机动车车顶天线模块、机动车及运行车顶天线模块的方法

摘要

本发明涉及车顶天线模块(2)和用于运行车顶天线模块(2)的方法，通过车顶天线模块(2)的通信控制单元(26)车顶天线模块(2)的至少一个收发器(29)与车顶天线模块(2)的至少一个总线连接端(13)耦合，在所述至少一个收发器(29)与至少一个总线连接端(13)之间传输通信消息(46)。在此应阻止由外部操纵机动车(1)。本发明设定，通过通信控制单元(26)的过滤装置(50)将经由至少一个收发器(29)通过无线电由机动车(1)外部接收的、在经由至少一个总线连接端(13)连接的通信总线(15)的总线参与者(16)处寻址的控制指令(46’)仅当所述控制指令(46’)满足预定安全标准(51)时转发给所述至少一个总线连接端(13)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于设置在机动车车顶上的车顶天线模块。通过车顶天线模块提供至少一个带有相应天线的收发器和用于将车顶天线模块连接到机动车的相应的数字通信总线的至少一个总线连接端。至少一个收发器和至少一个总线连接端经由通信控制单元耦合，通信控制单元可以在至少一个收发器与至少一个总线连接端之间传输通信消息。本发明还包括具有车顶天线模块的机动车以及用于运行该车顶天线模块的方法。

背景技术

由现有技术已知的是，将微控制器集成到车顶天线模块中，以便在收发器与通信总线之间传输通信消息。由文献EP 1 903 632 A1为此已知一种天线模块，其具有多个收发器用于产生和接收移动无线电、WLAN(无线局域网)和蓝牙装置的无线电信号。作为总线连接端可以设有这样的用于CAN(控制器局域网络)、LIN(本地互联网络)或MOST总线(MOST-面向媒体的系统传输)的总线连接端。通信消息可以通过天线模块使用不同的多样性方法、例如时间和频率复用来传输。

由文献US 2010/020353 A1已知具有集成的微控制器的车顶天线模块。通过微控制器实现用于LAN(Local Area Network)的网络节点。此外，车顶天线模块可以具有无线电接收器以及已经描述的用于移动无线电和WLAN的收发器。最后也设有GPS接收器(GPS–全球定位系统)。

由文献DE 20 2014 003 956 U1已知用于车顶天线模块的壳体，其中可以集成有天线、收发器和微控制器。

能实现用于无线电信号的收发器与机动车的数字通信总线的直接耦合的车顶天线模块形成机动车运行的安全风险。如此例如可以设想的是，在机动车的行驶期间通过无线电发送用于触发紧急制动的控制指令给机动车并且将这些控制指令通过车顶天线模块馈入机动车的通信总线中并且由此实际上不必要地触发全制动。

尽管如此，将总线连接端集成到车顶天线模块中是有利的，因为由此可以降低用于传输高频信号的线路的布线成本。

发明内容

本发明的任务在于，在机动车中降低在通信总线与无线电信号收发器之间的布线成本，而不会由此危害在机动车运行中的安全性。

该任务通过独立权利要求的内容解决。本发明有利的改进通过从属权利要求、说明书以及附图给出。

通过本发明提供一种用于设置在机动车车顶上的车顶天线模块。通过已知的方式，该车顶天线模块具有：带有相应天线的至少一个收发器；以及用于将车顶天线模块连接到机动车的相应的数字通信总线的至少一个总线连接端。所述至少一个收发器经由通信单元与所述至少一个总线连接端耦合，所述通信单元设置为，在所述至少一个收发器与所述至少一个总线连接端之间传输通信消息。

