EP1964322A1 - Verfahren, kommunikationssystem, multimedia-teilnehmer und gateway zum übertragen von im mpeg-format vorliegenden multimedia-daten - Google Patents

Verfahren, kommunikationssystem, multimedia-teilnehmer und gateway zum übertragen von im mpeg-format vorliegenden multimedia-daten

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Publication number
EP1964322A1
EP1964322A1 EP06830519A EP06830519A EP1964322A1 EP 1964322 A1 EP1964322 A1 EP 1964322A1 EP 06830519 A EP06830519 A EP 06830519A EP 06830519 A EP06830519 A EP 06830519A EP 1964322 A1 EP1964322 A1 EP 1964322A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
data
flexray
multimedia
mpeg
communication system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06830519A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Fuehrer
Martin Piastowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1964322A1 publication Critical patent/EP1964322A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L43/00—Arrangements for monitoring or testing data switching networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/407—Bus networks with decentralised control
    • H04L12/413—Bus networks with decentralised control with random access, e.g. carrier-sense multiple-access with collision detection [CSMA-CD]
    • H04L12/4135—Bus networks with decentralised control with random access, e.g. carrier-sense multiple-access with collision detection [CSMA-CD] using bit-wise arbitration
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40208—Bus networks characterized by the use of a particular bus standard
    • H04L2012/40241—Flexray
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40267—Bus for use in transportation systems
    • H04L2012/40273—Bus for use in transportation systems the transportation system being a vehicle

Definitions

  • the present invention relates to a method for transmitting multimedia data in the MPEG (Moving Picture Experts Group) format according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a communication system for transmitting MPEG-format multimedia data according to the preamble of claim 9.
  • the present invention also relates to a multimedia subscriber of a communication system for transmitting MPEG-format multimedia data according to the preamble of claim 11.
  • the subscriber may be formed as a multimedia source or as a multimedia receiver be.
  • the present invention also relates to a gateway for connecting a multimedia subscriber to a communication system for transmitting MPEG-format multimedia data according to the preamble of claim 15.
  • a gateway (gateway, interface) is arranged, as well as between the “fail safe” components of the system electronics and the “fail safe” components of the chassis electronics.
  • a firewall access protection system is arranged between the components of the chassis electronics and those of the consumer electronics.
  • the components of the system electronics and the chassis electronics are mainly covered by CAN (Controller Area Network) networking.
  • bus systems such as LIN (Local Interconnected Network) have also been established as sub-buses.
  • the multimedia equipment of motor vehicles has in recent years of a simple radio u. U. with a cassette or CD drive to a variety of sophisticated and sophisticated information systems developed. These must communicate and interact with each other and of course with the users of the information systems.
  • Today's vehicles have GPS navigation systems that can work in conjunction with a security system to determine the location of a stolen vehicle.
  • the safety of the occupants requires the driver to concentrate on controlling the vehicle rather than the intricacies of the individual components.
  • a vehicle phone must interact with the audio device to reduce the volume when a call is made.
  • Voice control and a speakerphone require a microphone that picks up the voice and digitizes it.
  • Display systems are required for outputting navigation information, DVD playback, and TV picture playback.
  • MOST multimedia fiber optic network optimized for automotive applications.
  • the MOST bus provides a means to develop the components independently and then network them together using standard hardware and / or software interfaces, ensuring digital interoperability. Additional components and features can be easily added as the MOST network provides the infrastructure for transferring information from one component to another. Motor vehicles are adjusted individually at the dealer to the wishes of the buyer and are not a predetermined list removed. Security is increased because the multimedia components have defined interfaces to interact with each other and can be easily operated via user interfaces.
  • the MOST bus supports data rates from 5.76 Mb / sec to 24 Mb / sec. It has established a parameterization that enables 21.17 Mbit / sec. The MOST standardization goes back to an initiative from the year 1997. At that time, the only common digital data source was the audio CD. Therefore, it was obvious to build the M OS T data structure so that CD audio channels can be optimally transmitted with the MOST network.
  • one block of the MOST frame structure comprises 16 data frames each. Each frame must contain synchronous data, but it can also contain asynchronous data. Synchronous data, which also includes audio and video streams, can be up to maximum
  • Audio CD is (when using 3 of the maximum 16 logical channels, which are transmitted by the time division multiplex method).
  • MPEG Motion Picture Experts Group
  • MPEG defines how digital audio and video data can be efficiently transported in a stream.
  • the main areas of application are the DVD (Digital Versatile Disk) and Digital Television (DVB) in Europe, ISDB, Integrated Services Digital Broadcasting in Japan, and ATSC, the Advanced Television Systems Committee, USA.
  • the MPEG transport stream is based on data frames of length 188 bytes. Each MPEG frame has a header of 4 bytes.
  • an MPEG2 transport stream consists of a string of many MPEG data frames. It is characteristic that it concerns a continuous data stream.
  • the communication between different subscribers of such a data transmission system takes place more and more via a bus system.
  • the communication traffic on the bus system, access and reception mechanisms, as well as error handling are regulated by a protocol.
  • a well-known protocol is, for example, the FlexRay protocol, which is currently based on the FlexRay protocol specification v2.1.
  • FlexRay is a fast, deterministic and fault-tolerant bus system, especially for use in motor vehicles.
  • the FlexRay protocol operates on the principle of Time Division Multiple Access (TDMA), whereby the subscribers or the messages to be transmitted are assigned fixed time slots in which they have exclusive access to the communication connection. The time slots are repeated in a fixed cycle, so that the time at which a message is transmitted over the bus, can be accurately predicted and the bus access is deterministic.
  • TDMA Time Division Multiple Access
  • FlexRay divides the cycle into a static and a dynamic part or into a static and a dynamic segment.
  • the fixed time slots are located in the static part at the beginning of a bus cycle.
  • the time slots are specified dynamically.
  • exclusive bus access is now only possible for a short time, for the duration of at least one so-called minislot. Only if a bus access occurs within a minislot, the time slot is extended by the time required for the access. Thus, bandwidth is only consumed when it is actually needed.
  • FlexRay communicates via one or two physically separate lines with a maximum data rate of 10 Mb / s. Of course, FlexRay can also be operated at lower data rates. The two channels correspond to the physical
  • the physical layer is designed such that it enables electrical or optical transmission of the signal or signals via the line (s) or a transmission in another way.
  • Synchronization messages are transmitted in the static part of the cycle for the synchronization of local clocks of the participants, whereby the local time of a subscriber is corrected by means of a special algorithm according to the FlexRay specification in such a way that all local clocks synchronously run to one global clock.
  • the encoded data rate for television pictures provides acceptable picture quality for screen sizes up to 40 inches (101.6 cm) screen size. In the automobile, however, much smaller displays are used. Typical sizes here are up to 10.4 inches (26.42 cm). On smaller screen sizes, coding artifacts disturb the human eye less than on large screens. Therefore, the data rate can be further reduced for automotive use, without it comes to perceptible to the human eye image interference.
  • a data rate of 2 Mbit / sec is realistic.
  • video sources in the car are at higher data rates than the actually required 2 Mbit / sec.
  • a DVD data source has peak data rates of up to 9 Mbps, digital terrestrial television transmits at 4 Mbps.
  • the semiconductor industry provides powerful chipsets that re-encode digital video data so that they can be transmitted at lower data rates in the vehicle. This reduces the demands on the bus systems in the vehicle. Table 1 shows typical data rates for multimedia applications.
  • the present invention has the object to reduce the number of different bus systems in a motor vehicle.
  • the MPEG multimedia data is transmitted via a FlexRay communication system according to the FlexRay protocol.
  • FlexRay protocol blocks include one
  • FlexRay communication controller (Communication Controller CC), a FlexRay bus driver (Busdriver BD) and optionally a FlexRay bus guardian (Busguardian BG).
  • FlexRay can transmit user data from 0 to 254 bytes in a data frame. The smaller the amount of payload, the lower the protocol efficiency. Since MPEG data packets have a frame length of 188 bytes, FlexRay is ideally suited for transmitting multimedia data in MPEG format. The transmission of an MPEG data stream via a FlexRay communication system is also referred to as "tunneling" of M P EG data packets via FlexRay data frames.
  • the application of the FlexRay protocol in combination with a practicable communication schedule (so-called schedule) for the transmission of MPEG- Data streams, for example when playing a DVD or when using digital television (DVB) has the advantage that a - at least in the future - in a motor vehicle anyway existing FlexRay bus system for the transmission of multimedia data between participants in the field of Consumer electronics can be used.
