Frequenzregulierung für CR und SDR28.05.10© IRT – Jan Outters/Roland Brugger Frequenzregulierung für Cognitive Radio und Software Defined Radio Studie

Frequenzregulierung für CR und SDR 28.05.10 © IRT – Jan Outters/Roland Brugger

Frequenzregulierung für Cognitive Radio und Software Defined Radio

Studie im Auftrag des BMWi

Präsentation im AK3, 28.5.2010

Jan Outters / Dr. Roland BruggerFrequenzmanagementGeschäftsfeld Programmverbreitung

Frequenzregulierung für SDR und CR 28. Mai 2010 © IRT – Outters/Brugger

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Überblick

1. Ziel der Studie

2. Grundlegende Aspekte zu SDR

3. Grundlegende Aspekte zu CR

4. Analyse spezieller Frequenzbereiche

5. Optionale Maßnahmen zur Förderung von SDR und CR

6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


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Überblick

1. Ziel der Studie





6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


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Ziel der Studie

Ausgangspunkt: TOP 1.19 (RES 956) der WRC-12Notwendigkeit regulatorischer Maßnahmen im Hinblick auf den Einsatz von CR- und SDR-Systemen?

Beantwortung der folgenden FragenSind Änderungen der VO Funk erforderlich?

Wenn nicht, sind andere Änderungen auf ITU-R Ebene vorzunehmen oder wären sie vorteilhaft?

Beschränkung von SDR und CR auf spezielle Frequenzbereiche ?

Pauschale Einschränkungen für SDR- und CR-Systeme?

Existieren physikalischer Einschränkungen für SDR- und CR-Systeme?

Studie soll zur Weiterentwicklung der deutschen Position beitragen

SDR & CRZiel der Studie


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Überblick

1. Ziel der Studie





6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


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Software Defined Radio - Definition (ITU-R SM.2152)

“A radio transmitter and/or receiver employing a technology

• that allows the RF operating parameters including, but not limited to, frequency range, modulation type, or output power

• to be set or altered by software,

• excluding changes to operating parameters which occur during the normal pre-installed and predetermined operation of a radio according to a system specification or standard”.

SDR & CRSoftware Defined Radio


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Software Defined Radio - Eigenschaften

RF-Einheit A/D-Wandler Digitale Signalverarbeitung

Antenne

Empfängt die elektro-

magne-tischen Wellen

Filtert, verstärkt,

(mischt auf niedrigere Frequenz)

Wandelt das analoge

Signal in ein digitales

Signal um

Signalverarbeitung: Dekodierung,

Kanalschätzung usw…

exemplarisch: Empfänger



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RF-Einheit AD-Wandler Digitale Signalverarbeitung

Antenne


Für kompakte Antennen-Abmessungen (z. B. Handgeräte):

- Frequenz-Resonanz-Technik - Bandbreite relativ gering (z. B. 70 MHz bei 1 GHz)- Antennenabmessung limitierender Faktor für die Bandbreite

Konkurrierende Effekte: Abmessungen des SDR-Geräts vs. Bandbreite


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Antenne


Wideband-Empfangs-/Sendevorstufen

- Leistungsaufnahme, Rauschzahl

Filter

-Bandbegrenzung, Preselector-Filter, Nichtlinearitäten

Konkurrierende Effekte: Gute Empfängerdynamik vs. Hohe Frequenzagilität


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Antenne


Kenngrößen des A/D-Wandlers:

- Spurious Free Dynamic Range- Signal to Noise Ratio

Erreichbare Bandbreiten:

- 500 MHz für Mobile/Handheld-Geräte

Konkurrierende Effekte: Bandbreite vs. Leistungsaufnahme


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Antenne


Einsatz von Prozessoren für die digitale Signalverarbeitung

- Multi Purpose CPU- Digitale Signalprozessoren (DSP)- Field Programmable Gate Arrays (FPGA)- SIMD-Array-Prozessoren

Konkurrierende Effekte: Rechenleistung (Flexibilität) vs. Leistungsaufnahme


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Vorteile von SDR

• Dynamische Anpassung der Luftschnittstelle (Flexible Signalwahl, Flexible Frequenzwahl)

• Aggregierung von Spektrum

• Störungsminderung zwischen den Funkanwendungen

• Verkürzte Entwicklungszyklen und geringere Risiken bei der Gerätentwicklung

• Nachträgliche Implementierung oder Fehlerbehebung besonderer Funktionalitäten

• Größere Stückzahlen



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Nachteile und mögliche Probleme bei SDR

• Höherer Leistungsverbrauch als Hardwareimplementierungen (allerdings relativiert durch Leistungsverbrauch des Displays)

• Höhere Kosten als ASICs (abhängig von der Größe des Absatzmarktes, Anzahl der Luftschnittstellen usw.)

