Informationsverbreitung

Abbildung 2.18: Räumliche Einussbereiche von Kontextaspekten.

geringe Rechen und Speicherressourcen verfügt. Die Komplexität kann hierbei in Zeit, Speicher und Übertragungskomplexität eingeteilt werden.

Unsicherheit. Das Wissensmodell muss die Repräsentation und Verwaltung unsicheren Wissens, sowie die Integration entsprechender Schlieÿverfahren ermöglichen.

Kapitel 2 2.4 Anforderungen und Systemeigenschaften

aufgeteilt werden. Sie sollte daher in jeder Situation so gut wie möglich genutzt wer-den. Andererseits lässt sich jedoch die Zuverlässigkeit von Anwendungen wie der lo-kalen Gefahrenwarnung, deren Schlussfolgerungen und Vorhersagen im Allgemeinen auf unsicherem Wissen basieren, durch das Vorhandensein einer Vielzahl an Kontext-informationen merklich erhöhen. Die Informationsverbreitung muss zudem der hohen Netzwerkdynamik Rechnung tragen, welche durch die die hohe Mobilität der Fahrzeu-ge bedingt wird. Generell tauschen die FahrzeuFahrzeu-ge Wissen in Form von Nachrichten untereinander aus. Diese beinhalten dabei genau diejenigen Kontextinformationen, die potentiell auch für die anderen Fahrzeuge in der Region von Bedeutung sind. Prin-zipiell können hierfür verschiedene grundlegende Technologien eingesetzt werden, um Informationen zwischen Fahrzeugen auszutauschen. Im Speziellen sind dies

• Zelluläre Systeme wie beispielsweise GSM oder UMTS. Zentraler Vorteil zellulä-rer Systeme ist die ächendeckende Verfügbarkeit, sowie die einfache und schnel-le Verbreitung von Informationen in gröÿeren geograschen Gebieten. Nachteischnel-le sind die anfallenden operativen Kosten, sowie die relativ groÿen Latenzzeiten bei der Kommunikation zwischen Fahrzeugen mit geringem räumlichen Abstand.

• Spontane Netzwerke, bei denen sich die beteiligten Entitäten selbsttätig un-tereinander vernetzen und so direkt miteinander kommunizieren (Ad-hoc Net-ze). Hierbei fallen keine operativen Kosten an. Zudem sind die Latenzzeiten für den unmittelbaren Nachrichtenaustausch relativ kurz. Soll jedoch eine gröÿere Distanz überbrückt werden, so benötigt dies vergleichsweise viel Zeit oder ist unter Umständen gar nicht möglich, da die entsprechende Nachricht zwischen den beteiligten Entitäten jeweils schrittweise weitergeleitet werden muss (multi-hoping).

• Spontane Netzwerke unter Einbezug von Infrastrukturknoten, welche den zen-tralen Nachteil spontaner Netzwerke ausgleichen können. Infrastrukturknoten können dabei einen gegebenenfalls vorhandenen Mangel an weiterleitenden En-titäten ausgleichen und so die resultierende Latenzzeit bei Kommunikation über deutlich gröÿere Entfernung verringern. Auf der anderen Seite fallen oensicht-lich Kosten für die Bereitstellung dieser Infrastrukturknoten an.

Oensichtlich können für die Informationsverbreitung auch kombiniert alle verfügbaren Kommunikationstechnologien eingesetzt werden, um jeweils die individuellen Nachtei-le auszugNachtei-leichen. Für die in dieser Arbeit betrachteten kommunikationsbasierten ko-operativen Fahrerassistenzsysteme können zellulare Systeme jedoch nur sehr bedingt eingesetzt werden. Dies liegt zum einen an den inhärenten operativen Kosten, die die zugrunde liegenden Geschäftsmodelle verkomplizieren. Dies gilt vor allem für Anwen-dungen, die über die Zeit ein vergleichsweise hohes Datenaufkommen produzieren, wie beispielsweise die Kollisionsvermeidung, oder auch die fortlaufende Übermittlung der Schaltzustände eines Ampelsystems. Zudem müssen wie oben erwähnt fahrsicherheits-relevante Informationen mit äuÿert geringer Latenzzeit übertragen werden. Dies ist wiederum beispielsweise bei der Kollisionsvermeidung von groÿer Bedeutung. Auf der anderen Seite nehmen die Latenzzeitanforderungen mit zunehmendem Abstand zum Ort der Nachrichtenerzeugung überproportional ab (siehe die möglichen Zeithorizonte zur Erfüllung der Fahraufgabe in Abschnitt 2.1). Das heiÿt, dass die vergleichsweise

groÿen Latenzzeiten bei der schrittweisen Weiterleitung in Ad-hoc-Netzen vernachläs-sigbar sind. Aus diesen Gründen stehen spontane automobile Ad-hoc Netzwerke im Fokus dieser Arbeit. Im Folgenden sollen daher nun die wesentlichen Anforderungen an die Verbreitung von Kontextinformationen in automobilen Ad-hoc Netzwerken im Detail vorgestellt werden, die sich aus den in Abschnitt 2.2 vorgestellten Anwendungs-gebieten, insbesondere der lokalen Gefahrenwarnung, ergeben.

