Wi-Fi i hjertet av den tilkoblede bil

Moderne biler har i økende grad likheter med mobile IoT- (Internet of Things) enheter, og bruker en rekke sensorer for å forbedre førersikkerheten og brukervennligheten ved å samle inn og agere på interne og eksterne data. Trådløs kommunikasjon er en grunnleggende muliggjører for denne utviklingen innen bilteknologi, og de raskt voksende datavolumene som genereres av applikasjoner som Advanced Driver Assistance Systems, (ADAS) og In-Vehicle Infotainment, (IVI), driver innovasjon innen trådløse teknologier som f.eks. Bluetooth, Wi-Fi og mobilnett. Wi-Fi er godt etablert i bilsektoren og har svart på kravene til den tilkoblede bilen med et fokusert sett med utgivelser, og flyttet teknologien fra Wi-Fi 5 til Wi-Fi 6 og 6E, med Wi-Fi 7 i kjømda, som hver tilbyr forbedringer i båndbredde, kapasitet og effektivitet.

I denne artikkelen ser vi på utviklingen i bilindustrien og den tilhørende utviklingen av Wi-Fi, før vi diskuterer hvordan utviklere av bilapplikasjoner kan maksimere fordelene med de nyeste Wi-Fi-utgivelsene.

Den tilkoblede bilens epoke

Sofistikerte elektroniske enheter forvandler den moderne bilen, gjennom å forbedre sikkerheten, bekvemmeligheten og opplevelsen til sjåføren og passasjerene, samtidig som de muliggjør etablering av et rikt støtte-økosystem rundt kjøretøyet. In-Vehicle Infotainment (IVI) systemene blir stadig mer sofistikerte, og støtter lyd- og videostrømmefunksjonalitet, og Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) tolker data fra en mengde sensorer i kjøretøyet.

Trådløs kommunikasjon er kjernen i denne transformasjonen, og muliggjør ikke bare transport av data i kjøretøyet, men også konseptet "Internet of Vehicles", eller den tilkoblede bilen. Tilkoblede biler deler i økende grad data med sitt ytre miljø, inkludert andre trafikanter, intelligent veikantinfrastruktur og fotgjengere. Etter noen estimater vil autonome kjøretøy generere opptil 80 GB data per kjørte time, med en betydelig andel overført utenfor bilen, og støtter fjerndiagnostikk og prediktivt vedlikehold.

Dette raskt voksende antallet tilkoblede bilapplikasjoner og brukstilfeller, figur 1, driver en økt etterspørsel etter trådløs båndbredde og kapasitet.

IVI-applikasjoner er datahungrige, der Spotify alene bruker opptil 150 megabyte per time, mens noen estimater tyder på at høyspesifiserte ADAS-systemer kan samle så mye som 1,4 terabyte hver time. Samtidig skifter OEM-er fra tradisjonelle transaksjonelle tilnærminger til å fokusere på å tjene penger på sine installerte baser, gjennom tjenester som OTA-programvare og funksjonsoppdateringer, og applikasjoner for handel i kjøretøy. Med den globale tilkoblede bilparken anslått til å nesten firedobles i størrelse fra 236 millioner enheter i 2021 til 863 millioner i 2035, vil avhengigheten av trådløse data bare vokse.

Tilkoblede bilapplikasjoner er for tiden sterkt avhengige av Bluetooth® og Wi-Fi, men begge teknologiene må utvikles for å unngå risiko for signalfading og svekket ytelse. Det ekspanderende mangfoldet av applikasjoner i bilen, hver med sitt eget sett med egenskaper og systemkrav, stiller høyere krav til hvordan Wi-Fi-systemet håndterer ressursene, mens 2,4 GHz-båndet, som deles av både Bluetooth® og Wi-Fi, blir overfylt. Selv om tilgjengeligheten av 5 GHz-båndet har lettet situasjonen, kreves ytterligere tiltak, som å introdusere 6 GHz-båndet som en del av Wi-Fi 6E, for å lette overbelastning og øke kapasiteten.

