Softwaredefinierter Ansatz zur schnellen Integration von V2X-Anwendungsfällen

Überblick

Zwar dominiert das Thema dedizierte Nahbereichskommunikation (Dedicated Short Range Communication, DSRC) derzeit den Automobilmarkt, jedoch sind viele Experten der Ansicht, dass vollständig autonome Fahrzeuge nicht ohne breit zugängliche 5G-Mobilfunkkonnektivität möglich sind. Da die Verbreitung der V2X-Kommunikationstechnologie kaum vorhergesagt werden kann, ist es entscheidend, sich über technologische Anforderungen zu informieren und die nötige Flexibilität zu gewährleisten, um sich neuen Trends anpassen zu können. Zur Sicherung ihrer Wettbewerbsfähigkeit müssen Automobilhersteller und Zulieferer ihre Technologie-Roadmap schnellstmöglich angleichen, um technische Relevanz und Produktintegration zu definieren. Obwohl es kaum ohne Simulationen geht, ist vor allem die Prototyperstellung bedeutsam, um die Einsatzfähigkeit neuer Technologien zu testen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Aktuelle beschränkte Technologie für V2X
  2. So wirken sich Testbeds auf Standards aus
  3. Hier kommt NI ins Spiel
  4. Tools und Lösungen für V2X
  5. Fazit
  6. Weitere Ressourcen

Aktuelle beschränkte Technologie für V2X

Je weiter die Grenze zwischen Fahrzeug- und Konsumelektronik verwischt, desto mehr wird von Automobilherstellern erwartet, dass sie Systeme mit umfassenden Kommunikationstechnologien anbieten, darunter z. B. 5G-Konnektivität. Obwohl viele globale Hersteller und staatliche Aufsichtsbehörden DSRC unterstützen – insbesondere in den USA, in Japan und vielen europäischen Ländern –, entwickelt sich die DSRC-Einführung aufgrund von Bandbreitenbeschränkungen, fehlender Interoperabilität und unzureichender Cybersicherheit nur langsam. Es gibt einige kommerzielle Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Implementierungen, wie z. B. zwischen 2017er Cadillac CTS Sedan und 2015er Toyota Prius, jedoch lässt sich bisher kaum sagen, welche Technologie sich künftig durchsetzen wird.

Abbildung 1: Schnelle Entwicklung künftiger Technologie

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So wirken sich Testbeds auf Standards aus

Genau wie bei älteren Standards wie GSM (Global System für Mobile Communications) findet ein wahres Rennen um die Konvergenz statt. Eine globale Standardisierung birgt ein enormes Potenzial zur Transformation der gesamten Gesellschaft. Abbildung 2 zeigt, wie GSM begann: Mitwirkende haben Ideen gesammelt und diskutiert, um so den Standard zu definieren. Nachdem dieser gefunden war, fand er schnell Verbreitung und wurde letztlich in Milliarden von Geräten implementiert. Heute befinden wir uns mit V2X – und insbesondere C-V2X (Cellular V2X) – an einem entscheidenden Punkt. Ideen werden in kurzer Zeit zusammengeführt und in einem Standard vereint. In dieser Phase haben Sie den größten Einfluss auf den Standard. Diese Möglichkeit sollten Sie nutzen, um ihre Konkurrenzfähigkeit zu steigern. Sie benötigen jedoch einen konkreten Vorteil: Wie finden und prüfen Sie die Durchführbarkeit Ihrer Ideen und Anwendungsfälle?

