Radio programowalne i jego rola w przyszłych systemach radiokomunikacyjnych Piotr Kaczorek

Radio programowalne Próba definicji Zalety i ograniczenia Obszary zastosowań Przykłady implementacji SPEAKeasy Software Radio DRM Software Radio Podsumowanie

Tradycyjne „radio analogowe” RF IF AF wzm., filtr RF konw. RF/IF wzm., filtr IF Demod ASIC: Application Specific Integrated Circuit RF: Radio frequency, IF: Intermediate frequency, AF: Audio frequency (Base Band)

Tradycyjne „radio cyfrowe” RF IF AF wzm., filtr RF konw. RF/IF wzm., filtr IF Demod Modem DTE DTE: Data Terminal Equipment

Radio wirtualne RF IF AF wzm., filtr RF konw. RF/IF wzm., filtr IF Demod PC A/D D/A A/D: Analog / Digital Converter PC: Personal Computer

Cechy radia programowalnego Konwersja A/D bliżej anteny Programowe przetwarzanie sygnałów, z możliwością wymiany oprogramowania Stosowanie procesorów DSP ogólnego przeznaczenia

Radio programowalne RF AF wzm., filtr RF A/D DSP FPGA D/A DSP: Digital Signal Processor FPGA: Field Programmable Gate Array

Radio programowalne RF IF AF wzm., filtr RF konw. RF/IF A/D DSP FPGA D/A DSP: Digital Signal Processor FPGA: Field Programmable Gate Array

Potencjalne korzyści Konwersja A/D bliżej anteny Szybsze i łatwiejsze uzyskanie korzyści z postępu w teorii telekomunikacji i DSP: nowe algorytmy DSP, nowe metody wielodostępu, modulacji, itp.

Potencjalne korzyści Przetwarzanie programowe sygnałów Wymiana oprogramowania jest łatwiejsza i znacznie tańsza, niż wymiana sprzętu Nowe oprogramowanie może być „ściągane” drogą radiową eliminacja błędów oprogramowania wprowadzanie nowych rodzajów usług

Potencjalne korzyści Procesory ogólnego przeznaczenia Wielofunkcyjność obniżenie kosztu urządzeń wielotrybowych rozszerzenie zakresu usług Rozszerzenie rynku producentów szybszy rozwój, niższe ceny

Ograniczenia Część analogowa: Przetworniki A/D Układy DSP liniowe, szerokopasmowe wzmacniacze Przetworniki A/D szybkość i rozdzielczość próbkowania Układy DSP moc obliczeniowa zużycie energii

Software Defined Radio Digitalizacja sygnału analogowego - może mieć miejsce na IF lub RF Programowe przetwarzanie sygnałów - oprogramowanie ma wpływ na parametry systemu: częstotliwość, pasmo sygnału, modulacja, moc Stosowanie układów ogólnego przeznaczenia - FPGA, DSP, P-ASIC, GP-P

Software Defined Radio Możliwość wymiany oprogramowania - nowe oprogramowanie pozwala na zmianę parametrów sygnału i rozszerzenie zakresu usług Powyższe nie wymaga wymiany sprzętu lub jego części Praca wielotrybowa - oprogramowanie umożliwia pracę w różnych systemach, trybach, pasmach

Obszary zastosowań SDR

Obszary zastosowań SDR Systemy wojskowe Zmiany pasm częstotliwości Wprowadzanie nowych technologii Kompatybilność systemów Policja i służby ratownicze Zarządzanie zasobami, również cywilnymi

Obszary zastosowań SDR Przemysł motoryzacyjny Wzrastające znaczenie komunikacji radiowej Możliwość aktualizacji Transport (kolej, lotnictwo) Systemy regionalne

Obszary zastosowań SDR Infrastruktura systemów komórkowych Niższy koszt stacji bazowych wielotrybowych Niższy koszt wprowadzania nowych systemów, usług Terminale systemów komórkowych Dalsza przyszłość (zużycie energii) Elektronika masowego użytku ?

Obszary oddziaływania SDR Rynek producentów sprzętu, Struktura systemów radiokomunikacyjnych Zarządzanie widmem Certyfikacja i standaryzacja

SDR a rynek producentów Rozluźnienie łańcucha producentów chipset – terminal – infrastruktura Podział sprzętu na fragmenty produkowane i sprzedawane oddzielnie: segment RF - procesor DSP - oprogramowanie Krótszy czas projektowania i wdrażania Więcej producentów, silniejsza konkurencja krótszy czas wdrażania –> niższe ceny

SDR a struktura systemu Rozluźnienie łańcucha użytkownik – terminal – radiowa sieć dostępowa – sieć szkieletowa – operator – dostawca usług Tradycyjne podejście: system dostępu radiowego wynika z regulacji i określa zakres dostępnych usług Podejście SDR: system dostępu radiowego wybierany na żądanie, zależnie od usługi i okoliczności

SDR a zarządzanie widmem Tradycyjne podejście: fragmenty pasma przypisane na stałe systemom i operatorom Podejście SDR: łatwość zmian systemu dostępu radiowego i/lub częstotliwości -> rynek wtórny widma; Wymaga to zmian w zasadach zarządzania widmem

SDR a polityka certyfikacji Tradycyjne podejście: - oprogramowanie i sprzęt stanowią całość - SDR – certyfikacja każdej kombinacji oprogramowania i sprzętu Rozwiązanie Vanu - podział SDR na dwa segmenty: SPU, Signal Processing Unit oraz ITU, Independent Transmitter Unit, - certyfikacji podlega tylko ITU

Przykłady implementacji Projekty badawcze UE SPEAKeasy Software Radio DRM Software Radio

Projekty badawcze UE Projekt SORT (część programu RACE) - określenie potrzeb, opracowanie architektury, implementacja sekcji RF-IF oraz DSP, przeprowadzenie testów Projekt SODERA (część programu IST) - opracowanie architektury sekcji RF-IF systemów komórkowych 3G na potrzeby SDR

SPEAKeasy Program Departamentu Obrony USA Instalacja nowego oprogramowania: - z dysków wymiennych lub drogą radiową Zastosowania: Komunikacja głosowa i transmisja danych Łączność taktyczna sił zbrojnych Cywilne służby ratownicze i policja

SPEAKeasy

Digital Radio Mundiale DRM – organizacja zrzeszająca 80 nadawców, producentów, operatorów, instytutów badawczych i agencji standaryzacyjnych z 30 państw DRM - system cyfrowy radiodyfuzji w pasmach do 30 MHz (LF, MF, HF)

DRM - harmonogram prac 1998 – założenie DRM 1999 – ocena propozycji systemu 2000 – pierwsze próby, zgłoszenie do ITU 2001 – specyfikacja techn., standaryzacja 2002 – transmisje pilotowe 2003 – oficjalna premiera: WRC’2003

DRM – prototyp odbiornika

DRM Software Radio

System demonstracyjny Segment RF: Watkin-Johnson - częstotliwość 2MHz - 2GHHz, pasmo 2 - 45 MHz Przetwornik A/D - próbkowanie 60 Msps, - rozdzielczość 14 bitów Procesor DSP -Pentium III 700 MHz Zastosowania: radio FM, radio policyjne, terminal AMPS, terminal GSM

Podsumowanie Korzyści, jakie zapewnia SDR: Bardziej efektywne wykorzystanie widma Niższy koszt i krótszy czas wprowadzania nowych technologii Otwarcie nowych rynków Obniżenie ceny terminali i usług