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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur komprimierten Datenübertragung in einem Fahrzeugnetzwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Dokument
DE 10 2016 113 038 A1 ist ein Fahrzeug mit mehreren Sensoren zur Erfassung von Daten, die den Status wenigstens eines Parameters des Fahrzeugs angeben, bekannt. Das Fahrzeug umfasst einen Speicher zum Ablegen der Daten der Sensoren sowie einen Prozessor, der für die Verarbeitung mindestens eines Teils der Daten in Metadaten eingerichtet ist. Eine oder mehrere Kommunikationsvorrichtungen sind dafür ausgelegt, eine Datenanfrage von einem fernen Server zu empfangen. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche dafür ausgelegt ist, Daten oder Metadaten auszuwählen, die geeignet sind, um die Anfrage zu beantworten, und die ferner dafür ausgelegt ist, die geeignete Kommunikationsvorrichtung zu identifizieren, mit der die Daten oder Metadaten zu senden sind, und auch die Übertragung der Daten zum fernen Server zu planen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur komprimierten Datenübertragung in einem Fahrzeugnetzwerk anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur komprimierten Datenübertragung in einem Fahrzeug-Netzwerk von einem Sender zu einem Empfänger werden die Daten vom Sender mittels eines Komprimierers komprimiert und vom Empfänger mittels eines Dekomprimierers dekomprimiert, wobei das Fahrzeug-Netzwerk eine Schichtenarchitektur nach dem Open Systems Interconnection (OSI) Referenzmodell aufweist. Bei Verfahren aus dem Stand der Technik wird nach dem Open Systems Interconnection (OSI) Referenzmodell eine Kompression beziehungsweise Dekompression für eine Übertragung in der sechsten Schicht oder Darstellungsschicht durchgeführt. Erfindungsgemäß komprimiert der Komprimierer die Daten in der Bitübertragungsschicht und/oder in der Sicherungsschicht des Senders. Der Dekomprimierer dekomprimiert die Daten erfindungsgemäß in der Bitübertragungsschicht und/oder in der Sicherungsschicht des Empfängers.
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Durch die Kompression beziehungsweise Dekompression der Daten in der Bitübertragungsschicht und/oder in der Sicherungsschicht wird erreicht, dass die Datenkompression transparent und somit unabhängig von der Applikation, die die Datenübertragung nutzt, vollzogen wird. Dadurch muss nicht für jede Applikation die Kompression und Dekompression realisiert werden und es kann die bereits bestehende Bandbreite in Fahrzeug-Netzwerken effizienter genutzt werden. Ferner können durch die effizientere Bandbreitennutzung bereits etablierte Übertragungstechnologien auch für künftige Systeme genutzt und somit Entwicklungsaufwände gespart und Projektkomplexität verringert werden. Ferner können durch die effizientere Bandbreitennutzung neue Übertragungstechnologien mit technisch beziehungsweise wirtschaftlich nur schwer realisierbaren Bandbreiten ermöglicht werden.
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Im Stand der Technik werden Transceiver in Form von Microchips im Fahrzeug für die Übertragung von Daten zwischen zwei Kommunikationspartnern verwendet. Der Stand der Technik in der Fertigung dieser Microchips erlaubt, hochkomplexe Integrierte Schaltkreise günstig zu realisieren. Diese Microchips decken im Fahrzeug für eine Übertragung von Daten die Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht des OSI Referenzmodels ab. Durch die Verschiebung der Kompression der Daten in die Bitübertragungsschicht und/oder in die Sicherungsschicht kann durch die mögliche Integration in die vorhandenen Tranceiver-Microchips eine günstige Realisierung der Kompression erreicht werden.
