Title:
Verfahren zum Synchronisieren von Verkehrsteilnehmern auf eine gemeinsame Zeitbasis
Kind Code:
B4


Abstract:

Verfahren zum Synchronisieren von Verkehrsteilnehmern auf eine gemeinsame Zeitbasis, bei dem
- Daten periodisch oder Ereignis-basiert zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer in Nachrichten über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen werden,
- eine jeweilige interne Uhr der Verkehrsteilnehmer mittels eines primären Synchronisationsverfahrens, das die Uhrensignale eines globalen Satellitennavigationssystems verarbeitet, auf die Zeit eines internen Satellitennavigationsempfängers des Verkehrsteilnehmers synchronisiert wird,
- von einem jeweiligen Verkehrsteilnehmer auf ein sekundäres Synchronisationsverfahren umgeschaltet wird, wenn das primäre Synchronisationsverfahren für den jeweiligen Verkehrsteilnehmer nicht nutzbar ist, wobei das sekundäre Synchronisationsverfahren auf einer Selbstorganisation zur Synchronisation der internen Uhren basiert, bei dem ein zur Synchronisation der jeweiligen internen Uhr erforderlicher Kennzeichner im eingesetzten Kommunikationsverfahren kodiert wird, ohne das eigentliche Kommunikationsverfahren zu stören, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Synchronisationsverfahren auf dem Prinzip einer Firefly-Synchronisation basiert.embedded image




Inventors:
Strang, Thomas, Dr. (82287, Jesenwang, DE)
Dammann, Armin, Dr. Ing. (86899, Landsberg, DE)
Kloiber, Bernhard (81375, München, DE)
de Ponte Müller, Fabian (81241, München, DE)
Application Number:
DE102013221321A
Publication Date:
07/19/2018
Filing Date:
10/21/2013
Assignee:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 (DE)



Foreign References:
200902018602009-08-13
201002660622010-10-21
201302428612013-09-19
WO2009024945A22009-02-26
Other References:
IEEE 802.11p / ITS-G5
IEEE 802.11-2012 OCB
A. Tyrrell, G.Auer, C. Bettstetter: Firefly Synchronization in Ad Hoc Networks, 3rd MiNEMA Workshop, Leuven, Belgium, February 7, 2006
Attorney, Agent or Firm:
Fink Numrich Patentanwälte, 80634, München, DE
Claims:
Verfahren zum Synchronisieren von Verkehrsteilnehmern auf eine gemeinsame Zeitbasis, bei dem
- Daten periodisch oder Ereignis-basiert zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer in Nachrichten über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen werden,
- eine jeweilige interne Uhr der Verkehrsteilnehmer mittels eines primären Synchronisationsverfahrens, das die Uhrensignale eines globalen Satellitennavigationssystems verarbeitet, auf die Zeit eines internen Satellitennavigationsempfängers des Verkehrsteilnehmers synchronisiert wird,
- von einem jeweiligen Verkehrsteilnehmer auf ein sekundäres Synchronisationsverfahren umgeschaltet wird, wenn das primäre Synchronisationsverfahren für den jeweiligen Verkehrsteilnehmer nicht nutzbar ist, wobei das sekundäre Synchronisationsverfahren auf einer Selbstorganisation zur Synchronisation der internen Uhren basiert, bei dem ein zur Synchronisation der jeweiligen internen Uhr erforderlicher Kennzeichner im eingesetzten Kommunikationsverfahren kodiert wird, ohne das eigentliche Kommunikationsverfahren zu stören, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Synchronisationsverfahren auf dem Prinzip einer Firefly-Synchronisation basiert.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Synchronisationsverfahren nicht nutzbar ist, wenn eine vorbestimmte Anzahl an gleichzeitig empfangenen Satellitensignalen unterschritten wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest manche der Nachrichten einen Kennzeichner umfassen, der die Aussendung der Nachricht zu einem, den die Nachricht empfangenden Verkehrsteilnehmern, bestimmten Zeitpunkt signalisiert, wobei durch den oder die Verkehrsteilnehmer, die die Nachricht empfangen, eine Synchronisation relativ zu dem bestimmten Zeitpunkt durchgeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verkehrsteilnehmer eine vorgegebene Konfidenz auf eine zeitliche Referenz eines, insbesondere über das primäre Synchronisationsverfahren, synchronisierten Verkehrsteilnehmers berücksichtigt und vorteilhafterweise mit dem Kennzeichner überträgt.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Empfang der Nachricht mit dem Kennzeichner, die interne Uhr des empfangenden Verkehrsteilnehmers an die interne Uhr des die Nachricht mit dem Kennzeichner sendenden Verkehrsteilnehmers angepasst wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachricht als OFDM-Rahmen mit einer besonderen Präambel (P) übertragen wird, wobei der Kennzeichner durch eine vorgegebene Präambel des OFDM-Rahmens repräsentiert ist, und wobei sich die vorgegebene Präambel von einer herkömmlichen Präambel durch den empfangenden Verkehrsteilnehmer unterscheiden lässt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachricht als OFDM-Rahmen übertragen wird, wobei der Kennzeichner durch ein vorgegebenes Symbolmuster im OFDM-Rahmen repräsentiert ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachricht als OFDM-Rahmen übertragen wird, wobei der Kennzeichner durch ein Codewort (Sig) aus einem Spreizcode repräsentiert ist, das zusätzlich zu dem OFDM-Rahmen übertragen wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachrichten zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in vorgegebenen zeitlichen Abständen mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit, insbesondere von einem oder mehreren über das primäre Synchronisationsverfahren synchronisierten Verkehrsteilnehmer, ausgesendet werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden der Nachricht mit dem Kennzeichner durch den die Nachricht sendenden Verkehrsteilnehmer von einer vorgegebenen Konfidenz in die eigene Zeitbasis abhängig gemacht wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachricht mit dem Kennzeichner nur durch einen Verkehrsteilnehmer gesendet wird, dessen interne Uhr gemäß dem ersten Synchronisationsverfahren synchronisiert ist.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachricht als OFDM-Rahmen mit einer Nutzlast (ND) übertragen wird, wobei durch den die Nachricht sendenden Verkehrsteilnehmer, dessen interne Uhr gemäß dem ersten Synchronisationsverfahren synchronisiert ist, die interne Zeit in die Nutzlast der Nachricht inkludiert wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus den von den anderen Verkehrsteilnehmern empfangenen Daten und/oder Annahmen über die eigene Bewegung, ein Bewegungsmodell ermittelt wird, um insbesondere die Position der bewegten Verkehrsteilnehmer zu extrapolieren, um dann, wenn die vorbestimmte Anzahl an Satellitensignalen unterschritten ist, aber zumindest ein Satellitensignal empfangen wird, unter Annahme der geschätzten Position einen Zeitkorrekturfaktor bestimmen zu können.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sekundäre Synchronisationsverfahren parallel zu dem primären Synchronisationsverfahren ausgeführt wird, auch wenn das primäre Synchronisationsverfahren durch einen jeweiligen Verkehrsteilnehmer genutzt werden kann.

Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Rechners geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt werden, wenn das Produkt auf dem Rechner läuft.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Synchronisieren von Verkehrsteilnehmern auf eine gemeinsame Zeitbasis, bei dem Daten periodisch zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer in Nachrichten über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen werden.

Funkbasierte Kommunikationsnetzwerke mit mehreren Nutzern verwenden MAC (Media Access Control)-Protokolle oder -Verfahren, die den Zugriff auf das gemeinsam genutzte Übertragungsmedium regeln. Einen Spezialfall solcher Netzwerke stellen sogenannte Mobile Adhoc Netzwerke (MANET) dar. Hier sind die Nutzer bzw. Netzwerkteilnehmer mobil und übertragen Daten an andere Teilnehmer in ihrer Umgebung, ohne dabei auf Infrastruktur, wie Basisstationen, zurückzugreifen.

Aufgrund der Bewegung der Nutzer ist das Netzwerk dynamisch. Dies bedeutet, dass sich für einen einzelnen Nutzer die Kommunikationspartner in seiner Funkreichweite ständig ändern. Neue unbekannte Nutzer kommen hinzu, während andere verschwinden.

Derartige Netzwerke können beispielsweise für Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssysteme angewandt werden. In diesem Fall spricht man von einem Vehicular Adhoc Netzwerk (VANET). Die Verkehrsteilnehmer stellen Sender (sendender Verkehrsteilnehmer) bzw. Empfänger (empfangender Verkehrsteilnehmer) des Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssystems dar. Jeder Verkehrsteilnehmer ist in einem Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssystem dabei sowohl Sender als auch Empfänger. Für sicherheitsrelevante Anwendungen, wie z. B. der Vermeidung von Kollisionen zwischen Fahrzeugen, ist es notwendig, dass jedes Fahrzeug regelmäßig verkehrsrelevante Informationen an die anderen Verkehrsteilnehmer in der Umgebung übermittelt. Hierzu werden von jedem Nutzer wiederholt kurze Statusnachrichten als Broadcast versendet, die die aktuelle Position, Geschwindigkeit, Richtung und andere sicherheitsrelevante Informationen beinhalten. Diese gesendeten Informationen sollen zuverlässig und so schnell wie möglich von den jeweils anderen Verkehrsteilnehmern empfangen werden und vor allem regelmäßig in kurzen Zeitabständen über Veränderungen informieren. Um die zwischen den Verkehrsteilnehmern ausgetauschten Informationen korrekt verarbeiten zu können, ist bei manchen Ausprägungen eine zeitliche Synchronisation der Verkehrsteilnehmer erforderlich.

Zu diesem Zweck verfügt jeder Verkehrsteilnehmer über eine interne Uhr. Die internen Uhren der Verkehrsteilnehmer werden auf eine gemeinsame Zeitbasis synchronisiert. Beispielsweise wird so ein verteiltes, zeitgesteuertes Umschalten zwischen verschiedenen Kanälen eines verwendeten Funksystems ermöglicht. Dies kann z.B. dazu genutzt werden, um periodisch, z.B. alle 50 ms, zwischen einem Kontrollkanal und einem von mehreren Servicekanälen hin- und herzuschalten.

Auch innerhalb eines Kanals ermöglicht eine genaue Zeitreferenz aller beteiligten Verkehrsteilnehmer ein in gewissen Grenzen vorhersagbares Verhalten, z.B. bei der Einhaltung von Wartezeiten auf einen als dann frei ermittelten Zeitschlitz oder bei der Priorisierung einer definierten Prioritätsklasse, wie z.B. in IEEE 802.11 e/p spezifiziert, die über unterschiedliche Wartezeiten implementiert werden.

Die internen Uhren der Verkehrsteilnehmer sollten daher auf eine gemeinsame Zeitbasis synchronisiert werden. Hierzu kann auf die vergleichsweise genau bestimmte Zeit eines internen oder externen Satellitennavigations-Empfängers eines jeweiligen Verkehrsteilnehmers synchronisiert werden. Ein Satellitennavigations-Empfänger wird auch als GNSS-Empfänger (GNSS = Global Navigation Satellite System), wie z.B. GPS oder Galileo, bezeichnet. Diese Zeit ist sehr genau, da das Grundprinzip der Positionsbestimmung über das Ranging, d.h. die Laufzeitbestimmung von Satellitensignalen im Nanosekundenbereich funktioniert.

