Allt fler radiosystem måste kunna samexistera i en bil. Det innebär att de måste kunna sända eller mottaga utan att störa varandra. Risken för störningar måste elimineras redan under utvecklingsprocessen.

Moderna fordon innehåller allt fler infotainmentsystem som gör det möjligt för de åkande att kommunicera med omvärlden. För att säkerställa god mottagning i bilen finns där allt fler sändar- och mottagarantenner som är placerade nära varandra och som hör till olika radiosystem. Med den här typen av samexistens mellan olika radiosystem i bilen (in-car coexistence) finns en inneboende risk för ömsesidiga störningar, något man måste eliminera redan under utvecklingsprocessen.
Enligt en studie av Accenture är mer än 48 procent av bilköparna idag mer intresserade av elektronisk utrustning, som förarassistans och infotainment, än av köregenskaper. Sedan länge finns traditionella biltillverkare representerade i Silicon Valley i Kalifornien. Där arbetar de för att tidigt få med intelligent och nätverksbaserad mobilitet i sina produkter, detta för att speciellt locka den yngre målgruppen till bilköp. Sammansmältningen av fordon och modern informationsteknik till en ”Smart Car” är inte längre en framtidsvision utan snarare en realitet på våra vägar.

Korthållsradio
En viktig funktion i ”Smart Car” är möjligheten att trådlöst koppla ihop smarttelefoner med bilens infotainmentsystem med hjälp av icke cellulära teknologier som WLAN eller Bluetooth. Denna koppling gör det möjligt att synkronisera data från en mobiltelefon med bilens inbyggda enhet så att till exempel kontakter och musik blir tillgängliga för de åkande under färden. Biltillverkarna erbjuder integrerade surfzoner med WLAN för att ansluta smarttelefoner och datorplattor till Internet. Med cellbaserade mobiltelefonstandarder som WCDMA eller LTE kan man då koppla upp sig mot mobilradionätet.

Bluetooth och WLAN
Bluetooth-standarden använder det licensfria ISM-bandet från 2,402 GHz till 2,480 GHz. När det gäller WLAN används olika frekvensområden i olika länder inom 2,4 GHz och 5 GHz banden. Användningen av flera olika standarder som LTE, WLAN och Bluetooth samtidigt kallas samexistens. Läckage till intilliggande kanaler kan ge kvalitetsproblem som minskad datahastighet eller totalt utstörd kommunikation.

Radio i trånga utrymmen
Simultan samlokalisering av olika radiosystem är inget nytt fenomen. Det regleras av internationella frekvensplaner och tekniska specifikationer. Vad som är nytt däremot är att dessa system nu måste både kunna sända och ta emot i mycket trånga utrymmen.
Viktiga oberoende standardiseringsorgan som hanterar dessa frågor är 3rd Generation Partnership Project (3GPP) för cellbaserade standarder och Wi-Fi Alliance för WLAN-standarden. Dessa organ specificerar bland annat gränsvärden för RF-läckage till andra frekvensområden. Detta kan specificeras till exempel som undertryckning av grannkanalen (Adjacent Channel Leakage Power – ACLR). Denna parameter specificerar förhållandet mellan sändareffekten hos den önskade signalen och den effekt som läcker över till intilliggande kanal och som skall hållas så låg som möjligt. En annan viktig parameter när man verifierar radio standarder är spektrummask (Spectrum Emission Mask – SEM). Denna parameter använder toleranslinjer för att definiera tillåtna signalnivåförlopp inom och utom det sändarband som är allokerat till en standard för att begränsa störningar i grannkanalerna och i andra frekvensband.

Tätt mellan antenner
Passagerarutrymmet i en bil utgör en speciell utmaning för utvecklingsingenjörerna på grund av det ökande antalet sändar- och mottagarantenner som är samlokaliserade inom väldigt korta avstånd och i ett näst intill skärmat utrymme. Dessutom måste man här ta hänsyn till tillhörande reflektioner.
Här kommer signalen från en sändare alltid att påverka andra system mer än om det hade varit ett fritt fält eller ett större rum. Det är speciellt problematiskt eftersom de icke cellbaserade systemen ligger i näraliggande frekvensband.
Även LTE-standaren kan vara i farozonen här beroende på vilket frekvensband som används. LTE TDD-system (Time Division Duplex) på band 40 ligger endast 1 MHz nedanför och i LTE FDD-system (Frequency Division Duplex) ligger upplänken för band 7 bara 17 MHz ovanför 2,4 GHz WLAN-band (fig 1).

Fig 1. Det licensfria ISM-bandet används av WLAN och Bluetooth och en del andra radiotjänster. Det lägre bandet ligger väldigt nära LTE band 40 och det övre ligger intill LTE band 7 (Klicka här för större bild) .

