Radio: ar programmu vadāms un ne tikai...

 

 

Jau daudzus gadus eksperti, kas nodarbojas ar cilvēku drošības jautājumiem pilsētās, spriež, cik slikti, ka policija, ugunsdzēsības dienests, ātrās medicīniskās palīdzības mašīnas nevar kontaktēties cita ar citu, izmantojot radio, jo iekārtas darbojas dažādās frekvencēs. Visas šīs sarunas bija kā saucēja balss tuksnesī, līdz 11. septembra traģēdijā Ņujorkā daudz ugunsdzēsēju un policistu aizgāja bojā tikai tādēļ, ka nevarēja kontaktēties cits ar citu pa radio šo sakaru nesavienojamības dēļ. Pēc 11. septembra ASV aktīvi sāka darboties īpašā savienojamības komiteja NTFI (National Task Force on Interoperability), kura izstrādāja detalizētu dokumentu ar analīzi par to, kādēļ nav vienotu radiosakaru starp dažādām valsts struktūrām ārkārtējas nepieciešamības periodā.

 

Kā apvienot dažādās radioierīces?

Gandrīz ikvienam mājās ir kāda radioierīce. Vai tas būtu pārnēsājamais radioaparāts, mobilais telefons vai Wi-Fi aktivizētais piezīmjdators/plaukstdators – tie visi ir attāli radio pēcteči. Ja radioviļņi ir vieni, kādēļ nepieciešams tik daudz dažādu ierīču? Vai tās nevar apvienot vienā – radīt universālu uztvērējraidītāju un aprīkot to ar dažādiem dekoderiem? Tieši šāda ideja ir t. s. programmvadāmā radio (Software Defined Radio - SDR*) pamatā. Tā ir īpaša aparatūra, kas darbojas kā uztvērējraidītājs jebkurā frekvenču diapazonā (precīzāk – nevis jebkurā, bet ļoti plašā diapazonā), to vada īpaša programma. Pats pazīstamākais šāda veida piemērs ir GNU radioprojekts http://www.gnu.org/software/gnuradio/gnuradio.html), kurā entuziasti ir izveidojuši brīvu programmu dekoderu, kas PC ļauj klausīties muzikālās radiostacijas, skatīties telepārraides utt.

Visiem zināms teiciens viss jaunais ir labi aizmirsts vecais. Tomēr telekomunikāciju nozarei var piedāvāt citu: viss jaunais telekomunikācijās ir kas tāds, kas veiksmīgi nozagts no militāristiem.

Līdz šim SDR tehnoloģija bija pieejama tikai armijas vajadzībām, lai izveidotu drošus sakarus starp dažādām armijas apakšnodaļām un NATO spēku sabiedrotajiem. ASV armijas gaisa spēki parakstīja līgumu ar Motorola par mobilo iekārtu piegādi ar SDR frekvenču programmatūru jau 1995. gadā. ASV armijas jūras spēki jau izmanto SDR, kuru ir izstrādājusi kompānija General Dynamics, iekārta pārnēsājamā televizora lielumā aizstāj zemūdens radiotelpu (radiorubka – kr.val.), kas ir pilna ar radioiekārtu skapjiem. Tiesa gan, šāda ierīce maksā aptuveni 400 000 USD.

 

Kas uzvarēs standartu sacensībā?

GSM, GPRS, PCS, CDMA, UMTS, CDMA, Bluetooth, 802.11a/b, 802.15, 802.16, 802.20, HIPERLAN, HIPERMAN, HIPERACCES?

Standartu un tehnoloģiju sacensība turpinās. Pati jaunākā un lielākā tehnoloģija, kura var potenciāli mainīt bezvadu pasauli, nav standarts (vismaz pagaidām), bet drīzāk jauna programmvadāma radio platforma, kurai piemīt spēja uzturēt jebkuru no bezvadu standartiem un arī tos visus vienlaikus.

Līdz ar SDR bezvadu sakaru industrija var pāriet uz vispārinātu universālu platformu, kas spējīga risināt universālus uzdevumus – GSM, CDMA, GPRS, EDGE, TDMA, AMPS, DECT, W-CDMA, UMTS, tālāk – vienkārši programmnodrošinājuma (PN) pārslogojums.

Pie apvāršņa ir parādījusies jauna tehnoloģija, kas spējīga mainīt visas bezvadu industrijas veidolu, novērst šķēršļus mobilās komercijas attīstībai un paplašināt lietotāju, operatoru un ierīču ražotāju izvēles iespēju. SDR tehnoloģijai ir visas iespējas apvienot industriju, kas ir sadalīta starp konkurējošiem standartiem un neelastīgām iekārtām.

