Anwendungsentwicklung für komplexe V2X-Szenarien

Zukünftige Fahrzeuggenerationen kommunizieren untereinander und mit ihrer Umgebung. Bei V2X-Testverfahren stellt die Komplexität des Gesamtsystems die größte Hürde dar. Angefangen beim V2X-Stack, also der Software, die für die Kommunikation verantwortlich ist, bis zu den einzelnen Anwendungen, welche den Kundennutzen generieren. Am Beispiel einer Warnfunktion für ein im Einsatz befindliches Sonderfahrzeug wird dies schnell deutlich. In einem großen Ad-hoc-Netzwerk mit beliebig vielen Teilnehmern muss durch die entsprechende V2X-Anwendung auf Basis der V2X-Nachrichten analysiert werden, ob das eigene Fahrzeug von der Einsatzfahrt beeinflusst wird und weitere Maßnahmen nötig sind. Bei Platzierung dieses Szenarios auf eine mehrspurige Kreuzung in Kombination mit den V2X-Nachrichten der Infrastruktur, benötigt der Entwickler Verfahren für komplexe Umgebungstests, bei denen das einzelne Fahrzeug nur eine der vielen Komponenten dieses Netzwerks darstellt.

Modifikation und neue Standards

Basierend auf den ETSI-IST-G5-Normen definierte das Car2Car Communication Consortium in Europa fahrzeugseitig „day one use cases“, wofür V2X-Anwendungen entwickelt werden. Für die USA sind diese Anwendungen in der SAE 2945/1 beschrieben. Im globalen Kontext hat sowohl der V2X-Stack-Entwickler sowie der Anwendungsentwickler somit eine Fülle von Normen zu beachten, um den Standards entsprechende Anwendungen zu programmieren. Erschwerend für den Entwicklungsprozess kommt hinzu, dass einige Standards noch nicht final spezifiziert sind und Aktualisierungen unterliegen, wie etwa aktuell der Security Layer der V2X-Botschaften (ETSI TS 103 097) oder das Geo-Networking (EN 302 636-4-1). Am Beispiel der Änderung des Security Layers wird schnell die Bedeutung für den gesamten Entwicklungsprozess auf verschiedenen Ebenen deutlich.

Der Anwendungsentwickler selbst ist nicht direkt betroffen, vorausgesetzt die Architektur des seiner Applikation zu Grunde liegenden V2X-Kommunikationsstacks bietet die passenden Schnittstellen, wie dies beim Wavebee V2X-Stack der Fall ist. Der V2X-Stack übernimmt vollständig die Validierung der Signatur der Nachrichten, sei es durch eine softwareseitige Lösung oder ein angebundenes Hardware Security Module (HSM). Alternativ kann der Entwickler, um sicher zu stellen, dass eine valide Signatur vorhanden ist, durch ein „validation on demand“ auf Seiten der Applikation den Stack zu einer Überprüfung der Signatur zwingen, unabhängig ob die Security-Überprüfung im Stack selbst aktiviert ist oder nicht. Dies ist im Besonderen bei sicherheitsrelevanten Applikationen von Bedeutung, die beispielsweise für das Einleiten eines Notbremsmanövers sorgen soll.

Offene Systeme für mehr Flexibilität

Bild 1: Mit dem Wavebee-to-go lassen sich V2X-Testszenarien aus dem Labor auf die reale Straße transferieren. Nordsys

Für Entwickler des Kommunikationsstacks selbst sind die aktuellen Änderungen wesentlich umfangreicher. In modular aufgebauten Stacks sind lediglich die entsprechenden Entitäten beziehungsweise Layer anzupassen, deren Ansprechen über Schnittstellen erfolgt. Beim Wavebee V2X-Stack wird dies über den Wave Data Service (WDS) gewährleistet. In eher monolithisch aufgebauten Stacks ist sowohl die Anpassung, als auch die anschließende Validierung eines erfolgreichen Security Updates wesentlich umfangreicher, da gegebenenfalls vollumfängliche Funktionstests des gesamten Stacks folgen müssen.

