Mit der Glasfaser kommt das Gigabitnetz. So lautet der Tenor, wenn es um den Ausbau der Telekommunikationsnetze geht. Das klassische Telefonnetz mit seinen Twisted-Pair-Kupferkabeln hat zunehmend ausgedient – trotz des Geschwindigkeits-Boosters, den es dank DSL in den letzten Jahrzehnten noch erhalten hat. Die Basis für DSL ist das Übertragungsverfahren des »Orthogonal Frequency Division Multiplexings« (OFDM). Es ermöglicht eine nahezu optimale Auslastung der Übertragungskapazität der Kupferleitungen. Darin ist das Verfahren erstklassig. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi geförderte Projekt »ERIKA« rückt die Kombination von Kupferkabel und OFDM-Verfahren daher erneut in den Fokus. Die Forschungs- und Industriepartner*innen sehen den Ansatz keineswegs als Auslaufmodell an. Vielmehr könne er weiterhin eine zukunftsweisende Vernetzungstechnik gewährleisten. Allerdings – und das ist die Besonderheit - nicht im Bereich der Telekommunikation, sondern im Bereich der Mobilität und hier insbesondere für autonom fahrende Elektroautos – vom Kleinwagen bis zur Karosse. 

OFDM macht Bordnetze gigabitfähig

» Die OFDM-Übertragungstechnologie kann der entscheidende Enabler sein, um den Datenverkehr an Bord echtzeitfähig und ausfallsicher zu gestalten. Denn für die Datenkommunikation innerhalb eines Fahrzeugs gelten grundlegend andere Rahmenbedingungen und Anforderungen als bei einem Telefon- oder Internetnetzwerk«, betont Kai Habel vom Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI. Der erste gewichtige Unterschied ist die Wahl des Übertragungsmediums: Für die Verkabelung innerhalb eines Fahrzeugs haben sich die Twisted-Pair-Kupferkabel nicht nur seit Jahrzehnten bewährt, sondern gelten in der Automobilbranche auch bei der Entwicklung der Fahrzeuge von morgen weiterhin als Best-Practice-Lösung. Denn die Kupferkabel lassen sich problemlos durch enge Durchführungen und mit vielen Biegungen verlegen. Für ein Glasfasernetz dagegen ist der Bauraum eines Fahrzeugs denkbar ungeeignet, weil bei der Verlegung um Kurven Mindestradien eingehalten werden müssen oder die Installation anfällig für mechanische Beeinträchtigungen wie Motorvibrationen oder Stoßbelastungen wäre. Zudem können im Bauraum von Fahrzeugen hohe Temperaturen auftreten, für die ein Lichtwellenleiter nicht ausreichend temperaturbeständig ist. 

Der zweite entscheidende Unterschied zwischen einem Telekommunikations- und einem Bordnetz aber sind die Leitungslängen. Im Telefonnetz muss das Signal in der Regel mehrere hundert Meter oder sogar Kilometer zurücklegen. Auf dem Weg nimmt die Signalstärke immer weiter ab und nehmen Störungen zwischen benachbarten Adern desselben Kupferkabels zu. Um trotzdem eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten wird die Übertragungsgeschwindigkeit reduziert. Beim Bordnetz betragen die Leitungslängen dagegen maximal wenige Meter – zum Beispiel von einem im Fahrzeugheck verbauten Umfeldsensor bis zum Bordcomputer hinter dem Armaturenbrett. »Auf diesen kurzen Übertragungsstrecken bleibt die Stärke eines Signals nahezu unverändert. Diesen Vorteil nutzen wir und wollen mittels OFDM-Modulation auch auf der Kupferleitung nun Datenraten im Gigabitbereich realisieren«, betont Habel.

Sicherheitsrelevante Daten erhalten Vorfahrt

»Beim Datenverkehr im Fahrzeug muss vor allem sichergestellt sein, dass alle für die Sicherheit des Fahrzeugs, beziehungsweise für die Sicherheit der Personen an Bord sowie anderer Verkehrsteilnehmer*innen, relevanten Informationen fehlerfrei und ohne Zeitverzögerung übertragen werden«, so Habel. Sein Team entwickelt daher eine speziell auf die Anforderungen in Fahrzeugen abgestimmte OFDM-Kommunikationsarchitektur. Das Grundprinzip dabei ist, eine Kupferleitung nicht nur als einspurigen Übertragungskanal zu nutzen, auf dem die Datenpakete nacheinander übertragen werden. Stattdessen unterteilt das ODFM-Verfahren den Übertragungskanal in viele einzelne Subträger, sodass eine vielspurige Datenautobahn entsteht. Darauf werden Informationen aber nicht nur parallel übertragen. Es sind auch unterschiedliche Geschwindigkeiten möglich. Das wiederum ist entscheidend, damit die Daten nicht nur schnell, sondern auch zuverlässig und fehlerfrei beim jeweiligen Empfänger ankommen. Um das zu gewährleisten, überprüft das Steuerungssystem für die Datenübertragung kontinuierlich den Zustand der einzelnen Subträger. Denn auf einer Kupferleitung im Kabelbaum eines Fahrzeugs können vielfältige Einflussfaktoren zu Störungen führen. Die Ursachen dafür können beispielsweise in den physikalischen Eigenheiten der spezifischen Kupferader liegen. Oder es treten elektromagnetische Störungen durch elektrische Impulse auf benachbarten Leitungen auf. Oder, je nach Fahrsituation, durch den Betrieb von elektronischen und elektrischen Fahrzeugkomponenten vom Steuergerät bis zum Motor. »Typisch für solche Störungen ist auch, dass sie nicht alle Subträger auf einem Kabel in gleichem Umfang beeinträchtigen und dass die Störungen unterschiedlich ausgeprägt sind, je nachdem mit welcher Frequenz wir ein Signal durch die Kupferader schicken«, erklärt Habel. 

Störungen optimal managen

Das von seinem Team entwickelte Verfahren nutzt diesen Umstand zum Vorteil: Zunächst bestimmt das Verfahren für jeden Subträger den derzeitigen Zustand. Auf dieser Basis entscheidet das System dann, mit welcher Frequenz und mit welcher Übertragungsgeschwindigkeit sich auf den einzelnen Subträgern die optimalen Übertragungsergebnisse erzielen lassen. Für sicherheitsrelevante Informationen wählt das System anschließend gezielt die Kombination aus Signalfrequenz und Datenfahrspur, die eine Übertragung mit Gigabittempo möglich machen. Für weniger zeitkritische Datenpakete nutzt das Steuerungssystem dagegen Subträger, auf denen eine zuverlässige Übertragung nur mit eingeschränkter Geschwindigkeit möglich ist. Stellt das System auf einzelnen Subträgern oder für einzelne Frequenzbereiche sehr starke Störungen fest, werden die betroffenen Datenfahrspuren ganz gesperrt.

Vom Labor auf die Straße

Noch gibt es das neue OFDM-Datenmanagement nur als programmierbare Digitalschaltungen auf einer Entwicklungsplattform. Auf die Straße bringen wollen die Projektpartner*innen das Gigabitnetz für das Bordsystem von Fahrzeugen dennoch bereits jetzt: Im Moment statten sie ein Versuchsfahrzeug mit einem Übertragungsnetz mit mehreren OFDM-Knoten aus. In den nächsten Monaten wird das Fahrzeug dann umfangreiche Tests unter Realbedingungen absolvieren. »Das wird uns wichtige Erkenntnisse bringen, um die Weiterentwicklung der Gigabitdatenübertragung im Auto voranzubringen«, resümiert Habel.

(ted)