Ultra wideband radio seminar advanced topics in networking rolf winter
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Ultra Wideband Radio (Seminar „Advanced Topics in Networking“ – Rolf Winter). Von Martin Goralczyk. ubiquitous computing . Einleitung ubi. computing UWB? Probleme IEEE802.15.3a IEEE802.15.4 Diskussion Epilog. Es gibt immer mehr Computer pro Person

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Ultra wideband radio seminar advanced topics in networking rolf winter l.jpg

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

Von Martin Goralczyk


Ubiquitous computing l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Zukunft mehr vernetzung l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Was ist uwb l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Unterscheidung l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Probleme l.jpg
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?

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


L sung l.jpg

Signal-Codierung

Sendefrequenz

1

1

0

frequency

time

3

10

GHz

(FCC Min=500Mhz)

1

0

1

0

2.4

GHz

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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Motivation l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


R umliche datenrate bit sek m 2 l.jpg
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/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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Faktor bandbreite l.jpg
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 (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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Exkurs db l.jpg
Exkurs: dB

  • Einleitung

  • IEEE802.15.3a

  • Motivation

  • Technik

  • IEEE802.15.4

  • Diskussion

  • Epilog

  • 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 100

    logarithmisch addieren= linear multiplizieren

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Sendeleistung l.jpg
Sendeleistung

  • Einleitung

  • IEEE802.15.3a

  • Motivation

  • Technik

  • IEEE802.15.4

  • Diskussion

  • Epilog

  • 0dBm=1mW Leistung

  • Nachteil: Im Bereich der Mobiltelefonie stark begrenzt

  • Vorteil: geringer Stromverbrauch

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Modulation l.jpg
Modulation

  • Einleitung

  • IEEE802.15.3a

  • Motivation

  • Technik

  • IEEE802.15.4

  • Diskussion

  • Epilog

  • 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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Struktur l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Welches mac protokoll l.jpg
Welches MAC-Protokoll?

  • Einleitung

  • IEEE802.15.3a

  • Motivation

  • Technik

  • IEEE802.15.4

  • Diskussion

  • Epilog

  • Problem: 1000 mal längere Kanalaquirierung als bei Narrowband

  • Jedes Senden hat langen Overhead

CSMA/CA:

  • Wartezeit=Priorität(10-50ms)+ X*20ms

  • virtueller carrier sense: RTS/CTS

  • selbstorganisierend (P2P), dynamisch, ineffizient

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Welches mac protokoll16 l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Vergleich l.jpg
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 <=> Effizienz

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Zigbee einsatzgebiete l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Umsetzung l.jpg
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 < 28KB (Knoten<4KB)

  • Reichweite zw. 10 und 100m

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Topologie stern l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Vergleich21 l.jpg
Vergleich

  • Einleitung

  • IEEE802.15.3a

  • IEEE802.15.4

  • Diskussion

  • Vergleich

  • UWB +/-

  • Epilog

  • Schwierig, da verschiedene Einsatzgebiete

  • UWB und ZigBee noch zu theoretisch

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Uwb vor nachteile l.jpg
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?

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Mein ausblick l.jpg
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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Quellen l.jpg
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/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 )

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Quellen25 l.jpg
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.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 )

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)


Slide26 l.jpg

Danke!

Ultra Wideband Radio (Goralczyk)