DE102018202461A1

DE102018202461A1 - Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals

Info

Publication number: DE102018202461A1
Application number: DE102018202461.8A
Authority: DE
Inventors: Henry Conrad
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2019-08-22
Also published as: WO2019158413A1

Abstract

Verfahren (100) zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals mit den Schritten:a. Empfangen (101) eines Prüfwerts (PRBS) über den Übertragungskanal;b. Ermitteln (102) der Kanaleigenschaft abhängig von dem empfangenen Prüfwert (PRBS).

Description

Stand der Technik
Vorrichtungen zur hochgenauen Positionsbestimmung basierend auf Positionsdaten von Globalen Navigations Satelliten Systemen (GNSS) angereichert mit Daten einer Inertialsensorik (IMU). Diese beiden Daten werden innerhalb der Vorrichtung fusioniert, um eine hochgenaue Positionsbestimmung, insbesondere in einem Fahrzeug, vorzugsweise zum zumindest teilweise automatisierten Betreiben eines Fahrzeugs, zu verwenden.
Dazu werden die durch die jeweiligen Sensoriken (GNSS-Antenne, GNSS - Receiver, Inertialsensoren) erfassten Rohdaten werden dabei über Übertragungskanäle, vorzugsweise digitale Übertragungskanäle zu einem Micro-Controller übertragen. Auf dem Micro-Controller findet die Positionsbestimmung mit Hilfe einer Software (High Precise Navigation Engine; HPNE) statt.
Ferner stellt die HPNE Ergänzungsdaten den jeweiligen Sensoriken zur Verfügung, um eine möglichst genaue Erfassung der Rohdaten zu ermöglich.
Für die Sicherheit der Anwendung spielen Bit Fehlerraten (Bit Error Rate; BER) eine zentrale Rolle. Durch den Einsatz von entsprechenden Fehlererkennungs- und Fehlerbeseitigungsmechanismen, wie bspw. CRC können Bitfehler erkannt bzw. korrigiert werden. Sicherheitsrelevant sind unerkannte Bitfehler. Die Wahrscheinlichkeit für das auftreten von unerkannten Bitfehlern ist abhängig von dem verwendeten CRC Polynom und der Bitfehlerrate des Übertragungskanals. Notwendig dafür ist die Sicherstellung, dass die verwendeten Übertragungskanäle eine BER unterhalb der maximalen Grenze zur Fehlererkennung aufweisen.
Durch zu hohe BER können notwendige Übertragungsgenauigkeiten bzw. Übertragungsgeschwindigkeiten nicht eingehalten werden.
Zum Nachweis des sicheren Betriebs ist die Kenntnis der BER des Übertragungskanals nötig.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird als ein erster Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals vorgeschlagen.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Empfangen eines Prüfwerts über den Übertragungskanal.
Ermitteln der Kanaleigenschaft abhängig von dem empfangenen Prüfwert.

