DE102018206598B3

DE102018206598B3 - Verfahren zum Betreiben einer Antenneneinheit, Antenneneinheit und Antennennetzwerk

Info

Publication number: DE102018206598B3
Application number: DE102018206598.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Smits
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-04-28
Also published as: WO2019206995A1

Abstract

Das Antennennetzwerk umfasst eine Antenneneinheit und eine oder mehrere weitere Antenneneinheiten. Der Antenneneinheit und der oder den weiteren Antenneneinheiten ist eine gleiche Netzwerkadresse zugeordnet. Die jeweilige Antenneneinheit weist zumindest eine Antenne und eine Netzwerkschnittstelle auf. Die jeweilige Antenneneinheit empfängt ein erstes Datenpaket über die Netzwerkschnittstelle der Antenneneinheit. Hierbei ist das erste Datenpaket ein Datenpaket, das an die Antenneneinheit und an zumindest eine der weiteren Antenneneinheiten des Antennennetzwerks mit gleichem Dateninhalt gesendet wird. Des Weiteren wird von der jeweiligen Antenneneinheit ein erstes Sendedatenpaket, das die Dateninhalte des ersten Datenpakets und die zugeordnete Netzwerkadresse umfasst, auf Basis eines vorgegebenen Kommunikationsprotokolls bereitgestellt. Das erste Sendedatenpaket wird über die Antenne der jeweiligen Antenneneinheit gesendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antenneneinheit, die Antenneneinheit und ein Antennennetzwerk, das zumindest zwei der Antenneneinheiten aufweist.
Im Bereich Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (sogenanntes „Car2Car“) können sich Kraftfahrzeuge in verschiedenen Frequenzbänder, die sich im Bereich von 755 MHz GHz und 5,925 GHz erstrecken, gegenseitig Nachrichten zusenden, um zum Beispiel die jeweils eigene Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung anderen Kraftfahrzeugen mitzuteilen. Hierzu weisen die Fahrzeuge eine Antenne auf, die an einer exponierten Stelle des Fahrzeugs angeordnet ist. Eine Verbindung innerhalb des jeweiligen Fahrzeugs zwischen einer Sende- und/oder Empfangsendstufe und der Antenne erfolgt häufig analog über Koaxialkabel. Aufgrund der speziellen Anordnung der Antenne am oder im Fahrzeug können die Strecken, die mit den Koaxialkabeln überbrückt werden, aufgrund von konstruktiven sowie designtechnischen Vorgaben zwischen der Endstufe und der Antenne sehr groß sein. Dämpfungsverluste der Koaxialkabel steigen mit der Übertragungsfrequenz und sind insbesondere bei hohen Frequenzen wie zum Beispiel in dem klassischen Frequenzband um 5,9 GHz für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation sehr kritisch.
Bei Fahrzeugen mit kritischen Fahrzeuggeometrien, wie zum Beispiel Cabrios, bei denen eine Anordnung einer Dachfinne nicht möglich ist, oder Fahrzeugen mit großem Glasschiebedach, LKWs mit langem Auflieger, Bau- und Landwirtschaftsfahrzeuge können beispielsweise die Anforderungen für eine Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation gemäß dem IEEE 802.11p, wenn beispielsweise eine Abdeckung eines Sende- und/oder Empfangsbereichs eines Gebiets mit einem Radius von 1 km rund um das Fahrzeug gewünscht ist, diese nur schwerlich, das heißt mit hohen Kosten für die analogen Komponenten, realisiert werden.
Aus DE 10 2015 201 476 A1 ist ein Kommunikationsadapter zum Verbinden einer Kommunikationsantenne mit einem Car2X-Fahrzeugkommunikationsgerät bekannt. Der Kommunikationsadapter umfasst eine digitale Busschnittstelle, einen Car2X-Transceiver und eine Antennenschnittstelle.
Ferner ist aus DE 10 2007 019 469 A1 ein Kommunikationssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Antennensystem zum drahtlosen Austauschen von Kommunikationssignalen mit einer Außenwelt des Kraftfahrzeugs und mit einer Vermittlungseinrichtung, über welche das Antennensystem zum Austauschen der Kommunikationssignale mit einer zugeordneten Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, bekannt.
Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Antenneneinheit, die Antenneneinheit und ein Antennennetzwerk, insbesondere für ein Fahrzeug zu schaffen, die eine zuverlässige Kommunikationsverbindung zu externen Kommunikationseinrichtungen außerhalb des Antennennetzwerks, insbesondere zu anderen Fahrzeugen, ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch ein Verfahren zum Betreiben einer Antenneneinheit eines Antennennetzwerks, wobei das Antennennetzwerk die Antenneneinheit und eine oder mehrere weitere Antenneneinheiten aufweist. Der Antenneneinheit und der beziehungsweise den weiteren Antenneneinheiten ist eine gleiche Netzwerkadresse zugeordnet. Die Antenneneinheit weist zumindest eine Antenne und eine Netzwerkschnittstelle auf. Die Antenneneinheit empfängt ein erstes Datenpaket über die Netzwerkschnittstelle der Antenneneinheit. Hierbei ist das erste Datenpaket ein Datenpaket, das an die Antenneneinheit und an zumindest eine der weiteren Antenneneinheiten des Antennennetzwerks mit gleichem Dateninhalt gesendet wird. Des Weiteren wird von der Antenneneinheit ein erstes Sendedatenpaket, das die Dateninhalte des ersten Datenpakets und die zugeordnete Netzwerkadresse umfasst, auf Basis eines vorgegebenen Kommunikationsprotokolls bereitgestellt. Das erste Sendedatenpaket wird über die Antenne der Antenneneinheit gesendet.
