Software Defined Radio

Software Defined Radio

Aparitia unei tehnologii versatile in sectorul commercial conduce intotdeauna la realizarea unei stari de emulatie in intreaga industrie. Tehnologia SDR (Software Defined Radio) nu numai ca a reusit sa capteze atentia dar a generat aparitia unor noi standarde care conduc industria de profil dincolo de generatia a treia de sisteme de comunicatii. SDR este un concept care, la inceput de mileniu trei, are parte de o recunoastere enorma ca avad potentialul necesar accesarii urmatorului stadiu al tehnologiilor wireless, primind suport atat de la agentiile guvernamentale cat si de la entitati comerciale de calibru. Beneficiile enorme promise de SDR au creat un interes foarte mare, aparitia sistemelor radio bazate pe definire software ramanand acum doar o chestiune de timp.

1. Dezvoltarea sistemelor radio software, din perspectiva militara

SPEAKeasy

Ca de altfel multe alte tehnologii, SDR este un proiect initiat de militari in scopul rezolvarii numeroaselor probleme asociate sistemelor radio traditionale. Desi existau prototipuri de statii radio multimod inca din anii '70, proiectul SPEAKeasy se spune ca a reprezentat in fapt inceputul realizarii sistemelor bazate software. La acest proiect au luat parte numeroase organizatii militare americane: Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Army, Navy, Air Force si National Security Agency (NSA).

Acest prim proiect a avut doua scopuri principale. In primul rand exista un mare interes in dezvoltarea unui sistem de statii radio bazat pe utilizarea de procesari programabile pentru a permite emularea diferitelor tipuri de semnale radio militare in diferitele game de frecventa. Cel de-al doilea scop a fost acela ca odata cu aparitia noilor tehnologii sa se permita implementarea ulterioara de noi coduri si modulatii standardizate in sistemele radio. Aceste programe au condus la identificarea urmatoarelor beneficii pe care aceste sisteme bazate pe soft le-ar fi putut asigura:

• Realizarea interoperabilitatii prin emularea mai multor tipuri de semnale radio;
• Flexibilititatea de a permite reconfigurari in functie de cerintele platformei;
• Posibilitatea de a fi rapid si usor incorporate in proiecte de dezvoltare ulterioara;
• Potentialul ridicat de reducere a costurilor necesare pentru proiectarea urmatoarelor sisteme radio;

SPEAKeasy a fost implementat in doua faze. Prima faza, initiata in 1992, a avut drept scop sa dezvolte tehnologii care sa suporte implementari radio multimod si multibanda si sa demonstrezze ca asemenea sisteme radio pot opera cu elemente din cadrul fortelor terestre, navale, aeriene si sateliti in domeniul de frecventa de la 2 MHz la 2 GHz.

Proiectul s-a concretizat intr-un sistem radio care a atins marea majoritate a scopurilor propuse initial. Cateva dintre realizarile importante au fost divizarea domeniilor largi de frecventa in subbenzi mai mici pentru a fi procesate cu diferite tehnologii radio analogice integrate, utilizand aceleasi convertoare analog digitale. Mai tarziu acesta devine concep de baza pentru statiile radio software de banda larga. Arhitecturile propuse pentru emitatoare si receptoare au stabilit cadrul pentru urmatoarele cercetari si eforturi de dezvoltare. De asemenea, cercetatorii au realizat ca arhitecturile deschise sunt o cerinta fundamentala pentru un astfel de sistem radio. Unul din inconvenientele rezultate a fost acela ca un procesor nu putea sa mentina deodata cateva conversatii radio.

Dupa succesul fazei I, faza secunda a proiectului SPEAKeasy a fost orientata spre cearea de arhitecturi deschise si sisteme reconfigurabile, pentru a se crea posibilitatea implementarii mai multor tipuri de protocoale redio care sa permita si realizarea simultana a mai multor conversatii.

Dupa numai 15 luni, cercetatorii au prezentat prototipul unei statii care putea opera intr-o banda de frecvente de la 4 MHz la 400 MHz. Arhitectura s-a bazat pe interfete standard deschise pentru module diferite in scopul realizarii managementului diferitelor functii radio, rezultatul fiind un echipament mult mai mic si mai usor decat cel din faza I. In loc sa utilizeze un sistem de operare central, modulele componente ale statiei radio comunicau cu ajutorul unui protocol multinivel printr-un bus PCI. Proiectul a introdus de asemenea si conceptul de utilizare a unitatilor poarta de camp programabil (Field Programmable Gate Arrays -FPGA), module cu microprocesoare utilizate pentru procesare digitala.

