Software-Defined Radio Seminar Technische Informatik - Progress in Systems and Protocols Freie Universität Berlin Frank Schulze Mat.-Nr.: 3788284 Abstract. In der folgenden Seminararbeit geht es um das Konzept Software- Defined Radio, das dazu dienen soll, drahtlose Kommunikationsplattformen mehr Flexibilität zu ermöglichen. Flexibilität in der Hinsicht, dass eine Plattform unabhängig von der Hardware verschiedene Übertragungstechniken beherrscht. Es werden verschiedene Hardwarearchitekturen und Softwaremodelle vorgestellt, mit denen man dieses Konzept umsetzen kann und dabei auf Vor- und Nachteile der verschiedenen Möglichkeiten hingewiesen. Die Möglichkeiten, wie das Konzept angewendet werden kann werden anhand von Beispielen gezeigt. Zum Schluss wird ein Ausblick gegeben, wie realistisch dieses Konzept für die kommerzielle Nutzung ist.
2 1 Einleitung Anfang der 90er Jahre beschrieb Joseph Mitola die Idee, die Signalverarbeitung von Funksignalen statt durch Hardwarekomponenten, komplett durch Software oder programmierbare Digitalhardware (DSPs oder FPGAs) zu realisieren. Dabei sollten die empfangenen Funksignale durch A/D-Wandler digitalisiert werden, um danach durch einen universellen Prozessor mit den gewünschten Software-Routinen weiterverarbeitet zu werden. Man erkannte aber schnell, dass so ein ideales Software- Radio Probleme mit sich brachte: Bei hohen Trägerfrequenzen im GHz-Bereich benötigt man sehr schnelle und hoch auflösende A/D- bzw. D/A-Wandler, um das Signal zu empfangen bzw. zu senden. Außerdem würden solche schnellen Wandler enorm viel Energie benötigen. Deshalb hat man sich zu dem Kompromiss entschlossen, die Signale analog auf eine niedrigere Zwischenfrequenz oder direkt ins Basisband herunter zu mischen, um dann die Signale zu digitalisieren und durch Software-Routinen weiter zu verarbeiten. Dadurch kam man zu dem Begriff des Software-Defined-Radio (SDR), bei dem ca. 80% der Signalverarbeitung durch Software-Routinen geschieht, im Vergleich zu der herkömmlichen Methode, bei der ca. 80% der Signalverarbeitung durch spezialisierte Hardware geschieht. Fig. 1. vereinfachtes Modell eines Software-Defined Radio Warum möchte man die Signale durch Software verarbeiten? Der Grundgedanke für die digitale Verarbeitung der Signale liegt darin, dass man dadurch eine höhere Flexibilität der Signalverarbeitung gewinnt, d.h. man muss nicht mehr die Hardware anpassen, sondern braucht auf einem vorhandenen System nur die Software anpassen. Dadurch erhofft man sich Kosten zu ersparen, wenn man auf andere Standards wechseln kann, indem man einfach die Software anpasst und nicht mehr die Hardware erneuern muss.
3 Besonderes Interesse an SDR hat man in der Mobilkommunikationsbranche. Dort hat man einerseits verschiedene Standards, die für verschiedene Benutzerszenarien ausgelegt sind wie z.b. DECT für die drahtlose Kommunikation in kleinen Zellen und mit geringen Datenraten; GSM für größere Zellen und geringe Datenraten; Bluetooth für kleine Netzwerke mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit; WLAN mit hohen Datenraten und geringer Reichweite etc. Andererseits haben z.b. in Europa, USA und Japan verschiedene Standards (Fig. 2) für die Mobilfunksysteme der dritten Generation entwickelt, was zur Folge hat, dass man mit einem 3G-Handy nicht weltweit telefonieren kann. Fig. 2. verschiedene Mobilfunkstandards in verschiedenen Regionen Durch SDR erhofft man sich, dass man die Mobiltelefone so rekonfigurieren kann, dass die den jeweils gewünschten Standard beherrschen, indem man die Software rekonfiguriert. Außerdem kann man die Mobiltelefone und Mobilstationen einfacher an neue Standards anpassen. Auch das Militär hat ein Interesse an SDR. Das amerikanische Verteidigungsministerium hat das Projekt Joint Tactical Radio Systems Program (JTRS) ins Leben gerufen, in dem für die amerikanischen Streitkräfte und deren Verbündete ein universelles Funksystem auf SDR-Plattform entwickelt werden soll. Ziel des Projekts ist es, die Zusammenarbeit aller taktischen Einheiten über ein gemeinsames Funksystem zu ermöglichen. Dabei werden Frequenzbereichen von 2 MHz bis 2.5 GHz benutzt. Das Programm sieht vor, 180000 Geräte herzustellen. Dafür werden vom amerikanischen Verteidigungsministerium 6.8 Mio. US $ zur Verfügung gestellt. Auch in anderen Bereichen ist man an SDR interessiert. Zum Beispiel bei Rettungseinsätzen in Katastrophengebieten, sodass Polizei, Feuerwehr und Rettungsdienst dasselbe Kommunikationssystem nutzen können.
