CC BY
309
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ПРОТОТИПА АВТОНОМНОГО МОБИЛЬНОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА
НА ПЛАТФОРМЕ ПРОГРАМИРУЕМОГО РАДИО Буланов Д. В., Лазарев В. О.
4. МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
4.1. МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ПРОТОТИПА АВТОНОМНОГО МОБИЛЬНОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА НА ПЛАТФОРМЕ ПРОГРАМИРУЕМОГО РАДИО1
Буланов Данил Витальевич, инженер НОЦ «БИС», аспирант каф. РПДУиСПС, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. E-mail: [email protected]
Лазарев Виталий Олегович, студент магистратуры, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. E-mail: [email protected]
Аннотация: Предложена методика создания прототипа автономного мобильного приёмопередатчика на платформе программируемого радио. На основе платформ SDR компании Ettus Research показан выбор программной и аппаратной платформы для реализации методики. Приведены примеры практического применения данной разработки.
Ключевые слова: автономный мобильный приемопередатчик, встраиваемые системы, модельноориентированное проектирование (МОП), система радиосвязи (СР), программно-конфигурируемое радио (ПКР), Software Defined Radio (SDR), Ettus B210/B200/N310, GNU Radio
METHOD OF STANDALONE MOBILE TRANSCIEVER PROTOTYPING ON SOFTWARE
DEFINED RADIO PLATFORM
Bulanov Danil Vitalievich, engineer of REC «Wireless Communications», PhD student, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications. E-mail: [email protected]
Lazarev Vitaliy Olegovich, graduate student, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications. E-mail: [email protected]
Abstract: Presented methodic of creation autonomous mobile transceiver prototype on SDR platform by Ettus Research Company. Shown range of hardware and software platform for the methodology implementation. Given practical examples of this development.
Index terms: Standalone mobile tranciever, embedded application, model based design, radio communication system, software defined radio, SDR, Ettus B210/B200/N310, GNU Radio
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наблюдается переход на программную реконфигурацию систем и устройств связи. Конфигурацию системы можно менять путём перепрограммирования, не меняя при этом аппаратной части. Такой подход уже реализован в современных базовых станциях, где переход от старого стандарта связи к новому осуществляется путём пере-
1 Работа прошла апробацию на Всероссийском молодежном образовательном форуме ПРОЕКТОВ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ В ОБЛАСТИ IT-ТЕХНОЛОГИЙ «Территория смыслов на Клязьме», который прошел 13 июля-28 августа 2015г. Организаторами мероприятия выступили Федеральное агентство по делам молодёжи, Общественная палата Российской Федерации, «Роспатриотцентр» Росмолодежи и Комиссия по поддержке молодёжных инициатив Общественной палаты РФ. Форум проводился при кураторстве Управления Внутренней политики Администрации Президента РФ.
прошивки станции. Данное направление получает широкое распространение и привлекает всё больше внимания как отечественных, так и зарубежных специалистов.
Всё большее распространение получает технология SDR - Software-defined radio, программно-определяемая радиосистема. На рынок приходят новые решения и устройства SDR, которые позволяют реализовать программный подход к реконфигурации систем и устройств. Существует несколько технологических направлений развития в SDR, таких как портативные или встраиваемые решения, системные платформы, MIMO (Multiple
31
Computational nanotechnology
3-2015
ISSN 2313-223X
Input Multiple Output) устройства и системы, системы с высокой точностью и другие.
Часто перед разработчиками телекоммуникационных устройств и систем встаёт задача создания рабочего прототипа под требования заказчика и в кратчайшие сроки. Следующий момент - это исследования и обучение студентов новым технологиям и стандартам связи, таких как когнитивные радиосистемы, сети 5G и т.д. без существенного изменения лабораторной базы.
В решении данных вопросов и задач имеет смысл применять технологию SDR - ведь она повышает пластичность и масштабируемость системы радио связи, что позволяет изучать новые стандарты связи без обновления аппаратной части. Также внедряемая технология позволяет запрограммировать и реализовать практически любой стандарт или канал радиосвязи: Wi-FI, LTE, 5G, custom channel, уникальные личные разработки, не стандартные алгоритмы обработки сигналов и не тривиальные математические и физические решения. На данный момент не существует стандартизованных или общепринятых методик по программированию SDR, что в свою очередь порождает вопрос концепции оптимальной разработки.
