Traducción 5 - Escuela Politécnica Nacional

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
Transmisores De radio basados en software
ENRIQUE PROAÑO R.
ERICK RAMÍREZ T.
JUEVES, 1 DE DICIEMBRE DE 2005
1. Qué es el Radio definido mediante software y por qué
deberíamos usarlo?
Este libro se concentra en radiocomunicaciones móviles y 3G (Tercera Generación de
Telefonía Celular) en particular; sin embargo, el contenido puede ser aplicado a otras radio
aplicaciones. Las radio aplicaciones definidas por software (SDR), están creciendo en
popularidad y han llegado a ser reconocidas en la comunidad tecnológica.
1.1. Introducción a radio aplicaciones definidas por software.
El siglo veinte vio la explosión de aplicaciones de radio basadas en hardware (HDR) como
una intención de comunicarse de todas las formas audibles, visuales y mediante
información generada por máquinas sobre grandes distancias. La mayoría de las
transmisiones de radio se basaban en hardware con muy poco o nada de software de
control; las mismas eran fijadas en función de las opciones de la mayoría de consumidores
en recepción broadcast. Estas tienen a corto periodo de vida y eran diseñadas para ser
descartadas y reemplazadas.
SDR usa dispositivos digitales programables para mejorar el procesamiento de señal
necesario para transmitir y recibir información en banda base a radiofrecuencia.
Dispositivos como los procesadores digitales de señales (DSP’s), y los arreglos de
compuertas de campo programables (FPGA’s) usan software para proveerlos de la
funcionalidad de procesamiento de señales requerido. Esta tecnología ofrece mas gran
flexibilidad y potencialmente una vida productiva más larga, desde que las transmisiones de
radio pueden ser mejoradas mucho tuvo que ver el efectivamente software.
El principal reto para SDR es igualar las eficiencias de las soluciones basadas puramente en
hardware mientras proveen la flexibilidad e inteligencia que el software puede ofrecer. Las
eficiencias pueden ser medidas mediante el costo por bit de información; potencia
consumida por bit de información, y el volumen físico consumido por bit de información.
Además es usuario no querrá o no necesitará saber lo fundamental de la tecnología de
transmisiones de radio pero todavía demandará una alta eficiencia, mayor flexibilidad y una
gran inteligencia. Al mismo tiempo los productores de radio aplicaciones de software
querrán ser protegidos de los detalles del computo y del procesamiento de señales por
hardware y completamente todo desarrollado en un ambiente unificado usando un sencillo
lenguaje de alto nivel.
La última explosión en radio comunicaciones causó que el teléfono móvil celular sea el
primero que contribuyo con los esfuerzos invertidos en SDR.
Combinado aparentemente con un crecimiento exponencial sin fin en la potencia de
computo de los chips de silicio, el siglo veintiuno seguramente verá a las
radiocomunicaciones expandirse y la transmisiones de radio basadas en software jugando
un rol cada vez más significante.
1.2. Aplicaciones de Radio de 3G Basadas en Software.
La primera generación de las comunicaciones móviles celulares, comenzó en la década de
los 80, y usaba técnicas de modulación analógica para transmitir y recibir voz analógica y
solamente información entre los móviles y las estaciones base. Los sistemas de segunda
generación (2G) de principios de los 90, fue conocida como “digital” porque estos sistemas
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codificaban la voz en un flujo continuo digital y usaban técnicas de modulación digital para
transmisión. La naturaleza digital de 2G permite servicios de datos con limitadas y fijas
velocidades de transferencia.
La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU), desarrolló el estándar IMT2000,
para definir los requisitos para la compatibilidad de sistemas 3G.
Este estándar incluye por ejemplo provisiones para soportar velocidades de conexiones de
datos de por los menos 2Mbps. Muchos ven a 3G como una intención para proveer nuevos
servicios a clientes, mientras otros ven a la siguiente generación como una pura intención
de proveer la abundante capacidad necesitada mediante una mejor utilización de espectro.
Un importante problema con 3G, es que se ha sumado a un número estándares de interfaces
de aire los mismos que necesitan ser soportados la infraestructura e industrias terminales.
De los estándares de 3G, el 3GPP[1] (Universal Mobile Telecommunications System)
UMTS es muy improbable que llegue a ser universal y que sea el más fuerte en Europa. El
estándar 3GPP [2] CDMA2000 y el TDMA basado en sistemas GSM-EDGE, no serán
exitosos en norte y Sudamérica, mientras Japón tiene su propio sistema WCDMA similar a
UMTS.
