Kommunikation zwischen Fahrzeugen Koordination von Fahrzeugen

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1 Seminar Autonome Fahrzeuge SS 2005 Kommunikation zwischen Fahrzeugen Koordination von Fahrzeugen Esther Borowski 1 und Jochen Brunhorn 2 Freie Universität Berlin Institut für Informatik 30. April Motivation Die durch das Automobil ermöglichte Mobilität spielt in der modernen Gesellschaft eine große Rolle. Durch die intensive Nutzung von Kraftfahrzeugen kommt es zu erheblichen Schwierigkeiten und unvorhersehbaren Ereignisse. Der Mensch nimmt somit täglich Risiken und Gefahren für seine Mobilität in Kauf. Die Häufigkeit von Verkehrsbehinderungen, Staus und Unfällen wird auch in Zukunft zunehmen. Die nötige Entspannung sollen intelligente Fahrzeuge bringen. Die Idee einer Inter-Fahrzeug-Kommunikation steht im Mittelpunkt einer Entwicklung, die jedem Fahrer oder dem Fahrzeug die Möglichkeit bieten soll, mit anderen Fahrern oder Fahrzeugen an jedem Ort und zu jeder Zeit kommunizieren zu können. Die Fahrzeuge sollen in Zukunft in der Lage sein, Informationen, die außerhalb der visuellen Wahrnehmung des Fahrers und der Passagiere liegen, erhalten, weiterleiten und senden zu können. 2. Ziele Das Ziel der Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation ist die aktive Sicherheit zu verstärken. Hinsichtlich der kooperativen Fahrerassistenz sollen das Brems- und Geschwindigkeitsverhalten von Fahrzeugen kontrolliert und kommuniziert werden. Im Falle einer Notbremsung soll der nachfolgende Verkehr frühzeitig gewarnt werden. Mit Hilfe der entgegenkommenden Fahrzeuge sollen die Daten gezielt zum Empfänger transportiert werden und dieser kann somit situationsgerecht reagieren. Unfälle sollen schnell erkannt und in Echtzeit an die Sensoren der nachfolgenden Fahrzeuge übermittelt werden. Weiterhin soll über die Inter-Fahrzeug-Kommunikation das Stauverhalten kontrolliert werden und der Zustand der Fahrbahn bzw. andere Ereignisse auf der Fahrbahn wie Wildwechsel zügig an die kommenden Fahrer weitergeleitet werden. Die 1 borowski@inf.fu-berlin.de 2 brunhorn@inf.fu-berlin.de 1

2 Routenführung über Navigationssysteme soll ständig mittels Downloads digitaler Karten auf dem aktuellsten Stand gehalten werden und Infotainmentdienste wie Chat, , Internet etc. sollen ins Fahrzeug integriert werden. Das langfristige Ziel ist das Autonome Fahren mit intelligenten Fahrzeugen. 3. Herausforderung und Anspruch ans Netzwerk Für eine Kommunikation zwischen Fahrzeugen ist es notwendig, ein öffentlich zugängliches verteiltes System zu schaffen, um eine unkomplizierte Kommunikation aller am Verkehr beteiligten Fahrzeuge zu ermöglichen. Die Auswahl geeigneter Funkhardware und die Entwicklung internationale Standards - unabhängig von Hersteller und Modell des Pkws - für die Inter-Fahrzeug- Kommunikation werden in vielen Projekten erforscht, um die Einführung solcher Systeme zur Gefahrenvermeidung wesentlich zu erleichtern und aus marktwirtschaftlicher Sicht attraktiv zu gestalten, denn eine gewisse Versorgungsdichte ist für ein solches Verfahren unabdingbar. Da die Position eines Fahrzeuges für die zielgenaue Vermittlung von Informationen wichtig ist, benötigt man für die Inter-Fahrzeug-Kommunikation ein genügend genaues System zur Positionsbestimmung. Die sich schnell ändernde Netztopologie verlangt weiterhin ein effizientes und faires Routingprotokoll, da die Kapazitäten gerecht verteilt und eine Überlastung des Netzwerkes vermieden werden soll. Daten der Bordsensoren sollen