Vernetzte Fahrzeuge: Wie 5G die V2X-Kommunikation auf das nächste Level bringt

Im Jahr 2023 werden weltweit über 76 Millionen vernetzte Autos verkauft sein. Die Vehicle-to-Everything (V2X)-Technologie ermöglicht es vernetzten Fahrzeugen, mit der Infrastruktur, der Cloud und miteinander zu kommunizieren. Hochgeschwindigkeitskommunikation, ständige Netzwerkkonnektivität und schnelle Reaktionen ebnen den Weg für intelligente Autos. Das V2X-Ökosystem kann im Zusammenspiel mit 5G das Fahrerlebnis verbessern und neue Horizonte für Automobilunternehmen eröffnen. So geht's.

Modernes Fahrzeug-Ökosystem

Die heutigen intelligenten Fahrzeuge können mit Navigationssystemen, Ampeln, Parkanlagen und anderen Fahrzeugen kommunizieren. Autos scannen ihre Umgebung durch mehrere Erkennungssensoren wie Kameras, Radare und Ultraschall. Die Konnektivität der Lösungen für die Automobilindustrie basiert auf verschiedenen Kommunikationstechnologien, darunter DSRC (Dedicated Short-Range Communications), WLAN, GPS und Mobilfunkkonnektivität.

Die V2X-Technologie umfasst die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V), Fahrzeugen und Infrastruktur (V2I) sowie Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern. Am häufigsten sind dies Fußgänger und Radfahrer (V2P). Die Technologie ermöglicht es Autos auch, verschiedene Verbindungen außerhalb des Fahrzeugs herzustellen:

• Fahrzeug zu Navigationssystem: Die Verbindung von Fahrzeugen mit Navigationssystemen ist ein wichtiges Werkzeug für das Verkehrsmanagement. Navigationssysteme können CAN-Informationen (Controller Area Network) erlangen und sich mit Echtzeit-Verkehrsdaten vernetzen. Die Informationen von der Landkarte, dem GPS und den Sensoren anderer Fahrzeuge helfen, die Ankunftszeit zu berechnen, den Verkehr zu beobachten, die aktuelle Geschwindigkeitsbegrenzung zu erfahren und eventuelle Unfälle zu lokalisieren.
• Fahrzeug zu Verkehrsinfrastruktur: Fahrzeuge können sich mit verschiedenen Elementen der Verkehrsinfrastruktur verbinden. Dazu gehören Schilder, Verkehrssignale, Mautstellen, Arbeits- und Schulbereiche.
• Fahrzeug zu öffentlichen Verkehrssystemen: Durch die Verbindung von Fahrzeugen mit öffentlichen Verkehrssystemen erhalten Fahrer Echtzeitinformationen über öffentliche Verkehrsmittel und Verkehrsbedingungen. Sie hilft auch, alternative Routen zu finden und Fahrten neu zu planen.

Auf diese Weise generieren vernetzte Fahrzeuge viel mehr Daten als Computer, Smartphones und IoT-Geräte von Verbrauchern. Dazu gehören Daten über Fahrtrouten, Geschwindigkeit und Verschleiß von Komponenten. Ein modernes Fahrzeug-Ökosystem erfasst auch Daten von Kameras, Landkarten und Verkehrssystemen. WLAN- und Mobilfunknetze helfen beim Senden und Empfangen dieser Datenströme. Vor allem 5G kann die Kapazität von Mobilfunknetzen und die Geschwindigkeit des Datenverkehrs erhöhen.

