V2X-Funktechnologie: Fahrzeuge kommunizieren miteinander und mit der Infrastruktur.

V2X: Fahrzeuge kommunizieren miteinander und mit der Infrastruktur. (Bild: Mathworks)

In einem kooperativen Kommunikationsnetzwerk erreicht die V2X-Funktechnologie im Fahrzeug mehr Sicherheit auf den Straßen, verbessert autonomes Fahren und bahnt den Weg zur intelligenten Stadt. Die Fahrzeugkommunikation ermöglicht kontinuierliche, schnelle, authentifizierbare Interaktionen zwischen fahrenden Autos und kategorisiert sich im Allgemeinen in vier Anwendungsfälle: Kommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V, vehicle to vehilce), zwischen Fahrzeugen und straßenseitiger Infrastruktur (V2I), zwischen Fahrzeugen und Fußgängern (V2P) sowie zwischen Fahrzeugen und dem Mobilfunknetz (V2N). Unter dem Sammelbegriff V2X-Kommunikation haben diese Anwendungsfälle das Potenzial, Verkehrsfluss und -sicherheit wesentlich zu verbessern.

Wirksamer als das heutige ADAS

Die Erwartungen einer wesentlichen Verbesserung der Verkehrssicherheit durch die Einführung der V2X-Technologie sind hoch. Ein Bericht der US-Bundesbehörde für Straßen- und Fahrzeugsicherheit (NHTSA) im US-Verkehrsministerium sagt voraus: „Ein Ausbau der V2X-Technologien hat das Potenzial, 81 Prozent der Kollisionen von Personenfahrzeugen zu verhindern.“

Die V2X-Technologie wird fortschrittlichere Sicherheitsfunktionen bieten als andere heute erhältliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Die meisten dieser Systeme nutzen Computer-Vision-, Radar- oder Lidar-Technologien. Das Problem mit derartigen Technologien liegt darin, dass ihre Signale Fahrzeuge nicht durchdringen können und dass keine Informationen zu Fahrzeugen außerhalb des Blickfelds verfügbar sind.

Hingegen bietet V2X wichtige Informationen zu Fahrzeugen innerhalb und außerhalb des Blickfelds, sofern sie sich innerhalb einer bestimmten Kommunikationsreichweite befinden. Daher können mit V2X sowohl semi-autonome Systeme mit Fahrer als auch vollständig automatisierte Systeme wesentlich stärker situationsbezogen agieren. Eine stärkere Situationsbezogenheit bedeutet, dass Fahrzeuge in zahlreichen Verkehrsszenarien kooperieren und die Anzahl der Unfälle verringern können.

Eckdaten

Der Sammelbegriff V2X-Kommunikation bezeichnet den drahtlosen Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen, straßenseitiger Infrastruktur, Fußgängern und Mobilfunknetz. Ziel ist es, damit den Verkehrsfluss und die Verkehrssicherheit des heutigen ADAS wesentlich zu verbessern. Mögliche Funktechnologien sind DSRC (Dedicated Short Range Communications) und die C-V2X-Kommunikation (Cellular V2X), beide im 5,9-GHz-Frequenzband. Mathworks beleuchtet das Thema V2X-Technologie und unterstützt Entwickler bei ihren Herausforderungen mit Simulationen und Tools in der Analyse und beim Testen.

V2X-Markt mit starkem Wachstum

Die V2X-Technologie für Automobile ist für einen großen potenziellen Markt geeignet. Laut Juniper Research ist auf dem V2X-Markt bei jährlicher Wachstumsrate von 26 Prozent bis zum Jahr 2022 ein Anstieg auf drei Milliarden US-Dollar zu erwarten. Bis zum Jahr 2022 sollen dann 50 Prozent der neuen Fahrzeuge über V2V-Hardware verfügen.

Der V2X-Markt besteht aus drei Sektoren. Im Segment Geräte und Halbleiter sind Denso, Continental, Delphi, Qualcomm und Infineon etablierte Hersteller von HF-Transceivern und V2X-Chipsets. In der Mobilfunk-Infrastruktur dominieren unter den Herstellern Huawei, Nokia und Ericsson sowie die Mobilfunkanbieter AT&T, NTT und Docomo. Automobilhersteller wie Toyota und Honda (Japan), GM und Ford (USA) sowie BMW, Daimler und Audi (Deutschland) bilden vorrangig das dritte Segment.

Welche Funktechnologie macht das Rennen?

Für die Umsetzung der V2X-Technologie kommen zwei mögliche Technologien infrage: DSRC (Dedicated Short Range Communications) und die C-V2X-Kommunikation (Cellular V2X). Beide arbeiten im 5,9-GHz-Frequenzband und müssen strenge Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit und Verzögerungen erfüllen:

  • Kommunikationslatenz: unter 100 ms Verzögerung
  • Kommunikationsreichweite: mindestens 300 Meter
  • Unterstützte Fahrzeuggeschwindigkeiten: typische Geschwindigkeiten auf Fernstraßen

DSRC ist eine Ableger der WLAN-Technologie. Der Standard IEEE 802.11p spezifiziert hierfür die Kommunikationsprotokolle (PHY- und MAC-Schicht) . Befürworter dieser Technologie sind unter anderem Autohersteller wie Toyota, Honda und GM. Die Arbeit an der Kurzstrecken-Kommunikation begann im Jahr 2009 und im Jahr darauf waren die Kommunikationsprotokolle vollständig charakterisiert.

