Frequenzregulierung für Software Defined Radio und Cognitive Radio

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1 Frequenzregulierung für Software Defined Radio und Cognitive Radio

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3 Frequenzregulierung für Software Defined Radio und Cognitive Radio Abschlussbericht 28 Mai 2010

4 Mitwirkende bei der Erstellung: Dr. Roland Brugger Reinhard Gorol Jan Outters Alexander Schertz Das hier vorliegende Dokument wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie erstellt. Version: 1.0, Urheberrechtsvermerk Dieses Dokument und alle Inhalte sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. Sofern nicht anders vereinbart, darf die Vervielfältigung, Übersetzung, Verteilung, Mikroverfilmung, Übertragung, Darstellung, Veröffentlichung sowie Einspeicherung in und/oder Verarbeitung auf elektronischen Systemen nur mit vorheriger schriftlicher Erlaubnis des Instituts für Rundfunktechnik erfolgen. Urheberrecht, Warenzeichen oder andere Hinweise dürfen weder verändert noch entfernt werden. II 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH.

5 Inhaltsverzeichnis Executive Summary (Deutsch)...1 Executive Summary (English) Einführung Definition von Cognitive Radio und Software Defined Radio Allgemeine und frequenzunabhängige Aspekte zu Software Defined Radio und Cognitive Radio Software Defined Radio Grundlagen Typen von Software Defined Radio Kenngrößen von Software Defined Radio und ihre technischen Einschränkungen Vorteile von Software Defined Radio Mögliche Probleme bei Software Defined Radio Dienste, die Software Defined Radio nutzen Cognitive Radio Grundlagen Elemente der Beobachtung und Orientierung Elemente von Planen und Lernen Vorteile von Cognitive Radio Mögliche Probleme und weitere zu berücksichtigende Aspekte bei Cognitive Radio Dienste, die Cognitive Radio nutzen Analyse spezieller Frequenzbereiche Beschreibung der Methodik Frequenzbereiche, die dem Mobilfunkdienst zugewiesen sind / MHz MHz / MHz MHz Frequenzbereiche, die dem Rundfunkdienst zugewiesen sind MHz Frequenzbereiche, die dem Festen Funkdienst über Satelliten zugewiesen sind MHz Weitere Frequenzbereiche Analyse der Vorteile und Nachteile eventueller regulatorischer Anpassungen Technische Schlussfolgerungen aus der Analyse spezieller Frequenzbereiche Mobilfunkdienst Institut für Rundfunktechnik GmbH. III

6 5.1.2 Rundfunkdienst Fester Funkdienst über Satelliten Radioastronomiefunkdienst und andere passive Dienste Flugnavigationsfunkdienst Änderung der VO Funk für Software Defined Radio Änderung der VO Funk für Cognitive Radio Änderung der VO Funk für Cognitive Pilot Channels Optionale Änderungen der Regularien zur Förderung von Cognitive Radio Schlussfolgerungen...93 Anhänge Anhang 1 Beispiele für Geräte, die auf Software Defined Radio basieren...96 Anhang 2 Mögliche Gefährdungen bei der Rekonfigurierung der Luftschnittstelle...98 Anhang 3 Anhang 4 Beispiele für präkognitive Systeme Beispielhafte Ableitung technischer Randbedingungen für den Einsatz von Cognitive Radio-Technik in hierarchischen Nutzung Anhang 5 Techniken der Interferenzminimierung Anhang 6 Erläuterung der technischen Einschränkungen für Cognitive Radio Literaturverzeichnis Liste der Abkürzungen IV 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH.

7 Zusammenfassung Cognitive Radio (CR) und Software Defined Radio (SDR) sind derzeit intensiv diskutierte Themen, da der Einsatz dieser Technologien eine größere Flexibilität der Frequenznutzung und eine effizientere (teilweise automatisierte) Verwaltung der spektralen Ressourcen erlaubt. Ein CR-System (CRS) wird von der ITU-R 1 wie folgt definiert: A radio system employing technology that allows the system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from the results obtained. Insbesondere nutzt ein CR-System Informationen zur Spektrumsbelegung (z. B. Frequenznutzungen), um seine Sendeparameter (Frequenz, Sendeleistung usw.) anzupassen. Für den Einsatz von CR-Technik sind grundsätzlich zwei Fälle der Koexistenz verschiedener Dienste in einem Frequenzband zu unterscheiden: - Hierarchische Nutzung: Ressourcenteilung durch Anwendungen mit unterschiedlichem regulatorischen Status (Primär- bzw. Sekundärzuweisungen an einen oder unterschiedliche Dienste). Z. B. könnten PMSE-Anwendungen (Programme Making and Special Events) CR-Technik nutzen, um eine andere Anwendung, die in einem Band bereits agiert (dies könnte z. B. ein Rundfunkdienst sein), nicht zu stören. - Gleichberechtigte Nutzung: Ressourcenteilung durch Anwendungen mit gleichem (beide primär oder sekundär) regulatorischen Status. In diesem Fall bietet es sich an, dass beide Dienste CR-Technik nutzen. Für Software Defined Radio (SDR) gibt die ITU-R 1 folgende Definition an: 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. Im Idealfall wird die gesamte Signalverarbeitung mit Software realisiert, so dass alle Parameter während des Betriebes beliebig geändert werden können. Unter CR- und SDR-Systemen sind also technische Geräteimplementierungen beliebiger Funkdienste zu verstehen, die CR- und SDR-Technik einsetzen. 1 Report ITU-R SM.2152 Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS) 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH. 1