Unsynchronisiert driften die quarzgesteuerten internen Uhren im Bereich einiger zehn bis einige hundert Millisekunden pro Tag, weshalb die Re-Synchronisierung üblicherweise etwa einmal pro Minute vorgenommen wird, damit sich der Drift bis zur nächsten Re-Synchronisierung nicht zu weit fortentwickelt. Dabei kommen üblicherweise Protokolle wie NTP (RFC 5905, RFC 1305) zum Einsatz, die u.a. dafür sorgen, dass Driftkorrekturen stetig erfolgen.

Ein Problem dieser Art der Zeitsynchronisation entsteht dann, wenn über eine gewisse Zeit kein GNSS-Empfang möglich ist, und die interne Zeitfortschreibung des GNSS-Empfängers in der Zeit ebenfalls auf das Qualitätsmaß von quarzgesteuerten Uhren abfällt. Dies kann beispielsweise in längeren Tunneln oder in Parkhäusern durch die Abschattung der Satellitensignale passieren. Hiervon sind üblicherweise gleich mehrere Fahrzeuge in der Umgebung betroffen, so dass sich unter den betroffenen Fahrzeugen relativ schnell Zeit-Divergenzen von mehr als 20ms aufbauen können, was als maximal verkrafteter Grenzwert für IEEE 802.11p angesehen wird. Ab diesem Grenzwert werden bestimmte Nachrichten nicht mehr versendet, da die darin enthaltenen Informationen zu Position etc. nicht mehr genau genug einem Zeitpunkt zugeordnet werden können.

Die WO 2009/024945 A2 offenbart ein Verfahren zum Synchronisieren von Verkehrsteilnehmern auf eine gemeinsame Zeitbasis, bei dem Daten periodisch oder Ereignis-basiert zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer in Nachrichten über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen werden. Für den Fall, dass ein primäres Synchronisationsverfahren, das auf den Daten eines globalen Satellitennavigationssystems beruht, nicht zur Verfügung steht, erfolgt eine Synchronisation der Teilnehmer mit Hilfe eines sekundären Synchronisationsverfahren zur Bereitstellung einer lokalen Zeitbasis. Dabei wird auf Beacons zurückgegriffen, wobei die Zeit des Senders ausgewählt und übernommen wird, welche in Bezug zur eigenen Zeit ein bestimmtes Qualitätsmaß erfüllt.

Die US 2009/0201860 A1 offenbart die Verwendung einer Präambel eines OFDM-Rahmens zum Synchronisieren einer Zeitbasis zwischen verschiedenen Teilnehmern. Die US 2010/0266062 A1 offenbart darüber hinaus, dass die Präambel ein Symbolmuster enthalten kann, die im Empfänger korreliert werden, und alternativ als Pilot-Signal in der Nutzlast enthalten sein kann.

Die US 2013/0242861 A1 offenbart das Codieren und Senden eines Synchronisationssignals zwischen Verkehrsteilnehmern mittels eines separaten Code Division Multiplex Verfahrens.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine verbesserte Synchronisation von mehreren Verkehrsteilnehmern eines Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssystems ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Computerprogrammprodukt gemäß den Merkmalen des Anspruches 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es wird ein Verfahren zum Synchronisieren von Verkehrsteilnehmern auf eine gemeinsame Zeitbasis vorgeschlagen, bei dem Daten periodisch zwischen einer Vielzahl sich bewegender Verkehrsteilnehmer in Nachrichten über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen werden. Die Nachrichten z.B. bei IEEE 802.11p sind sog. Cooperative Awareness Messages (CAMs), die an alle Verkehrsteilnehmer in der Umgebung als Multi-Broadcast-Nachricht (jeder Teilnehmer sendet unidirektional Nachrichten an alle anderen Verkehrsteilnehmer im Empfangsbereich) übertragen werden. Jeder empfangende Verkehrsteilnehmer kann diese Nachrichten auswerten und ihnen Informationen über Position, Geschwindigkeit etc. aller anderen Verkehrsteilnehmer (Fahrzeuge) entnehmen und mit Informationen über das eigene Fahrzeug in Bezug setzen. Auf dieser Basis werden kooperative Anwendungen wie Kollisionsvermeidung, Einfädelassistenten etc. ermöglicht. Die Häufigkeit der Aussendung der CAMs hängt u.a. von der Geschwindigkeit des bzw. der Verkehrsteilnehmer sowie anderen Faktoren ab. Der Zeitpunkt der Aussendung zu einem bestimmten absoluten Sendezeitpunkt ist nicht genau vorherbestimmbar, da hier Mechanismen der Medien-Zugriffskontrolle (MAC) des gemeinsamen Übertragungsmediums dominieren.

Bei dem Verfahren wird eine jeweilige interne Uhr der Verkehrsteilnehmer mittels eines primären Synchronisationsverfahren, das die Uhrensignale eines globalen Satellitennavigationssystems verarbeitet, auf die Zeit eines internen Satellitennavigationsempfängers des Verkehrsteilnehmers synchronisiert. Die Synchronisation stellt allgemein sicher, dass die zwischen den Verkehrsteilnehmern ausgetauschten Informationen korrekt verarbeiten werden können.

Es wird von einem jeweiligen Verkehrsteilnehmer auf ein sekundäres Synchronisationsverfahren umgeschaltet, wenn das primäre Synchronisationsverfahren für den jeweiligen Verkehrsteilnehmer nicht nutzbar ist, wobei das sekundäre Synchronisationsverfahren auf einer Selbstorganisation zur Synchronisation der internen Uhren basiert, wobei bei dem sekundären Synchronisationsverfahren ein zur Synchronisation der jeweiligen internen Uhr erforderlicher Kennzeichner im eingesetzten Kommunikationsverfahren codiert wird, ohne die reguläre Datenübertragung zu stören.

