Ultrawideband kapar sladdarna

Ny trådlös teknik kapar resten av sladdarna

Med bluetooth kapar du sladden mellan headset och mobiltelefon. Med 802.11b kapar du sladden mellan dator och nätverk. Med den nya trådlösa tekniken ultra wideband kapar du i princip alla andra sladdar. Med en överföringshastighet på 110 megabit per sekund eller mer ska den ersätta såväl usb-sladdar som sladdar mellan stereo, tv och dvd.

Du går in på bensinstationen för att betala för det du tankat på pump nummer 3. Vid kassan ser du reklamen för den senaste Bond-filmen. Varför inte hyra den, när du ändå är här? Du säger till i kassan, betalar för film och bensin och går därifrån. Filmen då? När du betalade fördes den trådlöst över till din bärbara video- och mp3-spelare som du har i fickan. Hur? Inte med bluetooth, det skulle ta alldeles för lång tid. Inte ens med 802.11b eller 802.11g går det tillräckligt snabbt. Men med den nya radiotekniken ultra wideband går det blixtsnabbt. I dagsläget stöder tekniken en överföringshastighet på kring 100 megabit per sekund men det talas faktiskt redan om gigabit-hastighet.

Ultra wideband eller uwb är det senaste när det gäller trådlös datakommunikation och intresset för tekniken är mycket stort. En av de främsta förespråkarna för uwb är Intel som ser radiotekniken som den som ska göra trådlös usb 2.0 möjlig. Det skulle i så fall innebära en överföringshastighet på 480 megabit per sekund. Utan sladdar! Skrivare, extern hårddisk, bildläsare och andra usb-tillbehör skulle bara kunna parkeras i närheten av datorn utan att man behöver solka ner skrivbord och golv med en massa sladdar.

Inte bara datorindustrin intresserar sig för uwb. Företag som Sony, Samsung, Sharp, JVC, Pioneer och Nec ser uwb som den teknik som trådlöst ska koppla samman olika typer av konsumentelektronik med varandra. Bilden från dvd-spelare eller hårddiskinspelare ska i framtiden inte skickas via scart-sladd utan trådlöst via ultra wideband. Ska du spela upp en film från din digitala videokamera behöver du i framtiden inte plocka fram några tv-sladdar. Samma sak om du ska föra över filmen till din persondator. Bort med sladdarna. Fram med uwb.

– Ultra wideband har mycket stor potential för tillämpningar där man behöver överföra stora mängder information över korta avstånd på en eller ett par meter, till exempel för att ersätta kablar i datorer och konsumentelektronik, säger Arne Svensson, professor i kommunikationssystem på Chalmers och delprojektledare för EU-projektet Ultrawaves, vars mål är att utveckla en uwb-baserad kabelersättare för konsumentelektronik.

Uwb kan inte bara användas för att föra över stora mängder information. Samma radioteknik kan även användas för en form av radar som kan se genom väggar. Det amerikanska företaget Time Domain, som även utvecklar uwb-produkter för dataöverföring har tagit fram Radarvision. Det är en apparat som sänder ut miljontals radiopulser per sekund över ett brett frekvensspektrum. Pulserna ska kunna tränga igenom vanliga byggnadsmaterial som betong, tegel, plast och trä. Apparaten mäter hur lång tid det tar innan signalen studsar tillbaka och kan därmed måla upp en bild av hur byggnaden ser ut på insidan. Uwb-radarn ska till exempel kunna användas av polis och militär för att lokalisera personer som försöker gömma sig i en byggnad.

Uwb kan även användas för positionering. Genom att mäta tiden det tar för en signal att färdas mellan olika uwb-sändare går det att beräkna positionen på några centimeter när. Precisionen är betydligt högre än med gps-positionering som kan bestämma positionen med ett antal meters noggrannhet. Uwb kommer dock inte att konkurrera med, utan komplettera gps. Gps använder satelliter för att bestämma positionen vilket gör att tekniken inte fungerar inomhus. För att positionering via uwb ska fungera krävs det att det finns flera sändare i närheten. Uwb skulle i framtiden kunna användas som en inomhusvariant av gps. I ett lager skulle man kunna förse de dyraste varorna med uwb-sändare och därmed alltid kunna spåra deras exakta position.

