Ultra Wideband Radio(Seminar „Advanced Topics in Networking“ – Rolf Winter)

Von Martin Goralczyk

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 2/26

ubiquitous computing Einleitung

-ubi. computing

- UWB?

- Probleme

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

• Es gibt immer mehr Computer pro Person• Computer zu Computer Kommunikation wird immer wichtiger• Anzahl der mobilen Geräte wird größer• in vielen Bereichen steigt die benötigte Bandbreite WPAN mit hoher Bandbreite und geringem Stromverbrauch

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 3/26

MobilMobil

SlatesSlates

MP3MP3

PDAsPDAs

HandysHandys

HeadsetsHeadsets

FotoFoto

LaptopsLaptops

DruckerDrucker

LautsprecherLautsprecher

PCPCDatenspeicherDatenspeicher

ScannersScanners

DVDDVDPlayerPlayer

HeimHeimHDTVHDTV

STBsSTBs

VCRsVCRsCamcorderCamcorder

SpielkonsoleSpielkonsole

HiFiHiFi

Zukunft: mehr Vernetzung Einleitung

-ubi. computing

- UWB?

- Probleme

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 4/26

Was ist UWB?

• Weder Markenname noch Übertragungsstandard

• absolute Bandbreite muss mindestens 25% der Mittenfequenz, oder mehr als 1,5 GHz betragen

• Bisher eine Art Radar beim Militär

Einleitung

-ubi. computing

- UWB?

- Probleme

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 5/26

Unterscheidung

• Bildgebende Verfahren (Radar) Feuerwehr Medizin Auto (Mercedes)• Kommunikation Drahtlos Hoher Durchsatz Piconetze

Einleitung

-ubi. computing

- UWB?

- Probleme

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 6/26

Probleme

• Verstößt gegen die FCC-Rules

• Kritik aus Lagern, wie Mobilfunk, Radar oder GPS

Inteferenzen? Senden in reservierten

Bändern?

Einleitung

-ubi. computing

- UWB?

- Probleme

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 7/26

Lösung (?)

• kurze(~200ps), gepulste Signale gehen als Rauschen unter

• FCC gibt am 14.2.2002 UWB eingeschränkt für zivile Nutzung frei

2.4 GHz

0 1 0 1

3 10 GHzfrequency

Signal-Codierung Sendefrequenz

time

1 0 1

(FCC Min=500Mhz)

Einleitung

-ubi. computing

- UWB?

- Probleme

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 8/26

Motivation

• Wachsende Zahl an Mobilgeräten und Breitbandinternetzugängen machen WPANs immer beliebter

• Bluetooth nur Sprachverbindung

Alternative UWB

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 9/26

Räumliche Datenrate (Bit/sek/m2)

• Wie viel kann wie schnell auf welcher Fläche übertragen werden?

• IEEE 802.11.b: 11MBit/sek;100m range; 3 Netze=> (3*11)/1002*Pi=1kBit/sek/m2

• IEEE 802.15.1: 1MBit/sek; 10m range; 10 Netze (10*1)/102*Pi=

30kBit/sek/m2

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 10/26

Faktor Bandbreite• Nyquist : max. Datenrate = 2 B ld n bit/sek• Shannon: max. Datenrate = B ld (1+S/N)Wobei B=Bandbreite; ld=Logarithmus dualis; S=Signal;

N=Noise.

max. Daterate ist unter anderem von der Bandbreite abhängig

Schmalbandige Techniken dürften bei der Datenrate keine große Chance gegenüber UWB haben

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 11/26

Exkurs: dB

• Dimensionslose Einheit• 10dB=1Bel• Bel: Leistungsverhältnis 10:1• 0 dBm = 1mW• 0dB= Faktor 1• 3dB= Faktor 2• 6dB= Faktor 4• 10dB= Faktor 10• 20dB= Faktor 100logarithmisch addieren= linear multiplizieren

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 12/26

Sendeleistung

•0dBm=1mW Leistung

•Nachteil: Im Bereich der Mobiltelefonie stark begrenzt

•Vorteil: geringer Stromverbrauch

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 13/26

Modulation• Kurze Pulse• Verteilung der Sendeenergie auf große

Bandbreite• Praktisch keine Modulation Einfache Verarbeitung (billig)

Pulse Position Mod.

Pulse Amplitude Mod.

On-Off-Keying

Bi-Phase Shift Keying

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 14/26

Struktur

• Termi-Nodes (Sender/Empfänger oder Brücke)

• Da Funk, müssen Termi-Nodes merken, ob Daten verloren gegangen oder zerstört sind

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 15/26

Welches MAC-Protokoll?

CSMA/CA:• Wartezeit=Priorität(10-50ms)+ X*20ms• virtueller carrier sense: RTS/CTS• selbstorganisierend (P2P), dynamisch, ineffizient

Problem: 1000 mal längere Kanalaquirierung als bei Narrowband

Jedes Senden hat langen Overhead

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 16/26

Welches MAC-Protokoll?

