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Für das Szenario von mit Funkkommunikationsmodulen ausgestatteten Fahrzeugen, die im öffentlichen Straßenverkehr direkt miteinander kommunizieren, sei es für ein kooperatives oder autonomes Fahren, ist eine sehr hohe Verlässlichkeit für sicherheitskritische Anwendungen sehr wichtig. Techniken für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug Direktkommunikation wurden bereits entwickelt und werden weiterentwickelt. Als Beispiel werden erwähnt die FahrzeugDirektkommunikation über WLAN, hier insbesondere die Variante nach dem WLAN Standard IEEE 802.11 p. Bei dieser Technik werden zur Kommunikation zwischen den Fahrzeugen ad hoc WLAN Netze aufgebaut (Kommunikation im Bereich der „Ad Hoc Domain“).
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Fahrzeugkommunikation ist aber auch im Bereich der Mobilfunknetze möglich. Bei dieser Technik muss allerdings die Basisstation die Nachrichten von Fahrzeug zu Fahrzeug vermitteln. Das ist der Bereich, wo die Kommunikation in der sogenannten „Infrastructure Domain“ stattfindet. Für die kommende Mobilfunkgeneration wird auch die Fahrzeugdirektkommunikation ermöglicht. Bei LTE entsprechend Long Term Evolution heißt diese Variante LTE-V, bei der 5G Initiative heißt diese Variante eV2X.
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Typische Kommunikations-Szenarien sind Sicherheitsszenarien, Verkehrseffizienzszenarien und Infotainment. Für den Bereich Sicherheit werden folgende Szenarien genannt: „Cooperative Forward Collision Warning“, „Pre-Crash Sensing/Warning“, „Hazardous Location Warning“. In diesen Bereichen tauschen die Fahrzeuge untereinander Informationen wie Position, Richtung und Geschwindigkeit aus, auch Parameter wie Größe und Gewicht. Weitere Informationen die übertragen werden betreffen Absichtsinformationen, wie Fahrzeug beabsichtigt zu überholen, Fahrzeug biegt links/rechts ab, usw. die für das kooperative Fahren interessant sind. Dabei werden oft Sensordaten übermittelt. Falls eine Gefahrensituation vorliegt und der Fahrer nicht reagiert, könnte das Auto automatisch abbremsen, so dass ein Unfall verhindert wird oder zumindest die Folgen bei dem unvermeidlichen Unfall möglichst gering gehalten werden.
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Die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation wird oft auch als Car-to-Car-Kommunikation (C2C) bezeichnet. Im Englischen ist die Bezeichnung Vehicle-to-Vehicle-Communication (V2V) gebräuchlich. Damit ist der direkte Informationsaustausch zwischen fahrenden Fahrzeugen gemeint. Mit dieser mobilen Kommunikation können funktionsfähige Funknetze und neue Anwendungen realisiert werden. Dazu gehören rechtzeitige Informationen über Straßen- und Verkehrsverhältnisse wie Informationen über die Straßen-Beschaffenheit, Glatteis, Aquaplaning, Unfälle oder stehengebliebene Fahrzeuge. Bei dieser sicherheitsrelevanten Anwendung sendet der entsprechende Verkehrsteilnehmer mit den Daten aus dem Navigationssystem den Hinweis auf den Gefahrenort.
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Weitere, den Verkehrsfluss betreffende Informationen, sind Hinweise über Ampelphasen, Stopand-Go-Fahrten oder ständiges Anfahren und Anhalten an Baustellen, etc. Auch kann die Parkplatzsuche resp. die Information über freie Parkplatzkapazitäten in eine solche Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation einbezogen werden. Des Weiteren wird das intelligente Kolonnenfahren als Anwendungsfall genannt, welches im Englischen unter dem Begriff „Platooning“ bekannt ist. Dabei werden die Abstände zwischen den Fahrzeugen der Kolonne z.B. LKWs der jeweiligen Verkehrssituation angepasst und geregelt. Ziel ist es den Abstand zwischen den Kolonnenfahrzeugen möglichst zu verringern um den Energieverbrauch zu senken. Dazu müssen ständig Nachrichten zwischen den Kolonnenfahrzeugen ausgetauscht werden.
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Oft werden standardisierte Nachrichten über die Luftschnittstelle zwischen den Fahrzeugen ausgetauscht. Die Nachrichten über die aktuelle Verkehrssituation werden in sogenannten ITS-Stationen (Intelligent Transport System) verwaltet und zyklisch oder Ereignis-bedingt gesendet. Es gibt die Cooperative Awareness Message (CAM), die Decentralized Environmental Notification Message (DENM), Signal Phase and Time Nachricht (SPaT) und die Topology Specification Nachricht (TO-PO).
