Eine neue Welle in der drahtlosen Kommunikation: Die National Radio Dynamic Zone

Jun 13, 2023

ISI leitet eine Initiative in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation (NSF), dem Idaho National Laboratory (INL) und der University of Utah (UoU), um den Frequenzzugang im ganzen Land zu erweitern

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Da die Welt beispiellose Wellen technologischer Innovation erlebt, vervielfachen sich die Kommunikationsbedürfnisse. Zwischen unseren Smartphones, Tablets, Computern und sogar Smartwatches wird es für drahtlose Kommunikationsdienste immer schwieriger, der ständig steigenden Nachfrage gerecht zu werden.

Jede neue Entwicklung erfordert einen größeren Teil einer begrenzten Ressource, die die Kommunikation über Luftwege ermöglicht, das sogenannte elektromagnetische Spektrum. Je mehr wir innovativ sind, desto mehr Frequenzzugang oder Bandbreite benötigen wir.

Wissenschaftler stellen sich eine Zukunft vor, in der wir über virtuelle Realität oder Avatare kommunizieren, was – Sie ahnen es schon – noch mehr Bandbreite erfordern würde, um zu funktionieren.

Der Clou: Diese drahtlosen Kommunikationsdienste konkurrieren auch mit wissenschaftlichen Aktivitäten wie der Radioastronomie und der Klimaforschung um den Zugang zum Spektrum. Im Moment gibt es einfach nicht genug, um herumzukommen.

Die begrenzte Verfügbarkeit von Frequenzen verhindert im wahrsten Sinne des Wortes Fortschritte in der Wissenschaft und die Entwicklung einer schnelleren Kommunikation für die Gesellschaft als Ganzes.

Wir brauchen eine Lösung, und zwar schnell.

Alefiya Hussain vom USC Viterbi Information Sciences Institute (ISI), Arupjyoti Bhuyan vom Idaho National Laboratory (INL) und Robert Ricci von der University of Utah (UoU) arbeiten gemeinsam an einem Vorschlag namens Advanced Spectrum Initiative for Research and Experimentation (STREBEN).

ASPIRE versucht, diese Bandbreitenverfügbarkeit durch ein von der National Science Foundation (NSF) gefördertes Projekt namens Spectrum Innovation Initiative: National Radio Dynamic Zones (SII-NRDZ) zu schaffen. Das Ziel von SII-NRDZ besteht darin, diese Probleme durch dynamische Frequenzteilung anzugehen.

Das SII-NRDZ-Programm unterstützt vielversprechende Projektvorschläge von Spectrum-Sharing-Forschern mit Fördermitteln. ASPIRE erhielt von der NSF die Auszeichnung „Engineering and Execution Lead“ und startete anschließend erst vor wenigen Monaten im Januar.

Im Mittelpunkt des Projekts stehen radiodynamische Zonen: geografisch begrenzte Gebiete, die in der Lage sind, elektromagnetische Energie, die in die Parameter eindringt oder diese verlässt, autonom zu regulieren und zu steuern.

Alefiya Hussain, leitende Forscherin am ISI, sagte, der Plan bestehe darin, ausgewiesene radiodynamische Zonen als Teststandorte zu nutzen, um im Rahmen von Feldversuchen mit der dynamischen Frequenzteilung zu experimentieren und nach Möglichkeiten zu suchen, wie „mehrere Einheiten harmonisch koexistieren können“. Mit anderen Worten: Das Team findet neue Wege, um den Bedürfnissen kommerzieller und wissenschaftlicher Gruppen gleichzeitig gerecht zu werden.

„Die radiodynamische Zone schafft im Wesentlichen diese Experimentierräume für Testumgebungen, die es uns ermöglichen, zu untersuchen, was eine gute Kombination aus Frequenzmultiplex oder zeitbasiertem Multiplex innerhalb des Spektrumraums ist, um es effektiv nutzen zu können“, sagte sie.

Die Vereinigten Staaten haben die Verwaltung des Frequenzzugangs durch die Erstellung eines Zuweisungsdiagramms in Angriff genommen, das in Farbcodes segmentiert, welche Frequenzen zu jedem Dienst gehören. Es hat jahrzehntelang funktioniert, aber jetzt, da wir das gesamte Spektrum nutzen, ist die Beseitigung von Ineffizienzen im Diagramm von entscheidender Bedeutung, um mehr Zugang zu ermöglichen.

Mit der Karte kann beispielsweise ein einzelner Dienst nur an der angegebenen Stelle betrieben werden, was laut Hussain verschwenderisch sein kann, da der verfügbare Frequenzzugang oft ungenutzt bleibt.

„Traditionell wurde dieses Spektrum einer Entität zugeteilt, und nur sie nutzte es. Es kam oft vor, dass sie es nicht nutzten, aber da niemand anderes es nutzen durfte, wird es mit diesem festen Zuweisungsmechanismus verschwendet.“ Sie erklärte.

