UWB - Ultra-Wideband / IEEE 802.15.3a

Ultra-Wideband, kurz UWB, ist eine Nahbereichs-Funktechnik. Die Reichweite ist auf wenige Meter beschränkt und macht nur als Kabelersatz Sinn. Allein aus diesem Grund konkurrieren WLAN, Bluetooth und andere Funktechnik nicht mit UWB.
Zu einer IEEE-Spezifikation ist es jedoch nie gekommen. Die Arbeitsgruppe 802.15.3a wurde wegen Uneinigkeit aufgelöst.

Das UWB-Desaster

Nach der Zulassung von UWB durch die FCC (USA) für ein Frequenzspektrum, entstand im IEEE die Arbeitsgruppe für ein Wireless Personal Area Network (WPAN) mit mindestens 100 MBit/s. UWB sollte offiziell als IEEE-Standard 802.15.3a verabschiedet werden. Am Standardisierungsprozess beteiligten sich viele neue Firmen mit Impulsfunk-Know-how und einige große etablierte IT-Unternehmen. Vor der Standardisierung gab es zwei unterschiedliche Fassungen.
Die erste Variante von UWB arbeitete im Prinzip, wie die ersten Funksender Anfang des 20. Jahrhunderts. Aus den Anfangszeiten der Funktechnik ist dafür noch der Begriff "Impulsradio" bekannt. Das Grundprinzip ist mit Morsen zu vergleichen. Die moderne Form funktioniert mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit. Doch man war sich nicht im Klaren, welche Auswirkungen die kurzen Impulse auf bestehende Funksysteme, Menschen und Tiere haben.
Die Großen der Branche hatte Bedenken gegen die alte Impulsfunktechnik in Form einer modernen, aber unerprobten Variante. Sie schlossen sich deshalb zur Multiband OFDM Alliance (MBOA) zusammen, um die OFDM-Funktechnik von WLAN (802.11a/11g) im IEEE 802.15.3a durchzusetzen.
Da man sich in Folge dessen in der IEEE-Arbeitsgruppe 802.15.3a nicht einigen konnte, wurde Anfang 2006 die Auflösung der Arbeitsgruppe beschlossen. Das parallel bestehende UWB-Form verschwand ebenfalls. Übrig blieb die WiMedia Alliance, die in der MBOA aufgegangen ist. Die Weiterentwicklung von UWB mündete in den Standards ECMA 368, 369, ETSI TS 102 455, ISO/IEC 26907 und 26908.
In Folge der Wirtschaftskrise 2008 mussten dann einige UWB-Unterstützer die Segel streichen. Einige andere stiegen aus dem Projekt einfach aus. Inzwischen ist klar, dass UWB von der Bluetooth SIG und dem USB Implementers Forum weitergeführt wird.

Ultrabreitband-Funktechnik

Bei jeder Funktechnik geht es darum, die Sendeleistung auf einen Punkt im Frequenzspektrum zu konzentrieren. UWB unterscheidet sich an genau diesem Punkt von anderen Funktechniken. Bei UWB wird das Sendesignal möglichst breit im Frequenzspektrum mit einer sehr geringen Sendeleistung verteilt. Für normale Empfänger geht das UWB-Signal im Rauschen unter. Sie empfangen nur einen kleinen Teil des Frequenzspektrums. Der UWB-Empfänger dagegen, kann das UWB-Signal erkennen.
Hier liegt der entscheidende Vorteil von UWB. Im Optimalfall stört es andere Funksysteme nicht, weil es im Rauschen untergeht. UWB nutzt das Frequenzspektrum deutlich effizienter aus.
Außerdem ergibt sich ein weiterer Vorteil. Das UWB-Signal kann man als gestrecktes Signal sehen, auf das schmalbandige Störungen keinen Einfluss haben, weil sie nur auf einem kleinen Teil des breiten Signals einwirken.
Der Empfänger filtert die eingehenden Signale nicht mehr nach Frequenz, sondern nach Impulsform. Um Störungen durch Mehrwegeausbreitung zu vermeiden, werden die Signale synchronisiert.
UWB arbeitet in einem Frequenzbereich von 3,1 bis 10,6 GHz. Dieser sehr große Frequenzbereich ermöglicht eine sehr hohe Übertragungsrate. Mit MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing) wird das Frequenzband in fünf Bänder mit jeweils 528 MHz unterteilt. Da das Frequenzspektrum bereits von anderen Funktechniken benutzt wird, sollen Störungen anderer Funktechniken durch eine extrem geringe Sendeleistung ausgeschlossen sein.

