I takt med att vi sätter mer och mer tillit till trådlösa anslutningar i våra fordon ökar efterfrågan på inbyggd Wi-Fi. Med introduktionen av Wi-Fi 6 blir anslutningar i fordonet snabbare och effektivare samtidigt som man kan dra nytta av ökad kapacitet och flexibilitet både inuti och utanför fordonet på ett sätt som inte varit möjligt tidigare.

Våra fordon blir alltmer uppkopplade och vi ansluter komponenter i och utanför fordonen – till internet, andra fordon och trafikhanteringssystem. Om vi bara fokuserar på Bluetooth och Wi-Fi ser vi hur funktionaliteten har ökat under de senaste tio åren. I fordon som tidigt använde trådlösa tekniker var det till en början en enkel Bluetooth-handsfree-profil och kanske en Wi-Fi-hotspot. Sedan följde Bluetooth-aktiverad strömning av ljud (A2DP) tillsammans med Wi-Fi för fler funktioner och syften, även Wi-Fi-aktiverad skärmdelning.

Idag blir mer avancerade funktioner allt vanligare, inklusive trådlös insamling av sensordata, uppdateringar av mjukvara och kontinuerlig uppladdning av data. Nya användningsfall som styrning av laddning för elbilar samt lokala nätverksanslutningsmöjligheter på t.ex. parkeringsplatser, är exempel på hur trådlös uppkoppling blir alltmer intressant.

Vi kommer att se ett fortsatt ökat beroende av trådlösa system och överföring av data till bilar, lastbilar och andra typer av fordon. I takt med att självständiga körsystem gör sitt inträde på marknaden i olika faser kommer vi få erfara hur behoven av dataöverföring ökar mellan bilar och olika molnbaserade system samt mellan fordon som är i trafik. Kommunikation som ska föras mellan fordon och även omfatta andra typer av utrustning och terminaler (vehicle-to-everything communication [V2X]) kan hanteras av en specifik lösning baserad på IEEE standarden 802.11p/bd, med den cellulära varianten standardiserad av 3GPP [C-V2X] eller i kombination av dessa beroende på marknad och regulatoriska krav.

Fig 1. I dagens fordon finns redan flera av de trådlösa teknikerna. Fler funktioner och uppkopplingar planeras i takt med ökade möjligheter och användningsområden.

Att förse passagerare och förare i fordonet med underhållning blir hela tiden mer populärt och när det gäller kraven på bandbredder blir dessa därmed mer krävande och kan inte förbises. I Ericssons årliga rapport om mobila system ”mobility report” förutspår man att den mobila videotrafiken kommer att fortsätta växa procentuellt och volymmässigt från 63 procent och 38 exabytes per månad under det tredje kvartalet 2019 till 73 procent av den sammantagna mobila datatrafiken och 160 exabytes per månad år 2025. En del av videounderhållningen som förväntas öka är förbrukningen i fordon i takt med att passagerare har egna surfplattor och smarta telefoner samt att det blir större inbyggda skärmar och bättre infotainmentsystem i bilarna.

Det börjar bli trångt i bilen
Samtidigt som vi ser ett växande antal tillämpningsområden och fler användningsmöjligheter för trådlösa anslutningar i bilar ökar också risken för överbelastade system, vilket kan ha en negativ inverkan på prestanda. Det blir allt viktigare att minska risken för denna typ av försämring på grund av interferens, parallella uppkopplingar och höga datatakter. Det tillkommer därmed nya krav på hur man ska öka Wi-Fi kapaciteten och hantera resurserna i våra fordon med ständigt nya och varierande tillämpningar, där var och en fungerar på sitt eget sätt och har specifika systemkrav.

Med Wi-Fi 6, den senaste generationen Wi-Fi-teknik som håller på att lanseras både för konsumentelektronik och inom bilbranschen, kommer man kunna hitta lösningar på många av dessa nytillkomna utmaningar genom att göra anslutningarna snabbare och effektivare. Under de kommande åren förväntas Wi-Fi 6 (baserad på standarden IEEE 802.11ax) fungera som en avgörande katalysator på många olika områden där man arbetar med bilsystem och avancerade förarassistanssystem. Enligt ABI Research uppskattar man att 50 procent (35 miljoner enheter) av leveranserna av Wi-Fi-chipsets inom bilindustrin kommer att utgöras av Wi-Fi 6 år 2023 och 70 procent (50 miljoner enheter) år 2024.

