Seminar Sommersemester 2015: Automobile Systeme in der Automatisierung Prof. Dr. Dieter Z¨ obel, Universit¨ at Koblenz-Landau, FB Informatik

Car-to-Car Kommunikation

Christopher Krey

Eingereicht: 20.08.2015 / Fertiggestellt: 12.10.2015

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit vermittelt einen Einblick in den Bereich der Car-to-Car Kommunikation (C2C Communication). Dazu werden zun¨ achst Motive und Ziele eines solchen Systems beleuchtet. Neben dem aktuellen Stand der Entwicklung werden sowohl allgemeine als auch technische Anforderungen erl¨ autert. Dabei wird neben Architektur, Protokollen und Leistungsstand von IEEE 802.11p auch auf eine Umsetzung mittels LTE-Funktechnologie eingegangen und diese gegeneinander abgewogen. Dabei zeigt sich, dass die Wahl der verwendeten Technologie offener denn je zu sein scheint. Abschließend wird auf weiterf¨ uhrende Projekte eingegangen und ein Fazit gezogen. Schl¨ usselw¨ orter Car2Car Kommunikation, C2C, WAVE, LTE, VANET

1 Einleitung Seit den 1970er Jahren hat sich die Zahl der Verkehrstoten in Deutschland wie auch weltweit insgesamt verringert, da die Sicherheitsmaßnahmen immer weiter erh¨ oht wurden. Doch mit steigendem Fahrzeugbestand steigen auch die Gefahren im Verkehr. So kam es im Jahr 2014 in Deutschland zu 2,4 Millionen Verkehrsunf¨ allen mit etwa 3.400 Toten [20]. In den USA kam es sogar zu 5,6 Millionen Unf¨ allen mit 32.719 Verkehrstoten [15]. Eine M¨ oglichkeit, diese Zahlen zu senken, liegt in der Nutzung der Car-2-Car (C2C ) Kommunikationstechnologie. Diese erm¨ oglicht den direkten Austausch von Informationen und Daten zwischen Kraftfahrzeugen. So k¨ onnen Fahrzeugf¨ uhrer vor Gefahren gewarnt werden. Neben dem Sicherheitsaspekt bietet die C2C Technologie auch weitere Vorteile, auf die in Abschnitt 1.2 eingegangen wird. Der aktuelle Stand der Technik wird in Kapitel 2 betrachtet. Anforderungen werden in Kapitel 3 erl¨ autert, gefolgt von der technischen Umsetzung in Kapitel 4. Abschließend wird ein Fazit gezogen (Kapitel 5). Universit¨ at Koblenz-Landau, Institut f¨ ur Informatik [email protected] http://www.uni-koblenz-landau.de/koblenz/fb4/institute/IST/AGZoebel

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1.1 Abgrenzung zu anderen Themengebieten Die Car-to-Car oder Car-2-Car Kommunikation wird in der englischsprachigen Fachliteratur als vehicle-to-vehicle (V2V) communication bezeichnet, was im Folgenden synonym verwendet wird. Dabei stellt die V2V Kommunikation nur einen Unterpunkt der V2X Kommunikation dar [6]. Diese beinhaltet neben der V2V Kommunikation ebenso die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur (V2I, vehicle-to-infrastructure), den Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen und station¨ aren Einheiten am Straßenrand. Realisiert wird dies bereits unter anderem bei dem auf deutschen Autobahnen eingesetzten Mautsystem f¨ ur LKWs. Auch der Datenaustausch zwischen Fahrzeugen und Fußg¨ angern stellt ein weiteres Teilgebiet dar (V2P, vehicle-to-pedestrian). So wird ¨ ein Fußg¨ anger via dessen Smartphone gewarnt, falls sich ihm beim Uberqueren einer Straße ein Fahrzeug n¨ ahrt, ebenso empf¨ angt der Fahrzeugf¨ uhrer eine Mitteilung, falls sich in dessen Fahrtrichtung ein Fußg¨ anger in unmittelbarer N¨ ahe auf der Fahrbahn befindet [13]. Ein letzter Unterpunkt der V2X Kommunikation ist die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Straßennetz (V2G, vehicle-to-grid ). In diesem, sich noch stark in der Forschung befindlichen Teilaspekt, soll der Austausch elektrischen Stroms zwischen Fahrzeug und Straße erm¨ oglicht werden. Hierbei ist die Straße an das Stromnetz gekoppelt und kann, wenn n¨ otig, elektrischen Strom an Elektro- oder Hybridfahrzeuge abgeben. Umgekehrt soll in Zeiten großer Netzlast die Einspeisung von Strom ins Stromnetz durch die Fahrzeuge realisiert werden. Die hier genannten Unterpunkte sollen im Zuge dieser Ausarbeitung nicht weiter verfolgt werden, jedoch ist vor allem die C2I Kommunikation nicht v¨ ollig losgel¨ ost von der C2C Kommunikation zu betrachten und findet somit in einigen Aspekten Erw¨ ahnung. Die V2X Kommunikation selbst ist wiederum nur ein Teilgebiet der intelligent transportations systems (ITS). Neben dem Straßenverkehr wird auch der Schienen-, Schiffs- und Luftverkehr mittels Informations- und Kommunikationstechnologie u ¨berwacht und gesteuert, um den Verkehr zu lenken, organisieren und informieren. Dazu werden verkehrsbezogene Daten erfasst, u ¨bermittelt und verarbeitet.

