Seit einigen Jahren ist ein enormer Boom auf dem Gebiet der lizenzfreien Funknetze zu beobachten. WLANs verbreiten sich auf der Basis des IEEE-802.11-Standards so rasant, dass die UMTS-Netzbetreiber schon um ihre Einnahmen fürchten. Nach Schätzungen der Unternehmensberatung Frost & Sullivan soll die Zahl der WLAN-Nutzer in Europa im Jahr 2006 auf 16,7 Millionen steigen.
Die neue und ebenfalls lizenzfreie Ultrabreitband-Technik (UWB, Ultra Wide Band) wird aber weniger eine Konkurrenz zu bestehenden oder zukünftigen WLANs darstellen. Vielmehr soll UWB in kleineren Netzwerken, den "Wireless Personal Area Networks" (WPANs), für einen höheren Datendurchsatz sorgen und so neue Anwendungen ermöglichen. Ein aktueller Vertreter dieses WPAN-Bereichs, bei dem die maximalen Reichweiten nur etwa zehn Meter betragen, ist Bluetooth.
Die derzeit auf dem Markt erhältlichen WPAN- oder WLAN-Produkte nutzen die relativ schmalen, lizenzfreien "Industrial Scientific Medical" (ISM) oder "Unlicensed National Information Infrastructure" (UNII)-Frequenzbänder im 2,5-GHz- beziehungsweise im 5-GHz-Bereich. Die Netzwerke arbeiten damit aus Sicht des Spektrums strikt getrennt von übrigen Funksystemen.
UWB-Netzwerke können hingegen bestehenden Netzwerken oder Funksystemen überlagert werden, ohne dass eine spektrale Trennung der Signale erfolgt. Sie nutzen also bereits vergebene Frequenzbänder und führen so zu einer effektiveren Ausschöpfung der knappen (und damit teuren) Funkressourcen. Möglich wird dieser Ansatz durch die sehr niedrige spektrale Leistungsdichte, die für UWB-Signale vorgeschrieben ist und die letztlich aus der "ultra"-hohen Bandbreite der Sendesignale resultiert.
Der vorliegende Artikel soll einen technisch orientierten Überblick geben. Ausgehend von Anwendung und Stand der Entwicklung wird zunächst präzisiert, was unter UWB-Signalen zu verstehen ist und worin deren Potenzial zur Datenübertragung liegt. Der zweite Teil der Mini-Serie erläutert dann die technischen Aspekte der verschiedenen UWB-Verfahren.
Rauschsignal mit Inhalt
UWB-Signale erscheinen anderen Funksystemen durch die sehr niedrige spektrale Leistungsdichte wie kaum wahrnehmbare Rauschsignale. Ähnliche Störungen erzeugt in Form parasitär abgegebener Strahlung ohnehin eine Vielzahl von Elektrogeräten wie Mikrowellenherde, PCs und Elektromotoren.
Die breitbandigen UWB-Signale weisen einen inhärenten Schutz gegenüber den vergleichsweise schmalbandigen Signalen der sie störenden Funksysteme auf. Ähnliche technische Ansätze (der Fachbegriff dafür lautet "Spreizverfahren") wurden beispielsweise schon im Zweiten Weltkrieg vom Militär verwendet, um ihre Daten durch eine geschickte Kodierung gegenüber Störsendern zu schützen und ein Abhören zu verhindern.
Von entscheidender Bedeutung für die kommerzielle Entwicklung der UWB-Technik war die Freigabe durch die US-amerikanische Regulierungsbehörde FCC (Federal Communications Commission) von sehr breiten Frequenzbändern zur lizenzfreien Nutzung. Der entsprechende FCC-Bericht vom 14. Februar 2002 definiert, welche Kriterien UWB-Signale zu erfüllen haben.
Nach der FCC-Richtlinie dürfen die UWB-Sender nur innerhalb sehr niedrig angesetzter spektraler Masken senden. Manche bis dato diskutierten Weitbandansätze zur Realisierung von Übertragungssystemen sind damit nicht mehr möglich.
OFDM - Alle gegen einen
Während noch vor wenigen Jahren UWB häufig mit "Time-Hopping Impulse Radio", einer Technik, die noch näher vorgestellt wird, gleichgesetzt wurde, gewinnen in letzter Zeit vor allem OFDM-basierende Multibandansätze an Bedeutung. Im Juni 2003 hat sich eine mächtige Allianz - die MBOA (Multi Band OFDM Alliance) - geformt. Diese steht hinter einer UWB-Standardentwicklung auf der Basis von Multiband-OFDM und hat einen entsprechenden Standardvorschlag in die IEEE-802.15.3a-Arbeitsgruppe eingebracht.
