C-V2X ergänzt die anderen Sensortypen.

(Bild: Qualcomm)

Welche Bedeutung hat C-V2X wirklich für die Automobilbranche? Seit der Revolutionierung des Transports durch das Modell T von Henry Ford gab es in der Automobilindustrie keine derart große Veränderung mehr wie jetzt. Diese aktuelle Revolution wird angetrieben durch Technologie und ein wachsendes Bedürfnis nach Sicherheit, Effizienz und Komfort. Innovation verändert das Auto, wie wir es kennen – der Wettlauf um automatisiertes Fahren wird immer härter, und weltweit laufen bereits viele Versuche.

Autos werden intelligenter. Sie werden zu Knotenpunkten intelligenter Sensoren, die kontinuierlich Informationen erzeugen und mit ihrer Umgebung und der Cloud austauschen. Jedes Auto wird mit hunderten von Sensoren ausgestattet sein, angefangen von nach innen und außen gerichteten Kameras bis hin zu Technologien wie Radar, Lidar und GNSS (Globales Navigationssatellitensystem). Diese Sensoren können viele Daten generieren: bis zu 11 Petabyte pro Jahr bis zum Jahr 2020.

Diese Veränderung wird sich nicht nur auf die Automobilindustrie auswirken. Alles, angefangen von der Infrastruktur einer Stadt bis hin zum Leben der Einwohner, kann sich ändern, und intelligentere Transportsysteme können eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung unserer Städte hin zu nachhaltigen, effizienten, komfortablen und kooperativen Lebensräumen spielen.

Eckdaten

Durch Cellular-V2X können Fahrzeuge direkt lokal (ohne Mobilfunknetzwerk) mit anderen Fahrzeugen (V2V), mit Fußgängern (V2P) und mit der Straßeninfrastruktur (V2I) kommunizieren. Außerdem können Fahrzeuge durch C-V2X auch über ein Mobilfunknetz mit der Cloud kommunizieren (V2N). C-V2X ist in 3GPP Release 14 standardisiert und definiert zwei ergänzende Kommunikationsarten, die zusammen eine breite Palette an Anwendungsszenarien ermöglichen: C-V2X Direct Communications und C-V2X Network Communications.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind Unfälle im Straßenverkehr die häufigste Todesursache bei Personen zwischen 15 und 29 Jahren. Aktuell sterben jährlich weltweit mehr als 1,2 Millionen Menschen bei Verkehrsunfällen. Autonomes Fahren kann dabei helfen, die Straßen sicherer und das Reisen effizienter zu machen, die Luftverschmutzung zu reduzieren und für ein angenehmeres Fahrerlebnis zu sorgen.

C-V2X für das autonome Fahren

Es gibt zwar erfreuliche Fortschritte bei Radar-, Lidar- und Kamerasystemen, doch diese Sensoren sind durch ihre Blickrichtung eingeschränkt. Eine neue Technologie namens Cellular-Vehicle-to-Everything (C-V2X) ergänzt die Fähigkeiten dieser Sensoren und liefert einen 360-Grad-Rundumblick ohne direkte Sichtverbindung (Non-line-of-sight, NLOS). Dies ermöglicht es dem Fahrzeug, weiter zu „sehen“ – selbst bei unübersichtlichen Kreuzungen und schlechtem Wetter. Durch die Ergänzung anderer Sensoren bietet C-V2X höhere Vorhersehbarkeit und Zufallsunabhängigkeit, indem Standort, Geschwindigkeit, Richtung und sogar die geplanten Fahrmanöver (Absicht) übertragen werden. Ohne Cellular-V2X können diese Sensoren diese Parameter nur schätzen, anstatt sie vorherzusagen. Und tatsächlich wird es die Grundlage für das sichere vernetzte Fahrzeug der Zukunft sein, das mit anderen Fahrzeugen, mit Fußgängern, mit der Straßeninfrastruktur und mit der Cloud „reden“ kann – also eigentlich mit allem.

C-V2X ergänzt die anderen Sensortypen.

C-V2X ergänzt die anderen Sensortypen. Qualcomm

C-V2X für sichereren Straßenverkehr

Durch C-V2X können Fahrzeuge direkt lokal (ohne Mobilfunknetzwerk) mit anderen Fahrzeugen (Vehicle-to-Vehicle oder V2V), mit Fußgängern (Vehicle-to-Pedestrian oder V2P) und mit der Straßeninfrastruktur (Vehicle-to-Infrastructure oder V2I) kommunizieren. Außerdem können Fahrzeuge durch C-V2X auch über ein Mobilfunknetz mit der Cloud kommunizieren (Vehicle-to-Network, V2N).