Die Antenneneinheit ist beispielsweise ausgebildet, Daten über die Antenne gemäß dem IEEE 802.11-2012-Standard zu senden und/oder zu empfangen.
Die Antenneneinheit empfängt während einer Kommunikationsphase eine Vielzahl von ersten Datenpaket in einer zeitlichen Abfolge. Da die Antenneneinheit das jeweilige erste Datenpaket über die Netzwerkschnittstelle empfängt, kann die Antenneneinheit, die beispielsweise in oder an einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, an einer beliebigen Position angeordnet werden. Ein Abstand zwischen der Einheit, die das erste Datenpaket bereitstellt, und der Antenneneinheit kann sehr groß sein. Aufgrund der digitalen Anbindung wirken sich Leitungsverluste nicht und oder nur sehr geringfügig aus und müssen nicht kompensiert werden. Dies ermöglicht eine störungsfreie Anbindung der Antenneneinheit an die Einheit, die die ersten Datenpakete bereitstellt.
Die weitere beziehungsweise die weiteren Antenneneinheiten führen vorzugsweise das gleich Verfahren aus und senden das gleiche erste Sendedatenpaket mit der gleichen Netzwerkadresse. Das Senden der ersten Sendedatenpakete mit gleicher Netzwerkadresse ermöglicht auf Empfangsseite quasi ein „Mehrwegeempfang“, das heißt beim Empfänger kommen mehrere erste Sendedatenpakete an, der Empfänger detektiert, wie bei einer Mehrwegeausbreitung, jedoch nur ein einzelnes erstes Sendepaket. Der Mehrfachempfang ermöglicht eine zuverlässigere Kommunikationsverbindung, da eine Wahrscheinlichkeit höher ist, dass zumindest ein fehlerfreies erstes Sendedatenpaket von dem Empfänger empfangen wird. Fehlerhafte erste Sendedatenpakete können ermittelt und verworfen werden. Die Netzwerkadresse ist somit ein Identifikator für das Antennennetzwerk und ermöglicht dem Empfänger, die ersten Datenpakete, die von einem speziellen Antennennetzwerk innerhalb kurzer Zeit gesendet wurden, als zusammengehörend zu erkennen und die Redundanz zu nutzen, zum Beispiel zur Fehlerkorrektur.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird in einem Schritt a) das erste Datenpaket oder das erste Sendedatenpaket in einer Warteschlange zwischengespeichert. In einem Schritt b) wird auf Basis einer vorgegebenen Medien-Zugriffs-Prozedur des vorgegebenen Kommunikationsprotokolls geprüft, ob ein Übertragungsmedium, das für das Senden des ersten Sendedatenpakets vorgesehen ist, belegt ist. In einem Schritt c) wird, falls das Übertragungsmedium nicht belegt ist, das erste Sendedatenpaket über die Antenne und über die Netzwerkschnittstelle eine Synchronisationsinformation für das erste Datenpaket an die weiteren Antenneneinheiten, an die das erste Datenpaket ebenfalls gesendet wurde, gesendet. Falls das Übertragungsmedium belegt ist, erfolgt eine Prüfung, ob eine Synchronisationsinformation für das erste Datenpaket von einer weiteren Antenneneinheit des Antennensystems empfangen wurde. Falls die Synchronisationsinformation innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne empfangen wird, wird das erste Datenpaket beziehungsweise das erste Sendedatenpaket aus der Warteschlange gelöscht. Falls die Synchronisationsinformation nicht innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne empfangen wurde, werden die Schritte b) und c) erneut ausgeführt.
Die Synchronisationsinformation wird von einer Antenneneinheit an die anderen aktiven Antenneneinheiten des Antennennetzwerks gesendet, wenn die entsprechende Antenneneinheit das erste Sendedatenpaket versenden konnte, um die anderen Antenneneinheiten zu informieren, dass sie das korrespondierende ersten Sendedatenpaket nicht mehr senden dürfen.
Die Antenneneinheit kann insbesondere einen „Enhanced Distributed Coordination Access“ (EDCA) aus dem IEEE 802.11-2012-Standard als Medium-Zugriffsprozedur anwenden, der einen Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) -Algorithmus nutzt.
Das Löschen der ersten Sendedatenpakete hat den Vorteil, dass das Senden von gleichen Datenpaketen, die ein Empfänger aufgrund eines zu großen zeitlichen Versatzes nicht mehr als zusammengehörig erkennen würde, verhindert werden kann. Wenn der Empfänger gleiche Datenpakete empfängt, aber aufgrund eines zu großen zeitlichen Versatzes nicht als zusammengehörig erkennt, identifiziert der Empfänger unter Umständen Kollisionssituationen und startet Fehlerbehebungsprozeduren, die Mehrfachüberübertragung von Paketen zur Folge haben und die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsverbindung mindern.