4 2 Funktionsweise 2.1 Hardwarearchitekturen für SDRs Das Konzept von SDR sieht vor, dass im Vergleich zur konventionellen Signalverarbeitung durch Spezialhardware, die Detektion des Empfangssignals, die Kanalfilterung und die Signalerzeugung durch Software oder programmierbarer Hardware (DSP s oder FPGA s) berechnet wird. Das Senden eines Signals ist im Vergleich zum Empfangen relativ unproblematisch. Das Signal wird digital moduliert und mithilfe eines digitalen Mischers auf die Trägerfrequenz gemischt. Dann wird das Signal mit einem D/A- Wandler analogisiert, danach verstärkt und gesendet. Dabei ist das Verstärken des Signals der kritischste Teil beim Senden. Verstärker haben die Eigenschaft, dass sie das Signal verzerren. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, kann das Signal im digitalen Bereich vorher verzerrt werden, so dass die baubedingten Eigenschaften des Verstärkers kompensiert werden. Der ideale Empfänger eines Software-Defined Radios besteht aus einer Antenne, die das HF-Signal empfängt, einem Bandpassfilter, der nur den Frequenzbereich von 800MHz-2200MHz durchlässt, einem Signalverstärker und einem A/D-Wandler, der das Signal gleich hinter der Antenne digitalisiert (siehe Fig. 3). Danach wird das Signal mithilfe von DSP s, FPGA s und general purpose Prozessoren digital weiter verarbeitet (Demodulation, Kanalselektion etc.). Dieses Konzept ist allerdings heutzutage so noch nicht realisierbar, da es sehr hohe Anforderungen an die A/D- Wandler stellt. Einerseits müsste der A/D-Wandler eine sehr hohe Abtastrate besitzen (~5GHz), um eine Bandbreite von 2.2 GHz abzutasten. Andererseits muss die Auflösung hoch genug sein, um auch schmalbandige Signale genau genug auflösen zu können. Es ist zwar heute schon möglich, A/D-Wandler für so hohe Frequenzen herzustellen, allerdings nur mit einer geringen Auflösung und es ist auch möglich, A/D-Wandler mit einer genügend hohen Auflösung herzustellen, allerdings haben diese nicht die benötigte Abtastrate. Dazu kommt ein sehr hoher Energieverbrauch. Fig. 3. Modell des idealen Software Radios: das Signal wird im HF-Bereich digitalisiert Da man also nicht direkt das HF-Signal mit einem A/D-Wandler digitalisieren kann, muss man das Signal analog heruntermischen, um es zu digitalisieren. Für das SDR-Konzept bieten sich Überlagerungsempfänger nach dem Heterodynkonzept (auch Superhet-Empfänger genannt) oder nach dem Homodynkonzept (auch Zero-IF-
5 Empfänger genannt) an. Beide Konzepte mischen das empfangene hochfrequente Signal mit einer niedrigeren Frequenz, die von einem lokalen Oszillator erzeugt wird. Somit lässt sich das Signal besser weiterverarbeiten. Die beiden Konzepte sollen im Folgendem genauer beschrieben werden. 2.1.1 Überlagerungsempfänger nach dem Heterodynprinzip Das Antennensignal wird zuerst vorselektiert (sodass nur Signale aus dem Bereich empfangen werden, der uns interessiert (ca. 800 MHz 2.5 GHz)), vorverstärkt und mit einem Mischer (engl. Mixer) mit der Frequenz des Oszillators gemischt bzw. multipliziert. Als Ergebnis erhält man eine niedrigere Frequenz, die in der Regel bei ca. 5-10% des Eingangssignals liegt die Zwischenfrequenz, z.b. 20 MHz bei WLAN, 4 MHz bei UMTS, 200kHz bei GSM. In der Zwischenfrequenzstufe wird das Signal gefiltert (durch den Mischer entstehen auch ungewollte Frequenzen) und noch mal verstärkt. Ein A/D-Wandler digitalisiert das Signal, welches dann weiter verarbeitet wird. Das reelle Signal wird dann durch einen (digitalen) Quadraturmischer