Connected Car und Car2x Communication

In der Automobilbranche steht immer mehr Software als unique selling point im Vordergrund und das Fahrzeug tritt, mit seinen ursprünglichen Fahrzeugmerkmalen bei der Kaufentscheidung in den Hintergrund.

Im Zuge der Weiterentwicklung von Fahrassistenzsystemen, welche die Sicherheit erhöht haben (ESP, ABS etc.), intensiviert sich auch die Vernetzung im Automobil, um bestehende Assistenzsysteme zu verbessern und ganz neue zu entwickeln. Durch die Fahrzeugvernetzung, die Infrastruktur und weitere Verkehrsakteure sowie die Systeme, die den Fahrer unterstützen, kann er einen viel größeren Horizont, der weit über den mit dem bloßen Auge oder durch Sensoren erfassbaren Bereich hinausgeht, wahrnehmen, erfassen und schließlich bewerten. C2X  bietet einen Mehrwert in Form von Sicherheitserhöhung (Active Safety), Komfort-, Zeitgewinn und Flexibilität (Share Economy).

Car to X (C2X) wurde bereits im Jahr 2015 als eine der „10 Breakthrough Technologies“ bewertet, und es wird prognostiziert, dass die C2X-Technologie mittelfristig eine wesentlich größere Bedeutung als andere Segmente der Automatisierungstechnik haben wird.

C2X ermöglicht dem vernetzten Fahrzeug, mit seiner Umwelt zu kommunizieren. Dabei tauscht es nicht nur mit anderen Fahrzeugen, sondern auch mit anderen Verkehrsinfrastrukturen wie Lichtsignalanlagen (car to infrastructure/vehicle to infrastructure), und ggf. zu Fußgängern (Vehicle-to-pedestrian) Daten aus. Auf diese Weise erhält das Fahrzeug eine umfassende Wahrnehmung seiner direkten und entfernten Umgebung.

Gegenwärtig werden weltweit unterschiedliche technische Standards und Kommunikationstechniken zur Vernetzung der Fahrzeuge verwendet, woraus Divergenzen in den physikalischen Übertragungseigenschaften sowie in der Datenstruktur resultieren.

Um dem entgegenzuwirken, wurden verschiedene Übertragungstechniken für C2X untersucht und standarisiert. WLAN-Netzwerke (IEEE 802.11p) erfüllen die Anforderungen an die verzögerungsfreie, direkte Kommunikation mit anderen Fahrzeugen am besten. In Europa ist ein Frequenzband von 30 MHz bei 5,9 GHz ausschließlich für intelligente Transport-Systeme (ITS)-Kommunikation reserviert. Basierend auf IEEE 802.11p sind vom European Telecommunications Standards Institute umfassende Standards für kooperatives ITS (ITS G5) festgelegt worden.

Darunter befinden sich zwei Nachrichtentypen für die geschaffene Schnittstelle:

• Cooperative Awareness Message (CAM): eine periodisch gesendete Nachricht, welche die Fahrzeugposition und Statusdaten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bremspedalstatus etc. umfasst.
• Decentralized Environment Notification Message (DENM): eine Ereignisnachricht über mögliche Behinderungen oder Gefahren wie Pannenfahrzeuge oder schlechte Straßenverhältnisse.

Für CAM-Nachrichten ist die Auswertung aller in einem Bereich versendeten Nachrichten notwendig, um beispielsweise mögliche Kollisionspunkte der eigenen Fahrt mit anderen Fahrzeugen zu berechnen. Zukünftig sollen diese Berechnungen in der Cloud stattfinden. Um dies zu bewerkstelligen, benötigen die Fahrzeuge eine herkömmliche Internetverbindung. Durch die große Flexibilität der Fahrzeuge können diese nur eingeschränkt über vorhandene Kommunikationsinfrastrukturen wie Mobilfunknetze oder WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) kommunizieren. Für sinnvoll erachtet wird die neue Kommunikationsinfrastruktur mit sogenannten Roadside Units (RSU) oder Intelligent Roadside Stations (IRS), die entlang der Verkehrswege angebracht werden.

