Altijd en overal ontvangst

Radiotechnologie zendt en ontvangt in een wereld waar steeds minder frequenties beschikbaar zijn. Cognitieve radio is slimme radio: het past zendparameters aan op de omgeving, zodat hulpdiensten ook met een overbelast netwerk kunnen blijven communiceren, of militairen uit het niets een netwerk kunnen opzetten.

We willen met z’n allen steeds meer bandbreedte, maar er is steeds minder vrije ruimte in het spectrum van frequenties waar bestaande technologie iets mee kan. De bekende frequenties (tot 3 GHz) zijn opgevuld met huishoudelijke apparaten (tv, fm-radio) telecommunicatie (gsm en huistelefoons) en geavanceerde toepassingen als astronomie. De hogere frequenties waarop dit moment onderzoek wordt gedaan (30-60 GHz) gedragen zich als licht. Ze buigen niet meer mee met de aarde en kunnen niet door gebouwen heen; deze hogere frequenties zijn daarom alleen geschikt voor kortere afstanden.

Project AAF

Project Adaptive Ad-hoc Freeband Communications (AAF) onderzoekt de mogelijkheden die er zijn om meer bandbreedte te verkrijgen. Het project is een samenwerkingsverband van het Telematica Instituut, het Twents Instituut Wireless and Mobile Communications (WMC), Universiteit Twente en Thales Communications Nederland. Ze kijken niet alleen naar nieuwe frequenties, maar zoeken ook manieren om bestaande frequenties beter te benutten. Ir. Hugo de Graaf van WMC is programmaleider. “Toen we uit een onderzoek leerden dat slechts 6 procent van de totale capaciteit van frequenties wordt gebruikt, ontstond het idee om daar verder mee te gaan. Het is alsof je een stad vol lege busbanen hebt, terwijl de auto’s op de weg ernaast in de file staan. Als dat zo is, waarom zou ik dan niet met mijn auto over de busbaan rijden?” Het antwoord daarop is natuurlijk omdat de vervoerder zegt dat het zijn busbaan is en hij er voor betaald heeft. Of omdat de bus geen vertraging wil oplopen omdat er andere voertuigen op zijn busbaan rijden, die niet voor de exclusiviteit hebben betaald.

Ruimte zoeken

Project AAF onderzoekt hoe de capaciteit van de ‘busbanen’ tot 50 procent kan worden opgeschroefd. Welke regels zijn dan nodig om ervoor te zorgen dat iedereen door kan rijden (en de financiën ontvangt waar hij recht op heeft)? De technologie die daarvoor gebruikt wordt staat bekend als cognitieve radio: radiotechnologie die de zendparameters verandert naar gelang zijn omgeving. Dat kan zijn efficiënt gebruik van het frequentiespectrum of aanpassen van het zendvermogen. “Eenvoudige levensvormen zijn er al”, zegt Maurits de Graaf (geen familie) van Thales Communications. “Mobiele telefoons passen hun zendsterkte voortdurend aan en ook dect zoekt automatisch naar vrije kanalen.” Complexer zijn brokken software, geprogrammeerd om in fracties van seconden beschikbare frequenties te vinden en te onderhandelen over toegang. In geval van dergelijke verfijning spreekt men ook van ‘software defined’ radio.

Met de busbaanmetafoor legt Hugo de Graaf de problemen uit die cognitieve radio moet kunnen oplossen. “Als ik een busbaan gekozen heb, hoe kan ik dan gevonden worden? Als mijn vrachtauto gelost moet worden, hoe weten de lossers dan waar ze naar toe moeten? Maar wat ik ook wil weten is waar de busbanen zitten, hoe breed ze zijn, of ik er met mijn SUV op kan rijden, met een rupsvoertuig, met een sportauto. Welke vrijheden heb ik en hoe ben ik te vinden?” Een project van lange adem, want naast de technologische uitdagingen betekent cognitieve radio ook dat er veranderingen moeten komen in de regelgeving. De overheid zegt dat de busbaan alleen voor bussen is. “De Nederlandse instanties zitten nog op de oude gedachte van niet delen. Het zal zeker nog tien jaar duren voor er daar iets verandert.”

Nood en rampspoed

Het toepassingsgebied waar project AAF zich op richt is dat van openbare orde en veiligheid. De vuurwerkramp in Enschede leerde dat in geval van een ramp, de coördinatie van hulpverleningsdiensten en de communicatie een heel groot probleem is. De burgemeester van Enschede had in zijn rol als coördinator alleen het gsm-netwerk tot zijn beschikking. Dat communicatiesysteem lag echter in no-time plat, omdat mensen vanuit heel Nederland hun vrienden en familie gingen bellen. Met cognitieve radio zou bijvoorbeeld prioriteit gegeven kunnen worden aan hulpdiensten, zodat zij altijd kunnen communiceren via de reguliere kanalen. In geval van nood is er behoefte aan zeer betrouwbare communicatiemiddelen.

In geval van extreme nood echter, zoals de aardbeving in Pakistan, de overstroming in New Orleans of de tsunami in Azië, is er niet eens sprake meer van een infrastructuur, laat staan een netwerk. Dan wil je dat hulpdiensten hun eigen netwerken meebrengen. Ook in militaire situaties is dat vaak het geval. Als je honderden manschappen naar afgelegen, vijandelijk gebied stuurt, hoe laat je die dan met elkaar communiceren en hoe voorkom je dat ongewenste partijen meeluisteren? In een adhoc mobiel netwerk vormen de radiocomponenten ook het netwerk. Het heeft geen basisstation, maar een mesh-structuur, een mazig netwerk waarin alle netwerkelementen gelijkwaardig zijn. Er is geen afhankelijkheid van een centraal element zoals bij traditionele stervormige netwerken, waardoor het systeem sneller operationeel is en robuuster. Data hopt door het netwerk tot het bij de juiste persoon is.

Soldatenpraat

De manier waarop militairen in het veld met elkaar communiceren is sterk hiërarchisch. Militairen praatten alleen met mensen binnen het eigen echelon. Informatie die ‘naar boven’ moest (bijvoorbeeld over een gesignaleerd doel), ging via die ene persoon die met een radio met een hoger echelon mocht praten. Frank Notebaard, deputy technical director van Thales Nederland, tekent traptreden in de lucht. “Commandovoering gaat eerst helemaal naar boven en dan weer helemaal naar beneden. Dat kost tijd.” Pas sinds Irak heeft iedere soldaat zijn eigen radio en kunnen ze niet alleen praten, maar ook data sturen. Ze zijn een knooppunt geworden in een radionetwerk. Waar nu aan wordt gewerkt is dat als een soldaat een doel heeft gezien, hij die data wegstuurt en het automatisch via andere applicaties bij de juiste persoon terechtkomt. Bij de persoon die een beslissing kan nemen.

Voordat het echter zover is, moet er nog wel het een en ander gebeuren. “Achttien jaar geleden maakten we netwerken en radio’s” zegt Notebaard. “De problemen die we toen moesten oplossen waren heel moeilijk, maar het waren er niet veel. De problemen nu rondom cognitieve radio zijn niet zozeer moeilijk, als wel veel. Het is het samenvoegen van netwerken en radio en dat is een lastig probleem in een complexe wereld.”