CN107111957B - 受应用程序控制的地理-波束成形 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆(10)的无线电通信装置具有：至少一个天线单元(12、14)，所述天线单元沿一个或多个方向的发射是可控制的；以及与所述至少一个天线单元(12、14)连接的用于控制所述至少一个天线单元(12、14)的控制单元(16)。所述控制单元(16)与控制应用程序(18a、18b)连接，并且设置用于在受应用程序控制的地理‑波束成形‑运行模式中控制所述至少一个天线单元(12、14)，使得所述至少一个天线单元(12、14)的发射被限制于在车辆(10)的当前地点处存在的道路走向。

Description

受应用程序控制的地理-波束成形
技术领域
本发明总体上涉及车对X(Car-to-X，C2X)通信领域。特别地，本发明涉及一种无线电通信装置，借助所述无线电通信装置能够环境相关地并且受应用程序控制地给确定的地理区域提供无线电信息，而不管是否有接收器并且不管有多少接收器处于这些接收区域中，特别是也不管潜在的接收器在这些区域中准确地处于何处。
背景技术
车对X(C2X)通信是汽车和交通技术中的不同通信技术的上位概念并且涉及机动车之间的信息和数据交换以及机动车与其周围环境、例如智能手机和/或其它通信设备(例如安装在路边的基础设施构件、如路侧单元(Roadside Unit，RSU)、智能路侧站(Intelligent Roadside Station，IRS)或移动无线电网络)的信息和数据交换。因此，车对X通信包括车对车(Car-to-Car，C2C)通信以及车对基础设施(Car-to-Infrastructure，C2I)通信。利用C2X通信能够及早给配备有C2X通信的车辆的驾驶员报告关键的和危险的情况。一种可能的应用情况是识别和传播局部危险警告。当例如第一车辆在洲际公路上刚好仍然由于阻碍物而停滞时，可以借助C2X通信通过第一车辆就危险地点方面通知后续的同样接近该危险地点的车辆。然后，后续车辆的驾驶员例如可以被以声学和/或光学方式警告所述情形并且相应地及时降低其车辆的速度。这样能够避免事故。为了改进C2X通信，已知借助所谓的波束成形来调整进行发送的车辆的天线设备的发送特性。
例如DE 10 2009 011 276A1示出一种用于车辆的具有通信模块的通信***，该通信模块用于与在道路交通中相邻的车辆或与路边的电子基础设施装置、与用于车辆的转向运动的输入单元、与具有多个天线元件的天线设备以及与控制装置的不同消息类型的数据交换。所述控制装置根据消息类型和/或车辆的当前转向运动来调整天线设备的发射波瓣，从而使得该天线设备的传播方向朝道路走向和/或朝安置在道路走向上的基础设施装置定向。关于进一步的和类似的***还参阅WO2013/089731A1、US2010/0248672A、US6703378A和US7457587A。
已知的***不适合用于广播、即一点对多点通信，因为总是必须存在关于接收器的信息或者可能的接收器必须首先将其方位传输给发送器，以便可以相应地调整信号的发射。在已知的***中，为了发送器与接收器之间的最优的点对点通信，基本上通过相应地调整天线设备的发射特性来优化车辆的天线设备。
发明内容
本发明的任务是，提出一种改进的用于车辆的C2X通信装置，借助该通信装置对于一点对多点传输而言能够提高要传输的信息的作用范围和/或能够改进通信的可靠性并且尤其是能够改进信号质量。
该任务根据本发明的技术方案来解决。进一步的实施例和有利的进一步扩展构型由相应说明书和附图得出。在此，结合控制装置说明的特征和细节当然也适用于结合相应的方法并且相应地反之亦然。
本发明的核心构思在于，使所述至少一个天线单元的发射特性与在车辆的当前地点处存在的道路走向适配，也就是说，在点对面通信(Point-to-Area-Kommunikation)的意义上将所述发射限制于潜在的接收器可能所处的相关区域。
