Zeitkritische Daten für autonome Fahrzeuge durch V2V und V2I

Von Mark Patrick, Mouser Electronics.

Die Kommunikationsprotokolle, die V2X unterstützen 

Inhalte dieser Blog-Serie

• Neue Technologien für autonome Fahrzeuge revolutionieren den Automotive-Sektor
• Vorurteile überwinden und Technologien für autonomes Fahren fördern
• Autonome Fahrzeuge: Die wichtigsten Meilensteine
• Sensortechnologien für autonome Fahrzeuge
• Zeitkritische Daten für autonome Fahrzeuge durch V2V und V2I
• Schaffung eines ethischen Rahmens für autonome Fahrzeuge

Im Rahmen dieser Blog-Serie haben wir im Beitrag „Autonome Fahrzeuge: Die wichtigsten Meilensteine“ bereits darauf hingewiesen, dass für vollumfängliche Fahrzeugautonomie (SAE Level 5) eine Wissensbasis erforderlich ist, die sich nicht nur auf die eigenen Sensoren stützt, sondern gleichzeitig auch Informationen von anderen Fahrzeugen und von der intelligenten Straßeninfrastruktur in der Umgebung einbezieht. Ein Fahrzeug kann nur dann zuverlässig, sicher und reibungslos navigieren, wenn seine Systeme einen vollständigen und detaillierten Überblick über seine unmittelbare Umgebung haben.

Solche zusätzlichen Informationsquellen werden über drahtlose Fahrzeug-zu-Fahrzeug(V2V)- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur(V2I)- Systeme bereitgestellt. Die Funkprotokolle, die für die Umsetzung von V2V und V2I verwendet werden, befinden sich noch in der regionalen und nationalen technischen Prüfung und Validierung, aber es ist klar, dass hohe synchrone Übertragungsgeschwindigkeiten mit geringer Latenz und Datensicherheit die wichtigsten Anforderungen sind. Dabei stehen sich zwei Protokolle gegenüber: ein auf Wi-Fi 5 basierendes DSRC-Protokoll (802.11p) und C-V2X, das das 5G-Mobilfunknetz nutzt. Beide Protokolle arbeiten im 5,9-GHz-Spektrum, aber keines von beiden erlaubt eine Form der Interoperabilität.

In der Automobilbranche herrscht bislang eine intensive Diskussion darüber, welche Kommunikationsmethode verwendet werden soll. Das hat dazu geführt, dass einige Fahrzeughersteller und nationale Regulierungsbehörden ihre eigene Entscheidung getroffen haben. Einige Halbleiterhersteller haben sich angesichts der langen Entwicklungszyklen dafür entschieden, Chipsätze zu entwickeln, die beide Protokolle unterstützen. Kurzfristig scheint dabei DSRC in einer starken Position zu sein, da der Aufbau des 5G-Netzes, das für die Einführung von C-V2X erforderlich ist, noch nicht abgeschlossen ist. Das Warten auf die flächendeckende Einführung von 5G könnte die Erprobung von autonomen Fahrzeugen verzögern und damit die Attraktivität von DSRC erhöhen.

DSRC
Auf den ersten Blick scheint DSRC die besten technischen Voraussetzungen mitzubringen. Mit einer Reichweite von bis zu 300 m, hohen Datenübertragungsraten und einer geringen Latenz von etwa 5 ms erfüllt DSRC die Anforderungen von V2V und V2I.

In Japan wird DSRC bereits für Mautsysteme eingesetzt, und die österreichische Autobahnbehörde ASFINAG hat die Technologie für V2V und V2I in ihrem Straßennetz eingeführt. Der Fahrzeughersteller Volkswagen hat DSRC-Konnektivität in seiner neuen Golf 8-Plattform implementiert. In Deutschland hat sich die Stadt Ludwigsburg für DSRC entschieden und stattet ihre Feuerwehr- und Rettungsfahrzeuge damit aus, damit sie die Ampeln in der ganzen Stadt steuern und synchronisieren können, um die Anfahrt zu einem Notfall zu beschleunigen.

