Wie Wi-Fi 6 die Datenübertragung in Fahrzeugen verbessert

Bild 1: Mehrere Wireless-Technologien sind in den Fahrzeugen von heute bereits vorhanden. Und es werden immer mehr. u-blox

Autos sind immer stärker vernetzt und verbinden dabei Komponenten innerhalb des Fahrzeugs, sowie das Auto selbst etwa mit dem Internet, mit anderen Fahrzeugen, oder mit Verkehrsmanagementsystemen. Allein der Einsatz von Bluetooth und Wi-Fi zeigen, wie die Anwendungen drahtloser Kommunikation in den letzten zehn Jahren zugenommen haben: Es begann mit dem einfachen Bluetooth-Freisprechprofil (HFP) und vielleicht einem Wi-Fi-Hotspot. Es folgten Bluetooth-fähiges Audio-Streaming (A2DP) sowie Multi-Rollen-, Mehrzweck-Wi-Fi- und Wi-Fi-fähiges Screen-Sharing. Jetzt setzen sich immer mehr erweiterte Funktionen durch, darunter die drahtlose Sensordatenerfassung, Over-the-Air Firmware-Updates, kontinuierliche Daten-Uploads, Ladekontrolle von Elektrofahrzeugen und lokale Netzwerkverbindungen, zum Beispiel auf Parkplätzen (Bild 1).

Die Abhängigkeit von drahtloser Datenübertragung wird in der Zukunft weiter zunehmen. In dem Maße, wie autonome Fahrsysteme in unterschiedlichen Entwicklungsstufen auf den Markt kommen, wird der Datenübertragungsbedarf zwischen Fahrzeugen und verschiedenen Cloud-basierten Systemen sowie zwischen Fahrzeugen im Straßenverkehr steigen. Die V2X-Kommunikation (Vehicle-to-Everything) wird speziell durch eine eigene dedizierte Wi-Fi-basierte Lösung (IEEE 802.11p/bd) abgewickelt, die längerfristig mit Cellular-V2X (C-V2X) kombiniert werden könnte.

Und dann ist da noch das Entertainment im Fahrzeug – zu beliebt und im Hinblick auf die Bandbreitenanforderungen zu anspruchsvoll, um sie außer Acht zu lassen. Der Ericsson Mobility Report geht davon aus, dass der mobile Video-Datenverkehr prozentual und volumenmäßig weiter wachsen wird: von 63 Prozent und 38 Exabyte pro Monat im dritten Quartal 2019 auf 160 Exabyte pro Monat im Jahr 2025, was 75 Prozent des zukünftigen weltweiten mobilen Datenverkehrs entsprechen würde. Ein immer größerer Teil des Video-Entertainments wird voraussichtlich in Fahrzeugen konsumiert, da bordeigene Displays immer beliebter und Infotainment-Systeme immer besser werden.

Es wird voll im Auto

Bild 2: Immer mehr Anwendungsfälle im und rund um das Fahrzeug konkurrieren um das gleiche Frequenzspektrum und die gleichen Ressourcen, was die Gefahr von Signalüberlastungen und Leistungseinbußen erhöht. u-blox

Doch mit der wachsenden Zahl drahtlos vernetzter Anwendungsbereiche und -fälle im Automotive-Bereich steigt auch das Risiko einer Signalüberlastung, die sich negativ auf die Leistung auswirken kann (Bild 2). Wichtig wird es sein, eine etwaige Systemverschlechterung zu verhindern. Autos beinhalten immer mehr Technik, und der bunte Mix von Anwendungen, die jeweils ihre eigenen Merkmale und Systemanforderungen haben, stellt höhere Anforderungen an die Ressourcen des Wi-Fi-Systems.

Wi-Fi 6 hält nun als neueste Generation der Wi-Fi-Technologie Einzug in den Automobilbereich. Wi-Fi 6 – in den Normungsgemeinschaften auch IEEE 802.11ax genannt – verspricht, viele dieser sich stellenden Herausforderungen durch eine schnellere und bessere Konnektivität zu lösen. In den kommenden Jahren dürfte Wi-Fi 6 zu einem Schlüsselelement in allen Automobilsystemen wie Infotainment-Einheiten, Telematik-Steuereinheiten und hochentwickelten Fahrerassistenzsystemen (ADAS) werden. ABI Research schätzt, dass bis 2023 die Hälfte der gelieferten Wi-Fi-Chipsätze für Kraftfahrzeuge (35 Millionen Einheiten) und bis 2024 70 Prozent der gelieferten Chipsätze (50 Millionen Einheiten) auf Wi-Fi 6 basieren werden.