Joint Tactical Radio System (JTRS)

Ca urmas al proiectului SPEAKeasy, JTRS este un program al Departamentului Apararii SUA, lansat in 1999, in scopul implementarii tehnologiilor radio de programabilitate software pentru asigurarea suportului in diferite benzi de frecventa si protocoale multiple in comunicatiile militare. La acea data, Departamentul Apararii SUA resimtea necesitarea realizarii de comunicatii radio intre diferitele tipuri de luptatori in situatii critice. Pentru sistemele radio definite software, JTRS a adoptat un cadru de dezvoltare cu arhitectura deschisa bazat pe utilizarea sistemelor de operare CORBA si POSIX, pentru coordonarea diferitelor module. Acest cadru a fost asigurat de Software Communications Architecture (SCA), care a fost dezvoltat de JTRSA. Prin acest cadru se asigura un set de specificatii care descriau comunicarea si interactia dintre diferitele module radio.

JTRS a conlucrat si conlucreaza strans cu diferite alte entitati, cum ar fi SDR Forum, o organizatie non-profit care este alcatuita din furnizori si utilizatori de echipamente SDR, precum si cu Object Management Group (OMG), pentru a continua dezvoltarea sistemelor radio definite software. Actualele planuri ale Departamentului Apararii SUA, includ inlocuirea tuturor echipamentelor radio traditionale cu dispozitive radio definite software fiind alocate si fonduri bugetare inn aceasta diresctie

Dezavantajele sistemelor traditionale bazate pe implementare hardware

Pana acum, sistemele radio bazate pe solutii hardware au dominat tehnologiile radio din lumea comerciala. Desi aceste sisteme au asigurat servicii fiabile, exista numeroase probleme asociate arhitecturilor hardware intensive care conduc la ideea comutarii graduala spre solutii bazate pe software. In continuare se vor prezenta cateva atribute negative.

In primul rad, in mod traditional functiunile radio se realizau prin compozitii complexe ale diferitelor componente hardware. Din punctul nostru de vedere, in statiiile de baza, ca exemplu, aceste structuri includeau o mixtura de elemente radio, arhitecturi de control si comunicatii precum si o infrastructura de control. Pentru procesarea si transmiterea diferitelor semnale radio in aceste sisteme sunt necesare numeroase componente fixe care opereaza in comun. Problema rezultata de aici, in sistremele bazate pe solutii hardware, este inflexibilitatea, lipsa de interoperabilitate a diferitelor standarde, capacitatile de procesare si suportul limitat pentru doar un set de protocol de interfatare cu mediul de transmisie.

Proliferarea rapida a standardelor wireless prezinta inca o problema majora. Cateva standarde de transmisie wireless cum ar fi General Packet Radio Service (GPRS), Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) si standardele 3G sunt dezvoltate si au devenit o realitate. Dar, intrucat sistemele hardware sunt capabile doar de procesarea unui singur standard pe sistem, furnizorii de servicii sunt nevoiti sa dezvolte mai multe structuri pentru acomodarea multimii de standarde, datorita faptului ca echipamentele mostenite nu vor disparea instantaneu. Acest aspect implica o durata inacceptabil de lunga si decelereaza cercul inovatiilor din industrie.

O alta posibilitate ar fi sa se upgradeze structura hardware pe masura ce apar noile tehnologii. Dar aceasta cale va fi la fel de ineficienta datorita costurilor ridicate datorate modificarilor hardware sau inlocuirilor.

SDR Delimitari conceptuale

Desi programele dezvoltate de militari (cum sunt cele descrise mai sus) au demonstrat avantajele asigurate de sistemele radio bazate pe definirea software, in sectorul comercial competitia a fost lansata doar de cativa ani. Implementarea comerciala a conceptului SDR promite sa fie mult mai posibila si financiar suportabila printr-o trecere graduala de la sistemele traditionale bazate pe software spre sistemele bazate pe solutii software. Progresul continuu in domeniile tehnologice, al realizarii microprocesoarelor, conversiilor analog digitale, al programarii orientate pe obiect si al digitizarii in domeniul radiofrecventei a demarat deja dezvoltarea spre astfel de sisteme radio bazate pe definire software.

Definitiile conceptului SDR

Exista numeroase definitii pentru SDR si nu sunt in totalitate echivalente una cu alta. Federal Communications Commission (FCC) defineste SDR ca ,,generatia de echipamente radio care poate fi reprogramata usor sa transmita si sa receptioneze pe orice frecventa dintr-o gama larga de frecventa utilizand orice format de transmisie si orice set de standarde". International Telecommunication Union (ITU) a propus pentru SDR urmatoarea definitie: ,,statii radio in care parametrii de operare printre care domeniul de frecventa, tipul de modulatie, si/sau limitarile in putere pot fi setate sau modificate software". Spre deosebire de acestea, SDR Forum, ca si organizatie internationala non-profit care promoveaza dezvoltarea SDR, ofera o definitie mai larga: ,,Statiile definite software sunt o colectie de tehnologii software si hardware care permit arhitecturi de sisteme reconfigurabile pentru retele wireless si terminale utilizator". Un motiv pentru aparitia mai multor definitii este probabil datorat marimii si naturii complexe a tehnologiei si multitudinii de intelesuri posibile pentru implementarea sistemelor SDR.

