DE102015214968B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems zwischen zwei Teilnehmer (1, 2), wobei mindestens ein Teilnehmer (1, 2) mobil ist, wobei
zu einem Zeitpunkt t0 eine aktuelle Position des mobilen Teilnehmers (1, 2) ermittelt wird und anhand der aktuellen Position mittels eines Umfeldmodells (8) eine Kanalqualität für einen zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geschätzt wird, wobei aufgrund der Schätzung mindestens ein Parameter zum zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geändert wird, wobei die Geschwindigkeit des mindestens einen mobilen Teilnehmers (1, 2) ermittelt wird,
wobei anhand der aktuellen Position und der Geschwindigkeit ein Bewegungsvektor (9) ermittelt und daraus eine Position des mobilen Teilnehmers (1, 2) zum Zeitpunkt t1 der Parameteränderung geschätzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Kanalqualität zusätzlich Position und Bewegungsvektor weiterer mobiler Teilnehmer innerhalb einer Kommunikationsreichweite zwischen den beiden Teilnehmer (1, 2) berücksichtigt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems.
  • Digitale Kommunikation, z.B. über das Mobilfunknetz, ist heutzutage allgegenwärtig. Nutzer erwarten hohe Datenraten, geringe Latenz und eine hohe Verlässlichkeit. Um dies zu erreichen, stellen sich Sender und Empfänger zu jedem Zeitpunkt auf die gegebene Situation neu ein. Die Eigenschaften des Kanals zwischen Sender und Empfänger werden regelmäßig geschätzt und entsprechend dieser Schätzung werden Parameter, die einen Einfluss auf Datenrate und Robustheit haben, eingestellt. Existierende mobile Kommunikationsverfahren beruhen auf der Annahme, dass eine Kommunikationsverbindung zwischen einer statischen Übermittlungsstation (Base Transceiver Station BTS oder Evolved Node B eNB) und einem tragbaren Endgerät UE (User Equipment) existiert, wobei die Übermittlungsstation vorzugsweise an einer erhöhten Position angeordnet ist und die mobilen Bewegungsmuster der Endgeräte relativ langsam und zufällig sind.
  • Bei relativ langsamen und zufälligen Bewegungen dominiert das sogenannte „slow and random fading“, für das eine Schätzung der Bewegung wenig Vorteile bringt. Zusätzlich sind die meisten Antennen für die Endgeräte nicht mit ausrichtbaren Antennen ausgebildet, um sich der Umgebung anzupassen. Zukünftige bzw. in der Entwicklung befindliche mobile Kommunikationssysteme basieren auf heterogenen Kommunikationssystemen mit verschiedenen Kommunikationsverbindungen. So können komplexe statische oder mobile Übermittlungsstationen mit einfachen oder komplexen mobilen Endgeräten (wie z.B. ein Kraftfahrzeug) kommunizieren oder auch Kraftfahrzeuge direkt miteinander kommunizieren. Diese neuen Szenerien sind durch verschiedene Bewegungsmuster, Antennenanordnungen oder andere physikalische oder logische Relationen zwischen Fahrzeug und Umgebung charakterisiert. Dies führt dazu, dass die bekannten Kanalschätzungs-Modelle nicht mehr optimal passend sind, beispielsweise weil die Antennen von Fahrzeugen in der Regel nicht mehr so hoch sind wie bei den statischen Vermittlungsstellen und auch die Reichweise bei Verbindungen zwischen zwei Fahrzeugen in der Regel geringer ist. Daher wird bei sehr schnellen Bewegungsmustern mit vorbekannten Trajektorien ein schnelles, aber schätzbares Kanal-fading ein entscheidendes Merkmal sein. Fahrzeuge und andere Endgeräte oder Vermittlungsstellen können verschiedene, aber feste Antennenanordnungen aufweisen, wobei eine Separation mittels verschiedener Antennenelemente erfolgt. Dies ist aufwendig. Alternativ müssen neue Wege eingeschlagen werden, die diesen Umständen Rechnung tragen.