von anderen Fahrzeugen empfangen und ausgewertet werden können. Auf lange Sicht wird auch die Integration anderer Verkehrsteilnehmer in die Fahrzeug-Kommunikation mit einfließen. Fahrräder, Motorräder, Fußgänger sowie Busse müssen für eine Senkung der Gefahr im Öffentlichen Verkehr aktiv im Netzwerk integriert sein. 3. Positionsbestimmung Um Nachrichten im mobilen Ad-hoc-Netzwerk erfolgreich an bestimmte Empfänger weiterleiten zu können, muß das sendende bzw. vermittelnde Fahrzeug seine eigene Position genau kennen. Satellitennavigationssysteme sind dafür sehr gut geeignet und sind in der Lage, den Standort innerhalb kürzester Zeit bis auf wenige Meter genau zu ermitteln. Je höher die Genauigkeit, desto effektiver können die Nachrichten weitergeleitet werden und desto weniger wird der Kommunikationsverkehr im Netzwerk belastet. Mit den heutigen im Handel erhältlichen GPS 3 -Empfängern kann eine Genauigkeit von bis zu 15 Meter erreicht werden. Diese reicht aus, um Nachrichten an andere Fahrzeuge erfolgreich weiterzuleiten. Eine Aussage, auf welcher Spur sich das Fahrzeug bei einer mehrspurigen Straße bzw. Autobahn befindet, ist aber aufgrund der ungenauen GPS-Position aber nicht möglich. Das differentielle 3 Das GPS (Global Positioning System) wurde von der U.S. Department of Defense entwickelt und aufgebaut. Es ist seit 1980 für den zivilen Gebrauch zugänglich. 2

3 GPS (DGPS) kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit GPS erhöhen. Dazu werden zusätzlich zu den Satellitensignalen noch Korrekturdaten benötigt. Ein DGPS-fähiger GPS-Empfänger ist dann in der Lage eine genauere Positionsberechung im Bereich von ein bis drei Metern durchzuführen. Diese Genauigkeit reicht aus, um eine Aussage machen zu können, auf welcher Spur sich das Fahrzeug bei einer mehrspurigen Straße befindet. Kann die Position des Fahrzeugs aufgrund einer Abschattung der Satellitensignalen (Tunnel, hohe Häuser usw.) nicht bestimmt werden, ist es möglich für eine kurze Zeit die Position anhand der Geschwindigkeit und Fahrtrichtung des Fahrzeugs zu berechnen(dead Reckoning). 4. Kommunikationsarten Um eine Inter-Fahrzeug-Kommunikation zu ermöglichen, werden folgende Kommunikationsformen benötigt. Das Senden einer Nachricht von einem Sender an einen bestimmten Empfänger wird als Unicast bezeichnet. Wird eine Nachricht von einem Sender an einen oder mehrere Empfänger weitergeleitet, spricht man von Multicast und wenn mehrer Empfänger in einer bestimmten geographischen Zone mit Informationen beliefert werden, wird dieses Form der Kommunikation als Geocast bezeichnet. Bei allen Kommunikationsformen kann sich der Empfänger oder die Empfängergruppe außerhalb der Funkreichweite des ursprünglichen Senders befinden und dann werden die Nachrichten über mehrere Fahrzeuge hinweg weiter geleitet. Dabei müssen Wege von einem Sender zu einem oder mehreren Empfängern gefunden werden. 5. Netzwerk Eine wichtige Aufgabe für die Koordination von Fahrzeugen ist einerseits die direkte Kommunikation und andererseits die Kommunikation über ein Netzwerk mehrerer Fahrzeuge. Realisiert werden soll der Datenaustausch zwischen Fahrzeugen mit einem so genannten mobilen Ad-hoc-Funknetzwerk. Die Verbindungen bauen sich bei Bedarf spontan ohne vorherige Planung zwischen den Fahrzeugen auf, organisieren sich selbst und benötigen keine externe Infrastruktur und keine zentrale Instanz, wobei vorausgesetzt werden muß, daß der gleiche Übertragungsstandard bei allen Kommunikationspartnern eingehalten wird. Jedes Fahrzeug