Cele 5 niveuri ale Statiilor Definite Software

Complexitatea ceruta de construirea SDR a condus la aparitia mai multor definitii inconsistente. In ideea promovarii unei intelegeri mai bune a acestei tehnologii, Forumul SDR a stabilit 5 niveluri care cuprind diferitele categorii de sisteme radio definite software.

Nivelul 0 descrie statiile radio bazate pe tehnologii hardware si in fapt nu este considerat un nivel din domeniul SDR. Cea mai simpla tehnologie SDR incepe cu nivelul 1 care cuprinde statiile radio controlate software in care doar functiile de control sunt procesate software. Cel mai simplu exemplu de statie care apartine acestei categorii este telefonul celular dual mode care consta in doua statii radio hardware pentru doua standarde diferite. Softul controleaza doar care dintre cele doua va fi utilizat. La acest nivel, upgradarile ulterioare pentru un nou standard nu mai sunt posibile.

Nivelul 2 este reprezentat de statiile radio reconfigurabile software. Dupa cum se deduce si din nume, aceste sisteme SDR realizeaza reconfigurari software prin controlul care se poate exercita asupra tehnicilor de modulatie, functiilor de securitate (cum ar fi saltul in frecventa) si cerintelor formelor de unda, intr-o gama larga de frecvente. SDR din nivelul 2 includ module si aplicatii asociate de procesare cum ar fi circuite integrate pentru aplicatii specifice (ASIC), unitati poarta de camp programabil (field-programmable gate arrays - FPGA) si procesoare de semnal digital (digital signal processors - DSP). Desi SDR reconfigurabile sunt sisteme utilizate in mod comun in prezent in special in aplicatile militare, datorita sofisticarii rapide a tehnologiilor SDR aceste sisteme tind sa devina demodate. Un exemplu de sistem de nivel 2 il reprezinta sistemul SPEAKeasy amintit mai sus.

Nivelul 3 de statii definite software, denumit si statii software ideale (ideal software radios - ISR), va fi probabil cel mai implementat tip de sistem radio in viitorul apropiat. Bazat pe extinderea posibilitatilor de programabilitate asupra intregului sistem, conversia analogica ramanand sa fie realizata doar de antena, microfon si difuzoare. Componentele de heterodinare care servesc functiunilor de convertire a frecventelor radio in frecvente intermediare sunt de asemenea eliminate in statiile radio software ideale, ca si componentele pentru amplificarea analogica.

Nivelul 4, ultim, reprezinta insa doar o viziune despre SDR. Forumul SDR a declarat ca aceste statii (USR - ultimate software radios) ,,sunt definite doar in scopuri de realizare a comparatiilor". In teorie, aceste statii se presupune a fi capabile sa suporte un domeniu extrem de larg de frecvente de lucru, aplicatii si tipuri de interfete cu mediul de transmisie, sa perita comutari intre diferitele formate de interfatare cu mediul de transmisie si diferitele aplicatii in doar cateva milisecunde.

Avantajele statiilor definite software

Marele avantaj al implementarii sistemelor SDR il reprezinta introducerea de noi intelesuri si valente flexibilitatii dinamice si upgradabilitatii. SDR se bazeaza pe o structura deschisa si consta intr-o platforma harware comuna care va permite instalarea diferitelor aplicatii software necesare pentru transmiterea semnalului. Aceasta platforma harware generica poate fi folosita pentru a suporta diferite protocoale, servicii si produse. Rezultatul este un sistem radio multibanda si multimod capabil sa se adapteze diferitelor tipuri de protocoale cum ar fi AMPS, TDMA, CDMA sau GSM, care acum sunt cele mai utilizate standarde de interfatare cu mediul de transmisie radio. Este de asteptat ca in viitorul apropiat TDMA si GSM sa evolueze intr-un nou standard. Luind in considerare faptul ca milioane de actuali abonati nu se vor conforma imediat noului standard, comuniunea acestora va fi aproape imposibila. Dar, datorita coexistentei catorva module software intr-un sistem SDR si a posibilitatii de programare a acestuia, acomodarea si suprotul dinamic pentru diferite standarde devine posibil.

Interoparabilitatea sistemelor micsoreaza durata de aducere pe piata a noilor tehnologii, astfel incat pe parcursul fazelor de tranzitie spre noua tehnologie, standardele mostenite si cele noi pot coexista pana cand piata va asimila noul standard, contribuind la integrarea rapida a noilor tehnologii si la rezolvarea problemelor ridicare de coexixtenta cu echipamentele mostenite.

