messtechnik & emv - EuE24.net

M E S S T E C H N I K & E M V
Abbildung 1: Vergleich der UWB-Ausbreitung (oben,
3,1 bis 10,6 GHz) mit der WLAN-Ausbreitung (unten,
5,2 GHz, 20 MHz Bandbreite) in einem Büroraum
bei gleicher Sendeleistung und omni-direktionalen
Antennen.
belegt das Spektrum von 3,1 bis 10,6 GHz und ist durch die USamerikanische
Federal Communications Commission (FCC)
seit Februar 2002 zur lizenzfreien Nutzung freigegeben. Seitdem
erfahren UWB-Systeme einen enormen Entwicklungsschub.
Alternative Ultrabreitband
UWB verspricht eine hochratige Nahbereichskommunikation
als auch die Möglichkeit zur Objektpositionierung – dank
der sehr feinen zeitlichen Auflösung von Signalen. In der zweiten
Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde sie ausschließlich in
hochspeziellen Anwendungen wie Radarsystemen eingesetzt.
Die Forschungsarbeiten in der vergangenen Dekade haben zudem
gezeigt, dass für UWB der störende schnelle örtliche bzw.
zeitliche Schwund nicht existiert. In Abbildung 1 ist dies durch
den Vergleich zwischen WLAN und UWB gezeigt. Für ein
WLAN-System ist der Schwund (Fading) deutlich sichtbar. In
komplexen Umgebungen mit starken Reflexionen von Maschinen,
Fahrzeugen, Blechen usw. sind die Einbrüche nochmals
stärker ausgeprägt. Die Ursache dafür ist die schmalbandige
Ausbreitung und die damit verbundene regelmäßige Überlagerung
gegenphasiger Signale bei WLAN-Signalen. Heute kann
dieser Effekt nur mit mehrkanaligen, sehr aufwändigen Empfangssystemen
kompensiert werden. UWB bietet dank der hohen
Bandbreite daher gerade in Fertigungsumgebungen eine
sehr attraktive Alternative. Je nach Regulierung kann eine
Bandbreite zwischen 2,5 bis 7,5 GHz verwendet werden. Durch
die von der FCC vorgegebene Leistungslimitierung ist der typische
Anwendungsradius derartiger Systeme auf Entfernungen
in der Größenordnung von 10 bis 30 Metern begrenzt.
Gleichzeitig ist dadurch die auftretende spektrale Leitungsdichte
so gering, dass bereits bestehende schmalbandige Funksysteme
durch die eingesetzten Puls-Signale nicht gestört werden
können, was Abbildung 2 belegt.
Wie zuvor bemerkt: die alleinige Positionsbestimmung von
mobilen Einheiten (ME) anhand gemessener Leistungswerte
ist nicht sinnvoll. UWB kann dank kurzer Pulse von nur wenigen
hundert Pikosekunden Länge eine hohe Zeitauflösung bieten,
und es lassen sich wesentlich mehr Information aus den
Laufzeitmessungen gewinnen [2]. Um den Vorteil von UWB
zu nutzen, ist eine Infrastruktur nötig, die sich aus mehreren,
in der Zielumgebung fest installierten, räumlich verteilten Basisstationen
(BS) zusammensetzt, und durch ein Leitrechner
kontrolliert werden. Nun sind drei Messmethoden denkbar:
1) Bestimmung der absoluten Signalankunftszeit (TOA, time
of arrival): Hier werden, ähnlich wie in einem GPS-Navigationssystem,
die absoluten Signallaufzeiten zwischen der
ME und allen BS gemessen, die wiederum zur ME-BS-Entfernung
proportional sind. Diese Distanzen lassen sich als
Radien von Kugel interpretieren, deren Mittelpunkte die
BS sind – der Schnittpunkt aller Kugeln gibt die Position
2 6 8 E & E - K o m p e n d i u m 2 0 13