  • a separate direct cabling or an additional bus system for the transmission of multimedia data between the multimedia subscribers can thus be dispensed with.
  • the FlexRay bus system is much better suited for the transmission of MPEG-format multimedia data. This too is exploited in the present invention. According to the invention thus results in a
  • the invention makes the transmission of MPEG multimedia data much more efficient and therefore more resource-saving.
  • MPEG2 packets or M P EG2 data frames are tunnelled via FlexRay data frames (so-called frames), that is, copied in the ratio 1: 1 into the payload segment of the FlexRay data frames and transmitted via at least one communication link of the FlexRay communication system.
  • FlexRay data frames so-called frames
  • the data contents from the FlexRay data frames and thus also the MPEG2 packets from the payload area of the FlexRay data frames are unpacked and the multimedia data is fed to MPEG2 decoding.
  • the usual output of the multimedia data to the user in particular an acoustic and / or visual output via speakers and / or screens.
  • the communication system be designed as a FlexRay communication system.
  • the multimedia subscriber use a FlexRay communication controller for transmitting the multimedia data MPEG multimedia data according to the FlexRay protocol.
  • the FlexRay communications controller is used by multimedia senders to embed MPEG data frames into FlexRay data frames for transmission.
  • the FlexRay data frames are then applied by a bus driver (so-called bus driver) for data transmission to at least one communication connection of the FlexRay communication system.
  • the FlexRay communication controller is for extracting MPEG data frames from received FlexRay data frames.
  • the gateway provide means for transmitting multimedia data present in MPEG format to at least one other Subscriber of the communication system via the at least one communication link, wherein the means are formed as at least one FlexRay communication controller for transmitting the MPEG multimedia data according to the FlexRay protocol.
  • a gateway can be switched between conventional standard multimedia subscribers and the at least one communication link of the FlexRay communication system. Thanks to the gateway, the M P EG multimedia data packets provided by a multimedia source are arranged in the FlexRay data frame or in a payload data segment of the data frame, so that they can be accessed via the FlexRay protocol
  • FIG. 1 shows a communication system according to the invention for the transmission of
  • FIG. 2 shows the tunneling of MPEG2 data frames in a payload segment of a FlexRay data frame
  • FIG. 3 shows the structure of a FlexRay data frame
  • Figure 4 shows the structure of an MPEG2 data frame
  • FIG. 5 shows an M PEG data stream comprising a plurality of successively arranged M P EG data frames
  • FIG. 6 shows the MOST frame format.
  • MOST Media Oriented Systems Transport
  • the MOST frame format is shown in FIG.
  • the MOST bus supports data rates from 5.76 MbiVsec to 24 Mbil / sec. It has established a parameterization that allows 21.17 Mbil / sec. The MOST standardization goes back to an initiative from the year 1997. At that time, the only one in use was digital data source the audio CD. Therefore, it was obvious to build the MOST data structure so that CD audio channels can be optimally transmitted with the MOST data transmission system.
  • One block of the MOST frame structure consists of 16 data frames.
  • Each frame must contain synchronous data, but it can also contain asynchronous data.
  • Synchronous data which includes in particular audio and video streams, can be transmitted up to 60 bytes per frame.
  • the data transfer rate is a MOST communication system that is compatible with the audio CD (using 3 of the maximum available 16 channels).
  • this MOST frame format is well-suited for CD audio, it is of limited use for modern video data streams, in particular for multimedia data available in MPEG format.
  • a television picture with a resolution of 720 x 576 pixels requires a data transfer rate of 166 Mb / sec and can be compressed to 4 Mbit / sec using MPEG2 encoding.
  • the MPEG2 data consists of 188-byte packets or data frames with 4-byte headers and 184 bytes of user or video data. Such a data frame is shown by way of example in FIG.
  • An MPEG2 data stream comprises a plurality of such MPEG2 data frames in succession (see FIG. 5).
  • a repeating communication cycle includes a static segment and a dynamic segment, as well as other information (for example, Symbol Window (SW), Network Idle Time (NT)).
  • SW Symbol Window
  • NT Network Idle Time
  • time slots allocated to the various users of the communication system are of defined, fixed ones
  • the time slots are specified dynamically. This exclusive access to the FlexRay data bus is only for a short time, for the duration of at least one so-called minislot enabled. Only if a bus access occurs within a minislot, the time slot is extended to the time required for the access. Thus, bandwidth is only consumed in the dynamic segment when it is actually needed.
  • the fixed time slots and the dynamic time slots are basically the same.
  • the time slots comprise a waiting time (Idle Time) at the beginning and at the end of the time slot and a static or dynamic data frame in between. Such a FlexRay data frame is shown by way of example in detail in FIG.
  • header segment At the beginning of the data frame is provided a header segment (header segment), which has a total size of 40 bits.
  • the header segment comprises one bit (reserved bit) reserved for future expansion.
  • another Payload Preamble Indicator is provided which indicates the existence of vector information in the payload segment of the data frame. This is followed by another bit (zero frame indicator), which indicates whether the data frame in the payload data segment is equal to zero.
  • Another bit indicates the existence of a synchronization frame.
  • a last bit Start-Up Frame Indicator indicates whether the data frame transmitting party is the start-up node or not.
  • the header segment is followed by a payload segment, which is a payload segment
  • a communication system is designated in its entirety by the reference numeral 1.
  • the communication system comprises at least one communication connection 2, the so-called physical layer.
  • the communication link 2 may be formed as an electrically conductive line, as an optical waveguide, or even as a radio transmission link.
  • To the at least one communication link 2 more multimedia participants are connected.
  • a digital television signal receiver 3 and a DVD player 4 are exemplified as multimedia sources in the embodiment of Figure 1.
  • the receiver 3 receives digital television signals 6 received via an antenna 5 and converts them into multimedia data 7 in MPEG2 format.
  • the player 4 reads audio and / or video data from a DVD 8. If the audio and / or video data is not yet in MPEG2 format, the player 4 converts this data to the MPEG2 format. Otherwise, the read audio and / or video data can be forwarded directly as MPEG2 data 9.
  • Participants 3, 4, 10, 11 are conventional MPEG2 sources or MPEG2 receivers. So that the subscribers 3, 4, 10, 11 can transmit the MPEG2 data according to the FlexRay protocol via the communication link 2, the subscribers 3, 4, 10, 11 are not connected directly but via gateways 12 to the at least one communication link 2 ,
  • the gateways 12 are used to transfer the multimedia data received from the multimedia sources 3, 4 in MPEG2 format into the payload segment of the FlexRay system. Data frame (see Figure 3) use. This is done in particular by a FlexRay communication controller (CC) 13 provided in the gateways.
  • the FlexRay data frames with the MPEG2 packets contained therein are then forwarded to a bus driver (BD) 14, which is also provided in the gateways 12, and from there to the communication link 2 for
  • the arrows with the reference numeral 15 in FIG. 1 show the transmission of the FlexRay data frames via the at least one communication link 2 to the receiving subscribers 10, 11.
  • the receiving subscribers 10, 11 are also connected to the communication link 2 via gateways 12, which also include a FlexRay communication controller 13 and a bus driver 14.
  • the incoming FlexRay data frames 15 are received by the bus drivers 14 of the gateways 12 assigned to the receiving subscribers 10, 11 and forwarded to the FlexRay communication controller 13 for decoding.
  • the M P EG2 data packets are taken from the payload data segment of the FlexRay data frames 15.
  • the MPEG2 data packets 16 are forwarded to the receiving subscriber 10, 11 for further processing.
  • the further processing of the MPEG2 data packets comprises a decoding and / or an output of the contents of the data packets to a user, in particular in acoustic form via the loudspeaker 10 and / or in visual form via the screen 11.
  • the loudspeaker 10 and the screen 11 may also be connected to a common gateway 12, so that the audio and video data contained in the MP EG2 multimedia data stream can be output via the loudspeaker 10 and the screen 11.
  • the decoding of the M P EG2 data packets can take place either in the gateway 12 or in the receiving subscribers 10, 11.
  • FIG. 2 shows how an 188-byte MPEG2 data frame is inserted into the payload segment of a FlexRay data frame.
  • the size of the user data In order to achieve a particularly efficient and effective data transmission, the size of the user data
  • Segment is also set to 188 bytes according to the size of the MP EG2 data frame.
