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Seit vielen Jahren ist zu beobachten, dass die Verkehrsdichte, insbesondere in Ballungsgebieten stetig zunimmt. Infolge dieses anhaltenden Trends ist eine effiziente Verkehrssteuerung und Verkehrsverwaltung für den Straßen- und Schienenverkehr unerlässlich. Neben der bekannten Steuerung von Verkehrsströmen durch z.B. herkömmliche Ampeln oder Signale gewinnen Verkehrskommunikationssysteme, bei denen zur Verkehrsinfrastruktur gehörige Steueranlagen direkt mit einem jeweiligen Fahrzeug kommunizieren, zunehmend an Bedeutung. Diese Technik wird in der Fachwelt häufig als Vehicle-to-X-Communication, abgekürzt V2X, bezeichnet. Die im Verkehr installierten Verkehrskommunikationsstationen, z.B. eine zur Kommunikation mit Fahrzeugen fähige Ampel, werden hierbei häufig als Roadside-Units, abgekürzt RSU, und ihre Gegenstellen im Fahrzeug als Onboard-Units, abgekürzt OBU, bezeichnet. Die RSUs und die OBUs können z.B. Verkehrsinformation, Statusinformation und/oder Warnungen in Echtzeit übermitteln, um z.B. einen Fahrer frühzeitig über einen Stau oder kritische Situation zu informieren oder um seitens der RSU Verkehrsdaten zu erfassen und z.B. Ampelphasen an die aktuelle Verkehrssituation anzupassen. Ein weiteres Beispiel für eine solche V2X-Kommunikation ist die elektronische Erfassung von Straßenmaut mit über Autobahnen angebrachten RSUs die mit den OBUs der vorbeifahrenden Fahrzeuge kommunizieren.
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Üblicherweise sind RSUs, wie z.B. Ampeln oder Mauterfassungsstationen, normiert und werden fest an dafür vorgesehenen Stellen im Verkehr installiert. Da die möglichen Verkehrssituationen und spezifischen örtlichen Gegebenheiten, z.B. hinsichtlich Straßenführung, Bebauung, Funkabschattung etc. eine große Variationsbreite aufweisen, ist die Kommunikationsreichweite einer installierten RSU allerdings in vielen Fällen verringert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verkehrskommunikationsstation mit verbesserter Kommunikationsreichweite anzugeben. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Verkehrskommunikationsstation anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Verkehrskommunikationsstation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Verkehrskommunikationsstation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Die erfindungsgemäße Verkehrskommunikationsstation ist zur Kommunikation mit entsprechend ausgerüsteten Fahrzeugen, wie z.B. Straßenfahrzeugen, Kraftfahrzeugen, Fahrrädern oder Schienenfahrzeugen geeignet. Die Verkehrskommunikationsstation verfügt erfindungsgemäß über eine richtungssensitive Antenne, wie z.B. eine sog. Phased-Array-Antenne, ein Antennenarray oder eine andere Richtantenne sowie über eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von durch die Fahrzeuge gesendeten Funksignalen mittels der richtungssensitiven Antenne. Weiterhin weist die Verkehrskommunikationsstation eine mit der Empfangseinrichtung gekoppelte Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Verkehrstopologie der Fahrzeuge anhand der empfangenen Funksignale auf. Die Verkehrstopologie kann beispielsweise Information über die Straßen- oder Schienentopologie, Verkehrsrichtung, Entfernung der Fahrzeuge, Verkehrsfluss, Verkehrsdichte, Verkehrsgeschwindigkeit, allgemeine Verkehrsmuster oder andere räumliche Beziehungen oder Anordnungen der Fahrzeuge und der Verkehrsinfrastruktur umfassen. Insbesondere kann die Verkehrstopologie auch zeitabhängig sein. Darüber hinaus verfügt die Verkehrskommunikationsstation über eine mit der Erfassungseinrichtung und der richtungssensitiven Antenne gekoppelte Antennensteuerung zum dynamischen Ausrichten einer Richtcharakteristik der richtungssensitiven Antenne abhängig von der erfassten Verkehrstopologie.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verkehrskommunikationsstation werden von den Fahrzeugen gesendete Funksignale mittels der richtungssensitiven Antenne empfangen und die Verkehrstopologie anhand der empfangenen Funksignale erfasst. Die Richtcharakteristik der richtungssensitiven Antenne wird dann abhängig von der erfassten Verkehrstopologie dynamisch ausgerichtet.