Die Antenneneinheit und auch die weiteren Antenneneinheiten versuchen auf das Übertragungsmedium zuzugreifen und prüfen zunächst, ob das Übertragungsmedium frei ist. Bei einem Versuch ein erstes Sendedatenpaket zu übertragen, kann es jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit vorkommen, dass die Antenneneinheit oder eine der weiteren Antenneneinheiten des Antennennetzwerks eine Kollision auf dem Übertragungsmedium entdeckt und seinen Sendevorgang unterdrückt, und eine andere Antenneneinheit des Antennennetzwerks das Übertragungsmedium als frei erkennt und entsprechend mit dem Sendevorgang des jeweils nächsten anstehenden ersten Datenpakets beziehungsweise Sendedatenpakets aus der Warteschlange beginnt. Die Antenneneinheit, die das Übertragungsmedium als belegt erkannt hat, würde beispielsweise die vorgegebene Zeitspanne abwarten und dann mit dem Sendevorgang des ersten Sendedatenpakets beginnen. Aus Sicht eines außenstehenden Empfangsknotens, zum Beispiel ein anderes Kraftfahrzeug, würde das erste Sendedatenpaket zwei oder mehrmals übertragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weisen die ersten Datenpakete, die mit gleichem Dateninhalt jeweils an die Antenneneinheiten des Antennennetzwerks gesendet werden, das gleiche Datenformat auf. Dies hat den Vorteil, dass zeitliche Anforderungen an die Übertragung und/oder die Verarbeitung der ersten Datenpakete einfacher eingehalten werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt werden die von der Antenneneinheit ersten Datenpakete empfangen oder die daraus ermittelten ersten Sendedatenpakete in einer vorgegebenen Reihenfolge in der Warteschlange gespeichert und die ersten Datenpakete beziehungsweise ersten Sendedatenpakete werden sequentiell aus der Warteschlange zum Senden der ersten Sendedatenpakete ausgelesen. Vorzugsweise werden die ersten Datenpakete in der Reihenfolge in der Warteschlange gespeichert, wie sie empfangen werden. Alternativ kann eine Änderung der Reihenfolge erfolgen, beispielsweise abhängig von einer vorgegebenen absoluten oder relativen Wunschsendezeit für die jeweiligen ersten Datenpakete oder eine Priorisierung der ersten Datenpakete.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird die vorgegebene Zeitspanne für die jeweils von der Antenneneinheit empfangenen ersten Datenpakete variiert. Die vorgegebene Zeitspanne wird somit für sämtliche aktiven Antenneneinheiten des Antennennetzwerks gleich variiert. Die Variation der vorgegebenen Zeitspanne ermöglicht, eine Wahrscheinlichkeit von möglichen Kollisionen zu reduzieren. Vorzugsweise umfasst die vorgegebene Zeitspanne für die ersten Datenpakete der Antenneneinheit einen Zufallswert. Ein zufälliges Variieren der vorgegebenen Zeitspanne kann die Wahrscheinlichkeit von möglichen Kollisionen weiter reduzieren.
Die vorgegebene Zeitspanne kann einer Backoff-Zeit entsprechen, in der normalerweise eine Backoff-Prozedur durchgeführt wird, wie sie beispielsweise in dem IEEE 802.11-2012-Standard, vorgesehen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt erfolgt das Senden des jeweiligen ersten Sendedatenpakets synchron oder näherungsweise synchron, innerhalb einer vorgegebenen Toleranzzeitspanne, zu einem Senden von einem oder mehreren korrespondierenden, insbesondere gleichen, ersten Sendedatenpakete, die jeweils die Dateninhalte des gleichen ersten Datenpakets und die gleiche Netzwerkadresse aufweisen wie das erste Sendedatenpaket, und die von den weiteren Antenneneinheiten, die das zur Übertragung des korrespondierenden ersten Sendepakets vorgesehene Übertragungsmedium als frei erkannt haben, gesendet werden.
Die Anforderungen an die synchrone Übertragung sind hierbei moderat, insbesondere geringer als bei einer Strahlformung (im Englischen Beamforming) . Das Senden des ersten Sendedatenpakets und der korrespondierenden ersten Sendedatenpakete muss nicht phasengenau (< 0,5 ns) erfolgen, sondern kann im Bereich von 0,5 µs bis 50 ps, insbesondere im Bereich von 1 µs bis 3 µs erfolgen.
Das gleichzeitige oder quasi gleichzeitige Senden von gleichen ersten Sendedatenpaketen durch die Antenneneinheiten des Antennennetzwerks ermöglicht auf der Empfangsseite eine Empfangs-Diversity auf Paketebene. Die oben beschriebene Prozedur kann auch als Paket-Sende-Diversity bezeichnet werden, da von jeder Antenneneinheit ein vollständiges Paket gemäß einem vorgegebenen Kommunikationsprotokoll, beispielsweise gemäß einem IEEE 802.11-2012-Standard, eigenständig emittiert wird. Eine Synchronisation der Antenneneinheiten des Antennennetzwerks zum synchronen Senden der ersten Sendedatenpakete erfolgt vorzugsweise über eine Inter-Modulverbindung, das heißt eine Taktsynchronisation der Antenneneinheiten des Antennennetzwerks. Solche Taktsynchronisationen sind beispielsweise aus dem Bereich der Ethernet-, der BroadR-Reach-, Universal Serial Bus- und IEEE 802.11 WiFi-(Wireless Fidelity) Netzwerke dem Fachmann bekannt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird die vorgegebene Zeitspanne für das jeweilige erste Datenpaket für alle Antenneneinheiten gleich vorgegeben. Dies ermöglicht, dass das erste Sendedatenpaket und die korrespondierenden ersten Sendedatenpakete von der Antenneneinheit und den weiteren Antenneneinheiten synchron oder näherungsweise synchron gesendet werden können. Eine Backoff-Zeit kann somit für alle Antenneneinheiten gleich vorgegeben werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt empfängt die Antenneneinheit in Verbindung mit dem ersten Datenpaket eine bereitgestellte Zeitinformation, die direkt oder indirekt vorgibt, zu welchem Zeitpunkt das erste Datenpaket vorgesehen ist, von der Antenneneinheit gesendet zu werden. Die Antenneneinheit sendet das erste