Abgeschlossene Projekte

Ziel des Projektes ist es, vorliegende Forschungsergebnisse im Bereich des Cognitive Radio zu validieren. Es soll festgestellt werden, ob die Ergebnisse wirtschaftlich verwertet werden können oder ob ggf. Weiterentwicklungen vorzunehmen sind.

Dazu werden die Forschungsergebnisse der Partner in einen Prototypen überführt, mit dessen Hilfe deutliche Effizienzsteigerungen bei der Ausnutzung zur Verfügung stehender Funkressourcen im industriellen Umfeld nachgewiesen werden sollen.

Der geplante Prototyp verwendet neue Verfahren aus dem Bereich Spectrum Sensing, wobei Signalanalyse und -synthese durch Algorithmen der Zeit-Frequenz-Analyse leistungsfähiger ausgestaltet werden. Neuartige Verfahren zur Kanalprädiktion sowie für den Kanalzugriff sind weitere Bestandteile der geplanten Lösung und sollen zu einem optimalen Ressourcen-Management führen.

Die Validierung der Forschungsergebnisse erfolgt auf Basis einer ausgedehnten Messkampagne in einem realen industriellen Umfeld, das typische Kommunikationssituationen und Störszenarien aufweist. Im Vorfeld werden dazu Testszenarien und -abläufe definiert.

Hinsichtlich der begrenzten Funkressourcen im industriellen Umfeld, restriktiver Nutzungsbedingungen sowie den hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Übertragung soll der geplante Prototyp eine deutliche Effizienzsteigerung nachweisen.

Dem in den letzten Jahrzehnten erzielten Fortschritt auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation ist es zu verdanken, dass aktuell mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung drahtlos und mobil kommunizieren kann. Nachdem zunehmend entsprechende Kommunikationssysteme den Zugang zu einer breitbandigen Informationsinfrastruktur ermöglichen, wird zukünftig die Bereitstellung unterschiedlicher Funktionalität im Rahmen massiv vernetzter, drahtloser Sensor- und Kommunikationssysteme die Lebens- und Arbeitswelt revolutionieren. Für diese so genannte ubiquitäre Kommunikation – die hochgradige Vernetzung von Nutzern, Rechnern und physikalischen Objekten an jedem Ort und zu jeder Zeit – ist die Weiterentwicklung wissenschaftlicher Methoden und Werkzeuge, die Entwicklung neuer Basistechnologien sowie neuer Kommunikationsparadigmen zwingend notwendig.

Eine unabhängige Studie des aus Wirtschaft, Politik und Verwaltung zusammengesetzten internationalen Konsortiums "The Climate Group" zeigt, dass sich die durch Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) verursachten CO2-Emissionen – zurzeit 2% der gesamten CO2-Emissionen – bis 2020 verdoppeln werden. Gleichzeitig kann durch die einzigartigen Möglichkeiten von Sensornetzwerken die Energieeffizienz durch Überwachung und Optimierung verbessert werden. So können auch außerhalb des IKT-Sektors die CO2-Emissionen um insgesamt bis zu 10% der weltweiten Gesamtemissionen gesenkt werden. Dies entspricht einer Einsparung von 7,8 Gigatonnen CO2 pro Jahr bezogen auf 2020. Dieses Einsparungspotential übersteigt den aktuellen jährlichen Ausstoß von CO2 der Vereinigten Staaten oder der Volksrepublik China und ist nur durch die Weiterentwicklung und den konsequenten Einsatz von IKT erreichbar.