  • the refresh rate of the FlexRay data transfer cycle will be so selected that the MP EG2 data stream with the continuously incoming MPEG2 data frame in .... or can be transmitted so fast that a user of the receiving party 10, 11 can not perceive delays or jitter due to the data transmission over the communication link 2. It is conceivable that within a FlexRay data transmission cycle not only one time slot, but also several time slots and thus also several FlexRay data frames are provided for the transmission of the incoming MPEG2 data packets. Furthermore, it would be conceivable that the transmitting subscribers 3, 4 and optionally also the receiving subscribers 10, 11 with buffer memories for buffering the MPEG2 data packets 7, 9 or 16 to be transmitted or received.
  • the gateways 12 can also be assigned to their subscribers 3, 4, 10, 11, so that completely novel multimedia subscribers are created, which can process MP EG2 multimedia data and prepare it for data transmission via a FlexRay communication system 1.
  • the gateways 12 also a so-called Busguardian
  • Bus guardian which monitors the function of the bus driver 14 to prevent interference by a "bubbling idiot”.
  • a television picture with a resolution of 720 x 576 pixels requires a data rate of 166 Mb / sec and can be compressed to 4 Mb / sec using MPEG2 encoding.
  • the MPEG2 data consist of 188-byte packets with 4-byte header and 184 bytes of user or video data (see Figure 4). These packets are copied or converted 1: 1 into the payload data segment of a FlexRay data frame 15.
  • the payload data segment preferably has a size corresponding to the MPEG2 packets, in particular a size of 188 bytes. This means that all MPEG2 control data is preserved and the FlexRay data frame structure merely serves as a "tunnel" for the MPEG2 data stream.
  • Data frame is 5 ms, which consists of a static segment of 3 ms and a dynamic segment of 2 ms length.
  • the dynamic data frames have a maximum size of 254 bytes.
  • about 10 static time slots and about 6 dynamic time slots with 188 bytes are available, with frame overhead and precision consideration taken into account in principle.
  • the data volume In order to transport the encoded data frames for an M P EG2 data stream, the data volume must be converted to the 5ms FlexRay communication round and the number of FlexRay data frames must be determined.
  • a FlexRay data frame In the standard configuration, a FlexRay data frame is assigned to a timeslot and sent. In order to transmit 4 Mbit / sec, 20 kbitje communication rounds (5 ms) must be transported or 2500 bytes per communication round. With a FlexRay configuration of 188 bytes per FlexRay data frame, there are 13.3 data frames per communication round (5 ms). Thus, all static time slots and 4 dynamic time slots would be busy for this transmission of the MPEG2 data stream.
  • the bandwidth of the data transmission can be optimized in various ways. On the one hand, it is conceivable to use the FlexRay channels for splitting the bus load into 2 x 10 Mb / sec. On the other hand, it is conceivable to reduce the transmitted image information with still acceptable image quality for screens in the motor vehicle.
  • the first optimization proposal is based on the FlexRay protocol allowing the transmission of messages on two separate channels for security reasons. These channels can be used redundantly, but also in parallel, which means that in principle FlexRay also allows the transmission of two different ones
  • Example 2 the number of FlexRay data frames can be reduced by half. Together with the measures according to the first optimization procedure, the load is reduced to 3.3 FlexRay data frames per communication round (5 ms).
  • the messages (data frames) from the field of multimedia applications are integrated into the area of system electronics. This results in a simplification of the network topology within the vehicle.
  • the messages (data frames) from the field of multimedia applications are integrated into the FlexRay backbone, which also results in a simplification in the network topology.
  • the FlexRay message catalog is fully adapted (configured) to the needs of multimedia applications, in particular the MPEG2 data format, and thus achieves the highest performance for multimedia networking.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)
  • Communication Control (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten (7, 9) zwischen Multimedia-Teilnehmern (3, 4, 10, 11) eines Kommunikationssystems (1) über mindestens eine Kommunikationsverbindung (2) des Kommunikationssystems (1). Um die Übertragung der Multimedia-Daten möglichst effizient gestalten und die Anzahl der verschiedenen Kommunikationssysteme in einem Fahrzeug verringern zu können, wird vorgeschlagen, dass die MPEG-Multimedia-Daten (7, 9) über ein FlexRay-Kommunikationssystem (1) nach dem FlexRay-Protokoll übertragen werden. Dazu wird vorzugsweise die Größe von Nutzdaten-Segmenten von FlexRay-Datenrahmen (15) an die Größe von MPEG-Datenrahmen (7, 9) angepasst. Vorzugsweise wird das Nutzdaten-Segment eines FlexRay-Datenrahmens (15) gleich groß wie in MPEG-Datenrahmen (7, 9), insbesondere 188 Bytes groß, gewählt.

Description

Verfahren, Kommunikationssystem, Multimedia-Teilnehmer und Gateway zum Übertragen von im M P EG- Format vorliegenden Multimedia-Daten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von im MPEG (Moving Picture Experts Group)-Format vorliegenden Multimedia-Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Kommunikationssystem zum Übertragen von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Multimedia-Teilnehmer eines Kommunikationssystems zum Übertragen von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Der Teilnehmer kann als eine Multimedia-Quelle oder als ein Multimedia- Empfänger ausgebildet sein. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Gateway zum Anschluss eines Multimedia-Teilnehmers an ein Kommunikationssystem zum Übertragen von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia- Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Fahrzeugvernetzungen bzw. Netzarchitekturen bekannt. Üblicherweise wird nach Anwendungsdomänen unterschieden. Dies ist mit unterschiedlichen Anforderungen an die Datenraten, Paketgrößen, Latenzzeiten und Übertragungs-Jitter (Schwankungen in der Übertragungszeit) in den Kommunikationssystemen begründet. Die Anwendungsbereiche der Multimedia-Komponenten werden unterteilt in System- Elektronik ("System- Electronics"), Chassis- Elektronik ("Body- Electronics") und Konsumenten- Elektronik ("Consumer- Electronics"). Die System- Elektronik ist unterteilt in sog. "fail operational" (nach Ausfall der Komponente bleibt Funktionalität noch voll erhalten) und "fail safe" (nach Ausfall der Komponente Betrieb im Notlauf ohne Beeinträchtigung der anderen Komponenten). Die Chassis- Elektronik umfasst nur sog. "fail safe" Komponenten. Zwischen den "fail operational" Komponenten und den "fail safe" Komponenten der System- Elektronik ist ein Gateway (Netzübergang, Schnittstelle) angeordnet, ebenso zwischen den "fail safe" Komponenten der System- Elektronik und den "fail safe" Komponenten der Chassis- Elektronik. Zwischen den Komponenten der Chassis- Elektronik und denen der Konsumenten- Elektronik ist eine Firewall (Zugangsschutzsystem) angeordnet. Die Komponenten der System- Elektronik und der Chassis- Elektronik sind hauptsächlich durch CAN (Controller Area Network)- Vernetzung abgedeckt. Im Bereich der Chassis- Elektronik haben aber auch Bussysteme wie LIN (Local Interconnected Network) als Subbus etabliert.
Die Multimedia-Ausrüstung von Kraftfahrzeugen hat sich in den letzten Jahren von einem einfachen Radio u. U. mit einem Kassetten- oder CD-Laufwerk zu einer Vielzahl von anspruchsvollen und hochentwickelten Informationssystemen entwickelt. Diese müssen untereinander und natürlich mit den Benutzern der Informationssysteme kommunizieren und interagieren. Heutige Kraftfahrzeuge verfügen über GPS- Navigationssysteme, die in Verbindung mit einem Sicherheitssystem arbeiten können, um den Standort eines gestohlenen Fahrzeugs zu ermitteln. Die Sicherheit der Insassen macht es erforderlich, dass sich der Fahrer auf die Steuerung des Fahrzeugs konzentriert anstatt auf die Feinheiten der einzelnen Komponenten. Ein Fahrzeug- Telefon muss mit der Audio- Einrichtung interagieren, um die Lautstärke zu reduzieren, wenn ein Anruf getätigt wird. Sprachsteuerung und eine Freisprecheinrichtung erfordern ein Mikrofon, das die Sprache aufnimmt und digitalisiert. Anzeigesysteme sind erforderlich für die Ausgabe von Navigationsinformationen, die DVD-Wiedergabe und die Wiedergabe von Fernsehbildern.
Zur Bedienung müssen all diese Multimedia-Komponenten eine Schnittstelle zu dem
Fahrer aufweisen. Ton- und Bild-Informationen müssen in einer großen Auswahl von Formaten ausgegeben werden, um den Fahrer zu informieren und/oder die Mitfahrer zu unterhalten. Da die Informationen von unterschiedlichen Quellen kommen, müssen die Komponenten in der Lage sein, Informationen zu verwalten und zu verarbeiten, um sie sicher an den Benutzer ausgeben zu können.
