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Die Einzelheiten der V2X-Kommunikation

| Autor/ Redakteur: Holger Rosier / Benjamin Kirchbeck

Weltweit werden verschiedenste kooperative, intelligente Transportsysteme (C-ITS) entwickelt. Diese hängen jedoch von drahtloser und mobiler Kommunikation ab. Zudem müssen andere Verkehrsteilnehmer berücksichtigt werden und längst nicht alle Gebiete verfügen über eine ausreichende Wireless- und Mobilfunk-Infrastruktur. Wie sollen also C-ITS-Nutzer unter solchen Bedingungen miteinander kommunizieren?

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(Bild: iStock)

Um überhaupt eine Chance zu haben, die Unfallrate auf unseren Straßen und Autobahnen auf Null zu senken, muss die in unseren Transportsystemen integrierte Intelligenz die Verkehrsinformationen mit minimaler Latenz zur gemeinsamen Nutzung bereitstellen. Dank moderner Sicherheitssysteme in Automobilen sank die Zahl der Verkehrstoten in der EU zwischen 2001 und 2017 um 57,5 %1. Obgleich die Autobahnen mit ihrem hohen Verkehrsaufkommen und vielen Verkehrsunfällen täglich für Frustration sorgen, ereignen sich die meisten Unfälle in Wirklichkeit auf Landstraßen und in Stadtgebieten (55 % bzw. 37 %). Schlechte Sichtbedingungen, gemischter Verkehr und schwer erkennbare Hindernisse sind die größten Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt – ganz unabhängig vom Können des Fahrers.

Mobilfunktechnologien zur Erhöhung der Sicherheit

Seit 2017 bietet der Mobilfunkstandard 3GPP-LTE Release 14 eine Reihe von Features. Zusammenfassend als Cellular-V2X-Kommunikation (C-V2X) bezeichnet beschreiben sie, wie man die Technologie, die bestehende zellulare LTE-Netze unterstützt, für C-ITS verwenden kann. Die verantwortliche Arbeitsgruppe (Technical Specification Group, TSG) identifizierte drei Anwendungsklassen: Verkehrssicherheit, Verkehrseffizienz und weitere Anwendungen.

Eine Analyse dieser drei Klassen identifiziert die nötigen technischen Anforderungen für C-V2X. Für den Bereich Verkehrssicherheit sind eine hohe Serviceverfügbarkeit, eine hohe Übertragungszuverlässigkeit sowie eine geringe Latenz essenziell; mögliche Anwendungsszenarien sind zum Beispiel Kollisionswarnsysteme oder sich nähernde Einsatzfahrzeuge. Auf dem Gebiet der Verkehrseffizienz, bei dem es unter anderem um eine optimale Ausnutzung von Grünphasen geht (Green Light Optimal Speed Advisory, GLOSA), werden niedrigere Anforderungen an die Datenübertragung gestellt. Weitere Anwendungen sind automatisiertes Parken, Informationsaustausch über freie Parkplätze oder spezielle Dienste, die Automotive-OEMs ihren Kunden anbieten. Features ermöglichen zertifizierten Teilnehmern, Applikationsserver zur Bearbeitung von C-V2X-Datenanfragen einzurichten. Es ist sinnvoll, für die V2N-Kommunikation mit den Applikationsservern bestehende zellulare LTE-Netze zu nutzen (Abbildung 1). Von Roadside-Units (RSU) verwaltete Verkehrsdaten können mittels Vehicle-to-Infrastructure-Dienste (V2I) über LTE ausgetauscht werden.

Leider ist die Latenzzeit, die mit der Datenübertragung über ein zellulares Netz einhergeht, für schnelle Verkehrsteilnehmer nicht geeignet. Zudem gilt es, Verkehrssituationen mit eingeschränkter oder nicht vorhandener LTE-Abdeckung zu berücksichtigen – beispielsweise in Tunneln oder ländlichen Gegenden. Daher muss die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (Vehicle-to-Vehicle, V2V), zwischen Fahrzeug und Fußgänger (Vehicle-to-Pedestrian, V2P) sowie zwischen Fahrzeug und Infrastruktur (Vehicle-to-Infrastructure, V2I) auch ohne zellulares Netz erfolgen. Darüber hinaus sollten Empfang und Übertragung von sicherheitsrelevanten Daten nicht von einem bestimmten Mobilfunkbetreiber abhängen. C-V2X erreicht dies, indem die Datenübertragung ohne Bindung an einen bestimmten Mobilfunkbetreiber möglich ist.

Abbildung 1: LTE V2X definiert vier Kommunikationsdienste.
Abbildung 1: LTE V2X definiert vier Kommunikationsdienste.
(Bild: Rohde & Schwarz)

In 3GPP-LTE Release 14 wird die direkte V2V-, V2I- und V2P-Kommunikation über die PC5-Schnittstelle abgewickelt. Der Betrieb solcher Ad-hoc-Netzwerke ohne Mobilfunkinfrastruktur kann unabhängig vom zellularen Netz stattfinden.

