Мы продолжаем развивать свои компетенции в области SDR (Software Defined Radio, программно-определяемое радио), следим за развитием технологии. Наши специалисты подготовили новый обзор статьи Convergence of software defined radio: WiFi, ibeacon and epaper, где описаны нестандартные подходы к использованию беспроводных технологий, в том числе и SDR. С появлением IoT требования к масштабируемости и гибкости систем постоянно растут, и легко конфигурируемые системы, среди которых и технологии SDR, обретают все большую популярность. В статье представлены смежные работы в области технологии SDR, объединение различных областей применения, анализ достижения различных целей при объединении технологий Wi-Fi, iBeacon и ePaper, а также конфигурация модели SDR с предварительными результатами.
Александр Кучеров, ведущий программист, АстроСофт: «Статья привлекает интригующим названием и cпецифичной предметной областью — использование SDR для объединения нескольких беспроводных технологий. Материал хорошо структурирован, язык простой и понятный. Большая часть посвящена обзору существующих технологий, также представлен обзор программных и аппаратных решений, их характеристик и возможностей. Рекомендую эту статью, в первую очередь, начинающим специалистам в области беспроводных технологий, она будет полезна и тем, кто занимается разработкой и продвижением беспроводных решений, совмещающих в себе несколько различных технологий».
Авторы: Джордж Сучиу, Мариус Вохин (кафедра телекоммуникаций, Политехнический университет Бухареста), Кристиан Дьякону, Виктор Сучиу, Кристина Буца (отдел научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок BEIA Consult International, Бухарест).
Введение
В связи с увеличением спроса на IoT, устройства с беспроводным подключением постоянно модернизируются для более широких, масштабируемых и гибких сетей. Рынок информационно-коммуникационных технологий наблюдает совмещения различных технологий в новых решениях, предоставляющих инновационные сервисы и функциональные возможности. Кроме того, большинство таких существующих систем, например, SDR, начинают использовать облачные инфраструктуры для улучшения механизмов адаптации.
Развитие таких решений зависит от расширенных сред разработки, которые обеспечивают интерактивную разработку и контроль работы программных продуктов, системы планирования инфраструктуры в реальном масштабе времени для их развертывания в облаке и автономную платформу для мониторинга и адаптационного поведения системы. [1]
Технология SDR может быть определена как радиокоммуникационная система, компоненты которой раньше реализовывались аппаратно, а сегодня — программным обеспечением на персональных компьютерах или встраиваемых системах. [2]
SDR — единая радиосистема, которая может быть использована для работы в различных режимах с помощью реконфигурации программным обеспечением (ПО), что и отражено в названии [3]. ПО может быть предварительно загружено в устройство, а также может быть доступно для загрузки «по воздуху» или с вебсайта. Такая гибкая архитектура будет снижать затраты и сложность, сможет повысить производительность и ослабить радиопомехи. Однако SDR имеет еще достаточно много проблем, связанных с безопасностью или использованием не всего спектра частот. [4]
Технология SDR нацелена на сокращение расходов и продвижение беспроводной связи как неотъемлемой части повседневной жизни. Гибкость SDR обеспечивается простым изменением функциональных возможностей радиосистемы путем замены и индивидуальной настройки программных продуктов. SDR обеспечивает всеми необходимыми средствами для упрощения перехода на новые режимы работы и для повышения производительности системы без замены аппаратных компонент. [5]
Развитие технологии SDR основано на достижениях в цифровой обработке радиочастотных сигналов благодаря разработке необходимого ПО и производству более продвинутых кремниевых чипов. Такие достижения могут рассматриваться в комплексе, т.к. они интегрируют математические функции в аппаратные компоненты для осуществления различных процессов (частотное разделение, оцифровка, понижающее преобразование полосы частот и т.д.).
SDR играет важную роль в обеспечении необходимой гибкости системы для достижения максимальной эффективности за счет сокращения эксплуатационных затрат и повышения производительности системы, несмотря на возможность ее реализации и без SDR.
Адаптивное радио — радио, в котором системы связи обеспечивают необходимыми средствами для собственного контроля и динамичного изменения своих параметров, повышая тем самым общую производительность. Использование SDR в адаптивных радиосистемах дает высокую степень адаптации.
Когнитивное радио — радио, в котором системы связи характеризуются высокой информированностью о статусе оборудования и текущем состоянии окружающей обстановки. Для достижения различных целей когнитивные радиосистемы могут изменять собственные параметры.
