Chancen und Herausforderungen in der Fahrzeug- Umwelt-Kommunikation Funk für die Sicherheit auf vier Rädern

Funktechnologien für die Fahrzeugkommunikation

Die Auswahl einer geeigneten gemeinsamen Funktechnologie stellt schon ein großes Problem da. Die weltweit verfügbaren ISM-Bänder sind derart überlaufen, dass sich hier kaum sinnvoll relevante sicherheitsgerichtete Systeme aufbauen lassen. Im Gegenzug ist schon aus wirtschaftlicher Sicht eine starke Anlehnung an die Consumer- Elektronik nicht nur wünschenswert, sondern vielmehr zwingend. Im Nachfolgenden werden hierzu einige Technologien kommentiert. Bild 3 zeigt verschiedene Kommunkationsstandards im Vergleich.

Bluetooth
Bluetooth baut Master-Slave-Netze mit bis zu sieben aktiven Teilnehmern auf. Die Reichweite beträgt bei Class1- Modulen mit gut abgestimmter Antenne im LOS-Fall durchaus einige hundert Meter. Aus der Sicht der Kommunikationsstruktur eignet sich ein Master- Slave-Netzwerk mit verhältnismäßig großen Verbindungszeiten nicht für eine spontane Kommunikation mit sehr vielen Teilnehmern. Auch wenn 1999 etliche Anwendungen im Bereich Car-to-Car (C2C) mit Bluetooth propagiert wurden, ist die Technologie für die Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation eher ungeeignet.

Ultra Wide Band (UWB)
UWB ist eigentlich keine Technologie, sondern ein Kommunikationsprinzip, bei dem ein Signal, in der Regel als Puls, sehr breitbandig übertragen wird. In den USA ist durch die FCC ein 7,5 GHz breiter Bereich von 3,1 bis 10,6 GHz freigegeben. Insgesamt konnte man sich weltweit noch nicht auf einem einheitlichen Standard einigen, die Normungsbemühungen sind jedoch im Gange. Auch konnte UWB als PHY-Erweiterung der IEEE 802.15.3 (High Data Rate PAN) nicht erfolgreich als Standard übernommen werden. Die aktuell erfolgreichste UWB-Implementierung, Multiband- OFDM der WiMedia Alliance, ist als ECMA-Standard 0369 umgesetzt und wird voraussichtlich der kabellose Träger für alle relevanten Funktechnologien der Consumer-Elektronik von High-Speed-Bluetooth über Wireless- Firewire bis hin zu Wireless-USB. Aufgrund der kurzen Reichweiten ist UWB entsprechend des ECMA-Standards ebenfalls für die Car-2-Car- Kommunikation ungeeignet.

Mobilfunknetze UMTS/GSM
GSM (Global System for Mobile Communications) ist der europäische Funkstandard für zellulare Netze. Die Technik ist sehr ausgereift, bedarf aber einer gut ausgebauten Infrastruktur. Die Bahn zeigt mit GSM-R, dass auch Zugbeeinflussung (wie beim ICE), also auch sicherheitsgerichtete Anwendun gen, über Mobilfunknetze möglich sind. Auch können Geschwindigkeitsbereiche bis zu 500 km/h erschlossen werden. Maut- und Flottenmanagementsysteme haben ebenfalls gezeigt, dass GSM eine geeignete Funktechnologie für Telemetrie und Kommunikationsanwendungen ist. Im Gegenzug stehen einer flächendeckenden Nutzung für die Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation die relativ hohen „Airtime“-Kosten im Weg. Bisherige mobile Services wie Passo oder ähnliche konnten keinen Erfolg verbuchen, weil das Geschäftsmodell nicht mit den Wünschen der Anwender korrespondiert.

Eine ähnliche Aussage lässt sich auch für UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) treffen. UMTS ist prinzipiell technologisch geeignet, bedarf aber ebenfalls einer Infrastruktur, die nur im urbanen Bereich verfügbar ist. Prinzipbedingt ist mit einer vollständigen Flächendeckung nicht zu rechnen. Auch hier gibt es noch die Problematik der „Airtime“- Kosten, wobei aktuell jedoch eine massive Bewegung zu Gunsten der Anwender zu verzeichnen ist.

