Dieser Artikel beleuchtet Entwicklungen in der Automobilindustrie sowie die damit einhergehende Evolution des Wi-Fi und geht darauf ein, wie Entwickler von automo-bilen Anwendungen den größten Nutzen aus den neuen Wi-Fi-Releases ziehen können.
Wi-Fi im Herzen des vernetzten Automobils
Aktuelle Automobile ähneln immer stärker Geräten, die man aus dem Internet der Dinge (IoT) kennt: Eine Vielzahl an Sensoren sammelt interne und externe Daten. Das Fahrzeug handelt auf Grundlage der so gewonnenen Informationen und verbessert dadurch Sicherheit und Komfort der Fahrer. Drahtlose Kommunikation ist ein Grundstein dieser Automobiltechnologie. Die rasant ansteigenden Datenmengen, die Anwendungen wie erweiterte Fahrassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) und Fahrzeug-Infotainment-Systeme (In-Vehicle Infotainment, IVI) generieren, treiben die Entwicklung drahtloser Technologien wie Bluetooth, Wi-Fi und Mobilfunk voran. Der Einsatz von Wi-Fi hat sich in der Automobilindustrie bewährt und den steigenden Anforderungen des vernetzten Automobils trägt eine Reihe spezialisierter Releases Rechnung, von Wi-Fi 5 über Wi-Fi 6 und 6E bis zur kurz vor der Veröffentlichung stehenden Wi-Fi-7-Technologie. Bei jedem dieser Sprünge stiegen Bandbreite, Datendurchsatz und Effizienz.
Das heutige Automobil erfährt durch hochentwickelte elektronische Geräte eine Transformation. Sicherheit, Komfort und Fahrerlebnis der Fahrer und Passagiere verbessern sich, während gleichzeitig ein umfangreiches Ökosystem zur Unterstützung des Fahrzeugs entsteht. Fahrzeug-Infotainment-Systeme erreichen einen immer höheren Entwicklungsstand und unterstützen Audio- und Video-Streaming-Technologie, während erweiterte Fahrassistenzsysteme Daten aus einer Vielzahl verschiedener Sensoren des Fahrzeugs auswerten.
Die drahtlose Kommunikation bildet hier das Fundament; nicht nur, um Daten innerhalb des Fahrzeugs zu übertragen, sondern auch, damit das Konzept des „Internets der Fahrzeuge" beziehungsweise des vernetzten Automobils Realität wird. Vernetzte Automobile teilen immer mehr Daten mit der externen Umgebung, inklusive anderen Fahrern, intelligenter Straßeninfrastruktur und Fußgängern. Manche Schätzungen gehen davon aus, dass autonome Fahrzeuge bis zu 80 GB Daten pro gefahrene Stunde generieren werden, wovon ein signifikanter Anteil außerhalb des Fahrzeugs übertragen wird. Hierdurch werden Ferndiagnose und vorausschauende Wartung möglich. Der rasante Anstieg vernetzter automobiler Anwendungen und Einsatzbereiche treibt den Bedarf für eine höhere drahtlose Bandbreite und höheren Datendurchsatz voran (Bild 1).
IVI-Anwendungen erfordern ebenfalls eine hohe Bandbreite. Spotify allein verwendet schon bis zu 150 MB pro Stunde und manchen Schätzungen zufolge fallen bei sehr fortgeschrittenen ADAS-Systemen bis zu 1,4 Terabyte pro Stunde an. Gleichzeitig kommt es bei OEMs zu einer Verschiebung, weg von traditionellen, einmaligen Käufen zugunsten der Monetarisierung der verbauten Technologien, beispielsweise über Dienste wie drahtlose Software- und Funktionsaktualisierungen (Over the Air, OTA) sowie im Fahrzeug angebotene, bezahlpflichtige Software. Das weltweite Gesamtvolumen vernetzter Fahrzeuge soll sich nach Hochrechnungen von 236 Millionen Einheiten im Jahr 2021 auf 863 Millionen Einheiten im Jahr 2035 nahezu vervierfachen und somit die Abhängigkeit von drahtlosen Datenübertragungen weiter steigern.
