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Grundlagen des Autonomen Fahrens – Teil 4

| Autor/ Redakteur: Mark Patrick / Benjamin Kirchbeck

Im vierten Teil der Grundlagenreihe zum Autonomen Fahren, werden die V2V- als auch V2I-Kommunikation näher beleuchtet und die vielversprechendsten Kommunikationstechnologien vorgestellt.

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(Bild: Mouser)

Wenn selbstfahrende Autos wirklich einst auf öffentlichen Straßen unterwegs sein sollen und die zahlreichen potenziellen Vorteile realisieren, die sie versprechen, ist es unerlässlich, den Aspekt der Kommunikation umfassend zu betrachten. Die integrierten Sensoren, die im letzten Artikel vorgestellt wurden, sind zwar wichtig, können jedoch nur einen Teil der Informationen über die Umgebung eines Autos liefern. Damit das Fahrzeug sich für die richtige Vorgehensweise entscheiden kann, ist eine detailliertere Karte der Umgebung erforderlich. Diese kann mithilfe von Informationen von anderen Verkehrsteilnehmern und Infrastruktur in der Nähe erstellt werden.

Sowohl Vehicle-to-Vehicle (V2V)- als auch Vehicle-to-Infrastructure (V2I)-Kommunikation basiert auf Drahtlos- oder Funksystemen. Welche Protokolle am besten geeignet sind, wird sich in Zukunft zeigen. Eine ideale Lösung muss eine schnelle Datenübertragung (sowohl beim Empfang als auch beim Senden) sowie geringe Latenzzeiten bieten, um die Reaktionsfähigkeit zu steigern und Verkehrsteilnehmer besser zu schützen. Zudem ist ein hohes Maß an Sicherheit erforderlich, um zu verhindern, dass Fahrzeuge Hackern zum Opfer fallen.

Automobilhersteller, Tier-One-Lieferanten, Halbleiterfirmen und Telekommunikationsunternehmen entwickeln derzeit verschiedene Arten von V2V-/V2I-Technologie, die in die nächste Generation von Fahrzeugmodellen integriert werden soll. Im Folgenden werden die vielversprechendsten Kandidaten vorgestellt.

Dedicated Short Range Communication (DSRC) ist die wohl bislang bekannteste Methode für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen. Sie wird seit 1999 im Automobilbereich eingesetzt. DSRC basiert auf dem 802.11p-Protokoll für Drahtloskommunikation, läuft je nach Land auf dem 5,8-GHz- oder 5,9-GHz-Band und hat eine Reichweite von bis zu 300 Metern. Dank ihrer relativ geringen Latenzzeit von etwa 5 ms bietet sie im Vergleich mit anderen Kommunikationstechnologien enorme Vorteile in Bezug auf die Sicherheit.

Unternehmen wie Toyota, General Motors und Ford haben sich mit DSRC als kosteneffiziente Lösung für ihre Kommunikationsanforderungen beschäftigt. Obwohl sie einfach verständlich und günstig ist, hat die Technologie einige Nachteile, die ihre Attraktivität einschränken. Die Frequenzbänder für DSRC unterscheiden sich in verschiedenen Ländern, weshalb die Integration für den globalen Markt eine größere Herausforderung ist, da in Europa, Asien oder den USA nahezu die gleichen Autos verkauft werden.

Die Sicherheit ist ebenfalls ein Problem. Die Daten werden zwar verschlüsselt, es hat sich jedoch herausgestellt, dass DSRC anfällig für Jamming, Fehlalarme und sogenannte Man-in-the-Middle-Angriffe (bei denen Hacker die Kommunikation zwischen zwei Parteien ändern) ist. Zudem unterstützt es nur geringe Datenraten (gemessen in Mbit/s), während Prototypen von autonomen Fahrzeugen allein bei den Informationen, die von ihren Sensoren erfasst werden (wir LiDAR-Bildverarbeitung), bereits im Gbit/s-Bereich arbeiten.

Kommunikationsprotokolle, die V2X unterstützen.
Kommunikationsprotokolle, die V2X unterstützen.
(Bild: Mouser)

DSRC ist für die Zukunft also nur eingeschränkt attraktiv. Dies zeigt sich unter anderem in der Entscheidung von Ford, sich auf Funknetzwerke zu konzentrieren. Viele Automobilhersteller haben LTE 4G-Technologie jedoch bereits vollständig übersprungen, weil sie trotz der bereits vorhandenen Infrastruktur nicht die nötige Leistung bietet, um autonome Fahrzeuge zu unterstützen. Mit Spitzendatenübertragungsraten von nur 300 Mbit/s und einer durchschnittlichen Latenzzeit von etwa 50 ms bringen LTE-Netzwerke ernste betriebliche Einschränkungen mit sich. Stattdessen nehmen die meisten Unternehmen die kommenden 5G-Netzwerke als grundlegende Technologie für V2V- und V2X-Systeme in den Blick.