Vad är då uwb? Ja, där går faktiskt åsikterna isär. Ultra wideband är radiosändningar som sker över ett brett frekvensspektrum. Federal Communications Commission (FCC) som är den amerikanska motsvarigheten till Post- och telestyrelsen definierar uwb som radiosändningar där kanalbredden är minst 500 MHz. Ju bredare kanal, desto mer data kan överföras samtidigt. Som jämförelse kan sägas att 802.11a har en kanalbredd på 83,5 MHz.

– Somliga blandar ihop ultra wideband med så kallad impulsradio, säger Arne Svensson. Men det förslag som förmodligen kommer att bli antaget som standard för uwb bygger faktiskt på mer traditionell radioteknik och inte på impulsradio.

Impulsradio är annars ett mycket intressant sätt att överföra information via radio och tekniken har sedan länge använts för militärt bruk. Alla vanliga radiosändningar, som FM-radio, teve, kortvågsradio, polisradio med mera, skickar information i form av radiovågor som även kallas bärvågor just för att de bär information från sändare till mottagare. På bärvågen lagras eller moduleras information. För AM-radio ändrar man styrkan eller amplituden på bärvågen efter ljudet som sänds. För FM-radio varieras i stället frekvensen eller antalet vågor per sekund i takt med ljudet.

Impulsradio använder inte en kontinuerlig bärvåg utan sänder i stället data i mycket korta pulser. Traditionella radiosändningar med bärvågor håller sig till ett smalt frekvensutrymme, exempelvis har en FM-radiokanal en bandbredd på 200 kHz. Uwb skickar i stället pulserna över ett mycket brett spektrum, kanske från 0 till 10 GHz.

Men en impulsradio som sänder över ett så brett frekvensområde kommer potentiellt att störa en rad andra radiosändningar. Ta bara alla FM-radiokanaler som sänder i frekvensutrymmet 87,5-108 MHz eller mobiltelefonnäten som sänder på 900 och 1 800 MHz.

Problemet med eventuella störningar löser man genom att använda en väldigt låg uteffekt på sändningarna. Så låg att sändningarna bara kommer att uppfattas som brus av andra radiomottagare.

– All elektronisk utrustning avger elektromagnetisk strålning. Den maximala uteffekten från en ultra wideband-sändare är i samma storleksordning som den maximalt tillåtna bakgrundsstrålning som kommer från exempelvis datorer, bildskärmar och skrivare, säger Arne Svensson.

Den låga uteffekten är en av fördelarna med ultra wideband. Genom att sända så svaga radiosignaler att andra radiotekniker bara uppfattar det som brus och ignorerar det, gör att uwb kan användas på frekvensutrymmen som redan är upptagna av andra typer av radio. Och eftersom det som sänds bara uppfattas som brus, borde uwb kunna användas utan att det krävs någon dyr radiolicens i stil med licenserna för 3G-telefoni som i vissa länder kostade flera miljarder.

– Men till skillnad från det elektromagnetiska brus som kommer från exempelvis mikrovågsugnar och plastsvetsar är bruset från ultra wideband avsiktlig utsändning av information och är därmed att klassa som radio, säger Jan Hedlund, som arbetar med tillståndsfrågor för mobil radio på spektrumavdelningen på Post- och telestyrelsen.

För att ultra wideband ska kunna användas i Sverige krävs det antingen att användaren har ett radiotillstånd eller att uwb-produkter är undantagna från tillståndsplikt på samma sätt som vissa walkie-talkies, trådlösa hörlurar, billarm och mobiltelefoner är.

– Det finns två problem med uwb, säger Jan Hedlund. Det ena är att uwb skulle kunna användas på frekvensutrymmen som företag har betalat miljoner eller miljarder för att få exklusiv rätt att använda. Det andra problemet är att vi inte vet vad konsekvensen blir om det finns många miljoner uwb-sändare. Någonstans blir den samlade brusnivån från uwb för hög och kan då störa andra radioutrustningar.

Arne Svensson berättar att ett antal forskare och företag har gjort studier av vad som händer om man har många uwb-sändare i närheten av annan radioutrustning och att dessa studier funnit att “bruset” från uwb kan störa ut exempelvis en gsm-telefon.

– Den totala summan av alla uwb-signaler kan skapa problem. Ska uwb ersätta sladden mellan dator och bildskärm och sladdarna till skrivare, mus och tangentbord, blir det ju ett antal uwb-sändare inom ett litet område och då skulle det i värsta fall kunna bli problem. Men sannolikheten att detta ska inträffa är troligen mycket liten.