demoduliert. Der Quadraturmischer gewinnt aus dem modulierten Signal 2 Signalpfade I (I steht für In-phase) und Q (Q steht für Quadratur), deren Phase um 90 verschoben ist. Fig. 4. heterodyne Empfangsarchitektur: Digitalisierung des Signals in der Zwischenfrequenz Diese Empfängerarchitektur hat allerdings einige Nachteile, sodass sie für mobile Endgeräte eher ungeeignet ist. So hat diese Architektur durch die mehreren Mischerstufen einen vergleichsweise hohen Platz- und Energiebedarf. Des weiteren kann man die Kanalselektion nicht rekonfigurieren und ist somit auf eine bestimmte Zwischenfrequenz festgelegt. Abhilfe könnten nur die Integration verschiedener Filter für verschiedene Zwischenfrequenzen schaffen, was aber nicht im Sinne des SDR-Konzepts ist.
6 2.1.2 Überlagerungsempfänger nach dem Homodynkonzept Im Vergleich zum Heterodynkonzept wird das HF-Signal nicht auf eine Zwischenfrequenz heruntergemischt, sondern direkt ins Basisband (deshalb auch Zero-IF-Empfänger oder direct-conversion-receiver ). Vor der Digitalisierung ist noch eine Verstärkung und eine Automatic Gain Control erforderlich, bei der das Signal auf ein bestimmtes Niveau normalisiert wird, um Schwankungen auszugleichen. Danach passieren die Signale die A/D-Wandler. Die weitere Verarbeitung (wie z.b. die Kanalselektion) erfolgt digital, meist mithilfe eines FPGA. Fig. 5. homodyne Empfangsarchitektur: Digitalisierung des Signals im Basisband Der Vorteil dieser Architektur ist, dass sie einfacher zu integrieren und kompakter ist. Des Weiteren ist der Anteil der analogen Signalverarbeitung im Vergleich zur heterodynen Architektur geringer. Der Hauptnachteil der Architektur ist die Anfälligkeit für Störungen, die unter anderem durch den Oszillator und dem Mischer verursacht werden. 2.2 Softwaremodelle für SDRs Da die Software bei einem SDR die entscheidende Rolle spielt und letztendlich über den Verwendungszweck des Gerätes entscheidet, möchte man eine möglichst effiziente Softwarearchitektur, um Flexibilität mit Effektivität möglichst gut zu vereinen. So möchte man z.b., dass ein möglichst schneller System-Handover erreichbar ist, wenn man zwischen 2 Standards wechselt (z.b. von UMTS auf GSM). Des Weiteren ist es wünschenswert, dass die Software leicht erweiterbar ist, um neue Standards implementieren zu können. Natürlich spielt auch die Laufzeit eine große Rolle, da man meistens einen Kompromiss zwischen Flexibilität und Laufzeit eingehen muss. Ein zentrales Konzept für den Entwurf der Software für ein SDR spielt die Wiederverwendung von Teilen der Software. So bauen viele Standards auf ältere auf,
7 wie auf Fig. 6 zu erkennen ist. Deshalb versucht man, wann immer es möglich ist, Teile für die Bedienung eines Standards für einen anderen wieder zu verwendenden. Fig. 6. Verschiedene Mobilfunkstandards und ihre entwicklungsbedingten Beziehungen zwischen einander Es gibt zwei Softwaremodelle für SDRs. Das erste nennt sich parametergesteuertes Software-Defined Radio (Pac-SDR). Dabei werden die Algorithmen für die Signalverarbeitung so allgemein wie möglich gehalten. Man definiert dann einen bestimmten Standard nur noch durch einen Parametersatz für die verschiedenen Funktionseinheiten. Das andere Modell wird als modulares Software-Defined Radio (Mod-SDR) bezeichnet. Die Idee dahinter ist, die Software in Module zu unterteilen, die verschiedene Funktionen haben. Für den gewünschten Standard werden die jeweiligen Module in einer logischen Reihenfolge, mit möglichst hoher Geschwindigkeit abgearbeitet. 