Die Zukunft vernetzter Autos: Wie die V2X-Technologie die Automobilindustrie verändert

 

Aliaksei Safonau,

Leiter der Automobilabteilung 

Vehicle-to-everything (V2X) ist keine neue Technologie, aber mit der Entwicklung von KI und Edge-Computing wird sie bis zum Ende dieses Jahrzehnts in 95 % der Neuwagen zum Einsatz kommen. Sehen wir uns an, wie sie in vernetzten Autos funktioniert und welche Trends ihre Entwicklung vorantreiben. Hier finden Sie auch die neuesten Fallstudien von globalen Autoherstellern und unserem Ingenieurteam.

Inhaltsverzeichnis

Was ist V2X

Zukünftige Trends in der Automobilindustrie und aktuelle Herausforderungen

V2X-Fallstudien: Vehicle-to-Everything-Lösungen

Cellular-V2X (C-V2X)

 

Im Jahr 2021 waren 50 % aller weltweit verkauften Autos vernetzt. Bis 2030 soll diese Zahl auf 95 % steigen. Diese Statistik aus dem McKinsey-Bericht zeigt einen positiven Ausblick für technische Konnektivitätslösungen auf dem Automobilmarkt. Außerdem gibt sie Hoffnung auf eine Verbesserung der traurigen Verkehrsunfallstatistik.

Im vergangenen Jahr starben in der EU mehr als 20.000 Menschen bei Autounfällen. 70 % der Todesfälle in Städten wurden durch schwächere Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger und Zweiradfahrer verursacht. Was können wir tun, um diese Situation zu ändern? Die EU hat eine Strategie zur Verkehrswende entwickelt, um die Zahl der Todesfälle bis 2050 auf null zu senken. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, ist die Entwicklung vernetzter Fahrzeuge und die Einführung von Fahrzeug-zu-Alles-Kommunikationssystemen.

^{Das vernetzte Fahrzeug mit Kommunikationsfunktionen in IVI, Telematik und V2X. Quelle: jabil.com}

Intelligente vernetzte Fahrzeuge sind mit Technologie ausgestattet, um miteinander, mit der Infrastruktur und mit fast allem, was mit dem Netzwerk verbunden ist, über drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation zu kommunizieren – dies ist die Fahrzeug-zu-Alles-Kommunikation.

Die Vehicle-to-Everything-Technologie (V2X) ermöglicht es vernetzten Fahrzeugen, Informationen über die Straßenverhältnisse an andere Verkehrsteilnehmer und die umgebende Infrastruktur zu übermitteln. Dieses Konzept umfasst mehrere Arten der Kommunikation:

• Vehicle-to-Vehicle (V2V)
• Vehicle-to-Infrastructure (V2I)
• Vehicle-to-Network (V2N)
• Vehicle-to-Pedestrian (V2P)
• Fahrzeug-zu-Haus (V2H)

Funktionsweise. Zur Umsetzung von V2X-basierten Systemen müssen alle Benutzer mit Kommunikationsgeräten ausgestattet sein, um Daten senden und empfangen zu können: IVI-Systeme in Autos und Motorrädern, Bordcomputer für Fahrräder und Roller, Smartphones und tragbare Geräte. Die empfangenen Informationen werden auf den Bildschirmen intelligenter vernetzter Fahrzeuge, in den Schnittstellen von Systemen für das Infrastrukturmanagement und in den Anwendungen verschiedener mobiler Geräte angezeigt. Die Daten werden von Sensoren in Fahrzeugen, mobilen Geräten für Fußgänger und Infrastrukturen wie Ampeln oder Kameras generiert.

Schauen wir uns die Funktionen der Vehicle-to-Everything-Technologie (V2Х) genauer an.

• Sicherheit: Vernetzte Fahrzeuge und Fußgänger tauschen Echtzeitinformationen aus, die gefährliche Situationen verhindern (Fahrzeugstandort, Geschwindigkeit, Notfallzustand oder Erkennung des toten Winkels). 

• Verkehrsoptimierung: Informationen über den Status von Ampeln, Straßensperrungen, Reparaturen und Staus helfen bei der Auswahl der besten Routen und entlasten stark befahrene Stadtautobahnen.

• Effiziente Ressourcennutzung: Fahrer von vernetzten Autos mit Verbrennungsmotoren können die besten Routen wählen, um Kraftstoff zu sparen. Besitzer von Elektrofahrzeugen finden die nächstgelegenen verfügbaren Ladestationen, um sie während der Hauptverkehrszeiten rationell zu nutzen.

