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- Beim autonomen Fahren und dem Fahren mit Assistenzsystemen werden sechs Stufen der Automatisierung unterschieden.
- Vehicle-to-Everything-Kommunikation (V2X) ist eine technische Voraussetzung für autonomes Fahren im Auto der Zukunft.
- Ohne Echtzeitkommunikation lassen sich viele sicherheitskritische Prozesse nicht zuverlässig abbilden.
- Diverse Betriebsmodi sorgen für die korrekte Verteilung notwendiger Informationen an einzelne Fahrzeuge.
Die Zukunft des autonomen Fahrens hängt auch von der direkten Kommunikation zwischen Fahrzeugen ab. Das funktioniert beispielsweise über den Mobilfunkstandard 5G. Vehicle-to-Everything (V2X) beziehungsweise Car-to-everything (Car2x) heißt die Technologie, die eine intelligente Vernetzung aller Verkehrsteilnehmer ermöglichen soll. Mit V2X und 5G wird eine fast verzögerungsfreie Verständigung unmittelbar zwischen Fahrzeugen, aber auch zwischen Fahrzeugen und beispielsweise Ampeln sichergestellt. Wie das technisch umgesetzt wird und welche Herausforderungen auf dem Weg zum autonomen Fahren beim Auto der Zukunft noch zu meistern sind, erfahren Sie hier.
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Das Auto der Zukunft – was ist autonomes Fahren?
Auch wenn oft vereinfacht vom autonomen Fahren gesprochen wird, so gibt es in der Praxis große Unterschiede zwischen den Assistenzsystemen. Abhängig davon, wie stark diese im Fahrbetrieb eingreifen und unterstützen, wird assistiertes oder autonomes Fahren in sogenannte SAE-Level eingeteilt. Hierbei übernimmt der Computer von Level zu Level mehr Funktionen. Nur in der höchsten Stufe der Automatisierung fährt das Fahrzeug der Zukunft tatsächlich vollkommen autonom. Von autonomem Fahren „Level 0” ist die Rede, wenn keinerlei Assistenzsysteme zum Einsatz kommen und der/die Fahrer:in das Fahrzeug komplett selbst führt. Übernehmen jedoch elektronische Systeme ganz oder teilweise den Fahrbetrieb, gibt es folgende Level:
Level 1 – Assistiertes Fahren
Der Mensch am Steuer hat die Kontrolle über das Fahrzeug und muss selbständig lenken, Gas geben und bremsen können. Assistenz-Systeme unterstützen hierbei, indem sie je nach Fahrsituation einzelne Teilaufgaben übernehmen. Sie führen beispielsweise das Auto in der markierten Fahrspur oder halten Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen oder behalten ein vorher eingestelltes Tempo selbständig bei. Auch ein Tempomat gehört somit zu den Level-1-Systemen. Der Mensch gibt weiterhin entweder Gas und bremst oder er lenkt das Fahrzeug. Er gibt aber nicht beides gleichzeitig an die Elektronik ab, da die Assistenzsysteme auf diesem Level dafür nicht ausgelegt sind.
Level 2 – Teilautomatisiertes Fahren
Der Mensch hat auch hier die volle Kontrolle und muss ständig die Umwelt im Blick halten. Dabei darf er aber die gesamte Steuerung inklusive Lenkung und Gas/Bremse für kurze Zeit an digitale Assistenten übergeben. Er muss jedoch kurzfristig wieder übernehmen können. Die Systeme halten beispielsweise die Spur, bremsen, beschleunigen und überholen selbsttätig.
Hier kann die Technik mehrere Assistenten zu einem Gesamtsystem verbinden, etwa den Abstandsassistent und den Spurhalteassistent. Auch das automatisierte Einparken nach dem Aussteigen mit Gasgeben und Lenken ist eine Level-2-Funktion. Der Autopilot von Tesla (Full Self-Driving-Modus) oder die Distronic+ von Mercedes werden üblicherweise als Level-2-Systeme eingestuft.
Level 3 – Hochautomatisieres Fahren
Der Mensch gibt sogar für längere Zeit die Kontrolle über das Fahrzeug an Assistenzsysteme ab. Er kann grundsätzlich zwischendurch Zeitung lesen oder sich anderweitig beschäftigen, muss aber bei Problemen wieder übernehmen können.
