FFI-FOKUS F o r s v a r s f a g l i g t i d s s k r i f t u t g i t t a v F o r s v a r e t s f o r s k n i n g s i n s t i t u t t f e b r u a r 2 0 1 0 Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi? 2-10 Foto: FMS
2 Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi? Det er i dag bred enighet om at framtidige radioløsninger vil bli basert på softwaredefinert radio (SDR). Spørsmålet er hvilken utforming det vil få, og når det vil være kostnadseffektivt å ta i bruk for det norske Forsvaret. Uansett innebærer SDR både spennende muligheter og organisatoriske utfordringer. Av Leif Hanssen, Forsvarets forskningsinstitutt Mikroelektronikk har de siste årene bidratt til store endringer i vanlige folks hverdag. Det hele startet for snart 50 år siden, da flere transistorer ble integrert på en og samme brikke. Etter noen få år postulerte Gordon Moore det som siden har blitt kalt Moores lov;...antall transistorer som kan integreres på en brikke fordobles hver 18. måned. En dobling over 18 måneder innebærer en tusendobling over 15 år. Det betyr at for samme pris som man betalte for én transistor i 1960 fikk man tusen transistorer i 1975, en million i 1990 og en milliard i 2005. Det har gjort transistorer til verdens mest omsatte handelsvare i antall, med mer enn 10 18 solgte enheter per år. Transistorer er i ferd med å bli en tilnærmet ubegrenset ressurs. Det har medført en kraftig reduksjon i utviklingskonstnadene for svært avanserte systemer. Softwareradio Arkitekturen for kommunikasjonsradioer har gjennomgått store forandringer de siste ti til femten år. Mens en radio tidligere bestod av avansert analog elektronikk, er de fleste funksjoner nå flyttet over i det digitale domene. Faktarute 1 illustrerer en typisk moderne radioarkitektur. Det er en modul (Front-End) som konverterer signalet fra radiofrekvens (RF) til mellomfrekvens (IF). Resten av signalbehandlingen gjøres digitalt i hovedkomponentene FPGA, DSP og GPP. Fordelen med arkitekturen skissert her er at elektronikken blir veldig generell. Hvis radioen skal oppgraderes med nye funksjoner, eller spesifikasjoner skal forandres, er det ofte nok å oppgradere programvaren. Dette kalles softwareradio, men er likevel en proprietær løsning hvor samme leverandør har kontroll over både elektronikk og programvare. Soldater under en øvelse i regi av Heimevernet. Softwaredefinert radio SDR-begrepet brukes i dag hyppig i markedsføringen av ulike radioprodukter. Det finnes imidlertid ingen entydig og klar definisjon av begrepet. SDR-forum en medlemsorganisasjon med over 100 av de viktigste aktørene FFI Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi?
