Ultrabreitband

Kernidee und Definition

Ultra-Breitband-Technologie (UWB, englisch Ultra-wideband) ist ein Verfahren für Nahbereichsfunkkommunikation und Nahbereichs-Radar. Das wichtigste Merkmal ist die Nutzung eines extrem großen Frequenzbereichs. Als UWB gilt ein Signal mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz oder mindestens 20 % des arithmetischen Mittelwertes aus unterer und oberer Grenzfrequenz des genutzten Frequenzbandes.

UWB ist vor allem für kurze Entfernungen wichtig. Es kann Daten übertragen, Geräte orten oder als Radar genutzt werden. Die Besonderheit ist, dass die gesamte Sendeleistung von wenigen Milliwatt über einen sehr breiten Frequenzbereich verteilt wird. Dadurch ist die spektrale Leistungsdichte sehr gering. Für schmalbandige Funkempfänger erscheint ein UWB-Signal daher oft wie Rauschen, sodass es im Idealfall kaum stört und schwer zu erkennen ist.

Physikalische Grundlagen

Ein normales sinusförmiges Signal hat im Idealfall ein Spektrum mit einer einzelnen Spektrallinie. Wird ein Sinus aber nur für eine begrenzte Zeit ausgesendet, wird diese Spektrallinie breiter. Je kürzer das Signal dauert, desto breiter wird sein Spektrum. Bei UWB werden deshalb möglichst kurze Impulse erzeugt, die keine vollständige Sinusschwingung mehr enthalten.

Zeitliche Breite und spektrale Breite eines Pulses hängen nach den Gesetzen der Fourier-Transformation zusammen. Für die zeitliche Breite Δt und die spektrale Breite Δf gilt:

Δt · Δf ≥ const.

Die Konstante hängt von der Pulsform ab. Für einen gaußförmigen Puls gilt zum Beispiel:

Δt · Δf ≥ 2 ln 2 / π ≈ 0,44

In der Hochfrequenztechnik können Halbwertsbreiten unter etwa 50 ps erreicht werden. Daraus ergibt sich eine Bandbreite über 8,8 GHz. Tatsächlich wird davon nur ein kleiner Teil über die Antenne abgestrahlt, weil die Abmessungen der Antenne die Mittenfrequenz und die tatsächliche Bandbreite mitbestimmen. Ein gaußförmiger Puls kann zum Beispiel durch die Eigenresonanz eines Strahlers mit der Mittenfrequenz 5 GHz zu einer Gruppe weniger kurzer Schwingungen mit einer Gesamtdauer von 0,9 ns verformt werden. Das entspricht einem breiten Spektrum mit FWHM ≈ 2 GHz. FWHM bezeichnet die Halbwertsbreite, also die Breite eines Signals bei halber maximaler Höhe.

Anders als bei normaler Funktechnik wird bei UWB keine Trägerfrequenz moduliert. Stattdessen werden Einzelpulse verwendet. Daher bietet sich Pulsphasenmodulation beziehungsweise Pulspositionsmodulation (PPM, englisch pulse-position modulation) an: Die Information steckt in der zeitlichen Lage der Pulse. Außerdem können Polarität und Amplitude der Impulse verändert werden. Wenn sich die Zeitpunkte der Einzelpulse genügend unterscheiden, können mehrere UWB-Systeme im selben Gebiet betrieben werden, ohne sich gegenseitig stark zu stören.

Anwendungen

UWB kann für sehr schnelle Datenübertragung über kurze Entfernungen genutzt werden, etwa für Videodaten zwischen Monitor, DVD-Player, Fernseher und anderen digitalen Geräten. Als Beispiel wird IEEE 802.15.3a genannt. Eine technische Realisierung ist Impulse Radio. Dabei werden Informationen nicht auf eine bestimmte sinusförmige Trägerfrequenz aufmoduliert, sondern durch eine festgelegte Folge kurzer Impulse übertragen. Dadurch wird das Signal sehr breitbandig, und die Sendeleistung verteilt sich auf einen großen spektralen Bereich.

Weitere Anwendungen sind sehr preisgünstige und energieeffiziente Geräte mit Positionsbestimmung und moderaten Datenraten, zum Beispiel Apple Air Tags oder Sensornetzwerke. Der Artikel nennt außerdem Bewegungsmelder, die durch Mauern hindurch arbeiten können, und verweist auf 802.15.4a. UWB kann auch zur Ortung von Geräten in industriellen Umgebungen eingesetzt werden, zum Beispiel mit Omlox.

Im Radarbereich wird UWB als Bodenradar verwendet, etwa zur Charakterisierung des Untergrundes in der Geophysik oder zum Aufspüren von Landminen. Wand-Scanner-Radar kann elektrische Leitungen, Rohre sowie Holz- und Metallstrukturen in Hauswänden finden. Medizinische Anwendungen umfassen das Monitoring von Herz- und Atemfunktion, Tumordiagnostik und Unterstützungssysteme für medizinische Bildgebungssysteme. Außerdem nennt der Artikel kaum ortbare Kommunikation als Anwendung.