Frequenzbereich und Leistung

UWB verspricht die störungsfreie Nutzung bereits belegter Frequenzbereiche. Damit könnte die Frequenzknappheit umgangen werden. Momentan sind Betreiber von Funksystemen nicht begeistert, wenn eine Ultrabreitband-Funktechnik auch mit geringer Sendeleistung ihre lizensierten Frequenzbereiche unterwandert. Und aufgrund geringer Erkenntnisse über die Störungen konventioneller Funktechniken durch UWB, möchte niemand das Risiko eingehen, dass UWB ein konventionelles Funksystem stört. Deshalb braucht es Frequenzbänder, die für die Mehrfachnutzung vorgesehen sind. Die sind momentan sehr schmal. Doch UWB braucht ein möglichst breites Frequenzspektrum.
Frequenzbereich
Vorgesehen ist der Frequenzbereich zwischen 3,1 und 10,6 GHz (Ultrawideband). Da dort bereits andere Funksysteme arbeiten, muss UWB wegen Störungsvermeidung mit einer extrem kleinen Sendeleistung arbeiten. Erlaubt ist eine Sendeleistung von -41,3 dBm/MHz. Für die schnelle Datenübertragung auf wenigen Metern reicht das vollkommen aus. Bei UWB geht es nur darum, kurze Distanzen, für die eigentlich ein Anschlusskabel verwendet wird, zu überbrücken.
In Europa ist die Funktechnik und der Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz nicht vollständig freigegeben. In Deutschland hat die Bundesnetzagentur eine EU-Richtlinie umgesetzt und den Frequenzbereich von 6,0 bis 8,5 GHz freigegeben. Die Sendeleistung ist jedoch auf 10 Nanowatt beschränkt. Bei dieser geringen Sendeleistung ist trotzdem eine hohe Geschwindigkeit, aber nur eine geringe Reichweite möglich.

UWB und Bluetooth

Eine Zusammenarbeit zwischen UWB und Bluetooth ist bereits angedacht. Der Ultrabreitbandfunk soll die Übertragungsgeschwindigkeit von Bluetooth erhöhen. Da die Standardisierung von UWB nur die physikalische Schicht und die Adressierung betrifft, bleiben die Protokolle auf der Anwendungsebene noch offen. Damit keine propritären Anwendungen entstehen, soll UWB als Träger für die bereits entwickelten und ausgereiften Bluetooth-Protokolle und -Profile verwendet werden. Das wäre ein unschlagbarer Vorteil für Anwendungen, die bereits Bluetooth als Übertragungssystem benutzen. Die Anwendungen könnten vom Geschwindigkeitsvorteil profitieren. Für neue Anwendungen muss auch keine neue Schnittstelle entwickelt werden. Im ungünstigsten Fall muss nur ein neues Profil her, das sich per Treiber-Update einspielen lässt.
Neben dem 2,4-GHz-Frequenzbereich soll Bluetooth zusätzlich mit MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing) im 6-GHz-Band funken. Die Übertragungsgeschwindigkeit von Bluetooth-Geräten soll sich mit dem Ultrabreitbandfunk auf 100 MBit/s erhöhen. Damit soll ausreichend Kapazität für Multimedia-Anwendungen zur Verfügung stehen.

Anwendungen

Vor allem auf kurzer Strecke sollen die noch vorhandenen Kabel zwischen Computer und Peripherie wegfallen. Aber auch als Alternative zu den Verbindungen zwischen Audio- und Videogeräten in der Unterhaltungselektronik ist UWB angedacht.

  • Übertragungstechnik von Audio- und Video-Daten zwischen Geräten der Unterhaltungselektronik, wie zwischen DVD-Player, Fernseher und Lautsprecher.
  • Kabellose Verbindung zwischen Computer, Bildschirm, Scanner und Drucker (Wireless USB).

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