Entdecken Sie, wie Ultrabreitband (UWB) Impulsradios Wi-Fi & Bluetooth übertreffen

Anhand von Impulsradios untersuchen wir die Vorteile der Ultrabreitband (UWB)-Technologie im Vergleich zu anderen Kurzstrecken-Funkkommunikationstechnologien.

Ultrabreitband (UWB) ist eine Kurzstrecken-Funkkommunikationstechnologie – wie Wi-Fi oder Bluetooth –, die ein sehr großes relatives und/oder absolutes Frequenzband nutzt, um Informationen zu senden und zu empfangen. Laut FCC-Regulierungen kann ein UWB-Gerät auf un Lizenzierter Basis im 3,1–10,6 GHz Band betrieben werden (PDF).

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

UWB teilt das Funkspektrum

Teile des für UWB zugewiesenen Frequenzbereichs werden bereits von bestehenden Kommunikationssystemen genutzt. Wie unten gezeigt, dürfen sowohl 802.11ac – ein High-Throughput-WLAN-Kommunikationsprotokoll – als auch UWB den Frequenzbereich um 5 GHz nutzen.

 

Abbildung 1. Diagramm der UWB-Arbeit unterhalb der "Rauschschwelle." Bild mit freundlicher Genehmigung von ITU

 

UWB versucht, die knappen Spektrumressourcen effizienter zu nutzen.

Wie kann die UWB-Technologie dasselbe Spektrum wie bestehende drahtlose Systeme nutzen, ohne Störungen zu verursachen? Dies wird erreicht, indem die Leistungsspektraldichte des von einem UWB-Sender ausgesendeten elektromagnetischen Signals beschränkt wird.

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

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

 

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

 

UWB bietet Vorteile hinsichtlich Datenübertragungsrate, Immunität gegen Multipath-Effekte, hohe Ortungsgenauigkeit, niedrigem Stromverbrauch und Implementierungseinfachheit. Lassen Sie uns eine Klasse von UWB-Systemen namens Impulsradios betrachten, um bessere Einblicke in die Schlüsselfunktionen dieser Technologie zu gewinnen.

Impulsradio

Während konventionelle Schmalband-Kommunikationssysteme eine kontinuierliche Wellenform übertragen, sendet ein Impulsradio ultrakurze Dauerpulse (weniger als 1 ns), um Informationen zu kommunizieren.

Nach jedem Pulse bleibt der Sender für eine relativ lange Zeit "stumm". Zum Beispiel könnte ein Impulsradio nur einen einzelnen 1-ns-Puls während jedes 100-ns-Zeitintervalls übertragen. In diesem Fall sagen wir, dass der Duty Cycle 1% beträgt (der Puls ist nur 1% der Übertragungszeit präsent).

 

Abbildung 3. Eine typische von einem Impulsradio übertragene Pulssequenz

 

Diese Pulse können auf verschiedene Weisen moduliert werden, um Informationen zu vermitteln. Abbildung 4 unten zeigt, wie Pulspositionsmodulation und Biphasenmodulation eine unmodulierte Sequenz verändern.

 

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

 

Beachten Sie, dass eine kurze Zeitdauer einer breiten Bandbreite im Frequenzbereich entspricht. Daher wird, abhängig von der Signaldauer, ein Breitband-Signal von der UWB-Senderantenne ausgesendet.

 

Abbildung 5. Die von einem Impulsradio übertragenen 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 Pulsbreite ab.

Niedriger Stromverbrauch

Da die Pulse nur während eines kleinen Prozentsatzes der Übertragungszeit gesendet werden, ist die durchschnittliche vom Sender ausgesendete Leistung sehr niedrig. Mit einer Sendeleistung in der Größenordnung von Mikrowatt kann ein UWB-Gerät die Batterielebensdauer verlängern.

Hohe Datenrate

Obwohl die ausgesendete Leistung begrenzt ist, ermöglicht UWB die unlizenzierte Nutzung eines extrem breitbandigen Spektrums. Dies erlaubt uns, hohe Datenraten (>100 Mbit/s) zu erreichen. Diese hohe Datenrate kann jedoch nur über eine relativ kurze Übertragungsdistanz von 10 m erreicht werden. Dies liegt daran, dass für jedes Bit Information nur sehr niedrige Leistung ausgesendet wird.

