Das vernetzte Auto

Das vernetzte Auto kommt

Sicher, effizient und komfortabel ans Ziel

Das vernetzte Auto kommt. Zunächst vor allem in chinesischen Mega-Citys. Doch parallel zur Einführung des 5G-Mobilfunks wird sich der davon abgeleitete C-V2X-Standard zur Autovernetzung bald auch in Europa und in den USA etablieren. Große Player setzen auf Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz, um autonomes Fahren sicher und effizient auf die Straße zu bringen.

Shanghai zur Rush Hour. Reißverschlussverfahren? Hier heißt die Devise: Hupen, losfahren! Wer Bremsen musste, hupt zurück, fertig. Mitten in einer Kreuzung den Rückwärtsgang einlegen, um doch eine andere Richtung einzuschlagen? Kommt vor. Und mit Glück hat es zu tun, nicht mit einem der unzähligen geräuschlos durch alle Lücken kurvenden E-Rollerfahrer zusammenzurauschen. Elektromoped-Piloten, sogar Fahrer von Kleintransportern mit E-Antrieb nutzen ungeniert die Bürgersteige. „Die Straßen“, so der Münchner Unternehmensberater und Absolvent der Shanghaier Wirtschaftsuniversität SUFE Julian Schneider, „sind ihnen einfach zu unsicher“. Besonders tückisch: wollen Fußgänger im Dauergehupe eine Kreuzung überqueren, seien sie auch bei Grün nicht sicher. Denn Rechtsabbieger dürfen auch bei Rot fahren (wie übrigens auch in Kanada, Australien und den USA). Die Folgen: So viele Verkehrstote wie nirgendwo sonst auf der Welt. Das zeigen die jüngsten verfügbaren Daten der Weltgesundheitsorganisation WHO aus 2018.

Chinas Megacitys – brodelnde Labore der automobilen Revolution

Doch diesen Zuständen hat die chinesische Regierung den Kampf angesagt. Dabei sind ihr vor allem solche Mittel willkommen, die die Technologiekompetenz des Landes stärken. So ist die Smart City, die in westlichen Ländern erst auf den Reißbrettern existiert, mit Macht auf dem Vormarsch. Schon 2011 im 12. chinesischen Fünfjahresplan erwähnt, wurde in der anschließenden Planperiode unter dem Begriff New Smart City inhaltlich nachgelegt.

Seit 2015 ist die Doktrin „Made in China 2025“ in Kraft, mit der das Land in den Innovationsbereichen Robotik, künstliche Intelligenz und Elektromobilität die globale Führung anstrebt. Der vernetzte autonome Verkehr fügt sich nahtlos in diese Pläne ein. Chinesische Start-ups gehören denn auch zu den Pionieren für den Autoverkehr der Zukunft. Die chaotischen Verhältnisse in ihren Großstädten spielen ihnen dabei in die Karten. James Peng, der Geschäftsführer des erst 2016 gegründeten, aber bereits zu den Branchengrößen gehörenden Robotaxi-Unternehmens Pony.ai, hält die Herausforderungen in China für besonders hoch. Die Erfahrungen mit den unberechenbaren lokalen Verhältnissen seien wertvoller und die Daten aussagekräftiger als beispielsweise in den USA, dem Vorreiter in Sachen autonomes Fahren. Pony.ai betreibt im Süden Chinas schon einen breit angelegten Feldversuch mit selbstfahrenden Autos auf öffentlichen Straßen.

Andere lokale Player wie Baidu, AutoX und DiDi Xungking tun es ihm gleich. Insider erwarten den Durchbruch zu einem Massengeschäft für die Jahre 2023 bis 2025. Bis 2030 soll schon ein Millionenheer von Robotaxis auf dem größten Markt der Welt unterwegs sein. Begünstigt wird die Entwicklung durch die Tatsache, dass nur rund jeder vierte Chinese einen Führerschein besitzt und die meisten sich auf absehbare Zeit kein eigenes Auto werden leisten können.

Ein autonomes Auto, das hier bestehen kann, muss keinen Einsatzort fürchten. Chinas Megacitys dienen den lokalen Robotaxi-Pionieren als Testlabor für V2X-Worst-Case-Szenarien. Damit ihre Geschäftsidee flächendeckend und vor allem sicher realisiert werden kann, braucht es Automotive-Testlösungen wie die von Rohde & Schwarz.

