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

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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)

Zukunft: mehr Vernetzung Einleitung ubi. computing UWB? Probleme IEEE802.15.3a IEEE802.15.4 Diskussion Epilog Mobil STBs HDTV Heim Handys VCRs Camcorder MP3 Headsets DVD Player Spielkonsole Slates HiFi PDAs Foto Lautsprecher Laptops Datenspeicher PC Drucker Scanners Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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? Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) Lösung (?) Einleitung ubi. computing UWB? Probleme IEEE802.15.3a IEEE802.15.4 Diskussion Epilog 2.4 GHz 1 3 10 frequency Signal-Codierung Sendefrequenz time (FCC Min=500Mhz) kurze(~200ps), gepulste Signale gehen als Rauschen unter FCC gibt am 14.2.2002 UWB eingeschränkt für zivile Nutzung frei Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) Vergleich Einleitung IEEE802.15.3a IEEE802.15.4 Diskussion Vergleich UWB +/- Epilog Schwierig, da verschiedene Einsatzgebiete UWB und ZigBee noch zu theoretisch Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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? Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 ) Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) 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 ) Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)

Ultra Wideband Radio (Goralczyk) Danke! Januar 2004 Ultra Wideband Radio (Goralczyk)