• Autonomes Fahren: Durch die Kommunikation mit dem Verkehr und der Infrastruktur können autonome Fahrzeuge genauere Entscheidungen treffen, Unfälle vermeiden und Fahrtrouten optimieren.

• Entwicklung der städtischen Mobilität: Die V2X-Technologie wird eine bessere Koordination des städtischen Verkehrs ermöglichen und Echtzeitinformationen über die Verkehrssituation, die Fahrpläne des öffentlichen Nahverkehrs und die Verfügbarkeit von kostenlosen Parkplätzen liefern. Sie wird die Abhängigkeit von Privatfahrzeugen verringern und die allgemeine Mobilität in der Stadt erhöhen.

Lassen Sie uns die technischen Lösungen erforschen, die die V2X-Konnektivität zu einem Teil unseres Lebens machen und zukünftige Trends in der Automobilindustrie setzen:

Software-definierte Fahrzeuge mit drahtlosen Upgrades

Software-definierte Fahrzeuge können während ihres gesamten Lebenszyklus mit Softwareentwicklung und Over-the-Air-Updates (OTAs) mit neuen Funktionen aufgerüstet werden. Hersteller können eine Reihe von Dienstleistungen anbieten, von Sicherheitsfunktionen bis hin zu personalisierten Unterhaltungssystemen, und zwar durch softwaredefinierte Kommunikation mit dem Fahrzeug.

Die neuen Funktionen arbeiten mit einzelnen Sensoren und Sensorfusion – Kameras, Radar und LiDARs. Und während die Hersteller neue Funktionen entwickeln, wird die Anzahl dieser Sensoren und Softwareplattformen für Autos weiter steigen. Bis 2027 wird der Markt für Automobilsoftware 40 Milliarden US-Dollar übersteigen, was einem Anstieg von 85 % gegenüber 2022 entspricht (Quelle: MarketsandMarkets).

Software over-the-air (OTA), die es ermöglicht, die Leistung zu optimieren und zu überwachen, Probleme aus der Ferne zu lösen und Fehlerbehebungen bereitzustellen, ohne Fahrzeuge zurückzurufen, wird von entscheidender Bedeutung sein. Die Over-the-Air-Programmierung verhindert etwa 40 % der Fahrzeugrückrufe (Automotive Recall Report, 2020).

Derzeit entscheiden sich Erstausrüster dafür, ihre Software intern zu entwickeln, mit großen Anbietern von Standardlösungen zusammenzuarbeiten oder die Entwicklung an Unternehmen auszulagern, die ASPICE-konforme Software-Engineering-Dienstleistungen anbieten. 

Mit den wachsenden Fähigkeiten von Softwarelösungen nehmen jedoch auch die Sicherheitsbedrohungen zu. Um diesem Problem zu begegnen, haben Normungsgremien der Branche die ISO/SAE 21434 entwickelt, eine neue Norm für Cybersicherheit im Automobilbereich, die von SAE International und der Internationalen Organisation für Normung (ISO) herausgegeben wurde.

Edge-Computing für die Datenübertragung in Echtzeit

Die Lösung der Probleme einer vollständig vernetzten Infrastruktur und der Datenübertragung in Echtzeit wird dafür sorgen, dass autonome Autos weiter verbreitet werden. 

Derzeit kommen die Daten, die die vernetzten Fahrzeugdienste bilden, mit einer Verzögerung in der Cloud an. Das ist ein Problem: Autonome Fahrzeuge müssen Entscheidungen in Echtzeit treffen, unabhängig davon, ob eine externe Verbindung besteht oder nicht. Nur so können ihre Funktionalität und Sicherheit gewährleistet werden. 

Edge-Computing-Technologien für Verkehr und Infrastruktur werden eine minimale Latenzzeit bei der Datenübertragung in Lösungen für die Automobiltechnik gewährleisten. Und dedizierte Funkfrequenzbänder werden eine störungsfreie Datenübertragung ermöglichen. So schlug die Federal Communications Commission (FCC) beispielsweise im Jahr 2020 vor, die oberen 30 MHz des 5,9-GHz-Bandes für das Intelligent Transportation System (ITS) zu nutzen.