Daudzi speciālisti apgalvo, ka SDR iekārtas spēs:

·       darboties visā pasaulē, tādējādi novēršot līdz šim nepārvaramās atšķirības (pārrāvumu) starp dažiem standartiem;

·       daudz efektīvāk izmantot pārslogotos radiodiapazonus, sameklējot maz izmantotas frekvences;

·       uzturēt programmas modernizāciju, novēršot nepieciešamību iegādāties jaunas iekārtas jaunu bezvadu pakalpojumu uzturēšanai.

 

Pioneer Consulting’s Group pārskatā Software Defined Radio: Opportunities and Challenges of the Next Generation Platform for Mobile Communications prognozē: SDR radioiekārtu tirgus apjoms pieaugs no 694 miljoniem USD 2002. gadā līdz 31,4 miljardiem 2008. gadā.

 

Principā te nav nekā jauna. Tālruņi, kas uztur vairākas frekvenču joslas, ir jau tagad, tomēr tie pieprasa, lai lietotājs patstāvīgi pārslēgtos no vienas frekvences uz citu. Šo problēmu droši vien varētu atrisināt arī bez SDR tehnoloģijas palīdzības – uz aparātu risinājumu rēķina, tomēr tas palielinātu iekārtu masu un izmēru – tas reti kuram šķitīs pievilcīgs risinājums. SDR tālruņi automātiski pārslēdzas no vienas frekvences uz citu. Tomēr tas vēl nav viss. Frekvenču elastība nav vienīgā un galvenā priekšrocība. Šīm bezvadu iekārtām ir programmatūras (PN) bāze, un tās spēj patstāvīgi atjaunot PN, ja tas ir nepieciešams.

 

SDR globālās perspektīvas

1998. gadā organizētais SDR forums (www.sdrforum.org) apvieno vairāk nekā 100 kompāniju, kuru vidū ir daudz pazīstamu nosaukumu: IntelAltera, BellSouth Cellular, Ericsson, Harris, Lucent Technologies, Motorola, NEC, NTT, Nokia, Qualcomm, Rockwell, Sonera, Toshiba u. c. Forums ir veicis pētījumus, kuri pierāda, ka divas trešdaļas mobilo sakaru ekspertu uzskata SDR par globālās viesabonēšanas risinājumu.

SDR forums pašlaik nodarbojas ar atbilstošo standartu un regulējošo mehānismu izveidošanu šīs tehnoloģijas masveida ieviešanai. Ieskatoties www.sdrforum.org, var uzzināt daudz interesanta. Konkrēti – par plāniem daudz efektīvāk izmantot frekvenču spektru, izveidojot programmu, aparātu un juridisko mehānismu, kas iznomās līdz galam neizmantotās spektra daļas un izveidos otrreizēju radiofrekvenču tirgu. Perspektīvā operatori, kas līdz šim atradās vienreiz izvēlētu tehnisko risinājumu un standartu gūstā, iegūs gandrīz neierobežotu rīcības brīvību frekvenču, modulācijas veidu un datu pārraides izvēlē.

 

ASV FCC Software Defined Radio definīcija

 

FCC definition

….. a radio that includes a transmitter in which the operating parameters of the transmitter, including the frequency range, modulation type or maximum radiated or conducted output power can be altered by making a change in software without making any hardware changes.

 

ASV FCC (Federal Communication Comitee) piedāvātā SDR definīcija

... radio, kas satur raidītāju ar tādiem parametriem kā frekvenču diapazons, modulācijas veids, maksimālais izstarojums vai izejošā jauda, var tikt mainīts, izdarot izmaiņas programmatūrā bez jebkādām izmaiņām aparatūrā.

 

Programmvadāmais radio – tā ir ierīce, kurā modulācijas produktus saturošā signāla forma tiek noteikta programmnodrošinājumā, t. i., svārstību forma tiek radīta ciparu signālu ģenerēšanas ceļā, ciparu signāla pārveidošana analogajā ar platjoslas CAP (ciparu analoga pārveidotājs) palīdzību, un pēc tam ir iespējama pārveidošana uz nesējfrekvenci. Uztvērējs tieši tāpat izmanto platjoslas ACP (analoga ciparu pārveidotāju), kas aptver visus kanālus, ko uztver radiostacija. Pēc tam uztvērējs iegūst un demodelē katra kanāla signālus. Kanāli izmanto vispārējas nozīmes procesora programmnodrošinājumu. SDR izmanto metožu kombināciju, kas ietver multidiapazonu antenas un radiofrekvenču pārveidotājus, platjoslu CAP un ACP. Savukārt signālu apstrādes realizācija, demodulējošo signālu un tam sekojošo ciparu plūsma notiek ar vispārējās nozīmes programmējošo procesoru palīdzību. Daļēji tas nozīmē tuvināšanos nesasniedzamajam ideālam arhitektūras izveidošanā, kas ietver dažādus standartus, jaunāko tehnoloģiju ieviešanu un ekonomiskos rezultātus mūsdienu tirgū, kuru raksturo milzīga konkurence.

