1. Einleitung

In den letzten Jahren hat die Anwendung drahtloser Kommunikation unser Umfeld sehr stark geprägt. Der heutige Alltag wäre ohne digitale Übertragungstechniken wie GSM, UMTS, DVB, Wireless-LAN oder Bluetooth gar nicht mehr denkbar. Allerdings brachten diese Entwicklungen auch neue Probleme mit sich. So wurden in letzter Zeit durch die permanent wachsende Frequenzknappheit und die scharfen Regulierungen in vielen Ländern kommerzielle Trägerfrequenzen immer teurer und die Nutzung der lizenzfreien Bänder aufgrund starker Überlastung immer ineffizienter.

Übertragungsverfahren mit der Ultrawideband-Technologie (kurz UWB) versprechen hingegen diese Hürden zu umgehen. Durch die Nutzung eines "ultra"-breiten Frequenzspektrums und einer sehr geringen Sendeleistung können Daten mit UWB parallel auf den bereits genutzten Frequenzen übertragen werden. Weiterhin sollen somit in den so genannten Wireless Personal Networks (WPANs) Datenraten von bis zu 2 GBit/s erreicht werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die wichtigsten Grundlagen zur UWB-Technik und den dazugehörigen Modulationsverfahren erläutert. Weiterhin werden wichtige Konsortien und Standardisierungsgremien beschrieben und es wird ein Einblick in aktuelle praktische Anwendungsgebiete von UWB gegeben. Abschließend werden mit einem kurzen Blick in die Zukunft aktuelle Trends beleuchtet.

2. Einführung in UWB

Funktechniken werden als Ultrawideband bezeichnet, wenn sie entweder ein Spektrum von mehr als 500 MHz abdecken oder deren Bandbreite mindestens das 0,2-fache der mittleren Frequenz abdeckt. Die minimale Bandbreite wird für diesen Fall mit Hilfe folgender Gleichung berechnet.


Hierbei werden die obere Grenzfrequenz f_H und die untere Grenzfrequenz f_L des Spektrums mit einbezogen.

Zur drahtlosen Übertragung von Daten ist bei den meisten aktuellen schmalbandigen Übertragungsverfahren eine so genannte Trägerfrequenz notwendig. Informationen werden vor dem Senden auf diese Trägerwelle aufgebracht und mit einem ausgewählten Verfahren moduliert. In UWB werden keine Frequenzmodulationen dieser Art zur Übertragung von Informationen verwendet. Im einfachsten Fall werden die zu sendenden Daten in Impulse gewandelt.

Die Ultrawideband-Technik wird allerdings nicht nur zur Datenübertragung genutzt. Auch Radar- und Sensorsysteme finden hier Anwendung. Aufgrund der extrem kurzen Impulslängen, die sich im Nanosekunden-Bereich bewegen, kann hiermit eine sehr viel höhere Genauigkeit als bei herkömmlichen Radartechniken erzielt werden.

Signale

Die erzeugten Impulse in der gängigsten Übertragungstechnik für UWB, dem Impulsradio-Verfahren, müssen eine außergewöhnlich hohe Flankensteilheit aufweisen. Nur somit ist es möglich, eine ausreichend hohe Amplitudenauslenkung zu erreichen, um die gesendeten Signale am Empfänger auch detektieren zu können. Besonders gut dafür geeignet ist ein Rechteckimpuls, welcher durch Überlagerung mehrerer Signale mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden kann. Eine aus der Nachrichtentechnik bekannte Formel für einen Rechteckimpuls resultiert aus der folgenden Fourierreihen-Entwicklung.


Durch die Variation der oberen Summengrenze kann eine approximative Erhöhung der Flankensteilheit des Rechteckimpulses gut nachvollzogen werden. Für den Fall, dass wie in der Gleichung angegeben die obere Summengrenze gleich unendlich ist, würde ein idealer Rechteckimpuls erzeugt werden. Um die approximative Annäherung an dieses ideale Rechteck zu verdeutlichen, wurden in der folgenden Abbildung für die obere Summengrenze die Werte 1, 5 und 20 verwendet.



Mit dem Wunsch nach möglichst kurzen Impulsen müssen dementsprechend auch die Flanken steiler gewählt werden. Somit steigt die Breite des benötigten Frequenzbandes sehr schnell an. Die kurze Impulslänge impliziert daher schon eine wichtige Eigenschaft der UWB-Technik, denn ohne ein breites Frequenzspektrum könnten die extrem kurzen und rechteckigen Impulse nicht realisiert werden.

