Grundsätzlich lassen sich mit V2X (Vehicle-To-Everything) kritische Informationen zwischen Infrastruktur und Fahrzeugen austauschen, um zum Beispiel Unfälle an Kreuzungen zu vermeiden oder auch die erforderlichen Standortinformationen an die vermehrt vorgeschriebenen E-Call-Dienste für Notrufe zu senden. V2X hat darüber hinaus das Potenzial, ein neues Zeitalter der kognitiven Fahrzeuge zu definieren, die nicht nur ihren eigenen Status kennen, sondern auch den Status anderer Fahrzeuge und sogar den Zustand der Umgebung, des Wetters, der Straßen, des Verkehrs und einer Vielzahl anderer Parameter, die die Verkehrssicherheit und Reiseeffizienz beeinflussen könnten.

Diese Automotive Cognition, bei der Sensing, Kommunikation und Entscheidungen auf der Ebene von Maschine zu Maschine stattfinden, hebt das Transportwesen in Fahrzeugen auf eine neue Stufe, weit über Unterhaltung und klassisches IoT hinaus, nämlich in den Bereich „Internet of Things That Really Matter“, also das „Internet der Dinge, auf die es wirklich ankommt“. Letztendlich könnte ein Fehler oder falsche Information in der Kette von einem einzigen kritischen Sensor- oder Positionierungselement über die Fernanalyse bis hin zur endgültigen Reaktion für den Fahrer und potenziell auch für den OEM eine Katastrophe bedeuten.

Die logische Folge daraus ist, dass man beim Schritt zu V2X entsprechende Maßnahmen ergreifen muss, damit Kommunikation zuverlässig und mit niedrigen Latenzzeiten stattfinden kann. Weiterhin muss man bewährte Designtechniken einbinden und zuverlässigere Komponenten oder Module einsetzen. Dann kann Automotive Cognition den Weg hin zu sicheren, zuverlässigen und wirklich autonomen Fahrzeugen ebnen. Engmaschig integrierte ADAS (Advanced Driving Assistance Systems) zur Kollisionsvermeidung verbessern dabei die Verkehrssicherheit, was auch die Gewinnmöglichkeiten für kommerzielle Aufgaben wie Flottenmanagement steigert.

Infotainment als Ausgangspunkt

Aus rein technologischer Sicht ist die Ausstattung von Autos mit Internetkonnektivität nur eine natürliche und evolutionäre Reaktion auf die Verschiebung von mobilen Geräten vom privaten Wohnumfeld hin zum Auto. Kfz-Hersteller haben erkannt, dass Verbraucher ihr Unterhaltungserlebnis zuhause, unterwegs und im Auto enger miteinander verknüpfen wollen.

Nach kürzlich von der Scotiabank/BI Intelligence erhobenen Daten werden bis 2020 etwa 75 % der geschätzten 92 Millionen ausgelieferten Autos mit Hardware für Internetkonnektivität ausgestattet sein, was einer jährlichen Wachstumsrate von 45 % entspricht. Die Anwendungen reichen dabei von Musik- und Videostreaming, Suchläufen im Web bis hin zum Empfang von Verkehrszustands- und Wetterberichten. Der durchschnittliche Verkaufspreis eines vernetzten Fahrzeugs soll dadurch im Luxusbereich bei rund 55.000 USD liegen, wobei ein dramatischer Preisrutsch für die einzelnen Komponenten drahtloser Kommunikation zu erwarten ist.

Bis 2020 sollen 75 % der weltweit ausgelieferten Autos mit Hardware für Internetkonnektivität ausgestattet sein.

