Forschungsprojekt ISTruRadio

Im Bereich privater Mobilfunksysteme (PMR, Private Mobile Radio) und im Bündelfunk (Trunked Radio) existieren eine Vielzahl unterschiedlicher Standards wie z.B. TETRA, TETRAPOL oder DMR. In konventioneller Bauweise wäre für jeden dieser Standards die Entwicklung einer eigenständigen Hardwarelösung erforderlich, was gerade für kleine und mittlere Unternehmen (KMUs) aus Kostengründen nicht zu leisten ist. Im ISTruRadio-Projekt wird daher eine universelle Hardware-Plattform geschaffen, auf der sich unterschiedliche Standards in Software implementieren lassen. Durch diese Realisierung als Software-Defined Radio wird es auch KMUs ermöglicht, in dem Bereich Produkte anzubieten.

Neben öffentlichen Mobilfunksystemen, die von wenigen Anbietern für eine große Zahl von Teilnehmern betrieben werden, existieren eine Vielzahl von privaten (oder professionellen) Mobil- bzw. Bündelfunksystemen, die von Unternehmen oder öffentlichen Institutionen für eine vergleichsweise kleine Zahl von Nutzern unterhalten werden. Beispiele für die Betreiber solcher privater Mobilfunksysteme (PMR, Private Mobile Radio) oder Bündelfunksysteme (Trunked Radio) sind Behörden, insbesondere Organe der öffentlichen Sicherheit wie Polizei, Feuerwehr oder Katastrophenschutz, oder Großbetriebe und Betriebe  mit erhöhten Sicherheitsanforderungen wie beispielsweise Transportunternehmen oder Betreiber von Flughäfen usw. Neben öffentlichen Mobilfunksystemen, die von wenigen Anbietern für eine große Zahl von Teilnehmern betrieben werden, existieren eine Vielzahl von privaten (oder professio-nellen) Mobil- bzw. Bündelfunksystemen, die von Unternehmen oder öffentlichen Institutionen für eine vergleichsweise kleine Zahl von Nutzern unterhalten werden. Beispiele für die Betreiber solcher privater Mobilfunksysteme (PMR, Private Mobile Radio) oder Bündelfunksysteme (Trunked Radio) sind Behörden, insbesondere Organe der öffentlichen Sicherheit wie Polizei, Feuerwehr oder Katastrophenschutz, oder Großbetriebe und Betriebe  mit erhöhten Sicherheitsanforderungen wie beispielsweise Transportunternehmen oder Betreiber von Flughäfen usw.

Aus den im Vergleich zu öffentlichen Mobilfunksystemen anderen Randbedingungen ergeben sich für PMR und Bündelfunksysteme auch entsprechend andere Anforderungen, z.B. eine höhere Verfügbarkeit und eine höhere Sicherheit als dies öffentliche Mobilfunknetzte bieten können. Darüber hinaus muss der Verbindungsaufbau sehr schnell erfolgen können und auch ein dezentraler Betrieb ohne dezidierte Basisstation möglich sein.  Da die Nutzerzahlen privater Mobilfunksysteme wesentlich kleiner sind als die öffentlicher Mobilfunknetze, müssen private Mobilfunksysteme zudem effizient und kostengünstig auch für eine kleine Zahl von Nutzern betrieben werden können.

Stand traditionell bei privaten Mobilfunksystemen die Sprachübertragung im Vordergrund, so werden auch diese nun in zunehmendem Maße zur Datenübertragung genutzt. Da die Datenübertragung meist in eine bestehende IT-Infrastruktur des Betreibers oder Nutzers eingebunden werden muss, ergeben sich daraus sehr spezifische Anforderungen, die nur durch enstprechend angepasste Produkte erfüllt werden können. Aufgrund der damit verbundenen geringen Stückzahlen ergibt sich daraus eigentlich ein ideales Produktsegment für kleine und mittlere Unternehmen (KMUs).

Gerade im Bereich privater Mobilfunk- und Bündelfunksysteme existieren jedoch eine Vielzahl unterschiedlicher Standards, wie z.B. TETRA, TETRAPOL oder DMR, so dass sich die Entwicklung eines traditionellen Hardware-basierten Datenfunkmodems für nur einen dieser Standards aufgrund des hohen Entwicklungsaufwands und der zu erwartenden Stückzahlen kaum lohnen würde.  

Einen Ausweg aus diesem Dilemma eröffnet ein Funkmodem in Software-Defined Radio (SDR) Technologie als Standard-übergreifende Hardware-Plattform, wie es derzeit im Institut für Nachrichtentechnik in Zusammenarbeit mit der Firma Funk-Electronic Piciorgros GmbH im Rahmen des ISTruRadio-Projektes (Innovative Software-Defined Trunked Radio) entwickelt wird.