Es wird somit auf ein „Backup-Synchronisationsverfahren“ zurückgegriffen, wenn der Empfang von Satellitennavigationssignalen gestört ist. Hierdurch wird die Synchronisation von Daten von mehreren Verkehrsteilnehmern auch dann ermöglicht, wenn der Empfang von Satellitennavigationssignalen gestört ist, wie dies beispielsweise in langen Tunneln oder Parkhäusern der Fall sein kann. Zudem kann die Synchronisation auch dann sichergestellt werden, wenn sich aus irgendwelchen Gründen Abweichungen zwischen den internen Uhren von Verkehrsteilnehmern und den Uhrensignalen des globalen Satellitennavigationssystems ergeben.

Erfindungsgemäß basiert das sekundäre Synchronisationsverfahren auf dem Prinzip einer sog. Firefly-Synchronisation (deutsch: Glühwürmchen-Synchronisation). Bei diesem Verfahren passen in der Natur männliche Glühwürmchen (englisch: „fireflies“) das Aussenden eines Lichtimpulses zeitlich so auf ihre Nachbarn an, dass möglichst alle Glühwürmchen gleichzeitig aufblitzen, ohne dass es einen „Master“ gibt der eine zeitliche oder anderweitig geartete Vorgabe macht. Der Algorithmus läuft damit verteilt zwischen den Glühwürmchen einer Region ab. Dieses Prinzip, das z.B. auch zum verteilten Kanalzugriff in der Kommunikation genutzt werden kann, wird erfindungsgemäß zur Zeitsynchronisation der von dem primären Synchronisationsverfahren entkoppelten Verkehrsmittel eines VANETs, d.h einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug (car-to-car) oder einer Fahrzeug-zu-Infrastruktur (car-toinfrastructure), verwendet.

Unter einem Verkehrsteilnehmer sind in der vorliegenden Beschreibung nicht nur Straßenfahrzeuge, sondern auch Luftfahrzeuge (Flugzeuge, Hubschrauber, und dergleichen), Schienenfahrzeuge (Züge, Straßenbahnen, und dergleichen) und Wasserfahrzeuge (Schiffe) sowie auch Fußgänger und Radfahrer zu verstehen.

Das primäre Synchronisationsverfahren ist nicht nutzbar, wenn eine vorbestimmte Anzahl an gleichzeitig empfangenen Satellitensignalen unterschritten wird. Der Fall liegt z.B. vor, wenn weniger als vier Satelliten durch den Verkehrsteilnehmer empfangbar sind, da sich dann das Navigationsgleichungssystem im Verkehrsmittel nicht lösen und der Uhrenfehler nicht eindeutig ermitteln lassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das sekundäre Synchronisationsverfahren ebenfalls verwendet werden kann, bevor die sog. „Time To First Fix“ des Satellitennavigationssystems abgelaufen ist und die Informationen des Satellitennavigationssystems noch nicht vollständig zur Verfügung stehen.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfassen zumindest manche der Nachrichten einen Kennzeichner, der die Aussendung der Nachricht zu einem, bestimmten Zeitpunkt signalisiert, wobei durch den oder die Verkehrsteilnehmer, die die Nachricht empfangen, eine Synchronisation relativ zu dem bestimmten Zeitpunkt durchgeführt wird, indem eine Anpassung der internen Uhr an den durch den Kennzeichner repräsentierten Zeitpunkt erfolgt. Der Kennzeichner, der in der späteren Beschreibung auch Blitz genannt werden wird, entspricht dem Lichtimpuls, der von den Glühwürmchen ausgesendet wird, und ermöglicht die autonome, selbstorganisierende Synchronisation der Verkehrsteilnehmer, welche das primäre Synchronisationsverfahren nicht durchführen können.

Der Kennzeichner kann durch einen sendenden Verkehrsteilnehmer als zusätzliche Information in die Nachricht eingefügt werden.

Der Kennzeichner kann eine vorgegebene Konfidenz auf eine zeitliche Referenz eines, insbesondere über das primäre Synchronisationsverfahren, synchronisierten Verkehrsteilnehmers aufweisen. Das heißt, der synchronisierte Verkehrsteilnehmer arbeitet mit dem Uhrensignal des globalen Satellitennavigationssystems und stellt dieses als zeitliche Referenz für das Backupverfahren zur Verfügung.

Beim Empfang der Nachricht mit dem Kennzeichner wird mittels des sekundären Synchronisationsverfahrens die interne Uhr des empfangenden Verkehrsteilnehmers an die interne Uhr des die Nachricht mit dem Kennzeichner sendenden Verkehrsteilnehmers angepasst. Dies kann z.B. analog zu dem in [1] beschriebenen Vorgehen realisiert werden.