Som resultat av detta kan sändarsignaler ge upphov till störningar i intilliggande mottagare och överstyra dessa så att det blir omöjligt att ta emot den önskade signalen. Användningen av olika LTE-band beror på vilket land man befinner sig i och vilken nätoperatör man använder. Och eftersom det inte går att förutsäga vilka länder en bil kommer att passera måste man under utvecklingsarbetet ta hänsyn till alla möjliga scenarion för att säkerställa störningsfri funktion. Dessutom ökar listan av potentiella störproblem eftersom satellitbaserade navigationssystem (GNSS) som GPS, Glonass och Galileo som används i bilar också kan försämras av LTE-signaler på band 7, 13 och 14.

Digital dividend
För att ta sig an behovet av ytterligare frekvenser för mobilt Internet gjorde International Telecommunication Union (ITU) år 2009 800 MHz-bandet tillgängligt för mobilradioapplikationer, följt detta år av 700 MHz bandet (Digital Dividend 2) som tidigare varit exklusivt reserverat för TV-sändningar. Detta betyder att bilradioenheter och infotainmentsystem som kan ta emot marksänd TV kan få störningar från mobilradiosignaler. Därför är det nödvändigt att de som arbetar med utvecklingen tar med alla rundradio- och TV-signaler i sina testscenarion.

Möjliga förbättringar
Det finns många olika sätt att förbättra mottagningskvalitén i bilar. Att rent fysiskt separera sändare och mottagare mer och på det viset minska kopplingen dem emellan, låter sig inte göras då just bristen på utrymme är det grundläggande problemet. Inte heller användning av traditionell skärmningsteknik för RF-signaler är tillräckligt för att lösa problemet. Däremot kan man använda sig av extra bandpassfilter för sändarantennerna för WLAN och Bluetooth för att reducera RF-läckage till de LTE-band som är i farozonen. Också sändareffekten för de enskilda applikationerna kan minskas eftersom utrymmet är så litet och på så sätt också minskas också störnivåerna.
När det gäller icke cellulära standarder kan detta realiseras på individuell nivå. Detta är däremot inte möjligt när det gäller cellulära standarder eftersom sändareffekten i det fallet regleras av basstationen.

Fasta frekvenser och frekvenshopp
En grundläggande skillnad mellan WLAN och Bluetooth är, vid sidan av räckvidden, att WLAN använder fasta frekvenser medan Bluetooth använder frekvenshopp (Frequency Hopping). Bluetooth-signalen växlar slumpmässigt mellan 40 möjliga kanaler med ett raster av 2 MHz (BT4.0) upp till 1600 gånger per sekund. Detta förhindrar att signalen permanent stör en fast frekvens för WLAN i 2,4 GHz-bandet.

Spärrade frekvenser
Mottagningskvaliteten i fordonet kan ytterligare förbättras både i frekvens- och tidsdomän. De olika aktuella standarderna finns implementerade i de högintegrerade processorkretsar som används i dagens infotainmentsystem. I basbandsapplikationerna finns information om vilka frekvenser som används för olika system. Detta innebär att en ”svart lista” kan tas fram för Bluetooth-signalens frekvenshopp, som innehåller de frekvenser som kan störas av LTE signaler och därför bör undvikas. Detta förfarande kallas adaptivt frekvenshopp (Adaptive Frequency Hopping).
För att undvika störningar från LTE på GNSS signaler kan man ha nytta av att tidigt ta hänsyn till dataöverföringar i tidsdomän. Om till exempel en LTE-krets har information om att en datapaket för GNSS som är 20 ms långt skall hanteras, kan den stoppa sin egen aktivitet under exempelvis 15 ms, så att den inte stör hela paketet, samtidigt som den egna fördröjningen hålls nere så att det inte märks något för den som använder LTE-tjänsten.

Mottagardiversitet
Mottagningskvaliteten för audio- och videosystem i bilar kan förbättras genom användning av flexibel mottagardiversitet. Signalen tas emot och utvärderas av upp till tre RF-mottagare och endast den bästa signalen processas vidare. En extra antenn (3+1 principen) används för att monitorera frekvensspektrat. Denna antenn tar in information om möjliga störningar men också om andra frekvenser där mottagningen kan vara bättre, som den överför till övriga mottagare i systemet så att dessa kan byta frekvenser.

Oavbruten detektering av oönskade signaler
En spektrumanalysator kan användas för att fånga upp och presentera parametrarna för icke önskade signaler i frekvensdomän. Denna information kan användas för att bestämma ursprung och typ av oönskad signal. I praktiken kan dessa signaler ha mycket kort varaktighet men ändå ha negativ påverkan. Därför använder man ofta realtids spektrumanalysatorer.
Instrument som R&S FSW från Rohde & Schwarz kan, när det är utrustat med realtidsoptionen R&S FSW-K160RE, mäta kontinuerligt i realtid och på så sätt fånga in varje händelse för analys hur kort den än är. Frekvenshoppen hos en Bluetooth-signal verifierar man bäst genom att använda spektrogram presentation (fig 2), eftersom det visar hur spektrat förändrar sig över tid. Detta ger en bra översikt av signalens beteende och tillåter utvärdering också av kortvariga störningar. Men för att bestämma hur de olika radiosystemen blir störda krävs ytterligare mätningar.

