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Forschungsgebiete

Software Defined Radio und Cognitive Radio

Die Vision eines Software Radios besteht darin, die kommunikationsspezifische Signalverarbeitung eines Funksystems – wie etwa Modulation, Kanalcodierung oder Kanalentzerrung – so weit wie möglich in Software durchzuführen. In einem idealen Software Radio wird die spezifische Hardware durch einen General Purpose Prozessor in Verbindung mit A/D- und D/A-Wandlern ersetzt. Da die Signalverarbeitung somit nur noch in Form von Algorithmen auf dem GPP erfolgt, entsteht ein Funkgerät, das eine sehr flexible Verwendung erlaubt.

Das Institut für Nachrichtentechnik (CEL) ist seit 1996 in vielfältige SDR-Projekte involviert. Aufbauend auf dieser Erfahrung verfolgt das CEL die Entwicklung von Software Radios hin zu Cognitive Radios. Cognitive Radios stellen eine Erweiterung der Software Radios dar. Bei Cognitive Radios handelt sich um  lernende und intelligente Software Radios, die in der Lage sind, ihre spektrale Umgebung zu beobachten und sich somit an aktuelle Gegebenheiten – wie etwa sich verändernde Kanaleigenschaften oder lokal verfügbare Funkstandards – anzupassen.

Durch die umfangreiche Soft- und Hardwareausstattung des CEL ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Forschung im Bereich Software und Cognitive Radio. Modelle und Algorithmen können durch Simulationen untersucht werden. Hierbei stehen umfangreiche Bibliotheken zur Beschreibung von Übertragungssystemen zur Verfügung. Zusätzlich erlaubt die vorhandene Hardware – unter anderem Lyrtechs Small Form Factor SDR Boards und Universal Software Radio Peripheral (USRP) Boards von Ettus Research – das Testen der Algorithmen, indem diese in experimentellen Aufbauten realisiert werden.

Effizienter Spektrumszugriff

Bedingt durch den zunehmenden Bedarf an mobiler Kommunikation rückt die effiziente Nutzung des vorhandenen Spektrums mehr und mehr in den Blickpunkt des Interesses. Die gegenwärtige feste Zuweisung von Funkspektrum durch gesetzgebende Organe führt dazu, dass das Datenaufkommen in bestimmten Frequenzbereichen an die Grenzen des Möglichen stößt, was Nutzer als lange Wartezeit oder geringe Verbindungsgeschwindigkeit erfahren. Eine verbesserte Effizienz der Spektrumsnutzung stellt somit einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung zukünftiger Funksysteme und Funktechniken dar.

Eine mögliche Lösung zur dynamischen Vergabe von Frequenzen besteht im sogenannten Spectrum Pooling. Beim Spectrum Pooling erfolgt auf bereits vergebenen Frequenzen eine Zweitnutzung durch ein Overlaysystem. Nach wie vor besitzt das ursprünglich lizenzierte System (Primärnutzer) höchste Priorität und darf durch die Zweitnutzung (Sekundärnutzer) nicht über Gebühr gestört werden. Dies zieht eine Reihe von Forderungen an ein Sekundärsystem nach sich. Unter anderem darf ein Sekundärsystem nur Frequenzbereiche verwenden, in denen sich aktuell kein Primärnutzer befindet. Somit muss ein Sekundärsystem in der Lage sein, die Präsenz des Primärnutzers zuverlässig zu erkennen, was eine Beobachtung des Spektrums und ein Lernen aus Vergangenem erfordert. Hier ergeben sich direkte Anknüpfungspunkte zu den Forschungsarbeiten im Bereich Cognitive Radio.

Neben der dynamischen Nutzung des Spektrums auf Nutzerebene durch Sekundärsysteme besteht eine weitere Möglichkeit zur Effizienzsteigerung in der dynamischen Balancierung der Ressourcen zwischen Operatoren. Mittels eines Handels zwischen Operatoren können asymmetrische Lastzustände ausglichen und somit der Gewinn beider Operatoren vergrößert werden.