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Die Richtcharakteristik, häufig auch als Antennencharakteristik bezeichnet, kann insbesondere derart ausgerichtet werden, dass eine oder mehrere Haupt- und/oder Nebenkeulen der richtungssensitiven Antenne auf die konkret und aktuell vorliegenden Verkehrsströme und/oder -Richtungen ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann sowohl die Empfangsreichweite als auch die Sendereichweite der richtungssensitiven Antenne erheblich erhöht werden. Dies erlaubt es, die Funkabdeckung auch in funktechnisch unübersichtlichem Gelände und bei wechselnden Verkehrssituationen dynamisch an die aktuell vorliegende Verkehrs- und/oder Umgebungssituation anzupassen. Die Anpassung kann automatisch während des Betriebs erfolgen, so dass der Einstellungsaufwand bei der Installation der Verkehrskommunikationsstation reduziert werden kann. Darüber hinaus kann aufgrund der Verbesserung der Funkabdeckung die Sendeleistung und damit der Energieverbrauch der Verkehrskommunikationsstation verringert werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Erfassungseinrichtung zur Auswertung einer durch ein jeweiliges Fahrzeug gesendeten Statusmeldung über einen Status des Fahrzeugs und/oder einer gesendeten Ortsinformation über einen Ort des Fahrzeugs eingerichtet sein. Die Erfassung der Verkehrstopologie kann dann abhängig von der ausgewerteten Statusmeldung und/oder Ortsinformation erfolgen.
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Die Ortsinformation kann beispielsweise die von einem GPS-Empfänger (GPS: Global Positioning System) des Fahrzeugs bestimmte Fahrzeugposition oder andere GPS-Daten umfassen. Aus den von den Fahrzeugen empfangenen Fahrzeugpositionen kann die Verkehrskommunikationsstation eine Karte der Verkehrstopologie, wie z.B. des Verkehrsflusses, der Verkehrsrichtung, der Verkehrsdichte, der Verkehrsgeschwindigkeit und/oder allgemeiner Verkehrsmuster erstellen. Die Ausrichtung der Richtcharakteristik der richtungssensitiven Antenne kann dann abhängig von der oder den erstellten Karten erfolgen.
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Die Statusmeldung kann Information über den aktuellen Status, wie z.B. Geschwindigkeit, Brems- oder Beschleunigungszustand des sendenden Fahrzeugs umfassen.
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Vorteilhafterweise kann die Verkehrskommunikationsstation ein Lernmodul zum Erfassen und Erkennen von Mustern in der erfassten Verkehrstopologie aufweisen. Als Muster können beispielsweise bestimmte Richtungs-, Dichte-, Geschwindigkeits- und/oder Durchflussmuster des Verkehrs erkannt, analysiert und/oder gelernt werden. Die Muster können vorzugsweise in ihrer zeitlichen Variation (z.B. Stoßzeiten / ruhige Zeiten, Wochentag / Wochenende) erfasst, analysiert und fortlaufend bei der Ausrichtung der Antenne berücksichtigt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Verkehrskommunikationsstation eine Sendeeinrichtung zum Senden von Funksignalen zu den Fahrzeugen aufweisen. Auf diese Weise können die Fahrzeuge durch die Verkehrskommunikationsstation abhängig von der aktuellen Verkehrssituation oder den darin erkannten Mustern gesteuert werden. Zu diesem Zweck kann in der Verkehrskommunikationsstation eine Verkehrssteuerung vorgesehen sein.
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Weiterhin können durch die Verkehrskommunikationsstation Funksignale zu einem Fahrzeug gesendet werden, wobei das Fahrzeug eine Güte der empfangenen Funksignale bestimmt und eine Rückmeldung über diese Güte zur Verkehrskommunikationsstation sendet. Die Richtcharakteristik der richtungssensitiven Antenne kann dann abhängig von der empfangenen Rückmeldung ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann die Verkehrskommunikationsstation die korrekte Ausrichtung bzw. die Funkabdeckung der richtungssensitiven Antenne verifizieren oder nachbessern. Dies ist insbesondere bei komplexen Verkehrsumgebungen, z.B. bei Funkabschattung durch Gebäude oder Bäume sehr vorteilhaft.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 eine Verkehrskommunikationsstation, und
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2–6 eine Straßeneinmündung mit installierter Verkehrskommunikationsstation in unterschiedlichen Betriebsphasen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Verkehrskommunikationsstation RSU schematisch dargestellt. Dies kann z.B. eine Verkehrsampel, ein Bahnsignal oder eine andere zur Kommunikation mit Fahrzeugen und/oder deren OBUs fähige Roadside-Unit im Kontext der V2X-Technologie sein. Für das vorliegende Ausführungsbespiel sei beispielhaft angenommen, dass die erfindungsgemäße Verkehrskommunikationsstation RSU als Verkehrsampel an einer Straßeneinmündung installiert ist.
