когнитивное радио что это

«Когнитивное радио» на нейросетях установило связь с МКС

Ученые представили «когнитивное радио» с нейронной сетью, которая анализирует изменения в окружающей среде и соответствующим образом корректирует свои настройки. Это делает новое радио более устойчивым в неизвестных средах, например, в космосе, далеко за пределами земной орбиты.

На обычную радиосвязь в космосе влияет множество факторов: колеблющаяся ионосфера Земли, низкоуровневое радиоизлучение, микроволновое фоновое излучение. Все они могут подавлять сигнал. Однако для будущих космических миссий необходимо обеспечить устойчивое соединение. Для этого коммуникационная система должна научиться адаптироваться к окружающей среде.

К примеру, астронавты на Марсе для подключения к наземной станции на Земле будут использовать спутник-ретранслятор, вращающийся вокруг планеты. Поскольку космическая среда будет изменяться, то настройки радиосвязи на наземной станции, спутнике, вращающемся вокруг Марса, и марсианском корабле будут нуждаться в постоянных корректировках. В итоге астронавты будут вынуждены ждать от 8 до 40 минут, чтобы получить инструкции или иную информацию.

Вустерский политехнический институт и Пенн Стэйт в сотрудничестве с НАСА недавно провели испытания первых когнитивных радиостанций, предназначенных для работы в космосе и поддержания связи миссий с Землей. Они обеспечили четкий сигнал для связи с Международной космической станцией (МКС).

Впервые идею такого радио озвучил Джозеф Митола III в Королевском технологическом институте в Стокгольме в 1998 году.

Отличие когнитивного радио в том, что его нейронная сеть учится на данных из самой среды, а не из математической модели. Она получает информацию о том, какая модуляция сигнала работает лучше всего или какие частоты распространяются дальше всего, и обрабатывает эти данные, чтобы определить, какие настройки радио нужны для оптимальной связи. Ключевой особенностью нейронной сети является то, что она может со временем оптимизировать отношения между входными данными и результатом. В шумной обстановке, где сигнал не проходит, радиостанция может сначала попытаться увеличить мощность передачи. Затем она определит, является ли принятый сигнал более четким; если это так, радиостанция увеличит мощность передачи, чтобы увидеть, улучшит ли это прием. Но, если сигнал не улучшится, радиостанция может попробовать другой подход, например, переключение частот.

Для управления основными настройками когнитивное радио использует беспроводную систему, называемую программно-определяемым радио. Основные функции, которые реализуются с помощью аппаратного обеспечения в обычной радиостанции, здесь выполняются с помощью программного обеспечения, включая фильтрацию, усиление и обнаружение сигналов.

Пока эксперименты с когнитивным радио еще ограничены по масштабу. По своей сути нейронные сети представляют собой сложные алгоритмы, для работы которых необходимы огромные объемы данных. Они также требуют большой объем вычислительных мощностей. Радиооборудование должно быть спроектировано достаточно гибко, чтобы адаптироваться к получаемым выводам. И любое успешное когнитивное радио должно заставить эти компоненты работать вместе.

Исследовательский центр Гленна при НАСА создал испытательный стенд SCaN специально для изучения использования программно-определяемых радиостанций в космосе. Он был запущен Японским агентством по аэрокосмическим исследованиям и установлен на основной решетчатой ​​раме МКС в июле 2012 года. До его вывода из эксплуатации в июне 2019 года SCaN позволял исследователям проверять, насколько хорошо программно-определяемые радиостанции могут соответствовать ожидаемым требованиям в космосе, таким как реконфигурация в реальном времени для орбитальных операций, разработка и проверка нового программного обеспечения для нестандартных космических сетей и когнитивных коммуникаций.

Испытательный стенд состоял из трех программно-определяемых радиостанций, вещающих в диапазоне S (от 2 до 4 гигагерц) и диапазоне Ka (от 26,5 до 40 ГГц) и принимающих в диапазоне L (от 1 до 2 ГГц). Испытательный стенд SCaN мог обмениваться данными со спутниковой системой слежения и ретрансляции данных НАСА на низкой околоземной орбите и наземной станцией в исследовательском центре Гленна в Кливленде.