Vorreiter USA

Begonnen hat die automobile Revolution freilich in den USA. Ab 2014 zeigten die knuddeligen autonomen Google-Eier, wo die Reise hingeht. 2015 erfolgte damit die erste fahrerlose Fahrt im öffentlichen Straßenverkehr. Google bzw. seine 2017 gegründete Schwesterfirma Waymo gilt bis heute als der Maßstab für autonomes Fahren mit den meisten Testkilometern und der ausgereiftesten Software. Doch über ein Dutzend weiterer US-Unternehmen sowie mehrere chinesische nutzen die günstigen regulatorischen Bedingungen vor allem in Kalifornien für eigene Feldversuche. Dort ist nicht nur bereits die kommerzielle Nutzung von Robotaxis geregelt, sondern einige Betreiber haben sich sogar schon den Betrieb ohne Sicherheitsfahrer genehmigen lassen. Etwaige Probleme unterwegs werden durch Ferneingriff aus einer Zentrale behoben.

Waymo

Die Google-Schwester Waymo ist eines von zahlreichen Unternehmen in USA und China, die bereits mit autonomen Fahrzeugen auf öffentlichen Straßen unterwegs sind. Erste kommerzielle Robotaxi-Flotten werden für die nächsten Jahre erwartet.

Europa tickt anders

In Europa fehlen vergleichbare Start-up-Initiativen wie in den USA und China. Hier setzt man auf die Entwicklungsleistungen der Automobilindustrie selbst, auf Kooperationen mit den großen IT-Playern oder auch, etwa in Deutschland, auf lokale Projekte mit automatischen Shuttles oder People Movern, die auf der ersten oder letzten Meile des öffentlichen Verkehrs zum Einsatz kommen. Immerhin hat Deutschland als erstes Land im Juli 2021 ein flächendeckendes Gesetz zum autonomen Fahren bis zur Stufe 4 verabschiedet, das den Betrieb automatischer Taxi-Flotten auch auf deutschen Straßen ermöglicht. Prompt kündigte der Autovermieter Sixt an, möglichst schon 2022 Robotaxis in München an den Start bringen zu wollen, die mit der Technologie der Intel-Tochter Mobileye navigieren. Ein Sicherheitsfahrer soll allerdings noch mit an Bord sein.

Jürgen Meyer

"The idea of connected, autonomous driving is picking up speed worldwide. Our cars are increasingly becoming smartphones on wheels. The goal is for road traffic to become even safer for everyone. But we have to be able to trust the technology contained in a very small space within a connected vehicle. At all times and everywhere. Innovative T&M solutions make this possible. Everything is rigorously tested before the vehicles are deployed."

Jürgen Meyer, Vice President Market Segment Automotive, Rohde & Schwarz

Völlige Autonomie ist suboptimal

Die Berichterstattung über den Autoverkehr der Zukunft hangelt sich an den Stichworten Elektromobilität und autonomes Fahren entlang. Diese großen Technologiebaustellen stehen zufällig zur gleichen Zeit auf der Agenda, sind aber ganz unabhängig voneinander. Die Automobilindustrie sieht sich vor die Mammutaufgabe gestellt, beide parallel zu stemmen, was auch die größten Hersteller mächtig fordert.

Während branchenfremde Neulinge wie Waymo, Argo AI oder Baidu mit ihren Navigationssystemen Druck auf die klassischen Auto-OEMs ausüben, müssen diese gegenhalten, um nicht abhängig zu werden, und gleichzeitig den Umstieg auf elektrische Plattformen bewältigen. Zudem nimmt die Elektronik einen rasch wachsenden Anteil an der Fahrzeugentwicklung ein. Immer ausgeklügeltere Fahrerassistenzsysteme erhöhen die Sicherheit und steigern den Autonomiegrad. Dabei ist völlige Autonomie nach Stufe 5 zwar irgendwann möglich, aber gar nicht das eigentliche Ziel. Das große Bild wird vielmehr unter der Überschrift C-ITS gemalt: kooperative intelligente Transportsysteme.

Diese Vision betrachtet den Verkehr aus einer höheren Warte mit der Absicht, sowohl die Verkehrssicherheit („Vision Zero“, 2050 kaum noch Verkehrstote) als auch die Verkehrs-Effizienz mit technischen Mitteln zu maximieren. Das geht aber nur, wenn sich die Fahrzeuge untereinander sowie mit der umgebenden Infrastruktur und einer Verkehrszentrale verständigen. Der 5G-Mobilfunk wird die Grundlage dafür bilden.