O data cu flexibilitatea se obtine o manevrabilitate si o sustenabilitate mai eficienta a sistemelor radio datorita functionalitatii asigurate cu modulele software. Intrucat nevoia de modificari si inlocuiri hardware a fost eliminata in SDR, furnizorii de echipamente au la dispozitie perioade de timp relativ mai mari iar introducerea si reconfigurarea noilor standarde va deveni mai usoara chiar prin upgradari over-the-air sau direct in site. Mai putine componente hardware fixe inseamna mai putina mentenanta asa cum utilizarea unei platforme hardware generice conduce la costuri mai mici ale echipamentului.

SDR asigura de asemenea avantajul promovarii unei modalitati mai eficiente de utilizare a spectrului dupa cum se va observa din exemplul descris in scenariul urmator. Necesitatea de a asigura concentrarea datelor de distributie intr-un singur punct prin linii de mare capacitate sau facilitati oferite de transmisiiele fixe prin microunde din structurile traditionale, prezinta un factor de cost urias pentru furnizorii de servicii. In SDR, furnizorii de servicii nu sunt limitati la legaturile fizice de tip backhaul (legaturi necesare concentrarii datelor de distributie intr-un singur punct) atat timp cat parti ale spectrului radio pot fi utilizate pentru legaturi backhaul cu un echipament SDR din punctul de colectare a datelor. Statiile de baza sunt conectate prin legaturi fara fir la controler, fiind nevoie de doar o singura legatura fizica centrala pentru conectarea structurii wireless la oficiul de comutatie de telefonie mobila. Acest aspect conduce la o solutie mult mai putin costisitoare datorita eliminarii unei mari parti din costurile operatiilor recurente si promovand cai eficiente de alocare a resurselor pentru a intampina nevoile abonatului.

Mai mult, statiile de baza pot fi usor ajustate si relocate astfel incat acoperirea si capacitatile cerute de nevoile fizice sa nu fie necesare. Statiile definite software pot fi utilizate pentru desfasurare usoara deoarece numarul mai mic de componente hardware conduce la realizarea unui sistem de dimensiuni mai mici. Statiile de baza integrate de tip SDR prezinta mari oportunitati pentru a asigura servicii celulare si mobile.

Aceleasi avantaje vor fi disponibile si in echipamentele mobile de abonati, cum ar fi telefoanele celulare, PDA-urile, laptop-urile si alte dispozitive portative. Toate acestea permit acomodarea cu mai multe standarde de comunicatii si protocolae de interfatare cu mediul ce comunicatie radio, capabilitati de migrare spre noi standarde prin downloadari software si programarea software a modulelor.

Mult mai important pentru producatorii de echipamente, integrarea SDR in seturi de abonat va necesita luarea in considerare a urmatorilor factori tehnici. Circuitele integrate va fi necesar a fi proiectate in marimi rezonabile pentru dispozitivele portabile astfel incat sa fie abordata corect puterea consumata. De mare importanta este modul in care furnizorii de servicii vor rezolva dilema nivelurilor de servicii in raport cu problematica fraudei si a contorizarii apelurilor. Aspectele economice si consimtirea furnizorilor de a colabora va dicta viitoarea directie de integrare a SDR in dispozitivele de abonat.

Ultimul scop al SDR il reprezinta dezvoltarea dispozitivelor purtatoare care vor putea asigura acces la o variatate de servicii wireless. SDR are capacitatea de a realiza statii portabile care vor putea face ca acest vis sa devina realitate. Numeroase aplicatii cum ar fi servicii de telefonie celuara, browsere web, e-mail, pozitionare globala sau videoconferinta pot fi integrate intr-un singur sistem. Desi inalt convergenta acestor tipuri de sisteme nu este atat de aproape de a se realiza in acest moment, conceptul SDR aduce cu el acest mare potential si nu va ramane decat sa-i urmarim dezvoltarea.

In plus de toate acestea, FCC spera ca implementarea SDR va promova o mai eficienta utilizare a spectrului, va extinde accesul spre serviciile wireless si va incuraja competitia intre furnizorii de servicii. Ttabelul 1 prezinta o sinteza a avantajelor enumerate.

Tabelul 1. Avantajele statiilor definite software

3. Prezentare tehnologica generala a SDR

Arhitecturile SDR au evoluat continuu de la aparitia conceptului de statie radio flexibila. Noile tehnologii in realizarea componentelor au inceput sa modifice atat designul cat si specificatiile. Forumul SDR conlucreaza cu o mare varietate de producatori si parteneri industriali pentru a dezvolta un proces de standardizare absolut necesar pentru a aigura compatibilitatea intre dispozitive. Forumul a trimis o propunere JTRS pentru standardizarea procesarii de semnal de inalta viteza in scopul evitarii pericolului limitarii potentialului SDR daca producatorii ofera solutii proprietare noninteroperabile.

In aceasta prezentare generala va fi examinat un receptor conventional, o arhitectura generala SDR si diferite implementari ale componentelor precum si provocarile cerute de proiectare.

