Connected Vehicles

Das Projekt wurde im Rahmen des Strukturfondsprogramms „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung Österreich 2014-2020″ mit EU-Mitteln aus dem EFRE (Europäischer Fonds für Regionale Entwicklung) sowie aus Mitteln des Landes OÖ gefördert.

Many efforts in recent years aim to improve individual traffic in various dimensions. The safety of both drivers and other traffic participants (e.g. pedestrians) should be enhanced in equal measure. Furthermore, an efficient utilization of existing road infrastructure is becoming more and more important in order to avoid the formation of (expensive) traffic congestions and to prevent or at least reduce the necessity of constructing new travelways. Profitability with respect to passenger and freight traffic is a fundamental requirement for the reduction of pollutant emissions and a more effecient usage of available resources.

Developments that help to reach mentioned goals can be found in the vehicles themselves as well as in road side infrastructure (e.g. intelligent traffic control systems). The increased capability of vehicles to interact with their environment using innovative technologies such as C2X communication also constitutes an essential factor. This interaction refers to both mentioned infrastructure as well as other objects in the vehicles‘ vicinity, e.g. lanes, vehicles, traffic participants. A glimpse into the future clearly shows that the current developments right up to highly automated driving will continue within the upcoming years. A prerequisite therefor is the close cooperation of vehicles and their environment, which is consolidated under the term ‚Connected Vehicles‘. In that respect a number of questions and challenges arise, which have to be answered and managed in order to fully exploit the potential of ‚Connected Vehicles‘ in above mentioned areas.

In the course of the requested project ‚Connected Vehicles‘ these topics will be addressed in an interdisciplinary and holistic way. The three core emphases of this project are as follows:

• Efficient utilization of road infrastructure

  The increasing number of vehicles in individual traffic is a major cause for the formation of traffic congestions, due to accidents and traffic overloads. The misconduct of single individuals also leads to a decreased traffic flow. A consequence of this are an increased environmental burden (pollutant emissions, e.g. C02) and wasted resources (energy, time). ‚Connected Vehicles‘ allow to determine the current traffic situation in an ad-hoc fashion and the distribution of it together with derived traffic management measures (e.g. dynamic re-routing) in real-time to other ‚Connected Vehicles‘. Knowing the optimal route of every single vehicle helps reaching a global optimum with respect to the ejection of emissions and resource utilization. Further improvements address the usage of particular degrees of freedom, e.g. the scaling of departure times within an individually acceptable time frame or the optimization of a traffic light controller depending on the current traffic situation.

• Communication link: car-2-car

  Simulating entire communication links (sender, channel, receiver) in order to determine relevant parameters such as achievable data rates or latencies is important when outlining new communication modules as well as when developing them. Due to non-linear contortions the typically (by virtue of relatively low complexity) used method of the equivalent complex baseband is stretched to it’s limits. Hence, new methods have to be developed, which allow the simulation of the entire communication link under consideration of non-linear contortions while at the same time exhibiting a manageable complexity.

• Impact of security measures on safety requirements in car-2-car communcation

  The quality of a data link between vehicles is mainly characterized by the parameters data rate and latency. The appropriate values of these parameters (depending on the application) is guaranteed by algorithms, modulation schemes and an eligible channel coding. In the area of car-2-car communication also the aspect of secure data transmission (in terms of resistance to intended errors induced by malicious actors) is imporant. By implementing a cryptographic security layer between the bit transmission layer and the layer of interpreting transmitted data by applying safety measures, unintended side effects might arise. More precise, the implementation of such a security layer could delay the transmission of certain messages to such an extent, that indispensable maximum delays might be exceeded. This can have disastrous consequences, e.g. a braking action being initiated too late. These coherencies are barely investigated yet, not to mention systematically analyzed. Data security therefor has to be implemented in such a way that it does not have negative effects on required safety measures.

Viele Bestrebungen der letzten Jahre im Bereich des Straßenverkehrs zielen darauf ab, Verbesserungen in mehreren Dimensionen zu erreichen. Die Sicherheit von Personen in Fahrzeugen soll ebenso erhöht werden wie jene von Personen außerhalb der Fahrzeuge. Eine effizientere Ausnutzung bestehender Verkehrswege ist wichtig, um teure Staus verhindern und die Notwendigkeit des Ausbaus neuer Verkehrswege vermeiden bzw. verringern zu können. Wirtschaftlichkeit beim Personen- und Gütertransport ist Voraussetzung für die Reduktion von Schadstoffemissionen und einen effizienteren Einsatz von Ressourcen.

