SDR, когнитивное радио и SCA применительно к системам связи, РЛС и системам радиоэлектронной разведки

14 июля 2017

Аннотация
В этой статье описывается роль программно-определяемых радиосистем (англ. Software Defined Radio, SDR) и, в особенности, роль архитектурного фреймворка SCA (англ. Software Communication Architecture) применительно к системам связи, радиолокационным системам (РЛС), системам радиоэлектронной разведки (РЭР) и радиоэлектронного подавления (РЭП). Мы обсуждаем создание стандартов и программ по развитию SDR и рассматриваем различные подходы к ее реализации. Статья описывает процесс разработки программного приложения на примере РЭР, обращает внимание на высокие требования к процессу обработки сигналов и показывает, как они могут быть удовлетворены с помощью средств разработки на базе модельно-ориентированной архитектуры (англ. Model Driven Architecture). В статье учитывается влияние технологии когнитивного радио и делается вывод о преимуществах применения технологий программируемых радиосистем.

Введение
SDR предоставляет потенциальное решение проблемы постоянно растущих требований к радиоаппаратуре по поддержке все большего количества полос частот, более широкого диапазона и большего количества радиоприложений. В последние годы технология развивалась в основном за счет военных, однако на разработку влияли и другие организации, например, NASA [2]. В своей самой простой форме SDR является программируемой платформой, на которую могут быть установлены радиоприложения. С целью стандартизации архитектуры радиоприложений и их размещения на аппаратных платформах был создан механизм “разработки и внедрения”. Яркий пример такого механизма — фреймворк SCA [3], который поддерживает не только радиоприложения, но и другие алгоритмы. В этой статье речь пойдет о базовых принципах SDR и когнитивного радио, будут описаны их ограничения и будет показано, как SCA и её аналоги обеспечивают реализацию не только систем связи, но и радиолокаторов, систем радиоэлектронной разведки и радиоэлектронного подавления (англ. Electronic Combat Measures, ECM).

Преимущество использования SCA-подобных стандартизированных подходов заключается в абстрагировании радиоприложения и алгоритмов от аппаратной платформы. Такая гибкость значительно снижает стоимость, вес и энергопотребление устройства за счет повторного использования аппаратного и программного обеспечения.

SDR

Архитектуры программного радио
Принцип SDR был впервые определен Джозефом Митола в начале 1990-х годов [1]. Он достаточно прост в теории, однако его реализация на практике сложна. В чистом виде SDR состоит из устройств обработки сигнала: процессоров, цифровых сигнальных процессоров (англ. Digital Signal Processor, DSP), программируемых логических матриц (англ. Field Programmable Gate Array, FPGA) или других вычислителей, к которым присоединен фронтенд прямой оцифровки радиосигнала, способный передавать и принимать данные (рисунок 1).

Рисунок 1. Базовая архитектура SDR.

