Vehicle-to-everything (V2X): V2V, V2I, V2P, V2N & V2H vorgestellt

V2X ist das Akronym für Vehicle-to-everything, zu Deutsch Verkehrsvernetzung. Es handelt sich um verschiedene Konzepte, die Verkehrsteilnehmer untereinander und mit der Infrastruktur über die elektronische Kommunikation vernetzen. Dabei werden die Konzepte Vehicle-to-vehicle (Fahrzeug-zu-Fahrzeug, V2V), Vehicle-to-road (Fahrzeug-zu-Straße, V2R), Vehicle-to-infrastructure (Fahrzeug-zu-Infrastruktur, V2I), Vehicle-to-network (Fahrzeug-zu-Netzwerk, V2N) und Vehicle-to-pedestrian (Fahrzeug-zu-Fußgänger, V2P) unterschieden. Nachfolgend werden V2X und die zugehörigen Konzepte näher vorgestellt.

V2X

Vehicle-to-everything fasst alle genannten Techniken zusammen. Es handelt sich aber um mehr als einen bloßen Oberbegriff. Die technischen Voraussetzungen für die V2X-Kommunikation wurden standardisiert. Zum Einsatz können WLAN- und Mobilfunknetze kommen. Der jüngste Standard (Stand: 2019) ist 3GPP (C-V2X), das sogenannte Cellular V2X auf Basis des künftigen 5G-Mobilfunkstandards. Dem gegenüber steht das inkompatible 802.11p Verfahren, das auf dem veralteten 802.11a WLAN-Verfahren beruht und auch einfach nur pWLAN bzw. WLANp genannt wird.

„5G ist wie ein Schweizer Taschenmesser. Sie können damit alles Mögliche machen. Wenn es aber um chirurgische Operationen geht, würde ich dennoch ein anderes Werkzeug empfehlen.“

Niels Andersen, General Manager C2C-CC gegenüber c’t Ausgabe 9 vom 11.4.2020

Die etablierten technischen Standards, die noch länger nebeneinander existieren können, sorgen dafür, dass alle genannten V2X-Anwendungen mit einem Fahrzeug möglich sind. Es kann mit anderen Wagen, Personen, der Infrastruktur und dem eigenen Heim kommunizieren. Einige Anwendungen wie der Kontakt zur heimischen Garage oder auch zur Autowerkstatt werden unter V2N zusammengefasst: Wenn das Fahrzeug in einem Netzwerk angemeldet ist, kann zu beliebigen Teilnehmern der Kontakt hergestellt werden. Spezialanwendungen wie V2P benötigen aber gesonderte Technologien (siehe weiter unten). Mit den diversen Kommunikationsmöglichkeiten von V2X lassen sich verschiedene Lösungen, die es schon länger gibt, in folgenden Bereichen verbessern:

• Fahrassistenz
  
• Vermeidung von Behinderungen durch schlechte Straßenverhältnisse
  
• Unfallvermeidung
  
• bessere Sicherheit von Fußgängern
  
• Stauvermeidung oder -umgehung
  
• geringere Schadstoffemissionen
  

Wenn Fahrzeuge untereinander kommunizieren, wird das ihre Kollisionsgefahr untereinander mindern. Doch Achtung: Das ist kein Selbstläufer. Schiffe kommunizieren schon ewig miteinander, trotzdem stoßen sie manchmal zusammen. Wenn Fahrzeug Fußgänger erkennen, bremsen sie auch ohne Aktivität des Fahrers ab. Wenn sie mit Straßen- oder Funkbaken (ortsfeste Navigationsfunkstelle) kommunizieren, können sie Informationen über Straßenverhältnisse (Glatteis, Starkregen, durch Hitze aufgeweichter Asphalt) und Staus abrufen. Für die V2X-Communication nutzt man Signale, die Kraftfahrzeuge aussenden und empfangen, Radar sowie Intelligent Roadside Stations, die über Funkbaken am Straßenrand realisiert werden.

