Ultraweitband Designoptionen für WiMedia-Geräte

Autor / Redakteur: Billy Brackenridge* / Jan Vollmuth

Bei der Entwicklung von UWB-fähigen Endgeräten müssen verschiedene Designfaktoren berücksichtigt werden. Ein wesentlicher Faktor ist dabei die Entscheidung für oder gegen eine Single-Chip-Lösung, mit der sich die Zahl der erforderlichen Komponenten deutlich reduzieren lässt.

Firmen zum Thema

Kleinformat: Durch Zusammenfassen der passiven Bauelemente auf einem LTCC-Substrat können Platz sparende System-in-Package-CMOS-Lösungen hergestellt werden.
Kleinformat: Durch Zusammenfassen der passiven Bauelemente auf einem LTCC-Substrat können Platz sparende System-in-Package-CMOS-Lösungen hergestellt werden.
( Archiv: Vogel Business Media )

Ultrawideband (UWB) ist keine Technologie, sondern ein Paket von Richtlinien, die vom Staat erlassen wurden und für den geregelten Zugriff auf ein breites HF-Spektrum sorgen (siehe Ende dieses Beitrages). Die Interessensgemeinschaft WiMedia Alliance, in der sich zahlreiche UWB-Hersteller zusammengeschlossen haben, wiederum spezifiziert eine interoperable Technologie für die Nutzung dieses Spektrums innerhalb der von den besagten Richtlinien gesetzten Grenzen.

Wie die WiMedia-Geräte im Einzelnen hergestellt werden, bleibt allerdings den jeweiligen Implementierern überlassen. Dementsprechend unterscheiden sich die Technologien der einzelnen Unternehmen.

Bildergalerie

Die technischen Entscheidungen hinsichtlich der Implementierung eines WiMedia-konformen Geräts werden in weiten Teilen vom Markt diktiert – genauer gesagt davon, wie die verschiedenen Unternehmen den Markt wahrnehmen.

Die Wurzeln von UWB liegen im WPAN-Standard

Als erste Anwendung für UWB wurde die Übertragung von Videosignalen zwischen einer Set-Top-Box (STB) und einem Fernsehgerät vorgeschlagen. UWB wurde hier als physische Übertragungsschicht für IEEE 802.15.3 ins Spiel gebracht, da dieser Standard für WPANs (Wireless Personal Area Network) ein fortgeschrittenes Entwicklungsstadium erreicht hatte, bevor das UWB-Spektrum von den US-amerikanischen Regulierungsbehörden freigegeben wurde.

Bis zur Gründung der WiMedia Alliance hatte sich die MAC-Schicht jedoch bereits so weit entwickelt, dass neben der STB-Applikation auch Peer-to-Peer-Verbindungen unterstützt wurden.

So liegen zwar die Wurzeln der UWB-Technik in IEEE 802.15.3, doch wurde im Zuge der weiteren Entwicklung der Technologie ein wesentlich größeres Anwendungsfeld erschlossen.

Großes Marktpotenzial bei Unterhaltungselektronik und PC-Peripherie

Das Besondere an WiMedia: Der Markt für entsprechende Halbleiterbausteine ist größer als bei jeder anderen digitalen Funktechnik in der Vergangenheit. Mit WiMedia lassen sich digitale Videosignale in einem Raum verteilen. Die Technik lässt sich außerdem so weit miniaturisieren und kommt mit so wenig Energie aus, dass sie sich in portable Media Player und Mobiltelefone einbauen lässt. Überdies kann sie bei einer Digitalkamera das USB-Kabel ersetzen.

Der Markt für den kabellosen Anschluss von PC-Peripherie ist eine sichere Sache, denn der Kostenaufwand liegt auf dem Niveau eines entsprechenden Kabels. Die Einstiegskosten auf dem Handy-Markt sind dagegen höher, doch sind hier auch beträchtliche Stückzahlen zu erwarten. Hat schon jedes einzelne der erwähnten Marktsegmente einen beträchtlichen Umfang, stellen sie in der Gesamtheit eine nie da gewesene Chance dar.

Die Frage nach der geeigneten Implementierung

Die wichtigste Entscheidung, die ein WiMedia-Implementierer zu fällen hat, ist die Wahl zwischen einer Single-Chip-Lösung und einer Lösung aus mehreren Chips. Bei Netzwerk-Bausteinen besteht traditionell eine Trennung zwischen dem MAC (Media Access Controller), der das Framing der Daten regelt, und dem PHY-Transceiver für die physische Datenübertragung.

