Cognitive-Radio-Systeme Intelligente Funkmikrofone

Die Hersteller von professioneller, drahtloser Produktionstechnik sehen sich zunehmend mit steigenden Anforderungen für den interferenzfreien Betrieb ihrer Systeme konfrontiert. Die Gründe dafür liegen in der »Digitalen Dividende« sowie Änderungen der Regulierung in verschiedenen Ländern für den Frequenzbereich von 470 MHz bis 862 MHz. Ein Ansatz zur Lösung dieser Problematik stellt die Cognitive-Radio-Technik dar, wobei die vorherrschende Funkumgebung überwacht und daraus gegebenenfalls die Entscheidung für einen Frequenzwechsel im Falle einer Störung getroffen wird.

Drahtlose Mikrofone stellen seit vielen Jahren einen wesentlichen Teil für alle Arten von Medienproduktionen dar. Neben Funkmikrofonen gehören sowohl die technische Ausstattung von mobilen Reporterteams zur elektronischen Berichterstattung als auch beispielsweise Systeme für den Audio-Rückkanal direkt am Ohr von Künstlern oder Moderatoren (engl. In-Ear Monitoring) zur Gruppe der sogenannten PMSE-Geräte (Program Making and Special Events). Ohne solche Systeme sind heutzutage Fernsehproduktionen, Sportveranstaltungen, Theateraufführungen oder Live-Konzerte nicht mehr denkbar. Am Beispiel von Funkmikrofonen werden die Herausforderungen für den Betrieb solcher Systeme nun näher erläutert.

Verglichen mit anderen Funkkommunikationssystemen wie beispielsweise dem Mobilfunk oder drahtlosen lokalen Netzwerken sind die Anforderungen an professionelle Funkmikrofone sehr unterschiedlich. Die höchste Priorität für die Übertragung des Audiosignals bei professionellen Systemen liegt beim interferenzfreien Betrieb. Störendes Rauschen in der Signalübertragung oder sogar ein Zusammenbruch der Funkstrecke sind beispielsweise während einer Live-Produktion nicht hinnehmbar. Ein Dynamikbereich des zu übertragenden Audiosignals von bis zu 120 dB, 100% Verfügbarkeit während des Betriebs und eine Umlaufzeit (Zeit von Spracheingabe am Mikrofon bis Sprachausgabe am In-Ear-Monitor) von maximal 5 ms stellen sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Systemkomponenten [1].

Aus diesen Gründen wird bis heute vorwiegend die analoge Frequenzmodulation (FM) als Übertragungsverfahren eingesetzt, wobei die im Standard vorgeschriebene spektrale Sendemaske mit einer Kanalbandbreite von 200 kHz eingehalten werden muss. Erst seit einigen Jahren finden nun auch digitale Systeme im professionellen Bereich ihren Einsatz.

Für die Durchführung einer Veranstaltung mit drahtloser Produktionstechnik erfolgt im Vorfeld eine detaillierte Frequenzplanung auf Basis der gerade vorherrschenden Spektrumsbelegung sowie die Berechnung intermodulationsfreier Frequenzen. Danach werden die Funkstrecken für die Dauer des Events fest konfiguriert. Ein Frequenzwechsel ist dabei ohne manuellen Eingriff nicht möglich. Der Nutzfrequenzbereich liegt momentan im TV-Bereich des UHF-Bandes von 470 MHz bis 790 MHz, wo Funkmikrofonstrecken als Sekundärnutzer gegenüber dem digitalen Rundfunk (DVB-T) als Primärnutzer zum Einsatz kommen.