– Men, tillägger Arne Svensson, man får samma problem med exempelvis trådlösa nätverk som bygger på 802.11b. Sätter man upp många accesspunkter utan att koordinera dem kan de störa varandra och annan radioutrustning.

Jan Hedlund berättar att det inom FN-organet International Telecommunication Union (ITU) pågår studier som ska svara på frågor som: vilken effekt har utstrålningen från en eller flera uwb-apparater på omgivande radiokommunikationstjänster, hur reagerar icke-uwb-mottagare på uwb-signaler och vilka krav ska ställas på uwb-utrustningar för att dessa inte ska störa andra radiotjänster.

Att bara använda en låg uteffekt räcker inte för ultra wideband. Amerikanska FCC gav förra året tillstånd till kommersiella uwb-sändningar men med vissa begränsningar. Bland annat får uwb-sändningar bara ske i frekvensutrymmet mellan 3,1 och 10,6 gigahertz. I Sverige används det frekvensutrymmet bland annat av fast och mobil radio för militärt bruk, radioastronomi, radar, flygburna radiofyrar och radionavigering för luft- och sjöfart. Frekvensutrymmet i trakten kring 5,2 GHz används av trådlösa nätverk som bygger på 802.11a.

Impulsradio har en stor fördel gentemot traditionell radio. Genom att den inte behöver modulera information på en bärvåg utan bara sända fritt över hela frekvensutrymmet kan en sådan radio göras mycket billig.

– Men det verkar som om FCC:s begränsning av det frekvensutrymme som ultra wideband får använda har gjort impulsradion mindre intressant, säger Arne Svensson. Impulsradions enkelhet och därmed låga tillverkningskostnad faller helt enkelt på FCC:s krav.

I dagsläget finns det ingen vedertagen standard för ultra wideband. Det internationella standardiseringsorganet IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) håller på att bestämma hur standarden 802.15.3a ska se ut. Det är en kommande standard för trådlösa personliga nätverk med hög överföringshastighet som kommer att baseras på ultra wideband.

Det har lämnats in en rad olika uwb-förslag till IEEE. Av dessa har alla röstats bort utom två. Det förslag som tros komma att vinna kommer från sammanslutningen Multi-band OFDM Alliance (MBOA) med företag som Intel och Texas Instrument i spetsen.

Det förslag som MBOA vill ska bli antaget som standard bygger inte på impulsradio utan på mer traditionell radioteknik där informationen moduleras på bärvågor.

– Samma teknik används bland annat i trådlösa nätverk som bygger på 802.11b, i adsl och i den digitala radiostandarden Dab, säger professor Arne Svensson.

Enligt analysföretaget Parks Associates är det pc-industrin som åtminstone inledningsvis kommer att dominera när det gäller användningen av ultra wideband. Under år 2005, då företaget räknar med att de första uwb-produkterna dyker upp på marknaden, kommer 70 procent av alla produkter med uwb att vara persondatorer och datatillbehör. Konsumentelektronik, som settop-boxar och tv-apparater, kommer att stå för endast fem procent av uwb-marknaden. Övriga 25 procent av marknaden tros vara uwb-utrustade bärbara produkter som digitalkameror och mp3-spelare.

Analysföretaget tror att ultra wideband kommer att ersätta både firewire och usb och på sikt även bluetooth. År 2008 tror Parks Associates att det kommer att finnas totalt 180 miljoner produkter med uwb. Av dessa är 41 procent persondatorer och datatillbehör, 42 procent stationär konsumentelektronik och resterande 17 procent mobil konsumentelektronik.

– Men än så länge har vi inte fått några förfrågningar från företag som vill pröva ultra wideband i Sverige, säger Jan Hedlund på Post- och telestyrelsen.

Hur snabbt är ultra wideband?

Hur snabbt är ultra wideband? Det varierar. Den uwb-utrustning som Chalmers arbetar med har en överföringshastighet på 100 megabit per sekund på avstånd upp till tio meter.

Det israeliska företaget Wisair visade förra året upp Ublink, en komplett uwb-radio med tillhörande antenn. Företagets uwb-lösning stöder överföringshastigheter upp till 125 megabit per sekund men Wisair säger också att framtida lösningar kommer att ge överföringshastigheter på upp till en gigabit per sekund. Räckvidden är 10 till 30 meter med den version av Ublink som finns i dag.

