rasterzelle und den zugeordneten Zeitschlitz bestimmen. Die
ermittelten Zeitschlitze sind immer nur für das aktuelle
Zeitintervall gültig.
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Anhand
der 2–5 wurde
zuvor das Verfahren der vorliegenden Erfindung anhand von Intervallzellen 17–20 mit
jeweils neun Rasterzellen 23–31 beschrieben.
In praktischen Systemen werden jedoch die Intervallzellen mit einer
erheblich höheren Anzahl von Rasterzellen verwendet werden.
Außerdem sind Ungenauigkeiten der Positionsbestimmung sowie
der Bestimmung der globalen Zeitinformation zu berücksichtigen.
Geht man beispielsweise von einer Ungenauigkeit der Positionsbestimmung
von maximal 3 m und einer Abweichung der globalen Zeitinformation
von maximal 10 μs aus und ist eine Sendereichweite von
beispielsweise ungefähr 200 m gewünscht, können
beispielsweise quadratische Intervallzellen mit den Abmaßen
399 m × 399 m verwendet werden. Diese kann man beispielsweise
in Rasterzellen der Größe 3 m × 3 m aufteilen.
In eine derartige Rasterzelle passt üblicherweise maximal
ein Fahrzeug, so dass eine eindeutige Zuordnung von Fahrzeug zu
Rasterzellen möglich ist. Bei dieser Aufteilung passen
17689 Rasterzellen in eine Intervallzelle. Bei einem angenommenen
Zeitintervall von einer Sekunde beträgt die Dauer eines
Zeitschlitzes ca. 56 μs. Abzüglich der Ungenauigkeit
der globalen Zeitintervall von 10 μs beträgt die
Nettosende zeit 36 μs. Wenn angenommen wird, dass ein 10
MHz Kanal eine Datenübertragungsrate von 27 Megabit pro
Sekunde zulässt, können pro Zeitschlitz 972 Bit übertragen
werden.
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Für
den Fall, dass sich 17689 Fahrzeuge in der definierten Intervallzelle
befinden, würde die kleinste Übertragungsrate
972 Bit pro Sekunde betragen, was zum periodischen Aussenden von
Kontroll- und Statusinformationen, so genannten Beacons, ausreichend
ist. Das Verfahren könnte also in einer extremen und unwahrscheinlich
hohen Verkehrsdichte funktionieren.
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In
der Praxis bestehen Abstände zwischen Fahrzeugen, welche
mit Sensoren, zum Beispiel einer vorhandenen Abstandsregelung, detektiert
werden können. Fahrzeuge können somit auch die
ungenutzten Zeitschlitze von mit Sicherheit freien Rasterzellen
nutzen und so die Mindestübertragungsrate erhöhen.
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In
Bezug auf eine Verringerung der Sendeleistung, wie zuvor im Zusammenhang
mit 5 beschrieben, legt ein 200 km/h schnelles Fahrzeug, wenn
es den letzten Zeitschlitz des Zeitintervalls zugeordnet bekommen
hat, ca. 55,5 m zurück, bis es seine Datenübertragung
durchgeführt hat. Um eine Kollision mit einer Datenübertragung
zum selben Zeitschlitz in einer benachbarten Intervallzelle zu vermeiden,
müsste die Sendereichweite somit auf ca. 145,5 m verringert
werden.
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Um
die Datenübertragungsrate für jedes Fahrzeug zu
erhöhen, ist beispielsweise folgende Erweiterung des Verfahrens
möglich. Voraussetzung dafür ist, dass alle Kommunikationsteilnehmer,
d. h. alle Fahrzeuge, zusätzlich mit digitalen Straßenkarten
oder Navigationskarten ausgestattet sind. Insbesondere sind Fahrspurinformationen
in den Straßenkarten hilfreich.
