Prüfstand für V2X-Kommunikation (Serien-)Reif im Simulator

Bild 1. Für eine erhöhte Verkehrssicherheit sollen Fahrzeuge künftig Informationen über Gefahrensituationen, Unfälle, Staus und die allgemeine Verkehrslage untereinander austauschen.
Für eine erhöhte Verkehrssicherheit sollen Fahrzeuge künftig Informationen über Gefahrensituationen, Unfälle, Staus und die allgemeine Verkehrslage untereinander austauschen.

Die Vernetzung von Fahrzeugen ist für das autonome Fahren essenziell. Bei hohem Verkehrsaufkommen in städtischen Umgebungen gilt es künftig, Paketfehlerraten und damit Datenverlust zu vermeiden. Der Congestion Simulator ermöglicht verschiedene Verkehrsszenarien und Umgebungen – am Prüfstand.

Die IEEE 802.11p-Norm bildet die Grundlage für die vernetzte V2X (Vehicle-to-Everything)-Kommunikation des künftigen Straßenverkehrs. Der Austausch verkehrsrelevanter Informationen erfolgt entweder zwischen Fahrzeugen in der V2V (Vehicle-to-Vehicle)-Kommunikation oder zwischen Fahrzeug und Verkehrsinfrastrukturelementen, wie Ampeln, Verkehrsschildern oder Notrufsäulen, durch die V2I (Vehicle-to-Infrastructure)-Kommunikation. Die Gesamtvernetzung soll die Verkehrssicherheit erhöhen und den Straßenverkehr entlasten.

Für die vernetzte Kommunikation ist das Frequenzband von 5,850 bis 5,925 GHz vorgesehen und es werden maximal zehn Nachrichten pro Sekunde gesendet. Ein derartiges Broadcasting-Prinzip, bei dem alle Sender denselben Kanal verwenden, bringt unterschiedliche Herausforderungen mit sich: Sendet ein Auto beispielsweise Daten, können zu dem Zeitpunkt die anderen Kraftfahrzeuge keine Informationen versenden. Die Datenpakete würden miteinander kollidieren und verloren gehen.

Der so genannte Carrier-Sensing-Mechanismus verhindert den potenziellen Datenverlust. Demnach hört ein Sender zunächst den Kanal ab und überträgt erst dann die Informationen, wenn der Kanal frei ist.
Doch was passiert, wenn ein potenzieller Empfänger außer Reichweite ist, Gebäude in Stadtgebieten die Übertragung stören oder sich so zwei Sender gegenseitig nicht „sehen“ können, sich ihre Reichweiten allerdings überlappen?

Hier kommt es zu einer sogenannten Hidden-Node-Problematik.
Wenn sich zwei Teilnehmer gegenseitig nicht wahrnehmen können, sind beide davon überzeugt, der Kanal sei frei, und übermitteln die Daten (unter Umständen) zur selben Zeit. Wenn sich der Sendezeitraum nur unwesentlich überschneidet, wird der Übertragungsversuch bereits nicht mehr erfolgreich verlaufen.

Mit Hilfe der Paketverlustrate lässt sich die Kommunikationsreichweite definieren. Bei einer gesicherten Kommunikation darf der Anteil an verlorenen Paketen einen definierten Schwellwert nicht übersteigen. Bei Überschreitung wird automatisch angenommen, dass sich der Empfänger außerhalb der Reichweite befindet. Wie hoch dieser Schwellwert letztlich sein darf, ist aktuell noch nicht festgelegt. In anderen Fachgebieten gelten bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie es auf die V2X-Kommunikation zutrifft, bereits Fehlerraten mit mehr als ein Prozent als kritisch.

Einflussfaktoren der Reichweite

Bei Funksystemen hängt die Reichweite von diversen Einflussfaktoren ab. Neben der Sendeleistung, der Empfindlichkeitsschwelle des Empfängers (abhängig vom Hersteller zwischen -90 und -100 dBm) und den Abstrahlcharakteristiken der Antennen zählt beispielsweise auch die Antennenposition zu den beeinflussenden Faktoren. In den meisten Fällen kommen die Antennen auf dem Fahrzeugdach zum Einsatz, wodurch sich eine durchschnittliche Montagehöhe von circa 1,3 m ergibt. Von dort kann die Antenne nahezu in jede Richtung ungehindert abstrahlen. Bei einem Cabriolet steht allerdings die Verbauposition auf dem Dach nicht zur Auswahl. Für die Antenne verbleibt daher nur die Installation in den Außenspiegeln, an der Front des Autos oder im Heckbereich, was immer zu anderen Abstrahlcharakteristiken führt.

Räumliche Abhängigkeiten

Auch die individuelle Verkehrssituation, in der sich das Kraftfahrzeug befindet, beeinflusst die Reichweite der Funksi¬gnale. Während in ländlichen Regionen Datenpakete problemlos über große Distanzen von bis zu 700 m gesendet und empfangen werden können, sind in städtischen Umgebungen mitunter maximal 100 m möglich.

In der Stadt kommt erschwerend noch der sogenannte Fast-Fading-Effekt hinzu: Durch Reflexionen an Gebäuden und parkenden Autos kommt es zu Überlagerungen, Auslöschungen und Störungen, die die Reichweite zusätzlich verkürzen.

Gerade bei hohen Fahrgeschwindigkeiten ist ein Verlust von Datenpaketen gefährlich, beispielsweise wenn die gesendeten Informationen vor einem Unfall oder einer Gefahrensituation warnen sollten. Der Effekt verstärkt sich, wenn die „Sicht“ der Fahrzeuge eingeschränkt ist – etwa wenn sich ein LKW zwischen zwei Fahrzeugen befindet oder sich zwei Fahrzeuge an einer Kreuzung nähern. Möglichst realitätsnahe Verkehrsszenarien sollen dazu beitragen, plausible Ergebnisse über die Reichweite von Funksignalen zu erhalten. Das European Telecommunications Standards Institute (ETSI) hat hierzu bereits verschiedene Szenarien entwickelt (Bild 1).

Sie umfassen unterschiedliche Verkehrssituationen in städtischen und ländlichen Umgebungen auf Autobahnen, Kreuzungen sowie mit und ohne Sichtkontakt der Fahrzeuge. Anhand der Szenarien kann die Funkübertragung anhand verschiedener Aspekte berücksichtigt werden.