Im Straßenverkehr, insbesondere an Kreuzungen, kommt es immer wieder zu Situationen, die eine Kommunikation mittels Handzeichen unter den Fahrzeugführern erfordern. Bei Robo-Taxis ist eine haptische Kommunikation in dieser Form jedoch nicht möglich, weshalb sie auch auf eine andere Art der Verständigung miteinander angewiesen sind. Ohne eine entsprechende Möglichkeit der Kommunikation bestünde beispielsweise die Gefahr, dass vier gleichzeitig an einer Kreuzung eintreffende Robo-Taxis einfach dauerhaft an Ort und Stelle verweilen würden.

Bild 1: Bei der V2X-Kommunikation kann das Fahrzeug entweder mit anderen Fahrzeugen, der Infrastruktur oder den mobilen Endgeräten von Fußgängern kommunizieren.

Bild 1: Bei der V2X-Kommunikation kann das Fahrzeug entweder mit anderen Fahrzeugen, der Infrastruktur oder den mobilen Endgeräten von Fußgängern kommunizieren. 5GAA

Obwohl autonome Fahrzeuge bereits heute sehr intelligent sind und eine Fülle von Aufgaben verrichten können, sind Kameras und Sensoren alleine nicht immer ausreichend, wie das obige Beispiel verdeutlicht. Hier kommt schließlich die Konnektivität ins Spiel, die es den Fahrzeugen ermöglicht miteinander zu „sprechen“ und gemeinsam nach Problemlösungen zu suchen.

5G Automotive Association

Mit der Einführung der 5G-Technologie verschieben sich die Rollen und Verantwortlichkeiten im Connectivity-Umfeld. Konnten Automobilhersteller sich in der Vergangenheit hauptsächlich auf  Smartphone-Technologie stützen und sich bei Standardisierung und Umsetzung auf die Tele- kommunikationsindustrie verlassen, funktioniert diese Aufgabenteilung in der neuen 5G-Welt nicht mehr.

Die Autohersteller und ihre Zulieferer sind mittlerweile Teil des 5G-Ökosystems – und zwar mit eigenen, fahrzeugspezifischen Anforderungen und Funktionen. Um dieser neuen Entwicklung Rechnung zu tragen, hat die Audi AG am 26. September 2016, zusammen mit weiteren Partnern, die 5G Automotive Association (5GAA) gegründet.

Eck-Daten

5G soll in Zukunft 4G/LTE als Mobilfunkstandard ablösen und eine Kommunikation in Echtzeit ermöglichen. Die höhere Geschwindigkeit (100 mal schneller als 4G/LTE) bietet der Automobilbranche dann die Chance, die Kommunikation von Fahrzeugen miteinander sowie mit der Infrastruktur deutlich voranzutreiben. Über 5G-V2X ist eine umfassende Kommunikation verschiedener Teilnehmer (Fahrzeuge, Infrastruktur, mobile Endgeräte von Fußgängern) mit dem Fahrzeug möglich, die nicht nur die Sicherheit im Straßenverkehr erhöhen soll, sondern auch eine effizientere Nutzung der Straßeninfrastruktur erlaubt.

Die 5G Automotive Association ermöglicht die Kooperation zwischen den Branchen Automobilindustrie und Kommunikationstechnologie. Diese stimmen sich untereinander ab und bringen ihre Ergebnisse in Industriekonsortien und Standardisierungsorganisationen ein. Zur 5GAA zählen aktuell 128 Mitglieder aus den Branchen Automobil, Infrastrukturhersteller für Mobilfunk, Mobilfunkbetreibern, Smartphone-Herstellern und Chipsatzlieferanten. Innerhalb der 5GAA tauschen sich weltweit anerkannte Experten über technische, regulative, organisatorische sowie anwendungsbezogene Themen aus. Sie erstellen in einer von sieben Arbeitsgruppen neue Anwendungsfälle, die das Autofahren effizienter, komfortabler und sicherer machen sollen.