Bis 2020 sollen 75 % der weltweit ausgelieferten Autos mit Hardware für Internetkonnektivität ausgestattet sein. U-blox / www.businessinsider.com

Nach Prognosen von Gartner werden bis 2020 mehr als 250 Millionen Fahrzeuge weltweit vernetzt sein, wobei man eine Verdopplung der Verbraucherausgaben für Konnektivität im Fahrzeug prognostiziert. Interessanterweise schätzt BI (Business Insider), dass bei 220 Millionen vernetzten Fahrzeugen auf der Straße weltweit nur die Eigentümer von 88 Millionen Fahrzeugen auch wirklich die Dienste aktivieren werden. Dennoch erwartet BI, dass Verbindungen im Auto einerseits die Gunst der Verbraucher gewinnen, denn bei der Übertragung von Fahrzeuginformationen lässt sich die Nutzung von Mobilfunkverträgen umgehen. Andererseits können Hersteller damit Daten zur Leistung eines Autos gewinnen und OTA-Updates (Over-the-Air) senden, womit sie die Anzahl der Rückrufaktionen reduzieren können. Das ist ein entscheidendes Feature bei Systemen, deren Komplexität mit der steigenden Anzahl von IoT-Anwendungen in Fahrzeugen in privaten, öffentlichen oder unternehmenseigenen Flotten exponentiell steigt.

Höchste Wachstumsrate bei IoT-Geräten

Im Jahr 2014 veröffentlichte Gartner eine weitere Studie, in der man die Gesamtzahl der installierten IoT-Geräte auf 25 Milliarden bis 2020 vorhersagte. Dabei zeigte der Automotive-Bereich die höchste Wachstumsrate von 96 % im Jahr 2015.

Bei den installierten IoT-Geräten weist der Automotive-Bereich in 2015 die größte Wachstumsrate von 96 Prozent auf.

Bei den installierten IoT-Geräten weist der Automotive-Bereich in 2015 die größte Wachstumsrate von 96 Prozent auf. U-blox / www.gartner.com

Die Anwendungsmöglichkeiten für IoT im Automotive-Bereich und im Transportwesen insgesamt sind zahlreich. Thing Worx, ein Unternehmen, das sich auf die Bereitstellung benutzerfreundlicher und sicherer Cloud-Konnektivität für IoT-Geräte sowie die entsprechende Implementierung, Kommissionierung und Verwaltung spezialisiert hat, verweist auf eine Reihe von Features, die IoT ermöglicht. Dazu gehören Notrufdienste, Fahrzeugdiagnose aus der Ferne, Tracking und Ortung von Fahrzeugen, sichere Fahrzeugführung, Dienste, die SMS und andere Smartphone-Funktionen während des Fahrens abschalten und Hilfestellung für jugendliche Fahranfänger. Außerdem haben Versicherungsunternehmen die Möglichkeit, die Telematikdaten der Fahrzeuge zur Analyse von Fahrweisen verwenden, sichere Fahrweisen fördern und Kunden mit niedrigeren Beiträgen für gutes Fahrverhalten belohnen zu können.

Bedeutung für Flottenmanager

Das Sammeln und die Übertragung von On-Board Diagnosedaten (OBD-II) in Kombination mit Sensoren, präziser Positionierung und Fahrerüberwachung sind auch für Flottenmanager wichtig, die damit den Zustand von LKWs und Fahrern überwachen können, indem man durch rechtzeitige Wartung eine LKW-Panne vermeidet oder überprüft, ob der Fahrer aufmerksam ist und eine gute Fahrweise pflegt.

Diese Überwachung klingt zwar nach Big Brother, kann aber für Flottenmanager in einem sehr umkämpften Markt den Unterschied zwischen Fortbestand des Unternehmens oder Ausscheiden aus dem Geschäft bedeuten. Treibstoffeinsparungen, Zeitersparnis durch automatische Maut zusammen mit weniger Pannen können rasch zu geringeren Gesamtgeschäftskosten führen.

Diese Überwachung stellt auch die Weichen für autonome Transportsysteme, die sich dank der Arbeit von Google, Audi, Apple, BMW, Blackberry, Ford und vielen anderen bereits am Horizont abzeichnen. Diese Unternehmen arbeiten aktiv zusammen, sodass es zunehmend schwieriger wird, Autohersteller von den bisherigen Software-Entwicklern für Konsumgüter zu trennen. Wer beim Fahrerlebnis die Nase vorn behalten wird, dürfte spannend werden.