Skalierbarkeit

Eines der Kernprobleme der ad-hoc Vernetzung mobiler Knoten ist die Sicherstellung einer ausreichende Skalierbarkeit. Die Konnektivität der Fahrzeuge in automobilen Ad-hoc Netzen ist verkehrsbedingt groÿen Schwankungen unterlegen.

Dies hat entscheidenden Einuss auf die möglichen Ausbreitungsstrategien und damit auch auf die Skalierbarkeit des Netzwerkes. Grundlegend muss dabei zwischen den folgenden zwei Extremen unterschieden werden:

• Falls nur wenige Fahrzeuge in einer Region mit einem entsprechenden System ausgestattet sind, ist eine schnelle Weiterleitung von Nachrichten aufgrund der geringen Konnektivität nur bedingt möglich. Trotzdem soll weitgehend sicherge-stellt werden, dass eine kritische Information in der Region, in der diese Informa-tion wichtig ist, erhalten bleibt. Dies bedingt, dass Fahrzeuge die entsprechende Nachricht speichern und physisch weiter tragen, bis sie einen geeigneten Kom-munikationspartner nden, der die Nachricht aufnimmt und wiederum weiter trägt. Die Ausbreitungsstrategie muss diesem so genannten physical store and forward Rechnung tragen. Abbildung 2.19 zeigt schematisch nochmals dieses Funktionsprinzip [PRe06b] Fahrzeuga beobachtet an Position Aein Gefähr-dungspotential und kommuniziert dies an Fahrzeugb(1), welches sich gerade in Kommunikationsreichweite bendet. Fahrzeugbdetektiert in der Folge ebenfalls das Gefahrenpotential. Es ist jedoch kein weiteres Fahrzeug aktuell in Kommu-nikationsreichweite. Fahrzeugb speichert die Beobachtungen jedoch zwischen, trit im weiteren Fahrverlauf auf Fahrzeugcund kommuniziert diesem beide Beobachtungen (2). c speichert die Nachrichten wiederum selbst, obwohl die Fahrtroute voncselbst nicht an dem beschriebenen Gefahrenpotential vorbei führt.cleitet die Nachricht weiter an d(3), welches diese wiederum ane wei-terleitet (4). Obwohl wederc noch ddas Gefahrenpotenzial selbst erreichen, und obwohl die Fahrzeugdichte nicht ausreicht, um die Beobachtungen direkt in einem gröÿeren Gebiet zu verbreiten, erreicht die Nachricht jedoch recht-zeitig Fahrzeuge. Kosch konnte in diesem Zusammenhang [Kos05b] weiterhin zeigen, dass sich die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fahrzeug eine Nachricht eines anderen Fahrzeugs erhält einerseits von der Mindestkommunikationsdistanz der Fahrzeuge, also der Entfernung, über die eine Nachricht von einem oder meh-reren Fahrzeugen verbreitet werden muss, abhängt, und andererseits von der mittleren Fahrzeugdichte. Unter Berücksichtigung einer erforderlichen Mindest-wahrscheinlichkeit ergeben sich so wiederum Rückschlüsse auf die erforderliche Gröÿe des Verbreitungsgebietes.

• In Szenarien mit hoher Verkehrsdichte wird eine groÿe Anzahl an Fahrzeugen um den Kanalzugri konkurrieren. Gleichzeitig steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass viele Fahrzeuge in kurzer Folge Nachrichten generieren. Die Wahrscheinlich-keit ist dabei groÿ, dass aufgrund der wiederum groÿen Anzahl an Fahrzeugen,

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BMW Group Research and Technology 26.07.2006 Page 37

c a

1

2

3 4

A

B

c d d

e e b

e

b

Ad hoc Communication.

Multi-Hop and Physical Store and Forward.