innen SDR har valgt å definere det som radio in which some or all of the physical layer functions are software defined. I en slik definisjon gjøres det ingen forskjell på software radio og SDR. Det hevdes likevel at en slik forskjell eksisterer ved at den viktigste egenskapen til SDR er et uavhengig utviklingsløp for elektronikk og programvare i denne sammenheng plattform og bølgeform. Analogien til en pc kan være forklarende i så måte. I en datamaskin er elektronikken bare delvis standardisert ved at arkitekturen er klart definert. Det er operativsystemets oppgave å tilby et standardisert grensesnitt mot elektronikken. Et program som er utviklet for et operativsystem skal kunne kjøpes på en hvilken som helst pc som benytter dette operativsystemet, uavhengig av hvordan elektronikken er bygd. I dette bildet er plattformen elektronikken, bølgeformen er programmet som skal kjøres og Software Communications Architecture eller SCA (se faktarute 2) er operativsystemet. Det er en standardisering av operating environment eller operativsystem som skiller SDR fra software radio. Denne egenskapen gjør at elektronikk og programvare kan kjøpes fra forskjellige uavhengige leverandører. SDR vil likevel være mer komplisert enn en vanlig datamaskin. Blant annet vil kravet til regnekraft være svært høyt på grunn av avansert signalbehandling. En radio har også strenge sanntidskrav. På papiret har SDR potensial til å forandre flere aspekter av design og bruk av kommunikasjonssystemer. SDR kan tilby flere bølgeformer i samme boks, enklere oppretting av designfeil, muligheter for rekonfigurering, økning av IP-basert dataoverføring og forbedring av sikkerheten. Men den viktigste egenskapen ved konseptet er at det åpner for et fritt marked der bølgeformsleverandører kan operere uavhengig av plattformleverandører. En slik økt konkurranse skal i prinsippet gi bedre systemer til en lavere kostnad. 3 Typisk arkitektur for en moderne softwareradio og SDR Ethernet GPP FPGA D/A IF Sender RF DSP A/D IF FPGA Modem Front-End Mottaker Front-End konverterer signalet fra radiofrekvens (RF) til mellomfrekvens (IF). Resten av signalbehandlingen gjøres digitalt i hovedkomponentene FPGA, DSP og GPP. En General Purpose Processor (GPP) er enten en vanlig mikroprosessor eller en mikrokontroller. En mikroprosessor er kjernen i en datamaskin og er konstruert for å gjøre generelle beregninger. En mikrokontroller er en liten mikroprosessor med hukommelse og grensesnitt innebygd. Det er i prinsippet en komplett liten datamaskin i en krets. En Digital Signal Processor (DSP) er en mikroprosessor som er spesiallagd med hardware akselerator for å kjøre egne instruksjonssett for rask behandling av signaler. Disse brukes i stor grad til analyse, behandling og generering av digitale signaler. Et moderne modem som for eksempel et ADSL-modem er som regel en DSP. Field Programmable Gate Array (FPGA) er en stor logikk-krets som er konfigurerbar. En beskrivelse av oppførselen eller logikken i kretsen ligger i en hukommelseskrets ved siden av FPGA-en. Dette gjør at funksjonaliteten i elektronikken kan bestemmes og forandres etter at den er produsert. Men når strømmen er slått på og konfigureringen er gjort, er logikken fast. Den kan ikke kjøre programmer i vanlig forstand. Generelt er det slik at FPGA har høyere regnekraft enn DSP som igjen har høyere regnekraft enn GPP. Kostnaden for høyere regnekraft er økt pris og effektforbruk. Derfor vil en forsøke å legge funksjoner i den billigste komponenten. Moores lov gir oss hele tiden nye komponenter med økt ytelse. Det betyr at funksjoner etter hvert flyttes fra FPGA til DSP og fra DSP til GPP. Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi? fakta I