Интеллектуальное радио — когнитивное радио, использующее машинное обучение для развития и постоянного улучшения механизмов адаптации. Цель интеллектуального радио — динамичное изменение собственных параметров в зависимости от обстановки для удовлетворения всем требованиям конечного пользователя.
Данная статья направлена на представление смежных работ в области технологии SDR и преимуществ объединения технологий Wi-Fi, iBeacon и ePaper. Структура статьи: во втором разделе представлены работы в области объединения технологий SDR, третий раздел описывает совмещение трех случаев использования SDR (Wi-Fi, iBeacon и ePaper), демонстрируя предварительные результаты для предложенной модели, в четвертом разделе подводятся итоги.
Раздел 2. Смежные работы
Концепция SDR основана на исследованиях доктора Джозефа Митолы в области технологий программного и когнитивного радио. [6] Доктор Митола представил SDR как «набор базовых элементов цифровой обработки сигналов и логическое объединение таких элементов в одном функциональном блоке системы связи, а также группу процессоров, с помощью которых программная радиосистема и реализует связь в реальном масштабе времени» [6]. Недавние исследования в области SDR привнесли некоторые дополнения и изменения в первичное представление концепции. Так, комиссия по технологии SDR дополнила изначальное определение «концепциями, технологиями, стандартами для беспроводных систем связи и устройств для удовлетворения потребностям всех пользовательских областей, включая такие рыночные сектора, как потребительский, коммерческий, государственной безопасности и продукции военного назначения, а также заинтересованных сторон (например, контрольно-надзорных органов), и набором интерфейсов и технических требований» [7].
Спектральная эффективность современных сетей анализируется в соответствии с теоретической пиковой пропускной способностью, поэтому требования радиоинженеров растут быстрее, чем развитие аппаратных систем. Такое явление соответствует расхождению по закону Мура, представленному на рисунке 1. Таким образом, идея использования SDR для алгоритмов индивидуальной настройки с помощью ПО упускает тот факт, что инженеры-связисты могут использовать алгоритмы обеспечения связи, не реализуемые целевым SDR, независимо от протокола беспроводной связи.
Рисунок 1. Графическое представление расхождения закона Мура
В этой главе представлены коммуникационные решения, основанные на зарекомендовавшем себя на рынке SDR.
SDR-Radio.com [5] — консоль для приемников и передатчиков SDR, предоставляющая всем пользователям SDR интерфейс взаимодействия и постоянно дополняемая новыми функциями. На рисунке 2 представлено такое решение, основанное на трех компонентах:
Рисунок 2. Консоль для визуализации записи данных
FlexRadio System [8] обеспечивают работу SDR для удовлетворения требованиям радиолюбителей и профессиональных пользователей. Широкий ряд возможностей охватывает следующие области применения: высокодинамичные узкополосные ВЧ/ОВЧ-приемники, ВЧ/ОВЧ/УВЧ/СВЧ-приемники с ультра-широкой полосой пропускания, многоканальные ВЧ/ОВЧ-приемники c прямой дискретизацией, ВЧ-передатчики прямого преобразования с повышением частоты, многоканальные синхронные приемники, ВЧ/ОВЧ-приемники на основе Ethernet, цифровой РЧ-захват и передача данных на основе Ethernet, разработка внешнего интерфейса малошумящих ВЧ/ОВЧ/УВЧ/СВЧ-приемников, ПЛИС, ЦОС на основе однокристальных систем для РЧ-диапазона.
Платформа разработки SDR малого форм-фактора [9] — решение, обеспечивающее широкий ряд технических средств сигнальной цепи, а также пакет поддержки ПО платформы на основе программных средств разработки. Платформа была разработана на основе технологий ЦСП и ПЛИС и, в основном, направлена на необходимость в особом портативном SDR на коммерческом рынке и государственной безопасности. SDR малого форм-фактора состоит из трех модулей, предлагающих инженерам гибкие решения:
Платформа разработки SDR малого форм-фактора упрощает создание и сопровождение продуктов государственной безопасности, средств связи в определенном диапазоне, транспондеров и систем широкополосной передачи данных, считывателей RFID-меток, пользовательского оборудования WiMAX и Wi-Fi. Кроме того, для анализа производительности системы распределения ресурсов может быть использован SDR-симулятор для имитации установления связи между ресурсами в когнитивных радиосистемах. [10] Платформа USRP (Universal Software Radio Peripheral, универсальное оборудование периферии для программных радиосистем) SDR [11], разработанная компанией National Instruments, направлена на разнообразные сферы использования в производстве, научных исследованиях и обучении. USRP, разработанное на LabVIEW, предоставляет платформу для проектирования и быстрого прототипирования систем беспроводной связи и протоколов связи, в том числе для 5G-сетей. Разработка 5G-технологий направлена не только на решение будущих проблем, связанных с ограничениями по числу подключенных абонентов, но также с надежностью действующих сетевых инфраструктур. Используя архитектуру ПО технологии Massive MIMO компании National Instruments [12], пользователи могут развить модели Massive MIMO до прототипа крупномасштабной антенной системы с помощью LabVIEW и USRP SDR. Слияние платформ LabVIEW и SDR упрощает конфигурацию аппаратного обеспечения на низком уровне и предоставляет инженерам гибкость разделения системы, необходимую для упрощения разработки алгоритмов.