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Die von einem Fahrzeug ausgesendeten Funktelegramme enthalten die per GPS-System ermittelte Fahrzeugposition nebst Zeit- und Geschwindigkeitsangabe, darüber hinaus wird passend zu der Verkehrssituation der Bereich festgelegt, in dem andere Fahrzeuge gewarnt werden müssen und das Ereignis wird codiert übertragen.
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Die Auflistung zeigt, dass insbesondere im Bereich Sicherheit zeitkritische Datenübertragungen stattfinden. Daher ist die Verlässlichkeit der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation von entscheidender Bedeutung.
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Im Mobilfunk bedeutet Verlässlichkeit der Datenübertragung Vollständigkeit (alle gesendeten Nutzdaten kommen beim Empfänger an) und Korrektheit (die gesendeten Nutzdaten und die aus den empfangenen Daten zurückgewonnenen Nutzdaten stimmen überein). Dazu werden in den Mobilfunktechnologien verschiedene Methoden eingesetzt, z.B. Frequenzdiversität, räumliche Diversität, sinnvolle Wahl der Modulationsart und Modulationsparameter und des zu verwendenden Kanalcodes wie auch der Coderate, etc.!
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Die Kommunikation in einer Mobilfunkzelle zwischen den Mobilfunk-Teilnehmerstationen engl. User Equipments UEs, aber auch zw. UE und dem Netzwerk) wird über die Basisstation (BS) kontrolliert und durchgeführt.
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Für diese Kommunikation steht dem Netzwerkbetreiber eine begrenzte Anzahl an Übertragungsressourcen zur Verfügung. Da die modernen Mobilfunksysteme wie Long Term Evolution LTE sowohl Frequenz- als auch Zeit-Mutliplexing-Techniken einsetzen, kann die Größe der Übertragungsressource in Form von einer Frequenz-pro-Zeit-Einheit (FpZ) angegeben werden. Im Folgenden wird die Übertragungsressource auch als Funkkanalressource oder Funkressource bezeichnet. Ist keine freie FpZ-Einheit vorhanden, muss der Netzwerkbetreiber beispielsweise über die Basisstation die Erfüllung des angefragten Dienstes ablehnen. Dies führt einerseits zur Reduktion der garantierten Service Qualität (QoS) auf der Kundenseite oder andererseits zur Reduktion der Einnahmen bzw. Steigerung der Kosten auf Netzwerkbetreiberseite.
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Um die Kosten für den Kommunikationsprozess so niedrig wie möglich zu halten, müssen die Funkressourcen (Frequenz-pro-Zeit-Einheiten) effizient/optimal eingesetzt bzw. verwaltet werden. Die für die Verwaltung der Funkressourcen zuständige Verwaltungseinheit ist der „Scheduler“, der bei der Basisstation angesiedelt ist. Dieser sorgt für eine möglichst optimale Nutzung der FpZ-Einheiten, d.h. er entscheidet welche UEs wieviel FpZ-Einheiten wann verwenden dürfen. Für die Entscheidung benutzt der Scheduler Informationen bzw. das Wissen über den Status der Funkzelle bezogen auf die Kommunikation, wie z.B. die Anzahl der UEs mit Kommunikationsbedarf, Eigenschaften der Funkverbindung (Empfangsqualität und UE-Möglichkeiten), Dienstanforderung der gewünschten Kommunikation, Kundendaten usw.
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Aus der
US 2014/0254401 A1 ist eine Technik zur Festlegung von Sendeleistungen bei D2D-Direktkommunikationen bekannt, bei der jeder D2D-Sender den Störpegel lernt, den er bei seinen Aussendungen an der Basisstation eNodeB verursacht.
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Aus der
US 2015/0230250 A1 ist es bekannt Funkressourcen für eine Mobilfunkkommunikation einer D2D-Kommunikation innerhalb einer Mobilfunkzelle zuzuordnen und den Rest dieser Funkressourcen einer anderen Kommunikation innerhalb der Mobilfunkzelle zuzuordnen.
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Aus der
WO 2010/125427 A1 ist ein Verfahren bekannt, dass das Empfangen eines erwarteten Interferenzpegels für einen Ressourcenblock umfasst, wobei der erwartete Interferenzpegel durch Daten repräsentiert wird, die eine Interferenz darstellen, die mit dem Ressourcenblock assoziiert ist, und zwar aufgrund von D2D-Kommunikation unter Verwendung des Ressourcenblocks.