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Wie
zuvor beschrieben, funktioniert das Verfahren auch bei extrem dichten
Verkehrssituationen, lässt jedoch Zeitschlitze von Rasterzellen,
welche sich außerhalb der Fahrspuren befinden, wie z. B. Gebäuden,
Waldflächen, Seen usw., ungenutzt. Verfügt jedes
Fahrzeug Ober entsprechende Informationen aus Straßenkarten,
so kann über entsprechende Algorithmen, wie z. B. morphologische
Operatoren, eine eindeutige Umordnung der Zeitschlitze von Rasterzellen,
welche sich außerhalb der Fahrspuren befinden, auf Rasterzellen,
die sich auf der Straße befinden, erfolgen. Dies ist beispielhaft
in 6 dargestellt. Die Rasterzellen 23–25 und 29–31 der
Intervallzellen 17 und 18 befinden sich im Beispiel
der 6 außerhalb der Fahrspuren der Fahrbahn 21 und
stellen somit einen nicht befahrbaren Bereich dar. Dementsprechend
können die Zeitschlitze 1–3 bzw. 7–9 der
Intervallzellen 17 und 18 jeweils den Rasterzellen 26–28 zugeordnet
werden. Im Beispiel der 6 sind der Rasterzelle 26 der
Intervallzellen 17 bzw. 18 nun jeweils die Zeitschlitze 1, 4 und 7 zugeordnet.
Dies kann eine deutlich höhere Datenübertragungsrate
ermöglichen. Die Datenübertragungsrate erhöht
sich weiterhin, wenn nebeneinander liegende Zeitschlitze einem Fahrzeug
zugeordnet sind, da in diesem Fall kein Ungenauigkeitsabstand aufgrund
der Zeitinformation (im obigen Beispiel die 10 μs) zwischen
diesen beachtet werden muss.
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Gegebenenfalls
können ein oder mehrere Zeitschlitze für das gesamte
Gebiet einer Intervallzelle außerhalb der Fahrspuren reserviert
werden, so dass auch Fahrzeuge, die von der Fahrbahn abgekommen
sind, einen Zeitschlitz zum Senden erhalten.
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Das
zuvor beschriebene Verfahren ist zur Verwaltung eines Kontroll-
oder Steuerkanals geeignet, kann aber darüber hinaus auch
für Datenkanäle verwendet werden, insbesondere
in Verbindung mit dem zuvor erwähnten erweiterten Verfahren.
Aufgrund der eindeutigen Zuordnung der Zeitschlitze und der garantierten
Kollisionsfreiheit der Datenübertragungen kann das Hidden
Node Problem zuverlässig vermieden werden. Ein weiterer
Vorteil des Verfahrens ist, dass kein zusätzliches dezentrales
Verfahren zum Erlangen von Zugriffsrechten, wie z. B. ein CSMA-Verfahren
(Carrier Sense Multiple Access-Verfahren) benötigt wird,
wodurch eine Übertragungskanalkapazität besser
genutzt werden kann. Weiterhin müssen die Kontroll- und
Statusinformationen (Beacons oder so genannte Heartbeat-Datenpakete)
nicht die Position des sendenden Kommunikationsteilnehmers enthalten,
da diese von allen Empfängern mit Hilfe des Zeitschlitzes,
in dem das Paket gesendet wird, ermittelt werden kann. Weiterhin
können Störungen oder Störbereiche anhand
des zeitlichen Ausbleibens von derartigen Kontroll- und Statusinformationsübertragungen
(Heartbeats) besser lokalisiert werden.
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Sollen
kleinere Fahrzeug, wie z. B. Krafträder, mit einbezogen
werden, müssen kleinere Rasterzellen verwendet werden.
Alternativ könnte für derartige kleine Fahrzeuge
die oben erwähnte Rasterzellengröße von
3 m × 3 m beibehalten werden, wobei jedoch in diesem Fall
vor Eintritt in eine gemeinsame Rasterzelle Regeln zur Nutzung eines
gemeinsamen Zeitschlitzes getroffen werden müssen. Auch
einfache Brückenkreuzungen verlangen zusätzliche
Regelungen zur Vergabe der Zeitschlitze. Beispielsweise kann hier
abwechselnd (gerade Sekunde und ungerade Sekunde) zwischen oberer
und unterer Straße ein Zeitschlitz vergeben werden. Alternativ
oder bei noch komplizierteren Straßenverläufen
können die Zeitschlitze zusätzlich mit Hilfe von
so genannten Road Site Units verwaltet werden.
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- 1–9
- Zeitschlitz
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Zeitbestimmungsmittel
- 12
- Positionsbestimmungsmittel
- 13
- Verarbeitungseinheit
- 14
- Datenspeicher
- 15
- Antenne
- 16
- Satellit
- 17–20
- Intervallzelle
- 21
- Fahrbahn
- 22
- Fahrzeug
- 23–31
- Rasterzellen
- 32
- Fahrbahn
- 33
- Fahrbahn
- 34
- Fahrzeug
- 35
- Fahrzeug
- 36–38
- Umkreis
- 39
- Umkreis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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