Der optimale Funk für autonomes Fahren

Autonomes Fahren zählt zu den meistgenannten Anwendungsszenarien für den neuen 5G-Mobilfunk. Einige Anwendungen lassen sich zwar auch mit LTE realisieren, für andere jedoch ist 5G unerlässlich – vor allem wenn es um Latenz und Bandbreite geht.

Ein autonomes Fahrzeug fährt durch eine Baustelle. Ausgerechnet an der engsten Stelle, an der nur eine Fahrspur zur Verfügung steht, bleibt vor ihm ein Lkw liegen. Das selbstfahrende Auto steht nun vor der Wahl: stehen bleiben und warten oder über die durchgezogene Linie auf die Gegenfahrbahn rüberziehen und überholen. Die Lösung: Es überlässt die Entscheidung einem Teleoperator. Dieser sitzt irgendwo in einer Einsatzzentrale an einer Steuerstation mit Monitoren, Lenkrad und Pedalen. Erhält er eine Warnmeldung des Fahrzeugs, greift er ein und steuert das Auto aus der Ferne um die Gefahrenstelle herum.

Per LTE ferngesteuert durch die Baustelle

Ein ähnliches Szenario demonstrierte 2019 das Fraunhofer-Institut FOKUS in Berlin. Für den Test auf einem Berliner Übungsgelände bestückten die Forscher ein Fahrzeug des Partners Daimler mit Huawei-Technologie. Zur Sicherheit saß da noch ein Fahrer hinterm Steuer, um die Zentrale per Knopfdruck über die Situation zu informieren. Zukünftig soll die On-Board-Unit des autonomen Autos alle notwendigen Daten von Sensoren und Kameras eigenständig über das Mobilfunknetz an den Teleoperator schicken. Dieser sieht auf seinem Monitor sowohl andere Fahrzeuge in der Umgebung als auch Baustellenabsperrungen, Ampeln oder Leitplanken. So kann er das Auto per Fernsteuerung sicher um das Hindernis herummanövrieren. Die Übertragung hochauflösender Videosignale und Sensordaten erfordert jedoch eine hohe Bandbreite im Upload vom Fahrzeug über das Mobilfunknetz zum Teleoperator.

Autonomes Fahren – Mobilität der Zukunft

Im Test – in kontrollierter Umgebung und mit Schrittgeschwindigkeit – funktionierte das schon gut via LTE. Anders sieht das in einer Livesituation bei höherem Tempo aus. Damit die Lenk-, Brems- und Beschleunigungsbewegungen des Teleoperators nahezu in Echtzeit auf das ferngesteuerte Auto übertragen werden können, ist eine Mobilfunkverbindung mit deutlich geringerer und – besonders wichtig für die Zuverlässigkeit solcher Systeme – garantierter Latenzzeit erforderlich. Das soll in Zukunft der neue Mobilfunkstandard 5G leisten.

Dicht an dicht sicher im Platoon unterwegs

Wie dieses Beispiel zeigt, sind einige Szenarien des autonomen und automatisierten Fahrens bereits heute mit dem vorhandenen Mobilfunk LTE oder, wo verfügbar, mit der Ausbaustufe LTE-Advanced (siehe Infobox) umsetzbar. Vor allem dort, wo es um kurze Reaktionszeiten geht, wird allerdings 5G die Funktechnologie der Wahl sein. Wie etwa beim Platooning.

Was ist LTE-Advanced?
Bei LTE-Advanced (LTE-A) handelt es sich um eine Erweiterung des weitverbreiteten Mobilfunkstandards LTE. Die Ausbaustufe wurde 2011 vom Standardisierungsgremium 3GPP verabschiedet und erreicht Downloadraten jenseits von 300 Mbit/s. Damit zählt LTE-A, im Gegensatz zum herkömmlichen LTE, zur vierten Mobilfunkgeneration (4G). Die nächste Stufe auf dem Weg zu 5G ist LTE-Advanced Pro (LTE-AP, auch 4.5G genannt). Hier werden bereits Übertragungsgeschwindigkeiten bis 1 Gbit/s sowie Latenzen von etwa zehn Millisekunden erzielt.