Todos los sistemas 3G son potenciales aplicaciones SDR. Las radio comunicaciones por
software, ofrecen el potencial para resolver muchos de los problemas causados por la
proliferación de nuevas interferencias en el aire. Estaciones Base y Terminales, usando
arquitecturas SDR, pueden soportar múltiples interferencias de aire durante periodos de
transición y su software puede ser fácilmente actualizado. SDR’s inteligentes pueden
detectar las interferencias de aire locales y adaptarse para satisfacer las necesidades; esta
capacidad será valorada por los viajeros en el interior de un país.
1.3. Una Arquitectura de Transmisiones de Radio Tradicional
Para apreciar donde el radio software esta encabezando las preferencias y es principalmente
útil, primeramente revisemos una arquitectura de transmisión de radio tradicional. La figura
1.1, muestra un transceiver superheterodino con conversión dual. El diseño ha estado por
aquí desde 1930, y es casi seguro que una gran mayoría de hogares poseen un receptor
superheterodino de alguna clase (difusión radial, televisión, etc).
Desde el punto de vista del receptor la radiofrecuencia de la antena es convertida en una
frecuencia intermedia debido a un proceso de mezcla o multiplexado de la señal entrante
con el primer oscilados local LO1. La frecuencia intermedia es filtrada y luego mezclada a
banda base por el segundo oscilador LO2, y el mixer. La señal modulada en banda base es
demodulada para producir la información analógica del receptor, y la función recíproca es
realizada por el transmisor. El número de etapas de conversión depende de la frecuencia de
operación, teóricamente es posible agregar etapas y empujar la frecuencia de operación más
alta. El transceiver superheterodino ha experimentado un maravilloso éxito a lo largo de la
historia; fue utilizado en teléfonos móviles terminales de 1G y es seguro que soportará los
receptores de radio de bajo costo de muchos años por venir. Esta arquitectura satisfizo a los
sistemas de teléfonos móviles 1G, como los sistemas de telefonía móvil avanzada (AMPS),
la cuales usan frecuencia modulada (FM) multiplexación por división de frecuencia (FD)
para permitir el acceso a múltiples usuarios a porciones fijas del espectro.
Los sistemas AMPS asignan una porción del espectro dedicado de 30KHz para cada
usuario sin tener en cuenta la cantidad de información a ser intercambiada.
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Figura 1.1 Arquitectura Tradicional de Transmisores de Radio
1.4. Una Arquitectura Ideal de Transmisores de Radio Basados en Software
La arquitectura de transmisores basados en software ideal se muestra en la figura 1.2,
consiste en un subsistema digital y un simple subsistema analógico. Las funciones
analógicas son restringidas a aquellas que no pueden ser mejoradas digitalmente, que son:
antena, filtrado RF, Combinación RF, Preamplificación en recepción, transmisión de
potencia de amplificación y generación de frecuencia de referencia.
La arquitectura empuja la etapa de conversión analógica hacia la derecha los más cerca
posible de la antena, en este caso se prioriza al amplificador de potencia (PA) en el
transmisor y después al amplificador de bajo ruido (LNA) en el receptor. La separación de
portadoras y la conversión de frecuencias altas y bajas a banda base es mejorada por los
medios de procesamiento digital. De igual manera la codificación del canal y las funciones
de modulación son mejoradas digitalmente en banda base por los mismos medios de
procesamiento.
El software para una arquitectura ideal es en capas entonces el hardware es completamente
abstracto de la aplicación de software. Una capa intermedia logra esa funcionalidad
cubriendo los elementos del hardware como objetos y proveyendo servicios que permiten a
los objetos comunicarse unos con otros mediante interfases estándar, por ejemplo Common
Object Request Broker Architecture (CORBA). La capa intermedia incluye: sistema
operativo, controladores del hardware, recursos de administración y otras aplicaciones no
específicas de software. La combinación del hardware y la capa intermedia frecuentemente
se llama framework.
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Figura 1.2 Transmisor Ideal Basado en Software con Capas de Software y Hardware
Diseños futuros de SDR y frameworks que usan una API abierta en capa intermedia hará el
desarrollo de aplicaciones mas portábles, rápidas y mas baratas. Los desarrollos de
aplicaciones serán liberadas de las maneras de diseñar para programar el hardware de bajo
nivel y permitirán concentrar en bloques más complicadas y poderosas aplicaciones.
La arquitectura ideal es comercialmente factible para limitada baja velocidad de datos HF y
VHF pero no es todavía práctica para ninguna generación de tecnología de telefonía celular
móvil. La arquitectura ideal es útil como un punto de comparación y actúa como una guía
para el desarrollo del hardware y capas intermedias del futuro. Arquitecturas prácticas para
celulares se cubren en los capítulos 2 y 8.