Für die Komponenten der Konsumenten- Elektronik, insbesondere zur Übertragung von Multimedia- Daten, sind zur Zeit eine direkte Verkabelung, sowie MOST- Vernetzungen etabliert. Auch der Einsatz von Firewire als Multimediabus ist angedacht. Im Bereich der Konsumenten- Elektronik sind die Anforderungen an die Bandbreite sehr hoch. MOST ist ein Multimedia-Lichtwellenleiter-Netzwerk, das für Anwendungen in Kraftfahrzeugen optimiert ist. Durch den MOST-Bus wird eine Möglichkeit geschaffen, die Komponenten unabhängig voneinander zu entwickeln und dann mittels Standard- Hardware- und/oder Software-Schnittstellen miteinander zu vernetzen, wobei digitale InterOperabilität gewährleistet ist. Zusätzliche Komponenten und Funktionen können einfach hinzugefügt werden, da das MOST-Netzwerk die Infrastruktur zur Informationsübertragung von einer Komponente zu einer anderen zur Verfügung stellt. Kraftfahrzeuge werden gleich beim Händler an die Wünsche der Käufer individuell angepasst und sind nicht einer vorgebbaren Liste entnehmbar. Die Sicherheit wird erhöht, da die Multimedia- Komponenten definierte Schnittstellen aufweisen, um untereinander zu interagieren, und über Benutzer-Schnittstellen einfach bedient werden können.
Der MOST-Bus unterstützt Datenraten von 5,76 Mbil/sec bis zu 24 Mbil/sec. Etabliert hat sich eine Parametrisierung, die 21,17 Mbit/sec ermöglicht. Die MOST- Standardisierung geht auf eine Initiative aus dem Jahr 1997 zurück. Damals war die einzige gebräuchliche digitale Datenquelle die Audio-CD. Daher war es naheliegend, die M OS T- Datenstruktur so aufzubauen, dass CD-Audiokanäle optimal mit dem MOST- Netzwerk übertragen werden können. Somit umfasst ein Block der MOST- Rahmenstruktur umfasst jeweils 16 Datenrahmen. Jeder Rahmen muss synchrone Daten enthalten, er kann aber zusätzlich auch noch asynchrone Daten enthalten. An synchrone Daten, zu denen auch Audio- und Videoströme gehören, können maximal
60 Byte je Rahmen übertragen werden. Bei einer Rahmenwiederholrate von 44,1 kHz, die der CD-Abtastrate entspricht, ergibt sich eine Datenrate, die kompatibel für die Audio-CD ist (bei Nutzung von 3 der max. 16 logischen Kanäle, die nach dem Zeitmultiplexverfahren übertragen werden). Diese Rahmenformat ist für Audio-CDs zwar optimal, für moderne Video- Datenströme bspw. im MPEG (Moving Picture Experts Group)-Format jedoch schlecht geeignet.
Aktuelle Multimedia-Systeme basieren auf MPEG. MPEG definiert, wie digitale Audio- und Videodaten effizient in einem Datenstrom transportiert werden können. Hauptanwendungsgebiete sind die DVD (Digital Versatile Disk) und das digitale Fernsehen (DVB, Digital Video Broadcasting, in Europa; ISDB, Integrated Services Digital Broadcasting, in Japan; und ATSC, Advanced Television Systems Committee, in den USA). Der MPEG-Transportstrom basiert auf Datenrahmen der Länge 188 Byte. Jeder MPEG-Rahmen hat einen Header (Kopf) von 4 Byte. Zum Beispiel ein MPEG2- Transportstrom besteht aus einer Aneinanderreihung von vielen MPEG-Datenrahmen. Charakteristisch ist, dass es sich um einen kontinuierlichen Datenstrom handelt.
Beim Einsatz einer direkten Verkabelung zwischen den Multimedia-Komponenten entsteht ein erheblicher Verkabelungsaufwand. Der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Bussysteme in einer bestimmten Umgebung (Kraftfahrzeug, Maschinenbau, etc.) führt ebenfalls zu einem erheblichen Verkabelungsaufwand. Stückzahleneffekte (geringe Kosten, robuste und zuverlässige Fertigung) sind begrenzt, da für jedes Bussystem unterschiedliche Bauteile benötigt werden, z.B. CAN-Protokollbausteine mit zugehörigen Treiberbausteinen gegenüber MOST- Bausteinen mit spezifischen Treiberbausteinen. Darüber hinaus erfordert der Transport eines M P EG- Datenstroms über ein MOST-Bussystem zusätzlichen Aufwand und Systemressourcen, da die Datenrahmenformate von MOST und MPEG nicht kompatibel sind.
Die Vernetzung von Steuergeräten, Sensorik und Aktuatorik mit Hilfe eines Kommunikationssystems oder Datenübertragungssystems und einer Kommunikationsverbindung, bspw. in Form eines Bussystems, hat in den letzten Jahren in modernen Kraftfahrzeugen aber auch in anderen Bereichen, bspw. im
Maschinenbau, insbesondere im Werkzeugmaschinenbereich, und in der Automatisierung drastisch zugenommen. Synergieeffekte durch Verteilung von Funktionen auf mehrere Teilnehmer, bspw. Steuergeräte, des Kommunikationssystems können dabei erzielt werden. Man spricht hierbei von verteilten Systemen.
Die Kommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern eines solchen Datenübertragungssystems findet mehr und mehr über ein Bussystem statt. Der Kommunikationsverkehr auf dem Bussystem, Zugriffs- und Empfangsmechanismen, sowie Fehlerbehandlung werden über ein Protokoll geregelt. Ein bekanntes Protokoll ist beispielsweise das FlexRay-Protokoll, wobei derzeit die FlexRay- Protokollspezifikation v2.1 zu Grunde liegt. Bei FlexRay handelt es sich um ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das FlexRay-Protokoll arbeitet nach dem Prinzip des Time Division Multiple Access (TDMA), wobei den Teilnehmern bzw. den zu übertragenden Botschaften feste Zeitschlitze zugewiesen werden, in denen sie einen exklusiven Zugriff auf die Kommunikationsverbindung haben. Die Zeitschlitze wiederholen sich dabei in einem festgelegten Zyklus, so dass der Zeitpunkt, zu dem eine Botschaft über den Bus übertragen wird, exakt vorausgesagt werden kann und der Buszugriff deterministisch erfolgt.
Um die Bandbreite für die Übertragung von Botschaften auf dem Bussystem optimal zu nutzen, unterteilt FlexRay den Zyklus in einen statischen und einen dynamischen Teil bzw. in ein statisches und eine dynamisches Segment. Die festen Zeitschlitze befinden sich dabei im statischen Teil am Anfang eines Buszyklusses. Im dynamischen Teil werden die Zeitschlitze dynamisch vorgegeben. Darin wird nun der exklusive Buszugriff jeweils nur für eine kurze Zeit, für die Dauer mindestens eines sogenannten Minislots, ermöglicht. Nur wenn innerhalb eines Minislots ein Buszugriff erfolgt, wird der Zeitschlitz um die für den Zugriff benötigte Zeit verlängert. Damit wird Bandbreite also nur verbraucht, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird. Dabei kommuniziert FlexRay über eine oder zwei physikalisch getrennte Leitungen mit einer Datenrate von jeweils maximal 10 Mbil/sec. Selbstverständlich kann FlexRay aber auch mit niedrigeren Datenraten betrieben werden. Die beiden Kanäle entsprechen dabei der physikalischen
Schicht, insbesondere des sogenannten OSI (Open System Architecture) Schichtenmodells. Diese dienen hauptsächlich der redundanten und damit fehlertoleranten Übertragung von Botschaften, können jedoch auch unterschiedliche Botschaften übertragen, wodurch sich dann die Datenrate verdoppeln könnte. Es ist auch denkbar, dass sich das über die Verbindungsleitungen übertragene Signal aus der Differenz von über die beiden Leitungen übertragenen Signalen ergibt. Die physikalische Schicht ist derart ausgestaltet, dass sie eine elektrische aber auch optische Übertragung des oder der Signale über die Leitung(en) oder eine Übertragung auf anderem Wege ermöglicht.