2.2.1 Parametergesteuertes Software-Definded Radio Die Grundannahme von Pac-SDR besteht darin, dass die Gemeinsamkeiten zwischen den verschiedenen Mobilfunkstandards bisher überwogen haben und sich auch in Zukunft nicht ändern werden. Deshalb implementiert man die Algorithmen für die Signalverarbeitung so allgemein wie möglich. Diese Algorithmen werden dann durch den jeweiligen Mobilfunkstandard mit anderen Parametern ausgeführt. Dadurch wird ein vertikaler Handover (Wechsel zwischen 2 aufeinander aufbauenden Standards, z.b. GSM und GPRS; PDC und UMTS (UTRA-FDD+UTRA-TDD), siehe Fig. 6) ermöglicht. Ein Beispiel einer Parametrisierung für die Modulation verschiedener Mobilkommunikationsstandards zeigt Fig. 7. Auf die genaue Herleitung der
8 Parameter werde ich nicht eingehen. Falls es den Leser interessiert, verweise ich auf [7] S. 87-102. Fig. 7. Mögliche Werte für 9 Parameter, um die Modulation im GSM-, DECT-, IS-136 und UTRA-FDD mit einem Modul zu ermöglichen Der Hauptvorteil von Pac-SDR liegt in dem geringen Speicherplatzverbrauch der Parametersätze in Relation zu der gesamten Software. Man braucht nicht neue Funktionseinheiten herunterladen, sondern kann den Handover zwischen 2 Systemen durch Änderung der Parameter schnell durchführen. Die Nachteile dieses Modells sind, dass ein allgemeines Softwaremodul hinsichtlich der Laufzeit viel schlechter sein kann, als verschiedene Spezialmodule, die auf eine konkrete Funktionalität hin entwickelt wurden. Des weiteren kann es sein, dass man bei einem neuen Codierverfahren ein komplett neues Modul schreiben muss, ohne dass man bestehende Module wieder verwenden kann. 2.2.2 Modulares Software-Defined Radio Das Modell des Mod-SDR ist etwas abstrakter als Pac-SDR. Dabei wird die Software als Menge von Modulen aufgefasst. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass die Laufzeit eines Moduls eine wichtige charakteristische Größe ist, um ein Modul zu beschreiben. Des Weiteren werden die Beziehungen der Module untereinander und die Speicheranforderungen für Ein- und Ausgabedaten betrachtet. Als Modul wird die kleinste zusammenhängende Einheit von ausführbaren Maschinenbefehlen bezeichnet. Auch hier geht man wieder davon aus, dass verschiedene Mobilfunkstandards gemeinsame Module wieder verwenden. Die Abarbeitung der Module für eine bestimmte Funktionalität erfolgt in einer logischen Reihenfolge. Diesen Ablaufplan stellt man meistens mithilfe von gerichteten azyklischen Graphen (DAG s) dar. Bei dem Modell geht man davon aus, dass die Software auf einem Multiprozessorsystem läuft. Zwischen den Modulen und der Hardware steht ein Betriebssystem, das entscheidet, welches Modul auf welchem Prozessor abgearbeitet wird. Vorteile dieses Modells sind, dass man die Module nicht in spezialisierte oder parametrisierte Module unterscheidet, sondern lediglich von der Laufzeit. Somit kann
9 man durch einen gut gewählten Ablauf der Module eine Funktionalität effizient ausführen. Des Weiteren ist dieses Konzept leicht erweiterbar, indem man neue Module hinzufügen oder austauschen kann. 2.3 Software-Rekonfiguration Einer der Hauptvorteile eines SDR-Gerätes ist es, dass die Software flexibel angepasst werden kann. Man unterscheidet 3 Möglichkeiten für den Anpassungsprozess, die sich in ihrer Flexibilität unterscheiden: static download, pseudo-static download und dynamic reconfiguration. Als static download bezeichnet man die Situation, wenn ein SDR-Gerät verschiedene Standards bedienen kann, die aber nur