Die Anwendungen für Bluetooth und WiFi sind vom technologischen Aspekt sehr begrenzt. Zum Beispiel schafft Bluetooth eine Verbindung zwischen Handy und Headset, während WiFi hauptsächlich dazu dient, Notebooks mit Internet Access Points zu verbinden.
Mit WiMedia soll noch in 2007 eine neue Art drahtloser digitaler Verbindungen auf dem Markt erscheinen. WiMedia ist eine Implementierung der Ultra-Wideband-Technologie (UWB), standardisiert von der WiMedia Alliance, einem Konsortium aus über hundert unterschiedlich großen Unternehmen. Diese Firmen haben sich zusammengeschlossen, um eine standardisierte UWB-Funkspezifikation zu schaffen.
Das Anwendungsspektrum von WiMedia ist wesentlich umfangreicher als das von Bluetooth und WiFi bisher. So bildet WiMedia die Basis für eine Vielzahl unterschiedlicher Drahtloskonzepte, wie:
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Certified Wireless USB: Es ermöglicht den Ersatz von USB-Kabeln durch eine drahtlose Verbindung. Hinter diesem Standard steht das USB Implementers Forum.
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Bluetooth 3.0: Diese Funktechnologie ist eine schnellere Bluetooth-Variante, entwickelt von der Bluetooth SIG.
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WiNet: Das ist ein Verfahren zum Übertragen von 802.3-Frames über WiMedia-Verbindungen. Entwickelt wurde dieser Standard von der WiMedia Alliance. Für die Zukunft ist die Übernahme als Standard durch die Internet Engineering Task Force denkbar.
Ein gewisses Interesse bestand zusätzlich an der Übertragung von IEEE 1394 über WiMedia-Funkverbindungen, doch hat sich die dafür zuständige Gruppe in letzter Zeit nicht aktiv gezeigt. Abgesehen davon gibt es weitere proprietäre Konzepte, die sich der WiMedia-Funktechnik bedienen.
Allerdings wird WiMedia kein geschäftlicher Erfolg beschieden sein, solange es an einer soliden technischen Basis fehlt. Besondere technische Herausforderungen birgt dabei das Powermanagement speziell für mobile Geräte.
Anwendungsgebiete der WiMedia-Technologie
Das Anwendungsspektrum von WiMedia reicht vom Streamen von Videos zwischen Set-Top-Box und Display bis hin zu portablen Media Playern. Zusätzlich könnte WiMedia eingesetzt werden, um Handheld-Geräten die Wiedergabe von Videos auf Fernsehgeräten und PC-Monitoren zu ermöglichen.
Mit fortschreitender Entwicklung der Technologie dürfte WiMedia sogar Streams mit Datenraten im Multi-Gigabit-Bereich unterstützen. Ein weiterer Einsatzbereich von WiMedia ist auch das Segment der Lowcost-Geräte wie Mäuse und Tastaturen.
Technische Details von WiMedia
WiMedia beruht auf einer Technik, die als Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM) bezeichnet wird. Frühe Ultra-Wideband-Funklösungen hatten noch mit Impulstechniken gearbeitet, die sich mit einfachen analogen Schaltungen implementieren ließen. Diese Verfahren wurden zu Gunsten von MB-OFDM verlassen, denn den Planern war bewusst, dass die digitale Lösung mit zunehmender technologischer Entwicklung flexibler und kosteneffektiver ist. OFDM aber lässt sich ausschließlich mit digitalen Schaltungen implementieren.
Für die Implementierung einer WiMedia-Funklösung sind einige Zehnmillionen Transistoren erforderlich. Die heute angebotene erste Generation von Funklösungen nimmt in Spitzenzeiten bis zu 600 mA Strom auf. Allerdings verringert sich dieser Wert stetig, da die CMOS-Prozesstechnologie ständig weiterentwickelt wird.
Noch vor wenigen Jahren erschien die MB-OFDM einigen Fachleuten als nicht praxisgerecht. Inzwischen ist diese Technik jedoch praktikabel und durchaus effizient. Zusätzlich sind mit verbesserter CMOS-Prozesstechnologie deutliche Performance-Steigerungen zu erwarten.
Stromsparender Sendebetrieb
Bisherige Funkeinheiten verbrauchen im Sendebetrieb üblicherweise mehr Strom als im Empfangsmodus. Dagegen benötigt WiMedia beim Warten auf ein Signal mehr Energie als im Sendezustand. Somit ist bei dieser Funktechnologie das Warten auf ein Signal die Betriebsart mit der höchsten Leistungsaufnahme.