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Die Verkehrskommunikationsstation RSU verfügt über eine richtungssensitive Antenne A, z.B. eine sog. Phased-Array-Antenne, ein Antennenarray oder eine andere Richtantenne. Die richtungssensitive Antenne A weist sowohl beim Senden als auch beim Empfangen von Funksignalen eine Richtwirkung auf, d.h. sie kann beim Senden ihre Sendeenergie und beim Empfangen ihre Empfangsempfindlichkeit in eine oder mehrere Raumrichtungen konzentrieren und auf diese Weise vorgebbare Funkabdeckungsmuster bilden. Bei Verwendung einer elektronischen Phased-Array-Antenne kann die Richtcharakteristik sogar ohne mechanische Bewegung der Antenne A in sehr flexibler Weise elektronisch gesteuert werden. Insbesondere können durch elektronische Steuerung auch mehrere Vorzugsrichtungen, sog. Haupt- oder Nebenkeulen, nahezu unabhängig voneinander dynamisch eingestellt werden und so auch komplexe Funkabdeckungsmuster, z.B. entlang von nicht rechtwinkligen Straßenverläufen realisiert werden.
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Weiterhin weist die Verkehrskommunikationsstation RSU einen Funksender TX als Sendeeinrichtung sowie einen Funkempfänger RX als Empfangseinrichtung auf, die jeweils mit der Antenne A gekoppelt sind. Der Funksender TX und der Funkempfänger RX dienen zum Austausch von Funksignalen mit am Verkehr teilnehmenden Fahrzeugen, wie z.B. Straßenfahrzeugen, Kraftfahrzeugen, Fahrrädern oder Schienenfahrzeugen. Darüber hinaus enthält die Verkehrskommunikationsstation RSU eine mit dem Funkempfänger RX gekoppelte Erfassungseinrichtung EE zum Erfassen einer Verkehrstopologie der Fahrzeuge anhand der von den Fahrzeugen empfangenen Funksignale. Die Verkehrskommunikationsstation RSU verfügt ferner über eine mit der Antenne A gekoppelte Antennensteuerung AS zum dynamischen Ausrichten der Richtcharakteristik der Antenne A abhängig von der erfassten Verkehrstopologie. So können z.B. anhand der erfassten Verkehrstopologie die Richtungen der Verkehrsströme bzw. der Straßenverlauf ermittelt werden und verschiedene Haupt- oder Nebenkeulen der Antenne A in die ermittelten Richtungen ausgerichtet werden.
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Die Erfassungseinrichtung EE umfasst ihrerseits ein Lernmodul LM zum Erfassen und Erkennen von Mustern in der erfassten Verkehrstopologie. Mittels des Lernmoduls LM kann die Verkehrskommunikationsstation RSU die Richtung und andere Parameter des oder der Verkehrsflüsse gewissermaßen lernen. Ferner weist die Erfassungseinrichtung EE ein mit dem Funksender TX sowie der Antennensteuerung AS gekoppeltes Anpassungsmodul AM zur Anpassung einer räumlichen, richtungsspezifischen und/oder zeitlichen Funkabdeckung der Antenne A an die erfasste Verkehrstopologie. Die Funkabdeckung kann vorzugsweise auf die gelernten Verkehrsflüsse ausgerichtet werden. Insbesondere kann das Anpassungsmodul AS die Sendeleistung des Funksenders TX richtungsspezifisch an die erfasste Verkehrstopologie anpassen.
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Die Verkehrskommunikationsstation RSU weist ferner eine mit der Erfassungseinrichtung EE gekoppelte Speichereinrichtung DB auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Datenbank realisiert ist. Die Datenbank DB dient zum Speichern einer von der Erfassungseinrichtung EE erstellten Karte MAP der Verkehrstopologie. Eine solche Datenbank oder eine darin gespeicherte Karte wird häufig auch als „neighbour table“ bezeichnet. Die Karte MAP kann mit Hilfe der gelernten Verkehrsflüsse erstellt werden. Sie enthält unter Anderem Information über den Straßenverlauf, hier z.B. eine Straßeneinmündung, über die Position der Verkehrskommunikationsstation RSU sowie über die Verkehrsflüsse und deren Dichte. In der in 1 skizzierten Karte MAP ist beispielhaft eine Straßeneinmündung angedeutet. Darin sind die Position der Verkehrskommunikationsstation RSU durch einen Kreis und die Verkehrsflüsse durch Pfeile veranschaulicht. Während die Richtung der Pfeile die Richtung der Verkehrsflüsse wiedergibt, kann ihre Länge z.B. den Verkehrsdurchsatz und/oder die Länge einer jeweiligen Warteschlange andeuten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel führt die Einmündung in zwei Spuren zur Querstraße hin und in einer Spur von ihr weg.