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Aus der
US 2018/0146500 A1 ist eine Mobilfunk-Basisstation bekannt, die verschiedenen D2D-Kommunikationspartnern in ihrem Abdeckungsbereich dieselben Funkressourcen zuteilt.
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Aus der
US 2014/0321314 A1 ist eine Technik der Zuteilung von Funkressourcen für D2D-Kommunikationspartner bekannt. Es besteht die Möglichkeit der Zuteilung derselben Funkressourcen an verschiedene D2D- Kommunikationspartner.
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Aus der
US 2013/0322388 A1 ist eine Technik der Ressourcenzuteilung in einer Mobilfunk-Basisstation für D2D-Kommunikationspartner bekannt.
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Aus der
US 2013/0150058 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung von Kommunikationsressourcen für eine auf einem zellularen Mobilkommunikationssystem basierende D2D-Kommunikation bekannt.
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Aus der
US 2016/0014825 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung eines D2D-Dienstes in einem drahtlosen Kommunikationssystem bekannt.
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Aus der
WO 2016/146880 A1 ist ein Mobilfunk-Kommunikationssystem bekannt, das die D2D-Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern unterstützt.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die vorhandenen Lösungen die Funkressourcen nicht effizient nutzen, da bei der Verwaltung dieser Funkressourcen nicht die Möglichkeiten und Funkeigenschaften von Geräteklassen (wie Fahrzeugen ausgestattet mit Funktechnik) und die Möglichkeiten und Eigenschaften des Nutzungsszenarios (Ort, Bebauung, usw.) berücksichtigt werden.
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Eine Möglichkeit die Funkressourcen noch effizienter zu nutzen bietet die Device-to-Device (D2D) Kommunikation. Dies ist insbesondere für die Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation (V2V) interessant. Diese Technologie bietet die direkte Kommunikation zwischen UEs, die sich in kurzer Entfernung voneinander befinden. Somit entfällt die Kommunikation (die u.U. eine hohe Bandbreite bzw. Anzahl der Funkressourcen benötigt) über die Basisstation.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Organisation der Kommunikation zwischen Mobilfunknetz-Teilnehmerstationen in einer Mobilfunkzelle, wobei eine Mobilfunknetz-Verwaltungseinheit einer Mobilfunk-Basisstation in der Mobilfunkzelle die Zuteilung der Funkressourcen vornimmt. Bei dem Verfahren werden von der Mobilfunknetz-Verwaltungseinheit für die Mobilfunkzelle eine Anzahl Sub-Funkbereiche definiert, in denen eine Anzahl Mobilfunk-Teilnehmerstationen im Parallelbetrieb die gleichen Funkressourcen für die Direktkommunikation untereinander nutzen dürfen. Die Direktkommunikation zwischen zwei Teilnehmern entspricht dabei einer Fahrzeugdirektkommunikation zwischen wenigstens zwei Fahrzeugen oder einer Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einer Infrastrukturkomponente oder einem Internet of Things-Gerät. Für die Fahrzeugdirektkommunikation wird eine Antennentechnik mit Strahlausrichtungsmöglichkeit verwendet, die auch als „Beamforming“-Technik bezeichnet wird, wobei die Fahrzeuge, die die Fahrzeugdirektkommunikation durchführen, die Information bzgl. der Einstellung der Beamausrichtung an die Basisstation übermitteln. Diese Information wird von der Basisstation für die Festlegung der Sub-Funkbereiche berücksichtigt
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Eine vorteilhafte Maßnahme betrifft die Sub-Funkbereiche im Bereich von städtischer Bebauung mit Hilfe von Kartendaten so festzulegen dass sie geographischen Bereichen entsprechen, die durch die Bebauung oder Bepflanzung lokal abgeschirmt sind. Dabei können die geographischen Bereiche in einem einfachen Fall einzelnen Straßenzügen entsprechen.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn für die Bestimmung von Sub-Funkbereichen die Teilnehmerstationen, identifiziert werden, die durch den Parallelbetrieb von anderen Teilnehmerstationen, die eine direkte Kommunikation durchführen, gestört werden können.
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Für diese identifizierten Teilnehmerstationen wird seitens der Mobilfunknetz-Verwaltungseinheit ein spezifisches Messintervall zugeordnet, in dem die identifizierten Teilnehmerstationen Messungen durchführen während die Teilnehmerstationen die für den Parallelbetrieb getestet werden, ein entsprechendes Uplink-Testsignal aussenden. Dadurch können die genauen Bedingungen bei den potentiell gestörten Teilnehmerstationen ermittelt werden.
