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Über den Rand des Bordnetzes schauen

Entwicklung von V2X-Kommunikation

Über den Rand des Bordnetzes schauen

Über V2X-Kommunikation lassen sich Fahrzeuge untereinander und mit der umliegenden Infrastruktur vernetzen. Auf einmal müssen Anwendungsentwickler Komponenten berücksichtigen, deren Funktionalität sie nicht beeinflussen. Die passende Softwarearchitektur hilft, diese Herausforderung im Dschungel sich weltweit entwickelnder Standards zu lösen.

Eine Kreuzungssituation wie diese stellte den Entwickler von V2X-Anwendungen vor das Problem, dass zum Testen seiner Anwendung sowohl die erforderlichen Infrastrukturkomponenten als auch die anderen Verkehrsteilnehmer nicht verfügbar waren. (Bild: Nordsys GmbH) [1]

Eine Kreuzungssituation wie diese stellte den Entwickler von V2X-Anwendungen vor das Problem, dass zum Testen seiner Anwendung sowohl die erforderlichen Infrastrukturkomponenten als auch die anderen Verkehrsteilnehmer nicht verfügbar waren. (Bild: Nordsys GmbH)

Bordnetze bestehen heute aus vielen Sensoren und ihren Steuergeräten. Die Entwicklung von funktionalen Softwarekomponenten, die auf diese Sensordaten zurückgreifen, war somit in einem in sich abgeschlossenen System möglich. Die Systemgrenzen des Bordnetzes waren klar definiert und der Entwicklungsingenieur konnte sich in einer ihm bekannten Umgebung bewegen. Software-in-the-Loop- (SiL) und Hardware-in-the-Loop-Systeme (HiL) mit Restbussimulationen bis hin zu entsprechende Brettaufbauten mit realen Steuergeräten oder Vehicle-in-the-Loop-Umgebungen gehören heute zum Standardrepertoire bei der Funktionsentwicklung und den funktionalen Tests im Labor.

Mehr als nur ein neuer Sensor

Die Systemgrenzen, die der Entwicklungsingenieur bei der Entwicklung von V2X-Funktionen zu berücksichtigen hat, sind dagegen nicht mehr so eindeutig definiert. Aus Sicht des bordeigenen Sensornetzes handelt es sich bei der V2X-Kommunikation lediglich um einen weiteren Sensor, der Daten an die Steuergeräte liefert. Zumindest gilt dies beim Empfang von V2X-Nachrichten. So gesehen ändert sich bezüglich der Vorgehensweise für den Entwickler zunächst nichts. Doch im Vergleich zeigen sich entscheidende Unterschiede:

Diese Unterschiede haben einen wesentlichen Einfluss auf die Funktionsentwicklung, da der Entwicklungskontext eben nicht mehr klar abgegrenzt werden kann.

Unterschiedliche Tests

Das Beispiel einer Warnfunktion für ein Sonderfahrzeug im Einsatz verdeutlicht, wie die Grenzen verwischen. In einem großen Ad-hoc-Netzwerk mit beliebig vielen Teilnehmern muss durch die V2X-Anwendung auf Basis der V2X-Nachrichten analysiert werden, ob das eigene Fahrzeug von der Einsatzfahrt beeinflusst wird und ob ggf. weitere Maßnahmen nötig sind. Platziert man dieses Szenario auf eine mehrspurige Kreuzung in Kombination mit den V2X-Nachrichten der Infrastruktur und anderen Fahrzeugen, benötigt der Entwickler Verfahren für komplexe Umgebungstests, bei denen das eigene Fahrzeug nur eine der vielen Komponenten dieses Netzwerks darstellt. Das oben beschriebene Szenario erfordert für die funktionalen Test eine andere Vorgehensweise, als dies bei herkömmlichen, in sich abgeschlossenen Bordnetzen der Fall war: Bestandteil des Testszenarios ist dann nicht mehr die Restbussimulation wie im fahrzeugeignen Bordnetz, sondern es muss vielmehr eine Restverkehrssimulation bereitgestellt werden, die zumindest die Nachrichten auf der Luftschnittstelle möglichst realitätsnah abbildet. Eine nähere Betrachtung des umgebenden Verkehrs ist meist nicht nötig, denn letztlich sind nur die ausgesendeten Nachrichten für den Test entscheidend.

Reproduzierbare Testszenarien

Vorteilhaft ist es, wenn Testsysteme über die verschiedenen Testzyklen hinweg (SiL, HiL, ggfls. ViL und Realfahrt) identische und reproduzierbare Testszenarien bzw. Test-Cases generieren. Eine solche Testumgebung steht mit den WaveBee-Testlösungen bereits zur Verfügung. Der Fokus liegt hier auf der Erzeugung von synthetischen, aber validen V2X-Nachrichten für Tests im Labor und auf der Versuchsstrecke. Eine Besonderheit des Systems ist die Möglichkeit, auch eine große Anzahl von Fahrzeugen oder Infrastrukturknoten simulieren zu können, ohne dass hierfür für jedes Fahrzeug ein separates V2X-Modem installiert sein muss. Die Testszenarien sollen dabei zu jeder Zeit reproduzierbar bleiben, unabhängig in welcher Testumgebung sie ausgeführt werden. Somit sind vom SiL-Test, über den HiL-Test bis hin zur Realfahrt die Testbedingungen aus der Restverkehrssimulation identisch. Mit derartigen Testlösungen können die Systemgrenzen für die Tests um beliebige Teilnehmer erweitert werden, ohne das generelle Test-Setup verändern zu müssen. Mehr Teilnehmer im V2X-Netz oder neue Teilnehmer werden einfach per Mausklick erzeugt und die Software sorgt dafür, dass diese virtuellen V2X-Stationen auch real senden können.


