5G Killer-App V2X wird zur Transformationsaufgabe der Auto-Branche

Gerade kommen die ersten 5G Smartphones auf den Markt, doch die Kaufargumente für Konsumenten entpuppen sich als ziemlich dünn. Kaum eine Consumer-App braucht im Moment die Bandbreiten und vor allem die niedrigen Latenzen, die eine 5G-Infrastruktur bieten kann. Zudem sind 5G-Consumer-Apps vom Netzausbau abhängig. Auch wenn Telekom Chef Timo Höttges zum Jahresende 2020 verkündet bis Ende 2021 bis zu 80 % der Bevölkerung mit 5G erreichen zu können, ist der Hintergrund der Rechnung klar: Seine Ausbau-Priorität mit heute bereits 45.000 5G-Antennen, konzentriert sich zunächst auf die Ballungszentren. Vodafone verfolgt eine ähnliche Strategie, wie man auf den offiziellen Karten zur aktuellen Netzabdeckung der Anbieter leicht erkennen kann. In Österreich ist die Abdeckung außerhalb der Metropolen Wien, Salzburg und Linz sogar nur auf die Hauptverkehrsstraßen beschränkt. Damit sind die ursprünglich diskutierten 5G Killer-Apps für Smartphones immer noch die Ausnahme. Aber zum Glück konnte 5G mit einer Vielzahl von Use-Cases aus den Bereichen IoT & Industrie, Automotive, Medizin aufwarten, die zu dem technologischem Versprechen von mehr Bandbreite, kleinerer Latenz und besserer Energieeffizienz passten. Die industrielle Fertigung umgeht dabei das Dilemma der Netzabdeckung indem größere Unternehmen lokale „Campus-Netze“ für 5G errichten und damit ihre Roboter und Fertigungsanlagen vernetzen. Auch wenn das einigen Automobilherstellern und -zulieferern bei ihrer Produktion hilft, sind Campus-Netze keine Hilfe für die 5G Anwendung in der Fahrzeugnutzung selbst.

Dieser Cloudflight Analyst View hinterfragt deshalb gezielt den Status-Quo und die Strategie der Automobilindustrie, die sich große Hoffnung gemacht hatte durch 5G ihre Produkte wieder attraktiver zu machen und neue Fähigkeiten zu entwickeln.

Die modernen Mobilfunkanwendungen rund ums Auto nutzen die sogenannte V2X Kommunikation. Damit ist die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug (Vehicle) und anderen Fahrzeugen, Infrastruktur wie Ampeln oder Parkplatz-Sensoren und letztlich Menschen mit ihren persönlichen Smartphones gemeint.

5G-Kommunikation-ueber-Netzinfrastruktur

Kommunikation über die Netzinfrastruktur im Vergleich mit direkter V2X-Kommunikation.
(Quelle: 5GAA.Org)

Im traditionellen Mobilfunk (links im Bild) sprechen alle Teilnehmer mit der Mobilfunk-Netzwerkinfrastruktur. Man nennt diese Kommunikation für Fahrzeuge V2N, für Personen P2N und Verkehrsinfrastruktur I2N. Beispielsweise sind heute alle IoT-Szenarien, die Ampeln fernsteuern auf diese Weise aufgebaut. Damit ist eine schnelle Kommunikation im Verkehr nicht nur von der Netzabdeckung, sondern auch von der Hochverfügbarkeit des Netzwerkes selbst abhängig. Beispiele wie die Auffahrwarnung vor einem Stau würden schon in den meisten Tunneln nicht mehr funktionieren. V2X steht im Gegensatz dazu für eine direkte Kommunikation zwischen Fahrzeugen und einem der drei anderen Teilnehmer. Fahrzeuge können dann direkt und ohne einen Sendemast an nachkommende Fahrzeuge ihre Sensorinformationen publizieren egal ob sie sich im Tunnel aufhalten. Genauso können Ampeln via V2X frühzeitig ihre Grüne-Welle „publizieren“, auch wenn sie sich gar nicht im Hochgeschwindigkeits-5G-Netz befinden. Das Auto kann so durch eine angepasste Geschwindigkeit unnötiges Anhalten oder Staus im Stadtverkehr vermeiden. Letztlich könnte auch die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und persönlichen Smartphones mit diesem Standard möglich sein. Auch wenn natürlich menschliche Fahrer, genauso wie autonome Systeme, beispielsweise einen Fußgänger auf einem Zebrastreifen sicher mit der optischen und Radarsensorik erkennen müssen, würde eine Funkübermittlung zusätzliche Sicherheit auch in schwer oder nicht einsehbaren Situationen liefern. Wie oft werden heute Fahrradfahrer beim Rechtsabbiegen übersehen oder Personen am Straßenrand nach einer Panne oder einem Unfall überfahren. Viele dieser schweren Unfälle ließen sich durch eine konsistente Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Infrastructure (V2I) und letztlich auch Vehicle-to-Person (V2P)-Kommunikation in Ergänzung zur traditionellen Vehicle-to-Network (V2N) vermeiden.