  • Digitale Kommunikation nutzt verschiedene Mechanismen, um sich auf den aktuellen Kanal zwischen Sender und Empfänger einzustellen. Dies erfolgt in zwei Schritten:
    • - In einem ersten Schritt wird der Kanal zwischen Sender und Empfänger geschätzt. Der Sender bettet bekannte Symbole (Pilotsequenz) an vorab definierten Stellen im Signal ein. Der Empfänger nutzt das verzerrte Abbild des bekannten Signals, um die Störung durch den Kanal zu schätzen. Bei der sogenannten Closed-Loop Schätzung sendet der Empfänger diese Information über den Kanal an den Sender. Bei der Open-Loop Kanal-Schätzung nutzt der Sender Antworten des Empfängers zur Schätzung des Kanals. Dies beruht auf der Annahme, dass der Kanal symmetrisch ist.
    • - In einem zweiten Schritt stellt der Sender Parameter des Kommunikationssystems ein, um sich auf den gegebenen Kanal einzustellen.
  • Ein solcher Parameter ist beispielsweise die Sendestärke oder ein Modulationsalphabet, das angibt, wie viele verschiedene Symbole übertragbar sind. Ein weiterer Parameter ist beispielsweise die Informationsrate (auch Coderate genannt). Die Informationsrate eines Blockcodes einer Länge über einem Modulationsalphabet bezeichnet die pro Codewort übertragenen Informationssymbole im Verhältnis zur Länge der Wörter. Ein anderer Parameter kann beispielsweise die Einstellung einer Antennen-Diversität sein. Diese Parameter beeinflussen Datenrate, Latenz und Verlässlichkeit der Übertragung.
  • Die bekannten Verfahren zur Anpassung eines Parameters sind dabei gewissen Beschränkungen unterworfen. Beispielsweise soll die Häufigkeit der Pilotsequenzen möglichst gering sein, um die Anzahl der Datensymbole nicht zu stark zu reduzieren. Dadurch wird jedoch der Kanal nur zu bestimmten Zeiten geschätzt. Die Annahme der Symmetrie des Kanals ist in den meisten Fällen nicht gewährleistet, insbesondere wenn sich ein Teilnehmer sehr schnell bewegt. Dies gilt unabhängig vom Übertragungsverfahren (z.B. TDMA, CDMA, FDMA etc.). Daher wird überwiegend das Closed-Loop-Verfahren zur Schätzung verwendet. Da der Rückkanal zum Sender jedoch Bandbreite kostet, werden häufig nur statistische Informationen vom Empfänger an den Sender übertragen.
  • Aus der US 7 840 220 B1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems bekannt.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems zwischen zwei Teilnehmern zur Verfügung zu stellen, wobei mindestens ein Teilnehmer mobil ist, das eine verbesserte Schätzung der Kanalqualität erlaubt. Ein weiteres technisches Problem besteht darin, eine geeignete Vorrichtung zur Schätzung der Kanalqualität zu schaffen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das Verfahren zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems zwischen zwei Teilnehmern, wobei mindestens ein Teilnehmer mobil ist, umfasst die folgenden Schritte. Zu einem Zeitpunkt t0 wird eine aktuelle Position des mobilen Teilnehmers ermittelt und anhand der aktuellen Position mittels eines Umfeldmodells eine Kanalqualität für mindestens einen zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geschätzt, wobei aufgrund der Schätzung mindestens ein Parameter zum zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geändert wird. Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass das Umfeld (z.B. hohe Häuser, Waldgebiete etc.) maßgeblich Einfluss auf die Kanalqualität hat. Vereinfacht ausgedrückt treten bei hohen Häusern Reflexionen auf, sodass es zu Mehrwegeausbreitungen kommt, wohingegen es bei Waldgebieten zu kaum nennenswerten Reflexionen kommt. Mehrwegeausbreitungen können vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn diese gut geschätzt oder vorhergesagt werden können. Dies kann dann zu einer Leistungssteigung am Empfänger genutzt werden . Dies wird nun erfindungsgemäß gezielt zur Schätzung der Kanalqualität berücksichtigt. Dabei ist vorzugsweise der mobile Teilnehmer ein Kraftfahrzeug. Der Vorteil bei einem Kraftfahrzeug ist, dass die Ausrichtung der Antenne vorab bekannt ist, was die Schätzung verbessert. Der andere Teilnehmer kann dabei ortsfest sein (z.B. eine Basisstation) oder aber auch mobil sein (z.B. ein anderes Kraftfahrzeug).