Verbundene automobile Anwendungen sind aktuell stark von Bluetooth und Wi-Fi abhängig, doch werden sich beide Technologien weiterentwickeln müssen, um Signalschwund und abfallender Leistung entgegenzuwirken. Der immer breitere Mix sich im Fahrzeug befindlicher Anwendungen, wovon jede eigene Eigenschaften und Systemanforderungen aufweist, stellt höhere Ansprüche an die Ressourcennutzung des Wi-Fi-Systems. Im 2,4-GHz-Band, das sich Bluetooth und Wi-Fi teilen, wird es langsam aber sicher ziemlich eng. Und obwohl durch die Verfügbarkeit des 5-GHz-Bandes etwas Luft geschaffen wurde, sind weitere Maßnahmen wie die Einführung des 6-GHz-Bandes als Teil von Wi-Fi 6E erforderlich, um dem Datenstau Abhilfe zu verschaffen und den Datendurchsatz zu steigern.
Sowohl Bluetooth als auch Wi-Fi haben sich in der Architektur vernetzter Fahrzeuge bewährt. Dabei unterstützen Mobilfunktechnologien wie LTE und, Tendenz steigend, 5G die externen Verbindungen. Obwohl 5G signifikante Steigerungen in Bandbreite, Datendurchsatz und Latenz verspricht, gehen Analysten davon aus, dass mehr als 70 Prozent des zukünftigen 5G-Datenverkehrs aus Kostengründen auf Wi-Fi ausgelagert werden. In der Praxis werden Lösungen mit mehreren Modi Anwendungen ermöglichen, zwischen 5G und Wi-Fi zu wechseln, je nachdem, welches Netzwerk jeweils besser geeignet ist (Abdeckung, Geschwindigkeit, Kosten etc.). Somit ließen sich in Großstädten mit vielen Automobilen und hohen Datenanforderungen parallel 5G und Wi-Fi benutzen, wohingegen in Anwendungsbereichen wie Ladestationen oder Parkplätzen Wi-Fi allein die erforderlichen Datenraten bereitstellen könnte.
Künftige Evolutionen des Wi-Fi-Standards werden größere Effizienz, ein breiteres drahtloses Spektrum und einen höheren Datendurchsatz ermöglichen. Diese Weiterentwicklungen werden, gemeinsam mit der Kosteneffizienz eines unlizenzierten Spektrums, die zentrale Position von Wi-Fi in der automobilen Architektur festigen. Dabei wird erwartet, dass der Absatz automobiler Wi-Fi-Module weiter steigt (Bild 2).
Seit dem ersten Auftreten im Jahr 2011 hat sich Wi-Fi in heutigen Automobilen als gängige Funktionalität etabliert. Aktuell sind die meisten Automobile mit Wi-Fi 5 (802.11ac) ausgestattet, doch setzen Automobilhersteller und OEMs immer mehr auf die Funktionen und Möglichkeiten von Wi-Fi 6 und Wi-Fi 6E, um die Fahrzeuge zukunftssicher zu machen. Laut den Analysten von ABI Research werden bis zum Jahr 2024 70 Prozent der für automobile Anwendungen gelieferten Chipsets Wi-Fi 6 verwenden und Lieferungen von Geräten mit Wi-Fi 6E werden ebenfalls rasant ansteigen; Geräte mit Wi-Fi 7 sollen ab 2027 verfügbar sein.
