Elektromobilität

5G: So wichtig ist das schnelle Netz für autonomes Fahren

von Hannes Rügheimer

Für autonomes Fahren muss das Mobilfunknetz der Zukunft die Transportzeiten der Daten drastisch verkürzen. Wir erklären, warum 5G das so gut kann.

Ein Auto fährt durch eine Unterführung, die zur rechten Seite offen ist und den Blick aufs Wasser ermöglicht
Schnelligkeit zählt: Mit dem neuen Mobilfunkstandard 5G nimmt autonomes Fahren Tempo auf. Foto: CC0: Unsplash/Alessio Lin

Das erfahren Sie gleich:

  • Warum autonomes Fahren ein flächendeckendes 5G-Netz benötigt
  • Wie hoch der Datenverbrauch eines einzelnen autonomes Autos ist
  • Warum selbst Lichtgeschwindigkeit für 5G zu langsam ist

Einfach über über die Straße rollen, ohne sich Gedanken über Staus, Routen und knifflige Situationen machen zu müssen: Autonomes Fahren klingt nach entspanntem Reisen. Das gilt jedoch nur für die Nutzer, denn die Entwickler stehen bei der Technik vor vielen neuen Herausforderungen.

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Die Systeme sind hochkompliziert und müssen zu jeder Zeit einwandfrei funktionieren, um die Sicherheit im Straßenverkehr zu gewährleisten. Kurze Latenzzeiten sind deshalb unabdingbar. Doch auch das Netz muss standhalten, denn die selbstfahrenden Autos tauschen gigantische Mengen an Daten aus. Stemmen soll die das neue Funknetz 5G.

5G-Vergabe: Es geht um die digitale Zukunft

Der neue Mobilfunk-Standard 5G hat eine viel größere Bedeutung als bloß schnelleres Internet auf dem Smartphone. Vielmehr ist das Netz die Basis für die digitale Entwicklung. Viele Technologien der nahen Zukunft sind ohne ein flottes und beständiges Netz nicht umsetzbar. Dazu gehören vernetzte Städte und das autonome Fahren.

Ein flächendeckender Ausbau mit der 5G-Technologie bereits jetzt ist unverhältnismäßig teuer. In Zukunft werden die Kosten für den weiteren Ausbau sinken, weil es dann mehr Glasfaserleitungen und auch für die Fläche geeignetere Frequenzen geben wird. Die Frequenzen, die wir jetzt vergeben, sind Kapazitätsfrequenzen mit nur kurzen Reichweiten.

Jochen Homann, Präsident der Bundesnetzagentur

Noch ist 5G Neuland in Deutschland. Bevor der Standard flächendeckend zum Einsatz kommen kann, braucht es eine klare Vergabe der Frequenzen. Bisher gibt es zu diesem Vorgang bei der Bundesnetzagentur jedoch nur einen Entwurf. Darin legt die Behörde die Spielregeln für die Auktion vor, die erst 2019 stattfinden soll. Seit Montag, dem 24. September 2018, berät ein Gremium über das Papier – eine Entscheidung fällt wohl frühestens im November.

5G muss großen Datenströmen standhalten

Ein autonomer Verkehr bedeutet eine hohe Belastung für das Netz. Grund dafür sind die zahlreichen Sensoren, die stetig Daten übertragen. Laut der technologischen Forschungsabteilung von Lucid Motors liegt die Übertragungsrate von autonomen Autos in der Praxis bei 1,4 bis 19 Terabyte (TB) pro Stunde. Sie verteilt sich wie folgt auf die verschiedenen Systeme:

  • Radar (4 bis 6 pro Auto): 0,1 bis 15 Mbit pro Sekunde und Sensor
  • Lidar (1 bis 5 pro Auto): 20 bis 100 Mbit pro Sekunde und Sensor
  • Kamera (6 bis 12 pro Auto): 500 bis 3500 Mbit pro Sekunde und Sensor
  • Ultraschall (8 bis 16 pro Auto): weniger als 0,01 Mbit pro Sekunde und Sensor
  • Navigation: weniger als 0,1 Mbit pro Sekunde und Sensor

Bei einer täglichen Pendelzeit von einer Stunde zur Arbeit und rund 30 Minuten pro Tag zusätzlich, etwa zum Einkaufen, fallen nach dieser Kalkulation in einer Woche bereits zwischen 11,9 und 161,5 TB Daten an. Auf ein Jahr gerechnet sind es rund 618 (0,6 Petabyte) bis 8400 TB (8,4 Petabyte).

