Autonomes Fahren Vernetzte Fahrzeuge brauchen Satelliten und 5G zur Kommunikation

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5G-Netze sind in Ballungsräumen und entlang wichtiger Verkehrskorridore relativ gut ausgebaut. Probleme bestehen in ländlichen und abgelegenen Gebieten. Die notwendigen Verbindungen für die Kommunikation und den Datenaustausch autonomer Fahrzeuge sind nicht gewährleistet. Satelliten können hier Abhilfe schaffen.

Universelle Konnektivität ist für viele Fahrzeuganwendungen von entscheidender Bedeutung. Die terrestrische Abdeckung, einschließlich 5G, ist jedoch selbst in fortgeschrittenen Ländern aufgrund schlechter oder fehlender Infrastruktur unzureichend. Dadurch wird das autonome Fahren auf grundlegende Assistenzsysteme beschränkt. Die Branche rechnet nicht vor 2030 mit einem vollständig autonomen Fahren durch die Nutzung satellitengestützter Konnektivität, Hochleistungssatelliten (High Throughput Satellites, HTS) und die Entwicklung von Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO). Hybride Mobilfunk-Satelliten-Systeme werden zunehmend zu einer realistischen Option für die Fahrzeugkonnektivität.

Immer mehr Neuwagen sind vernetzt

Im Automobilsektor wird für 2025 ein Umsatz von über 400 Mrd. US-Dollar prognostiziert, wenn 68 Prozent der Neuwagen vernetzt sein sollen. Satellitenanwendungen werden von Datendurchsatz, Latenz, Abdeckung und Kosten der Endgeräte (UE) beeinflusst.

Dazu gehören Telematik (Tracking, eCall, Telemetrie, erweiterte Navigation, GNSS-Integritätsüberwachung und Anti-Spoofing), Notfall-Lokalisierung (COSPAS-SARSAT-basierte Dienste für Schiffe, Flugzeuge oder Einzelpersonen; eCall), DL-Broadcast (hochgenaue Fahrzeugpositionierung, OTA-Updates zur globalen Verteilung von Software-/Firmware-Updates), Satelliten-Messenger-Dienste (Nachrichtendienste für Fahrzeuge in Gebieten ohne oder mit schlechter terrestrischer Abdeckung), Satellitentelefonie (z. B. GEO Inmarsat, Eutelsat, LEO Iridium, Globalstar, OneWeb, Telesat, SpaceX), Satelliten-Internetdienste und Infotainment (hier versprechen LEOs erhebliche Leistungsverbesserungen bei Durchsatz und Latenz zu geringeren Kosten).

Vernetzte Fahrzeuge und neue Möglichkeiten

Fahrzeuge sind zunehmend in der Lage, sich mit Mobilfunknetzen zu verbinden. Dadurch werden viele neue Anwendungen möglich. Die Satellitenverbindung sollte als Ressource betrachtet werden, wenn die terrestrische LTE/5G-Verbindung ausfällt oder um die Zuverlässigkeit kritischer Anwendungen zu verbessern. NTN (Non-Terrestical Network) verbindet Endgeräte mit Raumfahrzeugen wie High Altitude Platform Stations (HAPS), unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) und Satelliten (siehe 3GPP TS 38.300).

Bestehende Antennentechniken und die Möglichkeit, Satelliten-Chipsätze in Fahrzeuge zu integrieren, können die Hardwarekosten und Produktionsgrößen von Tier-1-Zulieferern (Bosch, Continental Automotive oder Aptiv) nutzen, während OEMs ihre Betriebskosten durch die Automatisierung von Updates, die Minimierung von Rückrufaktionen, die Verbesserung der Kundenbindung und die Erhöhung der Einnahmen aus Satellitendiensten optimieren können.

