Software Defined Radio

Software Defined Radio • 조준동 교수 • (성균관대학교)

목차 • Introduction • System Architecture • Software Algorithm • Radio Frequency • Reconfigurable Architecture 성균관대학교 정보통신공학부

Device Mobility Continues to Rise Nokia Communicator Palm PDA with GPS Receiver Kodak Portable MC3 성균관대학교 정보통신공학부

Post Pc = Mobile computing + Intelligent environment • 3GOPS to search a song in 0.5sec by humming from a D/B (containing 2000 songs) and 3D TV also requires several GOPS. • 2010, 4 billion transistors with 50nm is integrated into one chip and its clock speed: 10GHz • New design methodology is required to handle wiring delay and electrical noise. • Ultra low energy (10-100 Mops/mW) • S/W and H/W co-design, S/W-driven Design Reuse (e.g., software-Defined Radio) 성균관대학교 정보통신공학부

4G: Very high bit rate 20~50Mbps (or 100Mbps) Multimedia enhancements Frequency band: 2.2GHz, 5GHz, 7GHz 요구 BER : VOICE (1e-6), DATA (1e-9) 2004~2008년쯤 4G용 주파수 배정 2007~2010년 사이 서비스가 시작 2G: Digital voice, messaging & data services Fixed wireless loop, wireless LAN services Digital cellular & PCS Macro, micro & pico cells 1G: Mobile telephone Analog technology Macro cells Commercial Cellular/PCS 3G: Greatly enhanced data communications services Narrowband and wideband multimedia services Higher spectrum for wideband applications Macro, micro & pico cells 4G Capability Enhancements by Generation 3G Software Defined Radio Opportunity 2G 1G SDR Forum 2020 1980 1990 2000 2010 Time 성균관대학교 정보통신공학부

Digital Broadcasting Cell ITS PSTN ISDN SDR/Multi-mode Terminal IP Back bone/ Internet 4G Network Micro-Cell • BWA • 20-155Mbps • 3,40 GHz band • Fixed User • Metropolitan Area Macro-Cell • 4G Mobile • Over 2-10Mbps • 2-10 GHz Band • Vehicular Environments • Medium Area • WPN • 1-155Mbps • 2.4,5,60 GHz band • Fixed/ Slow Mobility • Small Private Area Indoor Cordless 4G Mobile Communication System 성균관대학교 정보통신공학부

ONE phone for many Standards SDR forum • Rapid increase of subscriber • (need high spectrum utilization techniques) • Multiple standards • (peaceful co-existence) 성균관대학교 정보통신공학부

4세대 이동 통신 환경의 특징 • Multi-Standard 공존 • 수평적/수직적 핸드오버 지원 필수 • 다양한 통신 규격에 적용 가능한 구조 : Reconfigurable platform 기반의 시스템 설계 • 이종 시스템간의 상호 운용성 • 이전 기술과의 호환성(Backward Compatibility) • 미래 안정적(Future-Proof) 시스템 개발 • 이동통신 시스템의 제품 수명(Life Cycle) 최대화 성균관대학교 정보통신공학부

Software Defined Radio • SDR 기술 개요 • 미래의 변화에 대응할 수 있는 유연한 시스템 구조 • API, 객체 지향 프레임 워크를 이용한 개방형 구조 • SDR 장치 재구성을 위한 소프트웨어 다운로드 • 소프트웨어 다운로드 • 프로토콜 스택, 물리계층 configuration 소프트웨어, 제어 소프트웨어 다운로드 • 성능향상을 위한 새로운 소프트웨어나 파라미터의 다운로드 • 사용자 응용 프로그램, 새로운 GUI 다운로드 • 소프트웨어 패치 다운로드 • SIM 카드, 네트워크 터미널, PC, 무선(Over-the-air) 등을 통한 다운로드 성균관대학교 정보통신공학부

SDRs can Multi-modal Baseband change frequency, power, bandwidth, modulation in milliseconds. Spectrum Management • distribute users more uniformly through the spectrum • allow users to move to where the vacant spectrum is • allocate available spectrum dynamically among users Adaptive Modulation and Coding shift to less interfering modulations depending on the environment 성균관대학교 정보통신공학부