1.2 Ziele Mit der Einf¨ uhrung der Fahrzeugkommunikation werden verschiedene Ziele verfolgt, die unterschiedliche Priorit¨ aten genießen. Mit Blick auf oben genannte Unfallzahlen sind aber vor allem h¨ ohere Sicherheitsstandards ein wichtiger Aspekt der Forschung. 1.2.1 Erh¨ ohung der Straßenverkehrssicherheit Die C2C Kommunikation soll die bereits in viele Neuwagen integrierten Fahrsicherheitssysteme und Fahrzeugtelematik, u.a. bestehend aus Regensensor, ABS, ESP, Kameras oder Infrarotsensoren, unterst¨ utzen und dar¨ uber hinaus die Sensordaten verschiedener Fahrzeuge kombinieren, um den Fahrzeugf¨ uhrern ein umfassenderes Bild der Verkehrssituation zu liefern, als dies mit ausschließlich eigener Sensorik m¨ oglich ist. So soll der Horizont der Verkehrsteilnehmer erweitert und bestehende Fahrassistenzsysteme unterst¨ utzt werden. Dazu soll vor Unf¨ allen, Kreuzungen, Stauenden oder gef¨ ahrlichen Straßenzust¨ anden gewarnt werden. Zudem sollen Fahrzeuge einen Hinweis

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¨ n¨ erhalten, falls sich ihnen Einsatzfahrzeuge von Polizei, Feuerwehr, o.A. ahern, um es diesen zu erm¨ oglichen, schneller an den Einsatzort zu gelangen. Ziel ist es, durch fr¨ uhzeitiges Warnen den handelnden Personen l¨ angere Reaktionszeiten zu verschaffen und diese auf gef¨ ahrliche Situationen vorzubereiten, um Unf¨ alle zu vermeiden. 1.2.2 Umweltschutz Der Einfluss des Verkehrs auf die Umwelt soll verringert werden. Realisiert werden soll dies durch die Unterst¨ utzung vorausschauender Fahrweise. Stauenden oder rote Ampeln und deren Positionen sind bereits fr¨ uhzeitig bekannt und durch entsprechende Fahrweise kann die Zufahrt darauf angepasst werden, um unn¨ otigen Benzinverbrauch zu vermeiden. Auch automatisiertes Kolonnefahren, bei dem sich die Fahrzeuge unter¨ einander hinsichtlich Geschwindigkeit, Fahrspur oder Uberholman¨ overn austauschen, soll realisiert werden, um durch Ausnutzung des Windschattens Benzin zu sparen. 1.2.3 Weitere Ziele Neben Sicherheit und Umweltschutz k¨ onnen weitere Aspekte als Kaufargumente betrachtet werden. So soll eine signifikante Erh¨ ohung des Komforts erfolgen indem der Inhalt von Verkehrsschildern zuverl¨ assiger als mit aktueller Kameratechnologie an vorbeifahrende Fahrzeuge u ¨bermittelt wird. Weiterhin wird Entertainment durch das Versenden von Nachrichten oder durch Spiele zwischen verschiedenen Fahrzeugen geboten. Auch Werbung kann ortsbezogen an Fahrzeuge u ¨bermittelt werden. Zuletzt ist auch das Verkehrsmanagement zu nennen, durch welches insgesamt Staubildung und Gefahrensituationen reduziert werden sollen.

2 Stand der Technik Im Laufe der letzten Jahre wurde einiges in Forschung und Pilotprojekte investiert, der Fokus lag hier vornehmlich auf WLAN-basierter Technik [7]. Dabei haben sich vor allem Europa, die USA und Japan hervorgetan. In Europa ist dies durch einen Zusammenschluss von Automobilherstellern (z.B. Audi, Ford, Daimler, BMW und VW), Zulieferern (Bosch, Siemens, etc.) und Forschungseinrichtungen (z.B. Fraunhofer-Institute, DLR oder TU M¨ unchen) im Car 2 Car Communication Consortium 1 geschehen, hier wird ein WLAN-basierter Ansatz favorisiert. In den USA hingegen ist die Forschung getrieben vom dortigen Verkehrsministerium und dem Ministerium f¨ ur Forschung und innovative Technologie RITA2 (Research and Innovative Technology Administration). Genauso betreibt das japanische Ministerium f¨ ur Land, Infrastruktur, Transport und Tourismus Forschung auf diesem Gebiet. Auch hier wird mit Partnern aus der Wirtschaft zusammengearbeitet. Trotz gleichem Forschungsschwerpunkt wurde hier noch kein gemeinsamer Standard oder ein einheitliches Vorgehen gefunden [6]. Unabh¨ angig von diesen Einrichtungen besch¨ aftigen sich in den letzten Jahren Forscher mit dem Mobilfunkansatz, um zumindest Mehrwertdienste auf dieser Basis zu realisieren. 1 2

https://www.car-2-car.org http://www.rita.dot.gov/

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Auf dem Markt sind bislang wenige Umsetzungen verf¨ ugbar, seit dem Jahr 2013 bietet jedoch beispielsweise Mercedes-Benz eine Zusatzausstattung, die mittels C2C Kommunikation vor Gefahren warnt [14]. Hier wurde, trotz Mitgliedschaft im C2C CC die Mobilfunkl¨ osung angewandt, um die C2C Kommunikation schnellstm¨ oglich auf den Markt bringen zu k¨ onnen. Die gew¨ ahlte L¨ osung unterst¨ utzt daher nur eine markeninterne Kommunikation. Honda stellte auf dem ITS World Congress 2014 die V2P/B (vehicle-to-pedestrian/bicycle) Technologie zwischen Fahrzeug und Smartphone von Fußg¨ angern oder Fahrradfahrern vor [13]. Im Jahr 2013 wurde der bisher gr¨ oßte Praxistest auf deutschem Boden, das simTD3 (Sichere intelligente Mobilit¨ at - Testfeld Deutschland ), ein Feldversuch rund um Frankfurt am Main, beendet. Der dort verwendete hybride Ansatz aus WLAN und UMTS wurde als Erfolg gewertet und biete Potential zur Einsparung von 6,5 Milliarden Euro j¨ ahrlich an volkswirtschaftlichen Kosten f¨ ur Straßenverkehrsunf¨ alle und von 4,9 Milliarden Euro durch gesteigerte Effizienz und vermiedene Umweltbelastung [19]. In naher Zukunft soll die C2C Kommunikation vermehrt auf die Straße gebracht werden. Dazu wird unter anderem die Skalierung bestehender Praxistests vergr¨ oßert. Ab 2015 wird das simTD Testcenter ausgeweitet auf eine 1.300km lange Strecke von Wien u ¨ber Frankfurt nach Rotterdam, um die C2X Kommunikation weiter im Alltag zu testen. Dazu werden mehrere tausend Fahrzeuge mit der n¨ otigen Technik ausgestattet sowie entlang der Fahrtstrecke C2I Infrastruktur aufgebaut [12]. Hier dient ¨ ¨ der Mobilfunk zur Uberbr¨ uckung von Verbindungsl¨ ucken sowie zur Ubertragung von Mehrwertdiensten. Auch der bisher gr¨ oßte IEEE 802.11p-basierte Feldversuch der USA in Ann Arbor, Michigan, einer Stadt mit etwa 113.000 Einwohnern auf 70km2 , soll ausgeweitet werden. Von 3.000 ausger¨ usteten Fahrzeugen soll ab 2015 auf 30.000 Fahrzeuge aufgestockt werden nachdem der erste Test ebenfalls positiv ausfiel [17].

