Car-to-X ganz praxisnah

Automobile werden immer stärker mit den uns umgebenden Datenströmen vernetzt sein: Fahrzeuge kommunizieren untereinander und bieten den Fahrenden und Mitfahrenden sicherheitsrelevante und komforterhöhende Informationen an. Dies kann etwa ein Gefahrenhinweis auf einen auf der geplanten Fahrstrecke liegengebliebenen Wagen sein, aber auch die Navigation zum nächsten freien Parkhaus, der aktuelle Veranstaltungskalender der angefahrenen Stadt oder die Liste der gestern auf den portablen MP3-Player kopierten Musiktitel. Eine Grundlage hierfür ist die robuste und sichere drahtlose Übertragung von Information innerhalb des Fahrzeugs oder zwischen dem Fahrzeug und seiner Umgebung.

Unter dem Leitthema »Connected Cars in a Connected World (C3World)« bildete eine Forschergruppe von Volkswagen gemeinsam mit dem Oldenburger Informatikinstitut OFFIS, dem Institut für Nachrichtentechnik der TU Braunschweig und dem Institut für Kommunikationstechnik der Leibniz Universität Hannover gemeinsam das C3World-Team. In C3World haben die Forscher dieser drei Institute in den vergangenen 5 Jahren eng mit der Forschungsabteilung von Volkswagen daran gearbeitet, Autos zu vernetzen und miteinander „kommunizieren“ zu lassen.

Die Ergebnisse der erfolgreichen Forschungszusammenarbeit präsentierten sie auf der CeBIT 2012 im Rahmen des Forums „Zukünftige Mobilität“ – und zwar zusammen mit Ausblicken auf die Informations- und Kommunikationstechnik für das Auto von morgen. Eröffnet wurde das C3World-Forum durch die Niedersächsische Ministerin für Wissenschaft und Kultur Frau Prof. Dr. Johanna Wanka. Das Wissenschaftsministerium förderte die Arbeiten der Forscher für fünf Jahre mit bis zu 1,3 Millionen Euro. Volkswagen engagiert sich mit einer Eigenleistung von über 3 Millionen Euro an diesem gemeinsamen Projekt.

Die Forschergruppe hat die Fragestellung der vernetzten Fahrzeuge aus unterschiedlichen Blickwinkeln unter den folgenden Themenschwerpunkten betrachtet:

Infotainment und Vernetzung im Fahrzeug: Neuartige ortsbasierte Dienste sollen das World Wide Web ins Auto bringen und dazu beitragen, dass zukünftige Navigationsgeräte zu einem umfassenden Informationsterminal für Fahrer und Insassen erweitert werden. Eine ortsbasierte Suche im Fahrzeug sucht passende Information speziell für die Fahrsituation aus dem Web und bereitet sie für die Anzeige im Fahrzeug auf. Ein weiteres Thema war die Wirkung von Musik beim Autofahren und die Möglichkeiten, diese gezielt zu nutzen, um die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort zu erhöhen.

Vernetzung mit anderen Fahrzeugen und der Umgebung: Die Kommunikation der Fahrzeuge untereinander und mit der umgebenden Infrastruktur soll ermöglicht und erleichtert werden – und zwar per Car-to-Car- beziehungsweise Car-to-Infrastructure-Kommunikation. Besondere Forschungsfragestellungen sind hierbei „Kanalmodelle für die Fahrzeugkommunikation und Car2X-Protokolle“ als Grundlage für eine zuverlässige Kommunikation des Fahrzeugs mit anderen Fahrzeugen und seiner Umgebung.

Integration von mobilen Geräten in Fahrzeuge: Ein weiterer Bereich beschäftigt sich mit der Datenanbindung von Komponenten im Fahrzeug. Eine relevante Forschungsfrage adressiert die nahtlose Vernetzung des Fahrzeug-Infotainmentsystems mit den mobilen Geräten der Reisenden.

Ortsbasierte Suche im Fahrzeug

Mit dem Einzug des Internets in die Fahrzeuge stehen den Reisenden neue Informationsangebote über das Fahrzeuginformationssystem zur Verfügung. Während der Fahrt soll es möglich sein, aktuelle Informationen aus dem Internet abzurufen, beispielsweise zu Sehenswürdigkeiten der Umgebung, zum Theaterprogramm am Zielort oder einer Raststätte passend zum Füllstand des Tanks und den Vorlieben der Mitreisenden. Das World Wide Web bietet heute bereits eine Vielzahl von Informationen, die für die Fahrt und den aktuellen Standort relevant sein könnten. Jedoch sind die meisten Webseiten nicht klar einem Ort zugeordnet und in Abhängigkeit von der Reise und den Mitreisenden sind nur ausgewählte Informationen interessant.