Die beiden bisher genannten Methoden zur Effizienzsteigerung operieren auf der Medienzugriffsebene (MAC-Layer), indem sie zu einer besseren Auslastung der Ressourcen führen. Die Effizienz der Frequenzausnutzung kann auch auf physikalischer Ebene verbessert werden. Hier setzen Relay-Systeme an. Durch kooperatives Verhalten zwischen den Nutzern wird hierbei die Verbindung einzelner Nutzer deutlich verbessert, indem eine räumliche Diversität erzielt wird.

Ultra-breitbandige Übertragung

Eine Funktechnologie wird als ultra-breitbandig bezeichnet, falls das Verhältnis von Bandbreite zu Trägerfrequenz größer als 20% ist oder falls die absolute Bandbreite mindestens 500 MHz beträgt. Vielversprechende Vorteile der ultra-breitbandigen Übertragung sind Transceiver mit hohen Datenraten, mit geringer Komplexität und geringem Leistungsbedarf und mit Lokalisierungs- bzw. Radarfähigkeit. Zudem ermöglicht ultra-breitbandige Übertragung die Sekundärnutzung bereits belegter Spektralbereiche und führt somit zu einer verbesserten Effizienz der Spektrumsausnutzung. In den Projekten des CEL sind impulsbasierte ultra-breitbandige Systeme im Fokus des Interesses. Bearbeitete Fragestellungen beziehen sich auf die Interferenzanalyse, die Interferenzunterdrückung und Transceiverkonzepte geringer Komplexität.

Optische Sensoren

Industrielle Sensoren wie photoelektrische Schalter werden in der Fabrikautomation und der Logistik  häufig eingesetzt. Das Umfeld, in dem diese Schalter eingesetzt werden, führt dazu, dass die Sensoren starken optischen und elektrischen Störungen ausgesetzt sind. In Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie werden neue Algorithmen zur Signalgenerierung, Signaldetektion und Signalanalyse untersucht. Die Kombination von Methoden der digitalen Signalverarbeitung und der Kommunikationstechnik bildet den Ausgangspunkt für neue Verfahren zur Realisierung robuster und intelligenter optischer Sensoren. Die gefundenen Algorithmen werden mittels einer real-time DSP-basierten Plattform verifiziert, bevor in einem Laborsystem ein Proof-of-Concept erfolgt.

Forschungsprojekte

Aufbauend auf der Expertise im Bereich Spectrum Pooling aus dem Projekt HYEFF wurde das CEL Mitglied des E2R Konsortiums, das sich mit der Ende-zu-Ende Rekonfigurierbarkeit von Kommunikationsterminals beschäftigt hat. In Fortsetzung der Arbeiten in dem BMBF-Projekt MiniWatt trat das CEL dem Konsortium PULSERS (Pervasive Ultra-wideband Low Spectral Energy Radio Systems) bei. E2R and PULSERS sind integrierte Projekte des 6. Forschungsrahmenprogramms der Europäischen Union. Im aktuell laufenden siebten Rahmenprogramm ist das CEL Mitglied des Projektes Wireless Interoperability for Security (WINTSEC).

Darüber hinaus war das CEL an den DFG-finanzierten Schwerpunktprogrammen TakeOFDM und UKoLoS beteiligt, die sich mit Overlaysystemen bzw. ultra-breitbandiger Kommunikation befassen, und arbeitet gegenwärtig an dem Projekt OFDM-basierte Overlaysysteme (OOS). Weitere wissenschaftliche Untersuchungen, beispielsweise zu Software Radio, Cognitive Radio, dynamischem Spektrumszugriff, Satellitenkommunikation, digitaler Signalverarbeitung und Funksignalanalyse erfolgen in Zusammenarbeit mit Behörden oder industriellen Partnern.