Virtuelles Fahren Telematikdienste über das Mobilfunknetz testen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Automobilhersteller integrieren immer mehr Telematik-Funktionen in ihre Fahrzeuge. Künftige autonome Fahrzeuge sind auf Sensordaten aus der Umgebung angewiesen. Dabei spielt der Open-Loop-Test eine entscheidende Rolle.

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Sensordaten: Fahrzeuge nehmen ihre Umgebung wahr. Telematik-Dienste lassen sich mit einer virtuellen Umgebung testen.
Sensordaten: Fahrzeuge nehmen ihre Umgebung wahr. Telematik-Dienste lassen sich mit einer virtuellen Umgebung testen.
(Bild: Anritsu)

Moderne Fahrzeuge sind mit ganz unterschiedlichen, elektronischen Systemen ausgestattet. Dabei sind die Systeme, welche von den Smartphones bereitgestellt werden, in die Infotainment-Systeme er Fahrzeuge portiert. Die Fahrzeughersteller sind dazu übergegangen, maßgeschneiderte Anwendungen und Dienste direkt zu entwickeln. Beispiele für Telematik-Dienste sind Unfallnotruf, Pannennotruf oder Parkplatzsuche.

Fahrzeuge nutzen Anwendungen/Apps, um die Daten über ein Mobilfunknetz mit der Cloud auszutauschen, ihre Position per GPS zu teilen und Informationen wie Gefahrenwarnungen, Verkehrsinformationen und freie Parkplätze zu erhalten. Damit lassen sich ganze Fahrzeugflotten überwachen oder Dienste wie Carsharing oder Live-Fahrgemeinschaften (Carpooling) umsetzen.

Die nächste Generation dieser Anwendungen sind Fahrzeuge, die Software-Updates über die Luftschnittstelle bekommen und über aktuelle HD-Kartendaten für autonomes Fahren in Echtzeit verfügen. Alle Anwendungen sind enger in das Fahrzeug integriert. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an den Datendurchsatz, die Latenz und die Zuverlässigkeit der Mobilfunkschnittstelle.

Mobilfunk hilft dabei, die Umgebung des Fahrzeugs zu erkennen

Sämtliche Telematikdienste helfen den Fahrer, eine Entscheidung zu treffen oder unterstützen einen Algorithmus, welche das autonome Fahrzeug steuern. Das sind beispielsweise ADAS-Systeme. Die Advanced-Driver-Assistance-Systeme (ADAS) stützen sich auf Sensoren, um Sicherheitsentscheidungen zu treffen. ADAS-Systeme wurden zunächst mit Radar-Sensoren für die Entfernungs- und Objekterkennung ausgestattet.

Doch allein Sensoren können die Umgebung des Fahrzeugs nicht komplett und umfassend erfassen. Notwendig sind zusätzliche Informationen wie Video und Lidar. Damit lassen sich 3D-Modelle der Fahrzeugumgebung erstellen. Allerdings mit einer Einschränkung: Alle Systeme können die Umwelt nicht über die Sichtlinie hinaus erfassen. Hier helfen Mobilfunknetze, da sie mit der Infrastruktur oder zwischen Fahrzeugen kommunizieren. Dank Datenanbindung erhöht sich die Sicherheit und der Fahrkomfort der Fahrzeuge.

Straßentests versus virtuelle Tests

Verschiedene Telematik-Dienste in einem Fahrzeug im Überblick.
Verschiedene Telematik-Dienste in einem Fahrzeug im Überblick.
(Bild: TÜV Rheinland)

ADAS- und Telematikdienste lassen sich am besten direkt im Einsatz auf der Straße testen. Für unterschiedliche Straßentests sind Millionen von Kilometern erforderlich. Nur dann lassen sich implementierte Funktionen validieren – auch wenn nicht jede Situation auftreten kann. Die Reproduzierbarkeit zum Testen eines bestimmten Szenarios ist schwierig, und Tests eines bestimmten Szenarios – insbesondere für die Mobilfunkkommunikation – sind komplex. Außerdem schwankt das Mobilfunknetz wetter- und auslastungsbedingt und auch die Verfügbarkeit des erforderlichen Netzwerks wie LTE oder 5G ist nicht konstant.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Umgebung in einem Labor zu simulieren. Damit lassen sich reproduzierbare Ergebnisse erzielen. Auch senkt das den Zeit- und Kostenaufwand, der für die Freigabe vor dem Einsatz auf der Straße erforderlich ist. Die Erprobung auf der Straße wird weiterhin als unerlässlich angesehen, gilt aber nun als letzter Testschritt.

Ein vernetztes Fahrzeug wird im Labor ähnlich wie ein Smartphone getestet. Aufbauend auf einer Reihe vordefinierter Testfälle, die nacheinander abgespielt werden, wird ein bekannter Input bereitgestellt. Dabei wird sichergestellt, dass die Ergebnisse in den erwarteten Bereich fallen oder einem erwarteten Verhalten folgen. Das ist der Open-Loop-Test. Angesichts des Lebenszyklus und der hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit reicht das nicht aus. Die reale Welt muss besser dargestellt werden. Weg von vordefinierten Testfällen und Benutzerszenarien.

Daher wird virtuelles Fahren zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Vorab-Validierung. In einem Szenario der virtuellen Welt müssen dieselben Anfangsbedingungen reproduziert werden – aber die vom Fahrzeug getroffene Entscheidung würde sich in Echtzeit auf die Inputs auswirken. Das ist der Closed-Loop-Test.