Unter einem Prüfwert wird vorliegend eine Bitfolge verstanden, die eine bestimmte Zufälligkeit aufweist, um die Voraussetzungen des zu prüfenden Datenübertragungskanals zu reflektieren.
Typischerweise wirkt sich die gewünschte Übertragungsrate des Übertragungskanals auf die Länge des Prüfwerts aus. Grund hierfür ist es die Wiederholungsrate gering zu halten, um so realistische Situationen so gut als möglich zu reproduzieren.
Das Verfahren ermöglicht zur Entwicklungs-, zur Herstellungszeit bis hin zu jeder Inbetriebnahme oder regelmäßig während des Betriebs des Übertragungskanals die Bestimmung einer Kanaleigenschaft.
Anhand der bestimmten Kanaleigenschaft, kann im Folgenden entschieden werden, ob der Übertragungskanal die für den gewünschten Zweck geforderte Güte aufweist. So kann bspw. für eine Anwendung zur hochgenauen Positionsbestimmung ein besonders hohes Maß an die Güte angelegt werden, da bei Verfahren zum zumindest teilweise automatisierten Fahren die hochgenaue Positionsbestimmung sicherheitsrelevant ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es damit Sende- und Empfangseinheiten wie bspw. die jeweilige Sensorik, d.h. im Wesentlichen die Firmware des GNSS ASIC bzw. die HPNE, so zu gestalten, dass die genutzten Übertragungskanäle gesichert eine BER im vorgegebenen Umfang aufweisen, damit bspw. die hochgenaue Positionsbestimmung zuverlässig und sicher ermöglicht wird.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Schritt des Ermittelns der empfangene Prüfwert mit einem erwarteten Prüfwert verglichen, um Übertragungsfehler zu erkennen, wobei die Kanaleigenschaft abhängig von den erkannten Übertragungsfehlern ermittelt wird.
Diese Ausführungsform setzt voraus, dass Sender und Empfänger Kenntnisse über den genutzten Prüfwert haben oder austauschen.
Durch diese Ausführungsform ist es leicht Datenübertragungsfehler zu erkennen ohne zusätzliche Redundanz wie bspw. Prüfungssummen, wie bspw. zur Anwendung einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) anzuwenden.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Schritt des Empfangens zusätzlich eine Konfigurationsinformation empfangen, wobei dann im Schritt des Ermittelns der erwartete Prüfwert mittels der empfangenen Konfigurationsinformation bestimmt wird.
Mittels der Konfigurationsinformation kann auf Empfängerseite der erwartete Prüfwert bestimmt werden. Durch diese Ausführungsform erhöht sich die Flexibilität in der Anwendung des Verfahrens zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals.
Dieses Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Erzeugen eines Prüfwerts.

Versenden des Prüfwerts über den Übertragungskanal zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den Sender des Kommunikationssystems dessen Eigenschaften des Kommunikationskanals zu prüfen sind.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß dieses Aspekts des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird im Schritt des Versendens zusätzlich eine Konfigurationsinformation versendet.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass anhand der zusätzlich versendeten Konfigurationsinformation auf Empfängerseite der zu erwartende Prüfwert bestimmt werden kann. So ist es möglich mit wenig versendeter Zusatzinformation eine Überprüfung der Kanaleigenschaft zu ermöglich. Dies kann zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Überprüfung oder zur Erhöhung der Genauigkeit der Überprüfung beitragen.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß dieses Aspekts des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist der Prüfwert eine Sequenz und wird im Schritt des Versendens als invertierte Sequenz versendet.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass auch invertierende Datenkanäle bzw. invertierende Empfänger geprüft werden können. Insbesondere invertierende Datenkanäle bzw. differentielle Datenkanäle erhöhen die Übertragungssicherheit und verringern die Störanfälligkeit.
Nach einer Ausführungsform der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Prüfwert eine PRBS.
Eine PRBS ist ein binäres Pseudo Rauschen (Binary Pseudo Noise). Diese Sequenzen zeichnen sich durch ein geeignetes Maß an Zufälligkeit aus und weisen Autokorrelationseigenschaften auf, die es erlauben eine normale Kommunikation zu simulieren. Daher eignen sie sich in besonderem Maße, um die Eigenschaften bzw. die Anforderungen an einen Datenübertragungskanal zu überprüfen.
Ferner lassen sich PRBS auf einfache Art und Weise in Hardware mittels eines Schieberegisters mit entsprechender Rückkoppelung (Feedback) erzeugen.
Dadurch ist eine schnelle und ressourcenschonende Erzeugung möglich.
Nach einer Ausführungsform der Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kanaleigenschaft eine Bit Error Rate (BER).
Unter der Bit Error Rate (BER) wird vorliegend ein Wert verstanden, der die Anzahl der Bitfehler zwischen dem empfangenen Prüfwert und dem erwarteten Prüfwert wiedergibt. Die BER ist ein geeignetes Maß, um die Übertragungseigenschaften eines Übertragungskanals wiederzugeben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte der Ausführungsformen der Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gemäß der vorliegenden Erfindung gespeichert ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte der Ausführungsformen der Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Nachfolgend werden Einzelheiten und Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung einer Hardwarerealisierung eines PRBS Generators;
4 eine Darstellung eines Übertragungsrahmens für PRBS.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 100 gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Schritt 101 wird ein Prüfwert über den zu Übertragungskanal empfangen.
Unter einem Prüfwert wird vorliegend eine Bitfolge verstanden, die eine bestimmte Zufälligkeit aufweist, um die Voraussetzungen des zu prüfenden Datenübertragungskanals zu reflektieren.
Grundsätzlich kommt dabei als Prüfwert ein beliebiges Wort in Frage. Wichtig für die Ausführung des vorliegenden Verfahrens ist, dass der Empfänger das übertragende Prüfwort als erwartetes Prüfwort kennt und dadurch etwaige Übertragungsfehler, bei einer digitalen Übertragung Bit-Fehler, erkennen kann.
Typischerweise wirkt sich die gewünschte Übertragungsrate des Übertragungskanals auf die Länge des Prüfwerts aus. Grund hierfür ist es die Wiederholungsrate gering zu halten, um so realistische Situationen so gut als möglich zu reproduzieren.
Als vorteilhaft haben sich Pseudo Random Bit Sequences (PRBS) herausgestellt.
Abhängig von der Datenrate und der zu erreichenden Bit Error Rate, die der zu überprüfende Übertragungskanal aufweisen soll, sind PRBS entsprechender Länge zu wählen.

