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Automotive Ethernet – Antennen und 5G Kommunikationssysteme

| Autor/ Redakteur: Alex Bormuth* / Benjamin Kirchbeck

Welche Möglichkeiten bietet das Automotive Ethernet für das vernetzte Fahren? Der zweite Teil der Reihe „Automotive Ethernet im vernetzten Fahrzeug“ dreht sich um Antennen und 5G-Kommunikationssysteme, die benötigt werden, um externe Signale im Fahrzeug zu verteilen.

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( Bild: Clipdealer )

Die schnelle und zuverlässige Weitergabe von Signalen im vernetzten Auto ist eine der größten Herausforderungen. Das gilt sowohl für Signale, die durch Sensoren innerhalb des Autos entstehen, als auch für Signale von außen. Denn für das Autonome Fahren werden nicht nur Daten von den eigenen Sensoren benötigt – auch Daten anderer Verkehrsteilnehmer und der Infrastruktur sollen vor allem für die Erhöhung des Fahrkomforts eingesetzt werden. Sie kommen von den Antennen des Autos, die bereits heute ein wichtiger Bestandteil des vernetzten Fahrzeugs sind. Dafür müssen sie jedoch spezielle Anforderungen erfüllen, um auch externe Daten schnell und sicher an die Rechner im Fahrzeug zu liefern.

Komforterhöhung dank 5G-Kommunikationssystemen

Bereits heute haben Antennen eine wichtige Bedeutung im Fahrzeug. Von ihnen werden empfangene Signale über das Ethernet und eine Konnektivitätsplattform an die Rechner des Autos geliefert. Solche Signale stammen beispielsweise von anderen Fahrzeugen oder auch der Infrastruktur. Diese sogenannte vorverarbeitete Sensorik ist damit so etwas wie das Sprachrohr des vernetzten Fahrzeugs, denn dadurch kann es mit seiner Umwelt kommunizieren und Signale empfangen aber auch aussenden.

Die empfangenen Signale dienen im Gegensatz zu den Signalen der eigenen Sensorik nicht der Sicherheit, sondern der Komforterhöhung. Ein Beispiel: Eine frühzeitige und somit sanftere Bremsung wird eingeleitet, weil ein vorausfahrendes Fahrzeug per Funk einen Bremsvorgang meldet. Ein weiteres mögliches Einsatzszenario ist ein Rettungswagen, der vorausfahrenden Autos per Funk sein Kommen meldet, damit diese frühzeitig eine Rettungsgasse bilden können.

Heute werden diese Sensordaten noch stark vorverarbeitet übertragen, da nicht viel Bandbreite zur Verfügung steht. Die nutzbare Bandbreite pro Fahrzeug beträgt aktuell nur einige hundert Kilobit, was aktuell noch ausreicht, für das Autonome Fahren jedoch zu wenig ist. Denn dann wird eine größere Bandbreite unausweichlich, da Fahrzeuge in der Lage sei sollten Sensordaten teilweise auch nicht vorverarbeitet zu empfangen.

Die Idealvorstellung ist, dass Fahrzeuge Sensordaten in dem Maße empfangen können, wie auch eigene Daten vorhanden sind, also als Rohdaten. OEMs werden hier voraussichtlich, zusätzliche Funktionen implementieren, wobei es ihnen hilft, wenn sie auf Sensorrohdaten zugreifen können und zwar sowohl die eigenen, als auch die der Umgebung. Signifikant höhere Datenströme – bis hinein in den Gigabit Bereich – sind dafür jedoch ein Muss.

Auch weitere Szenarien, bei denen große Mengen an Daten übertragen werden müssen, sind für das autonome Fahrzeug wichtig. Etwa das Herunterladen von aktuellem, hochauflösenden Kartenmaterial, das auch tagesaktuelle Baustellen und Behinderungen beinhaltet, auf die das Fahrzeug reagieren muss.

Knackpunkt Frequenzbereich

Um die Bandbreite ausweiten zu können, müssen Antennen einen größeren Frequenzbereich abdecken. Dazu erarbeiten verschiedenen Gruppen und Standardisierungsgremien derzeit einen neuen Standard und definieren Anwendungsfälle. 5G V2X soll in Zukunft einige 100 MBit, im Idealfall sogar einige Gigabit pro Sekunde an Bandbreite ermöglichen. Experten gehen davon aus, dass erste Produkte Anfang der nächsten Dekade im Markt erscheinen und ab circa 2025 ein automatisiertes Fahren unterstützen.

Derzeit noch in der Diskussion ist der Frequenzbereich, der genutzt werden soll. Unterhalb von 60 GHz gibt es weltweit kein freies und kostenloses Spektrum, das diese Datenmenge übertragen kann. Im Bereich um 60 GHz ist ein solches zwar vorhanden und weltweit verfügbar, doch es ergibt sich ein anderes Problem: Die Resonanzfrequenz des Sauerstoffmoleküls liegt hier, was zu einem physikalischen Problem führt. Denn wenn dieses in Schwingung versetzt wird, entzieht es den Funkwellen Energie, was dazu führt, dass die Reichweite auf wenige Meter sinkt. Anwendungen wie die Kommunikation verschiedener Fahrzeuge und der Infrastruktur sind dann nicht möglich.

Die Antennentechnik bietet jedoch eine Lösung für diese Problemstellung: Anstatt einer rundumstrahlenden Antenne, die Funkwellen ringförmig ausbreitet, werden mehrere gerichtete Antennen verwendet. Diese können ihre Wellen kontinuierlich in eine Richtung lenken und so die Reichweite erhöhen. Das ist notwendig, um die Signale anderer Verkehrsteilnehmer zu empfangen und eigene zu senden. Zudem müssen sie untereinander und mit den Rechnern des Fahrzeugs vernetzt sein, wofür wiederum das Automotive Ethernet benötigt wird, das die Daten schnell überträgt.

Wichtig für die Signalübertragung sowohl interner als auch externer Signale im Auto ist neben dem Automotive Ethernet auch die Fahrzeugarchitektur. Denn der derzeitige Aufbau ist über Jahrzehnte gewachsen und wird zukünftig die Anforderungen autonom agierender Fahrzeuge nicht mehr adäquat erfüllen können.

Also was tun? Der Aufbau einer so genannten multizonalen Architektur ist eine Überlegung dies anzugehen. Darum wird sich der dritte Teil der Artikelserie drehen.

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Über den Autor

Alex Bormuth ist Automotive Director mit umfangreicher Branchenerfahrung. In den vergangenen 10 Jahren hat er seine Fähigkeiten durch bereichsübergreifende Funktionen mit zunehmender Führungsverantwortung in den Bereichen Informationstechnologie, Qualitätsmanagement, Projektmanagement, Marketing, Vertrieb, Produkt- und Fertigungstechnik sowie Business Development kontinuierlich weiterentwickelt und erweitert.

Aktuell ist Alex Bormuth als Business Development Director für Connected Mobility Solutions bei Molex tätig, leitet die europäischen Bemühungen und ermöglicht OEMs und Tier 1s die Implementierung von Hochgeschwindigkeits-Netzwerkarchitekturen für ADAS- und AD-Fahrzeuganwendungen. Die Förderung eines ganzheitlichen und kundenorientierten Geschäftsansatzes gepaart mit einer kontinuierlichen Bewertung und Ausrichtung auf die sich ändernden Marktbedingungen und transformativen Megatrends.

* Alex Bormuth ist als Director Business Development (Europe) für Molex tätig

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