Frequenzen und Sendeleistung

Aufgrund der Nutzung von derartig breiten Frequenzbereichen, war die US-amerikanische Regulierungsbehörde FCC (Federal Communications Commission) [2] für sehr lange Zeit nicht bereit, die Ultrawideband-Technik für die lizenzfreie Nutzung zu erlauben. Ein weiterer Grund für die Verweigerung war die Angst davor, dass die UWB-Kommunikation bereits vorhandene schmalbandige Übertragungstechniken stören könnte. Am 14. Februar 2002 wurde dann nach langem Druck von der Seite der Industrie endlich ein Bericht verfasst, welcher die strengen Kriterien beschreibt, die UWB-Signale zu erfüllen haben.

Angesichts der vielseitigen Einsatzgebiete von UWB wurden Richtlinien für drei Gerätegruppen erstellt. Hierbei handelt es sich um „Abbildungssysteme“, „Fahrzeug-Radarsysteme“ sowie um „Kommunikations- und Messsysteme“. Die Gruppe der so genannten „Abbildungssysteme“ wurde noch in weitere Subgruppen unterteilt. Diese heißen „Ground Penetrating Radar Systems“,„Wall Imaging Systems“, „Through-wall Imaging Systems“, „Survelliance Systems“ und „Medical Systems“. Nähere Fakten zu diesen Gruppen sollen hier nicht näher beleuchtet werden und sind im entsprechenden Bericht der FCC [3] nachzulesen.

Allgemein wurde festgelegt, dass UWB ausschließlich im Bereich von 0 bis 11 GHz arbeiten darf. Für die Indoor-Datenkommunikation wurden von der FCC zwei Frequenzbereiche definiert. Zum einen kann zwischen 0 und 0,96 GHz, zum anderen zwischen 3,1 und 10,6 GHz gesendet werden. Für beide Bereiche gilt eine maximale spektrale Leistungsdichte, die nicht höher sein darf als die maximal zulässige Störstrahlung von Elektrogeräten wie beispielsweise bei Mikrowellen, Motoren oder Personal Computern. Erlaubt sind hierbei gerade einmal Werte von maximal -41,3 dBm/MHz. Dies entspricht einer Sendeleistung von 70 nW/MHz. Besonders in den unteren Frequenzbereichen sinkt dieser Wert teilweise sogar auf -75 dBm/MHz. Dies macht die Nutzung von UWB zur Datenübertragung in den niedrigen Bändern praktisch unmöglich. Die folgende Tabelle liefert eine Übersicht der Leistungsbegrenzungen für alle Frequenzbereiche der Indoor- und Outdoor-Kommunikation. Hier sind die Werte für „Equivalent Isotropic Radiated Power“ (kurz EIRP) in dBm pro MHz angegeben.



Die strengen Regulierungen sind allerdings durchaus berechtigt, da die Möglichkeit besteht, dass UWB bereits bestehende Systeme stört. Die Störanfälligkeit wichtiger und sicherheitskritischer Systeme ist auch ein Grund dafür, dass eine Datenkommunikation mit UWB im Bereich von 0,96 bis 3,1 GHz nicht betrieben werden darf, weil Funktechniken wie GSM, GPS oder die Sensorik in Flugzeugen mit diesen Frequenzen arbeiten.

In Europa ist die „International Telecommunication Union“ (kurz ITU) [5] für die Regulierung der Frequenzbereiche und der erlaubten Sendeleistungen zuständig. Diese hat im Jahre 2002 eigene Regelungen zu UWB-Kommunikation in Europa beschlossen. Die Richtlinien über die in UWB genutzten Frequenzbereiche wurden vom bereits genannten Bericht der FCC übernommen. In der folgenden Tabelle sind die Regulierungen für die Begrenzung der maximalen Sendeleistung zu sehen.



Aufgrund der niedrigen Sendeleistung können mit UWB nicht gleichzeitig lange Strecken zurückgelegt und hohe Übertragungsraten erreicht werden. Dies macht das Shannon'sche Theorem der Kanalkapazität deutlich.


Wie an der Gleichung zu sehen ist, hängt die Kanalkapazität C unter anderem von der Bandbreite B und der Sendeleistung S des Signals ab. Die Rauschleistung N ist für diese Betrachtung nicht weiter relevant. Da bei der Kommunikation mit UWB sehr hohe Bandbreiten verfügbar sind, ist es auch ohne die Erhöhung der Sendeleistung möglich, einen enorm großen Wert für die Kanalkapazität und somit für eine schnelle Datenübertragung zu erzielen. Im Wireless-LAN oder im Mobilfunk-Bereich hingegen muss die Sendeleistung erhöht werden, um höhere Übertragungsraten zu erzielen, weil dort ein im Vergleich zu UWB nur sehr schmales Frequenzband vorliegt, welches nicht erweitert werden kann. Diese Eigenschaft kommt besonders mobilen Geräten zu Gute, da mit sehr geringer Leistung für heutige Verhältnisse extrem hohe Übertragungsgeschwindigkeiten erzielt werden können und somit Akkuenergie gespart werden kann.