SDR solution 성균관대학교 정보통신공학부

SDR 기술진화 단계 및 특징 김지연 ( ETRI SDR 연구팀) 성균관대학교 정보통신공학부

SDR 등장배경 -군용 • 육해공군 및 국제연합작전 시 통신 어려움 • 무선 군용 고속 네트워크망을 위한 단말기 필요성 대두 • C4I에 의한 국방정보화 사업 가속화 • 통신장비의 빈번한 교체에 따른 경제적 부담 성균관대학교 정보통신공학부

SDR 표준화(상용,군용) 단체, • 1996년 창설, 미국 주도 • 분산 객체 구조, S/W 다운로드, 보안과 암호 화를 위한 표준화 작업 • 모든 프로토콜들에 대한 정책적 경제적 규정에 대한 방책까지 연구 성균관대학교 정보통신공학부

SPEAKEasy • 1970년대부터 국방성 산하 연구소인 DARPA의 주도로 다양한 대역을 사용하는 상이한 군용 통신 규격간의 통합 송수신 시스템 개발 • 개방형 구조를 채택한 모듈 단위의 재구성이 가능 • 새로운 무선 방식을 용이하게 추가할 수 있는 포괄적인 소프트웨어 구조의 개발 • Phase-1단계 (1992년 - 1995년): 고속 주파수 도약 대역 확산 파형에 대하여 4-채널, 광대역 모뎀을 개발하여 타당성을 확인 • Phase-2단계 (1995년부터 2000년): 사용자의 입력-출력단부터 RF 단에 이르는 전체 라디오 시스템에 대한 개방형, 모듈 단위, 재프로그램이 가능한 구조의 상업용 모듈과 표준 성균관대학교 정보통신공학부

Joint Tactical Radio System AN/PRC-117F SDR 무전기, Harris Joint Tactical Radio System 2C 동시 다중 채널의 음성, 데이터, 화상 및 비디오 지상, 함정 탑재 및 항공기 탑재 플랫폼 스펙트럼 확산 변조(저피탐 및 항 재밍)의 사용 송신 출력 제어 및 내장 암호화로 보안성과 225∼400 MHz의 주파수 범위 지대지, 지대공, 지대위성간 비화 통신을 제공 현재 미국의 모든 군에서 사용중인 다중 대역/다중 임무 무전기 30-512 MHz 대역 성균관대학교 정보통신공학부

SDR 단말기의 프로토콜 구성요소 Micro controller : 실시간 처리가 필요한 에러 검출코드 생성 및 검출 기능 등을 하드웨어 논리를 이용하여 지원하고 이벤트가 자주 발생하지 않는 사건은 firmware를 이용하여 처리한다. RTOS : 통신 프로토콜 소프트웨어에서 필요로 하는 기본 기능을 라이브러리로 제공하며 프로세스 상호간의 통신을 지원한다. Protocol Stack : GSM2Plus, CDMA, 3GPP, 3GPP2, 옥내 통신의 무선 접속 인터페이스 프로토콜 들을 계층별로 구현하고 표준인터페이스를 지원한다. 신호 응용 서비스 : 제어영역의 다양한 멀티미디어 신호처리를 담당한다. 마이크로 프로세서 : 응용 프로토콜을 지원한다. Middle ware : Client/server 환경의 최적해법을 지원한다.사용자 영역의 멀티미디어 트래픽 응용 서비스를 지원한다. 성균관대학교 정보통신공학부

Distributed Layered Virtual Machine Mapping, Data Bases, Map Update Agent Common Applications Location Awareness, ... Communications Encapsulated Waveforms, HAVE SINCGARS Bridging QUICK Applications Bridging, Location Estimation, ... (SG) s e i t i l a Network Layer & Networking Aspects n Front End Network Protocol o Protocol Stack, s (Network “Waveforms”) Processing Security Stack r State Machines e P m Physical Layer & Radio Aspects r Modem INFOSEC Data Processing o Data Link Layer f (Basic “Waveforms”) e State Machines Voice v a W Infrastructure State Machines Domain/Resource Manager Infrastructure Aspects Real-time CORBA/IDL Real-Time Distributed Processing Services OS’s Antennas, RF (Band, Bandwidth) FPGAs GP Hosts Hardware Platform Operating System (UNIX,…) ASICs DSPs Instruction Set Architecture 성균관대학교 정보통신공학부

Waveform/Applications Application Framework Services Frameworks Management Framework Computational Framework Middleware (ORB) Platform Services OS Interface Standard(POSIX) Operating System Hardware Abstraction Layer Platform Hardware SDR Layers 성균관대학교 정보통신공학부