Telematik-Anbindung an die Cloud testen

Diese Methodik aus der Automobil-Welt wird als Software-in-the-Loop (SiL) oder Hardware-in-the-Loop (HiL) bezeichnet. In beiden Fällen wird eine 3D-Welt mit Szenarien erstellt.

  • Software-in-the-Loop bietet nur eine Möglichkeit, den Sensor-Fusion-Algorithmus in einer Simulation zu testen.
  • Hardware in the Loop geht einen Schritt über die Simulation hinaus, indem sie der Sensor-Hardware-Plattform, auf der der Algorithmus ausgeführt wird, einen tatsächlich emulierten Stimulus liefert.

Software-in-the-Loop hat einen Anteil von 95 Prozent beim virtuellen Fahren für autonome Fahrzeuge. Nur fünf Prozent erfolgen mit Hardware-in-the-Loop. Die Trends in der Testbranche weisen darauf hin, dass bei der Einsatz von Hardware mehr Validierungsaufwand erforderlich ist.

Der Anritsu-Emulator kann direkt mit dem Internet oder einem Backend-Server verbunden werden und Daten zwischen dem Cloud-Dienst und der getesteten Anwendung im Fahrzeug austauschen.
Der Anritsu-Emulator kann direkt mit dem Internet oder einem Backend-Server verbunden werden und Daten zwischen dem Cloud-Dienst und der getesteten Anwendung im Fahrzeug austauschen.
(Bild: Anritsu)

Der Closed-Loop-Ansatz für Telematiktests ist für die Branche neu. Der Ansatz besteht darin, HiL mit einem Mobilfunknetz-Emulator auszustatten. Mit em Closed-Loop-Ansatz steht ein realistisches Testnetz bereit, das aus Basisstationen (Funkzugangsnetz) und einem Mobilfunk-Kernnetz besteht. Mit der HiL-Simulation lässt sich die gesamte Wirkungskette von der Anwendung im Fahrzeug über die realistische Kommunikation bis hin zum Cloud-Service validieren. Im Folgenden soll ein Anwendungsfall gezeigt werden, der aus der Zusammenarbeit zwischen dSPACE für das HiL-System und Anritsu für den Simulator (2G/3G/LTE/5G) entstanden ist.

Datendurchsatz und Latenz variieren

Der Anritsu-Emulator wird direkt mit dem Internet oder einem Backend-Server verbunden und tauscht Daten zwischen dem Cloud-Dienst und der getesteten Anwendung im Fahrzeug aus. Verbunden wird der Emulator über Kabel oder Antennen mit der Kommunikationseinheit. Bei Antennen müssen die Funksignale entsprechend abgeschirmt sein. Es ist möglich, den Mobilfunknetz-Emulator vom HiL-Simulator aus mit einem Simulink-Blockset zu steuern. Damit lässt sich das Mobilfunknetz rekonfigurieren und dabei den Datendurchsatz und die Latenz zu variieren.

Testen lassen sich außerdem Bewegungsszenarien wie ein Handover (Wechsel von einer Zelle zur nächsten). Während einer virtuellen Testfahrt wird die Funkverbindung von einer Basisstation zur nächsten übertragen, ohne dass die Datenverbindung verloren geht. Ein weiterer häufiger Testfall ist der Pfadverlust, bei dem das Funksignal während der Fahrt immer schwächer wird oder sogar ganz abbricht. Das Blockset unterstützt den Signalling-Tester MD8475B (2G/3G/LTE) von Anritsu und ist zusammen mit dem 5G-Kommunikationstester (Anritsu MT8000) 5G einsatzbereit.

Virtuelles Fahren vereinfacht die Typgenehmigung

Das Ökosystem rund um das virtuelle Fahren definiert derzeit die Szenarien, die zur Validierung autonomer Fahrzeuge erforderlich sind. Die Anzahl an unendlichen Situationen im Straßenverkehr wird gesenkt auf eine Teilmenge wesentlicher Szenarien. Diese Untermenge wird den Gesetzgebern die Möglichkeit bieten, einen Rahmen zur Validierung der Sicherheit von ADAS-Systemen und autonomen Fahrzeugen zu schaffen. Vorerst konzentrieren sich die Szenarien auf die Umgebungsbedingungen, die sich auf die aktuellen Sensor-Daten wie Radar, Video und Lidar auswirken.

Es wird erwartet, dass die Telekommunikationstechnik künftig eine zunehmende Rolle bei der Sensor-Fusion-basierten Entscheidungsfindung autonomer Fahrzeuge spielen wird. Mit der Entwicklung der 5G-Mobilfunktechnik, die auf die Anforderungen im Auto zugeschnitten ist, werden immer mehr Funktionen sicherheitskritisch. Dazu gehört das Vehicle-to-Everything (V2X). Umgebungsbedingungen wie die Funkabdeckung spielen eine wichtige Rolle bei der Definition der Szenarien.

Einer der spannendsten Anwendungsfälle für 5G ist die gemeinsame Nutzung von Sensoren und das ferngesteuerte Fahren. Ein Hardware-in-the-Loop-System mit Mobilfunkanbindung ist daher der ideale Prüfstand für die Forschung, das Prototyping und Validieren von 5G-Funktionen.

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