V2V Kommunikation. NuraNNn HOCHSCHULE RHEINMAIN. V2V Kommunikation. Fachseminar Ausarbeitung. Nurcan Yesil

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1 V2V Kommunikation NuraNNn 2010 HOCHSCHULE RHEINMAIN V2V Kommunikation Fachseminar Ausarbeitung Nurcan Yesil 2010

2 V2V Kommunikation Ausarbeitung zum Fachseminarvortrag von Nurcan Yesil Fachseminar WS 2009/10 Prof. Dr. Linn Hochschule Rhein Main 2

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung und Motivation 2. Allgemeines zu V2V Kommunikation 3. Vorteile von V2V 3.1 Stehendes Fahrzeug voraus 3.2 Warnung bei Notbremsung 3.3 Warnung vor möglichem Auffahrunfall 3.4 Toter Winkel/Spurwechsel 3.5 Warnung vor Einsatzfahrzeug 3.6 Baustellenwarnung 3.7 Kollisionswarnung an Kreuzungen 4. Funktionsweise der Nachrichtenübermittlung 5. Infrastruktur 5.1 In-Vehicle Domain 5.2 Ad Hoc Domain 5.3 Infrastruktur Domain 6. Hardware Komponenten von V2V 7. Sicherheit von V2V 8. Quellenangaben 3

4 1.Einführung und Motivation Fahrzeugkommunikation bietet gute Möglichkeiten um die hohe Anzahl der Verkehrsunfälle und Verkehrstoten zu minimieren. V2V (Vehicle-to- Vehicle) Kommunikation ist die Fähigkeit von Fahrzeugen Informationen wie z.b. über den Straßenzustand auszutauschen. Neben der Vernetzung von Fahrzeugen untereinander kann auch Infrastruktur mit eingebunden werden. Hierbei handelt es sich um eine V2I (Vehicle-to- Infrastructure) Kommunikation. Dabei können Fahrzeuge über Straßenbaken oder auch über Zugangsknoten z.b. an Tankstellen wichtige Informationen erhalten. Beides zusammengefasst wird V2X Kommunikation genannt. In dieser Ausarbeitung wird auf beides eingegangen. 2.Allgemeines zu V2V Kommunikation V2V Kommunikation ist der direkte Informationsaustausch zwischen fahrenden Fahrzeugen. Mit dieser mobilen Kommunikation können funktionsfähige Funknetze und neue Anwendungen realisiert werden. Informationen über Straßen- und Verkehrsverhältnisse wie Glatteis, Aquaplaning, Unfälle oder stehen gebliebene Fahrzeuge sind wichtige Aspekte für die V2V Kommunikation. Bei dieser sicherheitsrelevanten Anwendung sendet der betroffene Verkehrsteilnehmer die Daten mit den relevanten Informationen über den Gefahrenort. Hierbei werden die Empfänger durch akustische,- und optische Signale und durch Vibration des Sitzes gewarnt. Weitere Informationen die den Verkehrsfluss beeinflussen können, sind Hinweise über Ampelphasen, Stop-and-Go-Fahrten oder ständiges Anfahren und Anhalten an Baustellen etc. Auch kann die Parkplatzsuche resp. die Information über 4