Vehicle-to-Vehicle (V2V)

Die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (oft auch C2C für Car-to-Car-Communication genannt) ist der automatische Datenaustausch zwischen Kraftfahrzeugen, der dem dem Fahrer rechtzeitig kritische Situationen meldet. Derzeit laufen in Europa verschiedene V2V-Projekte für eine höhere Sicherheit im Straßenverkehr und eine Optimierung des Verkehrsflusses. Ein oft genanntes Beispiel ist die Vollbremsung eines Autos auf einer unübersichtlichen Straße, wobei mithilfe von V2V nachfolgende Fahrzeuge automatisch gewarnt werden. Ein automatischer Eingriff in deren Bremssystem wäre denkbar, wird aber derzeit noch nicht umgesetzt. Die Warnung erfolgt durch ein akustisches Signal und durch ein in die Windschutzscheibe eingeblendetes Pannensymbol. Entsprechende technologische Überlegungen und Ansätze gibt es übrigens schon seit den 1930er Jahren. Damals wollte man UKW-Sender mit einem Watt Sendeleistung und einer Reichweite von rund 50 Metern einsetzen, um etwa bei Überholvorgängen vorausfahrende Lkws zu warnen bzw. sogar automatisch dessen Hupe zu betätigen. Die Technik kam aber über das Versuchsstadium nicht hinaus. Technisch funktioniert V2V, indem in jedem Fahrzeug permanent Daten gesammelt und an die umgebenden Fahrzeuge gesendet werden. Das sind Daten wie:

• Position
  
• Lenkwinkel
  
• Ansprechen des ABS
  
• Richtung und Geschwindigkeit
  

Die beiden grundsätzlichen Weiterleitungsmöglichkeiten sind heute das WLAN, das dann in allen Fahrzeugen existieren muss, und Mobilfunknetze. Letztere dürften sich eher durchsetzen. Grundsätzlich verlängert V2V die „Sichtweite“ eines Kraftfahrers. Aktuell wird experimentiert, wie die Systeme generell ausgelegt werden sollen. Ein Ansatz lautet, dass sie alle Ereignisse im Nahbereich (etwa 300 m) erfassen. In diesem Umfeld könnten sie Notbremsungen, Aquaplaning und Eis melden, beim Einfädeln und beim Spurwechsel helfen, Unfälle und Baustellen melden sowie vor Einsatzfahrzeugen warnen.

In Deutschland wurde schon 2007 das hessische Rhein-Main-Gebiet zum Testgebiet auserkoren. Das dort durchgeführte Pilotprojekt heißt SIM-TD für „Sichere Intelligente Mobilität – Testfeld Deutschland“. Es wurde durch den VDA initiiert (Verband der Deutschen Automobilindustrie) und enthält auch V2N-Elemente (Lichtzeichenanlagen, Verkehrsleitzentralen). Als praktikabel gilt V2V nach einer Vereinheitlichung der europäischen oder gar globalen Standards. Derzeit läuft außerdem noch das Forschungsprojekt Ko-FAS, bei dem 17 Partnerunternehmen entsprechende Technologien, Systeme und Komponenten testen. Die Problemstellung besteht gegenwärtig darin, verschiedene sensorische Systeme zueinander kompatibel zu gestalten.

In der c’t Ausgabe 7 vom 14.3.2020 wurde die Car2Car-Kommunikation im Golf 8 getestet. Das System war damals erstmals in einem Volumenmodell erhältlich. Volkswagen selbst verwendet dabei die Bezeichnung Car2X (Car-to-Everything)., da prinzipiell auch eine Kommunikation mit der umgebenden Infrastruktur möglich sei. Das Besondere: Car2X ist keine Sonderausstattung, sondern schon beim Basis-Golf serienmäßig integriert. Genutzt wird dabei das System pWLAN/WLANp (IEEE 802.11p). Getestet wurde auf dem ADAC-Erprobungsgelände in Penzing. Die Teste resümierten, dass das System auf jeden Fall Potential hat, Menschenleben zu retten. Lediglich in der Handhabung müsste noch etwas gefeilt werden.