BI Intelligence weist auch auf den Einsatz von IoT bei leistungsstarken Fahrassistenzdiensten wie bei selbstparkenden Autos hin. Aber dies ist nur die Spitze eines großen und faszinierenden Eisbergs mit dem Namen V2X, dem aktuellen Stadium der Entwicklung im Automotive-Bereich.

Während das Aufkommen von Infotainment quasi Unterhaltungswert hatte, wird V2X eine Ära der Automotive Cognition einläuten.

Während das Aufkommen von Infotainment quasi Unterhaltungswert hatte, wird V2X eine Ära der Automotive Cognition einläuten. U-blox / Deloitte University Press / DUpress.com

Ein Bericht, den im August 2015 ein Team von Deloitte Consulting LLP unter der Leitung von Simon Ninan herausgegeben hatte, zeigte die verschiedenen Stufen der Konnektivität im Fahrzeug, von den Anfängen mit dem DAIR-System und Onstar von GM über SYNC von Ford, UVO von Kia und Mylink von GM bis hin zu V2X in Stufe 3. Als nächstes kommt Stufe 4 mit Tesla Autopilot und selbstfahrenden Autos.

Technologien für V2X und autonome Fahrzeuge

Viele für V2X erforderliche Technologien sind schon etabliert oder man arbeitet an ihnen bereits mit Hochdruck. Allerdings bedeuten die langen Designzyklen im Automotive-Bereich, dass ein Einsatz auf der Straße erst in ein paar Jahren möglich sein wird. Vom ersten Konzept bis zur Serienfertigung betragen die Designzyklen im Automotive-Bereich drei bis vier Jahre, im Gegensatz zu 18 Monaten oder weniger bei der Konsumelektronik.

Der Grund für die langsameren Designzyklen im Automotive-Bereich liegt in der Gefahr und der strengeren Haftung, die mit falsch funktionierenden Produkten einhergehen. Die in letzter Zeit aufgedeckten Hacking-Probleme legen drastisch dar, dass ein hohes Maß an Vorsicht erforderlich ist. Dazu ist auch noch zu beachten, dass die Einhaltung von Standards wie ISO 26262 dabei hilft, die Funktionssicherheit von Automobilausrüstung sicherzustellen. Jedoch lässt sich diese Einhaltung nur mit Zeit und Geld bewerkstelligen. Dasselbe gilt für Wireless-Konnektivität, die globale behördliche Anforderungen erfüllen muss.

Neue Möglichkeiten mit V2X

Trotzdem werden verstärkt Anwendungen für V2X-Technologien entwickelt. Ingenieure finden neue Möglichkeiten zur Kombination von Sensordaten mit präziser Positionierung (POS), Konnektivität per Mobilfunk (CEL) und Kurzstrecken-Wireless (SHO). Das Ergebnis ist ein Rückstau an noch zu implementierenden Ideen und Konzepten, die alle miteinander zusammenhängen, sowohl innerhalb des Fahrzeugs als auch rund um das Fahrzeug.

Das mit IoT vernetzte Fahrzeug wird eine Vielzahl von Funktionen miteinander kombinieren und so das Potenzial von V2X in die Realität umsetzen.

Das mit IoT vernetzte Fahrzeug wird eine Vielzahl von Funktionen miteinander kombinieren und so das Potenzial von V2X in die Realität umsetzen. U-blox

Bei der Entwicklung hin zu autonomen Fahrzeugen sind Head-Up-Displays, Spurhalte-Assistenten oder Spurwechsel-Warnsysteme interessante Beispiele. Sie benötigen alle hochpräzise Positionierung mit einer Genauigkeit von einem Meter oder weniger sowie eine Erkennung der Absichten, nicht nur des Fahrers, sondern auch anderer Fahrzeuge. Neben hochpräziser POS ist es erforderlich, dass sich Lenkgeschwindigkeiten und die relative Position und Geschwindigkeit von Fahrzeugen in der Nähe mit niedrigen Latenzzeiten kommunizieren lassen. Erst nach der Analyse all dieser Informationen kann das On-Board-System eine Entscheidung für oder gegen einen Spurwechsel anzeigen.