Применение новых зарубежных разработок в области SDR позволяет прототипировать и макетировать мобильные РЭС, так называемые standalone или embedded решения. То есть, если раньше SDR устройства не могли работать без подключения к персональному компьютеру, что из-за своих массогабаритных показателей накладывало ограничение на применение, то на сегодняшний момент они работают автономно без подключения к ПК, что значительно расширяет спектр возможного применения. Это стало возможно путём добавления бортового микропроцессора - MCU (Micro Controller Unit). В связи с этим возникает необходимость разработки методики создания устройств на базе SDR, имеющих в своём составе MCU.
В данной работе под автономным мобильным приёмопередатчиком будет подразумеваться SDR-устройство с бортовым MCU,
способное работать без подключения к ПК, с различными вариантами питания.
В данной статье представлен вариант методики прототипирования автономных мобильных приёмопередатчиков, разработанный на основе опыта, полученного в ходе разработок:
- Системы связи для передачи телеметрии на дальность до 10 км в не лицензируемом диапазоне частот 433 МГц, для роботизированной платформы;
- Макета прибрежной связи повышенной надёжности для различных служб;
- Портативного радиопеленгатора.
Также приведен краткий обзор существующих аппаратных и программных платформ и пример возможного практического применения.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Разработка систем радиосвязи сопряжена с решением целого ряда сложных задач от разработки алгоритмов синхронизации, модуляции и фильтрации до оптимизации каналов связи, протоколов передачи данных и их программной реализации на DSP (Digital Signal Processor) процессорах или FPGA (Field-Programmable Gate Array) [1]. В связи с этим необходимо очень аккуратно подходить к выбору платформы.
Технические характеристики современных SDR решений открывают возможности для построения различных систем связи с шириной полосы в несколько десятков МГц и рабочим диапазоном частот от десятков МГц до нескольких ГГц, что позволяет реализовывать приемопередатчики таких современных стандартов радиосвязи как GSM, cdma2000, WCDMA (UMTS), LTE, LTE-A, Wi-Fi, а также телерадиовещания DRM, DAB и DVB, сформировать сложные сигналы для гидроакустических каналов связи. Потенциальные возможности аппаратных платформ SDR по адаптации радиоинтерфейса путём реконфигурации программного обеспечения позволяют уже сегодня осуществлять прием, передачу и обработку сигналов различных
32
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ПРОТОТИПА АВТОНОМНОГО МОБИЛЬНОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА
НА ПЛА ТФОРМЕ ПРОГРАМИРУЕМОГО РАДИО Буланов Д. ВЛазарев В. О.
стандартов радиосвязи и радиовещания в режиме реального времени[2].
Перед инициативной группой научно образовательного центра и сотрудниками кафедры стояла задача реализовать автономный мобильный приемопередатчик для передачи телеметрии на дальность до 10 км в не лицензируемом диапазоне частот 433 МГц с соблюдением требований ГКРЧ на излучаемую мощность. Для достижения указанной
дальности при ограничении на излучаемую мощность в 10 мВт было принято решение реализовать приемопередатчик с возможностями пространственного кодирования сигнала MIMO 2*2 для достижения энергетического бюджета радиолинии [3]. Для выбора аппаратной платформы ПКР был проведен анализ доступных на рынке SDR решений, представленный в таблице 1.
Таблица 1
Анализ доступных SDR решений
Название Режим работы MIMO Частотный диапазон, [МГц] FPGA/MCU Мобильность*
Maveriq™ (Epiq Solutions) Приёмопередатчик 2*2 100 - 6000 Xilinx Spartan б LX150T/ - Нет
bladeRF хбО (Nuand) Приёмопередатчик 2*2 300 - 3800 115KLE Altera Cyclone 4 Е/- Нет
ASR-2300 (Loctronix) Приёмопередатчик 2*2 400 - 3800 Xilinx Spartan б/ - Нет
USRP B210 (Ettus Research) Приёмопередатчик 2*2 70 — 6000 Xilinx Spartan 6 XC6SLX150/ - Нет
USRP E110 (Ettus Research) Приёмопередатчик 1*1 - Xilinx Spartan 3A-DSP 3400 /ARM Cortex A8 + C64 DSP Да
USRP E310 (Ettus Research) Приёмопередатчик 2*2 70 - 6000 Xilinx Zynq 7020 Xilinx 7 Series/ Dual ARM Cortex A9 Да
- возможность работать автономно без ПК, standalone решения.
В результате среди SDR устройств для реализации автономного мобильного приемопередатчика было выбрано решение Ettus USRP E310 или E100/E110 [4][5]. В качестве платформы для первой не автономной реализации, тестирования СКК (Сигнально-кодовые конструкции), апробации метода проектирования и освоения технологии SDR в целом, была выбрана аппаратная платформа SDR Ettus B210, так как она является на сегодняшний день наиболее экономически интересной среди линейки продуктов SDR.