Dieser Vorschlag geht auf Konzepte der sechs Unternehmen Discrete Time, General Atomics, Intel, Philips, Time Domain und Wisair aus dem Januar 2003 zurück. Mittlerweile gehören über 170 Unternehmen zur MBOA, darunter die Halbleitergrößen Intel, Infineon, Samsung, ST Microelectronics, NEC, Texas Instruments und Toshiba. Aus später noch ersichtlichen Gründen ist aber auch die Unterhaltungselektronik mit ihren Top-Playern Sony, Panasonic, Mitsubishi und Sharp in der MBOA vertreten.
Lediglich Motorola als großer Halbleiterhersteller fehlt in der Allianz. Deren Tochter Freescale ist mit einem eigenen pulsbasierenden UWB-Verfahren vorgeprescht. Sehr zum Ärger der MBOA hat Freescale bereits im August 2004 die Freigabe der FCC für den XS110-Chipsatz erhalten. Seither hat Freescale auf zahlreichen Messen funktionsfähige UWB-Mini-PCI-Karten und UWB-Consumer-Anwendungen vorgeführt, die Daten mit bis zu 110 Mbit/s übertragen. Durch den frühen Markteintritt will sich Freescale Vorteile gegenüber der erdrückenden Marktmacht der MBOA-Mitglieder verschaffen.
Anwendung und Entwicklungsstand
Die Funktechnik wird - anders als manchmal behauptet - durch UWB nicht neu erfunden. Die grundlegenden technischen Ansätze und Prinzipien bestehen schon lange und werden von digitalen Systemen bereits genutzt. Neu ist allerdings die extreme Frequenzspreizung der Datensignale auf über 500 MHz. Die zusätzliche technische Herausforderung besteht darin, UWB-Systeme klein, kostengünstig und stromsparend zu entwickeln.
UWB ist prädestiniert, um schnelle drahtlose Verbindungen über kurze Entfernungen zu realisieren. So lassen sich zukünftig mit UWB-basierender, einfacher Technik kostengünstig mobile Geräte vernetzen. Dabei ist die emittierte Strahlungsleistung äußerst gering. UWB lässt sich aber auch einsetzen, um Geräte der Unterhaltungselektronik drahtlos und damit flexibel zu verbinden. UWB kann selbst die enormen Datenmengen, die etwa digitale Video-Recorder oder künftige HDTV-Kameras mit hoher Auflösung liefern, problemlos bewältigen. Der Kabelsalat, der sich bislang hinter jedem HiFi- und TV-Rack verbirgt, dürfte somit bald sein Ende finden.
Um Kompatibilitätsprobleme auszuschließen, hat die IEEE-802.15.3a-Arbeitsgruppe einen Aufruf gestartet, technische Vorschläge für einen UWB-WPAN-Standard zu erbringen. Die Vorgaben sehen skalierbare Datenraten und Reichweiten vor. Die IEEE strebt dabei eine Bitrate von 480 Mbit/s an, langfristig hat sie sogar 1 bis 2 Gbit/s im Blickfeld. Potenzielle Geräte auf der Basis des Standards sollen sich zudem durch einen niedrigen Leistungsverbrauch, durch geringe Kosten und die Koexistenz mit bestehenden Netzen auszeichnen.
Ein internationaler Standard ist neben der Lizenzfreiheit der Technik eine wichtige Voraussetzung dafür, dass UWB die von vielen Seiten postulierte "massenhafte" Verbreitung findet. Verständlicherweise stößt vor allem aber der lizenzfreie Betrieb parallel zu bestehenden Funksystemen auf großes Interesse der Industrie. Denn den Wert eines noch freien Frequenzbandes hat die milliardenschwere UMTS-Versteigerung im Jahr 2000 überdeutlich aufgezeigt.
Weitere Anwendungen
Neben der Kommunikationstechnik eröffnet die hohe Bandbreite noch zahlreiche weitere, wirtschaftlich interessante Applikationen. Da das Signal einen breiten Frequenzbereich abdeckt, gibt es immer Frequenzen, die ein zu untersuchendes Material nur wenig absorbiert. Daher können Teile des UWB-Signals auch in heterogene Stoffe eindringen und sie durchdringen. Mit einem UWB-Radar lassen sich so verborgene Objekte im Erdboden (Minen und Blindgänger, Leitungen, Rohre) oder hinter Wänden detektieren. Auch Diagnosesysteme für medizinische Untersuchungen und zerstörungsfreie Tests an Gebäuden sind derzeit in Entwicklung.
