Standards in der Car-To-Car-Kommunikation
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Fallstudienarbeit | |
| Hochschule: | Hochschule für Oekonomie & Management |
| Standort: | Neuss |
| Studiengang: | Bachelor Wirtschaftsinformatik |
| Veranstaltung: | Fallstudie / Wissenschaftliches Arbeiten |
| Betreuer: | Prof._Dr._Uwe_Kern |
| Typ: | Fallstudienarbeit |
| Themengebiet: | Connected Cars |
| Autor(en): | André Reising, Deniz Yarba |
| Studienzeitmodell: | Abendstudium |
| Semesterbezeichnung: | |
| Studiensemester: | 2 |
| Bearbeitungsstatus: | begutachtet |
| Prüfungstermin: | |
| Abgabetermin: | |
1 Einleitung
Aufgrund noch immer hoher Unfallzahlen - mit vielen Verletzten und Toten - wird im Fahrzeugsektor nach Lösungen für dieses Problem geforscht. So wurden für das Jahr 2008 folgende Zahlen festgehalten:[1]
- Es gab insgesamt ca. 2,3 Millionen polizeilich erfasste Unfälle,
- mit insgesamt 413.524 verunglückten Personen,
- wovon 4.477 getötet wurden und 70.644 Menschen schwerverletzt wurden.
Der volkswirtschaftliche Schaden aller 2008 ereigneten Unfälle beläuft sich auf ca. 30
Milliarden Euro.
Statistisch gesehen sind die Hauptunfallursachen:
- Fehlverhalten gegenüber Fußgängern
- Alkoholeinfluss beim Fahrer
- Falsche Straßenbenutzung / Überholen
- Missachtung der Vorfahrt
- Überhöhte Geschwindigkeit und
- Zu geringer Abstand.
Gerade bei den letzten vier Punkten kann die Car-2-X Kommunikation helfen, die
Verkehrssicherheit zu erhöhen, indem Unfälle vermieden werden, bzw. Unfallfolgen
gemindert werden.
Diese Seminararbeit gibt einen breiten Überblick über das Thema Car-2-X Kommunikation. Zudem wird in dieser Arbeit auf die technischen sowie auf die organisatorischen Herausforderungen eingegangen.
Abb 1: Car-2-X Kommunikation in der Übersicht
2 Grundlagen
2.1 Definitionen
In diesem Kapitel werden die von der Car-to-Car Communications Consortium (C2CCC) definierten Standardszenarien aus den drei Anforderungsbereichen Sicherheit, Verkehr und Infotainment vorgestellt. Sie dienen bei der C2CCC für das bessere Verständnis welche Anforderung in der Car to X Kommunikation benötigt werden.
2.1.1 Connected-Cars
Unter Connected-Cars versteht man den direkten Austausch von Informationen zwischen Fahrzeugen untereinander und zwischen Fahrzeugen und der Infrastruktur, um in Zukunft die Anzahl von Verkehrsunfällen zu verringern und zu Optimierung von Verkehrsflüssen beizutragen.[2]
2.1.2 Car-To-Car - Kommunikation
Der Begriff Car to Car Kommunikation (Car2Car oder C2C) im engl. Vehicle-to-Vehicle (V2V) ist der Informations- und Datenaustausch zwischen Fahrzeugen mit dem Ziel, Fahrer frühzeitig vor Gefahren und Risiken zu warnen.[3] Seit Jahren basteln große Automobilhersteller an derartigen Car-to-Car-Kommunikations-Systemen, damit in der Zukunft auf den Straßen mehr Sicherheit herrscht. Folgende Verkehrssituationen können während einer Fahrt auftreten : Unfälle, Staus, Glatteis auf den Straßen oder eine Situation, wo ein Fahrer plötzlich abbremsen muss.[4] Durch die Car to Car Kommunikation könnten bald viele Unfälle der Vergangenheit angehören. Damit diese Erfindung funktioniert, müssen im Jahr 2015 so viele Fahrzeuge wie möglich mit der Technik ausgerüstet sein. Die Fahrzeuge von morgen kommunizieren drahtlos per Wireless-LAN 5,9 GHz und sind zusätzlich mit einem GPS-Sender ausgestattet. Der Austausch der Daten zwischen den Fahrzeugen läuft über „Ad-hoc“-Netzwerke. Wichtige Gefahrenmeldungen werden wie ein Staffelstab von einem Fahrzeug zum anderen weitergeleitet, da ein Fahrzeug gleichzeitig Sender und Empfänger ist.[5] Kommt ein Auto beispielsweise in einem Stau, erkennt das Navigationssystem die Situation und der Bordcomputer gibt eine aktuelle Lokale Verkehrsmeldung per WLAN an andere Fahrzeuge in der Umgebung weiter.[6]
Abb 2: Multihop Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation
2.1.3 Car-To-Infrastructur - Kommunikation
Der Begriff Car to Infrastruktur Kommunikation wird auch im engl. bezeichnet als Car- to-Infrastructure- Communication oder C2I- Communication. Dies ist die Kommunikation von Fahrzeugen mit der Verkehrsinfrastruktur. Es werden hochdynamische ad-hoc-Netzwerke zwischen den Fahrzeugen und Infrastruktureinrichtungen aufgebaut. Die relevanten Daten über das Verkehrsgeschehen, werden drahtlos untereinander ausgetauscht.[7] Auf viel befahrenen Straßen, gefährlichen Stellen usw. werden stationäre Transmitter (auch stationäre Infrastruktur, Roadside Units ( RSUs) genannt aufgestellt bzw. an vorhandener Infrastruktur wie z.B. Ampeln oder Notrufsäulen) angebracht.[8] Die Road Side Units bekommt in regelmäßigen, kurzen Zeitabständen Statusnachrichten z.B. Geschwindigkeit und Position von Fahrzeugen zugesendet, die ebenfalls von anderen Fahrzeugen und den RSU ausgewertet werden. Treten Ereignisse wie Unfall oder Stau auf, empfängt die RSU weitere zusätzliche gesendete Nachrichten von den Fahrzeugen oder anderen RSUs[9] Der Empfang von Daten über Ampelzustände, von Verkehrszeichen, Straßenzustand oder über freie Parkplätze wird durch die Kommunikation mit der Infrastruktur ermöglicht. So können an Ampeln Informationen über den Start der Grünphase übertragen werden, was eine Geschwindigkeitsanpassung des Fahrzeugs ermöglicht. Weiterhin können aus einem Fahrzeug Diagnoseinformationen gesendet werden. Der Austausch von Informationen über die Infrastruktur macht den Verkehr flüssiger und sicherer.[10]