Die digitalen Assistenten bremsen selbsttätig, geben Gas oder überholen auf längeren Streckenabschnitten. Dies geschieht aber nur in für die Automatik leicht zu kontrollierenden Umgebungen, zum Beispiel auf der Autobahn – also ohne Gegenverkehr und innerhalb von deutlich markierten Fahrspuren.
Level 4 – Vollautomatisiertes Fahren
Der Mensch kann die Steuerung über das Fahrzeug komplett an die Automatik übergeben und sich anderen Dingen zuwenden – etwa einen Film schauen oder wie oben beschrieben eine Zeitung lesen. Vorgegebene Fahrsituationen werden vom Fahrzeug allein bewältigt.
In bestimmten Fahrumgebungen übergibt die Technik nach vorheriger Ankündigung oder auf Wunsch des Fahrers oder der Fahrerin die Kontrolle zurück an den Menschen. Während der vollautomatisierten Fahrt sind Halter oder Hersteller für das Fahrzeug verantwortlich. Übernimmt ein Mensch die Kontrolle, liegt die Verantwortung wieder bei ihm.
Level 5 – Autonomes Fahren
Alle Insassen des Fahrzeuges sind nur noch Passagiere, zum Beispiel in einem selbstfahrenden Bus. Im Fahrzeug muss es daher nicht notwendigerweise Lenkrad oder Pedale geben. Das Auto ist komplett autonom, beherrscht sicher alle Fahrsituationen und liegt rechtlich in der Verantwortung des Herstellers oder des Halters.
In zwei Gesetzen von 2017 und 2021 hat Deutschland den rechtlichen Rahmen für das automatisierte Fahren bis hin zu Level 4 auf öffentlichen Straßen geschaffen.
V2X – das Fahrzeug der Zukunft kommuniziert
V2X ist der nächste große Schritt in der Weiterentwicklung des autonomen Fahrens. Auf einer Teststrecke auf der A9 in Bayern erproben verschiedene Industriepartner wie Vodafone, Huawei und Bosch V2X seit 2017 in der Praxis. Zusätzlich betreibt Vodafone gemeinsam mit der RWTH Aachen ein Testareal in Aldenhoven. Im dortigen Freiluftlabor kommen die jüngsten Techniken für die digitale Zukunft der Automobile vor dem Ausbau auf den Prüfstand.
Auf der 5G-Vernetzung und V2X-Kommunikation liegen viele Erwartungen. V2X steht für „Vehicle to Everything”, also soviel wie „Fahrzeug-zu-Umgebung”-Kommunikation. Es ist die Weiterentwicklung von Assistenzsystemen, die aktuell bereits vielfach im Einsatz sind. Dazu gehört beispielsweise die adaptive Abstands- und Geschwindigkeitsregelung (ACC): Sensoren solcher Systeme erfassen nur das unmittelbare Geschehen und übermitteln die Information an das Assistenzsystem, welches seinerseits zuverlässig abbremst und beschleunigt und den Fahrer warnt.
Vorausschauend Fahren und Bremsen – ohne Echtzeitkommunikation im Auto der Zukunft unmöglich
Bei hohen Reisegeschwindigkeiten wird die Verarbeitungs- und Reaktionszeit von Assistenzsystemen immer kritischer, insbesondere im Hinblick auf höhere Level des autonomen Fahrens. Dafür sind immer komplexere Ad-Hoc-Informationen notwendig. Die Lösung könnte Echtzeit-Vernetzung über 5G und V2X-Kommunikation heißen. Dadurch kann ein Fahrzeug weiter hinten umgehend „erfahren”, wenn weiter vorne ein anderes Fahrzeug bremst. Das ACC-System kann dann vorausschauend agieren.
