Bewertung der Vorteile von Ultrabreitbandsystemen durch Impulsfunkgeräte

Am Beispiel von Impulsfunkgeräten untersuchen wir die Vorteile der Ultrabreitband-Technologie (UWB) im Vergleich zu anderen drahtlosen Kommunikationstechnologien mit kurzer Reichweite.

Ultrabreitband (UWB) ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie mit kurzer Reichweite – wie Wi-Fi oder Bluetooth – die ein sehr großes relatives und/oder absolutes Frequenzband zum Senden und Empfangen von Informationen verwendet. Gemäß den FCC-Vorschriften kann ein UWB-Gerät unlizenziert im 3,1–10,6-GHz-Band betrieben werden (PDF).

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf einige der wichtigen Eigenschaften der UWB-Technologie.

UWB teilt das Funkspektrum

Teile des für UWB zugeteilten Frequenzbereichs werden bereits von bestehenden Kommunikationssystemen genutzt. Wie unten gezeigt, dürfen beispielsweise sowohl 802.11ac – ein WLAN-Kommunikationsprotokoll mit hohem Durchsatz – als auch UWB das Frequenzband um 5 GHz verwenden.

Abbildung 1. Diagramm des UWB, das unterhalb des "Noise Floor" arbeitet. Bild mit freundlicher Genehmigung der ITU

UWB versucht, die knappen Spektrumsressourcen effizienter zu nutzen.

Wie kann die UWB-Technologie das gleiche Spektrum wie bestehende drahtlose Systeme nutzen, ohne Störungen zu verursachen? Dies wird erreicht, indem die spektrale Leistungsdichte des von einem UWB-Sender emittierten elektromagnetischen Signals eingeschränkt wird.

Laut FCC (dem US-Frequenzregulator) sollte die spektrale Leistungsdichte eines Indoor-UWB-Senders zwischen 3,1 und 10,6 GHz unter -41,3 dBm/MHz liegen. Dies begrenzt die von einem UWB-Gerät verursachten Störungen.

Abbildung 2 zeigt die von der FCC vorgeschriebene Spektralmaske für einen UWB-Sender in Innenräumen.

Abbildung 2. Die Spektralmaske für einen Indoor-UWB-Sender. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

UWB bietet Vorteile in Bezug auf die Datenübertragungsrate, die Immunität gegenüber dem Mehrwegeeffekt, die hohe Entfernungsgenauigkeit, den geringen Stromverbrauch und die Einfachheit der Implementierung. Betrachten wir eine Klasse von UWB-Systemen namens Impulsradios, um einen besseren Einblick in die Hauptmerkmale dieser Technologie zu erhalten.

Impulsradio

Während herkömmliche Schmalband-Kommunikationssysteme eine kontinuierliche Wellenform übertragen, sendet ein Impulsfunkgerät ultrakurze Impulse (weniger als 1 ns) zur Übermittlung von Informationen.

Nach jedem Impuls bleibt der Sender relativ lange „still“. Zum Beispiel könnte ein Impulsfunkgerät nur einen einzelnen 1-ns-Impuls alle 100-ns-Zeitintervalle senden. In diesem Fall sagen wir, dass das Tastverhältnis 1% beträgt (der Impuls ist nur 1% der Sendezeit vorhanden).

Abbildung 3. Eine typische Pulssequenz, die von einem Impulsradio gesendet wird

Diese Impulse können auf verschiedene Weise moduliert werden, um Informationen zu übermitteln. Abbildung 4 unten zeigt, wie Pulspositionsmodulation und Bi-Phase-Modulation eine unmodulierte Sequenz verändern.

Abbildung 4. Pulspositions- und Zweiphasenmodulationen ändern eine unmodulierte Sequenz. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Beachten Sie, dass eine kurze Zeitdauer einer großen Bandbreite im Frequenzbereich entspricht. Daher wird je nach Signaldauer ein Breitbandsignal von der UWB-Sendeantenne ausgesendet.

Abbildung 5. Die von einem Impulsfunk gesendeten Signale belegen ein großes Frequenzband. Bild mit freundlicher Genehmigung der Time Domain Corporation

Sowohl die Mittenfrequenz als auch die Bandbreite der übertragenen Signale hängen vollständig von der Breite des Impulses ab.

Geringer Stromverbrauch

Da die Impulse nur während eines kleinen Prozentsatzes der Sendezeit gesendet werden, ist die durchschnittliche Sendeleistung des Senders sehr gering. Mit einer Sendeleistung in der Größenordnung von Mikrowatt kann ein UWB-Gerät die Batterielebensdauer verlängern.