8 Durch SDR ergeben sich für CR ganz wesentliche Vorteile, denn je flexibler die Sendeparameter sind - eine logische Konsequenz aus SDR -, desto größer sind die potenziellen Anpassungsmöglichkeiten in einem bestimmten Umfeld. Es ist also zu erwarten und wird häufig auch als notwendig angesehen, dass CR-Techniken immer auf SDR zurückgreifen werden. Die Frage, ob die Nutzung von CR- und SDR-Systemen Änderungen der VO Funk 2 der ITU erfordert, steht auf der Tagesordnung der Weltfunkkonferenz im Jahr Dem Tagesordnungspunkt liegt die Erkenntnis zugrunde, dass CR- und SDR-Systeme erweiterte und eventuell zusätzliche Nutzungen in bereits genutzten Frequenzbereichen ermöglichen und damit eine bessere Effizienz erzielt werden kann. Andererseits muss sichergestellt werden, dass es nicht zu inakzeptablen gegenseitigen Störungen verschiedener Dienste kommt. Um die Frage zu beantworten, sind zunächst frequenzbandunabhängige Aspekte von CR und SDR zu betrachten. SDR wird schon heute zunehmend genutzt, z. B. für Mobilfunkdienste. Aus der flexiblen Signal- und Frequenzwahl, einer flexiblen Störungsunterdrückung und der Möglichkeit, Spektrum aus unterschiedlichen Bereichen je nach Verfügbarkeit zu aggregieren, ergeben sich viele Vorteile für SDR hinsichtlich Koexistenz und Effizienz. Außerdem sinken die Kosten der Geräteentwicklung und -herstellung erheblich, wenn für Änderungen nur noch Softwareanpassungen erforderlich sind und größere Stückzahlen derselben Hardware produziert werden können. Die Entwicklungszyklen vor der Markteinführung werden kürzer und die Risiken der Geräteentwicklung geringer. Den Nutzungsmöglichkeiten von SDR sind technische Grenzen gesetzt. Große Bandbreite und hohe Flexibilität der Signale führen wegen den notwendigen Baugruppen (z. B. A/D- Wandlern) zu einer hohen Leistungsaufnahme. Für tragbare Geräte ist heute eine Bandbreite von 500 MHz realistisch. Es ist zu erwarten, dass SDR zu vertretbaren Preisen nur für bestimmte Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von einigen hundert MHz (oder für eine bestimmte Gruppe von Frequenzbereichen von entsprechender Gesamtbandbreite) optimiert sind. Für die Zukunft sind durch den technischen Fortschritt größere Bandbreiten zu erwarten. CR im vollen Umfang der eingangs gegebenen Definition kommt heute noch nicht zum Einsatz. Für Short Range Devices (z. B. W-LAN) werden allerdings bereits elementare kognitive Techniken, die man als präkognitiv bezeichnen kann, dazu eingesetzt, Störungen 2 Der englische Begriff für die VO Funk (Vollzugsordnung für den Funkdienst) lautet Radio Regulations (RR) 3 Agenda Item 1.19 ( to consider regulatory measures and their relevance, in order to enable the introduction of software-defined radio and cognitive radio systems, based on the results of ITU-R studies, in accordance with Resolution [COM6/18] Institut für Rundfunktechnik GmbH.

