Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 und UWB: Die Zukunft vernetzter Automobile

Fahrzeuge sind nicht mehr hardwarezentriert, sondern werden immer mehr zu software-definierten Plattformen, die sich im Laufe ihres Lebens weiterentwickeln, mit neuen Funktionen und mehr Sicherheit und Effizienz. Gleichzeitig führt die Nachfrage der Nutzer nach einem noch besseren Fahrerlebnis dazu, dass immer mehr Infotainment-Funktionen hinzukommen.

Vom Fahrzeug zur Cloud

Die Menge der vernetzten Fahrzeuge wächst rasant (Bild 1). Dadurch rückt die Fahrzeug-zu-Cloud-Vernetzung immer stärker in den Vordergrund der Entwicklung, denn aktuelle Fahrzeuge brauchen eine schnelle und stabile WLAN- und Mobilfunkverbindung zur Cloud.

Bild 2 zeigt einige Anwendungsfälle. Ging es bisher bei vielen Apps, wie standortbezogenen Diensten, hauptsächlich um Informationsaustausch, nutzen fortschrittliche Anwendungen wie Analytics und maschinelles Lernen gewaltige, von Fahrzeugsensoren erzeugte Datenmengen – diese werden bei autonomen Fahrzeugen schätzungsweise auf bis zu vier Terabyte pro Stunde ansteigen.

Für diese Anwendungsfälle setzen OEMs zunehmend service-orientierte Gateways ein, die sichere Over-the-air-Updates für das gesamte Fahrzeug unterstützen, für die die bislang üblichen Automobil-Mikrocontroller (MCUs) aber nicht mehr ausreichend Leistung bieten. Heutige Fahrzeug-Netzwerkprozessoren, wie z.B. der S32G von NXP, hingegen verfügen über die erforderliche Leistung und Netzwerkfähigkeit für die schnelle Einführung neuer Anwendungen und upgradefähiger Fahrzeuge. Deshalb ist die Produktfamilie S32G von zentraler Bedeutung für NXP, um seine Partner bei der Monetarisierung von Fahrzeugdaten zu unterstützen, etwa durch Zusammenarbeit mit Amazon Web Services (AWS) und die Bereitstellung einer Edge-to-Cloud-Computing-Lösung.

S32G-Prozessoren sind darüber hinaus auch eine Schlüsselkomponente bei der Zusammenarbeit von NXP mit dem InsurTech-Unternehmen MOTER, das die Automobil- und die Versicherungsbranche über eine sichere Datenaustauschplattform vernetzen will, sowie dem Fusion Project, einem gemeinsamen Projekt verschiedener Unternehmen aus der Automobilindustrie zur Schaffung einer einheitlichen Datenlebenszyklus-Plattform für vernetzte Fahrzeuge.

Konnektivitätsanforderungen

Over-the-air-Updates erfolgen in der Regel über WLAN, um eine gute Netzabdeckung zu gewährleisten und erhöhten Datenverbrauch im Mobilfunknetz (und erhöhte Kosten) zu vermeiden. Das erfordert ein sicheres, leistungsfähiges WLAN-Netz (wie etwa den neuen Standard Wi-Fi 6 bzw. WLAN 6).

Der bisherige dezentrale Ansatz der Fahrzeugarchitektur, bei dem jede neue Funktion von einem zusätzlichen Steuergerät mit eigener Recheneinheit und Konnektivität unterstützt wurde, ist aufgrund seiner Komplexität nicht skalierbar. Stattdessen wechselt die Fahrzeugarchitektur jetzt von einem flachen, hardwarebasierten Design zu domänen- und zonenbasierten Architekturen.

Bei domänenbasierten Architekturen sind die Logik- oder Softwaresysteme des Fahrzeugs in fünf unterschiedliche Hauptfunktionsbereiche aufgeteilt wie beispielsweise Konnektivität, Infotainment, ADAS, Antriebsstrang, Karosserie und Komfort. Der physische Aufbau des Fahrzeugs wird durch die Umstellung auf eine zonale Topologie vereinfacht. Die Datenverarbeitung erfolgt in einzelnen Fahrzeugzonen wie vorne links, vorne rechts, hinten links und hinten rechts, und wird von einem zentralen Fahrzeugrechner gesteuert.