In den USA wurde DSRC schon relativ früh eingeführt, aber inzwischen wurden alle verfügbaren Frequenzen auf C-V2X umgestellt. DSRC ist zwar relativ kostengünstig, aber die Bedenken bezüglich der Sicherheit des Systems und der Anfälligkeit für Man-in-the-Middle-Angriffe sowie die Tatsache, dass das zellulare C-V2X-System bereits vorhandene Mobilfunkinfrastrukturen nutzen wird, sorgen dafür, dass die Debatte immer noch andauert – was nachvollziehbar ist. Zudem wird befürchtet, dass DSRC trotz seiner hohen Datenübertragungsraten von den Möglichkeiten von 5G überholt wird, sobald dessen Einsatz beginnt. In der Branche wird derzeit in beiden Lagern heftig darüber gestritten, welche Kommunikationsmethode die beste ist.

C-V2X
Ein offensichtlicher Vorteil von C-V2X ist die Tatsache, dass diese Technologie die Infrastruktur des 5G-Netzes nutzen kann, sobald dieses aufgebaut ist. Darüber hinaus ist die Bedeutung der Investitionen und der kontinuierlichen Entwicklung von Mobilfunknetzen ein erheblicher Vorteil gegenüber DSRC, für das es keine weiteren Anwendungsfälle oder eine Zukunftsplanung zu geben scheint und das daher teurer in der Einführung und Wartung sein wird. Bei 5G gibt es eine klar definierte Strategie zur Erhöhung der Datenraten in den zweistelligen Gbit/s-Bereich, sodass V2X-Daten mit besonders niedriger Latenz und Paketpriorisierung übertragen werden können.

Die 5G Automotive Association (5GAA) hat Leistungsvergleiche zwischen C-V2X und DSRC durchgeführt und dabei Szenarien mit Staus auf Autobahnen simuliert, bei denen die V2X-Systeme eine große Anzahl von Fahrzeugen bedienen müssen. Die Ergebnisse zeigten, dass das 5G-Netz für diese Bedingungen besser gerüstet ist als das DSRC-Netz und dennoch akzeptable Datenraten, Latenzen und Reichweitenwerte bietet. Ford erweiterte den Umfang der 5GAA-Tests und stellte fest, dass C-V2X insbesondere unter Sichtlinienbedingungen sehr akzeptable Ergebnisse erzielte.

Die britische Regierung hat eine eigene Überprüfung der V2X-Protokolle durchgeführt und dabei mehrere Aspekte von C-V2X hervorgehoben, die weiter untersucht werden müssen.

• Da die Zahl der Anwendungsbereiche für 5G weiter zunimmt, ist eine verstärkte Zusammenarbeit notwendig, um die Sicherheit durchgängig und über mehrere Domänen hinweg zu gewährleisten.
• Zudem verlangt die 5G-Architektur mit ihren mehreren Ebenen ein einheitliches Sicherheitskonzept, das sich über alle Ebenen erstreckt.
• Mit der Weiterentwicklung der 5G-Netze müssen die jetzt eingeführten Sicherheitsmechanismen während des gesamten Lebenszyklus weiterer Architekturänderungen beibehalten werden.

Wie auch immer die Diskussion über DSRC und C-V2X ausgeht: die Zukunft autonomer Fahrzeuge hängt vom Zugang zu einem extrem zuverlässigen Kommunikationsnetz ab, das eine hohe Redundanz und eine breite geografische Abdeckung bietet. Da bei C-V2X der Schwerpunkt des 5G-Einsatzes derzeit noch in dicht besiedelten Gebieten liegt, könnten autonome Fahrzeuge bei dieser Technologie zunächst auf städtische Gebiete beschränkt sein.

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