4 Uavhengig utviklingsløp for plattform og bølgeform gjør at nye bølgeformer eller nye versjoner av bølgeformer kan legges inn på eksisterende elektronikk, mens eksisterende elektronikk bare byttes når ytelsen har økt betydelig. Slik det er for pc. Plattform I SDR-sammenheng består en plattform av mekanikk og elektronikk, i tillegg til basisprogramvaren operativsystemet som gjør at bølgeformer kan kjøres på den. Mange av de tilgjenglige plattformene har vært kun for bruk i laboratoriet. Men de aller siste årene har også serieproduserte robuste plattformer for bruk i felt kommet på markedet. Nye taktiske radioer dekker HF, VHF og UHF, og er håndholdte eller kjøretøymonterte. For de fleste av disse vil leverandøren påstå at det er SDR. Det er imidlertid få av dem hvor brukeren kan legge inn sin egen SCA-kompatible bølgeform. Bølgeform Bølgeform er definert som hele settet av radiofunksjoner, fra brukerinput til RF. Men i SDRsammenheng brukes ofte en utvidet definisjon hvor bølgeform er den komplette programvarebeskrivelsen av en radiostandard, fra fysiske lag til applikasjonslag og sikkerhetsløsninger. Hvis bølgeformen er utviklet etter SCA-standard, skal den i prinsippet kunne kjøres på en hvilken som helst SCA-kompatibel plattform. Det er utvalget av bølgeformer på plattformen som gir brukeren kommunikasjonsløsninger. Logistikk En SDR vil i motsetning til tradisjonelle radioer bestå av to helt uavhengige komponenter, plattform og bølgeform. Disse deployeres og vedlikeholdes også forskjellig. Alle systemer innen elektronikk og programvare, i denne sammenheng plattform og bølgeform, vil inneholde småfeil og svakheter. Men småfeil i programvare, såkalte bugs, er billigere og raskere å rette opp. Derfor vil det ofte være vanligere med nye versjoner av programvaren enn av selve elektronikken. Dette krever en annen organisasjon og andre prosedyrer for vedlikehold enn tradisjonelle elektronikkradioer. Kompatibilitet SDR gir muligheten for å kjøre mange bølgeformer på en og samme plattform. Det betyr at når en ny bølgeform skal tas i bruk i en forsvarsgren, er det i prinsippet nok å innstallere ny programvare på eksisterende plattformer. Dette kan imidlertid være vanskelig i praksis da det alltid vil være begrenset ytelse på en plattform, og dermed begrenset hvilke og hvor mange bølgeformer som kan kjøres samtidig. Kompatibilitetstesting blir en stor utfordring i så måte. Hvordan sikre at en bølgeform kan kjøres på en plattform og møte spesifikasjonene? Plattformleverandører vil opplyse om hvilke bølgeformer som kan kjøres på deres plattform. Tilsvarende vil leverandører av bølgeformer opplyse om hvilke plattformer deres bølgeform kan brukes på. Dette vil imidlertid være utilstrekkelig for Forsvaret, som må sikre at radioen fungerer under de betingelser den vil bli brukt og at den nye bølgeformen fungerer sammen med eventuelle andre bølgeformer som allerede kjører på plattformen. fakta II JTRS og SCA Det amerikanske Forsvaret har investert mye penger i SDR. Flere milliarder dollar er brukt i prosjektet Joint Tactical Radio System (JTRS). Dette er et stort utviklingsprogram for å finne fram til plattformer og bølgeformer for taktisk bruk på tvers av forsvarsgrenene. Hovedmålet har vært en reduksjon i antall radiosystemer. En sterkere standardisering ville også gi bedre fleksibilitet og interoperabilitet. Opprinnelig var det planer om en rekke ulike varianter av plattformer og bølgeformer, totalt 32 stykker. På grunn av manglende kontroll med utviklingen og utgiftene ble programmet restrukturert i 2005 og Joint Program Executive Office (JPEO) etablert. Ambisjonsnivået i programmet ble senket ved en kraftig reduksjon av antall bølgeformer og mindre vekt på interoperabilitet mot eldre systemer. Software Communications Architecture (SCA) er et viktig resultat fra JTRS og utgjør en del av et operating environment (OE). Sammen med Core Framework (CF), operativsystem (OS), Board Support Package (BSP) og Common Object Request Broken Architecture (CORBA) utgjør SCA et OE. SCA definerer en programvareinfrastruktur for ressursforvaltning (management), kontroll og konfigurering i en SDR. Det sier ikke noe om arkitektur, design eller implementering av elektronikk eller bølgeform. Hovedmålene med SCA er økt fleksibilitet, reduserte anskaffelses- og vedlikeholdskostnader og muligheter for enkle oppgraderinger. Den siste versjonen av SCA - versjon 2.2.2 - er bare delvis frigitt av JPEO for internasjonal bruk. De delene som ikke er frigitt representerer et problem for SDR-aktører utenfor USA. FFI Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi?