Abbildung 2.19: Prinzip des Physical Store and Forward [PRe06b]

die diese Nachrichten weiterleiten sollen (multi-hop), die zur Verfügung stehende Kanalkapazität schnell erschöpft ist. Die Verbreitungsstrategie muss dem durch eine gezielte Koordination der Netzwerkknoten entgegenwirken.

Oensichtlich erfordert letzteres Szenario eine Vielzahl an ausgestatteten und am Sy-stem teilnehmenden Fahrzeugen. Es ist daher anzunehmen, dass während der Ein-führungsphase ausschlieÿlich Szenarien mit geringer Knotendichte auftreten werden, die eine physische Zwischenspeicherung der Nachrichten erforderlich machen. Im Um-kehrschluss kann jedoch nicht davon ausgegangen werden, dass die lokale Netzwerkdich-te bei ausreichender Zahl an ausgestatNetzwerkdich-teNetzwerkdich-ten Fahrzeugen gleichverNetzwerkdich-teilt hoch ist. Vielmehr ist sie zudem oensichtlich von der aktuellen lokalen Verkehrsdichte abhängig. Es muss also beispielsweise Nachts oder in ländlichen Gebieten mit geringer Verkehrsdichte da-von ausgegangen werden, dass trotz einer insgesamt über die Fahrzeugpopulation hohen Penetrationsrate des Systems lokal eine geringe Dichte an ausgestatteten Fahrzeugen vorherrschen kann. Im Speziellen muss festgehalten werden, dass sich die Netzwerk-dichte, in der sich ein Fahrzeug aktuell bendet, von einen Moment auf den anderen sprunghaft ändern kann, beispielsweise wenn eine belebte Hauptstraÿe verlassen wird.

Eine isolierte Fokusierung auf eines der beiden Kernszenarien ist daher nicht möglich.

Vielmehr muss vor diesem Hintergrund die Informationsverbreitungsstrategie jeder-zeit alle möglichen Netzwerkdichten, sowie deren sprunghafte Änderung gleichermaÿen

unterstützen. Wu und Riley [WFR04] konnten in diesem Zusammenhang in einem integrativen Ansatz, welcher sowohl die individuellen Fahrzeugbewegungen als auch den Weiterleitungsprozess von Nachrichten zwischen den Fahrzeugen in gleicher Wei-se berücksichtigt, analytisch zeigen, dass neben der Fahrzeugdichte auch die mittlere Fahrzeug- und Relativgeschwindigkeit zwischen den Fahrzeugen einen entscheidenden Einuss auf die Verbreitung von Informationen in automobilen Ad-hoc Netzen hat.

Verkompliziert wird dieses Phänomen dabei von den insgesamt langen Lebenszyklen von Fahrzeugen, die sich in der Regel bei zwanzig Jahren und mehr bewegen. Vergli-chen mit den in der Kommunikations- und Informationstechnik übliVergli-chen Lebenszyklen von lediglich wenigen Jahren ergibt sich damit eine Verkomplizierung der oben ge-schilderten Problemstellung, da einerseits mit zunehmender Anzahl an ausgestatteten Fahrzeugen die Netzlast, und andererseits mit im Laufe der Zeit die Zahl der verfügba-ren Anwendungen und damit letztlich auch die Diversikation der Anforderungen an das Kommunikationssystem steigen. Anders als im Bereich der Informationstechnik, in der typischerweise frühzeitig neue verbesserte Systeme zur Verfügung stehen, die oft nicht oder nur bedingt abwärtskompatibel sind, wäre es im Bereich der Fahrzeugtechnik mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, das initial verbreitete Kommunikationssystem auszutauschen. Es ist anzunehmen, dass sich die Gesamtarchitektur der Fahrzeug-IT-Systeme (und der Fahrzeuge insgesamt) in absehbarer Zeit nicht grundlegend wandeln werden und daher keine einfache Aktualisierung von verbauten Komponenten erlauben.

Ein Wechsel auf eine andere Kanalfrequenz würde beispielsweise in der Regel den Aus-tausch der fest im Fahrzeug verbauten Antennen erforderlich machen. Daher muss das initial ausgelieferte Kommunikationssystem hinreichend gut skalieren, wobei aus oben genannten Gründen die speziellen Rahmenbedingungen kooperativer Anwendungen im Fahrzeug ein erweitertes Verständnis des Begris Skalierbarkeit erfordern.