Eine zweite Arbeitsgruppe nimmt diese Ergebnisse auf und erarbeitet technische Lösungsvorschläge. Weitere Arbeitsgruppen erstellen Testszenarios und prüfen, wie sich die Anwendungen von regulatorischer, kommerzieller und Security-technischer Seite umsetzen und einführen lassen. Neben diesen Arbeitsgruppen ist die 5GAA auch projektbezogen tätig. In den Cross-Working-Groups genannten Zusammenschlüssen von Partnern entstehen dann die Projekt-Roadmaps. Außerdem planen die Verantwortlichen hier erste nutzerübergreifenden Implementierungen sowie die Vorbereitung und Durchführung von Tests und Demonstrationen.

Vehicle-2-Was?

Die 5G-Technologie ermöglicht eine direkte Kommunikation zwischen Fahrzeugen und weiteren Instanzen. Diese Kommunikation trägt die Bezeichnung 5G-V2X, kann auf einem eigens für V2X vorgesehenen Spektrum erfolgen und ist damit unabhängig von der Verfügbarkeit eines Mobilfunknetzes. Das X ist dabei als Platzhalter zu sehen (Bild 1).

See-Through-Anwendung

Bild 2: Bei der See-Through-Anwendung bittet das überholende Fahrzeug um Freigabe der Frontkamera des vorausfahrenden Pkw/Lkw und erweitert dadurch seinen Sichtbereich. Audi

V2I (Infrastructure) bezeichnet dabei die direkte Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einer Infrastrukturkomponente (Ampel, vernetztes Straßenschild, Road Side Unit (RSU)), während V2V (Vehicle) für die direkte Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Fahrzeugen steht. Als drittes gibt es noch V2P (Pedestrian), also die direkte Kommunikation mit Mobilgeräte von Fußgängern die über die 5G-V2X-Funktionalität verfügen.

Zusätzlich bietet die 5G Technologie natürlich die Möglichkeit alle Beteiligten in der V2X-Welt über das Mobilfunknetz (V2N, P2N, I2N) mit weniger verkehrssicherheitskritischen Anwendungen zu unterstützen. Mit 5G und dem 5G-Garantieversprechen zur Servicequalität ist laut Verantwortlichen eine deutliche Verbesserung der heute schon üblichen, auf dem LTE-Netz basierenden Funktionen, zu erwarten.

V2I: Infrastruktur besser nutzen

Mithilfe von 5G-V2X lässt sich die bestehende Straßeninfrastruktur besser nutzen. Mit Hilfe der V2X-Kommunikation und einer kleinen Recheneinheit (Mobile Edge), wäre es zum Beispiel möglich, die Ampel-Steuerung stets an die aktuelle Verkehrslage anzupassen und somit unnötige Wartephasen zu vermeiden. Die ankommenden Fahrzeuge senden dazu ihre Position und Geschwindigkeit an die Ampelsteuerung. Durch Auswertung aller Informationen lassen sich die Schaltzeiten intelligent aneinander anpassen, wodurch sie in der Lage sind, das aktuelle Verkehrsaufkommen zu adaptieren. Die bestehende Infrastruktur könnte so ohne Straßenumbaumaßnahmen auf einen Schlag viel effektiver zu einem verbesserten Verkehrsfluss beitragen. Mit der zweiten Stufe von 5G und URLLC (ultra-reliable-low-latency-communication) ließe sich die Kreuzung sogar in Echtzeit regeln, in dem die Fahrzeuge mit Minimalstabstand und kreuz und quer über die Kreuzung geführt würden.