Sehen wir uns die neuen Produkte und vernetzten Fahrzeugdienste im Rahmen des V2X-Konzepts an: 

Vehicle-to-Vehicle (V2V)

Die Vehicle-to-Vehicle-Technologie ermöglicht es Fahrzeugen, Informationen über ihre Position, Geschwindigkeit und Richtung aneinander zu übermitteln. GPS-Tracking-Lösungen, Kameras, Lidar und Radar generieren diese Daten.

V2V-Fallstudie: Präzise Positionsbestimmung mit V2X-Locate von Cohda Wireless

Das australische Unternehmen Cohda Wireless hat seine V2X-Locate-Lösung für eine präzise Positionsbestimmung innerhalb von 10 cm entwickelt, während die typische GPS-Genauigkeit bei etwa 3 bis 5 Metern liegt.

^{V2X-Locat-Technologie von Cohda Wireless. Quelle: cohdawireless.com}

Das Bild zeigt ein Beispiel dafür, wie genau die neue Technologie den genauen Weg (blaue Linie) in Abschnitten der 6th Ave in New York City bestimmt, wo das GNSS-Signal (rote Linie) aufgrund hoher Gebäude nicht verfügbar ist.

V2X-Locate ist in städtischen Gebieten nützlich, in denen GNSS-Signale durch hohe Gebäude, dichte Grünflächen, Schluchten, Brücken oder Tunnel blockiert werden oder verloren gehen. Es ermöglicht Fahrzeugen, auch dann miteinander zu kommunizieren, wenn GNSS-Signale blockiert werden, und sorgt so für eine genaue Positionsbestimmung und reduziert die Unfallgefahr. Diese Funktion ist für autonome Fahrzeuge unerlässlich.

Vehicle-to-Infrastructure (V2I)

Die Vehicle-to-Infrastructure (V2I)-Technologie ermöglicht es Fahrzeugen, Informationen über den Zustand der Infrastruktur zu erhalten:

• Straßensituationen: Staus, Reparaturen oder Unfälle;
• Verfügbarkeit von freien Parkplätzen und Ladestationen.

V2I wird durch Roadside Units (RSU) mit Sensoren, Kameras, Radaren und Funkgeräten ermöglicht, die die erforderlichen Informationen empfangen und senden. Die Informationen werden durch akustische Signale von den IVI-Systemen oder dem Display der Fahrzeuginstrumententafel bereitgestellt.

V2I-Fallstudie: Grüne Welle Optimierte Geschwindigkeitsempfehlung (GLOSA) von Audi

Die Grüne Welle Optimierte Geschwindigkeitsempfehlung (GLOSA) von Audi hilft Fahrern, rote Ampeln zu vermeiden. Sie analysiert die Fahrzeugpositionen und Ampel-Sensordaten in Echtzeit, um die optimale Geschwindigkeit für das Passieren einer grünen Ampel an der nächsten Kreuzung zu berechnen.

^{Grüne Welle Optimierte Geschwindigkeitsempfehlung (GLOSA) von Audi. Quelle: audi-mediacenter.com}

GLOSA kann das Fahrerlebnis und die Umwelt auf folgende Weise verbessern:

• Reduzierung der CO2-Emissionen;
• Sicherstellung eines optimalen Kraftstoffverbrauchs durch weniger Beschleunigungs- und Bremsvorgänge an roten Ampeln;
• Schonung der Batterie bei Elektrofahrzeugen durch kürzere Fahrzeiten;
• Reduzierung von Staus.

Fahrzeug-zu-Fußgänger (V2P)

Die Fahrzeug-zu-Fußgänger-Technologie ermöglicht es vernetzten Fahrzeugen, Informationen über Fußgänger zu erhalten und deren Standort zu melden. Die Kategorie „Fußgänger“ des V2X-Konzepts umfasst Radfahrer, Besitzer von Kleinfahrzeugen (Roller, Motorräder) und Menschen mit eingeschränkter Mobilität.

V2P-Systeme können Fußgänger und kleine Zweiräder in toten Winkeln oder an ungeeigneten Stellen zum Überqueren oder Passieren „sehen“. 

V2P-Fallstudie: Fußgängererkennungssystem von Mobileye 

Ein Beispiel für eine V2P-Lösung ist ein System des israelischen Unternehmens Mobileye: Es kann Fußgänger aus einer Entfernung von bis zu 200 Metern erkennen, sie in Echtzeit verfolgen, ihre Richtung vorhersagen und den Fahrer vor einer möglichen Kollision warnen. Diese Lösung funktioniert bei Tag und Nacht, bei schlechten Lichtverhältnissen oder schlechter Sicht.

