Uma implementação de SDR baseado em componentes híbridos

Transcrição

1 Tiago Rogério Mück Uma implementação de SDR baseado em componentes híbridos Florianópolis SC Novembro de 2008

2 Tiago Rogério Mück Uma implementação de SDR baseado em componentes híbridos Proposta de trabalho de conclusão de curso submetido como parte dos requisitos para a obtenção da aprovação na disciplina INE5373 Introdução ao Projeto em Ciências da Computação Responsável e orientador: Prof. Dr. Antônio Augusto Medeiros Fröhlich Co-orientador: Roberto de Matos UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E ESTATÍSTICA CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO Florianópolis SC Novembro de 2008

3 Sumário 1 Objetivo p Justificativa p Objetivos p Objetivos gerais p Objetivos especificos p. 4 2 Objeto p O problema p Técnicas e ferramentas p EPOS p GNU Radio p Universal Software Radio Peripheral p. 9 3 Metodologia de trabalho p Pesquisa e formulação do modelo p Implementação do protótipo p Redação da monografia e documentação p Cronograma de atividades p Cronograma para p Cronograma para p. 16 Referências Bibliográficas p. 17

4 3 1 Objetivo Rádio definido por software (SDR Software Define Radio) é uma das mais importantes tecnologias emergentes que moldarão o futuro das comunicações sem fio e da industria de dispositivos moveis (1). Atualmente, com o crescimento das maneiras com que as pessoas podem se comunicar - comunicação de dados, comunicação de voz e video, etc. - modificar dispositivos de rádio facilmente e com um baixo custo, para que estes se adaptem as diferentes formas de transmição, tem se tornado um problema recorrente. A tecnologia SDR traz toda a flexibilidade e eficiência necessários para satisfazer os requisitos dos sistemas de comunicação atuais. SDR, como o próprio nome já diz, é um rádio em que alguns componentes são definidos por software. Idealmente, um SDR possui apenas o mínimo necessario (transmissores, receptores, DACs e ADCs) implementados em hardware, e todo o resto (moduladores, demoduladors, filtros e etc) implementados em software. Dessa forma um SDR pode ser, por exemplo, desde um rádio AM/FW, até um receptor de TV digital, sem que nenhuma modificação de hardware seja necessária. O objetivo do projeto é implementar um SDR baseado em componentes híbridos(2) componentes que proveem implementações tanto em hardware quanto em software de forma transparente em cima da plataforma USRP(3) Universal Software Radio Peripheral e do sistema operacional EPOS(4). A camada de software do rádio seria dividida em componentes independentes e reusaveis, com implementações tanto em hardware quanto em software, que seriam selecionadas dependendo das necessidades da aplicação. 1.1 Justificativa A arquitetura baseada em hardware dos rádios tradicionais impõem uma série de limitações. Como cada elemento de hardware da cadeia de recepção/transmição exerce uma função especifica, os componentes são projetados para operar em uma freqüência e de acordo com um padrão

5 4 especifico. Quando a freqüência ou algum parâmetro do padão muda, o rádio não consegue mais codificar e decodificar a informação corretamente. Para operar sob os novos padrões, todo o sistema tem que ser reprojetado e os componenentes de hardware substituidos. Essa falta de flexibilidade faz com que os rádios tradicionais sofram altos custos de desenvolvimento e um time-to-market maior. Outra limitação dos rádios tradicionais está em oferecer multiplos serviços em um único dispositivo. Um celular, por exemplo, que oferece GSM, Bluetooth e Wi-Fi, necessita de cadeias de hardware separadas para integrar estes diferentes padrões. No entanto, as limitações fisicas dos celulares, como espaço e bateria, impõe várias dificuldades ao integrar vários serviços em um único dispositivo. Os SDRs seguem uma abordagem baseada em software para eliminar limitações dos rádios tradicionais descritas anteriormente. A idéia por trás dos SDRs é fazer toda a modulação e demodulação em software ao invés de utilizar circuitos dedicados. Idealmente, um SDR possui apenas o mínimo necessario (antenas, DACs e ADCs) implementados em hardware, e todo o resto (moduladores, demoduladors, filtros e etc) implementados em software (5). Dessa forma, um SDR que era um rádio AM pode, idealmente, se tornar em um receptor de HDTV apenas com uma atualização de software. Essa flexibilidade do software torna possivel fazer coisas que são muito dificeis, senão impossiveis, nos rádios tradicionais. A abordagem utilizando componentes híbridos eleva ainda os SDRs a um outro nível. Esses componentes permitem implementar SDRs fazendo uso das vantagens de hardwares programáveis como as FPGAs(6), movendo partes da camada de software do SDR para dentro destes componentes a fim de obter uma melhor performance e efciência de processamento, o que acarreta em uma economia de energia. Utilizando o framework de componentes hibridos do EPOS, isso pode ser feito de maneira transparente e automática, colaborando com que os SDRs tenham um baixo custo de desenvolvimento e um menor time-to-market 1.2 Objetivos Objetivos gerais Implementar um SDR baseado em componentes híbridos Objetivos especificos 1. Perquisar arquiteturas e formas de implementação de SDRs.

