Koexistenz-Messungen Guten Empfang garantieren

Nahe beieinander liegende Funksysteme erhöhen die gegenseitige Störung im Infotainment-System.
Messtechnik hilft, die gegenseitige Beeinflussung von Signalen innerhalb der Fahrgastzelle zu vermeiden.

Ob WLAN, Bluetooth oder LTE: Eine steigende Anzahl nahe beieinander liegender Sende- und Empfangseinheiten im Infotainment-System des Autos erhöht die Gefahr der gegenseitigen Störung. Diese Situation erfordert spezielle Messlösungen.

Beim Autokauf orientieren sich laut einer Accenture-Studie heute mehr als 48 Prozent der Autofahrer eher an der elektronischen Ausstattung in Form von Fahrassistenz- und Infotainment-Systemen als an den Fahrleistungen. Schon seit Langem sind traditionelle Autohersteller auch im kalifornischen Silicon Valley vertreten, um die Trends einer intelligenten und vernetzten Mobilität frühzeitig umzusetzen und somit vor allem auch die junge Zielgruppe wieder für den Autokauf begeistern zu können. Die Verschmelzung von Fahrzeug und moderner Informationstechnologie zu einem Smart Car ist keine Zukunftsvision mehr, sondern bereits Realität auf unseren Straßen.

Eine wichtige Funktion des Smart Car ist die drahtlose Anbindung des Smart­phone per Bluetooth oder WLAN an das Infotainment-System des Fahrzeugs. So lassen sich die Daten des Mobilfunkgerätes wie Kontakte und Musik mit der On-Board-Einheit abgleichen und stehen den Insassen auch während der Fahrt zur Verfügung. Sollen Smart­phones und Tablets mit dem Internet verbunden werden, bieten Autohersteller eingebaute WLAN-Hotspots an. Mit zellularen Standards wie WCDMA oder LTE lässt sich dann eine Verbindung zum Mobilfunknetz herstellen. Der Bluetooth-Standard wird im lizenzfreien ISM-Band zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz betrieben. Für den WLAN-Standard stehen länderspezifische Frequenzen innerhalb der Bänder 2,4 GHz und 5 GHz zur Verfügung. Die gleichzeitige Nutzung verschiedener Mobilfunkstandards wie LTE, WLAN und Bluetooth wird auch als Koexistenz bezeichnet. Dabei kann es durch Einstrahlungen in Nachbarkanäle zu Qualitätsproblemen, der Reduzierung der Datenraten oder sogar zum Totalausfall kommen.

Funksysteme auf engstem Raum

Dieses gleichzeitige Miteinander verschiedener Funksysteme ist nicht neu und wird durch internationale Frequenzpläne und technische Spezifikationen reguliert. Neu ist allerdings, dass diese Funksysteme auf engstem Raum senden und empfangen. Zuständig für die Funksysteme sind unabhängige Standardisierungsgremien wie das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) für zellulare Standards oder die Wi-Fi Alliance für den WLAN-Standard.

Die genannten Gremien legen u.a. Grenzwerte für Abstrahlungen in andere Frequenzbereiche fest. Diese werden zum Beispiel durch die Adjacent Channel Leakage Power Ratio (ACLR) definiert. Der ACLR-Wert gibt das Verhältnis zwischen Sendeleistung des Nutzsignals und der in den Nachbarkanal eingestrahlten Leistung, die möglichst niedrig sein sollte, an. Ein weiterer wichtiger Parameter in der Verifikation von Funkstandards stellt die Spectrum Emission Mask (SEM) dar. Diese beschreibt anhand von Toleranzlinien einen erlaubten Signalpegelverlauf innerhalb und außerhalb des Transmissionsbandes eines Standards, um Störungen in den Nachbarkanälen und in andere Frequenzbänder zu verringern.

Eine besondere Herausforderung für Entwicklungsingenieure stellt die Situation innerhalb einer Fahrgastzelle dar: Eine steigende Anzahl von Sende- und Empfangsantennen ist mit sehr geringem Abstand zueinander in einem nahezu abgeschirmten Raum angeordnet. Zudem müssen auch entsprechende Reflexionen berücksichtigt werden. Die Auswirkungen eines Sendesignals auf die jeweils anderen Systeme sind zwangsläufig größer als im Freifeld oder in größeren Räumen.

Das ist besonders problematisch, da die beschriebenen nichtzellularen Standards in dicht nebeneinander liegenden Frequenzbändern betrieben werden. Je nach genutzten Frequenzbändern fällt auch der Standard LTE in diesen Bereich. Bei LTE Time-Division Duplex (TDD) liegt beispielsweise das Band 40 lediglich 1 MHz unterhalb, bei LTE Frequency-Division Duplex (FDD) im Uplink das Band 7 nur 17 MHz oberhalb des 2,4-GHz-WLAN-Bandes (Bild 1). Somit können Sendesignale als Störer bei benachbarten Empfängern auftreten und dort zu einer Übersteuerung führen. Der Empfang eines Nutzsignals kann dadurch unmöglich werden.

