Moderní automobily využívají širokou škálu radiových a mikrovlnných systémů, např. radary, modemy, GNSS přijímače. Současné trendy vyžadují spolehlivé připojení ke komunikační a datové síti. Neustále rostoucí počet systémů zvyšuje pravděpodobnost interference. Jelikož se konkrétní implementace komunikačních sítí (CDMA, 2G, 3G, LTE) i jejich konfigurace liší stát od státu a operátor od operátora, je zapotřebí rozsáhlé testování automobilu v reálném provozu (drive testing) ve všech regionech, pro které je určen. Takové testování je pracné, časově a logisticky náročné a také velmi drahé. Testování v silničním provozu přináší rovněž právní problémy či možnost vyzrazení prototypu. Navíc podmínky nejsou opakovatelné, testy nelze automatizovat a kvůli komplikované logistice je hledání chyb zdlouhavé.

Obvyklé metody testování radiových systémů automobilu využívají příliš jednoduché modely, které nedostatečně pokrývají reálné prostředí. Virtuální silniční testování (Virtual Drive Testing) a Automotive Over-The-Air (OTA) testování umožňuje komplexní a opakovatelnou simulaci reálného prostředí v laboratorních podmínkách, umožňuje nepřetržité automatizované testy a poskytuje informace o chování sítě, které jsou při klasickém silničním testování nedostupné. Přesun testování ze silnic do laboratorního prostředí přináší urychlení vývoje i finanční úsporu. V neposlední řadě lze tímto způsobem testovat i systémy, které zatím nejsou rozšířené, např. 5G, a tedy není možné testovat je jiným způsobem.

Nároky na testování

Šíření komunikačních signálů je ovlivněno širokou škálou faktorů ve všech vrstvách systému. Dynamické prostředí klade extrémní nároky na fyzickou vrstvu, kde je třeba vypořádat se s vysokými hodnotami Dopplerova frekvenčního posuvu, zpožděním signálu, LOS/NLOS šířením, extrémně rychlou fluktuací přijatého výkonu a četnými interferencemi. Na vyšších vrstvách jsou výzvou zejména časté a rychlé nebo multi-RAT (Radio Access Technology) předání spojení (handovery). Běžným úkazem v případě hromadné dopravy či dopravní zácpy je současné předávání spojení velkého množství uživatelů.

Nároky koncových uživatelů rostou jak z hlediska přenosové kapacity, tak dostupnosti a spolehlivosti datového přenosu. Kromě perfektní funkce telematické jednotky vozu (TCU) je na místě i optimalizace umístění antén na vozidlech, zejména při využití MIMO technologií. Počítačová simulace komplikovaných struktur o velikosti automobilu je problematická a nemusí poskytnout dostatečně přesné výsledky. Testování prototypů je tak nezastupitelnou součástí vývoje.

Virtual drive testing toolset

Systém nástrojů Keysight Nemo Virtual Drive umožňuje provádění věrohodných komplexních testů v laboratorním prostředí způsobem naznačeným na obr. 1. Je možné pořídit záznam signalizace datových sítí a identifikaci parametrů radiového signálu z reálného prostředí včetně zpoždění, úniků způsobených vícecestným šířením, MIMO korelačních dat a údajů o poloze z GPS. Takto získaný záznam, či jiný uživatelem definovaný scénář je poté v laboratoři věrně replikován s využitím simulátoru sítě Keysight Anite 9000 a emulátoru radiových kanálů Propsim F32. Ten je schopný v reálném čase emulovat dynamické parametry radiových kanálů zachycené či simulované Nemo Virtual Drive včetně emulace MIMO kanálů a beamformingu. Naměřená data lze importovat do Nemo Analysis Tools, které nabízí rozsáhlé možnosti analýzy a vizualizace včetně generování přizpůsobitelných protokolů o testování. Toolset podporuje GSM, WCDMA, HSPA, TD-SCDMA, LTE i WiFi systémy. Systém poskytuje i analýzu v aplikační vrstvě, tj. pro jednotlivé služby jako např. procházení webových stánek, přehrávání videa, SMS, MMS, hovor, atd.. Výsledkem je tak detailní analýza kvality služeb pro koncového uživatele v podobě metrik QoS, QoE (Quality os Service, Quality of Experience). Je možné testovat jak celý prototyp vozu, tak samostatnou TCU.

Replikace téměř reálných podmínek šíření signálu v laboratorním prostředí umožňuje rychlejší vývojový cyklus a zkrácení celkové doby vývoje a uvedení na trh. S komplexním testováním komunikačních systémů je také možné začít v rámci vývoje podstatně dříve. Odhalení případných chyb je tak jednodušší než v případě silničních testů s kompletním funkčním prototypem vozu.

Obr. 1: Zachycení Virtual Drive scénáře v reálném prostředí a jeho replikace v laboratorním prostředí.

Automotive OTA testování

Příklad architektury pro testování celých vozů či jejich radiových komponent je popsán na obr. 2. Testovaný objekt je umístěn v anechoické komoře a soustavou antén, zesilovačů a emulátorem radiových kanálů Propsim popsaného výše je replikováno téměř reálné prostředí včetně směru příchodu signálu (AoA, Angle of Arrival) a jeho prostorové diverzity. OTA zahrnuje testování downlinku i uplinku, tj. přenosu dat k uživateli i od uživatele. K emulaci základnové stanice může sloužit Keysight UXM Wireless Test Set. Kromě testování přijímače umožňuje UXM i testování vysílače včetně detailní analýzy radiového signálu, tj. fyzické vrstvy. Popsaná sestava umožňuje opakovatelné testy, včetně CTIA standardizovaných MIMO OTA testů, které mohou být využity i pro ověřování bezdrátové konektivity smart cars. Díky možnosti detailní analýzy fyzické vrstvy je tento systém vhodný například pro vývoj samotných radiových zařízení, anténních systémů automobilu a optimalizaci jejich umístění.

Obr. 2: Automotive OTA testovací architektura vhodná pro zjištění QoS koncového uživatele.

Shrnutí

Současné systémy emulace komunikačních sítí a radiových kanálů poskytují široké možnosti testování subsystémů moderních automobilů v laboratorních podmínkách. První z popsaných řešení, Nemo Virtual Drive, umožňuje komplexní testování komunikačních systémů automobilu, včetně analýzy kvality služeb v podmínkách reálné komunikační sítě. Zaměřuje se zejména na testování v pozdní fázi vývoje a nahrazuje náročné testování v reálném provozu. Druhé řešení, OTA testování, má blíže k fyzické vrstvě a je tak vhodné i pro vývoj a optimalizaci radiových systémů automobilu. Nabízí se aplikace v raném stadiu vývoje automobilu či ve vývoji jednotlivých radiových modulů.

Díky opakovatelnosti testů je možné lépe a rychleji identifikovat a řešit problémy. Vývoj finálního produktu je tak rychlejší. Laboratorní testy emulující reálné prostředí přinášejí možnosti automatizace a standardizace takovýchto testů. Přesun větší části testů ze silnic do laboratoře umožňuje začít s testováním dříve, dochází k zefektivnění vývoje a k úspoře finančních prostředků, např. na logistice.

Bližší informace získáte u společnosti H TEST a.s., která je prémiovým autorizovaným distributorem produktů Keysight Technologies pro Českou republiku, Slovensko, Maďarsko a Rakousko.