Когнитивное радио на наземной станции принимало решение о «действии» или наборе рабочих параметров для радио, которые оно направляло передатчику испытательного стенда и двум модемам. Действие содержало конкретную скорость передачи данных, схему модуляции и уровень мощности для передатчика испытательного стенда и модемов наземной станции. Первые тесты завершились в мае 2017 года. Радиосистема работала в динамических и сложных условиях связи, включая колебания в атмосфере и погоде. Зачастую солнечные панели и другие выступы на МКС создавали большое количество эхо и отражений, которые эта система должна была учитывать.

Во время каждого прохода МКС нейронная сеть сравнивает качество линии связи с данными предыдущих проходов. Затем она выбирает предыдущий проход с условиями, которые наиболее похожи на условия текущего, в качестве отправной точки для установки. После этого нейронная сеть настраивала параметры радио в соответствии с условиями текущего прохода. Эти настройки включали в себя все элементы беспроводного сигнала, включая скорость передачи данных и модуляцию. Если использования только одного прохода было недостаточно, то система создавала индивидуальное решение из нескольких предыдущих проходов.

Радиоприемник автономно выбирал настройки, чтобы избежать потери контакта, и связь оставалась стабильной. Он также обладал достаточной мощностью сигнала для отправки данных.

Тем не менее, этот эксперимент также выявил несколько проблем, которые необходимо решить, прежде чем использовать новые радиостанции.

Самую большую проблему назвали «катастрофическим забвением». Это происходит, когда нейронная сеть получает слишком много новой информации слишком быстро и поэтому забывает много из того, чему уже обучилась. В таких ситуациях возможности когнитивного радио значительно ухудшались. Тогда ученые решили внедрить обучение ансамблем — экспериментальную технику, в которой используется набор нейронных сетей, и каждая отвечает за обучение в ограниченном наборе условий — в данном случае, на конкретном типе канала связи. Мета-нейронная сеть решает, какие сети использовать в текущей ситуации.

После внедрения такого типа обучения в августе 2018 года исследователи обнаружили, что количество случаев катастрофического забвения снизилось. Однако остались вопросы к самой мета-нейронной сети, например, к тому, как обучить ее выбирать лучшие из доступных сетей при конкретном сценарии.

Для дальнейшей демонстрации возможностей когнитивной космической связи НАСА планирует запустить созвездие из трех кубсатов в ближайшие несколько лет. Его намерены использовать в качестве системы ретрансляции, чтобы выяснить, как несколько когнитивных радиостанций могут работать вместе.

Источник

Когнитивное радио — первые опыты

Приветствую всех хабровчан.
Вашему вниманию предлагается перевод статьи о когнитивном радио.
Оригинал здесь.

В связи со стремительным ростом смартфонов передача данных в беспроводных сетях может столкнуться с катастрофической нехваткой частот, поэтому консультативная группа при Белом Доме предлагает мобильным операторам и исследовательским лабораториям наращивать усилия по поиску решений для более эффективного использования спектра.

Одно из решений — использование так называемого когнитивного радио, которое может детектировать неиспользуемые в данный момент полосы частот и переключаться между такими свободными каналами без обрыва передачи данных.

Стартап из Нью Джерси недавно создал самый высокоскоростной на сегодняшний день прототип, использующий принцип когнитивного радио. Прототип работает на максимально возможном диапазоне частот и является одним из первых среди моделей этой технологии, которая в будущем выйдет на массовый рынок и позволит использовать спектр более эффективно.

Речь идет об устройстве, которое называется CogRadio, которое создано компанией Радио Technology Systems в Ocean Grove, Нью-Джерси. Устройство может быстро переходить с одного беспроводного канала на другой и в тоже время транслировать видеопоток без обрывов, а также используется для отработки и тестирования программного обеспечения, которое будет использовано в коммерческих продуктах.

«Это наиболее удобное и универсальное широкополосное устройство, которое ранее не было доступно исследователям», говорит Дипанкара Raychaudhuri, директор Winlab, в Rutgers University, в которой было разработано программное обеспечение CogRadio. Существующие модели, говорит он, не могут переключиться достаточно быстро, и имеют ограниченный диапазон спектра и ширины полосы. «Сегодня это является лучшим из имеющихся экспериментальных прототипов когнитивного радио, и это очень важно, потому что все заинтересованы в тестировании и развертывании такой технологии.»

