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Wi-Fi im Auto Für eine stabile Verbindung sorgen

15.02.2018

Für die Verbindung von Autos und der Endgeräte ihrer Insassen mit dem Internet bietet sich Wi-Fi an. Herkömmliche Wi-Fi-Chips sind mit der gleichzeitigen Datenübertragung von mehreren Geräten allerdings überfordert. Die notwendige Leistung stellen Chips sicher, die in zwei verschiedenen Frequenzbändern senden und außerdem für eine stabile Bluetooth-Verbindung sorgen.

Die Verbraucher sind es gewöhnt, ständig und überall drahtlosen Zugriff auf das Internet zu haben. Zu Hause, am Arbeitsplatz oder in öffentlichen Verkehrsmitteln ist das Internet für jeden, der ein Smartphone besitzt, jederzeit zugänglich. Auch im Auto wird das erwartet. Fahrzeughersteller suchen deshalb nach der besten Möglichkeit zur Integration der Internet-Konnektivität in die verschiedenen Benutzerschnittstellen des Fahrzeugs, etwa das Infotainment-System. Außerdem wird eine schnelle und robuste drahtlose Internetverbindung für die Mobilgeräte gefordert, die die Insassen in das Fahrzeug mitbringen. Dafür müssen die Fahrzeughersteller mehreren Nutzern gleichzeitig eine zuverlässige Wi-Fi-Verbindung mit hoher Geschwindigkeit bereitstellen.

Für Funktionen, die eine drahtlose Internet-Konnektivität zwischen Endgeräten und einem Router oder Zugangspunkt erfordern, ist Wi-Fi die allgemein anerkannte Standardtechnologie. Sie kommt deshalb für diese Funktionen auch als erste in Betracht. Um die Internet-Konnektivität für die Endgeräte mehrerer Benutzer bereitzustellen, integrieren die Fahrzeughersteller LTE-Modems und einen Wi-Fi-Zugangspunkt. Während der Fahrt werden die Internet-Daten der Benutzer über das LTE-Modem geroutet. An einigen Orten, wie Parkplätzen von Einkaufszentren oder im Stadtzentrum, kann sich das Wi-Fi des Fahrzeugs mit dem Internet über öffentliche Wi-Fi-Zugangspunkte anstelle des LTE-Modems verbinden. Das hilft Gebühren zu senken und das Mobilfunknetz zu entlasten.

Die Anbindung der Geräte der Fahrzeuginsassen ist jedoch nicht die einzige Funktion, die vom Wi-Fi des Fahrzeugs unterstützt wird. Neue Systemfunktionen können aus den hohen Datenübertragungsraten und der genormten Konnektivität des Wi-Fi-Netzwerks ebenfalls großen Nutzen ziehen. Zwei Funktionen sind dabei für die Entwickler der Fahrzeugsysteme ganz besonders attraktiv:

  • Intelligente OTA-Upgrades: Immer mehr Funktionen des Fahrzeugs werden aktualisierbar und regelmäßig verbessert. Wie bei Apps für ein Smartphone werden die Systeme des Fahrzeugs vom Hersteller durch regelmäßige Online-Sicherheits- und Funktionsupdates unterstützt. Durch die drahtlose Bereitstellung dieser Updates entfällt für den Fahrzeughersteller die Notwendigkeit, das Fahrzeug in die Werkstatt zu rufen.

  • Display Sharing: Dienste wie Apple CarPlay, Android Auto und MirrorLink zeigen den Bildschirminhalt und die Funktionen des Smartphone des Fahrers auf dem Display des Fahrzeug-Infotainment-Systems an. Dadurch kann der Fahrer Apps und Inhalte des Smartphones während der Fahrt nutzen, indem er über den Touchscreen des Fahrzeugs oder Sprachbefehle darauf zugreift. CarPlay ermöglicht dem Fahrer zum Beispiel mit Hilfe der Apple Sprach-
    erkennungssoftware Siri, Apps auf dem Smartphone zu nutzen, ohne die Hände vom Lenkrad und den Blick von der Straße zu nehmen. Display Sharing ist allerdings erst in sehr teuren Fahrzeugen oder als Zukaufoption in Mittelklassefahrzeugen verfügbar. Das Display Sharing wird jedoch zunehmend über die Wi-Fi-Konnektivität erfolgen und auch in den unteren Fahrzeugklassen eingesetzt werden, da es den Herstellern erlaubt, Funktionen wie die Navigation über das Smartphone des Fahrers zu implementieren. Damit können die Hersteller auf die Integration eines eigenen Navigationssystems im Fahrzeug verzichten.

Wi-Fi-Chips speziell für Autos

Der Einsatz von Wi-Fi im Fahrzeug unterscheiden sich wesentlich von dem im Haushalt. Zuhause hat der Wi-Fi-Router nur eine Aufgabe: mehrere Geräte an das Internet anzubinden. Im Fahrzeug stellt der Wi-Fi-Router gleichzeitig den Internetzugang her und schafft eine breitbandige Verbindung zwischen einem Smartphone und der Fahrzeugeinheit für CarPlay, Android Auto oder ähnliche Dienste. Zusätzlich fragt er bei den Cloud-Servern des Herstellers ab, ob Software-Updates vorliegen, die bei Bedarf geladen werden. Die gleichzeitige Bedienung und die Servicequalität bei mehreren Anwendungen sind für herkömmliche Wi-Fi-Chips eine Herausforderung. Sie sind darauf ausgelegt, jeweils nur eine Anwendung zu unterstützen. Fahrzeuginsassen die zum Beispiel auf dem Rücksitz über Tablets Live-Streams verfolgen, tolerieren allerdings keine regelmäßigen Unterbrechungen beim Nachladen, während das Wi-Fi-Netzwerk damit beschäftigt ist, den Bildschirminhalt und Navigationsdaten aus dem Smartphone des Fahrers zur Fahrzeugeinheit zu übertragen.

