21 января 2018г.
В настоящее время практически весь частотный диапазон распределен и лицензирован, однако при этом, спектр, как драгоценный природный ресурс, используется недостаточно эффективно. Существенным образом повысить коэффициент использования спектра позволяет механизм динамического управления, согласно которому вторичным пользователям, не закрепленным за данным частотным диапазоном, предоставляется возможность передавать сообщения в диапазоне первичных пользователей в то время, пока этот диапазон не занят штатной работой передающих устройств. Такой механизм динамического управления спектром, называемый когнитивным радио, весьма сложен технически и может применяться только в так называемых интеллектуальных радиосистемах. Её отличительной особенностью является способность извлекать и анализировать информацию из окружающего радиопространства, предсказывать изменения канала связи и оптимально адаптировать услуги, предоставляемые абонентам сети к изменяющимся параметрам среды распространения радиоволн, помеховой обстановке и загрузке частотного диапазона. В основу данной системы радиомониторинга должны лечь программно-аппаратные комплексы средств связи, построенные на основе SDR-технологий. Программное обеспечение позволяет реализовать новые функций приемника и внедрять новые алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС), соответственно расширять функциональные возможности SDR приемников.
Программно-определяемая радиосвязь (Software-Defined Radio, SDR) и когнитивная радиосвязь (Cognitive Radio, CR) – это те технологии радиосвязи, которые можно использовать для решения проблемы дефицита спектра подвижной радиосвязи. Современные SDR-технологии используются в передаче данных, видеосвязи, голосовой связи, обмене широковещательными сообщениями, в том числе в системах средств управления и контроля реализуемых в простой и экономически эффективной модификации радиооборудования [1]. SDR обеспечивает гибкость и эффективность инфокоммуникационных технологий. Эта радиосистема связи, в которой уровень функций определен программным обеспечением. Когнитивные сети радиосвязи становятся уже частью беспроводной сети из-за растущего дефицита ресурсов спектра. Определенное число этих беспроводных технологий связи находится в развитии, по крайней мере, в последнем десятилетии этого века.
Дополнительное аппаратное оборудование SDR, основными элементами которого являются АЦП, ЦАП и сигнальные процессоры DSP, повышают возможности подвижной радиосвязи. Частота выборки преобразователя постоянно повышается, преодолев уже гигагерцевый рубеж. Например, преобразователь ADC12Dxx00RF Texas Instruments имеет частоту выборки до 3,6 млрд выб/с. Наряду со скоростью преобразования важный фактор — быстродействие процессора, который должен успевать обрабатывать данные. По большому счету вместо сигнального процессора можно использовать процессор общего назначения. Однако не всегда его использование будет оптимально, по той причине, что встречаются алгоритмы, для реализации которых требуются специализированные функции, которые влияют на быстродействие процессора и соответственно занимают больше времени для обработки. Другой подход — использовать вместо сигнального процессора, заказной сигнальный процессор, имеющий специальную архитектуру, встроенную память и набор арифметико-логических инструкций, благодаря которым его быстродействие будет максимально высоким. Все чаще DSP реализуются на программируемых пользователем вентильных матрицах FPGA (Field-programmable gate array, FPGA) [6]. Такие функции как быстрое преобразование Фурье могут быть выполнены с помощью цифровых логических схем и легко реализуются на FPGA. Поскольку стоимость матрицы постоянно снижается, они приобретают все большую привлекательность в качестве замены сигнальным процессорам. Еще один вариант использовать логические элементы с жесткими соединениями, которые можно использовать для реализации функций, не требующих гибкости программирования, таких как протоколы связи. Логические схемы имеют высокое быстродействие и малое потребление, занимают немного места на кристалле. Такие логические блоки часто называют аппаратными ускорителями.
