Der MQTT-Einsatzes für Vehicle-2-X Anwendungen. Eine qualitative Bewertung

Inhaltsverzeichnis

ABSTRACT

1. Einführung
1.1 Motivation und Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit

2. Grundlagen zum Verständnis der Arbeit
2.1 Vehicle - 2 - X Communication
2.1.1 Car2Car - Communication Consortium (C2C-CC)
2.1.2 Intelligent Transportation Systems-Stand der Technik
2.2 MQTT - Grundlagen
2.2.1 QoS
2.2.2 Topic Wildcards
2.2.3 MQTT-Version 5
2.2.4 MQTT - Echtzeit - Erweiterungen

3. Qualitative Evaluierung des Einsatzes von MQTT in V-2-X
3.1 Annahmen und Voraussetzungen
3.2 Vehicle - 2 - X Use Cases
3.3 Zusammenfassende Bewertung und Empfehlungen für den zukünftigen Einsatz von MQTT im V-2-X Bereich

4. Fazit und Ausblick

5. Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Car-2-X-Modell

Abbildung 2: Kriterien, die ein vernetztes Auto erfüllen soll[9]

Abbildung 3: Mitglieder des C2C-CC[10]

Abbildung 4: Netzwerktopologie für die Car-2Car/Car-2-X Infrastruktur[12]

Abbildung 5: Übersicht der Eigenschaften von CAM und DENM

Abbildung 6: Publish/Subscribe Architektur von MQTT[18]

Abbildung 7: QoS 0 - Signalflüsse[21]

Abbildung 8: QoS 1 - Signalflüsse[21]

Abbildung 9: QoS 2 - Signalflüsse[21]

Abbildung 10: Kennzeichnungsfarben

Abbildung 11: allgemeiner Topic-Tree

Abbildung 12: Traffic signal violation warning

Abbildung 13: Stop sign movement assistance

Abbildung 14: Intersection collision warning

Abbildung 15: Blind merge warning

Abbildung 16: Pedestrian cross information at designated intersections

Abbildung 17: Emergency electronic brake lights

Abbildung 18: Highway merge assistant

Abbildung 19: Approaching emergency vehicle warning

Abbildung 20: Post crash warning

Abbildung 21: In vehicle signage

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: “Vehicular safety applications: communication requirements and traffic

information.”[27]

Tabelle 2: Traffic signal violation warning

Tabelle 3: Left turn assistant

Tabelle 4: Stop sign movement assistance

Tabelle 5: Intersection collision warning

Tabelle 6: Blind merge warning

Tabelle 7: Pedestrian cross information at designated intersections

Tabelle 8: Cooperative collision warning

Tabelle 9: Post crash warning

Tabelle 10: In vehicle signage

Tabelle 11: Ortsbezogene Funktionen

Tabelle 12: Live Ortung

Tabelle 13: See - trough

Tabelle 14: Übersicht aller use cases

ABSTRACT

Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Untersuchung der Durchführbarkeit des MQTT - Protokolls in der V-2-X-Communication. Betrachtet werden hierbei verschiedene use cases. Die Abkürzung MQTT steht für Message Queue Telemetry Transport und ist ein Nachrichtenprotokoll für die Machine to Machine Kommunikation. Diese ist in letzter Zeit im Bereich Internet of Things (loT) aufgrund vieler Vorteile, wie die hohe Skalierbarkeit, die hohe Bandbreite, als auch viele weitere immer populärer geworden und daher bereits vielfach im Einsatz. Vehicle-to-x oder auch Car-to-x communication (Fahrzeug zu allem) ist derzeit ein ebenso aktuelles Thema, welches sich in der Entwicklung befindet. Bezüglich V-2-V, oder auch V-2-X bestehen viele Anforderungen, wie beispielsweise die Schnelligkeit der Nachrichtenübertragung oder die Reichweite des Signals. Diese werden derzeit mittels WLAN oder Funktechnik übermittelt. Aufgrund der einfachen Implementierung von MQTT wird überprüft, in welchen Anwendungsfällen (use cases) und unter welchen Bedingungen das MQTT Protokoll integriert werden kann und in welchen Fällen es keinen Sinn macht. Abschließend wird eine zusammenfassende Bewertung abgebeben. Hierbei werden auch konkrete Schwachstellen des Protokolls für den Einsatz im Verkehr, sowie Verbesserungsvorschlägefür zukünftige Projekte und Entwicklungen im Bereich des Car-2-X genannt.

1. Einführung

ln diesem Kapitel werden die Aufgabenstellung und die Zielvorgabe für diese Bachelorarbeit beschrieben, und anschließend die Grundlagen für die Arbeit näher erläutert werden.