Aktuelle Geräte in der Praxis können Übertragungsraten von 480 MBit/s erreichen. In Zukunft sollen bis zu 2 GBit/s möglich sein. Allerdings wird die Reichweite hier auf maximal 10 m beschränkt, da aufgrund der geringen Sendeleistung sonst zu starke Störungen und ein zu schwaches Signal mit einer hohen Fehlerrate empfangen wird.

Übertragungsverfahren und Modulationstechniken

Das Prinzip der UWB-Funktechnik wird schon seit langer Zeit verwendet. So wurden beispielsweise schon vor mehr als 60 Jahren die Vorteile von UWB gegenüber schmalbandigen Verfahren für den Bordfunk auf Kriegsschiffen genutzt. Durch einen genügend großen Abstand zwischen den gesendeten Impulsen kann bei einer Mehrwegeausbreitung die Überlagerung und somit die Auslöschung der verwendeten Sinuswellen vermieden werden. Im Fall einer Mehrwegeausbreitung werden mehrere Impulse gleichzeitig empfangen. Hierbei wird dann der Impuls mit der größten Amplitude selektiert und verarbeitet. Auf diesem Prinzip basiert das bekannteste Übertragungsverfahren für UWB - das so genannte Impulsradio.

Impulsradio

Das Impulsradio-Verfahren zählt zu den einfachsten Übertragungstechniken in Verbindung mit UWB, da hier pro gesendetem Impuls nur ein einziges Bit übertragen wird. Die Form der Impulse wird in diesem Fall häufig durch eine Gaussfunktion bestimmt. Die mittlere Halbwertsbreite einer so genannten Gaussglocke beträgt im Zusammenhang mit der UWB-Technik etwa 100 ps. Um eine Übertragungsrate von 100 MBit/s zu erreichen, müssen also Impulse im Abstand von 10 ns gesendet werden. Bei der Modulation der zu sendenden Daten kommt die Pulse-Position Modulation (kurz PPM) zum Einsatz. Diese sieht innerhalb des bereits genannten Zeitschlitzes von 10 ns eine so genannte Nominalposition vor. Zum Senden einer binären „0“ wird dann der Gaussimpuls um die Hälfte seiner Halbwertsbreite, im Folgenden auch t/2 genannt, auf der Zeitachse nach vorne verschoben. Wird der Impuls auf der Zeitachse um den Wert t/2 hinter den Referenzzeitpunkt positioniert, so stellt dieses Signal eine binäre „1“ dar.

Vor dem Beginn einer Datenübertragung müssen Sender und Empfänger zeitlich synchronisiert werden. Der Empfänger erzeugt Gaussimpulse während der gesamten Übertragung in festgelegten Abständen, welche mit den Nominalzeitpunkten des Senders korrelieren. Danach wird dieser so genannte Referenzimpuls mit dem empfangenen und vorher von den Antennen differenzierten Datenimpuls multipliziert. Ein empfangener „0“-Impuls liegt also zeitlich gesehen vor dem Referenzimpuls. Durch die Multiplikation beider Signale entsteht an der Vorderflanke des Referenzimpulses eine Erhöhung der Amplitude. Somit kann der Komparator ein positives Signal und daraus folgend eine „0“ erkennen. Durch den Empfang einer „1“ entsteht der markante Amplitudenteil im hinteren Bereich des Referenzimpulses. Der Komparator erhält nun also einen negativen Impuls. In der folgenden Abbildung ist ein Überblick zum Grundprinzip des Impulsradio-Verfahrens dargestellt.



Für den Fall einer gleichzeitigen und unkoordinierten Übertragung zwischen mehreren Instanzen, welche auch „multiple access“ (kurz MA) genannt wird, können die relativ langen Pausen zwischen der Übertragung einzelner Impulse ausgenutzt werden. Das bedeutet, dass die Zeitschlitze so großzügig gewählt sind, dass darin mehrere Impulse gleichzeitig platziert werden können. Zur Erhöhung der Robustheit wird darüber hinaus noch der Nominalzeitpunkt der Impulse in regelmäßigen Abständen variiert. Dies geschieht nach einem festen Algorithmus, den beide Kommunikationspartner kennen müssen. Das bedeutet, dass die Nominalzeitpunkte pseudozufällig verändert werden. Dieses Verfahren wird auch „Time-Hopping“ genannt. In sehr wenigen Fällen kann es aufgrund der fehlenden Koordination dennoch zu Kollisionen kommen. Eine geeignete Fehlerkorrektur auf höheren Schichten kann dieses Problem aber ohne großen Aufwand lösen. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen Überblick zum Prinzip des Time-Hopping-Mechanismus.