В целом, эволюция в области беспроводной связи состоит в эффективном использовании спектра и его оптимизации, в частности за счет расширения спектра [1,2,3]. Концепция SDR-технологии впервые была очерчена в семинарах с участием Дж. Митола [4], по которой далее появился ряд определений SDR- технологий, в том числе и таких, которые не отражают в полной мере её сущность. В работе [7] приведено одно из таких определений SDR-технологии: «SDR как множество первичных цифровых сигналов и управление системы для комбинирования первичных сигналов в коммуникационных системах и множество целевых процессоров на которых базируется в реальном времени связь». Альтернативная формулировка SDR-технологии содержится в [6] и заключается в следующем – «программно-определяемая радиосистема, в которой радиоприемник с помощью программного обеспечения устанавливает или изменяет рабочие радиочастотные параметры, в том числе диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность».
В другой обзорной работе [5] по современным SDR-технологиям отмечается, что они уже нашли свою нишу в системах мониторинга в области экосистем оборонной связи, гражданских, сотовых и даже не сотовых беспроводных систем радиосвязи. Современный прогресс в области полупроводниковой элементарной базы на основе КМОП-структур и требования к повышению тактовых частот не решают в полной мере проблемы подвижной связи. Это касается и технологий, в которых аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и средства прямых выборок радиосигнала от антенны базовой станции. Эти выборки могут быть обработаны посредством гибкого программного обеспечения, даже лучше, чем обычным аппаратным обеспечением, что требует многопротокольной поддержки более сложных алгоритмов обработки сигналов для достижения необходимого максимума емкости сети и очувствления лицензированной полосы частот без поддержки CR-технологии [7].
В заключении, хотеться отметить, что технология Software Defined Radio является молодой, поскольку силовые ведомства уже давно используют ее в своей аппаратуре. С коммерческой же точки зрения технологию можно считать довольно молодой и быстро развивающейся. Компоненты для цифровой обработки сигналов, аналого-цифрового преобразования совершенствуются и дешевеют с каждым днем, что постоянно приближает выход технологии SDR в массы. Поэтому тотальный переход к архитектуре SDR неизбежен, это лишь вопрос времени. Дальнейшее исследование можно посвятить исследованию эффективности SDR-технологии, а именно: исследованию вопросов безопасности в интеграции технологий SDR/CR с существующими системами связи, в том числе эволюции и кибербезопасности в системах беспроводной связи следующего поколения NGN; исследованию некоторых операционных сценариев, которые могут создавать угрозы нарушения безопасности связи для конечных пользователей и исследованию некоторых методов защиты управления спектром и функций совместного использования спектра.
Список литературы
1. Волков Л.Н. и др. Системы цифровой радиосвязи:базовые методы и характеристики.- М.: Эко- Трендз, 2005
2. Силин А. Технология Software-Defined Radio. Теория, принципы и примеры аппаратных платформ. Журнал «Беспроводные технологии» № 2, 2007
3. Тихвинский В.О. Эволюция современных сетей мобильной связи 2G/3G/4G. Региональный обещающий семинар МСЭ для стран СНГ «Перспективы развития инфокоммуникаций: технологии и вопросы регулирования сектора», 2014
4. J Mitola, ”The Software Radio,” IEEE National Telesystems Conference, 1992 - Digital Object Identifier 10.1109/NTC.1992.267870.
5. Kelley, B., 3GPP long term evolution aspects and migration to 4G cellular systems, IEEE Radio and Wireless Workshop on 3GPP Long Term Evolution, San Diego, CA, Jan. 2009.
6. Lin, Y., Lee, H., Woh, M. Harel, Y., Mahke, S., Chakrabarti, C., and Flautner, K., SODA: A high performance DSP architecture of software defined radio, IEEE Micro, 27(1), 114–123, Feb. 2007.
7. Brian Kelley, Software-Defined Radio for Advanced Gigabit Cellular Systems (chapter 22 in the Digital Signal Processing Handbook, Second Edition, Wireless, Networking, Radar, Sensor Array Processing, and Nonlinear Signal Processing, Editor-in- Chief Vijay K. Madisetti, 2010)
