Vernetztes Fahren: Da funkt sich was zusammen
Bis 2019 soll es soweit sein: Nach dem Willen der EU-Kommission sollen die europäischen Autos dann untereinander und mit der Infrastruktur an Autobahnen und wichtigen Verkehrsadern kommunizieren können. Brüssel befürwortet in seiner Strategie für Kooperative Intelligente Verkehrssysteme (C-ITS) einen "hybriden Kommunikationsmix" Doch was sind die Vor- und Nachteile der einzelnen Techniken wie WLAN, LTE oder 5G?
Die vernetzten Autos sollen das Fahren sicherer machen und die Unfallzahlen senken. Dabei kommt es nicht auf hohe Übertragungsraten, sondern auf möglichst kurze Reaktionszeiten (Latenzen) an. Schnelle Netze brauchen aber viel Technik und kurze Wege und Frequenzen, damit das Auto sofort erreicht werden kann. Ohne Datenstau.
Warum WLAN nicht so gut fürs Auto ist
Der Weg der Daten ins Auto kann über verschiedene Techniken erfolgen. Als man sich über das vernetzte Auto Gedanken machte, wurde zunächst der WLAN-Standard 802.11p(öffnet im neuen Fenster) vorgeschlagen. 802.11p, auch pWLAN oder ITS-G5 genannt, war ursprünglich entwickelt worden, um alle Arten von Kommunikation von Fahrzeugen untereinander sowie von Fahrzeugen mit der Verkehrsinfrastruktur in der Umgebung zu ermöglichen. Für den Transport von Medieninhalten zum Auto für das Bord-Infotainment (wie Radioempfang, TV, Musik, Videos, etc.) war pWLAN allerdings nie gedacht.
Das pWLAN sollte im Frequenzspektrum von 5.9 GHz funken, das zunächst einmal technologie-neutral "für automobile Kommunikation" von den Frequenzbehörden reserviert wurde. Die Idee war, flächendeckende Netze für Fahrzeuge und die Infrastruktur entlang der Straße aufzubauen, etwa Verkehrsampeln und Verkehrsschilder mit aktuellen Infos. Kleine Stationen am Straßenrand, sogenannte Road Side Units oder Baken, sollten das WLAN-Signal empfangen und weiterleiten. Aufgrund der hohen Frequenz von 5.9 GHz sind die sinnvoll nutzbaren Reichweiten einer Funkzelle nicht größer als 200 bis 300 Meter.
Eine wirklich flächendeckende Versorgung des Straßennetzes mit der 802.11p-Technik hätte so einige 100.000 WLAN-Repeater erfordert, die über Mobilfunk, DSL oder Glasfaser an eine übergeordnete Serverstruktur angebunden werden müssten. Die Investitionskosten müssen sich am Ende irgendwie refinanzieren, was nur geht, wenn es möglichst viele Endgeräte, Angebote und Nutzer gibt. Das könnte - je nachdem, wen man fragt - rund 10 bis 15 Jahre dauern.
802.11p in Korea?
Die Kosten für einen Netzaufbau wären immens gewesen. Es ist wie mit dem legendären Magnetzug der Bahn: Er wäre sicher schneller von München Hauptbahnhof zum Flughafen gefahren, hätte aber einen funkelnagelneuen Fahrweg gebraucht. Weltweit gesehen hat daher nur Südkorea ein Netz in 802.11p angekündigt. Darüber hinaus fehlt die Bereitschaft, ein eigenes Netz rein für automobile ("Automotive") Lösungen anzubieten. Falls 802.11p doch noch zum Einsatz kommen würde, wäre es für die Kontaktaufnahme zwischen den Fahrzeugen in unmittelbarer Nähe gedacht. Eine 802.11p-fähige Baugruppe würde rund 100 Euro pro Fahrzeug kosten. Serienfahrzeuge mit 802.11p wurden in der freien Wildbahn bislang nicht gesichtet.