3 Anforderungen Die Anforderungen, die an die C2C Kommunikation gestellt werden, verteilen sich auf unterschiedliche Bereiche. Nicht nur Fahrzeuge unterschiedlicher Hersteller sollen kommunizieren k¨ onnen, auch die Beteiligung internationaler Forschungseinrichtungen und Regierungen tr¨ agt zu einer Vielzahl an Anforderungen bei.

3.1 Allgemeine Anforderungen Im Hinblick auf die fortschreitende Globalisierung soll ein internationaler Standard vereinbart werden, um die Kommunikation zwischen Fahrzeugen aller Fahrzeughersteller aus allen Regionen der Welt zu erm¨ oglichen. In einzelnen Regionen wie den USA, Japan oder Europa sind Zusammenschl¨ usse vorhanden, eine weltweite Einheit fehlt jedoch bislang. Um einen Mehrwert zu bieten, muss eine ausreichende Zahl an unterst¨ utzenden Fahrzeugen vorhanden sein. Als Minimum sind hier 10% der Fahrzeuge zu nennen, besser seien aber 30% Marktdurchdringung [3]. Dabei dauere es ab einer 3

http://www.simtd.de/

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fl¨ achendeckenden Ausstattung von Neuwagen mindestens 1,5 Jahre bis die n¨ otigen 10% erreicht seien, bis zu 30% werden erst nach mehr als sechs Jahren erreicht.

3.2 Technische Anforderungen Bei Erhebung der Daten ist die Wahrung des Datenschutzes unumg¨ anglich. Die u ¨bertragenen Daten d¨ urfen keine R¨ uckschl¨ usse auf den Fahrer zulassen [3]. Die Anonymit¨ at sollte sich hier auf einem a ¨hnlichen Level wie bei heutigem Mobilfunk bewegen. Ein großes Hindernis stellt aber vor allem die unterschiedliche Gesetzesgrundlage zum Datenschutz in verschiedenen L¨ andern dar. Weiterhin muss die Technologie skalierbar sein, d.h. mit unterschiedlich vielen teilnehmenden Fahrzeugen umgehen k¨ onnen. So sind beispielsweise in der Anfangsphase nur sehr wenige Fahrzeuge mit C2C Technik ausgestattet, w¨ ahrend nach einigen Jahren eine hohe Marktdurchdringung vorliegt und Situationen entstehen, in denen sehr viele Fahrzeuge auf engem Raum kommunizieren. Mit beiden Szenarien m¨ ussen die Technologie sowie Anwendungen ohne weitere Anpassungen umgehen k¨ onnen [3]. Die ohnehin im Fahrzeug verbaute Sensorik muss ihre Daten f¨ ur die C2C Kommunikation bereitstellen, vor allem Positionsdaten (GPS), Geschwindigkeit und Fahrtrichtung sind unerl¨ asslich [3]. In Anbetracht der m¨ oglichen Fahrzeuggeschwindigkeiten ist eine geringe ¨ Ubertragungszeit der Informationen sehr wichtig. Fahren zwei Fahrzeuge mit bis zu 250 km/h aufeinander zu, ist die Zeitspanne, in der sie sich in Reichweite zueinander befinden, sehr kurz. Trotzdem muss ein Datenaustausch m¨ oglich sein. Als maximales Delay sind hier 100ms veranschlagt [4] um einen zuverl¨ assigen Service der Sicherheitsanwendungen zu gew¨ ahrleisten bei dem dem Fahrzeugf¨ uhrer gen¨ ugend Reaktionszeit verbleibt. Nicht-sicherheitsrelevante Dienste haben dagegen weniger strenge Delayanforderungen.

4 Technische Umsetzung Nach Gr¨ undung verschiedener Forschungskonsortien, beispielsweise des Car 2 Car Communication Consortium 2007, lag der Fokus vor allem auf der (Weiter-)Entwicklung WLAN4 -¨ ahnlicher Technologie. Hier wird, um die Kommunikation der Fahrzeuge untereinander zu erm¨ oglichen, ein mobiles Ad hoc Netzwerk verwendet (MANET, mobile ad hoc network ). Dabei werden die Fahrzeuge ohne feste Kommunikationsinfrastruktur wie z.B. Router oder Wireless Access Points miteinander verbunden. Das Netzwerk baut sich selbstst¨ andig auf und konfiguriert sich eigenst¨ andig bei Wegfall, Bewegung oder Hinzukommen von Knotenpunkten. Zuvor wurde eine Nutzung von Mobilfunktechnologie anstelle von WLAN in Betracht gezogen [8] und auch aktuell ist durch die stetige Weiterentwicklung im Telekommunikationsbereich diese M¨ oglichkeit wieder st¨ arker in den Fokus ger¨ uckt und soll hier kurz erl¨ autert werden. 4

nach IEEE 802.11(a/b/g)