Anforderung zur Unterstützung von entfernter Sensorik über 5G-V2X

Tabelle 1: Anforderung zur Unterstützung von entfernter Sensorik über 5G-V2X 3GPP TS22.186g20

Durch diese Vernetzung der Straßeninfrastruktur mit der 5G Telekommunikationsinfrastruktur lassen sich synergetisch viele neue Anwendungen auch ohne große Investitionen in eigene Verkehrstelekommunikationsnetze realisieren. Nicht nur Ampelsteuerungen auch Wechsel-Verkehrszeichen in Städten und auf Autobahnen oder die Navigationsgeräte in Fahrzeugen profitieren von einer gegenseitigen Vernetzung und machen damit den Verkehrsfluss für alle effektiver.

Um Anwendungen aus dem Bereich der Verkehrssteuerung sicher realisieren zu können, muss die verwendete Netzwerktechnologie eine überprüfbare Zuverlässigkeit unterstützen. In der für den Kommunikationsstandard 5G-V2X verantwortlichen Standardisierungsorganisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ist für den extremen Anwendungsfall des teleoperierenden Fahrens eine Ende-zu-Ende Latenz von 5 ms bei einer Zuverlässigkeit von 99,999% bei gleichzeitiger Datenübertragung von 25 Mbit/s im Uplink und 1 Mbit/s im Downlink gefordert und somit die Netzwerkarchitektur durch die technischen Spezifikationen definiert.

V2V: Schneller Ankommen

Warnsystem

Bild 3a: Die Warnung vor Fußgängern erfolgt mithilfe von Direktkommunikation zwischen zwei Fahrzeugen…. Audi

Mit Hilfe von 5G-V2X können Fahrzeuge untereinander (V2V) Daten austauschen. In einem ersten Schritt lassen sich Datagramme mit aktueller Fahrzeugzustandsinformation aussenden. Die empfangenden Fahrzeuge können diese auswerten und für einfache Sicherheitsanwendungen, wie zum Beispiel der Warnung vor einem sich bildenden Stau, verwenden.

Die 5G-Technologie erlaubt darüber hinaus, dass eine verbindungsorientierte Kommunikation zwischen Fahrzeugen aufgebaut wird. Dadurch können Fahrzeuge situationsbedingt um die Freigabe von Sensordaten bitten und diese Übertragung auch parametrieren. Ein illustratives Beispiel (Bild 2) dazu ist der Anwendungsfall „See Through“. Durch die Sensorik allein lässt sich nicht immer entscheiden, ob ein Überholmanöver ohne Sicherheitsrisiko umsetzbar ist. Sind Pkw und Lkw mit 5G-V2X ausgestattet, bittet der Pkw um die Freigabe der Frontkamera des Lkw und erweitert damit seinen Sichtbereich signifikant. Sobald das Überholmanöver durchgeführt wurde, kann der Nutzer die Fahrt mit der gewünschten Geschwindigkeit fortsetzen.

Warnsymbol

Bild 3b: …. durch Anzeige eines Warnsymbols im Cockpit-Display des Folgefahrzeugs. Audi

Die Nutzung eines Videosignals zur Erhöhung der Sicherheit bei Überholvorgängen lässt sich auch durch Austausch von weiteren Sensordaten ergänzen. Tabelle 1 zeigt die für 5G-V2X definierten Szenarien zur Unterstützung entfernter Sensorik. Hierbei ist zwischen hohem und niedrigem Automatisierungsgrad sowie Nutzung in nahem oder weitem Umfeld mit dann unterschiedlichen Anforderungen zu unterscheiden. Der oben beschriebene Fall der Videoübertragung ist für einen niedrigen Automatisierungsgrad, beispielsweise zur Unterstützung eines menschlichen Fahrers, mit maximal 50 ms Latenz bei 10 Mbit/s Datenrate mit einer Zuverlässigkeit von 90 % in einem Umfeld von 100 Meter realisierbar. Ein höherer Automatisierungsgrad verlangt dann eine höhere Datenrate bis zu 700 Mbit/s, eine niedrigere Latenz bis maximal 10 ms und eine Zuverlässigkeit oberhalb 99,99 % für die V2X-Kommunikation.

