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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer.
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Funkbasierte Kommunikationsnetzwerke mit mehreren Nutzern benötigen MAC(Media Access Control)-Protokolle oder -Verfahren, die den Zugriff auf das gemeinsam genutzte Übertragungsmedium regeln. Einen Spezialfall solcher Netzwerke stellen sogenannte Mobile Adhoc Netzwerke (MANET) dar. Hier sind die Netzwerkteilnehmer mobil und übertragen Daten an andere Teilnehmer in ihrer Umgebung, ohne dabei auf Infrastruktur, wie Basisstationen, zurückzugreifen.
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Derartige Netzwerke können beispielsweise für Fahrzeug-zu-Fahrzeugkommunikationssysteme angewandt werden. Für sicherheitsrelevante Anwendungen, wie z. B. der Vermeidung von Kollisionen zwischen Fahrzeugen, ist es notwendig, dass jedes Fahrzeug regelmäßig verkehrsrelevante Informationen an die anderen Verkehrsteilnehmer in der Umgebung übermittelt. Hierzu werden von jedem Nutzer wiederholt kurze Statusnachrichten als Broadcast versendet, die die aktuelle Position, Geschwindigkeit, Richtung und andere sicherheitsrelevante Informationen beinhalten. Diese gesendeten Informationen sollen zuverlässig und so schnell wie möglich an den jeweils anderen Verkehrsteilnehmern empfangen werden und vor allem regelmäßig in kurzen Zeitabständen über Veränderungen informieren.
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Aufgrund der Bewegung der Nutzer ist das Netzwerk dynamisch. Dies bedeutet, dass sich für einen einzelnen Nutzer die Kommunikationspartner in seiner Funkreichweite ständig ändern. Neue unbekannte Nutzer kommen hinzu, während andere verschwinden. Die Schwierigkeit bei der Entwicklung derartiger Multibroadcast-MANETs ist die Wahl eines geeigneten MAC-Verfahrens. Hierbei soll vermieden werden, dass Nachrichten bei einem Empfänger, für den sie relevant sind, kollidieren und somit verloren gehen. Dies kann dann passieren, wenn zwei Nutzer gleichzeitig senden. Derartige Nachrichtenkollisionen verringern nicht nur den Datendurchsatz und somit die Effizienz bei der Nutzung der vom Kommunikationssystem verwendeten Bandbreite, sie führen auch dazu, dass der sogenannte Update-Delay steigt. Der Update-Delay ist jene Zeit, gemessen an einem Empfänger, die zwischen dem aufeinanderfolgenden Empfang zweier Statusnachrichten von ein- und demselben Sender verstreicht. Hierbei handelt es sich um ein Kriterium, das Aussagen zur Güte der Kommunikation sicherheitsrelevante Anwendungen in MANETs erlaubt.
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Der Update-Delay hängt nicht nur von der verfügbaren Bandbreite und dem verwendeten MAC-Verfahren ab, sondern auch vom Funkkanal, der Dichte der Verkehrsteilnehmer und deren Dynamik. Dies bedeutet, dass sich im Rahmen von sicherheitsrelevanten Verkehrsanwendungen sehr unterschiedliche Update-Delay-Charakteristiken ergeben, je nachdem, welches MAC-Protokoll verwendet wird, ob es sich um eine städtische oder ländliche Umgebung handelt (= Funkkanal), wie hoch das Verkehrsaufkommen ist (Nutzerdichte) und wie schnell sich die Verkehrsteilnehmer relativ zueinander bewegen.
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1 veranschaulicht den Sachverhalt der Abhängigkeit vom Funkkanal. Sie zeigt den Vergleich der Nachrichtenkollisionsrate für einen idealen Funkkanal und einen suburbanen Kanal (Hata Channel) am Beispiel des SOTDMA-Protokolls (s. hierzu auch die folgende Veröffentlichung: [1] Rico Garcia, C., Lehner, A., Strang, T.: Channel Model for Train to Train Communication using the 400 MHz Band. Srinivasan, Vikam [Hrsg.]: IEEE 67th Vehicular Technology Conference VTC Spring 2008, IEEE Converence eXpress Publishing, Singapore, ISBN 978-14244-1645-5, ISSN 1550–2252, pp. 3082–3086, May 11–14, 2008.
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Der Einfluss des MAC Protokolls und der Nutzerdichte auf den Update-Delay wird in 2 veranschaulicht. Verglichen wird die Perfance von Slotted Aloha und SOTDMA für ein offenes (über die Funkreichweite einzelner Teilnehmer ausgedehntes) Netzwerk mit gleichverteilten statischen Nutzern, bei verschiedenen Nutzerdichten. Die Abbildung zeigt die CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) des Update-Delay. Ein Punkt auf der Kurve gibt also jene Wahrscheinlichkeit an, dass die Zeit zwischen dem Empfangen zweier Nachrichten von ein und demselben Nutzer mehr als x Sekunden beträgt.