Это первое устройство, способное работать в диапазоне от 100 Мгц до 7.5 ГГц, включая частоты для телевидения, Wi-Fi и частоты для GSM. Устройство способно детектировать незанятые частоты и переключаться между ними за 50 микросекунд, а в отдельных случаях и за 1 микросекунду. Это рекорд по скорости переключения, сказал Петер Woliansky, выпускник Bell Labs, который разработал устройство, а затем основал стартап.

Устройство способно передавать данные со скоростью 400 Мбит в секунду, что гораздо быстрее существующих Wi-Fi девайсов.

Коммерческие беспроводные системы, созданные с помощью такой технологии, могли бы предлагать новые сервисы. Ну и конечно же, эта технология, если выйдет на массовый рынок, в котором сейчас доминируют крупные компании, создаст конкуренцию, которая в свою очередь приведет к уменьшению цен беспроводного доступа для конечного потребителя.

Сейчас устройство стоит 6000$, но это дешевле чем другие подобные девайсы.
Цены будут падать и такие устройства могут позволить себе не только богатые лаборатории, но и широкий спектр небольших компаний, занимающихся разработкой программного обеспечения для когнитивного радио. „Для людей, изучающих беспроводные технологии, создать такой девайс и заставить его работать очень трудно“, говорит Woliansky.

CogRadio будет служить испытательным полигоном для научно-исследовательских работ Национального научного фонда для создания мобильно- ориентированного интернет доступа, в котором беспроводная связь и смартфоны рассматриваются как основные средства для доступа в Интернет ( проект со штаб-квартирой в Raychaudhuri Лабс)

CogRadio также будет использоваться в одном из первых outdoor тестов когнитивного радио, которое будет в Университете Колорадо, Боулдер, где его программное обеспечение было разработано. (Исследования в области когнитивного радио в основном были проведены в экранированной лаборатории из-за возможных опасных помех, но Федеральная комиссия связи США начала предоставление разрешений на outdoor испытания).

А исследователи из Virginia Tech будет использовать такие устройства для разработки следующего поколения высокоскоростных широкополосных каналов для полиции и пожарных, и других служб ЧС, которые включают передачу видео и доступ в Интернет.

Когнитивное радио может создать целый ряд новых услуг. Например, оно может маршрутизировать сотовые звонки на Wi-Fi, что делается сегодня в небольших беспроводных базовых станций microcell, и также может избежать использования оптоволокна для доступа в Интернет, а вместо этого использовать имеющийся спектр телевидения в 400 МГц диапазоне.

Во всех таких проектах, большой проблемой является быстрое переключение частоты и высокая пропускная способность. „Вам нужно быстро переключаться с частоты на частоту, возможно в очень широком диапазоне и как только вы нашли свободный канал вам нужно задействовать как можно больше ширины полосы для передачи данных и это на самом деле очень сложно сделать “, говорит Чип Эллиот, директор проекта по когнитивной проект радио ННФ в BBN в Кембридже, штат Массачусетс. „Это радио идеально подходит для таких вещей.“

Когда-нибудь будущие смартфоны и другие устройства будут включать часть таких технологий. „Хотя это является важной вехой для реализации высокой производительности и использовании когнитивного радио, еще многое предстоит сделать — чип дизайн, интерфейс и многое другое“, говорит Raychaudhuri. Другие компании и исследовательские группы также работают над улучшением и удешелением когнитивного радио.

Страсти накаляются, так как требования к мобильным сетям растут. Bell Labs считает, что мобильный трафик вырастет в 25 раз к 2016 году, Cisco, говорит он вырастет в 18 раз. FCC ​​дает понять, что существующий спектр закончится в следующем году, и новые технологии будут жизненно необходимы.

Предстоящий в Белом Доме доклад по беспроводным технологиям готовится в соавторстве с главой Google Эриком Шмидтом и другими специалистами, в том числе с Крейг Манди, главным научным сотрудником и стратегом в Microsoft. Председатель FCC Джулиус Генэчовски также подталкивает отрасль к развитию новых технологий.