Im Rahmen der üblichen Kommunikationssysteme zwischen IT-Komponenten ver-steht man unter dem Begri der Skalierbarkeit üblicherweise, dass das System bei zunehmender Anzahl der Teilnehmer, der Zugrie, oder bei steigender räumlicher Aus-dehnung die zugesicherten Übertragungsraten zwischen den Netzteilnehmern erhalten bleiben [Neu94]. Nach Neuman [Neu94] umfasst Skalierbarkeit dabei drei Faktoren, nämlich

• die Anzahl der Nutzer und Objekte, die Teil des Systems sind,

• die maximale räumliche Distanz der am weitesten entfernten Teilnehmer, sowie

• die Anzahl an Organisationen, die organisatorisch am System teilnehmen bzw.

das System oder Teile davon verwalten.

Im Zusammenhang mit automobilen ad-hoc Netzwerken kommt insbesondere den bei-den erstgenannten Faktoren eine besondere Bedeutung zu. Im Hinblick auf die groÿe räumliche Ausdehnung dieser Netze beschränkt sich die Skalierbarkeit hierbei nicht auf die reine Zunahme an Nutzern und Objekten. Vielmehr muss auch aufgrund der mögli-cherweise sehr geringen Zahl an Nutzern eine ausreichende Zuverlässigkeit des Systems bei geringer Konnektivität gewährleistet werden (eine ausführliche Beschreibung hierzu ndet sich in Kapitel 6, sowie in [KSE⁺06])

Kapitel 2 2.4 Anforderungen und Systemeigenschaften

Priorisierung

Da der Funkkanal in gleicher Weise von einer Vielzahl an unterschied-lichen Applikationen genutzt werden soll, muss sichergestellt werden, dass zeitkritische Nachrichten bevorzugt Zugri auf den Funkkanal bekommen. Dies ist nötig, um die ent-sprechenden Latenzzeiten so gering wie möglich zu halten. Überdies hinaus ist auch zwi-schen sicherheitskritizwi-schen Nachrichten eine feingranulare Priorisierungsstrategie nötig.

Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass die konkrete Dringlichkeit selbst ein und der-selben Information abhängig vom aktuellen Kontext der Fahrzeuge ist. Daher muss die Priorisierungsstrategie nicht nur verschiedene Anwendungsklassen, sondern auch den Kontext der Fahrzeuge mit berücksichtigen.

Situationsadaptivität

Die Situation, in der sich die Fahrzeuge benden, ist stän-digen Änderungen unterworfen. Dies gilt in gleicher Weise für die Existenz von sicher-heitsrelevanten Wetterbedingungen, Verkehrssituationen oder Fahrbahnbeschaenhei-ten. Die Ausbreitungsstrategie muss sich deshalb schnell an die sich fortlaufend än-dernden Rahmenbedingungen adaptieren können. Dies beinhaltet im Besonderen auch die Möglichkeit, das Verbreitungsgebiet und die Lebenszeit von Nachrichten permanent an den aktuellen Kontext anzupassen und veraltete Nachrichten durch entsprechend aktuellere zu ersetzen.

Bandbreitennutzung

Die verfügbare Kanalkapazität ist begrenzt und muss fair unter einer Reihe von Applikationen aufgeteilt werden. Sie sollte daher in jeder Situa-tion so gut wie möglich genutzt werden. Andererseits lässt sich jedoch die Zuverlässig-keit von Applikationen wie der lokalen Gefahrenwarnung, deren Schlussfolgerungen und Vorhersagen im Allgemeinen auf unsicherem Wissen basieren, durch das Vorhanden-sein einer Vielzahl an Kontextinformationen merklich erhöhen. Dies bedeutet, dass die u.U. noch verfügbare Bandbreite systematisch bis zu einem gewissen Grad ausgenutzt werden können sollte. Sobald die Kapazitätsgrenze des Kanals erreicht ist, muss jedoch weiterhin sichergestellt werden, dass Nachrichten, die nur einen relativ geringen erwar-teten Nutzen für andere Fahrzeuge haben, die Übertragungschancen und Latenzzeiten anderer (momentan wichtigerer) Nachrichten nicht merklich negativ beeinussen.

Netzwerkdynamik

Das Netzwerk muss der hohen Mobilität der Fahrzeuge Rech-nung tragen. Das Übertragungsfenster von zwei sich entgegenkommenden Fahrzeugen bewegt sich gerade auf Autobahnen oftmals nur im Bereich von wenigen Sekunden. Es ist daher wahrscheinlich, dass nicht alle Nachrichten in dieser Zeit korrekt übertragen werden können. Aus diesem Grund sollte das Kommunikationssystem die Möglichkeit bieten, eine sinnvolle Reihenfolge der Nachrichten festzulegen, die übertragen werden sollen (siehe hierzu die ausführlichen Erläuterungen in Kapitel 6).