^{Fußgängererkennungssystem von Mobileye. Quelle: mobileye.com}

Die Lösung von Mobileye nutzt Deep Learning, um verschiedene Arten von Fußgängern zu identifizieren: Erwachsene, Kinder und Radfahrer, um die Reaktion des Systems auf das potenzielle Risiko, das jede Art von „Fußgänger“ darstellt, abzustimmen.

So funktioniert es: Mobileye erzeugt visuelle und akustische Signale für den Fahrer und kann eine Notbremsung auslösen, wenn eine Kollision unmittelbar bevorsteht und der Fahrer nicht auf Warnungen reagiert.

Vehicle-to-Home (V2H)

Die Vehicle-to-Home-Technologie ermöglicht es, Elektrofahrzeuge (EVs) zur Stromversorgung von Haushalten und Unternehmen zu nutzen. Es gibt zwei grundlegende Szenarien:

1. TDas Fahrzeug gibt seine Ladung während eines Stromausfalls ab und sorgt so für eine unterbrechungsfreie Versorgung.
2. Das Auto überträgt in Zeiten hoher Nachfrage (und höherer Tarife) günstigere Energie und speichert sie dann in Zeiten geringer Nachfrage (und niedrigerer Tarife).

V2H-Fallstudie: Tesla Powerwall-Batterie 

Beide Szenarien sind in der Tesla Powerwall-Heimbatterie enthalten. Die Powerwall speichert Strom aus erneuerbaren Quellen und gibt die Ladung über Autos weiter, die mit einem bidirektionalen Ladegerät ausgestattet sind, das die Autobatterie aufladen und die Energie ins Netz zurückspeisen kann.

^{Tesla Powerwall-Heimbatterie mit V2H-Konnektivität. Quelle: tesla.com}

V2H-Lösungen haben folgende Vorteile:

• Verlangsamung des Wachstums von Kraftwerken, die teuer und umweltschädlich sind;
• Stabilisierung des Stromnetzes und Streben nach null CO2-Emissionen: Autos können überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen speichern und sie in Zeiten hoher Nachfrage wieder ins Netz einspeisen.

V2N-Fallstudie: Notrufdienst von Bosch

Vehicle-to-Network (V2N) ist eine bidirektionale V2X-Technologie, die Fahrzeuge, Straßeninfrastruktur, Cloud-Dienste und Steuerungssysteme über das Internet miteinander verbindet. Alle Verkehrsteilnehmer können ihre Zustandsdaten an das Netzwerk übermitteln, um ein vollständiges Echtzeitbild der Verkehrssituation zu erhalten.

V2N case study: emergency assistance call service from Bosch

Ein Beispiel für die praktische Umsetzung von V2N ist das eCall-System von Bosch für den automatischen Notruf bei einem Unfall. eCall sendet automatisch Daten über den Unfallort, die Anzahl der Fahrzeuginsassen und die Fahrtroute des Fahrzeugs.

^{Das automatische Notrufsystem eCall. Quelle: bosch-presse.de}

eCall kann auch manuell durch Drücken einer Taste im Fahrzeug gestartet werden. Das System nutzt einen GPS-Empfänger und ein Mobilfunkmodul, um das Fahrzeug zu lokalisieren und den Anruf an die nächstgelegene Notrufzentrale zu übermitteln.

Die V2X-Entwicklung wird durch die Cellular-Vehicle-to-Everything-Technologie (C-V2X) vorangetrieben, einen Standard des 3rd Generation Partnership Project (3GPP), der eine direkte Kommunikation zwischen V2X-Systemkomponenten ermöglicht. Es gibt zwei Modi des Standards: direkte Kommunikation (PC5) und Netzwerkkommunikation (Uu).

Der PC5-Modus ermöglicht die Kommunikation zwischen dem vernetzten Fahrzeug und anderen Verkehrsteilnehmern. Er kann unabhängig von Mobilfunknetzen betrieben werden.

Der Uu-Modus basiert auf Mobilfunknetzen und ist für Informationen über den Verkehr und die Straßenverhältnisse zuständig.

