Kompressive Abtastung und spektrales Sensing für kognitive Funksysteme und Funküberwachung
Compressed Localization And Spectrum Sensing for Cognitive Radio and Distributed Radio Surveillance (CLASS)
- Professor Dr. Rudolf Mathar
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Fakultät für Elektro- und Informationstechnik
Lehrstuhl für Theoretische Informationstechnik
- Prof. Dr.-Ing. habil. Reiner S. Thomä
Technische Universität Ilmenau
Fachgebiet Elektronische Messtechnik
Zusammenfassung
Detektion, Identifikation und Lokalisierung von breitbandigen Funkaussendungen ist ein aktuelles und anspruchsvolles Forschungsgebiet in der HF- und Kommunikationstechnik. Nach den Regeln der International Telecommunication Union (ITU) wird die Funküberwachung im Auftrag staatlicher Regulierungsbehörden für das Management der zugewiesenen Frequenzbänder und zur Überwachung ihrer legalen Nutzung durchgeführt. Mit zukünftigen frequenzagilen kognitiven Zugangssystemen wird ihre Bedeutung sogar weiter wachsen. Neuerdings erlangt die Funküberwachung außerdem eine erhöhte Bedeutung für Antiterrormaßnahmen, die öffentliche Sicherheit und die Bergung und Rettung in Katastrophensitutationen. Wir betrachten ein Netzwerk von räumlich verteilten Funküberwachungsknoten, die sowohl gegenseitig als auch mit einem Fusionszentrum verbunden sind. Über diese Verbindungen werden die Daten eingesammelt und die Funktion der Knoten gesteuert. Diese sind in der Lage, ein breites Frequenzband in Frequenz und Zeit zu überwachen, ortsbezogene Parameter, wie Richtung und Laufzeitdifferenz sowie Feldstärke einfallender Wellen zu schätzen. Ein Abbild der räumlichen Verteilung der Funkemitter in einem bestimmten Gebiet wird durch Fusion aller vorhandenen Daten bestimmt. Der hauptsächliche Forschungsbeitrag resultiert aus der konsequenten Anwendung der Methoden der kompressiven Abtastung. Dabei handelt es sich um ein relativ neues mathematisches Verfahren, das die effiziente Erfassung und Darstellung von schwach besetzten Datenstrukturen hoher Dimension erlaubt. Das trifft hier zu, da die betrachteten Funkaussendungen nur einen eher kleineren Teil des gesamten Frequenzbandes belegen und zudem zeitlich nicht kontinuierlich aktiv sind. Auch bezüglich des Ortes der Aussendung und der Vielfalt der Modulationsformate kann das Problem als schwach besetzt charakterisiert werden. Gegenüber konventioneller Nyquist-Abtastung führt die kompressive Abtastung zu einer beträchtlichen Reduzierung des Datenvolumens. Damit wird auch angesichts der begrenzten Datenrate zwischen den Knoten eine Kooperation der Koten untereinander und mit dem Fusionszentrum ohne wesentlichen Informationsverlust ermöglicht. Gleichzeitig führt das zu völlig neuen und ungewöhnlichen Konzepten für Abtastfunktionen und Architekturen von breitbandigen Empfängern für die spektrale Detektion, die Richtungsschätzung sowie für die Lokalisierung in kooperativen Sensornetzen. Eine weitere Innovation kommt von der konsequenten Betrachtung der Mehrwegausbreitung, die nicht einfach als Belastung aufgefasst, sondern gezielt ausgenutzt wird, um die Ergebnisse sogar zu verbessern. Dieser Projektvorschlag ist eingebettet in die German-Colombian Collaborative Research Initiative auf dem Gebiet der Elekrotechnik (GeCoCo-EE) zwischen der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem kolumbianischen Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnologia e Innovación (COLCIENCIAS).
Preprints
Publications
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A. Lavrenko, F. Römer, S. Stein, D. Cohen, G. Del Galdo, R. S. Thomä, and Y. C. Eldar. Spatially resolved sub-Nyquist sensing of multiband signals with arbitrary antenna arrays. In: 2016 IEEE 17th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications. Edinburgh, United Kingdom, July 2016
A. Lavrenko, A. Sosa, A. Navarro, and R. S. Thomä. Interference detection in centralized cooperative spectrum sensing from sub-Nyquist samples. In: 2016 IEEE 27th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications. Valencia, Spain, Sept. 2016.
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