kann in diesem Informationsverbund die Rolle des Senders, Empfängers oder Vermittlers (Router) übernehmen. Durch dieses so genannte "Multi-Hopping"-Verfahren lassen sich die Informationen über eine größere Entfernung weiter tragen. Da in einem solchen Netzwerk aber auf eine Zentrale verzichtet wird und keine Überprüfung von Zugriffrechten gefordert werden soll, ergibt sich eine neue Herausforderung. Die Sicherheit des mobilen Ad-hoc-Netzwerkes und der Schutz vor böswilligen Angriffen bereiten schon vor der Einführung Magenschmerzen. Die ständige Änderung der Netztopologie durch die Bewegung der Fahrzeuge erfordert wie oben bereits erwähnt ein 3

4 spezielles Routing-Verfahren, auf das im weiteren Verlauf der Ausarbeitung näher eingegangen wird. Alle Teilnehmer im Netzwerk greifen auf dasselbe Medium zu und dieser Zugriff mußt dementsprechend geregelt und kontrolliert werden. 6. Übertragungstechnik Die Wahl der verwendeten Übertragungstechnik ist bei der Kommunikation zwischen Fahrzeugen von großer Bedeutung. Infrarot erlaubt lediglich das Senden und Empfangen von Daten bei bestehender Sichtverbindung zwischen beiden. Diese lokale Begrenzung erlaubt ein sehr einfaches Routing, hat jedoch diverse Nachteile wie niedrige Übertragungsrate, Störanfälligkeit (z.b. schlechte Funktion bei hellem Außenlicht) und bei Unterbrechung der Sichtverbindung ist keine Kommunikation möglich. Funk hat den Vorteil, höhere Datenraten zu übertragen und ist auf eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger nicht angewiesen. Aber diese Übertragungstechnik benötigt eine komplexere Technik im Falle des Routings und macht den Medienzugriff problematischer und erfordert eine erhöhte Abhörsicherheit. 7. Routing und Medienzugriffsverfahren Die kommunizierenden Fahrzeuge bilden ein mobiles Ad-hoc-Netzwerk. Die sich schnell und ständig ändernde Netztopologie, in der die Knoten des Netzwerks gleichzeitig Router und Endpunkte sind, erfordert ein anderes Netzwerkprotokoll als zum Beispiel ein LAN. Klassische Routing-Algorithmen gehören zu den proaktiven Verfahren wie beispielsweise das Link State Routing oder Distance Vector Routing, die mit dem Routing-Protokoll Open Shortest Path First (OSPF) verwendet werden. Jeder Knoten kennt zu jedem Zeitpunkt die Topologie des gesamten Netzwerkes, unabhängig davon, ob diese aktuell für das Routing benötigt wird. Basierend auf dieser Kenntnis bestimmt jeder Knoten den kürzesten Weg zu jedem anderen Knoten. Dieses Verfahren kommt im Internet zum Einsatz und ist nur für eine relativ statische Netzwerktopologie geeignet, da mit jeder Änderung der Speicheraufwand zunimmt. Reaktive Verfahren haben diesen Nachteil nicht und wurden speziell für mobile Ad-hoc-Netzwerke entwickelt. Bei Einsatz eines reaktiven Verfahrens werden Topologieinformationen nur dann bestimmt, wenn diese direkt für das Weiterleiten von Nachrichten benötigt werden. Dies führt jedoch dazu, daß die Übertragung deutlich langsamer wird. Um den Anforderungen einer schnellen und sicheren Übertragung gerecht zu werden, ist der Einsatz eines hybriden 4 Protokolls denkbar. Ein sogenanntes Zone-Routing-Protokoll (ZRP), das nur aktuell verwendete Pfade speichert. Schließlich wird bei dem positionsbasierten Verfahren die geographische Position der beteiligten Endsysteme verwendet, um 4 Allgemein versteht man in der Technik unter Hybrid ein System, bei welchem zwei Technologien mit einander kombiniert werden. 4