SDR Architecture External environment Channel set Evolution support Source set Source coding and decoding Service and Network support IF processing RF/channel access Modem INFOSEC Channel coding and decoding Joint control Multiple personalities 성균관대학교 정보통신공학부

Digital Radio Selects the channel according to different carrier frequency and different channel bandwidth using fixed analog-defined channel selection filters. Downconvert (LNA/Mixer Digital /Filter) Output IF Baseband Frequency Bit-stream Processing Processing Diplexer Synthesizer Processing Diplexer (Amp) (Modem) Upconvert Analog (Mixer/ Output Filter /Amp) RF Processing Digital Analog 성균관대학교 정보통신공학부

Software Defined Radio(Heterodyne 구조) the multi-channels are fed to the single wideband analog-stage. Then all channels are converted to digital signal with one wideband high-speed ADC. The desired channel is then selected from the digitized multi-channels with the software-defined channel selection filters in the digital-stage. IF IF Processing Baseband Bit-stream Diplexer (Channelizer Processing Processing A/D Processing /De- (Modem) /De- D/A (Modem) Amp channelizer) Analog Digital 성균관대학교 정보통신공학부

Software Radio(Homodyne 구조) Software Hardware/Software Co-design DAC DAC Reconfigurable (Programmable) Network Processor Network - Processor ADC ADC 성균관대학교 정보통신공학부

Information Input I I-F M DIGITAL RF RF Wideband E I-F UP POWER T DAC P Q UPCONVERTER CONVERTER S AMP Ant S Y D S G e N l I b H a C m T I W m S a r A g N o N I r E I-F P T RF RF N DIGITAL Wideband DOWN LOW- AGC A I-F ADC Q CONVERTER NOISE DOWNCONVERTER AMP Information output Software-Defined Cellphone Step 1: make as much of the circuitry digital as possible 성균관대학교 정보통신공학부

Step 2: achieve programmability at higher frequencies to reduce hardwares to be used for multi-mode cellphone Information Input I Wideband RF P DAC S Ant Quadrature POWER D Q Wideband upconverter e l AMP DAC b a m m I Wideband a RF r AGC g ADC o r Quadrature LOW- P Q Wideband downconverter NOISE AGC ADC AMP Information output Direct-Conversion Cellphone 성균관대학교 정보통신공학부

Software Radio Phase Space 성균관대학교 정보통신공학부

C C C C I/O Air I/O I/O Message Process & I/O Baseband RF Antenna Multimedia Voice C Data Flow control Network Control C C DSPFPGA ASIC DAC / ADC Synthesizer Power Amplifier µP / µC Software Defined Radio • RF 단 : 수신된 신호를 IF 혹은 BASEBAND 신호로 변환 • BASEBAND 단 : 변조부, 채널 코덱부, 채널화기, 암호화부, 시간/위상 추적부 • Message Process & IO 단 : Rate Conversion, Vocoding 방법 변환, 데이터의 적절한 라우팅과 포맷결정 성균관대학교 정보통신공학부

Reconfigurability in SDR 성균관대학교 정보통신공학부

System Architecture of TRUST Service provider Network Operator Software Download Module (SDM) Network Bearer Service Profile Authentication Manager Bandwidth Management Module (BMM) Proxy Reconfiguration Manager (RPM) Access Stratum Module Location Update Module Mode Identification & Monitoring Module (MIMM) QoS Manager Terminal Capability Lookup Table Mode Negotiation and Switching Module (MNSM) Configuration Management Module (CMM) Terminal Reconfiguration Profile Reconfiguration Management Module (RMM) User Interface Lookup Tables Applications Resource System Management Module (RSMM) Profile Database CPU Management Memory Management Power Management user 성균관대학교 정보통신공학부

Process requirements 1. Available modes lookup 2. Detection of new air interface & monitoring 3. Authentication 4. Mode negotiation 5. Making decision to change mode 6. Software download Over The Air (OTA) 7. Reconfiguration 8. Location update 성균관대학교 정보통신공학부

SDR-processing requirements for Mobile Communications (GSM) • GSM, CDMA, or WCDMA base stations을 SDR 구현하기 위하여 6 to 12 gigaflops (GFLOPS) 이 요구됨 • Modem w/ basic equalizer • 2 MFLOPS for CDMA sector • 2.5 MFLOPS for a wideband CDMA • 4 MFLOPS for a G4 • Requires high performance devices s.t • PowerPC G4 • PowerPC with Altivec CPUs • TMS320-C6x • SHARC/Tiger-SHARC DSPs • A fully software reconfigurable multi-channel broadband sampling receiver for standards in the 100 MHz band 성균관대학교 정보통신공학부