Multiband-OFDM

Aktuellen Entwicklungen im UWB-Bereich nach zu urteilen, wird sich in Zukunft die „Orthogonal Frequency Division Multiplexing“-Technik (kurz OFDM) für praktische Anwendungen am ehesten durchsetzen. Dieses Verfahren findet auch bei Übertragungstechniken im digitalen Audio- und Video-Broadcasting-Bereich wie beispielsweise beim „Digital Audio Broadcast“ (kurz DAB) oder beim „Digital Video Broadcast“ (kurz DVB) sowie bei heute üblichen drahtlosen Datenübertragungstechniken wie Wireless-LAN oder „Worldwide Interoperability for Microwave Access“ (kurz WiMAX) Anwendung. Das OFDM-Konzept eröffnet weitaus flexiblere Möglichkeiten als das Impulsradio. Allerdings stellt es sehr viel höhere Ansprüche an das Hardwaredesign. Somit scheint es eine große Herausforderung für Entwickler und Gerätehersteller zu sein, eine stromsparende und effiziente Lösung zu finden.

Das Multiband-OFDM nutzt ein Multiträger-Konzept und übermittelt Daten mit der Hilfe von Frequenzmultiplexing mehrerer schmalbandiger Sinusträger. Dabei kann es zwar zum so genannten Fading kommen, jedoch können die Daten mit Hilfe einer nahezu ungestörten Signalübertragung vom Empfänger problemlos decodiert werden. Bei einer gewünschten Übertragungsrate von 480 MBit/s werden beispielsweise 100 solcher Sinusträger genutzt. Dies bedeutet, dass pro verwendetem Kanal nur 4,8 MBit/s übertragen werden müssen. Weiterhin ist hier auch eine Mehrwegeausbreitung möglich, da die gesendeten Sinuswellen auch auf unterschiedlichen Streckenlängen noch erhalten bleiben und trotz der teilweise verzögerten Eintreffzeiten am Empfänger noch verarbeitet werden können.

Die Informationsübertragung wird durch eine Modulation in der Phase des sinusförmigen Subträgers realisiert. Diese Phasenverschiebung findet bei den heute gängigen UWB-Anwendungen im Abstand von 312 ns statt. Hierbei kann die Phase insgesamt die vier verschiedenen Werte 45°, 135°, 225° und 315° annehmen. Es handelt sich also um eine Quadratur-Phasenmodulation, welche 2 Bit mit nur einem Symbol übertragen kann. Technisch gesehen wird vom Sender jeweils das Signal mit Hilfe der inversen Fouriertransformation für jedes Fenster mit der Länge von 312 ns moduliert und mittels eines Digital-Analog-Wandlers in ein so genanntes Basisband-Signal umgeformt. Am Empfänger wird der gegenläufige Prozess durchgeführt. Das analoge Basisband-Signal wird in ein digitales Signal gewandelt und anschließend mit Hilfe der schnellen Fouriertransformation (auch „Fast Fourier Transform“, kurz FFT) demoduliert. Danach kann das demodulierte Signal vom Komparator decodiert werden. In der Praxis werden jedoch nur 240 der genannten 312 ns für die reine Datenübertragung genutzt. In den ersten 72 ns finden Einschwingvorgänge des Signals statt.

Momentan wird das für die Datenübertragung in UWB genutzte Frequenzband von 3,1 bis 10,6 GHz in 15 jeweils 500 MHz breite Subbänder aufgeteilt. In jedem Subband befinden sich 122 Subträger mit einem Abstand von etwa 4 MHz. Mit Hilfe der Quadratur-Phasenmodulation können also pro Band theoretisch 244 Bit übertragen werden. In der Praxis verbleiben nach der notwendigen Fehlerkorrektur noch etwa 150 der 244 Bit zur Informationsgewinnung. Wird das Zeitraster von 312 ns Länge eingehalten, bedeutet dies, dass mit dem Multiband-OFDM-Verfahren durchaus die heute üblichen 480 MBit/s übertragen werden können. Bei der gleichzeitigen Nutzung aller 15 möglichen Bänder, könnten theoretisch bis zu 7,2 GBit/s übertragen werden.

Durch einen Wechsel des Frequenzbandes bei jeder Symbolgenerierung wird Multiband-OFDM noch robuster gegen Störungen oder Interferenzen, die durch parallel vorhandene Schmalbandsignale anderer Sender entstehen können. Auch ist es dadurch möglich, einen unkoordinierten Vielfachzugriff zwischen mehreren Partnerinstanzen zu realisieren, da aufgrund der häufigen Bandwechsel kaum Kollisionen auftreten.

Direct-Sequence-CDMA

Aktuell wird in der Praxis noch eine weitere Spielart der Übertragung für UWB-Signale verwendet. Hierbei handelt es sich um das „Direct-Sequence-Spreading“ und speziell für UWB um das „Direct-Sequence-Code-Division-Multiple-Access“-Verfahren (kurz „Direct-Sequence-CDMA“ oder „DS-CDMA“). Dies ist ein so genanntes Spreizverfahren, welches das Prinzip des Impulsradio erweitert und damit speziell auf die Vermeidung von Intersymbolinterferenzen zielt. Das zu sendende Signal wird mit einem Spreizcode multipliziert. Daraus resultiert ein Signal mit einer geringeren Nutzrate. Technisch gesehen wird somit ein schmalbandiges Signal über die Frequenz gespreizt, was zur Folge hat, dass die Signalenergie auf eine größere Bandbreite verteilt wird. Ein weiterer Unterschied zum Impulsradio ist, dass bei DS-CDMA deutlich weniger Energie zur Übertragung von Informationen notwendig ist und eine technische Realisierung für UWB-Chips somit erleichtert wird.

Um das genannte Verfahren zu verdeutlichen, soll am folgenden Beispiel eine Sende- und Empfangs-Prozedur mit DS-CDMA gezeigt werden.


Mit Hilfe der CDMA-Technik sind in diesem Fall fast ungestörte Mehrfachzugriffe möglich, da die jeweiligen Partner ihre Informationen mit dem gleichen, vorher festgelegten, Code modulieren. Somit können mehrere Signale gleichzeitig auf einer Frequenz gesendet und am Empfänger problemlos unterschieden und decodiert werden.

3. Arbeitsgruppen und Standards

Derzeit bestimmen zwei große konkurrierende Arbeitsgruppen die Entwicklung von UWB-Techniken und Geräten. Es handelt sich hierbei um das „UWB Forum“ [7] und die „WiMedia Alliance“ [8]. Beide Arbeitsgruppen brachten in der letzten Zeit sehr unterschiedliche Entwicklungen hervor. Im Folgenden sollen diese näher beleuchtet werden.

Das UWB Forum wurde Ende 2005 formiert und ist somit die jüngere der beiden genannten Arbeitsgruppen. Diese Gruppe hat sich vorrangig das Ziel gesetzt, einen einheitlichen Standard für UWB zu entwickeln, welche von allen Herstellern und deren Geräten unterstützt wird. Das UWB Forum hat einen kommerziellen Grundgedanken und setzt sich unter anderem aus den Firmen Siemens, Fujitsu, Seagate, Freescale und Belkin zusammen. Das im letzten Abschnitt diskutierte „Direct-Sequence“-Verfahren wird vom UWB Forum unterstützt. Ein Grund dafür ist die recht einfache und günstige physikalische Umsetzung dieser Technik. Die Firma Freescale, welche im Übrigen eine Tochterfirma von Motorola ist, hat bereits einige Chips mit dieser Technik auf den öffentlichen Markt gebracht.

Die WiMedia Alliance wurde im Jahr 2002 gegründet. Auch diese Gruppe möchte einen einheitlichen UWB-Standard entwickeln. Die WiMedia Alliance stellt ihre Spezifikationen und die aktuellen Entwicklungszustände öffentlich zur Verfügung. Es handelt sich also hierbei um eine offene Gruppe. Hauptsächlich sehr große Firmen haben sich dieser Arbeitsgruppe angeschlossen. Dazu zählen unter andern Intel, HP, Infineon, Microsoft und Nokia. Durch die Fusion mit der von Intel ins Leben gerufenen „Multiband-OFDM Alliance“ (kurz MBOA) kam es auch dazu, dass sich die WiMedia Alliance dazu entschloss, die MB-OFDM-Technik zu nutzen und weiter zu entwickeln.

Das große Ziel beider Arbeitsgruppen ist es, eine gemeinsame Plattform für höhere Protokolle zu entwickeln, um es Herstellern zu erleichtern, kompatible Produkte auf den Markt zu bringen. So soll es, dank der hohen Übertragungsgeschwindigkeiten, in Zukunft möglich sein, Protokolle wie USB, Firewire, oder IP drahtlos miteinander zu verbinden. Es sind auch Anwendungen im Audio- und Video-Bereich geplant. Hier könnten beispielsweise Bildschirme oder Beamer drahtlos mit dem PC verbunden werden. Im Home-Entertainment Bereich soll UWB auch einen schnellen Einzug nehmen. Der sprichwörtliche Kabelsalat im Wohnzimmer könnte mit Hilfe von UWB ganz schnell der Vergangenheit angehören, da Video- und Audio-Geräte drahtlos miteinander kommunizieren könnten. Die Verbindung zwischen UWB und den genannten Anwendungen wird durch eine spezielle Schicht des ISO/OSI-Referenzmodells, dem so genannten „Protocol Adaption Layer“ (kurz PAL) realisiert. Dieser Ansatz stammt von beiden Arbeitsgruppen und wird in der folgenden Abbildung deutlich gemacht.



In der physikalischen Schicht sind derzeit Datenraten von 53,3 MBit/s bis 480 MBit/s möglich. Später sollen hier über 1 GBit/s erreicht werden. Durch eine Kombination der verwendeten Codierungen wird eine Abstufung der Übertragungsraten erreicht. Beispielsweise kann mit QPSK eine sehr robuste aber relativ langsame Übertragung realisiert werden. Als Übertragungstechnik wurde für die physikalische Schicht der MB-OFDM-Ansatz ausgewählt.

Die in diesem Modell gewählte MAC-Schicht wurde von der in „IEEE 802“ definierten MAC-Schicht des ISO/OSI-Referenzmodells übernommen. Die MAC-Architektur ist dezentralisiert aufgebaut. Im Gegensatz zur Bluetooth-Technik. gibt es hier keine Master-Geräte, welche als Koordinator im Netz arbeiten und somit die Kommunikation aller Netzwerkknoten steuern. In diesem Modell werden mehrere Geräte in logische Gruppen eingeordnet und mit einer 16 Bit langen eindeutigen Adresse gekennzeichnet. Zusätzlich kann jedes Gerät noch anhand seiner vom Hersteller zugeordneten EUI-Adresse eindeutig identifiziert werden. Es handelt sich hierbei also um so genannte Ad-hoc Netze.

Die Kommunikation in einem UWB-Netz wird mit Hilfe von Beacons realisiert. Durch das periodische Senden von Beacon-Frames können Geräte in einem dynamischen Netz gefunden und identifiziert werden. Auch wird mit solchen Beacons die Koordination und das Scheduling im Netz gesteuert.

Erste Versuche, die Technik mit und um UWB zu standardisieren gab es bereits. Das „Institute of Electrical and Electronics Engineers“ (kurz IEEE) [9] hat die beiden Standards 802.15.3a [10] und 802.15.4a [11] veröffentlicht. Ersterer beschreibt das so genannte „UWB Hight Data Rate“, welches für sehr hohe Datenraten auf kurzen Entfernungen geeignet ist. Hier sind Übertragungsraten von 480 MBit/s bis 1 GBit/s mit einer maximalen Entfernung von 10 m angedacht. Als Übertragungstechnik soll hier das MB-OFDM verwendet werden. Aus diesem Standard heraus ist auch das schon heute verbreitete Wireless-USB entstanden. Der Standard 802.15.4a beschreibt „UWB Low Data Rate“, welches auf längeren Strecken verwendet werden kann. Hierbei können zwar nicht so hohe Übertragungsgeschwindigkeiten erreicht werden, der geringe Energieverbrauch spricht aber für einen Einsatz in mobilen Geräten und Sensornetzwerken.

4. Anwendungen in der Praxis

Aufgrund der, im Vergleich zu anderen drahtlosen Übertragungstechniken, sehr hohen Übertragungsraten auf kurzen Strecken und des sehr niedrigen Energieverbrauches, ist die UWB-Technik, äußerst gut für den Einsatz in WPANs geeignet. Die Anwendungsmöglichkeiten scheinen hier fast unerschöpflich. So können die bereits erwähnten Protokolle USB, Firewire oder IP mit UWB betrieben werden. Die oft lästige Verkabelung von Peripheriegeräten soll in Zukunft mit dieser drahtlosen Technik ersetzt werden. Auch im Audio- und Video-Bereich soll UWB eingesetzt werden. Hier sollen beispielsweise Monitore oder Beamer drahtlos an PCs angeschlossen werden. Die hohen Übertragungsgeschwindigkeiten sind sogar für die Videoübertragung in modernen HDTV-Geräten ausreichend.

Die WiMedia Alliance hat im Juni 2006 erstmals marktreife Wireless-USB-Chips und die zugehörigen Anwendungen vorgestellt. Der Hersteller „Focus Semiconductor“ stellte auch ein System vor, welches die aktuell üblichen Übertragungsgeschwindigkeiten und Reichweiten noch übertreffen soll. Der so genannte „Talaria-Chipsatz“ kann in diesem Fall in einem Video-Verteilsystem einen Durchsatz von bis zu 880 MBit/s und eine Reichweite von bis zu 40 m erreichen. Die WiMedia Alliance will bis zum Jahre 2010 etwa 300 Millionen Wireless-USB-Nodes verkaufen. Diese Geräte sollen hauptsächlich im Zusammenhang mit drahtlosen Beamern, Video-Systemen und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden. Diese Dongles sollen, wie nach dem erwähnten PAL-Prinzip für die eigentlichen USB-Geräte transparent sein. Hierfür sind allerdings noch Treiber für das Management der Geräteauswahl nötig. Die Firma Microsoft arbeitet bereits an solchen Treibern für die Betriebssysteme Windows XP und Vista. Für das Linux-Betriebssystem entwickelt die Firma Intel schon seit längerer Zeit eine Treiberlösung.

Auch in der Medizin hat die UWB-Technik schon längst ihren Einzug gehalten. So hat beispielsweise ein Krankenhaus in den USA ein Sensornetz mit Hilfe von UWB realisiert. Personen und Gegenstände können so in Echtzeit geortet werden und wichtige Daten austauschen. Sensoren am Körper eines Patienten müssen nun nicht mehr mit Kabeln an die entsprechenden Messgeräte angeschlossen werden. Den Patienten wird somit viel mehr Freiheit und ein weitaus besseres Wohlbefinden gewährleistet. Außerdem sind diese Sensoren äußerst langlebig, da die niedrige Sendeleistung sehr viel Akku-Energie spart. Auch kann so eine längerfristige Patientenbeobachtung durchgeführt werden. Die gemessenen Werte können dann zum zuständigen Arzt übertragen werden. Somit ist der Patient nicht an einen klinischen Aufenthalt gebunden, denn die Daten können überall ermittelt werden.

Wie schon erwähnt wurde, kann UWB nicht nur zur Datenkommunikation eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Bandbreite ist es mit UWB möglich eine Vielzahl verschiedener Materialien zu durchdringen. Dies bildet die Grundlage einer Vielzahl von Radar-Anwendungen. Beispielsweise können somit Rohre oder elektrische Leitungen in Wänden oder im Boden detektiert werden. Beim Militär können mit Hilfe von UWB-Radar Minen und Blindgänger im Boden gefunden werden. Auch Diagnosesysteme in der Medizin sind momentan ein großer Forschungsschwerpunkt. Außerdem könnten UWB-Radargeräte in Katastrophenfällen helfen, verschüttete Menschen oder Tiere zu finden.

Die Technische Universität Ilmenau hat zusammen mit der Firma MEODAT [12] einen nur 1 x 2 cm großen HF-Teil eines UWB-Radars entwickelt. Dieses Bauteil ist zur Veranschaulichung in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die UWB-Technik eröffnet also eine sehr hohe Zahl von Anwendungsmöglichkeiten. Sollte sich das Konzept in Zukunft durchsetzen und UWB-Chips in Massenproduktionen hergestellt werden, könnte schon bald eine günstige und sehr sparsame Technik unseren Alltag bestimmen.

5. Trends und Zukunftsaussichten

Die gesetzliche Lage in Europa erlaubt es leider noch nicht, UWB im kommerziellen Bereich zu nutzen. Das „European Telecommunications Standards Institute“ (kurz ETSI) [14] hat für die Entwicklung von UWB-Standards in Europa bereits zwei Arbeitsgruppen formiert. Die Gruppe ERM/TG31A befasst sich mit der allgemeinen Technik für UWB. Die zweite Gruppe ERM/TG31B beschäftigt sich speziell mit der Standardisierung von UWB im Automotiv-Bereich. Die beiden Arbeitsgruppen haben bereits den Standard „Draft EN 302 065“ für die Datenkommunikation im Bereich von 3,1 bis 10,6 GHz bestimmt. Weiterhin wurde der Standard „Planned EN 302 066“ für Radaranwendungen mit UWB und dort speziell für Lokalisationsdienste für die Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 6 GHz beschlossen. Im dritten Standard „Draft EN 301 091“ wurden die Prinzipien für Radaranwendungen im Automotiv-Bereich definiert. Diese Standards sind nicht endgültig, denn es wird momentan noch intensiv an neuen Standardisierungen gearbeitet.

Auch das IEEE arbeitet an Standards für WPANs auf UWB-Basis. Die WiMedia Alliance ist in diesem Fall stark an den Arbeiten beteiligt, da deren Ansatz mit MB-OFDM im Allgemeinen attraktiver für die Industrie erscheint. Auch hat sich WiMedia den Namen „Wireless USB“ geschickt und schnell gesichert, um den Anwendern ohne großen Erklärungsbedarf zeigen zu können, was diese Technik kann.

Jedoch zeichnen sich bei der Betrachtung dieser Funktechnik auch Nachteile aus. So ist beispielsweise die Auswirkung auf den Menschen noch vollkommen unerforscht. Auch konnten noch keine praktischen Tests im Bezug auf das Störverhalten zusammen mit anderen Funktechniken, wie WLAN oder Bluetooth, gemacht werden. Hier ist es nämlich durchaus möglich, dass UWB von anderen drahtlosen Kommunikationstechniken gestört wird oder diese von der UWB-Technik gestört werden. Diese potentiellen Probleme können allerdings erst nach einer weitflächigen Einführung von UWB-Geräten erforscht werden.