В устройствах серии Е1хх частотный диапазон расширяется дочерними платами, которые представляют собой отдельно приёмник и передатчик или приёмопередатчик с разными частотными диапазонами. Это позволяет реконфигурировать устройство под разные задачи. В E310 частотный диапазон фиксированный. Основные отличия между
устройствами E310 и E1xx заключаются в форм-факторе.
В качестве программной платформы для создания прототипов служит специализированное программное обеспечение, предназначенное для управления и реконфигурации программируемого радио в соответствии с заданными требованиями. Поскольку связь между платформами программируемого радио компании Ettus Research и персональным компьютером осуществляется с помощью специализированного драйвера UHD (USRP Hardware Driver), то и программное обеспечение, предназначенное для создания прототипа, должно уметь работать с данным драйвером. По своей сути программы различаются подходом к цифровой обработке сигналов и проектированию моделей и делятся на два типа по реализации цифровой обработки: на ПК или непосред-
33
Computational nanotechnology
3-2015
ISSN 2313-223X
ственно на самой плате. К первому типу относятся программы GNU Radio и Matlab USRP Communication System Toolbox. Ко второму типу, где вся обработка происходит в FPGA, относится программа Xilinx System Generator, являющаяся надстройкой к среде моделирования Simulink.
GNU Radio - свободно-распространяемая программа, интерфейс которой выполнен в виде блоков обработки данных, использующих в качестве инструмента управления язык программирования Python, а вся обработка сигнала выполнена на языке C++. Данная программа позволяет выполнять обработку сигналов в режиме реального времени и использовать ее для управления и реконфигурации совместимой с ней платформы SDR.
Matlab USRP Communication System Toolbox является пакетом расширений для программы Matlab, который позволяет работать с платформами SDR компании Ettus Research и создавать прототипы приемопередающих устройств. Этот пакет расширений содержит множество примеров работы с SDR, выполненных как в виде вызываемых команд, так и в виде моделей Simulink, что позволяет на их основе проектировать собственные решения.
Существенным минусом как Matlab USRP Communication System Toolbox, так и GNU Radio является то, что полученное таким образом устройство никогда не сможет быть полностью автономным - для процедур обработки сигналов и реконфигурации плата должна иметь постоянное соединение с персональным компьютером. Подходит такое программное обеспечение исключительно для тестирования различных прототипов и проведения лабораторных испытаний и для проверки работоспособности тех или иных решений.
Выход из сложившегося положения - это выполнять всю обработку сигналов с помощью установленной на плате FPGA, что позволит избежать постоянного подключения к ПК и поможет сделать итоговое устройство полностью автономным, при этом избежав потерь функциональности. Для работы с FPGA у компании Xilinx существует своя САПР - Xilinx ISE Design Suite. В ее состав входит программа для проектирования блоков цифровой обработки сигналов - System Generator, интегрируемая с Simulink.
Данное программное обеспечение позволяет на основе механизма программы Simulink создавать практические любые блоки цифрового тракта, будь то кодер, модулятор или схема прямого цифрового синтеза для получения синусоидального сигнала. Но ключевой особенностью является то, что помимо создания схем и блоков, оно позволяет генерировать код на языках описания аппаратуры, таких как VHDL и Verilog, которые потом используются для программирования FPGA и позволяет создавать автономные приемопередающие устройства на платформе SDR.
2. МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ АВТОНОМНОГО ПРОТОТИПА ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА
Основной целью создания методики была разработка алгоритма прототипирования приемопередатчиков на платформе программируемого радио с использованием средств программного обеспечения Simulink/System Generator и САПР Xilinx ISE. Итоговый алгоритм представлен на рисунке 1.
34
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ПРОТОТИПА АВТОНОМНОГО МОБИЛЬНОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА
НА ПЛА ТФОРМЕ ПРОГРАМИРУЕМОГО РАДИО Буланов Д. В., Лазарев В. О.
_______I_______
Обозначение исходных данных
_______f_______
Расчет бюджета канала и бюджета потерь
_______J_______
Определение СКК
________f_______
Выбор
программного
обеспечения
________J_______
Построение схемы
________1________
Получение кода на языке аппаратуры
________I________
Тестирование
сгенерированного
кода
________I________
Отладка работы платы
'f
Проведение
экспериментов
Рисунок 1. Алгоритм проектирования прототипа приемопередатчика
1. Обозначение исходных данных, расчет бюджета канала и бюджета потерь.