5 Daten in Richtung des Empfängers weiterzuleiten. Diese Verfahren erfordern typischerweise, daß jedes Endsystem/Fahrzeuges seine eigene Position bestimmen kann, beispielsweise über das bereits besprochene GPS. Das Paket wird von Knoten zu Knoten weitergereicht, indem jeder Router das Paket zu einem anderen Knoten schickt, der auf dem Weg zum Zielknoten liegt. Der Routing-Aufwand wird minimiert, indem auf eine globale Optimierung verzichtet wird. Die Entscheidung der Wegewahl passiert jeweils nur lokal. Für ein solches Verfahren muß im Netzwerk ein Positionsdienst implementiert werden, der geographische Informationen beliebiger Knoten im Netzwerk bereitstellt. Zur Weiterleitung eines Paketes bei positionsbasiertem Routing benötigt ein Knoten drei Arten von Informationen: (1) seine eigene Position, (2) die durch den Positionsdienst bestimmte Position des Empfängers und (3) die Position seiner Nachbarn. Mit Hilfe dieser Informationen sucht sich der weiterleitende Knoten einen Nachbarn aus, der geographisch in Richtung des Empfängers liegt. Prinzipiell sind für die positionsbasierte Wahl des Nachbarn verschiedene Strategien möglich. Eine Strategie ist als Most Forward Within Radius (MFR) bekannt und minimiert die Anzahl der Knoten auf dem Weg vom Sender zum Empfänger. Eine weitere Strategie wird als Nearest With Forward Progress (NFP) bezeichnet und wählt denjenigen Nachbarn aus, der sowohl einen Fortschritt in Richtung des Empfängers erzielt als auch am dichtesten am weiterleitenden Knoten liegt. Diese Strategie sorgt für eine sichere Datenübertragung, denn sie vermindert das Risiko, daß sich mehrere gleichzeitig stattfindende Übertragungen gegenseitig stören. Wird die geographische Strecke minimiert, die ein Paket vom Sender zum Empfänger zurücklegt, indem ein Nachbar gewählt wird, der am nächsten zu der Verbindung von weiterleitendem Knoten und Empfänger liegt, bezeichnet man dieses Vorgehen Compass Routing (CR). Zusätzlich zur Wahl eines Protokolls ist die Wahl eines Medienzugriffsverfahrens von hoher Bedeutung. Für den Zugriff auf ein geteiltes Medium gibt es unter anderem folgende Varianten. Das Verfahren CSMA/CD 5 ist eher ungeeignet, da es den Zugriff auf ein Medium nicht koordiniert und somit Nachrichten von hoher Priorität (z.b. bei einem Unfall) auf jeden Fall nicht zeitgerecht verschickt werden. Besser eignen sich TDMA 6 - oder CDMA 7 -Verfahren, die entsprechend den Anforderungen angepasst sein müssen (z.b. Slotted Aloha statt Aloha). 5 Das Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) ist ein Verfahren zum Erlangen von Zugriffsrechten nach dem Konkurrenzverfahren auf einen beispielsweise Funkkanal. 6 TDMA: Time Division Multiple Access (Zeitmultiplex) 7 CDMA: Code Division Multiple Access (Codemultiplex) 5

6 Literatur SADAYUKI TSUGAWA Inter-Vehicle Communications and their Applications to Intelligent Vehicles: An Overview NTI Research Group, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) DaimlerChrysler HighTech Report 2001: Calling all Cars D. LIPPOLD IPVR Jahresbericht "EU-Projekt CarTALK 2000" MAUVE, M., H. HARTENSTEIN, H. FÜSSLER, J. WIDMER und W. EFFELSBERG. Positionsbasiertes Routing für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, it + ti 5 (2002), MAUVE, M., H. HARTENSTEIN, H. FÜSSLER, J. WIDMER und W. EFFELSBERG Mobile Ad-hoc-Netzwerke: Kommunikation ohne Infrastruktur, it + ti 5 (2002), CHRISTIAN CSEH, REINHOLD EBERHARDT, WALTER FRANZ Mobile Ad-Hoc Funknetze für die Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation, In: Weber, M.; Kargl, F. (Hrsg.): Mobile Ad-Hoc Netzwerke, GI-Edition