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Die Rolle der Multi-Standard-Funkchips im Connected Car

| Autor / Redakteur: Jeff James und Avinash Ghirnikar * / Michael Eckstein

Flexibel: Wi-Fi-Funktechnik hält zunehmend Einzug in Automobile, auch für die fahrzeuginterne Kommunikation, ADAS und Entertainment-Systeme.
Flexibel: Wi-Fi-Funktechnik hält zunehmend Einzug in Automobile, auch für die fahrzeuginterne Kommunikation, ADAS und Entertainment-Systeme. (Bild: Clipdealer)

Funktechnik spielt bei der Vernetzung von Fahrzeugen eine entscheidende Rolle. Chips, die mehrere Funkstandards beherrschen, erleichtern das Entwickeln multifunktionaler Lösungen. Ein Überblick

Mit der zunehmenden Funktionsdichte in heutigen modernen Fahrzeugen ergeben sich bedeutende Fortschritte in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch, Komfort und die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer. Herkömmliche mechanische Systeme werden durch vollelektronische Alternativen ersetzt. Dies verringert die Fertigungskosten und das Gesamtgewicht von Fahrzeugen und trägt auch dazu bei, den Kraftstoffverbrauch zu senken. Durch die weit verbreitete Einführung von ADAS (Advanced Driver Assistance System) wird es möglich sein, menschliche Fehler beim Fahren zu eliminieren, wodurch weniger Unfälle entstehen. Eine breitere Vernetzung unserer Autos ist entscheidend für die fortschreitende Entwicklung im Automotive-Bereich – hin zu einem Punkt, an dem autonomes Fahren alltäglich wird.

Modernste Funktechnik, unterstützt durch eine Ethernet-basierte Festnetz-Infrastruktur mit hoher Bandbreite, ermöglicht eine Fahrzeug-zu-Fahrzeug-(V2V-) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-(V2I-)Kommunikation. Mit der Einführung intelligenter Verkehrssysteme (ITS; Intelligent Transportation System) werden Fahrzeuge in der Lage sein, Daten bezüglich ihrer aktuellen Geschwindigkeit, Position, Fahrtrichtung usw. zu übermitteln. Mit V2I/V2V lassen sich wertvolle Informationen zwischen Fahrzeugen sowie mit am Straßenrand fest installierter Infrastruktur austauschen, um vor Staus oder anderen Problemen zu warnen, die einen reibungslosen Verkehrsfluss beeinträchtigen könnten.

Triple-Funk: Blockdiagramm der 88W8987xA-Serie von Marvell. Die SoCs vereinen Bluetooth 5, 802.11ac (Wave 2) und 802.11p auf einem Substrat.
Triple-Funk: Blockdiagramm der 88W8987xA-Serie von Marvell. Die SoCs vereinen Bluetooth 5, 802.11ac (Wave 2) und 802.11p auf einem Substrat. (Bild: Marvell)

Fahrzeuge können Informationen von anderen Autos in unmittelbarer Nähe erhalten, so dass sie auf mögliche Gefahren hingewiesen werden, die vor ihnen liegen. Die erste Instanz eines solchen Systems sind Basic Service Messages (BSM), die als Teil des DSRC-Standards (Dedicated Short Range Communication) in Nordamerika definiert wurden. Damit ist es auch möglich, mit Ampeln zu interagieren, damit das ADAS entscheiden kann, ob es sich lohnt, rechtzeitig zu bremsen, um beim Umschalten auf Grün weiterfahren zu können. Dies spart Kraftstoff ein, da kein Bremsen in letzter Sekunde und anschließendes Beschleunigen mehr nötig ist.

