Nach einer Beschlussfassung der Bundesregierung im Jahr 2000, sollen die deutschen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) im Jahr 2006 ein neues Funksystem bekommen. Dieses neue Funksystem soll das derzeitige überholungsbedürftige analoge Funksystem ablösen.
Seit dieser Beschlussfassung sind zahlreiche Ausschüsse ins Leben gerufen worden, um die zukünftigen Anforderungen der BOS bei der Systemauswahl berücksichtigen zu können. In einem Pilotprojekt, im Länderdreieck Aachen, wird derzeit ein Systemstandard der ETSI getestet (TETRA25), welcher den Anforderungen der BOS am meisten gerecht wird. Dabei handelt es sich um ein Funksystem, was mit dem GSM-Funksystem der Mobiltelefonanbieter verglichen werden kann. Die innere Struktur und das Zusammenspiel der deutschen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben sind weltweit einmalig. Diese Struktur soll auch nach der Einführung des neuen Funksystems erhalten bleiben. Aus diesem Grund muss das neue Funksystem den Anforderungen der polizeilichen Behörden, der Feuerwehr, dem Katastrophenschutz, sowie dem Rettungsdienst gerecht werden. Diese Vorgaben konnten im Aachener Pilotprojekt bis auf einen Punkt eingehalten
werden.
Der ETSI-Standard (TETRA25) berücksichtigt keine Funkalarmierung. Nur durch
eine Änderung des Standards oder durch eine sehr aufwendige und kostspielige Anpassung der Endgeräte könnte dieser fehlende Punkt beseitigt werden. Eine Abänderung des TETRA25 Standards für die deutsche BOS geht zu Lasten der internationalen Interaktion der TETRA 25 Funksysteme und scheidet somit aus.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Vorgeschichte
1.2 Grundgedanke dieser Diplomarbeit
2 Die BOS und ihr Funksystem
2.1 Definition BOS
2.2 Das Funknetz der BOS
2.3 Die analoge Alarmierung
2.3.1 Notwendigkeit und Anwender
2.3.2 Definition und Geschichte
2.3.3 5-Ton-Folgeruf
2.3.4 Alarmierungsverfahren
2.3.5 Anwendung und Praxis
2.3.6 Pro und Kontra analoge Alarmierung
3 Unterstützungsansätze und Spezifikation
3.1 Unterstützungsansätze
3.2 Spezifikation
3.2.1 Grundeigenschaften
3.2.2 Fachkonzept und Funktionsmodell
3.2.3 Organisationskonzept
3.2.4 Anwendungsanalyse
4 Analyse des Audiosignals
4.1 Grundlagen
4.2 A/D-Umsetzung
4.3 Das Abtasttheorem
4.4 Analyse der Abtastwerte
4.4.1 Zählen der Nulldurchgänge der Niederfrequenz
4.4.2 Analyse des Frequenzspektrums
4.5 Diskrete Fouriertransformation
4.6 Fast-Fouriertransformation
4.7 Leckeffekt und Fensterung
5 Konstruktion
5.1 Modularisierung
5.1.1 Komponenten
5.1.2 Serverkomponente
5.1.3 Clientkomponente
5.1.4 Hilfskomponente
5.2 Prozessorganisation
5.2.1 Prozessorganisation Server
5.2.2 Prozessorganisation Client
5.3 Auswahl Programmiersprache
5.4 Datenmanagement
5.5 Netzwerkprotokoll
6 Programmierung in Java
6.1 Klasse BOSLS-SoundDecoder
6.2 Klasse BOSLS-SoundsuccessionDecoder1
6.2.1 Kontrolle der Tonlänge
6.2.2 Zusammenstellung der Ruftonfolge
6.3 Klasse BOSLS-Spectrum
6.4 Klasse BOSLC-Display
6.5 Nicht realisierte Funktionalitäten
6.5.1 Threads und gemeinsamer Speicherbereich
6.5.2 Clientschwund
6.5.3 Fehlerbehandlung
7 Programmbeschreibung
7.1 Systemanforderungen
7.2 BOSL-Server
7.3 BOSL-Client
7.4 Externe Anwendungen
8 Schlusswort und Ausblick
A Auszugsweiser Programmiercode
A.1 Server
A.1.1 BOSLS_SoundDecoder.java
A.1.2 BOSLS_SoundsuccessionDecoder1.java
A.1.3 BOSLS_SoundsuccessionDecoder2.java
A.1.4 BOSLS_Spectrum.java
A.2 Client
A.2.1 BOSLC_SoundsuccessionHandling.java
A.2.2 BOSLC_SoundsuccessionAction.java
A.2.3 BOSLC_Display.java
B CD-Datenträger
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit hat zum Ziel, die analoge BOS-Alarmierung effizienter zu gestalten, indem analoge Signale mittels Software (Java und FFT) erkannt, digitalisiert und weiterverarbeitet werden, um die Kommunikation der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) zu unterstützen.