6 5 2. Implementar um SDR utilizando uma plataforma USRP e o sistema operacional EPOS. 3. Entender e aprimorar o framework de componentes híbridos do EPOS, buscando novas formas de concepção física e interconexão dos mesmos.

7 6 2 Objeto 2.1 O problema Como já foi descrito anteriormente, os requisitos para os novos sistemas de comunicação sem fio estão tornando cada vez mais difícil a implementação dos mesmos seguindo o paradigma tradicional. A nova abordagem seguida pelos rádios definidos por software visa superar essa dificuldades. Como essa nova maneira de projetar rádios surgiu recentemente, essa ainda é uma área imatura com muita pesquisa sendo feita. O maior problema da maioria dos SDRs que estão sendo usados na prática, é que eles falham em satisfazer o seu requisito fundamental, que é a esperada flexibilidade de operação em qualquer freqüência utilizando qualquer padrão de transmição. A grande parte dos SDRs é implementada para oferecer um conjunto limitado de serviços. O pricipal motivo que leva a isso é o fato de que a maioria dos SDRs realmente não precisa possuir essa natureza totalmente genérica. O rádios são implementados para oferecer apenas o conjunto de serviços desejados, utilizando apenas o hardware para dar o suporte necessário a camada de software do SDR, diminuindo os custo do mesmo. Na maioria dos casos essa abordagem é suficiente, mas problemas podem ocorrer quando surgir a necessidade de oferecer novos serviços utilizando o mesmo sistema, que extrapolem nos requisitos de hardware e de arquitetura de software disponíveis no sistema original. Esse trabalho visa colaborar no desenvolvimento das maneiras que os SDRs são projetados. Ciente do fato de que, na prática, não faz sentido desenvolver um SDR genérico capaz de fazer de tudo, um dos objetivos do projeto é o desenvolvendo uma arquitetura que permita a implementação de sistemas específicos dentro dos requisitos de custo de hardware, desempenho e consumo. E, ao mesmo tempo, permita uma fácil expansão desses sistemas, a medida que novos requisitos forem surgindo. Utilizando a abordagem de componentes híbridos, essa arquitetura irá permitir um melhor

8 7 aproveitamento do hardware disponível nos sistemas embarcados atuais, seja mapeando os componentes para hardware programável, como FPGAs, ou ASICs (Application Specific Integrated Circuit). 2.2 Técnicas e ferramentas EPOS O projeto EPOS (Embedded Parallel Operating System)(4) tem o objetivo de automatizar o desenvolvimento de sistemas dedicados, de modo que os desenvolvedores possam dedicar-se no que realmente importa: a aplicação. O EPOS se baseia no conceito Sistema Operacional Orientado a Aplicação (AOSD Application-Oriented System Design) proposto por Fröhlich(4) para projetar e implementar componentes de hardware e software que podem ser automaticamente adaptados para satisfazer os requisitos de uma aplicação em particular. Adicionalmente, o EPOS oferece um conjunto de ferramentas para selecionar, configurar e conectar componentes em um framework especifico para a aplicação, possibilitando a geração automatica de uma instância do sistema operacional para a aplicação. Para oferecer uma aplicação embarcada para cada sistema computadorizado, o EPOS pega os componentes de software, que implementam um conjunto de abstrações de sistema independentes do ambiente que podem ser adaptadas posteriormente para um ambiente de execução, com a ajuda de adaptadores de ambiente. Essas abstrações ficam em um repositório e são exportadas para a aplicação utlizando interfaces infladas. Essa estratégia permite que os programadores expressem os requerimentos da aplicação independentemente do sistema alvo. Um tipo particular de abstrações de sistema, chamadas de mediadores de hardware, são responsáveis por manter as abstrações de alto nível independentes de arquitetura. Pode-se imaginar estes componentes como parte de uma camada de abstração para um hardware configurável. Quando combinados com IPs, os mediadores de hardware fornecem uma interface softwarehardware customizavel que poderá dar origem a uma plataforma de hardware dedicada, ou seja, uma plataforma de hardware que inclui somente as funcionalidades necessárias para dar suporte a aplicação. Uma aplicação projetada e implementada de acordo com essa estratégia pode ser submetida a uma ferramenta que irá fazer uma análise sintática e de fluxo de execução para extrair um blueprint do sistema operacional a ser gerado e, quando instanciada, um descrição de alto nível da plataforma a ser sintetizada. Esse blueprint é então refinado fazendo uma análise de