DECT ULE (технология беспроводной передачи данных на 1,9 ГГц-частотах с поддержкой ультранизкого энергопотребления) — технология, обеспечивающая двунаправленную радиосвязь средней дальности между различными типами портативных устройств и стационарных радиостанций, разработанная в целях обеспечения защиты данных и низкого потребления мощности, в то же время предоставляющая максимальный диапазон радиосвязи, как для стандартной технологии DECT. Такие параметры, как зона покрытия и чувствительность приемника могут быть отрегулированы под определенные цели на основе ограничений по ширине канала и потребляемой мощности, что делает технологию DECT ULE применимой при объединения различных SDR.
Social Wi-Fi — аналитический и маркетинговый инструмент, помогающий предпринимателям идентифицировать клиентов и взаимодействовать с ними для получения обратной связи, что может быть достигнуто предоставлением клиенту возможности авторизации в Wi-Fi-сети с помощью сервиса captive portal, используя аккаунты в социальных сетях или заполнение формы. Также Social Wi-Fi снижает маркетинговые затраты, повышает лояльность клиентов и расширяет клиентскую базу. Сегодня такое решение часто используется в ресторанах, кофейнях, барах, гостиницах и т.д. для улучшения взаимодействия между предпринимателями/владельцами заведений/ управляющими/маркетологами и их клиентами.
Раздел 3. Объединение Wi-Fi, ePaper и iBeacon
Ниже представлена конфигурация модели, состоящая из трех специализированных решений технологии SDR: Wi-Fi, ePaper и iBeacon, реализованных с помощью LANCOM Wireless ePaper Starter Set. [15] Также представлены предварительные результаты тестирования.
A. Wi-Fi
Для сетевого оборудования Wi-Fi мы используем точку доступа WLAN стандарта 802.11n корпоративного класса LANCOM L-322E [14], предоставляющую клиентам доступ одновременно по WLAN на полосах 2,4 ГГц и 5 ГГц с оптимизированной сетевой загрузкой и скоростью передачи данных до 300 Мбит/с. Радиоуправляемые дисплеи ePaper с питанием от аккумуляторной батареи и технологии iBeacon обеспечиваются точкой доступа, осуществляя параллельную работу без взаимоналожения сигналов, как представлено на рисунке 3.
Рисунок 3. Совмещение технологий Wi-Fi, ePaper и iBeacon
Беспроводной модуль может быть также запрограммирован на достижение максимальной частоты двумя радиомодулями в диапазоне 5 ГГц, если потребуется. Системы Purple WiFi Guest и Social WiFi упрощают доступ пользователей посредством использования социальный сетей, обеспечивая маркетинговым данными, используемых для обслуживания будущих и настоящих клиентов. На рисунках 4 и 5 представлены сканирования спектров двух интерфейсов в одной точке доступа Wi-Fi на диапазонах 5 ГГц и 2,4 ГГц.
Рисунок 4. Сканирование спектра на интерфейсе WLAN-1 в диапазоне 5 ГГц
Рисунок 5. Сканирование спектра на интерфейсе WLAN-2 в диапазоне 2,4 ГГц
Purple Wi-Fi — облачное решение, обнаруживающее все ближайшие сети Wi-Fi и предоставляющее следующие сервисы:
B. iBeacon
Стандарт iBeacon [19] — протокол связи, разработанный компанией Apple на основе беспроводной технологии Bluetooth c низким энергопотреблением (Bluetooth LE); стандарт технологии, упрощающей разработку приложений со службами геолокации. Устройство, использующее технологию iBeacon, передает радиосигнал для уведомления смартфонов о своем присутствии. iBeacon позволяет iOS-устройству посредством передачи радиосигнала определять, когда контролируемый объект вошел в определенную область или покинул ее. Когда iOS-устройство фиксирует сигнал с маяка, полученный сигнал используется для определения расстояния до маяка и его точности.