Um synchrone Funktionen zu realisieren und die Bandbreite durch kleine Abstände zwischen zwei Botschaften zu optimieren, benötigen die Teilnehmer in dem
Kommunikationsnetzwerk eine gemeinsame Zeitbasis, die sogenannte globale Zeit. Für die Synchronisation von lokalen Uhren der Teilnehmer werden Synchronisationsnachrichten im statischen Teil des Zyklus übertragen, wobei mit Hilfe eines speziellen Algorithmus entsprechend der FlexRay-Spezifikation die lokale Uhrzeit eines Teilnehmers so korrigiert wird, dass alle lokalen Uhren zu einer globalen Uhr synchron laufen.
Die codierte Datenrate für Fernsehbilder liefert bei Bildschirmgrößen bis 40 Zoll (101,6 cm) Bildschirmdiagonale eine akzeptable Bildqualität. Im Automobil werden jedoch deutlich kleinere Displays eingesetzt. Typische Größen betragen hier bis 10,4 Zoll (26,42 cm). Auf kleineren Bildschirmgrößen stören Codierartefakte das menschliche Auge weniger als auf großen Bildschirmen. Daher kann für den automobilen Einsatz die Datenrate weiter reduziert werden, ohne dass es zu für das menschliche Auge wahrnehmbaren Bildstörungen kommt. Für Videoanwendungen ist eine Datenrate von 2 Mbit/sec realistisch. Videoquellen im Auto liegen jedoch mithöheren Datenraten an als die eigentlich benötigten 2 Mbit/sec. Eine DVD-Datenquelle hat Spitzendatenraten von bis zu 9 Mbil/sec, digitales terrestrisches Fernsehen wird mit 4 Mbit/sec übertragen. Die Halbleiterindustrie liefert leistungsfähige Chipsätze, die digitale Videodaten neu codieren, damit sie mit niedrigerer Datenrate im Fahrzeug übertragen werden können. Dadurch verringern sich die Anforderungen an die Bussysteme im Fahrzeug. Tabelle 1 zeigt typische Datenraten für Multimedia-Anwendungen.
Tabelle 1: Typische Datenraten für Multimedia-Anwendungen
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der unterschiedlichen Bussysteme in einem Kraftfahrzeug zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die MPEG-Multimedia-Daten über ein FlexRay- Kommunikationssystem nach dem FlexRay- Protokoll übertragen werden.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, das FlexRay- Protokoll und damit FlexRay- Protokollbausteine mit den spezifischen FlexRay-Treiberbausteinen zu nutzen, um M P EG- Datenströme zu übertragen. FlexRay- Protokollbausteine umfassen einen
FlexRay-Kommunikations-Controller (Communication Controller CC), einen FlexRay- Bustreiber (Busdriver BD) und wahlweise einen FlexRay- Buswächter (Busguardian BG). FlexRay kann in einem Datenrahmen Nutzdaten von 0 bis 254 Byte übertragen. Je kleiner die Nutzdaten-Menge, desto geringer ist die Protokolleffizienz. Da MPEG- Datenpakete eine Rahmenlänge von 188 Byte haben, ist FlexRay ideal geeignet, um Multimedia- Daten im MPEG-Format zu übertragen. Die Übertragung eines MPEG- Datenstroms über ein FlexRay-Kommunikationssystem wird auch als "Tunneling" von M P EG- Datenpaketen über FlexRay- Datenrahmen bezeichnet.
Die Anwendung des FlexRay-Protokolls in Kombination mit einem praxistauglichen Kommunikations-Ablaufplan (sogenanntes Schedule) zur Übertragung von MPEG- Datenströmen, zum Beispiel beim Abspielen einer DVD oder bei der Nutzung digitalen Fernsehens (DVB) hat den Vorteil, dass ein - zumindest in Zukunft - in einem Kraftfahrzeug sowieso vorhandenes FlexRay- Bussystem auch für die Übertragung von Multimedia- Daten zwischen Teilnehmern aus dem Bereich der Konsumenten- Elektronik genutzt werden kann. Auf eine gesonderte direkte Verkabelung oder ein zusätzliches Bussystem zur Übertragung der Multimedia- Daten zwischen den Multimedia- Teilnehmern kann somit verzichtet werden. Im Gegensatz zu den bekannten MOST- Bussystemen eignet sich das FlexRay- Bussystem wesentlich besser zur Übertragung von MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten. Auch dies wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt. Erfindungsgemäß ergibt sich also eine
Verringerung der Anzahl der unterschiedlichen Bussysteme in einem Kraftfahrzeug und damit eine deutliche Gewichts- und Kostenreduzierung. Des Weiteren wird durch die Erfindung die Übertragung von MPEG-Multimedia-Daten wesentlich effizienter und damit ressourcenschonender durchgeführt.
Vorzugsweise werden MPEG2-Pakete beziehungsweise M P EG2- Datenrahmen über FlexRay-Datenrahmen (sogenannte Frames) getunnelt, das heißt im Verhältnis 1:1 in das Nutzdaten-Segment der FlexRay-Datenrahmen kopiert und über mindestens eine Kommunikationsverbindung des FlexRay-Kommunikationssystems übertragen. Beim empfangenden Multimedia-Teilnehmer werden die Dateninhalte aus den FlexRay- Datenrahmen und damit auch die MPEG2-Pakete aus dem Nutzdaten- Bereich der FlexRay-Datenrahmen entpackt und die Multimedia- Daten der MPEG2-Dekodierung zugeführt. Danach erfolgt die gewohnte Ausgabe der Multimedia- Daten an den Benutzer, insbesondere eine akustische und/oder optische Ausgabe über Lautsprecher und/oder Bildschirme.
Gemäß einer weiteren Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einem Kommunikationssystem zum Übertragen von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia- Daten der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Kommunikationssystem als ein FlexRay-Kommunikationssystem ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wird also erstmals vorgeschlagen, MPEG-Multimedia-Daten in einem FlexRay-Kommunikationssystem nach dem FlexRay- Protokoll, beispielsweise gemäß der derzeit aktuellen FlexRay-Spezifikation v2.1 zu übertragen.
Als noch eine Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von einem Multimedia-Teilnehmer eines Kommunikationssystems zum Übertragen von im M P EG- Format vorliegenden Multimedia-Daten der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Multimedia-Teilnehmer einen FlexRay-Kommunikations- Controller zum Übertragen der MPEG-Multimedia-Daten nach dem FlexRay-Protokoll aufweist. Der FlexRay-Kommunikations-Controller dient bei sendenden Multimedia- Teilnehmern zum Einbetten von MPEG-Datenrahmen in zur Übertragung vorgesehene FlexRay-Datenrahmen. Die FlexRay-Datenrahmen werden dann von einem Bus- Treiber (sogenannter Busdriver) zur Datenübertragung an mindestens eine Kommunikationsverbindung des FlexRay-Kommunikationssystems angelegt. In einem empfangenden Multimedia-Teilnehmer dient der FlexRay-Kommunikations-Controller zum Entnehmen von MPEG-Datenrahmer aus empfangenen FlexRay-Datenrahmen.