Lange Zeit war DSRC (Dedicated Short-Range Communication) die wichtigste Kommunikationstechnologie für V2X. Sie hat jedoch ihre Grenzen: niedrige Datenraten, begrenzte Servicequalität und hohe Latenzzeiten beim Kanalzugang. Um diese Einschränkungen zu beheben, hat 3GPP den C-V2X-Kommunikationsstandard entwickelt, der auf der bestehenden Mobilfunknetzinfrastruktur basiert und auf derselben Technologie wie Smartphones und andere mobile Geräte läuft. 

C-V2X kann eine große Anzahl vernetzter Geräte unterstützen, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird. Dies ist für Anwendungen im Automobilbereich von entscheidender Bedeutung, bei denen viele Fahrzeuge und andere Geräte gleichzeitig miteinander interagieren. Gleichzeitig kann C-V2X weiterhin im DSRC-Modus betrieben werden und direkt mit anderen Fahrzeugen, Fußgängern und Infrastrukturen kommunizieren, die sich in relativ geringer Entfernung befinden.

Das C-V2X ist ein entscheidender Bestandteil des vernetzten und intelligenten Verkehrssystems und ermöglicht die Bereitstellung von Anwendungen, die das Fahren erleichtern:

• automatische Mauterhebung für mautpflichtige Straßenabschnitte, Parken und Batterieladung;
• gemeinsame adaptive Geschwindigkeitsregelung, mit der das Auto seine Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des vorausfahrenden und nachfolgenden Fahrzeugs anpassen kann.

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Die V2X-Konnektivität verschafft Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil auf dem Automobilmarkt und sorgt für ein neues Maß an Komfort, Effizienz und Verkehrssicherheit. Und wir helfen unseren Kunden, diese Möglichkeiten zu nutzen.

Hier sind nur zwei aktuelle Fallstudien, in denen wir Projekte beschreiben, die von unserem Ingenieurteam umgesetzt wurden:

Fallstudie: Intelligentes Geschwindigkeitsassistenzgerät (ISA) für VOOVOO

Promwad war an der Entwicklung von VOOBOX, einem Geschwindigkeitsbegrenzer, für das lettische Unternehmen VOOVOO beteiligt. Das Gerät funktioniert nach dem Plug-and-Go-Prinzip und ist in die Verbindung zwischen Gaspedal und Motorsteuerung eingebaut: Ein GPS-Tracker erkennt die überhöhte Geschwindigkeit und sendet ein Signal, um sie zu reduzieren. Daten zu Geschwindigkeitsbegrenzungen können von Google Speed API, HERE Maps API und OpenStreetMap stammen.

Dieses Gerät wird in Carsharing-Unternehmen eingesetzt und trägt dazu bei, die Zahl der Unfälle aufgrund von Geschwindigkeitsüberschreitungen zu reduzieren. Darüber hinaus ist es mit Hilfe dieses Geräts möglich, Abweichungen von der festgelegten Route auszuschließen.

Fallstudie: KI-gestütztes Gesichtserkennungssystem

Ein weiteres Beispiel ist ein Hardware-Software-Komplex zur Sicherheitsüberwachung, den Promwad für ein Carsharing-Unternehmen entwickelt hat. Diese Lösung besteht aus den folgenden Komponenten:

• intelligente Kameras mit Gesichts-, Objekt- und Ereigniserkennung;
• Cloud-Service zur Verwaltung von Fahrgemeinschaften, Benutzern und Client-Geräten;
• mobile Anwendung zur Benutzerregistrierung und Statuskontrolle.

Das System funktioniert wie eine Benutzerkennung: Es erkennt Gesichter, ist für die Registrierung und den Zugang zum Auto verantwortlich und kann Bewegungen aufzeichnen. Gleichzeitig bietet es Privatsphäre: Fotos von Gesichtern werden bei der Speicherung und Übertragung als mathematische Darstellung des Bildes verschlüsselt.

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V2X bietet eine Reihe von Vorteilen – von der Kollisionsvermeidung bis hin zum Verkehrsmanagement –, die die Verkehrssicherheit verbessern, Staus reduzieren und die Mobilität erhöhen. Da sich die V2X-Technologie weiterentwickelt und immer mehr Verbreitung findet, können wir in den kommenden Jahren noch weitere spannende Entwicklungen in der Branche erwarten, von spezieller Software bis hin zu verschiedenen Geräten und Sensoren.

Weitere Informationen darüber, wie unser Ingenieurteam Sie bei der Entwicklung neuer V2X-Lösungen unterstützen kann, finden Sie auf unserer Seite zur Automobilkonnektivität: