Die Funkverbindung als Schlüssel zum vernetzten Fahren

Bereits heute sind Funkverbindungen für vernetzte Fahrzeuge wichtig. Als Funkverbindungen gelten dabei sowohl die Verbindungen vom Auto mit anderen Verkehrsteilnehmern wie weiteren Fahrzeugen, Ampeln und Road Side Units. Aber auch die Verbindungen innerhalb des Autos zum Beispiel mit der Bereitstellung eines Wi-Fi-Zugangspunktes für mobile Endgeräte der Mitfahrer oder auch Bluetooth, um das Mobiltelefon als Fahrzeugschlüssel nutzen zu können, zählen hierzu.

Bild 1: Funkverbindung und Antennen sind für (teil-)autonome Fahrzeuge von essenzieller Bedeutung, insbesondere wenn eine Kommunikation mit der Infrastruktur erforderlich ist. Molex

Die Ausweitung der Funkverbindungen beeinflussen dabei maßgeblich zwei Akteure. Zum einen sind das die OEMs, die immer stärker auf die Kundenwünsche eingehen und neue Business- und Service-Modelle erarbeiten wollen. Beispiele hierfür sind etwa die Erhöhung des Komforts durch frühzeitiges, sanftes Bremsen, wenn ein vorausfahrendes Fahrzeug einen Bremsvorgang meldet oder der b-Call, eine Pannenhilfe, mit der sich Hilfe anfordern lässt. Der zweite Akteur, der Funkverbindungen fördert, ist der Gesetzgeber. Spätestens die Einführung des verpflichtenden e-Calls beziehungsweise der Verpflichtung Fahrzeuge mit einer Notfallunit auszurüsten zeigt, dass sichere Funkverbindungen nicht nur Anwenderwunsch, sondern immer stärker auch gesetzliche Rahmenbedingungen sind. Es ist zu erwarten, dass der Gesetzgeber perspektivisch mit der Einführung des autonomen Fahrzeugs wohl noch mehr Bedingungen vorgibt, um die Sicherheit der Fahrzeuge zu garantieren.

Aktuelle Anforderungen der OEMs an Funkverbindungen und die damit verbundenen Konnektivitätsplattformen drehen sich vor allem um offene und flexible Lösungen. OEMs entwickeln immer mehr Softwareteile selbst und benötigen dafür skalierbare, flexible Lösungen, die es ermöglichen, Updates über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes durchzuführen und jederzeit neue Features einzuführen und Providerwechsel durchzuführen. Zudem ist eine Balance zwischen den verschiedenen Technologien – Mobilfunk, Wi-Fi und Automotive Ethernet wichtig, damit einerseits das Interface nicht überdimensioniert ist, es sich andererseits aber auch nicht zum Flaschenhals entwickelt. Gleichzeitig müssen die Lösungen kostengünstig genug sein, dass sich ihr Einbau für die OEMs lohnt.

Sicherheit als essenzielles Merkmal

Neben Geschwindigkeit und Stabilität ist die Sicherheit einer der wichtigsten Aspekte, mit denen sich die Hersteller von Kommunikationslösungen derzeit beschäftigen. Hacker und Cyberkriminelle haben das vernetzte Fahrzeug längst als potenzielles Angriffsziel auserkoren. Denn je mehr Schnittstellen zur Außenwelt Fahrzeuge besitzen, desto größer ist auch das Angriffspotenzial (Bild 2). Hacker konnten in der Vergangenheit bereits aus der Ferne die Kontrolle über ein Auto erlangen und schalteten während der Fahrt den Motor aus. Andere Angreifer konnten die Kontrolle über Bremsen, Türverriegelung, Klimaanlage und Scheibenwischer eines vernetzten Autos gewinnen. Im Kampf gegen Cyberkriminelle ist Schnelligkeit gefragt. Hacker agieren sehr agil und entwickeln ständig neue Schadprogramme. Deswegen müssen auch OEMs und Zulieferer flexibel und zügig auf neue Bedrohungslagen reagieren. Der Weg, Schwachstellen per Rückruf in Werkstätten nachzubessern, bietet sich dabei nicht an. Zum einen verursachen Rückruf-Kampagnen hohe Kosten und schädigen den Ruf der Automobilhersteller; zum anderen dauert es zu lange, bis alle gefährdeten Fahrzeuge einen Patch erhalten. In der Zwischenzeit haben Hacker weiterhin freie Bahn.

Eine Möglichkeit, Updates schnell und sicher in die Fahrzeuge zu bringen, ist „Firmware over the Air“ (FOTA), also das Aktualisieren der Software über die Mobilfunkschnittstelle. Sobald die Übertragung an das Gerät beendet ist, werden die Updates automatisch entpackt und nach einer Sicherheitsüberprüfung installiert. So lässt sich eine Vielzahl von Autos in kurzer Zeit updaten. Das Verfahren hat das Potenzial, fortlaufend und schnell mit Patches Schwachstellen auszubessern, neue Funktionen zu integrieren und kryptografische Verfahren zu modernisieren. Die Methode ermöglicht das zügige Aktualisieren vieler Geräte. Dabei übernimmt ein Steuergerät, das mit einer Mobilfunkschnittstelle ausgestattet ist, die Rolle des Vermittlers zwischen dem Backend und den zu aktualisierenden Geräten innerhalb des Fahrzeugs. Es nimmt alle Softwarepakete über die Luftschnittstelle entgegen und verteilt diese über CAN-Bussysteme oder performantere Kommunikationskanäle wie Ethernet an die Zielgeräte. Zudem kontrolliert und koordiniert die elektronische Kontrolleinheit als Master den gesamten Update-Prozess.

Bild 2: Fahrzeuge kommunizieren nicht nur untereinander, sondern auch mit ihrer Infrastruktur. Sicherheit spielt hier eine entscheidende Rolle, denn je mehr Schnittstellen zur Außenwelt Fahrzeuge besitzen, desto größer ist auch das Angriffspotential. Molex

Damit sich Fota sicher durchführen lässt und kein weiteres Angriffspotenzial bietet, sind die technischen Anforderungen an den Fota-Prozess entsprechend hoch. Würde der Prozess nämlich dazu genutzt Schadsoftware aufzuspielen, wären die Folgen für Datensicherheit und funktionale Sicherheit unabsehbar. Eine Voraussetzung ist daher die kryptographische Absicherung der Luftschnittstelle, zum Beispiel durch eine Verschlüsselung mittels TLS-Protokoll. Die dafür notwendigen Schlüssel und Zertifikate sind geheim und manipulationssicher in die Geräte einzubringen und dort in einem geschützten Speicherbereich abzulegen. Ein dediziertes Hardware-Security-Modul (HSM) ist wichtig, um einen sicheren Speicher zu realisieren und kryptografische Verfahren sicher auszuführen. Das unrechtmäßige Installieren von manipulierter Software lässt sich durch einen sicheren Installationsprozess (Secure Flashing) und die sicherheitsgerichtete Prüfung beim Starten der Gerätesoftware (Trusted Boot) verhindern. Bei beiden Mechanismen kommen digitale Signaturen zur Validierung der Authentizität der Software zum Einsatz. Entwicklungsschnittstellen wie UART, USB oder JTAG sind entweder im Serienprodukt zu deaktivieren oder mittels kryptografischer Verfahren abzusichern, um ein Eindringen in das Gerät zu verhindern. Auf diesem Weg könnten Angreifer versuchen, die Software beziehungsweise vertrauliche Daten auszulesen oder zu manipulieren.

Stabile Verbindungen

Neben der Sicherheit spielen auch die Funkverbindungen zwischen verschiedenen Fahrzeugen und der Infrastruktur der Antennen zukünftig eine wichtige Rolle bei Entwicklungen. Denn die Verbindung muss einerseits stabil sein, damit die gegenseitige Kommunikation funktioniert und gleichzeitig in der Lage sein, große Menge an Daten auszutauschen. Im Rahmen der Einführung des neuen Mobilfunkstandards 5G (Bild 3) findet eine Ausweitung der Frequenzbänder, von derzeit unter 6 GHz auf bis zu 100 GHz statt. Das führt zu einer Herausforderung für die Antennentechnologie. Erhöhte Dämpfung hochfrequenter Signale führt zu einer geringeren Reichweite. Darauf folgen dann Probleme mit ungerichteten Antennen, die so keine beziehungsweise nur noch eingeschränkte Signale empfangen können. Zwar lässt sich die Strecke mit einer gezielten Ausrichtung der Antennen vergrößern, dazu sind die Devices jedoch mit einer Vielzahl an Antennen zu bestücken. So wäre es möglich, immer die Antennen zu nutzen, die sich in der Richtung des Senders befinden. Auch Road-Side-Units (für die Infrastruktur) bedürfen der Ausstattung mit gerichteten Antennen, um das Signal an ihre Gegenstelle in vorbeifahrenden Fahrzeugen zu übertragen.

Eine zweite Herausforderung betrifft die Integration der Mobilfunkelektronik in die Antennentechnik. So wollen die Entwickler durch Fusion eine smarte Antenne schaffen. Derzeit übermitteln Kabelverbindungen Signale von einer Antenne auf dem Dach eines Fahrzeugs an die Bordelektronik. Bei der Ausweitung des Übertragungsspektrums von 6 GHz auf bis zu 100 GHz führt eine Verbindung der abgesetzten Antenne zur Elektronik durch Kabel allerdings zu großen Dämpfungsverlusten des Nutzsignals. Deswegen ist es nötig, die Elektronik und damit die Signalverarbeitung möglichst nah an die Antenne zu bringen – entweder direkt unter das Dach oder in die Antenne selbst. Diese ist jedoch starken Witterungsbedingungen ausgesetzt, da sowohl unter dem Dach als auch in der Antenne selbst hohe Temperaturen und starke Schwankungen vorherrschen, was der Elektronik stark zusetzt.

Eine weitere Herausforderung betrifft Aerodynamik- und Designaspekte. Daher wollen immer mehr OEMs das Antennendesign verändern und die Antennen flach am Autodach anbringen beziehungsweise komplett verdeckt einbauen. Dies macht ebenfalls eine Veränderung der Struktur der Steuereinheiten notwendig. Eine Möglichkeit zur Umsetzung ist die Konsolidierung in weniger Steuergeräte, zum Beispiel durch die Integration aller Hochfrequenz-Technologien in einer Unit.

Ausweitung der Bandbreiten ist notwendig

Neben der Stabilität spielen die Geschwindigkeit und die Menge an übertragenen Daten eine große Rolle beim Thema Funkverbindungen. Übertragene Sensordaten sind heute noch stark vorverarbeitet, da nicht viel Bandbreite zur Verfügung steht. Die aktuell nutzbare Bandbreite pro Fahrzeug beträgt nur einige wenige Megabit pro Sekunde. Für den momentanen Bedarf reicht das aus, nicht jedoch für das autonome Fahren. Denn dafür ist eine große Bandbreite unausweichlich, schließlich müssen Fahrzeuge dann mehr Sensordaten, teilweise auch unvorverarbeitete, empfangen und senden können. Die Idealvorstellung ist, dass Fahrzeuge Sensordaten in dem Maße empfangen können, wie auch eigene Daten zugreifbar sind, also als Rohdaten.

Bild 3: 5G ist eine wichtige Voraussetzung für autonome Fahrzeuge, um auch in Echtzeit auf Gefahrensituationen reagieren zu können. Daten aus gemeinsam genutzten Sensoren (Sensor-Sharing) können hier besonders hilfreich sein. Molex

Auch für weitere Szenarien, bei denen große Mengen an Daten herunter- und hochzuladen sind, muss das autonome Fahrzeug gerüstet sein. Etwa den Download von aktuellem, hochauflösendem Kartenmaterial, das auch Echtzeitdaten beinhaltet (Bild 3), auf die das Fahrzeug reagieren muss oder den Upload von aktuellen Daten, die das Fahrzeug aufzeichnet.

Um diese Bandbreite anbieten zu können, müssen Antennen einen größeren Frequenzbereich abdecken. Dazu ist zunächts der bestehende Standard auszuweiten. In den Regionen USA, Europa und China gibt es im 5,9 Ghz-Band dafür jedoch unterschiedlich hohe Bandbreiten. Gerade in Europa und China sind diese jedoch mit der Einführung sicherheitsrelevanter Anwendungen bereits ausgelastet, sodass für 5G-V2X keine beziehungsweise nicht ausreichende Bandbreite übrigbleiben. Derzeit arbeiten OEMs an einem Weg, Daten soweit zu komprimieren, dass sie für die verfügbaren Bandbreiten im 5,9 Ghz-Bereich ausreichen. Eine spannende Situation ergibt sich dabei in Europa, wo ein Frequenzbereich im 60 Ghz-Band für V2X reserviert ist. Die Automobilindustrie diskutiert derzeit, ob der europäische Markt vom Volumen her lohnenswert genug ist, Entwicklungen für diesen Frequenzbereich zu tätigen. Denn dieser Bereich von 60 GHz ist technisch anspruchsvoll. Es besteht ein physikalisches Problem, da dort die Resonanzfrequenz des Sauerstoffmoleküls liegt. Einmal in Schwingung versetzt 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 in ihrer Reichweite stark beschränkt.

(aok)