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Weiterhin verfügt die Verkehrskommunikationsstation RSU über eine mit der Erfassungseinrichtung EE sowie dem Funksender TX gekoppelte Verkehrssteuerung VS. Diese kann über eigene Rechenkapazität zur Analyse, Simulation und/oder Optimierung des Verkehrsflusses verfügen und/oder mit einem übergeordneten Verkehrssteuerungssystem (nicht dargestellt) gekoppelt sein, das eine übergeordnete Steuerung, Lenkung und/oder Optimierung des Verkehrsflusses erlaubt (z.B. eine „grüne Welle“). Die Verkehrssteuerung VS kann auch mit anderen RSUs und/oder OBUs von Fahrzeugen kommunizieren, um deren Verkehrs- und/oder Statusdaten zu analysieren und abhängig davon die Steuerung des Verkehrs zu optimieren.
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Die 2 bis 6 zeigen jeweils in schematischer Darstellung eine Straßeneinmündung in eine Querstraße mit installierter Verkehrskommunikationsstation RSU in unterschiedlichen Betriebsphasen. Beispielhaft führen auf der Einmündung zwei Fahrzeugspuren zur Querstraße hin und eine Fahrzeugspur von der Querstraße weg. Die Bewegungsrichtung der Fahrzeuge V, d.h. der Verkehrsfluss wird durch Pfeile veranschaulicht. (Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine beispielhafte Auswahl der Fahrzeuge V mit Bezugszeichen versehen.) Die aktuelle Funkabdeckung bzw. Richtcharakteristik der Antenne A der Verkehrskommunikationsstation RSU ist jeweils durch strichlierte Linien angedeutet.
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2 veranschaulicht eine erste Betriebsphase der Verkehrskommunikationsstation RSU. In dieser ersten Betriebsphase befindet sich die Verkehrskommunikationsstation RSU in einem Lernmodus und empfängt Funksignale von den in der Nähe befindlichen Fahrzeugen V. In diesem Lernmodus wird die Antenne A von der Antennensteuerung AS zunächst so angesteuert, dass ihre Funkabdeckung in einem wesentlichen Bereich der Ebene nahezu isotrop, d.h. richtungsunabhängig ist. Diese isotrope Funkabdeckung, bzw. Richtcharakteristik ist in 2 durch einen strichlierten Kreis angedeutet.
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Im Lernmodus empfängt die Verkehrskommunikationsstation RSU fortlaufend Statusmeldungen sowie Ortsinformation von den in der Nähe befindlichen Fahrzeugen V über deren Status bzw. Ort. Die empfangenen Meldungen werden von einem jeweiligen Fahrzeug V etwa alle 100 bis 500 ms gesendet. Aus den empfangenen Ortsinformationen werden die Trajektorien der Fahrzeuge V ermittelt und in der Datenbank DB gespeichert.
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Alternativ oder ergänzend kann der Ort, die Richtung und/oder die Trajektorie der Fahrzeuge V bestimmt werden, indem die Antenne A von der Antennensteuerung AS zumindest zeitweilig so angesteuert wird, dass sie eine ausgeprägte Richtwirkung ausbildet, so dass die Richtung der von einem jeweiligen Fahrzeug empfangenen Funksignale bestimmt werden kann.
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Anhand der ermittelten Trajektorien kann die Verkehrstopologie der Straßeneinmündung ermittelt werden, hier insbesondere der Straßen- bzw. Verkehrsverlauf sowie die Richtung und Geschwindigkeit der Verkehrsflüsse. Die Verkehrstopologie wird in der Karte MAP gespeichert.
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Die ermittelten Trajektorien der Fahrzeuge V sind in 3 durch längere Pfeile skizziert.
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Basierend auf der ermittelten Verkehrstopologie bestimmt die Verkehrskommunikationsstation RSU ein vorteilhaftes Funkabdeckungsmuster, das entlang des Straßenverläufe bzw. Verkehrsflüsse ausgerichtet ist, um so die Funkreichweite entlang der Straßen zu erhöhen. Durch die Antennensteuerung AS wird die Richtcharakteristik der Antenne A gemäß dem ermittelten Funkabdeckungsmuster eingestellt, wodurch die Verkehrskommunikationsstation RSU in eine zweite, durch 4 veranschaulichte Betriebsphase übergeht.