Fig 2. Med spektrogram presentation kan de individuella frekvenshoppen hos en Bluetooth-signal presenteras och följas (Klicka här för högre upplösning)

Utvärdering av mottagarkänslighet
Samexistensmätningar används för att bestämma hur stor känslighetsnedsättningen är, det vill säga försämringen av mottagarkänsligheten som resultat av kraftigt RF-läckage från en närliggande signal.
Ett viktigt kriterium för att bestämma känsligheten hos en mottagare är bitfelsfrekvensen (Bit Error Rate – BER). Enheten som testas tar emot ett visst antal bitar inom en given tidsram och dessa jämförs med en referenssignal.
För WLAN och Bluetooth är motsvarande begrepp paketfelsfrekvens (Packet Error Rate – PER) och för LTE är det blockfelsfrekvens (Block Error Rate – BLER). Med denna mätning kan man se hur felfrekvensen ökar när man går under en viss signalnivå (fig 3, blå kurva). Om man dessutom lägger på en störsignal så kan man se det som att kurvan flyttas åt vänster (fig 3, röd kurva). Känsligheten hos mottagaren försämras tydligt.

Fig 3. Den blå kurvan visar en typisk WLAN PER kvalificering utan störare. När signalnivån minskar ökar felfrekvensen. Detta sker vi en högre signalnivå när det också finns en störsignal (röd kurva) och känsligheten hos mottagaren försämras märkbart – detta kallas känslighetsnedsättning.

Mätplats för multistandard
En mobilradiomätplats som är gjord för multistandard är en lämplig testutrustning för samexistensmätningar. Med den flexibelt konfigurerbara R&S CMW500 erbjuder Rohde & Schwarz en testplattform som kan mäta alla viktiga cellbaserade och icke cellbaserade kommunikations standarder för olika radiosystem samtidigt. Som ett resultat av detta kan både önskad som oönskad signal genereras av ett enda instrument. För att få en realistisk simulering av utbredningsförhållandena i passagerarutrymmet och ömsesidig interferens, bör testuppkopplingen göras via luftgränssnittet i stället för den enklare lösningen med kabelanslutning. För mindre testuppkopplingar kan en kompakt testkammare användas. Ingångsdelen på R&S CMW500 har flera RF anslutningar för signalvägarna för sändare och mottagare och på så sätt elimineras behovet av en kopplingsmatris för enklare scenarion.

Rundradio och TV
För simulering av diversitetsmottagning för rundradio och TV rekommenderas en annan multistandardplattform. Det är R&S BTC Broadcast Test Center. Med två oberoende realtids signalvägar och upp till åtta vågformsgeneratorer som kan generera godtyckliga signaler kan man generera alla nödvändiga internationellt standardiserade rundradio och TV-signaler och dessutom relevanta störsignaler (fig 4). På så sätt har utvecklingsingenjören tillgång till inte bara lokalt gångbara offentliga nät, utan också de som används i andra länder så att det går att testa för olika scenarion i hela världen.

Fig 4. R&S BTC kan användas för komplexa scenarion med mottagardiversitet för rundradio- och TV-signaler. Frekvens och nivå för de individuella önskade och oönskade signalerna kan justeras i realtid (Klicka här för större bild) .

Uppkopplade bilar i framtiden
De scenarion som beskrivits handlar inte bara om att göra det möjligt för dem som sitter i bilen att ringa eller koppla upp sina portabla enheter mot bilens infotainmentsystem. I framtiden kommer bilarna att vara konstant uppkopplade mot sin omgivning. Denna uppkoppling kan ge snabb access till företagets server eller värmesystemet hemma i villan eller så kan det användas av serviceverkstaden för en felsökning via bilens diagnossystem.
WLAN-standarden 802.11p gör det möjligt med kommunikation mellan fordon, till exempel för att förmedla information om en olycka, vägarbete eller hal vägbana. Europa, USA, Sydkorea och Japan har redan allokerat frekvensband för detta ändamål.
För att ytterligare optimera mottagningen i bilen planerar man att utrusta framtida bilar med egna små mobilbasstationer (LTE Hotspots). Dessa Hotspots som idag redan används exempelvis i större byggnader, ger inte bara en bra koppling mellan trådlösa enheter och bilens yttre antenn, utan ger också möjlighet till individuell anpassning av sändareffekten så att störningar inne i bilen reduceras.

Författare: Christoph Wagner leder affärsutveckling inom fordonsområdet hos Rohde & Schwarz i München. Han har studerat kommunikationsteknik vid Deutsche Telekoms Universitet för tillämpad vetenskap i Berlin och vid Ingenjörshögskolan i Köpenhamn.

Filed under: Avstorning