Um dieses Ziel zu erreichen, braucht es vor allem eine weltweit synchronisierte Arbeit an Standards und Protokollen und eine nie dagewesenen Koordination zwischen der Telekommunikations- und der Automobilindustrie. Genau zu diesem Zweck hat sich im September 2016 die 5G Automotive Association (5GAA.org) um die acht Gründungsmitglieder AUDI AG, BMW Group, Daimler AG, Ericsson, Huawei, Intel, Nokia, and Qualcomm gebildet. Cloudflight sprach deshalb mit Insidern der 5GAA, die inzwischen 130 Firmen aus Europa, Asien und USA zu ihren Mitgliedern zählt. Neben der Detailarbeit an den technischen Spezifikationen bietet die Publikation der 5GAA-Roadmap eine realistische Einschätzung, wann welche Szenarien von aktuellen Neuwagen unterstützt sein werden:

5GAA-Roadmap

5GAA-Roadmap der 3GPP-Releases und V2X-User-Cases.
(Quelle: 5GAA.Org)

Gerade erst im Dezember 2020 hat die 5GAA diese aktuelle Timeline im Detail beschlossen. Darin sind in zeitlicher Abfolge die geplanten Releases der Standardspezifikation des 3rd Generation Partnership Project (3GPP), das wiederum die weltweit führenden Telekommunikationsstandardorganisationen synchronisiert und damit der eigentliche 5G Standard ist. Die 5GAA als Lobby zwischen Telkommunikationsunternehmen und der Automobilbranche zeigt in ihrer Timeline wiederum, welche Use-Cases mit welchem 5G Standard angegangen werden bzw. möglich sind.

Wenn man heute ein neues 5G Smartphone (unabhängig ob iOS oder android) kauft, hat dies 5G Chips gemäß dem Release 15 aus dem Jahr 2018 verbaut. Es sind also zwischen der Spezifikation und Consumer-Device-Verfügbarkeit „nur“ zwei Jahre vergangen. Die Schlussfolgerung, dass 5G auch zeitgleich in Autos angekommen ist, ist aber leider falsch. Auch die modernen PKWs werden heute mit einem Mobilfunk-Chipsets gemäß LTE Release 14 ausgeliefert. Dies ermöglicht zwar die LTE-V2X Kommunikation (in China seit Dezember 2020 und in USA in der ersten Jahreshälfte 2021 auf der Straße), aber es ist noch lange kein 5G. In Konkurrenz zu den LTE- und 5G-V2X-Kommunikationen, die vom 5GAA präferiert werden, steht außerdem die Ad-Hoc-Wifi-Kommunikation zwischen Fahrzeugen (ETSI ITS-G5 / IEEE802.11p), die beispielsweise im VW Golf 8 verbaut ist und unabhängig vom Telekommunikationsnetz ist. Sie ist heute zahlenmäßig sogar die meist verbaute V2X Technologie. Diese wird hier nicht weiter betrachtet, da wir glauben, dass eine einheitliche V2X und V2N – also Direkt- und Netzwerkkommunikation – langfristig erfolgreicher ist. Zudem werden Nachrichtenformate oder Sicherheitsprotokolle auf der oberen Ebene von ITS-G5 nach LTE-V2X und 5G-V2X transportierbar sein.