Was ist V2X-Kommunikation?
Der Begriff V2X-Kommunikation fasst den Datentausch im Rahmen zweier Konzepte zusammen: V2V, also Vehicle-to-Vehicle sowie V2I, also Vehicle-to-Infrastructure. Gemeint ist der Austausch von Informationen und Daten zwischen Kraftfahrzeugen und anderen Datenquellen. Das Ziel ist eine höhere Fahrzeugsicherheit, indem gefährliche Situationen früh erkannt und gemeldet werden. V2X-Kommunikation gilt als eine der Schlüsseltechnologien – wenn nicht gar als Voraussetzung – für die Autonomiestufen 4 und 5 autonom fahrender Fahrzeuge. Kooperative Systeme wie etwa Platooning oder die Kooperation zwischen autonom fahrenden Fahrzeugen ist ohne V2X kaum denkbar.

Entwicklung von V2X-Kommunikation

Über den Rand des Bordnetzes schauen

Beim funktionalen Testen von V2X-Seriensystemen erweitern sich die Systemgrenzen erheblich. Nicht nur das Bordnetz des Ego-Fahrzeugs muss der Versuchsingenieur betrachten, sondern das gesamte verkehrliche Umfeld mit vielen verschiedenen V2X-Teilnehmern ist Teil der Testlösung. Mit geeigneten Editoren für das Erstellen von V2X-Szenarien lassen sich Testfälle schnell erzeugen und die Nachrichten auf der Luftschnittstelle reproduzierbar generieren. (Bild: Nordsys GmbH) [2]

Beim funktionalen Testen von V2X-Seriensystemen erweitern sich die Systemgrenzen erheblich. Nicht nur das Bordnetz des Ego-Fahrzeugs muss der Versuchsingenieur betrachten, sondern das gesamte verkehrliche Umfeld mit vielen verschiedenen V2X-Teilnehmern ist Teil der Testlösung. Mit geeigneten Editoren für das Erstellen von V2X-Szenarien lassen sich Testfälle schnell erzeugen und die Nachrichten auf der Luftschnittstelle reproduzierbar generieren. (Bild: Nordsys GmbH)

Standards dringend benötigt

Für eine funktionierende V2X-Kommunikation ist die Standardisierung der Kommunikation unerlässlich. Naheliegend ist die Standardisierung nach dem OSI-Referenzmodell auf den Schichten 1-5. In Wirklichkeit geht die erforderliche Standardisierung jedoch noch weiter und umfasst neben allen sieben OSI-Schichten noch zusätzlich die auf Schicht 7 aufsetzende ITS-Anwendungsebene (ITS = Intelligent Transportation Systems). Voriges gilt zumindest für den Fall, dass ereignisgetriggerte Daten erzeugt und ausgesendet werden sollen. Auf Seite des Empfängers ist die ITS-Anwendungsebene dagegen nicht näher standardisiert. Der Empfänger kann weitgehend selbst entscheiden, ob und wie er die empfangenen Daten verarbeitet. Ein vereinfachtes Beispiel soll den beschriebenen Sachverhalt verdeutlichen: Die ITS-Anwendung ‚Slow or Stationary Vehicle Warning (SSVW)‘ soll vor langsam fahrenden oder stehenden Fahrzeugen warnen. Hierzu muss unter anderem definiert sein, ab wann ein Fahrzeug als stehendes Hindernis zu betrachten ist und bis zu welcher Geschwindigkeit es als langsam gilt. Die Bedingungen, unter denen dann die entsprechende Warnnachricht in Form einer DENM (Decentralized Enviromental Notification Message) erzeugt und gesendet werden darf, sind entsprechend standardisiert. Die DENM selbst muss als Nachricht natürlich auch standardisiert sein.

Noch mehr Standards!