Целесообразность такого подхода становится очевидной при рассмотрении возможностей цифро-аналоговых (англ. Digital-Analog Converter, DAC) и аналого-цифровых (англ. Analog-Digital Converter, ADC) конвертеров, в частности, динамического диапазона и высокой частоты дискретизации, необходимых для вычленения сигналов в полосе частот и отсеивания сигналов вне полосы. Эта задача является типичной для многих прикладных областей, например, для смежных каналов мобильной связи. С целью упрощения фронтенда вводится фильтр для выбора только необходимых полос частот и предоставления механизма выбора полосы частот за счет понижения разрешения. На практике же такое преобразование может выполняться при помощи неполной выборки из ADC, обычно выполняется хотя бы один этап понижения полосы частот. Это утверждение верно и для обратного преобразования при передаче. Операции неполной выборки и фильтрации/микширования требуют стабильного осциллятора. Общепринятым является применение осциллятора прямого цифрового синтеза (англ. Direct Digital Synthesis, DDS) для создания программируемого источника сигналов. Недостаток DDS заключается в том, что он обычно приводит к значительным паразитным составляющим в обработанных сигналах. Это является большой проблемой для программируемых радиосистем, несмотря на то, что эти проблемы были предметом множества исследований. Подводя итог, можно сказать, что типичная SDR является радиосистемой с фиксированными или минимально программируемыми полосой и диапазоном частот с помощью механизма, который обеспечивается высококачественными устройствами ADC и DAC, объединенными с вычислительной платформой для реализации основной части архитектуры трансивера. Пример такой архитектуры — однопроцессорный вычислительный модуль обработки с одним или двумя трансиверами, которые могут быть запрограммированы на поддержку выбранного диапазона частот, например, 2G, GSM, 3G, UMTS, WLAN, WiMAX, LTE, Bluetooth и GPS. Предполагается, что пользователю вряд ли потребуются все эти частоты одновременно. Таким образом, можно сказать, что типичная SDR – это ограниченная система. Военные реализации SDR, напротив, предоставляют более программируемый подход и большую гибкость, но из-за этого обычно страдает вес и размер устройства, а также потребляемая мощность. Однако даже в военных SDR гибкость ограничена диапазоном частот, производительностью, внутренней структурой и мощностью малошумящих усилителей (англ. Low Noise Amplifier, LNA), усилителем мощности (англ. Power Amplifier, PA), изоляторами, дуплексерами и антеннами, что приводит к ограничению покрываемого диапазона частот.

Стандартизация
Некоторые организации работают над стандартизацией SDR, программного обеспечения, радиоприложений и алгоритмов [2,3,4,5,6], например:

• Форум SDR – форум по разработке и продвижению стандартов;
• Исполнительный орган по разработке совместных программ (англ. Joint Program Executive Office, JPEO) в рамках Объединенных систем тактической радиосвязи (англ. Joint Tactical Radio System, JTRS) стимулирует создание SCA и связанных стандартов в военной сфере (преимущественно США);
• Инициатива по разработке открытой архитектуры базовых станций (англ. Open Base Station Architecture Initiative, OBSAI) предоставляет альтернативный набор промышленных стандартов для производства базовых станций;
• Стандартизация SDR IEEE P1900.1, P1900.2, P1900.3 – зарождающийся стандарт SDR от IEEE;
• Рабочая группа по разработке и продвижению объектно-ориентированных технологий (англ. Object Oriented Group, OMG) – международный орган стандартизации, ответственный за SCA и эквивалентные ей стандарты, базирующиеся на UML;
• E2R – европейская промышленная рабочая группа по разработке стандартов SDR;
• Космические телекоммуникационные радиосистемы (англ. Space Telecommunications Radio System, STRS) – эквивалент решения JTRS SDR и механизма SCA от NASA;
• ESSOR – проект Франции, Италии, Испании, Финляндии, Польши и Швеции по разработке европейской военной SDR, которая была бы совместима со стандартами US JTRS (SCA);
• TERSO – испанская программа по разработке и эксплуатации SDR.

Кроме того, в Европе проводятся исследования для поддержки и изучения применения SDR и предоставляемых им возможности, например:

• WINTSEC – двухлетнее исследование аспектов безопасности использования SDR;
• SCORED – исследование в поддержку разработки SDR-систем, поддерживающих совместное использование военных и гражданских стандартов.

Несколько стран, включая Финляндию, Швецию, Францию и Италию, разработали или находятся в процессе разработки демонстрационных устройств SDR.

Наконец, в европейском фреймворке ESRP также существуют связанные с SDR проекты (FP7).

Рисунок 2. Временной график стандартов и программ SDR.

Несмотря на то, что сфера стандартов SDR бурно развивается, большинство решений, к счастью, являются производными от фреймворка SCA или напрямую связаны с ним. Временной график, отображающий развитие стандартов в контексте программ, изображен на рисунке 2.

SCA
SCA – механизм разработки и внедрения, разработанный в рамках программы JTRS Министерства обороны США. OMG разработала не имеющую ограничений по применяемым методов реализацию SCA, основанную на UML.

