Die nächste Ära vernetzter Fahrzeuge
Das »Everything« in »Vehicle to Everything« neu definiert
Für V2X-Anwendungen ist – nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen – eine zuverlässige, stabile Signalanbindung von höchster Bedeutung. Doch wie lässt sich eine leistungsfähige und lückenlose Vernetzung garantieren?
Die futuristischen Film- und Fernsehautos aus den 1980er-Jahren werden sukzessive Realität. Fahrzeuge weisen bereits viele der Fähigkeiten auf, wie sie beispielsweise KITT in der Fernsehserie Knight Rider hatte: autonome Fahrfunktionen, intelligente Sprachkommunikation, Fernzugriff auf Daten sowie die Möglichkeit, externe elektronische Geräte zu steuern. Ein Trend, der sich in den kommenden Jahren verstärken dürfte.
Jobangebote+ passend zum Thema
Vehicle-to-Everything(V2X)-Kommunikation
Viele der genannten Funktionen werden erst durch die Vehicle-to-Everything(V2X)-Kommunikation möglich. Die zahlreichen Sensoren und Antennen, die inzwischen zur Ausstattung von Fahrzeugen zählen, erlauben eine intensivere Kommunikation mit der Umgebung und legen den Grundstein für das autonome Fahren.
Die Signalanbindung sorgt dafür, dass sich das Fahrzeug mit einer Vielzahl von Datenquellen verbinden kann, um über V2X-Unterkategorien wie Fahrzeug zu Gerät (V2D), Fahrzeug zu Netz (V2N), Fahrzeug zu Fußgänger (V2P) und Fahrzeug zu Fahrzeug (V2V) bessere Daten über die Umgebung des Fahrzeugs zu erhalten.
Wie lassen sich diese neuen Techniken nun für die Entwicklung kommender Elektrofahrzeuge kombinieren, und welche Herausforderungen ergeben sich bei der Realisierung der Datenanbindung?
Die Bedeutung der Signalanbindung
In der Vergangenheit war die Datenanbindung auf der Straße immer wieder von Unterbrechungen gekennzeichnet, oft durch den Verlust des Funksignals in Tunneln oder unterbrochene Mobilfunksignale in abgelegenen Gegenden. Als Fahrer hat man sich an diese Signalunterbrechungen gewöhnt. Mit der Verbesserung der entsprechenden Techniken und der zunehmenden Vernetzung der Fahrzeuge mit der Außenwelt auf verschiedene Weise und für verschiedene Zwecke wird das Aufrechterhalten der Datenanbindung jedoch sowohl für die Fahrer als auch die Fahrzeughersteller immer wichtiger.
Die funkbasierte Infrastruktur für V2X – innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs – hat neue Sicherheits- und Komfortfunktionen wie Kollisionswarnsysteme, adaptive Geschwindigkeitsregelung und Einparkhilfe ermöglicht und gleichzeitig einen Rahmen für das autonome Fahren geschaffen. Doch welche Technik macht diese Infrastruktur möglich?
Um ein vollständiges Bild zu erhalten, müssen drei Elemente der Datenanbindung berücksichtigt werden: das Aufrechterhalten der Datenanbindung, das Sicherstellen einer angemessenen Kapazität sowie das Erreichen der maximal möglichen Abdeckung.
Leistungsfähigkeit erhöhen
Bei zukünftigen Fahrzeugen wird es darauf ankommen, die verfügbaren Datenraten so zu optimieren, dass innerhalb der V2X-Anbindung V2N unterstützt wird. Die Antwort liegt in der Nutzung von 5G-FR1-Multiple-in/Multiple-out (MIMO).
Das FR1-Frequenzband von 410 MHz bis 7,125 GHz ermöglicht eine optimierte schnelle 4G- und 5G-Übertragung. Mit MIMO sind zukünftige Fahrzeuge in der Lage, Fehler zu verringern, die Datengeschwindigkeit zu erhöhen und die Kapazität funkbasierter Übertragungen zu verbessern, da die Daten über mehrere Signalpfade gleichzeitig übertragen werden können.
MIMO steigert den Durchsatz von HF-Systemen und erzeugt eine stabilere sowie weniger überlastete Verbindung. Hierfür benötigt das Fahrzeug eine Architektur für ein verteiltes Antennensystem (vDAS; Vehicle Distributed Antenna System) bestehend aus mehreren Antennen, die über eine analoge oder digitale Schnittstelle verbunden sind. Bei künftigen Implementierungen wird die Schnittstelle auf digital umgestellt.