Die ITU-T Standards 0.150, 0.151, 0.152 und 0.153 schlagen unterschiedliche Art der PRBS vor, die auszugsweise in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben werden.

PRBS		Standard	Empfohlene Daten rate	Feedback Tap
Type	Name		[kbit/s]
2⁷-1	PRBS7			6^th + 7^th
2⁹-1	PRBS9	ITU-T 0.150/ 0.153	up to 14.4	5^th + 9^th
2¹¹-1	PRBS11	ITU-T 0.150/ 0.152 / 0.153	64, n*64 (n=1..31), 48 to 168	9^th + 11^th
2¹⁵-1	PRBS15	ITU-T 0.150/ 0.151	1544, 2048, 6312, 8448, 32064, 44736	14^th + 15^th
2²³-1	PRBS23	ITU-T 0.150/ 0.151	34368, 44736, 139264	18^th + 23^rd
2³¹-1	PRBS31	ITU-T 0.150		28^th + 31^st

Der Tabelle kann ferner entnommen werden, für welche Datenrate die Art der PRBS geeignet ist.

Ausgehend von diesen Daten kann eine gewünschte Bit Fehlerrate (BER) gewählt werden. Um die gewünschte BER zu prüfen, ist die gewählte Art der PRBS entsprechend oft zu übertragen. Eine Übersicht bzgl. eine BER ≤ 10^-9 kann der nachstehenden Tabelle entnommen werden.

PRBS		Sequenzlänge	BER für 1 Sequenz	Anzahl der Sequenzen für BER ≤ 10^-9
Typ	Name	[bits]	[1]	[1]
2⁹-1	PRBS9	511	1.957*10-3	1956948
2¹¹-1	PRBS11	2047	4.885*10-4	488520
2¹⁵-1	PRBS15	32767	3.052*10-5	30519
2²³-1	PRBS23	8388607	1.192*10-7	120
2³¹-1	PRBS31	2147483647	4.657*10-10	1

Unter der Annahme eines Übertragungskanals mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 5 Mbps kann der nachstehenden Tabelle die notwendige Zeit entnommen werden, um eine gewünschte BER nachzuweisen.