Fig 2. Ett allt större antal användningsfall inom och kring fordon konkurrerar om samma spektrum och resurser, vilket ökar risken för överbelastade signaler och reducerad prestanda (klicka för större bild).

Mot en framtidssäker lösning
Både Bluetooth och den ursprungliga Wi-Fi varianten 802.11b/g använder trådlös uppkoppling i 2.4 GHz-bandet, där de konkurrerar om samma spektrumresurser. I takt med att behoven av bandbredd för framväxande användningssituationer med Wi-Fi ökar tillgodoses dessa i första hand med 5 GHz-bandet och så snart fler regulatörer öppnar upp det nya 6 GHz-bandet kan man börja använda Wi-Fi 6E (FCC i USA öppnar upp 5.925 – 7.125 GHz dvs 1200 MHz som kan användas för Wi-Fi 6E). Mer och mer datatrafik migrerar till högre frekvenser, vilket också innebär att resurser på 2.4 GHz-bandet frigörs. Detta möjliggör i sin tur ytterligare användning av effektiva Bluetooth-anslutningar i fordon där det också är krav på att förbruka lite energi.

Förutom att sätta sin tillit till Bluetooth och Wi-Fi måste fordon kunna dra maximal nytta av 4G- och 5G, de mobila tekniker som ger längre räckvidd och bra täckning med snabba datahastigheter och låg latens, tillämpningsområden som ger bättre användarupplevelse, trygghet och säkerhet. I fall där datahastigheterna är mycket höga och många bilar befinner sig inom ett begränsat geografiskt område kan man använda mobila nätverk och Wi-Fi samtidigt. I användarsituationer då Wi-Fi förväntas vara den huvudsakliga bärande delen – t.ex. i garaget, på bensin- eller laddningsstationen eller parkeringsplatser – kommer den att kunna hantera snabba datahastigheter för egen maskin.

Priset man får betala för dessa trådlösa funktioner, de ökade prestanda och de medföljande funktionerna blir att fordonet måste tillgodose en momentant högre effektförbrukning. Men med tanke på den senaste tidens framsteg med standarder för trådlösa nätverk, utveckling av chipsets och effektiva programvaruprotokoll kommer man att bana väg för fordon med funktioner som ligger långt före det tidigare konceptet med ”smarttelefoner på hjul”.

Lösningen med Wi-Fi 6
Med Wi-Fi 6 får vi en betydelsefull katalysator för utvecklingen av fullständigt uppkopplade bilar. Jämfört med föregående Wi-Fi versioner är den största förbättringen när det gäller ökad spektrumeffektivitet att man kommer att leverera upp till fyra gånger högre bandbredd och systemkapacitet. På detta sätt kan man antingen betjäna fler kunder per åtkomstpunkt eller aktivera nya användarfall med den nya större bandbredden, till exempel strömma video med ultrahög upplösning. Tack vare den ökade flexibiliteten blir Wi-Fi 6 även bättre anpassat till användningsfall där mindre datamängder och högre effektivitet är viktiga parametrar.

Medan de tidigare Wi-Fi-versionerna optimerades till några få användares behov, i synnerhet inuti fordonen, har man med Wi-Fi 6 lagt fokus på upplevelsekvaliteten för flera olika användare och för miljöer med högre och varierande datatrafik. För användarfallen i bilbranschen är förbättringarna när det gäller längre räckvidd och bättre utomhustäckning också av särskilt intresse.

Genom att utnyttja tillgängliga radioresurser för små datamängder på ett effektivare sätt och begränsa RF bandbredden till 20 MHz i kretsar kan man med hjälp av Wi-Fi 6-teknik skapa mer effektiva och mindre komplexa, Wi-Fi-baserade lösningar med låg strömförbrukning för IoT-segmentet.

Vi tar en titt under motorhuven
Hur fungerar Wi-Fi 6? För det första använder man den digitala modulationen OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) både för upplänken och nedlänken. Man delar in alla OFDMA-överföringskanaler i små underbärvågor i frekvensdomän och tidluckor i tidsdomän och erhåller på så sätt resursenheter med möjlighet att skicka data i paket från en åtkomstpunkt till flera användare samtidigt vilket ökar antalet användare som kan kommunicera samtidigt.

Tekniken med OFDMA innebär för Wi-Fi (på liknande sätt som för 5G) att man har ortogonala signaler så att man kan utnyttja flera underbärvågor i frekvensdomän så man erhåller längre symboltider och högre resistens mot flervägsutbredning genom att lägga till ett längre cykliskt prefix i tidsdomän mellan enskilda symboler. Tillsammans med nya ”PHY headers” får man ökad stabilitet i miljöer där radiokanalen har längre tidsdispersion, t.ex. i utomhusmiljöer.