Abb 3: Car-to-X
2.2 Gremien
2.2.1 Car-to-Car-Communication- Consortium (C2CCC)
Das Car-2-Car-Communication-Consortium ist eine Non-Profit-Organisation die aus den 6 großen europäischen Automobilhersteller, namhafter Zulieferer und Forschungsausrichtungen besteht . Ziel des Car 2 Car Communication Consortiums ist die Erhöhung der Verkehrssicherheit und die Verkehrsoptimierung. Dazu widmet sich das Consortium vorwiegend der Schaffung eines europaweiten Standards für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und der Verkehrsinfrastruktur (WLAN IEEE 802.11p)
Mitglieder sind:
Automobilhersteller: Audi, BMW, Volkswagen, Renault, DaimlerChrysler, Fiat
Zulieferer: Continental, Bosch, Siemens
Forschungseinrichtung: TU München, DLR, Fraunhofer Institut[11]
2.2.2 AKTIV
Die deutsche Forschungsinitiative „Adaptive und Kooperative Technologien für den Intelligenten Verkehr" (AKTIV) an der sind 29 Partner Projekt beteiligen, darunter Automobilhersteller und -zulieferer, Elektronik- , Telekommunikations- und Softwarefirmen sowie Forschungsinstitute. Die Partnern entwickeln neue Forschungsassistenzsysteme, Informationstechnologien sowie Lösungen für ein effizientes Verkehrsmanagement und für die Fahrzeug – Fahrzeug bzw. Fahrzeug – Infrastruktur –Kommunikation, mit dem Ziel, den Verkehr der Zukunft sicherer und flüssiger zu gestalten. Die Initiative Aktiv besteht aus 3 Projekten: (Verkehrsmanagement, Aktive Sicherheit, Cooperative Cars)[12]
2.2.3 simTD
"Sichere intelligente Mobilität-Testfeld Deutschland" (simTD)ist ein Gemeinschaftsprojekt führender deutscher Automobilhersteller, Automobilzulieferer, Kommunikationsunternehmen und Forschungsinstitute. Die Bundesministerien für Wirtschaft und Technologie (BMW i), Bildung und Forschung (BMBF), Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) sowie das Land Hessen und die Stadt Frankfurt unterstützen und fördern das Projekt simTD. Durch die Erforschung und Erprobung der Car-to-X-Kommunikation und ihrer Anwendungen gestaltet das Forschungsprojekt simTD die sichere und intelligente Mobilität von morgen. Im Hessischen Rhein-Main-Gebiet befindet sich das simTD Testfeld. Das unter realen Bedingungen die Car-to-X- Kommunikation mit bis zu 400 Fahrzeugen und mehr als 100 ITS Roadside Stations der Verkehrszentrale Hessen (VZH) und der Integrierten Gesamtverkehrsleitzentrale Frankfurt (IGLZ) erproben soll.
Einige Hauptziele des simTD:
Der Einsatz der Car –to-X-Kommunikation erhöht die Verkehrssicherheit und steigert die Leistungsfähigkeit des bestehenden Verkehrsnetzes.
In einem praxisorientierten Test und Versuchsfeld sollten die wissenschaftlichen Fragestellungen beantwortet werden.
Aus den Bereichen Verkehrseffizienz, Fahren und Sicherheit sowie ergänzende Dienste werden die Car-to-X-Funktionen zusammengeführt.
Für die beschriebenen Funktionalitäten und Anwendungen werden Einführungsszenarios definiert und validiert.
Mitglieder der simTD:
Automobilhersteller: Audi, BMW, Daimler, Ford, Opel, Volkswagen
Automobilzusteller: Bosch, Continental
Netzbetreiber: Deutsche Telekom
Wissenschaft: Fraunhofer ,Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI),Technische Universität Berlin, Technische Universität München, Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, Universität Würzburg
Öffentliche Einrichtungen: Hessisches Landesamt für Straßen und Verkehrswesen, Stadt Frankfurt am Main[13]
2.3 Szenarien in der C2C/C2I – Kommunikation
2.3.1 Sicherheitsszenarien
2.3.1.1 Cooperative Forward Collision Warning
Die Cooperative Forward Collision Warning soll die Anzahl der Auffahrunfälle im Straßenverkehr vermeiden oder minimieren. Alle Fahrzeuge tauschen untereinander Informationen wie Position, Richtung und Geschwindigkeit aus. Jedes Fahrzeug beobachtet dabei die Aktivitäten der Fahrzeuge in seiner Nähe. Ein Sensor berechnet den Bereich vor dem Fahrzeug wenn es sich an ein anderes Fahrzeug nähert, wird der Fahrer dann durch Ton-und Licht-Signale alarmiert. Falls ein Zusammenstoß in Sicht ist und der Fahrer nicht reagiert wird das Auto automatisch abgebremst so das die Folgen bei Unfall möglichst gering sind.
2.3.1.2 Pre-Crash Sensing/Warning
Pre-Crash Warning setzt dort an wo Cooperative Forward Collision Warning aufhört. Ist ein Unfall unvermeidlich tauschen die Fahrzeuge Informationen über Größe und Gewicht aus. Notfallsysteme wie Air- Bag -oder Gurtsysteme werden dann vor dem Aufprall so optimiert, das Sie für die Insassen die bestmögliche Sicherheit garantieren.