Gemäß einer zehn Jahre alten EU Direktive wartet Europa für V2X-Szenarien auf der Straße auf das echte 5G. Als 5G werden dabei erst die oben dargestellten Releases 15 bis 18 bezeichnet. Leider ist das 5G Release 15 hauptsächlich ein Consumer Device Release, so dass die Fahrzeughersteller für den Europäischen Markt auf die Verfügbarkeit von Release 16 warten, das endlich wichtige Automotive Features wie Groupcast und One-2-One Broadcast unterstützt. Groupcast ist zum Beispiel das gemeinsame Losfahren oder Bremsen einer Gruppe von Fahrzeugen basierend auf standardisierter Direktkommunikation. Obwohl dieses Release 16 Ende 2020 als fertig definiert war, wird es voraussichtlich bis Ende 2025 dauern, bis die ersten Serienfahrzeuge dieses erste echte 5G Automotive Release mit den passenden Chipsets verbaut haben. Bis wir also in größeren Mengen Autos sehen, die sich dank 5G Technologie wie ein „Schwarm“ verhalten oder sich gegenseitig beim Einfädeln in eine Spur absprechen, wird es dann schon 2026 sein. Dann konkurrieren im Bereich V2X eine Zeit lang noch der heutige LTE V2X (R14) und dieser erste 5G V2X (R16) Standard am Markt. Leider sind diese beiden Standards nicht gerade kompatibel und das Marktmoment verpufft. Natürlich kann man in proprietären Flottenlösungen Szenarien wie die Verbundfahrt mehrerer LKWs, den Daimler schon vor einigen anderen demonstriert hatte, heute schon realisieren. Aber erst die Implementierung auf Basis eines herstellerübergreifenden Standards ermöglicht die Interaktion mit Fahrzeugen anderer Hersteller auf der Straße. Wahrscheinlich wird es vor 2025 auch Premium-Fahrzeuge geben, die eine Mischung aus 5G (R15), um beispielsweise schon Zugriff auf die größere Bandbreite zu bekommen, und parallel einen älteren LTE V2X Chipsatz (R14) verbauen, um die V2X Kommunikation abzudecken, die das R15-5G noch nicht kann.

Alles in allem ist dies eine ziemlich „verfahrene“ Lage für die Automotive OEMs, die Zulieferer und vor allem das Third-Party-Ecosystem der Verkehrsinfrastruktur. Letztere sind beispielsweise Ausrüster von autonomen Parkhäusern auf Level 4 (automated valet parking), wie man es heute schon am Stuttgarter Flughafen in einer Pilotanlage sehen kann. Sie müssen innerhalb von 5 Jahren zwei komplett unterschiedliche Standards implementieren. Die heutigen LTE-V2X Fahrzeuge arbeiten mit anderen Chips, Frequenzen und anderer Software als die zukünftigen 5G-V2X die ab 2025 geliefert werden. Verständlich, dass viele Innovationen durch die zähe Anlaufphase komplett ausgebremst werden. So hält sich beispielsweise Auto-Innovator Tesla bis heute vollkommen aus der V2X Kommunikation heraus. Noch härter hat die Automobilbranche allerdings getroffen, dass sich die großen Smartphone Hersteller von der Idee V2X Chips in ihren Geräten zu verbauen schlagartig verabschiedet hatten. Da die Zahl der Fahrzeuge mit LTE-V2X einfach zu gering im Vergleich zu den Smartphone Zahlen sind und zudem die EU große Anforderungen an die Persönlichkeitsrechte der Bürger stellt, sind Apple, Samsung und Co komplett aus der Verwendung von LTE-V2x (R14) Chips bei Smartphones ausgestiegen. Deshalb kann heute und in den nächsten vier bis fünf Jahren kein neues Fahrzeug über die V2X Standards mit einem Consumer Smartphone kommunizieren. Einfache Dinge wie das Öffnen eines Fahrzeugs benötigen schon proprietäre Kommunikationslösungen, wie wir es anhand von Teslas Digitalem Zwilling betrachtet haben. Sicherheitsrelevante oder Herstellerübergreifende Szenarien, wie die Warnung vor Fußgängern in einem Tunnel, bleiben vollkommen unmöglich, selbst wenn die Personen die neuesten 5G Smartphones mit sich führen. Das hat die Automobilindustrie viel Glaubwürdigkeit und Marktmoment gekostet.