Das C3World-Team entwickelte hierzu eine spezialisierte Geo-Suchmaschine, die zu einem Ort oder einer Reiseroute begleitend aktuelle Informationen auffindet und für die Darstellung im Fahrzeug aufbereitet. Dazu entstand eine geographische Suchmaschine, die eine umfassende Aufbereitung von Webinformationen speziell für das Fahrzeuginformationssystem vornimmt. Ziel der Forschungsarbeiten in C3World war es, die Daten aus dem Internet kontext- sowie fahrsituationsbezogen zu filtern. Das Fahrzeuginformationssystem passt sich in Abhängigkeit von der Reise und den Mitreisenden den aktuellen Bedürfnissen und Zielen der Benutzer situativ an.

Bild 1: Architektur der ortsbasierten Suche: geographische Suchmaschine sowie orts- und kontextbezogene Auswahl und Anzeige der Inhalte.C3World

Das System bietet die Inhalte dynamisch an, aber die Reisenden können die Inhalte bei Bedarf auch interaktiv abfragen. Mit dieser Suchmaschine kann eine Internetsuche unterwegs die aktuelle Situation der Reisenden berücksichtigen und hochwertige, kontextbezogene Suchergebnisse anbieten. Eine geeignete Kartendarstellung unterstützt die Präsentation der ortsbasierten Informationen. Bild 1 illustriert die Aufbereitung der orts- und kontextbasierten Inhalte in einer Suchmaschine und die Kommunikation und Bereitstellung für das Fahrzeuginformationssystem.

Zukunft des Hörfunks
und verwandter Dienste im Fahrzeug

Im Zeitalter von breitbandigen Mobilfunknetzen wird es immer wahrscheinlicher, dass Webradioangebote und personalisierte Radioprogramme, die es im Internet bereits heute gibt, zukünftig auch im Auto genutzt werden können. Damit eröffnen sich unter anderem ganz neue Möglichkeiten, die Fahrsicherheit weiter zu verbessern: So ist die Unterstützung der Fahrerin oder des Fahrers durch gezielte Musikauswahl im personalisierten Radio denkbar, indem Sensoren im Auto den physischen und psychischen Zustand des Fahrers bestimmen. Anhand dieser Daten kann dann das fahrzeugseitige System unter Berücksichtigung der Musikpräferenz eine entsprechende Musikauswahl treffen.

Wirkung von Musik beim Autofahren

Sinnvoll ist ein derartiger Ansatz jedoch nur, wenn Musik nachweislich das Fahrverhalten beeinflussen kann. Vor diesem Hintergrund erforschte das C3World-Team die Wirkung von Musik beim Autofahren sowie die Möglichkeiten, diese gezielt zu nutzen, um die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort zu erhöhen.

Auf diesem Forschungsgebiet existieren bisher nur wenige systematische Untersuchungen zu den Effekten von unterschiedlich komplexer Musik auf den Fahrer bei Fahrstrecken mit verschiedenem Schwierigkeitsgrad. Interessant ist die Untersuchung der Wirkung von Musik auf das Fahrverhalten vor allem deshalb, weil der Mensch generell nur über beschränkte Kapazitäten für Aufmerksamkeit und andere kognitive Ressourcen verfügt, die er beim Ausführen von Doppeltätigkeiten – wie Autofahren und Musikhören – aufteilen muss.

Die Auswertung der Ergebnisse einer umfangreichen Fahrsimulator-Studie zeigte signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Musikformen bei der Landstraßen- und bei der Autobahnfahrt und bestätigte die Annahme, dass Musik sich gezielt nutzen lässt, um den Aktivierungszustand und die Fahrleistung des Autofahrers mit der entsprechenden Musikauswahl zu optimieren. Basierend auf den Ergebnissen der Forschung schlug das C3World-Team ein System vor, das dem Autofahrer Musikvorschläge anbietet, die an seinen Zustand, die gefahrenen Strecke und seine individuellen Musikpräferenzen angepasst sind.

Kanalmodelle für die Fahrzeug-Kommunikation

Um zwischen Fahrzeugen eine zuverlässige Datenübertragung über eine Luftschnittstelle übertragen zu können, ist eine genaue Kenntnis der besonderen Eigenschaften des Funkkanals für die Car2X-Kommunikation erforderlich. Im Vergleich zu anderen Kommunikationstechnologien stellt der Car2X-Funkkanal besondere Herausforderungen an das Systemdesign: Beispielsweise befinden sich Sende- und Empfangsantennen meist in geringer Höhe. Gebäude oder größere Fahrzeuge können dadurch leicht die Sichtverbindung unterbrechen und zu einer deutlichen Verringerung der Empfangsleistung führen. Durch die zum Teil sehr hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Fahrzeugen und anderen Objekte in der Umgebung kann der Funkkanal ein stark zeitvariantes Verhalten aufweisen und somit die System-Performance beeinträchtigen.

Bild 2: Modellierung des Funkkanals zwischen zwei Fahrzeugen an einer Kreuzung mit urbaner Bebauung.C3World

In C3World wurde daher ein Modell entwickelt, um die besonderen Eigenschaften des Funkkanals simulationsbasiert analysieren zu können. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich dann wichtige Informationen für das Systemdesign ableiten, um die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zu steigern. Hierfür implementierte das C3World-Team ein strahlenoptisches Kanalmodell (Raytracer), das die Funkausbreitung zwischen Fahrzeugen in beliebigen Verkehrsszenarien deterministisch prädiziert (siehe Bild 2). Zur Validierung des Modells begleiteten praktische Messkampagnen im Stadtgebiet von Braunschweig die theoretischen Analysen. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen die besonderen Herausforderungen im Car2X-Umfeld und motivieren weitere Forschungsaktivitäten in diesem Bereich.