5 freie Parkplatzkapazitäten in eine solche V2V-Kommunikation einbezogen werden. 3.Funktionen von V2V 3.1. Stehendes Fahrzeug voraus Hier warnt das System vor einem Fahrzeug, das zum Beispiel aufgrund einer Panne am Straßenrand hält. Auch wenn eine Kollision nicht unmittelbar droht, weil sich etwa das Auto nicht in derselben Fahrspur befindet, wird der Fahrer des herannahenden Autos noch bevor es zu einem Sichtkontakt kommen muss, bereits informiert und kann so beispielsweise besonders auf Personen am Fahrbahnrand achten. Die Warnung erfolgt in der gezeigten Version über Symbole im Display in der Instrumententafel Warnung bei Notbremsung Schon lange üblich und seit einigen Jahren auch gesetzlich erlaubt ist das Einschalten des Warnblinklichts, wenn Fahrer unvorhergesehen stark bremsen müssen, beispielsweise weil sie sich einem Stauende nähern. Mittlerweile ist auch das gepulste Bremslicht im Serieneinsatz, das in kurzen Intervallen blinkt, wenn der Fahrer stark bremst. Dank V2VTechnologie kann noch viel intensiver gewarnt werden, wenn die Fahrer der nachfolgenden Wagen frühzeitig über die gefährliche Situation informiert werden und ihre Geschwindigkeit entsprechend anpassen können. Das geschieht zu einem sehr frühen Zeitpunkt, auch wenn etwa vor einer Kurve oder Kuppe noch kein Sichtkontakt zur Gefahrenstelle besteht. Auch hier erfolgt die Warnung beispielhaft visuell über Symbole im Display Warnung vor möglichem Auffahrunfall Ein weiteres Szenario ist bei einem Stau denkbar, aber ebenso bei einer Panne auf einer Landstraße ohne Seitenstreifen: Ein Fahrzeug steht oder fährt sehr langsam und stellt so eine potenzielle Gefahr für den nachfolgenden Verkehr dar. Dank V2V erhält jedoch der Fahrer eines Wagens, der sich auf derselben Spur nähert, frühzeitig über sein Display eine Warnung vor einer möglichen Kollision. Kommt das folgende Fahrzeug näher, beginnen beim stehenden Wagen zusätzlich die Heckleuchten in kurzen Intervallen zu blinken, im sich nähernden 5

6 Fahrzeug ertönt gleichzeitig ein akustisches Signal und der Fahrersitz vibriert. Zu diesem Zeitpunkt bleibt für den Fahrer noch genügend Zeit zum Abbremsen des eigenen Wagens oder gegebenenfalls für ein Ausweichmanöver Toter Winkel / Spurwechsel Der Spurwechselassistent warnt vor Fahrzeugen, die sich im toten Winkel befinden und ist damit im zunehmend dichten Verkehr auf mehrspurigen Straßen ein besonders wichtiges Hilfsmittel in Sachen Verkehrssicherheit. Fährt ein anderes Auto in dem Bereich, der nicht über die Außenspiegel einsehbar ist, erfolgt ein optischer Hinweis: Auf der jeweiligen Seite wird eine in die A-Säule beziehungsweise in den Außenspiegel integrierte Leuchtdiode aktiviert. Eine höhere Warnstufe folgt, falls der Fahrer mit dem Setzen des Blinkers dem System seine Absicht zum Spurwechsel signalisieren sollte und damit auf Kollisionskurs gerät. Die LED beginnt zu blinken, und der Fahrersitz vibriert auf der entsprechenden Seite. Das System berücksichtigt auch die Geschwindigkeit der einzelnen Fahrzeuge: Je höher das Tempo des überholenden Autos, desto früher erfolgt die Warnung Warnung vor Einsatzfahrzeug Das Martinshorn eines Einsatzfahrzeugs ist oft nur schwer zu orten, insbesondere im Stadtverkehr. Oft kommt hinzu, dass ein laut eingestelltes Radio das Signal zunächst übertönt. Und außerdem sind sich viele Verkehrsteilnehmer nicht sicher, ob und wo sie eine Gasse bilden sollten. Mit Hilfe der V2V-Technologie werden Autofahrer nicht nur über die Position und Fahrtrichtung des Einsatzwagens informiert, sondern sie könnten auch eindeutige Anweisungen erhalten, zum Beispiel Nach rechts ausweichen! oder Gasse bilden zwischen zweiter und dritter Fahrspur!. Auf der Fahrt zum Einsatzort bedeutet dies eine unter Umständen substanzielle Zeitersparnis gegebenenfalls mit entsprechend verbesserten Aussichten für die Gesundheit einer verletzten oder schwer kranken Person in einem Sanitätsfahrzeug Baustellenwarnung Jedem Autofahrer ist die Situation bekannt: Mäharbeiten am Mittelstreifen werden aufwendig vom Personal der Autobahnmeisterei abgesichert; einige hundert Meter hinter der Mähmaschine selbst fährt das Sicherungsfahrzeug mit großem Pfeil und Blinklichtern auf der Tafel. Und dennoch passiert es immer wieder, dass ein Autofahrer aus 6