Auf dem Weg zu einer zukunftssicheren Lösung

Bluetooth und das ursprüngliche 802.11b/g Wi-Fi arbeiten beide im 2,4 GHz-Band und konkurrieren hier um die gleichen Frequenzressourcen. Da der Bandbreitenbedarf für neu entstehende Wi-Fi-Nutzungsfälle zunimmt, werden diese immer häufiger im 5 GHz-Band, in einer Kombination der 2,4 GHz- und 5 GHz-Bänder oder – sobald Wi-Fi 6E verfügbar ist – in einem neuen 6 GHz-Band angesiedelt. Da mehr Datenverkehr in höhere Frequenzen abwandert, werden Ressourcen im 2,4 GHz-Band frei, was wiederum einen weiteren Ausbau der kostengünstigen, stromsparenden Bluetooth-Konnektivität ermöglicht.

Anwendungsfälle, die höhere Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit bieten, sollten nicht nur auf Bluetooth und Wi-Fi setzen, sondern auch 4G- und 5G-Mobilfunktechnologien mit größeren Reichweiten und breiterer Abdeckung mit hohen Datenraten und niedriger Latenz nutzen können. Bei hohen Datenraten und einem hohen Fahrzeugaufkommen in einem begrenzten geografischen Gebiet könnten Mobilfunk- und Wi-Fi-Betrieb parallel laufen. In Anwendungsfällen, in denen Wi-Fi dominierend sein dürfte – in der Werkstatt, an der Tankstelle bzw. Ladestation oder auf Parkplätzen – wird es die hohen Datenraten eigenständig verarbeiten können.

Der Preis für diese Wireless-Funktionen und die damit verbundene Leistungs- und Funktionssteigerung ist ein höherer Stromverbrauch des Fahrzeugs. Fortschritte bei den neuesten Wireless-Standards, der Entwicklung von Chipsätzen und effizienten Software-Protokollen werden jedoch den Weg für eine Funktionalität in Fahrzeugen ebnen, die weit über das frühere „Smartphone auf Rädern“-Konzept hinausgeht.

Die Wi-Fi 6-Lösung

Bild 3: Durch Nutzung des digitalen OFDMA-Modulationsschemas erhöht Wi-Fi 6 die Bandbreitenkapazität. Dabei wird jeder Übertragungskanal in kleine Subkanäle (Ressourceneinheiten) unterteilt, die gleichzeitig Pakete von einem Access Point an mehrere Benutzer weiterleiten können. Intel

Wi-Fi 6 wird zu einem Schlüsselfaktor für vollständig vernetzte Fahrzeuge werden. Seine bedeutendste Verbesserung gegenüber seinem Vorgänger ist die erhöhte spektrale Effizienz, die eine bis zu vierfache Steigerung der Bandbreitenkapazität ermöglicht. Dadurch kann es entweder mehr Clients pro Access Point bedienen oder neue Anwendungsfälle mit hoher Bandbreite ermöglichen, z. B. das Streaming von ultrahochauflösenden Videos. Durch die größere Flexibilität eignet sich Wi-Fi 6 besser dafür, Clients mit kleineren Datenblöcken zu bedienen, ohne unnötigen Overhead zu reservieren.

Während frühere Wi-Fi-Versionen auf die Anforderungen weniger Clients, vor allem in Innenräumen, zugeschnitten waren, liegt der Schwerpunkt von Wi-Fi 6 auf der Qualität der Nutzung vieler Kunden in stark frequentierten Umgebungen. Besonders interessant für Anwendungsfälle im Automobilbereich sind die Fortschritte, die es im Hinblick auf eine größere Reichweite und eine bessere Abdeckung im Freien mit sich bringt.

Durch die effizientere Nutzung der verfügbaren Bandbreite für kleine Datenverkehrsmengen und eine Chip-Implementierung, die auf eine Bandbreite von 20 MHz begrenzt ist, ermöglicht die Wi-Fi-6-Technologie Wi-Fi-basierte Lösungen mit geringer Komplexität und niedrigem Stromverbrauch für das IoT-Segment auf Geräten mit eingeschränktem Funktionsumfang.

Ein Blick unter die Haube – Wie funktioniert Wi-Fi 6?

Doch wie funktioniert Wi-Fi 6? Zum einen verwendet es das digitale OFDMA-Modulationsschema (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) sowohl im Uplink als auch im Downlink. Durch die Aufteilung jedes OFDMA-Übertragungskanals in kleine Subkanäle (Ressourceneinheiten), die Pakete von einem Access Point parallel an mehrere Benutzer weiterleiten können, erhöht sich die Anzahl der Benutzer, die gleichzeitig kommunizieren können (Bild 3).