BER Messdauer

[1] [s] Einheit

2*10^-7 1

1*10^-8 2

1*10^-9 20 0.333 min

1*10^-10 200 3.333 min

1*10^-11 2000 0.556 h

1*10^-12 20000 5.556 h
In Schritt 102 wird die Kanaleigenschaft abhängig von dem empfangenen Prüfwert ermittelt.
Die Kanaleigenschaft wird anhand der Auswertung des empfangenen Prüfwerts bestimmt. Eine Eigenschaft ist dabei die Bit Fehlerrate (Bit Error Rate; BER), d.h. der Anteil an fehlerhaft übermittelten Bits.
Um eine echte Bit-Fehlermessung mittels PRBS durchzuführen, ist es auf Empfängerseite notwendig Kenntnis über die übermittelte und damit zu erwartende PRBS zu erlangen. Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass der Übertragungsrahmen, in dem die PRBS als Payload übertragen wird, eine Konfigurationsinformation aufweist. Diese kann bspw. durch eine n Byte langes Wort zur Konfiguration im Rahmen des Übertragungsrahmens erfolgen. Denkbar wäre auch die Konfigurationsinformation neben der PRBS im Payload des Übertragungsrahmens zu übermitteln
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 200 gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung In Schritt 201 wird ein Prüfwert erzeugt.
Wie bereits zum ersten Aspekt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, kommt zur Ermittlung der Kanaleigenschaft ein beliebiger Prüfwert in Frage.
Wird als Prüfwert eine PRBS verwendet, lassen sich diese vorteilhaft mittels einer einfachen Hardwareschaltung schnell und ressourcenschonend erzeugen.
In 3 wird eine beispielhafte Hardwareschaltung zur Erzeugung von PRBS erläutert.
In Schritt 202 wird der Prüfwert über den Übertragungskanal versendet, um eine Kanaleigenschaft des Übertragungskanals zu testen.
Die Übertragung kann mittels der in der digitalen Übertragungstechnik bekannten Verfahren erfolgen. Typische Standards innerhalb einer Fahrzeugkommunikationsinfrastruktur sind dabei Seriel Peripheral Interface (SPI), Peripheral Sensor Interface 5 (PSI5), CAN, FlexRay, Ethernet, etc.
Denkbar ist zudem die optische Übertragung bspw. mittels Lichtwellenleitern.
Denkbar sind dabei auch drahtlose Übertragungsmittel wie Funk, WLAN, Bluetooth, ZigBee, etc.
3 zeigt eine Darstellung einer Hardwarerealisierung eines PRBS Generators 30.
Der dargestellte Generator 30 basiert im Wesentlichen auf einem Schieberegister mit einer entsprechenden Rückkoppelung (Feedback). Ein Schieberegister kann mit entsprechenden Flip-Flops (FF1 ... FF9) realisiert werden. Zur Erzeugung einer PRBS wird dabei typischerweise das m-te, sowie das letzte Flipflop abgegriffen (taping) und über eine XOR-Schaltung dem Eingang des ersten Flip-Flops FF1 zugeführt. Der dargestellte PRBS Generator 30 zeigt ein Schieberegister mit 9 Flip-Flops FF1 ... FF9, wobei das 5. (m-te) Flip-Flop FF5 und das 9. (letzte) Flip-Flop FF9 abgegriffen werden und dem 1. Flip-Flop FF1 über eine XOR-Schaltung XOR zugeführt werden. Der dargestellte Generator 30 eignet sich somit zur Generierung von PRBS9 nach dem ITU-T Standard O.150/ 0.153.
Zum Initialisieren des Generators verfügen die Flip-Flops FF1 ... FF9 jeweils über einen Initialisierungseingang S (Set). Zur Initialisierung des Generators wird an die jeweiligen Eingänge des Generators S1 ... S9 der Initialwert (Seed) angelegt.
Zum Zurücksetzen (Reset) des Generators verfügen die Flip-Flops FF1 ... FF9 jeweils über einen Rücksetzeingang R (Reset). Diese sind mit einer Rücksetzleitung des Generators derart gekoppelt, dass beim Anlegen eines entsprechenden Signals an der Rücksetzleitung die Flip-Flops FF1 ... FF9 auf den jeweiligen Wert der Initialisierungseingänge S1 ... S9 zurückgesetzt werden. Es könnte bspw. ein Signal anlegt werden, dessen Pegel dem Wert „1“ für alle Sn entspricht.
Zum Erzeugen eines Prüfwerts wird der PRBS Generator initialisiert. Mit jedem Taktsignal (CLK) kann an dem Ausgang PRBS OUT eine Stelle der erzeugen Pseudo-Zufalls Bit-Folge (PRBS) abgegriffen werden und als nächste Stelle des Prüfwerts verwendet werden.
Ist ein Prüfwert der gewünschten Länge erzeugt kann der aktuelle Zustand des PRBS Generators gespeichert, insbesondere zwischengespeichert werden. Der gespeicherte Zustand des PRBS Generators kann als neuer Initialwert (Seed) für die Erzeugung des nächsten Prüfwerts herangezogen werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Übertragungsrahmens 40 zur Übertragung von Prüfwerten wie bspw. PRBS auf einem digitalen Übertragungskanal.
Der Rahmen 40 umfasst einen Header 41, eine Payload 42 und gestrichelt dargestellt eine optionale Checksumme 43. Der Header umfasst eine Rahmenkennung 411, eine Konfigurationsinformation 412 und einen Längenangabe 413, die die Länge des Payloads 42 angibt.
Die Konfigurationsinformation 412 kann neben dem Prüfwert auch Teil des Payloads 42 sein.
Die Konfigurationsinformation 412 kann nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, um auf Empfängerseite des Übertragungsrahmens 40 den zu erwartenden Prüfwert zu bestimmen und diesen dann mit dem empfangen Prüfwert abzugleichen, um so festzustellen, ob und wenn ja in welcher Höhe Bit-Fehler bei der Übertragung entstehen könnten bzw. entstanden sind.
Mittels der Checksumme 43 kann die Datenintegrität bei der Übertragung des Rahmens 40 bis zu einer bestimmten Grenze sichergestellt werden. Die Grenze ist dabei von der Rahmenlänge, des Anteils der Checksumme 43 und der Art der Anwendung der Checksumme abhängig. Gängig sind Checksummen für eine zyklische Redundanzprüfung, sog. CRC-Checksummen.
Für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung der Checksumme 43 nicht erforderlich. Liegt eine Checksumme 43 vor, so sollte diese nicht zur Fehlerkorrektur verwendet werden, da dadurch die Ermittlung der Kanaleigenschaft, insbesondere der Bit Error Rate (BER), verfälscht werden würde.

