Schwerpunkte

Prüfstand für V2X-Kommunikation

(Serien-)Reif im Simulator

20. März 2018, 13:30 Uhr   |  Von Mark Hakim und Dieter Kreuer


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Feldtests sind aufwendig und kaum reproduzierbar

In der Theorie gestaltet sich die Festlegung von verschiedenen Validierungsszenarien einfach – in der Praxis war es in den vergangenen Jahren bisher jedoch sehr schwer, verlässliche Daten zur Funkübertragung unter verschiedenen Bedingungen zu erhalten. Um die Zuverlässigkeit in der Praxis sicherzustellen, wurden aus Mangel an Alternativen zahlreiche Projekte realisiert, bei denen umfangreiche Testfahrten auf Teststrecken und im Straßenverkehr durchgeführt wurden. Dies bedingt mitunter eine wochen- oder sogar monatelange Vorbereitung des Versuchs, was zu einem hohen finanziellen Aufwand führt.

Eine weitere Schwierigkeit bei den Feldtests stellen die äußeren Einflüsse dar, die nur schwer kalkulierbar sind, wie beispielsweise ungünstige Wetterbedingungen. Selbst wenn ein und derselbe Test mehrmals in derselben Fahrerkonstellation durchgeführt wird, sehen die Ergebnisse dennoch unterschiedlich aus. Äußere Bedingungen und die Fahrgeschwindigkeit lassen sich nie zu 100 Prozent nachstellen. Die Automobilhersteller fordern allerdings verlässliche und reproduzierbare Daten, um die Realität möglichst gut abzubilden.

Verkehrssituationen unter Prüfstandsbedingungen

Qosmotec entwickelte den Feldstärke¬emulator Qosmotec Propagation Effects Replicator (QPER) (Bild 2) für Versuche am Prüfstand – ohne aufwändige Feldtests. Im Jahr 2014 wurde der QPER auf den Markt gebracht.
Mobilfunkanbieter verwenden einen ähnlichen Ansatz, um im Testlabor die Bewegung von Handy- und Smartphonenutzern zu simulieren und so einen reibungslosen Funkzellenübergang sicherzustellen. Die Simulations- und Testplattform wurde in Kooperation mit Forschern der Rheinisch-Westfälischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) auf die Bedürfnisse der Automobilindustrie angepasst und erweitert.

QPER ist ein System aus Dämpfungsgliedern zur Beeinflussung der Signalstärken bei der Funkübertragung
© Qosmotec

Bild 2. QPER ist ein System aus Dämpfungsgliedern zur Beeinflussung der Signalstärken bei der Funkübertragung.

Bei den Versuchen werden die Funkmodule hochfrequenzdicht voneinander abgeschirmt und die Signale durch Koaxialkabel an den QPER kabelgebunden übertragen, sodass die durchgeführten Tests eine kontrollierbare Umgebung erreichen. Da keine Verbindung über die Luftstrecke entsteht, ist der Funkeffekt exakt reproduzierbar.

Die Hardware des Feldstärkesimulators besteht aus einer Matrix aus Dämpfungs- und Verzögerungselementen und dient dazu, den Funkverkehr zwischen angeschlossenen Geräten durch Abschwächung und Phasenverschiebung bedarfsgerecht auf jeder einzelnen Verbindung zu manipulieren. Mit der Vorrichtung sowie einer Software zur Modellierung und Ansteuerung des Feldstärkesimulators lässt sich reproduzieren, was bei der Signalübertragung in unterschiedlichen Umgebungen passiert (Bild 3).

ie Steuersoftware generiert die realistischen Übertragungseffekte, die im Gerät emuliert werden
© Qosmotec

Bild 3. Die Steuersoftware generiert die realistischen Übertragungseffekte, die im Gerät emuliert werden.

Mit dem QPER lassen sich auch Szenarien wie Mehrwegausbreitung und der Fast-Fading-Effekt besser beleuchten und als Grundlage für weiterführende Forschungen nutzen.