Diese RSU sind über Access Router (AR) untereinander und mit dem Internet verbunden. Das Auto kommuniziert dann über die RSU seine CAM-Nachrichten an den Cloudserver und erhält dann gegebenenfalls eine Antwort z. B. mit einer Kollisionswarnung zurück. Die verbundenen Fahrzeuge können auch untereinander mittels schon produktiv eingesetzter WLAN-Mesh Technik (IEEE 802.11s) Datenpakete wie CAM zur RSU und damit zum AR weiterleiten. Erste Prototypen sind bereits funktionsfähig, ohne dass eine Marktreife bereits erreicht wäre.

Zudem schließen marktführende Automobilhersteller Kooperationen und Allianzen, wie die OAA (Open Automotive Alliance). Diese ermöglichen, die Vision einer ganzheitlichen und herstellerübergreifenden C2X-Kommunikation zu realisieren. Denn nur mittels eines dichten Netzes an vernetzten Fahrzeugen und den so generierten Daten lässt sich die volle Wirkung von Car-to-X-Kommunikation verwirklichen.

In Amerika gibt es bereits legislative Vorbereitungen, welche den Einbau von Technologien wie C2X und C2C (car to car) gesetzlich vorschreiben wollen, um dadurch mittelfristig eine großflächige Verbreitung gewährleisten zu können.

Gegenwärtig befinden sich C2X-Systeme und deren Bestandteile größtenteils noch im Entwicklungsstadium. Komplexe Probleme bestehen nach wie vor noch und eine Lösung ist für das folgende Probleme noch nicht in Sicht: Wie lässt sich bei steigender Verkehrsdichte und eingeschränkter Erreichbarkeit des Netzwerkknotens sowie steigender Ende-zu-Ende-Verzögerung ein kontinuierlicher Verkehrsfluss trotzdem erreichen oder aufrechterhalten? Dabei geht man bei der Ende-zu-Ende-Verzögerung von ungefähr 25 Fahrzeugen pro Kilometer und Spur aus, welche aus der begrenzten Datenrate von 802.11p und der (noch) fehlenden Effizienz der Übertragungsalgorithmen resultiert.

Ganz allgemein ist C2X-Kommunikation in drei Kategorien eingeteilt:

• Aktive Sicherheit (Active Saftey):
  Die meisten Anwendungen basieren auf dem Wissen über Positionen und deren Veränderungen von benachbarten oder in der Nähe befindlichen Fahrzeugen.
• Verkehrsflussoptimierung:
  Ziel ist es, dezentral den Verkehrsfluss zu optimieren, Staus zu umfahren und Fahrzeiten zu verkürzen.
• Komfort und Infotainment:
  Zu dieser Kategorie gehören Anwendungen wie automatische Navigationskartenupdates und touristische Hinweise hauptsächlich durch V2I-Kommunikation.

Einzelne Module, insbesondere solche, die der Kategorie Active Saftey zugeordnet werden, sind jedoch bereits erfolgreich getestet und zur Serienreife gebracht worden.

Dazu gehört das eCall-System, das bei einem Unfall selbständig mittels Mobilfunk einen Notruf auslöst und Unfallinformationen an eine Notfallzentrale versendet. Dabei werden Informationen übermittelt wie beispielsweise die genaue Unfall-Position, die Fahrtrichtung, die Fahrzeug-ID, die Service Provider-ID; ebenso wird dem eCall-System mitgeteilt, ob der Notruf manuell oder automatisch ausgelöst wurde.  Ebenfalls möglich ist die Übertragung weiterer rettungsrelevanter Daten wie beispielsweise die Schwere des Unfallereignisses, die Zahl der Insassen, ob Sicherheitsgurte angelegt waren und das Fahrzeug sich überschlagen hat.

Insbesondere in Europa wurde eCall durch die gesetzliche Pflicht des Einbaus in Neuwagen, relativ rasch verbreitet.