本发明的第一方面涉及一种用于车辆的无线电通信装置，所述无线电通信装置具有：(i)至少一个天线单元，所述至少一个天线单元沿一个或多个方向的发射是可控制的；和(ii)与所述至少一个天线单元连接的用于控制所述至少一个天线单元的控制单元。所述控制单元与控制应用程序、尤其是控制软件模块连接并且设置用于在受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中控制所述至少一个天线单元，使得所述至少一个天线单元的发射被限制于在车辆的当前地点处存在的道路走向。
也就是说，所述无线电通信装置设计用于与无线的无线电***通信并且具有调整所使用的天线架构的发射特性(波束成形)的可能性。借助波束成形实现发射的高频(HF)功率仅沿相关空间方向聚焦。相关空间方向可以由交通基础设施(道路、建筑物等)的布置和车辆相对于交通基础设施的布置得出。因此，可以利用所述至少一个天线单元使发射的发送功率朝其它交通参与者实际可能所处的那些区域聚集。结果改进与接近所述车辆的其它车辆的通信。
所述至少一个天线单元为了控制一个发射方向或多个发射方向而能被优选电调节。为此，一个天线单元可以相应地具有一个包括多个定向的单个天线的阵列，所述阵列为了控制天线单元的发射方向而能被物理地配置。例如借助波束成形网络(BFN)或者借助具有相应的用于各单个天线的相位调整的移相器和/或用于各单个天线之间的距离的调整装置以及用于选择各单个天线中的个别单个天线的装置和用于各单个天线的发送功率的调整装置的组件，可以使由天线单元发射的高频能量沿一个或多个优选的方向聚集。也就是说，借助波束成形调节各单个天线的发射特性，使得对于发射的电磁波的整体产生期望的方向特性。波束成形是相互的并且也可以相应地在接收电磁波时使用。
所述控制单元优选具有用于与控制应用程序连接的接口。控制单元能经由该接口通过控制应用程序被置于受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中。也就是说，无线电通信装置具有在应用层与物理层之间的接口，经由所述接口可以根据控制应用程序的状态交换用于形成发射特性的控制信息。因此，所述至少一个天线单元的发射特性可以被应用程序控制，从而能够仅沿相关方向传播信息并且因此能够以扩大的作用范围传播信息。
所述控制应用程序原则上可以是软件程序，该软件程序在(现代车辆中通常存在的)按照计算机***类型作为主***的驾驶员信息***(FIS)上运行。附加地或备选地也可能的是，控制应用程序完全地或部分地或协作地在由车辆驾驶员携带的小型计算机、例如智能手机或PDA上运行。为此，这样的小型计算机例如可以装备有近距离无线电技术、如WLAN、ZigBee、蓝牙等，以便与车辆中的控制单元直接连接或者与作为主***的驾驶员信息***中的控制应用程序协作地连接；因此得出在更下面还要阐述的特别的应用可能性。
所述控制应用程序优选设置用于确定车辆的地理位置(地点)和方位(定向)并且设置用于环境相关地确定相对于发送参与者的用于要传输的信息的“点对面”通信的相关区域，无线电通信装置作为发送参与者处于所述地理位置和方位中。因此，可以针对信息到确定的区域或确定的方向中的传输来优化按照本发明的无线电通信装置，这些信息在所述区域或所述方向中可能是相关的。也就是说，不优化车辆与唯一的某一其它参与者之间的通信，而是优化用于一个或多个相关的区域(相关区域)的作用范围和信号质量。换句话说，可以将所述至少一个天线单元的高频发射限制于在车辆的当前地点处存在的道路走向，从而在考虑车辆相对于在当前地点处存在的交通基础设施的布置/定向的情况下实现朝所述交通基础设施的发射、即仅沿相关空间方向的发射。
所述控制应用程序可以设置用于探测如下情况，在所述情况中应该将信息传输给其它交通参与者。例如，所述控制应用程序可以设置用于识别危险情况并且将相应的局部危险警告发送给其它交通参与者。在此，例如可以涉及对弄错方向的驾驶员、薄冰、滑水或施工现场等的警告。为了识别危险情况，所述应用程序可以收集并且评价在车辆中存在的数据(如ABS的响应或者说激活、车辆的转向角、位置、方向和速度)，以便识别危险情况。基于这些信息，控制应用程序经由接口与物理层、即无线电通信装置通信，以便传输用于环境相关地形成天线架构的发射特性(波束成形)的控制信息(受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式)。然后，局部危险警告可以利用无线电通信装置以无线电报告的形式作为C2X通信传送给其它交通参与者/车辆。
