Vehicle infrastructure -- communication to support driver assistance systems
Horst Wieker, Arno Hinsberger, Manuel Fünfrocken, Jonas Vogt
AAAET 2009, BraunschweigSchwerpunkt Kommunikation
Fahrzeug Infrastruktur – Kommunikation zur Unterstützung vonFahrerassistenzsystemen
Prof. Dr. Horst Wieker, Arno Hinsberger, Manuel Fünfrocken, Jonas VogtHochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Abstract
Der Bereich, der Fahrzeug zu Infrastruktur (C2I) Kommunikation hat sich in den letztenJahren zu einem immer wichtiger werdenden Gebiet im Bereich der C2X Kommunikationentwickelt. Sie ist auf einer Stufe mit der Fahrzeug zu Fahrzeug (C2C) Kommunikation zusehen und verwendet die gleichen Technologien und Protokolle. Im heutigenForschungsumfeld ist es Konsens, dass zur Kommunikation der IEEE Standard 802.11peingesetzt wird. Darauf aufbauend entwickelt das Car 2 Car – Communication Consortiumeinen einheitliche Protokollstack zur effektiven und effizienten C2X Kommunikation. Zur Unterstützung von Fahrerassistenzsystemen können sogenannte Roadside Units (RSU)zum Einsatz kommen. Sie sollen durch gezielte Informationsaufarbeitung undInformationsverteilung das Fahrzeug durch zusätzliche Daten in seinen Möglichkeitenerweitern und darüber hinaus Informationen liefern, die allein durch C2C Kommunikationnicht zur Verfügung stehen könnten.
1. Einführung
Um Fahrzeuge beziehungsweise Fahrerassistenzsysteme gezielt mit Informationenunterstützen zu können ist es - je nach Anwendungsfall - notwendig, dass die RSU eindetailliertes Wissen über ihre Umgebung hat und gezielt mit Informationen aus denVerkehrszentralen versorgt wird. Zusätzlich dazu muss sie die Informationen der Fahrzeugeauswerten und sowohl an die Verkehrszentralen als auch aggregiert mit den Informationen ausdenselbigen wieder zurück an die Fahrzeuge leiten.Im Zusammenhang mit diesen Informationen muss auf eine Reihe von Aspekten besonderseingegangen werden. Bevor Informationen im Fahrzeug durch Assistenzsysteme weiterverarbeitet werden können und dann auch dem Fahrer angezeigt werden dürfen müssen siezunächst auf ihre Gültigkeit überprüft werden. Im zweiten Schritt muss das fahrzeugseitigeInformationssystem feststellen, ob die entsprechenden Informationen für das Fahrzeug von Relevanz sind. Die Gültigkeit einer Information ist dabei Abhängig von verschiedenen Kriterien. DaInformationen bei bestimmten Anwendungsfällen nicht überall dort gültig sind, wo sieempfangen werden können, enthalten sie unter Umständen eine Einschränkung auf eingeographisches Gebiet. Dieses Kriterium der geographischen Gültigkeit ist erfüllt, wenn dasempfangende Fahrzeug sich in diesem Gebiet befindet. Des Weiteren gelten Informationen nicht zeitlich unbeschränkt, sondern verlieren zu einembestimmten Zeitpunkt ihre Gültigkeit. Sollte die Information hiervor nicht aktualisiert wordensein, müssen alle Kommunikationseinheiten diese Information verwerfen und ihreVerbreitung einstellen. 1 bbildung 1:
Unterschiedliche Nachrichten je RichtungsfahrbahnEine Nachricht, die gültig ist, muss nicht zwangsläufig für jedes sie empfangende Fahrzeugvon Interesse sein. Ob eine Nachricht für den Empfänger von Interesse ist, wird anhandbestimmter Relevanzkriterien entschieden. Dies ist neben der Meldungshäufigkeit, die angibtwie viele Quellen die gleiche Information verteilen, die geographische Relevanz (zone ofrelevance). Diese besteht entweder aus einer Folge von Koordinaten (der sog. Trace PointChain) oder aber einer einzelnen Koordinate mit Richtung. Wichtig ist dabei, dassInformationen, die geographisch gültig sind nicht zwangsläufig geographisch relevant seinmüssen. Beispiel hierfür sind Fahrzeuge die geographisch benachbart sind, aber inunterschiedlichen Richtungen fahren. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt. Ein zusätzlichesKriterium für die Relevanz ist die Art der Information. So sind zum Beispiel InfotainmentNachrichten nur dann für den Empfänger relevant, wenn der entsprechendenInfotainmentdienst aktiv ist.