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Generell lässt sich der Update-Delay mit mehr Bandbreite nahezu beliebig reduzieren. Stand der Technik ist die Verwendung stochastischer MAC Protokolle für sicherheitsrelevante Funkkommunikationssysteme in Broadcast-MANETs. Die erreichte Bandbreiteneffizienz ist dabei sehr gering. Erhöhtes Verkehrsaufkommen bzw. Funkkanaländerungen führen im Allgemeinen zu eingeschränkter Performance, z. B. reduzierter garantierter Reichweite der Anwendung.
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Das Traffic Alert and Collision Avoidance System/Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (TCAS/ADS-B) im Luftverkehr arbeitet nach dem Aloha Zugriffsverfahren. Die Senderate und Sendeleistung der Nutzer wird dabei an die Verkehrssituation angepasst, um die Anzahl der Nachrichtenkollisionen zu kontrollieren. Solch eine Interferenzreduktion schränkt aber auch die Reichweite des Systems ein. Trotz dieser Maßnahmen bewegt sich der maximale Datendurchsatz nur im Bereich von wenigen % damit die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Kommunikation erfüllt werden können. D. h. es ist bezogen auf die Nachrichtengröße und -rate eine sehr große Bandbreite notwendig.
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Beim Automatic Identification System (AIS) in der Schifffahrt wird das SOTDMA-Verfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden zukünftige Sendezeitpunkte vorreserviert und diese Reservierungen in den gesendeten Nachrichten mitgeteilt. Eine akzeptable Performance ist wieder nur mit geringer Bandbreiteneffizienz erreichbar, denn auch bei diesem Verfahren kommt es zu Nachrichtenkollisionen: das Problem der „unsichtbaren Teilnehmer” (hidden terminals) ergibt sich wenn z. B. zwei Teilnehmer A und B unabhängig voneinander einem dritten Teilnehmer C eine Nachricht senden möchten und dabei B knapp außerhalb der Reichweite von A liegt, d. h. B kann nicht „hören” ob A bereits reserviert hatte (A ist für B „unsichtbar”). Als Folge daraus würde B demnach denselben Zeitschlitz wählen können, selber an C zu senden und dabei die Verbindung von A und C stören. Beide Nachrichten an C würden verloren gehen.
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Ein zusätzliches Problem in MANETs ist die ständige Veränderung des Netzwerkes aufgrund der Nutzerbewegung. Protokolle wie SOTDMA mit einem deterministischen Anteil (in diesem Falle die Vorreservierung) verlieren an Performance je schneller sich die Nutzer bewegen. Eine zu einem Zeitpunkt konfliktfreie Reservierung kann nämlich trotzdem zu einer Nachrichtenkollision führen, weil sich die Nutzer bis zum Sendezeitpunkt sehr weit fortbewegt haben. Das heißt, der Update-Delay hängt auch von der Geschwindigkeit der Nutzer ab.
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Eine weitere Quelle für das Nichthören von Reservierungen oder anderer Teilnehmer innerhalb der Reichweite ist der Funkkanal. Anders als in der Luft- und Schifffahrt, wo die Funkwellenausbreitung kaum gestört wird, gibt es im Straßen und Schienenverkehr örtlich sehr unterschiedliche Störeinflüsse, z. B. durch Gebäude, Wälder, Hügel, Tunnel, etc.
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In der Car2Car Kommunikation wird das Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Verfahren verwendet. Jeder Teilnehmer überwacht dabei den Funkkanal, um zu erkennen, warm der Kanal frei wird. Damit nun nicht alle wartenden Teilnehmer gleichzeitig zu senden beginnen, wählt jeder Sender eine zufällige Wartezeit, den sogenannten Back-Off-Counter, der herabgezählt wird solange man das Medium als frei detektiert, bevor man beginnt, seine eigene Nachricht zu versenden. Auch dieses Protokoll ist nicht kollisionsfrei. Zwei Sender können den gleichen Back-Off-Counter wählen und auch das Hidden-Terminal-Problem tritt auf. Anpassung an die Verkehrssituation und Umgebung erfolgt durch Sendeleistungssteuerung bzw. durch bewusste Nachrichtenkollisionen mit entfernten Teilnehmern, was wiederum zu einer eingeschränkten Reichweite für sicherheitskritische Anwendungen führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer bereitzustellen, bei dem die Wahrscheinlichkeit von Nachrichtenkollisionen reduziert wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Daten zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer übertragen oder ausgetauscht. Bei den Verkehrsteilnehmern kann es sich beispielsweise um Straßenfahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und/oder Luftfahrzeuge handeln. Daten werden von den Verkehrsteilnehmern über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Funknetzwerk handeln, auf das alle Verkehrsteilnehmer zugreifen können. Insbesondere ist es möglich, dass das Funknetzwerk durch die Verkehrsteilnehmer selbst gebildet wird und somit nicht auf eine gesonderte Infrastruktur, beispielsweise Basisstationen angewiesen ist.