通过天线单元的按照本发明的受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式，改进无线电通信装置的作用范围和/或传输质量。
附加地，所述控制应用程序也可以选择性地设置在相应的相关区域中，其方式为：在受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中控制所述至少一个天线单元，使得仅沿一个相关的行驶方向发射信息。例如，在道路情况下仅沿对向交通的方向发射信息。
所述无线电通信装置可以设计使得例如给在1km内的所有后续车辆报告紧急制动、冰和滑水或者事故、施工场所或带有蓝闪光灯号的紧急任务用车的存在。
备选地或优选附加地，所述控制应用程序可以设置用于使得用户能够自主地在控制应用程序中或借助控制应用程序触发信息的传输。为此可能的应用情况是用于汽车驾驶员的一种数字警示服。例如，驾驶员可能基于其车辆或其它车辆的故障而停滞在高速公路或洲际公路的边缘上。此时，驾驶员可以利用适合的终端设备、例如其智能手机(上述控制应用程序之一在该智能手机上运行，该控制应用程序与车辆中的控制单元或相应的主应用程序连接)或者在主应用程序上触发以局部危险警告的形式向其它交通参与者传播该驾驶员的位置、方位和情况。因此，所述无线电通信装置类似作为“数字警示服”起作用。在此要使用的控制应用程序可以考虑驾驶员相对于道路和/或相对于车辆的位置和方位。因此，在高速公路或洲际公路上停滞的驾驶员可以借助其智能手机给所有接近的车辆报告其当前位置。因此可能的是，例如给其它驾驶员用信号传递“行人在高速公路上”的警告，因此，这些驾驶员能够适当地并且及时地例如以降低速度或变道进行反应。在一种特别的实施方式中，控制单元可以设置用于这样设计天线单元的按照本发明的受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式，使得仅在相关的行驶方向中的车辆可以接收警告信号。这例如在如下情况中是有意义的，即，对向交通基于中间边界而不对停留的或处于路边的车辆构成危险。在此，控制应用程序可以控制天线装置，使得在当前车道的区域中仅相反于当前的行驶方向发射信息。
地点确定单元和数字地图单元可以是处于车辆中的导航***的一部分。所述导航***可以固定集成到车辆中或者可以是例如处于智能手机中的可移动的导航***。数字地图单元也可以是经由数据无线电连接通过互联网可以访问的数据库。地点确定单元可以是处于驾驶员信息***或智能手机中的GPS模块。
本发明的第二方面涉及一种具有上述无线电通信装置之一的车辆。
第三方面涉及一种用于控制车辆中的天线单元使得该天线单元仅沿一个或多个确定的发射方向发射的方法。所述方法优选具有如下步骤：(a)确定车辆所处的当前地点；(b)基于当前地点借助数字地图查明一条道路或多条道路从当前地点出发沿何方向延伸；以及(c)控制天线单元，使得该天线单元的发射朝在车辆的当前地点处存在的道路走向定向。
当然，在此说明的方法可以根据无线电通信装置的上述实施方式来设计。
利用本发明不仅能够提高要传输的信息的作用范围，而且相应地改进在潜在的接收器中接收的无线电信号的信号质量。这在于将发送功率集中到相关的发送区域上。根据应用情况，在一定程度上利用电子装置延长同样装备有C2X通信装置的其它车辆的驾驶员的电子“视程”。因为其它交通参与者(这些交通参与者与相应的信息相关)借助扩大的作用范围和改进的信号质量因而能够更早地被警告确定的情况，所以能够避免事故并且总体上提高道路交通中的安全性。因此可以环境相关地给确定的区域提供信息，而不管是否有接收器并且不管有多少接收器处于这些接收区域中，并且也不管潜在的接收器在这些接收区域中准确地处于何处。