Abbildung 1: Effekt durch Road Works Warner

 

Weitere Beispiele für bereits erfolgreich entwickelte Module, die C2X-Kommunikation ermöglichen und zukünftig in Serienfahrzeuge implementiert werden könnten oder bereits eingebaut werden, sind folgende verbundene Fahrerassistenzsysteme: ektronische Bremslicht (EBL, Electronic Brake Light), der Baustellenwarner (RWW, Road Works Warning), der Stau-Ende-Warner sowie Warnfunktionen für Wetter und nahende Rettungsfahrzeuge. Außerdem gibt es bereits Prototypen, die auf Geschwindigkeitsbegrenzungen hinweisen und dem Fahrer Geschwindigkeiten vorschlagen, um möglichst ohne Haltezeit Lichtsignalanlagen zu passieren.

Um die Vertrauenswürdigkeit wichtiger Informationen wie Position, Geschwindigkeit etc. sicherzustellen, wird auf digitale Signaturen zurückgegriffen. Jede Nachricht kann so verifiziert werden, um sicherzustellen, dass sie von einer legitimen Quelle stammt. Die Grundlage für dieses Vertrauen in die Signaturen bildet die Public-Key-Infrastruktur. Aus dieser können Fahrzeuge wie auch Infrastrukturkomponenten ihre Zertifikate beziehen und sich somit gegenüber anderen Verkehrsteilnehmer authentifizieren. Obwohl die Zertifikate die Nachrichten-Authentizität nachweisen sollen, dürfen und können sich Fahrzeuge weiterhin möglichst pseudonym durch den Straßenverkehr bewegen. Daher sind die entsprechenden Zertifikate pseudonym angelegt, werden regelmäßig gewechselt und sollen nicht mit einem einzelnen Fahrzeug über längere Zeit in Verbindung gebracht werden können.

Vor diesem Hintergrund ist zu erwarten, dass bei der Absicherung automatisierter und vernetzter Fahrfunktionen unterschiedliche Techniken und Randbedingungen zu berücksichtigen sind.

Der Trend der C2X ist sehr positiv zu bewerten. Wichtige Schritte sind bereits zurückgelegt worden: So wurden kontinentale Standards und herstellerübergreifende Allianzen vereinbart und Zertifikatsstellen eingerichtet.

Abbildung 2: Marktentwicklung Connected Car

 

Der Markt für connected car ist riesig – es werden in den 5 Jahren zwischen 2015–2020 Wachstumsraten von 360% prognostiziert. Die Hersteller sind sich ebenfalls bewusst, welche Tragweite die weitere Entwicklung und welchen Pioniervorteil am Markt die frühe und möglichst weite Verbreitung von C2X für sie haben wird. Fraglich bleibt, wer für Fehler, Missbrauch und Manipulation von Daten rechtlich haftbar ist und inwiefern Fahrer für ggf. autonom handelnde Fahrzeugreaktionen haftbar sind. C2X ist nur bei großflächiger Verbreitung wirklich wirkungsvoll einzusetzen. Experten gehen davon aus, dass mindestens 10–15% aller Fahrzeuge „connected“ sein müssten, damit ein Großteil der Active-Saftey Features ihre Wirkung entfalten können. Bei steigender Verbreitung ließen sich die Zahl der Verkehrstoten deutlich reduzieren; ferner ließen sich insbesondere die „weichen“ Verkehrsteilnehmer wie beispielsweise Fahrradfahrer wesentlich besser nicht nur gegen Todesfäll, sondern auch gegen Unfälle generell schützen. Die weitere Entwicklung von autonomen Fahrzeugen treibt C2X weiter voran. Die kritischen Diskussionen über Chancen und Gefahren autonomer Fahrzeuge, aber auch ethische und sicherheitsrelevante Fragen könnten durch C2X zum Teil geklärt, zum Teil versachlicht und zu einem weiteren Teil entkräftet werden. Rail2X, Ship2X und Airplane2X bilden weitere sinnvolle Einsatzbereiche von verbundenen Verkehrsträgern. Sie stellen bereits jetzt und in der unmittelbaren Zukunft wichtige Schlüsselelemente der kommenden Digitalisierung dar.