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Durch die mittels Kompression erzielte Reduktion der Redundanz in den über das Fahrzeug-Netzwerk übertragenen Daten wird zudem die Gleichstromfreiheit der Bitübertragungsschicht verbessert, wodurch weniger Ausgleichsbits benötigt werden. Dadurch wird die Übertragungseffizienz weiter verbessert.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Kompression aus einer Mehrzahl von Encodern ein Encoder anhand der Kompressionsrate ausgewählt, auf ein Signal zur Transformation in ein encodiertes Signal angewendet und ein komprimiertes Signal gebildet, welches das encodierte Signal und die Identifizierung des ausgewählten Encoders enthält. Die Mehrzahl von Encodern umfasst erfindungsgemäß auch einen direkten Signalpfad.
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Mit dieser Ausführungsform wird erreicht, dass bei Daten mit geringer Redundanz keine Kompression mit einer Kompressionsrate geringer als 1 vorgenommen wird. Dadurch wird eine Übertragungseffizienz verbessert.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden über das Fahrzeug-Netzwerk übertragene Ereignisse der Fahrzeugsteuerung erfasst und mit einer Liste vorbestimmter Ereignisse verglichen. Derartige Ereignisse der Fahrzeugsteuerung sind beispielsweise Fahrmanöver oder die Berechnung einer Fahrtroute.
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Typischerweise korreliert die Entropie der auf dem Fahrzeug-Netzwerk übertragenen Daten mit derartigen Ereignissen. Durch diese Ausführungsform wird somit erreicht, dass in Situationen, in denen übertragene Daten eine hohe Entropie, und somit mit aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Kompressionsmethoden eine geringe Aussicht auf eine hohe Kompressionsrate aufweisen, eine Kompressionsrate von größer als 1 erreicht werden kann.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Methode zur Sicherung der Datenintegrität in der Bitübertragungsschicht des Senders abhängig von der mittels des Komprimierers erzielten Kompressionsrate gesteuert. Dadurch kann der Overhead für die Sicherung der Datenintegrität beschränkt und somit die Übertragungseffizienz verbessert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Blockschaltbild für einen Komprimierer,
- 2 schematisch ein Blockschaltbild für einen Dekomprimierer sowie
- 3 schematisch einen Sender mit einem Komprimierer und einen Empfänger mit einem Dekomprimierer.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild für einen Komprimierer E für ein transparentes Kodierungsverfahren, mit dem ein eingehendes, ein zu diskreten Zeitpunkten n am Eingang IN gegebenes binäres Signal x(n) in ein am Ausgang OUT ausgehendes komprimiertes Signal x'(n) kodiert wird. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass jedes wertediskrete digitale Signal durch eine bijektive Binarisierung in ein binäres Signal x(n) transformiert werden kann. Somit ist das dargestellte Kodierungsverfahren auch für beliebige digitale Signale verwendbar.
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Das Kodierungsverfahren umfasst eine im Prinzip beliebige Anzahl von parallel geschalteten Encodern E0, E1, E2, Ed, welche eingangsseitig mit dem binären Signal x(n) versorgt werden.
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Genau einer dieser Encoder E0, E1, E2, Ed ist als direkter Signalpfad E0 ausgebildet, der das digitale Signal x(n) als ausgangsseitiges Signal x'0(n) = x(n) unverändert bereitstellt. Die übrigen Encoder E1, E2, Ed stellen ausgangsseitig jeweils ein encodiertes Signal x'1(n),x'2(n),x'd(n) bereit.
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Jeder Encoder E0, E1, E2, Ed setzt jeweils eine aktuelle Kompressionsrate r0(n),r1(n), r2(n),rd(n) um, die als Verhältnis der Bitlänge des eingangsseitigen Signals x(n) zur Bitlänge des encodierten Signals x'1(n),x'2(n),x'd(n) definiert ist. Die Kompressionsrate des direkten Signalpfads E0 ist definitionsgemäß r0(n) ≡ 1.