Die nächsten Schritte sind eine Fahrerassistenz auf Überlandstraßen und Autobahnen, die das Fahren ohne Hände am Lenkrad unterstützt, danach die vollautomatische Fahrzeugführung auf Überlandstraßen und schließlich autonome Fahrzeuge.

Genaue Positionierung ist ein Muss

Um eine genaue Positionierung (POS) zu erreichen, lassen sich zahlreiche globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) einsetzen, wobei aber nur zwei davon in ihren Fähigkeiten als global einzuschätzen sind: das Navstar Global Positioning System (das ursprüngliche „GPS“) aus den USA und das Global Navigation Satellite System (GLONASS) aus Russland. Weitere Systeme sind Galileo aus Europa, Beidou Navigation Satellite System (BDS) aus China und Quasi-Zenith (QZSS) aus Japan sowie Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) aus Indien.

Von den zahlreichen Positionierungssystemen sind nur zwei global zugänglich, bieten jedoch nicht die erforderliche Genauigkeit für sichere Spurwechsel.

Von den zahlreichen Positionierungssystemen sind nur zwei global zugänglich, bieten jedoch nicht die erforderliche Genauigkeit für sichere Spurwechsel. U-blox / Wikipedia

Selbst wenn diese GNSS-Systeme der Öffentlichkeit uneingeschränkt zur Verfügung stünden, wären für eine genaue Positionierung die Verwendung mehrerer GNSS-Systeme, Mehrwegunterdrückung, Kalman-Filter, Mehrfrequenz-Verarbeitung und 3D-Dead-Reckoning-Techniken erforderlich. Auf Datenblättern sind normalerweise nur die Ergebnisse für die stationäre Genauigkeit angegeben, jedoch sollte man bei der Beurteilung echter POS-Genauigkeit ausschließlich folgende Punkte berücksichtigen: die Basis sollte die dynamische Leistung in der Realität sein, und man sollte ermitteln, wie gut die Systeme Daten von Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und ABS-Sensoren in Bezug auf die Geschwindigkeit integrieren.

Bei guter Implementierung kann das Fahrzeug in einen Tunnel einfahren und es hat immer noch eine verlässliche Kenntnis davon, wo es sich befindet, bis es wieder aus dem Tunnel ausfährt. Dazu kombiniert man 3D-Dead-Reckoning und Vergleiche mit Offline-Karten.

Glücklicherweise können POS-Systeme normalerweise nur empfangen und nicht senden, sodass sich die Designer nicht um Vorschriften für Wireless-Emissionen der US FCC, der europäischen CE oder anderer Behörden kümmern müssen. Allerdings ist die relative Immunität eines POS-Empfängers gegenüber anderen Störquellen ein kritischer Faktor, der mit einzubeziehen ist.

Europa und Russland werden demnächst den E-Call-Dienst mit unter einem Meter Genauigkeit vorschreiben, dicht gefolgt von den USA. Die Auswahl des richtigen POS-Empfängers oder -Moduls steht daher ganz oben auf der Prioritätenliste aller Automobilhersteller.

Platzierung der Antenne

Ist die Entscheidung für ein Modul gefallen, muss sich ein OEM dann dem nächsten wichtigen Problem zuwenden: der Platzierung der Antenne. Das Haifischflossen-Design ist hier ein gängiger Ansatz, bei dem man die Antenne oben auf dem Fahrzeug platziert und ein Koax-Kabel von dort hinunter zur Haupt-TCU (Telematics Control Unit) führt. Von dort kann per Ethernet, Wireless oder CAN-Bus-Schnittstelle eine weitere Verteilung zur Fahrereinheit und den Rücksitz-Displays erfolgen. In manchen Fällen platziert man auch die gesamte Elektronik auf dem Autodach, um teure RF-Kabel einzusparen, was allerdings elektronische Komponenten mit erweitertem Temperaturbereich erforderlich macht.