Источник

SDR, когнитивное радио и SCA применительно к системам связи, РЛС и системам радиоэлектронной разведки

Аннотация
В этой статье описывается роль программно-определяемых радиосистем (англ. Software Defined Radio, SDR) и, в особенности, роль архитектурного фреймворка SCA (англ. Software Communication Architecture) применительно к системам связи, радиолокационным системам (РЛС), системам радиоэлектронной разведки (РЭР) и радиоэлектронного подавления (РЭП). Мы обсуждаем создание стандартов и программ по развитию SDR и рассматриваем различные подходы к ее реализации. Статья описывает процесс разработки программного приложения на примере РЭР, обращает внимание на высокие требования к процессу обработки сигналов и показывает, как они могут быть удовлетворены с помощью средств разработки на базе модельно-ориентированной архитектуры (англ. Model Driven Architecture). В статье учитывается влияние технологии когнитивного радио и делается вывод о преимуществах применения технологий программируемых радиосистем.

Введение
SDR предоставляет потенциальное решение проблемы постоянно растущих требований к радиоаппаратуре по поддержке все большего количества полос частот, более широкого диапазона и большего количества радиоприложений. В последние годы технология развивалась в основном за счет военных, однако на разработку влияли и другие организации, например, NASA [2]. В своей самой простой форме SDR является программируемой платформой, на которую могут быть установлены радиоприложения. С целью стандартизации архитектуры радиоприложений и их размещения на аппаратных платформах был создан механизм “разработки и внедрения”. Яркий пример такого механизма — фреймворк SCA [3], который поддерживает не только радиоприложения, но и другие алгоритмы. В этой статье речь пойдет о базовых принципах SDR и когнитивного радио, будут описаны их ограничения и будет показано, как SCA и её аналоги обеспечивают реализацию не только систем связи, но и радиолокаторов, систем радиоэлектронной разведки и радиоэлектронного подавления (англ. Electronic Combat Measures, ECM).

Преимущество использования SCA-подобных стандартизированных подходов заключается в абстрагировании радиоприложения и алгоритмов от аппаратной платформы. Такая гибкость значительно снижает стоимость, вес и энергопотребление устройства за счет повторного использования аппаратного и программного обеспечения.

Архитектуры программного радио
Принцип SDR был впервые определен Джозефом Митола в начале 1990-х годов [1]. Он достаточно прост в теории, однако его реализация на практике сложна. В чистом виде SDR состоит из устройств обработки сигнала: процессоров, цифровых сигнальных процессоров (англ. Digital Signal Processor, DSP), программируемых логических матриц (англ. Field Programmable Gate Array, FPGA) или других вычислителей, к которым присоединен фронтенд прямой оцифровки радиосигнала, способный передавать и принимать данные (рисунок 1).

Рисунок 1. Базовая архитектура SDR.

Целесообразность такого подхода становится очевидной при рассмотрении возможностей цифро-аналоговых (англ. Digital-Analog Converter, DAC) и аналого-цифровых (англ. Analog-Digital Converter, ADC) конвертеров, в частности, динамического диапазона и высокой частоты дискретизации, необходимых для вычленения сигналов в полосе частот и отсеивания сигналов вне полосы. Эта задача является типичной для многих прикладных областей, например, для смежных каналов мобильной связи. С целью упрощения фронтенда вводится фильтр для выбора только необходимых полос частот и предоставления механизма выбора полосы частот за счет понижения разрешения. На практике же такое преобразование может выполняться при помощи неполной выборки из ADC, обычно выполняется хотя бы один этап понижения полосы частот. Это утверждение верно и для обратного преобразования при передаче. Операции неполной выборки и фильтрации/микширования требуют стабильного осциллятора. Общепринятым является применение осциллятора прямого цифрового синтеза (англ. Direct Digital Synthesis, DDS) для создания программируемого источника сигналов. Недостаток DDS заключается в том, что он обычно приводит к значительным паразитным составляющим в обработанных сигналах. Это является большой проблемой для программируемых радиосистем, несмотря на то, что эти проблемы были предметом множества исследований. Подводя итог, можно сказать, что типичная SDR является радиосистемой с фиксированными или минимально программируемыми полосой и диапазоном частот с помощью механизма, который обеспечивается высококачественными устройствами ADC и DAC, объединенными с вычислительной платформой для реализации основной части архитектуры трансивера. Пример такой архитектуры — однопроцессорный вычислительный модуль обработки с одним или двумя трансиверами, которые могут быть запрограммированы на поддержку выбранного диапазона частот, например, 2G, GSM, 3G, UMTS, WLAN, WiMAX, LTE, Bluetooth и GPS. Предполагается, что пользователю вряд ли потребуются все эти частоты одновременно. Таким образом, можно сказать, что типичная SDR – это ограниченная система. Военные реализации SDR, напротив, предоставляют более программируемый подход и большую гибкость, но из-за этого обычно страдает вес и размер устройства, а также потребляемая мощность. Однако даже в военных SDR гибкость ограничена диапазоном частот, производительностью, внутренней структурой и мощностью малошумящих усилителей (англ. Low Noise Amplifier, LNA), усилителем мощности (англ. Power Amplifier, PA), изоляторами, дуплексерами и антеннами, что приводит к ограничению покрываемого диапазона частот.