1.5. Historia del Hardware en el procesamiento de señales
El origen de una gran velocidad y una gran eficiencia en el procesamiento digital de
señales ocurrió en 1983 cuando Texas Instruments TI saco su chip TMS320 el cual
manejaba 5 millones de instrucciones por segundo (MIPS). Esta tecnología fue la más
rápida, comparada con otros procesadores de señales digitales (DPS) de su tiempo.
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El TMS320 a mejorado por varias generaciones su diseño, con el actual TMS32C64X
Se exige un impresionante incremento de su velocidad en 1,760 veces para alcanzar 8,800
( millones de instrucciones por segundo) MIPS
El temprano éxito que tuvo TI con su DPS fue seguido por otras compañías como Analog
Devices, AT&T y Motorola.
En 1980 los diseñadores del chip DSP comprendieron que el propósito general de la
arquitectura computacional ( e.g., Intel 386) podía ser el mejorar en conjunto la alta
velocidad de procesamiento de la señal para proveer la capacidad de realizar un gran
número de instrucciones al mismo tiempo
Los microcontroladores generalmente usan arquitecturas de memoria de Von Neumann,
como se muestra en la figura 1.3. El único bus de datos causa un cuello de botella en los
sistemas por solo permitir nuevas instrucciones o datos obtenidos desde una memoria
externa y cargarlos en el CPU.
Muchos chips DSPs evitan las instrucciones y datos de contención al emplear una
arquitectura de Harvard, como se muestra en la figura 1.4 . al usar dos buses de dirección y
dos buses de datos cada uno de estos conectado a su propio dispositivo externo de memoria,
esto es posible para nuevas instrucciones que son sacadas al mismo tiempo como nuevos
datos. Esto permite un eficiente “pipelning” cuando instrucciones de la siguiente serie de
datos puedan ser cargadas al mismo tiempo como operaciones que son ejecutadas en la
actual serie de datos.
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El otro gran cambio con el desarrollo de un DPS-centric architecture, es la capacidad para
ejecutar funciones (multiplicadas y acumuladas) en un solo ciclo de reloj. El propósito
general de procesadores sin un especializado multiplicador requiere muchos cambios y
adicionar operaciones para conseguir los mismos resultados, consumiendo valorados
tiempos de reloj. Muchas comunicaciones relacionadas con algoritmos de procesamiento de
señal son multiplicadas y acumuladas (MAC) intensivas y repetitivas, donde relativamente
un pequeño grupo de instrucciones están sobre ejecutándose sobre estrechos loops.
La arquitectura DSP basada en el diseño de la Harvard memory y un solo ciclo MAC
continua desarrollándose. Los últimos hardwares DSP y técnicas de programación son
específicamente cubiertas para un nuevo rango de tecnologías incluyendo comunicaciones
de 3 G
1.6. Complejidad del proyecto (SDR)
Mejorar la tecnología y reducir el tiempo para nuevos mercados más exigentes,
incrementan la complejidad del Hardware. Estas mismas demandas y las especificaciones
en cuanto a mas ancho de banda mayor eficiencia e interfaz, presionan a los ingenieros a
tener la capacidad de diseñar e implementar software en menos costo y tiempo
presupuestado.
Las prácticas en ingeniería de software han progresado desde el diseño de sistemas
estructurados con papel y lápiz a proyectos (diseño) objeto-orientados asistidos por
herramientas y ayudas computacionales. Algunos cambios han sido superficiales, mientras
muchos otros son el resultado del aprendizaje de la experiencia de proyectos de software
fracasados.
Casi todos los proyectos de software de radio y seguramente proyectos de radio de 3G se
describirán como un largo y complejo sistema intensivo de software. Grades sistemas de
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software desarrollados son muy a menudo incompresibles, pobremente planeados e
inconsistentes para implementarlos, por lo tanto es necesario poner especial atención en el
planeamiento y ser cuidadosos en la elección de un adecuado (EDA) (asistente de diseño),
son herramientas absolutamente esenciales para que un proyecto sea exitoso.
1.7. El Foro de SDR
El Foro de software definido para Radio (formely the Modular Multifunction Information
Transfer Systems forun) ( anteriormente foro de sistemas de transferencia de información
Multifunción y Modulación). Este Foro fue formado en 1996 como resultado del acción
gubernamental de Estados unidos para promover la arquitectura de estándares abiertos de
lenguaje fácil, un proyecto militar de software de radio. El Foro describe lo siguiente:
El Foro SDR , es una corporación sin fines de lucro dedicada a apoyar el desarrollo,
comportamiento y uso de arquitecturas libres para el progreso de sistemas inalámbricos. La
membresía de Foro es internacional y creciente.