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Dabei können auch andere Teilnehmer wie andere Teilnehmerstationen, Relais-Stationen, Internet of Things (loT)-Stationen und/oder parkende Fahrzeuge zur Verbesserung der Schätzung der Sub-Funkbereiche in die Messprozedur mit einbezogen werden.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Messungen insbesondere Messungen der Empfangssignalstärke oder der Störleistung des Uplink-Testsignals betreffen.
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Für die Definition der Sub-Funkbereiche ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Teilnehmerstationen, die eine direkte Kommunikation planen, ihre Informationen bzgl. der direkten Kommunikation, insbesondere hinsichtlich Dienstart, Dienstgüte, und/oder ihrer Funkeigenschaften an die Basisstation übermitteln damit diese neben den Messergebnisse dort berücksichtigt werden können.
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Weitere Informationen die für die Festlegung von Sub-Funkbereichen vorteilhaft sind, betreffen die Informationen über die Funkeigenschaften des Störers, insbesondere die Position, die Sendeleistung, den Antennentyp und/oder der verwendeten Betriebsart.
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Ein Einsatzbereich der Direktkommunikation, in dem die Maßnahmen sehr vorteilhaft einsetzbar sind, betrifft die Fahrzeugdirektkommunikation zwischen zwei Fahrzeugen.
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Sehr vorteilhaft ist, wenn für die Fahrzeugdirektkommunikation eine Antennentechnik mit Strahlausrichtungsmöglichkeit verwendet wird, die auch als „Beamforming“-Technik bezeichnet wird, wobei die Fahrzeuge, die die Fahrzeugdirektkommunikation durchführen, die Information bzgl. der Einstellung der Beamausrichtung an die Basisstation übermitteln.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn für die Information bzgl. der Einstellung der Beamausrichtung Lookup-Tabellen benutzt werden, und bei der Übertragung der Information bzgl. der Einstellung der Strahlausrichtung ein Index-Wert für den entsprechenden Eintrag der Lookup-Tabelle übertragen wird. Damit kann die Menge an Daten, die zu diesem Zweck übertragen werden müssen reduziert werden. Die Lookup-Tabellen sollten zu diesem Zweck sowohl in der Basisstation wie auch den Fahrzeugen bekannt sein.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechend angepasste Mobilfunknetz-Teilnehmerstation und eine entsprechend angepasste Mobilfunknetz-Verwaltungseinheit für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Der Scheduler in der Mobilfunknetz-Verwaltungseinheit benutzt die Information über die festgelegten „Sub-Funkbereiche“, die eine ungestörte Kommunikation im Parallelbetrieb ermöglichen und teilt den Teilnehmerstationen die Funkressourcen entsprechen zu. Der Scheduler gibt die Funkressourcen frei und parametrisiert/kontrolliert die Teilnehmerstationen zum Beispiel bzgl. der zu verwendenden Beamforming-Einstellungen, Einstellung der Sendeleistung, etc..
- 1 das Prinzip der Fahrzeugkommunikation über Mobilfunk;
- 2 eine Darstellung einer Funkzelle in Kombination mit einer Darstellung der effizienten Verwaltung von Funkressourcen;
- 3 ein Beispiel der Verwaltung der Funkressourcen basierend auf D2D Sub-Funkbereichen;
- 4 eine schematische Darstellung einer Sub-D2D Funkbereichsdefinition für einen angenommenen Straßenverlauf;
- 5 eine vereinfachte Darstellung der Interferenzschätzung zur Definition von ungestörten Sub-Funkbereichen;
- 6 ein Schema zur Definition der D2D Sub-Bereiche mittel Signalleistungsverteilung; und
- 7 eine Darstellung des Einflusses der Antenneneigenschaften (Radiation-Pattern wie z.B. bei Smart-Antenna-Systemen) auf die Abmessungen das Funkbereiches.
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Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.
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1 zeigt das Prinzip der Fahrzeugkommunikation mittels Mobilfunk. Die Fahrzeuge sind mit Bezugszahl 30 versehen. Sie sind jeweils mit einem Funkkommunikationsmodul 31 ausgestattet, welches auch als On-Board Unit bezeichnet wird. Die On-Board Unit dient als Sende- und Empfangsstation für die Mobilkommunikation. Alle Nachrichten von den Fahrzeugen (Uplink) und zu den Fahrzeugen (Downlink) werden entweder über eine Basisstation geleitet, die eine Mobilfunkzelle bedient oder im Fall von Fahrzeugdirektkommunikation (Sidelink) unmittelbar zwischen den Fahrzeugen ausgetauscht. Befinden sich die Fahrzeuge innerhalb dieser Mobilfunkzelle, sind sie bei der Basisstation 20 (im Sprachgebrauch von LTE eNodeB genannt) angemeldet bzw. eingebucht. Verlassen sie die Mobilfunkzelle, werden sie an die benachbarte Zelle übergeben (Hand Over) und dementsprechend an der Basisstation 20 abgemeldet bzw. ausgebucht. Die Basisstation 20 stellt auch einen Zugang zum Internet 10 zur Verfügung, so dass die Fahrzeuge 30 bzw. alle anderen Mobilfunk-Teilnehmer in der Mobilfunkzelle mit Internetdaten versorgt sind. Dazu steht die Basisstation 20 über die sogenannte die S1-Schnittstelle mit dem EPC 40 (Evolved Packet Core) in Verbindung.