  • Weiter wird die Geschwindigkeit des mindestens einen mobilen Teilnehmers ermittelt, wobei anhand der aktuellen Position und der Geschwindigkeit ein Bewegungsvektor ermittelt und daraus eine Position des mobilen Teilnehmers zum Zeitpunkt t1 der Parameteränderung geschätzt wird. Dies erlaubt eine verbesserte Genauigkeit der Schätzung der Kanalqualität zum Zeitpunkt ti. Dabei stellt die Schätzung für den Zeitpunkt t1 primär auf die vorhandenen Daten beim mobilen Teilnehmer ab. t1 liegt dabei beispielsweise in einem Bereich kleiner einer Sekunde.
  • Sind beide Teilnehmer mobil, so erfolgt vorzugsweise die Ermittlung des Bewegungsvektors für beide Teilnehmer. Anhand der geschätzten Positionen beider Teilnehmer zu einem Zeitpunkt t2 kann dann anhand des Umfeldmodells die Kanalqualität geschätzt werden. Dabei liegt der Zeitpunkt t2 mehr als eine Sekunde nach t0. Dies stellt also eine weiter vorausschauende Schätzung dar. Die genau erreichbaren Zeiten für t1 und t2 sind dabei von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Geschwindigkeit der Teilnehmer abhängig.
  • Weiter werden zur Ermittlung der Kanalqualität zusätzlich Position und Bewegungsvektor weiterer mobiler Teilnehmer innerhalb einer Kommunikationsreichweite zwischen den beiden Teilnehmern berücksichtigt. So können beispielsweise große reflektierende LKWs in die Kanalschätzung miteinfließen. Dabei können alle weiteren mobilen Teilnehmer berücksichtigt werden oder aber auch nur ausgewählte Teilnehmer (z.B. nur LKWs).
  • In einer Ausführungsform sind beide Teilnehmer mobile Teilnehmer, insbesondere Kraftfahrzeuge, wobei mindestens ein Teilnehmer seine geschätzte Position zum Zeitpunkt t2 dem anderen Teilnehmer durch eine separate Kommunikation oder Sensoren übermittelt. Der Vorteil dabei ist, dass der sendende Teilnehmer die Informationen erhält, wobei der eigentliche Mobilfunkkanal nicht belastet wird. Beispielsweise erfolgt die Übermittlung der geschätzten Position mittels einer Car2Car-Kommunikation. Dabei wird unter einer Car2Car-Kommunikation allgemein eine spezielle drahtlose Kommunikationsverbindung über einen eigenen Kommunikationskanal verstanden, der beispielsweise auf dem iEEE 802.11-Standard basiert. Dabei kann dies beispielsweise der 802.11 p, a, b oder g-Standard sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Umfeldmodell als mindestens dreidimensionale digitale Straßenkarte ausgebildet, da durch die zusätzliche Berücksichtigung der Höhe die Reflexionen besser abgeschätzt werden können. Zusätzlich können Objekten der Straßenkarte auch Ausbreitungsvektoren oder Ähnliches zugeordnet werden, die deren Beeinflussung der Funkwellen beschreiben.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Parameter eine Sendestärke und/oder ein Modulationsalphabet und/oder eine Informationsrate und/oder eine Antenneneinstellung einer Sende- und/oder Empfangsantenne, die vorzugsweise als Diversity-Antennen ausgebildet sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden bei der Ermittlung des Bewegungsvektors die Daten einer berechneten Route eines Navigationssystems berücksichtigt. Hierdurch kann die Schätzung über die Position des oder der Teilnehmer weiter verbessert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Kommunikation zwischen den beiden Teilnehmern über mindestens einen weiteren Teilnehmer (Multihop-Kommunikation). Dies kommt insbesondere zum Tragen, wenn auch Position und Bewegungsvektoren weiterer Teilnehmer bekannt sind.