Software-Defined Radio

Mit dem Begriff Software-Defined Radio (SDR) beschreibt man das Bestreben, möglichst die gesamte Signalverarbeitung eines Telekommunikations-Senders oder -Empfängers mit Hilfe anpassbarer Hardware in Software zu realisieren. In einem SDR-System wird daher ein Großteil der Signalverarbeitung auf einem Mikroprozessor oder einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder auf programmierbarer Hardware (z.B.  FPGAs) durchgeführt. Dadurch können unterschiedliche Funkverfahren alleine durch Änderung der Software implementiert werden. Der große Vorteil von Software-Defined Radio Systemen besteht also in der Flexibilität und den niedrigen Kosten bei der Erweiterung auf neue oder geänderte Übertragungsstandards.         
Ziel des ISTruRadio-Projektes ist daher die Entwicklung einer universellen Hardwareplattform als Basis für die Implementierung von Funkmodems für die oben angeführten Standards im Bereich privater Mobilfunk- und Bündelfunksysteme als Software-Defined Radio.

Dadurch wird es in Zukunft möglich sein, auf Kundenwünsche und neue Modifikationen von Standards schnell, ohne wesentliche Hardwareänderungen, sondern nur durch Anpassung der Software reagieren zu können.

Damit verbunden ist eine deutliche Reduktion der Entwicklungskosten und -zeiten, so dass sich auch die Entwicklung eines Funkmodems für einen speziellen Standard trotz der zu erwartenden vergleichsweise geringen Stückzahlen lohnt.  

Aufbau des ISTruRadio-Modems

Das Blockschaltbild des ISTruRadio-Modems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Wie aus der Abbildung deutlich wird, besteht das ISTruRadio-Modem aus den folgenden grundlegenden Komponenten:

·      HF-Frontend: Dies umfasst die Signalverarbeitung von der Antenne bis zur Abtastung im Basisband. Das HF-Frontend wird in Hardware implementiert, die zum Teil rekonfigurierbar ist, um eine Anpassung an die unterschiedlichen Standards zu ermöglichen.

·      Basisband-Signalverarbeitung: Hier findet die digitale Signalverarbeitung im Basisband statt: Digitale (De)Modulation, Zeit- und Frequenzsynchronisation, Kanalcodierung und Interleaving. Die Basisband-Signalverarbeitung wird in Software auf einem DSP realisiert.

·      Protokoll-Stack: Dieser umfasst in der Regel die Schichten 2-3 des OSI-Modells und besteht daher z. B. aus der Medium Access Control (MAC) und der Logical Link Control (MAC). Der Protokoll-Stack wird in Software auf einem Mikroprozessor implementiert.

·      Java Applikationsplattform: Dies ist die Schnittstelle zur Anwendung des Benutzers, d.h. sie stellt Funktionen zur Konfiguration und Nutzung des Modems zur Verfügung. Die Java Applikationsplattform wird in Software gemeinsam mit dem Protokoll-Stack auf demselben Mikroprozessor implementiert.

Wie aus Abbildung 1 ersichtlich ist, wurde als Hardware für die Basisband-Signalverarbeitung, den Protokoll-Stack und die Java Applikationsplattform des ISTruRadio-Modems ein einziger Prozessor-Baustein (Texas Instruments OMAP) ausgewählt, auf dem ein DSP und ein Mikroprozessor gemeinsam als System-on-a-chip (SoC) integriert sind.  

Über die Entwicklung der neuen, universellen Hardware-Plattform hinaus, wird diese in diesem Projekt auch direkt zur Implementierung eines auf dem TETRA (Terrestrial Trunked Radio) Standard basierenden Funkmodems genutzt. Am Beispiel TETRA kann die Aufgabenteilung zwischen der Basisband-Signalverarbeitung und dem Protokoll-Stack wie in Abbildung 2 dargestellt werden:

Von den oben genannten grundlegenden Komponenten des ISTruRadio-Modems werden im Institut für Nachrichtentechnik der FH Köln die gesamte Basisband-Signalverarbeitung, sowie wesentliche Teile des HF-Frontends und der Java-Applikationsplattform entwickelt.

Auf die Entwicklung dieser Komponenten und den aktuellen Stand der Entwicklungen im Oktober 2009 soll daher im Folgenden näher eingegangen werden.

HF-Frontend

Das im Rahmen des Projektes entwickelte HF-Frontend soll in der Lage sein, die analogen HF-Signale universell und entsprechend den spezifischen Anforderungen der unterschiedlichen Funkstandards zu verarbeiten. Dies erfordert neue Konzepte bzgl. der Sender- und Empfängerbaugruppen.