V2P: Für den Menschen

Die Entwicklung von Technologie nur um der Technologie wegen ist der falsche Ansatz. Sie sollte im Idealfall auch immer einen Vorteil für die Menschen und das tägliche Leben mit sich bringen. Die 5G-Technologie kann einen enormen Beitrag daran haben, die Sicherheit im Straßenverkehr für alle Verkehrsteilnehmer zu verbessern. Eine der häufigsten Todesursachen im heutigen Straßenverkehr sind Zusammenstöße zwischen Fahrrädern und Kraftfahrzeugen. Eine Lösung dafür liegt heute schon auf der Hand – die V2P-Kommunikation (Vehicle-to-Pedestrian).

Die Einführung dieser Technologie ist nicht mehr so weit entfernt. Erste Smartphone-Hersteller haben bereits auf dem Mobile World Congress Modelle mit den entsprechenden V2X-Chips angekündigt. Ein im Fahrzeug verbautes 5G-Modem kann nun die Signale der Fahrzeuge, und damit auch der Radfahrer und Fußgänger, in der Umgebung erfassen. In einer Local Dynamic Map kann das Auto nun direkt oder mit Hilfe von durch die Verkehrsinfrastruktur gesammelten und in einer Mobile Edge Cloud gespeicherten Information über das aktuelle Verkehrsgeschehen in seiner lokalen Umgebung zu einer dynamischen Karte aggregieren. Könnte nun eine gefährliche Situation entstehen, in der zum Beispiel der Fahrer ein Radfahrer oder Fußgänger beim Rechtsabbiegen übersieht, kommt es zu einer Warnmeldung, oder in einer zweiten Stufe zu einem automatischen Bremseingriff. Da die Funkwellen auch Gegenstände durchdringen, könnte dieser Mechanismus auch vor einem durch Bebauung verdeckten Fahrradfahrer warnen (Bilder 3a und 3b).

Positionierungsgenauigkeit verbessern

Für die Einbeziehung dieser verletzlichen Verkehrsteilnehmer ist neben der Unterstützung von 5G-V2X in den Smartphones auch eine deutliche Verbesserung in der Positionierungsgenauigkeit im Vergleich zu heutigen Endgeräten notwendig. Nicht nur die Automobilindustrie, sondern auch Anbieter kommerzieller Dienste, Projekte für die Unterstützung von autonomen Fluggeräten wie Drohnen oder Anwendungen im industriellen Bereich sowie mobile Roboter verlangen nach einer höheren Positionierungsgenauigkeit und rechtfertigen dadurch den Aufwand für die Entwicklung verbesserter Systeme im 5G-Umfeld.

Multisystemempfänger, welche gleichzeitig Funksignale der unterschiedlichen Satellitensysteme (amerikanisches GPS, europäisches Galileo, russisches Glonass, chinesisches Beidou) empfangen und verarbeiten können, finden sich schon heute in Mobiltelefonen. Damit lässt sich auch unter schwierigen Bedingungen, wie etwa in dichten städtischen Bebauungen, die Anzahl der vom Endgerät sichtbaren Satelliten erhöhen und damit die Genauigkeit verbessern. Dazu kommen Verbesserungen bekannter Multitriangulations-Technologien, durch Empfangszeit-Abstandsmessungen und Cell-ID-Bestimmung.

Gleichzeitig ermöglichen die höhere Bandbreite und die höheren möglichen Frequenzen der 5G-Technologie, die bei der Positionsbestimmung auftretenden Fehler durch Mehrwegeausbreitung zu minimieren. Mit einer Kombination dieser Methoden zur Verbesserung der Positionierung ist bei den 5G-V2X-fähigen Geräten eine Genauigkeit im Zentimeter-Bereich zu erwarten. Zudem erlaubt die Verarbeitung der empfangenen Daten in der lokalen Dynamic Map eine ständige Verifikation des aktuellen Geschehens und beugt dadurch Fehleinschätzungen vor.