Schließlich wird als Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ausgehend von einem Gateway zum Anschluss eines Multimedia-Teilnehmers an mindestens eine Kommunikationsverbindung eines Kommunikationssystems der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Gateway Mittel zum Übertragen von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia- Daten an mindestens einen weiteren Teilnehmer des Kommunikationssystems über die mindest eine Kommunikationsverbindung aufweist, wobei die Mittel als mindestens ein FlexRay-Kommunikations-Controller zum Übertragen der MPEG-Multimedia-Daten nach dem FlexRay-Protokoll ausgebildet sind. Ein solches Gateway kann zwischen herkömmliche Standard-Multimedia-Teilnehmer und die mindestens eine Kommunikationsverbindung des FlexRay- Kommunikationssystems geschaltet werden. Dank des Gateways werden die von einer Multimedia-Quelle zur Verfügung gestellten M P EG- Multimedia- Datenpakete in dem FlexRay-Datenrahmen beziehungsweise in einem Nutzdaten-Segment des Datenrahmens angeordnet, damit sie nach dem FlexRay-Protokoll über das
Kommunikationssystem übertragen werden können. Zeichnungen
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Den Figuren und der dazu gehörigen Figurenbeschreibung können weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung entnommen werden. Es zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem zur Übertragung von
M P EG- Multimedia- Daten nach dem FlexRay-Protokoll;
Figur 2 das Tunneln von MPEG2-Datenrahmen in einem Nutzdaten-Segment eines FlexRay-Datenrahmens;
Figur 3 den Aufbau eines FlexRay-Datenrahmens;
Figur 4 den Aufbau eines MPEG2-Datenrahmens;
Figur 5 einen M PEG- Datenstrom umfassend mehrere hintereinander angeordnete M P EG- Datenrahmen; und
Figur 6 das MOST- Rahmenformat.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Multimedia- Daten, insbesondere im
MPEG2-Format, von einer Multimedia-Quelle über eine Kommunikationsverbindung eines MOST (Media Oriented Systems Transport)-Kommunikationssystems an empfangende Multimedia-Teilnehmer, beispielsweise Lautsprecher und/oder Bildschirme, zu übertragen. Das MOST- Rahmenformat ist in Figur 6 dargestellt. Der MOST-Bus unterstützt Datenraten von 5,76 MbiVsec bis 24 Mbil/sec. Etabliert hat sich eine Parametrisierung, die 21,17 Mbil/sec ermöglicht. Die MOST-Standardisierung geht auf eine Initiative aus dem Jahr 1997 zurück. Damals war die einzige gebräuchliche digitale Datenquelle die Audio-CD. Daher war es nahe liegend, die MOST- Datenstruktur so aufzubauen, dass CD-Audio Kanäle optimal mit dem MOST- Datenübertragungssystem übertragen werden können. Ein Block der MOST- Rahmenstruktur besteht aus 16 Datenrahmen. Jeder Rahmen muss synchrone Daten enthalten, er kann aber zusätzlich auch noch asynchrone Daten enthalten. An synchrone Daten, zu denen insbesondere auch Audio- und Videoströme gehören, können maximal 60 Bytes je Rahmen übertragen werden. Bei einer Rahmenwiederholrate von 41,1 kHz, die der CD-Abtastrate entspricht, ergibt sich eine Datenübertragungsrate über ein MOST-Kommunikationssystem, die kompatibel für die Audio-CD ist (bei Nutzung von 3 der maximal verfügbaren 16 Kanäle). Dieses MOST- Rahmenformat ist für CD-Audio zwar gut geeignet, für moderne Videodatenströme, insbesondere für in MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten, jedoch nur beschränkt geeignet.
Ein Fernsehbild mit einer Auflösung von 720 x 576 Bildpunkten erfordert beispielsweise eine Datenübertragungsrate von 166 Mbil/sec und kann mit Hilfe von MPEG2- Codierung auf 4 Mbit/sec komprimiert werden. Die MPEG2-Daten bestehen dabei aus 188 Bytes großen Paketen beziehungsweise Datenrahmen mit 4 Byte Header und 184 Byte Nutz- beziehungsweise Videodaten. Ein solcher Datenrahmen ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt. Ein MPEG2-Datenstrom umfasst mehrere solcher MPEG2- Datenrahmen hintereinander (vergleiche Figur 5).
Insbesondere zur Übertragung sicherheitsrelevanter und sicherheitskritischer Daten ist aus dem Stand der Technik ein FlexRay-Kommunikationssystem bekannt. Bei einer Datenübertragung nach dem FlexRay-Protokoll, beispielsweise gemäß der FlexRay-
Spezifikation v2.1, werden die Daten zyklisch übertragen. Ein sich wiederholender Kommunikationszyklus umfasst ein statisches Segment und ein dynamisches Segment sowie weitere Informationen (zum Beispiel Symbol Window (SW), Network IdIe Time (NT)). In dem statischen Segment sind den verschiedenen Teilnehmern des Kommunikationssystems zugeordnete Zeitschlitze von definierter, fest vorgegebener
Länge vorgesehen. In dem dynamischen Segment werden die Zeitschlitze dynamisch vorgegeben. Darin wird der exklusive Zugriff auf den FlexRay-Datenbus jeweils nur für eine kurze Zeit, für die Dauer mindestens eines sogenannten Minislots, ermöglicht. Nur wenn innerhalb eines Minislots ein Buszugriff erfolgt, wird der Zeitschlitz auf die für den Zugriff benötigte Zeit verlängert. Damit wird in dem dynamischen Segment Bandbreite also nur verbraucht, wenn sie tatsächlich benötigt wird. Die festen Zeitschlitze und die dynamischen Zeitschlitze sind vom Prinzip her gleich aufgebaut. Die Zeitschlitze umfassen zu Beginn und am Ende des Zeitschlitzes eine Wartezeit (IdIe Time) und dazwischen einen statischen beziehungsweise dynamischen Datenrahmen. Ein solcher FlexRay-Datenrahmen ist beispielhaft im Detail in Figur 3 dargestellt.
Zu Beginn des Datenrahmens ist ein Kopfsegment (Header Segment) vorgesehen, das eine Größe von insgesamt 40 Bit aufweist. Das Header Segment umfasst ein Bit (Reserved Bit), das für zukünftige Erweiterungen reserviert ist. Danach ist ein weiteres Bit (Payload Preamble Indicator) vorgesehen, das die Existenz von Vektorinformationen in dem Nutzdaten-Segment (Payload Segment) des Datenrahmens anzeigt. Danach folgt ein weiteres Bit (Null Frame Indicator), das anzeigt, ob der Datenrahmen in dem Nutzdaten-Segment gleich Null ist. Ein weiteres Bit (Sync Frame Indicator) zeigt die Existenz eines Snychronisations- Datenrahmens an. Ein letztes Bit (Start-Up Frame Indicator) zeigt an, ob der einen Datenrahmen sendende Teilnehmer der Anfangsteilnehmer (Start-Up Node) ist oder nicht. Daran schließt sich eine Identifikation des Datenrahmens (Frame ID) von 11 Bit Länge an, die jedem der Teilnehmer des Kommunikationssystems zugeordnet ist (gültiger Bereich: 1 bis 2047). Daran schließen sich 7 Bit (Length) an, welche die Datenlänge des Nutzdaten-Segments angeben. Anschließend folgen 11 Bit (Header-CRC (cyclic redundancy check)), welche die ermittelten CRC-Werte der Bits "Sync Frame Indicator", "Start-Up Frame Indicator", "Frame-ID" und "Length" angibt, die von einem
Host-Rechner des sendenden Teilnehmers berechnet wurden. Am Ende des Header Segments sind 6 Bit (Cycle Count) vorgesehen, welche den Zyklus des Teilnehmers, der den Datenrahmen während der Datenübertragungszeit überträgt, zählen.
Nach dem Header Segment folgt ein Nutzdaten-Segment (Payload Segment), das eine
Größe von 0 bis 254 Bytes umfasst. In Abhängigkeit von der zu übertragenden Datenmenge und der Datenübertragungsrate kann die Größe des Payload Segments im Vorfeld der eigentlichen Datenübertragung frei gewählt werden. Am Ende des Datenrahmens ist ein 24 Bit langes Abschlusssegment (Trailer Segment) vorgesehen, welches berechnete CRC-Werte umfasst. Insgesamt hat ein FlexRay-Datenrahmen also eine Größe von 5 Byte + 0 bis 254 Bytes + 3 Bytes = 8 bis 262 Bytes.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Kommunikationssystem umfasst mindestens eine Kommunikationsverbindung 2, den sogenannten Physical Layer. Die Kommunikationsverbindung 2 kann als eine elektrisch leitfähige Leitung, als ein optischer Wellenleiter oder sogar als eine Funkübertragungsstrecke ausgebildet sein. An die mindestens eine Kommunikationsverbindung 2 sind mehrere Multimedia- Teilnehmer angeschlossen. Als Teilnehmer sind in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 1 beispielhaft als Multimedia-Quellen ein digitaler Fernsehsignalempfänger 3 und ein DVD-Abspielgerät 4 dargestellt. Der Empfänger 3 empfängt über eine Antenne 5 empfangene digitale Fernsehsignale 6 und wandelt diese in Multimedia-Daten 7 im MPEG2-Format um. Das Abspielgerät 4 liest Audio- und/oder Videodaten von einer DVD 8 ein. Falls die Audio- und/oder Video-Daten noch nicht im MPEG2-Format sind, wandelt das Abspielgerät 4 diese Daten in das MPEG2-Format um. Ansonsten können die eingelesenen Audio- und/oder Video-Daten direkt als MPEG2-Daten 9 weitergeleitet werden.
Darüber hinaus sind in dem in Figur 1 dargestellten Kommunikationssystem 1 weitere Teilnehmer in Form von Multimedia- Empfänger als ein Lautsprecher 10 und ein Bildschirm 11 an die Kommunikationsverbindung 2 angeschlossen.
