Infotainment und Telematik Hybride Kommunikationssysteme im Automobil

Fahrzeuge kommunizieren zukünftig mit ihrer Umwelt und miteinander.
Fahrzeuge kommunizieren zukünftig mit ihrer Umwelt und miteinander.

Durch die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und ihrer Umwelt lassen sich neue Mobilitätskonzepte und Applikationen ermöglichen. Der zweiteilige Artikel von BMW widmet sich den Kernkomponenten der Kommunikationstechnologien, relevanten Applikationen und ersten Testergebnissen. In dem vorliegenden ersten Teil werden die Basistechnologien, Architekturkonzepte und Potenziale der hybriden Kommunikation für Fahrerinformationssysteme erläutert.

Die Vision des vernetzten Automobils ist eines der wichtigsten Innovationsfelder in der gesamten Automobilbranche. Basierend auf einer Kommunikation zwischen Fahrzeugen und ihrer Umwelt sollen vollkommen neue Mobilitätskonzepte und Applikationen ermöglicht werden. Die Fahrzeugvernetzung setzt hierbei auf eine effiziente Nutzung aller zur Verfügung stehenden drahtlosen Kommunikationsdienste. Hierdurch sollen fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) für eine verbesserte Verkehrseffizienz und Sicherheit im Straßenverkehr sowie zur Darstellung von Anwenderfunktionen im Entertainment-Bereich ermöglicht werden. Zudem bildet die mobile Kommunikationstechnik in vielen Bereichen die zentrale Grundlage für zukünftige Entwicklungen und Neuerungen, die eine zuverlässige und allgegenwärtige Konnektivität voraussetzen. Hierbei kann auf unterschiedliche Vernetzungstechnologien wie Mobilfunk- und WLAN-basierte Systeme zur Umsetzung der Dienstgüteanforderungen von Vernetzungsfunktionen zurückgegriffen werden. Für eine optimale Anpassung der Fahrzeugvernetzungsfunktion an die zur Verfügung stehenden Kommunikationsverfahren kann ein fahrzeugseitiges Verbindungsmanagement [1] zum Einsatz kommen. Hierzu müssen die unterschiedlichen Kommunikationssysteme fahrzeugseitig auf einer Telematikplattform integriert werden. Funktional ist die Vernetzungsarchitektur um die Eigenschaften eines kontextbasierten und situationsadaptiven Verbindungsmanagements zu erweitern.

Basisfunktionen einer hybriden Kommunikationsarchitektur

Die zunehmende Heterogenität von drahtlosen Netzzugangstechnologien (WLAN, ETSI ITS-G5, Mobilfunk 2G/3G/LTE), die Vielzahl eingesetzter Übertragungsprotokolle (Unicast, Broadcast, Geocast) und die steigenden Ansprüche der Nutzer an die Qualität und Verfügbarkeit von individuellen, mobilen Datenverbindungen stellen grundlegend neue Anforderungen an die Kommunikationsarchitektur im Fahrzeug (Bild 1).

Situations-adaptives Verbindungsmanagement

Im Rahmen der hybriden Kommunikation soll die am besten geeignete verfügbare Verbindungstechnologie für die zu unterstützende Fahrzeugvernetzungsfunktion ausgewählt werden. Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur findet heutzutage zum größten Teil über zellulare Funkzugangssysteme der dritten Generation (UMTS, 3G) statt. Aber auch Mobilfunksysteme der 4. Generation (LTE) kommen im Fahrzeugumfeld verstärkt zum Einsatz [2]. Untersuchungen zu der Nutzbarkeit von UMTS für Sicherheits- und Komfortanwendungen haben ergeben, dass die auftretenden Verzögerungszeiten insbesondere im 3G-Netzwerk zu groß sein können, um zum Beispiel latenzkritische gewünschte Applikationen effizient umzusetzen. Eine bestmögliche Vernetzung der Fahrzeuge miteinander und mit der Außenwelt kann durch die gemeinsame Integration von ad-hoc-basierten Telekommunikations-Standards nach IEEE 802.11, ETSI ITS-G5 im 5,9-GHz-Bereich und der verfügbaren Standards für volldigitale Mobilfunknetze, wie 3GPP Long Term Evolution (LTE) im 800-MHz-, 1800-MHz- und 2600-MHz-Bereich, erreicht werden. Hierbei bietet der IEEE-802.11-Standard die Grundlage der WLAN-Technologie für die Realisierung lokaler Funknetze. Diese weisen eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit bei reduzierten Reichweiten auf. In den Frequenzbereichen bei 2,4 und 5 GHz ist der Betrieb lizenzfrei möglich. Das ist einer der Vorteile dieser Technik, denn dadurch lassen sich preisgünstige und weltweit kompatible Geräte herstellen. Es existieren zahlreiche Erweiterungen des IEEE-802.11-Standards. Die bekanntesten Erweiterungen sind 802.11a/b/g. Mit diesen häufig im Konsumgüterbereich eingesetzten Techniken werden Brutto-Datenraten von bis zu 54 Mbit/s erreicht. Die im Jahr 2009 veröffentlichte Erweiterung 802.11n ermöglicht weitere Steigerungen auf bis zu 600 Mbit/s.

