Wie autonome Fahrzeuge mit der Umwelt kommunizieren

Autonome Fahrzeuge werden sich auch künftig kaum auf ihre eigene Sensorik verlassen können. Die lässt sich zu sehr durch unwirtliches Wetter verwirren und kann eben nicht um die Kurve schauen, um zu erkennen, dass sich dort ein Unfall ereignet hat. Wer sicher autonom unterwegs sein möchte, muss möglichst viele Informationen von anderen Verkehrsteilnehmern sowie der Infrastruktur erhalten. Ohne eine Car-to-X-Vernetzung als Horizonterweiterung der Sensorik wird es nicht gehen. Autonome Autos müssen in Echtzeit miteinander und mit entsprechend digitalisierter Verkehrsinfrastruktur kommunizieren, um smart und sicher unterwegs zu sein.

Zwar laufen etliche Car-to-X-Einzelprojekte, doch von umfassender Vernetzung kann noch lange keine Rede sein. Unter anderem haben VW und Audi testweise Ampeln mit ihren Autos vernetzt, so dass diese durch den Ampelphasen angepasstes Fahren auf einer grünen Welle durch die Stadt kommen. Ford testet in Düsseldorf Ähnliches für Rettungsfahrzeuge: Diese senden ein Signal an die Ampel, die daraufhin falls nötig umspringt und so den Weg freimacht – grüne Welle auf Knopfdruck statt mit Blaulicht in den fließenden Kreuzungsverkehr. Die hier gemachten Erfahrungen sollen künftig auch privaten Fahrzeugen nutzen, um einen optimierten Verkehrsfluss zu ermöglichen. Von der vorausschauenden Fahrweise, die von einem autonomen Auto in jeder Lebenslage verlangt wird, ist das noch weit entfernt. Denn das muss mit dem komplexen Gewirr einer Stadt zurechtkommen und bei hohen Geschwindigkeiten weite Teile der Strecke erfassen, um rechtzeitig auf Gefahren wie Staus oder Spurverengungen reagieren zu können.

Robo-Autos benötigen einheitliche Sprache

Dazu müssen Autos und Infrastruktur allerdings die gleiche Sprache sprechen. „Die Systemarchitektur der Vernetzung ist ausschlaggebend“, sagt Franz Schober, Business Development Manager and Standardization for Connected Mobility bei Yunex Traffic. „Ein intelligenter hybrider Ansatz verfügbarer und für die Automatisierung designter Lösungen bringt uns hier aus Sicht der Infrastruktur weiter.“ Schober hält folgenden Mix für vielversprechend: Beim Kurzstreckenfunk ITS-G5 redundant abgesichert mit C-V2X, beim Langstreckenfunk 3, 4, 5 oder später sogar 6 oder 7G; Glasfaser für die Backoffice-Kommunikation mit kumulierten Daten aus den Feldgeräten und bei Positionstechnologien Ultra Wide Band (UWB) oder 5G-Lokalisierung.

Wichtig seien vor allem gemeinsame Datenplattformen: „Dazu benötigt es eine Reduktion der Kommunikationsstandards im Verkehrsmanagement. Heute gibt es fast für jedes Land und für jede Anwendung eigene Substandards“, kritisiert Schober. Da die Digitalisierung der Straße nicht an Landesgrenzen zu Kompatibilitätsproblemen führen darf, komme dem europaweiten Standard, an dem die C-Roads-Plattform arbeitet, eine große Bedeutung zu.

In Bezug auf schwächere Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger und Radfahrer müsse die Infrastruktur digitalisiert und vernetzt werden. Durch straßenbasierte Sensoren und Detektoren ließen sich diese Gruppen besser schützen als mit der reinen fahrzeugseitigen Sensorik, die allzu oft durch Abschattungen von Bäumen, Mauervorsprüngen oder Lkw im Sichtfeld blind bliebe. Außerdem trage eine vernetzte Infrastruktur zur intelligenten Routenplanung bei. Allerdings: Auch hier gibt es bislang nur einige Teststrecken. Schober ist angesichts etlicher Initiativen jedoch zuversichtlich, dass es hier rasch Fortschritte geben wird.

Zwischen welchen Standards für V2X wird unterschieden?

Enorm wichtig für autonome Fahrzeuge, die sich in jeder Lebenslage selbst orientieren und sich untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur verständigen müssen, ist der Konsens über den Kommunikationsstandard. Noch immer kabbeln sich zwei nicht kompatible Technologien: der speziell für Autos entwickelte WLAN-Standard IEEE 802.11p (WLANp), den unter anderem Volkswagen, Toyota und Renault bevorzugen, und die auf LTE beziehungsweise 5G basierende Mobilfunktechnik Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X), die von Audi, BMW und Daimler favorisiert wird. C-V2X gilt im Vergleich zu WLANp als technisch ausgefeilter, aber eben noch nicht ganz startklar, was bei dem Konkurrenten der Fall ist. Schober sieht daher inzwischen WLANp als Standard gesetzt, zumal er sich in mehreren Ländern Europas auf Infrastrukturseite im Deployment Status befinde. Auf Fahrzeugseite treibe VW das Thema voran.

Beim Branchenverband Bitkom plädiert man auf Technologieoffenheit, nachdem die EU lange WLAN zum Standard machen wollte – obwohl in China mit C-V2X längst Fakten geschaffen worden sind. Das ist auch die Position von Bosch: „Wir sind für alles offen. Aber: Um Investitionssicherheit zu schaffen, ist es sinnvoll, sich zumindest für einzelne Regionen auf eine Technologie festzulegen“, betont Holger Kussmann, Abteilungsleiter Entwicklung Fahrzeugvernetzung bei Bosch. Jedenfalls böte C-V2X als zusätzliche Sensorik und direkter Kommunikationspfad Potenzial zur Verbesserung des Verkehrsflusses und der Fahrsicherheit.