2.3.1.3 Hazardous Location Warning
Stellt ein Fahrzeug über die eingebauten Sensoren gefährliche Fahrbahneigenschaften wie Glatteis, Aquaplaning, Scharfe Kurven oder andere Hindernisse fest , gibt es diese Information an Fahrzeuge in der Umgebung weiter. Auf dieser Weise kann der Fahrer durch Hazardous Location Notification seine Fahrweise an die Straßenverhältnisse anpassen und so Risiken minimieren.
2.3.2 Verkehrseffizienz
2.3.2.1 Enhanced Route Guidance and Navigation
Roadside Units erhalten von den Fahrzeugen permanent Informationen über Positionen, Fahrtrichtungen und Geschwindigkeit. Auf diese Weise können Zentralstellen Informationen über überfüllte Straßen, Stau, Baustellen, Unfälle, und Sperrungen an die Fahrzeuge zurückgeben. Beim Enhanced Route Guidance Navigation stellt des Navigationssystem dem Fahrer optimale Ausweichrouten zur Verfügung.
2.3.2.2 Green-Light Optimal Speed Advisory
Durch fest installierte Einheiten können innerhalb des Stadtverkehrs Informationen über Grünphasen ins Netz übertragen werden, so das die optimale Geschwindigkeit des Fahrzeugs eingerichtet werden kann und somit ein besser Verkehrsfluss gewährleistet wird.
2.3.2.3 V2V Merging Assistance
Beim Einordnen und Spurwechsel eines Autos findet eine Kommunikation zwischen den Fahrzeugen statt. So kann die optimale Geschwindigkeit geliefert für die Manöver geliefert werden. Mit Hilfe des Merging Assistant wird der Verkehrsfluss aufrechterhalten.
2.3.3 Infotainment
2.3.3.1 Internet Access in Vehicle
Über die Netzverflächtung zwischen den Fahrzeugen soll mit Hilfe der Route Side Units die über einen Internetanschluss verfügen ein Internetzugang für alle Fahrzeuge zu Verfügung gestellt werden.
2.3.3.2 Point of Interest Notification
Das Point of Interest Notification ermöglicht die Verbreitung verschiedenster eigener Informationen in näheren Umkreis, so dass andere Fahrer diese erhalten. Intelligente Filter müssen jedoch um Ablenkungen durch unnötige Informationen zu vermeiden, eingerichtet werden. Ein Beispiel wären Tankstellen mit Kraftstoffpreisen.
2.3.3.3 Remote Diagnostics
Unter Remote Diagnostics kann die Heimwerkstatt technische Informationen und Fehlercodes des Fahrzeugs auslesen, falls das Fahrzeug einmal liegen geblieben ist. So kann dem Fahrer über Ferndiagnostiks ggf. ein Abschleppdienst erspart bleiben.
3 Übertragungsstandards in der Car-to-X Kommunikation
3.1 Komponenten
Abb 4: Architektur
In-Vehicle Domain:
Die In-Vehicle Domain beschreibt die Komponten im Fahrzeug und besteht im Wesentlichen aus der sogenannten OnBoard Unit und der Application Unit. Die Applikation Unit bezeichnet das User-Interface, also die Komponenten mit denen Fahrer oder Passagier die OnBoard Unit bedienen können. Dabei kannst es sich um eine fest eingebaute Komponente oder aber um portable Geräte wie Navigationssysteme, PDA’s, Spielekonsole o.ä. handeln. Die OnBoard Unit ist verantwortlich für die Kommunikation. Sie steuert die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Fahrzeugen und Road Side Units und gibt Daten an die Applikation Unit weiter.
Ad-hoc Domain:
Die Ad-hoc Domain besteht aus den OnBoard Units und den Road Side Units. Die einzelnen Units bilden das ad-hoc Fahrzeugnetz (VANET). Das ad-hoc Netz ermöglicht die Kommunikation der Units ohne zentrale Kommunikationseinheit. OnBoard Units stehen entweder über eine direkte drahtlos Verbindung in Kontakt oder indirekt über multi-hop Kommunikation in Verbindung.
Infrastructure Domain:
Die Infrastructure Domain umfasst öffentliche oder private Sender die Zusatzdienste in der C2C-Kommunikation zur Verfügung stellen. Behörden, Telefonanbieter, lokale HotSpots für den Internetzugang usw..
Typische Übertragungstechniken hier sind GPS, UMTS, HSDPA, WiMax, LTE
3.2 Der WLAN IEEE 802.11 - Standard
Der IEEE 802.11 wurde vom ieee erstmals 1997 veröffentlicht und beschreibt einen Standard für den Zugriff in einem drahtlosen Netzwerk. Dabei werden die Schicht eins und zwei definiert. Die Schicht eins, der sogenannte Physical Layer stellt die physikalisch-technischen Eigenschaften für die Verbindung zur Verfügung. Die Schicht zwei hat mehrere Funktionen. Zum einen der Data Link Layer, der das Zugangsverfahren definiert und die Kommunikationspartner adressiert. Der sogenannte Media Access Control der eine gesicherte Übertragung zur Verfügung stellt und einige wenige potenziell mögliche Übertragungsfehler ausgleicht und das Logical Link Control, die Verbinddungskontrolle, die Datenpakete definiert und Fehler bei der Übertragung erkennt. Seit 1997 sind unter den Projektnamen 802.11 a, 802.11b, 802.11g und 802.11e einige Varianten des Standards veröffentlicht worden.
Das IEEE 802.11a nutzt das 5 GigaHertz Band und schafft Übertragungsraten von 54 MBit/s. Die einzelnen Bänder des IEEE 802.11a Standards die in Deutschland im Frequenzbereich von 5,15 bis 5,25 GHz und 5,47 bis 5,725 GHz liegenmüssen bei der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post für die Nutzung beantragt werden.
Der 802.11b Standard wurde nahezu zeitgleich mit dem Standard 802.11a freigeben. Die Frequenzbänder hierfür können jedoch frei verwendet werden, weshalb sich dieser Standard auch schneller verbreitet hat. Der 802.11a Standard arbeitet im 2,4 GHz Frequenz Band und schafft Übertragungsraten von bis zu 11 MBit/s.