Auch bei dem Vorhaben einer einheitlichen Standardisierung sind Probleme erkennbar. Die verantwortlichen Arbeitsgruppen bemühen sich um eine schnelle Einführung eines Standards. Jedoch sind einzelne Unternehmen mit den Ansätzen für eine Standardisierung nicht einverstanden und möchten hierbei keine Abstriche machen. So kommt es dazu, dass sich die Einführung von UWB-Geräte auf dem freien Markt unnötig hinausgezögert wird. Dies könnte auch dahin führen, dass es zu gar keinem gemeinsamen Standard kommt und die Hersteller somit inkompatible Systeme verkaufen. Dies würde eine schnelle Verbreitung von UWB stark behindern und der Wirtschaft große Umsatzeinbußen einbringen.

Die Einsatzmöglichkeiten von UWB sind, wie schon erwähnt, nahezu unbegrenzt. In erster Linie wird hier wohl die Vernetzung von Peripheriegeräten am PC eine große Rolle spielen. So können später nicht nur, wie heute schon üblich, Eingabegeräte, sondern auch Drucker, Scanner oder externe Massenspeicher drahtlos angebunden werden. Dies wird sich im Laufe der Zeit auch auf Audio- und Video-Systeme ausweiten. Hier könnten hochauflösende TV-Geräte, Camcorder oder Videorecorder drahtlos kommunizieren. Geplant sind auch bereits bestehende Protokolle, welche mit UWB zusammenarbeiten oder darauf aufbauen. Bezeichnungen wie Wireless USB oder Wireless Firewire werden schon bald keine fremden Namen mehr sein. Auch sollen Nachfolger des heutigen Bluetooth auf UWB aufbauen und dann beispielsweise mobile Geräte wie Handys oder PDAs miteinander verbinden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass UWB durchaus als die drahtlose Übertragungstechnik der Zukunft bezeichnet werden kann. Vor allem im Kurzstreckenbereich, also in WPANs oder Sensornetzwerken, ist UWB eine energiesparende und günstige Lösung.

6. Literatur- und Quellenverzeichnis

[1] Maplesoft, www.maplesoft.com, Januar 2007

[2] Federal Communications Commision, www.fcc.gov, Januar 2007

[3] FCC 02 48A1, Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems, Februar 2002

[4] Ian Oppermann, Matti Hämäläinen, Jari Iinatti, UWB - Theory and Applications, 2004

[5] International Telecommunication Union www.itu.int, Januar 2007

[6] M. Wolf, J. Sachs, and R. Zetik, Ultra-Breitband-Kommunikation - Ein Überblick, TecChannel compact vol. 3, 2005

[7] UWB Forum, www.uwbforum.org, Januar 2007

[8] WiMedia, www.wimedia.org, Januar 2007

[9] IEEE www.ieee.org, Januar 2007

[10] IEEE 802.15.3a, www.ieee802.org/15/pub/TG3a.html, Januar 2007

[11] IEEE 802.15.4a, www.ieee802.org/15/pub/TG4a.html, Januar 2007

[12] MEODAT GmbH, www.meodat.de, Januar 2007

[13] TU Ilmenau, www.tu-ilmenau.de, Januar 2007

[14] ETSI, www.etsi.org, Januar 2007

[15] Michael Eisenacher, Optimierung von Ultra-Wideband-Signalen (UWB), Dissertation, Universität Karlsruhe, Juli 2006

[16] Michael Kirsche, Ultraschnelle drahtlose Übertragung von Daten, Seminarvortrag, Technische Universität Cottbus, Sommer 2006

[17] Uli Alexander Bornhauser, Einführung in die Ultra Wide Band Technik, Seminarvortrag, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Juni 2004

[18] Aleksandar Kanchev, Ultra Wide Band, Hauptseminar, Technische Universität Müunchen, Sommer 2006

7. Abkürzungsverzeichnis

CDMA - Code Division Multiple Access
DAB - Digital Audio Broadcast
DS - Direct Sequence
DVB - Digital Video Broadcast
EIRP - Equivalent Isotropic Radiated Power
EN - Europäische Normen
ERM - Electromagnetic Compatibility And Radio Spectrum Matters
ETSI - European Telecommunications Standards Institute
EUI - Extended Unique Identifier
FCC - Federal Communications Commission
FFT - Fast Fourier Transform
GPS - Global Positioning System
GSM - Global System for Mobile Communications
HDTV - High Definition Television
HF - High Frequency
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP - Internet Protocol
ISO - International Standardization Organization
ITU - International Telecommunication Union
LAN - Local Area Network
MA - Multiple Access
MAC - Media Access Control
MB - Multiband
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OSI - Open Systems Interconnection Reference Model
PAL - Protocol Adaption Layer
PAN - Personal Area Network
PC - Personal Computer
PDA - Personal Digital Assistant
PDF - Portable Data Format
PHY - Physical
PPM - Pulse Position Modulation
QPSK - Quadrature Phase Shift Keying
TG - Task Group
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
USB - Universal Serial Bus
UWB - Ultra Wide Band
WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN - Wireless Local Area Network
WPAN - Wireless Personal Area Network