1.1 Motivation und Problemstellung

„Das autonome Auto als individuelles Massenverkehrsmittel wird sich in Europa nicht vor 2050 durchsetzen. In China wird dies bereits nach 2030 der Fall sein“.[1]

dies ist die Meinung des Professors Ferdinand Dudenhöffer, Experte in der Automobilwirtschaft. Anhand solcher Aussagen wird deutlich, wie unterschiedlich die Prognosen verschiedener Hersteller, Wissenschaftler und ITler bezüglich des technischen Fortschrittes sind. Was die Zukunft bezüglich autonom fahrender Autos angeht, gehen die Meinungen ziemlich weit auseinander. Während die einen sehr skeptisch gegenüber dem Zukunftshype sind, sind einige sehr hoffnungsvoll und offen für die neue Art von Fahren. Bis dahin ist es zwar noch ein weiter Weg, denn hier spielt nicht nur die Technik im Fahrzeug eine große Rolle, auch die umgebende Infrastruktur muss dementsprechend umgerüstet werden. Ebenso ist der gesetzliche Rahmen hierzu noch nicht vollständig gegeben. Trotzdem ist nicht zu verleugnen, dass der Trend Richtung autonom fahrende Fahrzeuge geht, wozu hier Car-2-X bzw. Vehicle-2-X die ersten Schritte in diese Richtung einschlagen.

Viele Automobilhersteller sind der Meinung, ohne die ab 2020 verfügbare und derzeit eingeführte 5G Mobilfunktechnik sei die Weiterentwicklung und Integrierung von autonom fahrenden Fahrzeugen nicht möglich. Im Gegensatz hierzu macht der Großkonzern VW schon jetzt ohne das 5G Netz mit Car-2-x und Wlanp den ersten Schritt und testet die Technologie auf verschiedenen Teststrecken in Deutschland und versucht hier einen Standard für zukünftige Entwicklungen zu setzen.[2]

Die unterschiedlichen Herangehensweisen der Automobilersteller stellen für die Entwicklung des autonomen Fahrens aktuell noch ein großes Hindernis dar. Es gibt noch keinen Standard und keine Einigung darüber, welche Technik nun für die Kommunikation verwendet wird. Dieser Standard muss europaweit, wenn nicht sogar weltweit gewährleistet sein um eine reibungslose Kommunikation zu garantieren.

Für die Kommunikation zwischen Maschinen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, dessen Vor- und Nachteile je nach Bedarfsfall einzeln bewertet werden müssten. Internet of Things (kurz loT) beschäftigt sich genau mit dieser Thematik. Eine anschaulichere Definition für IOT wäre folgende:

“Der Begriff “Internet of Things" (übersetzt: “Internet der Dinge") bezeichnet die zunehmende Vernetzung zwischen “intelligenten" Gegenständen sowohl untereinander als auch nach außen hin mit dem Internet. Verschiedene Objekte, Alltagsgegenstände oder Maschinen werden dabei mit Prozessoren und eingebetteten Sensoren ausgestattet, sodass sie in der Lage sind, via IP- Netz miteinander zu kommunizieren. "[3]

MQTT basiert auf der Transportschicht TCP und ist ein ereignis- und nachrichtenorientiertes Anwendungsprotokoll. Es eignet sich für eingebettete Systeme, fungiert aber auch zwischen mehreren Netzwerken. Beim Facebook Messenger zum Beispiel, oder auch bei Diensten von Amazon Web Services IOT, werden hier mithilfe von MQTT Push Nachrichten verschickt.[4][5]

Ursprünglich wurde das leichtgewichtige Protokoll entwickelt, um Ölpipelines mit einer Satelliten-Verbindung zu vernetzen. Seither wird MQTT nicht nur in eingebetteten Systemen, sondern auch in offenen IoT-Anwendungen verwendet.[6]

1.2 Zielsetzung

In dieser Arbeit wird versucht das MQTT-Protokoll ohne Implementierung und Test, sondern als rein theoretisches Vorgehen, in das Fahrzeug zu integrieren und zu schauen ob es sich für die Kommunikation von Vehicle-2-X Anwendungen eignet. Wenn möglich sollen weitere Anforderungen, sowie genauere Konfigurationsoptionen definiert werden. Zum Schluss werden Empfehlungen gegeben, die ausschlaggebend sind um das Protokoll für möglichst alle Vehicle-2-X Anwendungen brauchbar zu machen. Auf den Erkenntnissen dieser Arbeit basierend, könnte man in einem weiteren Schritt untersuchen, wie man das Protokoll um die genannten Anforderungen erweitern kann um es sozusagen „fahrzeugtauglich“ zu gestalten.