C-V2X ist in 3GPP Release 14 standardisiert und definiert zwei ergänzende Kommunikationsarten, die zusammen eine breite Palette an Anwendungsszenarien ermöglichen:

  • C-V2X Direct Communications bezeichnet die direkte lokale Kommunikation V2V, V2I und V2P, um die aktive Sicherheit zu unterstützen und die Kenntnis der aktuellen Umgebungssituation zu verbessern, indem wichtige Informationen (beispielsweise Warnungen bei Gefahren auf der Straße) direkt ausgetauscht und erkannt werden können. Dafür erfolgt die Übertragung in dem weltweit harmonisierten 5,9-GHz-ITS-Frequenzband, ohne dabei auf mobile Netzabdeckung oder vorhandene Mobiltelefone angewiesen zu sein.
  • C-V2X Network Communications wiederum ist die netzwerkbasierte Kommunikation V2N, um Telematik, vernetztes Infotainment sowie eine wachsende Vielzahl an erweiterten informativen sicherheitsrelevanten Anwendungsszenarien zu unterstützen. Dabei kommen das 4G- und das neu entstehende 5G-Netzwerk der etablierten Mobilfunknetzbetreiber zum Einsatz.

Für die autonomen Fahrzeuge von morgen muss sich die Technologie kontinuierlich weiterentwickeln, um den stetig wachsenden Sicherheitsanforderungen und Anwendungsszenarien zu entsprechen. Mit dem Weg hin zu 5G wird diese Weiterentwicklung vorangetrieben. Die Grundlage bildet die C-V2X-Spezifikation 3GPP Release 14, die 2017 fertiggestellt wurde. Aufbauend auf Cellular-V2X bietet 5G noch mehr Möglichkeiten für das vernetzte Fahrzeug. Durch den außergewöhnlich hohen Datendurchsatz, die niedrige Latenzzeit und die verbesserte Zuverlässigkeit von 5G werden Fahrzeuge wichtige Echtzeitdaten teilen können, wodurch das vollständig autonome Fahren unterstützt wird.

C-V2X Direct Communications

Slide 3

Cellular-V2X entwickelt sich weiter, während gleichzeits Abwärtskompatibilität besteht. Qualcomm

C-V2X Direct Communications bietet verbesserte Reichweite und Zuverlässigkeit, ohne auf die Unterstützung oder Abdeckung des Mobilfunknetzes angewiesen zu sein. Es können sicherheitsrelevante Mitteilungen für V2V, V2I und V2P in Echtzeit direkt ausgetauscht werden, ohne dass eine aktive Mobilfunknetzverbindung notwendig ist. Damit diese direkte C-V2X-Kommunikation auch ohne mobile Internetverbindung funktioniert, wurden einige innovative Neuerungen eingeführt. So erlaubt beispielsweise die Spezifikation 3GPP Ressourcen-Disposition und Interferenz-Management von V2X-Verkehr auf Grundlage von verteilten Algorithmen. Außerdem können Fahrzeuge für die Synchronisation das globale Navigationssatellitensystem (GNSS) nutzen, statt auf die mobile Netzabdeckung angewiesen zu sein. Die Technologie hat stabile Mechanismen, mit denen eine kosteneffiziente Synchronisation aus verschiedenen Quellen möglich ist, selbst wenn kein globales Navigationssatellitensystem zur Verfügung steht. Für Standortinformationen basieren nach wie vor alle V2X-Technologien auf GNSS. Diese sind für die ITS-Sicherheitsanwendungen notwendig. Im Fall einer schwachen GNSS-Abdeckung können V2X-Systeme die Positionsgenauigkeit verlieren, bevor die Zeitsynchronisation verloren geht. Für den Fall, dass kein GNSS zur Verfügung steht, hat 3GPP ein detailliertes Protokoll definiert, gemäß dem Fahrzeuge verschiedene Synchronisationsquellen nutzen sollen, darunter andere Fahrzeuge und die Zeitmessung der Road Side Units (RSU, am Straßenrand installierte Kommunikationseinheiten).

Use-Cases bei C-V2X entwickeln sich systematisch weiter.

Use-Cases bei entwickeln sich systematisch weiter. Qualcomm

Wiederverwendung der oberen Protokoll-Layer von V2X durch Automobilindustrie definiert

C-V2X Direct Communications ist dafür ausgelegt, im ITS-Frequenzbereich zu arbeiten. Die kurze Entwicklungszeit lässt sich durch einen Austausch des Funkteils erreichen, wodurch die Investitionen vieler Jahre an V2X-Software-Entwicklungen gewahrt bleiben können. Damit profitiert man von den etablierten Sicherheits- und Transportschichten und Anwendungsprotokollen der Organisationen für Automobilstandards, darunter die Society of Automotive Engineers (SAE), die Internationale Organisation für Normung (ISO), das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) und das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE-Arbeitsgruppe 1609).