Bei den Antennen zeichnet sich gerade ein Wechsel zu kostengünstigerer digitaler Verkabelung ab, wobei alle Funkelemente in der Dach-Flosse oder den Spiegeln integriert sind.

Bei den Antennen zeichnet sich gerade ein Wechsel zu kostengünstigerer digitaler Verkabelung ab, wobei alle Funkelemente in der Dach-Flosse oder den Spiegeln integriert sind. U-blox

Üblicherweise kämen Koax-Kabel zum Einsatz, aber durch die Integration der gesamten Sender/Empfänger-Elektronik in der Haifischflosse oder den Außenspiegeln (für Antennendiversität), lassen sich heute kostengünstigere digitale Kabel einsetzen. Dabei muss aber die TCU für Temperaturen von -40 bis 105 °C ausgelegt sein.

Die anderen Sender und Empfänger stellen WLAN und Bluetooth Low Energy sowie Mobilfunk bereit. Während diese Schnittstellen gut für den Datenaustausch geeignet sind, haben die niedrigen Latenzzeiten, die man für die V2V-, V2I- und V2X-Kommunikation benötigt, die Aufmerksamkeit auf die Einbindung von Funkelementen nach dem 802.11p-Standard gelenkt.

Erweiterter WLAN-Standard

802.11p ist eine Erweiterung des WLAN-Standards 802.11, die den Datenaustausch zwischen schnell fahrenden Fahrzeugen und mit Fahrzeugen und der Infrastruktur am Straßenrand im lizenzierten ITS Band mit 5,9 GHz (5,85-5,925 GHz) ermöglicht. Es handelt sich um eine komplett andere physikalische Ebene, daher sind eigene Funkelemente erforderlich. Dies führt zwar zu höheren Kosten im Hinblick auf die physikalische Hardware sowie die Software und auch für die Erfüllung von Vorschriften, allerdings lässt sich ein Großteil der Kosten durch Nutzung von Modulen wieder kompensieren.

Eck-Daten

Mit der zunehmenden Vernetzung und Autonomisierung von Fahrzeugen spielt der Begriff IoT eine immer wichtigere Rolle. Aber auf welche Dinge kommt es wirklich an? U-Blox sieht in dem V2X-Ansatz ein großes Potenzial für neue Möglichkeiten zur Kombination von Sensordaten mit präziser Positionierung, Konnektivität per Mobilfunk und Kurzstrecken-Wireless.

Der modulare Ansatz ist auch aus Sicht von Mobilfunkanbietern interessant, denn Mobilfunkanbieter in den USA müssen die Einhaltung von Vorschriften komplett nachweisen, bevor sie ein Gerät in ihrem Netzwerk zulassen. Dahinter steckt der Gedanke, dass sicherzustellen ist, dass das Gerät keinen Schaden anrichtet. Aus legaler Sicht ist dies in Europa nicht der Fall.

Zusammenfassung

Mit V2X und dem Internet of Things That Really Matter haben sich Automobilindustrie und Flottenmanagement bereits in das nächste große, heiß umkämpfte Technologie-Segment begeben, mit zahlreichen Gelegenheiten zur Innovation von Hardware, Software und Diensten. Wie und wann wir letztendlich den Schritt zu vollkommen autonomen Fahrzeugen gehen, ist abhängig davon, wie gut man diese ersten kritischen Schritte steuert und implementiert. Die Minimierung von Risiken und Fehlern stellt sich allerdings schneller Innovation in den Weg. Aber es steht viel auf dem Spiel, denn Fehler können zum Verlust von Menschenleben führen, ganz zu schweigen von Vertrauensverlusten. Es ist daher absolut essenziell, die richtige Technologie und die richtigen Partner zu wählen.