Стандартизация
Некоторые организации работают над стандартизацией SDR, программного обеспечения, радиоприложений и алгоритмов [2,3,4,5,6], например:

Кроме того, в Европе проводятся исследования для поддержки и изучения применения SDR и предоставляемых им возможности, например:

Несколько стран, включая Финляндию, Швецию, Францию и Италию, разработали или находятся в процессе разработки демонстрационных устройств SDR.

Наконец, в европейском фреймворке ESRP также существуют связанные с SDR проекты (FP7).

Рисунок 2. Временной график стандартов и программ SDR.

Несмотря на то, что сфера стандартов SDR бурно развивается, большинство решений, к счастью, являются производными от фреймворка SCA или напрямую связаны с ним. Временной график, отображающий развитие стандартов в контексте программ, изображен на рисунке 2.

SCA
SCA – механизм разработки и внедрения, разработанный в рамках программы JTRS Министерства обороны США. OMG разработала не имеющую ограничений по применяемым методов реализацию SCA, основанную на UML.

Подход SCA (рисунок 3) заключается в использовании XML для описания программных компонентов, приложений, созданных на основе этих компонентов, аппаратных элементов, платформ, составленных из этих элементов, механизмов внутренней связи (например, Common Object Request Broker Architecture, CORBA) и компонентного фреймворка.

XML-файлы определяют состав доменного профиля. Это позволяет выделять и описывать возможности радиоприложений и платформ. Компонентный фреймворк, который обычно содержит около 60 тысяч строк кода, предоставляет отображение и инстанцирование функций, благодаря которым аппаратная часть поддерживает инстанцирование требуемого радиоприложения. При условии достаточных аппаратных ресурсов, на одной платформе может быть инстанцировано несколько радиоприложений (приложений или алгоритмов).

Рисунок 3. Структура SCA.

Пример радиоприложения SCA
Для создания радиоприложения в SCA необходимо сгенерировать несколько XML-файлов поддержки запрограммированных элементов (таблица 1), таких как скомпилированный код на C или образы FPGA.

Таблица 1. Элементы доменного профиля SCA.

Программные дескрипторы описывают программные компоненты (включая элементы кода процессора, DSP и FPGA), используемые программные пакеты, и как они взаимосвязаны и собраны. Дескрипторы устройств описывают аппаратное обеспечение и системные характеристики.

Существуют наборы инструментов от сторонних производителей, позволяющие абстрагировать разработку и внедрение радиоприложений (рисунок 4) на низком уровне и предоставляющие графический интерфейс для создания радиоприложений и их семейств, которые можно сохранять, вызывать и инстанцировать.

Для того чтобы поддерживать несовместимые со стандартом SCA элементы (проприетарные шины передачи данных или вычислительные элементы типа “черный ящик”), используется механизм вида “адаптер”.

SCA использует набор доменно-зависимых API для унификации определений: в результате, если разработчик не имеет доступа к этим определениям, то совместимость с аппаратной частью не может быть гарантирована. Это потенциальный недостаток SCA, так как отказ от описания API может лишить сторонних производителей совместимости, снизив тем самым конкуренцию.

Таблица 2. Содержание дескриптора программного пакета, необходимого для создания оборудования РЭР.

Рисунок 4. Разработка и внедрение радиоприложения с использованием программно-определяемого подхода.

OMG
Модель OMG использует схожий с SCA подход, но описывает радиоприложения и аппаратную часть при помощи унифицированного языка моделирования (англ. Unified Modelling Language, UML) и модельно-ориентированной архитектуры (англ. Model Driven Architecture, MDA). Она использует расширение UML под названием UML-профиль для программного радио (англ. UML Profile for Software Radio, SWRadio), который состоит из двух профилей: компонентного фреймворка и коммуникационного профиля. Кроме того, этот стандарт применяет концепции платформенно-независимых моделей (англ. Platform Independent Model, PIM) и платформенно-специализированных моделей (англ. Platform Specific Model, PSM), при совместном использовании которых можно инстанцировать SDR [6].