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Wie in 4 durch strichlierte Linien angedeutet, sind drei dominante Richtkeulen der Antenne A entlang der Straßen- bzw. Verkehrshauptrichtungen ausgerichtet und vergrößern auf diese Weise die Funkkommunikationsreichweite der Verkehrskommunikationsstation RSU in Richtung der Verkehrsflüsse.
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In einem weiteren Schritt kann die Funkabdeckung der Antenne A abhängig von einer ermittelten Verkehrsdichte konfiguriert werden. Zu diesem Zweck ermittelt die Verkehrskommunikationsstation RSU mittels des Lernmoduls LM anhand der erfassten Verkehrstopologie, ob und/oder in welcher Weise sich z.B. Fahrzeugwarteschlangen entlang der Straßen bilden. Abhängig davon kann die Richtcharakteristik der Antenne A durch die Antennensteuerung AS derart eingestellt werden, dass eine oder mehrere besonders ausgeprägte Richtkeulen auf Abschnitte mit besonders hoher Fahrzeugdichte ausgerichtet werden. Dies kann insbesondere zeitabhängig und dynamisch erfolgen.
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Eine derartige Ausrichtung ist in 5 skizziert. Die Hauptkeule der Antenne A zeigt in Richtung der einmündenden Straße, die die höchste Verkehrsdichte aufweist.
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Im Lernmodus kann die Funkabdeckung noch weiter anhand der fortlaufend ermittelten Verkehrstopologie optimiert werden. Die Verkehrskommunikationsstation RSU kann für eine vorbestimmte Zeit, z.B. eine Woche im Lernmodus verbleiben, um anschließend in einen Normalbetriebsmodus mit ausgerichteter Antenne überzugehen. Der Übergang vom Lernmodus in den Normalbetriebsmodus kann auch dadurch ausgelöst werden, dass festgestellt wird, dass sich die Verkehrstopologie nur noch geringfügig ändert. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Verkehrskommunikationsstation RSU vom Normalbetriebsmodus wieder in den Lernmodus übergeht, falls festgestellt wird, dass sich die Verkehrstopologie wesentlich ändert.
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Zu diesem Zweck aber auch unabhängig davon können Änderungen der Verkehrstopologie fortlaufend erfasst und ausgewertet werden. So können Unterschiede der Verkehrsflüsse während der Stoßzeiten und außerhalb davon oder unter der Woche und an Wochenenden jeweils straßen- und richtungsspezifisch erfasst und ausgewertet werden. Abhängig davon kann das Funkabdeckungsmuster dynamisch so ausgerichtet werden, dass möglichst viele Fahrzeuge per Funk erreicht und Funknachrichten von möglichst vielen Fahrzeugen empfangen werden können.
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Die Funkkommunikation zwischen Verkehrskommunikationsstation RSU und den Fahrzeugen V kann weiter verbessert werden, indem die Verkehrskommunikationsstation RSU von den Fahrzeugen V eine Rückmeldung über die Güte oder Feldstärke der von den Fahrzeugen V empfangenen Funksignale anfordert. Anhand dieser Rückmeldungen von den Fahrzeugen V kann die Verkehrskommunikationsstation RSU dann die Funkabdeckung verifizieren und/oder die Richtcharakteristik so modifizieren oder regeln, dass die tatsächliche Funkabdeckung einer Soll-Funkabdeckung möglichst nahekommt.
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6 veranschaulicht einen derartigen Rückmeldungsmechanismus. Wie durch einen verdickten, von der Verkehrskommunikationsstation RSU zum Fahrzeug V1 verlaufenden Pfeil angedeutet, sendet erstere die Anforderung einer Rückmeldung zum Fahrzeug V1. Das Fahrzeug V1 empfängt die Anforderung, misst die Feldstärke des Funksignals der empfangenen Anforderung und sendet eine Rückmeldung mit einem Messwert der Feldstärke, wie durch einen weiteren verdickten Pfeil angedeutet, zurück zur Verkehrskommunikationsstation RSU. Diese kann den empfangenen Messwert dann wie oben beschrieben nutzen.
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Durch die Rückmeldungen kann die Funkabdeckung besonders effektiv an tatsächlich vorliegende oder wechselnde Funkverhältnisse angepasst werden, z.B. an Funkabschattung durch Gebäude oder Bäume.