Die Nachricht wird gemäß einer Ausgestaltung als OFDM-Rahmen mit einer Präambel übertragen, wobei der Kennzeichner durch eine vorgegebene Präambel des OFDM-Rahmens repräsentiert ist, und wobei sich die vorgegebene Präambel von einer herkömmlichen Präambel durch den empfangenden Verkehrsteilnehmer unterscheiden lässt. Wenn diese vorgegebene, eindeutige Präambel von allen zeitsynchronisierten sendenden Verkehrsteilnehmers (allgemein: Sender) zum Signalisierungszeitpunkt abgestrahlt wird, kann ein nicht-synchronisierter empfangender Verkehrsteilnehmer (allgemein: Empfänger) dieses auflösen und zur Re-Synchronisation verwenden. Sollte das Signal, d.h. der OFDM-Rahmen, unter Umständen aufgrund mehrerer synchronisierter Sender in der Nähe mehrfach und leicht zeitversetzt bei einem nicht synchronisierten Empfänger ankommen, stellt dies aus Sicht des Empfängers einen Mehrwegeempfang dar, der durch den Empfänger mit dem Fachmann bekannten Methoden aufgelöst werden kann. Insbesondere kann auch im Kollisionsfall der Kennzeichner noch verwendet werden, selbst wenn die Nutzdaten aufgrund der Kollision (z.B. als Ergebnis des Hidden-Terminal-Problems) für einen Empfänger nicht verwertet werden können.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die Nachricht als OFDM-Rahmen übertragen, wobei der Kennzeichner durch ein bestimmtes Muster von Pilotsymbolen des OFDM-Rahmens repräsentiert ist, um eine Zeitbasis für die Synchronisation zu kennzeichnen. Pilot- oder Trainingssymbole sind Hilfssignale der OFDM-Übertragung, um beispielsweise dem Empfänger die Schätzung aktueller Parameter des Übertragungskanals zu ermöglichen.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung wird die Nachricht als OFDM-Rahmen übertragen, wobei der Kennzeichner durch ein Codewort aus einem Spreizcode repräsentiert ist, das zusätzlich zu dem OFDM-Rahmen übertragen wird. Der Spreizcode lässt sich beim Empfänger aus einem (auch geringen) Leistungsdichtespektrum decodieren, wenn nach dem bekannten Codewort gesucht wird. Der Empfänger muss hierzu in bekannter Weise über einen Korrelator verfügen. Für einen nicht-suchenden Empfänger liegt das Codewort „versteckt“ im Rauschen. Die Vorgehensweise des Kodierens und Dekodierens eines Spreizcodes ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, neu ist hier die Verwendung als „Blitz“, d.h. zur Kennzeichnung eines Zeitpunkts auf einer relativen oder absoluten Zeitachse. Ein Vorteil dieser Variante besteht darin, dass der Kennzeichner unabhängig vom Zeitpunkt des Aussendens zu den OFDM-Rahmen erfolgen kann.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung werden Nachrichten mit Kennzeichnern zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in vorgegebenen zeitlichen Abständen mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit, insbesondere von einem oder mehreren über das primäre Synchronisationsverfahren synchronisierten Verkehrsteilnehmer, ausgesendet. Beispielsweise kann das Aussenden der Nachrichten mit dem Kennzeichner jede Minute oder alle x Minuten, wobei x größer als 1 ist, zum Minutendurchgang erfolgen. Über die Wahrscheinlichkeit kann insbesondere gesteuert werden, dass zufällig wiederkehrend auf den vorgegebenen Zeitpunkt fallende Datenübertragungen nicht dauerhaft gestört werden.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird das Aussenden der Nachricht mit dem Kennzeichner durch den die Nachricht sendenden Verkehrsteilnehmer von einer vorgegebenen Konfidenz in die eigene Zeitbasis abhängig gemacht wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass nur solche Verkehrsteilnehmer Nachrichten aussenden, die über eine innerhalb vorgegebener Schranken liegende „korrekte“ Uhreninformation verfügen. Dies trifft in der Regel auf solche Verkehrsteilnehmer zu, die nach dem primären Synchronisationsverfahren synchronisiert sind. Ein sendender Verkehrsteilnehmer kann aber auch ein nach dem Backup-Synchronisationsverfahren synchronisierter Verkehrsteilnehmer sein, der z.B. erst kürzlich auf das sekundäre Verfahren umgeschaltet hat.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Nachricht mit dem Kennzeichner nur durch einen Verkehrsteilnehmer gesendet, dessen interne Uhr gemäß dem primären Synchronisationsverfahren synchronisiert ist. Dies bedeutet, dass nur unsynchronisierte Verkehrsteilnehmer in 1-Hop-Distanz zu einem sendenden Verkehrsteilnehmer auf diese Weise nach-synchronisiert werden. Die den Kennzeichner empfangenden Verkehrsteilnehmer senden gemäß dieser Ausführungsform nach ihrer Re-synchronisierung nicht selbst Nachrichten mit dem zusätzlichen Kennzeichner aus, was einer Multi-Hop Übertragung entsprechen würde. Hierdurch kann eine hohe Genauigkeit in der Synchronisation erreicht werden. Es ist in einer anderen Ausgestaltung jedoch auch möglich, dass die den Kennzeichner empfangenden Verkehrsteilnehmer nach ihrer Re-synchronisierung selbst Nachrichten mit dem Kennzeichner aussenden, was z.B. eine Synchronisation von Verkehrsteilnehmern in langen Tunneln ermöglicht.

In einer anderen Ausführungsform wird eine Nachricht als OFDM-Rahmen mit einer Nutzlast übertragen, wobei durch den die Nachricht sendenden Verkehrsteilnehmer, dessen interne Uhr gemäß dem primären Synchronisationsverfahren synchronisiert ist, die interne Zeit in die Nutzlast der Nachricht inkludiert wird. Diese Ausführungsform benötigt keinen zusätzlichen Kennzeichner, wodurch auch keine zusätzliche Last auf dem Übertragungskanal bzw. kein potentiell die Nutzdatenübertragung störendes Signal abgestrahlt wird. Stattdessen wird durch einen synchronisierten Verkehrsteilnehmer die Nutzlast der Nachricht unmittelbar vor dem Senden (PHY Layer) umgeschrieben und die Systemzeit, d.h. die Zeit der internen Uhr, inkludiert. Der empfangende, unsynchronisierte Verkehrsteilnehmer synchronisiert seine interne Uhr mit diesen Daten. In dieser Ausführungsform sollte die Übertragungszeit zwischen Sender und Empfänger vernachlässigbar sein. Ferner sollte in der sende- und empfangsseitigen Prozessierung zwischen dem Schreiben der internen Zeit des Senders und dem Auslesen dieser Zeit aus der Nachrichtung durch den Empfänger maximal eine definierte, deterministische Zeit (idealerweise sollten diese Zeiten Null sein) vergehen, da der Zeitversatz empfängerseitig nicht ermittelbar ist.