Funk-Performance von C-V2X

C-V2X ist eine moderne Technologie mit einer überragenden Funkleistung. Andere V2X-Technologien auf Grundlage von IEEE 802.11p wurden vor einem Jahrzehnt entwickelt. Dank Verbesserungen bei Modulation und Codierung sowie besseren Empfängern und allgemeinen technologischen Fortschritten durch LTE bietet C-V2X eine etwa verdoppelte Kommunikationsreichweite, bessere Leistung bei fehlender direkter Sichtverbindung (Non-line-of-sight, NLOS), höhere Zuverlässigkeit (geringere Paketfehlerrate) bei dichterem Verkehrsaufkommen verglichen mit der Funktechnologie auf Basis von IEEE 802.11p, welche von DSRC und ITS-G5 verwendet wird. Die Verbesserungen bei C-V2X führen zu herausragender Leistung in verschiedenen Szenarien (zum Beispiel wechselnde Straßen-/Verkehrsbedingungen und Fahrzeuggeschwindigkeiten) – für elementare sicherheitsrelevante Anwendungsszenarien heute und autonomes Fahren in der Zukunft.

C-V2X erweitert das Sensornetzwerk und ermöglicht neue Dienste.

Die Technologie erweitert das Sensornetzwerk und ermöglicht neue Dienste. Qualcomm

Zwischen einer Fahrzeugkollision und einem Beinahezusammenstoß liegen bekanntlich nur Millisekunden. Mit annähernd der doppelten Reichweite wie bei 802.11p-basierten Technologien kann C-V2X die entscheidenden Sekunden verschaffen, um einen Unfall zu vermeiden. Aber C-V2X bietet auch über die Sicherheitsaspekte hinaus viele Anwendungsszenarien – von besserer Kenntnis der bestehenden Verkehrssituation über verbessertes Verkehrsmanagement bis hin zu vernetzten Cloud-Services.

3GPP legt strenge Mindestleistungsspezifikationen fest, die eine kalkulierbare, einheitliche und garantierte praktische Umsetzung sicherstellen, damit solch entscheidende Anwendungen wie die Straßensicherheit gewährleistet werden können. 3GPP definiert beispielsweise Mindestanforderungen für die Blockfehlerrate (BLER), um zuverlässige Kommunikation für unterschiedliche Kanalbedingungen und Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h zu gewährleisten. Im Gegensatz zu IEEE 802.11p-basierten Technologien muss jeder Hersteller von C-V2X-Transceivern/-Chipsätzen diese Spezifikationen einhalten, was zu vorhersehbaren, einheitlichen Leistungen führt.

C-V2X im Überblick

Cellular-V2X-Technologie im Überblick Qualcomm

Ein Vergleich

Es wird davon ausgegangen, dass in 2021 in den meisten neuen Fahrzeugen eine Mobilfunkverbindung eingebettet ist. Einige Autobauer wollen in naher Zukunft praktisch alle ihre Fahrzeuge mit Mobilfunkmodems ausstatten. Die Integration von C-V2X in Mobilfunkmodems trägt zur Kosteneffizienz bei der C-V2X-Implementierung bei, da sich die Automobilindustrie auf eine hundertprozentige mobile Konnektivität zubewegt.

Durch die Nutzung bestehender Mobilfunk-Infrastruktur für die V2N-Netzwerkkommunikation kann C-V2X die Fähigkeiten von Road Side Units (RSU) und des Mobilfunknetzwerks kombinieren, um die Sicherheit zu verbessern und die Autonomie zu fördern, zum Beispiel durch die Bereitstellung von Informationen zu den lokalen und weitflächigen Straßenbedingungen und Kartenupdates in Echtzeit. Kombinierte RSU- und Mobilfunk-Infrastruktur senkt die Bereitstellungskosten und führt somit zu großen wirtschaftlichen Vorteilen. Durch die umfangreiche Erfahrung der Mobilfunkanbieter bei der Bereitstellung, dem Management und der Wartung komplexer Kommunikationssysteme lassen sich nicht nur Kosten einsparen, sie ermöglicht auch neue Geschäftsmodelle und Dienstleistungsmöglichkeiten.

Dynamik im C-V2X-Ökosystem

Die Dynamik rund um die C-V2X-Technologie nimmt weiterhin zu. Fahrzeughersteller und das mobile Ökosystem arbeiten eng zusammen, um die Entwicklung der Technologie zu beschleunigen. Die 5G Automotive Association (5GAA) beispielsweise hilft dabei, die Protokolle und Spezifikationen der C-V2X-Technologie zu definieren und zu überprüfen, indem sie verschiedene Akteure zusammenbringt, etwa OEMs im Automobilbereich, Hauptlieferanten, Prüfmittelhersteller, Chipset-Hersteller, Telekommunikationsausrüster, Lieferanten von Verkehrslichtzeichen, Straßenbetreiber und Mobilfunkbetreiber.