Abbildung 2:
Plausibiltätsprüfung mit Informationen der Infrastruktur 2lle diese Kriterien treffen jedoch nicht unbedingt eine Aussage über die Plausibilität derInformation. Die Überprüfung der selbigen obliegt ausschließlich der Anwendung aufEmpfängerseite. So könnte die Plausibilität einer Information über Eisglätte bei einerUmgebungstemperatur von über 20 °C durchaus angezweifelt werden. Dieses Verfahren kanndurch zusätzliche Informationen durch die RSU noch verfeinert werden. Diese zusätzlichenInformationen könnte die RSU durch eigene Sensoren, andere RSU oder aus Eingaben vonden Verkehrszentralen erhalten.
Um diese Funktionalitäten zu realisieren hat das C2C CC Basic Services definiert, welchemittels auf IEEE 802.11p basierender Kommunikationstechnologie übertragen werden. DieseServices dienen den auf darüberliegenden Ebenen definierten Anwendungen als Schnittstellezur Kommunikation. Zurzeit sind zwei dieser Services definiert: CAM (CooperativeAwareness Message) und DEN (Decentralized Environmental Notification Message). DieCAM ist eine periodisch gesendete Nachricht, mit der die Fahrzeuge oder die RSU auf sichaufmerksam machen und dabei noch zusätzliche Informationen wie etwa beim Fahrzeug dieFahrzeugart (PKW, LKW, Bus, Motorrad, …) und die Größe des Fahrzeuges oder die aktuellePosition und Geschwindigkeit bis hin zum Zustand der Scheinwerfer übermitteln. Die RSUweist sich in der CAM mit ihrem Typ aus. Die DEN dient im Gegensatz dazu überwarnwürdige Verkehrssituationen (Baustellen, Unfall, liegengebliebene Fahrzeuge, …) zuinformieren.
Abbildung 3:
CAM und DEN im Detail (C2C-CC Demo 2008) Mit diesen definierten Nachrichten sind bereits heute schon eine Vielzahl verschiedenerSzenarien realisierbar. Dabei reicht das Spektrum von Warnungen vor möglichen Kollisionen3n unübersichtlichen Kreuzungen, über Informationen zu Baustellen bis hin zu Warnungenvor sich nähernden Rettungsfahrzeugen.Abbildung 4 verdeutlicht das Zusammenspiel von Anwendungen, Protokollelementen unddem Übertragungssystem. Wie bereits angedeutet, nutzen Anwendungen (Applications) dieBasisdienste (Basic Services) zum Kommunizieren. Die Basic Services werden sich aus einerReihe von Diensten zusammensetzen die wiederum das Kommunikationssystem(Communication System) nutzen, um Informationen zu übertragen.
Abbildung 4:
Aufbau des C2C-CC Demo 2008 Protokoll Stacks.
2. RSU
Die RSU ist der zentrale Bestandteil der C2I Kommunikation. Sie stellt das Verbindungsgliedzwischen Fahrzeugen und Infrastruktureinrichtungen (z.B. Verkehrszentralen) dar. Die RSU besteht aus einem 802.11p Kommunikationsmodul und einer Anwendungsplattform,die die RSU-seitigen Funktionsanteile beinhaltet. Diese RSU Software hat sehrunterschiedliche Aufgaben. Sie ist zum einen für die Kommunikation zur Zentrale zuständig.Diese Kommunikation ist dabei zumeist kabelgebunden und verbindungsorientiert. Auf derandern Kommunikationsseite existiert eine verbindungslose 802.11p Ad-HocKommunikation. Ein Problem stellt hier dar, dass die proprietären Protokolle die für dieInfrastrukturkommunikation benutzt werden nur höchst selten Bandbreitenbeschränkungenberücksichtigen. Dies führt dazu, dass die zu übertragenen Daten zum Teil sehr ineffizientKodiert sind. Die RSU muss daher in der Lage sein zwischen diesen beiden Welten mitunterschiedlichsten Protokollen und Anforderungen an die Kommunikation zu übersetzten. Zusätzlich hat sie die Aufgabe eine intelligente Nachrichtenverteilung und -aggregationdurchzuführen, da zum einen eine einfache Weiterleitung der Nachrichten nicht den in diesemUmfeld an die RSU gestellten Anforderungen an eine effiziente Bandbreitennutzung gerechtwerden kann, zum anderen lassen sich Nachrichten aus dem Infrastrukturbereich und der Ad-Hoc Kommunikation nur selten direkt aufeinander abbilden.Ihre intelligente Funktionalität erlaubt es der RSU, ihr Kommunikationsverhalten dengegebenen Verkehrsverhältnissen anzupassen und dynamisch auf deren Änderungen zureagieren. Je nach Anforderungen können verschieden Funktionalitäten auf der RSU installiert4erden, wodurch den unterschiedlichen Rahmenbedingungen von Autobahn oderinnerstädtischen RSU Rechnung getragen werden kann.