Bisher war die UWB-Technik insbesondere die Domäne innovativer Startups. Diese haben beachtliche Erfolge erzielt. Aber zwischenzeitlich haben auch "Große" der Branche die Chancen der UWB-Technik erkannt. Die folgende Übersicht fasst einige der gegenwärtig verfügbaren UWB-Komponenten zusammen. Bis auf wenige Beispiele handelt es sich um Entwicklungssysteme, die noch weit von einer preiswerten, kleinen und anwenderfreundlichen Lösung entfernt sind. Doch die Chipsets von Wisair und Freescale zeigen, wo die Entwicklungspotenziale liegen. Es ist daher zu erwarten, dass in nächster Zukunft erste voll integrierte Lösungen für kleine UWB-Module erhältlich sind.
Typ | Hersteller | Features |
|---|---|---|
| ||
PulsON 210 UWB-Entwicklungssystem | basiert auf Impulstechnologie, Datenraten bis 9,6 Mbit/s, Impulsewiederholungsrate 9, 6 MHz, Mittenfrequenz 4,7 GHz, Bandbreite 3,2 GHz, Leistungsverbrauch 6,5 W | |
UBLink Chipset | Ein- und Zwei-Chiplösung, FCC konform, basieren auf UWB-Multiband OFDM, 1 bis 8 Bänder, Frequenzbereich 3,1-7,4 GHz, Datenrate 55-480 Mbit/s (zukünftig 1Gbps), Reichweite 10 bis 30 m (abhängig von Datenrate), Leistungsverbrauch 200 mW | |
UWB Radio System Prototyp | Datenrate 220 Mbit/s, Reichweite 1 m, präsentiert in Japan (2003) | |
UWB-Entwicklungsplattform SC1030D | basierend auf UWB-Multiband OFDM, 3 Bänder bei 3432, 3960 und 4488 MHz mit je 528 MHz Bandbreite, Datenrate bis zu 480 Mbit/s | |
UWB Kommunikations-Chipsatz | Drei-Chiplösung mit RF Front End und Transceiver, digitalem Baseband sowie MAC, Datenrate 29, 57, 86 und 114 Mbit/s, FCC zugelassen, 750 mW Gesamtverbrauch, Reichweite 10 m |
Bandbreite und Leistung - Was ist erlaubt?
Der Begriff "Ultrabreitband" beziehungsweise "UWB" bezeichnet Signale, deren absolute Bandbreite mehr als 500 MHz beträgt oder deren relative, auf die Mittenfrequenz bezogene Bandbreite größer 0,2 ist. Entsprechend der aktuellen FCC-Richtlinien sind derzeit zumindest in den USA zwei Spektralbereiche für die Indoor-Datenkommunikation nutzbar: einer zwischen 0 und 0,96 GHz und ein zweiter zwischen 3,1 und 10,6 GHz.
Für beide Spektralbereiche korrespondiert die maximal zulässige spektrale Leistungsdichte mit exakt dem Grenzwert, den auch die Störstrahlung von elektrischen Geräten (Mikrowellen, Monitore, PCs et cetera) nicht übersteigen darf. Ein UWB-Sender darf also nicht mehr abstrahlen, als ein elektronisches Gerät als ungewollte Störstrahlung abgeben darf.
Erlaubt ist ein EIRP- (Equivalent Isotropic Radiated Power) Wert von gerade einmal -41.3 dBm/MHz, entsprechend 70 nW/MHz. Zum Schutz von bestehenden empfindlichen Funktechniken sind die zulässigen Leistungsdichten zwischen 0,96 und 3,1 GHz noch deutlich geringer. Daher ist dieser Bereich für Kommunikationszwecke praktisch nicht mehr nutzbar.
Selbst bei Ausnutzung des gesamten Bereichs von 3,1 bis 10,6 GHz stehen nur maximal 0,56 mW Sendeleistung zur Verfügung. Das ist weniger als ein Tausendstel der Sendeleistung eines Mobiltelefons, das mit 2 Watt abstrahlen darf. Bei Verwendung von gerichteten Antennen sind sogar noch kleinere Werte gefordert.
UWB - Extrem schnell auf kurze Distanz
Für andere Anwendungen wie bildgebende Messsysteme (RADAR) hat das FCC abweichende spektrale Masken vorgeschrieben - der obere Grenzwert von -41.3 dBm/MHz ist aber auch hier grundsätzlich gültig. Die restriktive Beschränkung auf so extrem geringe Sendeleistungen resultiert daraus, dass UWB-Geräte andere, herkömmliche Schmalbandsysteme, die im selben Frequenzband arbeiten, nicht stören dürfen.
