Wireless-Kommunikation UWB für drahtlose BANs mit geringer Leistungsaufnahme

Sender mit extrem geringem Leistungsbedarf gehören zu den Schlüsselkomponenten der autonom und drahtlos arbeitenden Sensor-Knoten in künftigen körpernahen Netzwerken WBAN (Wireless Body Area Network). Dabei sind die Anforderungen an den Leistungsbedarf dieser Funkschnittstellen sehr hart: Gefordert ist eine mittlere Leistungsaufnahme von unter 100 µW. Hier werden die Möglichkeiten der aufstrebenden UWB-Technologie (Ultra Wide Band) ausgelotet.

Sender mit extrem geringem Leistungsbedarf gehören zu den Schlüsselkomponenten der autonom und drahtlos arbeitenden Sensor-Knoten in künftigen körpernahen Netzwerken WBAN (Wireless Body Area Network). Dabei sind die Anforderungen an den Leistungsbedarf dieser Funkschnittstellen sehr hart: Gefordert ist eine mittlere Leistungsaufnahme von unter 100 µW. Hier werden die Möglichkeiten der aufstrebenden UWB-Technologie (Ultra Wide Band) ausgelotet.

Um den harten WBAN-Parametern gerecht zu werden, ist auf jeden Fall die Entwicklung eines kostengünstigen, gepulsten UWB-Sender-Bausteins in CMOS mit extrem niedriger Leistungsaufnahme nötig, wie im folgenden anhand eines Chip-Beispiels erläutert wird. Das Projekt wurde beim Forschungsinstitut IMEC (www.imec.be) in Belgien realisiert.

Schlüsseltechnologie UWB

Dank seines extrem niedrigen Ruheleistungsbedarfs gilt UWB als Schlüsseltechnologie für drahtlose Kommunikation im Nahbereich. Typisches Beispiel ist ein WBAN, das vitale Körperfunktionen in einen zentralen, intelligenten Knoten einspeist, der seiner- seits drahtlos mit einer Basisstation kommuniziert (Bild 1). Dieses Netzwerk versorgt den Träger mit medizinischen, sportlichen oder Unterhaltungs-Funktionen und meldet auch Probleme. Dazu bestehen die BANs aus unterschiedlichen, kleinen, intelligenten Sensor-/Aktor-Knoten geringer Stromaufnahme mit ausreichender Rechenleistung, drahtlosem Frontend und integrierter Antenne. Diese Knoten verfügen über Funk-Schnittstellen, um mit anderen Sensor-Knoten, mit einem Master-Gerät oder einem zentralen Knoten, der am Körper getragen wird, zu kommunizieren. Der zentrale Knoten verkehrt mit der Außenwelt über eine standardmäßige Telekommunikations-Infrastruktur, wie ein WLAN (Wireless Local Area Network) oder ein Mobilfunk-Netz. Über eines dieser Netzwerke können dem Träger eines BAN vielfältige Dienste vermittelt werden, beispielsweise die Behandlung chronischer Erkrankungen, medizinische Diagnosen, Monitoring im häuslichen Umfeld sowie Verfolgung biometrischer Daten.

Eine erfolgreiche Umsetzung dieses BAN hängt offensichtlich davon ab, wie die Möglichkeiten gegenwärtiger Komponenten erweitert werden können. Dabei muss die Energieversorgung der Funktionsbausteine drastisch reduziert werden, um eine weitgehende Energie-Autonomie der batteriebetriebenen Geräte zu gewährleisten, was hohe Ansprüche an den Sendeteil des Sensor-Knotens stellt. So ist der mittlere Leistungsbedarf des Senders auf unter 100 µW zu drücken. Diese harte Anforderung kann vom heute eingesetzten Nahbereichs-Funk niedriger Leistung, wie Bluetooth und ZigBee, nicht erfüllt werden. Alternative: Die UWB-Technologie.

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Neben dem Pulsgenerator und den beiden Kalibrierungsschaltungen enthält der UWB-Sender noch einen System-Controller, ein Modem und die Antenne (Bild 2). Der System-Controller legt die Kommunikations-Parameter nach Maßgabe einer bestimmten physikalischen Schicht fest: So setzt er die dem jeweiligen Nutzer zugewiesenen PN-Sequenzen (Pseudo Noise) wie auch die Bandbreite und Mittenfrequenz des Pulses. Das Modem wandelt die PN-Sequenz in Trigger-Zeitpunkte für den Pulsgenerator um. Dabei entspricht die Länge dieser Chip-Folge der Anzahl Pulse pro Bit. Für jedes Chip erzeugt der Pulsgenerator einen Impuls, der entsprechend der PPM (Pulse-Position Modulation) zeitmoduliert und zusätzlich – je nach Chip-Wert – noch verschoben wird.

Der UWB-Pulser ist in 0,18-µm-CMOS-Technologie realisiert worden, um Größe und Kosten zu minimieren: So misst das Bauteil nur 0,6 mm2
(Bild 3), wobei sich der Sender sehr flexibel auf unterschiedliche Mittenfrequenzen und Bandbreiten einstellen lässt: Er arbeitet zwischen 3 und 5 GHz und erzeugt Impulse mit Bandbreiten von 2 GHz bis 500 MHz, die eine Mehrband-Lösung zulassen. Für eine mittlere Pulsbandbreite von 1 GHz liegt die gemessene aktive Leistungsaufnahme des Systems bei 2 mW bei einer Puls-Wiederholrate von 40 MHz. Dies entspricht einem Energiebedarf von niedrigen 50 pJ pro Puls.

Zur Untersuchung des UWB-Senders in einem realitätsnahen WBAN-Szenario ist auch ein Modell entwickelt worden, das die UWB-Ausbreitung um den menschlichen Körper beschreibt. Mit diesem „Körperkanal-Modell“ lässt sich die UWB-Lösung auch mit modernen Schmalband-Implementierungen vergleichen.

Zur Nachbildung der UWB-Ausbreitung um den Körper herum diente ein FDTD-Simulator (Finite-Difference Time-Domain). Er zeigte, dass die Welle eines ausgesendeten Pulses um den Körper gebeugt wurde, anstatt ihn zu durchdringen. Die Kalibrierung der Simulation erfolgte durch Referenzmessungen: Zur Berechnung der Streckendämpfung wurde das Übertragungsverhalten um die Peripherie des menschlichen Körpers herum durch eine reale Messanordnung im Frequenzband von 3 bis 6 GHz bestimmt. Wie erwartet, stieg die Steckendämpfung mit der Entfernung, wobei eine große Varianz des Fading festgestellt wurde. Deren Verteilung um den Mittelwert ließ sich durch eine Log-Normal-Verteilung mit einer Standardabweichung zwischen 5 und 8 dB nachbilden, die noch von der Position am Körper abhing. Damit konnte die Streckendämpfung durch eine empirisch gewonnene Leistungsdämpfung modelliert werden. Im Ergebnis stellte sich heraus, dass die Streckendämpfung im GHz-Bereich nahe am Körper wesentlich höher ist als im freien Raum.