Der Standard 802.11g kombiniert die Vorteile der Standards 802.11a und 802.11b. Benutzt wird wie im Standard 802.11b das 2,4 GHz Frequenz Band schafft jedoch Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 54 MBit/s.
IEEE 802.11e ist um die sogenannte QoS-Unterstützung erweitert. Quality of Service (QoS) beinhaltet eine Reihe von Qualitätsanforderungen an eine WLAN-Verbindung.
Der Standard 802.11p ist eine Entwicklung speziell für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen untereinander und der Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und stationären Komponenten am Fahrbahnrand. Hauptziele beim Einsatz des 802.11p sind die Erhöhung der Verkehrssicherheit und Schaffung von zuverlässigen Notfalldiensten. Damit steigen auch die Anforderungen an solch einen Standard. Hohe Zuverlässigkeit und eine möglichst niedrige Latenz (Datenaustausch innerhalb von hundertstel Millisekunden). Dazu verwendet der Standard 802.11p den Physical Layer des 802.11a um die physikalisch-technischen Eigenschaften der Verbindung zur Verfügung zu stellen. Die Regulierungsbehörde hat den Frequenzbereich zwischen 5,850 GHz und 5,925 GHz für die WLAN-Übertragung in der Car-to-X – Kommunikation freigegeben.
3.3 IEEE 802.11p - WAVE
Im Standard 802.11p kommt im Media Access Control Layer mit dem AIFS (Aribitration Interframe Access) eine Art Warteschleife hinzu, die nach einem Prioritätensystem den Zugang für Anfragen frei gibt. So wird sichergestellt, dass Notfallanfragen priorisiert verarbeitet werden können und nicht durch weniger wichtige Anwendungen blockiert werden.
Das WAVE, Wireless Access Invehicular Ebviroment, kommunizieren zwei unterschiedliche Arten von Komponenten. Einerseits die OnBoard Units in den Fahrzeugen, andererseits die RoadSide Units die stationäre am Fahrbahnrand aufgestellt sind. Die Netzwerktopologie im 802.11p stellt im Gegensatz zu den anderen 802.11-Varianten nur einen lockeren Grunddienst zur Verfügung. Grunddienst heißt, dass keine Prüfung der Authentifizierung stattfindet. Auch wird das Vorhandensein einer tatsächlich vorhandenen Verbindung nicht Voraussetzung.
Die Datenpakete im WAVE werden mit einem Zeitstempel und der Position des Senders versehen. Die Position wird dabei mit Hilfe eines GPS-Empfänger ermittelt. Empfänger des übermittelten Datenpaketes überprüfen an Hand dieser Informationen die Gültigkeit Datenpaketes.
WAVE ist ein Kommunikationssystem mit Protokollstack, unterstützt TCP/IP und hat eine eigene Netzwerk- und Protokoll-Schicht. Das WAVE-Stack besteht aus den von der IEEE entwickelten Standards 1609.1, 1609.2, 1609.3 und 1609.4.[14]
Abb 5 - Protokoll-Architektur C2CCC
IEEE 1609.1 ist ein „Quellenmanager“ auf Schicht 7 dem Application Layer und ermöglicht die multiplexe Kommunikation zwischen einem Sender und mehreren Empfängern.
IEEE 1609.2 beinhaltet die notwendigen Sicherheitsmechanismen für die Kommunikation
IEEE 1609.3 stellt mit dem Wave Short Massage Protokoll (WSMP) Netzwerk- und Transport-Protokolle zur Verfügung. Eigenschaften wie die Zuteilung der Kanalnummer und Kanalleistung die im 802.11 im MAC-Layer liegen werden im IEEE 1609.3 übernommen und damit von der physikalisch-technischen Grundschicht in den Tranport-Layer (Schicht 4 – OSI-Referenzmodell) angehoben.
IEEE 1609.4 liefert den Steuerkanal bzw. die Kanäle für die multiple Kommunikation und liefert so die Grundlage für die Kommunikation.[15]
Abb 6 - WAVE - Protokoll-Stack
3.4 Weitere Übertragungsarten in der C2C Kommunikation
3.4.1 Global System for Mobile Communications (GSM)
GSM ist eine weltweit kompatible Übertragungstechnik im Mobilfunknetz mit einer großen Reichweite von bis zu 40 Kilometern. Jedem Benutzer wird dabei (virtuell) für die Dauer einer Übertragung ein Kanal zur Verfügung gestellt. Zur Übertragung werden die übermittelten Daten in Pakete zerlegt. Über die Zerlegung der Pakete ist es möglich, dass ein Kanal durch das Zeitmultiplexingverfahren von bis zu acht Benutzern gleichzeitig benutzt werden kann. GSM bietet eine Reihe verschiedener Dienste wie Sprach- und Faxdienste aber auch den SMS-Dienst an. Man nennt die GSM-Netze auch „2G-Netze“ – Mobilfunknetze der zweiten Generation. HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) und GPRS (General Packet Radio Service) sind Weiterentwicklungen der GSM-Technik. Beim HSCSD werden die Zeitschlitze gebündelt was zu einer höheren Übertragung der Nutzdaten eingesetzt werden kann. Die Datenübertragung erfolgt mittels Paketvermittlung. Dabei werden einzelne Pakete auf dem Weg in Vermittlungsstellen zwischengespeichert und weitergeleitet, bis sie den Empfänger erreichen.
3.4.2 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS / HSPA)
UMTS ist ein ebenfalls eine Mobilfunktechnik. Sie stellt keine Weiterentwicklung der GSM-Technik dar. Man spricht im Zusammenhang mit UMTS auch von „3G-Netzen“ – Netzen der dritten Generation. UMTS unterscheidet vier Zellgrößen (Piko-, Mikro-, Makro und Satellitenzelle) bei der Übermittlung, die hierarchisch aufgebaut sind und so unterschiedliche maximale Übertragungsraten in einzelnen Zellen zur Verfügung stellt.