Sehr groß ist die Bedeutung des Security-Updates im gesamten Bereich der Analyse und des Testens von V2X-Anwendungen. Funktioniert eine Anwendung wie gewünscht unter Laborbedingungen oder in der Simulation, kann ein nicht homogener Stand des eingesetzten Security-Standards bei Interoperabilitätstests von gemischten V2X-Systemen verschiedener Hersteller zum Totalausfall führen.

Bild 2: Mit den Produkten der Wavebee-Familie von Nordsys lassen sich Anwendungen für komplexe V2X-Szenarien entwickeln, die sowohl Fahrzeuge als auch Infrastruktur berücksichtigen. Nordsys

Um in dieser anhaltenden hochagilen Phase der Anwendungsentwicklung größtmögliche Flexibilität zu ermöglichen, wurden die Wavebee-V2X-Entwicklungsplattformen (Bild 2) bewusst als offene Systeme ausgeführt, die als Basis einen vollmodularen Stack nutzen. Dies verkürzt die Entwicklungszyklen in SiL- und HiL-Setups massiv. V2X-Anwendungen lassen sich unter Laborbedingungen implementieren und testen. Anschließend ist es möglich, das System schnell und reversibel ins Fahrzeug oder in eine IST-Station zu integrieren und unter Realbedingungen in End-to-End-Tests zu erproben. Ein Wechsel der Entwicklungsplattform ist nicht notwendig.

Modularer und zukunftssicherer V2X-Stack

Für Anwendungsentwickler gestaltet sich die Nutzung des Wavebee-V2X-Stacks sehr einfach. Die komplett in C entwickelte Schnittstelle lässt sich sowohl unter C wie auch unter C++ problemlos in eigene Applikationen einbinden. Unter anderem bietet der netzwerkbasierte Ansatz des Stacks die Möglichkeit, ihn per TCP/IP an die eigene Anwendung anzubinden. Der Empfang von Nachrichten gestaltet sich in Form der Registrierung einer Callback-Funktion recht unkompliziert. Diese Funktion wird bei jeder empfangenen Nachricht aufgerufen und enthält die Daten in SI-Einheiten. Genauso werden dem Stack entsprechende Werte zum Senden als SI-Einheiten übergeben. Ein oft kostenintensiver ASN.1-De/Encoder ist nicht notwendig.

Einzelnachricht und komplexe Umgebungen

Für die Entwickler besteht die Notwendigkeit, in Realfahrten zu überprüfen, ob ihre Applikationen die generierten Nachrichten zuverlässig an andere V2X-Teilnehmer senden, von diesen empfangen werden und die Inhalte korrekt sind. Eine Analyse der in der Luft befindlichen Nachrichten ist dafür genauso wichtig wie die Visualisierung auf einer Karte. Das Wavebee-Touch-V2X-Diagnosesystem unterstützt den Entwickler bei der Bewertung des Gesamtsystems aus Fahrzeug und Infrastruktur. Im Formfaktor eines autarken, mobilen Heavy-Duty-Tablets empfängt, analysiert und visualisiert das Diagnosesystem mittels interaktiver Kartendarstellung live und vor Ort alle Nachrichten der V2X-Umgebung. Die Aufnahme- und Wiedergabefunktion sowie die Möglichkeit, V2X-Daten im standardisierten pcap-Format zu im- und exportieren, ermöglichen die Protokollierung und Replizierbarkeit von Szenarien und Ergebnissen, sowie die Weiterverarbeitung der Daten in anderen Systemen.