• Mögliche Probleme bei der Rekonfigurierung der Luftschnittstelle



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Überblick

1. Ziel der Studie





6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


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Cognitive Radio - Definition (ITU-R SM.2152)

“A radio system employing technology that allows the system

• to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state;(Observe, Orient)

• to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives;(Plan, Decide, Act)

• and to learn from the results obtained. (Learn)

SDR & CRCognitive Radio


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Elemente von Cognitive Radio (J. Mitola)

aus: Mitola, J – Cognitive Radio Architecture Evolution, Proc. IEEE 97(2009)626 – Special Issue: Cognitive Radio, Part 1



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Hierarchische NutzungRessourcenteilung durch Anwendungen mit unterschiedlichem regulatorischen Status (Primär- bzw. Sekundärzuweisungen an einen oder unterschiedliche Dienste)

Nachrangige, CR-fähige Anwendung und vorrangige Anwendung (CR-fähig oder nicht)

Gleichberechtigte NutzungRessourcenteilung durch Anwendungen mit gleichem regulatorischen Status (beide primär oder sekundär).

Beide Anwendungen sind gleichrangig und müssen CR-fähig sein.

Hierarchische und Gleichberechtigte Nutzung



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Grundlegende Aspekte zu CR – Observe, Orient

Spektrumsschätzung (Sensing und Cooperative Sensing):

Das CR-Gerät erfasst das Frequenznutzungsumfeld. Im einfachsten Fall wird eine einfache Feldstärkepegelmessung durch das CR-Gerät durchgeführt. Geolokalisierung und Verwendung von zentralen Geodatenbanken (ohne Pilotkanäle):

Das CR-Gerät beschafft sich die Informationen zum Frequenznutzungsumfeld aus einer Datenbank, mit der es über eine nicht eigens für diesen Zweck geschaffene Infrastruktur Verbindung aufnimmt. Verwendung von Pilotkanälen - Cognitive Pilot Channels (CPC):

Informationsbeschaffung zum Frequenznutzungsumfeld über eine eigens zu diesem Zweck geschaffene Infrastruktur. Dabei können auch zentrale Datenbanken genutzt werden.



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Grundlegende Aspekte zu CR – Observe, Orient

Vorteile Nachteile

Spektrumsschätzungsehr günstig, da keine eigene Infrastruktur erforderlich

Eine ausreichende Interferenzvermeidung ist

technisch im Allgemeinen nicht möglich.

Geolokalisierung und Geodatenbank

keine eigene Infrastruktur vor Ort erforderlich

Eine eigene Datenbank-Infrastruktur ist erforderlich.

Die Datenbankaktualisierung auf dem Server und bei den Geräten

ist mit einer gewissen Verzögerungszeit verbunden.

Pilotkanal

Schnelligkeit im Bereich eines Mobilfunk-Zeitrahmens, kurzfristiges Ressourcen-Management ist möglich

Eine eigene Datenbank- und Netz-Infrastruktur ist

erforderlich, daher teuerste Variante.



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Grundlegende Aspekte zu CR – Plan, Decide, Act

ohne SDR

• Entscheidung Senden / Nicht Senden (Sendeleistung) (Beispiele: LBT u. DAA)

• Anpassung der Sendeleistung

• Dynamische Kanalwahl

mit SDR

• Dynamische Umschaltung der Luftschnittstelle• Durch die Anpassung an existierende Nutzungsschemata kann

die gesamte spektrale Effizienz erhöht werden

• “Spectral– temporal shaping”• Spektrale und temporale Form wird dem Nutzungsumfeld angepasst• Maximale Effizienz unter Einhaltung der Koexistenz-Randbedingungen

• Störungseliminierung (“Interferenzauslöschung”)



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Grundlegende Aspekte zu CR – Learn

• „Learn“ unterstellt eine umfassende Beobachtung der Spektrumsnutzung und eine entsprechend ausführliche Information über diese, die es dem CR-Gerät ermöglicht, das Frequenznutzungsverhalten anderer Nutzer im eigenen Modell zu berücksichtigen.

• Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind solche fortschrittlichen Techniken allerdings noch nicht ausgereift. Erst müssen Sensing, Geolokalisierung + Datenbank, und ggfs. ein Cognitive Pilot Channel ordentlich funktionieren.



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Vorteile von CR

• Eine effizientere Belegungskonstellation des Spektrums und eine effizientere Ausschöpfung der Spektrumsressource

• Eine bessere Interferenzminimierung

• Die Wahl des optimalen Übertragungsverfahrens unter Berücksichtigung der anderen Frequenznutzer

• Eine an existierende Nutzungsschemata der Anwendungen, die nicht CR einsetzen, angepasste Nutzung der spektralen Ressource

• Zusätzlich die Vorteile von SDR



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Nachteile von CR

• Großer Implementierungsaufwand

• Mögliche Probleme durch erhöhte Wahrscheinlichkeit der Behinderung von Anwendungen, die kein CR einsetzen, durch Blockierung von Ressourcen

Interferenzen (Risiko bei nicht einwandfreier Funktion)

• Evtl. starke Einschränkungen bei hierarchischer Nutzung durch bevorrechtigte Dienste oder Anwendungen (relativer Nachteil, wenn sonst gar keine Spektrumsressource zur Verfügung stände)



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Allgemeine Charakterisierung von SDR und CR

• Unter SDR- und CR-Systemen sind technische Geräteimplementierungen beliebiger Funkdienste zu verstehen, die CR- und SDR-Technik einsetzen.

• SDR und CR implizieren daher keine neue Dienstedefinition.

• Es ergibt sich auch keine Änderung der regulatorischen Eigenschaften des jeweiligen Funkdienstes oder der jeweiligen Anwendung.

• Ihrem allgemeinen Charakter nach macht der Einsatz von SDR- und CR-Technik keine Änderungen von Regularien notwendig.

• Dies gilt insbesondere für die VO Funk der ITU.

SDR & CRAllgemeine Charakterisierung


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Überblick

1. Ziel der Studie





6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


Seite 26

Analyse spezieller Frequenzbereiche

Untersuchte Fragen:

• Wie ist das Frequenznutzungsumfeld beschreibbar?

• Werden hier bereits SDR- und CR-Techniken eingesetzt und welcher Trend ist zu erwarten?

• Ist gleichberechtigte und/oder hierarchische Nutzung auf Basis von CR-Technik möglich bzw. sinnvoll?

• Sind Änderungen der VO Funk oder andere Änderungen der Regularien erforderlich oder vorteilhaft?

SDR & CRAnalyse spezieller Frequenzbereiche


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Analyse spezieller Frequenzbereiche

Untersuchte Frequenzbereiche

Im Detail:

Mobilfunk790 - 862 MHz880 – 915 / 925 - 960 MHz1920 – 1980 / 2110 - 2170 MHz2500 - 2690 MHz

Rundfunk470 - 790 MHz

Fester Funkdienst über Satelliten3400 - 4200 MHz

SDR & CRAnalyse spezieller Frequenzbereiche

Tabellarisch:

450 - 470 MHz960 - 1215 MHz1452 - 1492 MHz1710 - 1785 / 1805 - 1880 MHz1980 - 2010 MHz2025 - 2110 MHz2200 - 2290 MHz2320 - 2400 MHz2400 - 2483.5 MHz2700 - 2900 MHz4200 - 4400 MHz


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Ergebnis der Analyse – Software Defined Radio

SDR-Technik wird bereits bei einer Reihe von Anwendungen in den verschiedenen Frequenzbereichen eingesetzt.Beispiele: Rundfunkbereich, Radioastronomie, …

Es ist abzusehen, dass SDR-Technik in Zukunft bei vielen weiteren Anwendungen zum Einsatz kommen wird. Die Übergangszeiten werden von Anwendung zu Anwendung verschieden sein.