为了在此防止：作为通信消息在至少一个通信总线中馈入不期望的或有害的控制指令，本发明设有如下保护。通信单元具有过滤装置/滤波装置，该过滤装置设置为，仅仅当控制指令满足预定安全标准时，将经由至少一个收发器通过无线电从机动车外部接收的、发送往至少一个通信总线的总线参与者处的、包含在所述通信消息中的控制指令转发给所述至少一个总线连接端。换言之，通过过滤装置如下过滤通信消息，即该通信消息是否包含应转发给至少一个总线连接端的控制指令。如果识别到这样的控制指令，那么如下检查该控制指令，即该控制指令是否满足安全标准。通过安全标准那么可以确定，究竟哪些控制指令可以通过无线电传输或到达机动车的至少一个通信总线。通信控制单元可以为此例如基于微处理器或微控制器实现。相应地，过滤装置可以实现为通信控制单元的程序模块。在本发明中，控制指令是命令，该命令控制或调节总线参与者的运行性能。作为总线参与者，在本发明中可理解为控制装置，其连接到至少一个通信总线并且可以经由至少一个通信总线接收控制指令，以便由控制指令执行或实现相应命令，亦即激活或解除相应功能。

通过本发明产生如下优点，即通过无线电接收的控制指令不能未经检查地到达机动车的至少一个通信总线。而不期望的控制指令通过过滤装置拦截。可以通过简单的方式通过确定安全标准进行设定哪些控制指令是不期望的。

在本发明中，收发器可理解为用于在用于天线的无线电频率与用于通信控制单元的基带频率之间转换信号的装置。换言之，通信消息作为无线电信号设有载频，其通过收发器在发出时产生或者在接收时又由收发器除去。总线连接端相比之下设定，在没有载频的情况下与机动车的其他总线参与者交换数字通信消息。作为总线连接端例如可以设有用于CAN、FlexRay总线、MOST总线或以太网的总线连接端。在本发明中，总线连接端包括不仅机械插接装置而且包括按照ISO/OSI通信模型(ISO-国际标准化组织，OSI-开放系统互联模型)的后置的物理层。

作为收发器例如可以设有用于移动无线电(GSM,UMTS,LTE)的收发器、用于WLAN通信(WiFi)的收发器、蓝牙收发器和/或用于车辆与车辆通信(按照Car-2-X标准)的收发器。作为收发器还可以是用于SDR(软件定义无线电)，例如DAB(数字音频广播)的接收器、例如用于DVB-T(地面数字视频广播)的视频接收器和/或用于FM无线电信号或AM无线电信号的接收器。

本发明也包括可选的扩展，通过其特征产生附加的优点。

一种扩展涉及安全标准的一个有利的设计方案。按照该扩展方案，所述安全标准包括：所述控制指令以预定的密钥加密。换言之，假如根据应用的秘钥识别到控制指令源自预定或允许的源头，那么控制指令才被转发给至少一个总线连接端。附加或备选地，所述安全标准包括：控制指令必须由之前登记的发送器产生。换言之，也可以独立于加密根据例如发送器地址检测：控制指令是否是允许的。附加或备选地，所述安全标准可以包括：控制指令仅仅包括来自预定数量的允许的控制命令中的至少一个控制命令。由此预先规定控制命令的数量，这些控制命令主要仅仅在至少一个通信总线中传输。附加或备选地，可以设定，所述安全标准包括：控制指令发送往预定的总线参与者处。换言之，不是每个任意总线参与者可以由机动车之外通过车顶天线模块寻址或驱控。

一种改进设定，将用于用户无关地提供与无线移动通信网的通信连接的SIM元件(用户识别模块)集成到所述车顶天线模块中。用户无关地在此表示：SIM元件固定安装在车顶天线模块中并且与用户和无线移动通信网的电话公司的用户协议无关地运行。通信控制单元设置为，通过该通信控制单元从机动车外部控制通信连接。由此产生如下优点，即例如安全标准可以由机动车之外例如通过机动车的制造商调节或改善或匹配。附加地可能的是，通过车顶天线模块实施机动车的遥控，例如传输用于通信控制单元或用于机动车的至少一个通信总线的另一总线参与者的运行软件到机动车中并且实施更新。