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Für die Kommunikation zwischen der Basisstation 20 und einer einzelnen Teilnehmerstation wie auch zwischen einzelnen Teilnehmerstationen steht dem Netzwerkbetreiber eine begrenzte Anzahl an Frequenz-pro-Zeit-Ressourceneinheiten zur Verfügung. Ist keine freie FpZ-Ressourceneinheit vorhanden, muss der Netzwerkbetreiber bzw. die Basis-Station 20 die Erfüllung des angefragten Dienstes ablehnen. Dies führt einerseits zur Reduktion der garantierten Service-Qualität (QoS) auf der Kundenseite oder andererseits zur Reduktion der Einnahmen bzw. Steigerung der Kosten auf Netzwerkbetreiberseite. Um die Kosten für den Kommunikationsprozess so niedrig wie möglich zu halten, müssen die Funkressourcen effizient verwendet bzw. verwaltet werden. Der Scheduler hat diese Aufgabe und soll für eine möglichst optimale Nutzung der FpZ-Ressourceneinheiten sorgen, d.h. er entscheidet welche UEs wieviel FpZ-Ressourceneinheiten wann verwenden dürfen. Für die Entscheidung benutzt der Scheduler die Informationen bzw. das Wissen über den Status der Zellen bezogen auf die Kommunikation, wie z.B. Anzahl der Teilnehmerstationen UE mit Kommunikationsbedarf, Eigenschaften der Funkverbindung (Empfangsqualität und UE-Möglichkeiten), die Art der Dienstanforderung der gewünschten Kommunikation, Kundendaten usw.
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Eine Möglichkeit die Funkressourcen noch effizienter zu nutzen bietet die Device-to-Device (D2D) Kommunikation. Diese Technologie bietet die direkte Kommunikation zwischen Teilnehmerstationen UE die sich in kurzer Entfernung voneinander befinden (in Sidelink-Übertragungsrichtung). Somit entfällt es, diese Daten in Uplink- oder Downlink-Richtung zu oder von der Basisstation 20 zu übertragen. Hier wird dann unter Umständen eine hohe Bandbreite bzw. Anzahl der Funkressourcen frei. Dann bietet es sich für die D2D-Kommunikation an, diese Kommunikation gleichzeitig auf dem gleichen Frequenzbereich im gleichen Ressourcen-Block) durchzuführen zu der Kommunikation, die über die Basisstation 20 zu einer anderen Teilnehmerstation durchgeführt wird. D.h. die FpZ-Ressourceneinheit wird mehrfach zur gleichen Zeit verwendet. Dies wird in engl. Sprache als „Frequency Reuse“ bezeichnet. Dabei ist die Steigerung der Effizienz weitaus größer als es der Reuse-Faktor quantitativ angibt. Der Grund liegt in der Tatsache, dass die Kommunikation über die Basisstation 20 in den meisten Fällen auf wesentlich schlechteren Kanalbedingungen beruht als im D2D-Fall. Dies führt zu einem höheren Verbrauch an Ressourcen-Blöcken.
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2 zeigt auf der linken Seite: Eine vereinfachte Ansicht einer Mobilfunkzelle MFZ mit konventionellen Mobilfunkteilnehmern 33 in dem Bereich B2UE und Mobilfunkteilnehmern 30, die paarweise D2D Kommunikation durchführen. Es sind die D2D-Kommunikationen D2Da, D2Db und D2Dc besonders hervorgehoben. Die D2D-Kommunikation wie auch die B2UE-Kommunikation in der Mobilfunkzelle MFZ wird über die Basisstation 20 kontrolliert und durchgeführt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch davon, dass die Basisstation 20 die Kommunikationen orchestriert.
