Vernetzte Autos: Spricht ein Ford auch BMW?

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Voll vernetzte Fahrzeuge sollen künftig untereinander und mit der Umgebung Informationen austauschen, um Unfälle zu verhindern und den Verkehrsfluss zu verbessern. Aber in welcher Sprache werden sie das tun und wann kommen die Kommunikationsformen V2V und V2X in Serie?

„Glatteis hinter der Bergkuppe“, „Ampel in 23 Sekunden auf Grün“, „Achtung, Geisterfahrer!“: Alle Verkehrsteilnehmer von PKW und LKW über Motorräder und Fahrräder bis hin zu Fußgängern, Ampeln und Baustellen sollen – so die Vision der Autoindustrie – per Funk miteinander kommunizieren. Eine vielseitige Vernetzung der Fahrzeuge könnte dafür sorgen, dass die Menschen sicherer, schneller, energieeffizienter und umweltschonender auf den Straßen unterwegs sind. So ließen sich zum Beispiel pro Jahr 900 Millionen Liter Kraftstoff sparen, wenn man alle 1,5 Millionen Ampeln in Deutschland vernetzen würde, errechnete Audi.

EU: Jeder Neuwagen fit für V2V und V2X

Bei der Car2Car-Kommunikation (C2C) oder Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation (V2V) tauschen Fahrzeuge Informationen aus, um sich gegenseitig vor Gefahren zu warnen und den Verkehrsfluss zu optimieren. Der Fahrer kann Bremsvorgänge einleiten bevor das Stauende oder Hindernis in Sicht ist. Car2X oder Vehicle-to-Everything (V2X) schließt darüber hinaus auch die Kommunikation mit der Verkehrsinfrastruktur wie Straßen, Ampeln und Verkehrsschilder sowie der Umgebung ein.

Im Jahr 2022 soll es weltweit 125 Millionen vernetzte Autos geben, schätzen die Marktforscher von Counterpoint. Das bedeutet ein Marktwachstum um 270 Prozent seit 2017. In Europa dürfte „E-Call“ die Entwicklung beschleunigen: Seit März müssen in der EU verkaufte Neuwagen über das automatische Notrufsystem verfügen. Damit erfüllt automatisch jedes neu produzierte Auto die kommunikativen Voraussetzungen für V2V und V2X.

Entsprechend erweitern die Automobilhersteller ihre Konnektivitätsfunktionen. BMW beispielsweise hat mit dem neuen 5er den digitalen Parkplatz-Suchservice „On-Street Parking Information“, die Funktion „Remote 3D View“ und die Gefahrenwarnung per V2V-Kommunikation eingeführt. Auch Motorräder sind beim Münchner Autobauer Teil der Vernetzungsstrategie.

Volkswagen: V2X ab 2019 serienmäßig

Volkswagen plant, V2X bereits mit der nächsten Golf-Generation einzuführen. Ab 2019 wollen die Wolfsburger neben Mobilfunk serienmäßig auch pWLAN (Public WLAN)-Sender und -Empfänger verbauen. Damit sollen Autos im Radius von 500 Metern Warnmeldungen nahezu in Echtzeit austauschen können.

Der Nutzen und die Wirksamkeit der V2V-Kommunikation hängt von der Anzahl der Gesprächspartner ab. Nach Schätzungen von Mercedes-Benz müssten etwa 20 Prozent aller Fahrzeuge mit V2V-Systemen ausgerüstet werden, um einen positiven Effekt zu erzielen. Derzeit sprechen aber noch vergleichsweise wenige Fahrzeuge miteinander – und wenn, dann reden sie vorrangig mit Modellen des gleichen Herstellers, wie zum Beispiel Fahrzeuge der Mercedes E- und S-Klasse.

Ein Ford plaudert mit einem BMW-Elektroroller

Mit Car2X als Serienausstattung so richtig loslegen wollen die meisten Autobauer erst, wenn flächendeckend einheitliche Datenstandards und eine digitale Infrastruktur existieren. Voraussetzung für die Kommunikation des Autos mit anderen Autos und Allem ist neben einer stabilen und – besonders bei hohen Geschwindigkeiten – schnellen Datenübertragung eine herstellerübergreifende Funksprache. Denn nur dann kann ein Ford auch mit einem Citroen sprechen und ein Audi ein BMW-Motorrad verstehen.