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Der Zugriff auf das gemeinsam genutzte Übertragungsmedium erfolgt erfindungsgemäß durch die Verwendung von MAC-Verfahren. Erfindungsgemäß erfolgt die Wahl des verwendeten MAC-Verfahrens und/oder dessen Parameter in Abhängigkeit von der Anwendungssituation und/oder der Umgebung.
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Als MAC-Verfahren können beispielsweise das Aloha-Zugriffsverfahren, das SOTDMA-Verfahren oder das CSMA-Verfahren verwendet werden.
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Durch die erfindungsgemäß Anpassung des MAC-Verfahrens bzw. dessen Parametern ist es möglich die Wahrscheinlichkeit von Nachrichtenkollisionen zwischen den Verkehrsteilnehmern zu reduzieren. Gleichzeitig ist es möglich, den Update-Delay zu reduzieren bzw. zu erreichen, dass dessen statistische Verteilung den Anforderungen einer Anwendung genügt. Gleichzeitig wird eine effiziente Nutzung der Funkkanalkapazität ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in der Fahrzeug-zu Fahrzeugkommunikationstechnologie (Car2Car Communications) sowie in Zugkollisionsvermeidungssystem, wie z. B. RCAS (Rail Collision Avoidance System) auf der Basis von direkter Funkkommunikation verwendet werden.
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Erfindungsgemäß muss somit die erforderliche Kommunikationsgüte nicht durch den Einsatz sehr großer Bandbreiten realisiert werden, was eine sehr ineffiziente Nutzung der Bandbreite zur Folge hätte. Auch eine Einschränkung der Servicereichweite durch ein erhöhtes Nutzeraufkommen kann kompensiert werden. Somit es möglich, das verwendete Verfahren auf die aktuelle Anwendungssituation anzupassen.
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Bevorzugt ist das gemeinsame Übertragungsmedium, das von den Verkehrsteilnehmern genutzt wird, ein MANET.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird SOTDMA als MAC-Verfahren verwendet und der Parameter SI in Abhängigkeit von der Systemlast variiert. Beispielsweise kann der Parameter SI = 0 gewählt werden, sofern die Systemlast einen definierten Schwellwert, insbesondere 10%, nicht überschreitet. Der Parameter SI kann periodisch beispielsweise im Abstand von 2 bis 30 Sekunden, bevorzugt 10 bis 18 Sekunden, besonders bevorzugt 14 Sekunden auf 1 gesetzt werden.
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Der Parameter SI bestimmt in welchem Bereich eines Frames einer definierten Länge, beispielsweise einer Sekunde, die Auswahl des Torreservierten Zeitschlitzes erfolgen kann. Im Falle SI = 0 wird immer der gleiche Zeitschlitz im nächsten Fraime vorreserviert, während für SI = 1 die Auswahl eines freien Zeitschlitzes zufällig über die gesamte Framefänge erfolgt. Frei in diesem Zusammenhang bedeutet, dass bisher keine Nachricht empfangen wurde, die diesen Zeitschlitz reserviert. Der Wertebereich für SI liegt zwischen 0 und 1.
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Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von kleinen Update Delays kann gesenkt werden je kleiner SI gewählt wird. Im Gegenzug steigt dabei allerdings die Wahrscheinlichkeit für hohe Update Delays. Umgekehrt kann mit großem SI die Wahrscheinlichkeit für große Update Delays reduziert werden. Der Parameter SI ermöglicht also die Anpassung der Update Delay Charakteristik.
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Der Parameter SI beim SOTDMA Protokoll erlaubt eine gezielte Gewichtung von Zufall und kooperativer Planung bei der Wahl des Sendezeitpunktes. SI = 1 bedeutet maximaler Zufall, bei SI = 0 hingegen beruht die Wahl auf einem rein deterministischen Protokoll.
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Bei CSMA kann beispielsweise der maximal wählbare Back-Off-Counter diese Gewichtung beeinflussen. Je kleiner der maximal wählbare Back-Off-Counter ist, desto geringer wird der stochastische Anteil bei der Wahl des Sendezeitpunktes.
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Die Geschwindigkeit der Nutzer in MANETs, die Funkkanalcharakteristik und die Nutzerdichte haben einen entscheidenden Einfluss darauf, wie sich die stochastischen und deterministischen Anteile des Protokolls auf die Update Delay Charakteristik auswirken.
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Z. B. sinkt bei höheren Nutzergeschwindigkeiten die Wahrscheinlichkeit für große Update Delays, ähnlich wie bei der Erhöhung des stochastischen Anteils im Protokoll. Vermehrte Funkübertragungsfehler durch Fading schränken im Allgemeinen die Wirkung des deterministischen Anteils ein. Die Wirkung beider Anteile, stochastisch und deterministisch, hängt insbesondere auch von der Nutzerdichte ab.
