V2X-Anwendungsentwicklung Die Simulation der Vernetzung

Eigenständige Kommunikation der Fahrzeuge untereinander mit dem V2X-Messagers .
Eigenständige Kommunikation der Fahrzeuge untereinander mit V2X.

Künftige Fahrzeuge befinden sich im ständigen Austausch mit ihrer Umgebung. Die entsprechende V2X-Kommunikation bringt aufgrund des erweiterten Systemkontextes hohe Anforderungen an die Testverfahren mit sich. Entsprechende Produkte können Tests und Validierungen komplexer V2X-Szenarien erleichtern.

Künftige Fahrzeuggenerationen kommunizieren untereinander und mit ihrer Umgebung. Hierbei erzeugen, versenden und verarbeiten die so genannten »Connected Vehicles« eigenständig standardisierte Nachrichten (V2X-Messages) unterschiedlicher Arten. Als Nachrichtentypen kommen beispielsweise CAM, DENM, SPATEM, MAPEM und IVI zum Einsatz. Die V2X-Nachrichten sind auch für alle anderen V2X-Teilnehmer im Fahrzeugumfeld relevant.

V2X-Funktionsentwickler, Anwendungs- und Systemtester stehen daher vor der großen Herausforderung, dass daraus ein wesentlich erweiterter Systemkontext für bestehende Testverfahren resultiert. Die Systemgrenzen beschränken sich nicht mehr nur auf das fahrzeugeigene Bordnetz, sondern es sind weitere Teilnehmer des V2X-Netzwerks in den Tests zu berücksichtigen. Dazu zählen sowohl andere Fahrzeuge als auch die an der Kommunikation beteiligten Infrastrukturknoten. Die Nutzung der waveBEE-Produktfamilie von Nordsys optimiert den Prozess der Anwendungsentwicklung und ermöglicht Tests und Validierungen in komplexen V2X-Szenarien.

Hohe Komplexität – Fokus liegt nicht nur auf dem Fahrzeug

Die Entwicklung und das Testen von V2X-Anwendungen stellt Autohersteller und Zulieferer gleichermaßen vor neue Herausforderungen. Die etablierten fahrzeug-fokussierten Testverfahren bilden die durch die neue Technik gegebenen Anforderungen oft nicht ausreichend ab. Zudem stellt die Komplexität des Gesamtsystems eine große Hürde dar – angefangen beim V2X-Stack, die für die Kommunikation verantwortliche Software, bis zu den einzelnen Anwendungen, die den Kundennutzen erzeugen.

Beispielsweise die Warnfunktion für ein im Einsatz befindliches Sonderfahrzeug: 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 betroffen ist und gegebenenfalls weiterführende Maßnahmen notwendig sind. Wird das Szenario auf eine mehrspurige Kreuzung in Kombination mit den V2X-Nachrichten der Infrastruktur platziert, benötigt der Entwickler unterschiedliche Verfahren für komplexe Umgebungstest bei denen das einzelne Fahrzeug nur eine der vielen Komponenten des Netzwerks darstellt.

Neue Standards – Aktuelle Änderungen im Security Layer

Basierend auf den ETSI-ITS-G5-Normen (http://www.etsi.org) wurden in Europa seitens des Car2Car Communication Consortiums (http://www.car-2-car.org) fahrzeugseitig so genannte »day one use cases« definiert, für die V2X-Anwendungen entwickelt werden. Für die USA sind die Anwendungen in der SAE 2945/1 beschrieben. Sie sind das Ergebnis des CAMP-Projekts, das in einem Realtest mit 2000 Fahrzeugen die Alltagstauglichkeit der V2X-Technologie sowie die Kundenakzeptanz bei den Testprobanden grundsätzlich untersuchte. Im globalen Kontext hat sowohl der V2X-Stack-Entwickler sowie der Anwendungsentwickler somit eine Fülle von Normen zu berücksichtigen, um konforme Anwendungen zu programmieren.

Erschwerend für den Entwicklungsprozess kommt hinzu, dass einige Standards noch nicht final spezifiziert sind und Aktualisierungen unterliegen, wie beispielsweise 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 zu Grunde liegenden V2X-Kommunikations-Stacks bietet entsprechende Schnittstellen – wie beispielsweise waveBEE-V2X-Stack. Der V2X-Stack übernimmt vollständig die Validierung der Signatur der Nachrichten, sei es softwareseitig oder durch ein angebundenes Hardware Security Module (HSM). Alternativ kann der Entwickler durch ein »validation on demand« auf Seiten der Applikation den Stack zur Validierung der Signatur zwingen, unabhängig davon, ob die Security-Überprüfung im Stack selbst aktiviert ist oder nicht.

Das ist gerade bei sicherheitsrelevanten Applikationen von großer Bedeutung, die beispielsweise für das Einleiten eines Notbremsmanövers sorgen sollen. Für Entwickler des Kommunikation-Stacks selbst sind die aktuellen Änderungen wesentlich umfangreicher. In modular aufgebauten Stacks sind lediglich die entsprechenden Entitäten beziehungsweise Layer anzupassen, welche über Schnittstellen angesprochen werden. Beim waveBEE-V2X-Stack wird das 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 gegebenfalls vollumfängliche Funktionstests des gesamten V2X-Stacks erforderlich sind.

Sehr umfassend 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, so kann ein nicht homogener Stand des eingesetzten Security-Standards bei Interoperabilitätstests von gemischten V2X-Systemen verschiedener Hersteller zum Totalausfall führen.

Agiler Entwicklung – ein modularer und zukunftssicherer V2X-Stack

Um in der anhaltenden hochagilen Phase der Anwendungsentwicklung größtmögliche Flexibilität zu ermöglichen, wurden die waveBEE-V2X-Entwicklungsplattformen bewusst als offene Systeme (Bild 1) ausgeführt, die als Basis einen vollmodularen V2X-Stack nutzen.

Entwicklungszyklen in SiL- und HiL-Setups werden dadurch verkürzt. V2X-Anwendungen können mit waveBEE unter Laborbedingungen implementiert und getestet werden. Anschließend kann das waveBEE-System schnell und reversibel im Fahrzeug oder einer ITS-Station (Roadside ITS-S oder Central ITS-S) integriert und unter Realbedingungen in End-to-End Tests erprobt werden – ohne Erfordernis, die Entwicklungsplattform zu wechseln. Auf waveBEE unterstützte EntwicklungsFrameworks wie Automotive Data and Time-Triggered Framework (ADTF) sowie die WDS-Schnittstelle erleichtern den Entwicklern die Integration in bestehende Systemumgebungen und Versuchsaufbauten. Die Unabhängigkeit vom Physical Layer – hybrider Kommunikationsansatz unterstützt sowohl WAVE (IEEE 802.11p) als auch Mobilfunk – vergrößert das Einsatzspektrum der Systeme.

Für Anwendungsentwickler gestaltet sich die Nutzung des waveBEE V2X-Stack einfach. Die 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 V2X-Stacks die Möglichkeit, per TCP/IP an die eigene Anwendung anzubinden. Damit ist sowohl der Empfang als auch das Senden von Nachrichten möglich, ohne die ETSI Spezifikationen im Detail kennen zu müssen – der V2X-Stack abstrahiert die ASN.1-Spezifikation durch C-Strukturen.