Sendedatenpaket, das den Dateninhalt des ersten Datenpakets aufweist abhängig von der bereitgestellten Zeitinformation. Die Antenneneinheit kann die Zeitinformation nutzen, das erste Datenpaket oder das erste Sendedatenpaket in die Warteschlange einzusortieren und/oder Sendevorgänge für die ersten Sendedatenpakete in entsprechenden zeitlichen Abständen, die in Abhängigkeit der Zeitinformation ermittelt werden, zu starten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist dem ersten Datenpaket, das an die Antenneneinheit und die weiteren Antenneneinheiten gesendet wird, ein Identifikator zugeordnet zur Unterscheidung von weiteren ersten Datenpaketen, die früher oder später an die Antenneneinheit und die weiteren Antenneneinheiten gesendet wurden beziehungsweise werden. Ferner umfasst die Synchronisationsinformation eine Information, die repräsentativ ist für den Identifikator eines bestimmten ersten Datenpakets. Dies ermöglicht, dass die Antenneneinheit die empfangene Synchronisationsinformation einfach dem ersten Datenpaket zuordnen kann, das tatsächlich gelöscht werden soll.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt passt die Antenneneinheit abhängig von einer bereitgestellten Positionsinformation, die repräsentativ ist für eine Position einer externen Einheit außerhalb des Antennennetzwerks, ihre Sendeleistung an. Die externe Einheit kann ein Fahrzeug sein, das die ersten Sendedatenpakete empfangen soll.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Antenneneinheit ein Antennen-Array auf und belegt das Antennen-Array so mit Hochfrequenzsignalen, dass das Antennen-Array eine vorgegebene direktionale Abstrahlcharakteristik aufweist. Dies ermöglicht eine auf die Antenneneinheit bezogene Strahlformung, wodurch zusätzliche Performance- und Robustheitsgewinne erzielt werden können. Die Abstrahlcharakteristik kann spezifisch für die jeweilige Position der Antenneneinheit optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Antenneneinheit zumindest zwei Antennen auf und die Antenneneinheit wählt abhängig von einer Empfangsfeldstärke des jeweils empfangenen Signals an den Antennen eine der zumindest zwei Antennen aus oder überlagert die empfangenen Signale. Die Antenneneinheit ist somit ausgebildet, einen auf die Antenneneinheit bezogenen Antennen-Diversity-Empfang, zum Beispiel ein Maximum Ratio Combining (MRC), auszuführen. Vorteilhafterweise ermöglicht dies ergänzend zu der Paket-Diversity, das durch das Mehrfachsenden von Datenpaketen durch die Antenneneinheit und weiteren Antenneneinheiten bereitgestellt wird, zusätzliche Performance- und Robustheitsgewinne zu erzielen.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten Aspekt aus durch eine Antenneneinheit, die eine Antenne sowie eine Netzwerkschnittstelle aufweist und ausgebildet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder eine Ausgestaltung des Verfahrens auszuführen. Die Antenneneinheit bildet einen Netzknoten des Antennennetzwerks.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt weist die Antenneneinheit ein Antennenmodul auf, das die Netzwerkschnittstelle umfasst. Das Antennenmodul ist elektrisch mit der Antenne gekoppelt und räumlich unmittelbar benachbart zu der Antenne angeordnet. Die weiteren Antenneneinheiten werden vorzugsweise gleich betrieben wie die weiteren Antenneneinheiten des Antennennetzwerks. Vorzugsweise sind die Antennenmodule der Antenneneinheiten des Antennennetzwerks gleich ausgebildet. Alternativ können die Antenneneinheiten unterschiedlich aufgebaut sein, wobei diese jedoch so ausgebildet sind, dass sie sich trotzdem bei der Synchronisierung der zeitlichen Steuerung, der Bearbeitung der Warteschlangen und der Verarbeitung, insbesondere Protokollverarbeitung, gleich oder näherungsweise gleich verhalten, so dass die Zeitbedingungen für das synchrone oder quasi synchrone Senden eingehalten werden können. Optional können an das Antennennetzwerk optionale Antenneneinheiten angeschlossen sein, die nach Bedarf in das Antennennetzwerk derart eingebunden werden können, dass sie gemeinsam mit den anderen Antenneneinheiten die ersten Sendedatenpakte versenden. Alternativ können die optionalen Antenneneinheiten nur Ressourcen, zum Beispiel eine zentrale Recheneinheit des Antennennetzwerks mitnutzen.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem dritten Aspekt aus durch ein Antennennetzwerk, das zumindest zwei Antenneneinheiten gemäß dem zweiten Aspekt und eine Recheneinheit umfasst, die ausgebildet ist, die ersten Datenpakete an die Antenneneinheiten zu senden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt sind die jeweiligen Antenneneinheiten ferner dazu ausgebildet, synchron oder näherungsweise synchron innerhalb einer zweiten vorgegebenen Toleranzzeitspanne ein zweites Sendedatenpaket über ihre Antenne, das von einer externen Einheit außerhalb des Antennennetzwerks gesendet wurde, zu empfangen, wobei das zweite Sendedatenpaket ein Format gemäß einem ersten Kommunikationsprotokoll aufweist und Dateninhalte eines zweiten Datenpakets und eine Sendeadresse umfasst. Des Weiteren sind die jeweiligen Antenneneinheiten ausgebildet, synchron oder innerhalb der zweiten vorgegebenen Toleranzzeitspanne das zweite Datenpaket zu rekonstruieren oder ein weiteres Datenpaket, das die Dateninhalte umfasst, zu assemblieren sowie das zweite beziehungsweise weitere Datenpaket in Verbindung mit der zugehörigen Sendeadresse über die Netzwerkschnittstelle an die Recheneinheit zu senden. Die Recheneinheit ist ausgebildet, abhängig von den empfangenen weiteren beziehungsweise zweiten Datenpaketen fehlerhafte Datenpakete zu erkennen und redundante zweite Datenpakete zu verwerfen und/oder fehlerhafte Datenpakete zu korrigieren.