Процесс определения расстояния до маяка основывается на использовании общего сценария, который полагается на точность приема радиосигнала и определенного расстояния. Расстояние характеризуется четырьмя зонами: непосредственная близость, близко, далеко и неизвестно. Для широковещательных сигналов iBeacon-устройство использует Bluetooth LE в диапазоне 2,4 ГГц.
Bluetooth LE разработан для экономии энергопотребления и использует технологию беспроводной персональной сети для передачи данных на короткие расстояния.
Различие между iBeacon и другими технологиями определения местоположения заключается в том, что маяк — единственный вариант передатчика радиосигнала на iOS-устройства, на который необходимо установить специальное приложение, что позволит пользователю управлять соединением с маяками. Развертывание сервиса iBeacon подразумевает, что маяк осуществляет передачу собственного уникального идентификационного номера в ограниченной местности, в то время как принимающие устройства могут подключаться к маяку и извлекать дополнительные данные, используя общий профиль Bluetooth (GATT).
Сервисы, использующие маяки для определения местоположения, востребованы разработчиками приложений, сервис-провайдерами с технологией iBeacon и разрабатывающими такие устройства.
Используя беспроводную сеть, компании, приложения или платформы могут определять роль клиентов в бизнес-среде и затем отправлять на их смартфоны контекстные сообщения, различные ссылки и рекламу.
С. ePaper
Электронная бумага — портативное хранилище и медиа-носитель, способное обновляться с помощью электронных средств для отображения контента. Необходимый контент может быть загружен с другого источника или создан с помощью механического инструмента, как, например, электронный карандаш. Кроме того, ePaper — устройство отображения, имитирующее обычный бумажный носитель. [15] Чтобы сделать контент более комфортным для чтения, ePaper предлагает широкий угол обзора, в отличие от светодиодных дисплеев, и превосходную читаемость при естественном освещении. Сферы использования электронных визуальных устройств весьма обширны: электронные ценники, электронное информационное табло, табло с расписанием для общественного транспорта, рекламные щиты, переносные знаки, электронные газеты и книги. На рисунке 6 представлены три ePaper различных размеров, читаемых при дневном свете и поддерживающих графические элементы, в т.ч. — QR-код и штрихкод.
Рисунок 6. Настраиваемая пользователем текстовая информация отображается на дисплее с помощью ePaper (7,4’’, 4,4’’, 2,7’’)
Беспроводное решение ePaper основано на инновационной радиотехнологии, снижающей уровень потребляемой мощности за счет необходимости энергии только на смену отображаемой информации. Такое решение обладает широким набором функциональных возможностей для отображаемой информации, позволяющих пользователю настраивать ePaper в зависимости от конкретного случая, например, в качестве радиоуправляемых информационных указателей в университетах. [20]
Одна из ключевых функций — возможность удаленного обновления отображаемой информации в реальном времени. Для максимально гибкого использования в беспроводных дисплеях ePaper исключается необходимость во внешнем источнике питания или физическом сетевом соединении благодаря питанию от аккумуляторных батарей и радиоуправлению.
Кроме того, процесс передачи данных может быть защищен ключом с длиной 128 бит, обеспечивающим надежное шифрование и поддерживающим стандарты аутентификации для сервиса Eduroam. [21], [22]
Авторы планируют реализацию географически разнесенных моделей с целью объединения технологий беспроводных дисплеев ePaper с поддержкой связанных точек доступа полной инфраструктуры WLAN и iBeacon в одном устройстве без помех в работе каждой технологии.
Заключение
В статье рассмотрены коммуникационные решения на основе технологии SDR и способ объединения трех решений: Wi-Fi, iBeacon и ePaper, а также представлены предварительные результаты тестирования предложенной модели для устройств, соединенных по беспроводной связи.
Усовершенствованная модель применима для более крупных, масштабируемых и гибких сетей — IoT или облачных решений. В будущем авторы планируют применить более продвинутые среды разработки, например — облачные платформы в создании и применении новых возможностей SDR, поскольку они предоставляют планировщики инфраструктуры в реальном времени и средства контроля и адаптации работы системы.
Список литературы
[1] Z. Zhao, et al. "A Software Workbench for Interactive, Time Critical and Highly self-adaptive cloud applications (SWITCH)." Cluster, Cloud and Grid Computing (CCGrid), 2015 15th IEEE/ACM International Symposium on. IEEE, 2015.