Die Signalqualität und -geschwindigkeit, die 5G-FR1-MIMO in Gegenden mit Mobilfunkabdeckung bietet, wird den Fahrzeugen von morgen ein höheres Maß an Kommunikation und ein breiteres Funktionsspektrum ermöglichen. Die vDAS-Architektur erlaubt es, diese Fähigkeit in das Fahrzeug zu integrieren, und ermöglicht eine Antennentechnik, die den jeweiligen Kapazitätsanforderungen gerecht wird.
Um sowohl die Ästhetik als auch die Leistungsfähigkeit zu erhalten und zu verbessern, können die Antennen diskret im Fahrzeug integriert werden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Signals und trägt zu einem schlanken Design des Innenraums und der Karosserie bei.
Übliche Montagestellen für Antennen sind das Fahrzeugdach, die Windschutzscheibe und die Instrumententafel für die Kommunikation im Fahrzeug. Antennen werden auch in Spoilern oder Frontschürzen integriert. Die Fahrzeugarchitektur wirkt sich auf die mögliche Komplexität der vDAS-Verkabelung aus, da sich eine Vielzahl von Fahrzeugsystemen an verschiedenen Stellen befindet und ein Prozessor erforderlich ist, um die Steuer- und Regelkreise in Komponenten wie den Strahlformungsantennen zu überwachen.
Umstellung auf zonale Architektur bringt Vorteile
Die Umstellung auf eine zonale Architektur vereinfacht die Verkabelung und senkt die Kosten für Kabelbaum und Installation. Das Fahrzeug wird in Zonen unterteilt, sodass einzelne Blöcke wie zum Beispiel Antennen an das nächstgelegene zonale Steuergerät angeschlossen werden können. Diese Änderung der Fahrzeugarchitektur erfordert digitale statt analoge Schnittstellen zwischen den Blöcken und Steuergeräten. Die Nutzung digitaler Schnittstellen ermöglicht es, mehr Antennen im Fahrzeug zu installieren, und unterstützt die vDAS-Implementierung, ohne das Gewicht oder die Kabelbaumkomplexität unzumutbar zu erhöhen.
Darüber hinaus können je nach Bedarf verschiedene Antennentypen eingesetzt werden: 5G-4x4-MIMO-Antennengruppen, Blade-Antennen und Shark-Fin-Antennen für V2X, Global-Navigation-Satellite-System(GNSS)-Antennen für die Navigation und Funkantennen für den einfachen Funkempfang sowie WiFi- und Bluetooth-Low-Energy(BLE)-Antennen für die Verbindung mit Geräten im Fahrzeug.
Netzzugang in dicht besiedelten Umgebungen
Die Mobilfunk-Netzabdeckung ist heute in dicht besiedelten Gegenden fast flächendeckend. Die Herausforderung besteht dort nicht in der Abdeckung, sondern in der Kapazität. Durch ein überlastetes Netz kann es passieren, dass selbst bei vorhandenem Mobilfunksignal für Fahrzeuge kein Mobilfunknetz-Service besteht. In dicht bebauten und besiedelten Umgebungen liegt die Lösung in der 5G-mmWave-Technik, die die 5G-FR2-Frequenzbandbreite zwischen 24,25 und 52,6 GHz nutzt.
Unter überlasteten Bedingungen ermöglicht die 5G-mmWave-Technik Geschwindigkeiten, die vier- bis fünfmal höher sind als bei Low- oder Mid-Band-FR1, was eine deutlich bessere Leistungsfähigkeit und Netzauslastung ermöglicht.
Die mmWave-Anbindung erfordert präzise ausgerichtete Antennengruppen mit digital gesteuerter Strahlformung, um den Signalempfang zu verbessern und Interferenzen zu reduzieren. Bei der Strahlformung wird der Signalstrahl fokussiert und gelenkt, indem die Phase der Eingangssignale an den Strahlelementen im Array geändert wird. Damit lässt sich sowohl die effektive Reichweite als auch die Signalintegrität verbessern.
Die Strahlformung erfordert zudem schnelle Schnittstellen und eine leistungsstarke Signalverarbeitung im Fahrzeug, um einen Regelkreis zu schaffen, der die Strahlformungs-Einstellung im Interesse optimierter Leistungsfähigkeit und Signalstärke regelmäßig überwachen und anpassen kann. Dabei gibt es drei Optionen für die Strahlformung: analog, digital und hybrid.
Bei der analogen Strahlformung wird die Phase des Signals im Analogbereich geändert. Ein einzelner HF-Transceiver-Ausgang wird in mehrere Pfade aufgeteilt, die von verschiedenen Antennenelementen bedient werden, wobei ein Phasenschieber und ein Verstärker jedes Signal modifizieren, bevor es das Antennenelement erreicht.
Der Nachteil ist, dass die analoge Strahlformung nur einen einzigen Datenstrom verarbeiten und jeweils nur einen Signalstrahl erzeugen kann, was ihre Nutzung bei 5G, wo mehrere Strahlen erforderlich sind, einschränkt. Außerdem wird zusätzlicher Platz für Komponenten und Kabel benötigt.