Uten Wi-Fi kunne ikke bilen bli tilkoblet

Bluetooth og Wi-Fi er begge veletablerte innenfor den tilkoblede kjøretøyarkitekturen, med mobilteknologi inkludert LTE og, i økende grad, 5G som støtter ekstern tilkobling. Selv om 5G lover betydelige forbedringer i båndbredde, kapasitet og latens, spår analytikere at over 70 % av fremtidig 5G-trafikk vil bli avlastet til Wi-Fi, for å minimere kostnadene. I praksis vil multimodusløsninger gjøre det mulig for applikasjoner å bytte mellom 5G og Wi-Fi, avhengig av attraktiviteten (dekning, hastighet, kostnad osv.) til det respektive nettverket. I travle byer, for eksempel, med mange biler og høy etterspørsel etter data, kan 5G og Wi-Fi kjøres samtidig, mens i situasjoner som ladestasjoner eller parkeringsplasser vil Wi-Fi alene kunne støtte de nødvendige datahastighetene.

Bilapplikasjoner har tilgang til betydelige pågående og planlagte utviklinger av Wi-Fi-standarden, som skal kunne gi økte effektivitetsnivåer sammen med mer trådløst spektrum og kapasitet. Disse evolusjonene, kombinert med kostnadseffektiviteten til ulisensiert spektrum, vil konsolidere Wi-Fis sentrale posisjon i bilarkitekturen, og utskiping av Wi-Fi-enheter for biler antas å fortsette å vokse, figur 2.

Wi-Fi svarer på kravene til den tilkoblede bil

Siden det først dukket opp i 2011, har Wi-Fi blitt en vanlig funksjon i moderne biler. Mens de fleste for tiden er utstyrt med Wi-Fi 5, (802.11ac), utnytter bilprodusenter og OEM-er i økende grad de forbedrede funksjonene og mulighetene til Wi-Fi 6 og Wi-Fi 6E, figur 3, i enhetene sine for å fremtidssikre deres kjøretøy. Ifølge analytikere hos ABI Research vil 70 % av Wi-Fi-brikkesettene som sendes til bilapplikasjoner være Wi-Fi 6 innen 2024, med Wi-Fi 6E-enhetsforsendelser som også vokser raskt, mens Wi-Fi 7-enheter skal dukke opp i 2027.

Wi-Fi 5 ble utgitt i 2014, og skulle håndtere problemet med overbelastning i 2,4 GHz-båndet ved å operere på den mindre belastede 5 GHz-frekvensen. Wi-Fi 5 introduserte andre teknikker som Multi-user MIMO, (Mu-MIMO) og OFDM-modulasjon for å forbedre spektral utnyttelse og gjennomstrømning. Selv om de fleste tilkoblede biler for tiden bruker Wi-Fi 5-teknologi, gir ytterligere utgivelser betydelige forbedringer, spesielt for båndbredde- og kapasitetskrevende applikasjoner som opererer i utfordrende miljøer med høy belastning.

OFDMA og Wi-Fi 6

Wi-Fi 6 (802.11AX), utgitt i 2019, bruker flere teknikker for å redusere overbelastning, støtte høyere datahastigheter og forbedre brukeropplevelsen, og tilbyr opptil fire ganger høyere spektral effektivitet enn Wi-Fi 5. Grunnleggende for denne forbedrede ytelsen er Orthogonal frequency-division multiple access, (OFDMA), et digitalt modulasjonsskjema av høy orden, som gjør det mulig for flere brukere å kommunisere samtidig. I motsetning til Orthogonal Frequency Division Multiplexing, (OFDM), brukt i Wi-Fi 5, som sendte datapakker med fast båndbredde sekvensielt, sender OFDMA datapakker med variabel størrelse samtidig ved å bruke 256 underkanaler i stedet for 64. Som illustrert i figur 4, dedikerer OFDM én pakke i en enkelt strøm for én enhet, mens med OFDMA-kanaldeling kan en pakke inkludere informasjon til flere klienter i flere strømmer samtidig.

OFDMA forbedrer følgelig enhetskapasiteten i tette miljøer og reduserer virkningen av flerveisfading av de høyere frekvensbæresignalene, noe som øker robustheten til Wi-Fi 6 i utendørsmiljøer. Andre nøkkelfunksjoner til Wi-Fi 6 inkluderer:

• 1024-QAM modulasjon øker gjennomstrømningen med 25 %, i forhold til 256-QAM-modulasjonsskjemaet brukt av Wi-Fi 5, ved å la hvert symbol bære 10 biter i stedet for 8.
• Multiuser multiple-in multiple-out, (MU-MIMO), er implementert i både opplinken og nedlinken i Wi-Fi 6, og øker ytterligere gjennomstrømning og kapasitet i begge retninger.
• Target Wake Time, (TWT), reduserer strømforbruket ved å la enheter forhandle om når og hvor ofte de vil våkne for å sende eller motta data. TWT er verdifull for applikasjoner som må kjøres når bilen ikke er i bruk, noe som reduserer belastningen på batterilading.
• Single User Extended Range funksjonen øker tiden et symbol forblir i luften fra ett mikrosekund til ti. Selv om denne lengre symboloverføringstiden reduserer datahastigheten, er både kvaliteten og påliteligheten til dataoverføringen forbedret, noe som forbedrer overføringen over lengre avstander.

I tråd med Wi-Fi 6, har Wi-Fi 6E raskt blitt tatt i bruk av mange land siden FCCs beslutning i 2020 om å åpne 6 GHz-båndet. Ved å bruke 6 GHz-båndet gir Wi-Fi 6E applikasjoner tilgang til ytterligere opptil 1200 MHz (avhengig av land) med spektrum, noe som tillater migrering av datatrafikk til høyere frekvenser, og reduserer trykket på 2,4 GHz-båndet. Wi-Fi 6E tilbyr en opptil firedobling av båndbreddekapasiteten, med enheter som kan operere i 14 ekstra 80 MHz-kanaler eller 7 ekstra 160 MHz-kanaler, figur 5.

Den neste utviklingen av Wi-Fi-standarden vil være IEEE 802.11 be – eller Wi-Fi 7, som etter planen skal utgis i 2024. Wi-Fi 7 vil operere på tvers av 2,4 GHz-, 5GHz- og 6 GHz-båndene og vil levere ekstremt høy kapasitet. Denne siste Wi-Fi-standarden vil inkludere følgende funksjonalitet:

● En dobling av kanalbredde i forhold til Wi-Fi 6, fra 160MHz til 320MHz

● 4096-QAM modulering, som gjør at hvert symbol kan bære 12 bits

● Mer effektiv bruk av kanalspekteret ved å gjøre det mulig å tilordne flere ressursenheter til en enkelt bruker

● Multi-link-drift, som gjør det mulig for enheter å sende og motta data på tvers av forskjellige frekvensbånd og kanaler samtidig – og dermed øke gjennomstrømningen, redusere ventetiden og forbedre påliteligheten.

u-blox, Wi-Fi og bilbransjen

Wi-Fi-teknologi er allerede godt etablert i bilindustrien, og serien med fokuserte utgivelser beskrevet ovenfor gir utviklere av bilapplikasjoner som IVI, ADAS og telematikkstyringsenheter en oppgraderingsvei etter hvert som moderne biler genererer økende mengder data. I dette raskt bevegelige miljøet må OEM-er og Tier 1-er velge utviklingsveien som vil gi den raskeste tiden til markedet samtidig som kostnadene optimaliseres.

Som en global leder innen bilteknologi har u-blox en positiv merittliste når det gjelder å hjelpe sine kunder med å lykkes, og JODY-serien av moduler viderefører denne satsingen, og tilbyr raske og forenklede utviklingsmuligheter for Wi-Fi, Bluetooth Classic og LE-baserte applikasjoner i alle deres varianter. De forhåndssertifiserte modulene og støttende utviklingssettene i den svært vellykkede bilorienterte JODY-porteføljen er ideelt egnet for biltelematikk og IVI-applikasjoner. Modulene støtter et bredt spekter av formål, inkludert Telematics Control Units (TCU), OTA-oppdateringer, ECUer (Engine Control Units), samt kameratilkobling via Wi-Fi. JODY-porteføljen gir utvikleren flere fordeler, reduserer utviklingstiden, forenkler kretskort- og enhetsdesign, og akselererer time-to-market, samtidig som den reduserer de totale direkte og indirekte kostnadene.

Veldefinert oppgraderingsvei

Ettersom bilprodusenter bruker teknologi for å differensiere kjøretøyene sine, vil den tilkoblede bilen fortsette å kreve trådløs kommunikasjon med høy ytelse. Wi-Fi er allerede veletablert i bilindustrien og tilbyr en veldefinert oppgraderingsvei til OEM-er og Tier 1-er, og forhåndssertifiserte moduler som de i JODY-porteføljen fra u-blox gjør det mulig for utvikleren å ligge i forkant av markedet.