UWB kann als lizenzfreies Overlay-System eingesetzt werden. „Overlay“ bedeutet hier, dass es im gleichen Frequenzbereich wie andere Funkverfahren betrieben wird. Möglich wird das durch die extreme Breitbandigkeit von bis zu 7,5 GHz und die geringe spektrale Leistungsdichte von maximal −41,3 dBm/MHz.

Technische Kennwerte

Der Artikel nennt als typischen Frequenzbereich 3,1–10,6 GHz. Die Sendeleistung beträgt 0,5 mW beziehungsweise −41,3 dBm/MHz. Die Reichweite liegt je nach Anwendungsfall bei 10–50 m. Die Datenrate wird mit 480–1320 Mbit/s angegeben.

Diese Werte zeigen den Grundcharakter von UWB: Es ist für kurze Distanzen ausgelegt, kann dabei aber hohe Datenraten erreichen. Gleichzeitig bleibt die Leistung pro Frequenzabschnitt niedrig, weil sich die Energie über einen sehr breiten Bereich verteilt.

Regulierung und Nutzung in Deutschland

UWB war aus regulatorischer Sicht neu, weil solche Systeme mögliche Interferenzen mit bestehenden Funksystemen nicht aktiv verhindern. Stattdessen werden sehr geringe Interferenzen als inhärent in Kauf genommen. Regulierungsbehörden und Anbieter von Diensten mit reservierten Frequenzbändern hatten deshalb Vorbehalte. Kritiker argumentieren, UWB schaffe als Overlay-System keine neuen Kapazitäten, sondern erhöhe das Rauschen und verringere Sicherheitsreserven bestehender Dienste. Befürworter verweisen dagegen auf die sehr geringe Sendeleistung, den nur lokalen Einfluss und darauf, dass viele Frequenzen an einem Ort zu einer bestimmten Zeit ungenutzt sind.

Die weltweit erste Regulierungsbehörde, die den regulären Betrieb von UWB-Geräten für Kommunikation unter bestimmten Randbedingungen freigab, war im Februar 2002 die US-amerikanische FCC. In einigen anderen Staaten wurde UWB-Kommunikation für Versuche und Demonstrationen freigegeben, teils nur in bestimmten „UWB Friendly Zones“, etwa in Singapur im Februar 2003, Hong Kong im Mai 2005 und Australien im Dezember 2004. China genehmigte am 19. November 2012 die Spezifikation des 24 GHz UWB Automotive Short Range Radar.

Kern der FCC-Bestimmungen ist eine Frequenzmaske. Sie legt für jede Frequenz die maximale spektrale Leistungsdichte fest. Dabei wird zwischen Indoor-Systemen und Hand-Held-Systemen unterschieden. Indoor-Systeme müssen erkennbar nur für den Betrieb in Gebäuden geeignet sein und dürfen nicht absichtlich nach draußen strahlen, zum Beispiel aus Fenstern. Hand-Held-Systeme dürfen innerhalb und außerhalb von Gebäuden betrieben werden, müssen aber als tragbare Geräte erkennbar sein und dürfen keine fest installierten Antennen an Gebäuden besitzen.

In Deutschland gab die Bundesnetzagentur am 16. Januar 2008 mehrere Frequenzbereiche zwischen 30 MHz und 10,6 GHz für UWB frei. Die höchsten Sendeleistungen sind zwischen 6 und 8,5 GHz erlaubt. Später wurden die starren unteren und oberen Bandgrenzen von 30 MHz und 10,6 GHz zugunsten der Angaben „< 1,6 GHz“ und „> 10,6 GHz“ mit mittleren spektralen Leistungsdichten von −90 dBm/MHz beziehungsweise −85 dBm/MHz (EIRP) aufgegeben. Diese Angaben entsprechen der Entscheidung ECC/DEC/(06)04 des Electronic Communications Committee und der Entscheidung der Kommission (2007/131/EC).

Konflikte mit passiven Radioanwendungen

Passive Radioanwendungen sind Anwendungen, die selbst keine Funksignale senden, sondern Signale empfangen und auswerten. Dazu gehören Fernerkundung und Radioastronomie. Kritiker sehen sie durch UWB besonders betroffen. Vor allem Radioastronomen befürchten starke Beeinträchtigungen.

Der Grund ist, dass UWB-Signale nicht von vornherein klar von Rauschen zu unterscheiden sind. Schmalbandige Funkdienste erzeugen oft charakteristische Störsignale, die erkannt, gefiltert oder maskiert werden können. UWB-Störungen lassen sich dagegen nicht einfach aus einem Empfangssignal entfernen. Die Folge ist ein schlechterer Rauschabstand, wodurch Messzeiten länger werden. Beobachtungen schwacher und besonders inkohärenter Signalquellen könnten dadurch unmöglich werden.

Erste Abschätzungen zeigen laut Artikel, dass UWB-Geräte in Entfernungen zu urbanen Siedlungen, wie sie in Europa typisch sind, radioastronomische Einrichtungen stören können. Frequenzbänder, die bisher von schmalbandigen Sendern belegt waren und durch Maskierung und Filterung noch für Beobachtungen nutzbar blieben, würden durch UWB stärker beeinträchtigt. Radioastronomen sehen UWB-Dienste daher als eine der größten Gefahren für die zukünftige Ausübung ihrer Wissenschaft.