Bei niedrigeren Datenraten (<1 Mbit/s) können wir einen großen Spreizfaktor einsetzen, um größere Distanzen zu unterstützen. Die folgende Tabelle vergleicht die Datenrate und Reichweite von UWB mit anderen Indoor-Funkkommunikationstechnologien.

 

System	Maximale Datenrate (Mbps)	Übertragungsdistanz (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB vs. vergleichbare Indoor-Funkkommunikationstechnologien. Daten mit freundlicher Genehmigung von Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

 

Robustheit gegen Multipath-Effekte

UWB-Signale zeigen mehr Robustheit gegen Multipath-Effekte als konventionelle drahtlose Technologien. Angenommen, zusätzlich zu einem direkten Pfad für die elektromagnetische Wellenausbreitung vom Sender zum Empfänger gibt es einen weiteren Pfad, verursacht durch Reflexionen von einem Objekt.

 

Abbildung 6. Darstellung eines Multipath-Effekts

 

Die Zeit (t), die das übertragene Signal benötigt, um die Gesamtdistanz (d) eines gegebenen Pfads zu durchlaufen, kann durch die folgende Gleichung erhalten werden:

 

d = c x t

 

wo c die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle bezeichnet, die etwa 3✕10⁸ m/s beträgt. Daher erscheinen für jeden Pulse, den wir übertragen, zwei Pulse am Empfängereingang. Dies ist in Abbildung 7 illustriert, in der die übertragenen und empfangenen Pulse in einem Diagramm gezeigt werden.

 

Abbildung 7. Für jeden übertragenen Pulse erscheinen zwei Pulse am Empfängereingang.

 

In dieser Abbildung sind die zwei empfangenen Pulse leicht erkennbar, weil sie sich nicht gegenseitig überlappen. Dies ist jedoch nicht der allgemeine Fall. Bei Untersuchung der obigen Abbildung können wir sehen, dass die Pulse nicht interferieren – nur wenn der Verzögerungsunterschied zwischen den zwei Pfaden (t₁-t₀) größer als die Pulsbreite (PW) ist.

Da UWB-Pulse eine sehr kurze Dauer haben, ist es wahrscheinlicher, dass die Pulse aus den verschiedenen Pfaden nicht mit unserem gewünschten Pulse interferieren. Daher können wir das gewünschte Signal leicht von denen extrahieren, die von unerwünschten Reflexionen stammen. Dies gibt einem UWB-System mehr Immunität gegen den Multipath-Effekt. Alternativ kann die Energie durch einen Rake-Empfänger zusammen summiert werden.

Hohe Ortungsgenauigkeit

Wie oben diskutiert, ermöglicht die scharfe Zeitauflösung von UWB-Signalen ein System, das Multipath-Komponenten auflösen kann, ohne auf komplexe Algorithmen zurückzugreifen. Dies macht UWB geeignet für Time-of-Arrival (ToA)-basierte Entfernungsmessungsanwendungen.

Es ist erwähnenswert, dass obwohl diese zeitbasierten Entfernungsverfahren von der hohen Zeitauflösung von UWB-Signalen profitieren, sie ihre eigenen Limitationen haben. Zum Beispiel wird Clock Jitter zu einem limitierenden Faktor, weil die UWB-Pulse eine sehr kurze Dauer haben.

Fazit

Wie wir mit Impulsradios gesehen haben, kann UWB eine vorteilhafte Kurzstrecken-Kommunikationstechnologie sein wegen seiner Datenübertragungsrate, Immunität gegen den Multipath-Effekt, hohe Ortungsgenauigkeit, niedriger Stromverbrauch und einfacher Implementierung. Aus diesen Gründen wenden sich viele kommerzielle Entwickler UWB statt Near-Field-Communication (NFC) Optionen zu, um Design-Implementierung und Sicherheit zu verbessern.