3.4.3 Long Term Evolution (LTE)
Auch LTE ist eine Neuentwicklung in der Mobilfunktechnik. Man spricht auch von „4G-Netzen“ – Netzen der vierten Generation.
Ein großer Vorteil von LTE sind die geringen Latenzzeiten, die Verzögerungszeiten vom Handy bis zum Festnetz sind kleiner als 5 ms! Ebenfalls wichtig für eine Mobilfunktechnik sind die Mobilitätseigenschaften, bei LTE gibt es eine Optimierung der Mobilitätseigenschaften für geringe Bewegungsgeschwindigkeiten von 0 bis 15 km/h, möglich sind jedoch bis zu 500 km/h. Gerade diese Eigenschaften machen LTE besonders interessant für die Car-to-X Kommunikation.
3.4.4 Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX / IEEE 802.16)
WiMAX bezeichnet Standards für die Entwicklung von drahtlosen Städtenetzen über die WLAN-Infrastrukturen verbunden werden können. Der Standard 802.16 erlaubt Zellgrößen bis zu 50 MBit/s und ermöglicht Datenraten für einen Endabnehmer bis zu 70 MBit/s.
3.4.5 Digital Video Broadcasting (DVB)
DVB bezeichnet in technischer Hinsicht die standardisierten Verfahren zur Übertragung von digitalen Inhalten (Fernsehen, Radio, etc.). Durch Datenkompression können im Vergleich zur analogen Fernsehübertragung mehr Programme pro Sendekanal übertragen werden. Die Qualität ist dabei vielfältig anpassbar; je stärker die Daten komprimiert werden, desto mehr Programme können gleichzeitig übertragen werden, im Gegenzug sinkt die Qualität oder steigt der Rechenaufwand. Eine Form des DVB ist das DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial). DVB-T ist eine Variante des Digital Video Broadcasting (DVB), die für die Übertragung von digitalem Fernsehen und Hörfunk per Antenne verwendet wird.
4 Anwendungsstandards
Das Kapitel 5 beschreibt Anwendungsfälle die als Standardszenarien von der C2CCC definiert worden. Diese Anwendungsfälle sind beispielhaft und beschreiben die Potenziale in Bezug auf die Themen Sicherheit, Verkehrsoptimierung und Infotainment. Das C2CCC definiert sechs unterschiedliche Standardanwendungsfälle die hinsichtlich der Anforderungen an die Sicherheit und ihrer Mechanismen alle nötigen Funktionen für beliebige, denkbare Szenarien liefern.
4.1 Vehicle 2 Vehicle Communication
4.1.1 Vehicle 2 Vehicle Cooperative Awareness
V2V Cooperative Awareness bildet die Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und den Fahrzeugen in seiner Umgebung ab. Der Informationsaustausch ohne kontinuierliche Verbindung zwischen den Fahrzeugen steht hier im Focus. Fahrzeuge im Umfeld von 300 bis 1000 m sollen Informationen austauschen. Dabei wird unterschieden zwischen Boadcast und Geocast Verbindungen.
Abb 7 - Vehicle 2 Vehicle Cooperative Awareness
Das sendende Fahrzeug stellt die für diesen Anwendungsfall benötigten Daten zusammen, verfasst Sie in einer Nachricht und entscheiden über welche Form der Verbindung die Nachricht übertragen wird.
Der Empfänger identifiziert ob die Nachricht für ihn gedacht ist. Wenn ja entschlüsselt er die Nachricht und wertet Sie aus. Danach werden entsprechende Informationen an das Fahrzeugsystem weitergegen, dass Fallbezogen reagiert.
Anwendungsfälle sind: V2V Merging Assistance, Cooperative Forward Collision Warning, Emergency Electronic Brake Lights, V2V Lane Change Assistance, Approaching Emergency Vehicle Warning, Highway/Rail Collision Warning, Wrong Way Driving Warning, Cooperative Glare Reduction, Cooperative Adaptive Cruise Control
4.1.2 Vehicle 2 Vehicle Unicast Exchange
Ermöglicht die Verbindung zwischen Fahrzeugen zum Informationsaustausch. Besteht aus den vier Phasen Entdeckung, Verbindung, Aufrechterhaltung und Schließung. Die Verbindungsart ist Unicast mit einer Reichweite von 0 m bis 5 Km.
Abb 8 - Vehicle 2 Vehicle Unicast Exchange
Aufgrund eintretender Ereignisse wird ein Fahrzeug in der Endeckungsphase dazu veranlasst Fahrzeuge zu suchen für die diese Informationen von Interesse sind. Gibt es ein entsprechendes Fahrzeug sendet der Initiator eine Verbindungsanfrage. Der Responder entscheidet, ob er die Verbindungsanfrage annimmt. Die Verbindung wird bidirektional direkt zwischen zwei Fahrzeugen aufgebaut. Die entsprechenden Informationen werden ausgetauscht. Dabei kann der Initiator jederzeit die Verbindung beenden.
Anwendungsfälle sind: Pre-Crash Sensing/Warning, V2V Merging Assistance, Cooperative Vehicle-Highway Automation System (Platoon), Instant Messaging
4.1.3 Vehicle 2 Vehicle Decentralized Environmental Notification
Stellt Informationen über Ereignisse und Straßeneigenschaften zur Verfügung, die für bestimmmte Zeit in einer bestimmten Region interessant für Fahrzeuge oder Fahrer sind.
Abb 9 - Vehicle 2 Vehicle Decentralized Environmental Notification
Die Informationen werden bei diesem Anwendungsfall direkt zwischen den Fahrzeugen ausgetauscht. Die Verbindungsart ist broadcast, bzw. geocast. Due die Weitergabe von Fahrzeug zu Fahrzeug können in diesem AnwendungsfallReichweiten bis 20 Kilometer erreicht werden. Road Side Units übernehmen in diesem Anwendungsfall die gleiche Funktion wie die Fahrzeuge.
