Ausnutzung der Bandbreite dank RSDB Für die nächste Generation der Vernetzung im Fahrzeug

Die Fahrzeugvernetzung hat sich vom einfachen Telefonieren im Freisprechbetrieb hin zu modernen Infotainment-Systemen entwickelt. Damit steigen die Anforderungen an den Datendurchsatz, um mehrere Displays, Internetzugang, Spiegeln von Bildschirminhalten und Bluetooth-Konnektivität zu unterstützen.

Wer kann sich noch an Zeiten erinnern, als es kein GPS gab und man noch mit Landkarten navigieren musste? Damals war die einzige Quelle für Unterhaltung im Fahrzeug ein Radio für UKW und Mittelwelle oder Musik von physikalischen Medien wie Cassette oder CD. Zu dieser Zeit unterschieden sich Autos vor allem in ihren Fahreigenschaften. Danach kam die Zeit, als Bluetooth für Freisprechen beim Telefonieren und einfaches Musik-Streaming Einzug hielt und die Käufer achteten bei ihrer Kaufentscheidung mehr auf diese Funktionen des Fahrzeugs.

Heute bieten viele Fahrzeuge mindestens diese eine Art der Vernetzung. Die zunehmende Anzahl von Mobiltelefonen, Tablets und anderen intelligenten Geräten hat jedoch dazu geführt, dass das Bewusstsein des durchschnittlichen Verbrauchers für die Technologie zugenommen hat. Mit ihren Erwartungen sprengen sie die bisherigen Grenzen der Konnektivität im Fahrzeug.

Infotainment-Systeme sind unterdessen zu einem wichtigen Faktor für die Differenzierung verschiedener Fahrzeugmodelle geworden. Diese Systeme sind komplex und äußerst leistungs­fähig. Sie schließen zudem Fahrerassistenzsysteme als auch Unterhaltung für den Fahrer und die übrigen Fahrzeug­insassen ein. Fahrzeuge werden mit hochauflösenden Video-Displays für die Personen auf den Rücksitzen ausgestattet. Über Apps wie Apple CarPlay und Android Auto lassen sich Telefone nahtlos in das Infotainment-System des Fahrzeugs einbinden.

Alle diese Geräte sind im Fahrzeug drahtlos angebunden. Allerdings bringt die Einbindung in den meisten Fällen Einschränkungen mit sich. Daher muss das verfügbare HF-Spektrum effizient genutzt werden, um mit den verschiedenen drahtlosen Technologien das Maximum herauszuholen.

Features von Infotainment-Systemen sind Verkaufsargumente

An dieser Stelle werden einige Anwendungsfälle und Features von Infotainment-Systemen vorgestellt, die in heutigen Fahrzeugen bereits verfügbar sind oder mit der nächsten Generation eingeführt werden. Darüber hinaus werden deren Vorteile betrachtet:

  • Freisprechbetrieb: Mit diesem Feature kann der Anwender über die Bedienelemente am Lenkrad Anrufezu tätigen oder entgegennehmen, ohne das Telefon selbst in die Hand nehmen zu müssen. Es erleichtert nicht nur das Telefonieren, sondern es macht auch das Fahren sicherer, da der Fahrer das Telefon selbst nicht bedienen muss.
  • Anzeige von Textnachrichten: Mit diesem Feature können Textnachrichten auf dem Bildschirm des Infotainment-Systems angezeigt werden. Auch hier erfolgt die Bedienung am Lenkrad, ohne das Telefon in die Hand zu nehmen. Wie beim Telefonieren im Freisprechbetrieb erhöht auch diese Funktion die Sicherheit beim Fahren, weil der Fahrer nicht nach dem Telefon greifen muss, um die Nachricht zu lesen. Diese Fähigkeit wird häufig mit einer Vorlesefunktion kombiniert, um den Fahrer noch weniger abzulenken.
  • Audiosynchronisierung zur Musikwiedergabe: Mit diesem Feature kann der Anwender die Musikbibliothek auf dem Telefon mit dem Infotainment-System synchronisieren. So kann die im Telefon gespeicherte Musik über die Lautsprecher des Fahrzeugs wiedergegeben werden, während die Bedienung über die Tasten am Lenkrad oder am Armaturenbrett erfolgt. Dank der drahtlosen Audiosynchronisierung wird kein Kabel zum Anschluss an das Infotainment-System benötigt und die Musikwiedergabe kann von jeder beliebigen Person im Fahrzeug gesteuert werden.
  • Unterstützung neuer Apps wie Apple CarPlay und Android Auto: Bei einem Fahrzeug, das diese Apps unterstützt, kann der Bildschirminhalt des Telefons auf dem Fahrzeug-Display wiedergegeben werden. So wird ein einfacher Zugriff auf die verschiedenen Features des Telefons und häufig verwendete Apps wie Landkarten oder Musik möglich. Beispielsweise kann damit eine Navigations-App auf dem Display im Armaturenbrett angezeigt oder ein YouTube-Video darauf wiedergegeben werden. Diese Funktion erlaubt nicht nur den Zugriff auf das Telefon, sondern ist auch eine Alternative zur häufig komplexen Bedienerschnittstelle des Infotainment-Systems. Stattdessen sieht der Anwender die vertraute Bedienoberfläche seines Smartphones.
  • Video-Streaming für die Rücksitze: Mit diesem Feature kann Video über hochauflösende Displays für die Mitfahrer auf den Rücksitzen wiedergegeben werden. Das Streaming erfolgt über das LTE-Modem des Fahrzeugs, ein lokales Speichermedium oder den Wi-Fi-Hotspot des Smartphones. Diese Funktion kann von den Fahrzeuginsassen genutzt werden, die sich nicht auf den Verkehr konzentrieren müssen, oder von Kindern.
  • Internetzugang über das integrierte LTE-Modem des Fahrzeugs: Dieses Feature verbindet Telefone, Tablets oder Notebooks über das eingebaute LTE-Modem des Fahrzeugs mit dem Internet.