Das Auto als Zelle eines mobilen Ökosystems

Wie bei Techno-Themen üblich, spart man auch beim kommunizierenden Auto nicht mit griffigen Formeln. V2X für „vehicle to everything“ bildet den begrifflichen Überbau, dem sich die Ausprägungen V2V (… to vehicle), V2I (… to infrastructure), V2N (... to network) und V2P (… to pedestrian) unterordnen. Das Auto der Zukunft wird eine rege Kommunikationstätigkeit mit diesen Gegenstellen entfalten, um so sicher, schnell und komfortabel wie möglich von A nach B zu kommen. Bis das funktioniert, ist noch einiger Entwicklungs-, Abstimmungs- und Investitionsaufwand zu leisten. Die wichtigste Voraussetzung – ein geeignetes Funksystem – ist mit 5G aber schon vorhanden. Jetzt muss die Technik noch ins Auto.

V2X animation

Video

Integraler Bestandteil der Smart City: Das funkvernetzte Auto kommuniziert mit der Infrastruktur und anderen Verkehrsteilnehmern. Im autonomen Fahrbetrieb werden alle Signale automatisch verarbeitet. Über Rohde & Schwarz-Mobilfunksimulatoren lassen sich Fahrzeuge mit solchen V2X-Szenarien im Prüffeld konfrontieren, lange bevor sie in der realen Welt anzutreffen sind.

Der bessere Fahrer

Der Mensch ist ein ziemlich guter Autofahrer, wenn man bedenkt, wie komplex und unvorhergesehen der Verkehr sein kann. Aber die Technik macht inzwischen manches besser. Sie hat ihre Augen in zukünftigen Modellen über Kameras, Radar- und Lidarsensoren überall, kennt die Route, ist reaktionsschneller, immer aufmerksam und ermüdet nicht. Kommt außerdem noch Funkkommunikation ins Spiel, lassen sich Informationen über entfernte Situationen in die Fahrzeugführung einbeziehen, die dem Fahrer respektive dem Auto sonst nicht zugänglich wären.

Wenn denn alles mal geht: eine Modellfahrt

Über Nacht ist unser Wagen per Mobilfunk auf den neuesten Software-Stand gebracht worden und mit neuen Features bereit für den nächsten Ausflug. Unsere automatisierte Modellfahrt beginnt mit der Nennung des Ziels an den Bordcomputer, der erst mal minutenaktuelle Karten- und Verkehrsinformationen aus dem Netz holt. Die Beethovenstraße ist wegen eines gerade geschehenen Unfalls, den die beteiligten Fahrzeuge automatisch gemeldet haben, blockiert und wird umfahren. Der Verkehr durch die Innenstadt fließt ohne größere Stockung, denn die Leitstelle hat das gesamte Verkehrsgeschehen im Blick und optimiert die Ampelphasen. Der Start nach einer Rotphase erfolgt orchestriert. Die Ampel („roadside unit“) signalisiert über Funk den Sprung auf grün.

Das erste Fahrzeug („host vehicle“) übernimmt die Regie und initiiert eine V2V-Funkkette entlang der stehenden Kolonne, die kontrolliert Fahrt aufnimmt. Zwei Straßen weiter ein kritischer Zwischenfall: Ein Fußgänger tritt unvermittelt in die Fahrbahn und zwingt ein Auto zur automatischen Notbremsung. Ein von diesem gleichzeitig abgesetztes V2V-Signal an den nachfolgenden Verkehr, darunter unser Gefährt, veranlasst innerhalb von Millisekunden überall die gleiche Reaktion, sodass der Vorfall folgenlos bleibt. Wir nehmen die Auffahrt zur dichtbefahrenen Stadtautobahn. Unser Bordcomputer informiert die nächsten Fahrzeuge, dass wir einfädeln wollen, und nutzt die Lücke, die diese daraufhin bilden. Kurz danach entsteht wie von Geisterhand eine Rettungsgasse, weil sich ein Einsatzfahrzeug nähert. Die Verkehrszentrale hatte über Mobilfunk alle Fahrzeuge entlang der Strecke informiert.

Am Ziel brauchen wir einen Platz im Parkhaus und überlassen das ganze Prozedere dem Garagenmanagementsystem, das unseren Wagen zum nächsten freien Platz dirigiert, wo er selbsttätig einparkt. Ein Rufsignal wird ihn später am Ausgang wieder bereitstellen.

Ein Blick auf die Technik

Die Modellfahrt macht deutlich, dass ein auf Funkvernetzung und Fahrzeugautonomie basierendes Mobilitätssystem (C-ITS) automatische Mechanismen für eine Vielzahl von Verkehrssituationen (use cases) voraussetzt. Diese müssen herstellerunabhängig standardisiert sein. Daran arbeiten Organisationen wie die 5G Automotive Association 5GAA, in der alles vertreten ist, was in der Automobil- und Kommunikationsbranche Rang und Namen hat, darunter auch Rohde & Schwarz, und die, wie der Name verrät, auf den 5G-Mobilfunk setzt.