Bei den Teilnehmern 3, 4, 10, 11 handelt es sich um herkömmliche MPEG2-Quellen beziehungsweise MPEG2-Empfänger. Damit die Teilnehmer 3, 4, 10, 11 die MPEG2- Daten nach dem FlexRay-Protokoll über die Kommunikationsverbindung 2 übertragen können, sind die Teilnehmer 3, 4, 10, 11 nicht direkt, sondern über Gateways 12 an die mindestens eine Kommunikationsverbindung 2 angeschlossen. Die Gateways 12 dienen dazu, die von den Multimedia-Quellen 3, 4 empfangenen Multimedia-Daten im MPEG2-Format in das Nutzdaten-Segment (Payload Segment) der FlexRay- Datenrahmen (vergleiche Figur 3) einzusetzen. Dies wird insbesondere von einem in den Gateways vorgesehenen FlexRay-Kommunikations-Controller (CC) 13 gemacht. Die FlexRay-Datenrahmen mit den darin enthaltenen MPEG2-Paketen werden dann an einen Bustreiber (BD) 14, der ebenfalls in den Gateways 12 vorgesehen ist, weitergeleitet und von diesem an die Kommunikationsverbindung 2 zur
Datenübertragung angelegt. Die Pfeile mit dem Bezugszeichen 15 in Figur 1 zeigen die Übertragung der FlexRay-Datenrahmen über die mindestens eine Kommunikationsverbindung 2 bis zu den empfangenden Teilnehmern 10, 11.
Auch die empfangenden Teilnehmer 10, 11 sind über Gateways 12, die ebenfalls einen FlexRay-Kommunikations-Controller 13 und einen Bustreiber 14 umfassen, an die Kommunikationsverbindung 2 angeschlossen. Die ankommenden FlexRay- Datenrahmen 15 werden von den Bustreibern 14 der den empfangenden Teilnehmern 10, 11 zugeordneten Gateways 12 empfangen und zur Decodierung an den FlexRay- Kommunikations-Controller 13 weitergeleitet. Dort werden die M P EG2- Datenpakete aus dem Nutzdaten-Segment der FlexRay-Datenrahmen 15 entnommen. Die MPEG2- Datenpakete 16 werden zur Weiterverarbeitung an den empfangenden Teilnehmer 10, 11 weitergeleitet. Die Weiterverarbeitung der MPEG2-Datenpakete umfasst eine Decodierung und/oder eine Ausgabe des Inhalts der Datenpakete an einen Benutzer, insbesondere in akustischer Form über den Lautsprecher 10 und/oder in visueller Form über den Bildschirm 11. Selbstverständlich können der Lautsprecher 10 und der Bildschirm 11 auch an ein gemeinsames Gateway 12 angeschlossen sein, so dass die in dem M P EG2- Multimedia- Datenstrom enthaltenen Audio- und Video- Daten über den Lautsprecher 10 und den Bildschirm 11 ausgegeben werden können. Die Decodierung der M P EG2- Datenpakete kann entweder in dem Gateway 12 oder aber in den empfangenden Teilnehmern 10, 11 erfolgen.
In Figur 2 ist dargestellt, wie ein MPEG2-Datenrahmen mit 188 Byte Länge in das Nutzdaten-Segment eines FlexRay-Datenrahmens eingesetzt wird. Zur Erzielung einer besonders effizienten und effektiven Datenübertragung ist die Größe des Nutzdaten-
Segments entsprechend der Größe des M P EG2- Datenrahmens ebenfalls auf 188 Bytes festgesetzt. Die Wiederholrate des FlexRay-Datenübertragungszyklus wird so gewählt, dass der M P EG2- Datenstrom mit dem kontinuierlich ankommenden MPEG2- Datenrahmen in .... beziehungsweise so schnell übertragen werden können, dass ein Benutzer der empfangenden Teilnehmer 10, 11 keine Verzögerungen oder Jitter aufgrund der Datenübertragung über die Kommunikationsverbindung 2 wahrnehmen kann. Es ist denkbar, dass innerhalb eines FlexRay-Datenübertragungszyklus nicht nur ein Zeitschlitz, sondern mehrere Zeitschlitze und damit auch mehrere FlexRay- Datenrahmen für die Übertragung der ankommenden MPEG2-Datenpakete vorgesehen sind. Des Weiteren wäre es denkbar, die sendenden Teilnehmer 3,4 und wahlweise auch die empfangenden Teilnehmer 10, 11 mit Zwischenspeichern zur Pufferung der zu sendenden beziehungsweise empfangenen MPEG2-Datenpakete 7, 9 beziehungsweise 16. Selbstverständlich können die Gateways 12 auch in die ihnen zugeordneten Teilnehmer 3, 4, 10, 11 integriert sein, so dass völlig neuartige Multimedia-Teilnehmer entstehen, welche M P EG2- Multimedia- Daten verarbeiten und zur Datenübertragung über ein FlexRay-Kommunikationssystem 1 vorbereiten können. Wahlweise kann in den Gateways 12 auch noch ein sogenannter Busguardian
(Buswächter) vorgesehen sein, der die Funktion des Bustreibers 14 überwacht, um Störungen durch einen "Bubbling Idiot" zu verhindern.
Ein Fernsehbild mit einer Auflösung von 720 x 576 Bildpunkten erfordert eine Datenrate von 166 Mbil/sec und kann mit Hilfe von MPEG2-Codierung auf 4 Mbit/sec komprimiert werden. Die MPEG2-Daten bestehen dabei aus 188 Byte großen Paketen mit 4 Byte Header und 184 Byte Nutz- beziehungsweise Videodaten (vergleiche Figur 4). Diese Pakete werden 1:1 in das Nutzdaten-Segment eines FlexRay-Datenrahmens 15 kopiert beziehungsweise umgesetzt. Dabei hat das Nutzdaten-Segment vorzugsweise eine der MPEG2-Pakete entsprechende Größe, insbesondere eine Größe von 188 Byte. Das bedeutet also, dass alle MPEG2-Steuerdaten erhalten bleiben und die FlexRay- Datenrahmenstruktur lediglich als "Tunnel" für den MPEG2-Datenstrom dient.
Bezüglich der Parameter für die Übertragung nach dem FlexRay-Protokoll werden folgende Annahmen beispielhaft getroffen: Die Zykluszeit (Wiederholrate der
Datenrahmen) beträgt 5 ms, die aus einem statischen Segment von 3 ms und einem dynamischen Segment von 2 ms Länge besteht. Die statischen Datenrahmen haben eine Größe von 5 + 188 + 3 = 196 Bytes. Die dynamischen Datenrahmen haben eine Größe von maximal 254 Byte. Somit stehen cirka 10 statische Zeitschlitze und cirka 6 dynamische Zeitschlitze mit 188 Bytes zur Verfügung, wobei Frame-Overhead und Präzisionsbetrachtung prinzipiell berücksichtigt sind.
Um die codierten Datenrahmen für einen M P EG2- Datenstrom zu transportieren, muss das Datenvolumen auf die FlexRay-Kommunikationsrunde von 5ms umgerechnet werden und die Anzahl der FlexRay-Datenrahmen bestimmt werden. In der Standard- Konfiguration wird ein FlexRay-Datenrahmen einem Zeitschlitz zugeordnet und versendet. Um 4 Mbit/sec zu übertragen, müssen also 20 kbitje Kommunikationsrunde (5 ms) transportiert werden beziehungsweise 2500 Byte je Kommunikationsrunde. Bei einer FlexRay-Konfiguration von 188 Bytes je FlexRay-Datenrahmen ergeben sich 13,3 Datenrahmen je Kommunikationsrunde (5 ms). Somit wären alle statischen Zeitschlitze und 4 dynamische Zeitschlitze für diese Übertragung des MPEG2- Datenstroms ausgelastet.
Die Bandbreite der Datenübertragung kann auf verschiedene Weisen optimiert werden. Zum einen ist es denkbar, die FlexRay-Kanäle zur Aufsplittung der Buslast in 2 x 10 Mbil/sec zu nutzen. Zum anderen ist es denkbar, die übertragenen Bildinformationen bei noch akzeptabler Bildqualität für Bildschirme im Kraftfahrzeug zu reduzieren.