Statiile Radio Conventionale

In efortul necesar procesului de intelegere a procesului din spatele conceptului SDR, este necesar sa se realizeze o prezentare generala a componentelor unei statii radio conventionale. Intr-un sistem radio conventional superheterodina, semnalul de radiofrecventa intra in sistem prin antena si trece printr-un filtru trece banda pentru eliminarea frecventelor nedorite. Semnalul rezultat este trecut prin precesul de heterodinare prin introducerea unui nou semnal cu ajutorul unui oscilator local, si mixarea acestuia cu semnalul de radiofrecventa (IF). Semnalul de radiofrecventa poate sa treaca prin alte procese de mixare in functie de frecventa necesara la intrarea convertorului analog digital, componenta care converteste semnalul in echivalentul sau digital. Semnalul este apoi furnizat procesorului de semnal digital (DSP) sau procesorului generic (GPP), decodat si retransmis la interfata utilizator (figura 1).

Figura 1 Model generic de radiofrecventa

Actualele convertoare analog digitale nu pot procesa semnale de inalta frecventa fara implementarea unor etaje de filtrare si mixare care vor reduce valoarea frecventei la o valoare mult mai usor manevrabila (valoarea IF) sau la o forma de unda din banda de baza. In scopul obtinerii unui semnal cu o frcventa corespunzatoare, procesul de coborare a frecventei poate apare de cate ori este necesar in lantul de receptie.

Limitarile sistemelor analogice

Pentru ca un sistem radio conventional sa poata realiza compatibilitate multimod si multibanda acesta va trebui sa contina cate un set unic de componente pentru fiecare mod de operare, cerinta care este pur si simplu impracticabila din punctul de vedere al costului, spatiului, puterii si eficientei. SDR isi propune sa integreze multiplele componente ale acestor platforme intr-una singura pentru a crea versatilitatea necesara realizarii cu mare rapiditate a modificarilor.

Desi dispunem de abilitatea de a integra toate tipurile de componente intr-un singur cip cu tehnologia MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit), componentele analogice nu se pot utiliza pentru transmisii de banda larga in mediul 3G, datorita limitarii inerente a performantelor acestora. In plus, chiar si in sistemele care lucreaza in benzi inguste traditionale, componentele analogice sufera de o serie de efecte cum ar fi: imbatranirea, variatiile de temperatura si lipsa de liniaritate, aspecte care conduc la probleme grave de integritate a semnalului, incluzand distorsiuni armonice care apar in semnalul de iesire. Cand un semnal este prelucrat de o componenta neliniara, iesirea poate sa contina mai multe copii ale semnalului original, localizate spectral la intervale apropiate de frecventa originala a semnalului dorit.

In SDR, semnalul de frecventa radio va fi convertit in format digital imediat dupa intrarea in sistem. Principala constrangere care impiedica proiectarea este rata de esantionare ceruta de conversia analog digitala pentru a obtine semnalul digital. Tehnologiile ADC continua sa avanseze, dar se pare ca nu cu aceeasi viteza ca si SDR. Tehnologia Texas Instruments Digital RF Processing (DRP) a realizat la nivelul anului 2003 o esantionare efectiva a unui semnal de radiofrecventa la frecventa de 2,45 GHz. Cu toate acestea, semnalul de radiofrecventa esantionat a fost de doar 1 MHz, foarte departe de cei 5 MHz din cei ai canalelor din mediul 3G.

Rata de esantionare pentru convertoarele de semnal este restrictionata de teorema lui Nyquist care statueaza ca atunci cand se converteste un semnal analog in semnal digital, frecventa de esantionare trebuie sa fie de doua ori mai mare decat cea mai mare frecventa a semnalului de intrare pentru a face posibila reconstructia semnalului original din esantioanele sale. In alte cuvinte, daca se doreste a se esantiona un semnal de 50 MHz, atunci frecventa de esantionare trebuie sa fie mai mare de 100 MHz.

Teorema lui Nyquist presupune existenta unei puteri mari de procesare, aspect care deocamdata nu poate fi realizat prin procesare analog digitala. Prin urmare, pentru ca tehnologia SDR sa realizeze compatibilitatea cu formele de unda de inalta frecventa se apeleaza la un proces alternativ, cunoscut sub numele de subesantionare (undersampling). Subesantionarea elimina multiplele etape de coborare in frecventa a semnalului, si ca multe alte aspecte ale SDR, este mai degraba un proces complicat, permitand unui convertor analog digital sa realizeze esantionare la mai putin de doua ori decat frecventa maxima a semnalului. Cu toate potentialele beneficii ale convertirii frecventelor inalte, exista si obstacole care pot compromite procesul de subesantionare cum ar fi jitterul si zgomotul de faza.

In plus, aparitia de standarde cu scheme de modulare foarte complexe cum ar fi IEEE 802.16e si 802.20 vor adauga si mai multa complexitate proiectarii convertoarelor de date, cerand proiectantilor sa realizeze alte inovatii pentru imbunatatirea proiectarii in domenii cum ar fi: conversia datelor, calibrarea, viteze de esantionare mai inalte si nu in ultimul rand viteze de procesare mai ridicate.