Basierend auf unseren Gesprächen und Projekten mit Insidern der Automobil- und Telekommunikationsbranche könnte man die Situation nachhaltig verändern, indem folgenden Maßnahmen möglichst parallel ergriffen werden:

  • Hard und Software im Fahrzeug stärker entkoppeln oder modularisieren. Traditionell liefern die großen Zulieferer, wie Bosch und Continental, Steuergeräte mit Software einbaufertig an die Auto OEMs. Als einer der Cloudflight 2021 Trends wurde bereits die Entkopplung von Hard und Software in der Embedded World identifiziert. Möglicherweise bekommt die Branche mehr Geschwindigkeit, wenn die solide und konservativ geplante Hardware von einem traditionellen Hersteller kommt, die Software aber der Auto OEM mit der Modellpflege zeitnah selbst macht oder von einem agilen Software-Dienstleister bezieht. So könnten auch Geräte von verschiedenen Hardware-Herstellern mit einem Software-Stack laufen, wie es Daimler jetzt schon in ihrer Kooperation mit NVIDIA und Waymo (Google) beim autonomen Fahren betrachtet.
  • Agile Implementierung der 5G V2X Technologie in Fahrzeugen. Moderne Unternehmenssoftware wird heute agil – das heißt inkrementell – entwickelt. Steuergeräte für Fahrzeuge werden aber meist noch nach dem klassischen Wasserfallprinzip entwickelt. Das ist auch für Hardware, die einmal verbaut ist und dann lange unverändert im Fahrzeug bleibt, angemessen. Fahrzeughersteller müssen aber neue Wege gehen, um ihre Flotten auch nach der Produktion attraktiv zu halten. Die Fahrzeugindustrie sollte daher so früh wie möglich LTE- & 5G-Hardware mit Multibandantennen verbauen, auch wenn die Software zunächst nur die LTE-Seite nutzt. Tesla zeigt der Branche, wie ein Hardware Release das ganze Fahrzeugleben im Fahrzeug bleibt, jedoch die Software kontinuierlich nachgerüstet werden kann. Letztlich ist so die Innovation schneller in mehr Fahrzeugen und auch 2-4 Jahre alte Fahrzeuge werden noch kompatibel zu neuen Fahrzeugen in einer Flotte und auf öffentlichen Straßen sein.
  • 5G Multi-Access-Edge Computing als integraler Teil der V2X-Kommunikation. Eines der größten Versprechen von 5G ist eine sehr niedrige Latenz. Ein Beispielszenario ist die Aktualisierung von Kartenänderungen wie Umleitungen oder Geschwindigkeitsbegrenzungen. Wie schnell die Information beispielsweise von einem Daimler publiziert und von einem hinterher fahrenden BMW angezeigt wird ist die Ende-zu-Ende-Latenz der Applikationen. Um dies wirklich zu erreichen, reicht es nicht in klassischen Software-Topologien zu denken. Zwischen dem Fahrzeug und einer zentralen Cloud des Fahrzeugherstellers muss beispielsweise die Navigationslogik auch auf der Multi-Access– oder 5G-Edge liegen. Bereits hier müssen Hersteller anonymisierte Telematikdaten austauschen, um die hersteller- und telekommunikationsübergreifende Latenz der Applikationen unter eine Sekunde zu bringen. Die Fahrzeugindustrie muss hier mit Cloud-Computing-Experten arbeiten, die mit den Edge-Cloud-Lösungen der Hyperscaler vertraut sind (AWS Wavelength, Google GMEC, Microsoft Azure for Operators).
  • High-Speed Digitalen Zwillingen als Abstraktion zwischen LTE, 5G. Der jahrelange Übergang zwischen LTE-V2X und 5G-V2X bis 2026 zeigt, wie gefährlich inkompatible Technologiewellen sind. Um in Zukunft dem automotiven Ökosystem eine einfachere Interoperabilität zu bieten, sollte bereits auf der Edge Cloud eine Abstraktion des jeweiligen V2X-Protokolls stattfinden und auch im Fahrzeug selbst ein protokollübergreifender Remote-Zugriff ermöglicht werden. Das Konzept eines Digitalen Zwillings in Kombination mit einem Remote-Zugriff zu Fahrzeugen kann eine Lösung sein, die wir bereits im Detail beschrieben haben.
  • Rechtslage in der EU schnell klären. Die Hersteller kämpfen teilweise mit eklatanten Lücken in der Rechtslage. Ein 5GAA-Insider sagte Cloudflight beispielsweise „Die EU hat sich bis jetzt nicht entschieden, wie Autos mit Kreuzungen umgehen“. Was damit gemeint ist, ist eine unklare oder hinderliche Rechtslage was die Videoerkennung und Verarbeitung in Fahrzeugen angeht. Während es zum Beispiel auf Autobahnen für heute verfügbare autonome Level-2-Fahrzeuge toleriert wird, dass sie Videomaterial auswerten, verbietet die Europäische Rechtsprechung die Aufnahme an Kreuzungen, da hier auch Fußgänger gefilmt werden könnten. Technisch gibt es hier lange Lösungsvorschläge wie die Anonymisierung durch eine Abbildung im IR-Spektrum, die es beispielsweise von Bosch schon seit Jahren direkt in Kameras einprogrammiert gibt. Dabei werden Personen klar als Person erkannt, aber bleiben in ihren Persönlichkeitsrechten komplett geschützt und anonym. Leider wartet die Fahrzeugindustrie seit Jahren auf eine klare Rechtslage, die es in China und den USA schon gibt. Das kostet weiterhin einigen Fußgängern in der EU jedes Jahr das Leben im Straßenverkehr und die europäischen Hersteller wichtige Wettbewerbsvorteile auf internationaler Ebene.
  • Lobbyarbeit zur Mandatierung von Technologien. Viele Innovationen in der Automobilindustrie haben sich letztlich nur deshalb durchgesetzt, weil es ein gesetzliches Mandat dazu gab. Ohne solche Bestimmungen gäbe es heute keinen Airbag, keinen Katalysator oder Rußfilter oder keine vorbildliche Abgasnorm in allen Neuwagen. Warum machen der Gesetzgeber und die Regierungen der Europäischen Länder keinen Schritt nach Vorne und mandatieren jetzt die kommende 5G-V2X-Technologie für neue Autos? Dadurch ließen sich unzählige Auffahrunfälle bei schlechter Sicht oder Kollisionen mit Fußgängern vermeiden. Die Smartphone-Hersteller könnten wieder Vertrauen in die Fahrzeugindustrie bezüglich V2X fassen und mit den oben genannten Digitalen Zwillingen kommunizieren bis ab Ende 2025 echte 5G-V2X Fahrzeuge auf den Straßen sind. Solche Technologiemandate sind zwar ein Eingriff in die freie Marktwirtschaft, die staatliche Förderung von Neukäufen einer bestimmten Antriebsart ist es aber noch viel mehr.