Enligt Wi-Fi 6 kan man dessutom använda upp till 8 parallella spatiella strömmar för flera användare (8-by-8 multi-user multiple-input multiple-output [MU-MIMO]) både i upplänken och nedlänken för att generera högre kapacitet på olika avstånd och 1 024 kvadraturamplitudmodulering (1024-QAM) för högre toppkapacitet vid korta avstånd.

Bland andra nya funktioner hittar man förbättrad återanvändning av frekvenser, som också går under namnet BBS-karaktär (BBS coloring), vilket betyder att man kan kombinera flera kanaler med samma ”färgkod” för att skicka datameddelanden. Med ett nytt schema där man kan se till att vissa mottagare vaknar vid särskilda tider (Target Wake Time TWT) har olika enheter möjlighet att spara energi i ett lågenergiläge när de inte är aktiva.

(klicka för större bild)

(klicka för större bild)
Figur 3: När man drar maximal nytta av det digitala moduleringsschemat OFDMA ökar bandbreddskapaciteten för Wi-Fi 6 genom att dela in alla överföringskanaler i små underkanaler (resursenheter) varigenom man kan skicka paket från en åtkomstpunkt till flera användare samtidigt.
(Bildkälla: Intel https://itpeernetwork.intel.com/faster-speeds-ofdma-802-11ax)

Tack vare att man drar nytta av en högre kapacitet och flexibilitet, större bandbredd och en bättre täckning, förväntas den nya trådlösa standarden att tas emot med öppna armar av fordonsindustrin. Exakt hur enskilda fordonstillverkare och underleverantörer bestämmer sig för att gå vidare med implementeringen återstår att se. Under årens lopp har vi bevittnat hur olika tillverkare har rört sig åt något olika håll när det gäller hur de delar upp de olika Wi-Fi-systemen i fordonet: antingen för att anpassa sig till funktionella användningssätt (TCU, IVI, ADAS, EVCC) , en kostnadsoptimerad kombination av användningsområden, eller till mer fysisk användning, t.ex. genom att kommunicera inuti eller utanför fordonet. De många skilda ingångarna var väntade då tekniken utvecklas parallellt med det ökande antalet användningssituationer och användningsområden.

Detsamma gäller för hur själva Wi-Fi- och Bluetooth-lösningarna implementeras. Vissa tillverkare föredrar att själva implementera Wi-Fi lösningen med ett chip och kringkomponenter direkt på ett kretskort. I sällsynta fall kan man få en mer anpassad eller flexibel lösning i kombination med ett lägre antal komponenter. Faktum kvarstår dock att man oftast drar mer nytta av en modullösning med integrerat Wi-Fi chip som redan certifierats, varmed man kan förkorta utvecklingstiden samt förenkla enheternas utförande och dessutom betydligt enklare migrera till nästa generations teknik. Sammanfattningsvis för en modullösning kan man med ovanstående fördelar optimera utvecklingstiden, säkerställa lanseringstiden och på ett genomgripande plan minska de direkta och indirekta kostnaderna samt reducera riskerna.

Wi-Fi 6: Ett motgift mot fullpackade system och begränsade bandbredder
I takt med att man installerar alltmer avancerade funktioner i våra fordon för ökad säkerhet, bekvämlighet och tillgänglighet blir Wi-Fi allt viktigare att räkna med i form av en kritisk drivkraft för trådlösa anslutningar inuti, utanför och mellan fordon så att man alltid har tillgång till pålitliga anslutningsmöjligheter för fler och fler användningssituationer. De aktuella generationerna Wi-Fi-teknik kommer att fortsätta att spela en roll inom fordonsindustrin under många år framöver – men om man bara förlitar sig på dem när vi står i begrepp att möta en allt större efterfrågan på trådlösa anslutningsmöjligheter inuti och kring fordonet finns det en ökad risk för belastade signaler och reducerad prestanda. När man är i behov av ökad bandbredd och kapacitet kan man dra nytta av Wi-Fi 6 som innebär att flera användare samtidigt kan betjänas av varje åtkomstpunkt och gör det möjligt att använda högre datatakter samtidigt som täckningen ökar.

Fredrik Lönegård, Senior Product Marketing Manager och Peter Karlsson, teknisk chef, Product Center Short Range Radio, u-blox

Filed under: Fordonselektronik