Das 5G-Netz kommt auf den Markt

5G ist der Mobilfunkstandard der fünften Generation. Seit 5G im April 2019 zum ersten Mal an den Start ging, hatte es viele Herausforderungen zu meistern. Die wirtschaftliche Unsicherheit durch die anhaltende Corona-Pandemie ist nur eine davon. Seit COVID-19 sind die Vorhersagen über das mögliche Volumen von 5G-Verbindungen bis 2025 weniger optimistisch geworden. Die Zahlen im Jahr 2020 sind zweimal niedriger als 2017 vorhergesagt. Laut aktuellen Prognosen für 2025 wird

• ein Fünftel der Weltbevölkerung Zugang zum 5G-Netz haben, 
• die Anzahl der 5G-Verbindungen in Westeuropa sich auf rund 289 Millionen belaufen.

Heute profitieren viele Dienstleister von der neuen Art der Konnektivität, und die Automobilbranche ist da keine Ausnahme. Um nur einige Beispiele für aktuelle Partnerschaften zu nennen:

• Ericsson und Telefónica Deutschland arbeiteten zusammen, um 5G in der Automobilproduktion eines Mercedes-Benz-Werks einzusetzen.
• Continental kooperierte mit Vodafone, um einen digitalen Sicherheitsschild zu entwickeln, der Fahrzeuge, Radfahrer und Fußgänger miteinander verbindet.
• Samsung und HARMAN brachten gemeinsam mit BMW den BMW iNEXT auf den Markt, der mit einer 5G Telematics Control Unit (TCU) ausgestattet ist.

Der Einsatz von 5G in der V2X-Konnektivität wird durch einen Wechsel zu Cellular V2X (C-V2X) möglich – dem jüngsten Industriestandard für die Fahrzeugkommunikation nach dem WLAN-basierten V2X. Führende Automobilhersteller wie Audi, BMW, Ford und Tesla setzen C-V2X in ihren Fahrzeugen ein.

Intelligente Autos benötigen Kommunikation mit hoher Bandbreite, kontinuierliche Verbindung zum Netzwerk und schnelle Reaktionen. Das alles bietet 5G.

5G vs. 4G: Geschwindigkeit, Latenz und Kapazität

C-V2X kann sowohl 4G- als auch 5G-Mobilfunknetze nutzen. Im Vergleich zu 4G ist die fünfte Generation des Mobilfunkstandards bis zu 100-mal schneller, mit einer theoretischen Höchstgeschwindigkeit von etwa 20 Gbps. 5G ist in der Lage, die Daten von bis zu einer Million Geräten pro Quadratkilometer zu verarbeiten. 5G arbeitet in einem breiteren Frequenzbereich als 4G und bietet damit mehr Kapazität. Es kann außerdem Daten mit einer verkürzten Reaktionszeit verarbeiten, die unter typischen Bedingungen 4 ms und bei maximaler Geschwindigkeit 1 ms beträgt.

5G bietet niedrige Latenzzeiten, Zugang zu erweiterter Bandbreite und weitreichende Konnektivität. Eine verbesserte Datenübertragung ohne Geschwindigkeitseinbußen und eine bessere Netzwerkkapazität sind jedoch nicht die einzigen Vorteile von 5G-Netzwerken.

V2X-Anwendungsfälle, die durch 5G ermöglicht werden

C-V2X-Konnektivität erhöht die Effizienz der Verkehrsinfrastruktur und verbessert die Verkehrssicherheit. Sie bietet Automobilunternehmen neue Entwicklungsbereiche und hat eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Die 5G Automotive Association (5GAA), eine industrienübergreifende Organisation von Unternehmen, die die C-V2X und 5G-Entwicklungen voran treiben, hat Anwendungen für Fahrzeuge in vier Kategorien eingeteilt:

1. Sicherheit: Anwendungsfälle, die darauf abzielen, die Häufigkeit und Schwere von Fahrzeugunfällen zu reduzieren (z. B. Warnung der Fahrer vor Unfallrisiken).
2. Bequemlichkeit: Anwendungsfälle, die Daten und den Zustand des Fahrzeugs verwalten und Diagnostik und Software-Updates anbieten (z. B. Over-the-Air-Updates, die autonom im sicheren Modus und zu einer bestimmten Zeit heruntergeladen werden).
3. Vulnerable Road User (VRU, ungeschützte Verkehrsteilnehmer): Anwendungsfälle, die eine sichere Interaktion zwischen Fahrzeugen und nicht motorisierten Verkehrsteilnehmern – z.B. Fußgängern, Motorrädern und Fahrrädern – unterstützen.
4. Fahrerassistenzsysteme (ADAS): Anwendungsfälle konzentrieren sich auf die Verbesserung des Verkehrsflusses, das Voraussehen von Ampelschaltungen und variablen Geschwindigkeitsbeschränkungen, Wetterwarnungen etc. konzentrieren. Fahrzeuge können Fahrer zum Beispiel über gefährliche Straßenbedingungen informieren.

V2X stützt sich nicht nur auf Sensoren, sondern auch auf Daten von Fahrzeugen in der Nähe. Dies ermöglicht eine Reihe von fortschrittlichen Lösungen für kooperatives Fahren, Kollisionsvermeidung und Sicherheitswarnungen. Werfen wir einen genaueren Blick auf einige potenzielle Einsatzmöglichkeiten von V2X mit 5G:

1. Platooning: Platooning ermöglicht, dass ein Fahrer mehrere Fahrzeuge fährt, die in unmittelbarer Nähe zueinander operieren. Ein solcher Konvoi beschleunigt und bremst gleichzeitig, was die Kapazität der Straßen erhöht und Kraftstoff spart. Außerdem könnte es laut dem Europäischen Automobilherstellerverband die CO2-Emissionen von Fahrzeugen um bis zu 16 % reduzieren.
   Mit 5G ist hochdichtes Platooning möglich, wenn mehr als drei Fahrzeuge miteinander kommunizieren. Die größten Vorteile in puncto Effizient und Sicherheit liegen beim Platooning im Lkw-Fernverkehr. Wenn zum Beispiel ein Fahrer einschläft, folgt sein Lkw automatisch dem Führer des Platoons. Die OEMs Volvo, MAN, Daimler und Scania haben bereits Prototypen auf der Straße im Einsatz.
2. Kooperatives Fahren: Kooperatives Fahren ist eine fortschrittliche, vernetzte Lösung, die es Autos ermöglicht, sich an den umgebenden Verkehr anzupassen. Autos in der Nähe tauschen Sensordaten aus, um ihre Bewegungen zu koordinieren. Ein mögliches Szenario ist, dass ein Fahrzeug automatisch langsamer wird, wenn es ein anderes überholt. Indem sie kooperativ handeln, können Autos Störungen durch Spurwechsel, plötzliches Bremsen oder andere unerwartete Bewegungen vermeiden. In der Praxis ist das kooperative Fahren ohne 5G nicht möglich.
3. Stau- oder Gefahrenwarnung: Dieses System warnt Fahrer vor sich ändernden Wetterbedingungen, Straßenarbeiten oder Fahrzeugunfällen. Echtzeitdaten von Fahrzeugen, Netzwerken und der Infrastruktur machen diese Warnungen ortsgenau und präzise. Dies motiviert Fahrer auch, langsamer zu fahren und plötzliches Bremsen oder Kollisionen zu vermeiden.
   
   Warnung vor blinden Kreuzungen
4. Kollisionsvermeidung: Diese Systeme zielen darauf ab, Fahrer vor einem möglichen Kollisionsrisiko zu warnen. Das System kann den Lenkwinkel korrigieren oder sogar notwendiges Bremsen erzwingen. Um Kollisionen zu verhindern, sendet jedes Fahrzeug seine Position, Geschwindigkeit und Richtung, um sie mit anderen Fahrzeugen in der Nähe abzugleichen. Das System erkennt auch die Smartphones von Radfahrern und Fußgängern und ermöglicht es so, auch diesen auszuweichen. Luxusautos wie der Audi A8, Honda Accord, Lexus LS und die Mercedes-Benz E-Klasse verfügen bereits über Kollisionsvermeidungssysteme. Sie überwachen auch den toten Winkel, verfügen über adaptive Geschwindigkeitsregelung und automatische Notbremsung. 5G wiederum könnte zahlreiche Verbindungen zwischen allen Fahrzeugen unterstützen und die genaue Position jedes Autos und anderer Verkehrsteilnehmer bestimmen.