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4.1 Mobilfunk Zun¨ achst bietet die mobilfunkbasierte C2C Kommunikation den Vorteil, dass der zellulare Aufbau des Mobilfunknetzes den Broadcast an die komplette Zelle erlaubt. So ist man f¨ ur die Verbreitung einer Nachricht bzw. eines Warnhinweises nicht auf andere Fahrzeuge in unmittelbarer N¨ ahe angewiesen, welche ebenfalls die C2C Kommunikation unterst¨ utzen. Dabei liegt die Zellengr¨ oße in Innenst¨ adten teilweise unter 100m Durchmesser, in l¨ andlichen Gebieten bei bis zu 20km Durchmesser. Auf der anderen Seite sind hohe Latenzen ein Problem, welches es zu l¨ osen gilt. Hierf¨ ur bietet sich durch Weiterentwicklungen der letzten Jahre zunehmend der Mobilfunkstandard LTE an. LTE (Long Term Evolution) ist eine Weiterentwicklung des UMTS-Standards und bietet eine theoretische Datenrate von bis zu 300 MBit/s, in der Praxis werden jedoch durchschnittlich nur 38,4 Mbit/s erreicht. Die theoretische Latenz liegt bei etwa 20ms. In Deutschland wird auf den Frequenzen 800 MHz, 1.800 MHz sowie 2.600 MHz gefunkt, weltweit werden jedoch unterschiedliche Frequenzen f¨ ur LTE genutzt. Dabei gilt: je niedriger die Frequenz, desto h¨ oher die Reichweite. Daher wird vor allem auf dem Land mit 800 MHz gesendet. Die Standard-Bandbreite eines Kanals betr¨ agt dagegen einheitlich 20 MHz, kann aber je nach Auslastung skaliert werden. Die Kapazit¨ at einer LTE-Funkzelle betr¨ agt bis zu 200 aktive Teilnehmer, diese m¨ ussen sich die vorhandene Bandbreite dabei allerdings teilen, was sofort die Frage nach einem Szenario mit Stau oder dichtem Verkehr in l¨ andlichem Gebiet aufwirft. Denn auch hier muss eine schnelle und fl¨ achendeckende Kommunikation gew¨ ahrleistet werden k¨ onnen, um auf Gefahrensituationen hinweisen zu k¨ onnen. Ein weiteres Kriterium ist die fl¨ achendeckende Verf¨ ugbarkeit von LTE (vgl. Abb. 1). W¨ ahrend eine Geschwindigkeit von 50 MBit/s in Deutschland theoretisch fast fl¨ achendeckend verf¨ ugbar ist, ist die Abdeckung mit 150 MBit/s erheblich geringer. 300 MBit/s sind nur in einigen wenigen Großst¨ adten wie Berlin oder K¨ oln vorhanden [21]. Zu beachten ist hierbei jedoch auch, dass Nachrichten auch in Tunneln versandt und empfangen werden m¨ ussen, hier ist oftmals kein Mobilfunkempfang m¨ oglich. Diese Bereiche lassen sich jedoch durch das Aufstellen weiterer LTE-Funkeinheiten erschließen, was zun¨ achst allerdings mit weiteren Investitionen verbunden ist. Die typischen Mobilfunkbedingungen unterscheiden sich von denen der C2C Kommunikation in einigen Punkten. Da sich Sender- und Empf¨ angerfahrzeug nahe beieinander befinden liegen sie etwa auf gleicher H¨ ohe, was f¨ ur die Streuungsfunktionen hinsichtlich Einfalls- und Ausfallwinkel relevant ist. Zuallererst muss jedoch der st¨ andigen Bewegung der Fahrzeuge Rechnung getragen werden, dabei sind Autobahnen, Stadtgebiete und Landstraßen hinsichtlich der Anzahl der Verkehrsteilnehmer, Geschwindigkeiten und Verkehrsdichte zu unterscheiden. Durch die unterschiedliche Frequenzwahl (LTE maximal 2,6 GHz, IEEE 802.11p 5,9 GHz) liegt des Weiteren eine unterschiedliche Signalabschw¨ achung vor. Um den genannten Bedingungen gerecht zu werden wurde das VANET entworfen. Das VANET (Vehicular Ad hoc Network ) ist ein an die speziellen Fahrzeugbedingungen angepasstes MANET mit Fahrzeugen als Knotenpunkten. Hohe Geschwindigkeiten auf Autobahnen und dementsprechend ¨ kurze Ubertragungszeitr¨ aume werden ebenso ber¨ ucksichtigt wie eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die proportional zur Anzahl der Hops ist.

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(a)

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(b)

Abb. 1 Verf¨ ugbarkeit von LTE in Deutschland mit (a) 50 MBit/s und (b) 150 MBit/s [21]

4.2 WAVE Als Grundlage f¨ ur die Kommunikation innerhalb eines VANET ist DSRC (Dedicated Short Range Communication) vorgesehen. Darauf aufbauend gilt WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) als vielversprechender Ansatz, um eine hohe Datentransferrate bei geringer Latenz zu gew¨ ahrleisten. Bei dieser auf Fahrzeugumgebungen angepassten WLAN-Variante wurden physikalische und MAC-Schicht auf Basis des IEEE 802.11 Standards entworfen und sind unter IEEE 802.11p [16] zu finden. 4.2.1 Architektur Der Aufbau der Konfiguration besteht aus mehreren Teilen. On-Board Unit (OBU ) und (mehrere) Application Units (AU ) befinden sich innerhalb des Fahrzeugs, das VANET selbst formt sich aus Fahrzeugen mit OBUs sowie Road-side Units (RSU s). Dabei sind OBUs f¨ ur Kommunikation sowie Weiterleitung von Nachrichten zust¨ andig und bieten Services f¨ ur AUs. Laut C2C Manifest [3] muss die OBU f¨ ur Sicherheitsanwendungen mit WAVE-Technologie ausgestattet sein, f¨ ur nicht-sicherheitskritische Anwendungen k¨ onnen optional auch andere Technologien (z.B. Standard-WLAN) verwendet werden. AUs bieten einzelne Anwendungen, beispielsweise Gefahrenwarnungen. RSUs sind station¨ are Einheiten entlang der Fahrbahn (siehe C2I), z.B. Mautkontrollstellen. Diese sind mit WAVE, WLAN oder anderer Funktechnologie ausgestattet um Verkehrsmeldungen zu versenden, Internetzugriff anzubieten oder durch Forwarding die Reichweite vorbeifahrender Fahrzeuge zu erh¨ ohen. Bezogen auf das Schichtenmodell fallen unterschiedliche Protokollstacks f¨ ur sicherheitsrelevante und nicht-sicherheitsrelevante Applikationen ins Auge. W¨ ahrend nicht-sicherheitskritische Anwendungen traditionelle Protokolle aus dem TCP/IP Referenzmodell, basierend auf IEEE 802.11 oder anderer Funktechnologie, nutzen, verwenden sicherheitsrelevante Anwendungen den IEEE 802.11p Standard f¨ ur PHY-

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und MAC-Schicht (vgl. Abbildung 2). Hier soll ausschließlich auf sicherheitsrelevante Anwendungen eingegangen werden.

