Файл: O. V. Plokhikh.pdf

140
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
O. A. Kuvshinov, O. V. Plokhikh
| Application of Software-defined radio in communication systems
Обзорная статья / Review Article
DOI 10.15826/urej.2022.6.2.002
УДК 621.396.42
Применение программно-определяемого радио
в системах связи
О. А. Кувшинов

, О. В. Плохих
Уральский федеральный университет имени первого Президента России
Б. Н. Ельцина, Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 32

okuvshinov@inbox.ru
Аннотация
В работе представлены примеры решения актуальных задач электрос- вязи с использованием технологии программно-определяемых радиоси- стем (ПОР). Для каждого примера описана проблема и роль ПОР в ее решении. Приведено сравнение основных характеристик и структуры аппаратных составляющих ПОР, которые используются в рассмотрен- ных примерах. Представлены результаты работы с отладочным моду- лем для российской микросхемы ПОР 1288ХК1Т по сценарию демон- страционного варианта функционирования.
Ключевые слова программно-определяемое радио, российская микросхема, проблемы электросвязи, аппаратные решения, цифровая обработка сигналов
Для цитирования
Кувшинов О. А., Плохих О. В. Применение программно-опреде- ляемого радио в системах связи. Ural Radio Engineering Journal.
2022;6(2):140–159. DOI: 10.15826/urej.2022.6.2.002.
Application of Software-defined radio
in communication systems
O.
A. Kuvshinov

, O.
V. Plokhikh
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin,
32 Mira Str., Ekaterinburg, 620002, Russia

okuvshinov@inbox.ru
Abstract
The paper presents examples of solving urgent telecommunication tasks using the technology of Software-defined radio systems (SDR). The problem and the role of SDR in its solution are described for each example.
The comparison of the main characteristics and structure of the hardware components of the SDR, which are used in the considered examples, is given. The results of the work with the debugging module for the Russian microchip 1288HK1T according to the scenario of the demo version of functioning are presented.
© Кувшинов О. А., Плохих О. В., 2022

141
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
О
. А
. Кувшинов
, О
. В
. Плохих
|
Применение программно
-определяемого радио в
системах связи
Keywords software-defined radio, Russian microchip, telecommunication tasks, hardware solutions, digital signal processing
For citation
Kuvshinov O. A., Plokhikh O. V. Application of Software-defined radio in communication systems. Ural Radio Engineering Journal.
2022;6(2):140–159. (In Russ.) DOI: 10.15826/urej.2022.6.2.002.
Введение
С помощью технологии радиосвязи сегодня решается множе- ство задач, от предоставления услуг связи для гражданского на- селения до военных задач обеспечения безопасности государства.
В связи с развитием науки и техники в целом, а также с ростом потребностей человека регулярно возникают новые задачи. Их решение, как правило, предполагает тщательную проработку идеи и разработку нового устройства. Однако еще в 1984 году командой американских инженеров была предложена идея ПОР, способная решать разные задачи в разные моменты времени без изменения конструкции системы, а изменяя ее параметры ис- ключительно программными методами [1]. Такие решения пред- полагают, во-первых, программную настройку частоты опорно- го генератора и параметров цифрового фильтра, что позволяет программно управлять рабочей частотой и полосой приемного тракта. Во-вторых, модуляция/демодуляция сигнала тоже реа- лизуется программно.
Структурная схема современных приемных ПОР включает следующие элементы: антенна, полосовой аналоговый фильтр, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразо- ватель частоты и цифровой фильтр с изменяемыми коэффициен- тами. На выходе ПОР формируются цифровые отсчеты сигнала с конкретной частотой дискретизации, которые далее по опре- деленному интерфейсу передаются вычислительному устройст- ву, например, компьютеру (ПЭВМ) для обработки и извлечения полезной информации. Передающая ПОР относительно прием- ной обладает зеркальной структурой последовательности функ- циональных блоков. На вход такой системы через конкретный интерфейс поступают отсчеты цифрового сигнала от источника сигнала. С помощью преобразователя частоты и цифро-анало- гового преобразования (ЦАП) формируется аналоговый сигнал, который затем фильтруется, усиливается и передается в эфир с использованием передающей антенны.
Исполнение современных ПОР представляет собой, как прави- ло, интегральную схему (ИС), выполняющую функции преобра- зования частоты, фильтрации сигнала и формирования отсчетов