Wer seinen Mobilfunkvertrag mit etwa zehn Gigabyte Datenvolumen pro Monat als Maßstab nimmt, gerät bei solchen Zahlen schnell ins Staunen. Bereits nach spätestens 26 Sekunden Fahrt wäre das Datenvolumen aufgebraucht. Zum Glück ist autonomes Fahren aber nicht an Tarife gebunden.

Autonomes Fahren: Millisekunden entscheiden

Was menschliche Autofahrer in der Regel intuitiv verhindern, stellt autonomes Fahren vor größere Herausforderungen. Denn bis in einem derart hochdynamischen Geschehen Radar- und Lidarsensoren das unerwartet von der Seite kommende andere Fahrzeug erkennen und identifizieren, vergeht viel wertvolle Zeit. Den – idealerweise – schon vorher gesetzten Blinker können Sensoren kaum erkennen und auswerten.

Das ist einer der Gründe, warum die Autoindustrie im Zusammenhang mit dem autonomen Fahren und moderner Mobilität so große Erwartungen in den künftigen Mobilfunkstandard 5G setzt – die fünfte Generation im Mobilfunk und somit den Nachfolger der aktuellen LTE/4G-Technik.

Denn das 5G-Netz soll es ermöglichen, dass vom Computer gesteuerte Fahrzeuge sich gegenseitig und frühzeitig über ihre Absichten informieren. Und es ist auch der Grund, warum die fünfte Mobilfunkgeneration wesentlich mehr bieten soll als nur höhere Datenraten.

Das 5G-Netz zielt auch auf autonome Autos

Ab 2020 wollen deutsche Mobilfunkbetreiber hierzulande die ersten Funkzellen für die nächste Generation ihrer Netze in Betrieb nehmen. Die zwei wichtigsten Neuerungen gegenüber den heute üblichen Standards 4G/LTE und 3G/UMTS:

  • 5G soll wesentlich mehr Endgeräte zeitgleich in einer Funkzelle versorgen
  • Das neue 5G-Netz soll ultraschnelle Reaktionszeiten bieten

Waren 3G und 4G vor allem für Smartphones ausgelegt, kommen bei 5G große Zahlen vernetzter Geräte im "Internet of Things" (IoT – "Internet der Dinge") und eben nicht zuletzt vernetzte Fahrzeuge für autonomes Fahren hinzu.

Für das automatisierte Fahren haben wir bereits Frequenzen bereitgestellt, damit sich Fahrzeuge erkennen oder mit der Straße kommunizieren.

Jochen Homann, Präsident der Bundesnetzagentur

Für manche kritische Fahrmanöver sind selbst 80 Millisekunden Übertragungszeit zu viel.

Im Zusammenhang mit den ultraschnellen Reaktionszeiten sprechen die Techniker von "kurzen Latenzzeiten". In heutigen Mobilfunknetzen betragen sie noch um 80 Millisekunden oder auch mehr.

Diese Zeitspanne ist zwar nur ein Wimpernschlag – doch ein mit 200 km/h fahrendes autonomes Auto hat danach schon mindestens vier Meter zurückgelegt. Für manche kritische Fahrmanöver ist das bereits zu viel.

Andere geplante 5G-Anwendungen wie Fernoperationen oder Interaktionen in virtuellen Umgebungen brauchen zum Teil noch kürzere Latenzzeiten.

Deshalb sollen bei 5G zwischen der Anforderung einer Information und dem Eintreffen der Antwort aus dem 5G-Netz nur noch wenige Millisekunden vergehen: Die Latenzzeiten sollen bis hinab zu einer Millisekunde verkürzt werden, also auf 0,001 Sekunden pro Reaktion.