Abb. 2 Protokollarchitektur des C2C Kommunikationssystems [3]

¨ In der physikalischen Schicht findet die Ubertragung von Nachrichten mittels WAVE statt. Angewandt wird hier eine abgewandelte Form des 802.11a Standards, jedoch mit einer variablen Datenrate zwischen 3 und 27 MBit/s, standardm¨ aßig wird eine Geschwindigkeit von 6 MBit/s gew¨ ahlt. In Europa wird dazu ein Frequenzband von 5,855 - 5,925 GHz genutzt, welches in Kan¨ ale von je 10 MHz Breite unterteilt ist (vgl. Abbildung 3). Es gibt einen Kontrollkanal (CCH, Control Channel ) sowie sechs Servicekan¨ ale (SCH, Service Channel ). Neben einem Kanal f¨ ur kritische Sicherheitsnachrichten sind drei Kan¨ ale f¨ ur Verkehrssicherheit und -effizienz sowie zwei f¨ ur nicht-sicherheitsbezogene Kommunikation vorgesehen [3]. So entsteht eine Kommunikationsreichweite von 500 - 1000m in one-hop Distanz. Weltweit werden zur WAVE¨ Ubertragung unterschiedliche Frequenzen genutzt, in Amerika von 5,850 - 5,925 GHz, in Japan 5,770 - 5,850 Ghz. Die zur Markteinf¨ uhrung n¨ otige Vereinheitlichung hat bislang nicht stattgefunden. Die verschiedenen Kan¨ ale k¨ onnen nicht simultan genutzt werden, stattdessen findet ein Wechsel zwischen Kontrollkanal und einem der Serviceoder Sicherheitskan¨ ale statt. Dabei darf aufgrund der strengen Delayanforderungen (vgl. Abschnitt 3.2) eine Periode, bestehend aus einem CCH- und einem SCH-Intervall, nicht l¨ anger als 100ms dauern [4].

Abb. 3 Unterscheidung der Kommunikationskan¨ ale nach C2C CC

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In der dar¨ uber liegenden MAC/LLC-Schicht sind verschiedene Vereinfachungen und Erweiterungen des IEEE 802.11-MAC-Protokolls implementiert: – Information der dar¨ uber liegenden Schichten u ¨ber die aktuelle Kanalauslastung zur ¨ Vermeidung einer Uberlastung – Client/Server-Interface zur Kanal¨ uberwachung und f¨ ur Kontrollkommandos f¨ ur die Kommunikation zwischen MAC-Schicht und den dar¨ uberliegenden Schichten – Bereitstellung von Kontrollparametern pro Paket f¨ ur die Netzwerkschicht, insbesondere bez¨ uglich der Sendeleistung – Queuing-Schema zur Priorisierung von Nachrichten Die Netzwerk-Schicht beinhaltet Protokolle f¨ ur die Datenverbreitung an VANETAnwendungen sowie zur Einschr¨ ankung der Ausbreitung einer Nachricht. Dabei muss vor allem die aktuelle Verkehrsdichte beachtet werden. Hier finden mit dem Geographical Unicast, Single-hop Broadcast und mit Beacon Paketen drei unterschiedliche Schemata zur Daten¨ ubermittlung Anwendung. Dabei stellen die Beacon Pakete einen Spezialfall des Single-hop Broadcasts dar, um andere Verkehrsteilnehmer regelm¨ aßig zu informieren, wer sich in deren Reichweite befindet. Die Transport-Schicht ist f¨ ur Datenmultiplexing sowie -demultiplexing sowie einen zuverl¨ assigen Datentransfer verantwortlich. Schlussendlich ist die Application-Layer zust¨ andig f¨ ur das Senden und Empfangen von Nachrichten, sowie die Verarbeitung von Nachrichten und lokalen Sensordaten und die Interaktion mit dem Nutzer [3]. 4.2.2 Kommunikation Auch hier wird wiederum zwischen sicherheitsrelevanter und nicht-sicherheitsrelevanter Kommunikation unterschieden. W¨ ahrend Sicherheitsanwendungen grunds¨ atzlich in ¨ eine geografische Region broadcasten (Geocast), um eine zuverl¨ assige Ubertragung mit m¨ oglichst geringem Delay zu gew¨ ahrleisten und alle Fahrzeuge in der Umgebung zu warnen, sind die Anforderungen an andere Anwendungen weniger streng. Hier wird ein Unicast (z.B. f¨ ur Internetzugriff) oder Broadcast, beispielsweise f¨ ur Werbung, verwendet [3]. Auch hinsichtlich der Weiterleitung von Nachrichten greifen unterschiedliche Mechanismen: Geographical Unicast Der Geographical Unicast verwendet einen unidirektionalen Datentransport zu nur einem bestimmten Fahrzeug u ¨ber mehrere hops hinweg (multiple-hop). Dabei werden Fahrzeuge sowohl in gleicher Fahrtrichtung als auch in Gegenrichtung f¨ ur das Forwarding mit einbezogen (vgl. Abbildung 4a). Die Auswahl des Zielfahrzeugs erfolgt dabei aufgrund dessen geografischer Position. Topologically-scoped Broadcast Hier findet eine Daten¨ ubertragung von einem einzelnen Knoten zu allen Fahrzeugen in einem definierten Umkreis statt. Dieser Umkreis wird definiert durch die Anzahl der hops (vgl. Abbildung 4b, hier 2-hop-Distanz). Geographically-scoped Broadcast Bei dieser Form des Forwarding findet ein Datentransport vom Senderknoten zu

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allen Knoten in einer geografischen Region statt. Diese wird definiert durch eine geometrische Form wie einen Kreis oder Rechteck. Dazu muss sich der Sender zudem in der jeweiligen Region aufhalten (vgl. Abbildung 4c). Anwendung findet diese Form beispielsweise bei vereisten Straßen oder Aquaplaning, um andere Fahrzeuge vor der Gefahrensituation zu warnen. Geographically-scoped Anycast Der Datentransport erfolgt hier wiederum zu allen Empf¨ angerknoten in einer geografischen Region. Im Gegensatz zum Broadcast findet innerhalb der Region jedoch keine Weiterleitung der Daten statt und der Sender muss sich nicht in der Region aufhalten (vgl. Abbildung 4d).