Die Funktionsweise von WiMedia-Einheiten basiert darauf, dass das Funksignal mit hoher Abtastrate digitalisiert und über einen weiten Bereich nach bestimmten Energiemustern abgesucht wird. Geräte mit eng bemessenem Energiebudget können deshalb nicht unbegrenzt lange in dieser Betriebsart verbleiben.
Diese Leistungsaufnahmemuster unterscheiden sich grundlegend von Funktechniken wie WiFi und Bluetooth. Denn bei diesen Technologien werden die Daten nur für möglichst kurze Zeit gesendet. Demgegenüber arbeitet ein WiMedia-Funkmodul so, dass die Zeit, in der auf ein Signal gewartet wird, möglichst gering ist.
WiMedias intelligentes Energiesparkonzept
Bezüglich der Standby- oder Ready-Betriebsarten verfolgen WiFi, Bluetooth und WiMedia ähnliche Konzepte. Stets geht es darum, das Funkmodul entweder ganz abzuschalten oder es in einen energiesparenden Modus zu versetzen.
Im aktiven Zustand signalisieren WiMedia-Einheiten (Clients) ihre Präsenz alle 65 ms durch so genannte Beacons. Beacon Frames beinhalten Informationen, die zur Reservierung und zum Scheduling von Geräten sowie zur Steuerung der Empfangsleistung dienen. Dagegen senden bei der WiFi-Technologie nur die Access Points Beacons aus, während die Clients auf eine Sendemöglichkeit warten, um vom Access Point registriert zu werden. Bei WiFi-Funknetzen erfolgt die Energieversorgung von Access Points üblicherweise aus dem Stromnetz. Im Gegensatz dazu kann WiMedia auch in Situationen arbeiten, in denen sämtliche Geräte mit einem begrenzten Energievorrat einer Batterie auskommen müssen.
Die 65 ms dauernde Beacon-Periode verschafft allen WiMedia-Geräten mit der gleichen Zeiteinheit eine mikrosekundengenaue Zeitreferenz. Zusätzlich teilt die WiMedia-Technologie die Zeit in 256 so genannte Medium Access Slots (MAS) ein. Jeder MAS hat eine Dauer von 256 Mikrosekunden. Auf Grundlage dieser Technologie können die Geräte sich selbst mit einer Genauigkeit von einer Mikrosekunde ein und ausschalten, um so Daten zu senden oder auf ein Signal zu warten. Die Kombination aus einem hochauflösenden Timer und einer fein abgestuften Bandbreitenzuweisung kann die Datenverkehrsmuster so entsprechend koordinieren, um in WiMedia-Einheiten ausgefeilte Stromsparverfahren zu implementieren.
Certified Wireless USB, WiNet und Bluetooth 3.0 basieren alle auf der WiMedia-Technologie, doch legt jede Anwendung andere Nutzungsszenarien zugrunde. Darüber hinaus besitzt jedes Funkkonzept sein angepasstes Powermanagement.
Certified Wireless USB im Detail
Die konventionelle USB-Technik wurde mit Blick auf einfache Devices konzipiert. Dementsprechend muss der USB-Host die meiste Arbeit übernehmen, was besonders wichtig für das Timing ist. So werden zum Beispiel USB-Mäuse alle 8 ms abgefragt. Erfolgen diese Abfragen nicht regelmäßig oder präzise genug, kommt es zu einer verzögerten oder ungleichmäßigen Bewegung des Mauszeigers.
Certified Wireless USB erweitert dieses Basiskonzept, um Ansätze zum Stromsparen zu schaffen. So speichert der Host die Informationen, wann er ein Device das nächste Mal abfragen wird, und gibt dem Device diesen Zeitpunkt vorab bekannt. Das Device kann sich daraufhin in einen Lowpower-Status versetzen und sich gerade rechtzeitig für den nächsten Datentransfer reaktivieren.
Der hierfür verwendete Mechanismus wird als Micro-scheduled Management Command (MMC) bezeichnet. MMCs enthalten mikrosekundengenaue Zeitmarken, die auf eine verkettete Liste von Transaktionsgruppen verweisen. Transaktionsgruppen bündeln mehrere Schreib- und Lesevorgänge. Auf diese Weise wacht das Device zu einer vorher vereinbarten Zeit auf, empfängt Daten vom Host und sendet seine eigenen Daten unmittelbar danach an den Host zurück. Bevor das Device wieder in den Stromsparmodus wechselt, kann es anhand der Zeitmarke im MMC genau feststellen, wann es wieder aufwachen muss.