WiMAX IEEE 802.16
WiMAX, oder richtiger als IEEE 802.16 bezeichnet, wird als kabellose Alternative zu DSL gehandelt. Der Kommunikationsstandard gehört zu den Standards der IEEE-802-Familie wie auch Ethernet IEEE 802.3 und Wireless LAN 802.11. Der IEEE-Standard (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiert einige Kommunikations-Substandards für die lizenzpflichtige und lizenzfreie Datenübertragung im Bereich von 2 bis 66 GHz. WiMAX hat im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Infrastrukturnetzen den Vorteil, dass bei einer verhältnismäßig hohen Bandbreite eine sehr einfache „All-IP“-Struktur zugrunde liegt. Damit ist die Kommunikation einfacher und effizienter zu realisieren als bei konventionellen Mobilfunknetzen. Doch noch sind nicht alle Fragen hinreichend beantwortet. Während der 802.16- 2004 (Rev. D) den Bereich LOS-Richtfunkkommunikation mit hoher Bandbreite ermöglicht, ist eine NLOSVerbindung nur in den unteren Frequenzbändern vorgesehen, die bestenfalls eine Fußgängermobilität zulassen. Die zum 802.16 d nicht kompatible mobile Variante 802.16e- 2005 ermöglicht auch die Einbeziehung mobiler Stationen mit Übergabe (Handover) zwischen den Funkzellen mit bis zu 120 km/h. Diese Technik scheint gerade für den urbanen Bereich interessante Perspektiven zu bieten, für deutsche Autobahnen ist die Technik eher ungeeignet.

Um den hohen Anforderungen mobiler Endgeräte (Clients) gerecht zu werden, wurde die IEEE 802.20 MBWA (Mobile Broadband Wireless Access Working Group) ins Leben gerufen. Schwerpunkt dieser Arbeitsgruppe ist die Entwicklung eines „Low-Latency“, roamingfähigen und mobilen IP-Netzwerks im lizenzierten Frequenzbereich unterhalb von 3,5 GHz. Im Sommer 2006 wurde jedoch die Arbeitsgruppe vorübergehend aufgelöst, so dass der Standard aktuell nicht weiter verfolgt wird.

Es bleibt zu erwarten, dass IEEE 802.16e-2005 Einzug in die breitbandige Geschäftsinfrastruktur halten wird. Ein Indiz hierfür ist das massive Engagement von Intel und Motorola in diesen Bereich. Auch haben führende Hersteller von Endgeräten wie Samsung und Nokia erste Geräte angekündigt. Bei einer entsprechenden Gerätepenetration wird ebenfalls ein positiver Effekt in das Automobilumfeld erwartet.

WLAN IEEE 802.11
Am weitesten gediehen sind die Entwicklungen im Bereich WLAN. Aufgrund des technologisch günstigen CSMA/CA-Zugriffs der aktuellen Kommunikationsstandards im IEEE- 802.11-Umfeld sowie vieler bereits gelöster Probleme hinsichtlich Roaming und Handover ist WLAN für viele Forschungsbereiche die geeignete Wahl. Die logische Konsequenz war eine entsprechende Adaption auf die technischen Erfordernisse in der Fahrzeug- Fahrzeug-Kommunikation. Im Schwerpunkt liegen hier besonders eine optimierte Zugriffsstruktur und geschützte Frequenzbereiche, die eine weitestgehend interferenzfreie Anwendung zulassen. Die Wahl fiel auf den Frequenzbereich von 5,85 bis 5,925 GHz, der knapp oberhalb des freien ISM-UNII-3-Bandes liegt, welches für den 802.11-a-Standard Verwendung findet.

In den Vereinigten Staaten finden sich die vielfältigen Lösungen und Anwendungsszenarien unter dem Oberbegriff 5,9-GHz-DSRC (Dedicated Short Range Communication). Die Basiskonzepte berücksichtigen verschiedene, genau definierte 10 und 20 MHz breite Subkanäle für spezifische Anwendungen. Gegenüber den in den ISM-Bändern vorgesehenen Maximalleistungen von 20 dBm (Europa) bzw. 30 dBm (USA) sind Sendepegel bis zu 33 dBm bzw. 44,8 dBm zulässig. Hierdurch lassen sich die angestrebten Reichweiten von mehr als 1 km realisieren.

Während die Umsetzung der DSRC-Ideen im IEEE-Standard 802.11p noch keinen Abschluss gefunden hat, bemüht sich die europäische ETSI um eine Harmonisierung und Standardisierung der Frequenz- und Anwendungsbereiche. Treiber ist die europäische Automobilindustrie, die sich im Car-2-Car Communication Consortium zusammengeschlossen hat, um eine einheitliche Spezifikation zu erarbeiten. In Bild 4 sind einige typische Frequenzbereiche und Kanäle entsprechend der IEEE- und ETSIEmpfehlungen dargestellt.

Die aktuellen Entwicklungen zeigen, dass die Tests und Versuche mit den ISM-Band-Standards IEEE 802.11a und g verhältnismäßig erfolgreich verlaufen sind, so dass weitere Entwicklungen vielversprechend scheinen (Bild 5). Von einer erfolgreichen Einführung einer Kommunikationstechnologie, basierend auf den aktuellen Modellen, kann ausgegangen werden, jedoch wird die später tatsächlich eingesetzte physikalische Schicht wohl noch einige Änderungen erfahren.