Herkömmliche Wi-Fi-Chips nutzen einen einzigen Media Access Controller (MAC), um zwischen Kanälen und Bändern umzuschalten. Falls mehrere Anwendungen und verschiedene Bänder benötigt werden, bricht ihre Leistung rasch ein. Die Lösung besteht darin, mit dem Chip des Wi-Fi-Zugangspunkts zwei getrennte Wi-Fi-Verbindungen gleichzeitig und in zwei verschiedenen Frequenzbändern bereitzustellen. Ein Funk-System-on-Chip für automotive Systeme von Cypress Semiconductor, das CYW89359, bietet mit zwei getrennten MAC einen gleichzeitigen RSDB-Betrieb (Real Simultaneous Dual Band). Es enthält einen Dual-Band/Dual-MAC-Funkteil für den gleichzeitigen Betrieb auf
2,4 und 5 GHz. Jeder Transceiver hat einen eigenen MAC und eine Physical-
Layer-Schnittstelle (PHY) zur eigenen Antenne. Im Fahrzeug kann damit ein Display-Sharing-Dienst auf 5 GHz laufen, während über den 2,4-GHz-Teil eine unterbrechungsfreie Internetverbindung für die Geräte der übrigen Personen im Fahrzeug bereitgestellt wird.

Dieses Problem der Gleichzeitigkeit reicht über die Bereitstellung der Wi-Fi-Konnektivität hinaus und schließt auch 2,4-GHz-Bluetooth-Verbindungen ein. Im oben beschriebenen Fall könnte ein weiterer Fahrgast ein Telefongespräch über eine Bluetooth-Audioverbindung führen. Tatsächlich ist der Bluetooth-Funkteil auch dann aktiv, wenn kein Gerät mit ihm gepairt ist. Ein Bluetooth-Host zeigt ständig seine Anwesenheit an. Dazu sendet er Signale aus, die Geräten in der Nähe auf ihn aufmerksam machen. Verschiedene Hersteller implementieren dieses Verfahren auf unterschiedliche Weise. Wenn diese Signale in größeren Abständen gesendet werden, spart das Energie, verlängert jedoch die Zeitdauer bis ein Gerät vom Host erkannt und gepairt wird.

Viele Fahrzeughersteller stellen für eine optimale Benutzererfahrung einen Zyklus von 100 Prozent ein. Das führt jedoch dazu, dass das 2,4-GHz-Band sehr stark belastet wird. Beim Betrieb mit einer gemeinsamen Antenne wird die Nutzung von Wi-Fi auf 2,4 GHz erheblich eingeschränkt. Beim CYW89359 hat der Bluetooth-Funkteil seinen eigenen HF-Weg und eine separate Antenne. Dadurch können die Verfügbarkeitssignale des Hosts über eine Antenne abgesetzt werden, während die Wi-Fi-Funkteile aus 2,4 GHz und 5 GHz über eigene, getrennte Antennen arbeiten. Dadurch ist ein gleichzeitiger Bluetooth- und Wi-Fi-Betrieb ohne Unterbrechungen möglich.

Mit der Installation von Wi-Fi im Fahrzeug stellen die Hersteller einen Kommunikationsweg bereit, der große OTA-Softwareupdates übertragen kann. Das ist sowohl für den Hersteller als auch für den Besitzer des Fahrzeugs ein hilfreiches Feature. Es setzt das Fahrzeug aber auch dem Risiko böswilliger Attacken aus. Sie sind dadurch in gleicher Weise angreifbar, wie ein mit einem Netzwerk verbundener PC. Die Sicherheit eines Fahrzeugs ist durch jede Verbindung des Fahrzeugs mit der Außenwelt gefährdet. Ob die Verbindung über Wi-Fi, Bluetooth, LTE oder Kabel besteht, spielt dafür prinzipiell keine Rolle. Die Sicherung des Wi-Fi-Kanals ist deshalb ein wichtiger Teil einer umfassenden Sicherheitsstrategie für das Fahrzeug. Ein im Fahrzeug eingebauter Wi-Fi-Chip sollte die neusten und bewährten Standards zur Verschlüsselung und Authentifizierung beherrschen. Der CYW89359 unterstützt unter anderem WPA und WPA2 zur Authentifizierung, den chinesischen WAPI-Standard (Wireless Authentication and Privacy Infrastructure) und AES (Advanced Encryption Standard) und TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) zur Verschlüsselung.

Wichtige Punkte bei der Implementierung von Wi-Fi im Fahrzeug
Eine Implementierung von Wi-Fi in PKWs muss einen nahtlosen, unterbrechungsfreien und gleichzeitigen Betrieb mehrerer Anwendungen in den Frequenzbändern 2,4 GHz und 5 GHz unterstützen. Das schließt die Internet-Konnektivität für Endgeräte, Display-Sharing-Dienste und Bluetooth-Anwendungen mit ein. Um das sicherzustellen müssen Fahrzeughersteller Lösungen integrieren, die den gleichzeitigen Betrieb getrennter Kommunikationsströme über die 2,4-GHz- und 5-GHz-Wi-Fi-Kanäle sowie den 2,4-GHz-Bluetooth-Kanal erlauben.

Bildergalerie

  • Display-Sharing: Über Dienst wie Apple CarPlay und Android Auto lassen sich Mobilgeräte mit dem Display des Autos verbinden. Der Fahrer kann dadurch mit diesem auf Funktionen seines Smartphones zugreifen. Fahrzeughersteller sparen sich hingegen den Einbau von beispielsweise Navigationssystemen in das Fahrzeug.

    Bild: Cypress Semiconductor

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