Günter Hildebrandt, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Fraunhofer ESK in München: „Wenn wir zukünftig den Einsatz von Funknetzwerken noch steigern wollen, brauchen wir die Cognitive Radio Technologie“.

Herr Hildebrandt, aktuell scheint die Funktechnologie in einer Sackgasse, weil der Funkraum sich mehr und mehr füllt. Was tut CR dagegen?

Hildebrandt: Wenn man das zur Verfügung stehende Spektrum mit einer Autobahn gleichsetzt, könnte man sagen, aktuelle Funksysteme parken mitunter auf der linken Spur. Selten senden sie konstant, sondern legen mehr oder weniger lange Pausen beim Senden der Daten ein. Trotzdem blockiert das statische Spektrum-Management den Frequenzbereich dauerhaft.

Frequenz-Verschwendung, also?

Hildebrandt: So ist es – ja! Solche Sendepausen kann CR nutzen. Ein Funksystem nach den Prinzipien von CR wechselt die Spur. Es spürt bis dato ungenutzte Stellen im Funkspektrum auf und nutzt diese für die eigene Übertragung. Aktuell eingesetzte Techniken können das nicht. Sie erfordern daher eine aufwendige, manuelle Koexistenzanalyse in die Sendeleistung, Frequenzbereich und zeitliche Nutzung jedes Netzes und Senders einfließen. Diese Parameter sind dann nicht nur in der Planungsphase einer Anlage wichtig, sondern müssen auch im laufenden Betrieb ständig beobachtet und manuell angepasst werden. Hier hat CR den Vorteil, dass es alles automatisch regelt.

Sie sagen CR setzt sich in die Sendepausen konventioneller Systeme, wie funktioniert das?

Hildebrandt: Die Funktion, die das regelt nennen wir „Spectrum Sensing“. Damit detektiert das System die ungenutzten Frequenzbereiche. Zusätzlich führt das System eine Mustererkennung aus und sagt so die Sendezeitpunkte der Standardsysteme voraus. Kollisionen mit den bisherigen Nutzern des Frequenzbereichs werden so vermieden.

Und wenn zwei CR-System aufeinandertreffen?

Hildebrandt: Kommunizieren Sie über einen Signalisierungskanal miteinander. Diese Funktion nennen wir „Spectrum Sharing“, sie ermöglicht eine Koordination zwischen mehreren CR-Systemen. Spectrum Sharing stellt faire Verfahren für einen kollisionsfreien und gleichberechtigten Mehrfachzugriff auf das Spektrum bereit.

Das klingt gut, wann kann ich CR-Funkkomponten kaufen?

Hildebrandt: Leider wird das noch einige Jahre dauern. CR befindet sich an der Schwelle zur angewandten Forschung. Es gilt noch einige Herausforderungen zu lösen, bevor die Theorien praxistauglich sind. Die Integration der verschiedenen kognitiven Fähigkeiten in ein Komplettsystem ist noch nicht weit genug geklärt, um eine Umsetzung zu ermöglichen. Einzelne Verfahren jedoch könnten bereits jetzt Kommunikationssysteme bereichern – beispielsweise die Belegungsvorhersage für effizientere Kanalzugriffsverfahren.

Sie sprachen von Herausforderungen, was ist noch zu tun?

Hildebrandt: Noch sind Interferenzen möglich, weil ein CR-System einen Frequenzbereich fälschlich als frei detektiert. Auch die Komplexität der notwendigen Techniken wie Detektion und Lernverfahren treiben den Energieverbrauch und die Hardwarekosten in die Höhe. Ebenso lässt sich aus meiner Sicht der feste Informationskanal, den CR noch wie jedes andere Kommunikationssystem benötigt, nur schwer mit den adaptiven Eigenschaften vereinbaren.

Wenn diese Probleme nicht gelöst werden …

Hildebrandt: Wenn sich der Trend, Daten per Funk zu übertragen, fortsetzen soll, benötigen wir CR-fähige Systeme.

Wie darf sich der Anwender CR vorstellen? – Hardware, Software oder Algorithmus?

Hildebrandt: Auf die unterste Ebene heruntergebrochen besteht CR aus Algorithmen, die sowohl Sender als auch Empfänger beherrschen müssen. Bei der Umsetzung setzen wir wegen der hohen Flexibilität vorwiegend auf die „Software Defined Radios“ als Transceiver. Also bestimmt letztlich Software die Sende- und Empfangseigenschaften. Sämtliche Funktionen der physikalischen Schicht wie Modulation und Kanalcodierung sind in diesem Konzept rekonfigurierbar.

Was zeigen Sie zu CR auf der SPS/IPC/Drives?

Hildebrandt: Als Ausschnitt der Funktionen zeigen wir eine Live-Spektrum-Messung. Durch die vielen auf den Messeständen eingesetzten Funksysteme rechnen wir bei hoher Gesamt-Auslastung mit einer schlechten zeitlichen Auslastung des Spektrums. Genau das ist die Motivation für CR und was auch in den Fabrikhallen häufiger auftritt. Das Ganze zeigen wir erstmals komplett in Software Defined Radio implementiert, eine wichtige Voraussetzung für die weitere Umsetzung.