In einer anderen Ausführungsform wird aus den von den anderen Verkehrsteilnehmern empfangenen Daten und/oder Annahmen über die eigene Bewegung durch das Verkehrsmittel, das kein primäres Synchronisationsverfahren durchführen kann, der zeitliche Verlauf über ein Bewegungsmodell extrapoliert. In dieser Ausführungsform erfolgt eine Synchronisierung auf die Uhrzeit des Satellitennavigationsempfängers auch dann, wenn weniger als vier, aber mindestens ein Satellitsignal zur Verfügung stehen und daher eine 3D-Positionslösung nicht mehr möglich ist. Die ZeitSynchronisation erfolgt dann auf der Basis von Pseudoranges zu ein bis drei verfügbaren Satelliten, wobei geeignete Annahmen getroffen werden, wie sich die Verkehrsteilnehmer gemäß dem Bewegungsmodell fortbewegen. Aufgrund der fortgeschriebenen (und damit mit wachsendem Fehler behafteten) Positionsinformation kann die zeitliche Drift auf ein berechenbares Ausmaß beschränkt werden. Als Bewegungsmodelle stehen beispielsweise „constant speed“ (konstante Geschwindigkeit), „constant acceleration“ (konstante Beschleunigung) oder das bekannte Krauß-Modell zur Verfügung, mit oder ohne Bezug auf eine Karte (Map Matching u.a.).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das sekundäre Synchronisationsverfahren parallel zu dem primären Synchronisationsverfahren ausgeführt, auch wenn das primäre Synchronisationsverfahren durch einen jeweiligen Verkehrsteilnehmer genutzt werden kann. Das sekundäre Synchronisationsverfahren befindet sich dann, wenn das erste Synchronisationsverfahren nicht mehr zur Verfügung steht, bereits im eingeschwungenen Zustand, so dass verzögerungsfrei umgeschaltet und eine genaue Zeitbasis genutzt werden kann.

Es wird ferner ein Computerprogrammprodukt bereit gestellt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Rechners geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt werden, wenn das Produkt auf dem Rechner läuft. Der Rechner ist insbesondere ein Steuergerät einer Car-to-Car-Kommunikation.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein bekanntes zeitgesteuertes Umschalten zwischen verschiedenen Kanälen eines Funksystems zu vorgegebenen Zeitpunkten;
  • 2 eine schematische Darstellung von mehreren orthogonalen Trägern eines ODFM-Rahmens;
  • 3 eine schematische Darstellung der Symbole eines OFDM-Rahmens mit Präambel und Nutzdaten;
  • 4 eine schematische Darstellung einer OFDM-Präambel in einer Darstellung in Bits;
  • 5 eine schematische Darstellung der Symbole einer besonderen OFDM-Präambel, die als Kennzeichner zur Signalisierung einer Zeitbasis wirkt;
  • 6 den OFDM-Rahmen aus 3, wobei in die Nutzdaten ein Kennzeichner zur Signalisierung einer Zeitbasis integriert ist; und
  • 7 eine schematische Darstellung eines in einem Leistungsdichtespektrum enthaltenen Spreizcodes.

1 zeigt ein verteiltes, zeitgesteuertes Umschalten zwischen verschiedenen Kanälen eines Fahrzeug-zu-Fahrzeug (Car-to-Car)-Funksystems, was alle 50 ms zwischen einem Kontrollkanal CCH und einem von mehreren Servicekanälen SCHn hin- und hergeschaltet wird. Die in 1 gezeigte Darstellung folgt dem Verfahren des Substandards IEEE 1609.4 eines Car-to-Car-Funksystems. Gemäß dieser Darstellung erfolgt zu einem Zeitpunkt t0 nach einem sog. Guard Interval GI das erstmalige Schalten auf den Kontrollkanal CCH, über den periodische Nachrichten wie CAMs oder DENs übertragen werden. Nach 50 ms erfolgt ein Umschalten auf den Servicekanal SCH, über den weitere spezifische Nutzdaten übertragen werden. Der Übertragung der Nutzdaten vorangestellt ist wieder das Guard Interval GI zum Schutz vor überlappenden Übertragungen und zum Ausgleich geringer Uhrenfehler. Zusammen bilden der aufeinander folgend übertragenen Kontrollkanal CCH und der Servicekanal SCH ein Synchronisationsintervall SI mit einer Länge von 100 ms. Nach zehn Synchronisationsintervallen SI ist die Zeit t1 erreicht und der Ablauf wiederholt sich. Die Zeitpunkte t0 und t1 stimmen mit dem Start jeder UTC (Coordinated Universal Time)-Sekunde überein, wodurch eine Abbildung auf den absoluten Zeitstrahl gegeben ist.

Um das verteilte, zeitgesteuerte Umschalten zwischen den beiden Kanälen synchron zwischen allen Knoten des Car-to-Car-Funknetzes realisieren zu können, werden die internen Uhren von Sendern/Empfängern der car-to-car Kommunikationstechnik (IEEE 802.11p / ITS-G5, neuerdings geführt als IEEE 802.11-2012 OCB mode) auf eine gemeinsame Zeitbasis synchronisiert. Ein Knoten des Car-to-Car-Funknetzes ist ein Verkehrsteilnehmer oder eine Infrastrukturkomponente, welche jeweils einen Sender/Empfänger mit einer internen Uhr umfasst. In der nachfolgenden Beschreibung wird verkürzend nur noch von einem (sendendenden oder empfangenden) Verkehrsteilnehmer gesprochen, wobei für den Fachmann verständlich ist, dass das Aussenden einer Nachricht durch den Sender und das Empfangen einer Nachricht durch den Empfänger des betreffenden Verkehrsmittels erfolgt.

Zur Synchronisation der internen Uhren der Verkehrsteilnehmer wird im Normalfall auf die Zeit eines internen Satellitennavigations-Empfängers zurückgegriffen. Ein Satellitennavigations-Empfänger wird auch als GNSS-Empfänger (GNSS = Global Navigation Satellite System), wie z.B. GPS oder Galileo, bezeichnet. Diese Zeit ist sehr genau, da das Grundprinzip der Positionsbestimmung über das Ranging, d.h. die Laufzeitbestimmung von Satellitensignalen im Nanosekundenbereich funktioniert. Erfolgt die Synchronisation der internen Uhren der Verkehrsteilnehmer mittels des Satellitennavigationssystems, wird dies als primäre Synchronisation bezeichnet.