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Die Kompressionsraten r1(n),r2(n),rd(n) der übrigen encodierten Signale x'1(n),x'2(n),x'd(n) unterscheiden sich im Allgemeinen voneinander sowie zeitlich. Für redundanzfreie oder redundanzarme Signalabschnitte kann eine Kompressionsrate r1(n),r2(n),rd(n) den Wert 1 unterschreiten. Für solche Signalabschnitte kann es daher vorteilhaft sein, anstelle eines encodierten Signals x'1(n),x'2(n),x'd(n) das entlang des direkten Signalpfads E0 bereitgestellte unkomprimierte Signal x'0(n) = x(n) zu übertragen.
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Ein Kompressionsmultiplexer M ist mit dem Ausgang jedes Encoders E0 bis Ed verbunden und erhält somit encodierte Signale x'1(n),x'2(n),x'd(n) und, über den direkten Signalpfad E0, das eingehende Signal x(n) = x'0(n). Durch Vergleich der Signallängen ermittelt der Kompressionsmultiplexer M die von den Encodern E0 bis Ed aktuell jeweils erzielte Kompressionsrate r0(n),r1(n), r2(n),rd(n). Der Kompressionsmultiplexer M wählt dasjenige encodierte Signal x'0(n) = x(n),x'1(n),x'2(n),x'd(n) mit der höchsten Kompressionsrate r0(n),r1(n),r2(n),rd(n) aus und stellt das ausgewählte encodierte Signal x'0(n),x'1(n),x'2(n),x'd(n) sowie eine Information über den zugeordneten Encoder E0 bis Ed, beispielsweise als binarisierten Index i ∈ {0,1,2, ...d), am Ausgang OUT bereit.
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Durch den Kompressionsmultiplexer M wird eine besonders effiziente Kompression des eingehenden Signals x(n) erreicht. Somit können über einen Übertragungskanal mit begrenzter Übertragungskapazität mehr Informationen übertragen werden als mit Verfahren nach dem Stand der Technik. Dies ist besonders für den Einsatz in automotiven Netzwerken vorteilhaft, bei denen der Übertragungskanal als Medium mit begrenzter Bandbreite umgesetzt ist, über welches Daten von miteinander schwach oder nicht korrelierten Datenquellen übertragen werden.
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Im Folgenden werden der Aufbau eines Encoders sowie das Verfahren zur Signalencodierung am Beispiel des ersten und zweiten Encoders E1, E2 erläutert.
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Beim ersten Encoder E1 wird in einem ersten Schritt mittels eines Lauflängen-Encoders E1.1 aus dem eingehenden Signal x(n) ein lauflängenkodiertes Signal erzeugt und dadurch eine Redundanzreduktion bewirkt.
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In einem zweiten Schritt wird aus dem lauflängenkodierten Signal mittels eines Huffman-Encoders E1.2 ein huffmankodiertes Signal erzeugt. Huffman-Encoder, mit denen ein Quellsymbolalphabet mittels eines frequenzsortierten Binärbaums auf ein Codealphabet abgebildet wird, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Huffman-Encoder E1.2 kann als adaptiver Huffman-Encoder ausgebildet sein, bei welchem der frequenzsortierte Binärbaum fortlaufend angepasst wird. Durch den Huffman-Encoder wird eine Quellencodierung bewirkt.
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In einem dritten Schritt wird aus dem huffmankodierten Signal mittels eines Differenz-Encoders E1.3 in ein differenzkodiertes Signal transformiert. Verfahren zur Differenzkodierung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann ein differenzkodiertes Signal durch Exklusiv-Oder (XOR) Verknüpfung eines Signalwertes mit dem letzten ausgegebenen Signalwert gebildet werden. Weitere, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Bildung eines differenzkodierten Signals sind der differentielle Manchester-Code sowie der Non Return to Zero (NRZI) Code.
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Das differenzkodierte Signal wird als encodiertes Signal x'1(n) ausgangsseitig am ersten Encoder E1 bereitgestellt.