Schnell wurden Alternativen zu dieser Art von Netzaufbau gesucht. Naheliegend war die Idee, bereits vorhandene Mobilfunknetze für diese Zwecke zu verwenden und zu erweitern. Der Vorteil: Es konnte relativ schnell los gehen. Der LTE-Standard bot sich an.
LTE-V2V statt 802.11p
Unter dem Begriff LTE-V2V (LTE Vehicle to Vehicle, also Fahrzeug zu Fahrzeug, kurz LTE-V) wurde der bekannte LTE-Standard vom europäischen Normeninstitut ETSI (3GPP) weiterentwickelt. Der Vorteil an LTE-V ist, dass die bestehende Mobilfunkinfrastruktur für LTE-V genutzt werden kann. Es muss lediglich neue Software entwickelt und dazu ausgerollt (aufgebaut) werden. Hier und da müssen noch neue Sendestationen hinzugefügt werden, um die Flächendeckung zu verbessern.
LTE ist im Großen und Ganzen bereits weltweit verfügbar - zwar noch lange nicht überall flächendeckend, aber der Netzausbau schreitet rapide fort. Damit lässt sich LTE V2V nicht nur für die Fahrzeugsteuerung verwenden. Beispielsweise können digitale Landkarten durch die Fahrzeuge draußen vor Ort aktualisiert werden. Ist irgendwo eine Baustelle, wurde gerade eine neue Straße eröffnet oder gesperrt? Die Karten aktualisieren sich .
LTE hat fast jeder dabei
Entscheidend sind nicht die Daten des einzelnen Fahrers, sondern die Daten in ihrer gesamten Menge. Die hoch aktuellen Karten können anderen Autofahrern wiederum übers Netz zur Verfügung gestellt werden, die Routenplanung kann aktuelle Staus und Verkehrsstörungen berücksichtigen und den besten Weg zu Ziel auswählen. Wollen die Mitfahrer während der Reise einen Film schauen, der an Bord nicht verfügbar ist, kann dieser über normales LTE heruntergeladen werden.
Da künftig LTE in den meisten Fahrzeugen verfügbar sein wird oder schon ist, schlicht, weil es durch Handy, Smartphone und ähnliches schon da ist, und weil der 802.11p-Standard erst neu dazugebaut werden müsste, war es naheliegend, auch die Car2Car-Kommunikation gleich über die LTE-Funktechnik zu realisieren.
Der ETSI-Standard LTE-V2V soll spätestens im Sommer 2017 verabschiedet werden. Die ersten Betaversionen werden bereits in Frankreich und Großbritannien erprobt. In Deutschland ist die Deutsche Telekom gemeinsam mit Huawei, Audi, Toyota und zwei weiteren Herstellern auf der Autobahn A9 bei Ingolstadt fleißig am Testen.
LTE-V2V hat drei Betriebsarten definiert:
- LTE-V2V innerhalb einer mit LTE versorgten Umgebung: Hier sucht das LTE-Netz automatisch eine passende Frequenz heraus, die Autos unterhalten sich untereinander.
- LTE-V2V außerhalb der LTE-Funkversorgung: Hier erfolgt die Kommunikation zwischen den Autos auf einer vorher festgelegten Frequenz, diese wird aber vom übergeordneten Netz nicht koordiniert.
- Ein Auto innerhalb der LTE-Funkversorgung, ein weiteres Auto ohne LTE. Hier übernimmt das versorgte Fahrzeug eine Art Vermittlungsfunktion, um das Fahrzeug außerhalb der LTE-Versorgung mit dem Hochgeschwindigkeitsnetz zu verbinden.
Auch LTE V2V kann auf 5,9 GHz funken, zusätzlich noch auf den LTE-Frequenzen, die der Netzbetreiber schon bei einer Versteigerung erworben hat, beispielsweise auf 800, 900, 1.800 oder 2.600 MHz.
Die V2V-Nachrichten brauchen kaum Bandbreite, denn sie sind sehr kurz.