Abbildung 2: Der entscheidende Moment rückt näher. [1]

Die Antwort ist einfach: Prototypen. Mit zunehmender Systemkomplexität lassen sich Anwendungsfälle immer seltener nur per Simulation überprüfen. Sie benötigen ein Testbed (oder einen Prototyp). Testbeds werden im Wireless-Bereich häufig eingesetzt. Ein Workshop der National Science Foundation (NSF) kam zu folgendem Schluss: „Die Erfahrung zeigt, dass die echte Welt oftmals Annahmen aus der theoretischen Forschung widerlegt. Deshalb sind Testbeds ein wichtiges Tool, um Systeme unter realistischen Betriebsbedingungen zu testen. Die Entwicklung eines Testbeds, das radikale Ideen in einem umfassenden und funktionierenden System testen kann, ist essenziell.“ [2]

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Hier kommt NI ins Spiel

Da es dem aktuellen Markt an schlüsselfertigen C-V2X-Lösungen mangelt, nutzen erfolgreiche Forscher im Wireless-Bereich, die softwaredefinierte, plattformbasierte Lösungen für ihre Testbeds einsetzen, folgende Komponenten:

  • Plattformbasierter Ansatz: Eine äußerst effektive Möglichkeit, diese Technologien zu erforschen und schnell entsprechende Prototypen zu erstellen, ist der Einsatz von einheitlicher Designsoftware – von der Simulation bis hin zur Implementierung – und Standardhardware. Mit Software als Kern-Plattformelement können Sie genau die Systeme aufbauen, die Sie für Ihre Anwendung benötigen. Mit der Erweiterbarkeit der Plattform können Sie bestehende Geräte weiterverwenden, um Ihre Ideen umzusetzen und Prototypen für Ihre Investitionen zu herstellen. Erfahren Sie, wie Nokia erfolgreich einen Prototyp für ein 5G-Millimeterwellensystem entwickelte.

Abbildung 3: Mit einer einheitlichen Plattform lassen sich Testbeds schnell entwickeln.

Abbildung 4: Ein weitreichendes NI-Ökosystem beschleunigt die Entwicklung von Testbeds.

  • Reale Erfolge: Wir bei NI arbeiten mit Forschern auf der ganzen Welt zusammen, um die Wireless-Forschung voranzutreiben, und nutzen vorhandene Anwendungsfälle als Inspirationsquelle. Dabei ist vor allem interessant, wie die Forscher ihre Ideen in funktionierende Prototypen umsetzen, da wir so besser verstehen, wo wir beginnen sollten und welche Ressourcen wir dafür benötigen. Informieren Sie sich in diesem Handbuch zur Wireless-Forschung [3] über bewährte Methoden für das Prototyping.
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Tools und Lösungen für V2X

Laut diesem 3GPP-NR-V2X-Projekt [4] gibt es vier primäre Anwendungsfälle: Platooning, erweiterte Sensoren, fortschrittliche Fahrsysteme und Remote-Fahrzeugführung. Diese Bereiche erfordern eine neue NR-Sidelink-Kommunikationsstrategie, die geringe Latenzen und eine hohe Zuverlässigkeit bietet, um die strengen Anforderungen zu erfüllen. Hierbei würden mehrere Technologien für Drahtloszugriff, darunter LTE-V2X, NR V2X und DSRC, nebeneinander existieren und es kämen Frequenzen über 6 GHz infrage. Über Szenario-Experimente für Fahrzeugkommunikation ließe sich bestimmen, ob es möglich ist, die neuesten Wireless-Standards zu implementieren. Die folgenden plattformbasierten Tools und Lösungen für V2X bieten ein weitreichendes Ökosystem:

Abbildung 5: Dieses S.E.A.-V2X-Testbed basiert auf einer NI-SDR-Plattform (Abb. mit freundlicher Genehmigung von S.E.A.).

  • Sie können ein NI-Millimeterwellen-Transceiversystem – eine modulare Hardwarekombination – für Anwendungen von Channel Sounding bis hin zur Prototyperstellung für echtzeitfähige Zweiwege-Kommunikationssysteme einsetzen. Ein solches System, das auf einer PXI-Plattform aufbaut, bietet eine flexible Zusammenstellung von Modulen, die Sie je nach Forschungsanforderungen kombinieren und konfigurieren können. Sie können die modularen Millimeterwellen-Empfangseinheiten auch durch andere RF-Front-Ends ersetzen, um verschiedene Frequenzen mit derselben Basishardware und -software zu untersuchen. So sparen Sie Zeit bei der technischen Auslegung und können Ihr System optimal wiederverwenden. Eine solche Hardware bietet in Kombination mit der Leistungsfähigkeit von LabVIEW eine herausragende Prototyping-Plattform für Millimeterwellen-Kommunikation und unterstützt Ingenieure bei der Entwicklung innovativer Lösungen.