Neben den genannten Energieeinsparungen ergeben sich vielfältige neuartige Anwendungen und damit verbundene wissenschaftliche Fragestellungen, die sich in den Kontext einer so genannten Smart City einordnen lassen. Dieses Konzept erfordert eine intelligente Umgebung, in der Dienste, die das tägliche Leben unterstützen, allgegenwärtig zur Verfügung stehen. Eingebettet in eine Smart City sind intelligente häusliche Umgebungen (smart home), intelligente Transportsysteme (smart transport), drahtlose persönliche Netze (PAN) und drahtlose Basisnetze. Um diese Vision zu ermöglichen, ist eine Infrastruktur notwendig, in der sämtliche Geräte in einer kooperativen Weise drahtlos miteinander kommunizieren können. In einem solchen Netzwerk mit einer hohen Anzahl von mobilen und stationären Knoten und unter Berücksichtigung verschiedener Dienstgütekriterien (unter anderem der Datenrate oder der Latenzanforderungen) sind folgende Aspekte von elementarer Bedeutung:

• Flexible und skalierbare Netzwerk- und Komponentenarchitekturen

• Effizientes Ressourcenmanagement

• Sicherheits- und kontextsensitive, qualitätsorientierte Dienste

• Interferenzresistente, kooperative Kommunikation

• Energie- und bandbreiteeffiziente drahtlose Kommunikation

• Rekonfigurierbare Transceiver-Architekturen.

Aufgrund der enorm hohen Knotenanzahl und -dichte werden neuartige Ansätze zur Lösung der genannten Anforderungen benötigt, etwa Strategien zum Interferenz-Management, skalierbare Architekturen zur Unterstützung heterogener Netze und Dienste sowie Realisierungsmöglichkeiten energieeffizienter und rekonfigurierbarer Transceiver-Architekturen.

Ziel des gemeinsam mit der TU Darmstadt im Rahmen des LOEWE-Programms durchgeführten LOEWE-Schwerpunkts Kooperative Sensorkommunikation (COCOON) ist die Etablierung eines interdisziplinären Forschungs­schwerpunkts, der grundlegende wissenschaftliche Frage­stellungen der kooperativen Sensorkommunikation adressiert. Es sollen wissenschaftliche Methoden und Werkzeuge für die kooperative Sensorkommunikation entwickelt und in einer Plattform thematisiert werden. Ausgangspunkt ist die Annahme einer dynamischen Anordnung von räumlich verteilten, autonomen, als gegeben vorausgesetzten Sensoren, die die Knotenpunkte eines komplexen Kommunikationsnetzwerkes darstellen, wobei keine neuartigen Sensoren oder Sensortechniken entwickelt werden sollen.

In diesem gemeinsam mit der Universitätsklinik Düsseldorf durchgeführten Projekt werden die Simulation und experimentelle Verifikation der Radiofrequenzablation für Nierentumore untersucht. Mittels eines speziellen Applikators, der in einem ambulanten Vorgang in das betroffene Gebiet des Patienten eingebracht wird, speist ein Generator einen hochfrequenten elektrischen Strom ein, der mit der Zeit zu einer Erwärmung des erkrankten Bereichs und somit zur Abtötung der Tumorzellen führt. Ziel ist es, ein Computermodell zu erstellen, das die Veränderungen der Gewebestruktur, hervorgerufen durch die Erwärmung, im Verlauf der Behandlung berücksichtigt, um eine entsprechende Planung der Dosen vor einem Eingriff durchführen zu können. Hierfür kommen verschiedene Simulationsprogramme zur Anwendung wie z.B. das Softwarepaket Femlab der Firma Comsol, das die Berechnung von gekoppelten partiellen Differenzialgleichungen, wie sie bei der Beschreibung des vorliegenden Problems auftreten, ermöglicht. Dies sind zum einen die Biowärmeleitungsgleichung und zum anderen die Gleichungen zur Beschreibung der elektromagnetischen Feldgrößen. Hinzu treten die Navier-Stokes-Gleichungen der Fluiddynamik zur Berücksichtigung der Perfusion, die durch Blut- und Urinfluss in der Niere entsteht und zur Abkühlung des Zielgebiets führt. Die Simulation wird verglichen mit Ergebnissen eines experimentellen Aufbaus im Labor. Um die Resultate in einer realen Umgebung zu verifizieren, werden Musterbehandlungen an Schweinen durchgeführt, wobei Messsonden den Temperaturverlauf als Zeitfunktion an unterschiedlichen Positionen im Zielgewebe aufnehmen.