SOFT
Selbstorganisierende Funkübertragungstechnik
| Laufzeit: | 01.07.2009 - 31.10.2012 |
| Leitung: | Prof. Dr.-Ing. Horst Hellbrück |
| Mitarbeiter: | Dipl.Ing. (FH) Tim Esemann |
Hintergrund
Abb.1: Patientenüberwachung mit drahtlosen Sensoren.
Die zunehmende Leistungsfähigkeit von eingebetteten Systemen und die fortschreitende Miniaturisierung der Hardware inkl. Sensoren und Aktoren ermöglichen in der Medizintechnik neuartige Systeme in der Prototypen- und Produktentwicklung. Speziell im Bereich der mobilen Anwendungen erleichtern drahtlose Übertragungstechnologien den komfortablen Einsatz und die damit notwendige Nutzerakzeptanz.
Funkstandards, die sich im Bereich der mobilen Anwendungen durchgesetzt haben, sind IEEE 802.15.4 (ZigBee) oder auch Bluetooth. Da die Medizintechnik in Zukunft besonders stark von diesen Technologien profitieren wird, stellen Sie den Schwerpunkt unserer Forschungsarbeit dar.
Ziel
Abb.2: Ausnutzung des freien Frequenzspektrums
Durch die Vielzahl der Einsatzmöglichkeiten von Funksystemen für Anwendungen in der Medizintechnik, wird in Zukunft die Herausforderung bestehen, die Koexistenz der verschiedenen Funkübertragungen zu gewährleisten. Koexistenz ist dann erreicht, wenn die Funkübertragungen sich nicht gegenseitig stören bzw. beeinflussen.
Das Ziel dieses Projektes ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit und Zukunftssicherheit von Funkübertragung in medizinischen Anwendungen mittels Cognitive Radio. Der Fokus liegt in der Modellbildung, Software-Architektur und Algorithmen sowie Protokollen für eine selbst-organisierende Sendeempfangsanlage (Transceiver). Ein weiteres Ziel des Projekts besteht in der Untersuchung von bereits implementierten Funkübertragungen unter Einwirkung von Interferenz durch andere Funkübertragungen.
Ansatz
Cognitive Radio und Software Defined Radio
Abb.3: Konzept Software Defined Radio.
Die Aufgabe von Cognitive Radio besteht in der Wahrnehmung der Umgebung und der gegebenen Funkübertragungsbedingungen. Mit diesen Informationen werden dynamisch die optimalen Funkübertragungsparameter ausgewählt. Hierdurch soll die Koexistenz mit konkurrierenden Funkübertragungen verbessert werden. Für die Umsetzung der Funktionalitäten eines Cognitive Radios eignen sich hervorragend sogenannte Software Defined Radios (SDR).
In einem Software Defined Radio wird lediglich die Frequenzumsetzung und Digitalisierung in Hardware umgesetzt. Die komplette Signalverarbeitung im Basisband ist danach in Software realisiert. Dies ermöglicht eine flexible Erweiterung eines herkömmlichen Transceivers zu einem selbst-organisierenden Transceiver, bei der sowohl die Empfangsparameter als auch die Sendeparameter dynamisch aufgrund von Messungen der Funkumgebung verändert werden können.
Ergebnisse
Im Rahmen des Projekts ist ein Software Defined Radio Netz entstanden, das auch neben dem Einsatz in der Forschung eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten für Abschlussarbeiten und Studienprojekte bietet. Desweiteren kann es in die Lehre eingebunden werden, um den Studenten anschaulich die Theorien der Signalverarbeitung in einer laufenden Funkübertragung zu verdeutlichen.
Zu Beginn des Projektes wurde eine Anforderungsanalyse und Bestandsaufnahme für Funkübertragungen in der Medizintechnik durchgeführt. Basierend darauf wurde die Fähigkeit zur Koexistenz von existierenden Funksystemen untersucht. Mit den Ergebnissen konnte ein Modell des Funkkanals, der dynamischen Funkumgebung und zur Verbesserung der Koexistenz von verschiedenen Funkübertragungen entwickelt werden.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen der Modellbildung wurden Verbesserungsvorschläge bereits existierender Funkstandards erarbeitet und in einem Konzept zur Implementierung einer selbst-organisierenden Funkübertragung umgesetzt. Dieses Konzept beinhaltet ein Verfahren zur Erkennung von konkurrierenden Funkübertragungen die zur gleichen Zeit und überlappend im Frequenzbereiche senden. Hierfür werden die Signalanteile der konkurrierenden Übertragung aus dem empfangenen Signal im Empfänger herausextrahiert.
Die anschließende Analyse dieser Signalanteile kann dann konkurrierende Funksender identifizieren. Hierfür wurde ein herkömmlicher Funk-Sendeempfänger um zusätzliche Signalverarbeitungsblöcke erweitert und prototypisch in einem Software Defined Radio implementiert. Dieser Sendeempfänger kann somit Interferenzen auch während der eigenen Übertragung erkennen und dann die Übertragungsparameter dynamisch anpassen. Mit dieser Interferenz Identifikation wird die Wahrnehmung der Funkumgebung verbessert und somit die Zuverlässigkeit der Funkübertragung erhöht.
Verwertung der Ergebnisse
Eine Verwertung der durch SoFT entwickelten Funkübertragung, Algorithmen und Testverfahren zur Koexistenz verschiedener Funkübertragungen lassen sich als Evaluationsplattform für Forschungsprojekte und Industriefirmen unmittelbar vermarkten.
Hierzu konnten Beratungsdienstleistungen für Logistikunternehmen zur Verbesserung existierender Funkinstallationen angeboten werden. Die Anfrage zeigt, dass die Arbeiten und Ergebnisse im Projekt SoFT nicht nur für Firmen aus der Medizintechnik interessant sind, sondern auch in anderen Bereichen anwendbar sind.
Aus den Vorarbeiten in diesem Projekt ist ein neues Forschungsprojekt in der CoSA Forschungsgruppe entstanden. Dieses Projekt, „SoCoR - Strategies for Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks“, untersucht die Kooperation von mehreren Cognitive Radios zur Verbesserung der Detektion von konkurrierenden Funkübertragungssystemen. Es wird vom Deutschen Akademischen Auslandsdienst (DAAD) gefördert.
Die beschafften Software Defined Radio-Arbeitsplätze, das Messgerät und der Simulationsrechner können sehr gut in weiteren Forschungsprojekten eingesetzt werden.
ProjektpartnerDas Projekt TGZ wird in Kooperation mit dem Centrum Industrielle Biotechnologie (CIB) der Technischen Hochschule Lübeck und dem BioMedTec Wissenschaftscampus durchgeführt. Es ist Teil der Förderung „Kooperationsmanagement der Gesundheitstechnologie am Standort Lübeck“, welche durch das "Landesprogramm Wirtschaft" der Europäischen Union, des Bundes und des Landes Schleswig-Holstein finanziert wird. | Gefördert durch | |
| Bundesministerium für Bildung und Forschung
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Institut für Telematik, Universität zu Lübeck
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