(a)

(b)

(c)

(d)

Abb. 4 Forwarding-Strategien: Geographical Unicast (a), Topologically-scoped Broadcast (b), Geographically-scoped Broadcast (c), Geographically-scoped Anycast (d) [3]

4.2.3 Leistungsf¨ ahigkeit Nach Ver¨ offentlichung des C2C Manifests und den daraus hervorgehenden Spezifikationen wurde deren Leistungsf¨ ahigkeit und Effizienz unter anderem von Eichler untersucht [4]. Hier wurde in einer Simulation Kollisionswahrscheinlichkeit von Nachrichten, Datendurchsatz sowie Delay evaluiert. Nachrichten, die mittels C2C Kommunikation versandt werden haben unterschiedliche Priorit¨ atsklassen (AC, Access Classes), um sicherzustellen, dass sicherheitsrelevante Nachrichten Vorrang vor weniger wichtigen Nachrichten, beispielsweise Infotainmentanwendungen, haben. Diese Klassen reichen von AC0, der geringsten Priorit¨ at, bis AC3, der h¨ ochstm¨ oglichen Priorit¨ at. F¨ ur jede Priorit¨ atsklasse existiert eine Warteschlange mit Nachrichten. Besonders Gefahrenwarnungen der AC3-Kategorie werden als Broadcast aufgrund der fehlenden ACK’s mehrmals ¨ versendet, um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Ubertragung zu erh¨ ohen, was die Auslastung des Kommunikationskanals nochmals erh¨ oht. Im gew¨ ahlten Simulationsszenario mit Paketgr¨ oßen von 500 Byte und einer Datenrate von 6 MBit/s wird die Auswirkung mehrerer Sendeknoten untersucht. Dabei wird deutlich, dass in Abh¨ angigkeit von der Gr¨ oße des Contention Window 5 (CW ) und der steigenden 5 Kommt es beim Versenden vom Nachrichten zu Kollisionen wird eine zuf¨ allige Zeitspanne bis zur Neu¨ ubertragung gewartet. Das Contention Window definiert hierf¨ ur eine minimale und maximale Zeit und wird bei jeder Kollision verdoppelt.

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Anzahl der sendenden Knoten die Wahrscheinlichkeit einer Kollision der Nachrichten steigt. Da das CW f¨ ur die h¨ ochste Priorit¨ atsklasse sehr klein gew¨ ahlt wird, um eine schnelle Neu¨ ubertragung zu erreichen, ist hier die M¨ oglichkeit einer Kollision am gr¨ oßten. Um dem entgegenzuwirken muss das CW vergr¨ oßert werden, was wiederum zu einem verminderten Durchsatz f¨ uhrt. Eine andere M¨ oglichkeit liegt darin, die Anzahl der Nachrichten mit h¨ ochster Priorit¨ at zu verringern. In der Simulation, ohne die genannten Optimierungen, f¨ uhrt dies dazu, dass die Zahl der erfolgreich empfangenen Nachrichten mit steigender Knotenzahl f¨ ur alle ACs linear abnimmt. AC3 ist hier wiederum am st¨ arksten betroffen. Dieses Resultat zeigt, dass der WAVE Standard nicht mit vielen Nachrichten hoher Priorit¨ at in einem dichten Szenario umgehen kann. Ein L¨ osungsansatz w¨ are hier die Ber¨ ucksichtigung der Zahl der Nachbarknoten oder die Anzahl der empfangenen Nachrichten pro AC im letzten Intervall bei der Priorit¨ atseinstufung in die ACs. In einer zweiten Simulation [4] wurde das Manhattan Grid Szenario verwendet. Auf einer Fl¨ ache von 2000m x 2000m, unterteilt in ein Gitter mit 500m Kantenl¨ ange, bewegen sich die Knoten mit 60km/h u ¨ber eine Zeit von 15min. Dabei wurden Durchl¨ aufe mit 100, 200 und 300 Knoten durchgef¨ uhrt. Mit steigender Zahl der Knoten steigt naturgem¨ aß auch die Netzwerkauslastung, was schließlich im maximal m¨ oglichen Datendurchsatz gipfelt. Dabei bekommt die niedrigste Priorit¨ atsklasse weniger Zugang zum Kanal, was sich in einer reduzierten Zahl versendeter und empfangener Broadcasts f¨ ur AC0 bemerkbar macht. Bei einer weiteren Steigerung des Datenverkehrs tritt der gleiche Effekt auch f¨ ur AC1 auf. Auch das End-to-end Delay der unterschiedlichen AC’s steigt mit steigender Knotenzahl stark an, wobei hier ebenfalls f¨ ur niedrige Priorit¨ aten die Verz¨ ogerung am st¨ arksten ist. Im Extremfall tritt dies aber auch f¨ ur die h¨ ochste Priorit¨ at auf, was dazu f¨ uhrt, dass eine Gefahrenwarnung nicht rechtzeitig empfangen wird und ein Unfall somit nicht verhindert werden kann. Bei hohem Datenverkehr liegt das m¨ ogliche End-to-end Delay f¨ ur 300 Knoten bereits bei 2s. Hier k¨ onnte die kontinuierliche Reduktion des Nachrichtenaufkommens mit hoher Priorit¨ at Abhilfe schaffen. Einen Ansatz hierf¨ ur liefern Ye, Adams und Roy in [11]. Im Zuge einer Simulation zur Vermeidung von Auffahrunf¨ allen wird auch auf eine effiziente Broadcast-Strategie eingegangen. Dazu werden implizite ACK’s verwendet; Wenn ein Fahrzeug eine Warnung, die es selbst ausgesandt hat, von einem nachfolgenden Fahrzeug nochmals erh¨ alt (d.h. mit der selben Event-ID), stoppt das urspr¨ unglich sendende Fahrzeug den Broadcast und Redundanz wird vermindert. In der folgenden Evaluation wurde wiederum das Delay einer Warnung vor Auffahrunf¨ allen untersucht, allerdings nur mit a ¨hnlichem Setup verglichen mit dem WAVE Standard. F¨ ur eine dreispurige Straße mit jeweils 100 Fahrzeugen pro Spur und Abst¨ anden von 20m bis 45m wurde angenommen, dass die Nachricht von Fahrzeug zu Fahrzeug in derselben Spur weitergegeben werden musste und keines u ¨bersprungen werden konnte. Je nach Broadcastst¨ arke oder Hintergrund-Traffic lag das End-to-end-Delay zwischen 3s und 14s. In diesem Fall kann ein Auffahrunfall nicht mehr ausgeschlossen werden, wenn auch 99% der Fahrzeuge unfallfrei bleiben w¨ urden. Jedoch wurde in diesem Szenario von konstanter Geschwindigkeit der Fahrzeuge und dem Ausbleiben von Spurwechseln ausgegangen, Annahmen die in einem realistischen Szenario ber¨ ucksichtigt werden sollten. Ebenso wurde der Hintergrund-Traffic teilweise mit 100kbps sehr gering gew¨ ahlt und keine Zeit zur Verarbeitung der Warnungen miteinbezogen, sondern nur eine Reaktionszeit von 1,5s pro Fahrer angenommen, um eine Vollbremsung einzuleiten. Wurde diese ¨ Zeit f¨ ur die Ubertragung von einem Fahrzeug zum anderen u ¨berschritten, so wurde

