Vehicle-to-Vehicle Communication Seminararbeit von Robert Glombitza

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1 Vehicle-to-Vehicle Communication Seminararbeit von Robert Glombitza Bachelor Allgemeine Informatik Fachhochschule Wiesbaden WS2009/ Gruppenleiter : Prof. Dr. Linn

2 Inhaltsverzeichnis 1. Überblick Was ist Car-to-Car Communication? 2. Anwendungsmöglichkeiten Sicherheitskritische Anwendungen 2.2 Sicherheit und Verkehrssteuerung 2.3 Komfort- und Entertainment-Anwendungen 3. Anforderungen / Herausforderungen Techniken zur Realisierung 3.2 Anforderungen an die Hauptkomponenten 4. Sicherheit Informationszuverlässigkeit, Anonymität und Datensicherheit 5. Zusammenfassung Quellen 12 Seite 2

3 1.Überblick 1.1 Was ist Car-to-Car Communication? Zurzeit beschäftigen sich die Automobilhersteller weltweit mit der drahtlosen Kommunikation zwischen Fahrzeugen (Car-to-Car) sowie zwischen Fahrzeugen und der Infrastruktur (Car-to- Infrastruktur). Die möglichen Anwendungen reichen von reiner Unterhaltung über verbesserte Navigation und Fahrerassistenz bis hin zu selbstorganisierendem Verkehr. Mit der rasanten Verbreitung von Funksystemen auf Basis des Standards IEEE , auch Wireless LAN genannt, im Heim- und Office-Bereich wird auch der Einsatz dieser Technologie im Kraftfahrzeug interessant. Das sichere Benutzen von Kraftfahrzeugen erfordert es, Daten aus der unmittelbaren Fahrzeugumgebung kontinuierlich aufzunehmen und zu verarbeiten. Die Wahrnehmungsfähigkeit des Fahrers ist derzeit im Wesentlichen auf die optische und akustische Wahrnehmung seiner Umgebung beschränkt Straßenverlauf Verkehrsschilder andere Verkehrsteilnehmer Sirenen von Einsatzfahrzeugen Mit Hilfe der Car-to-Car Kommunikation kann der Wahrnehmungshorizont über den sichtbaren und hörbaren Bereich der Umgebung hinaus vergrößert werden. Seite 3

4 2.Anwendungsmöglichkeiten Die Anwendungsmöglichkeiten für ein solches Kommunikationssystem sind vielfältig. Eines der Hauptziele ist die Sicherheit im Automobil zu verbessern, indem der für die Fahrzeugsensorik sichtbare Bereich durch den anderer Fahrzeuge erweitert wird. 2.1 Sicherheitskritische Anwendungen Car-to-Car Traffic Safety Communication Ein Beispiel ist das liegen gebliebene Fahrzeug hinter der Kurve, dass über VANET (Vehicular Ad Hoc Network) den nachfolgenden Verkehr warnt. Eine weitere Möglichkeit ist ein Fahrerassistenzsystem, welches dem Fahrer bei den Linksabbiegern über eine stark befahrene Straße hilft, indem es den Moment für die Überkehrung empfiehlt. Auch Ambulanzfahrzeuge können die vorausfahrenden Fahrzeuge schon über das Netz bitten Platz zu machen bevor sie in Sichtweite sind. Straßenbeeinträchtigungen, wie Ölspuren oder Vereisungen, können durch die ASR-Daten erkannt und nachfolgende Fahrzeuge informiert werden. Wie eingangs erwähnt, soll die Kommunikation nicht nur zwischen den Fahrzeugen stattfinden, sondern auch mit stationären Einrichtungen. 2.2 Sicherheit und Verkehrssteuerung Car-to-Car Traffic Safety Communication und Car-to-Infrastructure Traffic Safety Communication Beispiele aus dem Sicherheitsbereich sind hier Ampeln, Stoppschilder und Tempolimits, welche dem Fahrer auf einem Display angezeigt werden. Auch versehentliches Geisterfahren kann auf diese Weise verhindert werden. Ein weiteres Hauptziel der Interfahrzeugkommunikation ist die effiziente Steuerung des Verkehrs um den Schadstoffausstoß bzw. die Benzinkosten zu minimieren. Während Staus heute größtenteils durch Beobachtung entdeckt werden und die Informationen erst verzögert über Radiostationen per Traffic Message Channel (TMC) an den Nutzer weitergeben werden, kann mittels VANET die Feststellung der aktuellen Verkehrslage unmittelbar durch die Geschwindigkeitsdaten der Fahrzeuge erfolgen. Durch Richtgeschwindigkeiten und Umfahrungen für nachfolgende Fahrzeuge kann aktiv ein größerer Stau verhindert werden. Seite 4