Es wird erwartet, dass die Cellular-V2X-Techlogie ab 2019 kommerziell in Fahrzeugen zum Einsatz kommen kann. 3GPP hat die Spezifikationen C-V2X Rel-14 im März 2017 angekündigt, und Qualcomm Technologies hat seine erste kommerzielle C-V2X-Lösung unter der Bezeichnung 9150 sowie das C-V2X Referenzdesign im September 2017 auf den Markt gebracht. Mehrere Fahrzeughersteller und Hauptlieferanten unterstützen die Bekanntgabe und nutzen die C-V2X-Lösung 9150 für Feldversuche sowie als Grundlage für zukünftige kommerzielle Umsetzung, darunter Audi, PSA und Nissan.

Entwicklung von C-V2X hin zu 5G für autonomes Fahren

C-V2X ist eine wichtige Technologie für mehr Straßensicherheit, und seine aufwärtskombatible Entwicklung zu Release 16, 5G New Radio (5G NR) C-V2X wird eine entscheidende Rolle beim zukünftigen autonomen Fahren spielen. 5G NR C-V2X wird einen hohen Datendurchsatz und ultra-zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC)) ermöglichen, um erweiterte Anwendungsszenarien für autonome Fahrzeuge zu ermöglichen, ohne auf 4G-/5G-Abdeckung angewiesen zu sein.

Mit 5G-NR-basiertem C-V2X können autonome Fahrzeuge ihren Blick auf die Straße und ihre Kenntnis der Umgebung untereinander und mit der Straßeninfrastruktur direkt teilen. Dazu gehört das Teilen von Sensordaten mit hohem Datendurchsatz von Kamera, Radar, Lidar und Ultraschallsensoren, um ein wirklichkeitsgetreues Modell der Umgebung zu erstellen. Noch wichtiger ist, dass 5G NR C-V2X eine höhere Vorhersehbarkeit und Zufallsunabhängigkeit für autonomes Fahren ermöglichen kann, indem Fahrzeuge ihre Absicht und geplanten Bewegungen an andere Autos und die Infrastruktur übertragen können.

Der hohe Datendurchsatz und die URLLC-Möglichkeiten von 5G NR C-V2X ermöglichen es autonomen Fahrzeugen außerdem, lokale Updates von der Infrastruktur (zum Beispiel Update in Echtzeit der 3D-HD-Karte) und von anderen Fahrzeugen auf der Straße in Echtzeit zu erhalten, wodurch das autonome Fahrzeug lernen sowie mit seiner Umgebung und seinem Standort vertrauter werden kann. Der rechtzeitige Austausch von Absicht, Sensordaten und Straßeninformationen zwischen autonomen Fahrzeugen wird eine entscheidende Rolle für vorhersehbareres und abgestimmteres Fahren spielen, was letztendlich zu mehr Sicherheit beim autonomen Fahren und einer höheren Verkehrseffizienz führt.

Fazit

Das Rennen um autonome Fahrzeuge ist in vollem Gange, und es werden verschiedene Technologien benötigt, um zur Ziellinie zu gelangen. Eine dieser Technologien ist Cellular-V2X, womit Fahrzeuge untereinander und mit ihrer Umgebung kommunizieren können. Sie wird deutliche Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft haben, etwa in den Bereichen Straßensicherheit, Verkehrseffizienz, verringerte Luftverschmutzung und angenehmeres Fahrgefühl. C-V2X-Kommunikation ergänzt die Fähigkeiten anderer Fahrzeugsensoren und liefert einen 360-Grad-Rundumblick ohne direkte Sichtverbindung (Non-line-of-sight). Dies ermöglicht es dem Fahrzeug, weiter zu „sehen“ – selbst bei unübersichtlichen Kreuzungen und schlechtem Wetter. Die Weiterentwicklung hin zu 5G-NR-basiertem C-V2X wird die heutige C-V2X-Technologie mit zusätzlichen Möglichkeiten ergänzen und erweiterte Anwendungsszenarien für autonomes Fahren ermöglichen. Dazu zählt etwa die Möglichkeit, dass autonome Fahrzeuge ihre geplanten Fahrmanöver austauschen und so die Vorhersehbarkeit und die Verkehrseffizienz erhöhen, was für fortschrittliche Streckenplanung und autonomes Fahren notwendig ist.

Maged Zaki

Director Technical Marketing bei Qualcomm

(av)

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