Einige Eigenschaften dieses Anwendungsfalls unterscheiden sich dabei deutlich von den vorhergegangenen Anwendungfällen:
• Der Nachricht wird eine zeitliche Gültigkeit mitgegeben.
• Die Reichweite ist durch die mehrfache Weitergabe von Fahrzeug zu Fahrzeug deutlich höher.
• Ein Ereignis kann von unbegrenzten Fahrzeugen initialisiert werden (z.B. Stauende).
• Nachrichten von verschiedenen Fahrzeugen oder Nachrichten mit unterschiedlichem Inhalt können mit unterschiedlicher Priorität versehen werden.
• Die Kommunikationsverbindungen werden nicht geprüft oder garantiert.
Dedektoren sollen folgende Ereignisse erkennen:
- Gefährliche Ereignisse, wie z.B. starkes Abbremsen, Warnlichter, Stau, Nebelanfang = Nebellicht & Geschwindigkeitsverkleinerung.
- Fahrbahnbeschaffenheit, z.B. Hindernisse, Wind, Steigungen, scharfe Kurven.
- Gefährliche Erreignisse auf Grund von Umgebungsvariablen. Ermittlung erfolgt über Induktionsschleifen, Sicht-Sensoren und Wind-Sensoren an den Brücken.
Der Ditektor bildet aus den gesammelten Informationen eine Nachricht und setzt an Hand von Schematabellen die Gültigkeit und die Priorität.
Der Sender übermittelt die Nachricht braodcast, bzw. geocast.
Das Nachrichtenmanagementsystem soll:
- Mitteilungen speichern.
- Mitteilungen mit gleichen Ereignis- oder Fahrbahninformationen anhand von Schematabellen in Bezug auf Gültigkeit und Priorität prüfen.
- überflüssige Mitteilungen erkennen.
- die Richtigkeit der gesammelten Informationen überprüfen (z.B. Höchstgeschwindigkeiten trotz berichtetem Stau). Falsche Mitteilungen werden zurückgewiesen und Gegenmitteilungen versendet.
- gesammelte Informationen verteilen und Nachrichten mit höherer Priorität an Absender weiterleiten.
- potentielle Empfänger von Mitteilungen identifizieren,
- und die relevanten Informationen weiterleiten.
Die übermittelten Nachrichten bestehen aus drei Teilen:
1. Parameter für das Mitteilungsmanagement (Mitteilungs-ID, Zeitstempel, Priorität, Gültigkeit, Endezeit der Mitteilung, Authentifikation)
2. Positionsinformationen des Senders (Ereignisposition, Fahrzeugporition; über die Betrachtung der Ereignisposition und der Fahrzeugposition wird der Weg des Senders ermittelt.)
3. Ereignis- und Straßenzustandinformationen (Ereignis- oder Fahrbahninformationen werden unter Verwendung einer standardisierten Schematabelle kodiert.)
Anwendungsfälle sind z.B.: Slow Vehicle Warning, Post-Crash Warning, In-Vehicle Amber Alert, Safety Recall Notice, Traffic Jam Ahead Warning, Hazardous Location V2V Notification, Safety Service Point, Decentralized Floating Car Data
4.2 Vehicle 2 Infrastructrue Communication
4.2.1 Infrastructure 2 Vehicle (One-Way)
Diese Anwendung beschreibt die Kommunikation zwischen Road Side Units (RSUs) und den Fahrzeugen ohne dauerhafte Kommunikationsverbindung zwischen Fahrzeug und RSUs. Roas Side Units übertragen dabei die Informationen zu allen umgebenden Fahrzeugen. Die Verbindungsart ist broadcast, bzw. geocast mit einer Reichweite zwischen 300 m und 5 Kilometer.
Abb 10 - Infrastructure 2 Vehicle (One-Way)
Die Road Side Units sind in einem eigenen Netzwerk untereinander und mit einer Zentralstelle vernetzt. Über die Zentralstelle können Informationen für die Fahrzeuge an die entsprechenden Road Side Units weiter gegeben werden.
Anwendungsfälle sind, z.B. Hazardous Location I2V Notification, Green Light Optimal Speed Advisory, Traffic Optimization.
4.2.2 Local RSU Connection
Dieser Anwendungsfall beschreibt die Übermittlung von Daten zwischen einer Road Side Unit und einem Fahrzeug. Die Verbindung ist bidirektional und unicast mit einer Reichweite bis zu einem Kilometer.
Abb 11 - Local RSU Connection
Zwei Hauptanwendungsbereiche werden für diesen Fall unterscheiden:
1. Abruf von regionalen Informationen. Hier stellt die RSU der Onboard-Unit im Fahrzeug keine Übersicht der Informationen zur aktuellen Umgebung zur Verfügung. Der Anwender entscheidet welche Detailinformationen er abrufen möchte. Das Fahrzeugsystem sende einen entsprechende Anfrage an die Road Side Unit. Die Road Side Unit stell die entsprechenden Informationen zur Verfügung.
2. Warnung vor Einsatzfahrzeugen. Ein Einsatzfahrzeug betritt den Empfangsbereich der Road Side Unit und gibt entsprechende Informationen weiter. Fahrzeuge im Sendebereich der Road Side Unit werden über das herannahende Einsatzfahrzeug informiert.
Anwendungsfälle sind z.B. Automatic Access Control, Personal Data Synchronization at Home, Infrastructure-based Cooperative Merging Assistance, Remote Diagnostics, Free-flow Tolling, Drive-through Payment, Remote Diagnostics, Vehicle Computer Program Updates, Signal Violation Warning / Signal Preemption
4.2.3 Internet Protocol Roadside Unit Connection
Unterstützt Services, die dem Fahrer von Servern im Internet angeboten werden. Ist die Road Side Unit mit dem Internet verbunden, kann ein Fahrzeug über das Standard Internetprotokoll eine IP-Adresse beziehen und Services aus dem Internet in Anspruch nehmen.
Abb 12 - Internet Protocol Roadside Unit Connection
Drei Haupranwendungsbereiche werden unterschieden:
1. Real Time Traffic Information: Der Fahrer definiert einen Zielort. Über den Internetanschluss werden bei der Routenermittlung, aktuelle Verkehrsmeldung einbezogen und so die schnellste Route berechnet.
