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Definition Was ist Ultra-Wideband / UWB / Ultra-Breitband?

Ultra-Wideband (UWB) ist eine digitale Funktechnik für den Nahbereich. Sie deckt einen großen Frequenzbereich ab und sendet mit geringer Leistung. Sie stört bereits belegte Frequenzbänder kaum. Im Gegensatz zu anderen Funktechniken moduliert Ultra-Wideband keine Trägerfrequenz, sondern sendet Information mithilfe von Einzelpulsen.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Die Abkürzung UWB steht für Ultra-Wideband, was im Deutschen Ultra-Breitband bedeutet. Es handelt sich um eine digitale Funktechnik, die zur Kommunikation über kurze Distanzen vorgesehen ist. Ihre Reichweite ist auf wenige Meter beschränkt.

Ultra-Breitband nutzt einen großen Frequenzbereich. Laut Definition beträgt die Bandbreite mindestens 500 Megahertz oder 20 Prozent der mittleren Frequenz. Die Sendeleistung ist auf wenige Milliwatt begrenzt und verteilt sich über einen großen Frequenzbereich. Für schmalbandige Übertragungsverfahren eines bereits belegten Frequenzbereichs erscheint USB wie Rauschen und stört dessen Betrieb nicht. Ultra-Wideband lässt sich daher als Overlay-Funkübertragungstechnik parallel zu bereits existierenden Funktechniken wie WLAN, Bluetooth oder Mobilfunk einsetzen.

Im Gegensatz zu anderen Funkübertragungstechniken moduliert Ultra-Wideband seine Trägerfrequenz nicht, sondern überträgt Informationen mithilfe von Einzelpulsen. Je nach genutztem Modulationsverfahren können Amplitude, Polarität und Position der Pulse verändert werden. Das Pulsverfahren sorgt dafür, dass die breitbandigen Signale weder andere Funktechniken stören noch von anderen selbst gestört werden.

Eine Arbeitsgruppe der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) erarbeitete die technische Spezifikation 802.15.3a. Die Entwicklung der Nahfeldkommunikationstechnik wurde nach der Auflösung der Arbeitsgruppe vom UWB-Forum und von der WiMedia-Allianz weitergeführt. Ultra-Breitband lässt sich zur Kommunikation zwischen Computer und Peripheriegeräten, zur Übertragung von Audio- oder Videodaten im Nahbereich zwischen Geräten der Unterhaltungselektronik, zur Positionsbestimmung oder für Wireless Personal Area Networks (WPANs) und vieles mehr einsetzen.

Merkmale von Ultra-Wideband

Die wichtigsten Merkmale von Ultra-Breitband sind:

  • nutzbarer Frequenzbereich zwischen 3,1 und 10,6 Gigahertz
  • geringe Störanfälligkeit
  • keine Störung anderer schmalbandiger Funkübertragungstechniken
  • maximale Reichweite Indoor zwischen zehn und 20 Meter
  • maximale Reichweite Outdoor zwischen 50 und 100 Meter
  • Mindestbandbreite 500 Megahertz oder 20 Prozent der mittleren Frequenz
  • maximale Datenrate bis 480 Megabit pro Sekunde
  • maximale Sendeleistung in der Regel kleiner als ein Milliwatt

Funktionsweise von Ultra-Wideband

Wesentliches Unterscheidungsmerkmale von UWB im Vergleich zu anderen Funktechniken ist, dass keine sinusförmige Trägerfrequenz moduliert wird. Ultra-Breitband sendet Informationen in Form von Folgen bestimmter Einzelpulse. Diese Pulse lassen das Trägersignal sehr breitbandig werden. Die Sendeleistung hat eine geringe spektrale Dichte und verteilt sich auf den gesamten Frequenzbereich. Für andere schmalbandige Funkübertragungstechniken, die in von UWB genutzten Frequenzbereichen betrieben werden, gehen die Breitband-Signale im Rauschen unter. Als Modulationstechniken kommen folgende Pulsmodulationsverfahren zum Einsatz:

  • Pulsamplitudenmodulation (PAM)
  • Pulspositionsmodulation (PPM)
  • On/Off Keying (OOK)

Es lassen sich die Polarität, die Amplitude und die Sendezeitpunkte der Pulse verändern. Pulse werden analog erzeugt und direkt über die Antennen der Geräte gesendet. Ist eine ausreichend gute Unterscheidung der einzelnen Pulse gegeben, ist es möglich, mehrere Nahfeldkommunikationssysteme im gleichen räumlichen Bereich parallel zu betreiben. Bei Ultra-Wideband ist nur die physikalische Schicht und die Adressierung spezifiziert. Als Protokolle höherer Ebenen sind bekannte Protokolle anderer Übertragungsverfahren nutzbar.

Einsatzmöglichkeiten von Ultra-Wideband

Ultra-Wideband ist für die Kommunikation im Nahbereich vorgesehen. Es ergeben sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten der Funkübertragungstechnik. Sie kann beispielsweise verwendet werden, um kabelbasierte Verbindungen zwischen Computern und Peripheriegeräten zu ersetzen. Auch die drahtlose Übertragung von Audio- oder Videosignalen zwischen Multimediageräten ist möglich.

Ein besonderes Einsatzszenario ist die Indoor-Positionsbestimmung mithilfe von UWB im industriellen Umfeld. Ultra-Wideband erzielt im Vergleich zu anderen Techniken zur Positionsbestimmung beispielsweise per WLAN-Signal eine höhere Genauigkeit von weniger als 30 Zentimetern. Die Positionsbestimmung basiert nicht auf der Messung von Signalstärken, sondern auf der Messung von Signallaufzeiten. Geräte, deren Position bestimmt werden sollen, werden mit kleinen Sendern (Tags) ausgestattet. Im Indoorbereich befinden sich mehrere Empfänger, die die Signale der Tags empfangen und die Unterschiede ihrer Laufzeit auswerten. Die Kombination der Messwerte von mindestens drei Empfängern erlaubt eine Positionsangabe mit einer Genauigkeit zwischen zehn und 30 Zentimetern. Weiter Anwendungsmöglichkeiten der Nahfeldkommunikationstechnik sind:

  • Realisierung von Sensornetzwerken
  • Radaranwendungen
  • Anwendungen im medizinischen Bereich beispielsweise die drahtlose Übertragung der Daten von Monitoring- und Diagnostik-Geräten

Freigaben der Frequenzbereiche für Ultra-Breitband durch die Regulierungsbehörden und die Situation in Deutschland

Die für Ultra-Wideband nutzbaren Frequenzbereiche müssen von nationalen Regulierungsbehörden freigegeben werden. Eine der ersten Regulierungsbehörden, die entsprechende Frequenzbereiche freigab, war die US-amerikanische FCC im Jahr 2002. Weitere Freigaben folgten beispielsweise in Australien und Hongkong. Über Frequenzmasken ist die maximal erlaubte spektrale Leistungsdichte festgelegt. Zudem erfolgt eine Unterscheidung zwischen der Indoor- und der Outdoornutzung. Indoorgeräte dürfen unter bestimmten Voraussetzungen mit höherer Leistung senden. 2008 gab auch die Bundesnetzagentur für Deutschland Frequenzbereiche zwischen 30 MHz und 10,6 GHz für Ultra-Wideband frei. Die höchste Sendeleistung mit einem Milliwatt ist im Bereich zwischen sechs und 8,5 GHz erlaubt. In anderen Frequenzbereichen sind nur wesentlich niedrigere maximale Sendeleistungen zugelassen.

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