9 zu verringern. Hierbei wird in Kauf genommen, dass eine vollständige Vermeidung dieser Störungen nicht erreicht wird. Bisher wird die Koexistenz mehrerer Nutzer in erster Linie 4 dadurch ermöglicht, dass gezielt eine örtliche, zeitliche oder frequenzweise Trennung vorgenommen wird. Wenn mehrere Nutzer des Spektrums zu berücksichtigen sind (z. B. wenn mehrere Nutzer in überlappenden Regionen denselben Kanal verwenden), wird dies nicht durch automatisierte Technik realisiert, sondern stets unter Einbindung des Menschen (Frequenzzuteilung, Engineering, Planung, Koordinierung usw.). Mit CR kann diese Koexistenz mehrerer Nutzer automatisch geregelt werden, wodurch eine frequenzeffizientere, dadurch aber auch komplexere und rechenintensivere Gestaltung der Frequenznutzungskonstellationen erreichbar ist. Daher könnte mit CR-Techniken in Zukunft ein- und derselbe Frequenzbereich für verschiedene Dienste ( Sharing ) in viel größerem Ausmaß als bisher genutzt werden. Für die Optimierung der Frequenznutzungskonstellationen ist die Informationsgewinnung über das Frequenznutzungsumfeld ( Wahrnehmung ) von grundlegender Bedeutung. Dafür kommen drei Verfahren in Frage: - Spektrumsschätzung (Sensing und Cooperative Sensing): CR-Geräte erfassen das Frequenznutzungsumfeld. Im einfachsten Fall wird eine einfache Feldstärkepegelmessung durch das CR-Gerät durchgeführt. - Verwendung von zentralen Geodatenbanken (ohne Pilotkanäle): CR-Geräte beschaffen sich die Informationen über das Frequenznutzungsumfeld, z.b. über potentiell nutzbare Frequenzen in einem bestimmten Gebiet, aus einer Datenbank, mit der sie über eine nicht eigens für diesen Zweck geschaffene Infrastruktur (z. B. Mobilfunk) Verbindung aufnehmen. - Verwendung von Pilotkanälen (Cognitive Pilot Channels (CPC)): Informationsbeschaffung über eine eigens zu diesem Zweck geschaffene Infrastruktur. Dabei können auch zentrale Datenbanken genutzt werden. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Vor- und Nachteile dieser drei Verfahren. 4 Außer bei Geräten mit präkognitiven Techniken 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH. 3

10 Vorteile Nachteile Spektrumsschätzung sehr günstig, da keine eigene Infrastruktur erforderlich Eine ausreichende Interferenzvermeidung ist technisch im Allgemeinen nicht möglich. 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. Aus der Analyse der bisherigen Entwicklungen und den zu erwartenden Weiterentwicklungen von CR-Techniken lässt sich der Schluss ziehen, dass keine der Methoden alleine zu einer kompletten Erfassung des Spektrumsnutzungsumfelds führen wird. Vielmehr muss auf die Kombination mehrerer Methoden gesetzt werden. Die Umsetzung dieser Methoden ist jedoch mit einem nicht zu vernachlässigenden technischen bzw. infrastrukturellen Aufwand verbunden. Bei der Analyse der einzelnen Frequenzbereiche sind folgende Fragen zu diskutieren: - 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? Die frequenzbezogene Analyse ergibt zunächst, dass für viele Funkdienste bereits SDR genutzt und zukünftig zunehmend zum Einsatz kommen wird. Die Übergangszeiten dürften hierbei von Dienst zu Dienst verschieden sein. Bei all diesen Nutzungen handelt es sich ausschließlich um Technikimplementierungen in bestehenden Systemen, so dass eine Änderung der VO Funk, insbesondere die Schaffung einer neuen Dienstedefinition, dafür nicht erforderlich ist. Da es sich nicht um neue Dienste handelt, bedarf es keiner neuen Zuweisungen in der VO Funk Institut für Rundfunktechnik GmbH.