2. In-Route Hotel Reservations: Gibt der Fahrer seinen Bestimmungsort ein werden mögliche Hotels, Gaststätten, etc. anzeigt. Auswahl über Bewertungen und Reservierung sind hier möglich.
3. Instant Messaging: Instant Messaging Dienste via Internet können vom Fahrer oder Passagieren benutzt werden.
Anwendungsfälle sind z.B. SOS Services, Just-In Time Repair Notification, Media Download, Map Downloads and Updates, Enhanced Route Guidance and Navigation, Fleet Management, Instant Messaging[16]
5 Datenschutz und Sicherheit
Die C2X Kommunikation kann nur dann zu einem Erfolg führen, wenn verhindert wird, dass Hacker sich nicht in das System einloggen können, um Bewegungsmuster von Fahrzeugen zu erstellen, Nachrichten abzuhören oder schlimmer noch: falsche Warnmeldungen einspeisen können. Um zu verhindern, dass der Fahrer geortet werden kann bzw. Bewegungsmuster bestimmter Personen erstellt werden können, hat man sich darauf geeinigt, dem Fahrzeug nur eine temporäre Identifikation zu geben. Dies bedeutet, dass sich das Fahrzeug in bestimmten Abständen eine neue Identifikation generiert, womit es nicht möglich ist, ein Fahrzeug zu verfolgen. Sichere Meldungen sollen durch eine elektronische Signatur bzw. Authentifizierung ermöglicht werden. Da dieses Thema derzeit untersucht wird, kann noch keine genaue Spezifikation der Schlüsselformen gegeben werden. Derzeit werden die Verschlüsselungsalgorithmen RSA und ECC (Elliptic Curve Cryptography) untersucht, ob diese in VANETs eingesetzt werden können. Bezüglich Datensicherheit in VANETs forscht die Projektgruppe SeVeCom nach passenden Methoden und Mechanismen, um optimalen Datenschutz in C2X Systemen zu gewährleisten.
6 Herausforderungen / Ausblick
Die wesentlichen noch fehlenden Komponenten für das C2C-System sind einerseits ein effizientes Multi-hop-Protokoll, also das Weiterleiten von Nachrichten von Fahrzeug zu Fahrzeug, und andererseits ein Mechanismus, der bei einer sehr großen Zahl von C2C-Teilnehmern das Verstopfen des Kontrollkanals verhindert, etwa im Verkehrsstau. Forschungsprojekte wie Fleetnet, Network on Wheels und Prevent haben bereits Protokollerweiterungen dafür untersucht, aber noch mangelt es an einem einheitlichen Standard, den alle Autohersteller implementieren können.
7 Fazit
Die Herausforderungen der Car2Car-Communication lassen sich in technische und betriebswirtschaftliche Aspekte aufteilen. Durch die Verbreitung von Wireless LAN im öffentlichen und privaten Bereich werden die Fahrzeughersteller um die Einführung in das Automobil nicht herumkommen, so dass die technischen Probleme jetzt gelöst werden müssen. Die Schaffung eines robusten Funksystems für alle sinnvollen Anwendungen im Fahrzeugumfeld ist machbar. Auch die Integration von sicherheitsrelevanten Anwendungen und normalen Internetanwendungen ist möglich, so dass nach Einführung von Wireless LAN im Fahrzeug auch neue Fahrzeug-Fahrzeug Anwendungen realisiert werden können. Dieses könnte schon in der nächsten Fahrzeuggeneration der Fall sein. Als größte Herausforderung stellt sich im Moment die Security dar. Hundertprozentige Sicherheit wird es nicht geben können, daher ist die Einführung von Funktionen wie „Selbstorganisierender Verkehr“ oder „Konvoi“ - wenn überhaupt - erst in einigen Jahren zu erwarten.
8 Abkürzungsverzeichnis
AIFS - Aribitration Interframe Access
C2C – Car to car
C2CCC - Car-to-Car Communications Consortium
C2I – Car to Infrastructure
DVB - Digital Video Broadcasting
DVB-T - Video Broadcasting Terrestrial
GPRS - General Packet Radio Service
GPS – Global Positioning System
GSM - Global System for Mobile Communications
HSCSD - High Speed Circuit Switched Data
HSPA – High Speed Packet Access
ieee – Institute of Electrical and Electronics Engineers
LTE - Long Term Evolution
QoS – Quality of Service
RSU – Roadside Unit
SimTD – sichere intelligente Mobilität – Testfeld Deutschland
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
V2V – Vehicle to Vehicle
V2I – Vehicle to Infrastructure
VANET – Vehicular Ad Hoc Network
WAVE - Wireless Access Invehicular Enviroment
WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN – Wireless Local Area Network
WSMP - Wave Short Massage Protokoll
9 Abbildungsverzeinis
Abb 1: Car-2-X Kommunikation in der Übersicht (Quelle: www.volkswagenag.com)
Abb 2: Multihop Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation (Quelle: www.dlr.de)
Abb 3: Car-to-X (Quelle: Projekt simTD)
Abb 4: Architektur (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 5: Protokoll-Architektur C2CCC (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 6: WAVE - Protokoll-Stack (Quelle: www.ceres.hh.se)