Beim digitalen Beamforming wird jedes Signal vor der HF-Übertragung in der Basisbandverarbeitung vorkodiert (mit Amplituden- und Phasenänderungen). Jedes Antennenelement verfügt über einen eigenen Transceiver und Datenwandler, sodass gleichzeitig mehrere Signalsätze auf die Antennenelemente gelegt werden können. Dadurch kann eine einzelne Antennengruppe mehrere Strahlen und folglich mehrere Nutzer bedienen – ideal für 5G-Netze. Außerdem kommt Digitaltechnik zum Einsatz, um die traditionellen Trial-and-Error-Methoden der Strahlverfolgung zu ersetzen.
Die hybride Strahlformung ist ein Kompromiss aus digitaler und analoger Strahlformung. Auf der HF-Stufe wird mit analoger Strahlformung gearbeitet, im Basisband mit digitaler Strahlformung.
Insgesamt ermöglicht die digitale Strahlformung eine schnellere und kapazitätsreichere Strahlverfolgung und -steuerung. Diese erleichtert die mmWave-Anbindung und die Anbindung nichtterrestrischer Netze (NTN), die im Folgenden besprochen werden. Sie ist eine der wichtigsten Voraussetzungen allgegenwärtiger Breitband-Anbindung für Fahrzeuge.
Netzlücken eliminieren
Um eine umfassende Datenanbindung zu erreichen, muss die Abdeckung über die Reichweite bestehender terrestrischen Netze hinaus erweitert werden. Die Lösung ist ein nichtterrestrisches Netz (NTN), das eine satellitengestützte Breitbandverbindung bietet. NTN-Satellitenkommunikationssysteme können Hunderte von Kilometern abdecken, sodass auch in ländlichen und abgelegenen Gegenden Datenanbindung möglich ist. Dieses Netz basiert auf zwei Säulen: einem NTN-IoT entweder mit Schmalband und niedriger Datenrate oder mit Breitband und höheren Datenraten, sowie einem NTN-NR (New Radio) mit Breitbandzugang.
NTN-NR stützt sich auf Strahlformungsantennen, um die bestmögliche Leistungsfähigkeit zu gewährleisten: Das Signal-Rausch-Verhältnis wird verbessert und die Interferenzen in überfüllten Umgebungen werden reduziert. Kommunikationssatelliten erzeugen hierbei eine »Konstellation« von Signalquellen, die sich ständig am Himmel bewegen – mit Veränderung der Strahlbreite und des Höhenwinkels. Am Fahrzeug sorgen Strahlformung und -steuerung für die Anpassung an die sich ändernde Strahlbreite.
Die NTN-Anbindung hängt von der Sichtverbindung zum Satelliten ab, wobei die ständige Bewegung des Satelliten auch einen Dopplereffekt erzeugt, der zu einer hohen Verschiebungs- und Variationsrate führt. Auch Signalamplitude und -phase können durch atmosphärische und wetterbedingte Einflüsse schnell schwanken. Mit einer ausreichenden Satellitenabdeckung kann die NTN-Kommunikation jedoch eine Netzabdeckung für weiträumige Gebiete liefern, die in der TN-Abdeckung sonst unberücksichtigt blieben.
Als Anbieter von Verbindungsprodukten für Anwendungen in Fahrzeugen bietet Molex kundenspezifische Antennen für jeden Verbindungsbedarf an – entwickelt und getestet nach den genauen Spezifikationen der Fahrzeughersteller.
Nach Unterlagen von Molex
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Trends in der Automobiltechnik
»Wir stehen an einem Wendepunkt«
Software schlägt PS
Wie die Digitalisierung das Autofahren verändert
Echtzeit-Computing aus der Cloud
Game Changer für die Entwicklung von Prototypen
Überzeugende Sichtbarkeit bei Tageslicht
Projizierender Blinker sorgt für mehr Sicherheit
Thermische Sensoren werden gebraucht
NHTSA beschließt wichtige Sicherheitsvorschrift
ZF Foxconn Chassis Modules
Joint Venture von ZF und Foxconn für Pkw-Fahrwerksysteme startet
Automotive: SiC-Halbleiter
Technologie und Lieferkette sind entscheidend
Für den Fahrzeuginnenraum
UWB-Sensorik für mehr Sicherheit im Auto
Mehr Sicherheit und Komfort
Radar im Software-Defined Vehicle
Nutzfahrzeuge in rauen Umgebungen
Flexible Elektronikkomponenten erhöhen Zuverlässigkeit
Moderne ADAS-Architekturen
Automotive-Kommunikationsprotokolle im Überblick