Die Standardisierung auf Applikationsebene, also die Beschreibung der Auslösebedingungen und die daraus resultierenden zu sendenden Nachrichteninhalte (Payload) ist beim Car-to-Car-Communication Consortium (C2C-CC) angesiedelt. Da die oben beschriebene SSVW-Nachricht auch von Infrastrukturkomponenten ausgesendet werden kann, etwa durch die Auslösung aus einer Verkehrsleitzentrale, erfordert die Standardisierung eine enge Abstimmung zwischen der Fahrzeugseite – also dem C2C-CC – und der Infrastrukturseite. Letztere wird durch die europäische ITS-Plattform C-Roads repräsentiert, die sich die Harmonisierung von ITS-Diensten und das Deployment in den Mitgliedsstaaten der EU und darüber hinaus zum Ziel gemacht hat. Bei der Standardisierung der Nachrichtentypen und des Routings nimmt die ETSI, das European Telecommunications Standards Institute, die führende Rolle ein. Der Anwendungsentwickler sieht sich somit mit dem Problem konfrontiert, dass er im schlimmsten Fall mehrere Spezifikationsquellen für seine Applikation beachten muss. Erschwerend kommt hinzu, dass zahlreiche Spezifikationsdokumente nach wie vor Änderungen unterliegen. So ist mit dem erst kürzlich veröffentlichten Basic System Profile (BSP) in der Version 1.3.0 des C2C-CC lediglich eine weitere Etappe in der Spezifikation erreicht worden. Das BSP in der Version 1.4.0 ist für das Jahr 2019 bereits abzusehen. Auch hinsichtlich der Spezifikationen für die essentiellen Nachrichtentypen CAM (Cooperative Awarness Message) und DENM sind im Jahr 2019 Änderungen und Fehlerbereinigungen bereits absehbar. Noch umfangreicherer Änderungen sind in den Nachrichtentypen SPAT (Signal Phase and Timing) und MAP zu erwarten. Die letzten Aktualisierungen des Geo-Networking (EN 302 636-4-1) sind erst im Jahr 2018 erfolgt, weitere sind nicht auszuschließen – insbesondere hinsichtlich der derzeit heftig diskutierten LTE-basierten Lösungen und Erweiterungen. Die oben angeführten Beispiele betrachten nur die rein europäische Situation. Im globalen Kontext hat der Anwendungsentwickler eine noch weitergehende Fülle von Normen zu beachten, um Anwendungen zu programmieren, die den jeweiligen Standards entsprechen. Die Diskussion um hybride V2X-Kommunikation, wie etwa bei LTE-V, führt zu noch mehr Dokumentationen, die der Entwickler beachten muss.

IT für ein dynamisches Umfeld

Der Entwickler von V2X-Anwendungen sieht sich derzeit einem dynamisch ändernden Umfeld aus Standards und Spezifikationen gegenüber. Auf der reinen Applikationsebene haben Spezifikationsänderungen, wie durch das C2C-CC, direkte Auswirkungen. Änderungen der technischen Standards und Normen in den darunter liegenden Schichten (etwa Facilities, Networking bis hin zum Physical Layer), können den Anwendungsentwickler ebenfalls betreffen. In wie weit die Änderungen z.B. der CAM, der DENM oder des Geo-Networking Einfluss auf seine bereits entwickelten Applikationen haben, hängt in erster Linie von der verwendeten Software-Architektur ab. Günstig ist es dabei, wenn die Schichten strikt voneinander getrennt und über Services miteinander verbunden sind. In Anbetracht dieser Problemstellungen wird deutlich, wie wichtig die Wahl der richtigen V2X-Softwarearchitektur ist. Eine stabile serviceorientierte Architektur ist hierbei ein Mittel der Wahl. Ein Beispiel für eine strikt serviceorientierte Softwarearchitektur ist der WaveBee V2X-Stack. Anwendungsentwickler können damit eine einheitliche Schnittstelle (WDS) zu allen essentiellen V2X Funktionen nutzen, unabhängig vom lokalen Markt oder der verwendeten Übertragungstechnik. Die vorausschauend geplante, stabile API ermöglicht eine nachhaltige Entwicklung von Anwendungen im unruhigen Fahrwasser der neuen Kerntechnologie V2X-Kommunikation. Änderungen der Spezifikationen unterhalb der Applikationsebene im Schichtenmodell werden vom V2X-Stack abstrahiert. Somit kann sich der Funktionsentwickler auf die funktionalen Aspekte seiner Anwendung konzentrieren. Die passende Software-Architektur trägt zudem durch eine sinnvolle Kapselung der unter der Anwendungsschicht liegenden V2X-Funktionen dazu bei, Fehler bei der Implementierung der Funktion zu vermeiden, indem sich der Anwendungsentwickler z.B. nicht mit den Details der Spezifikation der unterschiedlichen Nachrichtentypen beschäftigen muss.

Fazit

Mit der V2X-Kommunikation verlässt der Anwendungsentwickler seine abgeschlossene Bordnetzwelt und hat sich mit einer Vielzahl von Standards auseinander zu setzen. Erschwerend kommt für ihn hinzu, dass sich die Standards in einem stetigen Wandel befinden und neue Spezifikation hinzukommen. Die Wahl einer gut durchdachten V2X-Softwarearchitektur hilft dem Funktionsentwickler, sich auf die funktionalen Aspekte seiner Implementierung zu konzentrieren, unabhängig von Region oder Übertragungstechnik. Im Zusammenspiel mit gut durchdachten und flexiblen Testlösungen steht einer strukturierten Serienentwicklung nichts mehr entgegen.