Der Schlüssel hierzu ist der Domänencontroller für die Konnektivität. Dieser ist für den Funkempfang, die Mobilfunkverbindung, die DSRC-V2X-Kommunikation und den sicheren Fahrzeugzugang sowie vom Verbraucher genutzte Konnektivitätstechnologien wie Bluetooth, WLAN, GNSS und NFC zuständig.

Ein weiterer wichtiger Bereich ist die Sicherheit: Mit zunehmender Autonomie der Fahrzeuge wird es noch wichtiger, dass sie nicht manipulierbar sind. Mit Hilfe der neuen Domänenarchitektur können Updates sicher auf den Connectivity-Domain-Controller heruntergeladen werden, wo sie autorisiert und an serviceorientierte Gateways für das Fahrzeugnetz gesendet werden. Hier erfolgen noch einmal eine Überprüfung und anschließend die sichere Verteilung im Fahrzeug.

Die S32G-Prozessoren von NXP beinhalten z.B. Hardware-Sicherheits-Engines für sicheres Booten und erweiterte Sicherheitsfunktionen sowie fortschrittliche Sicherheitshardware und -software für ASIL-D-Systeme.

Wi-Fi 6

Wi-Fi 6 bietet neue Funktionen und Verbesserungen, die erhebliche Leistungsvorteile in Bezug auf Robustheit, Zuverlässigkeit, Reichweite, Durchsatz, Kapazität, Effizienz und Latenzzeit mit sich bringen.

WLAN-Chipsätze für den Automobilbereich, etwa der 88Q9098 von NXP, unterstützen immer häufiger duales WLAN, so dass zwei separate 2x2-Datenströme gleichzeitig laufen können. Das ermöglicht höhere Datenraten und gleichzeitige Nutzung, während inhärente Wi-Fi-6-Funktionen, wie etwa OFDMA und BSS Coloring, dazu beitragen, eine Überlastung zu vermeiden.

Die HF-Front-End-ICs von NXP, wie z. B. WLAN7002CC, können durch ihre hohe Linearität und Leistungseffizienz die Gesamtleistung des Systems verbessern. Sie bieten einen Spitzendurchsatz von bis zu 1,6 Gbps und ermöglichen damit schnelles Hochladen von Sensordaten oder Herunterladen von Over-the-air-Updates. NXP bietet zudem eine vollständige Telematikplattform mit SoC-, WLAN-, Bluetooth-, VX2-, UWB- und Ethernet-Konnektivität.

Das Nutzererlebnis

Das Nutzererlebnis im Auto wird für Automobilhersteller zu einem immer wichtigeren Differenzierungsmerkmal. Eine große Rolle spielt dabei die Weiterentwicklung drahtloser Konnektivität über Wi-Fi 6 und Bluetooth 5.2.

Der hohe Durchsatz und die effiziente Vernetzung von Wi-Fi 6 beispielsweise verbessern das UHD-Videostreaming auf mehreren Bildschirmen und unterstützen Einpark- und Sicherheitskameras (siehe Bild 3). Langfristig könnte WLAN auch als Drahtlosverbindung zwischen verschiedenen ECUs dienen; der Wegfall der Verkabelung spart Kosten, Gewicht und Platz.

Die Bedeutung von Bluetooth für die Unterstützung neuer Anwendungen wird zunehmen, so zum Beispiel beim Anschluss von Controllern für In-Car-Gaming, der Steuerung von Licht und Heizung mit dem Smartphone oder der Müdigkeitserkennung mittels Wearables.

Mit den neuen Bluetooth-Funktionalitäten wird das Nutzererlebnis im Auto weiter verbessert. Beispielsweise optimiert das in Bluetooth 5.2 enthaltene Audioprofil LE Audio die Audioqualität bei niedrigen Datenraten und unterstützt Broadcast Audio, so dass Geräte wie etwa Infotainment-Systeme Audio-Dateien an beliebig viele andere Geräte übertragen können. Zukünftige Wi-Fi- und Bluetooth 5.2-Chipsätze von NXP werden daher sowohl Wi-Fi 6 als auch Bluetooth 5.2 LE Audio unterstützen.