 

Programmvadāms radio – tas ir glābiņš tiem operatoriem, kuri vēlas infrastruktūru ar garantētu nākotni, t. i., datu pārraides tīklus, kurus var viegli pārprogrammēt jaunā standartā. Pretējā gadījumā operatoram ir pilnīgi jāmaina aparatūra vai arī kādu laiku jāekspluatē vienlaikus abi aparatūras tipi. SDR realizācija ir iespējama, izpildot trīs nosacījumus.

Jāizveido vajadzīgās iekārtas

Pieeja programmintelektuālā radio arhitektūrai ir balstīta uz īpašo elementu izlases izmantošanu ar noteiktām skaitļojamām funkcijām. Programmējot starp tiem dažādas saites (sakarus), var realizēt visus nepieciešamos radiosakaru protokolus. Turklāt mikroelektromehānisko sistēmu jeb mikromašīnu tehnoloģija MEMS (microelectromechanical systems) ļauj ievērojami samazināt pasīvo komponentu izmērus un cenu. Turklāt aparāta daļā nepieciešams izmantot t. s. viedās antenas (smart antenna) – adaptīvo antenu režģus, kas ļauj fokusēt radiosignālu ierobežotā šaurā leņķī un noteiktā virzienā. Viedo antenu lietošana ļauj daudz efektīvāk izmantot frekvenču spektru, tīkla caurlaides spējas un tās apjoma palielināšanu, vienlaikus samazinot interferences pārpildītā frekvenču spektrā.

Šo tehnoloģiju savienojums ļaus realizēt elastīgā radio ideju – iekārtu, kas atkarībā no situācijas ir spējīga izvēlēties to radioprotokolu un to frekvenci, kuru konkrētajā situācijā ir ērtāk izmantot. Iekārtas dublēšanas vietā darbam ar vairākām frekvencēm un vairākos standartos ir izveidotas pārprogrammējošas ķēdes, kuras ar PN palīdzību var realizēt dažādus bezvadu komunikāciju variantus dažādās situācijās.

 

Jāizveido nepieciešamais PN

Elastīgā SDR programmas arhitektūra lietotājam nodrošina iespēju darbam ar dažādiem protokoliem, to var ātri pārkārtot un modernizēt. Plaukstdatori, mobilie tālruņi un PDA, kas ir nodrošināti ar tādu PN, var dinamiski pārprogrammēties. Citiem vārdiem, vienas un tās pašas aparatūras detaļas tādās iekārtās var veikt dažādas funkcijas dažādos apstākļos: to, kas kādreiz tika darīts aparatūras līmenī, tagad var izdarīt programmas līmenī. Šādu funkciju sarakstā ietilpst signāla ģenerēšana, viļņu modulēšana, signāla apstrāde un daudzlīmeņu protokolu izmantošana.

 

Brīvs, nelicencēts radiospektrs

Daudzu gadu garumā atbildīgās institūcijas visā pasaulē sagriež radiospektru nelielos gabaliņos un sadala to starp kompānijām vai arī pārdod izsolēs brīvai konkurencei. Radiospektrs ir ne tikai radiosakari vārda tiešajā nozīmē. Tā ir arī televīzija, augstfrekvenču sakari un apraide, radari, īsviļņu sakari, pavadoņsakari, iekārtas, kas atver garāžas durvis un iekārtas, kas kontrolē gulošus bērnus, mobilos telefonus un populārā bezvadu piekļuve internetam Wi-Fi, Wi-MAX utt.

Frekvenču pārdalīšana ir diezgan arhaiska, bet pats radiospektrs tiek izmantots diezgan neefektīvi. Pat pašā piesātinātākajā tirgū konkrētā reģionā un konkrētā brīdī ir daudz brīvu frekvenču diapazonu. SDR lietošana ļauj paaugstināt izmantojamā spektra efektivitāti vairāk nekā par kārtu.

 

HP iPAQ Pocket PC h6340 pirmais un pats mazākais PDA ar iebūvētām bezvadu sakaru iespējām trijos standartos (GSM/GPRS, WLAN un Bluetooth).