一种改进解决如下问题，即通过至少一个收发器与至少一个通信总线经由通信控制单元的耦合，一个总线参与者的通信消息到车辆外部的单元的传输由另一总线参与者到另一车辆外部的单元的通信消息影响或阻止或者降低其传输带宽或数据传输速率。这可能会导致：延迟或阻止对于机动车运行必要的通信消息的发出或接收，因为通信消息例如用于音乐接收或其他娱乐媒体耗尽了可用的带宽。该改进因此设定，车顶天线模块具有数据存储器，并且所述通信控制单元设置为，将在所述至少一个收发器与所述至少一个总线连接端之间要传输的通信数据中的至少一些在所述数据存储器中缓冲和/或将其按照预定优先规则进行传输。由此产生如下优点，即通信消息可以“暂时停放”亦即在数据存储器中暂存，以便优选在收发器与总线连接端之间传输其他通信消息。通过优先规则在此可以设定要优先的通信消息的选择。

一种改进解决如下问题，即各通信消息在不同通信总线中按照分别不同的通信标准传输，并且这些通信消息随后为了通过收发器按照一个通信标准的传输必须针对相应的无线电接口匹配。在该改进中设定，通信控制单元具有网关装置，其设置为，使得在所述至少一个收发器与所述至少一个总线连接端之间要传输的通信消息中的至少一些的格式匹配于预定通信标准。网关装置为此例如又可以设计为通信控制单元的程序模块。网关装置附加地也可以设计为，在两个总线连接端之间交换通信消息并且在此同样匹配于通信标准。网关装置为此可以具有用于相应的通信总线和/或通过相应的收发器的通信的相应的通信栈。例如通过网关装置能实现：按照CAN标准的通信消息(CAN消息)和按照以太网标准的相同的通信消息(亦即以太网数据包)相互转变或相互转换。

按照一种扩展方案设定，车顶天线模块设计为一件式构件。换言之，车顶天线模块的所述构件设置在唯一壳体中。由此车顶天线模块可以以少量安装步骤地设置或固定在机动车中。

在紧凑型的车顶天线模块中的缺点可以在于，车顶天线模块可能从其安装位置出发不是沿每个方向都有利地发射无线电信号。为此一种改进设定，提供至少一个天线连接装置用于相应地连接模块外部的辅助天线，其中所述至少一个天线连接装置分别直接与所述至少一个收发器或通信控制单元连接。通过天线连接装置产生如下优点，即例如辅助天线可以实现用于多样性发送方法和/或接收方法。另一优点在于，辅助天线例如在弯曲的车顶时借助于辅助天线也给由弯曲部屏蔽的区域供给发送信号或由该区域收取接收信号。

一种改进涉及车顶天线模块的一个实施形式，其中提供至少一个接收装置用于全球导航卫星系统(GNSS)的位置信号。例如可以作为接收装置设有GPS接收器。在该改进中，通信控制单元具有外插装置，外插装置设置为，在缺少所述位置信号时基于经由所述至少一个总线连接端从机动车的相应的通信总线接收的机动车的运行数据确定车辆位置并且将该车辆位置在所述至少一个总线连接端上提供。外插装置例如又可以实现为通信控制单元的程序模块。利用该外插装置有利地也可以对于如下情况——即正是不能接收GNSS的卫星信号的情况——确定车辆位置。为此例如可以作为运行数据使用机动车的里程数据，亦即例如车轮转速和/或方向盘位置。

一种改进方案防止在拒绝控制指令时过高的错误报警率。为此，更可靠地保护无线电传输路径免于干扰。这一点在该改进中如此实现，其方法是通信控制单元和/或至少一个收发器设置为，根据描述机动车环境的环境信号调节用于通信消息的错误编码和/或发送方法和/或接收方法。作为错误编码例如可以调节信道编码。发送方法和/或接收方法例如设定单个天线或两个天线的使用。典型的多天线方法是MIMO方法(MIMO-多输入多输出)。作为环境信号例如可以确定信噪比。另一环境信号例如可以是位置说明，其表明：机动车位于在自由天空下或者例如在隧道中或者在停车库中。另一环境信号可以是最近的车辆外部的发送装置和接收装置的相对位置或方向，如其例如可以在停车库中或在隧道中实现为WLAN路由器。通过该改进那么根据环境信号调节用于至少一个收发器的适应性编码以及方向有关的接收。