Posibilitatile SDR

Ultimul tel al conceptului SDR este programabilitatea si versatilitatea completa. Singurul mod de a atinde acest nivel de performanta este prin continua eliminare a componentelor analogice mentionate, componente care impiedica adaptabilitatea si sunt limitate in functiuni.

Exista nenumarate propuneri pentru arhitecturi SDR in functie de specificul aplicatiilor. De exemplu, o configuratie pentru un telefon mobil va diferi de cea a unui PC cu capabilitati SDR datorita modului de operare diferit al celor doua dispozitive. Figura 2 este un exemplu de posibila arhitectura fizica SDR, identificand componentele cheie care vor maximiza flexibilitatea si adaptabilitatea.

Figura 2. Arhitectura ipotetica SDR (adaptata din SCA Technica)

In aceasta arhitectura ipotetica, o statie ideala definita software a inlocuit componentele analogice cu echivalentele digitale si a simplificat proiectul dispozitivului prin comprimarea catorva componente independente traditionale intr-un singur cip. Antena reprezentata in aceasta figura este multimod, avand capacitatea de a receptiona mai multe tipuri de semnale. Procesul de schimbare de frecventa a semnalului RF si digitizarea apar imediat dupa intrarea semnalului in sistem si ambele procese sunt realizate de un singur cip.

Modulul benzii de baza contine atat procesarea digitala a semnalului (DSP) cat si unitatile FPGA (unitatile poarta de camp programabil). Datorita relativei noutati a tehnologiei, numarul actual de componente DSP si FPGA variaza de la sistem la system, dar consensul general este ca pentru o functionalitate optima trebuie sa coexiste mai multe microprocesoare in modulul benzii de baza. Bus-ul de control si mentenanta utilizeaza interfete Portable Operating System Interface (POISX) si Common Object Request Broker Architecture CORBA) care vor fi discutate mai tarziu.

Desi un modul pentru securitate nu este necesar pentru toate aplicatiile, cele mai multe dispozitive mobile portabile si statii de baza vor implementa asemenea dispozitive de securitate pentru a asigura intimitatea clientilor si integritatea sistemului.

Componente critice ale SDR

Nu exixta o cale ,,buna" si o cale ,,gresita" de a proiecta produse electronice de consum. Exista doar imperativitatea de a realiza un sistem inexpensiv care lucreaza si se vinde foarte repede pe piata. Aceasta tehnologie este adevarata si pentru dezvoltarea SDR. Procesul necesar pentru implementarea SDR este cunoscut. Totusi sunt mai multe cai care conduc la destinatii similare.

Esre incontestabil ca intr-o setare ideala, conversia digitala a semnalului se va realiza imediat dupa intrarea in sistem. Exista o mare dezbatere intre experti in ceea ce priveste alegerea celei mai eficace combinatii de Circuite Integrate Specifice Aplicatiei, unitatilor poarta de camp programabil (FPGA), si Procesoarelor de Semnal Digital (DSP) pentru a esalona pasii de neceari evoularii catre un sistem wireless avansat. Toate aceste componente sunt ideale pentru operare, dar nevoia actuala pentru fiecare componenta va avea la baza rezolvarea nevoilor utilizatorilor.

Procesorul de Semnal Digital (DSP)

Inima statiilor definite software rezida in unitatile de procesare a semnalului. Aceste componenete implementeaza protocolalele de nivel superior in format de timp real si sunt manipulate de softul instalat, permitand interpretarea unei mari varietati de semnale prin simpla activare potrivita a softului corespunzator. Utilizand o serie complexa de algoritmi, cipurile DSP realizeaza functiuni cum ar fi: codarea si decodarea surselor de semnal, filtrarea, verificarea erorilor, precum si proceduri de modulare si demodulare. Continand un bloc de procesare de inalta viteza cunoscut sub numele de MAC (Multiply and Accumulate), DSP proceseaza semnalul prin preluarea instructiunilor si datelor din memorie, realizarea operatiilor cerute si memorarea rezultatelor inapoi in memorie. Inconvenientul major al unitatilor DSP este ca ele au nevoie de viteze mari de procesare, viteze cerute de benzile largi de transmisie. Pentru a compensa aceasta inabilitate, unii proiectanti sustin ca utilizarea a doua DSP-uri in paralel va conduce la obtinerea unor performante suficiente pentru SDR portabile astfel incat sa se poata realiza codarile/decodarile necesare precum si procesarea de simboluri fara a fi nevoie de unitati ASIC.