Der WLAN-Standard 802.11p hätte Vorteile bei geringer Last gehabt, da Nachrichten einfach gesendet werden, ohne überhaupt nachzufragen, ob ein Funkkanal gerade frei ist. Bei höherer Netzlast führt das aber zu vielen Kollisionen oder Wiederholungen von Sendeversuchen, weil bei 802.11p jeder Teilnehmer einfach drauflos ruft, ohne sich zu vergewissern, ob er dran ist und reden darf. Bei LTE hingegen werden die Funkfrequenzen jedem Teilnehmer gezielt zugeteilt. Wer dran ist, weiß, dass er auch gehört wird.
Fachleute haben ausgerechnet, dass 802.11p einen theoretischen Durchsatz von 27 Megabit pro Sekunde bei einer Sendefrequenz von zehn GHz haben könnte, bei LTE wären es nur 15,8 Megabit. In der Praxis spielt aber die bereits erwähnte Wahrscheinlichkeit von Kollisionen eine große Rolle, so dass der praktisch erreichte Datendurchsatz von 802.11p deutlich geringer sein dürfte. Ja, er könnte sogar geringer sein als der (garantierte) Durchsatz von LTE-V2V. Praktisch getestet wurde das aber noch nicht.
Nach Auskunft von Fachleuten soll 802.11p eine Reichweite von 360 Metern haben, was auf einer deutschen Autobahn getestet wurde. Die Deutsche Telekom hat auf ihrem LTE-Band bei 2,6 GHz (TDD) Reichweiten von 550 bis 700 Metern erreicht.
Was darf der Spaß kosten?
Für 802.1pp gehen Experten derzeit von Kosten von rund 100 Euro pro Fahrzeug für ein entsprechendes Funkmodul inklusive Software aus. Diese Kosten fallen bei der Nutzung von LTE-V2V weg, da das bereits vorhandene LTE-Modul genutzt werden kann. Das hängt vom eingebauten Chipsatz ab, in der Regel wird ein Software-Update ausreichen.
Demgegenüber stehen aber laufende Kosten für die Nutzung einer SIM-Karte im Netz des örtlichen Mobilfunkanbieters, zum Beispiel Telekom, Vodafone oder Telefónica O2, besonders, wenn nicht der für die Autos reservierte Frequenzbereich bei 5,9 GHz, sondern Frequenzen der lizenzierten Mobilfunker genutzt werden sollen.
Wie läuft der Start ab?
Während 802.11p auf direkte Kommunikation zwischen zwei Fahrzeugen angewiesen ist, die Kommunikationspartner sich also innerhalb einer maximalen Reichweite von 200 bis 300 Metern befinden müssen, kann LTE-V2V im normalen Mobilfunknetz über die Basisstation des Netzbetreibers auch andere Autos erreichen, die weiter entfernt sind.
Gerade während der Hochlaufphase, wo es nur eine kleinere Anzahl von Autos auf den Straßen gibt, die schon mit der neuen Technik ausgestattet sind, lässt sich damit die Wahrscheinlichkeit, dass eine abgesetzte Nachricht auch einen Empfänger erreicht, deutlich erhöhen. Bereits bei einer kleineren Anzahl mit der neuen Technik ausgerüsteter Fahrzeuge ergibt sich somit ein Nutzen von direkter Kommunikation.
Der langen Rede kurzer Sinn
Kurz gesagt: Wenn wenig auf den Straßen los wäre, hätte 802.11p hinsichtlich der Wirksamkeit Vorteile, die sich aber schnell ins Nachteil verkehren, wenn die Netzlast zunimmt, weil viele Fahrzeuge gleichzeitig kommunizieren wollen.
Die Qualität von LTE-V ist vorhersehbarer und zuverlässiger, weil das Netz die Kontrolle über die Kanalbelegung behält, was nicht von der Last abhängt. Durch die Auswahl von Frequenzen mit höherer Reichweite, zum Beispiel 700, 800 oder 900 MHz, steigt auch die Reichweite von LTE-V gegenüber 802.11p. Daneben profitiert eine LTE basierende Lösung von vielen bereits verwendeten LTE-fähigen Geräten, die laufend weiterentwickelt werden.