Technisch ist das bereits möglich. Dass Fahrzeuge mehrerer Automobilhersteller miteinander plaudern können, zeigte kürzlich die 5G Automotive Association (5GAA) – eine Interessensvertretung der weltweiten Automobilindustrie, Technologiekonzerne und Zulieferer – zusammen mit BMW, Ford und PSA. Die Live-Demonstration umfasste die Kommunikation zwischen Pkw, Elektrorollern und der Verkehrsinfrastruktur.

Die Fahrzeuge sind mit C-V2X-Technologie (CellularVehicle-to-X) und der Chipsatz-Lösung 9150 C-V2X von Qualcomm Technologies (electronica, Halle B4 Stand 415 und Halle C4 Stand 402) ausgestattet. V2X-Softwarestack und Anwendungs-Software kommen von Savari. Zu den vorgeführten Szenarien gehörten Warnungen vor Kollisionen an Kreuzungen und beim Abbiegen, vor langsamen Fahrzeugen und vor Signalverstößen.

Die US-Behörde für Straßen- und Fahrzeugsicherheit NHTSA will V2X-Technologie bereits im Jahr 2020 für alle US-Fahrzeuge obligatorisch machen. So geht der Wettlauf um die Vorherrschaft in der V2X-Kommunikation in die heiße Phase. Zwei Technologien dominieren das Geschehen: die dedizierte Kurzwellenkommunikation DSRC (Dedicated Short Range Communication) und das von der Mobilfunkindustrie entwickelte C-V2X.

Etabliertes System: DSRC

Das WLAN-System DSRC basiert auf dem Standard IEEE 802.11p und ist speziell auf die Anforderungen im Straßenverkehr zugeschnitten. Das Netzwerk operiert im 5,9 GhZ-Spektrum – wobei die USA, Europa und Japan jeweils eigene, inkompatible Spezifikationen haben. Fahrzeuge mit entsprechendem Chip und Sender können spontan Netzwerke untereinander oder mit der Verkehrsinfrastruktur bilden.

Die effektive Reichweite beträgt einen Kilometer bei Sicht- und 300 Meter bei Nicht-Sichtverbindungen mit Brutto-Datenraten zwischen 3 und 27 MBit/s. Die Stärke von DSRC ist der Aufbau zuverlässiger Verbindungen mit minimaler Latenz – unverzichtbare Voraussetzung für die Kollisionsvermeidung. DSRC erlaubt Handshake und Association auf ein Minimum zu reduzieren. So können die Daten sofort versendet werden, während Authentifizierung, Verschlüsselung und Identifizierung in höheren Protokollebenen stattfinden.

Die Übertragung funktioniert auch bei Relativgeschwindigkeiten über 500 km/h. So können selbst Fahrzeuge, die sich mit Vollgas auf der Autobahn entgegenkommen, Informationen austauschen. DSRC wird vor allem von General Motors, Toyota und Volkswagen unterstützt.

Die weltweit erste, massenmarkttaugliche DSRC-basierte V2X-Lösung der zweiten Generation zeigten kürzlich Halbleiterhersteller STMicroelectronics (electronica, Halle C3 Stand 101) und Chipsatzanbieter Autotalks: eine Kombination aus der Telematik-Plattform Telemaco3 und CRATON2-Chipsatz. Die Lösung soll helfen, Kollisionen zu vermeiden, Straßenzustände zu beschreiben und die Entfernung zu Infrastruktureinrichtungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu signalisieren.

Konkurrenz aus der Mobilfunkbranche: C-V2X

Das jüngere, noch nicht serienreife C-V2X ähnelt DSRC, ist aber komplexer. Gefunkt wird ebenfalls über das 5,9 Gigahertz-Band. C-V2X-Geräte können aber auch die normalen Mobilfunkfrequenzen nutzen. Ein in der Telematikeinheit eingebauter Chipsatz ermöglicht netzwerkunabhängige Direktkommunikation. Das zelluläre Netzwerk punktet durch hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenz, Kosteneffizienz und Aufwärtskompatibilität zu 5G. Relativgeschwindigkeiten über 400 km/h sind möglich.

Bei Stadtgeschwindigkeit erreicht C-V2X eine ähnliche Reichweite wie DSRC, bei höherem Tempo eine bis 30 Prozent größere Reichweite. Die Maximalreichweite bei Sichtverbindung beträgt einen Kilometer. Hauptförderer der C-V2X-Technolgie inklusive Mobilfunkstandard 5G ist die 5GAA. C-V2X wird von Audi, BMW, Ford, Peugeot und Nissan favorisiert. Feldversuche laufen in Deutschland, Frankreich, Korea, China, Japan und den USA.