Vehicle-to-Infrastructure (V2I)

Wenn Fahrzeuge mit der Infrastruktur kommunizieren sollen, sind verschiedenste technologische Lösungen denkbar. Die Klassiker sind Funkbaken, Verkehrsleitzentralen und Lichtsignalanlagen, doch auch in den Straßenbelag eingelassene Sensoren sind denkbar, aber teuer. Die Funkbaken am Straßenrand senden und empfangen Signale. Sie sind in die IRS (Intelligent Roadside Stations) eingebunden, die wiederum die Kommunikation zum Internet, zum Autohersteller, zu einer Verkehrsleitzentrale und/oder einem Infotainmentsystem herstellen. Vermutlich wird sich die reine Online-Kommunikation durchsetzen, weil jeder sonstige Teilnehmer der Infrastruktur (Verkehrsleitzentrale, Rettungsdienst, Autohersteller bzw. Servicebetrieb) auf Online-Daten zugreifen kann. Der Vorteil bestünde in einer Vereinheitlichung wenigstens der Übertragungstechnologien, wenn schon bei Sendern, Empfängern und Sensoren die Hersteller jeweils eigene Wege gehen.

Vehicle-to-Pedestrian (V2P)

Mit V2P erkennt ein Auto Fußgänger, Kinderwagen, Fahrräder und Rollstühle, möglicherweise auch Mofas, Elektroroller und Elektrotretroller. Da die meisten dieser Verkehrsteilnehmer selbst keinen Sensoren und Funksysteme mitführen, müssen hier andere Techniken als bei V2V oder V2I eingesetzt werden. Bewährt haben sich bei Fahrassistenzsystemen, die bei einer drohenden Kollision mit einem Fußgänger erst warnen und dann automatisch bremsen, die drei Technologien

• Nahbereichsradar,
  
• Ultraschall und
  
• Videotechnik.
  

Dazu gehört eine Fußgängererkennung. Diese identifiziert mithilfe von künstlicher Intelligenz und über eingespeiste Muster, ob es sich bei einem Hindernis wirklich um einen Fußgänger handelt. Die Fußgängererkennung ist mit Kollisionswarnsystem gekoppelt, was als vollkommen unproblematisch gilt, solange der Fahrer selbst aktiv bremsen muss. Allerdings bremsen moderne Fahrassistenzsysteme auch automatisch, in autonom fahrenden Autos ist das dann der Standard.

Hier stellt sich die wichtige juristische Frage, nach welchen Kriterien das System entscheiden soll, ob es eher den Fußgänger vor dem Auto oder dieses vor einem gefährlichen Unfall durch ein Ausweichmanöver schützt. Das ausweichende Fahrzeug könnte auf die Gegenfahrbahn geraten und dort einen Frontalzusammenstoß erleiden – möglicherweise mit einem viel größeren Fahrzeug, was für die Insassen sehr prekär ausgehen würde und das interne System veranlassen könnte, doch lieber den Fußgänger anzufahren. Solche Systeme gibt es ja schon lange, in Lkws sind sie vorgeschrieben, doch Fahrer können sie abschalten. Da sich aus Fahrassistenzsystemen automatisches Fahren entwickelt, hat der deutsche Gesetzgeber auf die ethische Fragestellung reagiert und im Juni 2017 neue Regeln erlassen.

Deutschland ist damit internationaler Vorreiter. Die moderne Fahrassistenz muss hierzulande nach geltender Rechtslage eine Übernahmebereitschaft des Fahrers garantieren. Er kann und muss daher selbst entscheiden, was bei einer drohenden Kollision mit einem Fußgänger geschehen soll. Schon seit 2016 beschäftigt sich eine deutsche Ethikkommission mit diesen Fragen, die immer noch nicht restlos geklärt sind. Es bedarf auf nationaler und internationaler Ebene einer Klärung, wie ein vollkommen autonom fahrendes Auto reagieren soll, in welchem es keinen Fahrer gibt. Wie das digitale Gehirn des Wagens in einer Notfallsituation entscheidet, muss programmiert werden. Hierfür muss es gesetzliche Vorgaben geben.

Auf internationaler Ebene sind seit 2016 automatisierte Systeme zwar erlaubt, aber nur dann, wenn sich ein einsatzbereiter Fahrer im Wagen befindet. Es geht dabei auch um Haftungsfragen nach Unfällen: Haftet der Hersteller oder der Fahrer, wenn das Auto automatisch einem Hindernis ausgewichen ist und damit einen anderen Schaden verursacht hat?

In Deutschland gilt das Drei-Säulen-Modell der Halter-, Fahrer- und Herstellerhaftung. Deutsche Hersteller glauben, dass dieses Modell in eines für das automatische Fahren überführt werden kann. Was juristisch zweckmäßig und technisch möglich ist, entscheidet sich derzeit (2019) auch anhand der V2X-Technologien. Für die heiklen ethisch-juristischen Fragen sind V2P-Systeme zentral. Diese Fragen können sehr heikel sein: Was soll die Fahrassistenz entscheiden, wenn drei Reaktionsmöglichkeiten zur Auswahl stehen? Es könnten diese sein:

• a) Vollbremsung, während hinter dem Pkw ein großer Truck fährt, der das kleine Fahrzeug dann garantiert überrollt
  
• b) Ausweichen nach links, wo gerade eine ältere Dame die Straße überquert
  
• c) Ausweichen nach rechts, wo sich eine Gruppe von kleinen Kindern mit ihren Müttern befindet
  

Momentan entscheidet sich in so einer hoffnungslosen Lage noch der Fahrer im Bruchteil einer Sekunde für eine der drei schlechten Möglichkeiten. In Zukunft entscheidet es ein Computer. Schon heute sitzen Techniker vor den Programmen dafür, während sich die Mitglieder der Ethikkommission grübelnd die Haare raufen.

Vehicle-to-Network (V2N)

Die V2N-Systeme stellen das Fahrzeug online, was zu diversen Vorteilen führt. Es setzen sich hierfür zunehmend Mobilfunknetze durch. Wenn 4G und 5G erst einmal flächendeckend ausgebaut sind, wäre der Mobilfunk das Mittel der Wahl für V2N. Ein hoher Datendurchsatz ist aufgrund der Geschwindigkeit der Fahrzeuge sehr wünschenswert (mindestens 4G = LTE). Über V2N sind die Insassen so gut vernetzt wie am heimischen PC, doch auch die Fahrassistenz und alle technischen Systeme des Fahrzeugs sind vernetzt. Eine Werkstatt kann während der Fahrt eine Systemdiagnose durchführen. Jede Art von Stau wird in Echtzeit gemeldet. Natürlich führt V2N auch zu Komfort: Die Insassen können sich YouTube-Videos anschauen oder ihre Mails checken.

Vehicle-to-home (V2H)

Hierbei handelt es sich einerseits um den Informationsfluss zwischen Auto und Eigenheim oder Wohnung, andererseits auch um Lösungen, mit denen Elektroautos zu temporären Batteriespeichern werden. Sie geben Energie ins Stromnetz (Grid) oder ins Energiesystem ihres Eigenheims ab. Autos werden damit ein aktiver Teil der Stromversorgung. Das hätte den Vorteil, dass sich die bei erneuerbaren Energien unvermeidbaren Lastabfälle und -spitzen glätten ließen. Überflüssige Energie gibt das Auto nachts ab, wenn keine Solarenergie produziert wird, doch wenn es diese (oder Windenergie) im Überfluss gibt, wird das E-Mobil fix aufgeladen.