142
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
O. A. Kuvshinov, O. V. Plokhikh
| Application of Software-defined radio in communication systems для их дальнейшей обработки. Основным параметрами таких си- стем являются частота дискретизации, разрядность, рабочий ди- апазон частот, ширина полосы, чувствительность. АЦП преобра- зователи могут быть интегрированы в ИС ПОР либо представлены отдельными специализированными ИС. Для первичной обработ- ки сигнала и взаимодействия ПОР с устройствами дальнейшей обработки реализуют различные интерфейсы на базе программи- руемых логических интегральных схем (ПЛИС) или процессоров.
Основной задачей данной работы является демонстрация ак- туальности изучения и развития темы программно-определяе- мых радиосистем. Для этого в первой части работы представле- ны решения актуальных задач электросвязи с использованием преимуществ технологии ПОР. Во второй части приведен крат- кий обзор аппаратной части устройств, которые применяются в представленных решениях. В третьей части рассматривают- ся практические вопросы применения ПОР на базе отечест- венной микросхемы цифрового четырехканального приемника
ПОР 1288ХК1Т производства АО НПЦ «ЭЛВИС», что особенно актуально в условиях ограничения поставок в РФ микросхем импортного производства. К сожалению, российские решения часто уступают зарубежным в качестве и количестве предостав- ляемого в помощь разработчику демонстрационного и вспомо- гательного программного обеспечения, технической документа- ции, примеров, а также возможностей сопряжения с другими аппаратными и программными платформами. В ходе разработ- ки часто возникают технические вопросы, что вынуждает об- ращаться за помощью в техническую поддержку предприятия для прояснения особенностей работы изделия. В настоящей ра- боте приводится описание запуска и настройки демонстрацион- ного примера, сформированное в результате такого взаимодей- ствия. Эти сведения могут оказаться полезными для освоения этого оборудования.
ПОР в системах связи
Сегодня активно эксплуатируются как новейшие сети сото- вой связи (ССС), так и сети старших поколений. Это обусловле- но в первую очередь отсутствием необходимости в высокой ско- рости передачи данных в определенных задачах. В связи с этим модернизация и, следовательно, увеличение стоимости и слож- ности таких сетей неоправданно. Такая тенденция и особенность технологий современных сетей предполагают одновременное ис- пользование частот в широком диапазоне спектра: от 800 МГц до
2,6 ГГц и различных сложных сигналов. Дальнейшее развитие
ССС способствует еще большему увеличению данного диапазона.

143
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
О
. А
. Кувшинов
, О
. В
. Плохих
|
Применение программно
-определяемого радио в
системах связи
Для поддержания работоспособности сетей необходимо осуществ- лять регулярный мониторинг состояния радиоэфира, и в качест- ве универсального решения данной задачи ввиду своих особен- ностей может быть эффективно использована технология ПОР.
В работе [2] представлено аппаратное решение для монито- ринга сигналов ССС второго (2G), третьего (3G) и четвертого поколений (4G). Данное решение выполнено на базе двух ИС:
R820T2 и RTL2832U. Устройство принимает сигналы в диапа- зоне 24–1750 МГц; ширина полосы сигнала может достигать
3 МГц, чувствительность приемника – 3 мкВ. Особенностью дан- ной разработки является совместимость с программными ана- лизаторами трафика. Так, в ходе работы помимо физических параметров сигнала в результате его обработки могут быть по- лучены некоторые служебные данные. Разработанное устрой- ство может быть использовано специальными органами для контроля правомерного использованием частотного ресурса, а также самими операторами связи для достижения стабиль- ного качественного радиоканала за счет программной перена- стройкой оборудования.
Кроме мониторинга радиоэфира ПОР могут быть исполь- зованы для анализа безопасности протоколов взаимодействия устройств в ССС. Так, в работе [3] представлено описание про- цедуры атаки на сеть передачи данных за счет уязвимостей протокола GSM. Атака строится по принципу «человек посере- дине». Такая схема предполагает получение данных злоумыш- ленником от источника, их прослушивание, и ретрансляция адресату. При этом источник и адресат не подозревают о суще- ствовании посредника. При наличии специальных средств зло- умышленник может расшифровать конфиденциальные пользо- вательские данные и использовать их в своих целях. Роль ПОР в этом случае заключается в прослушивании радиоэфира с це- лью определения частоты несущего сигнала и служебных пара- метров базовой станции (БС), излучающей сигнал наибольшей мощности. Как только определены все служебные параметры такой БС, злоумышленником выполняется настройка поддель- ной БС с аналогичными служебными данными и более высокой мощностью сигнала. В соответствии с особенностями протокола
GSM мобильные терминалы абонентов подключаются к сети че- рез БС с наиболее мощным сигналом в зоне своей радиовидимо- сти. Для формирования сигнала поддельной БС также использу- ется ПОР, формирующая сигнал на требуемой несущей частоте.
ССС пятого поколения (5G) сегодня являются наиболее про- грессирующим и обсуждаемым направлением в области беспро- водной передачи данных. Это, в частности, обусловлено бурным