Entwicklungen, die helfen, diese Ziele zu erreichen, finden sich sowohl in den Fahrzeugen selbst als auch in der Straßeninfrastruktur (z.B. intelligente Verkehrsleitsysteme). Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die zunehmende Fähigkeit der Fahrzeuge, mit ihrer Umgebung zu interagieren (C2X Communication). Diese Interaktion bezieht sich sowohl auf die bereits angesprochene Infrastruktur als auch auf andere Objekte der Umgebung (Fahrbahn, Fahrzeuge, andere Verkehrsteilnehmer,…). Ein Blick in die Zukunft zeigt klar, dass die weitere Entwicklung hin zum hochautomatisierten Fahren stattfinden wird. Voraussetzung dafür ist eine enge Kooperation von Fahrzeugen und ihrer Umgebung, was durch den Begriff ‚Connected Vehicles‘ ausgedrückt wird. In diesem Zusammenhang bestehen eine Reihe von Fragen und Herausforderungen, die zu beantworten bzw. zu bewältigen sind, um das Potenzial der ‚Connected Vehicles‘ hinsichtlich der weiter oben angeführten Ziele ausschöpfen zu können.

Im Rahmen des beantragten Projekts ‚Connected Vehicles‘ wird daher dieses Thema ganzheitlich aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet und interdisziplinär in 3 Themenbereichen bearbeitet:

• Effiziente Nutzung eines Straßennetzes

  Die zunehmende Anzahl an Fahrzeugen im Individualverkehr bewirkt aufgrund von Verkehrsüberlastung bzw. Unfällen ein vermehrtes Auftreten von Staus. Individuelles Fehlverhalten einzelner VerkehrsteilnehmerInnen führt ebenfalls zu Problemen im Verkehrsfluss. Damit einher geht eine erhöhte Belastung der Umwelt (CO2 Emissionen) sowie verschwendete Ressourcen (Energie, Zeit). Durch ‚Connected Vehicles‘ besteht die Möglichkeit, jederzeit ein aktuelles Verkehrslagebild zu ermitteln. Dieses bzw. daraus abgeleitete Verkehrssteuerungsinformationen (dynamisches Re-Routing) können ebenfalls in Echtzeit an alle ‚Connected Vehicles‘ verteilt werden. Durch die Kenntnis der optimalen Route trägt jedes einzelne Fahrzeug dazu bei, ein globales Optimum (Emissionen, Energie, Zeit) zu erreichen. Weitere Optimierungsansätze betreffen das Ausnutzen von bestimmten Freiheitsgraden, wie z.B. die Staffelung der Abfahrtzeiten im Rahmen eines individuell akzeptablen Zeitfensters bzw. einer Optimierung der Ampelsteuerung in Abhängigkeit der aktuellen Verkehrslage.

• Kommunikationsstrecke Car-2-Car

  Sowohl beim Entwurf als auch bei der Entwicklung von derartigen Kommunikationsmodulen ist es unerlässlich, das Verhalten der gesamten Übertragungsstrecke (Sender, Kanal, Empfänger) mit Hilfe von Simulationen zu untersuchen, um wichtige Parameter wie erzielbare Datenraten oder Latenzzeiten frühzeitig ermitteln und gegebenenfalls Verbesserungen vornehmen zu können. Aufgrund von nichtlinearen Verzerrungen kommt die üblicherweise (aufgrund vergleichsweise geringer Komplexität) verwendete Methode des äquivalenten komplexen Basisbandes an ihre Grenzen. Es sind also neue Methoden zu entwickeln, die eine Simulation der gesamten Übertragungsstrecke unter Berücksichtigung nichtlinearer Verzerrungen ermöglicht bei gleichzeitiger Beibehaltung einer handhabbaren Komplexität.

• Auswirkung von Security-Maßnahmen auf Safety-Anforderungen in Car-2-Car-Kommunikation

  Die Qualität der Datenverbindung zwischen Fahrzeugen ist vor allem durch die Parameter Datenrate und Latenzzeit charakterisiert. Die entsprechend den Anwendungen geforderten Werte dieser Parameter werden durch geeignete Algorithmen, Modulationsverfahren und hinsichtlich des Übertragungskanals einer geeigneten Kanalcodierung garantiert. Zusätzlich ist der Aspekt der sicheren Übertragung (im Sinne von Abwehr beabsichtigter Fehler in der Übertragung durch bösartige Akteure) für Car-2-Car Kommunikation essentiell. Durch die Implementierung einer kryptographischen Sicherungsschicht zwischen der Bitübertragung und der Ebene der Interpretation der übertragenen Daten durch entsprechende Safety-Anwendungen ergeben sich aber unter Umständen nicht intendierte Nebenwirkungen. Konkret könnte die Implementierung der kryptographischen Sicherungsschicht die Übertragung von Nachrichten in manchen Fällen so weit verzögern, dass dann notwendige Maximalzeiten überschritten werden und z.B. ein Bremsmanöver zu spät eingeleitet wird. Diese Zusammenhänge sind bisher nur kaum untersucht und noch nicht systematisch analysiert. Es muss also die Datensicherheit (Security) so gestaltet werden, dass sie nicht zu Lasten der Safety-Anforderungen geht.