Abbildung 5:
Die RSU in der C2I KommunikationAbbildung 5 zeigt schematisch die gesamte, bidirektionale Kommunikationskette vomFahrzeug zur Verkehrszentrale. Die RSU ist im Gesamtsystem als die zentrale Schnittstelle des Traffic Management zubetrachten. Sie erhält aus verschiedensten Quellen - neben den Fahrzeugen - Informationenüber aktuelle Baustellen, Wetterbedingungen, geplante Großveranstaltungen, geschalteteSchilderbrücken, Lichtsignalanlagen, etc. Alle diese Daten werden in der RSU aufbereitet undzu sinnvollen und möglichst effizienten Nachrichten aggregiert.
Abbildung 6:
Aufbau der RSU (schematisch)
Die Aufgaben einer RSU lassen sich in folgende Bereiche gliedern: Verkehrssicherheit
Ist der wichtigste Punkt in diesem Zusammenhang. Die RSUkann beispielweise - aus Informationen von den Verkehrszentralen - ein detailliertes5ild der aktuellen Verkehrssituation. Mit Hilfe dieser Informationen kann die RSUdem Fahrzeug bzw. genauer dem Fahrerassistenzsystem Angaben über die momentaneStraßenlage bereit stellen, auf die dieses ohne das Vorhandensein einer RSU nichtzurück greifen könnte. Auf diese Weise kann z.B. die Funktionalität vonQuerregelungsassistenten deutlich erweitert und verbessert werden.Die RSU verfügt über einen internen Speicher in dem sie empfangenen Nachrichtenwährend ihrer Gültigkeit vorhält, um sie bei bedarf an Fahrzeuge weiterzuleiten.Durch diese Store and Forward genannte Technologie kann die RSU Nachrichten(auch solche, die eigentlich für die direkte Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikationgedacht sind) an Fahrzeuge weiterleiten, wenn die aktuelle Verkehrsdichte aufgrundder geringen Zahl von Fahrzeugen eine direkte C2C Kommunikation nicht oder nursehr sporadisch ermöglicht. Dies ist vergleichbar mit der Situation, die sich bei derMarkteinführung der C2X Kommunikation ergibt, da zu diesem Zeitpunkt nur einegeringe Anzahl von Fahrzeugen mit Kommunikationseinheiten ausgestattet sein wird. Verkehrseffizienz im Microbereich
Einem Fahrerassistenzsystem kann durchInformationen aus den Verkehrszentralen ermöglicht werden, dem Fahrer gezieltAngaben über die aktuelle Verkehrslage, Reisezeiten, Stauwarnungen undUmleitungsempfehlungen anzuzeigen. Infotainment
Neben der Unterstützung von Fahrerassistenzsystemen bietet die C2XKommunikation auch die Möglichkeit, dem Fahrer Infotainmentdienste zur Verfügungzu stellen. Diese zusätzlichen Funktionalitäten werden getrennt von denSicherheitsinformationen übertragen um diese nicht zu stören. Beispielsweise könntenRSU an den Zufahrtsstraßen so programmiert werden, dass sie ankommendenFahrzeugen Informationen über Veranstaltungen, Parkplätze, Sehenswürdigkeiten,Gastronomieempfehlungen und generelle Informationen zur Verfügung stellen. DasAssistenzsystem im Fahrzeug kann vom Fahrer dann so konfiguriert werden, dass eslediglich die gewünschten Informationen anzeigt.
