Ultrabreitbandfunk

Ultra-Breitband-Technologie (UWB) (engl.: Ultra Wide Band) beschreibt einen Ansatz für Nahbereichsfunkkommunikation für den kommerziellen Massenmarkt. Wichtigstes Merkmal ist die Nutzung extrem großer Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von mindestens 500MHz oder von mindestens 20% des arithmetischen Mittelwertes von unterer und oberer Grenzfrequenz des genutzten Frequenzbandes.

Anwendungsmöglichkeiten für UWB sind unter anderem:

• Sehr hochratige Dienste über kurze Entfernungen (beispielsweise der Austausch von Videodaten zwischen Monitor, DVD-Player, Fernseher und anderen digitalen Geräten), unter anderem IEEE 802.15.3a
• Extrem preisgünstige und energieeffiziente Geräte mit der Möglichkeit einer Positionsbestimmung und moderaten Datenraten (beispielsweise Sensornetzwerke (Bewegungsmelder durch Mauern hindurch), unter anderem 802.15.4a
• Bodenradar
• Medizinische Anwendungen (UWB Radar Stethoskop)
• Kaum ortbare Kommunikation

Auch bietet sich die Möglichkeit der digitalen Funkübertragung mit hoher Datenrate für kurze Distanzen. Eine Möglichkeit der technischen Realisierung stellt Impulse Radio dar. Dabei werden die Informationen nicht einer bestimmten sinusförmigen Trägerfrequenz aufmoduliert, sondern durch eine definierte Folge kurzer Impulse übertragen. Dadurch wird das Trägersignal sehr breitbandig und die Sendeleistung verteilt sich auf einen großen spektralen Bereich.

Nach dem für Ende 2006 erwarteten Abschluss der Regulierungsverfahren können UWB-Systeme neben den USA (bereits seit 2002) auch in Europa, Teilen Asiens und anderen Teilen der Welt lizenzfrei betrieben werden. Die lizenzfreie Anwendung von UWB als Overlay-System wird durch die extreme Breitbandigkeit von bis zu 7,5 GHz und der damit verbundenen geringen spektralen Leistungsdichte von maximal -41,3 dBm/MHz ermöglicht. Für einen schmalbandigen Empfänger erscheint ein UWB-Signal wie Rauschen, dadurch kann UWB im gleichen Frequenzbereich eingesetzt werden wie herkömmliche Übertragungsverfahren. ^[1]

Regulatorische Aspekte

Aus regulatorischer Sicht wird mit der UWB-Kommunikation Neuland betreten. Das Hauptproblem aus Sicht der Regulierungsbehörden ist, dass UWB-Systeme Interferenzen zu bestehenden Systemen nicht aktiv verhindern, sondern geringfügige Interferenzen inhärent in Kauf nehmen. Diese Interferenzen sind jedoch in relevanten Szenarien äußerst gering. Da jedoch Interferenzen theoretisch nicht völlig ausgeschlossen werden können, herrschen auf Seiten der Regulierungsbehörden und der Anbieter von Diensten mit reservierten Frequenzbändern Vorbehalte in Bezug auf UWB. Insbesondere wird argumentiert, dass UWB als Overlay-System keine neuen Kapazitäten schaffe, sondern als zusätzliche Rauschquelle die Sicherheitsreserven der bestehenden Systeme verringere. Diese Reserven würden jedoch für den Betrieb eines zuverlässigen Dienstes mit geringen Ausfallwahrscheinlichkeiten benötigt. Befürworter von UWB hingegen verweisen darauf, dass UWB zum einen sehr geringe Leistungen ausstrahlt und damit nur lokal begrenzten Einfluss besitzt, und zum anderen ein Großteil der Frequenzen an einem Ort zu einem Zeitpunkt ohnehin nicht genutzt werden, und UWB damit ungenutzte Ressourcen nutzbar macht.

Die weltweit erste Regulierungsbehörde, die den regulären Betrieb von UWB-Geräten für die Kommunikation unter gewissen Randbedingungen freigab, war im Februar 2002 die US-amerikanische FCC.^[2] In einigen anderen Staaten ist UWB-Kommunikation für Versuche und Demonstrationen freigegeben, zum Teil nur in bestimmten UWB Friendly Zone genannten Testzonen (Singapur Feb. 2003, Hong Kong Mai 2005, Australien Dez. 2004).^[3] Inzwischen steht die Freigabe in einigen asiatischen Ländern und Europa unmittelbar bevor.