Vorteilhafterweise kann so das Mehrantennensystem, bei dem die einzelnen Antenneneinheiten durch digitale Übertragungsstrecken getrennt sind, trotzdem die Vorteile einer MIMO-Übertragung (Multiple In - Multiple Out), einer Sendediversity auf Paketebene und Empfangsdiversity auf Paketebene nutzen und gegebenenfalls mit einer Antennendiversity und Signalformung kombinieren.
Die Antenneneinheiten können an beliebigen, vorzugsweise optimalen, Stellen positioniert werden in und/oder an einem Fahrzeug. Die Antenneneinheiten können sehr große Abstände aufweisen, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Antennennetzwerks reduziert wird. Die Antenneneinheiten können über digitale Standard-Netzwerktechnologien vernetzt werden. Die Anforderungen an das „synchrone“ Senden der ersten Sendedatenpakete können einfach erfüllt werden, da keine phasengenaue Synchronisation erforderlich ist. Die Anforderungen an das „synchrone“ Empfangen sind gering. Die Robustheit und Performance kann im Vergleich zur Nutzung nur einer Antenneneinheit erhöht werden. Eine Abdeckung für das Senden und Empfangen kann erhöht werden. Die Antenneneinheiten können modular aufgebaut werden. Wo nötig, können Anpassungen der einzelnen Module (Antenne, Netzwerkanbindung, Leistungsanpassung, et cetera) vorgenommen werden. Eine Anpassung von Antenneneinheiten an neue Anforderungen kann einfach erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt sind die jeweiligen Antenneneinheiten und die Recheneinheit in einem Fahrzeug angeordnet und die Antenneneinheiten sind ausgebildet, über ihre jeweilige Antennen eine Kommunikationsverbindung zu externen Einheiten außerhalb des Fahrzeugs aufzubauen.
Das Antennennetzwerk kann alternativ auch stationär angeordnet sein und genutzt werden, schwierige örtliche Gegebenheiten zu überbrücken.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts gelten hierbei auch für den dritten Aspekt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Antennennetzwerks in einem Fahrzeug,
2a, 2b beispielhafte Netzwerktopologien eines Antennennetzwerks,
3a, 3b jeweils ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Antenneneinheit,
4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben der Antenneneinheit,
5 eine schematische Darstellung einer Verteilung von ersten Datenpaketen und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antennennetzwerks.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt beispielhaft ein Antennennetzwerk 1, das in einem Fahrzeug 9 angeordnet ist. Das Antennennetzwerk 1 umfasst zumindest zwei Antenneneinheiten 3 und eine Recheneinheit 11. Die Recheneinheit 11 umfasst beispielsweise ein Steuergerät des Fahrzeugs 9. In dem gezeigten Beispiel sind die Antenneneinheiten 3 jeweils vorne und hinten am Fahrzeug 9 angeordnet.
Das Antennennetzwerk 1 weist eine geeignete Netzwerktopologie auf, beispielsweise eine Sterntopologie oder Bustopologie. 2a zeigt beispielhaft ein Antennennetzwerk 1 mit einer Sterntopologie. 2b zeigt beispielhaft ein Antennennetzwerk 1 mit einer Bustopologie. Alternativ sind auch andere Netzwerktopologien möglich, beispielsweise eine Ringtopologie oder eine gemischte Topologie. Die Antenneneinheiten 3 und die Recheneinheit bilden sogenannte Konten des Antennennetzwerks 1.
Eine Datenübertragung innerhalb des Antennennetzwerks 1 basiert beispielsweise auf einem Ethernet-Protokoll oder auf der BroadR-Reach-Technologie. Die BroadR-Reach-Technologie ist ein Ethernet-Physical-Layer-Standard für Anwendungen im Automobilbereich, die eine Internetverbindung oder eine andere Kommunikationsanbindung erfordern. Alternativ kann ein Universal Serial Bus-Protokoll (USB-Protokoll) oder ein anderes Netzwerkprotokoll genutzt werden.
Das Antennennetzwerk 1 weist insbesondere eine ausreichende Bandbreite auf und/oder ist ausgebildet, eine vorgegebene Latenzzeit einzuhalten.
Die Übertragung der Daten innerhalb des Antennennetzwerks 1 erfolgt vorzugsweise leitungsgebunden. Alternativ kann die Übertragung der Daten zwischen allen oder einzelnen Knoten drahtlos erfolgen.
Die 3a und 3b zeigen beispielhaft jeweils ein Blockschaltbild der Antenneneinheit 3.
Die Antenneneinheit 3 umfasst eine Antenne 5 und ein Antennenmodul 7. Die Antenneneinheit 3 ist vorzugsweise als integrierte Einheit ausgebildet, bei der die Antenne 5 und das Antennenmodul 7 räumlich benachbart, insbesondere unmittelbar räumlich benachbart, angeordnet sind. Die Antenne 5 und das Antennenmodul 7 sind elektrisch gekoppelt.
3b zeigt ein detaillierteres Bockschaltbild. Das Antennenmodul 7 umfasst eine Endstufe 21, eine Basisbandverarbeitungseinheit 19 sowie eine Verarbeitungseinheit 17 zur Verarbeitung von Daten gemäß einer oder mehrerer Protokollschichten von zumindest zwei Kommunikationsprotokollen und eine Netzwerkschnittstelle 4.