Reichweitenanalyse ohne aufwendige Feldtests

Ein weiteres Einsatzgebiet für den QPER ist die Reichweitenanalyse. Für ein beliebiges Fahrzeugmodell lassen sich unterschiedliche Einbaupositionen der Funkantennen unter verschiedenen Verkehrsbedingungen testen und so die Vor- und Nachteile der diversen Verbaumöglichkeiten abwägen – ohne Testfahrten auf der Straße. Allerdings sind für den Test zwei Funkmodule (ein Sender und ein Empfänger) erforderlich, die über den QPER miteinander verbunden sind. Sowohl die sich aus der Einbauposition ergebende Antennencharakteristik als auch die Verkehrs- und Sichtverbindungssituation (Bild 4) werden in der Steuersoftware simuliert und führen zur Konstruktion von realistischen und reproduzierbaren Funkbedingungen.

Durch Bestimmung der Paketverlustrate auf Empfängerseite sind eindeutige Aussagen darüber möglich, unter welchen Umständen die Verbindung als gesichert oder als gefährdet betrachtet werden kann.

 Auf Autobahnen können Lkw die Kommunikation behindern. Durch andere Einbaupositionen der Antennen im Fahrzeug kann sich die Reichweite ändern
© Qosmotec

Bild 4. Auf Autobahnen können Lkw die Kommunikation behindern. Durch andere Einbaupositionen der Antennen im Fahrzeug kann sich die Reichweite ändern. So senden und empfangen tief eingebaute Antennen (beispielsweise in der Stoßstange) problemlos unter Lkw hindurch.

QPER in Kombination mit Lastgenerator

Die Zahl der tatsächlich anschließbaren Funkmodule an den QPER ist auf einige wenige beschränkt. Für die Simulation eines hohen Verkehrsaufkommens mit wenigen Sendern ist es notwendig, den Carrier-Sensing-Mechanismus des Funkmoduls zu unterdrücken. Das ermöglicht der Lastgenerator, eine spezifische Vorrichtung aus Zirkulatoren. Dadurch können zu beliebigen Zeiten Informationen gesendet werden, da andere Sendeversuche nicht registriert sind. Die Signalunterdrückung liegt hier bei circa 80 dB. Die Kombination aus Lastgenerator und QPER ermöglicht es daher, verschiedene Auswirkungen von Last auf einzelne angeschlossene Teilnehmer abzubilden. Einige Devices under Test (DUTs) nehmen eine hohe Funklast wahr, für andere ist der Lastgenerator nicht sichtbar und sorgen für eine hohe Anzahl an Hidden-Nodes (Bild 5). Die Folge: Unerwünschte Paketkollisionen.

QPER - Bilder 5 bis 7

Ein User-Equipment (UE) überprüft beim Carrier- Sensing-Mechanismus vor dem Versand, ob der Kanal frei ist
 Die Software des Feldstärkeemulators bildet Verkehrssituationen ab und berechnet hieraus unter Berücksichtigung von Wellenausbreitungsmodellen und Antennencharakteristika die Signalstärke zwischen den Verkehrsteilnehmern
Der Lastgenerator (Congestion Simulator) wird an den QPER angeschlossen

Alle Bilder anzeigen (3)

Der Algorithmus des Congestion Simulators umfasst eine Vielzahl von Parametern und bezieht unter anderem eine unterschiedliche Anzahl an Fahrzeugen, verschiedene Positionen der Verkehrsteilnehmer und die Bewegungsgeschwindigkeiten in die Berechnungen mit ein (Bild 6).

Die Autos erzeugen zudem eine Kanallast, indem sie unterschiedlich große Nachrichten mit einer mittleren Frequenz, zwischen ein bis zehn Datenpaketen pro Sekunde, versenden (Bild 7). Da die Berechnungen von Qosmotec zusätzlich auf stochastischen Modellen aufbauen, sind die Ergebnisse zur Funkkanallast sehr realitätsnah.