11 Des Weiteren zeigt sich, dass CR-Technik in gleichberechtigter Nutzung innerhalb des Mobilfunkdienstes in gewissem Umfang bereits genutzt wird. Beim Flugnavigationsfunkdienst ist das zwar heute noch nicht der Fall, es ist aber bereits abzusehen, dass diese Technik Anwendung finden und in zukünftigen Standards formuliert werden wird. Für den Rundfunkdienst, Erderkundungsfunkdienst über Satelliten und Radioastronomiefunkdienst ist aufgrund der Natur dieser Dienste der Einsatz solcher Techniken durch den gleichberechtigten Dienst stark eingeschränkt oder ausgeschlossen. Die Analyse ergibt, dass durch den Einsatz von CR-Techniken bei Funkanwendungen, die im Verhältnis der gleichberechtigten Nutzung zueinander stehen, kein Bedarf für Änderungen der Regularien, weder auf internationaler noch auf nationaler Ebene, entsteht. Für den Einsatz von CR-Technik bei Anwendungen, die im Verhältnis der hierarchischen Nutzung zu einem anderen, vorrangigen Funkdienst stehen, ergeben sich unterschiedliche Schlussfolgerungen, abhängig vom betrachteten vorrangigen Funkdienst: - Rundfunkdienst: Eine Ressourcenteilung durch hierarchische Nutzung mit Anwendungen, die CR einsetzen, ist prinzipiell möglich. Sie wäre allerdings mit Aufwand (Geolokalisierung mit Datenbanken, Sensing und Leistungsbeschränkung) verbunden, um Störungen ausreichend zu begrenzen. - Flugnavigationsfunkdienst: Zwar ist technisch eine hierarchische Nutzung durch andere Anwendungen, die CR-Technik nutzen, in den betroffenen Bändern prinzipiell möglich, jedoch dürften die potenziellen Sicherheitsrisiken dagegen sprechen. Es könnte ein CPC speziell für diese Bereiche ausgestrahlt werden, doch der Nutzen wäre im Vergleich zum Aufwand gering. Zudem wäre der Schutz des CPCs vor Manipulation durch Unbefugte sicherzustellen. - Radioastronomiefunkdienst: Da die (passive) Nutzung an abgegrenzten Orten stattfindet und eine Koexistenz mit anderen Anwendungen bei ausreichender örtlicher Entkopplung und Beschränkung von Aussendungen denkbar ist, wäre prinzipiell auf der Basis von Geolokalisierung mittels Datenbanken hierarchische Nutzung möglich. Jedoch ist angesichts der Einschränkungen und des beschränkten verfügbaren Frequenzbereichs eine Öffnung nicht zu empfehlen. - Fester Funkdienst über Satelliten (FSS): Ressourcenteilung mit anderen Anwendungen, die CR-Technik nutzen, ist denkbar, da sich Interferenzen z.b. durch die Nutzung einer Datenbank und die Festlegung geeigneter Randbedingungen vermeiden ließen. Der für die Analyse betrachtete Teilbereich MHz wurde bereits für Broadband Wireless Access (BWA) mit technischen Randbedingungen freigegeben, dem Festen Funkdienst über Satelliten Schutz zu gewähren. Durch Einsatz von kognitiven Techniken unter den oben genannten Bedingungen könnte der Schutz automatisiert werden Institut für Rundfunktechnik GmbH. 5

12 - Mobilfunkdienst: Da die meisten Systeme in den betrachteten Frequenzbereichen bereits jetzt oder in naher Zukunft digitale Technik einsetzen, ist prinzipiell die Einführung kognitiver Techniken bei existierenden (oder auch neuen) Anwendungen möglich. Bei Beschränkung auf eine Spektrumsschätzung (Sensing) würde bei einer intensiven zusätzlichen Nutzung des Spektrums der Interferenzpegel deutlich steigen. Werden nur Nutzer mit niedrigen Sendeleistungen zugelassen und ist ein gewisser Interferenzpegel akzeptabel, so reicht eine einfache Spektrumsschätzung. Steht dagegen die Interferenzminimierung im Vordergrund, könnte zwar Geolokalisierung mit Datenbanken eine deutlich bessere Interferenzsituation herbeiführen, würde aber nur einen Bruchteil der Ressourcen ausreizen, die sich aus der dynamischen Nutzung eines Mobilfunkdienstes ergeben. Es ist eine offene Frage, ob das potenziell so nutzbare Spektrum die Einrichtung einer Datenbank rechtfertigt. Am besten ließe sich eine Interferenzminimierung und maximale Ausschöpfung der Ressourcen erreichen, wenn die Vergabe der Ressourcen mittels eines CPC erfolgte. Dies wäre allerdings mit beträchtlichen Kosten verbunden, wenn der CPC eigenständig aufgebaut werden und selbst die Informationsgewinnung zum Spektrumsumfeld vornehmen müsste. Da aber die Informationen über die Spektrumsnutzung bei der Mobilfunkinfrastruktur bereits vorhanden sind, erscheint es sinnvoll, dass der Betrieb des CPC direkt unter Einbindung der Mobilfunkdienst-Infrastruktur erfolgt. Die Analyse zeigt, dass auch der Einsatz von CR-Techniken bei Anwendungen, die im Verhältnis der hierarchischen Nutzung zu einem vorrangigen Dienst stehen, keine Änderung der VO Funk rechtfertigt. Soweit die betroffenen Anwendungen keinen Schutz gegenüber anderen Diensten beanspruchen können und keine Interferenzen verursachen dürfen, können sie auf der Grundlage von Artikel 4.4 der VO Funk 5 eingeführt werden, ohne dass Zuweisungen erforderlich sind. Die Entwicklung bzw. Ergänzung von ITU-R-Empfehlungen, z. B. für die Ausgestaltung der technischen Parameter, kann jedoch die Entstehung eines möglichst weltweiten Marktes fördern. Für eine verbindliche europaweite Regulierung dieser technischen Parameter sind Festlegungen durch die CEPT erforderlich. Da die Parameter der zu schützenden Anwendungen landesspezifisch sind, sollte die Verwaltung der Einträge in den Geodatenbanken und der Abgleich des Ergebnisses sowohl für gleichberechtigte als auch für hierarchische Nutzung auf nationaler Ebene erfolgen. 5 Administrations of the Member States shall not assign to a station any frequency in derogation of either the Table of Frequency Allocations in this Chapter or the other provisions of these Regulations, except on the express condition that such a station, when using such a frequency assignment, shall not cause harmful interference to, and shall not claim protection from harmful interference caused by a station operating in accordance with the provisions of the Constitution, the Convention and these Regulations Institut für Rundfunktechnik GmbH.