Подход SCA (рисунок 3) заключается в использовании XML для описания программных компонентов, приложений, созданных на основе этих компонентов, аппаратных элементов, платформ, составленных из этих элементов, механизмов внутренней связи (например, Common Object Request Broker Architecture, CORBA) и компонентного фреймворка.

XML-файлы определяют состав доменного профиля. Это позволяет выделять и описывать возможности радиоприложений и платформ. Компонентный фреймворк, который обычно содержит около 60 тысяч строк кода, предоставляет отображение и инстанцирование функций, благодаря которым аппаратная часть поддерживает инстанцирование требуемого радиоприложения. При условии достаточных аппаратных ресурсов, на одной платформе может быть инстанцировано несколько радиоприложений (приложений или алгоритмов).

Рисунок 3. Структура SCA.

Пример радиоприложения SCA
Для создания радиоприложения в SCA необходимо сгенерировать несколько XML-файлов поддержки запрограммированных элементов (таблица 1), таких как скомпилированный код на C или образы FPGA.

Таблица 1. Элементы доменного профиля SCA.

Дескриптор свойств

Дескриптор конфигурации менеджера домена

Дескриптор сборки программного обеспечения

Дескриптор программного пакета

Дескриптор программных компонентов

Дескриптор устройства

Дескриптор пакета устройства

Дескриптор профиля

Программные дескрипторы описывают программные компоненты (включая элементы кода процессора, DSP и FPGA), используемые программные пакеты, и как они взаимосвязаны и собраны. Дескрипторы устройств описывают аппаратное обеспечение и системные характеристики.

Существуют наборы инструментов от сторонних производителей, позволяющие абстрагировать разработку и внедрение радиоприложений (рисунок 4) на низком уровне и предоставляющие графический интерфейс для создания радиоприложений и их семейств, которые можно сохранять, вызывать и инстанцировать.

Для того чтобы поддерживать несовместимые со стандартом SCA элементы (проприетарные шины передачи данных или вычислительные элементы типа “черный ящик”), используется механизм вида “адаптер”.

SCA использует набор доменно-зависимых API для унификации определений: в результате, если разработчик не имеет доступа к этим определениям, то совместимость с аппаратной частью не может быть гарантирована. Это потенциальный недостаток SCA, так как отказ от описания API может лишить сторонних производителей совместимости, снизив тем самым конкуренцию.

Таблица 2. Содержание дескриптора программного пакета, необходимого для создания оборудования РЭР.

Дескриптор программного пакета: Автор: Разработчик Название: Пример РЭР Использует устройство: DSP Описание: Алгоритм РЭР на DSP Реализация Описание: РЭР Файл с исходным кодом: РЭР_v1.exe Компилятор: GNU Язык: С Операционная система: bespokeRTOS Процессор: ADSP Device

Рисунок 4. Разработка и внедрение радиоприложения с использованием программно-определяемого подхода.

OMG
Модель OMG использует схожий с SCA подход, но описывает радиоприложения и аппаратную часть при помощи унифицированного языка моделирования (англ. Unified Modelling Language, UML) и модельно-ориентированной архитектуры (англ. Model Driven Architecture, MDA). Она использует расширение UML под названием UML-профиль для программного радио (англ. UML Profile for Software Radio, SWRadio), который состоит из двух профилей: компонентного фреймворка и коммуникационного профиля. Кроме того, этот стандарт применяет концепции платформенно-независимых моделей (англ. Platform Independent Model, PIM) и платформенно-специализированных моделей (англ. Platform Specific Model, PSM), при совместном использовании которых можно инстанцировать SDR [6].

UML-профиль программного радио предоставляет язык моделирования элементов программного радио. PIM предоставляет возможность моделирования поведения программного радио и API. PSM детально моделирует программное радио, например, модель OMG не описывает программное обеспечение промежуточного уровня, но для XML и переноса на язык описания интерфейсов (англ. Interface Definition Language, IDL) CORBA существует дескриптор PSM.