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von einem Umfall ausgegangen. Weiteren Optimierungsbedarf gibt es hinsichtlich der Broadcasting-Strategie. In [1] wird deutlich, dass bei der Wahl des n¨ achsten ¨ Hops derjenige gew¨ ahlt werden sollte, der die gr¨ oßte eigene Ubertragungsreichweite vorweisen kann, statt denjenigen Hop zu w¨ ahlen, der am weitesten vom aktuellen Knoten entfernt ist. ¨ Die drei hier erw¨ ahnten Simulationen zeigen, dass hinsichtlich der Ubertragung von Gefahrenwarnungen hoher Optimierungsbedarf besteht um eine rechtzeitige ¨ Ubermittlung zu erreichen. Eine Auslagerung von weniger wichtigen Nachrichten ¨ hin zu alternativen Ubertragungen wie beispielsweise Mobilfunk, und die damit verbundene Reduzierung des WAVE-Datentransfers, kann zumindest in Teilen Abhilfe schaffen. Nichtsdestotrotz besteht auch ohne nicht-sicherheitsrelevante Nachrichten ¨ die Gefahr, dass die rechtzeitige Ubermittlung fehlschl¨ agt.

4.3 Vergleich LTE- und WAVE-basierte L¨ osung bieten sich vor allem in einem Szenario ohne Sichtkontakt zwischen Sender und Empf¨ anger zum Vergleich an, da hier die zu erwartenden Leistungsunterschiede der beiden Konzepte am meisten differenzieren sollten. In [9] wird daf¨ ur eine innerst¨ adtische Kreuzung Hannovers simuliert. Wie bereits zuvor beschrieben wird hier die Wirksamkeit einer Kollisionswarnung untersucht. Nach [10] stellt die Abwesenheit einer direkten Sichtlinie (NLOS, non line of sight) eine der kritischsten Situationen f¨ ur die 802.11p Kommunikation dar und f¨ uhrt zu einer geringen Kommunikationsreichweite aufgrund eines niedrigen SNR (Signal-to-noise ratio, Signal-Rausch-Verh¨ altnis). In der Simulation bewegt sich das Empf¨ angerfahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit von 50km/h aus 130m Entfernung auf eine Kreuzung zu. Weiterhin befindet sich 53m von der Kreuzung entfernt das parkende WAVESendefahrzeug (vgl. Abbildung 5). Der Aufbau des LTE-Tests besteht dagegen aus 195 Zellen u ¨ber eine Fl¨ ache von insgesamt 20 × 24km. Diese werden w¨ ahrend des Tests als komplett ausgelastet angenommen, die genutzte Frequenz liegt bei 2,6 GHz. Zur Auswertung wurde f¨ ur 802.11p die Paketfehlerrate (PER, packet error rate), f¨ ur LTE die Blockfehlerrate (BLER, block error rate) bestimmt w¨ ahrend sich der Empf¨ anger auf die Kreuzung zubewegt. Sobald die jeweilige Rate unter einen Schwellwert von 10% ¨ f¨ allt wird die Ubertragung des Warnsignals als erfolgreich angenommen. Die Datenraten wurden mit 3 bzw. 6 MBit/s f¨ ur 802.11p und 1,3 bzw. 7,4 MBit/s bei LTE gew¨ ahlt. Die Simulationsresultate f¨ ur IEEE 802.11p zeigen, dass erst ab einer Entfernung von etwa 60m zur Kreuzung u ¨berhaupt Daten den Empf¨ anger erreichen (vgl. Abbildung 6). Begr¨ undet werden kann dies durch die Verdeckung der Sichtlinie durch die umliegenden Geb¨ aude. Unter den genannten Schwellwert der PER f¨ allt diese Technik erst ab 31m (3 MBit/s) bzw. 28m (6 Mbit/s), unterliegt aber weiterhin leichten Schwankungen. Die Zeit bis zur Kollision in der Kreuzungsmitte betr¨ agt 2,2s, respektive 2s. Im Vergleich dazu ergibt sich f¨ ur LTE mit einer Datenrate von 1,3 MBit/s bereits 105m vor der Kreuzung eine BLER von unter 10%. Mit 7,4 MBit/s wird der Schwellwert dagegen erst 51m vor der Kreuzung erreicht. Zeitlich ergibt dies 7,5s bzw. 3,6s Vorwarnzeit, unbeachtet eventueller Verz¨ ogerungen durch die Verarbeitung auf h¨ oheren Protokollebenen. Trotz der erh¨ ohten Position des LTE-Funkmasts (27m) bei einer durchschnittlichen Geb¨ audeh¨ ohe von 13m treten auf dem Großteil der Strecke des

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Abb. 5 St¨ adtisches Kreuzungsszenario mit Sendern und Empf¨ anger [9]

Empf¨ angerfahrzeugs immer wieder Verdeckungen auf, so dass auch hier Schwankungen zustande kommen (vgl. Abbildung 6). Begr¨ undet ist die Differenz zur VANET-L¨ osung unter anderem darin, dass sich das Empf¨ angerfahrzeug auf die Sendestation zubewegt und damit auch von den Interferenzen anderer Stationen entfernt. Evaluationen mit einem sich bewegenden Sender oder einem sich von der Sendestation entfernenden Empf¨ anger fehlen hier zwar, nichts desto trotz ist aufgrund der gezeigten Ergebnisse eine Umsetzung mittels LTE oder eine Hybridl¨ osung aus WAVE und Mobilfunk in Betracht zu ziehen.