5 En norsk sambandsmann i ørkenen ved flyplassen i Kandahar, Afghanistan. Portabilitet En meget viktig egenskap med SDR er portabilitet. Det betyr at en SCA-kompatibel bølgeform i prinsipp skal kunne kjøres på en hvilken som helst annen SCA-kompatibel plattform uten å måtte modifiseres. Det kan bety en markant kostnadsreduksjon. Men slik portering regnes fremdeles som urealistisk uten en eller annen form for tilpassing. Dette kan bli en svært omfattende prosess hvis funksjonene skal flyttes mellom prosesseringsenheter. Derfor blir det en skjønnsmessig avveiing av hvor store modifikasjoner som skal tillates for at en bølgeform skal kvalifisere som porterbar. I åpne diskusjonsfora blir kostnaden for portering anslått til 10-20 prosent av utviklingskostnaden til bølgeformen. Interoperabilitet Internasjonale operasjoner er en viktig innsatsarena for Forsvaret og krever omfattende samarbeid og kommunikasjon mellom nasjoner. Her vil SDR kunne tilby store operative fordeler sammenlignet med tradisjonelle radioer. Beslutninger om felles bølgeformer kan tas på stedet, og infrastrukturen vil være operativ på meget kort tid. SDR muliggjør også interoperablitet mot eldre radiosystemer ved at bølgeformene til disse legges inn på plattformen. Gjenbruk av komponenter En stor fordel med prinsippet bak objektorientert eller komponentbasert programmering er gjenbruk av komponenter. I SCAverdenen foregår utviklingen på to nivåer, der en komponentdesigner koder og utvikler funksjonalitet i enkelte komponenter, mens en systemarkitekt setter komponentene sammen til en bølgeform. Med et stort bibliotek av komponenter kan nye avanserte bølgeformer utvikles med relativt få ressurser. Kognitiv radio Ved lisensiering av frekvenser blir spektret dårlig utnyttet. Kognitiv radio er et nytt konsept som kan endre på dette. Med bruk av smart antenneteknologi, kan retningen på utbredelsen av radiobølgene kontrolleres bedre. Slik kan en radio først forstå hva som foregår på lufta, for så å tilegne seg kunnskap om eventuell ledig kapasitet i frekvensspektret og så utnytte den. En kognitiv radio forutsetter en softwareradio med meget høy regnekraft, men i prinsipp ikke en SDR. Kognitiv radio er Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi?
6 et konsept som vil gi helt nye muligheter innen radioteknologi, men det gjenstår mye forsking før dette blir en realitet. EK og sårbarhet Elektronisk krigføring (EK) er et område hvor SDRs fleksibilitet vil være en fordel da EK- og kommunikasjonsfunksjoner kan integreres på en og samme plattform. En SDR kan imidlertid være mer sårbar for elektroniske angrep enn en tradisjonell radio, som enten må ødelegges fysisk eller jammes. Siden SDR er konfigurerbar, kan den settes ut av spill med virus eller annen ondskapsfull programvare. Hvordan og hvem som skal sertifisere en bølgeform med hensyn til sikkerhet før denne legges inn på en plattform, blir også en utfordring. Utviklingen framover: Når kommer SDR? I dag må SDR med i betraktningen når de fleste nye radio- eller kommunikasjonsprosjekter planlegges. Likevel er det vanskelig å forutsi når plattform og bølgeform kan kjøpes uavhengig av hverandre, og når flytting av bølgeformer på tvers av plattformer blir en realitet. Noe vil løses med nye komponenter og nye plattformer med høyere regnekapasitet. Men det er et problem at softwarearkitekturen er