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节由以下的说明得出，在所述说明中参考附图详细说明本发明的实施例。在此，在说明中提到的特征可以分别本身单独对本发明是重要的或以任意组合对本发明是重要的。同样地，上面提及的并且在此进一步阐述的特征可以分别单独使用或多个以任意组合使用。功能相似的或相同的构件或部件部分地设有相同的附图标记。在实施例的说明中所使用的概念“左”、“右”、“上”和“下”涉及以可正常阅读的图名或可正常阅读的附图标记来定向的各附图。示出的和说明的实施方式不可理解为穷举的，而是具有用于阐述本发明的示例性特性。详细的说明用于为本领域技术人员提供信息，因此在说明中不详细示出或阐述已知的电路、结构和方法，以便不使理解变得困难。
图1示出具有用于按照本发明的无线电通信装置的一种实施例的车辆的方框线路图。
图2形象地说明车辆天线单元的按照本发明的受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式的一种可能的应用示例，所述车辆被卷入到十字路口处的事故中。
具体实施方式
图1示出具有用于按照本发明的无线电通信装置的一种实施例的车辆1的方框线路图。示出的车辆10的无线电通信装置具有两个天线单元12和14，所述两个天线单元沿一个或多个方向的发射是可控制的。为此，天线单元12、14与用于控制这些天线单元12、14的发射特性的控制单元16连接。
控制单元16与控制应用程序18a和/或18b连接，所述控制应用程序设置用于在受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中控制天线单元12、14，使得天线单元12、14的发射被限制于在车辆10的当前地点处存在的道路走向。通过将发射的发送功率朝其它交通参与者实际可能所处的那些区域(道路)聚集，显著改进与接近车辆10的其它车辆的通信。
为了使发射的发送功率沿一个或多个发射方向聚集，天线单元12、14能被电调节。为此，天线单元12、14分别包括一个具有多个定向的单个天线12a、12b、12c或14a、14b、14c的阵列。为了调节发射方向，天线单元12、14能被物理地配置。在图1中示出的示例中，控制单元16设置用于控制在相应的天线单元中设置的用于相应的单个天线12a、12b、12c或14a、14b、14c的发送信号的相位调整的移相器、控制相应的用于各单个天线12a、12b、12c或14a、14b、14c之间的距离的调整装置、控制用于选择各单个天线12a、12b、12c或14a、14b、14c中的个别单个天线的装置以及控制用于各单个天线12a、12b、12c或14a、14b、14c的发送功率的调整装置。各单个天线12a、12b、12c或14a、14b、14c的发射特性为了波束成形可以被这样调节，使得对于发射的电磁波的整体产生期望的方向特性(参考图2中的示例)。波束成形是相互的，也就是说，由此同样改进车辆10的无线电通信装置的接收特性。
控制单元16具有用于与控制应用程序18a连接的接口20a。控制单元16可以经由接口18a通过相应的控制应用程序18a被环境相关地置于受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中。
为了控制单元16可以正确地控制相应的天线单元12、14的发射特性，控制应用程序18a与用于车辆10的当前地点和定向的确定单元22a并且与数字地图单元24a连接。在按照计算机***类型作为车辆10的主***的驾驶员信息***(FIS)30中执行以软件模块形式的控制应用程序18a。
此外在图1的实施例中，另外的控制应用程序18b在由车辆驾驶员携带的智能手机26上运行。智能手机26经由近距离无线电技术、例如WLAN、ZigBee、蓝牙等与在车辆10的FIS30中的作为主应用程序的控制应用程序18a连接。因此得出下面讨论的应用可能性。
