5G wird ein neuer Mobilfunkstandard und zugleich ein neues Netz für das Internet der Dinge.
Netze der Zukunft

5G für schnelleren und flexibleren Mobilfunk

Beim vernetzten und erst recht beim automatisierten Fahren fallen große Datenmengen an, die Autos in Sekundenbruchteilen austauschen müssen. 5G hilft dabei.
Weniger Unfälle, weniger Staus. Schlafen, fernsehen oder lesen statt Gas geben, schalten und lenken. So soll die Zukunft des Autofahrens aussehen. Automobilhersteller, Technologiekonzerne und Forschungsinstitute arbeiten bereits seit Jahren an Technologien, die automatisiertes Fahren ermöglichen. Um das Geschehen um sich herum zu erfassen, nutzt das Auto der Zukunft drei Datenquellen: eingebaute Sensoren, die direkte Funkkommunikation mit nahen Fahrzeugen (Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation, V2V) und die Mobilfunkverbindung zu weiter entfernten Fahrzeugen. Heutige Fahrerassistenzsysteme wie der Notbrems- oder Spurhalteassistent verlassen sich ausschließlich auf Sensordaten. Ist eine Mobilfunkverbindung für sicheres teil- und vollautomatisiertes Fahren also überhaupt notwendig?
„Selbstfahrende Autos müssen auch ohne Kommunikation auskommen können. Aber sie ist sehr hilfreich“, sagt Christian Wietfeld, der den Lehrstuhl Kommunikationsnetze an der Technischen Universität Dortmund leitet und seit Jahren den Einsatz von Mobilfunktechnik im Straßenverkehr erforscht. Laut der technologischen Forschungsabteilung von Lucid Motors produzieren autonom fahrende Autos künftig bis zu 19 Terabyte Daten pro Stunde. Dafür ist eine große Bandbreite nötig, die Daten für sicherheitskritische Funktionen zuverlässig und in Echtzeit überträgt. Das vernetzte Auto kommuniziert dabei über die C-V2X-Technologie (Cellular Vehicle-to-Everything) mit seiner Umgebung. Mit V2V sprechen sich Fahrzeuge untereinander ab, warnen Fußgänger vor möglichen Risiken (V2P, Vehicle-to-Person) oder kommunizieren mit Verkehrszeichen (V2I, Vehicle-to-Infrastructure), um zu wissen, wer Vorfahrt hat. So vernetzt Audi seine Fahrzeuge mit der Ampelinfrastruktur. Über den Service „Ampelinformation” wird dem Fahrer im Cockpit angezeigt, mit welcher Geschwindigkeit er die nächste Grünphase erwischt (GLOSA –Green Light Optimized Speed Advisory). Sollte das unter geltendem Tempolimit nicht möglich sein, zählt ein Countdown die Zeit bis zur nächsten Grünphase runter (Time-to-Green).

Die Sensorik blickt zu kurz

Heute verfügen laut Statista und Roland Berger weltweit bis zu dreißig Prozent der Autos über eine Verbindung zum Mobilfunknetz, Tendenz steigend. Die Anzahl vernetzter Fahrzeuge wird laut Statista Digital Outlook Connected Car drastisch steigen. Demnach sind 2023 weltweit schon mehr als 350 Millionen vernetzte Autos unterwegs. Aktuell sind es etwa 157 Millionen. Kameras, Radarscanner und Ultraschallsensoren liefern allerdings nur Daten über die nächste Umgebung des Fahrzeugs. Weiter entfernte Hindernisse, wie das noch einen Kilometer entfernte Stauende oder Glatteis hinter der nächsten Kurve, erkennt das Auto daher relativ spät. Entsprechend kurz ist die Reaktionszeit – besonders bei höheren Geschwindigkeiten. Auch wenn Autos hoch- oder vollautomatisiert fahren, sind Situationen zu erwarten, die den Algorithmus überfordern. In einem solchen Fall muss der Fahrer das Steuer wieder übernehmen.