TDMA:• Zeitmultiplex• Jeder Sender bekommt festen Zeitschlitz• Erfordert Verwaltungseinheit und

Synchronisation; keine spontanen Netze

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 17/26

Vergleich

• Experimente bestätigen den Vorsprung von TDMA• Je größer die Datenpakete, desto besser, besonders

bei CSMA/CA• Bei großen Paketen (8192 Byte), wird CSMA/CA

wieder attraktiver• Aber große Pakete werden wahrscheinlicher zerstört,

führt zu Übertragungswiederholung• Latenzen steigen in großen Netzen

DIFSCTSRTSAquisitionDaten

Daten

TTTT

TgZeitnutzunCACSMA

/22_/

AquisitionDaten

Daten

TT

TznutzungZeitschlitTDMA

_

Trade: Dynamik <=> Effizienz

Einleitung

IEEE802.15.3a

- Motivation

- Technik

IEEE802.15.4

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 18/26

Zigbee Einsatzgebiete

•Soll alle Funkansprüche mit geringem Datenaufkommen befriedigen

•Soll extrem lange Akkulaufzeit gewährleisten

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

- Motivation

- Technik

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 19/26

Umsetzung• Zwischen 20 und 250 kBit/sek• Lizenzfreie Bänder• Pro Kanal 255 Knoten• Protokoll Stack < 28KB (Knoten<4KB)• Reichweite zw. 10 und 100m

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

- Motivation

- Technik

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 20/26

Topologie: Stern

• Ein Master (Routingtabellen, Beacon)

• Virt. P2P• CSMA/CA• Erweiterter Schlafmodus

(mehrere Stunden)• Erwartete geringe

Inteferenzen wegen geringer Sendeleistung und wenig Traffic

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

- Motivation

- Technik

Diskussion

Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 21/26

Vergleich

• Schwierig, da verschiedene Einsatzgebiete

• UWB und ZigBee noch zu theoretisch

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

- Vergleich

- UWB +/-

-Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 22/26

UWB Vor-/Nachteile

• Lizenzfrei• 500 MBit/sek• Geringer Energieverbrauch• Einfach und billig• Störungsunanfällig • Flexibel (ReichweiteDurchsatz)• Akzeptanz• Kanalaquirierung zu langsam• Lizenz außerhalb der USA?

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

- Vergleich

- UWB +/-

-Epilog

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 23/26

Mein Ausblick

• UWB wird Kabelersatz im Home-Entertainment Bereich (TV, HiFi, PC, PDA)

Hoher Durchsatz, geringe Entfernungen

• ZigBee ersetzt Bluetooth bei besonders energieschwachen Anwendungen

• WLAN ist immer noch nötig, wird weiterentwickelt

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

-Epilog

- Ausblick

- Quellen

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 24/26

Quellen[1] J. Knapp, J. Reed, Federal Communications Comission: FCC News

Release (14.2.2002) (http://www.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/News_Releases/2002/nret0203.html)

[2] Jeff Foerster, Evan Green, Srinivasa Somayazulu, David Leeper; Intel Architecture Labs, Intel Corp.: Ultra-Wideband Technology for Short- or Medium-Range Wireless Communications

(http://www.intel.com/technology/itj/q22001/pdf/art_4.pdf)[3] Young Man Kim, Ohio State University: Ultra Wide Band (UWB)

Technology and Applications (Jul. 2003)(http://www.cis.ohio-state.edu/siefast/presentations/ultra-wide-band-kimyoung-2003/ultra-wide-band-kimyoung-2003.ppt )

[4] Jin Ding, Li Zhao, Sirisha R. Medidi, Krishna M. Sivalingam; School of EECS, Washington State University: MAC Protocols for Ultra-Wide-Band (UWB) Wireless Networks: Impact of Channel Acquisition Time(http://dawn.cs.umbc.edu/Papers/2002/ITCOM02-UWB.pdf )

[5] Ketan Mandke, Haewoon Nam, Lasya Yerramneni, Christian Zuniga, Prof. Ted Rappaport; University of Texas at Austin: The Evolution of Ultra Wide Band Radio for Wireless Personal Area Networks(http://www.highfrequencyelectronics.com/Archives/Sep03/HFE0903_TechReport.pdf )

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

-Epilog

- Ausblick

- Quellen

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 25/26

Quellen[6] Walter Hirt; IBM Research, Zurich Research Laboratory: Ultra-

wideband radio technology: overview and future research (Computer Communications, Volume 26, Issue 1 , 1 January 2003, Pages 46-52)

[7] James M. Wilson; Intel Coorperation: Ultra Wideband Technology Update at Spring 2003 IDF (http://www.intel.com/update/contents/wi01031.htm )

[8] Venkat Bahl; ZigBee Alliance: ZigBee Overview (Sep. 2002) (http://www.zigbee.org/documents/ZigBeeOverview4.pdf )

[9] ZigBee Alliance: ZigBee FAQs (Okt. 2003) ( http://www.zigbee.org/about/faqs/index.asp )

[10]Prof. Jochen Schiller; FU-Berlin: Mobile Communications (2002) (http://www.inf.fu-berlin.de/inst/ag-tech/resources/material/Deutsch/PDF-Handzettel/MobKom_SS02.pdf )

Einleitung

IEEE802.15.3a

IEEE802.15.4

Diskussion

-Epilog

- Ausblick

- Quellen

Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 26/26

Danke!