Drahtlose Technologie für Infotainment-Features

Bild 1 zeigt die Blockschaltung einer Lösung für die Vernetzung im Fahrzeug. Die tatsächliche Implementierung hängt von der jeweiligen Systemarchitektur ab. Außerdem berücksichtigt dieses Schaltbild keine Anwendungsfälle, die die Karosserieelektronik einbinden, auch wenn die drahtlose Vernetzung für diese Anwendungsfälle an Beliebtheit gewinnt.

  • Bluetooth: Bluetooth gibt es im Fahrzeug seit mehr als zehn Jahren. Features wie Telefonieren im Freisprechbetrieb, Anzeige von Textnachrichten und Audiosynchronisierung laufen über Bluetooth.
  • Wi-Fi: Features wie Video-Streaming für die Fahrgäste auf den Rücksitzen oder Internetzugang über das eingebaute LTE-Modem des Fahrzeugs laufen über Wi-Fi. Apps wie Apple CarPlay und Android Auto waren anfangs noch per Kabel mit dem Infotainment-System verbunden, nutzen aber unterdessen zunehmend Wi-Fi für eine drahtlose Konnektivität.

Gleichzeitige Verfügbarkeit nötig

Fast alle diese Features müssen gleichzeitig verfügbar sein. So müssen die Landkarten auch dann noch angezeigt werden, wenn der Fahrer ein Telefongespräch führt, und auch das Video für die Mitfahrer auf den Rücksitzen darf nicht unterbrochen werden. Das für die drahtlose Kommunikation verfügbare Spektrum ist jedoch begrenzt. Es ist wichtig, die dadurch entstehenden Einschränkungen zu verstehen. Bluetooth nutzt ebenso wie die meisten Wi-Fi-Geräte zur Kommunikation das 2,4-GHz-ISM-Band. Bis zur Einführung der IEEE 802.11n nutzte auch Wi-Fi nur das 2,4-GHz-Band für seine Kommunikation. Der gleichzeitige unkoordinierte Betrieb von Bluetooth und Wi-Fi im 2,4-GHz-Bereich kann allerdings zu gegenseitigen Störungen mit abgehackter Audiowiedergabe und geringem Wi-Fi-Durchsatz führen.

Bild 2 verdeutlicht das Problem und zeigt wie Bluetooth und IEEE 802.11b
das Spektrum nutzen. Bluetooth hat 79 Kanäle zu je 1 MHz im Bereich zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz. Wi-Fi belegt im selben Frequenzbereich Kanäle mit 20/22 MHz. Bild 2 zeigt, was passiert, wenn sowohl Bluetooth (rot) als auch Wi-Fi (blau) versuchen, auf Kanälen mit den gleichen Frequenzen zu kommu­nizieren.

Die größte Herausforderung in problematischen Umgebungen wie dem Inneren eines Fahrzeugs besteht darin, dass Bluetooth und Wi-Fi in unmittelbarer Nähe gleichzeitig mit hohem Durchsatz funktionieren müssen. Maßnahmen zur aktiven Koexistenz mit einem Packet Traffic Arbiter vermitteln beim Zugriff von Bluetooth und Wi-Fi auf das Spek­trum, um für beide Übertragungsarten eine bessere Leistung zu erreichen. Es ist wichtig, die Qualität der Koexistenz zu verstehen, bevor man sich für eine Lösung zum Einsatz in einem Automobil entscheidet, da eine Koexistenz auf der Grundlage eines einfachen Zeitmultiplex ineffizient und für die synchrone Bluetooth-Verbindung nicht geeignet ist.