Ключевое преимущество использования архитектурного подхода UML состоит в том, что он позволяет определять программное радио и радиоприложения независимо от деталей реализации, не важно, используется ли Java, C, CORBA и т. д. Благодаря такой независимости, подход OMG предоставляет обратную совместимость с SCA (которая использует CORBA и XML), предоставляя возможность переноса и на другие технологии. Подход OMG приводит к уменьшению используемой памяти по сравнению с достаточно объемными реализациями SCA за счет оптимизации файлов определения и количества операций по созданию и удалению радиоприложений.

Когнитивное радио

Как и SDR, когнитивное радио (англ. Cognitive Radio, CR) окружено определенным количеством заблуждений о его возможностях и назначении. CR имеет свои ограничения в использовании.

Когнитивное радио как “всезнающую” коммуникационную платформу, способную подстраивать собственные характеристики для эффективного использования доступных коммуникационных ресурсов, впервые описали Митола и Магуайр [8]. На практике существуют некоторые ограничения, касающиеся преимуществ, которые может предоставить CR.

CR можно разделить на четыре элемента:

1. Чувствительность, получение информации об эфире с помощью:
   • мониторинга энергетических возмущений – просто, но замечает не все,
   • циклостационарного мониторинга, основанного на предположении о том, что рукотворные сигналы регулярно повторяются. Игнорирует морскую фауну в случае применения в сфере подводных коммуникаций и сонаров.
2. Распознавание, понимание состояния эфира:
   • свободные диапазоны частот,
   • свободные временные интервалы,
   • коммуникационный этикет.
3. Адаптация, возможность изменять частоту/кодирование, когда диапазон становится недоступным.
4. Взаимодействие, создание двустороннего канала связи и обмен информацией между узлами.

На упрощенном уровне CR можно считать радиосистемой, которая сканирует эфир (обычно, используя SDR) и выбирает наиболее эффективную архитектуру работы в нем. Например, радиосистема может проверять наличие сигналов 2G GSM, 3G UMTS и сигнала Wi-Fi, а затем конфигурировать себя для использования соединения, которое будет предоставлять оптимальный диапазон частот. Так сегодня работает большинство CR, однако, как было замечено раньше, обычно оборудование предоставляет вместо широких возможностей SDR только специализированные возможности для каждого диапазона, примером этому являются мобильные телефоны.

В идеальном виде CR должны предоставлять богатый набор возможностей, быть в состоянии работать в широком диапазоне частот и, по возможности, использовать незадействованные частоты. Проблемы практической реализации CR такого уровня развития очень серьезны, а в некоторых случаях, непреодолимы. Представьте систему телевещания, в которой телебашня передает сигнал на телеприемник, а в зоне телеприемника находится CR, не способное принять телесигнал (например, оно находится за горой). В таком случае CR просканирует радиоэфир, придет к выводу, что сигнал в диапазоне частот телетрансляции отсутствует, и будет использовать этот диапазон для собственных передач, что приведет к помехам на телеприемнике (рисунок 5).

Существует похожая проблема, “скрытый узел”, при которой принимающий узел находится в зоне действия двух передатчиков, но передатчики находятся вне зоны действия друг друга. Без согласования с приемником, оба передатчика могут вести одновременную передачу, что приводит к помехам на приемнике. Такая проблема существует в технологии WLAN, где она решается использованием протокола переговоров “RTS/CTS”.

На практике применение CR ограничено не только собранной информацией об эфире, но и информацией о потенциальном вмешательстве в него существующих в каждой стране служб. В связи с этим, решения на базе CR должны сочетать как функции распознавания, так и запрограммированный рабочий спектр.

Рисунок 5. Пример проблемы "скрытого узла".

Прикладные применения SDR
Когда стало ясно, что стандарты SCA и OMG SWRadio предоставляют механизм разработки и внедрения, стало важно понять, какие системы, помимо SCA и SWRadio, могут использовать такой подход.