9 8 dependência utilizando as informações do ambiente de execução repassadas pelo usuário. O resultado desse processo é um conjunto seletivo de componentes e parametros que darão suporte a compilação do sistema operacional e a síntese dos componentes de hardware em um dispositivo de lógica programável.(7) Figura 2.1: Fluxo de projeto no EPOS GNU Radio GNU Radio(8) é um framework open source que oferece uma biblioteca com blocos de processamento de sinais e uma maneira de conectar estes blocos para formar um rádio definido por software. Usando o GNU Radio, um rádio pode ser construido criando um grafo onde os vértices são os blocos de processamento de sinais e as arestas representam o fluxo de dados entre eles. Os blocos de processamento de sinais são feitos em C++ e os grafos são implementados e executados em Python. Conceitualmente, os blocos de processamento processam um stream infinito de dados, fluindo das suas portas de entrada para as suas portas de saída. As portas de entrada e saída servem como fontes e sumidouros de dados no grafo. Por exemplo, há fontes que leem de um arquivo ou de um ADC, e sumidouros para escrever em um arquivo, um DAC ou em um display gráfico. Mais de 100 diferentes blocos de processamento já foram implementados no GNU Radio. Usando um RF front end qualquer juntamento com um hardware básico, como ADCs e DACs, o GNU Radio pode ser usado para implementar um SDR, como exemplificado na figura 2.2.

10 9 Figura 2.2: SDR implementado usando GNU Radio Esse framework será usado para implementar o primeiro protótipo, para testar o funcionamento do estudo de caso escolhido Universal Software Radio Peripheral A placa USRP(Universal Software Radio Peripheral)(3), foi desenvolvida por Matt Ettus para ser uma alternativa de baixo custo à implementação de modelos de SDRs baseados no GNU Radio. Assim como o GNU Radio, a USRP é uma plataforma totalmente aberta e tem todos o seu esquemático e o código fonte do firmware disponibilizados para a comunidade. A placa USRP, mostrada na figura 2.3, atua como um front-end, fazendo conversões de analogico para digital e vice-versa, multiplexações e decimações. A placa USRP é composta basicamente de: quatro ADCs de 12-bits com uma banda de 64 MS/s(milhões de amostragens por segundo), para digitalizar o sinal vindo da antena na recepção. Tais conversores podem digitalizar um sinal de freqüência máxima de até 200 MHz com banda de até 32 MHz. quatro conversores DACs de 128 MS/s com 14-bit, para tornar analógico o sinal a ser transmitido. uma FPGA Altera EP1C12 Q240C8 Cyclone para fazer a decimação dos dados para taxas compatíveis com uma conexão via USB da USRP. Ou seja, a decimação é feita na FPGA, apesar de seus parâmetros serem definidos via software. Outra função executada

11 Figura 2.3: Placa USRP 10

12 11 pela FPGA é a multiplexação, para que até quatro sinais possam ser processados simultaneamente (dois recebidos e dois transmitidos). Tal multiplexação é necessária pois todos os sinais devem passar pelo mesmo canal da placa USRP para o PC. dois slots para placas-filhas de transmissão e dois slots para placas-filhas de recepção que compôem o RF front end da USRP. Uma interface USB 2.0. Apesar de ter sido projetada para trabalhar inicialmente com o GNU Radio, a USRP é independente da camada de software utilizada e será a plataforma de harware base onde serão implementados ambos os protótipos, tanto o baseado no GNU Radio quanto o protótipo final utilizando o EPOS.

13 12 3 Metodologia de trabalho O trabalho será desenvolvido nas dependências do LISHA (Laboratório de Integração Software/Hardware) INE, utilizando os recursos disponíveis no mesmo. A metodologia adotada será baseada na elaboração de estudos teóricos sobre o assunto, com o objetivo de encontrar novas formas de uso da técnologia de SDRs e componentes híbridos e aprimorar as já existentes. Para comprovar os resultados inferidos a partir dos estudos, um protótipo será construido para implementar as técnicas estudadas e desenvolvidas. 3.1 Pesquisa e formulação do modelo Sendo tanto a área de radio definido por software, quanto a área de componentes híbridos, são áreas novas com bastante pesquisa sendo feita atualmente, não existe nenhuma bibliografia consolidada. A maior parte das referências disponiveis consistem nas publiucações dos pesquisadores da área. A exeção está na parte conceitual sobre radiofreqüência e técnicas de processamento digital de sinais, que já possui uma grande base bibliográfica em livros todos disponíveis na Biblioteca Universitária. Para buscar as publicações relevantes, foi feito um levantamento bibliográfico nas bases de dados do IEEE, ACM e SDR Forum, que concentram praticamente todas as publicações de importância na área de SDR. As fontes de informações sobre o sistema operacional EPOS e sobre componentes híbridos é a propria base de dados do LISHA, que contém varios trabalhos academicos e publicações do grupo de pesquisa do laboratório nessa área, e outras publicações correlatas disponíveis nas mesmas bases de dados citadas primeiramente. Concluido o estudo teórico sobre rádios definidos por software, técnicas de processamento digital de sinais e componentes híbridos, será iniciada a etapa de implementação do protótipo. Primeiramente um estudo de caso será definido para servir de base para a implementação do protótipo. Em seguida, após feita uma modelagem da interação dos componentes do SDR que implementa o estudo de caso desenvolvido, a implementação do protótipo terá início.