13 Neben der Ressourcenteilung von CR-Geräten mit Nicht-CR-Nutzern ist auch die Problematik der Ressourcenteilung von CR-Geräten untereinander relevant. Für alle Dienste, bei denen CR-Geräte auf Basis hierarchischer Nutzung eingeführt werden sollen, gilt, dass zur Vermeidung von Interferenzen von CR-Geräten untereinander zwar prinzipiell Sensing möglich und am einfachsten zu realisieren, aber mit einer gewissen Störwahrscheinlichkeit verbunden ist. Die alleinige Verwendung einer zentralen Geodatenbank mit Lokalisierung (ohne Pilotkanäle) lässt nur eine relativ stationäre Ressourcenverwaltung zu, denn eine ständige Aktualisierung der Datenbank über allgemein genutzte Informationsinfrastrukturen (z. B. Mobilfunk) in Echtzeit würde viel Datenverkehr verursachen. Mit Hilfe von CPCs, die eine schnelle Datenübertragung erlaubten, wäre dieses Problem lösbar. Allerdings würde der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur erheblichen Aufwand und damit einhergehende Kosten verursachen. Eine spezielle Frage des Tagesordnungspunktes 1.19 der WRC-12 lautet, ob Cognitive Pilot- Kanäle in der VO Funk eigens behandelt werden sollen. Die von Tagesordnungspunkt 1.19 in Bezug genommene Resolution 956 [COM6/18] (WRC-07) erwähnt, dass einige Studien die Notwendigkeit eines weltweit harmonisierten CPC mit einer Bandbreite von weniger als 50 khz als eine Möglichkeit, Zugang und Verbindung zu gewährleisten, indizieren. 6 Die Analyse zeigt, dass CR nicht unbedingt mittels eines CPCs betrieben werden muss. Ein eigenständiger CPC wäre kostspielig. Eine etwaige Implementierung würde sinnvoller Weise auf einer vorhandenen Infrastruktur aufbauen und das zugeordnete Spektrum nutzen. Eine weltweite Harmonisierung der Parameter eines solchen CPCs scheint unter den gegenwärtigen Umständen aus technischen und ökonomischen Gründen nicht realistisch. Regulative Maßnahmen auf Ebene der VO Funk sind nicht nötig. Dagegen können durchaus ITU-R-Empfehlungen dazu entwickelt werden. Diese sind zwar nicht bindend, so dass zum Beispiel verschiedene technische Optionen zur Auswahl stehen, erfahren aber durch solche Empfehlungen eine internationale Aufmerksamkeit sowohl bei der Industrie als auch den Verwaltungen und können diese dazu veranlassen, die bereits vorhandenen Optionen zu nutzen. Elemente oder Optionen der ITU-R-Empfehlungen könnten von verbindlichen Optionen auf europäischer Ebene stammen (ECC-Decision). Wenn eine genügend breite Übernahme der europäischen Option außerhalb Europas stattgefunden hat, könnte eine Behandlung auf der Ebene der VO Funk erwogen werden. Zusammenfassend lässt sich Folgendes empfehlen: 6 The World Radiocommunication Conference (Geneva, 2007), considering j) that some studies indicate a possible need for a worldwide harmonized cognitive supporting pilot channel with a bandwidth less than 50 khz, whilst other studies indicate that the availability of a database could support access and connectivity, and therefore support the use of these systems, 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH. 7