Поскольку рынок SDR и микросхем FPGA довольно широк, то этот пункт предназначен для выбора аппаратной платформы, на которой и будет проектироваться приемопередатчик. Выбор происходит на основе исходных данных, обозначенных соответствии с требованиями проектирования (частотный диапазон, мощность, дальность связи, автономность и мобильность итогового прототи-
па). Для роботизированной платформы, исходя из требований автономности проектируемого устройства, в качестве аппаратной платформы выбираются устройства серии E100/110/310.
Далее, в соответствии с исходными данными, рассчитывается бюджет канала, который определяет энергетический потолок для любой выбираемой далее модуляционной и кодирующей схемы. Этот потолок зависит от порога чувствительности приемника, который и вычисляется в бюджете.
2. Определение сигнально-кодовых конструкций.
В зависимости от полученных значений чувствительности будет выбрана та или иная схема модуляции и кодирования, которые определяют помехоустойчивость проектируемой схемы. При этом сложность построения схемы модуляции или кодирования напрямую влияет на сложность моделирования итоговой схемы и ее реализации в целом.
Т.к. энергетика связана с СКК через чувствительность, то, следовательно, для нее есть максимально-допустимая схема модуляции и кодирования. В свою очередь, СКК напрямую связана с вероятностью битовой ошибки (Bit Error Rate, BER). Для проверки пригодности СКК, следует смоделировать схему, вычислить BER и удостовериться, что выбранная схема модуляции и кодирования отвечает заданным требования. Таким образом, выбирается наиболее оптимальная СКК. Сам выбор, проверка работоспособности схемы и измерение BER происходит в процессе моделирования.
3. Выбор программной платформы и построение схем.
В соответствии с обозначенной платформой SDR, выбирается определенное программное обеспечение, предназначенное для моделирования приемопередатчика. Здесь определяется, каким образом плата будет взаимодействовать с персональным компьютером. Т.к. в приведенном примере стоит задача по достижению автономности работы прототипа, то в этом пункте выбирается именно связка
35
Computational nanotechnology
3-2015
ISSN 2313-223X
программ Simulink/System Generator. На выбранном программном обеспечении происходит моделирование схемы в соответствии с исходными требованиями и выбранными сигнально-кодовыми конструкциями. Следующей задачей является построение схемы приемопередающего тракта в программе Simulink и преобразование средствами программы System Generator и наиболее важным в данном случае выступает то, что в плане функциональности схемы не должны отличаться, а, следовательно, измеренные значения BER, при прохождении сигнала через них, должны совпасть.
4. Получение кода на языке описания аппаратуры
Если нужно получить автоматизированный и гибко настраиваемый прототип приемопередатчика, то перед программной платформой проектирования также ставится задача по генерации кода на языке HDL из построенной схемы для последующего его использования при программировании FPGA и использовании MCU.
5. Тестирование сгенерированного кода.
Перед непосредственным использованием
сгенерированного кода, следует предварительно проверить его работу с помощью написанных вручную модулей (testbench). Только после проведения симуляции работы и проверки кода, его можно использовать при программировании FPGA. Производится это либо с помощью стандартных средств программной платформы для проектирования (например, Xilinx ISE), либо с помощью отдельных сторонних, специально предназначенных для этого программ (Mentor ModelSim, Cadence IES, Synopsys VCS и др.).
6. Отладка работы платы
Не всегда идеально смоделированная система хорошо работает в программной реализации на устройстве, поэтому для проверки работоспособности уже запрограммированной FPGA существуют различные механизмы отладки, позволяющие следить за прохождением данных в плате путем «захвата» сигналов определенными модулями. Это
позволяет устранить различные неполадки, связанные с синтезом кода в FPGA, и привести прототип в состояние, готовое к проведению различных экспериментов. Отметим, что процесс отладки может быть продолжен и после их проведения.
7. Проведение экспериментов
Главной проверкой работоспособности спроектированного и смоделированного приемопередатчика является проведение экспериментов с использованием различных измерительных устройств и программного обеспечения. На этом этапе определяется пригодность прототипа для дальнейшего использования путем анализа полученных экспериментальных данных и делается вывод о выполнении заданных требований. Если же требования не выполнены, то цикл алгоритма начинается с начала, то есть происходит возвращение к обозначению исходных данных и возможной замене аппаратной платформы. Если же подобрать оптимальные параметры не удается ни на этапе исходных данных, ни при расчете бюджета канала и определении СКК, то делается вывод о невозможности проектирования данного прототипа.
В соответствии с разработанным алгоритмом, для прототипирования автономного мобильного приемопередатчика были выбраны следующие параметры:
1) Аппаратная платформа: SDR Ettus B210 -для тестирования СКК и апробации метода, и SDR Ettus E100/110/310 для реализации автономного мобильного приёмопередатчика.