Die Endstufe 21 weist beispielsweise eine analoge Hochfrequenzendstufe und eine Zwischenfrequenzstufe auf. Die Basisbandverarbeitungseinheit 19 umfasst zum Beispiel einen Kodierer und/oder Dekodierer. Alternativ kann die Endstufe 21 ohne Zwischenfrequenzstufe ausgebildet sein, so dass Basisbandsignale direkt in Hochfrequenzsignale umgesetzt werden und/oder Hochfrequenzsignale direkt in Basisbandsignale umgesetzt werden.
Die Verarbeitungseinheit 17 ist beispielsweise ausgebildet, erste Datenpakete von der Recheneinheit 11 zu empfangen, die gemäß einem ersten Kommunikationsprotokoll von der Recheneinheit 11 gesendet werden. Bei dem ersten Kommunikationsprotokoll kann es sich beispielweise um ein Ethernetprotokoll oder einem davon abgeleiteten Protokoll handeln. Ferner ist die Verarbeitungseinheit ausgebildet, erste Sendedatenpakete gemäß einem zweiten Kommunikationsprotokoll bereitzustellen, die die Dateninhalte der ersten Datenpakete umfassen. Das zweite Kommunikationsprotokoll ist beispielsweise geeignet für eine Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation. Das zweite Kommunikationsprotokoll ist beispielsweise ein Kommunikationsprotokoll gemäß des IEEE 802.11p-Standards oder alternativ des IEEE802.11 Wifi-Standards, Long-Term-Evolution-Standards oder 5G-Standards. In einem Empfangsbetrieb erfolgt die Umsetzung analog.
Die Antenneneinheiten 3 sind somit zur Paketbearbeitung oberhalb einer Bitübertragungsschicht ausgebildet.
Die Antenne 5 ist zum Beispiel ausgebildet, Signale in einem vorgegebenen Frequenzbereich von 5,9 GHZ zu senden und zu empfangen.
Die Antenneneinheiten beispielsweise in einem USB-Modul (Universal Serial Bus) integriert sein oder als USB-Modul ausgebildet sein.
4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben einer der Antenneneinheiten 3.
Den Antenneneinheiten 3 des Antennennetzwerks 1 sind jeweils die gleichen Netzwerkadressen zugeordnet. Dies ermöglicht, dass die Antenneneinheiten 3 Datenpakete mit einer gleichen Adresse versenden können und ein Empfänger diese Datenpakete als ein Datenpaket erkennen kann. Auch wenn die Datenpakete einen zeitlichen Versatz aufweisen, kann der Empfänger dies quasi als „Mehrwegeempfang“ interpretieren und die Empfangssignale entsprechend auswerten.
Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet, sobald ein erstes Datenpaket, das von der Recheneinheit 11 gesendet wird, an der Netzwerkschnittstelle 4 der Antenneneinheit 3 anliegt. Das erste Datenpaket ist ein Datenpaket, das an die Antenneneinheit 3 und zumindest an eine der weiteren Antenneneinheiten 3 des Antennennetzwerks 1 mit gleichem Dateninhalt gesendet wird. Vorzugsweise weisen die ersten Datenpakete, die an die diversen Antenneneinheiten 3 gesendet werden, das gleiche Datenformat auf.
In einem Schritt S3 wird das erste Datenpaket eingelesen.
In einem Schritt S5 wird ein erstes Sendedatenpaket, das die Dateninhalte des ersten Datenpakets und die zugeordnete Netzwerkadresse umfasst, auf Basis eines vorgegebenen Kommunikationsprotokolls für die Übertragung über die Antenne 5 bereitgestellt.
In einem Schritt S7 wird das erste Sendedatenpaket in einer Warteschlange 15 zwischengespeichert.
Die Warteschlange 15 umfasst beispielweise ein Speicherregister und die zweiten Sendedatenpakete werden in einer vorgegebenen Reihenfolge in der Warteschlange 15 gespeichert und die ersten Sendedatenpakete werden aus der Warteschlange 15 zum Senden der Sendedatenpakete ausgelesen.
Alternativ zu den ersten Sendedatenpaketen können auch die ersten Datenpakete in der Warteschlange 15 zwischengespeichert werden. Das Senden der ersten Datenpakete und Zwischenspeichern der ersten Datenpakete ist in 5 veranschaulicht.
Alternativ ist möglich, dass zunächst eine teilweise Verarbeitung der ersten Datenpakete oder ersten Sendedatenpakete, dann die Speicherung in der Warteschlange für die zeitliche Synchronisierung und abschließend die weitere Verarbeitung der ersten Datenpakete beziehungsweise der Sendedatenpakete erfolgt.
In einem Schritt S9 (4) wird auf Basis einer vorgegebenen Medien-Zugriffs-Prozedur des vorgegebenen Kommunikationsprotokolls geprüft, ob ein Übertragungsmedium, das für das Senden des ersten Sendedatenpakets vorgesehen ist, belegt ist.
Falls das Übertragungsmedium nicht belegt ist, wird in einem Schritt S11 das erste Sendedatenpaket aus der Warteschlange 15 ausgelesen und für die analoge Übertragung über die Antenne 5 bereitgestellt. Anschließend wird das Programm in einem Schritt S13 fortgesetzt. In dem Schritt S13 wird eine Synchronisationsinformation für das erste Datenpaket an die weiteren Antenneneinheiten 3, an die das erste Datenpaket ebenfalls gesendet wurde, gesendet. Anschließend wird das Programm in einem Schritt S21 beendet.
Falls das Übertragungsmedium belegt ist, wird das Programm in einem Schritt S15 fortgesetzt. In dem Schritt S15 wird geprüft, ob eine Synchronisationsinformation für das erste Datenpaket von einer weiteren Antenneneinheit 3 des Antennensystems empfangen wurde.