Die WiMedia Alliance hat eine MAC/PHY-Schnittstelle definiert, die von der Verwendung separater Chips für diese Funktionalität ausgeht. Entscheidet man sich stattdessen für eine Single-Chip-Lösung, muss dieser Baustein als PHY agieren können, da die Interoperabilitätsprüfungen bis dato auf der PHY-Ebene vorgenommen wurden. Die Aufteilung zwischen MAC und PHY ist eine willkürliche, aus dem Werdegang der WiMedia-Technik begründete Maßnahme. Ursprünglich sah man in der UWB-Technik eine alternative PHY-Lösung für einen existierenden IEEE 802.15.3 MAC.

Ein WiMedia-Gerät umfasst viele Bestandteile

UWB verwendet bei der Datenkommunikation das OFDM-Modulationsverfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Hinsichtlich der Implementierung, handelt es sich dabei um einen zwar genau verstandenen, aber rechenaufwändigen Prozess, der zahlreiche digitale Gatter erfordert.

Auch die Verschlüsselung nach dem AES-Verfahren wird von WiMedia zwingend vorausgesetzt, wobei die Chiffrierung je nach Implementierung als Bestandteil des MAC oder des Basisband-Teils aufgefasst werden kann.

Aus Komponentensicht besteht ein WiMedia-System aus einem Funk-Transceiver, den Basisbandteil, den Media Access Controller (MAC) sowie nichtflüchtigem Speicher.

Alle diese Bestandteile sind für die Herstellung eines WiMedia-Produkts erforderlich. Ob die einzelnen Blöcke jeweils als ein separater Chip realisiert werden, ob man mehrere Chips zu einem Modul kombiniert oder ob gar alle Funktionsabschnitte in einem einzigen Chip zusammengefasst werden, gehört bereits zu den Implementierungsdetails.

SiGe- contra CMOS-Lösung

Der Funk-Transceiver wird heute meist in SiGe-Technologie hergestellt, auch wenn einige Unternehmen mit großem Ehrgeiz auf eine CMOS-Lösung setzen. In einer praxisgerechten Single-Chip-Lösung sind der HF-Teil und die digitalen Komponenten in CMOS-Technologie umgesetzt, um den Kostenaufwand und die Abmessungen zu minimieren.

Einige HF-Implementierungen sehen die Verwendung mehrerer Antennen vor. Die Zahl der externen HF-Bauelemente unterscheidet sich von einer Applikation zur anderen. Während einige Anbieter die Anpassung mithilfe passiver Bauelemente auf einer Leiterplatte vornehmen, bevorzugen andere die Zusammenfassung der passiven Elemente auf einem LTCC-Substrat (Low Temperature Cofired Ceramic). Das Resultat wird als SIP (System in Package) bezeichnet.

Viele Unterschiede gibt es auch hinsichtlich der I/O-Schnittstellen zum Host: PCI, PCIe, SDIO, USB Host, USB Device und diverse proprietäre Schnittstellen findet man in den verschiedenen Lösungen vor. Jeder dieser physischen I/O-Schnittstellenstandards setzt voraus, dass der MAC die damit verbundenen Protokolle unterstützt.

WiMedia unterstützt zahlreiche Funkprotokolle

WiMedia-Funklösungen können mehrere verschiedene Luftschnittstellen-Protokolle gleichzeitig verarbeiten. CWUSB (Certified Wireless USB), das WiMedia-eigene WiNet und Bluetooth 3.0 sind bereits definiert oder werden zur Zeit festgeschrieben. Darüber hinaus werden einige Applikationen proprietäre Protokolle nutzen, die in die standardisierte WiMedia-Framestruktur passen.

Einige Hersteller haben sich entschieden, den WiMedia MAC mit einem Universalprozessor und mehreren I/O-Schnittstellen zu implementieren, während andere den MAC für eine rascher auf den Markt zu bringende CWUSB-Implementierung zu optimieren.

Die Unterstützung mehrerer Protokolle durch WiMedia-Funklösungen ist indes kein Muss. Denkbar ist z.B. die ein spezieller Baustein für eine drahtlose Maus. Eine solche Lösung könnte sehr preisgünstig ausfallen und dürfte ausschließlich für den Einsatz in einer Funk-Maus oder Tastatur vorgesehen sein. Hier würde die Single-Chip-Variante bevorzugt werden, um den engen Kostenrahmen für eine drahtlose Maus nicht zu sprengen.

Der Preis macht die Musik

Die Erfahrung mit Bluetooth und WiFi hat gezeigt, dass sich auf dem Markt diejenige Lösung durchsetzt, die zum günstigsten Preis den Spezifikationen entspricht und die Erwartungen des Anwenders erfüllt. Sicherlich mag es Nischenmärkte für Hochleistungslösungen geben, doch der Preis ist und bleibt das wichtigste Kriterium.

Mobile Geräte wie etwa Mobiltelefone und portable Media Player verlangen nach sehr geringer Leistungsaufnahme und äußerst kompakten Gehäusen, und auch hier behält der Preis seinen hohen Stellenwert.