В предыдущей работе [10, 11] мы рассматривали применение SCA для создания программируемых акустических систем связи и сонаров. Преимущество применения SCA для подводной связи заключается в уменьшении веса и размеров систем. Мы также рассматривали уникальный подход реконфигурации РЛС на вертолете ВМФ для создания опускаемой гидролокационной станции.

В данной статье мы продолжаем эту тему, рассматривая применение стандартов SCA и SWRadio в системах РЭР, РЭП и РЛС с АФАР.

Защищенная связь
Стандарты SCA и SWRadio предоставляют подход к реализации шифрования и методы управления красными (защищенными) и черными (незащищенными) доменами безопасности, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Защищенная система связи, реализованная с помощью программных методов.

Домены безопасности изолированы аппаратной частью и могут быть представлены в SCA в качестве компонентов.

Оставшаяся часть состоит из различных программируемых компонентов (FPGA, использующих язык описания VHDL, или процессоров с операционными системами на базе C). Однако, как показано на рисунке 6, в точках сопряжения всегда находится специализированное железо.

Системы радиоэлектронной разведки (РЭР)
РЭР решает задачи сбора и анализа электронных сигналов с целью выделения полезных разведывательных данных. Процесс сбора включает обнаружение, обработку и классификацию (рисунок 7), которые в совокупности позволяют извлекать из сигнала данные или характеристики его генератора.

Рисунок 7. Типичная цепочка обработки в РЭР.

На каждом этапе распознавания РЭР извлекает максимально возможную информацию о характеристиках сигнала при помощи множества антенн и цепочек приемников. Состав типичного алгоритма обработки РЭР описан ниже.

Обнаружение:

• амплитуды (прямое измерение, отношение сигнал/шум),
• фазы (передискретизация и субдискретизация, фазоразностный метод),
• частоты (дискретизация, Фурье, временная развертка, фазочастотные методы),
• направления (сравнение амплитуд, интерферометрический анализ, сканирование),
• временные характеристики (относительное и абсолютное время прихода сигнала),
• диапазоны частот (узкополосный, широкополосный).

Извлечение параметров:

• анализ амплитуд,
• анализ частот,
• анализ фаз,
• анализ диапазона частот,
• селекция, длина, классифицирование и повторение импульсов,
• циклостационарные методы,
• анализ характеристик сигналов,
• обнаружение импульсов с линейной и нелинейной модуляцией,
• определение паттерна смены частоты,
• демодуляция,
• доплеровский анализ,
• корреляционный анализ,
• связанные паттерны,
• взаимосвязанные паттерны,
• анализ классифицирования.

Классификация:

• формирование траекторий,
• идентификация источников сигналов и угроз,
• информация о типах,
• идентификация и фильтрация известных источников сигналов,
• идентификация специфических источников сигналов,
• создание цифрового отпечатка источника сигналов,
• классификация на базе знаний.

Отображение и вывод:

• отображение отслеживания,
• анализ и вывод источников сигналов и уровней угроз,
• представление типов и классификации,
• идентификация угроз,
• организация мер противодействия.

Такая сложная последовательность измерений и обработки сигналов может быть реализована на платформе SDR (рисунок 8). Стоит отметить, что фронтенд состоит из фиксированной аппаратной части, т. к. антенна имеет физические ограничения. Домен VHDL включает в себя быструю обработку данных, необходимую для отбора и анализа базовых характеристик сигнала. Слияние и анализ угроз осуществляются в программном домене.

Рисунок 8. Программно-определяемая система РЭР.

Реализация такой системы с использованием SCA требует создания XML-файлов, которое обычно происходит внутри среды разработки. На рынке существуют несколько сред разработки, но в этой работе мы выбрали для примера OSSIE [9].

Шаг 1: Выбор компонентов и устройств.

Рисунок 9. Компоненты и устройства.

Шаг 2: Соединение компонентов между собой.

Рисунок 10. Распределение портов.

Шаг 3: Соединение компонентов с устройствами.

Шаг 4: Генерация XML-файлов SCA.