V2X-Simulation

Um sinnvolle Tests vor der Integration in einem Gesamtsystem durchführen zu können, sind in den meisten Fällen Simulationen und eine passende Datenbasis notwendig. Bei der Entwicklung einer Stauwarnfunktion ist in den wenigsten Fällen davon auszugehen, dass zu jeder Zeit 100 oder mehr V2X-ausgerüstete Fahrzeuge und eine entsprechende Teststrecke zur Verfügung stehen. In diesem Fall müssen die Nachrichten der 100 Fahrzeuge durch eine Simulation erzeugt und mittels des Stacks über die Luftschnittstelle dem Empfänger, hier zum Beispiel einer Schilderbrücke, zur Verfügung gestellt werden. Die in der Schilderbrücke verbaute ITS-Station kann entweder selbständig aus den Daten berechnen, ob es sich um einen Stau handelt, oder alle empfangenen Daten an eine Verkehrsmanagementzentrale (VMZ) weiterleiten. Die VMZ übernimmt die Auswertung und sendet ein entsprechendes Ereignis zurück an die RSU, welche eine Stauwarnung per V2X an alle Fahrzeuge im Gefahrenbereich weiterleitet. In diesem Szenario kann die Wavebee-Simulation-Software das Simulieren der 100 Fahrzeuge übernehmen und die entsprechenden Botschaften generieren sowie versenden. Über die WDS-Schnittstelle ist die Anbindung von externen Datenquellen, wie etwa Makro-Verkehrssimulatoren, leicht möglich. Durch mehrfache Instanziierung des Kommunikationsstacks auf nur einer einzigen Hardware-Plattform lassen sich auch umfangreiche Szenarien abbilden.

Aus der Praxis

Bild 3: Schnell und unkompliziert lassen sich Szenarien mit dem Wavebee-Creator erstellen. Der Editor sorgt für die spezifikationskonforme Definition der Nachrichten. Nordsys

Am Beispiel einer Warnung vor einem Einsatzfahrzeug in Alarmfahrt unterstützen Wavebee-Systeme die Entwicklungsprozesse mit entsprechenden Analysen und Abschlusstests. Zur Entwicklung der Applikation bis hin zur Spezifizierung für die Serienumsetzung kam die Wavebee-Plus-Entwicklungsplattform zum Einsatz. Durch einen externen Auslöser (zum Beispiel das Einschalten des Blaulichts) wird eine V2X-Nachricht, in diesem Fall eine spezielle DENM, generiert.

Eine Validierung dieser Sendefunktion findet im ersten Schritt auf der Korrektheit dieser Einzelnachricht statt. Der nächste Schritt ist das Verwenden von mehreren V2X-Stack-Instanzen, sodass diese DENM-Nachricht innerhalb eines Systems von einem Stack erzeugt und über eine virtuelle Netzwerkschnittstelle versendet wird. Als Empfangsseite dient eine zweite V2X-Instanz auf demselben Gerät. Die Empfangsseite muss in der Lage sein, die empfangene Nachricht zu dekodieren und der Empfangsfunktion – etwa einer HMI-Ausgabe – zur Verfügung zu stellen.

Um die Luftschnittstelle einzubeziehen kamen in der nächsten Phase mehrere Wavebee-Plus-Systeme zum Einsatz, um das reale Senden, Empfangen und Verarbeiten der Nachricht über den Physical Layer, hier IEEE 802.11p, zu testen. In Phase drei ergänzen Simulationen mit Wavebee-Systemen im HiL unter Laborbedingungen das Testen in der Serienentwicklung. Die Erstellung der Szenarien erfolgt hierbei schnell und einfach über den Wavebee-Creator (Bild 3). Der Editor sorgt gleichzeitig dafür, dass nur spezifikationskonforme Nachrichten definiert und erzeugt werden. Exakt dasselbe Testszenario lässt sich mithilfe der Wavebee-to-go (Bild 1) aus dem Labor auf die reale Straße transferieren, um mit dem echten Fahrzeug unter Realbedingung das gesamte Szenario im wahrsten Sinne des Wortes zu „erfahren“.

(na)

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