Kern der FCC-Bestimmungen ist eine Frequenzmaske, die die maximale spektrale Leistungsdichte für jede Frequenz festlegt. Es wird zwischen Indoor- und Hand-Held-UWB-Systemen unterschieden. Indoor-Systeme müssen aus dem konzeptionellen Aufbau ersichtlich ausschließlich für den Betrieb in Gebäuden geeignet sein und dürfen nicht absichtlich, beispielsweise aus Fenstern, nach draußen strahlen. Als Beispiel für einen solchen Nachweis nennt die FCC die Versorgung über Wechselstrom. Hand-Held-Systeme hingegen dürfen innerhalb und außerhalb von Gebäuden betrieben werden, müssen jedoch von ihrem Aufbau und ihrer Größe her als tragbare Geräte erkennbar sein, dürfen also beispielsweise keine fest installierten Antennen an Gebäuden besitzen. Aufgrund der schärferen Bedingungen zum Betrieb von Indoor-Geräten, die eine geringere Störwirkung vermuten lassen, dürfen diese in bestimmten Frequenzbereichen mit höherer Leistung senden.

Technische Daten

Frequenzbereich	3,1 – 10,6 GHz
Sendeleistung	0,5 mW / -41,3 dBm/MHz
Reichweite	10 m bis 50 m (je nach Anwendungsfall)
Datenrate	480 – 1320 Mbit/s

Deutschland

Die Bundesnetzagentur gab am 16 Januar 2008 mehrere Frequenzbereiche zwischen 30 MHz und 10,6 GHz für UWB frei.^[4] Die mit Abstand höchsten Sendeleistungen sind dabei zwischen 6 und 8,5 GHz erlaubt.^[5]

Die in der Pressemitteilung vom 16. Januar 2008 vorgestellte Allgemeinzuteilung für Ultra-Wideband-Technologie wurde mit der Verfügung 17/2008 am 19.März 2008 in einigen Punkten geringfügig geändert. Diese aktuelle Version findet auf der Homepage der Bundesnetzagentur unter folgender Adresse:

http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/13155.pdf ^[6]

Die starren unteren und oberen Bandgrenzen von 30 MHz bzw. 10,6 GHz wurden zugunsten der Frequenzangaben "< 1,6 GHz" sowie "> 10,6 GHz" mit einer mittleren spektralen Leistungsdichte von -90 dBm/MHz bzw. -85 dBm/MHz (e.i.r.p.) aufgegeben.

Diese Angabe entspricht den Vorgaben der Entscheidung des Electronic Communications Committee ECC/DEC/(06)04 sowie der Entscheidung der Kommission (2007/131/EC).

Literatur

• Mohammad Ghavami, Lachlan Michael und Ryuji Kohno: Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering, John Wiley & Sons, Mai 2004, ISBN 978-0-470-86751-8

• Ian Oppermann, Matti Hamalainen, Jari Iinatti: UWB - Theory and Applications, John Wiley & Sons, September 2004, ISBN 978-0-470-86917-8

• Kazimierz Siwiak und Debra McKeown: Ultra-wideband Radio Technology, John Wiley & Sons, April 2004, ISBN 978-0-470-85931-5

• Guido R. Hiertz, Yunpeng Zang, Kursat Kimyacioglu, Hans-Jürgen Reumerman: Verschränkter Schnellfunk -- Ultrabreitbandfunk für drahtloses USB, c't Magazin, Ausgabe 20, 2006

Quellen

1. ↑ Michael Eisenacher: Optimierung von Ultra-Wideband-Signalen (UWB), Forschungsberichte aus dem Institut für Nachrichtentechnik der Universität Karlsruhe (TH), Band 16, August 2006, ISSN 1433-3821
2. ↑ Federal Communications Commission: Technical Requirements for Indoor UWB Systems, Code of Federal Regulations, Nummer 47 Paragraph 15.517, National Archives and Records Administration, Oktober 2002
3. ↑ Salim Hanna: Ultra-Wideband Developments within ITU-R Task Group 1/8, International Workshop on UWB Technologies, Dezember 2005, S. 3-7
4. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/12430.pdf
5. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/12424.pdf
6. ↑ http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/13155.pdf

Weblinks

• http://wiki.der-wenz.de/download/hs_final.html - Sehr informative Hauptseminar-Arbeit zum Thema UWB
• http://www.wpnc.net - Workshop on Positioning, Navigation and Communication