In
st
yt
ut
Te
lekomu
nik
ac
ji
1
Jarosław Michalak
ITK WEL WAT
jmichalak@wat.edu.pl
Radiostacja reprogramowalna
i radiostacja inteligentna (SRD i CR)
Wiadomości podstawowe
In
st
yt
ut
Te
lekomu
nik
ac
ji
1
Jarosław Michalak
ITK WEL WAT
jmichalak@wat.edu.pl
Radiostacja reprogramowalna
i radiostacja inteligentna (SRD i CR)
Wiadomości podstawowe
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
2
Tematyka
Wprowadzenie
Radiostacja reprogramowalna (SDR - Software Defined
Radio)
Radiostacja inteligentna (CR - Cognitive Radio)
Właściwości
Polityka w zakresie widma
Technologia i implementacje
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Wprowadzenie
Rozwój technologiczny
Rozbudowa oprogramowania
Zmiana koncepcji działania urządzeń
Zachowania inteligentne w technice
3
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
SDR i CR. Architektura idealna.
Rozróżnia się pięć poziomów określających różne
kategorie programowalnych systemów radiowych:
Poziom zerowy – wykorzystujący wyłącznie rozwiązania
sprzętowe HR (Hardware Radio, nie zalicza się do
technologii SDR).
Poziom pierwszy – najprostsza reprezentacja technologii
SDR, są to urządzenia, w których sterowanie odbywa się
drogą programową SCR ( Software Controlled Radio).
Poziom drugi – radiostacje reprogramowalne
(definiowane programowo urządzenia radiowe) SDR oraz
radiostacje inteligentne (CR). Urządzenia te posiadają
możliwość programowej rekonfiguracji poprzez zmianę
parametrów m.in. częstotliwości pracy, rodzaju modulacji
oraz funkcji bezpieczeństwa. Urządzenia tego poziomu są
najczęściej wykorzystywane w telekomunikacji.
4
•
Poziom trzeci – poziom ten mówi o idealnych programowo systemach radiowych ISR (Ideal Software Radio)
tzn. o takich rozwiązaniach, w których w skład elementów analogowych wchodzą antena, mikrofon,
słuchawka. Obecnie nie ma jeszcze na rynku takich urządzeń radiowych, lecz w związku z stałym
dynamicznym rozwojem technologii SDR bardzo możliwe jest, że w niedługim czasie urządzenia poziomu
trzeciego staną się rzeczywistością.
•
Poziom czwarty – systemy jak na razie jedynie teoretyczne, których zadaniem ma być realizacja interfejsów
radiowych i aplikacji w szerokim zakresie częstotliwości, pozwalających na bardzo szybkie przechodzenie
między zdefiniowanymi interfejsami i różnymi aplikacjami
(Ultimate Software Radio).
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Zalety SDR
Ograniczenie liczby układów scalonych
Ograniczenie konieczności konstrukcji nowych układów
fizycznych
Obniżenie kosztów nowych rozwiązań konstrukcyjnych
Układy cyfrowe jak np. DSP ograniczają koszty
niedopasowania komponentów analogowych
Otwarta architektura umożliwia szybkie modyfikacje i
konkurencję na rynku producentów
Znacznie uproszczone procedury obsługowe (zunifikowane)
5
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Wady SDR
Bezpieczeństwo (dostęp do informacji i
zapewnienie szyfrowania transmisji)
Koszta pierwszych egzemplarzy
Niezawodność oprogramowania
Konieczność wymiany dużej liczby urządzeń
Obawa przed przejściem na zupełnie nową
technologię
6
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Radiostacja inteligentna (CR)
Pojęcie wprowadzone przez Mitolę w 1999
“Cognitive Radio: Making
Software Radios More Personal,” IEEE Personal Com., Vol. 6, No. 4, pp. 13–18, Aug.
1999.
Z definicji jest to : radiostacja (lub system) która śledzi i bierze pod
uwagę warunki zewnętrzne i potrafi dynamicznie autonomicznie
zmieniać własną konfigurację (zachowanie) zgodnie z założoną
polityką i posiadaną wiedzą, którą potrafi uzupełniać (uczenie się) dla
osiągnięcia wcześniej zdefiniowanej funkcji celu
Wikipedia: A cognitive radio is an intelligent radio that can be
programmed and configured dynamically. Its transceiver is designed to
use the best wireless channels in its vicinity. Such a radio
automatically detects available channels in wireless spectrum, then
accordingly changes its transmission or reception parameters to allow
more concurrent wireless communications in a given spectrum band at
one location. This process is a form of dynamic spectrum management.
7
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Radiostacja inteligentna (CR (ITU))
“Software-defined radio (SDR): A radio transmitter and/or receiver
employing a technology that allows the RF operating parameters including,
but not limited to, frequency range, modulation type, or output power to be set
or altered by software, excluding changes to operating parameters which occur
during the normal pre-installed and predetermined operation of a radio
according to a system specification or standard.”