7 Unachtsamkeit auffährt und so einen schweren Unfall verursacht. Dieses Risiko wird deutlich reduziert, wenn das Sicherungsfahrzeug ein Warnsignal sendet, das in den nachfolgenden Autos angezeigt wird, beispielsweise Linke Fahrspur gesperrt, bitte rechts vorbeifahren. Auch stationäre Baustellen können ein solches Signal senden gleichzeitig in Kombination mit der gegebenen Geschwindigkeitsbeschränkung, die für den Fahrer über die gesamte Länge der Baustelle verfügbar bleibt Kollisionswarnung an Kreuzungen Gerade an unübersichtlichen Kreuzungen ohne Ampel, zum Beispiel auf Landstraßen, kann es zu schweren Unfällen kommen, weil die Verkehrsteilnehmer einander erst zu spät sehen. Mit Hilfe der V2V- Technologie verständigen sich die Autos jedoch schon, bevor Sichtkontakt besteht. So kann das System rechtzeitig eine Warnmeldung an die beiden Fahrzeuge geben, die sich auf Kollisionskurs befinden. Den Fahrern bleibt damit noch genügend Zeit zum Ausweichen oder Bremsen. Lässt sich ein Unfall nicht mehr auf diese Weise vermeiden, könnte V2V sogar einen oder beide Wagen selbsttätig abbremsen. 4.Funktionsweise der Nachrichtenübermittlung Zur Übermittlung der Nachrichten verwendete Algorithmen sind geographical unicast, topologicallyscoped broadcast (TSB), geopgraphical broadcast und geographical anycast. Geographical unicast übermittelt eine Nachricht an genau einen Empfänger. Entweder direkt per unihop oder über mehrere Zwischenstationen per multihop. Die Zwischenstationen können die Nachricht unverändert weiterleiten oder sie verändern. Dabei werden falls nötig mehrere Nachrichten zu einer zusammengefasst, eine Nachricht in mehrere aufgeteilt oder Informationen verändert bzw. hinzugefügt. Topologically-scoped broadcast (TSB) sendet an alle Knoten, die mittels einer festen Anzahl an Sprüngen (hops) zu erreichen sind. Geographical broadcast beschränkt sich auf eine definierte Region um den Sender herum oder auf eine bestimmte Entfernung zu diesem. Geographical anycast schließt alle Fahrzeuge ein, die die Nachricht empfangen können (Abb.1). 7

8 Abb.1 Übermittlungsalgorithmen 5. Infrastruktur Die Infrastruktur, die auf WAVE aufbauen soll, lässt sich in drei Domänen einteilen, die In-Vehicle Domain, die Ad Hoc Domain und die Infrastruktur Domain. 5.1 In-Vehicle Domain Die In-Vehicle Domain umfasst die On-Board Unit (OBU) sowie mehrere verschiedene Application Units (AU). Die On-Board Unit ist die eigentliche WLAN-Funkeinheit, über die das Fahrzeug mit anderen Fahrzeugen kommunizieren kann. Die Application Units, die direkt an die OBU angeschlossen sind, können einerseits Datenquellen wie ABS, Regensensor, etc sein. Andererseits können dies auch Geräte des Benutzers sein, die mit der eigentlichen Hardware des Autos direkt nicht zusammenhängen. Beispiele wären PDAs, Notebooks oder Game Pads, die auch drahtlos mit der OBU verbunden werden können. 8

9 5.2 Ad Hoc Domain Diese Domäne bezeichnet das dynamische Netzwerk, das zwischen den OBUs vieler Fahrzeuge und Road-Side Units (RSU) ad hoc über p aufgebaut wird. RSUs sind Einheiten, die von einem Netzbetreiber bereitgestellt werden, um an bestimmten Streckenabschnitten Informationen in das Netz einspeisen zu können. RSUs könnten beispielsweise in Ampeln, an Verkehrsschildern und Pylonen oder unter Brücken angebracht sein. Alle RSUs werden über ein Access Network verbunden, über das ihnen auch ein Gateway zum Internet zu Verfügung gestellt werden kann. 5.3 Infrastruktur Domain Die Infrastructure Domain bezeichnet in der Regel kostenpflichtige Einstiegspunkte ins Internet wie WLAN- HotSpots oder Antennen anderer Funktechnologien wie UMTS oder WiMAX. Auf diese Weise kann die OBU über diese Knoten während der Fahrt für die Fahrzeuginsassen einen mobilen Internetzugang im Auto bereitstellen. 9