  • Die Vorrichtung zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Mobilfunkkanals zwischen zwei Teilnehmern, wobei mindestens ein Parameter in Abhängigkeit einer geschätzten zukünftigen Kanalqualität geändert wird, ist derart ausgebildet, dass mindestens eine aktuelle Position eines mobilen Teilnehmers erfasst oder ermittelt wird. Anhand der aktuellen Position und eines Umfeldmodells wird die Kanalqualität für einen zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geschätzt, wobei aufgrund der Schätzung mindestens ein Parameter zum Zeitpunkt t1, t2 geändert wird. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird vorbehaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen zum Verfahren Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der Mobilfunkkommunikation zwischen zwei Teilnehmern.
  • In der 1 sind zwei Teilnehmer 1, 2 dargestellt, zwischen denen eine Mobilfunkkommunikation über mindestens einen Mobilfunkkanal stattfindet. Dabei sind die beiden Teilnehmer Kraftfahrzeuge. Jedes der Kraftfahrzeuge weist eine Antenne 3 auf, die vorzugsweise adaptive Antennenelemente aufweist und beispielsweise als Diversity-Antenne ausgebildet sind. Weiter weisen die Kraftfahrzeuge eine Sende-Empfangs-Einheit 4, eine Auswerte- und Steuereinheit 5, eine Positionsbestimmungseinrichtung 6, ein Navigationssystem 7 sowie ein Umfeldmodell 8 auf. Die Positionsbestimmungseinrichtung 6 ist beispielsweise eine satellitengestützte Positionsbestimmungseinrichtung. Die Elemente 3-8 bilden dabei eine Vorrichtung 10 aus. Des Weiteren werden der Auswerte- und Steuereinheit 5 Daten einer Car2Car-Kommunikation zugeführt. Dabei sei angemerkt, dass die satellitengestützte Positionsbestimmungseinrichtung 6, die beispielsweise als GPS-Empfänger ausgebildet ist, und das Umfeldmodell auch als Bestandteile in das Navigationssystem integriert sein können. Das Umfeldmodell 8 ist dabei als mindestens dreidimensionale digitale Straßenkarte ausgebildet. Die beiden Teilnehmer 1, 2 schätzen nun jeweils zum Zeitpunkt t0 ab, wo sie sich vermutlich zum Zeitpunkt t2 befinden werden. Die Differenz zwischen t2 und t0 beträgt beispielsweise mehr als eine Sekunde. Hierzu berechnet die Auswerte- und Steuereinheit 5 einen Bewegungsvektor 9, wobei die Richtung durch eine berechnete Route im Navigationssystem 7 gegeben sein kann. Die Geschwindigkeit kann beispielsweise aus einem GPS-Differenzsignal ermittelt werden oder von einer anderen Fahrzeugsensorik (z.B. Raddrehzahlsensoren) zur Verfügung gestellt werden. Mittels des Bewegungsvektors 9 weiß dann die Auswerte- und Steuereinheit 5, wo sich der Teilnehmer 1, 2 zum Zeitpunkt t2 vermutlich aufhält. Mittels des Umfeldmodells 8 bestimmt dann die Auswerte- und Steuereinheit 5, wie die Kanalqualität sein wird, wozu zusätzlich die geschätzte Position des anderen Teilnehmers zum Zeitpunkt t2 berücksichtigt wird. Dabei können die beiden Teilnehmer 1, 2 durch eine Car2Car-Kommunikation die jeweils geschätzten Positionen zum Zeitpunkt t2 austauschen. Auch geschätzte Positionen anderer Teilnehmer zum Zeitpunkt t2 können über Car2Car-Kommunikationen übermittelt werden, sodass ein dynamisch aktualisiertes Umfeldmodell entsteht. In Abhängigkeit der geschätzten Positionen der beiden Teilnehmer 1, 2 zum Zeitpunkt t2 sowie deren Lage im Umfeldmodell 8 ändert dann die Auswerte- und Steuereinheit 5 mindestens einen Parameter, um die Kanalqualität zum Zeitpunkt t2 zu halten oder zu verbessern. Dabei sind selbstverständlich auch Situationen möglich, dass als Ergebnis kein Parameter geändert werden muss.