Protokolle für die Car-to-X-Kommunikation

Einen weiteren Schwerpunkt von C3World bildet die Entwicklung und Bewertung robuster und effizienter Protokolle für die Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und mit der sie umgebenden Infrastruktur. Diese unter dem Sammelbegriff Car-to-X-Kommunikation zusammengefasste Form der Vernetzung eröffnet eine neue Dimension innovativer Applikationen zur Nutzung in zukünftigen Fahrzeuggenerationen. Hierzu gehören zum Beispiel Gefahren-, Unfall- und Stauwarnungen sowie eine Vielzahl anderer Anwendungen, welche Sicherheit und Komfort für den Fahrer erhöhen. Das C3World-Team fokussiert in erster Linie Protokolle der OSI-Layer 2 und 3 mit einem Schwerpunkt auf der Untersuchung des dezentral gesteuerten Medienzugriffs.

Die bevorzugte Technologie für die Vernetzung von Fahrzeugen mit ihrer Umgebung stellen Wireless-LANs nach dem Standard IEEE 802.11 dar. Mittels einer Anpassung und Erweiterung des Standards durch IEEE 802.11p sowie im Rahmen der europäischen Standardisierung durch ETSI ITS-G5 wird insbesondere der für diese VANETs (Vehicular Ad-Hoc Networks) charakteristischen Dynamik der Netztopologie und dem Ad-Hoc-Charakter der drahtlosen Vernetzung Rechnung getragen. Jedoch ergeben sich weitere wesentliche Herausforderungen für das Protokolldesign, welche zum Beispiel Skalierbarkeitsfragen betreffen: Während mit der Markteinführung aufgrund niedriger Ausstattungsraten zunächst eine Maximierung der Konnektivität im Netz angestrebt werden muss, rückt mit zunehmender Marktdurchdringung die Fähigkeit zur Erfüllung von Dienstgüteanforderungen in Hochlastsituationen ins Zentrum des Interesses.

Bild 3: Packet Delivery Ratio für verschiedene Verkehrsdichten bei einer Sendeleistung von 200 mW und einer Nachrichtenerzeugungsrate von 10 Hz.C3World

Bild 3 verdeutlicht diesen Aspekt für ein Autobahnszenario. Dargestellt ist der Anteil erfolgreich empfangener Nachrichten (Packet Delivery Ratio) in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger sowie der Dichte sendender Fahrzeuge. Das C3World-Team gewann diese Ergebnisse aus Simulationen, welche in diesem Zusammenhang ein wichtiges Untersuchungswerkzeug bilden. Aus diesem Grund erfolgte im Rahmen von C3World der Aufbau einer Simulationsumgebung, die ein möglichst realistisches Abbild der tatsächlichen Bedingungen in VANETs bereitstellt. Unterstützend erfolgten außerdem Feldtests in Kooperation mit der Volkswagen AG.

Integration mobiler Endgeräte im Fahrzeug

Neben der Kommunikation von Fahrzeugen untereinander gewinnt auch die Vernetzung des Fahrzeug-Infotainmentsystems mit der Außenwelt zunehmend an Bedeutung. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Integration mit aktuellen mobilen Endgeräten dar, insbesondere mit Smartphones. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit und Funktionalität der Smartphones steigt das Bedürfnis, diese Geräte auch beim Fahren zu nutzen.

Bild 4: Überblick über die Fahrzeug-Mobilgeräte-Integration im Rahmen von C3World.C3World

Allerdings ist eine direkte Nutzung beim Fahren aus Sicherheitsgründen nicht erlaubt. Eine Integration solcher Geräte mit dem Fahrzeug-Infotainmentsystem, die über die gesamte Lebenszeit des Fahrzeugs funktioniert, gestaltet sich zunehmend schwieriger. Das liegt zum einen an den kurzen Lebenszyklen der Unterhaltungselektronik und der zunehmenden Funktionsvielfalt von Smartphones durch „Apps“. Zum anderen führt die stark visuell geprägte Touchscreen-Interaktion aktueller Smartphone-Apps zu einer kritischen Ablenkung des Fahrers.

Bisherige Integrationsmechanismen wie Freisprech-Telefonie oder Audio-Übertragung über Bluetooth nutzen funktionsspezifische Protokolle und statische Benutzerschnittstellen. Um den neuen Anforderungen gerecht zu werden, wurde in C3World eine auf Web-Technologien basierende, verteilte Softwareplattform entwickelt, mit der Geräte über verschiedene Kommunikationsschnittstellen und dynamisch erweiterbare Protokolle verbunden werden können. Damit lassen sich Apps auf Smartphones und Fahrzeug-Infotainmentsystemen verteilt ausführen.

(av)