Claims

Verfahren (100) zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals mit den Schritten: a. Empfangen (101) eines Prüfwerts (PRBS) über den Übertragungskanal; b. Ermitteln (102) der Kanaleigenschaft abhängig von dem empfangenen Prüfwert (PRBS).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei im Schritt des Ermittelns (102) der empfangene Prüfwert (PRBS) mit einem erwarteten Prüfwert verglichen wird, um Übertragungsfehler zu erkennen, wobei die Kanaleigenschaft abhängig von den erkannten Übertragungsfehlern ermittelt (102) wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei im Schritt des Empfangens (101) zusätzlich eine Konfigurationsinformation (412) empfangen wird, wobei dann Schritt des Ermittelns (102) der erwartete Prüfwert mittels der empfangenen Konfigurationsinformation (412) bestimmt wird.
Verfahren (200) zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft eines Übertragungskanals mit den Schritten: a. Erzeugen (201) eines Prüfwerts (PRBS); b. Versenden (202) des Prüfwerts (PRBS) über den Übertragungskanal zur Bestimmung einer Kanaleigenschaft nach einem Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verfahren (200) nach Anspruch 4, wobei im Schritt des Versendens (202) zusätzlich eine Konfigurationsinformation (412) versendet wird.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der Prüfwert (PRBS) eine Sequenz ist und im Schritt des Versendens (202) als invertierte Sequenz versendet wird.
Verfahren (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prüfwert (PRBS) eine Pseudo Random Binary Sequentes, insbesondere nach ITU-T 0.150 und/oder 0.151 und/oder 0.152 und/oder 0.153 ist.
Verfahren (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanaleigenschaft eine Bit Error Rate (BER) ist.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahren (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.