Vom digitalen Autoschlüssel zur intelligenten Sensorplattform

Der klassische Autoschlüssel verliert nach und nach sein Alleinstellungsmerkmal. Bereits heute ersetzen Smartphones und Digital Keys in Fahrzeugen immer häufiger den physischen Schlüssel. Doch die eigentliche Entwicklung fängt erst jetzt an. Ultra Wideband, kurz UWB, ist längst keine Zukunftsvision mehr, sondern wird zum neuen Standard moderner Fahrzeugarchitekturen. Der Wettbewerb entscheidet sich inzwischen nicht mehr daran, ob UWB genutzt wird, sondern wie effizient die Technologie ins Fahrzeug eingebunden wird und für möglichst viele Funktionen gleichzeitig eingesetzt werden kann.

Genau darin liegt die eigentliche Dynamik: Aus einer Technologie für den Fahrzeugzugang entsteht eine gemeinsame Infrastruktur für Sicherheit, Komfort und softwarebasierte Fahrzeugfunktionen. Für Automobilhersteller ergibt sich so die Möglichkeit, bislang getrennte Systeme auf einer gemeinsamen technologischen Basis zusammenzuführen. Der Automobilelektronik-Spezialist JOYNEXT aus Dresden arbeitet deshalb längst nicht mehr nur am digitalen Fahrzeugschlüssel, sondern an Plattformen, die Fahrzeug, Fahrer und Innenraum intelligent miteinander verbinden. So entwickelt sich der digitale Schlüssel von einer Komfortfunktion zu einem zentralen Baustein des softwaredefinierten Fahrzeugs.

Präzision wird zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor

Die Digitalisierung des Fahrzeugzugangs begann mit Funkfernbedienungen und später mit Keyless Entry-Systemen. Diese Lösungen vereinfachten den Alltag; sie hatten jedoch auch Schwachstellen. Besonders sogenannte Relay-Angriffe zeigten, dass klassische Funksysteme den steigenden Sicherheitsanforderungen nicht mehr genügten. Dabei verlängern Angreifer das Funksignal zwischen Fahrzeug und Schlüssel und täuschen so dem Fahrzeug eine räumliche Nähe vor, die tatsächlich nicht besteht.

Mit Ultra Wideband ändert sich dieses Prinzip grundlegend. Anders als herkömmliche Funksysteme misst UWB nicht nur die Signalstärke, sondern bestimmt die tatsächliche Laufzeit der Signale zwischen Smartphone und Fahrzeug. Dadurch lässt sich die Entfernung auf wenige Zentimeter genau bestimmen. Das Fahrzeug erkennt dadurch nicht nur, ob ein berechtigter Schlüssel vorhanden ist, sondern auch, ob sich dieser tatsächlich außerhalb, innerhalb oder an einer bestimmten Stelle am Fahrzeug befindet. Gerade diese räumliche Information wird für moderne Fahrzeuge immer wichtiger. Sie entscheidet darüber, ob Türen entriegelt werden, der Motor gestartet werden darf oder bestimmte Komfortfunktionen automatisch aktiviert werden. Damit entwickelt sich der Fahrzeugzugang von einer einfachen Authentifizierung zu einem System, das räumlichen Kontext versteht.

Technisch entsteht diese Präzision durch das Zusammenspiel mehrerer Technologien. Bluetooth Low Energy (kurz BLE) übernimmt den energieeffizienten Erstkontakt zwischen Smartphone und Fahrzeug. Erst wenn sich der Nutzer nähert, aktiviert das Fahrzeug die UWB-Kommunikation für die genaue Distanzmessung. Ergänzend kommen sichere Hardwareelemente für die Authentifizierung sowie Cloud-Dienste für Berechtigungsverwaltung und digitales Key Sharing hinzu. Erst dieses Zusammenspiel macht einen markenübergreifend nutzbaren Digital Key überhaupt praktisch einsetzbar. Gleichzeitig sorgt zum Beispiel der Standard des Car Connectivity Consortium (CCC) dafür, dass Android Smartphones, iPhones und verschiedene Fahrzeugplattformen interoperabel zusammenarbeiten. So entwickelt sich UWB immer mehr von einer Einzeltechnologie zu einem weltweiten Ökosystem für den sicheren Fahrzeugzugang.