Die Befürworter führen an, dass alle Aspekte von DSRC-Standards von der Anwendungsschicht bis zur PHY-Schicht und alle Sicherheitsüberlegungen in den letzten acht Entwicklungsjahren eingeflossen sind. Sie sind überzeugt davon, dass die Technologie nun für den Einsatz in großem Umfang bereit ist. DSRC hat auch bekannte Einschränkungen, denn unter anderem unterstützt es nur V2V- und V2I-Anwendungen und seine Zuverlässigkeit für hohe Fahrzeugdichten und Kommunikationsreichweiten ist begrenzt.

Einen Kompromiss aus zwei Standards eingehen

C-V2X basiert auf der 4G-LTE-Mobilfunktechnologie. Es ist Teil des D2D-Kommunikationsprotokolls (Device-to-Device) des Sidelink-Modus (Proximity-Server), definiert durch den LTE-Advanced-Standard. So ist es jedem Gerät möglich, jedes andere Gerät in seiner Nähe direkt zu erkennen. Anders als DSRC unterstützt C-V2X die Anwendungsfälle V2N und V2P der Fahrzeugkommunikation und das bei höheren Geschwindigkeiten (bis zu 250 km/h) und höheren Fahrzeugdichten (Tausende).

Die  Fürsprecher der C-V2X-Technologie sind ein Consortium von Automobil- und Funkgeräte-Herstellern, bekannt als die 5G Automotive Association (5GAA). Hierzu gehören Intel, Ericsson, Nokia, Audi, BMW, Qualcomm und Denso. Laut der 5GAA sind die Kosten für die Entwicklung einer DSRC-basierten Lösung weit höher als die für Lösungen, die auf C-V2X basieren. Außerdem wird die Lücke der Technologievorteile zwischen C-V2X und DRSC nach der Einführung von 5G-Mobilfunknetzen größer.

Bisher hat sich kein Land für eine dieser Technologien als vorgeschriebene V2X-Technologie entschieden. Es ist wahrscheinlich, dass beide zur Einführung kommen und dass Fahrzeuge mit einem intelligenten System ausgerüstet die Daten beider Technologien verarbeiten und übertragen können.

Herausforderungen bei der Entwicklung bewältigen

Zu den Anwendern der V2X-Technologie gehören Software- und Hardwareentwickler, -integratoren und -serviceanbieter sowie Tester und Leistungsprüfer. Bei der Entwicklung dieser Kommunikationstechnik müssen sie insbesondere Herausforderungen im Bereich Visualisierung, Prototypenentwicklung und Weiterentwicklung von Modellen bewältigen.

Zunächst geht es um das Visualisieren, Aktualisieren und Überwachen von Fahrzeugdynamik und Drahtlos-Sensornetzwerken (Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Fahrzeugen im Netzwerk; Fahrzeuge, die das Netzwerk betreten und verlassen; Stärke des HF-Signals an jedem Fahrzeug; Status der Verbindungen zwischen den einzelnen Fahrzeugen; sonstige Systemelemente).

Für unterschiedliche Kollisionsvermeidungs- und Verkehrsproblemlösungs-Algorithmen auf V2X-Chips müssen die Anwender Prototypen entwickeln. Dies umfasst Funkmodem-Operationen für Übertragung und Empfang grundlegender Sicherheitsnachrichten sowie Kollisionsvermeidungs-Algorithmen und Verkehrssteuerungsnachrichten, die das Fahrzeug in Echtzeit verarbeitet.

Zuletzt gilt es, die Effekte der V2X-Techniken auf den Verkehr insgesamt zu überwachen und entsprechende Modelle weiter zu entwickeln (Status von Kollisionsvermeidungsmaßnahmen, allgemeine Kommunikationsmetriken wie Verzögerungen und Durchsatz, Algorithmen zur Verkehrsumleitung und Dynamik von V2X-Knoten für die Optimierung eines gegebenen Satzes von Kriterien) und kontinuierliche Suche nach stärker optimierten Techniken anhand riesiger Mengen tatsächlicher Felddaten.

Simulation und Tools unterstützen bei Analyse und Test

Es ist unerlässlich, dafür zu sorgen, dass sicherheitskritische Anwendungen und Geräte wie V2X genau so funktionieren wie beabsichtigt. Mithilfe von Computersimulationen lässt sich ein Modell des Systems, seiner Komponenten und seiner Umgebung erstellen und umfassend testen. Tools für das Model-Based-Design ermöglichen dabei die Visualisierung, die Analyse und das Testen von unterschiedlichen Verkehrsszenarien und Fahrzeugdynamiken sowie eine Überprüfung, ob das V2X-System die erwartete Kollisionsvermeidung bietet.

Fahrzeugnutzung und städtische Sicherheit verändert sich dank der Automatisierung radikal. Intelligente Transportsysteme wie autonome Fahrzeuge sind so entworfen, dass sie die Ereignisse in ihrer Umgebung berücksichtigen können. Diese situationsbezogenen Systeme können auf die Bewegungen anderer Fahrzeuge und Fußgänger in Echtzeit reagieren. Indem immer mehr Fahrzeuge auf den Straßen diese Arten automatisierter Fahrfunktionen nutzen, einschließlich V2X, kann die Sicherheit des Fahrens insgesamt deutlich zunehmen. Diese Schritte führen hinsichtlich der Verringerung von Fahrzeugkollisionen in die richtige Richtung. Die aktuellen Entwicklungen in der Fahrzeugelektronik sind hochinteressant.

Houman Zarrinkoub

Senior Manager für Drahtlosprodukte bei Mathworks

(jwa)

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