5 2.Anwendungsmöglichkeiten 2.3 Komfort- und Entertainment-Anwendungen Car-to-Infrastructure Personal Communication Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Systems ist der Infotainmentbereich: Es können u. a. die aktuellen Preise der nächsten Tankstellen angezeigt, freie Parkplätze ausgewiesen, auf interessante Sehenswürdigkeiten hingewiesen oder Speisekarten der nächstliegenden Restaurants gezeigt werden. Seite 5

6 3. Anforderungen / Herausforderungen 3.1 Techniken zur Realisierung Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten eine derartige Funkverbindung zwischen mehreren Fahrzeugen zu realisieren. Erstens könnte man das komplette Netzwerk Infrastruktur-basiert aufbauen. Dies bedeutet wir hätten Netze mit festen Gateways, wie beispielsweise Router oder sonstige Basisstationen an Ampeln oder ähnliches. Zweitens könnte man auch komplett auf diese Infrastruktur verzichten und nur Endgeräte (im Prinzip die Funkempfänger in den Autos) verwenden. Diese Endgeräte könnten sich z.b. Ad-Hoc miteinander verbinden und kommunizieren, was ebenfalls aufwändige Verbindungswiederherstellungen bei evtl. Verbindungsabbrüchen bei Router umgehen würde. Es erscheint also sinnvoll die Ad- Hoc-Variante auszuwählen, da auch hier beim Ausfall eines Knotens nicht das komplette Netzwerk zusammenbrechen würde. Ein weiteres Manko der infrastrukturellen Variante wäre der enorme Kostenaufwand beim Aufbau eines solchen Netzes. Wie bereits erwähnt benötigt man ein sicheres und vor allem robustes Funknetzwerksystem. Hierbei muss zwischen dem Physical Layer * und dem MAC Layer * unterschieden werden. Es werden auch komplett neue Anforderungen an den Network Layer * gestellt. Darüber hinaus muss die Kommunikation als solches kostenlos sein, da sonst die meisten Autofahrer auf dieses Feature aufgrund laufender Kosten verzichten würden. Hierzu hat die FCC (Federal Communications Commission) * bereits ein exklusives Frequenzspektrum von 30 MHz zur Verfügung gestellt. W-LAN Standard IEEE p für den Einsatz in C-2-C-Netzen Exklusives Frequenzband von 30 MHz im 5,9-GHz-Band reserviert Seite 6