Verbundene Fahrzeuge ermöglichen weitreichende Verbesserungen der Sicherheit von Straßen. Werden Standards vereinheitlicht – und dies macht die Pionierarbeit bei Entwicklung von Sicherheitsanwendungen und gesetzlicher Grundlagenarbeit aus – dann ist C2X-Kommunikation auf dem besten Weg im nächsten Jahrzehnt (2020–2030), den Straßenverkehr nicht nur nachhaltig zu verändern, sondern sogar zu revolutionieren, und das heißt: Grundlegend für alle Teilnehmer verbessern. Fragen des Datenschutzes, der Sicherheit und der Haftung sind noch nicht abschließend geklärt. Wichtig wird in Zukunft, insbesondre bei der Entwicklung von autonomen Fahrzeugen, wie flächendeckend C2X-Kommunikation verfügbar sein wird.

• Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE-SA Standards Board; Vehicular Technology Society (2014): IEEE standard for wireless access in vehicular environments (WAVE). Network systems. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers. Online verfügbar unter http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=6998913.
• Isermann, Rolf; Stass, Stephan; Mathony, Hans-Jörg; Gavanescu, Cristian; Passmann, Christian; Hötzer, Dieter (Hg.) (2017): Connected car – driver assistance sensors get connected. Fahrerassistenzsysteme 2017. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden.
• Koehler, Christian; Appel, Dominik; Beck, Hans (2016): Überlebensstrategien im Rennen um vernetzte, autonome Fahrzeuge. In: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift 118 (11), S. 20–25. DOI: 10.1007/s35148-016-0118-x.
• Löffler, M.; Decker, R. (2017): „Connected Car“ und Customer Experience Management – Unlösbare Herausforderung oder gemeinsame Chance für Hersteller und Händler? In: Heike Proff und Thomas M. Fojcik (Hg.): Innovative Produkte und Dienstleistungen in der Mobilität. Technische und betriebswirtschaftliche Aspekte. Wiesbaden: Springer Gabler (Research), S. 521–533.
• Ress, Christian; Wiecker, Martin (2016): Potenzial der V2X-Kommunikation für Verkehrssicherheit und Effizienz. In: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift 118 (1), S. 16–21. DOI: 10.1007/s35148-015-0154-y.
• Salvatori, Enrico (2016): 5G und Car-to-X Schlüsseltechniken für den autonomen Straßenverkehr. In: ATZ Elektron 11 (6), S. 28–33. DOI: 10.1007/s35658-016-0095-6.
• Schöttle, Markus (2015): Fahrerassistenzsysteme – Abwägungsprozess nicht unterschätzen. In: Wolfgang Siebenpfeiffer (Hg.): Fahrerassistenzsysteme und Effiziente Antriebe. Wiesbaden: Springer Vieweg (ATZ / MTZ--Fachbuch), S. 74–80.
• Schöttle, Markus (2018): Kommunizierende Scheinwerfer. In: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift 120 (2), S. 16–17. DOI: 10.1007/s35148-017-0215-5.
• Themann, Philipp; Zlocki, Adrian; Eckstein, Lutz (2015): Energieeffiziente Fahrzeuglängsführung durch V2X-Kommunikation. In: Wolfgang Siebenpfeiffer (Hg.): Fahrerassistenzsysteme und Effiziente Antriebe. Wiesbaden: Springer Vieweg (ATZ / MTZ--Fachbuch), S. 27–33.

Dieser Beitrag entstand nach einem Vortrag im Rahmen der Ringvorlesung „Forum Software und Automatisierung“ am IAS.

Vortragsdatum: 01.02.2018
Vortragender: Dr. Christof Ebert
Vortragstitel: Functional Safety and Cybersecurity – Experiences and Trends