UWB: Funk mich an!

Für die Integration von Kurzstrecken- Funktechniken mit hohem Datendurchsatz in moderne Mobiltelefone empfiehlt sich die Ultra-Wideband-Technik mit ihren standardisierten, breitbandigen, mehrprotokollfähigen Kommunikationsfunktionen, gepaart mit Auto-Discoveryund Auto-Connect-Funktionen sowie der Eignung für die verschiedensten Peer-to-Peer- Netze und lokalen serverbasierten Netzwerke.

Für die Integration von Kurzstrecken- Funktechniken mit hohem Datendurchsatz in moderne Mobiltelefone empfiehlt sich die Ultra-Wideband-Technik mit ihren standardisierten, breitbandigen, mehrprotokollfähigen Kommunikationsfunktionen, gepaart mit Auto-Discoveryund Auto-Connect-Funktionen sowie der Eignung für die verschiedensten Peer-to-Peer- Netze und lokalen serverbasierten Netzwerke.

Bis in die 1960er Jahre reichen die Ursprünge der UWB-Funktechnik (Ultra Wideband) zurück. Als in neuerer Zeit die Vorteile dieser Technik für die öffentliche Kommunikation deutlicher wurden, teilte die USamerikanische Regulierungsbehörde FCC der UWBTechnik ein unlizenziertes Frequenzband von 3,1 GHz bis 10,6 GHz zu, mit dem sie über kurze Distanzen von 3 m bis 10 m sehr hohe Bandbreiten von bis zu 480 MBit/s erzielt.

Die UWB-Variante der »Wi- Media Alliance« hat die Bluetooth-SIG bereits für Bluetooth 3.0 und das »USB Implementer’s Forum« für »Certified Wireless USB« übernommen, und UWB ist ein anerkannter Standard, den Mobilfunkunternehmen und Herstellern von Mobiltelefonen für den Kurzstreckenfunk nutzen können.

UWB stellt einen standardisierten PHY- (Physical) und MAC-Layer (Media Access) für verschiedene Protokolle wie Bluetooth, »Certified Wireless USB« und »WiNET IP« zur Verfügung (Bild 1). Mit UWB kann jeder Telefonbenutzer um sich herum eine Funkzelle von circa 10 m Radius einrichten, in der auf Basis seiner individuellen Sicherheits- und Auto- Connect-Einstellungen automatisch Verbindung mit entsprechenden anderen Applikationen aufgenommen wird. Mehrwertdienste oder andere Benutzer mit ähnlichen Einstellungen erkennt das Mobiltelefon selbstständig und meldet sie dem Anwender. Mit einer einzigen, preisgünstigen und Strom sparenden UWB-Funktion lassen sich Bluetooth 3.0, Certified Wireless USB und IP-basierte LAN-Verbindungen realisieren, sodass das derart ausgerüstete Mobiltelefon mit praktisch jedem anderen Gerät kommunizieren kann, das in den etwa 10 m messenden Einzugsbereich kommt.

Ein entscheidendes Element von UWB ist die Verwendung von Multi- Band-OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), wobei die Datenübertragung auf mehreren präzise gestaffelten Trägerfrequenzen erfolgt. Zu den prinzipbedingten Vorzügen der MB-OFDM-Technik gehören die spektrale Flexibilität und die Unempfindlichkeit gegenüber Hochfrequenzstörungen. Gerade im unlizenzierten UWB-Spektrum, in dem viele funkende Geräte koexistieren müssen, ist die spektrale Flexibilität ein wichtiges Kriterium, da sich bestimmte Kanäle dynamisch per Software deaktivieren lassen.

Flexibilität ist überhaupt ein wichtiges Merkmal von UWB – sowohl was die Nutzung des Spektrums als auch was die Implementierung auf der Chipebene angeht. Mithilfe von Multi-Band-UWB mit MB-OFDM lässt sich ein und derselbe Hardwarebaustein per Software dynamisch an die verschiedenen Vorschriften auf der Welt anpassen. Da die MB-OFDMTechnik weitgehend digitaler Natur ist und nur wenige analoge Schaltungen erfordert, lassen sich Komplettlösungen vollständig in CMOS ohne exotische Prozesse realisieren.

Was das Thema Betriebssicherheit angeht, ist die Bewährung von OFDM im Zusammenhang mit anderen leistungsfähigen, weit verbreiteten Kommunikationssystemen wie Wi-Fi 802.11a/g, WiMAX 802.16a, Home- Plug und den weltweiten ASDL-Standards anzusprechen. Ein wichtiges Merkmal der OFDM-Technik ist auch die hohe Energieeffizienz, denn der Empfänger kann selbst in Umgebungen mit intensiven HF-Störungen geringste Energiemengen registrieren. Erste Produktentwicklungen konzentrierten sich auf Bandgruppe 1 der UWB-Spezifikation (3,1 GHz bis 4,8 GHz), die sich hervorragend für die Unterteilung in drei Subbänder von je 500 MHz eignet (Bild 2).

Certified Wireless USB ist bereits für Bandgruppe 1 spezifiziert, doch mit zunehmender Entwicklungstätigkeit in Europa verschiebt sich der Schwerpunkt vermehrt zur Bandgruppe 3 (6,3 GHz bis 7,9 GHz). Entwickler sollten sich daher für Chiparchitekturen entscheiden, die einerseits den heutigen Anforderungen entsprechen und sich andererseits problemlos für höhere Bandgruppen einsetzen lassen.

Die steten Forderungen nach kleinen Abmessungen, einem niedrigen Kostenniveau und geringem Stromverbrauch lassen sich am besten mit einer reinen CMOS-Single-Chip-Lösung erfüllen. Beginnt man dagegen mit Multi-Chip-Lösungen und/oder exotischeren Prozessen wie SiGe, BiCMOS oder GaAs, muss bei zunehmenden Stückzahlen irgendwann auf eine kostengünstigere Variante umgestellt werden. Besser ist es, von Anfang an ein Konzept zu wählen, das während des gesamten Lebenszyklus beibehalten werden kann.

WCSP (Wafer Chip Scale Packaging) ermöglicht die Kombination eines reinen CMOS-Designs mit weiteren Bauteilen der Funkschnittstelle (passive Bauelemente, Filter usw.). Ein kompletter, umgehend einsatzfertiger UWB-Knoten lässt sich damit in einem nur 7,5 mm x 7,5 mm x 0,7 mm messenden Baustein unterbringen, der sich aufgrund seiner Kompaktheit für den Einbau in Mobiltelefone eignet.

Nicht zuletzt ein protokollunabhängiges Kernelsoftware-Konzept erleichtert die Systemintegration, das den gleichzeitigen Betrieb von Certified Wireless USB, Bluetooth und Wi-Net ermöglicht, ohne dass für jedes Protokoll zusätzlicher Code zu schreiben ist. Für die Sicherheit der UWBSchnittstelle ist ferner auf Chipebene Unterstützung für 128-Bit-AES-Verschlüsselung erforderlich. Hauptziel ist es, dem Mobiltelefon-Designer die nahtlose Integration der UWB-Funktion parallel zu anderen Funktionen zu ermöglichen. (mc)