Kurzfristig werden zunächst Bauelemente für Desktop und Notebook-PCs sowie CWUSB-Hubs mit eigener Stromversorgung verkauft werden. Hier ist es hinnehmbar, wenn die Leistungsaufnahme geringfügig höher ist und die Abmessungen etwas größer, denn in einem Wireless USB-Hub ist genügend Platz für passive Bauelemente.

Bei Digitalkameras zählt ebenfalls die Größe, doch Kameras schalten die drahtlose Übertragungsfunktion nur ein, wenn tatsächlich Bilder an eine andere Kamera, einen PC oder einen Drucker überspielt werden sollen. Digitalkameras dürften zu den ersten Geräten zählen, in denen Lösungen auf WiMedia-Basis zum Einsatz kommen.

Treibende Kraft für den frühen Einsatz in tragbaren Geräten sind Lösungen in Form von Erweiterungskarten, wie sie beispielsweise Staccato Communications mit seiner SDIO-Card (SC3226R SDIO for Native Certified Wireless USB) anbietet.

Auf die Gehäusegröße kommt es an

Der Trend geht hin zu kleineren und billigeren Gehäusen. Auf lange Sicht werden bei kostengünstigen, flachen Lösungen standardmäßige IC-Gehäusetechnologien zum Einsatz kommen, wie z.B.:

* Quad Flatpack No-lead (QFN) oder Micro Lead Frame (MLF)

* Ball Grid Array (BGA)

* Land Grid Array (LGA)

* Wafer Chip Scale Packaging (W-CSP)

Details zu diesen Gehäusetechnologien sind weniger interessant. Vielmehr kommt es darauf an, dass die Entwicklung auf diesem Gebiet ebenso voranschreitet, wie Moore’s Law die Produktionskosten für CMOS-Chips senkt. Die Mobiltelefonindustrie verlangt nach immer kleineren Gehäusen und immer besserer HF-Performance verbunden mit minimalem Stromverbrauch.

Auf absehbare Zeit werden Moore’s Law und die Weiterentwicklung der Gehäusetechnologie für eine rosige Zukunft der WiMedia-Technik sorgen: Moore’s Law ermöglicht die Herstellung immer komplexer digitaler Bausteine, und durch die immer kleiner werdenden Transistoren lassen sich mit CMOS-Implementierungen immer höhere Frequenzen unterstützen.

Der Weg führt zur Single-Chip-Lösung

Dank der Bündelung von immer mehr Funktionen in einem einzigen Chip wird das automatische Prüfen dieser Bausteine ebenso vereinfacht wie die automatische Montage. Ein klassischer selbstverstärkender Regelkreis also, der zur Folge hat, dass die WiMedia-Technik immer leistungsfähiger und billiger wird und Eingang in immer mehr Produkte findet.

WiMedia-Produkte der ersten Generation auf der Basis mehrerer Chips mögen auf dem Markt noch gewisse Akzeptanz finden. Dennoch der Trend geht zu auf CMOS-Technik basierenden, Strom sparenden und kostengünstigen Single-Chip-Lösungen in kompakten, HF-effizienten Gehäusen.

Europa muss Märkte für UWB bis August 2007 öffnen

Nach einer Empfehlung der EU-Kommission vom Februar 2007 müssen die 27 Mitgliedsstaaten bis August ihre Märkte für Geräte auf Basis drahtloser UWB-Netzwerke öffnen. Damit folgt die Kommission einer Empfehlung des europäischen Radiospektrum-Komitees vom Dezember, die die UWB-Technik als marktreif einstufte.

Für die UWB-Technik muss in Europa ein neuer Frequenzbereich vergeben werden. In den USA ist UWB bereits umgesetzt und nutzt das gesamte Band von 3,1 bis 10,6 Gigahertz. Dies ist in Europa mit Schwierigkeiten verbunden, da dort 802.11a-WLANs im Frequenzbereich zwischen 5 und 6 GHz funken. Deshalb können in den USA bereits erhältliche Geräte nicht auf dem europäischen Markt vertrieben werden.

Die europäische Kommission möchte mit ihrer Entscheidung für eine Marktöffnung den UWB-Herstellern entgegenkommen, damit diese weltweit einsetzbare UWB-Geräte entwickeln können. Erste kommerzielle Produkte wie Kombinationen aus Digitalkamera und Drucker sowie Videoplayer und Flachbildfernseher für den schnellen drahtlosen Datenaustausch sollen auf der CeBIT in Hannover vorgestellt werden.

Staccato Communications, Tel. +1 858 8121000

*Billy Brackenridge ist Product System Architect bei Staccato Communications

(ID:201484)