Mit der Einführung von Wi-Fi 5 im Jahr 2014 ging man das Problem des Datenstaus im 2,4-GHz-Band an und wies der Technologie die weniger stark frequentierte 5-GHz-Frequenz zu. Wi-Fi 5 brachte Techniken wie Multi-Benutzer MIMO (Mu-MIMO) und OFDM-Modulation mit sich, um die Ausnutzung des Spektrums und den Datendurchsatz zu verbessern. Während die meisten vernetzten Automobile aktuell Wi-Fi 5 verwenden, bringen neue Releases erhebliche Verbesserungen mit sich, insbesondere wenn es um den Einsatz von Anwendungen mit hohem Bedarf an Bandbreite und Datendurchsatz in ausgelasteten Umgebungen geht (Tabelle 1).
Das im Jahr 2019 eingeführte Wi-Fi 6 (802.11AX) setzt verschiedene Techniken ein, um die Auslastung zu reduzieren, höhere Datenraten zu unterstützen und das Benutzererlebnis zu verbessern. Dabei weist es im Vergleich zu Wi-Fi 5 eine vierfach höhere spektrale Effizienz auf. Grundlage dieser Leistungsverbesserung ist das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren mit Vielfachzugriff (orthogonal frequency-division multiple access, OFDMA), ein digitales Modulationsverfahren hoher Ordnung, das mehreren Benutzern gleichzeitige Kommunikation ermöglicht.
Im Gegensatz zum in Wi-Fi 5 verwendeten ortho-gonalen Frequenzmultiplexverfahren (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), das Datenpakete festgelegter Größe sequenziell überträgt, werden beim OFDMA mithilfe von 256 statt 64 Zwischenträgern Datenpakete variabler Größe gleichzeitig übertragen. OFDM teilt ein Paket in einem einzelnen Datenstrom einem Gerät zu, während mit den geteilten OFDMA-Kanälen ein Paket Informationen für mehrere Clients in mehreren Datenströmen gleichzeitig beinhalten kann (Bild 3).Vierfache Bandbreitenkapazität mit Wi-Fi 6E Das OFDMA verbessert somit die Gerätekapazität in ausgelasteten Umgebungen und verringert den Mehrkanal-Signalschwund der hochfrequenten Trägersignale, wodurch die Robustheit von Wi-Fi 6 in Außenbereichen steigt. Sonstige wichtige Merkmale von Wi-Fi 6:
Die 1024-QAM-Modulation verbessert den Durchsatz um 25 Prozent gegenüber dem von Wi-Fi 5 verwendeten 256-QAM-Modulationsverfahren, indem jedes Symbol 10 statt 8 Bit überträgt.Wi-Fi 6 setzt Mehrfachbenutzer-Mehrfachein- und -ausgabe (MU-MIMO) sowohl in Uplink als auch Downlink ein, womit beidseitig der Datendurchsatz und die Kapazität steigen.Target Wake Time (TWT) verringert den Energieverbrauch, indem sich Geräte untereinander abstimmen, wann und wie oft sie den Standby-Modus verlassen, um Daten zu senden oder zu empfangen. TWT ist wertvoll für Anwendungen, die stetig laufen müssen, wenn das Automobil nicht in Benutzung ist, weil sich die Belastung der Batterie verringert.Die Funktion Single User Extended Range verlängert die Zeit, die ein Symbol empfangbar bleibt, von einer auf zehn Mikrosekunden. Und obwohl diese längere Übertragungszeit der Symbole die Datenrate reduziert, steigen sowohl die Qualität als auch die Zuverlässigkeit der Datenübertragung, womit sich die Übertragung über längere Strecken verbessert.
Als Weiterentwicklung von Wi-Fi 6 wurde in vielen Ländern Wi-Fi 6E eingeführt, nachdem die FCC im Jahr 2020 entschieden hat, das 6-GHz-Band freizugeben. Mit der Verwendung des 6-GHz-Bandes ermöglicht Wi-Fi 6E Anwendungen Zugriff auf ein Spektrum von bis zu 1200 MHz (je nach Land), was den Datenverkehr auf höhere Frequenzen verlegt und das 2,4-GHz-Band entlastet. Wi-Fi 6E bietet eine bis zu vierfach größere Bandbreitenkapazität, wobei Geräte in 14 zusätzlichen 80-MHz-Kanälen oder sieben zusätzlichen 160-MHz-Kanälen arbeiten können.