Die meisten UWB-Systeme für hohe Datenraten werden im Frequenzband zwischen 3,1 bis 10,6 GHz arbeiten. Sie können sich zwar einer enormen Bandbreite bedienen, die mögliche Sendeleistung ist dafür aber äußerst begrenzt. Aus diesen Eigenschaften können unmittelbar Schlussfolgerungen über den sinnvollen Einsatz der UWB-Technik abgeleitet werden.
Zur Abschätzung soll folgender Vergleich dienen: Zur sicheren Wiedererkennung der ausgesandten Daten muss der Empfänger eine bestimmte Mindestenergiemenge pro Bit über seine Antenne aufnehmen. Mit zunehmender Entfernung vom Sender verteilt sich dessen abgestrahlte Energie jedoch immer stärker im Raum. Dabei ergibt sich ein quadratischer Zusammenhang: Um die Reichweite zu verdoppeln, muss die Sendeleistung vervierfacht werden. Eine Verdopplung der Bitrate erfordert dagegen nur eine Verdopplung der Sendeleistung, da der Sender dabei in der halben Zeit die nötige Energie abgeben muss. Daher ist die UWB-Technik vor allem für Applikationen prädestiniert, die nur geringe Übertragungsdistanzen, dafür aber besonders hohe Übertragungsraten erfordern.
Senden ohne Elektrosmog
Die Wahl eines Übertragungsverfahrens bestimmen verschiedene Gesichtspunkte. Einerseits kann man Funktechnologien so betreiben, dass sie bei gegebener Bitrate möglichst wenig Bandbreite benötigen. Damit erhöht sich aber meist die Mindestenergie pro Bit, die für einen robusten Empfang nötig ist. Andererseits kann man Übertragungsverfahren so dimensionieren, dass sie auf Kosten einer größeren beanspruchten Bandbreite mit möglichst wenig Sendeenergie auskommen.
UWB-Systeme gehören zur zweiten Kategorie, die auch hinsichtlich der Thematik "Elektrosmog" eine vorteilhafte Lösung darstellen. Die klassischen Schmalbandübertragungssysteme wie Bluetooth, WLAN oder GSM/UMTS gehören zur ersten Kategorie.
Die schnelle und dabei energieeffiziente Datenübertragung ist aber nur ein Aspekt, der aus der "ultra" großen verfügbaren Bandbreite erwächst. Kommunikations- und Messsysteme profitieren auch von den folgenden Punkten, die noch näher erläutert werden:
hohe Fadings-Resistenz bei Mehrwegeausbreitung
hohe Resistenz gegenüber Störungen und Abhörversuchen
gute Unterstützung des Vielfachzugriffs
mögliche Überlagerung von UWB-Netzen über bestehende schmalbandige Systeme
hohe Ortsauflösung bei Messsystemen bis auf den Zentimeter genau
UWB-Signale und ihre Ausbreitung
Die Ausbreitung von Funksignalen ist mit einer Reihe physikalischer Phänomene wie Reflexion, Beugung und Streuung verbunden. In der Regel erreicht ein ausgesendetes Signal den Empfänger deshalb auf einer Vielzahl unterschiedlicher Wege (Echopfade).
Jeder dieser Pfade verzögert das Sendesignal um einen konstanten Wert und schwächt seine Amplitude. Die Folge ist unter Umständen eine sehr störanfällige Übertragung. UWB-Systeme erweisen sich richtig dimensioniert als resistent gegenüber dieser "Mehrwegeproblematik". Warum das so ist, wird an folgendem Beispiel gezeigt:
Zunächst soll davon ausgegangen werden, dass der Sender Tx reine Sinuswellen sendet. Das entspricht mit guter Näherung der Situation einer Schmalbandübertragung. Bei einer Überlagerung dieser Sinuswellen mit zeitverzögerten Echos kommt es durch Interferenz zu Auslöschungs- oder auch Verstärkungserscheinungen: Überlagern sich im Extremfall zwei Sinuswellen gleicher Amplitude, bei denen Wellenberg und Wellental zusammenfallen, löschen sie sich komplett aus. An einem anderen Ort trifft dagegen Wellental mit Wellental zusammen. Dort kommt es zu einer konstruktiven Überlagerung. Befindet sich der Empfänger am Ort einer destruktiven Überlagerung, ist sein Empfang auf Grund der geringen Empfangsleistung gestört. Hält er sich dagegen im Bereich einer konstruktiven Überlagerung auf, ist der Empfang besser, als normalerweise in diesem Abstand zu erwarten ist.