LEO-Konstellationen fördern die Standardisierung in der Luftschnittstellenkompatibilität, Architekturintegration und Anforderungen an Satellitenkommunikations-Chipsätze. Damit LEO-Systeme und 5G NR kompatibel und interoperabel werden, haben 3GPP- und ITU-Satelliten in die 5G-Standards integriert. Das erfordert ein umfassendes Design, das RAN, Dienste, Kernnetz und Endgeräte umfasst.

Fahrzeuge werden vom Satelliten unterstützt

Die ESA testet Fahrzeuge, die auch in abgelegenen Gebieten nahtlos verbunden bleiben können, indem sie zwischen 5G- und Satellitennetzen wechseln. Ein satellitengestützter Lieferwagen, der 2021 auf den Straßen von Cornwall (UK) getestet wurde, konnte wiederholt zwischen terrestrischen 5G- und GEO-Netzen (Hispanica, Avanti, Eutelsat) wechseln.

Ein autonomes Shuttle hat dank einer Kombination aus terrestrischer (4G, 5G) und satellitengestützter (Hispanica) Konnektivität auf einer Strecke von über 13.000 km (Dezember 2023) umfangreiche Testdaten gesammelt.

5G- und satellitengestützte Fahrzeuge

Terrestrische und satellitengestützte Verbindungen ermöglichen die direkte Kommunikation im Fahrzeug und die Unterhaltung der Fahrgäste. Selbstausrichtende Satellitenantennen, die in jedes Fahrzeug integriert werden können, sind von großem Vorteil. Eine enge Partnerschaft zwischen Tier1-Zulieferern und OEMs ist entscheidend, um die erforderliche Technologie zu nachhaltigen Kosten und erschwinglichen Preisen auf den Markt zu bringen.

Wichtige Punkte sind:

• Zusammenarbeit mit Satellitenbetreibern

• Anpassung der TCU/CCU zur Integration von Gateway-, Firewall- und IDS-Funktionen

• Integration der CCU in das Fahrzeug unter Verwendung des Chipsatzes und der Softwarebibliothek des Satellitenbetreibers

• Herstellung einer flachen S/L-Band-Antenne nach den Spezifikationen des Satellitenbetreibers und Integration in die vorhandene Antennenhalterung

Satellitengestützter eCall

Ziel von eCall ist es, Leben zu retten und die Folgen von Verkehrsunfällen zu mindern, indem manuell oder automatisch eine Notrufverbindung innerhalb des Fahrzeugs hergestellt und Standort, Unfallzeit, Fahrzeugidentifizierungsnummer (VIN) und Fahrtrichtung übermittelt werden. Mit IMS und VoLTE wird die GNSS-Position sofort in einer SIP INFO-Nachricht übermittelt. Obwohl eCall als öffentlicher 112-Dienst konzipiert ist, sind auch Drittanbieter wie Hersteller, Automobilclubs und Kfz-Versicherer beteiligt.

Satelliten können eCall in Gebieten mit weißen Flecken unterstützen. Ein PoC, der von der ESA demonstriert wurde, zeigte Notfallwarnungen, Fahrzeugdiagnose aus der Ferne und die Übertragung von Passagierdaten. Es basierte auf dem europäischen SAR-Netzwerk (Galileo) und einer Nano-Satelliten-Konstellation, die eine weltweite Abdeckung bietet.

MEOSAR diente als Backup-Lösung für den Fall, dass der GNSS-Empfänger ausfiel. Die Positionen wurden über ein IVS-Gerät an das eCall-System übermittelt, das Daten über MEOSAR übertragen kann, ohne auf Mobilfunknetze angewiesen zu sein. MEOSAR (Medium Earth Orbit Search and Rescue) ist ein Satellitensystem, das speziell für Such- und Rettungsdienste entwickelt wurde.