Zusammenfassend kann man sagen, dass es eigentlich noch viel zu früh ist, um zu entscheiden, ob 5G im Auto nun ein Flop oder die Super-Kill-App ist, die uns motiviert neue Autos zu kaufen. Bisher hat die Auto-Lobby bereits auf die 5G Entwicklung eingewirkt und beispielsweise bei der Lizenzierung erwirkt, dass sich die Telekommunikationsunternehmen verpflichten mussten, zunächst entlang der Straßen eine 5G Verfügbarkeit aufzubauen. Letztlich ist die Autobranche aber noch weit weg vom obigen Sechs-Punkte-Plan. Um diesen umzusetzen, müsste sich die ganze Branche viel fokussierter auf eine digitale Transformation einlassen.

CEOs und Entwicklungsleiter in der Automobilbranche könnten 5G nicht nur als „wieder eine Technologiewelle“ sehen, die ihre Lieferanten in Steuergeräte pressen und sie dann im Fahrzeug integrieren. Es ist an der Zeit, grundsätzlich über die Art und Weise nachzudenken, wie Fahrzeughersteller mit Software getriebener Technologie umgehen. 5G ist zur Hälfte Software und die Wahrnehmung der Käufer ist inzwischen 100 % durch Software geprägt. Nur mit einer neuen Software-Strategie kann ein Fahrzeughersteller der Zukunft auch zum Software-Lieferanten auf einer Multi Access Edge Cloud werden, ohne die seine Fahrzeuge langfristig weniger attraktiv sind. Nach Industrie 4.0 in der Fertigung und Cloud Computing in den Enterprise-Software-Systemen, steht dem Fahrzeug selbst nun die größte Veränderung in Richtung einer wirklich vernetzten Welt bevor. Das ist eine Transformation in allen Bereichen: Hardware, Software, Supply Chain und After-Sales-Ökosystem. Und hier geht es nicht nur um Technologie, sondern ganz viel um Menschen, Mindset im Unternehmen und der Neudefinition des Werteversprechens der Automobilindustrie.

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