Steht das primäre Synchronisationsverfahren nicht zur Verfügung, wird auf ein sekundäres Synchronisationsverfahren umgeschaltet. Das sekundäre Synchronisationsverfahren basiert auf einer Selbstorganisation zur Synchronisation der internen Uhren, bei dem die zur Synchronisation der jeweiligen internen Uhr erforderlichen Daten in der Regel periodisch zwischen der Vielzahl der sich bewegenden Verkehrsteilnehmer übertragen werden.

Das primäre Synchronisationsverfahren ist durch einen Verkehrsteilnehmer z.B. dann nicht nutzbar, wenn dessen Satellitennavigationsempfänger weniger als vier Satellitensignale gleichzeitig empfangen werden können (z.B. in einem Tunnel oder in einem Parkhaus).

Das sekundäre Synchronisationsverfahren ist ein Algorithmus, der den in der Natur als „Glühwürmchen-Synchronisation“ bekannten Effekt nachahmt. Hierbei passen männliche Glühwürmchen (englisch: „fireflies“) das Aussenden eines Lichtimpulses zeitlich so auf ihre Nachbarn an, dass möglichst alle Glühwürmchen gleichzeitig aufblitzen, ohne dass es einen „Master“ gibt, der eine zeitliche oder anderweitig geartete Vorgabe macht. Das Verfahren läuft „verteilt“ und selbstorganisierend zwischen den Glühwürmchen einer Region ab.

Das sekundäre Synchronisationsverfahren läuft bevorzugt im Hintergrund (d.h. auch parallel zur Ausführung des ersten Synchronisationsverfahrens) mit, so dass es sich bereits im eingeschwungenen Zustand befindet, wenn die Notwendigkeit besteht, auf diesen umzuschalten.

Das sekundäre Synchronisationsverfahren kann zudem verwendet werden, bevor die „Time To First Fix“ des Satellitennavigationssystems abgelaufen ist und die Satellitennavigations-Informationen noch nicht vollständig zur Verfügung stehen.

Die Vorgehensweise der Übertragung einer die Synchronisation ermöglichenden Information ist wie folgt:

Jeder Verkehrsteilnehmer sendet periodisch Statusnachrichten, im Fall von IEEE 802.11p sog. Cooperative Awareness Messages (CAMs) an alle Verkehrsteilnehmer in der Umgebung als Broadcast aus. Jeder empfangende Verkehrsteilnehmer kann diese Nachrichten auswerten, und diesen CAMs Informationen über Position, Geschwindigkeit etc. aller anderen Fahrzeuge entnehmen und mit Informationen über das eigene Fahrzeug in Bezug setzen. Auf dieser Basis werden kooperative Anwendungen wie Kollisionsvermeidung, Einfädelassistenten etc. ermöglicht. Technisch werden CAMs als Nutzlasten (Payload) sogenannter OFDM-Frames gesendet. OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing; deutsch: Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) bietet eine besondere Struktur über Frequenz und Zeit, die gleichermaßen Effizienz wie Robustheit adressiert, wie vom Prinzip her in den 2 und 3 dargestellt ist.

2 zeigt eine bekannte, schematische Darstellung von mehreren orthogonalen Trägern eines ODFM-Rahmens, die über die Frequenz f aufgetragen sind. 3 zeigt eine ebenfalls bekannte, schematische Darstellung der Symbole 10 eines OFDM-Rahmens mit einer Präambel P und einem Nutzdatenbereich ND. Die Symbole 10 umfassen in einer dem Fachmann bekannten Weise Nutzdaten 11, Trainingssymbole 13 und Hilfsinformationssymbole/Piloten 14. Das genutzte Frequenzspektrum wird in sog. Subcarrier SC unterteilt, auf der in 3 jeweils die in einer jeweiligen Spalte angeordneten Symbole übertragen werden. Ein sog. Guard Band ist mit GB gekennzeichnet. Dieses dient zum Schutz vor sogenannten Intersymbol-Interferenzen, d.h. Überlagerungen mehrerer Symbole. Da die einzelnen Symbole und deren Funktion dem Fachmann bekannt sind und die genaue Funktion für die Erfindung zudem eine untergeordnete Rolle spielt, wird auf eine eingehende Beschreibung des OFDM-Rahmens an dieser Stelle verzichtet.

Die Häufigkeit der Aussendung der CAMs hängt u.a. von der FahrzeugGeschwindigkeit sowie anderen Faktoren ab. Insbesondere der Zeitpunkt der Aussendung zu einem bestimmten absoluten Sendezeitpunkt kann nicht sehr genau vorherbestimmt werden, da hier Mechanismen der Medien-Zugriffskontrolle (MAC) dominieren. Die hier im Fokus stehende Re-Synchronisierung der Systemzeit eines Empfängers (= empfangender Verkehrsteilnehmer) in Bezug auf eine absolute Zeitreferenz erfolgt somit über die Auswertung eines besonderen Kennzeichners.

Stattdessen wird ein zusätzliches Signal in Gestalt einer mit einem Kennzeichner versehenen Nachricht von mit guter Konfidenz auf eine zeitliche Referenz synchronisierten Sendern (= sendenden Verkehrsteilnehmern) ausgestrahlt. Diese Nachricht, die den Kennzeichner enthält und die als Blitz-Signal bezeichnet wird, ist z.B. ein modifizierter OFDM-Rahmen, der die regulären OFDM-Symbolsequenzen nicht stört, sofern solche von anderen Sendern abgestrahlt werden. Das Blitz-Signal wird von nicht oder nicht mehr synchronisierten Empfängern insbesondere analog zum Prinzip der Firefly-Synchronisation dazu verwendet, die absolute Zeitbasis des Empfängers (d.h. die interne Uhr) an die des Blitz-Senders (= der die Nachricht mit dem Kennzeichner aussendende Verkehrsteilnehmer) anzupassen.