vorprogrammiert sind. Diese Möglichkeit ist allerdings nur beschränkt flexibel. Eine andere Möglichkeit ist pseudo-static download. Dabei wird die Software über Funk angepasst (OTA download). Damit ist es möglich, Anwendungen, Protokolle und die Funkschnittstelle zu rekonfigurieren. Die flexibelste Möglichkeit ist die dynamic reconfiguration. Damit ist es möglich, während eines Anrufs oder eines anderen ausgeführten Dienstes, die Software über den Funkweg zu rekonfigurieren, um beispielsweise für einen bestimmten Zeitraum mehr Bandbreite zu ermöglichen. Die letzten beiden Möglichkeiten sind besonders attraktiv für Mobilfunkanbieter, da es ihnen eine ganz neue Verkaufslösung anbietet. So wäre es vorstellbar, dass die Endkunden jederzeit individuelle Dienste nutzen können, wie z.b. Roaming, individuelle Bandbreite etc. Allerdings gibt es auch Hindernisse: so muss ein gemeinsamer Standard definiert werden, über dem man die Funkschnittstelle rekonfigurieren kann. Denn wenn man als Endkunde den Bereich eines Mobilfunkstandards verlässt, braucht man einen festgelegten Funkkanal, um die Software auf den neuen Standard zu rekonfigurieren. 3 Beispiele Seit dem Aufkommen des SDR-Konzeptes wurden viele Forschungs- und Entwicklungsarbeiten über die Umsetzung des Konzeptes gestartet. Das Militär hat mit dem bereits erwähnten JTRS ein Multi-Millionen-Dollar Projekt ins Leben gerufen und auch Finnland hat ein Projekt für die Entwicklung einer Kommunikationsplattform auf SDR-Basis für das Militär beauftragt das Finish Software Radio Program (FSRP), siehe [8]. Auch im kommerziellen Mobilkommunikationsbereich wurden Forschungsarbeiten über das SDR-Konzept durchgeführt, was auch nicht verwunderlich ist, angesichts der Tatsache, dass eine erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes den Mobilfunkanbietern beträchtliche Summen ersparen könnte, wenn man dadurch neue Hardware durch rekonfigurierbare Software einsparen könnte.
10 Die Firma Alcatel führt zusammen mit der Universität Karlsruhe und der TU Dresden das Forschungsprogramm SORBAS (siehe [10]) durch, in dem es um die Erforschung und Erprobung einer SDR-Plattform für software-konfigurierbare Multistandard-Basisstationen geht, die unterschiedliche Mobilkommunikationsstandards bedienen können. Im Folgenden möchte ich die Projekte IBMS² und GNU Radio etwas genauer vorstellen. 3.1 IBMS² - Integriertes Bandbreiteneffizientes Mobiles Software-Radio System Das Forschungsprojekt IBMS² ist ein Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsschwerpunkts Universelle Nutzung von Kommunikationsnetzen für künftige Mobilfunkgenerationen (HyperNET). Das Ziel des IBMS² ist es, die Bandbreiteneffizienz in einer Mobilfunkzelle zu erhöhen. Dabei versucht man das Problem zu umgehen, dass in einer Mobilfunkzelle die Bandbreite sinkt, je mehr Teilnehmer sich in der Funkzelle befinden. Grund dafür ist eine steigende Interferenz, die mit höherer Teilnehmerzahl zunimmt. Je weiter ein Teilnehmer von der Mobilstation entfernt ist, desto stärker muss er senden, um die Mobilstation zu erreichen und je stärker er sendet, desto höher ist die Interferenz, die er verursacht. Die Idee ist, dass ein Teilnehmer, der weiter von der Mobilstation entfernt ist, einen anderen Teilnehmer als Zwischenstation (Relaisstation) zur Mobilstation benutzt, der die Daten an die Mobilstation weiterreicht. Dabei soll es in jeder Verbindung maximal eine Relaisstation geben. Eine solche Verbindung wird auch als single-hop-verbindung bezeichnet. Dadurch erhofft man sich eine Steigerung der Bandbreiteneffizienz von über 40%. Fig. 8. Veranschaulichung des single-hop-relais -Prinzips zur Verringerung der Interferenz Der Software-Radio-Aspekt bei dem Projekt besteht darin, dass dazu das Netz selbst konfigurierend sein soll, d.h. der Teilnehmer soll nicht merken wie welche Verbindungen zustande kommen, sondern die Verbindungen werden durch das Netz gesteuert. Des Weiteren versucht man Ausnutzung von Raum-Zeit-Signalverarbeitung