在一个改进中设定，通信控制单元具有诊断机构。该诊断机构同样又可以实现为用于通信控制单元的程序模块。诊断机构设置为，通过所述至少一个总线连接端和/或通过所述至少一个收发器分别发送诊断数据。所述诊断数据描述车顶天线模块的当前运行状态和/或在车顶天线模块的运行期间识别到的错误。通过诊断数据通过机动车中的至少一个总线连接端提供，在自诊断或借助于机动车中的诊断装置的诊断中可确定：车顶天线模块是否无故障地运行。诊断数据通过至少一个收发器的提供具有附加的优点，即远程诊断是可能的。

一种改进设定，车顶天线模块的电源件经由唤醒线与所述至少一个收发器连接并且设置为，在关断通信控制单元时通过所述至少一个收发器接收唤醒信号并且在接收到所述唤醒信号时接通所述通信控制单元。

对于设有多个收发器的情况，优选地在每个收发器与通信控制单元之间设置分离的信号路径。由此减小所谓的串扰，亦即收发器信号的相互影响。

另一优点通过收发器部件的模块式结构产生，通过此能实现：车顶天线模块能可选择地配备一个或多个收发器并且在此可以相互独立地提供收发器。

如上所述，本发明还包括一种机动车，其包括至少一个数字通信总线和连接在所述至少一个通信总线上的车顶天线模块，车顶天线模块是按照本发明的车顶天线模块的一个实施形式。机动车优选设计为汽车，特别是轿车。

最后，本发明还包括上述用于运行车顶天线模块的方法。通过通信控制单元在此将至少一个收发器与至少一个总线连接端耦合并且在所述至少一个收发器与所述至少一个总线连接端之间传输通信消息。仅仅当所述控制指令满足预定安全标准时，所述过滤装置才将经由至少一个收发器通过无线电从机动车外部接收的、发送王经由至少一个总线连接端连接的通信总线的总线参与者处的控制指令转发给所述至少一个总线连接端。安全标准可以包括上述条件。

本发明还包括按照本发明的方法的改进，这些改进具有如已经结合按照本发明的车顶天线模块所述的特征。出于该原因在此省去按照本发明的方法的相应改进的描述。

附图说明

在下文中描述本发明的一个实施例。其中：

图1示出按照本发明的车顶天线模块的一个实施形式的示意侧视图；以及

图2示出图1的车顶天线模块的电路图的示意图。

在下文中阐明的实施例是本发明的优选实施形式。在该实施例中，实施形式的所述构件分别是本发明的各个可相互独立考虑的特征，它们分别也相互独立地改进本发明并且由此也可以单个地或以不同于示出的组合地视为本发明的组成部分。此外，所述实施形式也可通过本发明的上述其它特征补充。

在附图中功能相同的元件分别设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出机动车1中的车顶天线模块2，车顶天线模块2可以安装在车顶3上。在车顶天线模块的壳体4中可以设置移动无线电天线5、两个近距离天线6、7以及GNSS接收天线8。壳体4可具有锤头的形状。天线5至8例如可以设置在电路板9上。电路板9的原理上的电路图在图2中示出。

电路板9可以具有屏蔽件10，通过屏蔽件10可以阻止天线5至8的天线信号辐射到车辆内部空间11中。电路板9可以通过连接插头或插座12与其余的机动车1连接。连接插座12可以设有总线连接端13以及用于供电的供电连接端14。车顶天线模块2经由总线连接端13可以与机动车的通信总线15连接。通信总线15可以是例如CAN总线或所述总线类型中的其他总线。在通信总线15上可以连接有另外的总线参与者16，另外的总线参与者16在图1中仅仅通过单个的元件代表。经由供电连接端14可以将车顶天线模块2例如与机动车1的车载电网17连接。车载电网17例如可以是12伏特车载电网。