Als Blitz-Signal können verschiedene Ausführungsformen verwendet werden:

Eine erste Ausführungsform ist eine vorgegebene OFDM-Präambel, die in der Systematik ähnlich wie die Standard-Präambel aufgebaut ist, sich aber von dieser eindeutig empfängerseitig unterscheiden lässt. Eine solche Standard-OFDM-Präambel in einer Darstellung in Bits ist in 4 dargestellt. In der vorgegebenen OFDM-Präambel kann beispielsweise das Feld „Reserved“ einen vorgegebenen Wert haben, der als Kennzeichner interpretiert wird und ein Synonym für eine Zeitreferenz für die Selbstorganisation ist. Ebenso könnte eines der anderen Felder in geeigneter Weise modifiziert werden. In der Symbol-Representation der OFDM-Präambel P (5) macht sich die Modifikation in einem oder mehreren Symbolen bemerkbar (nicht sichtbar dargestellt).

Wenn diese eindeutige, vorgegebene Präambel eines OFDM-Rahmens mit dem Kennzeichner von allen zeitsynchronisierten Sendern abgestrahlt wird, kann ein nicht-synchronisierter Empfänger dies auflösen und zur Re-Synchronisation verwenden. Sollte das Signal u.U. aufgrund mehrerer synchronisierter Sender in der Nähe mehrfach und leicht zeitversetzt bei einem nicht synchronisierten Empfänger ankommen, sieht das für diesen wie ein Mehrwegeempfang aus, was der Empfänger mit dem Fachmann bekannten Methoden auflösen kann.

Eine zweite Ausführungsform verwendet besondere Pilotsymbole der OFDM Rahmenstruktur zum Zeitpunkt der Aussendung des Blitz-Signals. Dies ist in 6 schematisch mit NK gekennzeichnet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt t übertragenen Symbole den Kennzeichner bzw. Blitz darstellen. Nachteil dieser Variante ist, dass nur ein solcher synchronisierter Sender einen Blitz NK nach der zweiten Ausführungsform senden kann, der zum gewählten Blitzzeitpunkt auch gerade eine Datennachricht versendet.

Eine dritte Ausführungsform ist ein Codewort aus einem geeignet gewählten Spreizcode wie Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), welcher sich beim Empfänger auch dann aus einem geringen Leistungsdichtespektrum decodieren lässt, wenn nach dem bekannten Codewort gesucht wird. Für einen nicht-suchenden Empfänger liegt das Codewort „versteckt“ im Rauschen NL, wie 7 zeigt. In dieser Figur ist die Leistung PW des übertragenen DSSS-Signals Sig über die Frequenz f dargestellt.

Alle drei vorgenannten Formen des Blitz-Signals werden gemäß diesem Verfahren zu einem bestimmten Zeitpunkt t_n, z.B. beim Minutendurchgang, auf der absoluten Zeitreferenz des, insbesondere gemäß dem primären Synchronisationsverfahrens synchronisierten Senders in bestimmten zeitlichen Abständen, z.B. 1x pro Minute, mit einer festgelegten Wahrscheinlichkeit p, z.B. 50%, gesendet. Über die Wahrscheinlichkeit p kann insbesondere gesteuert werden, dass zufällig wiederkehrend auf den Zeitpunkt t_n fallende Datenübertragungen nicht dauerhaft gestört werden.

Weiterhin kann das Aussenden eines Blitz-Signals durch einen Sender auch von einer bestimmten Konfidenz in die eigene Zeitbasis abhängig gemacht werden. In einer Ausführungsform kann z.B. festgelegt werden, dass Blitz-Signale nur von Sendern ausgesendet werden, die mit einer genauen Zeitbasis synchronisiert sind, d.h. von Sendern, die gemäß dem primären Synchronisationsverfahren synchronisiert sind. Dies bedeutet, dass nur unsynchronisierte Empfänger in 1-Hop-Distanz auf diese Weise nach-synchronisiert werden, diese jedoch auch nach Re-synchronisierung nicht selbst Blitz-Signale aussenden.

Die Beschränkung auf die 1-Hop-Distanz hat den Nachteil, dass in größeren zusammenhängenden Gebieten (größer als die 1-Hop-Reichweite) ohne Satellitennavigationsabdeckung nicht alle Verkehrsteilnehmer über das beschriebene Verfahren resynchronisiert werden können. Dies kann z.B. in langen Tunneln oder Parkhäusern der Fall sein. Es kann daher zweckmäßig sein, wenn auch re-synchronisierte Empfänger zu Sendern von Blitz-Signalen werden. Dies kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn ein bestimmtes Maß von eventuell aufakkumulierten Rest-Drifts (z.B. 1 ms) nicht überschritten wird.

Referenzen

[1] A. Tyrrell, G.Auer, C. Bettstetter: Firefly Synchronization in Ad Hoc Networks, 3rd MiNEMA Workshop, Leuven, Belgium, February 7, 2006

Bezugszeichenliste

GI
Guard-Intervall
SI
Synchronisationsintervall
CCH
Kontrollkanal (Control Channel)
SCHn
Servicekanal n (Service Channel)
t0
Zeitpunkt
t1
Zeitpunkt
f
Frequenz
ND
Nutzdatenbereich eines OFDM-Rahmens
P
Präambel eines OFDM-Rahmens
GB
Guard Band
SC
Sub-Carrier
NL
Rauschen
PW
Leistung
NK
Nachricht mit Kennzeichner (Blitz-Signal)
Sig
DSSS-Signal
10
Symbol
11
Nutzdatensymbol
13
Trainingssymbol
14
Hilfsinformationssymbol