28. Oktober 2020 - Redaktion Providentia

Wie eine V2X-Kommunikation per Funk effizient wird

Innerhalb des Konsortialprojektes Providentia++ forscht Wissenschaftler Venkatnarayanan Lakshminarasimhan von der TU München daran, wie Fahrzeuge sich untereinander und mit der Infrastruktur verständigen. Sein Ziel: Netzwerkressourcen möglichst effizient nutzen.

Das Tempo miteinander abstimmen, sich gegenseitig vor Staus oder Unfällen warnen, koordiniert die Spur wechseln: Sind Fahrzeuge miteinander vernetzt, wird der Verkehr potenziell sicherer und fließt besser. Dass die Anzahl vernetzter Fahrzeuge weltweit zunehmen wird, scheint klar: Nach Angaben der Unternehmensberatung Counterpoint werden nach einer vor dem Ausbruch der Corona-Pandemie gemachten Studie bis 2025 286 Millionen entsprechend ausgerüstete Fahrzeuge verkauft werden. Die größte Nachfrage kommt dafür aus China (35%). Mit weitem Abstand folgen Deutschland (9%), die USA (8,2%) und Großbritannien (6%). In absoluten Zahlen erwartet das Marktforschungsunternehmen aus Hong Kong also mehr als 25 Millionen neue vernetzte Fahrzeuge alleine auf Deutschlands Straßen.

ITS-G5 oder 5G: Warum Providentia++ auf 5G setzt

Die Frage ist, wie sich die Fahrzeuge künftig miteinander „unterhalten“ und Informationen austauschen. Volkswagen hat sich im neuen Golf 8 gegen den Mobilfunk und für ein an den Straßenverkehr angepasstes „WLAN“ entschieden – den Standard ITS-G5.

Herr Lakshminarasimhan, Sie forschen an der V2X-Kommunikation. Dabei konzentrieren Sie sich auf die Funktechnologie C-V2X. Warum haben Sie sich dafür entschieden?

Eine WLAN-basierte Lösung nach dem Standard ITS-G5 des European Telecommunications Standards Institute (ETSI) hat zwar die Vorteile, dass das eingesetzte Frequenzspektrum unlizensiert ist und die Adhoc-Netze eine Kommunikation ohne Netzinfrastruktur und -betreiber möglich macht. Je mehr vernetzte, V2X-fähige Fahrzeuge allerdings auf den Straßen unterwegs sind, umso weniger zuverlässig ist die ITS-G5-Technologie, besonders aufgrund der beschränkten Bandbreite für die Übertragung der Daten. Verzögerungen in der Kommunikation entstehen – mit der Gefahr, dass Daten verloren gehen. Mit der Cellular V2X (C-V2X)-Technologie, die auf LTE und 5G basiert, ist es nicht nur möglich, diese Beschränkungen zu umgehen, sondern sogar Zusagen und Garantien für den Datentransfer zu geben. Deshalb ist C-V2X besonders gut für die bevorstehenden Providentia++-Anwendungen geeignet, denn sie erfordern, dass extrem geringe Verzögerungen auftreten und absolut sicher ist, dass die Daten übertragen wurden.

Wie sieht die C-V2X-Architektur aus?

Generell benötigt ein Fahrzeug Daten aus seinem direkten Umfeld. Im Nahbereich ist der Austausch der Sensordaten entscheidend, im mittelweiten Bereich spielt die Manöverplanung eine besondere Rolle und über weitere Distanzen dominiert die strategische Planung – also etwa die Frage, ob man eher die Autobahn verlassen soll, um einem Stau zu entgehen. Technisch gesehen werden Mobilfunkzellen mit Hilfe von Basisstationen entlang der Autobahn aufgebaut, um die Fahrzeuge miteinander zu vernetzen. Doch hat auch die Architektur mit statischen Mobilfunkzellen seine Herausforderungen: Eine flächendeckende und zuverlässige Vernetzung braucht eine dichte Infrastruktur mit vielen Basisstationen als auch große Menge an Radio-Ressourcen.

Welche technischen Alterativen gibt es zur statischen Mobilfunkzelle?

Unsere Idee besteht darin, kleine Netzwerkzonen zu bilden und sie mit den Fahrzeugen mitzubewegen. Vorteil: Die Rechner in den Fahrzeugen reichen für die Verarbeitung der Daten aus und es braucht dafür im Idealfall keine Basisstation. Durch diesen Ansatz können zudem die Radio-Ressourcen entlang der Netzwerkkolone mehrere Male genutzt werden.

Bringt diese Architektur auch messbar bereits Erfolge?

Wir haben die Architektur über eine Strecke von fünf Kilometern auf der Autobahn simuliert. Dafür haben wir drei Szenarien zugrunde gelegt. Zum einen haben wir fünf statische Mobilfunkzellen aufgebaut (I.), im zweiten Szenario haben wir statische Netzwerkzonen definiert, die von Sensorstationen koordiniert wurden (II.) und im dritten Szenario mobile Netzwerkzonen, die von Fahrzeugen gemanaged werden (III.). Welches dieser Szenarien letztlich am sinnvollsten ist, hängt davon ab, wie hoch der Anteil an vernetzten Fahrzeugen im Verkehr ist. Sind nur wenige vernetzte Fahrzeuge auf den Straßen oder ist der Anteil der vernetzten und nicht vernetzten Fahrzeuge in etwa ausgeglichen, werden in Szenario II am wenigsten Netzwerkressourcen benötigt. Szenario III ist gewissermaßen das Zukunftsszenario. Denn wenn die klare Mehrheit der Fahrzeuge vernetzt ist, benötigt dieser Ansatz am wenigsten Netzwerkressourcen. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass es sinnvoll sein kann, einen Algorithmus zu entwickeln, der selbständig entscheidet, in welchem Verkehr welches Szenario genutzt wird. Doch müssen wir diese simulierten Zahlen noch in praktischen Tests bestätigen.

Hier geht es zur Forschungsarbeit von Venkatnarayanan Lakshminarasimhan und Alois Knoll.

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