控制应用程序18a设置用于利用无线电通信装置确定车辆10的地理位置(地点)和方位(定向)，因此可以环境相关地确定相对于车辆10的用于要传输的信息的“点对面”通信的一个或多个相关区域。基于关于车辆10的当前地点和定向的这些信息，控制应用程序18a经由接口20a与物理层、即无线电通信装置通信，以便传输用于环境相关地形成天线架构的发射特性(受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式)的控制信息。
首先，在此提出的改进的基本原理是，将天线单元12、14的发射限制于在车辆10的当前地点处存在的道路走向。也就是说，基于在当前地点处存在的交通基础设施和/或基于车辆10相对于所述交通基础设施的布置而应该仅沿相关空间方向(参考图2的26a、26b、26c、26d)进行发射。
控制应用程序18a或18b原则上可以设置用于在受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中控制天线单元12、14，使得仅沿对向交通的方向或备选地沿后续的交通的方向发射信息。控制单元16也可以设置用于例如在高速公路的情况下设计天线单元12、14的受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式，使得这样进行发射，使得仅在相关的行驶方向上的车辆可以接收局部危险警告。
关于受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式的环境相关性要注意以下内容。控制应用程序18a、18b设置用于探测如下情况，在所述情况中应该将信息(危险报告)传输给其它交通参与者。
例如，控制应用程序18a可以设置用于识别危险情况并且相应地将局部危险警告发送给其它交通参与者。这例如可以是对弄错方向的驾驶员、薄冰、滑水或施工场所等的警告。为了识别这样的危险情况，控制应用程序18a设置用于收集并且评价在车辆10中存在的数据(如ABS的响应或者说激活、车辆10的转向角、位置、方向和速度)，以便识别危险情况。
然后，局部危险警告可以利用无线电通信装置以无线电报告的形式例如作为C2X通信传送给其它交通参与者/车辆。通过天线单元12、14的按照本发明的受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式，改进无线电通信装置的作用范围和/或传输质量。
控制应用程序18a和18b也设置用于使得用户能够自主地在控制应用程序18a、18b中或借助控制应用程序触发信息的传输。
在一种实际应用情况中，例如在高速公路或洲际公路上(例如在故障时)停滞的驾驶员可以利用其具有控制应用程序18b(该控制应用程序与车辆10中的控制单元16或与作为主应用程序的控制应用程序18a连接)的智能手机26在“数字的警示服”的意义上将该驾驶员的位置、方位和情况传播给其它交通参与者。在此要使用的控制应用程序18b同样查明驾驶员相对于道路和/或相对于车辆10的位置和方位。为此例如使用在智能手机中存在的GPS定位模块。因此，在高速公路或洲际公路上停滞的驾驶员可以借助其智能手机26给所有接近的车辆报告其位置。因此可能的是，为其它驾驶员用信号传递“行人在高速公路上”的警告。接近的车辆的驾驶员然后可以采取适当的措施、例如及时降低速度或变道。
在至此所述的实施方式中，整个控制可以仅通过在智能手机26上的控制应用程序18b来实现。为此，智能手机26出于上述目的可以经由至互联网32的数据连接与能经由互联网达到的服务器的数字地图24b连接。
地点确定单元22a和数字地图单元24a可以是处于车辆10中的导航***的一部分，其中，导航***固定地集成到车辆10中。
在此介绍的无线电通信装置运行时，相应的控制应用程序18a或18b或者这两个控制应用程序18a和18b共同实施下列用于控制车辆10中的天线单元12和14使得该天线单元12和14仅沿一个或多个确定的发射方向发射的方法。在此，首先确定车辆10所处的当前地点。然后，基于当前地点借助数字的地图24b确定一条道路或多条道路从当前地点出发沿何方向延伸。根据这些查明的地理数据控制天线单元12和14，使得其发射朝在车辆10的当前地点处存在的道路走向定向。