Abb 7: Vehicle 2 Vehicle Cooperative Awareness (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 8: Vehicle 2 Vehicle Unicast Exchange (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 9: Vehicle 2 Vehicle Decentralized Environmental Notification (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 10: Infrastructure 2 Vehicle (One-Way) (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 11: Local RSU Connection (Quelle: C2CCC Manifesto)
Abb 12: Internet Protocol Roadside Unit Connection (Quelle: C2CCC Manifesto)
10 Fußnoten
- ↑ Statistisches Bundesamt Deutschland: Statistisches Jahrbuch für die Bundesrepublik Deutschland 2008: https://www-ec.destatis.de/csp/shop/sfg/bpm.html.cms.cBroker.cls?cmspath=struktur,vollanzeige.csp&ID=1022845
- ↑ IMST GmbH, Leitprojekt Connected-Car™: http://www.imst.eu/imst/de/forschung/connectedcar.php?navanchor=2110015
- ↑ Wikipedia.org – Car 2 Car Communication: http://de.wikipedia.org/wiki/Car2Car_Communication
- ↑ 4. Focus Online, Autos schlauer als Fahrer, Autor: S. Grundhoff, 01.12.2008 http://www.focus.de/auto/ratgeber/sicherheit/assistenzsysteme/car-to-car-kommunikation-autos-schlauer-als-fahrer_aid_345880.html
- ↑ Frankfurter Allgemeine Zeitung , Das Auto im unsichtbaren Netz der Sicherheit, Autor: Michael Spehr, 23. April 2008:http://www.faz.net/s/Rub58F0CED852D8491CB25EDD10B71DB86F/Doc~E516C44DC8CA8498F85F85600B26594C2~ATpl~Ecommon~Scontent.html
- ↑ Heise Online, Forschungsministerium fördert Car-2-Car-Kommunikation mit 4 Millionen Euro, Autor: Peter-Michael Ziegler, 16.12.2004 http://www.heise.de/newsticker/meldung/Forschungsministerium-foerdert-Car-2-Car-Kommunikation-mit-4-Millionen-Euro-122242.html
- ↑ Handbuch Fahrerassistenzsystem, Autor: , Verlag: Vieweg & Teubner Gabler GWV Fachverlage GmbH, 2009, ISBN: 978-3-8348-0287-3 : http://books.google.de/books?id=UqlYIaso3yoC&pg=PA617&dq=car+to+infrastruktur+kommunikation&cd=5#v=onepage&q=car%20to%20infrastruktur%20kommunikation&f=false
- ↑ Mehrseitig sichere Ad-hoc-Vernetzung von Fahrzeugen, Autor: Klaus Plößl, Verlag: Gabler GWV Fachverlage GmbH, 2009, ISBN: 978-3-8349-1462-6: http://books.google.de/books?id=MfSNz38-6h8C&pg=PA8&dq=car+to+infrastruktur+kommunikation&cd=7#v=onepage&q=car%20to%20infrastruktur%20kommunikation&f=false
- ↑ Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK, Car-to-Roadside Communication, Dipl.-Ing. Josef Jiru, Dr.-Ing. Dirk Eilers http://www.esk.fraunhofer.de/projekte/automotive/c2r.jsp
- ↑ Handbuch Fahrerassistenzsystem, Autor: , Verlag: Vieweg & Teubner Gabler GWV Fachverlage GmbH, 2009, ISBN: 978-3-8348-0287-3 : http://books.google.de/books?id=UqlYIaso3yoC&pg=PA617&dq=car+to+infrastruktur+kommunikation&cd=5#v=onepage&q=car%20to%20infrastruktur%20kommunikation&f=false
- ↑ Internetseite C2CCC: http://www.car-to-car.org/
- ↑ 11. Internetseite Projekt AKTIV: http://www.aktiv-online.org/deutsch/projekte.html
- ↑ 12. Internetseite Projekt simTD: http://www.simtd.de/index.dhtml/544c0f63ec4c532164jb/-/deDE/-/CS/-/Konsortium
- ↑ K. Bilstrup, " A survey regarding wireless communication standards intended for a high-speed vehicle environment," Technical Report IDE0712, Halmstad University, Sweden, February, 2007: http://ceres.hh.se/egroupware/sitemgr/sitemgr-site/PDF/BilstrupIDE0712.pdf
- ↑ CAR 2 CAR Communication Consortium Manifesto Overview of the C2C-CC System, Version 1.1 , 28th August, 2007, Autoren: Roberto Baldessari NEC, Bert Bödekker DENSO, Achim Brakemeier DAIMLERCHRYSLER, Matthias Deegener OPEL, Andreas Festag NEC, Walter Franz DAIMLERCHRYSLER, Andreas Hiller DAIMLERCHRYSLER, Chris Kellum OPEL, Timo Kosch BMW, Andras Kovacs EFKON, Massimiliano Lenardi HITACHI EUROPE, Andreas Lübke VOLKSWAGEN, Cornelius Menig AUDI, Timo Peichl ALPINE, Matthias Roeckl DLR, Dieter Seeberger DAIMLERCHRYSLER, Markus Strassberger BMW, Hannes Stratil EFKON, Hans-Jörg Vögel BMW, Benjanmin Weyl BMW, Wenhui Zhang NEC : http://www.car-to-car.org/fileadmin/downloads/C2C-CC_manifesto_v1.1.pdf
- ↑ 13. CAR 2 CAR Communication Consortium Manifesto Overview of the C2C-CC System, Version 1.1 , 28th August, 2007, Autoren: Roberto Baldessari NEC, Bert Bödekker DENSO, Achim Brakemeier DAIMLERCHRYSLER, Matthias Deegener OPEL, Andreas Festag NEC, Walter Franz DAIMLERCHRYSLER, Andreas Hiller DAIMLERCHRYSLER, Chris Kellum OPEL, Timo Kosch BMW, Andras Kovacs EFKON, Massimiliano Lenardi HITACHI EUROPE, Andreas Lübke VOLKSWAGEN, Cornelius Menig AUDI, Timo Peichl ALPINE, Matthias Roeckl DLR, Dieter Seeberger DAIMLERCHRYSLER, Markus Strassberger BMW, Hannes Stratil EFKON, Hans-Jörg Vögel BMW, Benjanmin Weyl BMW, Wenhui Zhang NEC : http://www.car-to-car.org/fileadmin/downloads/C2C-CC_manifesto_v1.1.pdf
11 Literaturverzeichnis
| Hansen, Neumann (2005) | Hans Robert Hansen, Gustaf Neumann: Wirtschaftinformatik 2, 9. Auflage 2005, UTB für Wirtschaft, ISBN 3-8252-2670-0 |