Рисунок 11. Созданные XML-файлы.

Шаг 5: Установка на платформу.

Системы радиоэлектронного подавления (РЭП)
На самом простом уровне архитектура систем РЭП может быть представлена в виде РЭР-подобного фронтенда, соединенного с анализом угроз, выбором мер противодействия и модулем объединения данных, позволяющего радиосистемам глушить передачу данных.

Рисунок 12. Элементы системы РЭП.

Учитывая пример РЭР в предыдущей секции, можно увидеть, что радиоприложения могут быть представлены компонентами и соединены для создания внедряемого решения. Используя подходящую платформу для инстанцирования радиоприложений, можно создать программно-определяемую систему РЭП, показанную на рисунке 12.

Радиолокационные системы (РЛС)
В РЛС SCA может быть использована для описания радиоприложений и рабочих параметров системы, предоставляя подход к абстракции приложений от аппаратной платформы.

Например, в РЛС с АФАР каждый элемент решетки выступает в качестве независимой цепочки передачи и приема. Так как эти цепочки содержат компоненты, схожие с компонентами радиосистем, то для реализации механизмов программного управления можно использовать SCA или SWRadio.

Разработка радиоприложения для РЛС подобна примеру, описанному для систем радиоэлектронной разведки (РЭР).

Заключение
Мы предоставили обзор методов программного и когнитивного радио, фокусируясь на преимуществах стандартов SCA и SWRadio. Статья описывает функцию SCA и рассматривает её применение в различных прикладных областях, включая защищенную связь, РЭР, РЭП и РЛС.

Статья подчеркивает преимущества общих механизмов разработки и внедрения стандартов SCA и SWRadio, позволяющих упростить обслуживание, уменьшить вес и размеры устройств, поддерживать общие ресурсы и упростить управление радиоприложениями.

Использование технологий из области когнитивного радио, например, SCA, может значительно улучшить характеристики устройств во множестве сфер, от гражданских до военных. Стоит помнить, что технологии программного радио не ограничиваются только радиосистемами.

Список литературы

1. Mitola J., III, "Software radios-survey, critical evaluation and future directions" IEEE National Telesystems Conference, pp. 19-20, (1992)
2. Quin T., Kacpura T., "Strategic adaptation of SCA for STRS", SDR Forum Technical Conference Proceedings, (2006)
3. Joint Program Executive Office (JPEO), "Software Communications Architecture Specification", JTRS Standard, Version 2.2.2, FINAL / 15, (2006)
4. Bourse D., Muck M., Bateman D., Chengeleroyen G., Simon 0., Alonistioti N., et.al., "End-to-End Reconfigurability - Management and Control of adaptive communication systems", SDR Forum Technical Conference Proceedings, (2006)
5. Pullinger S., "Software Defined Radio: Briefing Paper", European Parliament Policy Department External Policies, (2007)
6. Object Management Group (OMG), "PIM and PSM for Software Radio Components", OMG Adopted Specification, dtc/05-05-04/ Final
7. Object Management Group (OMG), "Common Object Request Broker Architecture: Core Specification", Version 3.0.3, (2004)
8. Mitola J., III; Maguire, G.Q., Jr., "Cognitive radio: making software radios more personal", IEEE Personal Communications, 6, pp. 13-18, (1999)
9. Carrick, M., Cannier, D., et.al., "OSSIE 0.6.2 User Guide", Virginia Tech open source project publication, (2008)
10. Jones E., "The use of the Software Communications Architecture (SCA) for Sonar and Underwater Communications Applications", SDR Forum Technical Conference Proceedings, (2006)
11. Jones E., "The Application of Software Radio Techniques to Underwater Acoustic Communications", OCEANS 2007 - Europe, pp. 1- 6, (2007)

Автор: E. Jones
Источник: 2008 IET Seminar on Cognitive Radio and Software Defined Radios: Technologies and Techniques

Теги: Радиолокационные системы, РЛС, SDR, SCA, OMG, Когнитивное радио, Cognitive Radio, CR