图2形象地说明用于车辆10的天线单元12和14的按照本发明的受应用程序控制的地理-波束成形-运行模式的一种可能的应用示例。
车辆10已被卷入到在十字路口上与另一车辆2的事故中。用于信息“前方事故”的相关区域仅仅是相应的通向事故地点的行车道，其它车辆5、6、7可以在所述行车道上接近事故地点。在建筑区域G、树林W等中不必发送所述信息，因为其它车辆不可能从那里靠近。
相应地这样控制车辆10的天线单元12和14，使得仅沿方向26a、26b、26c、26d、即沿通向十字路口的各道路S进行发射，以便警告接近的车辆5、6、7。

Claims (9)

1.用于车辆(10)的无线电通信装置，所述无线电通信装置具有：至少一个天线单元(12、14)，所述至少一个天线单元沿一个或多个方向的发射是可控制的；以及与所述至少一个天线单元(12、14)连接的用于控制所述至少一个天线单元(12、14)的控制单元(16)；其中，所述控制单元(16)与控制应用程序(18a、18b)连接，所述控制应用程序(18a、18b)与用于车辆(10)的当前地点和定向的确定单元(22a、22b)并且与数字地图单元(24a、24b)连接，并且所述控制单元(16)设置用于在受控制应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中基于车辆的当前地点和定向以及数字地图单元的地理数据控制所述至少一个天线单元(12、14)，使得所述至少一个天线单元(12、14)的发射被限制于在车辆(10)的当前地点处存在的道路走向并且在点对面通信的意义上使得所述发射被限制于潜在的接收器可能所处的相关区域。
2.按照权利要求1所述的无线电通信装置，其特征在于，所述控制单元(16)具有用于与控制应用程序(18a、18b)连接的接口(20a，20b)，控制单元(16)能经由所述接口通过控制应用程序(18a、18b)被置于受控制应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中。
3.按照权利要求1或2所述的无线电通信装置，其特征在于，所述至少一个天线单元(12、14)的发射被限制于在车辆(10)的当前地点处存在的道路走向，使得基于在当前地点处存在的交通基础设施和/或基于车辆(10)相对于所述交通基础设施的布置而仅沿相关空间方向(26a、26b、26c、26d)进行发射。
4.按照权利要求3所述的无线电通信装置，其特征在于，所述控制应用程序(18a、18b)设置用于在受控制应用程序控制的地理-波束成形-运行模式中控制所述至少一个天线单元(12、14)，使得仅沿一个相关的行驶方向发射信息。
5.按照权利要求1、2或4所述的无线电通信装置，其特征在于，所述控制应用程序(18a、18b)设置用于探测如下情况，在所述情况中应该将信息传输给其它交通参与者。
6.按照权利要求1、2或4所述的无线电通信装置，其特征在于，所述控制应用程序(18a、18b)设置用于使得用户能够自主地在控制应用程序(18a、18b)中或借助控制应用程序来触发信息的传输。
7.按照权利要求1或2所述的无线电通信装置，其特征在于，所述确定单元(22a、22b)和数字地图单元(24a、24b)是处于车辆(10)中的导航***的一部分，其中，导航***固定地集成到车辆(10)中或者是可移动的导航***(26)。
8.车辆(10)，其具有按照权利要求1至7之一所述的无线电通信装置。
9.用于控制车辆(10)中的天线单元(12、14)使得该天线单元(12、14)仅沿一个或多个确定的发射方向发射的方法，其中，所述方法具有如下步骤：
确定车辆(10)所处的当前地点；
基于当前地点借助数字地图查明一条道路或多条道路从当前地点出发沿何方向延伸；
基于车辆的当前地点以及数字地图的地理数据控制天线单元(12、14)，使得所述天线单元的发射朝在车辆(10)的当前地点处存在的道路走向定向并且在点对面通信的意义上使得所述发射被限制于潜在的接收器可能所处的相关区域。
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