Die 5G-Ära ermöglicht es den Automobilherstellern, eine breite Palette fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme zu entwickeln. Neben Kollisionswarnungen und hochdichtem Platooning gibt es E-Tolling, Wetter-Updates und sogar Cybersecurity-Dienste zur Überwachung von Fahrzeugen auf Angriffe. Die fünfte Generation des Mobilfunks ermöglicht außerdem autonomes Fahren.

5G für autonomes Fahren

Das 5G-Netzwerk wird zur Schlüsseltechnologie für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge. Diese Autos produzieren ein riesiges Datenmeer: Jedes vernetzte und autonome Fahrzeug erzeugt bis zu 5 TB an Daten pro Stunde. Dazu gehören Informationen, die von Hunderten von Sensoren wie Kameras, Radar, Lidar und Ultraschall erfasst werden. Zum Vergleich: Ein fahrerloses Fahrzeug erzeugt dieselbe Datenmenge wie etwa 3.000 Menschen mit ihren Gadgets im selben Zeitraum.

Selbstfahrende Autos benötigen eine schnellere Datenübertragung als andere Fahrzeuge. Eine schnelle Reaktionszeit ist notwendig, um wichtige Entscheidungen unter Echtzeit-Straßenbedingungen zu treffen. Die Technologie funktioniert wie folgt: Sie ermittelt, wo Fußgänger sich befinden, sagt die nächste grüne Ampel vorher und vieles mehr. Mit der 5G-Geschwindigkeit können automatisierte Steuerungssysteme in Notfallsituationen, in denen schnelle Entscheidungen notwendig sind, sofort reagieren.

Mit 5G können vernetzte Fahrzeuge Daten in der Cloud verarbeiten und cloudbasierte KI sofort selbstgesteuerte Entscheidungen treffen lassen. Mithilfe von Daten aus intelligenten Autos können ML-Techniken genaue Modelle der Umgebung erstellen und Autos dazu bringen, langsamer zu fahren oder die Spur zu wechseln.

Außerdem hilft die smarte Kombination aus 5G und Edge Computing, Daten noch schneller zu entschlüsseln. Die Datenverarbeitung und -analyse mit Edge Computing erfolgt automatisch in Servern, die näher an den Geräten und Nutzern sind. Diese Synergie beschleunigt die Kommunikation mit dem Edge. Dadurch kann die Fahrzeuginfrastruktur große Datenmengen verarbeiten, ohne an die Limits des Netzwerks zu stoßen. Die Kombination beider Technologien reduziert außerdem den Datenverkehr im Netzwerk und die Übertragungskosten.

Unterm Strich

5G treibt die Automobilindustrie zu neuen Höhen, verbessert die drahtlose Konnektivität und führt neue innovative Lösungen ein. Es kann mehrere Verbindungen in einem kleinen Bereich unterstützen und einen Standort schneller als je zuvor und sehr präzise ermitteln. 5G-basierte V2X-Konnektivität bringt ultraniedrige Latenzzeiten und ultrahohe Zuverlässigkeit mit sich. Die Vorteile sind:

• Nahtlose Verbindung
• Schnelle Datenübertragung mit minimalen Geschwindigkeitseinbußen 
• Erkennung sich wiederholdender Verkehrssituationen 
• Höhere Verkehrssicherheit
• Optimierte vorausschauende Wartung

Das 5G-Netz öffnet die Tür für die digitale Transformation der Automobilindustrie und bringt uns einer Zukunft mit autonomen Fahrzeugen einen Schritt näher.