Mobilfunk der Zukunft: 5G
Mobilfunk entwickelt sich aber weiter. Während heute noch 4G/LTE, der Stand der Dinge ist, wird in den Laboren und Entwicklungsabteilungen längst an 5G geforscht, was ab 2020 an den Start gehen und damit auch in den Autos Einzug halten wird.
Derzeit wird ein neuer Funkstandard unter dem Arbeitstitel 5G NR (New Radio) entwickelt. Das Ziel ist eine möglichst geringe Signallaufzeit (Latenz) , denn während der Fahrt kommt es auf blitzschnelle Reaktionszeiten an, damit es nicht kracht.
Die fünfte Generation könnte auf Frequenzen oberhalb von 6 GHz oder sogar zwischen 40 und 60 GHz funken, da nur dort noch größere freie Frequenzbereiche zur Verfügung stehen. In Japan oder Südkorea will man damit zunächst olympische Stadien mit extrem hoher Bandbreite ausstatten, aber in privaten Autos, Taxis, Omnibussen oder Eisenbahnzügen könnte diese Technik schnell Einzug halten.
Für flächendeckende Versorgung braucht man niedrige Frequenzbereiche, hier wird noch auf längere Zeit LTE als Funktechnologie vorherrschen, wie es der Industrieverband NGMN (Next Generation Mobile Networks, Mobilfunknetze der nächsten Generation) in einem Weißbuch festgestellt hat. Aber auch LTE wird zu immer kürzeren Antwortzeiten (Ping, Latenz) und immer höherer Kapazität führen. Die Experten kommen zu dem Schluss, dass LTE - und LTE-V - alle Anwendungsfälle abdecken wird, höchstens für spezielle Konvois könnte die neue Funktechnik von 5G NR einen Vorteil bieten, nämlich für ultra dense platooning, also Konvois mit wenigen Metern Abstand.
Ein Ausblick
Derzeit läuft in den USA ein Gesetzgebungsverfahren, um 802.11p für Neufahrzeuge verpflichtend zu machen. Dieser Prozess ist aber aufgrund vieler Bedenken bereits stark verzögert worden und kam vor den Präsidentschaftswahlen nicht mehr zum Abschluss.
Parallel dazu setzt China bereits klar auf LTE-V. Die NGMN, ein globaler Zusammenschluss von Netzbetreibern, hat eine Arbeitsgruppe unter der Führung von China Mobile und Deutscher Telekom gegründet, um zu einer koordinierten Einführung von LTE-V zu kommen.
Die EU-Kommission befürwortet in ihrer Strategie für Kooperative Intelligente Verkehrssysteme den Mix beider Techniken, um bereits getätigte Investitionen in 802.11p zu schützen. Es wird jedoch erwartet, dass 5G künftig eine große Rolle spielen wird. EU-Digitalkommissar Günther Oettinger moderierte einen Prozess mit Automobil- und Kommunikationsindustrie in Europa, um zu einer koordinierten, frühzeitigen Einführung von Car2X-Netzen zu kommen. Derzeit gibt es dort aber lediglich für die Erprobung von LTE-V konkrete Pläne. Ende September gründeten (öffnet im neuen Fenster) die Autohersteller Audi, BMW und Daimler zusammen mit den Ausrüstern Ericsson, Huawei, Intel und Nokia die 5G Automotive Association (5GAA), um Funktionen wie das vernetzte automatisierte Fahren, ortsunabhängigen Zugang zu Diensten und intelligente Verkehrslösungen für die Smart City zu unterstützen.
Netzbetreiber wie die Deutsche Telekom favorisieren für die Car2X-Kommunikation LTE-basierte Technologien, da diese von den vorhandenen Netzen profitieren können und sich leicht in die bestehenden Netze wie auch in die Fahrzeuge integrieren lassen. Daher unterstützen die Bonner Tests mit den Bauteilelieferanten, den Netzbetreibern der Automobilindustrie, beispielsweise durch Feldtests auf der Autobahn A9 , aber auch diesbezügliche Aktivitäten der EU Kommission sowie der Netzbetreiberorganisationen, etwa im NGMN.