ufullstendig spesifisert, og at industrien mangler gode forretningsmodeller. Mange systemer som selges som SDR i dag er proprietære, og kunden er dermed prisgitt leverandøren for å utvikle nye bølgeformer. I dette tilfellet faller et viktig argument for SDR bort. For Forsvaret er det muligheten for en åpen standard softwarearkitektur som er interessant, ikke softwareradio i seg selv. Vi har per i dag kommet omtrent halvveis i overgangen mellom to ulike måter å bygge radioer på, og det vil fremdeles ta mange år før radio er synonymt med SDR. Radioindustri og leverandører SDR innebærer store omstillinger for industrien. Tradisjonelt har radio vært en elektronikkboks hvor konkurransefordelene har vært å finne i systemdesignet. SDR vil forandre på dette ved at det blir et enormt press på krav til ytelse versus kostnad på elektronikk. Dermed vil bare noen få aktører overleve som plattformleverandører. Det vil resultere i et skarpere skille mellom spesialiserte plattformog bølgeformleverandører. Store industrikonstellasjoner er allerede i ferd med å tilpasse seg denne utviklingen. Et eksempel på dette er et samarbeid om en SDR mellom Thales (bølgeform) og Rockwell Collins (plattform). Sivil sektor Sivil sektor har forlengst overtatt føringen i den teknologiske utviklingen. Der forsvarssektoren tidligere var teknologidrivende, utgjør det i Andre interessante SDR-prosjekter fakta III Gemensamt Taktisk Radio System (GTRS). Sverige har igangsatt et eget stort prosjekt på SDR i samarbeid med Rockwell Collins som leverer plattformer og bølgeformer og der det svenske forsvaret har ansvaret for spesifikasjonen og utprøvingen. European Secure Software Defined Radio (ESSOR) er det største EDA Kategori B- prosjektet hittil på over 100 millioner euro og med deltagelse fra seks europeiske land, med et industriselskap fra hvert land. Varigheten er 2009-13. ESSOR har som tekniske mål en SCA-kompatibel SDR-arkitektur for militære anvendelser og bølgeform for sikre nettverk med høy datarate. Denne skal kjøre på nasjonale prototypeplattformer i 2013. Det er også et mål å øke SDR-kunnskapen i Europa og balansere ut den amerikanske dominansen. Enabling Technology for Advanced Radio (ETARE) er et EDA Kategori B-prosjekt med Belgia, Finland, Frankrike og Italia med mål å implementere teknologi for økt datarate. Prosjektet ser kun på bølgeformer og ligger lengre fram i tid enn ESSOR. Coalition Wideband Networking Waveform (CoalWNW) er et multinasjonalt samarbeid initiert av USA for å utvikle en SCA-kompatibel bredbåndsbølgeform til overføring av sikker tale, video og data. Det er deltakelse fra ni nasjoner, hvorav fem også er med i ESSOR. Det er ingen som på nåværende tidspunkt kan redegjøre for den teknologiske forskjellen mellom ESSOR og CoalWNW. Erfaring fra JTRSprosjektet i USA vil bli overført til CoalWNW. Det er planer om at CoalWNW skal kjøre på prototypeplattformer i 2018. EULER (WINTSEC-II), European Software Defined Radio for wireless in joint security operations, er et europeisk prosjekt om interoperabilitet i Public and Governmental Security, det vil si blålysetatene. Prosjektet ligger under EUs syvende rammeprogram og har nitten partnere fra industri, akademia og sluttbrukere. Målet med prosjektet er å danne et grunnlag for sømløs kobling mellom P&GSsystemer. FFI Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi?