7 3. Anforderungen / Herausforderungen 3.2 Anforderungen an den Hauptkomponenten Anforderungen an den Physical Layer Für die Bitübertragungs- und Sicherungsschicht der drahtlosen Kommunikation zwischen den Fahrzeugen untereinander und stationären Einrichtungen leitet die IEEE einen weiteren Standard aus der WLAN Familie ab: IEEE p. Die Anforderungen sind ungleich höher als bei stationären Anwendungen: Während dort eine feste Infrastruktur vorhanden ist, müssen hier die Fahrzeuge innerhalb von Sekundenbruchteilen eine Ad-Hoc-Verbindung aufbauen. Des Weiteren kann die Relativgeschwindigkeit zweier sich entgegenkommender Fahrzeuge 500 km/h betragen. Ein weiterer kritischer Punkt ist die Sicherstellung der Möglichkeit jederzeit Zugang zu dem Übertragungsmedium zu erhalten, um sicherheitskritische Warnungen weiterzuleiten. Aus elektrotechnischer Sicht treten hier allerdings schon einige Probleme auf: Dopplereffekt: Bei hohen Geschwindigkeiten kommt es zu einer Verschiebung des Signals. Dies liegt daran, dass sich das Fahrzeug selbst mit bewegt und deshalb die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals nach vorne wesentlich schwächer ist (in Bezug auf das Fahrzeug selbst) als nach hinten. Die Sendeleistung muss durch Algorithmen skalierbar sein, da eine immer gleich starke Sendeleistung bei dicht besetzter bzw. schwach besetzter Verkehrsdichte Probleme machen würde. Beispielsweise würde es nachts niemanden stören wenn wir Pakete schicken würden, tagsüber jedoch schon. In einem Stau zum Beispiel würde eine Flut von Paketen entstehen und das Netzwerk würde schlussendlich zusammenbrechen, da es nur noch zu Kollisionen kommen würde. Multipath Propagation: Mehrwegeausbreitung. Durch das sehr dynamische Umfeld in Anbetracht der Geschwindigkeit können solche Artefakte entstehen. Es handelt sich hierbei um die schlichte Tatsache, dass ein Signal auf mehrere Wege beim Empfänger ankommen kann und in den meisten Fällen auch wird. Beispielsweise würde der Sender ein Signal direkt an den Empfänger schicken. Dieses wird jedoch an der nächsten Wand reflektiert und somit wieder beim Empfänger ankommen und die beiden verschiedenen und doch gleichen Signale würde sich zeitversetzt überlappen und somit stören. Dies kann jedoch in gewissem Maße bereits korrigiert bzw. behoben werden. Anforderungen an MAC / LLC Im Zuge der Außergewöhnlichkeit dieses Anwendungsszenarios stellen sich auch völlig neue Anforderungen an den MAC Layer. Grob gesagt: Sicherheitsrelevante Anforderungen oder Informationen müssen immer Vorrang gegenüber Entertainment-Anfragen haben. Das heißt, dass wichtige Daten mit minimaler Wartezeit beim gewollten Empfänger ankommen müssen und nicht durch Daten aus anderen Netzen, wie beispielsweise Standard-WLAN gestört werden dürfen. Damit dies gewährleistet werden kann, wird das zur Verfügung stehende Frequenzband in mehrere aufgabenspezifische Kanäle zu je 10 MHz unterteilt (siehe Graphik). Der IEEE Standard erweitert die MAC-Schicht um eine Multikanal- Koordination, welche mittels der Headerkennzeichnung die Nachrichten auf die verschiedenen Kanäle verteilt. Um das Versäumen Seite 7

8 3. Anforderungen / Herausforderungen einer sicherheitskritischen Nachricht zu verhindern, besitzt das Empfangsgerät zwei Empfänger. Ein Empfänger beschränkt sich auf das Abhören des Kontrollkanals, während der zweite für den generellen Empfang von Nachrichten auf den anderen Kanälen zuständig ist. Die Daten müssen also priorisiert werden können. Das MAC Enhancement of Quality of Service schreibt hierbei folgende Anforderungen vor: zuverlässige Verbindung und Trennung der Verbindungen rascher Verbindungsaufbau Mitteilen, falls Probleme beim Verbindungsaufbau auftreten sollten Eine Kommunikationsverbindung muss stabil sein Die Kommunikationsteilnehmer müssen sich verstehen können Ständige und fehlerfreie Übertragung der Informationen Informationen anderer Kommunikationsteilnehmer und Störungen sollen nicht übertragen werden Die Kommunikationsverbindung soll originalgetreu sein keine langen Wartezeiten Die Abrechnung soll dem korrekten Zeit- und Datenumfang entsprechen Hierbei bleiben Probleme offen wie beispielsweise die Frage wie mit Verbindungsabbrüchen umgegangen werden soll oder wie Übertragungsfehler behandelt werden sollen. Diese Dinge müssen selbstverständlich von allen Endgeräten gleichmäßig behandelt werden. Anforderungen an den Network Layer Zu den Problemen des MAC-Layers und denen des Physical Layers kommen noch die Probleme des Network Layers. Diese lassen sich allerdings gut mittels gut durchdachter Algorithmen lösen. Bisher sind Dinge wie z.b. IP-Adressen, DNS Einträge, Routing-Tabellen etc. bekannt. Diese allerdings sind hochdynamisch und stehen in unserem Fall durch die ständige topologischen Änderungen in Car-2-Car-Netzen außer Frage. So erfordern sie eine Möglichkeit, Fahrzeuge abhängig von der geographischen Lage des Senders und Empfängers zu adressieren. Aus diesem Grunde wird neben der Zieladresse auch die aktuelle Position, die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung der Nachbar- und anderen bekannten Knoten in der Routingtabelle gespeichert. Aufgrund der Dynamik des Netzwerks haben die Einträge nur eine beschränkte Lebensdauer und werden beim Eintreffen einer neuen Nachricht aktualisiert. Somit enthält der Header des Vermittlungsschichtrahmens neben den Adressen auch geographische Informationen, Sendezeit und die Priorität der Nachricht. Deshalb benötigen wir Routing-Algorithmen, die sich nicht auf einen statische IP-Adresse beziehen, sondern auf die geograffische Lage eines Teilnehmers. Hierbei ergeben sich prinzipiell folgende Möglichkeiten um ein Paket zu senden bzw. weiterzuleiten: Mögliche Routingverfahren Bedingt durch die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungsszenarien werden mehrere Routingverfahren unterstützt: Geographischer Unicast: Dieses Verfahren wird benutzt, wenn ein Fahrzeug einem einzelnen anderen Fahrzeug eine Nachricht senden möchte. Die Versendung erfolgt dabei über mehrere Knoten (Multi-Hop-Verfahren). Jeder Knoten leitet die Nachricht zu dem Nachbarknoten der der geographischen Position des Zielknotens am nächsten liegt. Ein potentielles Problem sind dabei Seite 8