Lichtgeschwindigkeit ist für 5G zu langsam

Dies ist jedoch nicht weniger als eine Herkulesaufgabe für die Mobilfunkbetreiber. Denn bei 5G wird selbst die Lichtgeschwindigkeit zu einem limitierenden Faktor.

Der Grund: Bisherige Mobilfunknetze sind zentralistisch aufgebaut. Die zentrale Vermittlungs- und Speichertechnik steht in den Rechenzentren der Anbieterzentralen – beispielsweise in Bonn (Telekom), Düsseldorf (Vodafone) oder München (O2). Innerhalb einer Millisekunde legt ein Lichtsignal auf einem Glasfaserkabel maximal 300 Kilometer zurück.

In der Praxis ist der Wert noch deutlich geringer, weil zur reinen Transportgeschwindigkeit noch weitere Laufzeiten durch die Verarbeitung der Datenpakete innerhalb der Netz-Infrastruktur hinzukommen. Für eine Mobilfunkzelle etwa in Norddeutschland oder Brandenburg wird der Weg zwischen dem zentralen Rechenzentrum eines Anbieters und dem Funkturm vor Ort deshalb schlichtweg zu lang.

5G in der Cloud

Die Lösung der Ingenieure: Die Netz-Komponenten müssen näher an die Funktürme des Mobilfunknetzes heranrücken. Statt einer zentralen Cloud bekommt jede der tausenden Funkstationen im 5G-Netz ein eigenes "Cloudlet" – ein eigenes Mini-Rechenzentrum, das die lokal benötigten Daten vorhält.

Cloud und Rechenleistung rücken an den Rand des mobilen Netzes heran.
Die Lieferanten der Mobilfunktechnik wie Ericsson, Nokia oder Huawei bezeichnen dieses Konzept auch als "Edge Computing" – Cloud und Rechenleistung rücken an den Rand (engl. edge) des mobilen Netzes heran.

In erster Linie werden Edge-Clouds für den Abgleich lokal benötigter Informationen gebraucht – zum Beispiel eben die gegenseitige Benachrichtigung zwischen hochautomatisierten Autos über ihre beabsichtigten Routen.

Soll das Netz Daten liefern, die auf weiter entfernten Servern im Internet liegen (etwa Wetterdaten oder Stauprognosen), sorgen clevere Algorithmen dafür, dass die Edge-Cloud diese Informationen möglichst schon vorab besorgt, bevor sie von einem 5G-bestückten Fahrzeug abgerufen werden.

Eine Luftansicht zeigt zwei voneinander getrennte Fahrbahnen mit jeweils zwei Spuren
Schon ein Wimpernschlag ist zu lang: Für sicheres autonomes Fahren müssen Autos ohne Zeitverzögerung miteinander kommunizieren. Foto: CC0: Unsplash/Daryl Bleach

5G und autonomes Fahren im Probebetrieb

Auf den ersten Blick wirken solche Ideen merkwürdig und extrem aufwendig. Doch die Rechnung der Ingenieure geht auf. Schon heute beweist das "mobile Testfeld Autobahn A9" in Bayern, dass die latenzarme Kommunikation im 5G-Netz und die Mobile Edge Cloud funktionieren.

Auf diesem Streckenabschnitt haben die Netzbetreiber erste Test-Funkzellen des künftigen Netzes installiert und eine Flotte von Erprobungsfahrzeugen unterschiedlicher Autohersteller testet die neuen Konzepte regelmäßig im praktischen Einsatz.

Updates

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Bis 5G-Netze entlang der meisten Autobahnen aufgebaut und verfügbar sind und bis erste hochautomatisierte Serienfahrzeuge ihre Dienste nutzen können, wird noch einige Zeit vergehen.

Das Jahr 2020 ist nur der von der Industrie geplante Startpunkt, der Netzaufbau wird mit Sicherheit mehrere Jahre benötigen. Doch die Richtung ist klar – sie führt mit annähernder Lichtgeschwindigkeit in die Zukunft.

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