Hohe Paketfehlerrate bei Hidden-Nodes

Durch ausgiebige Tests mit dem Lastgenerator (Bild 8) wurde analysiert, dass unter nachfolgenden Umständen bereits 25 Fahrzeuge den Kanal fast zur Hälfte auslasten:

  • Große Nachrichten
  • Hohe Sendeintensität
  • Auf engem Raum

25 Fahrzeuge lasten im Mittel den Funkkanal zwar nur zu etwa acht bis zehn Prozent aus, bei 100 Fahrzeugen ergibt sich im Schnitt allerdings bereits ein Wert von circa 35 Prozent – und bei hoher Sendeintensität sind schnell 85 Prozent erreicht.

Messungen zeigen, dass die Kanallast im Mittel mit wachsender Anzahl an Nachrichten und zunehmender Nachrichtengröße linear ansteigt (oben)
© Qosmotec

Bild 8. Messungen zeigen, dass die Kanallast im Mittel mit wachsender Anzahl an Nachrichten und zunehmender Nachrichtengröße linear ansteigt (oben). Je nach gewählter Nachrichtengröße ergeben sich jedoch unterschiedlich starke Abweichungen in den Einzelmessungen, was die Realitätsnähe der Modellierung widerspiegelt (unten).

Die durchgeführten Tests lieferten außerdem Zahlen zum Einfluss von Hidden-Nodes auf die Paketfehlerrate. Eine relativ geringe Anzahl an Teilnehmern, die eine Kanallast von unter 10 Prozent erzeugen, kann bereits eine signifikante Anzahl an Paketkollisionen verursachen. Die durchschnittliche Rate an verlorenen Paketen lag in den Simulationen bei 10 bis 15 Prozent. Sind hingegen alle lasterzeugenden Teilnehmer für den Sender sichtbar, können, bei einer Kanallast von bis zu 60 Prozent, Paketfehlerraten nahezu vollständig vermieden werden – der Carrier-Sensing-Mechanismus arbeitet ungestört. Erst bei höherer Beanspruchung des Kanals gehen circa drei bis fünf Prozent der gesendeten Pakete verloren.

Simulation aller Validierungsszenarien

Der Lastgenerator allein ist bereits in der Lage, einen Großteil der im Verkehr möglichen statischen Szenarien, wie beispielsweise Staus oder Situationen auf Parkplätzen, realitätsnah abzubilden. Sollen zusätzlich dynamische Situationen, etwa auf Landstraßen, Autobahnen oder im fließenden Stadtverkehr, nachgebildet werden, ist eine Kombination mit dem QPER und der dafür entwickelten Software erforderlich.

Damit können alle vier Validierungsszenarien für Lasttests, die vom ETSI entwickelt wurden, ohne großen Aufwand nachgestellt werden. Hierbei wird zwischen statischen Systemen – Parkplatz und dichter Stadtverkehr – sowie dynamischen Systemen – Landstraßen, Autobahnen und urbaner Mobilität – unterschieden. Die städtischen Szenarien werden zusätzlich mit der Hidden-Node-Problematik konfrontiert.

Der Prüfstandsaufbau ermöglicht in einem Zeitraum von sechs bis acht Wochen die Durchführung von Verkehrsszenarien, die bei realen Feldtests zwei bis drei Jahre erfordern würden.

Die Autoren

Dieter Kreuer von Qosmotec
© Qosmotec

Dieter Kreuer von Qosmotec.

Dieter Kreuer

ist promovierter Informatiker und geschäftsführender Gesellschafter bei Qosmotec. Er ist für Produktmanagement und Software-Entwicklung verantwortlich.

Mark_Hakim von Qosmotec
© Qosmotec

Mark_Hakim von Qosmotec

Mark Hakim

ist Diplom-Mathematiker und Geschäftsführer bei Qosmotec. Er ist verantwortlich für die Spezi¬fikation und die Vermarktung neuer Produkte und Verfahren zur Validierung von Mobilfunktechniken.

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1. (Serien-)Reif im Simulator
2. Feldtests sind aufwendig und kaum reproduzierbar

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