Das Ziel, sagte sie, sei eine „dynamischere, flexiblere Zuweisung“, sodass die Karte eines Tages durch eine selbstregulierende dynamische Funkzone ersetzt werden könne, die sowohl den Frequenzzugang effizienter zuweist als auch ihn neu verteilt, um den unmittelbaren Bedarf zu decken.

Die Vereinigten Staaten verfügen derzeit in Virginia über eine National Radio Quiet Zone (NRQZ), in der Radioastronomie stattfindet. Dies schützt experimentelle Aktivitäten, die winzige Astronomiesignale empfangen müssen, vor Störungen. Hussain sagte, das NRQZ sei im Grunde ein „Funkvakuum“, in dem die Nutzung jeglicher Art von drahtlosen Geräten – über Telefone, Bluetooth, WLAN und andere Mittel – verboten sei.

Das NRQZ schafft Raum für passives Experimentieren, während das NRDZ aktives Experimentieren ermöglichen würde.

Stellen Sie sich das so vor: Sie befinden sich in einem Raum mit einer großen Gruppe von Menschen, die laut miteinander reden. Beim NRQZ-Szenario werden alle Personen in der Nähe stummgeschaltet, sodass Sie Gespräche in der Ferne hören können. Alternativ besteht das zweite Szenario (NRDZ), wenn Sie in der Lage wären, jedem Gespräch zuzuhören, indem Sie den Raum effektiv teilen – so dass jeder zur richtigen Zeit sprechen kann.

Nachdem mit regionalen Feldversuchen experimentiert und herausgefunden wurde, was funktioniert und was nicht, besteht das Gesamtziel darin, die aus strengen Tests gewonnenen Informationen zu nutzen, um irgendwo in den Vereinigten Staaten eine permanente, nationale Versuchsanlage zu schaffen.

Das NRDZ würde die Koexistenz angehen und den Nutzen durch dynamisches Spektrum-Sharing maximieren und gleichzeitig einen neuen Weg eröffnen, um die nächste Generation der Spektrumwissenschaft durch aktives Experimentieren zu unterstützen.

Der Durchschnittsbürger würde eine Verbesserung der Geschwindigkeit und Kommunikationsfähigkeit seiner Geräte feststellen, während die wissenschaftliche Gemeinschaft mehr Bandbreite für ihre innovativen Projekte gewinnen würde. Es ist eine Win-Win-Situation.

Zu den neuen Wissenschaften, die mit dem Spektrum möglich werden, gehören Radioastronomie und Fernerkundung, die laut Hussain Fortschritte in den Umweltwissenschaften mit sich bringen werden, etwa die Klimaüberwachung in städtischen Gebieten, die Wissenschaftlern dabei helfen könnten, „Phänomene zu beobachten, die sie vorher nicht beobachtet hatten“.

Hussain wies darauf hin, dass das NRDZ darauf abzielt, „größeren Schutz für Teleskope der nächsten Generation“ bereitzustellen, die derzeit gebaut werden und in Zukunft eingesetzt werden sollen. Diese Teleskope sind hochempfindlich und erfordern diese Spektrumsinnovation.

Das Projekt befindet sich noch in einem frühen Stadium. Tatsächlich befindet sich das Team derzeit in Phase I und plant Feldversuche. In Phase II geht es darum, die Versuche tatsächlich in regionalen radiodynamischen Zonen durchzuführen.

Obwohl der Frequenzzuteilungsplan in den letzten 20 Jahren hervorragend funktioniert hat, ist er nicht mehr in der Lage, den Anforderungen der Gesellschaft an drahtlose Kommunikation gerecht zu werden. Wir brauchen dringend eine neue, effektivere Methode zur Frequenzverwaltung, und die nationale Funkdynamikzone könnte genau das sein, was der Arzt angeordnet hat.

Die vor uns liegende Aufgabe ist keine leichte Aufgabe, aber die Auswirkungen haben das Potenzial, Spektrumlösungen zum Besseren zu verändern. Hussain sagte, das Projekt werde „nicht nur technologische Unterstützung, sondern auch gesetzgeberische Unterstützung erfordern, um auch Durchbrüche in den Wirtschafts-, Sozial- und Verhaltenswissenschaften zu ermöglichen.“

Es sieht so aus, als hätte Platon in diesem Fall Recht gehabt – die Notwendigkeit ist tatsächlich die Mutter aller Erfindungen. Die Gesellschaft braucht eine bessere Fähigkeit zur Frequenzteilung – ASPIRE macht sich daran, diese zu schaffen.

Veröffentlicht am 30. Mai 2023

Zuletzt aktualisiert am 30. Mai 2023