Vodafone hat für das Auto der Zukunft in Deutschland bereits mit dem Ausbau von 5G Standalone (SA) begonnen. Als erster Anbieter in Europa entkoppelt Vodafone 5G an allen 3,5-Gigahertz-Standorten vom LTE-Netz und schafft eine eigene 5G-Infrastruktur. Somit erfolgt die Datenübertragung im 5G-Kernnetz ohne Komponenten aus der langsameren Vorgängertechnik LTE. Das 5G Standalone-Netz erreicht dadurch besonders geringe Laufzeitverzögerungen (Latenzen) beim Datenaustausch von rund 10 bis 15 Millisekunden. Informationen werden also quasi in Echtzeit, etwa zwischen Fahrzeugen und Verkehrszentrale ausgetauscht. Das ist die Voraussetzung für noch besseres assistiertes und autonomes Fahren.
Bereits seit Februar 2017 erproben Bosch, Vodafone und Huawei das System im Livebetrieb – zum Beispiel beim Spurwechsel oder bei unvorhersehbaren Bremsvorgängen auf der Autobahn. Mit Erfolg: Das automatische Beschleunigen oder Abbremsen durch ACC erfolgt nun dank einer Steuerung über den extrem schnellen Mobilfunk 5G nahezu in Echtzeit. Statt einer Warnung greift V2X aktiv in das Verkehrsgeschehen ein. Systeme zur autonomen Steuerung können so nicht nur über Sensoren die unmittelbare Umgebung erfassen. Durch die Vernetzung mit anderen Fahrzeugen können weitere Informationen in die Berechnung eines sicheren Fahrweges einfließen. Doch wie genau funktioniert das?
Wahre Autonomie gelingt nur bei vollkommener Vernetzung
Verdeutlichen wir das am Beispiel einer vollen Bahnhofshalle. Normalerweise sorgen unsere menschlichen Sinne dafür, dass wir mit anderen nicht zusammenstoßen. Wir können quer laufende oder unvermittelt stoppende Menschen schnell wahrnehmen und reagieren. Doch wenn es sehr voll ist, reichen die eigenen Sinne nicht aus: Wenn weiter vorne jemand unvermittelt ausweichen muss, kann es im Gewirr zu Fehleinschätzungen und damit zu Unfällen kommen.
Stellen Sie sich jetzt vor, dass alle mit einem Handy ausgestattet und in Echtzeit über einen Server im Bahnhof vernetzt sind (5G). Die ausgehenden Signale werden durchgehend gesammelt und sämtliche Positionen, Schrittgeschwindigkeiten sowie alle Abstände laufend durch smarte Vernetzung untereinander ausgetauscht und an die Handys gesendet – das wäre das Äquivalent zu V2X im Auto der Zukunft. Würden nun die Mobiltelefone die Bewegungen der Reisenden steuern, könnten sich alle kollisionsfrei und auf dem schnellsten Weg zu ihrem Bestimmungsort bewegen.
Video: YouTube / Die Technik hinter dem autonomen fahren
Die Fahrzeugumgebung als Echtzeit-Mikrokosmos
Multilayer-Technologie
5G ist ein Teil der Multilayer-Technologie. Für unterschiedliche Anforderungen bietet Vodafone jeweils die passenden Netze – ob mit Kabel-Glasfaser, IoT, LTE oder 5G. Damit Sie neue Chancen für Ihr Business ergreifen können.
Auf Fahrzeuge und den Straßenverkehr übertragen, wird diese Entwicklung für weniger Staus und weniger Stress beim Autofahren sorgen: V2X sendet mittels 5G in Echtzeit über die Basisstationen im Umkreis von 300 Metern die Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs an alle anderen Autos. Die Steuerungsautomatik in einem autonomen Fahrzeug bremst dann bei einem unerwarteten, schnellen Ausscheren eines anderen Fahrzeugs sofort ab. Sobald wieder ausreichend Abstand zum vorneweg fahrenden Auto besteht, beschleunigt die autonome Steuerung auf das zuvor eingestellte Tempo.
Die eingebaute SIM-Karte ist bei vielen Neuwagenmodellen mittlerweile schon Alltag. Seit April 2018 ist sie zudem Pflichtausstattung in allen neuen Fahrzeugmodellen als Teil des mobilfunk- und satellitengestützten Notruf-Systems eCall. Das „Connected Car“ basiert auf LTE- und 5G-Standards. Der steigende Informationsfluss durch die Vernetzung der Autos erfordert eine Übermittlung der Daten in Echtzeit. Den Hintergrund erklärt Markus Dillinger von Huawei: „Der Sicherheitsabstand zwischen Fahrzeugen beträgt bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h rund 50 Meter. Rechnerisch ergibt das eine Reaktionszeit von 5,5 Sekunden, inklusiver einkalkulierter Aufmerksamkeitslücken. Die Technologie hingegen reagiert sofort und zuverlässig auf Veränderungen im Straßenverkehr.