Die neueste Entwicklung des Wi-Fi-Standards ist IEEE 802.11be – oder Wi-Fi 7. Wi-Fi 7 arbeitet in den Bändern 2,4 GHz, 5 GHz und 6 GHz und bietet einen extrem hohen Datendurchsatz. Dieser neueste Wi-Fi-Standard umfasst die folgenden Funktionen:
Eine Verdopplung der Kanalbreite gegenüber Wi-Fi 6 von 160 auf 320 MHz.4096-QAM-Modulation, womit jedes Symbol 12 Bits tragen kann.Eine effizientere Verwendung des Kanalspektrums, indem einem einzelnen Benutzer mehrere Ressourceneinheiten zugeteilt werden können.Mehrfach-Link-Betrieb, in dem Geräte gleichzeitig Daten über verschiedene Frequenzbänder und Ka-näle senden und empfangen, wodurch sich der Datendurchsatz erhöht und die Latenz verkürzt.
Die Wi-Fi-Technologie hat sich bereits für automobile Anwendungen bewährt und Automobilhersteller müssen sich für den Entwicklungsweg mit der kürzesten Zeit zur Marktreife entscheiden. Als Spezialist für automobile Technologie bietet U-blox mit der Jody-Modulserie vereinfachte Entwicklungsmöglichkeiten für sämtliche Anwendungen, die auf Wi-Fi, Bluetooth Classic und Niedrigenergie (LE) basieren.
Die vorzertifizierten Module und die entsprechenden unterstützenden Entwicklungskits im Jody-Portfolio eignen sich bestens zum Einsatz in der automobilen Telemetrie und im IVI. Dabei unterstützen die Module eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Telemetrie-Kontrolleinheiten (Telematics Control Units, TCU), OTA-Aktualisierungen, ECUs (Engine Control Units, Motorkontrolleinheiten) sowie die Kameraverbindung über Wi-Fi. (mou) l
Autoren: Fredrik Lonegard: Senior Product Marketing Manager bei U-blox
Peter Karlsson: Head of Technology, Product Centre Short Range Radio, U-blox
Auf einen Blick
Sowohl BLE als auch Wi-Fi haben sich im Automobil etabliert.Die neueste Entwicklung des Wi-Fi-Standards ist IEEE 802.11be – oder Wi-Fi 7. Wi-Fi 7 arbeitet in den Bändern 2,4, 5 und 6 GHz. Erste Geräte werden für 20 27 erwartet.
Wi-Fi 5IEEE 802.11acWi-Fi 6IEEE 802.11lax Wi-Fi 6EIEEE 802.11axWi-Fi 7IEEE 802.11beBands5 GHz256 QAM2,4 Ghz, 5 GHz1024 QAM2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz1024 QAM2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz4096 QAMChannel bandwidth20, 40, 80, 160 MHz20, 40, 80, 160 MHz20, 40, 80, 160 MHz20, 40, 80, 160, 320 MHzKey innovations• Beamforming• OFDMA access technology • 1024 QAM• Target Wake Time (TWT)• New PHY headers• 6 GHz spectrum added• 4096 QAM• 320 MHz channels• Multi-Link Operation (MLO)• Restricted Service Periods•Triggered Peer-To-Peer TransmissionBenefits• Better signal-to-noise ratio (SNR)• Improved device capacity in dense environment• Higher peak data throughput• Reduced powerconsumption• Longer range • Improved system capacity• Increased data throughput• Reduced latency• Deterministic latencyin Managed Networks• Enhanced Station (STA) to station direct communication2014201920202023Wi-Fi 5IEEE 802.11acWi-Fi 6IEEE 802.11lax Wi-Fi 6EIEEE 802.11axWi-Fi 7IEEE 802.11beBands5 GHz256 QAM2,4 Ghz, 5 GHz1024 QAM2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz1024 QAM2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz4096 