10 6. Hardware Komponenten von V2V Bei der V2V Kommunikation werden aus dem Alltag bekannte Komponenten verwendet: Die wesentliche Hardware besteht aus einem Mikroprozessor, GPS-Empfängern (GPS = Global Positioning System) und Wireless-LAN-Modulen. In einem Umkreis von mehreren hundert Metern können die Autos miteinander kommunizieren und ihre Positionen und weitere Informationen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Bewegungsrichtung austauschen. 7.Sicherheit von V2V Die streichholzschachtelgroßen Sende- und Empfangsmodule aus der Computertechnik sind für den Einsatz im Auto modifiziert. Sie senden im Bereich von 5,9 Gigahertz, und es wurde ein erstes Frequenzband für Sicherheit und Verkehrslenkung von der EU zugeteilt. Wie am Computer verbinden sich die W-Lans im Ad-hoc-Modus, allerdings ist der komplizierte beiderseitige Handshake stark vereinfacht. Es gibt feste Kanäle, und eine der großen Herausforderungen liegt derzeit darin, das System gegen Hacker und Vandalen zu sichern. Störsender könnten den Frequenzbereich blockieren, auch sind gefälschte Nachrichten denkbar. Jede Sendeeinheit erhält einen einzigartigen Schlüssel, der aber keine Verbindung zur Fahrgestell Nummer haben wird. Gesendet wird mit 0,1 Watt, das reicht für etwa 300 bis 500 Meter. Die einzelnen Datenpakete, 10

11 die zwei Fahrzeuge miteinander austauschen, sind nur wenige Kilobyte klein. Und das Ganze funktioniert nach ersten Versuchen bei Geschwindigkeiten bis 400 km/h. Jedes Funktelegramm hat mehrere Parameter gespeichert: die mit Satellitenortung gewonnene Fahrzeugposition mit Geschwindigkeitsvektor, einen Zeitstempel, die Koordinaten der relevanten Gefahrenzone, eine Gültigkeitsdauer und einen Code für das jeweilige Ereignis (Abb.2). Abb.2 Die Größe der Gefahrenzone ist gekoppelt an das Ereignis: Eine Vollbremsung interessiert beispielsweise nur die folgenden Verkehrsteilnehmer, nicht aber die vorausfahrenden. 8.Protokollstack Der Protokollstack, auf den das V2V System aufbaut, ist in drei Teile unterteilt. Die wichtigsten Anwendungen, die in den Bereich Verkehrssicherheit fallen, werden über ein speziell zu diesem Zweck entwickelten Transport- Protokoll übertragen, damit weniger wichtige Anwendungen diese kritische Kommunikation nicht stören. Darunter agiert das System auf der WAVE Erweiterung p (App.3). 11

12 App.3 Für die Verkehrsoptimierungsfunktionen sowie für den Infotainmentbereich kommen herkömmliches TCP und UDP über Mobil Ipv6 zum Einsatz. Während die Verkehrsoptimierung allerdings über die WLAN-Erweiterung a/b/g läuft, werden die Infotainment- Anwendungen über andere Funktechnologien wie UMTS abgewickelt. Auf dem MAC-Layer wird eine Besonderheit eingeführt. Da Sicherheit und Anonymität sehr große Ziele diese Systems sind, dürfen die User Credentials nicht abhörbar sein und es darf kein Tracking über RSUs an Hand von MAC Adressen möglich sein. Die Credentials werden daher beim Einbuchen in das Netz per IEEE802.1x mit EAP-TLS verschlüsselt übertragen und die MAC Adresse wird von einem Zufallsgenerator dynamisch stets neu generiert. Dadurch ist die MAC-Adresse absolut nicht mehr eindeutig, durch den Zufallsgenerator regional, statistisch betrachtet, aber schon. 12

13 8.Quellenangaben Kommunikation.html Die-Zukunft-heisst-V2V 2x.pdf Zukunft-auf-Schicht pdf F85F85600B26594C2~ATpl~Ecommon~Scontent.html 13