Las membresías son representados por empresas de software de radio, empresas de
telecomunicaciones como silicon chip vendors, test equipment markers, telecomunication
companies, scientific an research organizations y por otros sectores comerciales.
El foro tiene tres comités técnicos. El “download/handheld”, “base station/smart
antenas” y “movile working grups”. cada comité tiene sus propios objetivos. El grupo
“handheld” promueve el uso de la tecnología SDR en terminales “handheld” que
suministran reconfiguraciones dinámicas bajo severos cambios de tamaño, peso y potencia.
El comité de estaciones base “base station”, apunta a promover el uso de la tecnología
SDR y reconfigurar y adaptar la tecnología de procesamiento, en estaciones bases
inalámbricas mundiales, terrestres, satelitales , móviles y arreglo de servicios. Mientras el
“movile group” busca promover el uso de la tecnología SDR en aplicaciones militares y
comerciales en terminales que tiene condiciones desfavorables como estaciones móviles,
redes dinámicas, y operaciones flexibles donde se requiere del uso de interfaces de redes
inalámbricas.
El foro SDR no es un conjunto de estándares como El TIA o el ETSI, sin embargo a
desarrollado recomendaciones que podrían en el futuro entrar a ser estándares si una
suficientes cooperación comercial es desarrollan. Hay mucha información, documentación
el la web del foro. Uno de las mas relevantes es las recomendaciones para “Distributed
Object Software Radio Architecture”. Este trabajo ha venido desde el “movile working
group” y define el “software framework” para arquitecturas de software programable
para radio, abierta distribuidas, orientada a objetos. La propuesta hecha extensiva usa
CORBA para suministrar servicios “miiddleware” para aplicaciones y hardware.
CONCLUSIONES.
Cuando un ingeniero o científico necesita diseñar un “ new radio” podría el o ella pensar
SDR o HDR? La respuesta a esa pregunta es que depende si la aplicaciones de “radio”del
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diseñador , necesidades de flexibilidad, requerimientos de consumo de potencia, tamaño
habilidad organizacional, escala de tiempo y el objetivo de construir ese nuevo producto.
Las estaciones base celulares SDR 3G son ahora posibles y puede igualar la eficiencia y
rendimiento de sus predecesores HDR. Algunos productos SDR están tomando el camino
de arquitecturas abiertas, mientras que otros permaneces serradas y son propietarias.
Extendiendo el ejemplo de 3G, estas es posible que grandes aplicaciones de radio bajo 3G
sean un apropiado candidato para implementar este software. En este contexto las
estaciones base son “large” grandes en capacidad de procesamiento y “scalable” escalables,
mientras que los terminales tienen relativamente pequeña “small” capacidad y pocas
necesidades pero soportan mas usuarios. El dramático disponibilidad de venta de nuevos
productos de tecnologías de telecomunicaciones en el 2000 y la enorme tasa por el pago de
licencias en las compañías de telecomunicaciones europeas que usa el espectro para 3G son
probablemente grandes lugares de presión en costos en construir y desarrollar nuevas redes
y desarrolla una necesidad de alargar la vida para redes existentes. Si el SDR puede
“outperfom” superar al HDR (particularmente visto desde costos) y simultáneamente
prever flexibilidad, perfeccionamiento futuro, e inteligencia, la tecnología podría ser bien
situado para jugar un rol significativo.
La fuerza del mercado, a incrementado en un gran número ingenieros de software orientado
a objetos y el impacto de las normas de Moore en el manejo del rendimiento del
procesamiento digital están contribuido a impulsar la presencia de SDR como una opción
de diseño. Este impulso podría estimular innovaciones y costos bajos y después de algunos
años SDR podría empezar a ser una esencial opción.
El gran potencial de manejar crecimiento va a ser la adopción de arquitecturas abiertas,
justamente como la arquitectura abierta IBM-Baseda en computadoras personales (PC) y
las operaciones del sistema windows crean el WinPC (PC and Windows) un omnipresente
ambiente para el desarrollo de aplicaciones, Esto posibilita que SDR permita el mismo path
y disfrutar de un crecimiento exponencial desde plataformas con comunes hardware y
software. 3G tiene el potencial para beneficiar del desarrollo
Referencias:
1 http://www.3gpp2.org
2 http://www.3gpp.org
3 http://www.sdrforun.org
4 Texas Instrument, “ITS320C64X Technical Overview”, spru395b (january 2001)
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