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Im Rahmen der Betrachtung der Anwendungssituation und/oder Umgebung in Abhängigkeit derer die Wahl des verwendeten MAC-Verfahrens und/oder dessen Parameter erfolgt, kann die folgenden Faktoren umfassen:
Den Ort, die Geschwindigkeit und/oder die Bewegungsrichtung einzelner Verkehrsteilnehmer, die Auslastung des Funkkanals und/oder die jeweilige Sendeleistung und/oder Antennencharakteristik der Verkehrsteilnehmer.
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Grundlage für Simulationen sind geeignete Modelle z. B. für Slow- und Fast-Fading des Funkkanals, aber auch für Nachrichtenverluste aufgrund von Interferenzen. Sind keine geeigneten Modelle vorhanden, kann die CCDF des Update Delays auch durch Messungen (Feldtests) ermittelt werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, die Kommunikationseinheit eines Verkehrsteilnehmers in einem MANET zur Gewinnung von Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformationen über diesen Verkehrsteilnehmer zu verwenden. Die Kommunikationseinheit eines Nutzers in einem MANET für sicherheitsrelevante Anwendungen verfügt im Allgemeinen über die genannten Informationen, die unter anderem über die gesendeten Nachrichten an andere Nutzer übertragen werden. Diese Informationen können zur Beurteilung der Qualität des Funkkanals (z. B. ländlich oder städtisch) und/oder der Geschwindigkeitsverteilung der Verkehrsteilnehmer (z. B. Autobahnen oder Ortsgebiet) und/oder zur Abschätzung der Nutzerdichte verwendet werden. Eine Abschätzung der Nutzerdichte kann beispielsweise über die Anzahl an empfangenen Nachrichten anderer Nutzer in der Umgebung erfolgen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen;
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1 einen Vergleich der Nachrichtenkollisionsrate im SOTDMA-Verfahren gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen Vergleich des Update-Delays von Slotted Aloha und SOTDMA für ein offenes Netzwerk mit gleich verteilten statischen Nutzern gemäß dem Stand der Technik,
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3 einen Vergleich des Update-Delays im SOTDMA-Verfahren für verschiedene Werte des Parameters SI,
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4 Verteilungen des Update-Delays im SOTDMA-Verfahren für unterschiedliche Systemlasten, Parameter SI und Geschwindigkeiten,
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5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
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3 zeigt beispielhaft die unterschiedlichen CCDF-Verteilungen für das SOTDMA Verfahren mit verschiedenen Werten für den Parameter SI.
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4 zeigt Verteilungen des Update-Delays für das SOTDMA-Verfahren für unterschiedliche Systemlasten, Parameter SI und Geschwindigkeiten im Fall eines idealisierten Ausbreitungskanals. Vergleicht man die Kurven mit 50% Systemlast und Geschwindigkeit 0 km/h für SI = 1 und SI = 0, erkennt man, dass der Schnittpunkt bei 9 Sekunden liegt. Für 200 km/h liegt der Schnittpunkt der entsprechenden Kurven bei 4 Sekunden. Analog könnte auch in dieser Ausführungsform der Parameter SI alle 9 bzw. 4 Sekunden auf 1 gesetzt werden, um die CCDF des Update-Delays zu verbessern.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Prinzipzeichnung. Dargestellt ist ein Transmitter mit einem Empfangs- und einem Sendepfad. Der Zugriff auf den Funkkanal wird durch den MAC-Block kontrolliert. Das MAC-Verfahren und/oder die Protokollparameter des Medienzugriffs werden gesteuert durch mindestens eine oder aber durch die Kombination mehrerer Informationen aus den folgenden Gruppen:
- 1. Informationen zum eigenen Ort, Lage, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit oder Uhrzeit, gewonnen aus einer Lokalisierungseinheit,
- 2. Informationen zu Ort, Lage, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, sowie zu MAC-Verfahren und/oder Protokollparameter anderer Transmitter in der Umgebung (dazu gehören z. B. auch Sendeleistung und Abstrahlcharkteristik), gewonnen aus den empfangenen Nachrichten,
- 3. Datenbankinformation aus der Applikation, z. B. Umgebungsinformationen für Kanalschätzung, etc.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Rico Garcia, C., Lehner, A., Strang, T.: Channel Model for Train to Train Communication using the 400 MHz Band. Srinivasan, Vikam [Hrsg.]: IEEE 67th Vehicular Technology Conference VTC Spring 2008, IEEE Converence eXpress Publishing, Singapore, ISBN 978-14244-1645-5, ISSN 1550–2252, pp. 3082–3086, May 11–14, 2008 [0006]