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Der Scheduler, der für die Ressourcenverwaltung zuständig ist, ist an der Basisstation 20 lokalisiert und mit Bezugszahl 24 versehen. Auf der rechten Seite der 2 ist die effiziente Verwaltung von Funkressourcen dargestellt. Dabei sind die Ressourcen-Blöcke in Form von Quadraten dargestellt. Die Ressourcenblöcke für die einzelnen Kommunikationen sind im rechten Teil der 2 ebenfalls angegeben. Die Ressourcenblöcke sind getrennt für die Uplink-Kommunikationsrichtung und für die Downlink-Kommunikationsrichtung dargestellt. Zu beachten ist hier, dass für die D2D-Kommunikation, die ja als Sidelink-Kommunikation gesondert bezeichnet wird, ebenfalls die Ressourcenblöcke aus dem Uplink-Bereich verwendet werden. In dem gesondert hervorgehobenen Kasten ist auf der linken Seite das Beispiel gezeigt, dass sowohl für die B2UE Kommunikation als auch für die D2D Kommunikation kein Frequency Reuse verwendet wird. Im rechten Teil des Kastens ist dargestellt, dass für die D2D Kommunikation die Frequency Reuse Technik verwendet wird, nicht jedoch für die B2UE Kommunikation.
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3 zeigt die Verwaltung der Funkressourcen bei Einsatz der Frequency Reuse Technik. Dafür werden verschiedene D2D Sub-Funkbereiche FB1, FB3 und FB5 definiert. In diesem Beispiel hat der Scheduler 24 die Möglichkeit der D2D Kommunikation zwischen UE1 und UE2 im Sub-Funkbereich FB1, und der D2D Kommunikation zwischen UE5 und UE6 im Sub-Funkbereich FB5 die gleichen Funkressourcen zu überlassen. Die jeweilige UE-Bezeichnung ergibt sich aus der Tabelle auf der linken Seite in 3.
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Die Größe und die Positionen dieser Subfunk-Bereiche hängt von diversen Parametern ab, wie u.a. die Bebauung der Zelle aber auch von den Antennen-Parametern (Radiation Pattern, Anzahl der Antennen des potentiellen Störers wie auch des potentiellen Opfers) und den Sende-Parametern (insbesondere Sendeleistung und Frequenz) ab. Zusätzlich muss der Scheduler 24 den Ressourcen-Block Aufwand für die D2D-Verbindungen schätzen um die benötigten Ressourcen-Blöcke für diese Verbindungen zu reservieren gegenüber potentiellen Opfern in der Nähe.
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Aufgaben die sich daraus entwickeln sind:
- - Identifikation der Sub-Funkbereiche: Initiale Messung, Simulation (Tools wie WinProp - ProMan der Firma AWE), Messung in laufendem Betrieb durch die Basisstation, Teilnehmer, loT, Abschätzung des Ressourcen-Block Aufwands abhängig von dem Dienst
- - Lokalisierung und Mapping der Kommunikationsteilnehmer: Dies geschieht durch Messung bzw. Schätzung oder Weitergabe der Position durch die Teilnehmer selbst (auch der potentiellen Opfer)
- - Anwendung des Wissen: Der Scheduler nutzt zusätzliche Informationen wie die übermittelte GPS Position, Sende-Leistung, Antennentyp.
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Ein potentielles Opfer in diesem Zusammenhang wäre eine Teilnehmerstation, bei der sich die Empfangsqualität verschlechtert wegen der D2D-Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern.
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In 4 ist dargestellt, wie eine D2D Sub-Funkbereichsdefinition basierend auf dem Straßen- und Bebauungszustand in der Zelle, z.B. mit Hilfe von Kartendaten durchgeführt werden könnte. Zusätzlich könnten Messintervalle zu einer Verfeinerung der Bereichsdefinition führen. In der 4 sind verschiedene Straßenabschnitte gekennzeichnet. Es wird bei städtischer Bebauung davon ausgegangen, dass solche Straßenabschnitte z.B. durch Häuserzeilen so gut voneinander abgeschirmt sind, dass sie einzelnen Sub-Funkbereichen SFB entsprechen. Nur an Kreuzungspunkten müssten anderen Maßnahmen greifen. Zwei solcher Kreuzungspunkte sind in 4 durch die Kreise angedeutet.
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Eine andere Variante, wie D2D Sub-Funkbereiche ermittelt werden können, ist die D2D-Sub-Funkbereichs-Identifikation mittels eines spezifischen Messintervalls. Eine Möglichkeit das Interferenzverhalten im laufendem Betrieb zu schätzen bietet die Anwendung von speziellen Messintervallen (oder speziellen Discovery-Prozeduren). Dazu müssen die Teilnehmerstationen 30, 33 in der Zelle MFZ identifiziert werden, die durch die Nutzung von D2D-Kommunikation gestört werden könnten. Diesen wird ein spezielles Messintervall zugeordnet in dem die potentiellen Störer ein Uplink-Signal senden. Dieses Uplink-Signal entspricht entweder einem speziellen Referenzsignal oder einer gewöhnliche Datenkommunikation mit der Basisstation 20. Die dabei gemessene Störleistung wird zur Basisstation 20 übertragen. Diese Meldung kann nach bestimmten Vorgaben klassifiziert sein. Diese Information nutzt dann der Scheduler 24 verwenden um die D2D Sub-Funkbereiche zu definieren.
