Software zur Funkoptimierung: Funkbänder effizient nutzen

Der wesentliche Unterschied eines Software Defined Radio (SDR) im Vergleich zu herkömmlichen hardwarebasierten Funklösungen ist, dass Physical-Layer-Funktionen wie Filterung, (De-)­Modulation und (De-)Kodierung durch konfigurierbare Software realisiert werden. Ein idealer SDR-Transceiver besteht aus einer Antenne, Signalverstärkern, Umsetzern für die Wandlung zwischen analogen und digitalen Signalen sowie den Bauelementen für die digitale Signalverarbeitung (Bild 1). Mit SDR lassen sich Funklösungen realisieren, die in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten und durch Änderung der Software flexibel an neue oder geänderte Funkstandards oder Anforderungen einer Anwendung angepasst werden können. Zudem lassen sich moderne Antennentechnologien wie Multiple-Input, Multiple-Output (MIMO) oder Beamforming zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Funkübertragung optimal ausnutzen und kombinieren. Während bei MIMO die verschiedenen Ausbreitungswege zwischen Sender und Empfänger als redundante Übertragungskanäle genutzt werden, ermöglicht Beamforming die gezielte elektronische Anpassung der Sende- bzw. Empfangsrichtung der Antennen der Kommunikationspartner. Bisherige Einsatzfelder für Software Defined Radios Software Defined Radios sind heute in militärischen Kommunikationssystemen, in der Satellitenkommunikation und bei Mobilfunk-Basisstationen bereits Stand der Technik, werden aber auch in mobile kommerzielle Endgeräte verstärkt integriert. Allerdings behindern hier vor allem der hohe Platz- und Energiebedarf sowie die höheren Materialkosten gegenüber herkömmlichen Lösungen die ausschließliche Verwendung. Neben den teils ungeklärten Fragen zur internationalen Zertifizierung behindern diese Nachteile auch die kurzfristige Integration von SDR in Automatisierungsgeräte. In Zukunft werden hier deutliche Verbesserungen erwartet. Unterschiede gegenüber Cognitive Radio Ein Cognitive Radio (CR) beobachtet seine Umgebung, nimmt Veränderungen wahr und reagiert darauf entsprechend vorgegebener Ziele. Dabei können neben den Informationen aus dem Funkspektrum eine ganze Reihe weiterer Faktoren berücksichtigt werden, z.B. Anforderungen der Applikation oder Verhaltensmuster des Nutzers. CR ist nicht zwingend an SDR gebunden. Dennoch bietet diese Technologie die hohe Flexibilität für dessen Realisierung. Präkognitive Verfahren wie das adaptive Frequenzhopping bei Bluetooth sind heute Stand der Technik. An Algorithmen, Methoden sowie Geräte- und Systemarchitekturen für Cognitive Radio wird derzeit intensiv geforscht. Potenziale für industrielle Automatisierungsanwendungen Wie lassen sich die Vorteile der Technologien SDR und CR sinnvoll in indust­riellen Anlagen nutzen? Zukünftig wird es von großer Bedeutung sein, das begrenzt zur Verfügung stehende Funkspektrum effizienter als bisher auszunutzen, um so die Zahl parallel betreibbarer Funknetze und die Dichte der Funkgeräte deutlich erhöhen zu können (Bild 2). Mit den Technologien SDR und CR kann das heute durchgeführte manuelle datenbankgestützte Frequenzmanagement zu einem automatisierten Koexistenzmanagement weiterentwickelt werden, das zusätzlich zur Frequenz die Dimensionen Raum und Zeit für die Planung der Funkkommunikation nutzt. Zentraler oder dezentraler Ansatz für Koexistenz? Konzepte für das Koexistenzmanagement durch kognitive Funksysteme können sowohl einen zentralen als auch einen dezentralen Ansatz verfolgen. Während beim dezentralen Konzept davon ausgegangen wird, dass jedes Funkgerät eigenständig Entscheidungen zum Zugriff auf das Funkmedium trifft, sieht der zentrale Ansatz eine Managementeinheit vor, die diesen Zugriff für alle Funknetze und deren Geräte koordiniert. Beide Konzepte haben in Abhängigkeit von den Anforderungen der Anwendung ihre Daseinsberechtigung und auch Kombinationen sind denkbar. Zentraler Ansatz mit Cognitive Management Entity Bild 3 zeigt einen zentralen Ansatz, bei dem die Cognitive Management Entity (CME) aus der Sicht der Funknetze das Kernelement bildet. Die CME beinhaltet einen Cognitive Pilot Channel (CPC-) Manager, eine Cognitive Engine sowie eine Policy Engine. Die Policy Engine hat Zugriff auf eine Regulierungsdatenbank und übergibt die notwendigen Regulierungsvorschriften zusammen mit den Restriktionen des Anlagenbetreibers zur Frequenznutzung an die Cognitive Engine. Die Cognitive