Nicht immer benötigt eine Roadside Unit eine Anbindung an die Verkehrszentrale umFahrzeuge mit hilfreichen Zusatzinformationen versorgen zu können. Gerade derUnfallschwerpunkt Autobahnbaustelle bietet Anwendungsmöglichkeiten für autarke RSU.Diese sog. Standalone RSU kann in einem Baustellenanhänger untergebracht werden. DieseRSU kann Informationen über Durchfahrzeiten, Baustellengeometrie (Spurverlauf) undähnliches an einfahrende Fahrzeuge übermitteln. Wird zusätzlich zu der ersten RSU, der sog.Zulauf RSU, eine zweite RSU am Baustellenausgang (Ablauf RSU) eingesetzt, können diesedie Informationen über Durchfahrzeiten und Baustellengeometrie selbstständig ermitteln.Hierzu werden die Fahrzeuge durch die Zulauf RSU aufgefordert, die Durchfahrzeit und denVerlauf der zurückgelegten Strecke zu messen. Diese Informationen geben sie bei der AblaufRSU ab. Diese übermittelt die aggregierten Informationen an die Zulauf RSU, welchedaraufhin ihre Angaben über Baustellengeometrie und Durchfahrzeiten aktualisieren undverfeinern kann. Hierdurch werden den ankommenden Fahrzeugen ständig aktuelle und sehrgenaue Daten zur Verfügung gestellt, ohne dass Baustellenpersonal in der Programmierungder RSU eingewiesen werden muss.Sind genaue Daten über Baustellengeometrie und Streckenverlauf durch Vermessungenvorhanden, können diese ankommenden Fahrzeugen zur Verfügung gestellt werden. Dieserlaubt z.B. den Querregelungsassistenten von LKW den Fahrer während der Fahrt durch dieBaustelle zu unterstützen und somit ein Schlingern zu vermindern. 6 bbildung 7:
Die Standalone RSU an der Baustelle
3. Anwendungen der C2I Kommunikation
Die besondere Stärke der C2I Kommunikation in Kombination mit der C2C Kommunikationliegt zum einen in der Erhöhung der Plausibilität von Nachrichten zum anderen in derHilfestellung bei übertragungstechnisch schwierigen Situationen.
Erhöhung der Plausibilität
Ähnlich wie bei der Relevanz kann die Plausibilität einer Information durch die Häufigkeiteiner Meldung steigen. Insbesondere kann dies durch zusätzliche Informationen von einerRSU erfolgen. Dementsprechend könnte z.B. die Plausibilität einer Glatteismeldung auf einerBrücke dadurch erhöht werden, dass eine RSU in der Nähe für dieses Gebiet eine generelleGlätte Information sendet, ähnlich wie es heute durch das Verkehrzeichen 1007-30 „Gefahrunerwarteter Glatteisbildung“ geschieht. Analog dazu kann dies natürlich auch bei anderenGefahrenwarnungen durchgeführt werden, wie z.B. Staugefahr.
Unterstützung der Kommunikation
Eine weitere Schlüsselrolle kommt der C2I Kommunikation bei der Weiterleitung vonInformation an besonders sensiblen bzw. gefährlichen Stellen bzw. bei ausbreitungstechnischungünstigen Umgebungen zu. Eine Situation bei der alle diese Kriterien zusammen kommenist die urbane Kreuzung:
So könnte eine RSU im Kreuzungsbereich eine Staumeldung, diewegen Abschattung nur in einer Straße empfangen werden kann, in die anderen Straßenweiterleiten, so dass Fahrerassistenzsysteme noch vor Einfahrt in die KreuzungUmleitungsempfehlungen geben können.
Unterstützung von Fahrerassistenzsystemen
Des Weiteren bietet die RSU eine Möglichkeit, die Arbeitsweise von Kollisionswarnsystemenzu verbessern. Indem sie CAM Nachrichten aller Fahrzeuge, die aus einer Richtung kommensammelt und Informationen hierüber an die Fahrzeuge, die aus anderen Richtungen kommenund sich daher im Funkschatten befinden, abgibt. Hierdurch haben alle Fahrzeuge bessereKenntnis über die momentane Verkehrssituation, ohne dass es zu einer Überlastung auf demKommunikationskanal durch die vielen CAM kommt. . Zukunft C2X Die Planungen zur Erweiterung der Funktionalitäten gehen zurzeit in die Richtung derErweiterung der Basic Services um die Bereiche Geographical Services. In diesemThemenbereich soll die sog. Local Dynamic Map weitere Möglichkeiten bei der TrafficEfficiency aufzeigen. Bei diesem Thema sind allerdings noch viele Fragen offen. Angefangenbei der Frage welche Informationen werden für welche Situation z.B. an einer urbanenKreuzung von Interesse sein? Wie detailliert müssen die Daten über die spurabhänigeFahrzeugdetektion sein, damit dadurch eine Effizienzsteigerung bei der Verkehrssteuerungmöglich ist? Bis zu der Frage welche Informationen, wie etwa die Reisezeit, gewonnenwerden können, wie eine Ampelsteuerung optimiert werden kann und in wieweit Warnungenvor Unfällen mit Fußgängern, besonders Kindern, vermieden werden können. Sind diese Fragen beantwortet, kann damit begonnen werden zu klären, inwieweitFunktionsanteile von kooperativen Anwendungen auf die RSU ausgelagert werden können.Da die RSU zum einen über eine höhere (und leichter erweiterbare) Rechenkapazität als dieFahrzeuge verfügt und zum anderen die berechneten Ergebnisse mehreren Fahrzeugen zurVerfügung stellen kann, ließen sich die vorhandenen Informationen undÜbertragungskapazitäten deutlich effizienter nutzen.