11 (adaptive Antennen), d.h. das Signal wird nur in die Richtung gesendet, in der es sich gut ausbreiten kann und aus der es der Empfänger gut empfangen kann. Dadurch soll unnötige Interferenz vermieden werden. Um das zu erreichen ist es notwendig, dass die Endgeräte sich der jeweiligen Gegebenheit anpassen können, was durch softwaredefinierte Endgeräte möglich wird. Innerhalb des IBMS² wurden 5 Teilprojekte bearbeitet: Um die Möglichkeiten der Bandbreiteneffizienserhöhung durch single-hop-relais zu untersuchen, hat die Firma Infineon Technologies AG Sende-/Empfängerarchitekturen auf Basis des direkt mischenden Empfängers (siehe Kapitel 2.1.2) favorisiert. Die Firma Systemonic AG wurde hat die Hardwarearchitektur und -plattform für einen Prozessor entwickelt, der die notwendige Rechenleistung, bei dem für Mobilgeräte notwendigen niedrigen Energieverbrauch, erbringt (der HiperSonic Chip). Das IHP Frankfurt/Oder hat eine Single-Chip Wireless Engine für optimales Breitbandkommunikationssystem entwickelt, welche das Ziel hat, die Funktionalität eines 5 GHz-Modems auf einen Chip zu integrieren. Die TU Berlin hat sich mit Kommunikationsarchitekturen und Protokollen zur Steigerung von Kapazität und Energieeffizienz in mobilen Kommunikationssystemen mit "single-hop-relay" Verbindungen. Und die TU Dresden hat sich mit der Kapazitätssteigerung durch Raum-Zeit- Signalverarbeitung beschäftigt. 3.2 GNU Radio Das GNU Radio ist ein Open-Source Projekt, das sich mit der Realisierung verschiedener Funkübertragungstechniken als SDR beschäftigt. Mit der Software kann man AM/FM-Signale, digitales und analoges Fernsehen, das Signal eines DECT-Telefon, Sprechfunk oder wenn man will die Signale für die Ampelschaltungen der Berliner Verkehrsbetriebe senden/empfangen. Die Möglichkeiten sind fast unbeschränkt, solange man die Signalverarbeitung in Software realisieren kann. Da das Projekt mit einer GNU-Lizenz arbeitet, kann jeder an dem Projekt mitarbeiten und selber Software schreiben. Dazu gibt es Tutorials, die den Einstieg erleichtern sollen. Die Software ist in sog. Blocks aufgeteilt, die mit Python zusammengefügt werden. Die Blocks selber sind in C++ geschrieben und enthalten die Algorithmen für die Signalverarbeitung. Beim GNU Radio beschäftigt man sich u.a. mit den Themen TETRA- Transreceiver, Software GPS, Digital Radio Mondiale (DRM), Sensornetzwerke, Amateur-Radio Transceiver und mehr. Dabei läuft die Software auf normalen PC s. Als Hardware-Anforderung sollte ein Prozessor mit 1-2GHz und 256 MB RAM genügen. Um die analogen Signale zu senden/empfangen reicht für schmalbandige Signale eine Soundkarte aus. Will man aber breitbandige Signale im MHz-Bereich senden oder empfangen, braucht man ein extra Empfangsmodul, das Universal Software Radio Peripheral (USRP), welches von