Damit nicht genug: Ziel von V2X ist es, dank Mobilfunk weiter zu sehen, als es derzeit mit Sensoren möglich ist. So lässt sich an Kreuzungen praktisch um die Ecke oder hinter einen Hügel schauen, und auf Autobahnen können automatisch Rettungsgassen gebildet werden. Auch bei widrigen Wetterverhältnissen, bei denen die Sensoren der ACC derzeit oft versagen, arbeitet das neue System zuverlässig. Zudem können Ampelschaltungen und mit Smartphone ausgestattete Fußgänger:innen Teil des vernetzten Verkehrs werden. Die Einbindung der gesamten Infrastruktur und aller Verkehrsteilnehmer in ein sich selbst regulierendes System würde eine Revolution der Mobilität bedeuten.
Video: YouTube / Continental Automotive Deutschland
Einzel- und Gruppenkommunikation: Die verschiedenen Modi bei V2X
Das Thema „Broadcast“ ist eine weitere, besondere Anforderung bei der autonomen Fahrzeugkommunikation. Ein Datenzentrum sammelt Navigationsdaten aus den Fahrzeugen, verarbeitet diese und sendet Serviceinformationen an alle oder ausgewählte Gruppen. Das erfordert hohe Datenmengen und eine Netzstruktur, die alle Fahrzeuge bedient. Auf der anderen Seite braucht die Zukunft von Car2x ein „Unicast“-Format, das spezielle Informationen an einzelne Fahrzeuge übermittelt. Der Hersteller- oder Werkstattservice benötigt für einen bestimmten Wagen einen eigenen Datenkanal, auf den zugegriffen werden kann. Einen eigenen Datenkanal braucht wiederum auch die Ampel, die mit der Fahrzeuginformation auf einzelnen Fahrspuren den Verkehrsfluss optimiert.
Sicherheit hat oberste Priorität – und ein Fahrzeug warnt das andere
Und noch eine Besonderheit prägt die mobile Zukunft: beim sogenannten „direct mode“ werden punktuelle Informationen ausschließlich für Autos auf einer bestimmten Strecke verarbeitet und weitergegeben. Signalisiert die Fahrzeug-Sensorik eine lokale Gefahrenstelle, Glatteis oder gar einen Unfall, wird die Warnung unmittelbar an nachfolgende Fahrzeuge übermittelt. Das lokale Datencenter nimmt die Erstinformation zusätzlich per 5G-Verbindung auf und leitet die Warnung ebenfalls an die Fahrzeuge auf der Strecke weiter. Bei Netzlücken durch Funkschatten erfolgt die Weitergabe über eine WLAN-Variante von Fahrzeug zu Fahrzeug.
5G-Netze inzwischen im Einsatz
Ist 5G Voraussetzung für da Auto der Zukunft und autonomen Straßenverkehr? Laut einer 2017 veröffentlichten Studie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) könnte im Jahr 2035 der Anteil an Fahrzeugen mit 5G und V2X in Deutschland zwischen 17 bis 42 Prozent liegen.
Die 5G-Auktion ging im Juni 2019 zuende. Vodafone hat seine Ziele erreicht und sich die gewünschten Frequenzen im 3,6 GHz- und 2,1 GHz-Bereich sichern können. Bei allem Erfolg und positivem Blick nach vorne, war die 5G-Auktion nach der UMTS-Lizenzversteigerung im Jahr 2000 die teuerste in der Geschichte des Mobilfunks, so Vodafone-Deutschland-CEO Hannes Ametsreiter. Er sieht die nächste große Aufgabe für alle Mobilfunkanbieter im weiteren Netzausbau, insbesondere in ländlichen Gebieten.
Was sind Ihre Erwartungen an das autonome und automatisierte Fahren? Teilen Sie Ihre Gedanken gerne mit uns und anderen Leser:innen in den Kommentaren.
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