Circuite Integrate pentru Aplicatii Specifice (ASIC)

ASIC-urile realizeaza coborarea in frecventa a semnalului si filtrarea digitala. Ele lucreaza la viteze mult mai mari decat FPGA-urile. De obicei de marimi mici, cipurile ASIC sunt proiectate pentru obiective specifice si din acest motiv ele nu sunt programabile. Aceasta este un fel de binecuvantare deghizata, conducand la realizarea unui dispozitiv dedicat care este mult mai eficient energetic decat procesoarele cu scopuri generale. Datorita naturii specifice de operare a cipurilor ASIC, fiecare astfel de chip trebuie sa fie proiectat pentru o aplicatie specifica.

Unitatile Poarta de Camp programabil (FPGA)

FPGA-urile sunt dispozitive complet programabile care pot performa o multime de sarcini definite de utilizator incluzand coborarea digitala in frecventa, procesarea de semnal si filtrarea. Desi FPGA-urile opereaza la viteze mai mici decat circuitele ASIC, in termeni de memorie angajata, amandoua tipurile de dispozitive sunt comparabile. Multi specialisti sustin utilizarea cipurilor FPGA in aplicatiile SDR intrucat acestea pot fi realizate in productie de masa spre deosebire de ASIC-uri care sunt necesar a fi create pentru fiecare aplicatie in parte. Aceasta sugereaza ca cipurile FPGA pot fi integrate alaturi de DSP pentru a realiza majoritatea operatiilor din SDR, permitand DSP-ului sa opereze mai aproape de nivelul de performanta necesar aplicatiilor de banda larga. Sistemele care contin atat FPGA cat si DSP pot furniza capacitati de procesare de semnal de 10 ori mai eficienta decat sistemele care contin numai DSP, prezentand avantaje in ceea ce priveste costul, consumul si spatiul de memorie necesar sistemului (fig. 3).

Figura 3. Combinarea microprocesoarelor in SDR

Legea lui Moore

In 1965, Gordon Moore, co-fondator al firmei Intel, a emis legea care-i poarta numele: ,,numarul de tranzistoare pe centimetru patrat de circuit integrat s-a dublat in fiecare an de la aparitia circuitelor integrate si se va dubla in fiecare an in viitorul previzibil." Desi rata dublarii cantitatii de date necesar a fi procesate a coborat sub 18 luni, aceasta lege ne indica faptul ca in viitorul previzibil performantele vor continua sa creasca. Este de anticipat ca vor apare curand solutii economice pentru receptoare multibanda si multimod care vor opera cu canale de comunicatie de banda larga, atractive financiar si vor putea fi dispuse in dispozitive eficiente si compacte.

Consideratii privind antenele

Desi proiectele traditionale ale statiilor radio obisnuiesc sa utilizeze o singura antena care practic specifica gama de frecvente compatibila cu dispozitivul, SDR prezinta inca o provocare pentru proiectanti, astfel incat in viitorul apropiat, sisteme de antene multiple sau antene individuale ,,inteligente" pot fi utilizate pentru a capta game largi de frecvente.

Cele mai multe telefoane mobile opereaza in game fixe de frecventa, nefiind necesara utilizarea decat a unei singure antene. Statiile SDR mobile reclama necesitatea de a opera in game diferite de frecventa necesitand solutii inovative in materie de antene. Nu au aparut inca proiecte consistente in aceasta directie dar exista potential pentru schimbarea rapida a antenelor in concordanta cu functiile dorite. Cu toate acestea, acest scenariu limiteaza tipurile de operatii capabile de a fi realizate simultan de o SDR. Alte posibilitati presupun utilizarea unui sistem de doua antene de dimensiuni mici dar probabil ca aceasta dilema va fi transata de pretul de cost in raport cu performantele obtinute.

Implicatii privind securitatea

Avantajele tehnologice au deschis noi cai de a exploata problemele privind securitatea. Accesibilitatea siversatilitatea tehnologiilolor orientate spre consum au permis persoanelor rau voitoare sa le utilizeze in scopul realizarii de casiguri ilegale descurajand anumite directii de dezvoltare. De la nasterea conceptului SDR, industria de profil a inregistrat cresteri semnificative. Comisia pentru Comunicatii Federale din SUA a fost deschisa la initiative si a optat sa nu constranga dezvoltarea domeniului prin regularizari si conditii de securitate. Pe 13 septembrie 2001, FCC a inlaturat barierele intrarii SDR pe piata si a adoptat Software Defined Radio First Report and Order. In acest raoprt , FCC anunta official pozitia in legatura cu acest subiect spunand ca este vital sa se asigure ca schimbarile realizabile prin programarea software sa nu conduca la obtinerea unor parametrii radio in afara prevederilor standardelor internationale in scopul prevenirii realizarii de interferente nedorite cu sistemele aprobate. In acest sens FCC afirma ca cerintele de securitate pentru SDR vor putea fi si ulterior specificate.