Die Nutzung lokaler Funknetze im Automobilumfeld ermöglicht neue Applikationen, erfordert aber auch je nach Einsatzszenario an die spezielle Umgebung angepasste Technologien. Insbesondere im Fahrzeugumfeld muss der hohen Nutzermobilität und der sich kontinuierlich ändernden Kanaleigenschaften Rechnung getragen werden. Durch aktives Verbindungsmanagement und automatische Netzwahl lassen sich beispielsweise Dienstgüteprofile (Quality of Service, QoS) für Fahrzeug-Vernetzungsfunktionen bei einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit optimieren.

Hochauflösende Umfeldmodelle und intelligente Datenplanung

Im Bereich der Fahrerinformationssysteme gilt es, dem Fahrer nützliche und aktuelle Informationen über den Zustand seines Fahrzeugs sowie die vor ihm liegende Wegstrecke zur Verfügung zu stellen. Hierbei wird häufig vom sogenannten Fahrzeugumfeldmodell gesprochen, das durch Fusion unterschiedlicher Sensorquellen entsteht. Je hochauflösender und aktueller das Umfeldmodell des Fahrzeugs dargestellt werden kann, desto höhere Echtzeitanforderungen können von den Vernetzungsfunktionen eingehalten werden. Hierbei werden die Informationen grundsätzlich von verteilten mobilen und ortsfesten Sensorknoten, beispielsweise Fahrzeuge, On-Board-Sensoren, ortsfeste Sensoren, für eine allumfassende und hochauflösende Fahrzeug­umfeld-Modellierung ausgetauscht. Je fortschrittlicher die im Fahrzeug umgesetzte Vernetzungsfunktionen, desto genauer, hochauflösender und echtzeitfähiger kann das Umfeldmodell im Fahrzeug gestaltet werden.

Für Anwendungen im Bereich Fahrzeug-Infotainment- und zum Beispiel Fahrzeug-Maintenance sowie Software Updates für Steuergeräte können komplementäre WLAN-Netzwerke in Verbindung mit Methoden zum aktiven Netzwerkmanagement genutzt werden, um konventionelle Mobilfunknetze zu entlasten und Datenkosten zu reduzieren. Bei einem Vergleich der Infotainment-orientierten Nutzung hybrider Kommunikationsnetze mit der Nutzung im Bereich der Fahrzeug-Informationsdienste muss grundsätzlich zwischen der fahrzeugzentrischen und der kooperativen Optimierung variabler Verbindungsparameter unterschieden werden: Letztere ermöglicht eine gesamtvolkswirtschaftliche Optimierung der zur Verfügung stehenden Kommunikationsressourcen. Das ist dann besonders erstrebenswert, wenn sicherheitsrelevante Informationen wie lokale Gefahrenwarnungen in einer geringen Übertragungszeit bei minimalem Einsatz von Netzwerkressourcen an eine große Anzahl von Verkehrsteilnehmern vermittelt werden sollen.

Neutralität der Netzschnittstelle

Einen hohen Stellenwert nimmt bei der hybriden Kommunikation die Neutralität der drahtlosen Kommunikationssysteme ein: Erst durch die transparente Vermittlung von Information über unterschiedliche Netzzugangstechnologien und Netzwerk-Provider wird eine hohe flächenhafte Abdeckung erreicht, über die ein großes Netzwerk an Sen­sorknoten als Datenlieferanten einbezogen werden kann. Hierzu ist es erforderlich, dass die Vernetzungsapplikationen im Fahrzeugumfeld strikt von spezifischen Telekommunikationsstandards entkoppelt werden. So lassen sich zukünftige Entwicklungen und Erweiterungen im Bereich der Telekommunikationsstandards ebenfalls einfach in das Gesamtsystem integrieren. Durch die definierten Dienstgütemerkmale der einzelnen Vernetzungsfunktion und die unterstützten Übertragungseigenschaften der einzelnen Kommunikationsstandards ermöglicht das fahrzeugseitige Verbindungsmanagement stets die Auswahl des am besten geeigneten Kommunikationssystems.