Abb. 6 Simulationsergebnisse von IEEE 802.11p (3 Mbit/s) und LTE (1,3 und 7,4 MBit/s) [9]

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5 Fazit Die beiden hier dargestellten Ans¨ atze unterscheiden sich in einigen Punkten und haben daher ihre jeweiligen Vor- und Nachteile. Daher werden diese zun¨ achst getrennt betrachtet, bevor ein allgemeines Fazit gezogen wird.

5.1 WAVE Seit dem Start der Entwicklung wurde viel in Forschung und Feldversuche investiert, jedoch fehlen noch viele Schritte zur Markteinf¨ uhrung. In der Forschung wird diese L¨ osung zudem nur eingeschr¨ ankt unterst¨ utzt, da sie keine optimale L¨ osung f¨ ur die speziellen Bedingungen der C2C Kommunikation darstellt [2]. So sind noch keine Frequenzen f¨ ur die Kommunikation weltweit vereinheitlicht. Aufgrund der unterschiedlichen Priorit¨ aten kann vor allem die Verz¨ ogerung f¨ ur nicht-sicherheitsrelevante Applikationen sehr hoch werden. Einhergehend mit den Anforderungen des C2C CC muss auch eine C2I Infrastruktur a ¨hnlicher Technik zun¨ achst einmal aufgebaut werden, was ein Engagement seitens der Regierungen erfordert. Diese will aufgrund der hohen Investitionssummen allerdings abwarten ob sich die Technik auf dem Markt etabliert. So gestaltet sich die Markteinf¨ uhrung a ¨ußerst schwierig bis ein Mehrwert f¨ ur Fahrer entsteht. Dazu kommt die Ausstattung von Fahrzeugen mit einem Zusatzmodul, welches ersten Sch¨ atzungen zufolge etwa $350 kosten d¨ urfte [5].

5.2 LTE Im Gegensatz zu fr¨ uheren Mobilfunkstandards bietet LTE Potential hinsichtlich der C2C Kommunikation und kann sogar, je nach (Simulations-) Szenario, bessere Ergeb¨ nisse hinsichtlich der Ubertragungsgeschwindigkeit liefern als WAVE (vgl. Kapitel 4.3). Auf der anderen Seite ist LTE noch nicht u ¨berall fl¨ achendeckend verf¨ ugbar, im Vergleich zu WAVE ist jedoch bereits eine Basis vorhanden. Zudem h¨ angt die Latenz stark von der Auslastung der Funkzelle ab. Sind in l¨ andlichen Gebieten in einer Stausituation neben dem Fahrzeug selbst auch noch die Insassen mit ihren Mobiltelefonen im Internet aktiv ist die Mobilfunkzelle einer hohen Last ausgesetzt. Die Infrastruktur ist dabei aber schon weitestgehend vorhanden oder wird im Zuge des Netzausbaus bereitgestellt. Setzt sich der aktuelle Trend fort, so sind bis 2016 80% der Neuwagen ohnehin mit einem mobilen Internetzugang ausger¨ ustet. Der Mobilfunk unterliegt einer st¨ andigen Weiterentwicklung, die Datenrate erh¨ oht sich zunehmend (LTE-Advanced: 1GBit/s, 5G-Standard: 10GBit/s) [18]. Doch auch f¨ ur LTE muss eine L¨ osung gefunden werden, um weltweite Funktionalit¨ at zu gew¨ ahrleisten. M¨ oglich ist auch eine Erweiterung auf den bislang unlizensierten 5GHz-Bandbereich (LTE Unlicensed, LTE-U) [18].

5.3 Allgemeines Fazit Generell steht die Car-to-Car bzw. allgemein die C2X Kommunikation vor ihrer Einf¨ uhrung. Noch zeichnet sich die sich schließlich durchsetzende Technologie allerdings nicht ab. Nachdem die WAVE Technologie zun¨ achst gut startete ließ sie zuletzt

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weitere Fortschritte vermissen. Dadurch konnte LTE bzw. der Mobilfunkansatz weitere Anh¨ anger gewinnen und verschiedene Vorteile aufzeigen. In beiden F¨ allen m¨ ussen noch diverse Anforderungen gel¨ ost werden, neben technischen Aspekten vor allem im Bereich der Sicherheit sowie hinsichtlich rechtlicher Grundlagen. Dabei ist das wichtigste Kriterium, dass sicherheitskritische Nachrichten zuverl¨ assig und mit minimalem Delay u ¨bertragen werden m¨ ussen. Vonseiten offizieller Einrichtungen wird derzeit noch WAVE bevorzugt, eine Hybridl¨ osung, die mindestens Mehrwertdienste via Mobilfunk anbietet, sieht jedoch momentan nach der erfolgversprechendsten L¨ osung aus. Dabei ist es wichtig, die Anfangsphase mit geringer Auslastung zu u ¨berbr¨ ucken, hier sind Internetanwendungen und RSUs f¨ ur Mehrwertdienste wichtig, Infotainment und Werbung sind als m¨ oglicher T¨ ur¨ offner zu betrachten, da diese Anreiz zum Kauf bieten. Werden die vorhandenen Probleme gel¨ ost und Zweifel beseitigt, so stellt die C2C Technologie mit ihren breit gef¨ acherten Anwendungsm¨ oglichkeiten eine Bereicherung des Straßenverkehrs dar. Der große Pluspunkt der Technologie liegt dabei in Sicherheitsaspekt und Effizienzsteigerung. Fahrer k¨ onnen in ihrem Handeln unterst¨ utzt werden, bleiben jedoch f¨ ur ihr Fahrzeug verantwortlich. Ob in Zukunft gar eine Erweiterung hinsichtlich des autonomen Fahrens erfolgt bleibt abzuwarten, hier wird vor allem hinsichtlich der Sicherheit eine Debatte entstehen.

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