Überall, jederzeit und mit jedem Gerät

Durch die Kombination von Satelliten und 5G kann das Endgerät des Nutzers auch ohne terrestrische Verbindung verbunden bleiben. Dank der Arbeit von ITU und 3GPP ist 5G darauf ausgerichtet, satellitengestützte Breitbanddienste direkt an (angepasste) Smartphones und IoT-Geräte zu unterstützen. Für die Kommunikation zwischen UE und SAN (Satellite Access Node) wurden drei S/L-Bänder definiert: N254, N255, N256; weitere Bänder über 10 GHz werden in 3GPP Rel. 18/19 definiert.

Die Standardisierung der Frequenzbänder fördert einen globalen Markt, in dem die satellitengestützte UE Skaleneffekte wie in der Mobilfunkindustrie erzielen kann, ebnet den Weg für das Ziel "überall, jederzeit, auf jedem Gerät" und macht die 3GPP-Architektur durch die native Integration der Satellitenkomponente 6G-fähig.

5G-Systeme mit Satellitenzugang

Die 3GPP-Säulen von NTN sind Gateways, öffentliches Datennetz, Satelliten-Dienstzone, Fee-der/Service-Link, Mobilität, transparente/regenerative Nutzlast und ISL. Mögliche Architekturen sind Multi-Konnektivität mit transparentem NTN-basiertem NG-RAN; Kombination von zwei transparenten NTN-basierten NG-RAN; Kombination von NG-RAN (regenerativ NTN-basiert oder zellular) und Multi-Konnektivität mit regenerativem NTN-basiertem NG-RAN.

Das 3GPP definiert sechs Satelliten-Szenarien: A, B mit GEO; C1, C2, D1 und D2 mit LEO.

Die folgenden maximalen Ende-zu-Ende-Latenzzeiten für 5G-Systeme mit Satellitenzugang sind in 3GPP TS 22.261 definiert: GEO 285 ms, MEO 95 ms und LEO 35 ms. KPIs sind: QoS-Verhandlung, hohe UL/DL-Datenraten und 99,99 Prozent Dienstverfügbarkeit.

Das Problem mit der Orbitalgeschwindigkeit

3GPP definiert die Dienstkontinuität zwischen 5G terrestrischen und 5G satellitengestützten Zugängen, unabhängig davon, ob diese im Besitz desselben Betreibers oder von zwei verschiedenen Be-treibern mit einer Vereinbarung sind.

Das Mobilitätsmanagement muss an die Ausbreitungsverzögerung der Satelliten angepasst werden, insbesondere für Handover (HO). Häufige HO können einen erheblichen Overhead verursachen, den Energieverbrauch beeinflussen und zu Dienstunterbrechungen führen (1080 ms für GEO, 810 ms für LEO, siehe 3GPP TS 38.821). Bei LEO führt die Geschwindigkeit des Satelliten zu einer HO-Frequenz, die der Erfahrung eines Nutzers in einem Hochgeschwindigkeitszug ähnelt, während bei GEO häufige HO nicht auftreten sollten. Sowohl LEO- als auch GEO-Szenarien sind von Zellüberlappungen und reduzierten Signalstärkeschwankungen (Nah-Fern-Effekt) betroffen. Einzelne Satelli-tenzellen können aufgrund ihrer Größe eine große Anzahl von Geräten versorgen, so dass große Mengen von gleichzeitig durch UEs ausgelösten HO zu Signalüberlastungen und Problemen bei der Dienstkontinuität führen können.

Für einen LEO-Satelliten, der sich mit 7,56 km/s bewegt, erreicht 3GPP TS 38.821 beeindruckende HO-Raten.

Vehicle to Everything (V2X)

5G in Verbindung mit einer umfassenden LEO-Abdeckung erleichtert V2X, das darauf abzielt, eine sichere Umgebung für Autos, Nutzfahrzeuge, Motorradfahrer, Radfahrer und Fußgänger zu schaffen. V2X-Anwendungen werden von verschiedenen branchenübergreifenden Akteuren im Automobilsektor gefördert und umfassen Fahrzeug, Infrastruktur, Netzwerk und Fußgänger.

