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

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 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

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 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

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 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

5. 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)

6. 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)

7. 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)

8. 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)

9. 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)

10. 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)

11. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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)

15. 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)

16. 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)

17. 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)

18. 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)

19. 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)

20. 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)

21. 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)

22. 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)

23. 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)

24. 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)

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.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)

26. Danke! Ultra Wideband Radio (Goralczyk)