14 1. Die VO Funk der ITU bietet in ihrer heutigen Form der möglichen und sinnvollen Ausweitung der Parallelnutzung geeigneter Frequenzbänder durch den Einsatz von CR und SDR genügend Spielraum. Es besteht weder die Notwenigkeit noch ergibt sich ein Vorteil, die VO Funk für den Einsatz von CR und SDR zu ändern. 2. Für die Förderung von möglichst weltweiten Märkten wären ITU-R-Empfehlungen vorteilhaft: a. Die relevanten Studiengruppen könnten Empfehlungen zum Einsatz von SDR und CR für Anwendungen und deren Auswirkung auf die in ihren Zuständigkeitsbereich fallenden Dienste entwickeln. b. Die relevanten Studiengruppen könnten für den Fall von hierarchischer Nutzung auf Basis von CR-Techniken Empfehlungen zum Schutz der in ihren Zuständigkeitsbereich fallenden Dienste gegenüber anderen Diensten entwickeln. c. Die Studiengruppe 1 könnte die Empfehlung ITU-R SM.1538 (Short Range Devices) um die entsprechenden Anwendungen und ihre entsprechenden Parameter ergänzen. d. Die relevanten Studiengruppen könnten ggf. Empfehlungen für Parameter von CPCs ausarbeiten, wenn zukünftige technische Entwicklungen eine Notwendigkeit dafür aufzeigen sollten. 3. Frequenzpolitische Maßnahmen wären jedoch auf anderen Ebenen wünschenswert. So wäre durch eine ECC-Empfehlung oder eine ECC-Entschließung der Einsatz von CR-Techniken für Short Range Devices anzustreben, um eine effizientere Nutzung des Spektrums (z. B. im Bereich GHz) zu erreichen. 4. CR-Technik erschließt grundsätzlich keine neuen Frequenzbereiche, aber die schon verwendeten Bereiche könnten effektiver genutzt werden, um einem Spektrums- Engpass vorzubeugen. So wäre z. B. der Einsatz von CR-Technik für PMSE (Programme Making and Special Events) und Betriebsfunk sinnvoll Institut für Rundfunktechnik GmbH.

15 Executive Summary Cognitive radio (CR) and software defined radio (SDR) are currently widely discussed topics because the use of these technologies offers greater flexibility in frequency use and more efficient (and in part automated) management of spectrum resources. A CR system (CRS) is defined as follows by ITU-R: 7 A radio system employing technology that allows the system to obtain knowledge of its operational and geographical environment, established policies and its internal state; to dynamically and autonomously adjust its operational parameters and protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined objectives; and to learn from the results obtained. In particular, a CR system uses spectrum occupancy information (such as frequency use) to adapt its transmission parameters (frequency, transmit power, etc.). For the use of CR technology, a differentiation must be made between two basic forms of coexistence between different services in the same band: - Vertical sharing: Resource sharing by applications with different regulatory status (primary or secondary allocation to a single service or different services). For example, Program Making and Special Events (PMSE) applications may utilise CR technology in order to avoid interfering with another application already active in a band, such as broadcasting. - Horizontal sharing: Resource sharing by applications with the same regulatory status (both applications, primary or secondary). In this case, both services may utilise CR technology. ITU-R provides the following definition of software defined radio (SDR) 7 : 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. Ideally, all signal processing is implemented in software so that all parameters can be altered as desired during operation. SDR and CR systems are to be understood as technical implementations of devices of any radio communication service which appling SDR or CR technology. SDR yields very significant advantages for CR, since increased transmission parameter flexibility a logical consequence of SDR results in correspondingly increased potential 7 Report ITU-R SM.2152 Definitions of Software Defined Radio (SDR) and Cognitive Radio System (CRS) 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH. 9

16 adaptability in a specific radio environment. Therefore, it is to be expected and is also regarded as necessary that CR technology will always be based on SDR. The question whether the use of CR and SDR systems requires changes to the ITU Radio Regulations is on the agenda of the World Radiocommunication Conference in This agenda item is based on the recognition that CR and SDR systems enable expanded and possibly additional uses in already utilised frequency bands and thus allow better efficiency to be achieved. On the other hand, it is also necessary to ensure that the various services do not lead to unacceptable mutual interference. In order to answer this question, it is first necessary to examine the aspects of CR and SDR that are independent of specific frequency bands. SDR is already being used more and more, such as in mobile services. Flexibility in the selection of signals and frequencies, flexible interference cancellation, and the possibility of aggregating spectrum from different bands according to availability give SDR many advantages with regard to coexistence and efficiency. In addition, the costs of device development and manufacturing drop when changes require only software modifications and the same hardware can be produced in larger volume. Development cycles before market launch are shortened and device development risks are reduced. The potential usage of SDR is limited by technical factors. Large bandwidths and high signal flexibility lead to higher power consumption due to the necessary modules, such as A/D converters. A bandwidth of 500 MHz is presently realistic for portable devices. It can be expected that reasonably priced SDR devices will be optimised for specific frequency bands with a bandwidth of several hundred megahertz, or for a specific group of frequency bands with a corresponding total bandwidth. Larger bandwidths can be expected in the future as a result of technological progress. CR in the full sense of the previously stated definition is not yet used at present. However, basic cognitive techniques that can be characterised as pre-cognitive are already being used with short range devices (e.g. W-LAN) in order to reduce interference. Inability to achieve full interference avoidance is accepted as part of the price of this approach. Up to now, the coexistence of multiple users has primarily 9 been made possible by the utilisation of specific spatial, temporal or frequency partitioning. If several spectrum users must be taken into account, when several users in overlapping regions make use of the same channel, this is not implemented using automated methods, but instead always requires human involvement (frequency allocation, engineering, planning, coordination, etc.). The 8 Agenda Item 1.19 ( to consider regulatory measures and their relevance, in order to enable the introduction of software-defined radio and cognitive radio systems, based on the results of ITU-R studies, in accordance with Resolution Except devices using pre-cognitive technologies Institut für Rundfunktechnik GmbH.

