Wie die V2X-Kommunikation nach 802.11p getestet und validiert wird

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Autonome Fahrzeuge müssen ständig mit ihrer Umgebung kommunizieren können. Der Beitrag gibt einen Einblick in unterschiedliche Ansätze für Test und Validierung der Funkkommunikation nach 802.11p.

V2X, ADAS und autonomes Fahren sind aktuell die Schlagworte bei den Automobil-Herstellern. Die Funkkommunikation der Fahrzeuge untereinander und mit der sie umgebenden Verkehrs-Infrastruktur ist dabei eine der Kernkomponenten. Der Beitrag gibt einen Einblick in die unterschiedlichen Ansätze für Test und Validierung der Funkkommunikation: von den Messungen der HF-Parameter und der Analyse von Protokollschichten hin zu komplexen Tests mit Unterstützung der üblichen Schnittstellen wie CAN, FlexRAY oder Automotive-Ethernet. Für realistische Testszenarien lassen sich Simulationen für Geoposition (GNSS) und Fahrzeugdaten einbinden sowie weitere Sensoren wie RADAR bis hin zu Hardware-in-the-Loop (HiL).

Drahtlose Übertragung mit 5 GHz

Der Informationsaustausch zwischen allen Verkehrsteilnehmern, hier spricht man von V2X = Vehicle to Everything oder V2V = Vehicle to Vehicle oder Car to Car, ist eines der entscheidenden Zukunftsthemen, um die Mobilität weiterzuentwickeln. Notwendige Kommunikationsverfahren und Strategien werden basierend auf modernen drahtlosen Übertragungstechniken im 5-GHz-Bereich implementiert. Sie ermöglichen intelligente Transportsysteme, sogenannte Intelligent Transport Systems = ITS. Ein ITS soll dabei helfen, den Verkehr zu verbessern und die Sicherheit aller Teilnehmer erhöhen, den Verkehrsfluss optimieren und schließlich den Energieverbrauch senken sowie Komfort für den Fahrer erhöhen.

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Bereits seit einigen Jahren wird vonseiten der öffentlichen Hand und der Industrie zum Thema ITS geforscht und Standardisierungen vorangetrieben. In den letzten Jahren konvergieren die Aktivitäten in Standards, die regional von unterschiedlichen Institutionen gepflegt werden, und die Markteinführung steht bevor. Um die Systeme zu testen und zu optimieren, gibt es in vielen Teilen Europas und den USA Teststrecken. Die Zuständigkeit für Standards in den USA liegt bei IEEE und SAE. In Europa definieren und verwalten CAR 2 CAR Communication Consortium (C2C-CC), ETSI und ISO die Standards.

Die Anforderungen eines Tests bei V2X-Systemen

Die erforderlichen Techniken, Verfahren und Hardwarekomponenten müssen entwickelt, geprüft und in Produktion gebracht werden, was eine sehr weitgehende Bandbreite von Werkzeugen mit unterschiedlichen Möglichkeiten erfordert. Dazu gehören HF-Messtechniken, um Antennen und Übertragungsverhalten zu messen und zu qualifizieren, Protokoll- und Kommunikationstests zum Informationsaustausch bis hin zum komplexen Hardware-in-the-Loop-Test (HiL), der das vollständige Verhalten des Systems überwacht. Neben den eigentlichen Kommunikationstechniken spielen GNSS (Global Navigation Satellite Systems) und die entsprechende Simulation eine wesentliche Rolle bei Tests von V2X-Systemen.

Auch die Simulation unterschiedlicher Verkehrssituationen und Fahrszenarien ist eine wichtige Komponente in vielen Testanwendungen. Unabdingbar ist dabei oft ein sehr zeitgenaues oder auch Echtzeitverhalten des Gesamtsystems. Je nach Aufgabenstellung von Entwicklung über Qualifikation bis hin zum Test ist die Kombination der unterschiedlichen Werkzeuge in unterschiedlichen Zusammenstellungen mit verschiedenen Schwerpunkten erforderlich.

Protokoll 802.11p und ein plattform-basierter Ansatz

Die S.E.A. Datentechnik ist seit über zehn Jahren bei HF- und Testanwendungen etabliert. Um die vielfältigen Anforderungen der V2X-Kommunikation abzudecken, hat sich S.E.A. für einen plattformbasierten Ansatz auf der Grundlage von National Instruments Hardware- und Softwarekomponenten entschieden. Dazu hat das Unternehmen verschiedene Produkte entwickelt, um das derzeitige Basiskommunikationsprotokoll 802.11p zu implementieren. Hier greift man auf das Ökosystem von National Instruments zurück (Bild 1). Für das zukünftig ebenfalls zur V2X-Kommunikation vorgesehene Protokoll c-V2X = Cellular V2X oder LTE-V sind entsprechende Produkte in Vorbereitung. Für alle Produkte gibt es Schnittstellenfunktionen, die mit LabVIEW zusammenarbeiten.