Die technologische Herausforderung hierbei ist, dass die analoge Signalverarbeitung im HF-Pfad so erfolgen muss, dass trotz der hohen Flexibilität dennoch alle kritischen Systemparameter (wie z. B. Empfindlichkeit, Rauschen, Intermodulation, Blocking, Nachbarkanalverhalten, Frequenzwechsel, etc.) eingehalten werden. Dies erfordert einen extrem hohen und sorgfältigen Aufwand bei der Auswahl, Gestaltung und Dimensionierung aller vorhandenen Hochfrequenzstufen.

Weiterhin muss das System so ausgelegt sein, dass es einen extrem großen Frequenzbereich abdeckt und zudem höchste Frequenzagilität aufweist. Hierfür werden derzeit neue Konzepte bezüglich der Frequenzsynthesizer entwickelt und erprobt.

Die Linearisierung des Modulationspfades wird mit Hilfe einer Cartesian-Loop vorgenommen. Dies erfordert die Einbeziehung und Berücksichtigung zusätzlicher Signale des Basisbandes in der HF-Signalkette. Hierbei ist auch die Anpassung der Leistungsendstufen an die Basisbandparameter erforderlich.

Nach der Erstellung der Anforderungen an das HF-Frontend werden zurzeit die Bauteile ausgewählt, die einzelnen Schaltungen entworfen und bereits erste Baugruppen erstellt. Daran wird sich in Kürze die Messung, Verifizierung und Optimierung der Baugruppen anschließen.

Basisband-Signalverarbeitung

Wie in Abbildung 2 dargestellt ist, gehören zu den Aufgaben der Basisband-Signalverarbeitung typischerweise Kanalkodierung und Interleaving, Rahmen- und Bursterstellung, Modulation und Leistungsregelung auf der Senderseite und Zeit- und Frequenzsynchronisation, Demodulation (und ggfs. Kanalschätzung und Entzerrung), Kanaldekodierung und Deinterleaving auf der Empfängerseite.

Aufgrund des SDR-Konzeptes müssen diese Verfahren, die bisher größtenteils in Hardware implementiert wurden, nun ausschließlich in Software implementiert werden. Dies muss bereits bei der Auswahl und Optimierung der Algorithmen berücksichtigt werden und erfordert darüber hinaus einen neuen Designflow vom Algorithmenentwurf bis zur Implementierung in Software auf dem digitalen Signalprozessor.

Im ersten Schritt werden derzeit die Algorithmen ausgewählt und im Hinblick auf die Komplexität optimiert, wobei sichergestellt werden muss, dass die Anforderungen des jeweiligen Standards, hier TETRA, im Hinblick auf die Bitfehlerrate eingehalten werden. Dazu werden zurzeit umfängliche Simulationen mit Hilfe von Fließkommamodellen für Sender und Empfänger durchgeführt.

Da die Implementierung auf der Zielhardware in Festkommaarithmetik erfolgen soll, müssen danach aus den Fließkommamodelle Festkommamodelle erstellt werden, wobei wiederum mit Hilfe von Simulationen sichergestellt werden muss, dass die Anforderungen des Standards weiterhin eingehalten werden.

Bei der Implementierung in Software ist die Ablaufsteuerung (Scheduling) der einzelnen Signalverarbeitungsblöcke besonders kritisch. Diese wird im nächsten Schritt durch eine entsprechende Verfeinerung des Festkommamodells verifiziert.  

Danach erfolgt die Portierung auf die Zielplattform, wo nun das Echtzeitverhalten der Ablaufsteuerung optimiert und verifiziert werden kann. Dazu sind insbesondere die Schnittstellen zur HF-Baugruppe und zum Protokoll-Stack sowie die Schnittstelle zwischen dem DSP und dem Mikroprozessor zu verifizieren.

Java-Applikationsplattform

Durch die Java-Plattform soll der Nutzer in der Lage sein, seine kundenspezifische Anwendung ohne weitere Hardware direkt per Software auf dem SDR-Modem zu realisieren. Die besondere technologische Herausforderung hierbei ist, die komplette Java-Plattform neutral und unabhängig vom SDR-Modem zu gestalten.

Eine weitere technologische Herausforderung ist das Zusammenspiel von Protokoll-Stack und Java auf dem gleichen Prozessor. Hierbei sind insbesondere die laufzeitkritischen Anforderungen an den Protokoll-Stack vorrangig zu berücksichtigen, ohne dass dabei die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Applikation leidet.         
In diesem frühen Projektstadium wurden im Hinblick auf die Entwicklung der Java-Plattform lediglich Vorarbeiten durchgeführt.

Förderung und Projektdaten

Dieses Projekt wird im Rahmen des Förderprogramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BWMi) gefördert. Das Projekt wird im Rahmen der vom Land NRW anerkannten Forschungsschwerpunkte „Next Generation Services in Heterogeneous Network Infrastructures“ (NEGSIT) und „Innovative Digital Signal Processing and Applications“ (DiSPA) betrieben.