1.3 Aufbauder Arbeit

Im ersten Teil werden die theoretischen Grundlagen des Vehicle-2-X, als auch des MQTT - Protokolls vorgestellt. Hier werden Begrifflichkeiten wie Vehicle-2-X erklärt, sowie die Funktionsweise des MQTT-Protokolls näher erläutert.

Im zweiten Teil wird geprüft, ob das MQTT-Protokoll unter bestimmten Annahmen und Rahmenbedingungen für verschiedene Anwendungsfälle nutzbar ist. Hier werden einige der use cases visuell dargestellt, um die Signalflüsse erkennbar zu machen und Publisher, Broker und Subscriber unterscheiden zu können. Anschließend wird eine zusammenfassende Bewertung durchgeführt, die darstellen soll, ob das Protokoll für V-2-X geeignet ist oder nicht.

Im letzten Teil der Arbeit wird ein Fazit zu der Gesamtthematik, sowie ein Ausblick für eine mögliche Weiterentwicklung dieser Technologie gegeben.

2. Grundlagen zum Verständnis der Arbeit

ln diesem Kapitel werden Definitionen von Begriffen, wie beispielsweise MQTT und Vehicle- 2-X-Communication gegeben. Dabei wird die Entstehung, sowie die Inhalte des Vehicle-2-X näher beschrieben. Zudem wird das Funktionsprinzip und einzelne Komponenten des Internetprotokolls MQTT erklärt.

2.1 Vehicle - 2-X Communication

Was verbirgt sich eigentlich hinter der Bezeichnung Vehicle-2-X, oder auch Car-2-X Communication? Bis vor einigen Jahren waren als bisher bekannte Kommunikation im Kraftfahrzeugbereich lediglich die über Datenbusse kommunizierenden Komponenten im Fahrzeug gemeint. Die gängigsten Systeme hierbei sind z.B. CAN und FlexRay. Hier werden jeweils die Informationen kabelgebunden an die Steuergeräte übermittelt. [7] Mit steigender Anzahl an Verkehrsteilnehmern wie Automobilen, LKWs, Bussen etc. im Straßenverkehr steigen ebenso die Anforderungen an die zukünftigen PKWs. Denn trotz strenger Auflagen und Verkehrsgesetze starben allein in Deutschland laut der World Health Organization im Jahre 2016, 3206 Menschen im Straßenverkehr. [8] Demnach steigen die Anforderungen an die Fahrzeuge immer mehr und die Vehicle2-X Communication kann hier als eine der Lösungsmöglichkeiten dienen. Innerhalb der vernetzten Mobilität stellt der Begriff V-2-X bzw. Car-2-X das Hyperonym verschiedener Kommunikationswege dar. Diese werden in folgender Abbildung näher beschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Car-2-X-Modell

Von besonderer Bedeutung bei der Fahrzeugkommunikation ist die Sicherheit. Außerdem soll der Verkehrsfluss und die -Effizienz, sowie der Komfort aller Reisenden gewährleistet werden.

Aus folgender Statistik geht hervor, dass der Schutz der eigenen Sicherheit für die Menschen die größte Wichtigkeit bei der Nutzung vernetzter Autos darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kriterien, die ein vernetztes Auto erfüllen soll[9]

2.1.1 Car2Car- Communication Consortium (C2C-CC)

Ein Zusammenschluss europäischer Fahrzeughersteller, Zulieferer und Forschungsinstitute hat die Intention, die Interoperabilität zwischen den Produkten verschiedener Akteure zu gewährleisten, indem sie die Verbindung unter Fahrzeugen mit der Umgebung normen. Sie unterstützen aus diesem Grund die von der europäischen Kommission geförderte Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS) Plattform, die auf den gemeingültigen Einsatz von C-ITS in der EU hinarbeitet. Seit der Gründung durch Automobilhersteller im Jahr 2002 hat das Konsortium unter anderem das 5,9 GHz-Frequenzband für die sicherheitsrelevante V2V-Konnektivität in Europa mit eingebunden. Zudem wurden Kooperationen mit Unternehmen aus der Bau- und Infrastruktur Branche, als auch mit Straßenverkehrsbehörden verschiedener Städte und Regionen eingegangen. 2013 wurde die Public Key Infrastructure (PKI) eingeführt, die bei der Verwendung von Car2Car einen elementaren Beitrag zum Schutz der Privatsphäre leistet und die Integrität kooperativer Systeme sicherstellt.[10]

Im Folgenden sind die Mitglieder des Car2Car Konsortiums aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.2 Intelligent Transportation Systems - Stand der Technik