Synchronisation in C-V2X-Szenarien

In Szenarien mit zellularer Netzabdeckung können C-V2X-fähige Fahrzeuge ihr Taktsignal mit der eNodeB-Infrastruktur (eNB) synchronisieren (Abbildung 2). Dies ist wichtig für die Minimierung der Symbolinterferenz (ISI) bei Zeitmultiplex-Vielfachzugriff- (TDMA) und Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff-Systemen (FDMA). Ist keine eNB verfügbar, ist ein alternativer Synchronisationsmechanismus erforderlich. Der Standard sieht verschiedene, nach Präferenz geordnete Synchronisationsquellen vor. Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) lassen sich entweder direkt über interne Fahrzeugsysteme oder indirekt über eine V2V- oder V2I-Verbindung zu einem mit GNSS synchronisierten Fahrzeug oder RSU anzapfen. Eine Alternative ist eine indirekte Synchronisation mittels Verbindung zu einem C-V2X-Gerät, welches mit einer eNB verbunden ist. Ist all dies nicht möglich, können sich Fahrzeuge miteinander synchronisieren.

Abbildung 2: Für eine Taktsynchronisation außerhalb der Netzabdeckung nutzen C-V2X-Nodes alternative Quellen wie eNB, GNSS oder andere C-V2X-Verkehrsteilnehmer.
Abbildung 2: Für eine Taktsynchronisation außerhalb der Netzabdeckung nutzen C-V2X-Nodes alternative Quellen wie eNB, GNSS oder andere C-V2X-Verkehrsteilnehmer.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Kommunikationsprotokolle und -kanäle für PC5

Um die Kommunikation über PC5 aufrechtzuerhalten, wurden zwei Protokollstapel definiert. Der Protokollstapel der Benutzerebene ermöglicht den Austausch von Nutzdaten, während die Steuerebene zum Senden von Steuerdaten verwendet wird (Abbildung 3).

Die Bitübertragungsschicht (PHY) überträgt Daten auf dem Sidelink und nutzt 10-MHz- oder 20-MHz-Bandbreiten bei 5,9 GHz im ITS-Band 47. Diese Art der C-ITS-Kommunikation wurde weltweit von Regulierungsbehörden lizenzfrei zugelassen. In China wurde die Erlaubnis nur für die C-V2X-Technologie erteilt, während in Europa alle Technologien erlaubt sind. In den USA liegt der Regulierungsbehörde FCC ein Antrag vor, laut dem C-V2X in Zukunft in dem aktuell von Dedicated Short Range Communications (DSRC) genutzten Spektrum betrieben werden soll.

Die Media-Access-Control-Schicht (MAC) verwaltet die Ablaufsteuerung von Paketen und die Zuteilung von Ressourcen. Mit der Paketfilterung auf dieser Schicht wird sichergestellt, dass nur Protokolldateneinheiten, die für ein bestimmtes V2X-Gerät gedacht sind, an die höheren Schichten weitergeleitet werden. Das hybride ARQ-Protokoll (HARQ) ist hier ebenfalls implementiert.

Auf der Radio-Link-Control-Schicht (RLC) erfolgt die reihenfolgegerechte Übertragung von Servicedateneinheiten sowie deren Segmentierung und Wiederzusammensetzung. Die Packet-Data-Convergence-Protocol-Teilschicht (PDCP) separiert 3GPP-Radio-Acces-Protocol-Schichten von denjenigen der C-ITS-Anwendungen. Die Verarbeitung von Nicht-IP-Daten ist für C-ITS-Anwendungen essenziell und wird seit Release 14 unterstützt.

Eine zusätzliche Schicht in der Steuerebene, die Radio-Resource-Control-Teilschicht (RRC), deckt Broadcast-Kommunikationsdienste ab. Diese verwalten die Kommunikation, konfigurieren Protokolldienste und passen Funkparameter an. Das sogenannte "Zone Concept" nutzt den Breiten- und Längengrad des Fahrzeugs, um sicherzustellen, dass das empfangene Funksignal innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt. Dadurch wird eine mögliche Sättigung, bekannt als Nah-Fern-Effekt, limitiert und der Signal/Stör-Abstand (SINR) verbessert, sodass das Funksignal decodiert werden kann.