Hohe Datenrate

Obwohl die emittierte Leistung begrenzt ist, ermöglicht UWB die unlizenzierte Nutzung eines extrem breitbandigen Spektrums. Dies ermöglicht uns hohe Datenraten (>100Mbit/s). Diese hohe Datenrate kann jedoch nur über eine relativ kurze Übertragungsstrecke von 10 m erreicht werden. Dies liegt daran, dass für jedes Informationsbit nur eine sehr geringe Leistung abgegeben wird.

Bei niedrigeren Datenraten (<1 Mbit/s) können wir einen großen Spreizfaktor verwenden, um längere Distanzen zu unterstützen. Die folgende Tabelle vergleicht die Datenrate und Reichweite von UWB mit anderen drahtlosen Innenkommunikationstechnologien.

System	Maximale Datenrate (Mbit/s)	Übertragungsentfernung (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB im Vergleich zu vergleichbaren drahtlosen Indoor-Kommunikationstechnologien. Daten mit freundlicher Genehmigung von Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Robustheit gegenüber dem Multipath-Effekt

UWB-Signale weisen eine höhere Robustheit gegenüber dem Mehrwegeeffekt auf als herkömmliche drahtlose Technologien. Angenommen, es gibt neben einem direkten Weg für die elektromagnetische Wellenausbreitung vom Sender zum Empfänger einen weiteren Weg, der durch die Reflexionen von einem Objekt verursacht wird.

Abbildung 6. Darstellung eines Mehrwegeeffekts

Die Zeit (t), die das übertragene Signal benötigt, um die Gesamtstrecke (d) eines gegebenen Weges zurückzulegen, kann durch die folgende Gleichung ermittelt werden:

d =c x t

wobei c die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle bezeichnet, die ungefähr 3✕10 ⁸ . beträgt Frau. Daher erscheinen für jeden Impuls, den wir senden, zwei Impulse am Empfängereingang. Dies ist in Abbildung 7 dargestellt, in der die gesendeten und die empfangenen Pulse in einem Diagramm dargestellt sind.

Abbildung 7. Für jeden gesendeten Impuls erscheinen zwei Impulse am Empfängereingang.

In dieser Figur sind die beiden empfangenen Pulse leicht zu erkennen, da sie sich nicht überlappen. Dies ist jedoch im Allgemeinen nicht der Fall. Wenn wir die obige Abbildung betrachten, können wir sehen, dass die Impulse nicht interferieren – nur wenn die Verzögerungsdifferenz zwischen den beiden Pfaden (t₁ -t₀ ) ist größer als die Pulsbreite (PW).

Da UWB-Pulse eine sehr kurze Dauer haben, ist es wahrscheinlicher, dass die Pulse, die von den verschiedenen Pfaden kommen, unseren gewünschten Puls nicht stören. Daher können wir leicht das gewünschte Signal aus denen extrahieren, die von unerwünschten Reflexionen stammen. Dies verleiht einem UWB-System mehr Immunität gegenüber dem Mehrwegeeffekt. Alternativ kann die Energie durch einen Rake-Empfänger aufsummiert werden.

Hohe Reichweitengenauigkeit

Wie oben erörtert, ermöglicht uns die scharfe Zeitauflösung von UWB-Signalen ein System, das Mehrwegekomponenten auflösen kann, ohne auf komplexe Algorithmen zurückzugreifen. Dadurch eignet sich UWB für Anwendungen zur Reichweitenschätzung auf Time-of-Arrival (ToA)-Basis.

Es ist erwähnenswert, dass diese Zeitbasis-Entfernungsschemata zwar von der hohen Zeitauflösung von UWB-Signalen profitieren, jedoch ihre eigenen Grenzen haben. Da beispielsweise die UWB-Impulse eine sehr kurze Dauer haben, wird Taktjitter zu einem begrenzenden Faktor.

Schlussfolgerung

Wie wir bei Impulsfunkgeräten gesehen haben, kann UWB aufgrund seiner Datenübertragungsrate, Immunität gegenüber dem Mehrwegeeffekt, hoher Entfernungsgenauigkeit, geringem Stromverbrauch und einfacher Implementierung eine vorteilhafte Kommunikationstechnologie für kurze Entfernungen sein. Aus diesen Gründen wenden sich viele kommerzielle Entwickler an UWB anstelle von Nahfeldkommunikationsoptionen (NFC), um die Designimplementierung und -sicherheit zu verbessern.