“Cognitive radio system (CRS): A radio system employing technology
that allows the system to obtain knowledge of its operational and
geographical environment, established policies and its internal state; to
dynamically and autonomously adjust its operational parameters and
protocols according to its obtained knowledge in order to achieve predefined
objectives; and to learn from the results obtained.”
IEEE SCC 41 and P1900
FCC
SDR Forum (Wireless Innovation Forum), etc.
8
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Zalety CR
Wszystkie zalety SDR
Lepsze łącze – ucieczka ze złych kanałów i maksymalizacja przepływności na
dobrych kanałach
Większa efektywność widmowa – wypełnienie niewykorzystanych aktualnie
podpasm; rezygnacja z kanałów zajętych
Nowe obszary biznesowe – na terenach zurbanizowanych o dużej aktywności
radiowej, zwiększenie możliwości przesyłania obrazów ruchomych
Umożliwienie efektywnej pracy systemów wykorzystujących pasmo na
żądanie
9
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Wady CR
Wszystkie wady SDR
Duże wyzwanie badawcze i konstrukcyjne
Znaczące zmiany w regulacjach
normatywnych
Zagrożenie utraty kontroli nad systemem
10
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Uproszczona struktura blokowa CR
11
Sensory (antena, mikrofon, kamera..) zbierają informacje o otoczeniu
Informacje te są przekazywane do Cognitive Managera (CM) – uczenie się i podejmowanie decyzji
rekonfiguracyjnej aby osiągnąć założony cel biorąc pod uwagę związaną z tym politykę (np. zapewnienie
QoS czy bezpieczeństwa informacji) – zmiana mechanizmów MAC, routingu, częstotliwości, modulacji itp.
Inne bloki funkcjonalne podlegają rekonfiguracji
Działanie takie jest cykliczne i ciągłe; powstaje baza danych wiedzy i baza danych polityki
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Cognitive manager
12
Podejmowanie decyzji, nauka, optymalizacja międzywarstwowa, zarządzanie zasobami
Decyzja – o rekonfiguracji aby zapewnić cel czyli np. max. Czas życia sieci,
niezawodność , QoS, BER, opóźnienie itp.
Uczenie się – gromadzenie wiedzy na podstawie doświadczenia celem modyfikacji
późniejszych zachowań decyzyjnych
Przykładowe algorytmy i techniki implementowane w CM
–
Artificial Neural Network (ANN)
–
Meta-heuristic algorithms
–
Hidden Markov Model (HMM)
–
Rule-based system (RBS)
–
Ontology-based system (OBS)
–
Case-based system (CBS)
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Porównanie wybranych algorytmów CM
13
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Sensing (1)
Często to nie tylko sensing widma ale również czasu, przestrzeni,
kodu, modulacji itp.
14
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Sensing (2)
15
Ref: B. Fette, “SDR Technology Implementation for the Cognitive Radio,” General Dynamics
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Sensing i adaptacja
16
Read more: R. Menon, A. B. MacKenzie, R. M. Buehrer and J.H. Reed, “A game-theoretic framework for
interference avoidance in ad-hoc networks”, Globecom 2006.
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Przykładowa struktura CR
17
Read more: T.W. Rondeau, B.Le, C.J. Rieser, and C.W. Bostian, “Cognitive Radios with Genetic Algorithms; Intelligent Control of Software
Defined Radios,”
Software Defined Radio Forum
, Phoenix, AZ, Nov. 15-18, 2004.
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Architektura programowa,
podstawowe akronimy
SCA (Software Communications Architecture)
CF (Core Framework)
API (Application Programming Interface)
CORBA (Common Object Request Broker Architecture)
POSIX (Portable Operating System Interface)
JTRS (Joint Tactical Radio System)
MHAL (Modem Hardware Abstraction Layer)
18
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Architektura SCA (JTRS v1.0)
19
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
SCA v.2.2.2 APIs
21
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Przykłady zastosowań zachowań
dynamicznych
IEEE.803.11.h stosuje 2 mechanizmy adaptacji:
DFS (Dynamic Frequency Selection) – wybranie odpowiedniego pasma
TPC (Transmission Power Control) – redukcja interferencji i konsumpcji
mocy, zapewnienie zasięgu
IEEE P1900 – opracowanie standardów dotyczących
radiostacji następnej generacji
IEEE 802.22 – WRAN wykorzystujący wolne kanały
broadcastingowe
IEEE 802.15.3 – OFDM PAN na dystansie 5m
(bezprzewodowe USB2.0 480Mb/s)
22
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
USRP (Universal Software Radio
Peripheral )
Stosunkowo niewielki koszt (USRP1 ok.