Einen besonderen Einuss auf das Gesamtsystem hat auch der Zeitpunkt der Nach-richtenerzeugung und des Versandes. Oensichtlich erzeugen Fahrzeuge neue Warn-nachrichten, sobald sie einen kritischen und für andere Verkehrsteilnehmer gefährlichen Fahrzustand erkannt haben. Um eine schnelle Adaption an die sich permanent ändern-den Umstände zu gewährleisten, müssen im Umkehrschluss jedoch auch Nachrichten erzeugt werden, die belegen, dass eine zuvor von anderen Fahrzeugen gemeldete Si-tuation in dieser Form nicht mehr festgestellt werden konnte (Revocation-Message).

Schwierig wird es immer genau dann, wenn die zuvor gemeldete kritische Situation zwar nicht in der gleichen Art und Weise beobachtet werden konnte, die zur Erkennung

notwendigen Rahmenfaktoren jedoch unterschiedlich waren. In diesen Fällen kann eine Hypothese weder eindeutig bekräftigt, noch widerlegt werden. Um jedoch trotzdem alle nachfolgenden Fahrzeuge bestmöglich bei ihrer Vorhersage zu unterstützen, wäre viel-mehr eine dierenzierte Aussage sinnvoll, welche die beobachtete Situation im Detail beschreibt und zudem die Rahmenbedingungen aufzeigt, die zu diesen Beobachtungen führten.

Als Veranschaulichung dieses Phänomens soll wiederum das Beispiel einer möglichen Aquaplaninggefahr dienen. Ob das Phänomen Aquaplaning bei einem Fahrzeug auftritt oder nicht, hängt nicht nur von der momentanen Fahrbahnbeschaenheit und der sich darauf bendenden Wassermenge und dessen Tiefe ab, sondern auch vom Geschwin-digkeitsverlauf, dem Gewicht, dem Reifentyp und -Zustand und der auf den Zentimeter exakten Position. Die Detektionsmöglichkeit ist also abhängig von der aktuellen Fahr-zeugkonguration und dem Fahrzustand. Die Tatsache, dass ein Fahrzeug an einer bestimmten Stelle, anders als zuvor gemeldet, kein Aquaplaning beobachten kann, ist also noch kein hinreichendes Indiz dafür, dass diese Stelle kein Gefährdungspotenzial für andere Verkehrsteilnehmer (mehr) besitzt. Prinzipiell lässt sich jedoch festhalten, dass ein Fahrzeug immer genau dann eine Nachricht erzeugen und versenden sollte, wenn die darin enthaltenen Informationen einen signikanten Informationsgewinn bei den anderen mit dem System ausgestatteten Fahrzeugen darstellen (siehe hierzu die Erläuterungen zur Objektivität der Situationserkennung in Abschnitt 2.3.2). Unter der Annahme, dass alle Fahrzeuge in einer bestimmten Region ähnlichen Kontext beob-achten und austauschen, und sich aus diesem Grund die individuellen Erwartungs-haltungen hinsichtlich eines bestimmten Ereignisses nicht grundlegend unterscheiden, entspricht der Informationsgewinn, den die Kommunikationspartner aus einer Beobach-tung wahrscheinlich ziehen können, im Wesentlichen dem eigenen Erkenntnisgewinn.

Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass eine neue Nachricht immer genau dann erzeugt und verteilt werden sollte, wenn sich die eigene Erwartung signikant von der tatsäch-lichen Beobachtung unterscheidet. Bei Gefahrenquellen, die abhängig von der eigenen Fahrzeugkonguration sind, sollten zudem entscheidende Parameter mit übertragen werden. Entspricht die Beobachtung im Wesentlichen dem Erwartungswert, minimiert sich damit der eigentliche Nutzen der Nachricht.

Zusammenfassend ergeben sich also die folgenden wesentlichen Anforderungen an die Verbreitung von Kontextinformationen in automobilen Ad-hoc Netzen.

• Eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Kanalkapazität.

• Eine Kanalnutzung nach solidarisch fairen Kriterien.

• Eine feingranulare Priorisierungsmöglichkeit einzelner Nachrichten.

Abbildung 2.20 fasst zudem in Bezug auf die in Abschnitt 2.3 eingeführte Klassikation von Fahrerassistenzsystemen im Hinblick auf den Einuss eines kooperativen Assistenz-systems auf das Fahrgeschehen typische charakteristische Eigenschaften zusammen.

Im Dokument Kontextbereitstellung in Automobilen Ad-hoc Netzen (Seite 70-76)