[2] M. Dillinger, K. Madani, and N. Alonistioti, “Software Defined Radio:Architectures, Systems and Functions”, Wiley & Sons, 2003.
[3] J. Mitola, “SDR architecture refinement for JTRS,” in Proc. Milcom, vol.1, pp. 214–218, 2000.
[4] G. Baldini, T. Sturman, A.R. Biswas, R. Leschhorn, G. Gódor, and Street, M., “Security aspects in software defined radio and cognitive radio networks: a survey and a way ahead” Communications Surveys & Tutorials, IEEE, vol. 14, no. 2, pp.355-379, 2012.
[5] A.M. Wyglinski, D.P. Orofino, M.N. Ettus, and TW Rondeau, “Revolutionizing software defined radio: case studies in hardware, software, and education”, IEEE Communications Magazine, vol. 54, no. 1, pp. 68-75, 2016.
[6] J. Mitola, “Software Radios Survey, Critical Evaluation, and Future Directions Technologies”, Software Radio Techn., IEEE Press, 1999.
[7] S. Hyeon, J. Kim, and S. Choi, "Topics in Radio Communications: Evolution and Standardization of the Smart Anenna System for Software Defined Radio," IEEE Communication Magazine, September 2008.
[8] B. Chen, V. Yenamandra, and K. Srinivasan, “Flexradio: Fully flexible radios and networks”, In 12th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI 15), pp. 205-218, 2015.
[9] P. Amini, E. Azarnasab, S. Akoum, and B. Farhang-Boroujeny, "An Experimental Cognitive Radio for First Responders," New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks (DySPAN), IEEE, pp.1-6, 2008.
[10] G. Suciu, C. Voicu, G. Todoran, A. Martian, S. Halunga, and C. Butca, “Network Cloud simulator for modelling trust in Cognitive Radio applications”, IEEE Telecom Forum (TELFOR), pp. 345-348, 2013.
[11] M. Ettus, and M. Braun, “The Universal Software Radio Peripheral (USRP) family of low-cost SDRd”, Opportunistic Spectrum Sharing and White Space Access: The Practical Reality, pp. 3-23, 2015.
[12] O. Edfors, L. Liu, F. Tufvesson, N. Kundargi, and K. Nieman, “Massive MIMO for 5G: Theory, Implementation and Prototyping”, Signal Processing for 5G: Algorithms and Implementations, 2016.
[13] Das, Kallol, and Paul Havinga. "Evaluation of DECT-ULE for robust communication in dense wireless sensor networks." Internet of Things (IOT), 2012 3rd International Conference on the. IEEE, pp. 1-4, 2012.
[14] Z. Cao, J. Fitschen, and P. Papadimitriou, “Social Wi-Fi: Hotspot sharing with online friends”, InPersonal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), IEEE 26th Annual International Symposium on, pp. 2132-2137, 2015.
[15] The technology behind LANCOM Wireless ePaper Displays - https://www.lancom-systems.de/en/solutions/technology/wirelessepaper-displays/technology/
[16] B. Braem, J. Bergs, C. Blondia C, L. Navarro and S. Wittevrongel, “Analysis of End-User QoE in Community Networks”, Proc. of Annual Symposium on Computing for Development, ACM, pp. 159-166, 2015.
[17] A. Gavriilidis, C. Stahlschmidt, J. Velten, and A. Kummert, “Evaluation of pedestrian detection fusion and localization based on the idea of carto-X communication”, In Multidimensional (nD) Systems (nDS), IEEE 9th International Workshop on, pp. 1-6, 2015.
[18] A. Martian, R. Craciunescu, A. Vulpe A, G. Suciu, and O. Fratu, “Access to RF White Spaces in Romania: Present and Future”, Wireless Personal Communications, vol.87, no.3, pp. 693-712, 2016.
[19] E.R. Sykes, S. Pentland, and S. Nardi S, “Context-aware mobile apps using iBeacons: towards smarter interactions”, Proceedings of the 25th Annual International Conference on Computer Science and Software Engineering, pp. 120-129, 2015.
[20] Wireless ePaper Solution at a private college, Germany - https://www.lancom.de/fileadmin/download/reference_story/PDF/Wireless_ePaper_Solution_at_a_private_c...
[21] University of Belgrade implements eduroam - https://www.lancom.de/fileadmin/download/reference_story/PDF/University_of_Belgrade_EN.pdf
[22] S. Winter, T. Wolniewicz, I. Thomson “Deliverable DJ3. 1.1: RadSec Standardisation and Definition of eduroam Extensions. GN3 JRA3, GEANT3”, 2009.