UML-профиль программного радио предоставляет язык моделирования элементов программного радио. PIM предоставляет возможность моделирования поведения программного радио и API. PSM детально моделирует программное радио, например, модель OMG не описывает программное обеспечение промежуточного уровня, но для XML и переноса на язык описания интерфейсов (англ. Interface Definition Language, IDL) CORBA существует дескриптор PSM.

Ключевое преимущество использования архитектурного подхода UML состоит в том, что он позволяет определять программное радио и радиоприложения независимо от деталей реализации, не важно, используется ли Java, C, CORBA и т. д. Благодаря такой независимости, подход OMG предоставляет обратную совместимость с SCA (которая использует CORBA и XML), предоставляя возможность переноса и на другие технологии. Подход OMG приводит к уменьшению используемой памяти по сравнению с достаточно объемными реализациями SCA за счет оптимизации файлов определения и количества операций по созданию и удалению радиоприложений.

Как и SDR, когнитивное радио (англ. Cognitive Radio, CR) окружено определенным количеством заблуждений о его возможностях и назначении. CR имеет свои ограничения в использовании.

Когнитивное радио как “всезнающую” коммуникационную платформу, способную подстраивать собственные характеристики для эффективного использования доступных коммуникационных ресурсов, впервые описали Митола и Магуайр [8]. На практике существуют некоторые ограничения, касающиеся преимуществ, которые может предоставить CR.

CR можно разделить на четыре элемента:

На упрощенном уровне CR можно считать радиосистемой, которая сканирует эфир (обычно, используя SDR) и выбирает наиболее эффективную архитектуру работы в нем. Например, радиосистема может проверять наличие сигналов 2G GSM, 3G UMTS и сигнала Wi-Fi, а затем конфигурировать себя для использования соединения, которое будет предоставлять оптимальный диапазон частот. Так сегодня работает большинство CR, однако, как было замечено раньше, обычно оборудование предоставляет вместо широких возможностей SDR только специализированные возможности для каждого диапазона, примером этому являются мобильные телефоны.

В идеальном виде CR должны предоставлять богатый набор возможностей, быть в состоянии работать в широком диапазоне частот и, по возможности, использовать незадействованные частоты. Проблемы практической реализации CR такого уровня развития очень серьезны, а в некоторых случаях, непреодолимы. Представьте систему телевещания, в которой телебашня передает сигнал на телеприемник, а в зоне телеприемника находится CR, не способное принять телесигнал (например, оно находится за горой). В таком случае CR просканирует радиоэфир, придет к выводу, что сигнал в диапазоне частот телетрансляции отсутствует, и будет использовать этот диапазон для собственных передач, что приведет к помехам на телеприемнике (рисунок 5).

Существует похожая проблема, “скрытый узел”, при которой принимающий узел находится в зоне действия двух передатчиков, но передатчики находятся вне зоны действия друг друга. Без согласования с приемником, оба передатчика могут вести одновременную передачу, что приводит к помехам на приемнике. Такая проблема существует в технологии WLAN, где она решается использованием протокола переговоров “RTS/CTS”.

На практике применение CR ограничено не только собранной информацией об эфире, но и информацией о потенциальном вмешательстве в него существующих в каждой стране служб. В связи с этим, решения на базе CR должны сочетать как функции распознавания, так и запрограммированный рабочий спектр.

Рисунок 5. Пример проблемы «скрытого узла».

Прикладные применения SDR
Когда стало ясно, что стандарты SCA и OMG SWRadio предоставляют механизм разработки и внедрения, стало важно понять, какие системы, помимо SCA и SWRadio, могут использовать такой подход.

В предыдущей работе [10, 11] мы рассматривали применение SCA для создания программируемых акустических систем связи и сонаров. Преимущество применения SCA для подводной связи заключается в уменьшении веса и размеров систем. Мы также рассматривали уникальный подход реконфигурации РЛС на вертолете ВМФ для создания опускаемой гидролокационной станции.

В данной статье мы продолжаем эту тему, рассматривая применение стандартов SCA и SWRadio в системах РЭР, РЭП и РЛС с АФАР.