Weiterhin können RSU mit state-of-the-art Sensoren ausgestattet werden, die es ihnenerlauben neben Fahrzeugen ohne Funkaustattung auch Fußgänger oder Radfahrer zudetektieren. Diese Informationen bilden zusammen mit allen anderen gesammelten Daten undInformationen aus den Verkehrszentralen eine umfassende Darstellung der Kreuzungssituationmit deren Hilfe die RSU mögliche Gefahrensituationen frühzeitig erkennen kann. Hierbeimuss die RSU nicht unbedingt eine Gefahrenwarnung an die Fahrzeuge senden, sondern siekann durch die gezielte Informierung von Fahrzeugen dafür sorge tragen, dass diese dieGefahr selbsttätig erkennen können. Die RSU stellt somit fest, welche zusätzlichenInformationen wann für ein Fahrzeug von Interesse sein könnten. Die Assistenzsysteme in denFahrzeugen werten diese selbsttätig aus und entscheiden wie reagiert werden muss.Diese vielen verschiedenen Dienste müssen natürlich auch verwaltet werden. Zum eineninnerhalb der RSU selbst, zum anderen wird nicht jedes Fahrzeug jeden Dienst unterstützenoder benötigen. Daher müssen in Zukunft Systeme entwickelt werden, die es Fahrzeugenerlauben, nur bestimmte Dienste anzufordern. Dienste, die zurzeit nicht benötigt werden,könnten dann von der RSU pausiert werden um die ohnehin stark beschränkte Bandbreite aufder Luftschnittstelle nicht unnötig zu belasten. 8 bbildung 8:
Die Kreuzung mit dem einfachen Datenmodell und den C2C InformationenDie in Abbildung 8 dargestellte einfache Verkehrssituation an einer Kreuzung entspricht inetwa der Darstellung im Fahrzeug. Das Fahrzeug kennt die Position anderer Fahrzeuge, diegrobe Geometrie der Kreuzung und seine eigene Position. Das Modell, das die RSU verwenden kann, ist hier schon deutlich besser. Wie in Abbildung 9zu sehen besitzt sie detaillierte Informationen über den Aufbau der Kreuzung wie unterAnderem die Anzahl der Spuren, die Position von Ampeln und Verkehrszeichen sowie dieReferenzwege. Außerdem könnte sie auch Informationen über Verkehrsteilnehmer haben, dienicht an der C2I Kommunikation beteiligt sind, wie z.B. Fahrräder, Fußgänger oderunausgestattete Fahrzeuge. Dies alles kann zu einem komplexen Modell der Kreuzungzusammengesetzt werden. Bei Bedarf können dann Teile dieses Modells an Fahrzeugeübermittelt werden um deren Einschätzung der Verkehrssituation zu verbessern. 9 bbildung 9:
Die Kreuzung mit komplexem Datenmodell und Informationen der C2IKommunikation.
5. Schlusswort
Wie bereits beschrieben, können Fahrerassistenzsysteme schon durch die Basic ServicesCAM und DEN profitieren. Größere Vorteile werden aber die effiziente Nutzung der deutlichbeschränkten Bandbreite der Luftschnittstelle und der besseren Informierung der Fahrzeugebieten, wie sie die RSU ermöglichen kann. Zu klären bleibt, welche Informationen über dieKreuzung notwendig sind um eine verkehrliche Wirkung zu erzielen und in welcherGenauigkeit diese Informationen vorliegen müssen. Außerdem muss geklärt werden, wiediese Informationen strukturiert und kodiert werden können um sie möglichst effizient zuübertragen. 10 iteraturverzeichnis Wieker, Horst,:
Use Cases Demo 2008 . Dudenhofen: C2C-CC Demo, Oktober 2008. Zott, Christian :
SAFESPOT Platforms and the Local Dynamic Map . Oberpfaffenhofen: C2C-CC WG APP, 11. Dezember 2008 C2C Communication Consortium:
C2C Communication Consortium Manifesto . Website:
Safespot : „ Mapping Report of known Technologies for Positioning, Local Dynamic Maps and Vehicular Ad Hoc Networks“.
Safespot Projekt, Juni 2007 Hinsberger, Wieker, Riegelhuth, Zurlinden: "