Mittels dieses Verfahrens gelingt es dem Host, die vollständige Kontrolle über das Bandbreiten- und Link-Management zum Device zu übertragen. Zusätzlich kann der Host die Bitrate und die Sendeleistung entsprechend der jeweiligen Situation festlegen. Darüber hinaus können Devices in einem Lowpower-Status verbleiben, solange sie nicht aktiv an Transfers beteiligt sind, in denen sie nicht auf Signale warten.
Muss sich ein Device für eine bestimmte Zeitspanne komplett abschalten, kann es beim Host die Erlaubnis zum Wechsel in den Sleep-Modus anfordern. Stimmt der Host zu, kann sich das Device in den Sleep-Modus versetzen. Aus diesem Zustand erwacht es nur alle paar Sekunden, um zu prüfen, ob Aufgaben zu erledigen sind.
Grundlagen des WiNet-Konzepts
WiNet ist die in WiMedia definierte Möglichkeit zur Übertragung von IEEE 802.3-Frames, und damit des Internetprotokolls über die Funkverbindung. WiNet führt das Konzept des WiNet Service Set (WSS) ein. Dabei handelt es sich um eine bekannte Gruppe von Devices, die in einer bestimmten Sicherheitsbeziehung zueinander stehen. WSS wurde für die einfache Bildung sicherer Ad-hoc-Netzwerke konzipiert, in denen sich Devices gegenseitig erkennen und sicher verschlüsselte Verbindungen untereinander aufbauen können.
Bestandteil von WiNet ist das Konzept einer Brücke, die Ähnlichkeit mit einem WiFi Access Point hat. Anders als bei WiFi, Certified Wireless USB und Bluetooth gibt es jedoch keinen Master, sondern alle WiNet-Devices haben den gleichen Rang.
Alle aktiven Devices müssen Beacons ausgeben, das heißt, ihre Präsenz in einer Beacon-Gruppe anmelden. Devices im Sleep-Modus können über einige Sekunden hinweg mehrere Beacon-Perioden überspringen, erst dann werden sie aus dem WSS ausgeschlossen. Allerdings können nicht alle Devices gleichzeitig in den Sleep-Modus wechseln, denn irgendeine Einheit muss das „Beaconing“ übernehmen und für die Synchronisation der Takte der einzelnen Einheiten sorgen. Diese Einheit wird als Anker bezeichnet.
WiNet-Devices zeigen in ihrem Beacon an, ob ihr Energiebudget begrenzt ist oder nicht. Steht ein netzgespeistes Device zur Verfügung, übernimmt dieses die Rolle des Ankers. Andernfalls wird die Ankerfunktion von allen Devices umschichtig übernommen und alle paar Minuten an ein anderes Gerät weitergereicht.
WiNet und Ad-hoc-Netzwerke
WiNet kann problemlos für den Internetzugang verwendet werden, denn entsprechende Brücken stellen die Verbindung zur Ethernet-, WiFi- oder einer anderen beliebigen IEEE 802.3-Netzwerktechnologie her. Es kann in einem WiNet Service Set mehrere Brücken geben. Allerdings ist das Nutzungsmodell für WiNet in erster Linie auf das Ad-hoc-Networking ausgerichtet.
Die Ad-hoc-Vernetzung wurde bis dato nur sehr wenig genutzt. Man versteht unter Ad-hoc-Vernetzung die Situation, in der sich Devices zusammenschließen und sich selbst ‚Ad-hoc’-Netzwerkadressen zuweisen, anstatt einem gemanagten Server die Verwaltung der Internetadressen zu überlassen.
WiNet ist eine offene und (bald) öffentliche Spezifikation für die sichere Ad-hoc-Vernetzung. Es bietet ein betriebssicheres Schema für ein intelligentes Powermanagement, das auch die Anforderungen für batteriebetriebene Geräte erfüllt.
Bluetooth 3, der bessere Bluetooth-Standard
Die Bluetooth SIG hat WiMedia als Basis für Bluetooth 3 gewählt. Technische Details der Implementierung wurden von der Bluetooth SIG Working Group noch nicht veröffentlicht. Allerdings hat die Studiengruppe bereits eine Reihe von Richtlinien bekannt gegeben.
Bluetooth 3 wird zu früheren Bluetooth-Versionen kompatibel sein. Um dies zu gewährleisten, sind zwei Funkeinheiten nebeneinander beziehungsweise eingebaut in einen Chip oder in ein Modul notwendig.
So wurde bereits ein Prototyp eines USB-Mini-Card-Slot-Devices demonstriert, das mit der Ripcord Single-Chip CMOS WiMedia-Funkeinheit ausgestattet ist und die gleiche Antenne wie ein Bluetooth-Gerät benutzt. Da sich die UWB und die Bluetooth-Einheit gegenseitig nicht stören, ist ein Parallelbetrieb mit ein und derselben Antenne problemlos möglich.