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Beim zweiten Encoder E2 wird in einem ersten Schritt mittels eines Lempel-Ziv-Storer-Szymanski-Encoders E2.1 aus dem eingehenden Signal x(n) ein substitutionskomprimiertes Signal erzeugt. Lempel-Ziv-Storer-Szymanski-Encoder E2.1 sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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In einem zweiten Schritt wird das substitutionskomprimierte Signal mittels eines Huffman-Encoders E2.2 in ein huffmankodiertes Signal transformiert, wie bereits am Beispiel des ersten Encoders E1 erläutert.
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In einem dritten Schritt wird das huffmankodierte Signal mittels eines Differenz-Encoders E2.3 in ein differenzkodiertes Signal transformiert, wie bereits am Beispiel des ersten Encoders E1 erläutert. Das differenzkodierte Signal wird als encodiertes Signal x'2(n) ausgangsseitig am zweiten Encoder E2 bereitgestellt.
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2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild für einen Dekomprimierer D für ein transparentes Dekodierungsverfahren. Am Eingang IN wird ein komprimiertes Signal x'(n) bereitgestellt, das mit einem Verfahren gemäß dem in 1 dargestellten Blockschaltbild aus einem binären Signal x(n) erzeugt wurde.
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Das Dekodierungsverfahren wird mittels eines Dekompressiondemultiplexer M' und mittels Decoder D0, D1, D2, Dd durchgeführt. Jeder Decoder D0, D1, D2, Dd ist genau einem Encoder E0, E1, E2, Ed des in 1 erläuterten Kodierungsverfahrens zugeordnet. Jeder Decoder D0, D1, D2, Dd ist so ausgebildet, dass er aus dem jeweiligen Ausgangssignal x'0(n),x'1(n),x'2(n),x'd(n) des zugeordneten Encoders E0, E1, E2, Ed das ursprüngliche, am Eingang dieses korrespondierenden Encoders E0, E1, E2, Ed bereitgestellte Signal x(n) wiederherstellt. Genau ein dem direkten Signalpfad E0 des Kodierungsverfahrens zugeordneter Decoder D0 ist somit als ebenfalls direkter Signalpfad ausgebildet.
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Das komprimierte Signal x'(n) wird an einen Dekompressiondemultiplexer M' geleitet. Der Dekompressiondemultiplexer M' entnimmt dem komprimierten Signal x'(n), mit welchem Encoder E0 bis Ed der aktuelle Signalabschnitt komprimiert wurde und leitet das komprimierte Signal x'(n) an genau einen hierzu korrespondierenden Decoder D0 bis Dd. Das am Ausgang dieses korrespondierenden Decoders D0 bis Dd bereitgestellte Signal stimmt mit dem ursprünglichen binären Signal x(n) überein. Somit ist das Dekodierverfahren zur Wiederherstellung des ursprünglichen binären Signals x(n) aus dem komprimierten Signal x'(n) geeignet.
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Im Folgenden werden der Aufbau eines Decoders sowie das Verfahren zur Signaldecodierung am Beispiel des ersten und zweiten Decoders D1, D2 erläutert.
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Beim ersten Decoder D1 wird mittels eines Differenz-Decoders D1.1 aus dem differenzkodierten Signal das huffmankodierte Signal wiederhergestellt. Anschließend wird mittels eines Huffman-Decoders D1.2 aus dem huffmankodierten Signal das lauflängenkodierte Signal wiederhergestellt.
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In analoger Weise wird beim zweiten Decoder D2 mittels eines Differenz-Decoders D2.1 sowie mittels eines Huffman-Decoders D2.2 das substitutionskomprimierte Signal wiederhergestellt.
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Mittels eines Lauflängen-Decoders D1.3 wird beim ersten Decoder D1 aus dem lauflängenkodierten Signal das ursprüngliche binäre Signal x(n) wiederhergestellt.
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Mittels eines Lempel-Ziv-Storer-Szymanski-Decoders D2.3 wird beim zweiten Decoder D2 aus dem substitutionskomprimierten Signal das ursprüngliche binäre Signal x(n) wiederhergestellt.