17 coexistence of multiple users can be regulated automatically with CR, thereby allowing a more frequency efficient use of spectrum, but at the same time much more complex and more compute-intensive. Consequently, in the future CR technologies will allow individual frequency bands to be shared by different services to a much greater extent than up to now. Acquisition of information on the radio environment ( cognition ) is of fundamental importance for the optimisation of frequency use. Three methods can be used for this: - Spectrum sensing (individual and cooperative sensing): The CR devices sense the radio environment. In the simplest case, this consists of a field strength measurement by the CR device. - Using central geodatabases (without pilot channels): The CR devices acquire information on the radio environment (such as potentially usable frequencies in a particular band) from a database to which they connect using an infrastructure (such as mobile telecommunication systems) not specifically created for this purpose. - Using pilot channels (cognitive pilot channels, CPC): Information acquisition via an infrastructure created for this purpose. Central databases can also be used. The following table gives an overview of the pros and cons of these three options: Pros Cons Sensing very economical because no separate infrastructure is necessary fully satisfactory interference avoidance is technically impossible Geodatabase no separate local infrastructure is necessary separate database infrastructure is necessary; certain amount of delay involved in updating the database on the server and in the devices Pilot channel speed comparable to mobile telecommunication time frame; short-term resource management possible separate database and network infrastructure is necessary, which makes this the most expensive option From an analysis of developments up to now and the anticipated future development of CR technology, it can be concluded that none of these methods by themselves will be able to lead to complete detection of the radio environment. Instead, it will be necessary to rely on a combination of several methods. All of these methods involve non-negligible technical and/or infrastructure effort and expense. The following issues must be discussed with regard to the analysis of individual frequency bands: - How can the radio environment be described? 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH. 11

18 - Are SDR and CR technologies already being used, and what trend can be expected? - Are horizontal sharing and vertical sharing based on CR technology possible or meaningful? - Are changes to the Radio Regulations or other regulatory changes necessary or advantageous? Firstly, this frequency-related analysis indicates that SDR is already being used for many radio services and will be used more and more in the future. The transition times may differ from one service to the other. Since all of these uses exclusively involve the implementation of technology in existing systems, there is no need for changes to the Radio Regulations, and in particular no need for the creation of a new service definition. Thus that there are no new services, new allocations in the Radio Regulations are not necessary. Furthermore, the analysis indicates that CR technology is already being used in the mobile services in horizontal sharing. This is not presently the case with aeronautical radionavigation services, but it can already be anticipated that this technology will be used and formulated in future standards. The use of such technologies for horizontal sharing in teh broadcasting service, earth exploration satellite service and radio astronomy service is highly unlikely due to the nature of these services. The analysis shows that for the application of CR technology in horizontal sharing there is no need for changes to the frequency regulations at any level, whether international or national. The application of CR technologies by services subject to vertical sharing with regard to primary services differs widely for the various services, depending on the characteristics of the primary service: - Broadcasting Service: Resource sharing with CR services is possible in principle. However, it would require considerable effort and expense (such as geolocalisation with databases, sensing and power limitation) to limit interference to an acceptable level. - Aeronautical Radionavigation Service: Although sharing with application using CR technology in the bands concerned is in principle possible from a technical perspective, it is prohibited by the potential safety risks. A CPC specifically for these bands could be transmitted, but there would be low benefit in comparison to the cost. In addition, protecting the CPC against the exertion of influence by unauthorised parties would be a substantial security issue. - Radio Astronomy Service: As this (passive) use occurs in isolated locations and coexistence with other applications is conceivable with sufficient spatial decoupling and restriction of transmissions, in principle vertical sharing on the basis of geo Institut für Rundfunktechnik GmbH.