Det amerikanska företaget Pulse-Link har också visat upp en uwb-prototyp. Företagets uwb-radio ska kunna överföra 125 megabit data per sekund på avstånd upp till 20 meter och ändå hålla sig till FCC:s regler för uwb-sändningar. Företaget menar att det inte finns något i FCC:s regler som begränsar uwb till sändningar på upp till tio meters avstånd och säger sig vara det enda företag i världen som demonstrerat en uwb-lösning där enheterna kan stå upp till 100 meter ifrån varandra.

Pulse-Link har demonstrerat uwb-prototypen tillsammans med gps-mottagare, trådlöst nätverk, mobiltelefon och produkter med bluetooth och säger att prestanda på de olika radioutrustningarna inte försämrades av demonstrationen.

Till årets slut ska företaget ha en kretsuppsättning för trådlös nätverksanslutning via uwb färdig. Pulse-Link har också utvecklat något som företaget kallar för uwb-over-wire som går ut på att sända uwb i bland annat kabeltv-nät. Det ska ge en överföringshastighet på 1,2 gigabit per sekund nedströms och 480 megabit per sekund uppströms.

Även det amerikanska företaget Xtremespectrum har visat upp en uwb-radio. Trinity, som radion heter, ger en överföringshastighet på 25, 50, 75 eller 100 megabit per sekund på ett avstånd upp till tio meter mellan sändare och mottagare.

Så här fungerar ultra wideband

Det förslag som verkar bli antaget som standard för personliga nätverk med hög överföringshastighet är framtaget av sammanslutningen Multi-band OFDM Alliance (MBOA).

Med MBOA:s förslag används tre stycken frekvensband som vart och ett är 528 MHz “brett”, därav namnet Multi-band. De tre frekvensbanden ligger mellan 3,1 och 4,9 GHz. På så vis undviker man automatiskt krockar med 802.11a som använder frekvensutrymme kring 5,2 GHz.

Vid sändning växlar man mellan de tre banden, detta för att minska eventuella störningar med andra uwb-nätverk i närheten. Med OFDM eller Orthogonal Frequency Division Multiplexing sänds data i ett stort antal underbärvågor. Det ser ut som en enda bred signal men inuti är den alltså uppdelad i flera oberoende dataströmmar.

Totalt använder MBOA 128 underbärvågor eller kanaler, varav 100 används för att skicka data. Varje underbärvåg kan skicka två bitar i taget. Totalt kan alltså 200 ettor och nollor skickas samtidigt (2 bitar * 100 bärvågor = 200 bitar).

Att skicka en omgång data tar 312,5 nanosekunder. Det ger en “rå” överföringshastighet på 0,64 bitar data per nanosekund eller 640 megabit data per sekund.

Men det kan uppstå störningar och fel på vägen mellan sändare och mottagare. Därför måste man koda data så att det kan kontrolleras och eventuellt rättas när det kommer fram. Denna felrättande kod gör att den effektiva överföringshastigheten sjunker.

För felrättande koder talar man ibland om kodtakt, För K stycken informationsbitar skickas totalt N stycken kodade bitar. Det ger en kodtakt på K/N, alltså för att skicka K bitar information krävs det totalt N bitar, inklusive felrättande kod. Med kodtakt 3/4 blir den effektiva datahastigheten 480 megabit per sekund (640 Mbps * 3/4). Men vid längre avstånd mellan sändare och mottagare eller vid dåliga förhållanden går fler bitar åt till felrättning, vilket gör att den effektiva datahastigheten sjunker.

MBOA uppger att deras lösning klarar en överföringshastighet på 480 megabit per sekund på avstånd upp till strax under åtta meter, 200 megabit per sekund på avstånd upp till 14 meter och 110 megabit per sekund på avstånd upp till 20 meter. Detta under förutsättning att det är fri sikt mellan sändare och mottagare. Enligt MBOA har alliansens förslag i genomsnitt 2-4 meter bättre räckvidd än “det andra förslaget”. Det andra förslaget kommer från företaget Xtremespectrum, som nyligen blev uppköpt av Motorola, och bygger på en annan teknik än OFDM.
Enligt MBOA har flera av sammanslutningens medlemmar tillkännagett att de ska ha prototyper klara i början eller mitten av 2004 och att produktionsfärdiga radiokretsar ska finnas tillgängliga till slutet av året eller tidigt nästa år.