Einige vielversprechende V2X-Anwendungsfälle, die sich in PoCs bewährt haben, sind: Verkehrsmanagementlösungen, Echtzeit-Notfallwarnungen (V2N, N2V), Live-Datenerfassung und -übertragung, kombinierte Netzwerk- und Direktlösungen und ferngesteuertes Fahren (ROD).

Das vernetzte Auto fordert das Internet heraus

Bis 2025 werden auf den westlichen Märkten voraussichtlich Millionen von Fahrzeugen mit nach vorn gerichteten Kameras verkauft werden, da das Ökosystem der vernetzten Fahrzeuge rasch Dienste vorantreibt, die ein massives Herunterladen von Daten erfordern. Der AECC warnt davor, dass die Netzkapazität nicht ausreichen wird, wenn diese Daten zu Spitzenzeiten hochgeladen werden.

Das Internet könnte bis 2030 an seine Grenzen stoßen, wenn seine auf das Herunterladen ausgerichtete Natur nicht korrigiert wird, was eine enorme Veränderung der Dateninfrastrukturen bedeuten würde. Es gibt jedoch eine Reihe von Ansätzen, um das Problem zu entschärfen, beispielsweise Edge Computing, opportunistische Datenübertragung und Network Slicing.

Edge Computing unterscheidet zwischen Datenflüssen im Fahrzeug, in der Nähe des Fahrzeugs (Netzwerkrand) und in der Cloud (Internet). Beim Multiaccess Edge Computing (MEC) werden Fahrzeugdaten für kritische/lokale Dienste am Rand gehalten, um eine geringe Latenz zu gewährleisten, während Daten für zeitunkritische Dienste durchgängig verarbeitet werden können. ODT strebt das Datenmanagementmodell „90 Prozent im Fahrzeug, 9 Prozent an der Peripherie, 1 Prozent in der Cloud“ an.

Daten mit hohem Volumen und niedriger Priorität werden nur außerhalb der Spitzenzeiten in die Cloud verschoben, um kritische Dienste nicht zu beeinträchtigen. Beim Network Slicing wird eine physikalische Infrastruktur logisch in Slices zerlegt, die durch anwendungsspezifische Funktionen, QoS und Benutzer gebildet werden. 3GPP TS 23.501 definiert anwendungsspezifische Slicing-Parameter. Das Bild 8 zeigt das Netzwerk-Slicing für einige Dienste für drei Mieter, die sich die physikalischen Ressourcen eines 5G-Netzwerks teilen.

Eine einheitliche Netzinfrastruktur

Die lokale Datenverarbeitung spielt eine zentrale Rolle, obwohl die Fahrzeughersteller verstehen müssen, wie dieselbe Netzwerkinfrastruktur ohne spezifische Anpassungen in verschiedenen Bereichen einheitlich genutzt werden kann. Sie ziehen es weiterhin vor, Daten an einem zentralen Ort zu verarbeiten, anstatt sie millionenfach in weltweit verteilten Fahrzeugen zu verarbeiten.

Die Automobilindustrie sollte sich auch Gedanken darüber machen, wie die anspruchsvollen Funktionen, die bisher getestet wurden, konsistent in einer Fahrzeugflotte und in einem Markt bereitgestellt werden können. Selbst die am weitesten fortgeschrittenen Märkte verfügen noch nicht über die einheitliche Netzinfrastruktur, um die ehrgeizigen Ziele der Automobilindustrie zu unterstützen. Um datenintensive Dienste in großem Maßstab einzuführen und die Fahrzeugkonnektivität in vollem Umfang zu ermöglichen, müssen die verschiedenen Branchen zusammenarbeiten, um die Datenpipeline und das Datenvolumen zu bewältigen und sich auf gemeinsame Lösungen zu einigen.(heh)

Autonomes Fahren

„Der Fokus liegt auf realisierbare und nützliche Anwendungen“

Autonome Taxis in San Francisco

Aufstand gegen das Robotaxi

* Raffaele Sabatino ist Senior Consultant bei mm1.

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