Vergeudung der Ressource "Spektrum"

Spektral entkoppelte Systeme im 2,4-GHz-ISM-Band.

© Fraunhofer ESK

In der Praxis wird die Koexistenz vor allem durch die Alleinzuweisung eines Frequenzbereichs für ein System sichergestellt. Denn für eine zeitliche Entkopplung, das heißt für die Vermeidung eines gleichzeitigen Betriebs der Systeme, wäre eine zentrale Kontrollinstanz notwendig. Und eine räumliche Entkopplung, bei der sichergestellt ist, dass die Systeme weit genug voneinander entfernt sind, ist ebenfalls schwierig herzustellen. Nicht zuletzt bedeutet ein solches statisches Spektrum-Management beziehungsweise die konservative Alleinzuweisung auch eine Vergeudung der bereits heute schon knappen Ressource „Spektrum".

Das obere Bild zeigt zwei 802.15.4-Systeme, ein WLAN und eine Mikrowelle, die parallel arbeitend fast das gesamte Spektrum aufbrauchen. An diesem Beispiel wird die Vergeudung der Ressource Spektrum offensichtlich, denn gerade die 802.15.4-Systeme senden nur sporadisch.

Für Europa definierte WLAN-Kanäle; blau hervorgehoben: die in der „Forschungsfabrik“ genutzten Kanäle.

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Die Messung des Spektrums von Systemen mit statischem Spektrum-Management im 2,4-GHz-ISM-Band verdeutlicht, dass das Funkspektrum keineswegs optimal ausgenutzt wird, sondern große zeitlich ungenutzte Lücken in der Nutzung bestehen. Tatsächlich greifen nämlich nicht alle Nutzer ununterbrochen, sondern jeweils nur zeitweise auf das Funkspektrum zu. Wegen des bisher üblichen statischen Spektrum- Managements blockieren sie den jeweiligen Frequenzbereich jedoch auch dann, wenn sich ihr System im Schlafmodus befindet und sie nicht kommunizieren.

Was passiert, wenn Koexistenz durch spektrale Kopplung sichergestellt wird, indem sich beispielsweise die genutzten WLAN-Kanäle nicht überlappen, zeigen die Ergebnisse der Messung in einer „Forschungsfabrik" wie sie in der Tabelle auf Seite 50 beziehungsweise im unteren Bild dargestellt sind: Das verfügbare Spektrum ist fast vollständig belegt; lediglich zwischen Kanal 6 und 13 ist Raum für ein weiteres schmalbandiges System. Aufgrund der Frequenzknappheit in diesem Betrieb ist also kein weiteres koexistierendes, breitbandiges System im 2,4-GHz-Band nutzbar.

Mehr Effizienz durch Cognitive Radio

Die geschilderte Vergeudung des Spektrums ist angesichts des bereits jetzt vorhandenen Mangels an verfügbaren Frequenzen alarmierend. Zudem verschärft die regelrechte Explosion neuer drahtloser Anwendungen das Problem. Mit anderen Worten: Soll im selben Frequenzband zusätzlich gefunkt werden, müssen künftig die zeitlichen Lücken in der Übertragung konsequent genutzt werden. Ein System, das dem Rechnung trägt, müsste die Auslastung des Funkspektrums kontinuierlich analysieren und auftretende Nutzungslücken für seine eigene Kommunikation heranziehen.

Das bedeutet, dass das System dynamisch auf das Spektrum zugreift (Dynamic Spectrum Access, DSA). Die Forschung kennt dies als „Cognitive Radio". Das hierfür notwendige kooperative Verhalten wird durch den empfangs- und sendeseitigen Einsatz kognitiver Fähigkeiten erreicht. Vier grundlegende Funktionen kennzeichnen ein jedes Cognitive-Radio-System:

Spectrum Sensing

Das Detektieren ungenutzter Frequenzbereiche (Spectrum Sensing) ist die Kernfunktionalität, welche eine Anpassung an die wechselnden Umgebungsbedingungen erst ermöglicht. Ein genaues Spectrum Sensing stellt sicher, dass keine Interferenzen mit den bisherigen Nutzern des Spektrums auftreten.

Ungenutzte Frequenzbereiche - auch Spectrum Holes oder White Spaces genannt - treten dabei mit bis zu vier verschiedenen Freiheitsgraden auf: Neben Zeit- und Frequenzlücken gibt es durch Signaldämpfung beziehungsweise Abschattung hervorgerufene räumliche White Spaces sowie ungenutzte Codes in CDMA-Systemen (Code Division Multiple Access). Eine Schwierigkeit stellen dabei falsch positive White-Space-Entscheidungen dar, die zu dem so genannten Hidden-Terminal-Problem führen, bei dem ein Frequenzbereich fälschlicherweise als ungenutzt detektiert wird, obwohl eine Funkverbindung anderer Nutzer besteht.