Mit der »Digitalen Dividende 1« wurde der Frequenzbereich von 790 MHz bis 862 MHz bereits an den Mobilfunk zum Ausbau des LTE-Netzes in den ländlichen Gebieten versteigert. Dieses Frequenzband darf noch bis zum 31.12.2015 für Funkmikrofone verwendet werden, wobei kein interferenzfreier Betrieb gewährleistet wird. Im Gespräch ist bereits die »Digitale Dividende 2«, die das Nutzband für PMSE-Geräte auf Frequenzen von 470 MHz bis 694 MHz um weitere 96 MHz reduzieren würde [2]. Zudem wurde das TV-Band für sogenannte »White Space Devices« freigegeben, was den zuverlässigen Betrieb von drahtlosen Mikrofonen weiter erschwert. Es wird deutlich, dass der Einsatz professioneller Funkmikrofone aufgrund verschiedener koexistierender Geräte in einem gemeinsamen und dichter belegten Frequenzbereich eine große Herausforderung für den zuverlässigen Betrieb mit sich bringt.

Forschungsprojekt C-PMSE

An diesem Punkt setzt das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Forschungsprojekt »C-PMSE« (Cognitive PMSE) an und stellt einen möglichen Lösungsansatz basierend auf der Cognitive-Radio-Technologie vor. Die Ziele sind zum einen eine automatisierte Frequenzplanung unter Berücksichtigung eines von der Regulierungsbehörde zugewiesenen Frequenzbandes sowie der aktuellen Belegung des Funkspektrums am Veranstaltungsort. Zum anderen zielt das Konzept nicht auf ein hochdynamisches Cognitive-Radio-System ab, sondern soll vielmehr Funkmikrofone vor Interferenzen und White-Space-Devices schützen. Die Kernkomponente des Systems ist die sogenannte »Cognitive Engine« (CEN). Beim Systemstart führt die CEN eine initiale intermodulationsfreie Frequenzplanung für alle angeschlossenen Funkmikrofonstrecken durch. Im Betrieb werden dann fortlaufend neue Lösungen berechnet, die auf der Verbindungsqualität pro Strecke sowie einer Risikobewertung der aktuellen Funkumgebung basieren. Sofern eine bessere als die aktuell verwendete Lösung vorliegt, wird die Frequenz gewechselt.

Die Risikobewertung erfolgt mit den Daten eines Netzwerks zur Spektrumsbeobachtung. Dieses Scanning-System besteht aus räumlich verteilten Sensorknoten in Form von »Scanning Receivern« (SCR) mit breitbandiger Antenne sowie dem »Scanning Controller« (SCC) als zentraler Einheit zur Fusion und Speicherung der Daten. Mit dem Scanning-System lässt sich eine Karte der Funkumgebung als Leistungsdichtespektrum über Frequenz, Zeit und Ort im UHF-Band von 470 MHz bis 870 MHz erzeugen. Bild 1 zeigt ein Blockdiagramm des C-PMSE-Systems.

Der Scanning-Controller besteht im Wesentlichen aus einer Datenbank, einer Einheit zur Verwaltung von Messaufträgen sowie einer Kommunikationseinheit für jeden Scanning-Receiver. Der Datenaustausch mit der Cognitive-Engine erfolgt asynchron über die Datenbank. Darin werden in einer Tabelle die Messaufträge mit Frequenzbereich und ausgewählter Zone gesammelt. Eine Zone besteht aus einer Gruppierung von Scanning-Receivern, so entspricht beispielsweise ein Raum mit vier Sensorknoten einer Zone. Die Einheit zur Verwaltung der Messaufträge triggert entsprechende Aktionen. Liegen die Ergebnisse von allen Empfängern in einer Zone vor, werden diese fusioniert und als Ergebnis in einer Tabelle der Datenbank abgelegt.

Bei der Datenfusion wird der aktuelle Rauschgrund an jedem Empfänger berücksichtigt, da dieser von der gesamten Eingangsleistung abhängt und somit den Dynamikbereich des Analogteils begrenzt. Der Fusionsalgorithmus kombiniert die Messergebnisse deshalb nicht als Spitzen- oder Mittelwert, sondern vielmehr als Funktion des Rauschgrunds pro Empfänger. Mit diesem Verfahren lässt sich der Dynamikbereich in einem Netzwerk gegenüber einem einzelnen Empfänger erhöhen. Endgültige Ergebnisse liegen hierzu leider noch nicht vor, da sich das Verfahren aktuell noch im Forschungsstadium befindet.