- Entwicklung eines softwarebasierten BOS-Meldeempfängers
- Analyse und Dekodierung des analogen 5-Ton-Folgerufs
- Einsatz digitaler Signalverarbeitung (FFT) zur Signalerkennung
- Realisierung einer Server-Client-Architektur zur Alarmüberwachung
Auszug aus dem Buch
4.4.2 Analyse des Frequenzspektrums
Ein anderer Ansatz liegt in der Berechnung des Frequenzspektrums der empfangenen Niederfrequenz. Dabei werden alle erkannten Frequenzen ihrem Anteil nach in einem Diagramm (Spektrum) gewichtet. Ist in diesem Spektrum die Frequenz des gesuchten Sinustones mit einem entsprechenden Anteil vertreten, so konnte sie eindeutig identifiziert werden (siehe Abbildung 4.2).
Verschmierte Signale liefern hier ein breites Spektrum mit vielen Frequenzanteilen. Das Nutzsignal mit der entsprechenden Sinusfrequenz lässt sich jedoch problemlos erkennen. Eine sichere Dekodierung ist somit auch bei gestörten Nutzsignalen möglich.
Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist der relativ hohe Rechenaufwand, welcher Dank einschlägiger Algorithmen erheblich minimiert werden kann.1 Moderne Personalcomputer sind mittlerweile in der Lage eine „Echtzeitberechnung“ des Frequenzspektrums durchzuführen.
Dieser Ansatz ist aufgrund der genannten Eigenschaften sehr gut zur Auswertung der Ruftonfolgen der BOS geeignet und wird daher in den folgenden Abschnitten näher betrachtet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die historische Entwicklung und die Problematik des analogen Funksystems der BOS in Deutschland sowie das Ziel der Arbeit, eine unterstützende Softwarelösung zu entwickeln.
2 Die BOS und ihr Funksystem: Erläutert die Struktur der BOS, die Organisation ihres Funknetzes und die technischen Details des 5-Ton-Selektivrufverfahrens.
3 Unterstützungsansätze und Spezifikation: Analysiert verschiedene Unterstützungsszenarien und definiert die Anforderungen für ein softwarebasiertes System, basierend auf einer Server-Client-Architektur.
4 Analyse des Audiosignals: Behandelt die theoretischen Grundlagen der Signalverarbeitung, insbesondere die A/D-Umwandlung, das Abtasttheorem, die Fouriertransformation sowie Methoden zur Reduzierung des Leckeffekts.
5 Konstruktion: Detailliert die Softwarekonstruktion unter Verwendung von Modularisierung, wobei die Funktionalitäten in Komponenten und Klassen für Server- und Client-Applikationen gegliedert werden.
6 Programmierung in Java: Beschreibt die konkrete Implementierung komplexer Algorithmen und Klassen, wie den SoundDecoder und den SoundsuccessionDecoder, in Java 2.
7 Programmbeschreibung: Gibt eine praktische Anleitung zur Nutzung des BOSL-Servers und des BOSL-Clients sowie der externen Anwendungsschnittstellen.
8 Schlusswort und Ausblick: Bewertet die Ergebnisse der Diplomarbeit, bestätigt die Zuverlässigkeit des Programms und bietet einen Ausblick auf künftige Weiterentwicklungsmöglichkeiten.
A Auszugsweiser Programmiercode: Beinhaltet die Quellcode-Listings der zentralen Klassen des Systems.
Schlüsselwörter
BOS, Analoge Alarmierung, 5-Ton-Folgeruf, Java, FFT, Signalverarbeitung, Server-Client-Architektur, Frequenzanalyse, Leckeffekt, Fensterung, FME, Funkmeldeempfänger, Spektralanalyse, Dekodierung, Netzwerkschnittstelle
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der digitalen Weiterverarbeitung analoger BOS-Funksignale mittels moderner Softwaretechniken, um Einsatzkräfte effizienter zu alarmieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentral sind die BOS-Struktur, die analoge Alarmierungstechnik, die digitale Signalverarbeitung (DSP) und die softwaretechnische Implementierung in Java.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Entwicklung eines Programms (BOSL), welches analoge Alarmaussendungen erkennt und digital weiterverarbeitet, um Anwender bei ihrer Arbeit zu unterstützen.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Zur Signalanalyse wird vorwiegend die Fast-Fouriertransformation (FFT) eingesetzt, um das Frequenzspektrum des Audiosignals in Echtzeit auszuwerten.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Analyse des Audiosignals, die softwaretechnische Spezifikation und Konstruktion sowie die konkrete Implementierung in Java.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie BOS, 5-Ton-Folgeruf, FFT, Frequenzspektrum, Server-Client-Architektur und Java-Programmierung definieren.
Warum ist die Fast-Fouriertransformation für das Projekt entscheidend?
Sie ermöglicht eine effiziente und schnelle Berechnung des Frequenzspektrums, um die ZVEI-Tonfolgen der analogen Alarmierung präzise identifizieren zu können.
Welche Rolle spielt die Fensterung in der Analyse?
Die Fensterung (z.B. mittels Hann-Funktion) ist notwendig, um Sprungstellen bei der Signalabtastung zu glätten und so den Leckeffekt zu unterdrücken, der sonst eine korrekte Auswertung verhindern würde.
- Arbeit zitieren
- Nico Pelz (Autor:in), 2004, Umsetzung eines BOS-Meldeempfängers auf Softwarebasis mittels Java und FFT. Inklusive auszugsweisem Programmiercode für Clientkomponente, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/26135