Vom Sensor zur Systemkompetenz

Aus technischer Sicht gilt UWB inzwischen als etablierter Stand der Technik. Die eigentliche Herausforderung liegt heute weniger in der Funktechnologie selbst, sondern in ihrer wirtschaftlichen und robusten Integration ins Fahrzeug. Genau darin hat sich der Fokus der Entwicklungsarbeit in den letzten Jahren verschoben. Während zunächst die Einführung der UWB-Technologie im Mittelpunkt stand, geht es heute vor allem um ihre wirtschaftliche Umsetzung im Serienfahrzeug. „Gefragt sind Lösungen, die mit möglichst wenig Hardware auskommen, verschiedene Fahrzeugplattformen unterstützen und gleichzeitig zusätzliche Funktionen integrieren können“, sagt Jens Wagner, Director Reseach and Development bei JOYNEXT GmbH. Damit verlagert sich der Wettbewerb zunehmend von der Funktechnologie auf die Qualität der Systemarchitektur sowie der zugrunde liegenden Software.

Genau hier setzt JOYNEXT an. „Unsere Innovation liegt darin, dass wir den Mehrwert der Technologie in komplexere Designs überführen, die aber eine effizientere Gesamtarchitektur mit hohem Einsparpotential ermöglicht. Und dennoch gleichermaßen die Marktansprüche abdeckt.“ sagt Lars Franke, Produktmanager bei JOYNEXT GmbH. Für Fahrzeughersteller ist das ein interessanter Aspekt, denn eine geringere Quantität an UWB-Ankern bedeuten geringere Hardwarekosten und weniger Bauraum. JOYNEXT nutzt zusätzlich moderne Signalverarbeitung, hochentwickelte Algorithmen und eine leistungsfähige Softwarearchitektur, um maximale Präzision mit einer deutlich reduzierten Anzahl an UWB-Ankern zu realisieren. Das senkt die Hardwarekosten für OEMs und schafft gleichzeitig die Grundlage für skalierbare Smart-Access- und Sensing-Lösungen über verschiedene Fahrzeugplattformen hinweg.

Die Stärke von JOYNEXT liegt aber nicht allein in der UWB-Technologie, sondern in ihrer zuverlässigen Umsetzung für die Serie. JOYNEXT stellt sicher, dass präzise Lokalisierung und zuverlässige Sensing-Funktionen auch unter anspruchsvollen realen Einsatzbedingungen zuverlässig verfügbar sind. Ob unterschiedliche Karosseriestrukturen, metallisierte Scheiben oder eine stark variierende Beladung des Fahrzeugs, die Systemarchitektur ist darauf ausgelegt, verschiedenste Einbausituationen und Nutzungsszenarien sicher zu beherrschen. So erhalten Fahrzeughersteller eine serienreife Plattform, die unterschiedliche Fahrzeugkonzepte, Einbausituationen und Anwendungsfälle gleichermaßen unterstützt und die Grundlage für zukünftige Smart-Access- und Sensing-Funktionen schafft.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Wiederverwendbarkeit der vorhandenen Hardware. Dieselben UWB-Komponenten, die für den sicheren Fahrzeugzugang installiert werden, lassen sich gleichzeitig für zahlreiche weitere Anwendungen nutzen. Aus Sicht der Hersteller verbessert dies die Wirtschaftlichkeit deutlich, weil zusätzliche Sensorik vermieden werden kann. Der Mehrwert liegt daher nicht allein in einer einzelnen Komfort- oder Sicherheitsfunktion, sondern darin, dass dieselbe Hardware mehrere bislang getrennte Fahrzeugfunktionen vereint. Genau diese Mehrfachnutzung gilt als einer der wichtigsten Entwicklungstrends moderner Fahrzeugarchitekturen.

Aus einer Zugangstechnologie entsteht eine neue Sensorplattform

Die heutige Dynamik von UWB beginnt dort, wo die Technologie den Fahrzeugzugang verlässt und zur Sensorplattform wird. Neben der präzisen Distanzmessung entwickelt sich zunehmend das sogenannte UWB Radar Sensing. Dabei kommuniziert das Fahrzeug nicht mehr nur mit einem digitalen Schlüssel, sondern analysiert reflektierte UWB-Signale, um Bewegungen, Gesten oder sogar feine Vitalbewegungen zu erkennen.