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In diese Messintervalle könnten auch Aussendungen von Internet of Things Geräten (loT) bzw. Relay-Stationen mit einbezogen werden, um diese Funkbereiche zu identifizieren.
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5 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Interferenzschätzung zur Definition von ungestörten Sub-Funkbereichen. Links: Während des Messintervals wird die Interferenzleistung und ggfs. andere charakteristische Eigenschaften der Interferenz (Interferenz abhängig von dem Ressourcen Block, Interferenz in Abhängigkeit von Einfallswinkel, usw.) gemessen. Dazu senden die potentiellen Störer ein Signal und die potentiellen Interferenzopfer messen die ankommenden Signale. Die Verbindungen bei denen solche Messungen stattfinden, sind in 5 durch gestrichelte Linien angedeutet. Rechts: Basierend auf den Messungen und dem Wissen über die Teilnehmerstationen (z.B. Position, Antennen-Eigenschaften, Dienste-Anforderungen) definiert die Basisstation 20 die Sub-Funkbereiche FB1 bis FB6 und ordnet die Teilnehmerstationen 30, 33 den definierten Sub-Funkbereichen zu. Für den effizienten Parallelbetrieb basierend auf der Frequency Reuse Technik werden die D2D Sub-Funkbereiche FB1, FB3 und FB5 definiert.
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Eine weitere Möglichkeit die D2D Sub-Funkbereiche zu definieren oder zu identifizieren besteht darin die Leistungsverteilung des abgestrahlten Signals in Betracht zu ziehen. Abhängig von der Position (bzw. Distanz zu potentiellen Störern), der eingestellten Sendeleistung und der benötigten Dienstqualität QoS-Einstellung kann der Scheduler 24 Kommunikationspaare finden, die für einen Funkdienst parallel in derselben Zelle dieselben Funkressourcen nutzen dürfen ohne sich gegenseitig zur stören bzw. ohne die für ihren Dienst geforderten Mindest-Qualitätsanforderungen zu unterschreiten. Dafür wird im Bereich der drahtlosen Kommunikation häufig ein Mindest-SINR-Wert definiert der nicht unterschritten werden darf. SINR steht dabei für „Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio“.
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6 illustriert diese Möglichkeit. Dargestellt ist die Definition der D2D Sub-Funkbereiche D2D SFB mittels der Kurven für die Signalleistungsverteilung (bzw. den Pfadverlust). Die im oberen Teil dargestellten Messkurven TPUE1, TPUE2 zeigen die angenommene Leistungsverteilung P abhängig von der Distanz x zwischen beiden Teilnehmerstationen UE1 und UE2 inklusive des Rausch-Pegels. Der Rausch-Pegel NL ist eingezeichnet. Die ebenfalls dargestellte Messkurve TPUE2+NP, die die um die Rauschleistung vermehrte Sendeleistung angibt, ist um den Wert des Rausch Pegels NL parallel nach oben verschoben. Weiterhin eingetragen sind die beiden Werte QL1 und QL2 für zwei verschiedene Qualitätsanforderungen an die Kommunikation. Die Werte QL1 und QL2 entsprechen vorgegebenen SINR-Werten was auch in der 6 angedeutet ist. Der Wert QL1 entspricht einer sehr strengen Qualitätsanforderung für die Definition eines D2D Sub-Funkbereiches D2DSFB. Der Wert QL2 entspricht einer moderaten Qualitätsanforderung. Die zugehörigen D2D Sub-Funkbereiche D2DSFB sind mit gestrichelten Linien um die Teilnehmerstation UE1 herum angedeutet. Zu der Qualitätsanforderung QL2 gehört der größere Kreis, zu QL1 entsprechend der kleinere Kreis. Der untere Teil der 6 zeigt damit in anderen Worten die Definition der Größe und der Form des „ungestörten D2D Sub-Funkbereichs“ für UE1 mittels des vorgegebenen SIR bzw. SINR-Wertes. SIR steht dabei für „Signal-to-Interference-Ratio“. Der ungestörte Funkbereich wird beeinflusst von der Distanz x zu einem potentiellen Störer, in 6 die Teilnehmerstation UE2, und der abgestrahlten Sendeleistung P des Störers. Zusätzlich wird die Größe des D2D Sub-Funkbereichs D2DSFB abhängig von dem benötigten Qualitätslevel QL1, QL2 für den verwendeten Dienst bestimmt.