19 localisation using databases would be possible. Nevertheless, opening of this band is not advisable in light of the restrictions and the limited size of the available frequency bands. - Fixed Satellite Service (FSS): Resource sharing with other applications by means of cognitive technologies is conceivable, since interference can be avoided by means such as a database and suitable constraints. The sub band considered in the analysis ( MHz) has already been released for broadband wireless access (BWA) with the restriction that full protection of the FSS service must be assured. This protection could be automated by using cognitive technologies under the conditions mentioned above. - Mobile Service: As most systems in the considered frequency bands already employ digital technology or will do so in the near future, the adoption of cognitive technologies by existing (or new) applications will be possible in principle. With a limitation to spectrum sensing, the interference level can basically be expected to increase significantly with a large number of additional users. Simple spectrum sensing is adequate, if only users with low transmit power are allowed and a certain interference level is acceptable to mobile service operators without cognitive technologies. If instead interference avoidance has high priority, geo-localisation using databases could assure significantly better freedom from interference but would allow the full use of only a fraction of the resources made available by dynamic use of the spectrum utilised by a mobile service. In this case, it is an open question whether the potential of the thus additionally usable spectrum would justify the cost of establishing a database. Interference mitigation and maximum resource exploitation could best be achieved in such cases by using a CPC to allocate the resources. However, this would incur considerable cost if the CPC is implemented independently and information about the radio environment must be acquired by the CPC itself. As spectrum usage information is already available in the mobile telecommunication infrastructure, it would appear more appropriate to operate the CPC as an integrated component of the mobile service infrastructure. A direct in-band solution, where the CPC is operated directly in the band concerned, seems reasonable. The analysis shows that the application of CR technologies in vertical sharing with regard to primary services does not justify any changes to the Radio Regulations. To the extent that the applications concerned do not claim protection from other services and are not allowed 2010 Institut für Rundfunktechnik GmbH. 13

20 to interfere, they can be introduced based on Article 4.4 of the Radio Regulations 10 any need for additional allocations. without Nevertheless, the establishment or amendment of ITU-R recommendations, such as recommendations on the configuration of technical parameters, could foster the emergence of the broadest possible worldwide market. Specifications laid down by the CEPT are necessary to make trans-european regulation of these technical parameters binding. Since the parameters of the applications to be protected are country-specific, the maintenance of the entries in the geo-databases and harmonisation of the results for either horizontal or vertical sharing should take place at national level. In addition to resource sharing between CR devices and non-cr devices, the issue of resource sharing among CR devices is relevant. For all services, where CR devices are to be introduced for vertical sharing, it is fact that although in principle sensing can be used to avoid mutual interference between CR devices and is the easiest option to implement, a certain probability of interference will occur. Using only a central geodatabase with localisation (without pilot channels) allows for relatively static resource management only, since continuos updating of the database through generally used data infrastructures (such as mobile telecommunication) in real time would cause too much data traffic. This problem could be solved with the aid of CPCs that allow for fast data transmission, although constructing a suitable infrastructure would require considerable effort and corresponding costs. A specific question of agenda item 1.19 of WRC-12 is whether cognitive pilot channels need to be dealt with separately in the Radio Regulations. Resolution 956 [COM6/18] (WRC- 07) referenced by agenda item 1.19 mentions that some studies indicate the need for an internationally harmonised CPC with a bandwidth of less than 50 khz to support access and connectivity. 11 The analysis of specific frequency bands shows that CR does not necessarily need to be operated by means of a CPC. An independent CPC would be costly. If to be implemented, it would make more sense to build it on top of an existing infrastructure and use the available spectrum. For technical and economic reasons, worldwide harmonisation of the parameters of such CPC appears to be unrealistic under current conditions. Regulatory measures at the Radio Regulations level are not necessary, at least not at present. 10 Administrations of the Member States shall not assign to a station any frequency in derogation of either the Table of Frequency Allocations in this Chapter or the other provisions of these Regulations, except on the express condition that such a station, when using such a frequency assignment, shall not cause harmful interference to, and shall not claim protection from harmful interference caused by a station operating in accordance with the provisions of the Constitution, the Convention and these Regulations. 11 The World Radiocommunication Conference (Geneva, 2007), considering j) that some studies indicate a possible need for a worldwide harmonized cognitive supporting pilot channel with a bandwidth less than 50 khz, whilst other studies indicate that the availability of a database could support access and connectivity, and therefore support the use of these systems, Institut für Rundfunktechnik GmbH.