9 3. Anforderungen / Herausforderungen lokale Maxima, d.h. die Nachricht wird an einen Knoten weitergeleitet, welcher keine Möglichkeit hat, die Nachricht in die Richtung des Zielknotens zu senden, da in dieser Richtung kein weiterer Nachbarknoten existiert, der in Empfangsreichweite ist. Man behilft sich mit einer einfachen Regel, die Nachricht an den nächsten Nachbarknoten in einem bestimmten Winkelbereich weiterzuleiten (Linke-Hand-Regel). Topologischer Broadcast: Sollen Fahrzeuge in der Nachbarschaft über eine potentielle Gefahrenquelle informiert werden, wird die Nachricht mittels topologischen Broadcast versendet, d.h. die Nachricht wird zu allen Nachbarknoten innerhalb einer bestimmten Anzahl von Hops weitergeleitet. Geographischer Broadcast: Sollen Fahrzeuge in einer bestimmten Richtung (z. B Fahrtrichtung oder gegen die Fahrtrichtung) über ein Ereignis informiert werden, wird die Nachricht mittels geographischem Broadcast weitergeleitet. Dabei lassen sich zwei verschiedene Fälle unterscheiden: Der erste Fall ist die Benachrichtigung aller Fahrzeuge die sich direkt in der Übertragungsweite befinden. Hier wird unmittelbar ein Broadcast durchgeführt. Der zweite Fall ist die Benachrichtigung von Fahrzeugen in einem Gebiet in Übertragungsrichtung, welches nicht unmittelbar an den Sender grenzt. Hier wird die Nachricht zunächst mittels Unicast in das Zielgebiet gebracht und erst dort per Broadcast an alle Fahrzeuge im Zielgebiet weitergeleitet. Geographischer Anycast: Hier wird die Nachricht vom Sendeknoten an alle Knoten innerhalb der Sendereichweite gesendet. Ein Weiterleiten der Nachricht findet nicht statt. Die zeitliche Abfolge der Weiterleitung von Nachrichten erfolgt abhängig von ihrer Priorität. Sicherheitsanwendungen verwenden in erster Linie Broadcasting, um andere Fahrzeuge über Gefahren zu informieren. 1Physical Layer: Bitübertragungsschicht. Der Physical Layer ist die unterste Schicht in der Netzwerkabstraktion. Sie stellt mechanische und elektrische Hilfsmittel zur Verfügung um physikalische Verbindungen zu aktivieren, aufrechtzuerhalten und Bits zu übertragen. Dies können beispielsweise Laser, elektrische Signale, elektromagnetische Wellen usw. sein. 2Mac Layer: Kanalzugriffsschicht. Der MAC-Layer regelt, wie Stationen oder Einheiten Zugriff auf ein Übertragungsmedium erhalten um Kollisionen zu vermeiden. Hierbei werden Algorithmen wie beispielsweise CSMA/CA verwendet. Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance Point Coordination Function ist ein Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen in drahtlosen Netzwerken (Wireless LANs), bei dem der Access Point den Medienzugriff zentral steuert. 3Network Layer: Paketebene. Hierbei geht es um die Schaltung von Verbindungen bzw. die Übermittlung von Datenpaketen. Routing-Algorithmen spielen genau in dieser Schicht eine große Rolle um einen Weg von der Quelle zum Ziel der Nachricht zu finden. Hierbei wird ebenfalls der Netzwerkfluss geregelt und IP implementiert. Seite 9