Im Rahmen von Special-Interest-Groups, wie der 5G Automotive Association, kommen Automobilhersteller, Zulieferer, Chiphersteller und Betreiber von Telekommunikationsnetzwerken zusammen, um die Technologie für Fahrzeuganwendungen gemeinsam weiterzuentwickeln. Die Vorteile von 5G sind offensichtlich: unglaublich hohe Datenraten, die teilweise weit über 10 Gbit/s liegen, eine außerordentlich geringe Latenzzeit von nur 1 ms sowie die Möglichkeit, vorhandene Infrastruktur zu nutzen.

Geschwindigkeit ist der Schlüssel. Wenn Sie 4,5 GB an Daten (zum Beispiel einen Film) über ihre DSL-Leitung zu Hause mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 50 Mbit/s herunterladen, dauert es 13 Minuten. Über eine 5G-Verbindung ist der gleiche Download in 4 Sekunden möglich. Selbst die Menge an Daten, die für selbstfahrende Fahrzeuge erforderlich ist, kann mit 5G frei fließen, ohne dass bestimmte Datenpakete zwischengespeichert oder priorisiert werden müssen. Der wahrscheinlich größte Vorteil von 5G ist jedoch seine extrem geringe Latenzzeit – ein unerlässlicher Aspekt für autonome Abläufe.

Die Zeit, die ein Mensch benötigt, um einen Zwischenfall auf der Straße zu erkennen und darauf zu reagieren, beträgt etwa 1 Sekunde. Wenn er in einem Auto mit etwa 100 km/h unterwegs ist, legt er eine Strecke von ca. 28 Meter zurück, bevor er auf die Bremse tritt und langsamer wird. Ein vernetztes Fahrzeug mit einer 5G-Hochgeschwindigkeitsverbindung könnte 1.000 Mal schneller reagieren und schon nach wenigen Zentimetern anfangen zu bremsen.

Es ist jedoch nicht zu leugnen, dass noch ein weiter Weg vor uns liegt – insbesondere in Bezug auf die Sicherheit. Exemplarisch hat die britische Regierung vier Bereiche definiert, die noch besondere Aufmerksamkeit erfordern.

  • Schichtübergreifende Sicherheit: Zur Koordination verschiedener Sicherheitsmethoden für jede Sicherheitsschicht ist ein einheitlicher Rahmen erforderlich.
  • Domänenübergreifende Sicherheit: 5G-Netzwerke generieren eine Vielzahl an verschiedenen Anwendungsfällen. Deshalb ist die Zusammenarbeit zwischen Gruppen erforderlich, um Sicherheitslösungen domänenübergreifend zu integrieren.
  • End-to-End-Sicherheit: Eine sichere Verbindung für die Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Kernnetzwerk ist unerlässlich.
  • Integrierte Sicherheit: Mit Weiterentwicklung des Netzwerks müssen von vornherein Sicherheitsmechanismen in das Design integriert werden.

Ein Aspekt ist vielleicht noch wichtiger: Wenn vernetzte Fahrzeuge massentauglich werden, ist eine bessere Netzwerkabdeckung unbedingt erforderlich. In ländlichen Gebieten ist der Handyempfang oft schlecht. Das mag frustrierend sein, bringt jedoch keine unmittelbare Gefahr mit sich. Wenn dagegen ein vernetztes autonomes Fahrzeug, das auf externe Informationen angewiesen ist, auf einem vielbefahrenen oder komplizierten Straßenabschnitt kein Signal empfängt, kann das verheerende Folgen haben.

Kommunikationsnetzwerke der Zukunft müssen also nicht nur extrem zuverlässig sein und eine hohe Redundanz bieten. Sie müssen auch erweiterbar sein, um größere geografische Flächen abzudecken – darunter auch Gemeinden, in denen es derzeit nicht einmal eine gute 4G-Abdeckung gibt. Bis es so weit ist, spielt Fahrzeugautonomie wahrscheinlich nur in städtischen Gebieten eine Rolle.

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