Eine weltweite Standardisierung bezüglich der aktuellen Kommunikationstechniken gibt es bisher nicht. Es wird weiterhin viel geforscht und getestet, um mögliche Standardisierungen voranzutreiben und eine Markteinführung zu gewährleisten. Um die jeweiligen 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.[11]Für die Kommunikation zwischen mehreren Fahrzeugen gibt es das Vehicular ad-hoc Network (VANET). Dieses ermöglicht sowohl die C2C, als auch die C2X-Kommunikation. In nachfolgender Abbildung ist ein mögliches Szenario mit VANET aufgebaut.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie man in obiger Abbildung sehen kann, kommen zwischen Car-2-Car hauptsächlich die WAVE-Message Typen CAM und DENM zum Einsatz, welche nachfolgend noch näher erläutert werden.

WAVE welches für „Wireless Access for Vehicular Environment“ steht, oder auch zeitweise 802.11p Standard genannt wird, ist aus der Arbeitsgruppe 802.11p entstanden und dient als eine verlässliche Schnittstelle für intelligente Transportsysteme.[13]Im Folgenden werden die Eigenschaften von WAVE, sowie die dazugehörigen CAM und DENM Messages kurz erläutert[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Übersicht der Eigenschaften von CAM und DENM

Ferner den WAVE Message Typen gibt es auch viele weitere Kommunikationstechnologien, die noch nicht aktiv in Gebrauch sind, wie WiMAX, 5G/ Millimeter WAVE, VLC, Zigbee, Bluetooth usw. Dieses Kapitel soll aber nur dem Grundverständnis für aktuell eingesetzte Kommunikationstechnologien dienen.[15]Aufgrund der geringen Bedeutung für diese Arbeit wird auf diese Technologien daher nicht weiter eingegangen.

2.2 MQTT - Grundlagen

„MQTT- Message Queue Telemetry Transport is a leightweight, broker based publish/subscribe messaging protocoll designed to be open, simple, lightweight and easy to implement. “[16]

Entnommen wurde diese MQTT v.3.1 Protokoll Spezifikation von den IBM und Eurotech Konzernen, welche auch die Urheberrechte Vorbehalten. MQTT ist in der Internet of Things Welt ein offenes Nachrichtenprotokoll für die Machine to Machine Kommunikation, welches sich immer größerer Beliebtheit erfreut. Ursprünglich wurde MQTT für ressourcenarme Geräte mit schlechter Konnektivität entwickelt und ist daher sehr gut geeignet für Embedded - Entwicklungen. Das MQTT Protokoll basiert auf der Publish/ Subscribe-Architektur, das bedeutet es gibt keine Ende zu Ende Verbindung wie bei HTTP. Gesendet (published), als auch Empfangen (subscribed) werden über Topics. Ein Topic ist ein String der den Betreff bzw. den Inhalt der Nachricht darstellt. In folgender Abbildung ist hierfür ein Beispiel gegeben. Im Beispiel könnte ein Temperatursensor, der im Wohnzimmer angebracht ist, seine Messwerte auf dem Topic Daheim/Wohnzimmer/Temperatur veröffentlichen.[17]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Publish/Subscribe Architekturvon MQTT[18]

Nachdem die Nachricht gesendet wurde können diese mehrere Teilnehmer zugestellt bekommen, da die Kommunikation über den Broker läuft. Somit sind Publisher und Subscriber entkoppelt. Diese Architektur bringt einige Vorteile mit sich, wie z.B.:

- Eignung für speicher- oder prozessorbegrenzte Ressourcen (eingebettete Systeme)
- Einfache Implementierung
- Unterschiedliche Qualitätslevel, um auch für instabile Netze immer eine sichere Kommunikation zu gewährleisten
- Uvm.

Neben den QoS-Level, auf die im nächsten Punkt weiter eingegangen wird, gibt es noch weitere Extras die MQTT zur Verfügung stellt. Dazu gehören unter anderem:

- Retained Messages, sind Messages, die vom Broker gespeichert werden mit zugehörigem Topic. Sobald sich ein neuer Abonnent subscribed wird dieser automatisch zugestellt.[19]
- Persistent Session, dient dazu um bei einer Unterbrechung von Client und Broker nicht alle Daten zu verlieren. Mit einer persistent session muss sich der Client bei einer Neuverbindung nicht neu für jedes Thema abonnieren und spart somit Ressourcen.[20]
- Last will and Testament, ist ebenso für den Fall einer Unterbrechung der Verbindung geeignet. Hier kann der Client eine „Last-Will-Message“ abgeben und im Falle einer Unterbrechung sendet der Broker diese Message an alle subskribierten Clients weiter.[19]
- Uvm.

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