Vom elektrischen Leistungsbedarf her ergänzen sich WiMedia und Bluetooth. Was den in Joule (1 Joule entspricht 1 Wattsekunde) gerechneten Energieaufwand zur Übertragung eines Bits betrifft, erreicht WiMedia zurzeit die beste Energieeffizienz. Ausschlaggebend für die Effizienz von WiMedia ist die hohe Übertragungsrate. Dagegen ist Bluetooth sparsamer, wenn es darum geht, eine Verbindung über längere Zeit aktiv zu halten. Denn es kann sich alle paar Sekunden aktivieren, eine kurze Meldung senden und wieder in den Sleep-Modus zurückfallen.
Aus den oben genannten Gründen beabsichtigt die Bluetooth SIG deshalb, im Standby-Modus die konventionelle Bluetooth-Technik zu verwenden. Die WiMedia-Einheit soll in diesem Zeitraum komplett deaktiviert sein. Sie aktiviert sich erst, wenn große Datenmengen benötigt werden.
Bluetooth-Technologie im Detail
Gegenwärtig bietet Bluetooth gegenüber WiMedia einen entscheidenden Vorteil im Standby- oder Sleep-Modus. Es nimmt im Standby-Betrieb nur wenige Mikrowatt elektrischer Leistung auf. Außerdem ist es eine einfachere Funktechnik und lässt sich mit weniger Transistoren implementieren.
Nach Ansicht von Chipdesignern wird der aus der Einfachheit von Bluetooth resultierende Vorteil des geringeren Transistoraufwands mit der Zeit an Bedeutung verlieren. Allerdings müssen dafür die energiesparenden Power-Gating-Techniken an Raffinesse gewinnen.
Für die Implementierung von Lowpower-Betriebsarten in digitalen Schaltungen gibt es zwei Techniken, nämlich das Clock Gating und das Power Gating. Beim Clock Gating wird der Takt der betreffenden Schaltungen abgeschaltet. Der Stromverbrauch geht dadurch zurück, doch bleibt die Leckstromaufnahme (bei einigen Millionen Transistoren nicht zu vernachlässigen) bestehen. Dagegen wird beim Power Gating nicht nur der Takt, sondern die komplette Stromversorgung bestimmter Schaltungsteile abgeschaltet, so dass die Schaltung überhaupt keinen Strom verbraucht.
Die neueste Generation von WiFi-Chips für tragbare Geräte kann sich in Sachen Verlustleistung bereits mit Bluetooth messen. WiMedia-Lösungen der ersten Generation nehmen im Vergleich zu Bluetooth im Lowpower-Status zurzeit mehr Leistung auf, doch vertreten Chipdesigner die Auffassung, dass dieser Unterschied nach und nach schwinden wird.
Fazit und Ausblick
Der Hauptvorteil von WiMedia in Bezug auf die Energieersparnis resultiert aus seiner hohen Datenrate. Beim Warten auf ein Signal oder während des Sendens entspricht der Energiebedarf ungefähr dem anderer Funktechniken. Wegen des hohen Durchsatzes muss die WiMedia-Einheit jedoch nur für ganz kurze Zeit aktiv bleiben.
Dies ist besonders wichtig in mobilen Geräten, in denen die CPU deutlich mehr Strom verbraucht als die Funkeinheit. Bei der Übertragung umfangreicher Dateien, beispielsweise eines Spielfilms in voller Länge auf ein entsprechendes Display, bewirkt die WiMedia-Funktechnologie eine längere Batterielebensdauer, als wenn das Gerät selber den Spielfilm abspielt.
Als erste Produkte werden Lösungen mit Wireless-USB-Technologie kommen, um kabelgebundene USB-Verbindungen zu ersetzen. Hinsichtlich des Powermanagements sicher keine sonderlich anspruchsvolle Aufgabe, denn Geräte wie zum Beispiel Drucker, Festplatten und Hubs dürften auch weiterhin mit einer dezentralen Stromversorgung ausgestattet sein. Bluetooth 3 wird weiterhin als stromsparende dauerhafte Verbindungsart etwa bei Headsets zum Einsatz kommen. Dagegen eignet sich WiNet besonders für die sichere Ad-hoc-Vernetzung.
Bei WiMedia reicht das Anwendungsspektrum vom Streamen von Videos zwischen Set-Top-Box und Display bis hin zu portablen Media Playern. Wenn WiMedia sich auf dem Markt behaupten will, muss es sich auch in Umgebungen bewähren, in denen das Energiebudget knapp ist. Dazu zählen PDAs, Mobiltelefone, Digitalkameras und portable Multimedia-Player. (hal)