 

Bez apzīmējuma Software Defined Radio SDR Forum piedāvā šādu klasifikāciju:

-   Hardware Radio (HR)

-    Software Controlled Radio (SCR)

-    Ideal Software Radio (ISR)

-    Ultimate Software Radio (USR).

Vienlaikus plaši tiek izmantota arī cita klasifikācija viedo radioiekārtu adaptācijai:

-   Agile Radio – radioiekārtas, kuras ir spējīgas darboties dažādos diapazonos pēc dažādiem protokoliem;

-   Cognitive Radio*, kas ne tikai var darboties jebkur un jebkā, bet piedevām vēl nosaka, kādā ģeogrāfiskā rajonā tas atrodas un kā tajā var darboties, pakārtojoties vietējām prasībām un pievienošanas vajadzībām;

-   Reconfigurable Architechture Radio – masīvs no heterogēniem elementiem, kas ir spējīgi darboties dažādos šauros frekvenču diapazonos.

* Arī šo terminu ir piedāvājis Joe Mitola no DARPA

Bet par šiem radio veidiem jārunā atsevišķi un izvērsti.

 

Projekti

·       European Commission under the Information Society Technologies (IST) Framework Programme 5th, kuru vada Wireless Strategic Initiative (WSI)

http://www.ist-wsi.org/

·       The Wireless World Research Forum (www.wireless-world-research.org). Foruma izveidošana ir loģisks turpinājums WSI iniciatīvai.

·       European Commission under the Information Society Technologies (IST) Framework Programme 6th (FP6), kuru vada Wireless Strategic Initiative (WSI).

http://www.ist-wsi.org/

·       Joint Tactical Radio System (JTRS): 7 miljardu USD ASV un tās sabiedroto NATO programma ar programmu vadāmo radioiekārtu saimes izvēlē, kas ir aicināti kļūt par galveno līdzekli datu apmaiņā starp sauszemes spēku, jūras un gaisa spēku apakšnodaļām.

http://jtrs.army.mil/

·       Software Communications Architecture (SCA) – bez JTRS versijas kā komerciālu versiju virza SDR Forums.

·       XG Communications Programm (XGCP), kuru izstrādā militāri zinātniskā aģentūra DARPA, tuvākajos gados vēlas 20 reizes paaugstināt mobilo sakaru tīklu caurlaidspēju, ļaus formēt personīgo šūnu kanālu ar vērsto antenu sistēmas palīdzību.

Nākotnē militāristi cer izveidot neierobežotu savu sistēmu caurlaidspēju – nepieciešamības gadījumā aptverot jebkuru brīvu frekvenci.

 

Grāmatas

Software Defined Radio : Baseband Technologies for 3G Handsets and Basestations,Walter H.W. Tuttlebee; John Wiley & Sons, February 2004.

Software Defined Radio : Architectures, Systems and Functions, M. Dillinger, K. Madani, N. Alonistioti, ISBN:0470851643, John Wiley & Sons, June 2003.

Simulation and Software Radio for Mobile Communications, H. Harada, R. Prasad; Artech House Publishers;ISBN: 1580530443, May 2002.

Software Radio: A Modern Approach to Radio Engineering, J. H. Reed; Prentice Hall, ISBN: 0130811580, May 2002.

Software Radio Architecture, J Mitola, ISBN: 047138492-5, October 2000, Wiley.

 

Konferences

·       Software Defined Radio Technical Conference and Product Exposition November 15-18, 2004 - Phoenix, Arizona http://www.sdrforum.org/sdr04/main.html

·       International Software Radio June 7-8,2004 – London

www.smi-online.co.uk/event_media/overview.asp?is=1&ref=1593

·       Software Radio 2004 Enabling Interoperability, Real-Time Communication & Information Superiority February 24 - 25, 2004. Alexandria,Virginia www.idga.org/cgi-bin/templates/document.html?topic=228&event=4124&document=36336&slauID=6&

·       11th Reconfigurable Architectures Workshop April 26-27, 2004  -New Mexico, USA  http://www.ece.lsu.edu/vaidy/raw04/cfp.html

·       7th Annual International Symposium on Advanced Radio Technologies 1 - 3 March 2005 Colorado: http://its.bldrdoc.gov/meetings/art/index.php

 

Profesors, Dr. habil. sc. ing.,

SIA Versija viceprezidents

Vladimirs KARPUHINS,

speciāli SP

---

* Terminu Software-Defined Radio piedāvāja DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency) speciālists Joe Mitola. Atceraties, kur radās internets? ARPA (Advanced Research Projects Agency) – DARPA agrākais nosaukums.