Der erste Optimierungsvorschlag basiert darauf, dass das FlexRay-Protokoll aus Sicherheitsüberlegungen die Übertragung von Nachrichten auf zwei separaten Kanälen erlaubt. Diese Kanäle können redundant, aber auch parallel genutzt werden, das heißt FlexRay erlaubt prinzipiell auch die Übermittlung von zwei unterschiedlichen
Nachrichten auf den beiden Kanälen. Diese unterschiedlichen Nachrichten können auch unabhängig voneinander empfangen werden. Diese Möglichkeit könnte zur Verdopplung der Bandbreite genutzt werden. Damit können die oben gezeigten Datenraten verdoppelt beziehungsweise die Anzahl der benötigten Zeitschlitze halbiert werden. Aus dem Beispiel von oben ergibt sich somit eine Reduzierung auf 6,7
Datenrahmen je Kommunikationsrunde (5 ms). Der zweite Optimierungsvorschlag geht davon aus, dass die codierte Datenrate für Fernsehbilder bei Display-Größen bis 40 Zoll (101,6 cm) Bildschirmdiagonale eine akzeptable Bildqualität liefert. In einem Automobil werden jedoch deutlich kleinere Bildschirme eingesetzt. Typische Größen betragen hier bis zu 10,4 Zoll (26,42 cm). Auf kleineren Bildschirmgrößen stören codierartefakte Phänomene beziehungsweise Störungen aufgrund der Codierung der Audio- und/oder Video-Daten im MPEG2- Format das menschliche Auge weniger als auf großen Bildschirmen. Daher kann für den automobilen Einsatz die Datenrate weiter reduziert werden, ohne dass es zu wahrnehmbaren Bildstörungen kommt. Für Audio- und Videoanwendungen ist eine Datenrate von 2 Mbit/sec realistisch. Damit kann im oben gezeigten
Anwendungsbeispiel die Anzahl der FlexRay-Datenrahmen um die Hälfte reduziert werden. Gemeinsam mit den Maßnahmen gemäß dem ersten Optimierungsverfahren wird die Belastung auf 3,3 FlexRay-Datenrahmen je Kommunikationsrunde (5 ms) reduziert.
Die wichtigsten Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend kurz zusammengefasst:
1:1 Umsetzung von MPEG2-Datenpaketen in FlexRay-Datenrahmen mit einem 188 Bytes langen Nutzdaten-Segment.
Verdopplung der FlexRay- Bandbreite durch getrennten Betrieb der beiden zur Verfügung stehenden Kanäle (Kanal A und Kanal B).
- Reduktion des M P EG2- Datenstroms durch Daten red uktion von Bilddaten vor dem Versenden über das FlexRay-Kommunikationssystem aufgrund verminderter Anforderungen der Darstellung in automobilen Bildschirmen (Displays).
- Die Nachrichten (Datenrahmen) aus dem Bereich der Multimedia-Anwendungen werden in den Bereich der System- Elektronik integriert. Daraus ergibt sich eine Vereinfachung der Netzwerktopologie innerhalb des Fahrzeugs. Die Nachrichten (Datenrahmen) aus dem Bereich der Multimedia-Anwendungen werden in den FlexRay-Backbone integriert, woraus sich ebenfalls eine Vereinfachung in der Netztopologie ergibt.
Der FlexRay-Nachrichtenkatalog wird den Bedürfnissen der Multimedia- Anwendungen, insbesondere dem MPEG2-Datenformat, vollständig angepasst (konfiguriert) und damit die höchste Performance für eine Multimedia- Vernetzung erzielt.
Durch die Umstellung der Teilnehmer 3, 4, 10, 11 aus dem Bereich der Multimedia auf die FlexRay-Kommunikation werden zusätzliche FlexRay- Protokollbausteine (Kommunikations-Controller) beziehungsweise FlexRay- Treiberbausteine (Bustreiber) benötigt. Es kommt zu zusätzlichen Stückzahlen und den damit verbundenen Stückzahleneffekten (niedrigerer Stückpreis) und zuverlässige und robuste Fertigung der Bausteine.
Durch den zusätzlichen Stückzahleneffekt ist mit reduzierten Teilekosten zu rechnen. Der Umstellungsaufwand wird durch die langfristigen Stückzahleneffekte kompensiert beziehungsweise ist demgegenüber vernachlässigbar gering.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Übertragen von im MPEG (Moving Picture Experts Group)-Format vorliegenden Multimedia- Daten (7, 9) zwischen Multimedia-Teilnehmern (3, 4, 10, 11) eines Kommunikationssystems (1) über mindestens eine Kommunikationsverbindung (2) des Kommunikationssystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass die MPEG-Multimedia-Daten (7, 9) über ein FlexRay-Kommunikationssystem (1) nach dem FlexRay- Protokoll übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass MPEG-Datenrahmen (7, 9) bei einem sendenden Multimedia-Teilnehmer (3, 4) in FlexRay-
Datenrahmen (15) eingebettet, die FlexRay- Datenrahmen (15) übertragen und bei einem empfangenden Multimedia-Teilnehmer (10, 11) die MPEG- Datenrahmen (16) aus den empfangenen FlexRay-Datenrahmen (15) zur Weiterverarbeitung entnommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe von Nutzdaten-Segmenten von FlexRay-Datenrahmen (15) an die Größe von MPEG- Datenrahmen (7, 9) angepasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Nutzdaten-Segmente als ein ganzzahliges Vielfaches der Größe der MPEG- Datenrahmen (7, 9) gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Nutzdaten-Segmente gleich groß wie die MPEG-Datenrahmen (7, 9) gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die MPEG-Multimedia-Daten im MPEG2-Format vorliegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Weiterverarbeitung die M P EG- Daten decodiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Weiterverarbeitung die MPEG-Daten an einen Benutzer des emp- fangenden Multimedia-Teilnehmers (10, 11) akustisch und/oder optisch ausgegeben werden.
9. Kommunikationssystem (1) zum Übertragen von im MPEG (Moving Picture Ex- perts Group)-Format vorliegenden Multimedia-Daten (7, 9), das System (1) umfassend mehrere Multimedia-Teilnehmer (3, 4, 10, 11) und mindestens eine Kommunikationsverbindung (2) zwischen den Multimedia-Teilnehmern (3, 4, 10,
11), dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (1) als ein FlexRay-Kommunikationssystem ausgebildet ist.
10. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass FlexRay-Datenrahmen (15) zur Übertragung von MPEG-Datenrahmen (7, 9) aus- gebildet sind, wobei die Größe von Nutzdaten-Segmenten der FlexRay-
Datenrahmen (15) an die Größe der MPEG-Datenrahmen (7, 9) angepasst ist.
11. Multimedia-Teilnehmer (3, 4, 10, 11) eines Kommunikationssystems (1), der Teilnehmer (3, 4, 10, 11) umfassend Mittel zum Übertragen von in MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten (7, 9) an mindestens einen weiteren Multimedia- Teilnehmer (3, 4, 10, 11) des Kommunikationssystems (1) über mindestens eine
Kommunikationsverbindung (2) des Kommunikationssystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als mindestens ein FlexRay-Kommunikations- Controller (13) zum Übertragen der MPEG-Multimedia-Daten (7, 9) nach dem FlexRay-Protokoll ausgebildet sind.
12. Teilnehmer (3, 4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der FlexRay- Kommunikations-Controller (13) zum Einbetten von MPEG-Datenrahmen (7, 9) in zur Übertragung vorgesehene FlexRay-Datenrahmen (15) ausgebildet ist.
13. Teilnehmer (10, 11) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der FlexRay-Kommunikations-Controller (13) zum Entnehmen von MPEG- Datenrahmen (16) aus empfangenen FlexRay-Datenrahmen (15) ausgebildet ist.
14. Teilnehmer (3, 4, 10, 11) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem FlexRay-Kommunikations-Controller (13) die Größe von Nutzdaten-
Segmenten der FlexRay-Datenrahmen (15) an die Größe der MPEG- Datenrahmen (7, 9) angepasst ist.
15. Gateway (12) zum Anschluss eines Multimedia-Teilnehmers (3, 4, 10, 11) an mindestens eine Kommunikationsverbindung (2) eines Kommunikationssystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Gateway (12) Mittel (13, 14) zum Übertragen von im MPEG-Format vorliegenden Multimedia-Daten (7, 9) an mindestens einen weiteren Teilnehmer (3, 4, 10,11) des Kommunikationssystems (1) über die mindestens eine Kommunikationsverbindung (2) aufweist, wobei die Mittel (13, 14) mindestens einen FlexRay-Kommunikations-Controller (13) zum Cl- bertragen der MPEG-Multimedia-Daten (7, 9) nach dem FlexRay-Protokoll umfassen.
16. Gateway (12) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem FlexRay- Kommunikations-Controller (13) die Größe von FlexRay-Datenrahmen (15), insbesondere die Größe eines Nutzdaten-Segments der FlexRay-Datenrahmen (15), an die Größe der MPEG-Datenrahmen (7, 9) angepasst ist.
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