另一连接插头或另一连接插座12可以例如设计为天线连接装置18，通过天线连接装置18可连接辅助天线19。在辅助天线19与天线连接装置18之间的连接可以通过同轴线缆20实现。另一连接插头或另一连接插座12可以是GNSS连接端21，经由GNSS连接端21可以将由GNSS接收天线8接收的位置信号22转发给娱乐系统(信息娱乐系统)或导航装置23。该连接也可以通过同轴线缆24提供。

图2示出：如何在车顶天线模块2中提供电源件25、通信控制单元26、数据存储器27、GNSS接收装置28以及用于天线5至7中的分别一个的收发器29。收发器29之一可以是移动无线电调制解调器30，另一收发器29可以是WAAN模块31，而另一收发器29可以是蓝牙模块32。模块31、32可以为了发送运行经由功率放大器(PA-Power Amplifier)33，而为了接收运行经由低噪音的放大器(LNA-Low Noise Amplifier)34与相应天线6、7交替连接。GNSS接收装置28可以经由分离器35与GNSS接收天线8耦合。借助于分离器35能实现：位置信号22不仅在GNSS接收装置28上，而且在可选择地GNSS输出端21上提供。在此，可以设有通过低噪音的放大器LNA36的放大。对于车辆位置37的外插可以设有外插装置38，其在缺少位置信号22的情况下也能基于机动车1的运行数据确定车辆位置37，运行数据可以通过总线连接端13接收。

总线连接端13在图2中以其ISO-OSI接收模型的所谓的物理层39(PHY)表示。

电源件25可以具有保护电路和/或过滤电路40，以便阻止来自车载电网17的干扰。此外可以设有用于电路板9的直流电源件41(DC/DC-主)。此外可以提供唤醒电路42(DC/DC-悬置/挂起)，其经由唤醒线43例如可以与蓝牙模块32耦合，以便可以通过车辆外部的唤醒信号44接通车顶天线模块2。这可以用于基于无线电解锁机动车1。

通信控制单元26可以例如基于微处理器或微控制器实现(CPU-中央处理单元)。运行软件45可以存储在闪存存储器中。数据存储器27相比之下可以是易失性数据存储器(RAM-随机存取存储器)。

通过车顶天线模块2总体上在机动车1与车辆外部的单元之间的基于无线电的通信是可能的，车辆外部的单元例如是智能电话、家庭网、公共无线移动通信网或其他机动车，其方法是相应的收发器硬件包括必要的天线和为此对于通信控制单元26必要的软件模块完全集成在车顶天线模块2中。通过提供具有总线连接端13的通信控制单元26，机动车中的车顶天线模块2表现如同具有到车辆-总线联网的直接连接端的独立的通信控制装置一样。通过网关装置46可以在基于无线电的标准通信服务与通信总线15的车辆自身的联网架构之间实现通信消息47的交换。车顶天线模块2的重要特征是所有通信无线电收发器模块包括所有必要的微控制器和车辆-总线连接电子装置(例如CAN和/或FlexRay和/或以太网)直接并且集中在车顶天线模块2中的完全集成，以及在车辆内部空间11中没有附加的高频线路或同轴线缆以及没有中间连接的另外的控制装置的情况下，实现在对于通信总线15的车辆联网必要的总线信号和消息中的无线电信号和通信数字无线电信号的直接转换。因此在该集成的车顶天线模块2中相应的软件处理可以聚集不同的无线电服务并且也可以按照优先规则47区分优先级并且集中处理。单个收发器29可以维持为装备选项并且因此实现用于不同结构级的模块化方案，这在车顶天线模块2量产的制造情况下产生成本优点。