Bei all diesen Anwendungen handelt es sich um Implementierungen von Technik in Systeme, die vorhandenen Funkdiensten zugeordnet sind.

Eine Änderung des regulatorischen Rahmens der VO Funk ist daher für den Einsatz von SDR-Technik nicht erforderlich.

SDR & CRErgebnis der Analyse


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Cognitive Radio – Hierarchische Nutzung

SDR & CR Ergebnis der Analyse

Eine sinnvolle Kombination: eine nachrangige Anwendung nutzt unter Einsatz von kognitiven Techniken den Spektrumsbereich einer vorrangigen Anwendung

Hierarchische Nutzung:Hierarchische Nutzung:

Vorrangige AnwendungVorrangige Anwendung

Nachrangige AnwendungNachrangige Anwendung

CR-fähig oder nicht-CR-fähig

Etwaige CR-Fähigkeit wird für den„Innenbezug“ genutzt, nicht für den „Außenbezug“ auf die nachrangige Anwendung

CR-fähig oder nicht-CR-fähig

Etwaige CR-Fähigkeit wird für den„Innenbezug“ genutzt, nicht für den „Außenbezug“ auf die nachrangige Anwendung

notwendig CR-fähig

CR-Fähigkeit wird für „Innen-“ und „Außenbezug“ genutzt

notwendig CR-fähig


CR-Techniken:

Observe, Orient

Plan, Decide, Act

Learn

CR-Techniken:

Observe, Orient

Plan, Decide, Act

Learn

Mögliches Beispiel: PMSE-Anwendungen nutzen nachrangig den Bereich 470 – 790 MHz (vorrangig: Rundfunk)

Es gilt VO Funk Art. 4.4„Keine Interferenz –

Kein Schutz“

Sensing, Geolokalisierung und Datenbank, CPC


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Cognitive Radio – Gleichberechtigte Nutzung


Sinnvolle Kombinationen: Zwei gleichrangige Anwendungen nutzen unter Einsatz von kognitiven Techniken einen gemeinsamen Spektrumsbereich

Primär - PrimärSekundär - Sekundär

Gleichberechtigte Nutzung:Gleichberechtigte Nutzung:

Anwendung 2Anwendung 2Anwendung 1Anwendung 1

notwendig CR-fähigCR-Fähigkeit wird für „Innen-“ und „Außenbezug“ genutzt

notwendig CR-fähigCR-Fähigkeit wird für „Innen-“ und „Außenbezug“ genutzt

CR-Techniken:

Observe, Orient

Plan, Decide, Act

Learn

CR-Techniken:

Observe, Orient

Plan, Decide, Act

Learn

notwendig CR-fähig


notwendig CR-fähig


Mögliches Beispiel:Öffentlicher und Privater Mobilfunk nutzen gemeinsamen Spektrumsbereich unter Einsatz eines CPC

Es gelten die in der VO Funk für die jeweilige Anwendung festgelegten Schutzrechte

Sensing, Geolokalisierung und Datenbank, CPC


Seite 31

Cognitive Radio – Gleichberechtigte Nutzung


Weitere Kombination: Zwei nachrangige Anwendungen nutzen gleichberechtigt unter Einsatz von kognitiven Techniken den Spektrumsbereich einer vorrangigen Anwendung

Gleichberechtigte NutzungGleichberechtigte Nutzung

Nachrangige Anwendung 2Nachrangige Anwendung 2nachrangige Anwendung 1nachrangige Anwendung 1

CR-Techniken:

Observe, Orient

Plan, Decide, Act

Learn

CR-Techniken:

Observe, Orient

Plan, Decide, Act

Learnnotwendig CR-fähignotwendig CR-fähig

Vorrangige Anwendung Vorrangige Anwendung

notwendig CR-fähignotwendig CR-fähig

CR-fähig oder nicht-CR-fähigCR-fähig oder nicht-CR-fähig

Hierarchische NutzungHierarchische Nutzung Hierarchische NutzungHierarchische Nutzung


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Ergebnis der Analyse – Cognitive Radio

CR-Technik wird in einfacher Form (u.a. mit präkognitiven Techniken) bereits bei einigen Anwendungen eingesetzt.Beispiele: Mobilfunk, Short Range Devices, …

Es ist abzusehen, dass CR-Technik in Zukunft bei vielen weiteren Anwendungen zum Einsatz kommen wird.