5G birgt viel Potenzial

5G-Forschung an der HfTL
Die Wissenschaftler um Prof. Dr.-Ing. Michael Einhaus an der Hochschule für Telekommunikation Leipzig nutzen ein eigenes Mobilfunknetz, in dem sie künftige Nutzungsszenarien nachstellen und verschiedene Anwendungsfälle erproben.
Hinter dem Begriff 5G verbergen sich nicht nur ein neues, schnelles Funkprotokoll (5G New Radio), sondern auch neue Features im Mobilfunk-Kernnetz. „5G ist ein komplettes Ökosystem, was aus sehr vielen Teilkomponenten besteht“, sagt Michael Einhaus, Professor an der Hochschule für Telekommunikation in Leipzig. Zum Beispiel verlagert Mobile Edge Computing die Datenanalyse aus einer fernen Cloud in die Nähe der Basisstationen und damit in die Nähe der Fahrzeuge. Tauschen sich zwei Autos über das Mobilfunknetz aus, verkürzt sich so die Übertragungsstrecke der Daten deutlich – und damit auch die Übertragungszeit (Latenz). Die Technik Network Slicing wiederum ermöglicht es, mehrere virtuelle Netze auf derselben Antenne anzulegen. Auf diese Weise lassen sich Daten für ein Fahrerassistenzsystem mit einer festgelegten Qualität über ein eigenes Netz übertragen, ohne durch andere Datenströme gestört zu werden.

Mehr Bandbreite, geringere Latenz

5G bietet im Vergleich zu LTE-Advanced (4G), der momentan schnellsten LTE-Ausbaustufe, eine nochmals deutlich höhere Bandbreite sowie eine geringere Verzögerung bei der Übertragung zwischen Mobilfunkbasisstation und Auto. 5G überträgt Daten auch in einem schnelleren Zeittakt als LTE. Zusätzliche Zeit sparen die 5G-Entwickler ein, indem sie die Datenkodierung vereinfachen und so die Dekodierung beschleunigen. Auf diese Weise soll der 5G-Funkstandard eine Million vernetzter Geräte pro Quadratkilometer mit Konnektivität versorgen können. Von dieser Fähigkeit werden auch Autos profitieren, wenn vernetzte Fahrzeuge zahlreicher werden und sich die Kapazität einer Funkzelle mit weiteren Teilnehmern wie Wearables, vernetzten Fahrrädern und Smart Metern teilen müssen.

LTE bleibt im Boot

Das heutige Mobilfunknetz lässt sich aber nur schrittweise auf 5G umstellen. Daher bleibt auch das aktuelle LTE-Advanced-Funkprotokoll (4G) integraler Bestandteil des 5G-Netzes. Viele Szenarien des teil- und vollautonomen Fahrens funktionieren bereits mit LTE-Funk. Soll ein Fahrzeug vor einem Stauende gewarnt werden, reicht eine Übertragung per LTE-Advanced mit einer Latenz von unter zehn Millisekunden aus. Selbst wenn die Daten noch in einer zentralen Cloud verarbeitet werden und die Übertragungsdauer auf eine Sekunde steigt, fährt ein 130 km/h schnelles Auto in dieser Zeit nur 36 Meter weit. Anders sieht das bei der direkten Funkkommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V) aus, denn diese findet auf kurzen Strecken von wenigen hundert Metern statt. 
Das Automotive-SOC der Telekom
Um ein Automotive-SOC erfolgreich aufzubauen und effektiv zu betreiben, ist eine erhebliche Menge an Erfahrungen und Spezialwissen erforderlich. Telekom Security verfügt über beides.

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Hier kommt es auf geringe Latenzen an. Beispiel Platooning: Mehrere Lkws fahren mit einem Abstand von nur wenigen Metern hintereinander, um Kraftstoff und Platz zu sparen. „In diesem Szenario brauche ich hochzuverlässige Kommunikation“, sagt Mobilfunkexperte Wietfeld. Wenn ein Hindernis auftaucht, muss laut Wietfeld der führende Lkw des Platoons diese Information in Millisekunden an die anderen Fahrzeuge weitergeben. Kein Problem für den 5G-Mobilfunk, der Latenzen von unter einer Millisekunde erreichen soll.
Langfristig soll aus den gesammelten Sensordaten von Autos, Fahrrädern, Fußgängern und Verkehrsinfrastruktur ein vollständiges, digitales Abbild des Straßennetzes entstehen. So weiß jeder Verkehrsteilnehmer jederzeit, wo sich in seinem Umfeld Fahrzeuge und Personen befinden, wo Unfälle passieren und Staus entstehen oder wo jemand plötzlich auf die Straße läuft. Nur so lässt sich das autonome Fahren umsetzen und die „Vision Zero“ erfüllen – ein Straßenverkehr ohne Unfalltote. Das Mobilfunknetz der Zukunft vereint also einen bunten Strauß an neuen Technologien. „5G ist wie ein Schweizer Taschenmesser“, sagt Automobil- und Mobilfunkexperte Johannes Springer, der bei der Deutschen Telekom das 5G-Programm für den Automobilsektor leitet. „Je nachdem, was wir machen möchten, benutzen wir ein anderes Werkzeug.“

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