Защищенная связь
Стандарты SCA и SWRadio предоставляют подход к реализации шифрования и методы управления красными (защищенными) и черными (незащищенными) доменами безопасности, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Защищенная система связи, реализованная с помощью программных методов.

Домены безопасности изолированы аппаратной частью и могут быть представлены в SCA в качестве компонентов.

Оставшаяся часть состоит из различных программируемых компонентов (FPGA, использующих язык описания VHDL, или процессоров с операционными системами на базе C). Однако, как показано на рисунке 6, в точках сопряжения всегда находится специализированное железо.

Системы радиоэлектронной разведки (РЭР)
РЭР решает задачи сбора и анализа электронных сигналов с целью выделения полезных разведывательных данных. Процесс сбора включает обнаружение, обработку и классификацию (рисунок 7), которые в совокупности позволяют извлекать из сигнала данные или характеристики его генератора.

Рисунок 7. Типичная цепочка обработки в РЭР.

На каждом этапе распознавания РЭР извлекает максимально возможную информацию о характеристиках сигнала при помощи множества антенн и цепочек приемников. Состав типичного алгоритма обработки РЭР описан ниже.

Такая сложная последовательность измерений и обработки сигналов может быть реализована на платформе SDR (рисунок 8). Стоит отметить, что фронтенд состоит из фиксированной аппаратной части, т. к. антенна имеет физические ограничения. Домен VHDL включает в себя быструю обработку данных, необходимую для отбора и анализа базовых характеристик сигнала. Слияние и анализ угроз осуществляются в программном домене.

Рисунок 8. Программно-определяемая система РЭР.

Реализация такой системы с использованием SCA требует создания XML-файлов, которое обычно происходит внутри среды разработки. На рынке существуют несколько сред разработки, но в этой работе мы выбрали для примера OSSIE [9].

Шаг 1: Выбор компонентов и устройств.

Рисунок 9. Компоненты и устройства.

Шаг 2: Соединение компонентов между собой.

Рисунок 10. Распределение портов.

Шаг 3: Соединение компонентов с устройствами.

Шаг 4: Генерация XML-файлов SCA.

Рисунок 11. Созданные XML-файлы.

Шаг 5: Установка на платформу.

Системы радиоэлектронного подавления (РЭП)
На самом простом уровне архитектура систем РЭП может быть представлена в виде РЭР-подобного фронтенда, соединенного с анализом угроз, выбором мер противодействия и модулем объединения данных, позволяющего радиосистемам глушить передачу данных.

Рисунок 12. Элементы системы РЭП.

Учитывая пример РЭР в предыдущей секции, можно увидеть, что радиоприложения могут быть представлены компонентами и соединены для создания внедряемого решения. Используя подходящую платформу для инстанцирования радиоприложений, можно создать программно-определяемую систему РЭП, показанную на рисунке 12.

Радиолокационные системы (РЛС)
В РЛС SCA может быть использована для описания радиоприложений и рабочих параметров системы, предоставляя подход к абстракции приложений от аппаратной платформы.

Например, в РЛС с АФАР каждый элемент решетки выступает в качестве независимой цепочки передачи и приема. Так как эти цепочки содержат компоненты, схожие с компонентами радиосистем, то для реализации механизмов программного управления можно использовать SCA или SWRadio.

Разработка радиоприложения для РЛС подобна примеру, описанному для систем радиоэлектронной разведки (РЭР).

Заключение
Мы предоставили обзор методов программного и когнитивного радио, фокусируясь на преимуществах стандартов SCA и SWRadio. Статья описывает функцию SCA и рассматривает её применение в различных прикладных областях, включая защищенную связь, РЭР, РЭП и РЛС.

Статья подчеркивает преимущества общих механизмов разработки и внедрения стандартов SCA и SWRadio, позволяющих упростить обслуживание, уменьшить вес и размеры устройств, поддерживать общие ресурсы и упростить управление радиоприложениями.

Использование технологий из области когнитивного радио, например, SCA, может значительно улучшить характеристики устройств во множестве сфер, от гражданских до военных. Стоит помнить, что технологии программного радио не ограничиваются только радиосистемами.

Автор: E. Jones
Источник: 2008 IET Seminar on Cognitive Radio and Software Defined Radios: Technologies and Techniques

Источник