Bei CR-Technik selbst handelt es sich ebenfalls um Implementierungen von Technik in Systeme, die vorhandenen Funkdiensten zugeordnet sind. Anders als bei SDR wird der Bezug auf eine andere Anwendung autonom nach gewissen Regeln organisiert.



Seite 33


Die Tauglichkeit der verschiedenen Dienste/Anwendungen für eine gleichberechtigte oder hierarchische Nutzung zusammen mit anderen Anwendungen ist unterschiedlich.

Es gibt Funkdienste, die nicht für eine gleichberechtigte Nutzung geeignet sind, da z.B.

- kein Einfluss auf die „Sendeeinrichtung“ genommen werden kann- die Funkverbindungen anderer Anwendungen nicht detektiert werden können- ihnen ein Rückkanal abgeht

Beispiele: Radioastronomiefunkdienst, Rundfunkdienst, Radaranwendungen

Sicherheitsrelevante Funkanwendungen sollten prinzipiell sowohl von gleichberechtigter als auch hierarchischer Nutzung ausgenommen werden.



Seite 34


Eine Änderung des regulatorischen Rahmens der VO Funk ist für den Einsatz von CR-Technik nicht erforderlich.

- Bei gleichberechtigter Nutzung ergeben sich die Regeln aus den bestehenden Verhältnissen der vorhandenen Funkdienste untereinander.- Bei hierarchischer Nutzung ergeben sich die Regeln aus dem bestehenden Prinzip „Kein Schutz – Keine Interferenz“.

Eine weltweite Harmonisierung der Parameter eines Cognitive Pilot Channels ist unter den gegenwärtigen Umständen aus technischen und ökonomischen Gründen nicht realistisch.Ein CPC wird sinnvollerweise in vorhandene Funknetz-Infrastruktur integriert. Regulative Maßnahmen auf Ebene der VO Funk sind auch für einen CPC nicht nötig.



Seite 35

Überblick

1. Ziele der Studie





6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


Seite 36

Optionale Maßnahmen zur Förderung von SDR und CR

ITU-Ebene

Erarbeitung von ITU-R-Empfehlungen, die den Einsatz und die Anwendung von SDR- und CR-Technik beschreibenden Schutz vorrangiger Dienste bei hierarchischer Nutzung beschreiben

ECC-Ebene

Ergänzung der ECC-Empfehlung zu Short Range Devices (Verweis auf Standard)

Erarbeitung einer ECC-Entscheidung zu Verhalten von CR-Geräten(Sendeleistungen, Aktualisierungszyklen, etc.)

Festlegung von Randbedingungen für Geodatenbanken

Nationale Ebene

Einrichtung von Geodatenbanken

Aufhebung der schmalbandigen Unterteilung des Bandes 450 – 470 MHz

SDR & CROptionale Maßnahmen


Seite 37

Überblick

1. Ziele der Studie





6. Zusammenfassung

SDR & CRÜberblick


Seite 38

SDR und CR erschließen grundsätzlich keine neuen Frequenzbereiche, ihr Einsatz führt aber zu höherer Spektrumseffizienz, die mit herkömmliche Technik nicht zu erreichen ist.

Der Einsatz von SDR- und CR-Technik macht keine Änderung der VO Funk erforderlich. Diese Techniken implizieren weder eine neue Dienstedefinition noch modifizieren sie das regulatorische Verhältnis bestehender Dienste zueinander. Zur Förderung von SDR und CR wären ITU-R-Empfehlungen vorteilhaft

• Sharing-Kriterien und CPC-Parameter

Optionale Änderungen der Regularien auf ECC-EbeneECC-Entscheidungen bzw. -Empfehlungen zu

• CR-Parameter• Geodatenbanken• Konkrete Anwendungen: Short Range Devices und PMSE

SDR & CR Zusammenfassung

Zusammenfassung

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Die Folien/Dokumente sind durch das Urheberrecht geschützt.Eine Vervielfältigung ist nur mit Genehmigung des Verfassers gestattet.Dieser Urheberrechtshinweis darf nicht entfernt werden.

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Jan Outters / Dr. Roland Brugger

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