7 Soldater fra stabskompaniet i Hans Majestet Kongens Garde under en feltøvelse. dag mindre enn 0,1 prosent av elektronikkmarkedet. Forbrukselektronikk som iphone og Playstation er state-of-the-art -elektronikk helt i front av det som er teknisk mulig. Forsvaret drar nytte av den teknologiske utviklingen i sivil sektor med utstrakt bruk av hyllevare. Mobiltelefonprodusentene har vært en viktig aktør innen utvikling av avanserte komponenter og ny pakketeknologi. De opererer med ekstreme krav til ytelse i forhold til kostnader, utskiftingstakten er høy og det kommer stadig nye bølgeformer som skal implementeres. Et tradisjonelt utviklingsløp med konseptutvikling, spesifisering og implementering tar for lang tid og store og effektkrevende komponenter er utelukket. For denne industrien vil en enkelt prosessor, som kjører et sanntidsoperativsystem og med omfattende standardiserte biblioteker med spesialfunksjoner for radio, være veldig interessant. Hvis sivil sektor tar fram en slik lavkost prosessor med tilhørende åpen programvare i prisklassen rundt ti euro kan den fort bli en standardkomponent for SDR. Altså SDR som svært billig hyllevare. Muligheter og utfordringer for Forsvaret For at SDR skal være interessant for Forsvaret, må det tilby nye egenskaper i forhold til en vanlig softwareradio. En slik egenskap er uavhengighet mellom hardware (plattform) og software (bølgeform). Dette vil gi en sterkere konkurransesituasjon, men resulterer også i en helt annen og billigere logistikk. Når Forsvaret skal ta i bruk en ny bølgeform, betyr det installasjon av ny programvare på eksisterende elektronikk. I prinsipp kan dette gjøres over det nettverket som radioen står i. Dette er mye mindre ressurskrevende enn å bytte ut gamle bokser med nye. Hvis fordelene skal kunne utnyttes fullt ut i variantbegrensing, vil imidlertid en sterkere samordning mellom de forskjellige forsvarsgrenene være nødvendig i framtiden. SDR ved FFI Gjennom de siste tre årene har FFI undersøkt hvilken betydning SDR vil kunne få for Forsvaret. Metoden for å forstå SDR har vært å skaffe en SCA-kompatibel plattform og å implementere en HF-bølgeform bestående av STANAG 4203 og STANAG 4285 (tekniske interoperabilitetsstandarder) på denne. Implementeringen av denne bølgeformen har vært svært vellykket. Videre har denne blitt testet mot andre lands hardware og softwareimplementering, blant annet gjennom et samarbeid i RTO IST-080/RTG, Natos panel for informasjonssystemsteknologi. Konklusjonen fra dette arbeidet er at SCA er komplekst og at begynnerterskelen er høy. SDR-utviklingen har kommet langt, men det gjenstår fremdeles mye forskning før det med sikkerhet kan fastslås at det er enklere og billigere å utvikle radioer som SDR enn med tradisjonelle metoder. Softwaredefinert radio et paradigmeskifte i radioteknologi?
Artikkelforfatter FFI-FOKUS nr. 2 Februar 2010 Design: FFI Foto: FFI og FMS Trykk 07 Gruppen ISSN 1503-4399 Mer informasjon om SDR finner du på disse nettsidene: www.jpeojtrs.mil sca.jpeojtrs.mil www.spectrumsignal.com www.zeligsoft.com www.prismtech.com ossie.wireless.vt.edu www.crc.gc.ca/sdr www.sdrforum.org sbc.omg.org www.icerasemi.com (Joint Programs Executive Office Joint Tactical Radio System, U.S. Department of Defense) (Software Communications Architecture) (Spectrum Signal Processing) (software development) (advanced software integration and infrastructure solutions) (SCA-Based Open Source Software Defined Radio) (SDR Communications Research Centre Canada) (Wireless Innovation Forum) (The Software-Based Communication Domain Task Force) (wireless communication development) Leif Hanssen er utdannet dr. scient i mikroelektronikk fra Universitetet i Oslo. Han har blant annet jobbet ved Senter for Industriforskning (nå Sintef Oslo) og ved Televerkets forskningsinstitutt. Han har vært ansatt ved FFI siden 2002, hvor han jobber med nett verksbasert forsvar og radarteknologi. Kontaktinformasjon Forsvarets forskningsinstitutt Postboks 25, 2027 Kjeller E-post: ffi@ffi.no Telefon: 63 80 70 00 Militært nummer: 505 70 00 E-post til ffi-fokus: fokus@ffi.no www.ffi.no Forsvarets FFIforskningsinstitutt N o r w e g i a n D e f e n c e R e s e a r c h E s t a b l i s h m e n t