700$; USRP2 ok.1400$)
Otwarta, elastyczna architektura
Szerokie pasmo
Wymienny moduł radiowy
Możliwości realizacji MIMO i anten
inteligentnych
23
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Podstawowy schemat
blokowy USRP
26
FPGA
Receive
Daughterboard
Transmit
Daughterboard
Transmit
Daughterboard
Receive
Daughterboard
ADC
ADC
ADC
ADC
DAC
DAC
DAC
DAC
Cypress
FX2
usb
controller
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Płyta główna USRP
27
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Parametry techniczne USRP
Quad 64 MS/s 12-bit ADCs
Quad 128 MS/s 14-bit DACs
USB 2.0 (obsługuje 8 MHz pasma z
próbkowaniem 16 bitów na próbkę)
Analogowe I/O do kontroli RSSI
FPGA lub DSP
Obsługa MIMO 2 kanałowego lub 4 kanałowego
przy zastosowaniu zewnętrznego RF
28
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Dotherboards
BasicTX and BasicRX
–
- For use with external RF sections
–
- Flexible IF (0 to 200 MHz)
LFRX and LFTX
–
- DC to 30 MHz
TVRX
–
− 50-860 MHz receiver
DBSRX
–
− 800 MHz – 2.4 GHz receiver
29
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Dodatkowe układy radiowe
RFX400 – 400-500 MHz transceiver, 100+mW output
RFX900 -- 800-1000 MHz Transceiver, 250+ mW output
–
− Ham + ISM bands, modifiable for 1600-2000MHz
RFX1200 -- 1150-1400 Mhz, 200+ mW output
–
− Ham, Satellite, Navigation bands
RFX1800 -- 1500-2100 MHz, 250+ mW output
–
− PCS, Cell, DECT
RFX2400 -- 50+ mW output, 2300-2800 Mhz
–
− Ham, ISM bands
XVCR2450 – 50-250 mW output, 2.4-2.5GHz and 4.8 to 5.9 GHz
50 MHz to 1 GHz Transceiver
800 MHz to 2.2 GHz Transceiver
(dwa ostatnie z MIMO, 100+ mW)
30
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Interfejs
graficzny
użytkownika
31
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Aplikacje USRP
Multi-Mbps GMSK, PSK, OFDM, MIMO networking
MAC-layer development
ZigBee, DECT, GSM, 802.11b
Spectrum occupancy studies
Cognitive Radio
Active and Passive Radar
SIGINT/COMINT
Ham radio
GPS (incl. multi-antenna receivers)
− http://www.gps-sdr.com
RFID
Mobile phone location and tracking
Mobile phone base stations
–
http://openbts.sf.net
32
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Aplikacje USRP
Dynamic Spectrum Access
Over the horizon ship-tracking radar (port security)
Public safety
–
− Linking multiple diverse radio systems
–
− In-building reliable firefighter communications
Soldier in the field smart radios
Wildlife tracking
Medical imaging
Teaching and student research
Radio astronomy
Security Research
Satellite Ground Stations
33
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
USRP2
100 MS/s 14-bit dual (IQ) ADCs
–
− ~80 MHz instantaneous RF bandwidth
400 MS/s 16-bit dual (IQ) DACs
Gigabit Ethernet interface
–
− 3-6x improvement over USB
–
− Allows for 25 MHz of RF BW each way @16bits (
Wide enough for WiFi!)
Bigger FPGA w/Multipliers (Spartan 3)
1 MB high-speed on-board SRAM
High speed serial expansion interface
Configured by flash
–
− Can operate without host computer
External Frequency Reference Input
–
− Flexible choice of reference, not just 10 MHz
Pulse per second (PPS) input for precise timing
Uses the same daughterboards as USRP1
–
− Only holds 1 TX and 1 RX
–
− MIMO via expansion interface
34
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
USRP2
35
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
Dziękuję za uwagę
36
In
st
y
tu
t T
elekomu
ni
k
ac
ji
IEEE SCC 41 and P1900
IEEE 1900.1: Standard Definitions and Concepts for Spectrum
Management and Advanced Radio System Technologies
IEEE 1900.2: Recommended Practice for Interference and
Coexistence Analysis
IEEE 1900.3: Standard for Assessing the Spectrum Access Behavior
of Radio Systems Employing Dynamic Spectrum Access Methods
IEEE 1900.4: Standard for Architectural building blocks enabling
network-device distributed decision making for optimized radio
resource usage in heterogeneous wireless access Networks
IEEE 1900.4a: Standard for Architectural Building Blocks Enabling
Network-Device Distributed Decision Making for Optimized Radio
Resource Usage in Heterogeneous Wireless Access Networks –
Amendment: Architecture and Interfaces for Dynamic Spectrum
Access Networks in White Space Frequency Bands
IEEE 1900.4.1: Standard for Interfaces and Protocols Enabling
Distributed Decision Making for Optimized Radio Resource Usage in
Heterogeneous Wireless Networks
IEEE 1900.5: Standard on Policy Language and Policy Architectures
for Managing Cognitive Radio for Dynamic Spectrum Access
Applications
IEEE 1900.6: Standard on interfaces and data structures for
exchanging spectrum sensing information for dynamic spectrum
access systems
37