Abbildung 3.1: Der Protokollstapel in der Benutzerebene.
Abbildung 3.1: Der Protokollstapel in der Benutzerebene.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Abbildung 3.2: Der Protokollstapel in der Steuerebene.
Abbildung 3.2: Der Protokollstapel in der Steuerebene.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Die MAC-Teilschicht stellt der RLC-Teilschicht zwei logische Kommunikationskanäle für die C-V2X-Kommunikation zur Verfügung. Der Sidelink Broadcast Control Channel (SBCCH) verarbeitet Nachrichten der Steuerebene, der Sidelink Traffic Channel (STCH) Nachrichten der Benutzerebene. Diese werden auf zwei Transportkanäle abgebildet. Der Sidelink Broadcast Channel (SL-BCH) transportiert Steuerdaten höherer Schichten und wird auf den SBCCH abgebildet. Der Sidelink Shared Channel (SL-SCH) transportiert Nutzdaten und wird auf den STCH abgebildet.

Beim Betrieb im Autonomous Resource Selection Mode (bekannt als Transmission Mode 4, TM4) unterliegen Geräte möglicherweise Störungen durch andere, in der Nähe befindliche C-V2X-Geräte. Als Gegenmaßnahme nutzt der SL-SCH das HARQ-Verfahren für maximal eine Sendewiederholung. Diese Funktion steht den SL-BCH-Steuerdaten nicht zur Verfügung.

Auf der Bitübertragungsschicht werden diese Transportschichten weiter auf physische Kanäle abgebildet (SL-SCH auf den Physical Sidelink Shared Channel (PSSCH) und SL-BCH auf den Physical Sidelink Broadcast Channel (PSBCH)). Steuerinformationen in Bezug auf die Verarbeitungszeit und Frequenz-Ressourcenzuteilung auf Steuerebene lassen sich auf den Physical Sidelink Control Channel (PSCCH) übertragen. Die Übertragung dieser Steuerinformationen erfolgt mithilfe der robusten Quadratur-Phasenumtastung (QPSK). Im Gegensatz dazu verwenden Nutzdaten auf dem PSSCH QPSK und 16-Quadratur-Amplitudenmodulation (16QAM).

Die PC5-Kommunikation übernimmt auch die allgemeine 1-ms-Subframe-Struktur von LTE. Bei 14 Einzelträger-Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff-Symbolen (SC-FDMA) pro Subframe werden vier an ein Demodulation Reference Symbol (DMRS) übergeben (Abbildung 4). Diese gleichen Doppler-Verschiebungen bei der C-V2X-Kommunikation aus.

Abbildung 4: Der 1-ms-PC5-Subframe nutzt vier Slots für ein Demodulation Reference Symbol und verbessert so die Robustheit gegen Doppler-Verschiebungen.
Abbildung 4: Der 1-ms-PC5-Subframe nutzt vier Slots für ein Demodulation Reference Symbol und verbessert so die Robustheit gegen Doppler-Verschiebungen.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Zukunftssichere V2X-Tests

Komplexe C-V2X- und C-ITS-Kommunikationsprotokolle sowie verkehrssicherheitsrelevante Anwendungen gepaart mit Umweltfaktoren und mobilen V2X-Nodes erfordern genaue Tests unter unterschiedlichsten Bedingungen, um eine konforme, interoperable Lösung sicherzustellen. Bestehende LTE-Messtechniklösungen wie der R&S®CMW500 eignen sich ideal für C-V2X-Tests (Abbildung 5). Der Wideband Radio Communication Tester bietet die gesamte Funktionspalette – von statischer Protokollkonformität bis hin zum Betrieb unter dynamischen Bedingungen wie Fading und Auswirkung von Signalreflexionen. Zudem unterstützt er den kompletten Stack von 3GPP-LTE-V2X Radio Access Protocols bis hin zu gebietsabhängigen C-ITS-Anwendungen in China, Europa und den USA. Der CMW500 ist die erste, vom Global Certification Forum (GCF) zugelassene C-V2X-Testlösung. Mit dem SMBV100B Signalgenerator lässt sich das GNSS simulieren. Dank verfügbarer Software-APIs lassen sich die Geräte in bestehende Systeme und automatisierte Testumgebungen integrieren, sowohl für Testserien als auch für Langzeittests.

Abbildung 5: Der CMW500 in Kombination mit dem SMBV100B.
Abbildung 5: Der CMW500 in Kombination mit dem SMBV100B.
(Bild: Rohde & Schwarz)

3GPP Release 14 spezifiziert die direkte Kommunikation nach C-V2X PC5 für sicherheitskritische Anwendungen (Phase I), insbesondere für Szenarien ohne Netzabdeckung. In Phase II des C-V2X-Rollouts wird LTE enhanced V2X (eV2X) Bestandteil von Release 15. Die für 2019 geplante Freigabe unterstützt C-ITS-Applikationen wie kooperative Wahrnehmung. 5G New Radio (5G NR) wird voraussichtlich in Phase III als Teil von 3GPP Release 16 standardisiert. Das bedeutet, dass Automotive-Applikationsingenieure ihr vorhandenes Testequipment auch in den kommenden Jahren ohne großen Investitionsaufwand nutzen können.

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