Besonders sichtbar wird diese Entwicklung bei der „Child Presence Detection“ (CPD) – einem System, das nach Verriegelung und Verlassen des Fahrzeuges überprüft, ob Kinder oder Tiere im Fahrzeug zurückgelassen wurden sowie entsprechend informiert, um lebensgefährliche Situationen in sich aufheizenden Fahrzeugen zu vermeiden. Hintergrund sind verschärfte Anforderungen von Euro NCAP, die Fahrzeuge mit entsprechenden Schutzsystemen fordern. Bisher werden für CPD meist zusätzliche 60-Gigahertz-Radarsensoren verbaut. Diese Sensoren erfüllen ihre Aufgabe zuverlässig, verursachen aber auch zusätzliche Hardwarekosten und erhöhen die Komplexität der Fahrzeugarchitektur. JOYNEXT verfolgt deshalb einen anderen Ansatz. Die bereits für den digitalen Fahrzeugzugang installierten UWB-Komponenten übernehmen gleichzeitig auch Aufgaben der Innenraumüberwachung. Dadurch entsteht eine gemeinsame Sensorplattform, die sowohl den Fahrzeugzugang als auch die Innenraumüberwachung für das CPD unterstützt. Der eigentliche Mehrwert liegt somit nicht allein in einer zusätzlichen Sicherheitsfunktion, sondern in der Mehrfachnutzung derselben Hardware & Technologie für unterschiedliche Anwendungen.

Darüber hinaus eröffnet dieselbe Infrastruktur weitere Anwendungen. Das Fahrzeug kann unbefugte Bewegungen im Innenraum erkennen, Gesten für die Bedienung interpretieren, Sitzbelegungen erfassen oder den Nutzer beim automatisierten Parken eindeutig authentifizieren. Auch das präzisere Auffinden des Fahrzeugs in Parkhäusern oder die sichere Freigabe digitaler Dienste rund um das Laden des Fahrzeugs, Flottenmanagement oder Valet Parking profitieren von der exakten Positionsbestimmung.

Ein interessanter Impuls kommt dabei aus China. Dort schränken regulatorische Vorgaben den Einsatz bestimmter 60-Gigahertz-Innenraumradare ein. Entsprechend gewinnen UWB-basierte Lösungen für Innenraumsicherheit und Fahrzeugzugang deutlich früher an Bedeutung. Erfahrungen aus diesen Entwicklungsprogrammen fließen zunehmend auch in europäische Fahrzeugplattformen ein und beschleunigen die Weiterentwicklung entsprechender Systemkonzepte. Bemerkenswert ist dabei weniger jeder einzelne Anwendungsfall, sondern vielmehr die gemeinsame technologische Basis. Eine einmal installierte UWB-Infrastruktur schafft die Grundlage für ein kontinuierlich wachsendes Softwareportfolio. Neue Funktionen lassen sich später per Software ergänzen, ohne dass zusätzliche Sensorik erforderlich wird. Dieses Prinzip passt ideal zur Entwicklung softwaredefinierter Fahrzeuge, bei denen Hardware möglichst langfristig genutzt und der Funktionsumfang kontinuierlich erweitert wird.

UWB entwickelt sich zur Infrastruktur künftiger Fahrzeugarchitekturen

Ultra Wideband ist längst mehr als eine Komfortfunktion für den digitalen Fahrzeugschlüssel. Die Technologie verbindet präzise Lokalisierung, hohe Sicherheit und intelligente Sensorik auf einer gemeinsamen Plattform. Damit entsteht eine Infrastruktur, die Fahrzeugzugang, Innenraumsicherheit und neue, softwarebasierte Dienste miteinander verbindet. „Für Automobilhersteller liegt der Mehrwert nicht allein in einzelnen Funktionen, sondern in der Möglichkeit, dieselbe Hardware für zahlreiche Anwendungen wiederzuverwenden und gleichzeitig Kosten, Komplexität und Bauraum zu reduzieren“, sagt Jens Wagner. „Genau an dieser Stelle setzen wir mit unserem Systemansatz an. Die Reduktion der benötigten UWB-Anker bei gleichbleibender Performance zeigt beispielhaft, dass die Zukunft weniger durch zusätzliche Hardware als durch intelligente Systemintegration bestimmt wird“, ergänzt Wagner.

Mit dem Übergang zum softwaredefinierten Fahrzeug verändert sich somit auch die Rolle von Ultra Wideband grundlegend. Die Technologie entwickelt sich von einer Zugangslösung zu einer zentralen Infrastruktur für Lokalisierung, Sicherheit und intelligente Fahrzeuginteraktion. Entscheidend ist künftig nicht mehr, wie viele Sensoren ein Fahrzeug besitzt, sondern wie intelligent sich ihre Informationen zusammenführen und für unterschiedliche Anwendungen nutzen lassen. Genau darin liegt der eigentliche Paradigmenwechsel. Der digitale Fahrzeugschlüssel der nächsten Generation öffnet nicht nur Türen. Er schafft die Grundlage dafür, dass Fahrzeuge ihre Nutzer verstehen, Situationen richtig einordnen und auf dieser Basis sicherer, wirtschaftlicher und intelligenter handeln können.

Hier geht es zum Artikel in der HANSER automotive: Vom digitalen Autoschlüssel zur intelligenten Sensorplattform