2) Программные платформы:
- GNU Radio - создание различные модели приемопередатчиков;
- Xilinx ISE - работа с FPGA (прошивка чипа, симуляция и тестирование исполняемого кода);
- Matlab Simulink/ Xilinx System Generator - создание моделей приемопередатчиков с использованием блоков, предназначенных для программирования FPGA;
- Xilinx ChipScope - инструмент для отладки.
В результате применения алгоритма была реализована схема цикла прототипирования приемопередатчика, приведенная на рисунке 2.
36
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ПРОТОТИПА АВТОНОМНОГО МОБИЛЬНОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА
НА ПЛА ТФОРМЕ ПРОГРАМИРУЕМОГО РАДИО Буланов Д. В., Лазарев В. О.
Рисунок 2. Цикл прототипирования приемпередатчика с использованием платформы Simulink/System Generator
Данный цикл показывает весь путь проектирования, от моделирования теоретической схемы приемопередачи до итогового прототипа, где в качестве передатчика и приемника выступают платы USRP Ettus, а в качестве канала передачи - эмулятор канала, например, Agilent PXB.
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Согласно концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации, данной методикой создаётся научно-технических задел по перспективным технологиям и конструкциям электронных компонентов, унифицированных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры для обеспечения российской продукции и стратегически значимых систем [6]. Рассмотренные принципы и технологии имеют двойное назначение и могут применяться как в военно-промышленных разработках, так и в гражданских системах.
Внедряемая технология позволяет программно реализовать практически любой стандарт, канал радиосвязи или сигнальнокодовые конструкции. Отсюда вытекают следующие преимущества:
1. Быстрое создание первых прототипов для телекоммуникационных задач и проектов, демонстрация готового решения для за-
казчика становится возможным в кратчайшие сроки порядка нескольких дней.
2. Расширяются возможности по проведению исследований и обучению студентов новым технологиям и стандартам связи.
3. Технология позволяет изучать новые стандарты связи без обновления аппаратной части.
Еще одно из возможных применений - робототехника (наземная, воздушная и морская), создание специализированных и узкопрофильных каналов, систем связи и навигации, применение SDR-устройств в составе бортовых комплексов связи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА-UAV).
В случае работы SDR на низких частотах 100200 КГц, что расширяется подключением различных дочерних плат, становится возможным применение данной технологии в формировании сложных цифровых сигналов для подводных гидроакустических каналов связи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В первой части выполнено исследование существующей и перспективной аппаратной базы SDR и программных продуктов для работы с ним, а также произведена оценка применимости программного радио (SDR) в приложении к мобильным автономным приёмопередатчикам.
37
Computational nanotechnology
3-2015
ISSN 2313-223X
По результатам работы можно сказать, что прототип, выполненный с использование программной платформы GNU Radio, является простым в освоении и проектировании, но имеет жесткую привязку к персональному компьютеру, на котором происходит вся цифровая обработка сигналов.
Прототип, построенный на связке программ Simulink/System Generator, является достаточно гибким инструментом, но требует знаний не только в проектировании схем цифрового приемопередающего тракта и обработки сигналов, но и навыков работы и программирования FPGA. Синтез этих двух программ дает возможность спроектировать практически любой компонент приемопередатчика и использовать его в современных платформах SDR для самых различных нужд.
Список литературы:
1. Деменков Н.П. Модельно-ориентированное проектирование систем управления // URL:http://is.ifmo.ru/miscellaneous/_matlab_simulin k.pdf (дата обращения: 29.05.2015).
2. Фокин Г.А., Буланов Д.В., Волгушев Д.А., Модельно-ориентированное проектирование систем радиосвязи на основе ПКР// Вестник Связи, №6, 2015. - С. 26-30.
3. Fokin G. et al. Designing the MIMO SDR-based LPD transceiver for long-range robot control applications //Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2014 6th International Congress on. - IEEE, 2014. - С. 456-461.
4. Сайт компании «Ettus Research» //
http://www.ettus.com/content/files/USRP_E310_Pro duct_Sheet.pdf (дата обращения: 06.08.2015).
5. Сайт компании «Ettus Research» //
http://www.ettus.com/content/files/07495_Ettus_E1 00-110_DS_Flyer_HR_1.pdf (дата обращения: 06.08.2015)
6. Распоряжение Правительства РФ от 17.11.2008 № 1662-р), «Стратегии инновационного развития России до 2020 года» в ред. распоряжения Правительства РФ от 08.08.2009 N 1121-р - с 57.
38