Weitere Drahtlostechnologien

Zusätzlich zu Wi-Fi- und Bluetooth gibt es noch weitere Technologien für den Funkempfang im Auto, wie zum Beispiel den NXP-Breitbandtuner, der mehrere herkömmliche Tuner ersetzen und so Kosten, Platzbedarf und Stromverbrauch deutlich senken kann.

Für Anwendungsfälle wie die Authentifizierung des Fahrers zum Starten des Motors, die nahtlose Kopplung persönlicher Geräte mit Bluetooth oder WLAN und die Fahrererkennung zur Fahrzeugpersonalisierung bietet NXP zudem In-Car-NFC. NXPs NFC- und MIFARE-ICs für Smartcards können zudem für den Fahrzeugzugang als Backup zum Ultrabreitband (UWB) genutzt werden.

Daneben bietet NXP eine Vielzahl an Qi-Ladelösungen. NXP ist der erste Microcontroller-Hersteller, der zwei Ladegeräte über eine einzige MCU unterstützen kann. Das senkt die Kosten beim Laden im Fahrzeug und erlaubt ein Synchronisieren von Ladegeräten, um Störungen zu vermeiden.

für drahtlose Schlüsselanhänger bietet UWB mehr Schutz vor Angriffen als Bluetooth, da die Laufzeit und somit die Entfernung zwischen zwei Geräten genauer bestimmt werden kann. Aktivierung und Authentifizierung erfolgen bei aktuellen Schlüsselsystemen daher meist über Bluetooth, die sichere Reichweitenerkennung über UWB. NFC lässt sich dabei als Backuptechnologie einsetzen, für den Fall, dass der Akku eines mobilen Geräts leer ist.

Fahrzeuge mit RAIN-RFID-Chipsätzen in Nummernschildern oder Aufklebern auf der Windschutzscheibe können viele Vorteile intelligenter Mobilitätsanwendungen nutzen, wie zum Beispiel der automatischen Fahrzeugidentifizierung und -registrierung, Mautgebührenentrichtung und Zugangskontrolle. RAIN-RFID-Chips wie der UCODE-DNA-RAIN-RFID-(UHF)-Tag-IC von NXP zeichnen sich außerdem durch AES-128-Kryptographie für sichere Kommunikation aus und bieten eine Reichweite von bis zu 15 Metern.

Eine weitere wichtige kommende Fahrzeugfunktion ist die Kommunikation mit der Umgebung (Vehicle-to-Everything, V2X), mit anderen Fahrzeugen, der Smart-City-Infrastruktur sowie mit anderen Verkehrsteilnehmern. Bild 4 zeigt einige V2X-Anwendungsfälle, die niedrige Latenzzeiten, hohe Zuverlässigkeit und stabile Leistung verlangen, Bild 5 fasst die wichtigsten Anwendungsfälle für drahtlose Kommunikation im Automobilbereich zusammen.

In einigen Regionen wurde V2X bereits unter Verwendung von Dedicated Short-Range Communication (DSRC) auf Basis des Standards 802.11p umgesetzt; die Technologie wird in immer mehr neuen Fahrzeugen wie dem VW Golf sowie dem VW ID3 und ID4 eingesetzt.

Die drahtlose Anbindung von Fahrzeugen fällt längst nicht mehr unter die Sonderausstattung. Mit der wachsenden Menge vernetzter Fahrzeuge steigt aber auch die Zahl neuer Anwendungsfälle, von vorausschauender Wartung bis zu vollständig nachrüstbaren softwaredefinierten Fahrzeugen.

Wie Bild 6 zeigt, sind Anbieter wie NXP, die Automotive-Processing-Lösungen für service-orientierte Gateways über Chipsätze wie den S32G sowie Prozessoren und Konnektivität für Connectivity Domain Controller anbieten, gut aufgestellt für den Wandel.

Automobilhersteller, die überzeugende Nutzererlebnisse schaffen und ihren Kunden neue Funktionen in den Bereichen Infotainment, Fahrzeug-zu-Cloud, sicherer Zugang und V2X anbieten wollen, werden daher kaum umhinkommen, ihre Fahrzeugkonnektivität mit neuen Technologien wie Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 und UWB zukunftssicher zu machen.

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