144
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
O. A. Kuvshinov, O. V. Plokhikh
| Application of Software-defined radio in communication systems развитием технологии интернета вещей: только в России сфор- мулирована цель выпуска миллиарда устройств интернета ве- щей [4] к 2025 году. Основными требования к сетям 5G является высокая скорость передачи данных (до 20 Гбит/с), значитель- ная плотность устройств (10 6
/км
2
) и низкие задержки переда- чи сигнала (до 1 мс). Для обеспечения желаемых показателей в новых системах активно используют технологию простран- ственного разнесения MIMO (Multiple Input Multiple Output) – размещение сразу нескольких приемопередающих антенн на устройстве. В работе [5] представлена антенная система из 8 эле- ментов, рассчитанная на диапазон 3,4–3,6 ГГц, для абонентских устройств. Сигнал с антенн обрабатывается четырьмя ПОР (по одному на каждую пару антенн) NI USRP 2943R. Это устрой- ство представляет собой программно-определяемый приемопе- редатчик, действующий в диапазоне сигналов до 6 ГГц. Авто- ры работы [5] экспериментально показали, что их устройство может работать на скорости передачи данных 275 Мбит/с с ча- стотой возникновения битовых ошибок BER = 1 · 10
–2
при отно- шении сигнал/шум (ОСШ) 15 дБ и способе модуляции 64QAM.
Обзор показывает, что ПОР находит применение для реше- ния различных задач ССС. Перспективным развитием данной технологии может оказаться реализация систем адаптивных ан- тенных решеток (ААР), что особенно актуально для будущих се- тей, требующих высокую скорость передачи данных с исполь- зованием сверхвысоких частот. Это, в частности, может быть реализовано с использованием российской ИС 1288ХК1Т, по- зволяющей создать систему ААР из 32 элементов.
Сети интернета вещей используются для автоматизации и цифровизации бытовых и производственных процессов и пред- ставляют собой множество разнообразных датчиков, сенсоров, счетчиков и контроллеров, оснащенных приемопередающим ра- диомодулем. Данные с устройств агрегируются и обрабатывают- ся программно-аппаратными средствами. Эффективность таких систем заключается в высокой автономности работы системы, которая достигается среди прочего за счет кратковременных и сравнительно редких сеансов связи.
В крупных промышленных проектах количество устройств в сети может достигать нескольких сотен на одном объекте.
Ввиду высокой плотности устройств, несмотря на относительно редкие сеансы связи, возникают коллизии сигналов, что приво- дит к потере данных. В работе [6] представлены результаты ис- следования наложения разных частей пакетов в сети стандар- та LoRaWAN при различной мощности сигналов. Задачей ПОР в этом случае является формирование помехи путем приема сиг-

145
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
О
. А
. Кувшинов
, О
. В
. Плохих
|
Применение программно
-определяемого радио в
системах связи нала с одного устройства LoRaWAN, его фильтрации, усиления и передачи с настраиваемой задержкой. Такой подход обуслов- лен закрытостью протокола LoRaWAN, в связи с чем исполь- зование устройства на базе данного стандарта в качестве гене- ратора помехи оказывается неоправданным. Применение же технологии ПОР в данной задаче позволяет детально и плавно настраивать желаемый сигнал. Авторами работы [6] получено, что при обнаружении коллизий в сети по результатам ее воз- действия имеется возможность рассчитать задержку помехи, а вместе с этим воспроизвести более точную модель трассы рас- пространения сигнала. Это может быть учтено при добавлении новых устройств в сеть с целью предупреждения возникнове- ния новых коллизий. В работе [6] также приведены результа- ты сравнения с данными других исследований.
В работе [7] представлен проект распределенной сети интер- нета вещей, предназначенной для передачи информации меж- ду устройствами, работающими на базе протоколов LoRaWAN,
ZigBee, Wi-Fi и Bluetooth. В этих технологиях используются различные частотные диапазоны и способы модуляции сигна- ла. Особенностью сети является значительное расстояние меж- ду устройствами: сотни и тысячи километров. Для передачи на таком большом расстоянии используется специализированный протокол S-MIM, предназначенный для организации спутнико- вого канала связи [8]. В данном стандарте для передачи радио- сигналов используется S-диапазон: 2–4 ГГц. Для приема и обра- ботки различных сложных сигналов на базе одного устройства используется ПОР Ettus USRP E310 в качестве шлюза между наземной сетью устройств интернета вещей и спутником. Диа- пазон рабочих частот данного устройства составляет 70 МГц –
6 ГГц, максимальная ширина канала равна 56 МГц, первичная обработка осуществляется с использованием ПЛИС Xilinx ZYNQ
7020 и двух ядер процессора ARM Cortex A9 с тактовой часто- той 866 МГц. Для проверки работоспособности системы авто- рами работы [7] был проведен эксперимент по передаче файла конфигурации в восходящем направлении между двумя устрой- ствами Ettus USRP E310, одно из которых эмулировало работу приемопередатчика спутника, а другое – шлюза наземной сети интернета вещей. Для имитации канала связи использовался аттенюатор 30 дБ. Средняя скорость передачи данных в этом случае оказалась равна 5 кбит/с.
В работе [9] представлен проект комбинирования провод- ной транспортной сети связи на базе волоконно-оптического ка- беля (ВОК) и беспроводной сети доступа для различных типов устройств. Функция ПОР в такой системе заключается в приеме