ultra wideband radio (seminar advanced topics in networking – rolf winter) von martin goralczyk
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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!