Spectrum Management

Die mit der Spectrum-Sensing-Technik entdeckten Frequenzlücken weisen unterschiedliche Charakteristika auf - sowohl bezüglich der über die Zeit variierenden Funkumgebung, als auch hinsichtlich der Informationen zum Frequenzband (nutzbare Frequenzen/Bandbreiten). Folglich muss das Cognitive-Radio-System entscheiden, welcher Frequenzbereich genutzt werden soll.

Dabei sind einerseits die Quality-of-Service-Anforderungen (QoS) einzuhalten, andererseits muss eine Beeinfl ussung anderer Funksysteme ausgeschlossen sein. Beim Spectrum Management geht es also vor allem um die Bewertung der gefundenen Frequenzlücken und die anschließende Auswahl des optimalen Frequenzbereiches.

Spectrum Mobility

Beim Wechsel zu einem besseren Frequenzbereich muss eine nahtlose Kommunikation ohne Datenverlust und zusätzlichem Delay sichergestellt sein. Spectrum Mobility umfasst Verfahren, die es ermöglichen, dass die Verbindung trotz Veränderungen (zum Beispiel Frequenzwechsel) nicht abbricht. Wenn ein Cognitive-Radio-System die Kanaleigenschaften nicht für den vorgesehenen Zweck geeignet hält oder der primäre Nutzer den Zugang zum Kanal benötigt, ist also Spectrum Mobility erforderlich.

Spectrum Sharing

Bei einer gemeinsamen Nutzung des Spektrums (Spectrum Sharing) ist eine Koordination zwischen den bestehenden Nutzern entscheidend. Das Spectrum Sharing stellt hierfür „faire" Verfahren für einen kollisionsfreien und gleichberechtigten Mehrfachzugriff auf das Spektrum bereit. Mit anderen Worten: Spectrum Sharing ist eine Art der Medienzugriffssteuerung für die beteiligten Funksysteme und ermöglicht somit durch die Koordination zwischen Cognitive-Radio-Systemen deren Koexistenz in einer Umgebung.

Kognitive Funktionalitäten für Alltagstauglichkeit

Cognitive Radio nutzt die entstehenden Lücken für seine eigene Kommunikation, ohne dabei die anderen Systeme zu stören.

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Verbunden mit einem kognitiven Prozess schaffen diese Grundfunktionen ein System, das sich seiner Umgebung bewusst ist, für die Zukunft plant, eine Entscheidung fällt und entsprechend handelt. Zudem besitzt ein kognitives System die Fähigkeit, zu lernen und sich zu erinnern. Derzeit befindet sich Cognitive Radio an der Schwelle von der Grundlagenforschung zur angewandten Forschung.

Die Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommuniationstechnik (ESK) forscht aktuell an neuen Methoden des Cognitive Radio, um die Auslastung der verfügbaren Frequenzen bei industriellen Anwendungen zu optimieren, selbst wenn sich die Auslastung der zur Verfügung stehenden Frequenzbereiche stetig ändert. Um Cognitive Radio alltagstauglich zu machen, arbeitet das Fraunhofer ESK an der Implementierung von verschiedenen kognitiven Funktionalitäten in einem System. Zudem reduzieren die Wissenschaftler die Komplexität: Cognitive Radio ist aufgrund der notwendigen Adaptivität und hochgradigen Rekonfigurierbarkeit rein in Software beschrieben und benötigt Software Defined Radios.

Allerdings sind die kognitiven Funktionalitäten wie auch die rein digitale Signalverarbeitung noch zu komplex für eingebettete Systeme. Sind diese Probleme gelöst, können Komponentenhersteller die Algorithmen in ihre Sender und Empfänger integrieren. Die Cognitive-Radio-Systeme koexistieren dann problemlos mit bereits eingesetzten Standard-Funksystemen.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Das Cognitive-Radio-Konzept erlaubt durch die dynamische Anpassung der Sende- und Empfangsparameter eine effizientere Nutzung des Funkspektrums, ohne dass Interferenzen zwischen den beteiligten Nutzern auftreten. Weiterhin stellen Cognitive-Radio-Systeme automatisch Koexistenz her, womit in Zukunft das im Moment noch notwendige und sehr aufwendige manuelle Koexistenzmanagement ersetzt werden kann.

Weitere Details zum Cognitive-Radio-Konzept finden sich in der aktuellen Studie „Funktechnologien für die Industrie" des Fraunhofer ESK, die unter http://www.esk.fraunhofer.de/de/publikationen/funktechnologie.html bestellt werden kann.

Autor: Günter Hildebrandt ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ESK.