装备选项由此可自由缩放并且仅仅需要分别期望的收发器半导体芯片以便实现相应的无线电接口。通过通信控制单元26在应用逻辑装置和控制器中产生通信控制单元26的集中处理。通过各个程序模块或任务的相应的软件调度可以通过通信控制单元26并行地实现多个功能。如此可以按照优先级规则27实现所述优先级区别并且借助于数据存储器27实现数据的调度和缓冲。在天线5与7之间以及借助于辅助天线19可以实现传送多样性。连接装置18在此可选择地设定，以便例如可以在大幅弯曲的车顶3的情况下提供分段的两个辅助天线19。在发送和接收时可以设有信号的适应性编码。借助于诊断机构48可以设有中央诊断，其中可以将不同运行状态划分为不若干诊断等级。通信控制单元26可以在此由于其连接到通信总线15也用于其他控制装置的诊断。通过无线电连接也可以实现用于更新运行软件25的中央软件闪存处理。通过所有构件完全设置在电路板9或多个设置在壳体4中的多个电路板上，能通过优化和匹配于最大缩放级的天线、EMV(电磁兼容性)、屏蔽和PCD(印刷电路板)布线方案实现不同无线电服务相互间耦合的最小化。由此确保所有无线电服务的共同使用性。可缩放性也可以关于使用的通信控制单元根据应用的必要的要求的资源进行。通过与全部收发器29和通信总线15的耦合，通过通信控制单元26能实现所有无线电服务的数据复用和通过数字通信总线15(CAN,FlexRay,MOST,Ethernet)在所有连接的数据接收器亦即总线参与者16(例如导航、娱乐中央计算机、eCall、通信、车辆跟踪、电话业务)上的分发。可选择地也可以在车顶天线模块2中通过SDR(软件定义无线电)的集成实现无线电接收，以便可以同样通过车顶天线模块2使用经典的广播接收服务，如DAB、DVB-T、FM无线电。可选择地是集成嵌入式的SIM49或可设置的eUlCC-SIM。对此备选地可以设有具有相应的转换逻辑装置的外部SIM读取机构。通过这样的外部的SIM读取机构那么可以通过用户自身的SIM卡经由中央车顶天线模块2通电话。

具体地优选设有以下收发器：具有IEEE802.11a/b/g/n/p/ac能力的WLAN收发器、蓝牙收发器、移动无线电调制解调器(LTE、LTE近距离服务、如LTE直接和M2M通信(M2M-机器到机器))、用于应用和管理的CPU、数据存储器以及闪存存储器、与通信总线15的连接、所述用于GNSS、WLAN(优选包括5.9GHz和Car2X标准)、蓝牙和移动无线电的天线。

另外的有利的构件是用于解耦和共同使用性的无线电频率前端——如其可以通过所述放大器33、34提供——，无线电频率组合器和无线电频率切换(无线电频率-RF无线电频率)、GNSS接收器、用于在通信控制单元26内传输通信消息46的通信栈、用于控制通信的相应的应用软件以及所述外插装置48。

为了在此防止：在通信总线15中作为通信消息46中之一通过无线电将不期望的控制指令46’传输给总线参与者16中之一，特别是设有过滤装置50，其可以包括防火墙功能和加密模块。由此在通信总线15内的通信与通过收发器29的无线电接口的通信解耦。通信消息46可以包含例如控制指令46’。此外也具有这样的通信消息，该通信消息不强制是控制指令46’，而是例如状态通知或状态消息。通过过滤装置50仅仅转发这样的控制指令46’并且优选还有其他通信消息46到通信总线15中，其分类为安全的，其中此外保存或提供用于过滤装置50的相应安全标准51。附加地可以设定，信息也仅仅在如下情况下从通信总线15转发到收发器29的无线电接口，即如果涉及如下信息(例如由机动车1发出的控制指令或状态通知)，该信息实际上也被允许离开机动车1。此外相应地可以进一步设计安全标准51。

总体上示出了如何能够通过本发明提供在车顶天线中带有控制装置的收发器的实施例。