Zwar ist die Nutzung der verschiedenen LTE-Bänder von Ländern und Netzbetreiben abhängig, doch da nicht vorhersehbar ist, auf den Straßen welcher Länder ein Fahrzeug später unterwegs sein wird, müssen für einen störungsfreien Betrieb alle denkbaren Szenarien vorab in der Entwicklung durchgespielt werden. Die Reihe potenzieller Störer ist lang, denn auch die in Fahrzeugen genutzten satellitengestützten Navigationssysteme (GNSS) wie GPS, Glonass oder Galileo können durch die LTE-Bänder 7, 13 und 14 beeinträchtigt werden.

Um dem Bedarf an zusätzlichen Frequenzen für den mobilen Internetzugang weiter Rechnung zu tragen, wird die internationale Fernmeldeunion (ITU) im Zuge der digitalen Dividende nach dem 800-MHz-Band in diesem Jahr auch das 700-MHz-Band für den Mobilfunk freigeben (digitale Dividende 2). Dieses Band war zunächst dem Rundfunk vorbehalten. Durch die Freigabe können auch Autoradios und Entertainment-Systeme, die terrestrische Fernsehsignale empfangen, durch die Mobilfunksignale gestört werden. Aus diesem Grund müssen für ein umfassendes Messszenario sämtliche Rundfunksignale miteinbezogen werden.

Lösungsansätze zur Störminderung

Um die Situation in den Autos hinsichtlich der Empfangsqualität zu verbessern, gibt es verschiedene Lösungsansätze. Eine räumliche Trennung der Sender und Empfänger, also eine Entkopplung der Antennen, ist kaum zu realisieren, da ja die räumliche Begrenzung Ursache des Problems ist. Auch die üblichen Methoden der HF-Abschirmungen werden das Problem nicht ausreichend beheben können. Jedoch lassen sich durch zusätzliche Bandpassfilter an den Sendeantennen für WLAN und Bluetooth die Einstrahlungen in gefährdete LTE-Bänder reduzieren. Die räumliche Begrenzung ermöglicht es zudem, die Sendeleistungen der einzelnen Applikationen aufgrund des geringen Abstands zu verringern, und somit auch mögliche Störleistungen. Ein solches Vorgehen lässt sich bei den nichtzellularen Standards individuell realisieren. Bei den zellularen Standards entfällt jedoch diese Option, da hier die Sendeleistung von der Basisstation geregelt wird.

Der wesentliche Unterschied zwischen WLAN und Bluetooth besteht neben der Reichweite darin, dass WLAN fest zugeteilte Frequenzen verwendet, Bluetooth jedoch ein Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping). Dabei wechselt das Bluetooth-Signal in einem 2-MHz-Raster (BT4.0) bis zu 1600 Mal pro Sekunde zufällig zwischen 40 möglichen Kanälen. Dadurch wird verhindert, dass das Signal permanent ein festes WLAN-Signal im 2,4-GHz-Band stört. Die Möglichkeit der Optimierung der Empfangsqualität im Auto lässt sich sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich weiter verfeinern. Die verschiedenen Standards sind heute in hochintegrierten Computerchips des Infotainment-Systems vereint. Im Basisband dieser Chips ist bereits bekannt, welche Frequenzen bei den einzelnen Applikationen verwendet werden. Somit lässt sich für die Frequenzsprünge des Bluetooth-Signals eine „schwarze Liste“ für die Kanäle anlegen, die zum Bespiel durch ein LTE-Signal gestört und daher gemieden werden können. Dieses Verfahren wird adaptives Frequenzsprungverfahren (Adaptive Frequency Hopping) genannt.

Um Störungen von GNSS-Signalen durch LTE zu vermeiden, lässt sich auch im Zeitbereich die Technik der frühzeitigen gegenseitigen Erkennung von Datenübertragungen nutzen. Ist etwa einem LTE-Chip die Übertragung eines GNSS-Pakets mit einer Länge von zum Beispiel 20 ms bekannt, kann dieser seine Aktivität für beispielsweise 15 ms unterbrechen, um zumindest nicht die gesamte Übertragung zu stören. Die Unterbrechung ist jedoch kurz genug, um vom Teilnehmer nicht wahrgenommen zu werden. Die Empfangsqualität von Audio- und Videosystemen im Auto lässt sich durch ein flexibles Mehrfachempfangsprinzip verbessern. Dabei wird das Signal von bis zu drei HF-Tunern empfangen und ausgewertet und nur das beste Signal weiterverarbeitet. Eine weitere Antenne (3+1-Prinzip) wird für die Überwachung des Frequenzspek­trums genutzt. So können Informationen über mögliche Störungen und über den besseren Empfang auf anderen Frequenzen ermittelt und an die anderen Empfänger zur Frequenzumstellung weitergegeben werden.