12 Matt Ettus im Rahmen des GNU Radio Projekts entwickelt wurde und auch noch weiterentwickelt wird. Das USRP besteht aus einem Mainboard, das mit bis zu 4 A/D-Wandlern, 4 D/A- Wandlern, einem FPGA und einem programmierbaren USB-Controller bestückt ist. Zusätzlich kann man an das Mainboard bis zu 4 Daughterboards (2 zum Empfangen, 2 zum Senden) anschließen. Es gibt mehrere Daughterboards, die für verschiedene Frequenzbereiche ausgelegt sind. Fig. 9. Das USRP, bestückt mit 4 Daughterboards 4 Ausblick Der kommerzielle Einsatz für Endgeräte auf SDR-Basis ist momentan aufgrund der hohen Anforderungen an die Hardware noch zu teuer. Deshalb beschränkt sich der praktische Einsatz von SDR-Geräten noch hauptsächlich auf Forschungsprojekte. Da die Halbleitertechnik aber schnell voranschreitet, kann man davon ausgehen, dass in den nächsten Jahren der kommerzielle Durchbruch gelingt. Wahrscheinlich wird sich das SDR-Konzept nach und nach immer stärker durchsetzen, abhängig vom Fortschritten in der Halbleitertechnik. Die ersten SDRs werden in Systemen eingesetzt werden, die nicht so stark vom Energieverbrauch abhängig sind, wie z.b. Basisstationen, später in PDA s und Laptops. Nach Expertenmeinungen werden die ersten SDR-Mobiltelefone nicht vor 2010 in hohen Stückzahlen produziert werden. Joseph Mitola, der Anfang der 90er Jahre das Konzept des Software(-Defined) Radio ins Gespräch brachte, hat das Konzept sogar noch erweitert, zum Cognitive Radio. Ein Cognitive Radio (CR) ist ein SDR, das Informationen aus seiner Umgebung wahrnehmen kann und sich danach anpasst. Dazu gehört, dass es seinen Standort kennt, die Interferenzlage beurteilen kann und sich fair gegenüber anderen
13 Nutzern verhält. Mitola beschreibt den Einsatz eines solchen CR in einem Disaster Management Radio System (DMRS) für die Kommunikation der Einsatzkräfte bei Katastrophen. Dabei arbeitet das DMRS autark und organisiert sich selbst (Frequenzzuteilung, Kanalvergabe etc). Referenzen [1] Walter H.W. Tuttlebee: Software-Defined Radio: Facets of a Developing Technology, IEEE Personal Communications April 1999, pp 38-44 [2] Hiroshi Tsurumi and Yasuo Suzuki: Broadband RF Stage Architecture for Software- Defined Radio in Handheld Terminal Applications, IEEE Communications Magazine, February 1999, pp 90-95 [3] Stephan Cass: Hardware for your Software Radio. How to get to the cutting edge of radio technology, IEEE Spectrum October 2006, pp 53-56 [4] Dieter Brückmann: Software-Radio ein Zukunftsmarkt, WEKA Fachzeitschriften- Verlag GmbH, 2006, online: http://www.elektroniknet.de/index.php?id=843&tx_jppageteaser_pi1%5bbackid%5d=735 [5] www.wikipedia.de [6] Arnd-Ragnar Rhiemeier: Modulares Software Defined Radio, Institut für Nachrichtentechnik, Universität Karlsruhe, 2004, online: http://www.ubka.unikarlsruhe.de/vvv/2004/elektrotechnik/8/8.pdf [7] Anne Wiesler: Parametergesteuertes Software Radio für Mobilfunksysteme, Institut für Nachrichtentechnik, Universität Karlsruhe, 2001, online: http://www.ubka.unikarlsruhe.de/vvv/2001/elektrotechnik/9/9.pdf [8] Finish Software Radio Projekt, Finish Defense Forces, Telecommunication Laboratory and Centre for Wireless Communications, online: http://www.mil.fi/laitokset/pvtt/fsrpbook.pdf [9] GNU Radio - The GNU Software Radio, http://www.gnu.org/software/gnuradio [10] Wolfgang König, Siegfried Walter: Software Radio Based Access System (SORBAS), Alcatel Forschungs- und Innovationszentrum (R&I), Stuttgart, online: http://www.pt-it.ptdlr.de/_img/article/sorbas.pdf [11] Tim Hentschel, Holger Karl: Integriertes Bandbreiteneffizientes Mobiles Software-Radio System (IBMS2), online: http://www.ibms- 2.de/extern/files/publications/mobikom_2001.pdf [12] Jochen Schiller: Mobilkommunikation, SS 05