14 Implementação do protótipo O estudo de caso será primeiramente implementado para testes usando os componentes disponíveis no framework GNU Radio. Após terminado o protótipo inicial do caso de uso, será iniciado o porte do sistema operacional EPOS para a plataforma USRP e a implementação do SDR baseado no EPOS. Terminado e testado o protótipo, a parte de hardware dos componentes hibridos será implementada para compor o protótipo final. O capítulo 4 apresenta um cronograma mais detalhado com os passos da execução do projeto. 3.3 Redação da monografia e documentação A monografia será redigida ao longo do periodo de implementação do projeto a medida que os conceitos vão solidificando-se e a documentação vai sendo gerada. Abaixo está descrito a estrutura provisória da monografia: 1. Introdução (a) Delimitação do tema (b) Objetivos (c) Justificativa (d) Metodologia 2. Revisão Conceitual (a) Radifreqüência (b) Transmição de dados em RF (c) Conceitos e técnicas de processamento digital de sinais 3. Radios Definidos por Software (a) Definição (b) Comparação com rádios convencionais (c) Aplicações e benefícios 4. Implementação de Radios Definidos Por Software

15 14 (a) Arquiteturas e modelos funcionais (b) Abordagens de implementação 5. Componentes Híbridos (a) Definição de componentes híbridos (b) Descrição do sistema operacional EPOS (c) Descrição do framework de componentes híbridos, a sua implementação e as suas vantagens 6. Implementação do Protótipo (a) Definição e justificativa do caso de uso (b) Descrição da plataforma USRP e do framework GNU Radio (c) Implementação em GNU Radio (d) Port do EPOS para a USRP (e) Implementação do protótipo no EPOS (f) Resultados 7. Conclusão 8. Referências

16 15 4 Cronograma de atividades 4.1 Cronograma para 2008 Atividades Ago Set Out Nov Dez Definição do tema e do escopo X Identificação das bases bibliograficas, levantamento e X X separação de material de interesse Elaboração da proposta do projeto X Definição da banca avaliadora X Levantamento e separação de material de interesse X X X Leitura e fichamento do material X X X Redação do projeto de pesquisa X Elaboração da proposta completa X X

17 Cronograma para 2009 Atividades Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Teste das plataformas GNU Radio e USRP X Definição e implementação X X do estudo de caso em GNU Radio Estudo analítico do protocolo X X CMAC do EPOS em SDRs Redação de artigo a ser submetido ao SBCCI sobre o CMAC em SDRs X X X Port do EPOS p/ a plataforma USRP X X X X Implementação da camada de software X X X Implementação dos componentes híbridos em hardware X X X Aprimoramentos X X Redação da monografia X X X X X X X Preparação da defesa X Defesa do trabalho X

18 17 Referências Bibliográficas 1 COOKLEV, T.; CUMMINGS, M. Software-Defined Radio Technology. In: 25th International Conference on Computer Design. [S.l.: s.n.], p MARCONDES, H.; FRöHLICH, A. A. On Hybrid Hw/Sw Components for Embedded System Design. In: Proceedings of the 17th IFAC World Congress. Seoul, Korea: [s.n.], p Ettus Research. USRP [Online; accessed 21-Novembro-2008]. Disponível em: < 4 FRöHLICH, A. A. Application-Oriented Operating Systems. Tese Technical University of Berlin, Berlin, MITOLA, J. The Software Radio Architecture. IEEE Communications Magazine, v. 33, n. 5, May BENSON, D.; LALL, N. System-Level Design Using FPGAs and DSPs. An Example Showing Software-Defined Radio. The magazine of record for the embedded computing industry, p , January LISHA. Epos Project [Online; accessed 26-Novembro-2008]. Disponível em: < 8 GNU FSF project. The GNU Radio [Online; accessed 21-Novembro-2008]. Disponível em: <