Keine Funklöcher durch Reflexionen
Wenn nun die Position des Empfängers oder des Senders auch nur vergleichsweise geringfügig verändert wird oder die Streuverhältnisse der Ausbreitungsumgebung variieren, dann unterliegt auch die Empfangsleistung starken Schwankungen. Interferenzerscheinungen variieren aber nicht nur mit dem Ort, sondern ebenso stark mit der Frequenz. Allgemein spricht man vom "Fading" oder von "Schwunderscheinungen". Nicht selten schwankt die empfangene Energie in einem Verhältnis von mehr als 1:10.000.
In realer Umgebung, wie etwa Gebäuden, überlagert sich natürlich eine Vielzahl von Wellen, die über unterschiedlichste Wege zum Empfangsort gelangen. Die Interferenzerscheinungen werden damit chaotisch und kaum noch vorhersagbar.
Die Grafik gibt an, wie sich die empfangene Energie an einem Ort ändert, wenn der Sender mit sehr schmalbandigen Signalen arbeitet. An einem anderen Ort ist das Erscheinungsbild dieser Kurve zwar ähnlich, die tiefen Einbrüche treten jedoch bei anderen Frequenzen auf.
Bei einer Datenübertragung in einem schmalen Frequenzband gibt es eine verhältnismäßig große Wahrscheinlichkeit, dass der Empfänger in ein "Funkloch" fällt. Dann bricht die Übertragung zusammen oder bietet bei gegebener Sendeleistung nur eine sehr geringe Bitrate. UWB verteilt dagegen die Leistung über ein breites Frequenzband. Dadurch kompensieren sich die Effekte durch destruktive und konstruktive Interferenz weit gehend.
Interessanterweise sind selbst bei sehr kurzen Übertragungsdistanzen Bandbreiten von bereits 500 MHz ausreichend, um die Fading-Effekte zu vermeiden. Wie aus der Abbildung ersichtlich, gibt es in einem solchen Frequenzintervall bereits genügend Maxima und Minima, die sich gegenseitig kompensieren können.
Die Grenzen der Bitrate
Im Gegensatz zu den klassischen Übertragungsverfahren kann ein UWB-Radio also selbst unter schwierigen Übertragungsbedingungen stabil arbeiten. Aber wie schnell kann man damit im Grenzfall Daten übertragen?
Die Shanonsche Kanalkapazität gibt an, welche Datenrate im theoretisch optimalen Fall möglich ist. Die Abbildung zeigt solche Kurven in Abhängigkeit von den Übertragungsverlusten zwischen Sender und Empfänger für ein klassisches System im lizenzfreien ISB-Band und zwei UWB-Systeme mit minimal erforderlicher und maximal erlaubter Bandbreite.
Infolge der unzureichenden Ausnutzung des Funkkanals liegen die tatsächlich erreichbaren Datenraten aber um Größenordnungen unterhalb des prinzipiell Möglichen. Die Abbildung zeigt, dass UWB bei kurzen Distanzen, also geringen Übertragungsverlusten, theoretische Datenraten von über 10 Gbit/s bietet. Zudem zeigt sie, dass man mit der geplanten Bitrate von 480 Mbit/s der theoretischen Grenze näher kommt, als das mit bisherigen Verfahren im 2,4-GHz-Band (WLAN, Bluetooth) der Fall ist.
Zudem gibt es bei UWB noch erhebliche Reserven, die Entwicklern Spielraum für weitere Verbesserungen lassen. Schmalbandige Funksysteme sind hierbei ausgereizt und prinzipbedingt kaum in der Lage, sich dem Funkkanal anzupassen und Funklöchern "aus dem Wege zu gehen".
Ausblick
Argumente gegen eine weitere Verbreitung von Funksystemen auf Grund der EMV-Problematik werden im Fall von UWB durch die sehr kleine Sendeleistung, die weniger als ein Milliwatt beträgt, entkräftet. Diese geringe Leistung genügt UWB-Systemen, weil sie auf Grund der enormen Bandbreite sehr resistent gegenüber Fading sind. Zudem sind Störungen bestehender Sender nicht zu erwarten.
Zwar sträuben sich die Besitzer von Frequenzbändern noch mit aller Macht gegen einen UWB-Betrieb auf ihren Frequenzen. Doch da die Sendeleistung unter der erlaubten Abstrahlung jedes elektrischen Geräts liegt, dürfte UWB auch in Europa bald zugelassen werden.
Welche Verfahren dabei zum Einsatz kommen und wie die hohen Datenraten technisch realisiert werden, lesen Sie im zweiten Teil dieser Serie. (ala)