Sämtliche Produkte mit unterschiedlichen Hardwareplattformen und Funktionsumfang erfüllen die verschiedenen Anwendungsanforderungen. Als reine 802.11p-Kommunikationsschnittstelle steht das Modul SEA 9719 CompactRIO bereit. Es kann sowohl im cRIO als auch Stand-alone mit einem PC betrieben werden. Auf Basis der CompactRIO und der Echtzeit-Technik lassen sich beispielsweise Prototypen für Steuergeräte (ECU) oder Infrastrukturkomponenten, sogenannte Road Side Units (RSU), oder einfache Testsysteme für ECUs mit V2X-Kommunikationsschnittstelle entwickeln. Für die V2X-Forschung und Entwicklung sowie Validierungs- und Verifikationstestsysteme stehen zwei unterschiedliche, auf Software Defined Radio basierende, Produkte für 802.11p-Kommunikation und -Analyse zur Verfügung.

Monitoring und Nachrichten des Typs 802.11p

Kernbestandteil ist ein von S.E.A. implementierter 802.11p-Stack. Er bietet neben Kommunikationsfunktionen erweiterte Fähigkeiten, um definierte Fehler zu erzeugen, detailliertes Monitoring und Nachrichten des Typs 802.11p präzise wiederzugeben. Eine auf NI-USRP basierende Version der 802.11p-Kommunikationsschnittstelle synchronisiert sich zu anderen Datenquellen wie CAN, FlexRay und GNSS-Simulation (GPS oder Gallileo). Somit lassen sich definierte Szenarien detailliert und deterministisch simulieren. Die zweite SDR-Variante basiert auf der PXI-Plattform und dem NI Vector Signal Transceiver. Sie implementiert alle Kommunikations- und Testfunktionen der USRP-Variante. Zusätzlich sind eine Vielzahl von Messfunktionen in das System integriert, um RF-Parameter zu messen und zu bestimmen.

Damit eignet sich das Produkt für Produktionsanwendungen oder Compliance-Testsysteme. Mit den genannten Komponenten und weiteren Elementen der NI-Plattform lässt sich das Spektrum der typischen Testanforderungen realisieren. S.E.A. bietet integrierte Testlösungen für die RF-Compliancemessung. Das beginnt mit Validierung und Verifikation bis zur HiL-Simulation für autonomes Fahren als schlüsselfertige Lösung.

• Open-Loop Steuergeräte (ECU) validieren und verifizieren: Dem Prüfling werden vom System unterschiedliche Datenströme vorgespielt. Dazu gehören CAN, GNSS oder V2X, welche ITS-Umwelt und Fahrsituationen simuliert (Bild 2). Eine wesentliche Eigenschaft ist es, alle erforderlichen Komponenten in einer modularen Testumgebung und insbesondere die hohe Zeitsynchronität der Signale (deutlich besser als Millisekunden) zu integrieren. Eine leistungsfähige GNSS-HR-Simulation zu integrieren ist in vielen Fällen erforderlich. Hier setzt S.E.A. die Produkte StellaNGC seines Partners M3 Systems ein, um die Simulation von Störungen (Multi-Path oder atmosphärische Störungen) im HF-Signal für die gängigen Standards GPS, Galileo, Beidou und Glonass zu unterstützen.

• Closed-Loop-HiL-Test für autonomes Fahren: Die V2X-Kommunikation liefert dem Fahrzeug selektive Informationen über seine Umwelt. Dazu gehören unter anderem die beteiligten Verkehrsteilnehmer mit Eigenschaften, die die anderen Fahrzeugsensoren nicht liefern können. Damit ist V2X ein unabdingbarer Sensor für vollständig autonome Fahrzeuge. Der Test von Systemen für autonomes Fahren erfordert eine komplexe Umweltsimulation für alle beteiligten Sensoren. Wird ein HiL-Testsystem erstellt, arbeitet S.E.A. gemeinsam mit anderen Unternehmen im Verbund ADAS IIT, der schlüsselfertige Testlösungen für ADAS-Systeme liefert. Dabei ist die Targetsimulationen für Radar, Lidar-Sensoren und Kameras und auch GNSS- und V2X-Simulation in einem Closed-Loop-Hardware-in-the-Loop-Testsystem unter Echtzeitbedingungen ein wesentlicher Bestandteil.

Um Fahrszenarien zu erstellen und zu modellieren, kommt die Software CarMaker des Partners IPG zum Einsatz. In einem festen Zeittakt wird kontinuierlich der Umweltzustand für das zu prüfende System entsprechend der simulierten Umwelteigenschaften angepasst. Das ermöglicht den Ersatz von physikalischen Fahrtests durch simulierte Testfahrten im Labor. Die großen Datenmengen, die dabei entstehen, werden über Werkzeugketten wie eine kartenbasierte Darstellung der Daten (S.E.A. SpaceMasterGEO) und verschiedene tiefergehende Analysen mit dem Werkzeug DIAdem von National Instruments ausgewertet.

Autonomes Fahren – Die Motivation des Einzelnen