Falls die Synchronisationsinformation innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne empfangen wurde, wird in einem Schritt S17 das erste Sendedatenpaket aus der Warteschlange 15 gelöscht und anschließend wird das Programm in einem Schritt S21 beendet.
Falls die Synchronisationsinformation nicht innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne empfangen wurde, wird das Programm in dem Schritt S9 fortgesetzt.
Das Programm wird beispielsweise für jedes der empfangenen ersten Datenpakete ausgeführt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antennennetzwerks 1. Das Antennennetzwerk 1 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest eine Antenneneinheit 3 auf, die mehr als eine Antenne 5 aufweist, beispielsweise zwei Antennen, und das Antennenmodul 7 zu einer räumlichen Empfangsdiversität und/oder zu einer Sendediversität ausgebildet ist. Die analoge Endstufe des Antennenmoduls nutzt somit mehrere Antennen für das Empfangen beziehungsweise Senden von Signalen. Aufgrund eines Empfangs beziehungsweise Sendens der Signale über räumlich versetzte Antennen der Endstufe können störende Interferenzen reduziert werden.
Durch Kombination dieser Antennendiversität und der Paketdiversität für das Senden beziehungsweise Empfangen kann eine höhere Zuverlässigkeit der Kommunikationsverbindung zwischen dem Antennennetzwerk 1 und einem externen Kommunikationspartner außerhalb des Antennennetzwerks 1 erzielt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise zumindest eine der Antenneneinheiten 3 ausgebildet, eine direktionale Abstrahlcharakteristik nachzubilden oder anders ausgedrückt, eine Antennenstrahlformung, im Englischen Beamforming, auszuführen. Die zumindest eine Antenneneinheit 3 weist beispielweise ein Antennen-Array auf und das Antennenmodul 7 ist ausgebildet, die jeweiligen Antennen des Antennen-Arrays so mit Hochfrequenzsignalen zu belegen, dass diese eine vorgegebene direktionale Abstrahlcharakteristik aufweisen.
Beim Beamforming werden mehrere dicht beieinander angebrachte direktionale Antennen so mit HF-Signalen belegt, dass die Antennen-Arrays eine direktionale Abstrahlcharakteristik nachbilden. Die Abstrahlcharakteristik der Array-Antennen kann nach mathematischen Algorithmen geändert werden und zwar durch Änderung der Signalpegel und -phasenlagen. Die beiden Parameter ermöglichen eine komplexe Gewichtung der Abstrahlform.
Beim Senden ermöglicht das Beamforming, das Funksignal durch die Verwendung mehrerer Antennen zu formen und damit gezielt auf einen Empfänger auszurichten. Sehr hohe Datenraten und optimierte Reichweiten bei geringsten Störungen sind die Folge.
Wird ein solches Antennen-Array als Empfangsantenne geschaltet, kann sie so geformt werden, dass das empfangene Signal verstärkt und Interferenzen unterdrückt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise zumindest eine Antenneneinheit 3 ausgebildet, eine Sendeleistung an eine jeweilige Position des externen Kommunikationspartners, beispielsweise ein anderes Kraftfahrzeug außerhalb des Antennennetzwerks 1, anzupassen, um diesen externen Kommunikationspartner zielgerichtet besser zu erreichen, ohne eine gesamt zulässige emittierte Sendeleistung zu überschreiten. Bei einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation teilt das jeweilige Fahrzeug den anderen Fahrzeugen seine Position mit.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Antennennetzwerk
3: Antenneneinheit
4: Netzwerkschnittstelle
5: Antenne
7: Antennenmodul
9: Fahrzeug
11: Recheneinheit
15: Warteschlange
17: Verarbeitungseinheit
19: Basisbandverarbeitungseinheit
21: Endstufe
S1 ... S21: Programmschritte

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Antenneneinheit (3) eines Antennennetzwerks (1), wobei das Antennennetzwerk (1) die Antenneneinheit (3) und eine oder mehrere weitere Antenneneinheiten (3) aufweist, denen eine gleiche Netzwerkadresse zugeordnet ist, die Antenneneinheit (3) zumindest eine Antenne (5) und eine Netzwerkschnittstelle (4) aufweist, und das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Empfang eines ersten Datenpakets über die Netzwerkschnittstelle (4) der Antenneneinheit (3), wobei das erste Datenpaket ein Datenpaket ist, das an die Antenneneinheit (3) und zumindest an eine der weiteren Antenneneinheiten (3) des Antennennetzwerks (1) mit gleichem Dateninhalt gesendet wird, - Bereitstellen eines ersten Sendedatenpakets, das die Dateninhalte des ersten Datenpakets und die zugeordnete Netzwerkadresse umfasst, auf Basis eines vorgegebenen Kommunikationsprotokolls, - Senden des ersten Sendedatenpakets über die Antenne (5) der Antenneneinheit (3).