802.11ac ermöglicht Datenraten von mehreren 100 MBit/s

Unter den aktuell im Fahrzeugbau eingesetzten Funkkommunikationsprotokollen ist auch Wi-Fi in unterschiedlichen Varianten. Meist kommt 802.11ac zum Einsatz. Es funkt im 5-GHz-Frequenzband und ermöglicht im Idealfall Datenraten von mehreren 100 MBit/s. Diese Bandbreite steht für die Kommunikation von Smartphones und anderen tragbare Elektronikgeräten mit den Navigations- und Infotainment-Systemen des Fahrzeugs zu Verfügung. Auch lässt sich damit ein WLAN-Hotspot einrichten, der es den Fahrgästen im Auto ermöglicht, eine Mobilfunkverbindung zu teilen. Auch Firmware-Over-the-Air-(FOTA-)Updates sind damit möglich. Hersteller können damit ein Fahrzeug mit neuen oder verbesserten Funktionen aktualisieren, ohne es in die Werkstatt beordern zu müssen.

Erfordert eine Anwendung nur eine geringe Reichweite, bietet sich auch der Standard 802.11p an. 802.11p arbeitet im Frequenzband von 5,85 bis 5,925 GHz. Es eignet sich sehr gut für den Einsatz in der Automobilindustrie , da es auf eine zuverlässige Datenanbindung mit niedriger Latenz für die V2V- und V2I-Kommunikation ausgelegt ist. Das Protokoll nutzt insgesamt sieben Kommunikationskanäle mit jeweils 10 MHz Bandbreite). Sechs davon sind Servicekanäle, der verbleibende Kanal wird für Steuerungsaufgaben genutzt. 802.11p wird seit fast einem Jahrzehnt getestet und ist nun bereit für den Einsatz im Rahmen der V2V-/V2I-Kommunikation. Die Entscheidung der US National Highway Traffic Safety Administration vom Dezember 2016 hebt diese Technik speziell hervor.

Neben Wi-Fi spielt auch Bluetooth 5 eine wichtige Rolle bei der Einführung vernetzter Fahrzeuge. Die Funktechnik bietet eine 4-mal größere Reichweite als das vorherige Bluetooth 4.0 und unterstützt auch deutlich höhere Datenraten. Fahrer und Mitfahrer können nicht nur ihre tragbaren Geräte anschließen, um auf Musikinhalte zuzugreifen. Auch eine Hands-free-Steuerung ist möglich, und es gibt eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten. Durch die verbesserten Leistungsmerkmale von Bluetooth 5 können damit ausgestattete Fahrzeuge mit V2I-Beacons am Straßenrand interagieren. Damit lassen sich Staus vermeiden, Mautgebühren zahlen und Notdienste unterstützen, um bei Unfällen schneller reagieren zu können.

Erste ICs vereinen Bluetooth 5, 802.11ac (Wave 2) und 802.11p

Führende Automobilhersteller, ihre Tier-1-Zulieferer und die Halbleiterhersteller, mit denen sie zusammenarbeiten, haben erkannt, dass der Erfolg vernetzter Fahrzeuge unter anderem stark von der Entwicklung hochintegrierter Funklösungen abhängt. Diese müssen in der Lage sein, trotz geringer Baugröße mehrere Protokolle zu verarbeiten, die entsprechend robust für Automotive-Umgebung ausgelegt sind. Ein solches Funk-Combo-SoCs ist die AEC-Q100-zertifizierte 88W8987xA-Serie von Marvell. Dabei handelt es sich um die ersten ICs, die Bluetooth 5, 802.11ac (Wave 2) und 802.11p vereinen und Entwicklern alles bieten, was sie für die neue Generation vernetzter Fahrzeuge benötigen.

Die Serie umfasst drei größenkompatible SoCs, die 802.11ac mit Bluetooth 5; 802.11p mit Bluetooth 5 sowie wählbares 802.11ac/802.11p mit Bluetooth 5 bieten. Je nach Fahrzeugmodell lassen sich verschiedene Versionen einbauen, sodass Basis- und Mittelklasse-Modelle mit den Grundfunktionen und Modelle der Oberklasse mit umfassender Funktionalität ausgestattet werden können. Die SoCs sind Pin-kompatibel. Sie lassen sich austauschen, ohne dass irgendwelche Modifikationen an der Leiterplatte erforderlich sind. Die Ausstattungsmerkmale des jeweiligen Fahrzeugmodells lassen sich damit einfach anpassen. Dies führt zu einem vielseitigen und kosteneffektiven Plattformansatz, der künftigen Anforderungen gewachsen ist.