Per V2X direkt mit der Umgebung vernetzt

Autonome Fahrzeuge müssen nicht nur mit anderen Fahrzeugen, sondern auch mit der Infrastruktur Daten austauschen können. Diese V2X-Kommunikation (siehe Infobox) kann inzwischen auch über Mobilfunk laufen: Bereits 2018 hatten Fraunhofer und Huawei erfolgreich die Funktechnologie LTE-V2X getestet. So ist ohne den Umweg über Mobilfunkmasten und ein Backend eine direkte und noch schnellere Verbindung möglich, um Autos im fließenden Verkehr vor einer Baustelle, einem liegen gebliebenen Fahrzeug oder der Vollbremsung eines anderen Autos zu warnen.

Wofür steht V2X?
V2X ist die Abkürzung für Vehicle-to-everything und bedeutet, dass ein Fahrzeug mit seiner Umgebung – also mit anderen vernetzten Fahrzeugen und der Verkehrsinfrastruktur wie Ampeln, Straßenschildern oder Fahrbahnbegrenzungen und Baustellen – per Funk und Sensorik kommuniziert. Abstufungen sind etwa V2I (Vehicle-to-infrastructure), V2V (Vehicle-to-vehicle), V2N (Vehicle-to-network) oder V2D (Vehicle-to-device). Als Funktechnologie für die Datenübertragung kommen entweder WLAN oder Mobilfunk (Cellular-V2X; C-V2X) zum Einsatz.

Im dichten Stadtverkehr spielt vor allem die Zuverlässigkeit der Funkverbindung eine wesentliche Rolle. Hier hat der Mobilfunk aufgrund seiner deterministischen Art der Frequenznutzung einen Vorteil gegenüber dem WLAN, das sich anfällig zeigt gegenüber Störungen und Überlagerungen. Der 5G-Funk bringt weitere Eigenschaften mit, die ihn zur bevorzugten Technologie machen: 5G ist darauf ausgelegt, bis zu eine Million Geräte pro Quadratkilometer zuverlässig miteinander zu verbinden. Das können Fahrzeuge mit SIM-Karte an Bord sein, aber auch Sensoren, Kameras, Funkmodule in Ampeln und Zebrastreifen oder Smartphones von Fußgängern und Radfahrern. Außerdem kommen beim Mobilfunkstandard der fünften Generation zwei neue Features zum Einsatz: Network Slicing und Mobile Edge Computing.

Network Slicing und Edge Computing

Die Technik des Network Slicing unterteilt das Netz in verschiedene unabhängige, virtuelle Netzebenen. So lassen sich unterschiedliche Leistungsmerkmale je nach Anwendungsszenario realisieren, etwa eine definierte Übertragungsqualität (Quality of Service, QoS), hohe Bandbreiten für datenintensive Kommmunikation oder niedrige Latenz für reaktionskritische Anwendungen. Autonomem Fahren in der Stadt könnte also eine eigene virtuelle Netzschicht mit der erforderlichen Priorisierung zugewiesen werden.

Mobile Edge Computing wiederum bringt die Datenverarbeitung näher an die Datenproduktion. So werden beispielsweise Sensordaten eines Fahrzeugs nicht erst in der Cloud – also in einem fernen Rechenzentrum – verarbeitet, sondern bereits in einer Recheneinheit, die maximal 50 Kilometer von der nächsten Basisstation entfernt steht. Das bringt deutliche Geschwindigkeitsvorteile bei der Kommunikation.
Diese beiden Features des 5G-Kernnetzes werden auch 4G-Verbindungen schneller und zuverlässiger machen: ein weiterer Grund, die Netzinfrastruktur für das vernetzte Fahren so schnell wie möglich auszubauen.