Engine ist mit dem industriellen Kommunikationssystem (Feldbus oder industrielles Ethernet) verbunden, um Konfigurationsdaten der Applikation und der Kommunikation zu sammeln. Dazu zählen insbesondere Applikations- und Kommunikationszyklen sowie Daten- und Paketlängen. Über dieses Kommunikationssystem werden Kenndaten und Fähigkeiten der einzelnen Basisstationen abgefragt. Das betrifft nicht ausschließlich Basisstationen, die über SDR/CR-Funktionalität verfügen. Auch bestehende Funksysteme müssen berücksichtigt werden. Der Austausch von Informations- und Konfigurationsdaten zwischen der CME und den SDR-fähigen Funkgeräten erfolgt über den CPC, der hierzu die Infrastruktur, Protokolle und Dienste bereitstellt. Der CPC-Manager kann über einen Outband-CPC, der in einem anderen Frequenzband als die Applikation arbeitet, bzw. einen Inband-CPC, der das gleiche Frequenzband wie die Nutzdatenübertragung verwendet, Informationen zur Belegung des Spekt­rums durch elektromagnetische Störer und andere Frequenznutzer von den SDR-Funkgeräten erfassen. Zusätzlich werden die Fähigkeiten der einzelnen Funkgeräte ermittelt und an die Cognitive Engine weitergeleitet. Diese verarbeitet die gesammelten Informationen und errechnet so die optimale Konfiguration für das gesamte heterogene Kommunikationssystem unter Berücksichtigung aller Funknetze im Umfeld der Anlage. Insbesondere können die Medienübergänge zwischen den verschiedenen drahtlosen und den drahtgebundenen Kommunikationssystemen in einer Anlage zeitlich optimiert werden, sodass ein deterministisches Zeitverhalten erreicht wird. Übertakten der Funkkommunikation vermeiden Ein an die zyklische drahtgebundene Kommunikation angepasstes Funksystem kann auch zu einer geringeren Auslastung des Spektrums beitragen, da das \’Übertakten\‘ der Funkkommunikation vermieden werden kann. Die einzelnen Basisstationen werden von der Cognitive Engine über den Feldbus oder das industrielle Ethernet konfiguriert. Die Konfiguration und Steuerung der Funkgeräte erfolgt über den CPC. Auch hier müssen die Möglichkeiten existierender Funksysteme berücksichtigt werden, deren Medienzugriff gesteuert werden kann. Mit diesem Konzept lässt sich das heute durchgeführte manuelle Koexistenzmanagement langfristig automatisieren. Im ersten Schritt kann dieser Ansatz aber auch dazu dienen, dieses Koexistenzmanagement zu unterstützen. Die ermittelten Informationen aus den Geräten sowie die Konfigurations- und Steuerdaten könnten in einer Datenbank gespeichert werden, so dass der Betreiber des Netzwerkes diese für seine Entscheidungen nutzen bzw. deren Auswirkungen validieren kann. Zusätzlich bieten sich für SDR und CR weitere Einsatzfelder an, beispielsweise zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Funkübertragung, zur Diagnose oder zum Test von Funksystemen. Nachteile von Software Defined Radio Hohe Bauteilkosten, der Platzbedarf und vor allem die hohe Energieaufnahme stehen einer breiten Nutzung von SDR in industriellen Funkgeräten heute noch im Wege. Diese Nachteile müssen erst durch einen funktionalen und wirtschaftlichen Gewinn für den Anwender aufgewogen werden. Am ehesten könnte das in naher Zukunft bei Speziallösungen für Safety-Anwendungen oder Funk-Diagnosesysteme gelingen. Auch bei der Entwicklung optimierter Funklösungen für die Automatisierungstechnik kann SDR zeitnah helfen. Nach diesen Speziallösungen könnte SDR, ähnlich wie im Mobilfunksektor, mittelfristig Einzug in die Basisstationen halten. Aber gerade die zunehmende Anzahl eingesetzter Funkkommunikationssysteme führt in Zukunft zu neuen Herausforderungen. Ein Koexistenzmanagement ist deshalb zwingend erforderlich, um den störungsarmen parallelen Betrieb der Funknetze zu gewährleisten. Adaptive oder kognitive Funksysteme können dabei helfen, das aufwendige manuelle Koexistenzmanagement zu unterstützen oder langfristig sogar überflüssig machen. Auf lange Sicht werden SDR und CR auch in industriellen Kommunikationssystemen eine breite Verwendung erfahren. Wann die Technik in Geräte wie Sensoren, Aktoren oder in Remote-I/O-Module integriert werden kann, hängt von der technologischen und preislichen Entwicklung der Hardwarekomponenten ab. Weiterführende Informationen bietet die Studie \’Software Defined Radio und Cognitive Radio in der industriellen Automation\‘, die bei der Deutschen Forschungsgesellschaft für Automation und Mikroelektronik (DFAM) bezogen werden kann.