Die 802.11p/Bluetooth-Version und die wählbare Version der 88W8987xA-Serie eignen sich für Telematik-Steuereinheiten (TCU) und ADAS-basierte Anwendungen, bei denen der Fokus auf Datenanbindung hauptsächlich außerhalb des Fahrzeugs liegt. Die 802.11ac/Bluetooth-Version wird vor allem für Infotainment im Fahrzeug (IVI) verwendet. Fahrzeughersteller haben aber genügend Flexibilität, diese Funktionen passend zu ihrer Architektur und Applikation anzupassen. In der TCU könnte zum Beispiel die Bluetooth-Funktion Remote Keyless Entry (RKE) oder Passive Entry Passive Start (PEPS) ermöglichen. Die in Bluetooth 5 integrierten Sicherheits-/Datenschutzfunktionen sind dabei ein wichtiger Aspekt.

Auf dem Weg zur umfassenden Vernetzung von Fahrzeugen

Durch die Integration eines Wi-Fi-/Bluetooth-Combo-ICs in die Head Unit eines Fahrzeugs stehen wertvolle IVI-Funktionen über die Interaktion mit dem Smartphone des Fahrers zur Verfügung. Ohne dass der Fahrer selbst nach seinem Smartphone greifen muss, können entsprechende Anmeldeinformationen über BLE ausgetauscht werden, um eine Wi-Fi-basierte Verbindung mit hoher Bandbreite innerhalb des Fahrzeugs herzustellen. Anschließend werden alle relevanten Anwendungen während der Fahrt auf die Head Unit projiziert, damit der Fahrer nicht abgelenkt wird und den Straßenverlauf im Blick behält.

Über die Schnittstelle im Fahrzeug (einschließlich Sprachbefehle) wird auf die gewünschten Anwendungen/Dienste zugegriffen. Wechselt die Schnittstelle zu Wi-Fi, kann die Musiksammlung des Fahrers in HD-Audio zur abgespielt werden. Die Sprachqualität bei Telefonanrufen ist sehr gut. Dies wird durch die funkbasierte Apple-CarPlay- oder Android-Auto-Projection-App möglich. In diesem Modus kann ein Hotspot auch anderen Fahrzeuginsassen zur Verfügung gestellt werden, die dann gemeinsam eine LTE-Mobilfunkverbindung innerhalb des Fahrzeugs nutzen können.

Gleichzeitig ermöglicht dieser Hotspot ein Streaming per Funk, etwa zum Versorgen von Entertainment-Bildschirmen im Fahrzeugfond. Bei Bedarf lassen sich weitere tragbare Geräte per Bluetooth-Verbindung anbinden. Es wäre sogar möglich, funkbasierte Kameras im Fahrzeug zu installieren, um Videos zur Head Unit zu streamen, die dem Fahrer als kontextbezogene Assistenzfunktion angezeigt werden können.

Durch Funktechnik, wie sie in diesem Beitrag beschrieben wurde, kommen wir dem Ziel näher, Autos auf unseren Straßen vollständig zu vernetzen. Die größere Reichweite von Bluetooth 5, die höheren Datenraten von 802.11ac sowie der robusteren und reaktionsschnelleren Funktion von 802.11p können dazu beitragen, dass den Fahrzeugherstellern Funktechnik zur Verfügung steht, die das autonome Fahren eines Tages in die Tat umsetzt. Mithilfe kompakter Funkmodule und gängiger Softwaretreiber für verschiedene Betriebssysteme (wie Linux, Android und QNX) lassen sich nicht nur die Entwicklungszeiten erheblich verkürzen – den Fahrzeugherstellern und Tier-1-Zulieferern steht damit eine Funkanbindung zur Verfügung, die verschiedene Konfigurationen abdeckt.

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* Jeff James ist Senior Director of Business Development, Wireless Business Unit bei Marvell in Santa Clara, USA

* Avinash Ghirnikar ist Director of Systems & Software bei Marvell in Santa Clara, USA.

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