Abbildung 6: Eine Empfangseinheit von 24,25 bis 33,4 GHz und 37 bis 43,5 GHz (links) und eine Millimeterwellen-Empfangseinheit von 71 bis 76 GHz (rechts)

  • Mit NI-SDRs können Sie schnell Prototypen drahtloser Kommunikationssysteme erstellen, um zügig Ergebnisse zu erzielen. Flexible, aber kostengünstige SDRs machen aus einfachen PCs leistungsfähige Prototyping-Werkzeuge für Drahtlossysteme. In Kombination mit LabVIEW bietet Ihnen die NI-SDR-Lösung eine bislang unerreichte Integration von Hard- und Software, die mit sofort einsatzbereiten, standardbasierten Anwendungsframeworks das Entwickeln innovativer und komponentenspezifischer Lösungen erleichtert.
Abbildung 7: NI-SDR-Plattformen sind hochgradig mobil und leistungsfähig.
  • Beim V2X-Emulator von Tata Elxsi handelt es sich um eine umfangreiche DSRC-basierte V2X-Prüflösung, die HF- und CAN-Echtzeitsignale (Controller Area Network) erzeugen und realitätsgetreue Szenarien emulieren kann. Der V2X-Emulator ermöglicht die Bewältigung von Herausforderungen, die während realer Feldtests auftreten können. Solche emulatorbasierten Tests, die vor den tatsächlichen Feldtests ausgeführt werden, können die Testkosten, -zeit und -qualität spürbar optimieren.

Abbildung 8: V2X-Emulator von Tata Elxsi, der auf einer NI-Platform basiert (Abb. mit freundlicher Genehmigung von Tata Elxsi)

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Fazit

Obwohl derzeit niemand vorhersagen kann, welche V2X-Kommunikationstechnologie sich letztlich durchsetzen wird, ist es unerlässlich, sich über die technologischen Anforderungen zu informieren und die nötige Flexibilität zu gewährleisten, um sich an neue Trends anpassen zu können. Angesichts der Ungewissheit darüber, welche Technologie schlussendlich das Rennen machen wird, ist es entscheidend, interne Fähigkeiten aufzubauen, um in kurzer Zeit Technologie-Roadmaps zu entwickeln und technische Relevanz sowie Produktintegration zu definieren. Obwohl Simulationen wichtig sind, stellen Prototypen neuer Ideen einen wichtigen Schritt dar, um den Einsatz neuer Technologien zu testen. Doch wie entwickeln Sie einen Prototyp, wenn keine V2X-Lösung auf dem Markt verfügbar ist? Forscher setzen hier auf einen plattformbasierten Ansatz, auf ein weitreichendes Ökosystem und auf vorhandene Best Practices im Wireless-Bereich. So können sie V2X-Testbeds aufbauen und Anwendungsfälle schnell durch einen softwaredefinierten Ansatz validieren, um sich schließlich auf dem Markt durchzusetzen.

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Weitere Ressourcen

Quellen

[1] „Who created GSM?“, Geschichte von GSM, Stand: 18. Februar 2019, http://www.gsmhistory.com/who_created-gsm/

[2] Bericht: „NSF Workshop on Future Wireless Communication Research“, NSF-Workshop zur künftigen Entwicklung von Drahtlos-Kommunikationsnetzwerken, Stand: 18. Februar 2019, https://cpb-us-e1.wpmucdn.com/blogs.rice.edu/dist/2/3274/files/2014/08/nsf-wireless-workshop.pdf

[3] „NI Wireless Research Handbook: 3rd Edition“, http://www.ni.com/en-us/innovations/wireless/5g.html

[4] „3GPP TSG RAN Meeting #80“, Stand: 18. Februar 2019, http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_80/Docs/RP-181480.zip

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