Ultra Wideband Radio (Seminar

1
Ultra Wideband Radio(Seminar Advanced Topics in
Networking Rolf Winter)

• Von Martin Goralczyk

2
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

3
Zukunft mehr Vernetzung

• Einleitung
• ubi. computing
• UWB?
• Probleme
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

Mobil
STBs
HDTV
Heim
Handys
VCRs
MP3
Headsets
Camcorder
DVD Player
Slates
Spielkonsole
PDAs
HiFi
Foto
Lautsprecher
Laptops
Datenspeicher
PC
Drucker
Scanners
4
Was ist UWB?

• Einleitung
• ubi. computing
• UWB?
• Probleme
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Weder Markenname noch Übertragungsstandard
• absolute Bandbreite muss mindestens 25 der
  Mittenfequenz, oder mehr als 1,5 GHz betragen
• Bisher eine Art Radar beim Militär

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Unterscheidung

• Einleitung
• ubi. computing
• UWB?
• Probleme
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

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

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Probleme

• Einleitung
• ubi. computing
• UWB?
• Probleme
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Verstößt gegen die FCC-Rules
• Kritik aus Lagern, wie Mobilfunk, Radar oder GPS
• Inteferenzen?
• Senden in reservierten Bändern?

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Lösung (?)

• Einleitung
• ubi. computing
• UWB?
• Probleme
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• kurze(200ps), gepulste Signale gehen als
  Rauschen unter
• FCC gibt am 14.2.2002 UWB eingeschränkt für
  zivile Nutzung frei

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Motivation

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Wachsende Zahl an Mobilgeräten und
  Breitbandinternetzugängen machen WPANs immer
  beliebter
• Bluetooth nur Sprachverbindung
• Alternative UWB

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Räumliche Datenrate (Bit/sek/m2)

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Wie viel kann wie schnell auf welcher Fläche
  übertragen werden?
• IEEE 802.11.b 11MBit/sek100m range 3 Netze
• gt (311)/1002Pi1kBit/sek/m2
• IEEE 802.15.1 1MBit/sek 10m range 10 Netze
• (101)/102Pi
• 30kBit/sek/m2

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Faktor Bandbreite

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Nyquist max. Datenrate 2 B ld n bit/sek
• Shannon max. Datenrate B ld (1S/N)
• Wobei BBandbreite ldLogarithmus dualis
  SSignal NNoise.
• max. Daterate ist unter anderem von der
  Bandbreite abhängig
• Schmalbandige Techniken dürften bei der Datenrate
  keine große Chance gegenüber UWB haben

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Exkurs dB

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Dimensionslose Einheit
• 10dB1Bel
• Bel Leistungsverhältnis 101
• 0 dBm 1mW
• 0dB Faktor 1
• 3dB Faktor 2
• 6dB Faktor 4
• 10dB Faktor 10
• 20dB Faktor 100
• logarithmisch addieren linear multiplizieren

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Sendeleistung

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• 0dBm1mW Leistung
• Nachteil Im Bereich der Mobiltelefonie stark
  begrenzt
• Vorteil geringer Stromverbrauch

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Modulation

• Kurze Pulse
• Verteilung der Sendeenergie auf große Bandbreite
• Praktisch keine Modulation
• Einfache Verarbeitung (billig)

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

Pulse Position Mod.
Pulse Amplitude Mod.
On-Off-Keying
Bi-Phase Shift Keying
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Struktur

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• Termi-Nodes (Sender/Empfänger oder Brücke)
• Da Funk, müssen Termi-Nodes merken, ob Daten
  verloren gegangen oder zerstört sind

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Welches MAC-Protokoll?

• Problem 1000 mal längere Kanalaquirierung als
  bei Narrowband
• Jedes Senden hat langen Overhead

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• CSMA/CA
• WartezeitPriorität(10-50ms) X20ms
• virtueller carrier sense RTS/CTS
• selbstorganisierend (P2P), dynamisch, ineffizient

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Welches MAC-Protokoll?

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• TDMA
• Zeitmultiplex
• Jeder Sender bekommt festen Zeitschlitz
• Erfordert Verwaltungseinheit und Synchronisation
  keine spontanen Netze

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Vergleich

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• Motivation
• Technik
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog

• 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

Trade Dynamik ltgt Effizienz
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Zigbee Einsatzgebiete

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Motivation
• Technik
• Diskussion
• Epilog

• Soll alle Funkansprüche mit geringem
  Datenaufkommen befriedigen
• Soll extrem lange Akkulaufzeit gewährleisten

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Umsetzung

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Motivation
• Technik
• Diskussion
• Epilog

• Zwischen 20 und 250 kBit/sek
• Lizenzfreie Bänder
• Pro Kanal 255 Knoten
• Protokoll Stack lt 28KB (Knotenlt4KB)
• Reichweite zw. 10 und 100m

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Topologie Stern

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Motivation
• Technik
• Diskussion
• Epilog

• Ein Master (Routingtabellen, Beacon)
• Virt. P2P
• CSMA/CA
• Erweiterter Schlafmodus (mehrere Stunden)
• Erwartete geringe Inteferenzen wegen geringer
  Sendeleistung und wenig Traffic

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Vergleich

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Vergleich
• UWB /-
• Epilog

• Schwierig, da verschiedene Einsatzgebiete
• UWB und ZigBee noch zu theoretisch

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UWB Vor-/Nachteile

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Vergleich
• UWB /-
• Epilog

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

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Mein Ausblick

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog
• Ausblick
• Quellen

• 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

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Quellen

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog
• Ausblick
• 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/presentati
  ons/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 )

25
Quellen

• Einleitung
• IEEE802.15.3a
• IEEE802.15.4
• Diskussion
• Epilog
• Ausblick
• 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.ht
  m )
• 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/resour
  ces/material/Deutsch/PDF-Handzettel/MobKom_SS02.pd
  f )

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• Danke!