Geringe Latenzen sind unabdingbar

Dabei spricht vieles für die Mobiltechnik als Enabler für autonomes Fahren. Vor allem nutzt sie vorhandene LTE- beziehungsweise 5G-Netze während für WLANp eine eigene Funkinfrastruktur entlang der Straßen aufgebaut werden muss. Zwar sind die Latenzen der kabellosen Technologie sehr gering, aber mit 5G und einer Datenverarbeitung um die Ecke per Edge Computing schmilzt dieser Vorteil dahin. So können selbst große Datenmengen, etwa um HD-Karten zu aktualisieren, mit niedrigsten Latenzen verarbeitet werden.

„Ultrakurze Übertragungszeiten und die zuverlässige Verbreitung sicherheitsrelevanter Informationen sind für vollautonomes Fahren unabdingbar“, so Maxime Flament, Chief Technology Officer bei der 5G Automotive Association (5GAA). Diese Vorteile im Blick, gründeten vor fünf Jahren Audi, BMW und Daimler zusammen mit Intel, Ericsson, Huawei und Qualcomm diese Initiative, um C-V2X auch in Europa voranzutreiben. Mittlerweile gehören der 5GAA mehr als 100 Unternehmen an (auch VW).

Was sie antreibt, dürfte eine gewisse Zukunftssicherheit sein: „C-V2X ist so vielseitig ein Schweizer Armeemesser, was den Standard besonders für die Autoindustrie interessant macht“, betont Flament. Die Funklösung biete unter anderem den Vorteil, Smartphones von Fußgängern und Radfahrern mit Autos zu vernetzen – sofern diese ihre Positionsdaten hergeben. Und: „Vernetzte Mobilitätsstandards sind keine Zukunftsvision mehr.“ Was heute meist noch auf 4G funkt wird bald auf 5G laufen – und künftig womöglich auf 6G. Denn das ist die nächste Entwicklungsstufe, die flächendeckendem autonomen Fahren den entscheidenden Push geben dürfte.

„Autonomes Fahren wird mit 5G nicht möglich sein"

Davon geht zumindest Ivan Ndip vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM aus. 5G stoße an Grenzen, etwa wenn Up- und Downloads datenintensiver hochauflösender Umgebungsdaten in Echtzeit erfolgen müssen. „Daher sind wir der Meinung, dass mit 5G wahrscheinlich echtes autonomes Fahren gar nicht möglich sein wird“, so Ndip.

6G, an dem bereits Forscher arbeiten und das in zehn Jahren starten soll, werde das Fünfzigfache der Datenrate und ein Zehntel der Latenz von 5G haben: Während 5G eine Datenrate von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde und eine Latenz von etwa einer Millisekunde bietet, soll 6G ein Terabit pro Sekunde und eine Latenz von etwa 100 Mikrosekunden schaffen. Außerdem soll es praktisch ausfallsicher sein. Sollte die Vernetzung, Sensorik und Rechenleistung deutliche Fortschritte machen, bleibt die Frage, ob diese ausreichen, damit sich vollautonome Fahrzeuge flott und sicher durch komplexen Verkehr bewegen können.

Als vor Jahren die ersten Robo-Autos von Google durch den Stadtverkehr von Palo Alto zuckelten, galten sie als lästiges Verkehrshindernis. Denn um im Mischverkehr nicht analoge Fahrzeuge und Passanten zu gefährden, ging das vollautonome Gefährt auf Nummer sicher. Für alle Beteiligten eine quälende Sache. Industrie und Politik erproben zwar derweil, wie hochautomatisiertes und autonomes Fahren auf Autobahnen, etwa auf Teilstrecken der A2 und der A8, integriert werden kann. Doch das ist der denkbar einfachste Anwendungsfall. Denn schon jetzt können Autos – zumindest auf Level 3 – problemlos in stockendem Verkehr mitschwimmen.

Urbane Räume erfordern ausgefeilte Technik

Spannend wird es erst im Gewusel der Stadt. „Ab Level 4 und vor allem im Mischverkehr ist kooperatives Fahren unabdingbar. Hier bietet V2X als zusätzliche Sensorik und direkter Kommunikationspfad Potenzial zur Verbesserung des Verkehrsflusses und der Fahrsicherheit“, sagt Bosch-Experte Holger Kussmann.

Forschende arbeiten daran, diese Situation beherrschbar zu machen. Besonders im Blick: Sicher Linksabbiegen, automatisierte Spurwechsel und Kreuzungsdurchfahrten. Technisch machbar. Aber es gibt ein Problem: Damit das autonome Fahrzeug etwa Fußgänger und Radfahrer beim Linksabbiegen schützen kann, müssten diese über ihre Smartphones Positionsdaten an das Auto tickern. Das ist lückenlos nicht machbar und datenschutzrechtlich knifflig. Wie auch der Umstand, das gesamte Straßennetz mit standardisierten Fahrbahnbegrenzungen und Funkstrecken zu Verkehrszeichen zu versehen. Was bleibt ist – zumindest anfangs – das Google-Robo-Auto 2.0-Szenario: Sehr defensiv fahrende autonome Fahrzeuge, die zuweilen den Verkehrsfluss behindern.