Zum anderen verwendet OFDMA ein längeres orthogonales Frequency Domain Multiplexing-Signal, das durch Einfügen eines längeren zyklischen Präfixes zwischen den einzelnen Signalen eine bessere Nutzung der Subkanäle und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Multipath Fading bietet. Zusammen mit neuen PHY-Headern sorgt dies für mehr Robustheit im Freien.

Wi-Fi 6 verwendet außerdem bis zu 8 x 8 Multi-User Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO) im Uplink und Downlink, um einen höheren Durchsatz mit mehr unabhängigen Funkstrecken (Spatial Streams) zu bieten, sowie 1024 Quadratur-Amplitudenmodulation (1024-QAM) für einen höheren Spitzendurchsatz bei kurzen Entfernungen.

Zu den weiteren Merkmalen gehört Spatial Reuse, auch als BSS Coloring bezeichnet, das es ermöglicht, mehrere Kanäle mit demselben „Farbcode“ zum Übertragen von Nachrichten zu kombinieren. Und Target Wake Time (TWT) spart Strom, indem Clients in den Niedrigverbrauchsmodus schalten, wenn sie inaktiv sind.

Wie wird Wi-Fi 6 in der Automobilbranche umgesetzt?

Aufgrund der damit einhergehenden höheren Kapazität und Flexibilität, der höheren Bandbreite und der breiteren Abdeckung ist damit zu rechnen, dass die Automobilbranche diesen neuen Wireless-Standard einführen wird. Wie die einzelnen OEMs und Tier-1-Hersteller ihn jedoch konkret umsetzen werden, bleibt abzuwarten. Im Laufe der Jahre haben die Hersteller bei der Unterteilung der verschiedenen Wi-Fi-Systeme im Fahrzeug jeweils etwas unterschiedliche Richtungen eingeschlagen: entweder ausgerichtet auf eine funktionale Verwendung (TCU, IVI, ADAS, EVCC), eine kostenoptimierte kombinierte Nutzung, oder auf einen eher physischen Einsatz, z. B. zur Kommunikation innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs. Diese Vielfalt der Ansätze war zu erwarten, da sich die Technologie parallel zur steigenden Zahl der Anwendungsfälle und -gebiete weiterentwickelt.

Dasselbe gilt für die Art und Weise, wie die Wi-Fi- und Bluetooth-Lösungen selbst implementiert werden. Einige Hersteller bevorzugen eine Chip-on-Board-Implementierung, bei der Tier-1-Hersteller oder OEMs den Wi-Fi-Chip selbst auf einer Platinenlösung implementieren. In seltenen Fällen kann dies eine individuellere oder flexiblere Lösung mit optimierten Materialkosten darstellen. Abgesehen davon bringt eine vorzertifizierte Modullösung in den meisten Fällen mehr Vorteile, da sie in der Regel die Entwicklungszeit verkürzt und das Platinen- und Gerätedesign sowie die Migration zur Technologie der nächsten Generation vereinfacht. Insgesamt stellen diese Vorteile die Markteinführung sicher, verbessern die direkten und indirekten Gesamtkosten und verringern die Risiken.

Wi-Fi 6 als Gegenmittel gegen Bandbreitenüberlastung

Da Fahrzeuge immer fortschrittlichere Funktionen für mehr Sicherheit, Komfort und Bequemlichkeit erhalten, wird Wi-Fi weiter an Bedeutung gewinnen. Gründe dafür sind, dass Wi-Fi 6 eine entscheidende Voraussetzung für die drahtlose Konnektivität in, zwischen und außerhalb von Fahrzeugen bereitstellt und für zuverlässige Drahtlosverbindung für eine wachsende Zahl von Anwendungsfällen sorgt. Die aktuellen Generationen der Wi-Fi-Technologie werden in den kommenden Jahren im Automobilbereich auch weiterhin von Bedeutung sein. Setzt man jedoch allein auf sie, um diesen wachsenden Bedarf an drahtloser Konnektivität im und rund um das Fahrzeug zu befriedigen, steigt die Gefahr von Signalüberlastungen und Leistungseinbußen. Durch die Erhöhung der Bandbreitenkapazität wird Wi-Fi 6 der zunehmenden Nutzungsdichte entgegenwirken, da es mehr Clients pro Access Point bedienen kann und neue Anwendungsfälle im hohen Frequenzband ermöglicht, während es gleichzeitig die Abdeckung im Freien erweitert.

(ml)

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