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend a) Zwischenspeichern des ersten Datenpakets oder des ersten Sendedatenpakets in einer Warteschlange (15), b) Prüfen auf Basis einer vorgegebenen Medien-Zugriffs-Prozedur des vorgegebenen Kommunikationsprotokolls, ob ein Übertragungsmedium, das für das Senden des ersten Sendedatenpakets vorgesehen ist, belegt ist, c1) falls das Übertragungsmedium nicht belegt ist, Senden des ersten Sendedatenpakets über die Antenne (5) der Antenneneinheit (3) und Senden einer Synchronisationsinformation für das erste Datenpaket an die weiteren Antenneneinheiten (3), an die das erste Datenpaket ebenfalls gesendet wurde, c2) falls das Übertragungsmedium belegt ist, prüfen, ob eine Synchronisationsinformation für das erste Datenpaket von einer weiteren Antenneneinheit (3) des Antennensystems empfangen wurde, -- falls die Synchronisationsinformation innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne empfangen wurde, Löschen des ersten Datenpakets beziehungsweise das erste Sendedatenpaket aus der Warteschlange (15), -- falls die Synchronisationsinformation nicht innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne empfangen wurde, erneutes Ausführen der Schritte b) und c1) beziehungsweise c2).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ersten Datenpakete, die mit gleichem Dateninhalt jeweils an die Antenneneinheiten (3) des Antennennetzwerks (1) gesendet werden, das gleiche Datenformat aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die von der Antenneneinheit (3) empfangenen ersten Datenpakete oder die daraus ermittelten ersten Sendedatenpakete in einer vorgegebenen Reihenfolge in der Warteschlange (15) gespeichert werden und die ersten Datenpakete beziehungsweise ersten Sendedatenpakete sequentiell aus der Warteschlange (15) zum Senden der Sendedatenpakete ausgelesen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die vorgegebene Zeitspanne für die jeweils von der Antenneneinheit (3) empfangenen ersten Datenpakete variiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Senden des jeweiligen ersten Sendedatenpakets synchron oder näherungsweise synchron, innerhalb einer vorgegebenen Toleranzzeitspanne, zu einem Senden von einem oder mehreren korrespondierenden ersten Sendedatenpaketen erfolgt, die jeweils die gleichen Dateninhalte und die gleiche Netzwerkadresse aufweisen wie das erste Sendedatenpaket, und die von den weiteren Antenneneinheiten (3), die das zur Übertragung des korrespondierenden ersten Sendepakets vorgesehene Übertragungsmedium als frei erkannt haben, gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die vorgegebene Zeitspanne für das jeweilige erste Datenpaket für alle Antenneneinheiten (3) gleich vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Antenneneinheit (3) in Verbindung mit dem ersten Datenpaket eine bereitgestellte Zeitinformation empfängt, die direkt oder indirekt vorgibt, zu welchem Zeitpunkt das erste Datenpaket vorgesehen ist, von der Antenneneinheit (3) gesendet zu werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem dem ersten Datenpaket, das an die Antenneneinheit (3) und die weiteren Antenneneinheiten (3) gesendet wird, ein Identifikator zugeordnet ist zur Unterscheidung von weiteren ersten Datenpaketen, die früher oder später an die Antenneneinheit (3) und die weiteren Antenneneinheiten (3) gesendet werden und die Synchronisationsinformation eine Information umfasst, die repräsentativ ist für den Identifikator eines bestimmten ersten Datenpakets.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Antenneneinheit (3) abhängig von einer bereitgestellten Positionsinformation, die repräsentativ ist für eine Position einer externen Einheit außerhalb des Antennennetzwerks (1), ihre Sendeleistung anpasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Antenneneinheit (3) ein Antennen-Array aufweist und das Antennen-Array so mit Hochfrequenzsignalen belegt wird, dass das Antennen-Array eine vorgegebene direktionale Abstrahlcharakteristik aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Antenneneinheit (3) zumindest zwei Antennen aufweist und die Antenneneinheit (3) abhängig von einer Empfangsfeldstärke der jeweils empfangenen Signale an den Antennen eine Antenne (5) auswählt oder die empfangenen Signale überlagert.
Antenneneinheit (3), die eine Antenne (5) sowie eine Netzwerkschnittstelle (4) aufweist und ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
Antenneneinheit (3) nach Anspruch 13, wobei die Antenneneinheit ein Antennenmodul (7) aufweist, das die Netzwerkschnittstelle (4) umfasst, und das Antennenmodul (7) elektrisch mit der Antenne (5) gekoppelt und räumlich unmittelbar benachbart zu der Antenne (5) angeordnet ist.
Antennennetzwerk (1), aufweisend zumindest zwei Antenneneinheiten (3) gemäß einem der Ansprüche 13 und 14 sowie eine Recheneinheit (11), die ausgebildet ist, die ersten Datenpakete an die Antenneneinheiten (3) zu senden.
Antennennetzwerk (1) gemäß Anspruch 15, bei dem die jeweiligen Antenneneinheiten (3) ferner dazu ausgebildet sind, synchron oder näherungsweise synchron, innerhalb einer zweiten vorgegebenen Toleranzzeitspanne, - ein zweites Sendedatenpaket über ihre Antenne (5), das von einer externen Einheit außerhalb des Antennennetzwerks (1) gesendet wurde, zu empfangen, wobei das zweite Sendedatenpaket ein Format gemäß einem ersten Kommunikationsprotokoll aufweist und Dateninhalte eines zweiten Datenpakets und eine Sendeadresse umfasst, - das zweite Datenpaket zu rekonstruieren oder ein weiteres Datenpaket, das die Dateninhalte des zweiten Datenpakets aufweist, zu assemblieren, - das zweite Datenpaket beziehungsweise das weitere Datenpaket in Verbindung mit der zugehörigen Sendeadresse über die Netzwerkschnittstelle (4) an die Recheneinheit (11) zu senden und bei dem die Recheneinheit (11) ausgebildet ist, abhängig von den empfangenen zweiten Datenpaketen fehlerhafte Datenpakete zu erkennen und redundante zweite Datenpakete zu verwerfen und/oder fehlerhafte Datenpakete zu korrigieren.
Antennennetzwerk (1) nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Antenneneinheiten (3) und die Recheneinheit (11) in einem Fahrzeug (9) angeordnet sind und die Antenneneinheiten (3) ausgebildet sind, eine Kommunikationsverbindung zu externen Einheiten außerhalb des Fahrzeugs (9) aufzubauen.