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3 zeigt schematisch einen Sender Tx, der über einen Übertragungskanal oder ein Medium C Daten an einen Empfänger Rx überträgt. Die Datenübertragung erfolgt nach einem Netzwerkprotokoll mit einer Schichtenarchitektur gemäß dem Open Systems Interconnection (OSI) Modell mit sieben Schichten L1 bis L7, wobei nur die erste Schicht L1 (Bitübertragungsschicht, Physical Layer) sowie die zweite Schicht L2 (Sicherungsschicht, Data Link Layer) im Detail dargestellt sind. Die darüber liegenden Schichten L3 bis L7 sind nur gemeinsam dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist ein Komprimierer E in der ersten Schicht L1 und/oder in der zweiten Schicht L2 bei dem Sender Tx angeordnet. Korrespondierend dazu ist ein Dekomprimierer D in der ersten Schicht L2 und/oder in der zweiten Schicht L2 bei dem Empfänger Rx angeordnet.
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Somit kann eine Methode zur Sicherung der Datenintegrität, die in der ersten Schicht L1 des Senders Tx und korrespondierend dazu in der ersten Schicht L1 des Empfängers Rx umgesetzt ist, abhängig von der durch den Komprimierer E erzielten Redundanzreduktion gesteuert werden. In der ersten Schicht L1 des OSI - Referenzmodells umsetzbare Methoden zur Sicherung der Datenintegrität, beispielsweise Vorwärtsfehlerkorrektur (forward error correction, FEC) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann ein Overhead für die Sicherung der Datenintegrität nur dann zu dem komprimierten Signal x'(n) hinzugefügt werden, wenn diese Sicherung aufgrund der Redundanz benötigt wird.
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Insbesondere wird durch die Redundanzreduktion für die Übertragung des komprimierten Signals x'(n) entlang des Mediums C eine geringere Bitfehlerrate benötigt. Als Nebeneffekt wird durch die Redundanzreduktion auch die Gleichstromfreiheit der ersten Schicht L1 verbessert. Dadurch werden weniger Ausgleichsbits benötigt und die Übertragungseffizienz damit weiter verbessert.
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Ein Vorteil der Anwendung dieses Verfahrens auf ein Medium C, welches Teil eines automotiven Netzwerkes ist, besteht darin, dass die bestehende Bandbreite dieses automotiven Netzwerks besser genutzt wird. Dies ermöglicht die Nutzung bereits etablierter Übertragungstechnologien in künftigen Entwicklungsprojekten und spart somit Entwicklungszeit und verringert die Komplexität von Entwicklungsprojekten und ermöglicht es, die heutigen technischen Limits für die maximale Bandbreite bei automotiven Übertragungssystemen zu erweitern.
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Bezugszeichenliste
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- C
- Übertragungskanal, Medium
- D
- Dekomprimierer
- D0
- Decoder, direkter Signalpfad
- D1, D2, Dd
- erster bis d-ter Decoder
- D1.2, D2.2
- Huffman-Decoder
- D1.1, D2.1
- Differenz-Decoder
- D1.3
- Lauflängen-Decoder
- D2.3
- Lempel-Ziv-Storer-Szymanski-Decoder
- E
- Komprimierer
- E0
- Encoder, direkter Signalpfad
- E1, E2, Ed
- erster bis d-ter Encoder
- E1.1
- Lauflängen-Encoder
- E1.2, E2.2
- Huffman-Encoder
- E1.3, E2.3
- Differenz-Encoder
- E2.1
- Lempel-Ziv-Storer-Szymanski-Encoder
- IN
- Eingang
- L1
- Bitübertragungsschicht
- L2
- Sicherungsschicht
- L3 bis L7
- Schicht
- M
- Kompressionsmultiplexer
- M'
- Dekompressionsdemultiplexer
- OUT
- Ausgang
- Rx
- Empfänger
- Tx
- Sender
- x(n)
- binäres Signal
- x'(n)
- komprimiertes Signal
- x'0(n),x'1(n),x'2(n),x'd(n)
- encodiertes Signal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016113038 A1 [0002]