Traditional, retelele Wireless sunt mult mai susceptibile la un atac decat echivalentul acestora pe linii cu fir. Programabilitatea dispozitivelor SDR vor oferi oportunitati de atac similare si chiar crescute fata de cele ale retelelor wireless. Industria SDR este in fata unei provocari dificile si va trebui totusi sa stabileasca un set de linii generale universal valabile pentru download, autentificare, autorizare, integritatea sistemului si confidentialitate. La un dispozitiv flexibil, programabil, este cu siguranta greu de prevenit atacul orientat pe utilizator, dar totusi pentru a unifica orientarile industriei de profil, trebuie realizata o standardizare a procedurilor de operare si este necesar sa se ia in considerare anumite precautii.

Mediul de standardizare

Pentru ca SDR sa cucereasca piata in domeniul comercial, este foarte important sa existe un mediu de standardizare. SDR pare sa aiba un trend favorabil, pe termen scurt nefiind nevoie sa se faca modificari in alocarea de spectru ci in maximizarea eficientei interoperabilitatii in spatiul alocat. Pe termen lung, aparitia SDR ca standard fundamental va face necesara prospectarea alocarii de noi zone spectrale.

In 2003, FCC a ridicat o serie de probleme privind alocarea de spectru. Mai degraba decat sa priveasca problema in functie de cat de mult spectru este necesar, raportul a luat pozitie privind problema alocarii frecventelor in raport cu timpul de utilizare. In multe benzi de frecventa, accesul la spectru este o problema mai importanta decat deficitul fizic de spectru, in mare parte datorita mostenirii anumitor reglementari care limiteaza abilitatea de a obtine acces a unor potentiali utilizatori de spectru.

David Reed, unul dintre pionierii Internetului, crede ca SDR va conduce de fapt la dezmembrarea FCC. Reed sugereaza ca interferenta nu este un fenomen natural ci este rezultatul inabilitatii receptoarelor de a discerne semnalul. In acest model, probleme cum ar fi propagarea multicale, raportul semnal pe zgomot si intermodulatia nu sunt naturale ci sunt rezultatul unor actiuni. Reed ofera solutia inlaturarii FCC ca si corp regulator, propunand deschiderea spectrului catre oricine doreste sa-l utilizeze. Reed sugereaza ca aceasta optiune va genera capacitati de trecere mult mai mari prin canalele wireless dar cu conditia de a dezvolta receptoare si metode de transmisie mai bune.

Modelul Reed este aplicabil intr-o gama larga de standarde pentru SDR. FCC va deveni o entitate arhaica in lumea SDR intrucat softul va realiza functiunile pe care acum le realizeaza FCC. Softul va dicta spectrul care va fi utilizat, schemele de modulare, accesul utilizatorulor si nivelul de putere pentru transmisie. Sub asemenea conditii idealizate, mare parte din alocarile curente de spectru vor fi repozitionate fara o pierdere a serviciului. Provocarea modelului idealizat al lui Reed este ca nivelul unei asemenea standardizari a SDR este foarte greu sa fie realizat.

Mult mai actuala este problema utilizarii spectrului care nu necesita licenta. O perspectiva care ofera un mare potential este utilizarea benzilor de frecventa industriale, medicale si stiintifice. Sistemele bazate pe Ultra Wide Band (UWB), promit capacitati mari de trecere si se pot constitui in aplicatii pentru SDR. Sistemele bazate pe UWB pot utiliza SDR pentru a controla fluxul de date si a comuta in alt mod de transmisie pentru a schimba datele. Aceasta directie de dezvoltare este promovata de Intel prin Dr. Kevin Kahn si urmareste sa realizeze experimente UWB bazate software pentru benzi de trecere de 100Mbps.

Aspectele teoretice ca cele promovate de Reed si Kahn demonstreaza ca statiile definite software realizeaza progrese in directia obtinerii capabilitatilor necesare. Pentru ca SDR sa devina un standard, multi alti asemenea pasi trebuiesc realizati de cercetatori, producatori si alte persoane interesate de acest domeniu, astfel incat sa se produca o acumulare de masa critica informationala care va putea conduce la standarde pentru dezvoltare, interfete universale si aparitia reglementarilor.

4. Concluzii

Caracteristicile actuale ale pietei si posibilitatile tehnice ale SDR au creat un mediu in care dezvoltarea si acceptarea universala a SDR ca si standard wireless larg raspandit este foarte aproape. Provocarea majora de a pune SDR in aceasta postura dominanta necesita ca producatori, operatori, organizatii, reglulatori si alti mandatari sa lucreze impreuna pentru a intretine un mediu pozitiv pentru dezvoltarea SDR. Forumul SDR asigura un bun punct de plecare in aceasta activitate. In absenta unei entitati care sa realizeze un control acoperitor pe piata SDR, mandatorii care inteleg esenta Forumului SDR vor continua sa mearga mai departe in pasi mici pana cand se va acumula o suficient de larga acceptanta pentru a pune SDR in pozitia de a deveni standard pentru comunicatiile wireless. SDR este un concept revolutionar care ne impinge mai departe catre o societate fara fire.