  • Die Übermittlung und Berücksichtigung der Position und des Bewegungsvektors des anderen Teilnehmers stellt dabei eine langfristige Schätzung dar.
  • Es ist aber möglich, dass ein Teilnehmer die Kanalqualität nur aufgrund seiner eigenen vorhandenen Daten wie beispielsweise Position und Geschwindigkeit für einen kürzeren Zeitpunkt t1 von beispielsweise kleiner einer Sekunde schätzt. Dabei kann auch eine geschätzte Position des anderen Teilnehmers zum Zeitpunkt t1 einfließen, die beispielsweise vorab bekannt ist und nicht übertragen zu werden braucht.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems zwischen zwei Teilnehmer (1, 2), wobei mindestens ein Teilnehmer (1, 2) mobil ist, wobei zu einem Zeitpunkt t0 eine aktuelle Position des mobilen Teilnehmers (1, 2) ermittelt wird und anhand der aktuellen Position mittels eines Umfeldmodells (8) eine Kanalqualität für einen zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geschätzt wird, wobei aufgrund der Schätzung mindestens ein Parameter zum zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geändert wird, wobei die Geschwindigkeit des mindestens einen mobilen Teilnehmers (1, 2) ermittelt wird, wobei anhand der aktuellen Position und der Geschwindigkeit ein Bewegungsvektor (9) ermittelt und daraus eine Position des mobilen Teilnehmers (1, 2) zum Zeitpunkt t1 der Parameteränderung geschätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Kanalqualität zusätzlich Position und Bewegungsvektor weiterer mobiler Teilnehmer innerhalb einer Kommunikationsreichweite zwischen den beiden Teilnehmer (1, 2) berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teilnehmer (1, 2) mobile Teilnehmer (1, 2) sind, wobei mindestens ein Teilnehmer (1, 2) seine geschätzte Position zum Zeitpunkt t1, t2 dem anderen Teilnehmer (2, 1) durch eine weitere Kommunikationsverbindung übermittelt.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umfeldmodell (8) als mindestens dreidimensionale digitale Straßenkarte ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Sendestärke und/oder ein Modulationsalphabet und/oder eine Informationsrate und/oder eine Antenneneinstellung einer Sende- und/oder Empfangsantenne ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Bewegungsvektors (9) die Daten einer berechneten Route eines Navigationssystems (7) berücksichtigt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mobilfunkkommunikation zwischen den beiden Teilnehmern (1, 2) über mindestens einen weiteren Teilnehmer in der Kommunikationsreichweite erfolgt.
  7. Vorrichtung (10) zur Anpassung mindestens eines Parameters eines Kommunikationssystems zwischen zwei Teilnehmern (1, 2), wobei mindestens ein Parameter in Abhängigkeit einer geschätzten zukünftigen Kanalqualität geändert wird, wobei die Vorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass mindestens eine aktuelle Position eines mobilen Teilnehmers (1, 2) zu einem Zeitpunkt t0 erfasst oder ermittelt wird und anhand der aktuellen Position und eines Umfeldmodells (8) die Kanalqualität für einen zukünftigen Zeitpunkt t1, t2 geschätzt wird, wobei aufgrund der Schätzung mindestens ein Parameter zum Zeitpunkt t1, t2 geändert wird, wobei die Geschwindigkeit des mindestens einen mobilen Teilnehmers (1, 2) ermittelt wird, wobei anhand der aktuellen Position und der Geschwindigkeit ein Bewegungsvektor (9) ermittelt und daraus eine Position des mobilen Teilnehmers (1, 2) zum Zeitpunkt t1 der Parameteränderung geschätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung der Kanalqualität zusätzlich Position und Bewegungsvektor weiterer mobiler Teilnehmer innerhalb einer Kommunikationsreichweite zwischen den beiden Teilnehmer (1, 2) berücksichtigt werden.
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