Letztlich können die Automobilhersteller eine Technologie favorisieren – oder auf beide Systeme setzen. So unterstützt etwa Qualcomms neues Chipset 9150 C-V2X beide Welten.

Neuer Mobilfunkstandard 5G

Mit dem kommenden 5G-Mobilfunkstandard lassen sich die Echtzeit-Informationen aus der unmittelbaren Fahrzeugumgebung durch Daten aus dem weiteren Umfeld ergänzen. Ein Unfall sechs Kilometer voraus? Sturmböen auf der nächsten Autobahnbrücke? – Kein Problem, die Hinweise kommen aus dem 5G-Mobilfunknetz. Mit 5G soll die Funkverbindung ab 2020 wesentlich schneller und breitbandiger werden. Daten sollen sich dann mit 10 GBit/s übertragen lassen. Die Latenzzeiten verkürzen sich auf weniger als eine Millisekunde. Der Energieverbrauch pro übertragenem Bit soll um den Faktor 1.000 sinken.

Die Standardisierung des ersten 5G-Releases steht für Herbst 2018 an und soll hauptsächlich das neue 5G-Funk-Interface New Radio NR festschreiben. Für die zweite Release – geplant für 2020 – ist die Ausweitung der Frequenzbereiche von derzeit 6 GHz auf bis zu 100 GHz vorgesehen.

Smarte Antennen

Eine weitere Herausforderung auf dem Weg zum vollvernetzten Auto: die Antenne. Derzeit werden die Funksignale von der Antenne auf dem Fahrzeugdach per Kabel an die Bordelektronik übermittelt, die sich in der Regel im Fahrercockpit befindet. Mit der Ausweitung des Übertragungsspektrums auf bis zu 100GHz reduzieren die frequenzabhängigen Verluste auf diesem langen Weg das Signal zu stark. Also muss die Elektronik – und damit die Signalverarbeitung – näher an die Antenne: entweder direktunter das Fahrzeugdach oder in die Antenne selbst. Dort setzen jedoch die witterungsbedingten Temperaturschwankungen der Elektronik arg zu.

Die Antennen der Zukunft müssen kompakt gebaut sein. Schließlich werden Fahrzeuge mit Anschluss an das 5G-Mobilfunknetz künftig mit bis zu 18 Antennen ausgestattet sein. Deshalb arbeiten Automobilhersteller und Zulieferer an innovativen Konzepten für die Integration von Sende- und Empfangseinheiten. Samsung (electronica, Halle B4 Stand 502) und Harman entwickeln 5G-Empfangseinheiten für WLAN, Bluetooth, V2X, Mauterfassung, schlüssellosen Fahrzeugzugang und Radio. Die kompakten Antennen soll laut Harman 2021 verfügbar sein.

Schutz vor Hackerangriffen

Hoch priorisiert bei der Entwicklung von V2X-Technologien ist das Thema Sicherheit. Wie lässt sich verhindern, dass Angreifer Daten abgreifen oder Schadfunktionen ins Auto spielen können, um bei Tempo 200 Fahrzeugtüren oder Kofferraumdeckel zu öffnen?

Infineon Technologies (electronica, Halle C3 Stand 502) und Escrypt bieten mit den AURIX 2G (TC3xx)-Multicore-Mikrocontrollern und der Sicherheits-Software CycurHSM eine Hardware-Software-Lösung, die die Manipulation elektronischer Steuergeräte im Fahrzeug verhindern und die IT-Sicherheit für Anwendungen wie Software-Update-Over-the-Air (SOTA) und automatisiertes Fahren verbessern soll.

Jeder TC3xx-Mikrocontroller verfügt über ein integriertes Hardware Security Module (HSM), in dem die Schlüssel erzeugt und abgelegt werden. Das erlaubt gesichertes Booten, Flashen und Debuggen. Zudem soll das HSM den Schutz vor Schadprogrammen, nicht autorisierten Software-Updates und vor Manipulation der Fahrzeug-Software und Datenübertragung erhöhen.

Erfahren Sie mehr zum Thema Automotive auf der electronica in Halle B4, im electronica Automotive Forum und auf der electronica Automotive Conference.

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