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Eine weitere Möglichkeit die D2D Sub-Funkbereiche D2DSFB zu definieren ist die Leistungsverteilung des abgestrahlten Signals zu messen bei der Verwendung der mit Beamforming-Technik. Dies führt zur einer verbesserten Nutzung der Funkressource im Raum da die abgestrahlte Leistung hauptsächlich in dem gewünschten Bereich ansteigt bzw. die Interferenz in den anderen Bereichen minimiert oder verhindert werden kann.
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Um diesen Gewinn effizient nutzbar zu machen und gleichzeitig ungewollte Interferenz durch das Beamforming zu vermeiden, sollte der Scheduler 24 neben der Position der Station zusätzliche Informationen über die Antenneneigenschaften (Beambreite und Winkeleinstellmöglichkeiten) aber auch die Orientierung der Antennen bekommen. Um den Kommunikations-Aufwand für die Übertragung solcher Informationen zu reduzieren, sollten Look-Up-Tabellen für die Beamausrichtung genutzt werden. Dann brauchen nicht die kompletten Einstellwerte übertragen werden und es reicht, wenn die Index-Werte übertragen werden. Eine Möglichkeit besteht noch darin, dass die Teilnehmerstation die Werte für Orientierung und die Referenzausrichtung kombiniert und nur die Richtung angibt in die es senden möchte/sollte.
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7 zeigt eine Darstellung des Einflusses der Antenneneigenschaften (Radiation-Pattern wie z.B. bei „Smart-Antenna“-Systemen) auf die Form und Abmessungen des Funkbereiches um eine Teilnehmerstation herum. Durch die Nutzung der Beamforming-Technik verändert sich die Form des D2D Sub-Funkbereichs D2DSFB abhängig von den Antenneneinstellungen und der Orientierung der Station 30 im Raum. Der Winkel für die Beamausrichtung BD ist in 7 ebenfalls dargestellt. Für eine Definition der D2D Sub-Funkbereiche D2DSFB werden in dieser Variante diese Informationen auch an den Scheduler 24 übertragen.
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Es sollte verstanden werden, dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen in verschiedenen Formen von Hardware, Software, Firmware, Spezialprozessoren oder einer Kombination davon implementiert werden können. Spezialprozessoren können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Reduced Instruction Set Computer (RISC) und / oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) umfassen. Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert. Die Software wird vorzugsweise als ein Anwendungsprogramm auf einer Programmspeichervorrichtung installiert. Typischerweise handelt es sich um eine Maschine auf Basis einer Computerplattform die Hardware aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe (I/O) Schnittstelle(n). Auf der Computerplattform wird typischerweise außerdem ein Betriebssystem installiert. Die verschiedenen Prozesse und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können Teil des Anwendungsprogramms sein, oder ein Teil der über das Betriebssystem ausgeführt wird.
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Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Internet
- 20
- Basisstation
- 24
- Mobilfunknetz-Verwaltungseinheit
- 30
- Teilnehmerstation für D2D Kommunikation
- 31
- Funkkommunikationsmodul
- 33
- Teilnehmerstation für andere Mobilkommunikation
- 40
- Evolved Packet Core EPC
- MFZ
- Mobilfunkzelle
- B2UE
- Kommunikation zwischen Basis und Teilnehmer
- D2Da
- Direktkommunikation a
- D2Db
- Direktkommunikation b
- D2Dc
- Direktkommunikation c
- UL
- Übertragung in Uplink Richtung
- DL
- Übertragung in Downlink Richtung
- UE
- Teilnehmerstation (User Equipment)
- D2DSFB
- Sub-Funkbereich für Direktkommunikation
- FB1
- Funkbereich 1
- FB2
- Funkbereich 2
- FB3
- Funkbereich 3
- FB4
- Funkbereich 4
- FB5
- Funkbereich 5
- FB6
- Funkbereich 6
- TPUE1
- Sendeleistung UE1
- TPUE2
- Sendeleistung UE2
- TPUE2+NP
- Sendeleistung UE2 mit Rauschleistung
- QL1
- Qualitätsanforderung 1
- QL2
- Qualitätsanforderung 2
- SINR
- Signal zu Störung plus Rauschen-Verhältnis
- SIR
- Signal zu Störung-Verhältnis
- NL
- Rauschpegel
- TPD
- Sendeleistungsverteilung im Freiraum
- IR
- Interferenz-Bereich
- BD
- Strahlausrichtung