Die Automobilindustrie hat schon früh im 5G-Standardisierungsprozess auf die Berücksichtigung ihrer Belange hingewirkt. Die 5G-imanenten Eigenschaften wie hohe Übertragungsrate, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und kurze Signallaufzeit (Latenz) machten das System von vornherein zu einem idealen Kandidaten für die Verkehrsvernetzung. Mit zellularem Mobilfunk – dem Funkverkehr über vermittelnde Basisstationen – lässt sich aber nur ein Teil der Kommunikationsaufgaben abdecken. In Funklöchern oder Ad-hoc-Situationen müssen die Fahrzeuge in der Lage sein, direkt miteinander zu reden. Bereits im 5G-Vorläufer LTE wurde dafür eine sogenannte Sidelink-Schnittstelle („PC5“) vorgesehen, die es auch in 5G wieder gibt. Abhängig vom Use Case wird die Kommunikation entweder über das Netz (Cellular-VTX, C-VTX, Uu) oder den PC5-Sidelink abgewickelt.

Eine alternative Sidelink-Technologie auf WLAN-Basis (Variante 802.11p) steht mittlerweile im Abseits, nachdem sich die großen Märkte USA und China wie auch praktisch alle europäischen Hersteller für 5G-PC5 ausgesprochen haben.

Showtime

Um die visionären Pläne umsetzen zu können, müssen die kommenden Fahrzeuggenerationen 5G-fähig werden. Eine generelle Mobilfunkeinrüstung ist bereits seit Jahren aufgrund des verpflichtenden Notrufsystems eCall für alle Neufahrzeuge Standard. 5G ist aber im Hinblick auf die zentrale Rolle, die ihm in künftigen Verkehrs-Szenarien zukommt, deutlich anspruchsvoller als frühere Standards. Verbindungsfehler sind in sicherheitskritischen Echtzeit-Anwendungen keine Option. Die Hersteller der für die Fahrzeug-Kommunikation zuständigen Telematik-Einheiten wie auch die Autobauer selbst brauchen deshalb die Unterstützung von Mobilfunkexperten wie Rohde & Schwarz.

Eine ganze Palette von spezialisierten Messgeräten gibt den Entwicklern und Systemintegratoren die Mittel an die Hand, um jede Funk-Spielart – neben Mobilfunk auch Bluetooth, WLAN und GNSS – effizient zu integrieren. Mobilfunktester wie R&S®CMW500 oder R&S®CMX500 simulieren ein Mobilfunknetz in all seinen Funktionen, messen und beurteilen die Performance eines Teilnehmergeräts und ermöglichen den Labortest beliebiger 5G-Applikationen wie z.B. die Use Cases fürs autonome Fahren. Ein besonderes Augenmerk gilt auch den Luftschnittstellen der Fahrzeuge, den Antennen. Schlüsselfertige Messsysteme automatisieren die nötigen Untersuchungen und entlasten die Hersteller von zeitaufwendigen und fehleranfälligen Prozeduren, die Spezial-Know-how voraussetzen (full vehicle antenna test, FVAT).

Neben den (Mobil-)Funk-Messeinrichtungen finden Automobilhersteller und Zulieferindustrie bei Rohde & Schwarz alle Messmittel für die Entwicklung und den Test der elektrischen und elektronischen Fahrzeugkomponenten, sei es eCall, die Multimedia-Ausstattung, die Fahrzeug-Datenbusse, die Radarsensorik oder der E-Antrieb. Einrichtungen zum Test der elektromagnetischen Verträglichkeit kommen hinzu. Fazit: Messtechnik von Rohde & Schwarz bringt das Auto der Zukunft ins Rollen.

Mobilfunktester wie R&S®CMW500 und R&S®CMX500 simulieren ein komplettes Mobilfunknetz. Ein damit verbundenes Endgerät, etwa eine Kfz-Telematik-Einheit oder ein ganzes Auto, kann unter Laborbedingungen mit allen denkbaren Szenarien konfrontiert werden, die es live auf der Straße noch gar nicht gibt.

Antennentests finden „over the air” statt und erfordern große Testeinrichtungen. Nachdem das Auto auf die Drehscheibe gefahren wurde, läuft der Test automatisch ab. Durch die abgestimmte Bewegung von Drehscheibe und Schwenkarm lässt sich die Messantenne an dessen Ende an jeden Punkt einer gedachten Halbkugel über dem Auto positionieren. Die Messung liefert so ein lückenloses Bild, das alle Raumrichtungen einbezieht.