QAMChannel bandwidth20, 40, 80, 160 MHz20, 40, 80, 160 MHz20, 40, 80, 160 MHz20, 40, 80, 160, 320 MHzKey innovations• Beamforming• OFDMA access technology • 1024 QAM• Target Wake Time (TWT)• New PHY headers• 6 GHz spectrum added• 4096 QAM• 320 MHz channels• Multi-Link Operation (MLO)• Restricted Service Periods•Triggered Peer-To-Peer TransmissionBenefits• Better signal-to-noise ratio (SNR)• Improved device capacity in dense environment• Higher peak data throughput• Reduced powerconsumption• Longer range • Improved system capacity• Increased data throughput• Reduced latency• Deterministic latencyin Managed Networks• Enhanced Station (STA) to station direct communication2014201920202023
Wi-Fi 5IEEE 802.11ac
Wi-Fi 6IEEE 802.11lax
Wi-Fi 6EIEEE 802.11ax
Wi-Fi 7IEEE 802.11be
Bands
- 5 GHz256 QAM
- 2,4 Ghz, 5 GHz1024 QAM
- 2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz1024 QAM
- 2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz4096 QAM
Channel bandwidth
- 20, 40, 80, 160 MHz
- 20, 40, 80, 160 MHz
- 20, 40, 80, 160 MHz
- 20, 40, 80, 160, 320 MHz
Key innovations
• Beamforming
• OFDMA access technology • 1024 QAM• Target Wake Time (TWT)• New PHY headers
• 6 GHz spectrum added
• 4096 QAM• 320 MHz channels• Multi-Link Operation (MLO)• Restricted Service Periods•Triggered Peer-To-Peer Transmission
Benefits
• Better signal-to-noise ratio (SNR)
• Improved device capacity in dense environment• Higher peak data throughput• Reduced powerconsumption• Longer range
• Improved system capacity
• Increased data throughput• Reduced latency• Deterministic latencyin Managed Networks• Enhanced Station (STA) to station direct communication
- 2014
- 2019
- 2020
- 2023
Graph: Bild 1: Eingebaute Anwendungen wie ADAS und Infotainment benötigen drahtlose Bandbreite und erzeugen ständig mehr Daten.Bild: U-blox
Graph: Rear-seat audio
Graph: Rear-seat audio
Graph: Hands free,Music streaming
Graph: Camera/DigitalVideo Recorder
Graph: Rear-seat video,gaming
Graph: Rear-seat video,gaming
Graph: Camera
Graph: Keyless entry
Graph: Parking sensor
Graph: EV charging
Graph: Tire pressuresensor
Graph: Keyless entry
Graph: Hotspot,Media streaming, Screen projection
Graph: Tire pressuresensor
Graph: Battery sensor
Graph: Parking sensor
Graph: Bluetooth low energyBluetoothWi-Fi
Graph: Software upgrade,Service pointdiagnostics.
Graph: Keyless entry
Graph: Parking sensor
Graph: Bild 2: Der Absatz automobiler Wi-Fi-Module soll weiter steigen und die Position von Wi-Fi in der automobilen Architektur festigen.
Graph: Bild: TSR Wireless Connectivity Market Report 2022
Graph: Bild 3: Wi-Fi 6 setzt OFDMA ein, um die spektrale Effizienz zu steigern und die Kommunikation mehrerer Benutzer gleichzeitig zu ermöglichen.Bild: U-blox
Graph: With fixed bandwidth, data packets are transmitted one at a time in a single stream.
Graph: By dividing bandwidth into resource units, data packets of varying sizes can be more efficiently transmitted simultaneously.
Graph: Tabelle 1: Jede neue Wi-Fi-Generation bringt zusätzliche Funktionen und Möglichkeiten mit sich. Tabelle: U-blox
Graph: Bild: U-blox