Aktive Koexistenz kann Bluetooth und Wi-Fi beim gleichzeitigen Betrieb im 2,4-GHz-Band helfen. Dazu ist jedoch eine Kollokation von Bluetooth und Wi-Fi erforderlich. Der Durchsatz ist begrenzt, weil das Spektrum für keine der beiden Technologien ständig verfügbar ist. Beide teilen es sich weiterhin auf einer Paketbasis statt in festen Zeiteinheiten, wie es ohne Kollokation der Fall wäre. Bei der Vernetzung im Fahrzeug wird Wi-Fi am stärksten beeinträchtigt. So wirkt sich beispielsweise der erforder­liche Echtzeitbetrieb beim Freisprechen und Musik-Streaming erheblich auf den Wi-Fi-Durchsatz aus, da der Packet Traffic Arbiter versucht, den HFP- oder A2DP-Paketen eine höhere Priorität zu geben. Paketverluste während eines Gesprächs sind nicht akzeptabel, weil es sich dabei um Live-Daten handelt. Puffern oder wiederholtes Senden der Daten kommen nicht in Frage – denn alles muss in Echtzeit ablaufen. Bei Musik sind die Verhältnisse nahezu gleich. Paketverluste beeinträchtigen die Audioqualität und dadurch leidet die Benutzererfahrung. Darüber hinaus hat 2,4 GHz seine eigenen Beschränkungen, schon allein durch die Anzahl der Geräte, die diesen Bereich nutzen.

Die Antwort auf das Problem des Wi-Fi-Durchsatzes ist eine Verlagerung in das 5-GHz-Band. Mit 802.11n ist das 5-GHz-Band für die Wi-Fi-Kommunikation verfügbar geworden. So lassen sich Wi-Fi und Bluetooth gleichzeitig betreiben, ohne sich gegenseitig zu stören. Und das im Vergleich zu einer Reduzierung des Durchsatzes um fast 50 Prozent, wenn Maßnahmen zur Koexistenz auf 2,4 GHz eingesetzt werden.

Beim Betrieb im 5-GHz-Band nach IEEE 802.11n und 802.11ac haben Telefonieren im Freisprechbetrieb oder Musik-Streaming über Bluetooth keine Auswirkungen mehr auf den Wi-Fi-Durchsatz. Außerdem ist die Belegung im 5-GHz-Band im Vergleich zu 2,4 GHz geringer, weil verschiedene andere Technologien ebenso wie die meisten aktuellen Wi-Fi-Geräte auf 2,4 GHz arbeiten. Damit sind die Paketverluste im 5-GHz-Band geringer als bei 802.11n. Auch wenn sowohl 802.11ac als auch 802.11n das 5-GHz-Band unterstützen, ist 802.11ac wegen des geforderten hohen Durchsatzes die einzige Wahl für die Konnektivität im Fahrzeug. 802.11ac arbeitet mit 256-QAM-Modulation, während 802.11n nur 64-QAM verwendet. 802.11ac bietet Kanäle mit 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz und 160 MHz Breite, während 802.11n nur 20 und 40 MHz zulässt. Damit eignet sich 802.11ac für die Vernetzung im Fahrzeug besser als 802.11n.

Wi-Fi-Geräte, die für ihre Kommunikation 2,4 GHz und 5 GHz unterstützen, sind als Dual-Band-Wi-Fi-Geräte bekannt. Der Begriff Dualband wird häufig so missverstanden, dass ein Gerät gleichzeitig auf 2,4 GHz und 5 GHz senden könnte. Tatsächlich können die meisten Geräte nicht gleichzeitig in beiden Bändern arbeiten. Vielmehr wird die Übertragung auf 2,4 GHz und 5 GHz per Multiplexverfahren abgewickelt. Auf diese Weise kann das Gerät zwischen 2,4 GHz und 5 GHz umschalten, um die Geräte zu unterstützen, die nur auf 2,4 GHz oder 5 GHz arbeiten. Die Auswirkungen auf den Durchsatz sind jedoch erheblich. Wegen des Zeitmultiplexverfahrens und der für die Umschaltung zwischen den Betriebsarten erforder­lichen Zeit liegt der effektive Durchsatz bei weniger als 50 Prozent dessen, was möglich wäre, wenn sich beide Bänder ständig nutzen ließen. Diese Art der Implementierung wird auch als virtuelles, simultanes Dualband bezeichnet.
Für Anwendungsfälle im Fahrzeug, bei denen mehrere Geräte für Video-Streaming, Telefonieren im Freisprechbetrieb und Zugriff auf Daten eingebunden werden müssen, ist RSDB Wi-Fi (Real Simultaneous Dual Band) erforderlich.