10 4.Sicherheit Für den Erfolg der C2C-Communikation sind Verlässlichkeit und hohe Verfügbarkeit wesentliche Voraussetzung. Somit ist die Wahl des Sicherheitskonzeptes ein kritischer Faktor. Falls ein Fahrer häufiger falsche Informationen erhält, würde er nicht mehr den Meldungen trauen. Es muss daher unmöglich sein, falsche Warnungen zu senden, zum Beispiel von einem Notebook in der Nähe einer Straße. Authentizität: Das Senden falscher Nachrichten und Anmeldung falscher Knoten soll durch Authentifizierung und Zertifizierung gelöst werden. Dafür soll eine Zertifizierungsstelle eingeführt werden, die entweder über stationäre Einheiten oder Mobiltelefonie die asymmetrischen Schlüsselpaare der Verkehrsteilnehmer zertifiziert und an andere die öffentlichen Schlüssel regional begrenzt weiterleitet. Bei jedem Eintreten eines Fahrzeugs in eine neue Region erhält es die öffentlichen Schlüsselsätze der anderen Fahrzeuge, damit sich diese bei ihm authentifizieren können. Der Absender muss gültig sein und darf während der Übertragung nicht manipuliert werden. Privatheit: Ebenso das Ausspähen des Fahrers durch wirtschaftliche Interessen soll verhindert werden: Sämtliche Anfragen und Positionsdaten sollten anonymisiert und für Dritte nicht zugänglich sein. Die empfangenen Daten dürfen keine Rückschlüsse auf die Identität des Fahrers zulassen Dies wird ebenfalls über diese Zertifizierungsstelle geschützt, indem den einzelnen Teilnehmern Pseudonyme zugeteilt werden, welche nur temporär gültig sind. Wie dies im Detail geschehen soll, ist noch Gegenstand der Forschung und muss sich in Feldstudien beweisen. Korrektheit: Daten müssen syntaktisch und semantisch korrekt sein. Auch unter Berücksichtigung defekter Steuereinheiten. Robustheit: Störungen dürfen keinen Einfluss auf das Gesamtsystem haben ad-hoc Sicherheit für Fahrzeug-Software: Um On-Bord-Software zu Schützen werden Firewalls eingesetzt. Seite 10

11 5.Zusammenfassung 95 % aller Unfälle sind die Folge menschlichen Fehlverhaltens. Intelligente Verkehrssysteme sollen die Sicherheit auf Europas Straßen in Zukunft deutlich erhöhen, Staus reduzieren und gleichzeitig Zeit und Kraftstoff sparen. Für die Zukunft ist eine Standardisierung des Systems unbedingt notwendig, um ein homogenes Netzwerk zu etablieren. Problem könnte die mangelnde Bereitschaft einiger Automobilhersteller sein. Hier sollen Wege gefunden werden, den finanziellen Nachteil der Hersteller zu kompensieren. Seite 11

12 6.Quellen [1] c't 19/ Car2Car-Kommunikation: Mehr Sicherheit im Verkehr [2]. hrzeuge/ [3] AUTOMOTIVE FAHRERASSISTENZ [4] Car-to-Infrastructure-Kommunikation ViaVision 08 [5] Sebastian Eggers - Informationsweitergabe in ad-hoc-netzwerken und Anwendungen [6] Bilder - [7] Statistische Daten ADAC [8] Anforderungen an und Herausforderungen - Andreas Lübke, Volkswagen AG, Wolfsburg, Deutschland [9] Routingverfahren - AUTOMOTIVE FAHRERASSISTENZ [10] Sicherheit - AUTOMOTIVE FAHRERASSISTENZ Seite 12