Key Technological Constraints • High speed wide band ADCs. • High speed DSPs. • Real Time Operating Systems • Power Consumption

Communication bandwidth [Hansen’s law] µprocessor integration density (1.2/year) What are the Challenges [ST microelectronics, MorphICs, Dataquest, eASIC] factor 2 Integration density (1.4/year) [Moore’s law] 4y 1 months 10 12 18 0 성균관대학교 정보통신공학부

Common algorithm structure • The Frame Structure with Power Control • Frame structure concerning power control can be characterized by a set of parameters • Modulation • QPSK : IS-95 CDMA and WCDMA systems • GMSK : GSM and DECT systems 성균관대학교 정보통신공학부

Link Adaptation TechniqueAdaptive Modulation and Coding Through- put 16QAM, R=1/2 Modulation/Coding transition, 8PSK->16QAM 16QAM, R=1/4 8PSK, R=1/4 Hull of AMC QPSK, R=1/4 C/I 성균관대학교 정보통신공학부

AWGN Unknown!! Blind Adaptive Modulation Transmitter Bit Data Modulation Flat Fading Channel Receiver Memory Channel Received Signals Estimation Channel Modulation Distortion Scheme Compensation Demodulation Received Bit Data 성균관대학교 정보통신공학부

Blind Adaptive Estimating of Modulation • The algorithm for estimating modulation scheme needs to know the constellation of received signal. Q Q Q Q a a a a I I I I BPSK QPSK 8PSK 16QAM 성균관대학교 정보통신공학부

CDMA Baseband SDR Signal From Channel Soft bits Hard bits Rake Receiver Turbo Decoder Rake Parameter Turbo Decoder Parameter Requested Quality QoS Manager 성균관대학교 정보통신공학부

Space-Time Processing • High-Speed Packet Transmission by • M-ary modulation and Multiple Antenna • Highly Spectral & Spatial Efficient • Transmission • Optimum Transmit Symbol Set for • Maximizing Channel Capacity • Efficient Combining of Spatial & • Temporal Diversity • - Layered Space-Time Processing • - Combination of Channel Coding and • Diversity 성균관대학교 정보통신공학부

c1(t) r1(t) s(t) rM(t) cN(t) Space-Time Code N전송 안테나, M수신 안테나 • 시간 t에서 각 심볼 s(t) 는 ST부호기에 의하여 N코드 심볼 c(t)={c1(t), c2(t), … , cN(t)}로 부호화되어 N전송 안테나를 통해 동시에 전송 코딩 이득과 다이버시티 이득 최대화 성균관대학교 정보통신공학부

Smart antenna Coherent Combination of Array Processing and Space-Time Coding ⇒ Capacity Maximization with Diversity and Coding Gain without Bandwidth Expansion Multipath Null Direct Path Scatterers Desired User Interferer 성균관대학교 정보통신공학부

다중모드 광대역 SDR RF 기술 • Homodyne 설계 기술 (zero-IF 기술) • GSM2Plus + CDMA + 3GPP + 3GPP2을 • 두 수용하는 RF 회로 • ADC • ADC directly behind the antenna of a 900 • MHz GSM receiver would require N=18 • for 100 dB SNR and a sample rate of 2 GHz, • leading to a 36 Gbit/s ADC • power consumption is 10–100 W • (Current ADCs 10-15 mW.) • 전자파 간섭 및 잡음 제거 기술 • SDR 용 Smart 안테나 성균관대학교 정보통신공학부

Programmable OFDM-CDMA Tranceiver. • CDMA suffers from Multiple access interference and ISI. • OFDM reduces interference and helps better spectrum utilization and attainment of satisfactory BER. • It is proposed that this might be implemented by using SDR. 성균관대학교 정보통신공학부

SDR Architecture Hitachi Kokusai Electric Inc., teshima.isao@h-kokusai.com 성균관대학교 정보통신공학부

Signal processing/control unit • The signal processing/control unit consists of the following module • Data converter • Quadrature Modem • Baseband Modem • Interface/Control • Every module is connected to each other by PCI bus, and provides a CPU in addition to the FPGA and DSP devices. 성균관대학교 정보통신공학부

Quadrature modem module • The Quadrature modem uses FPGAs to process to generate baseband sampling rate • Quadrature modulation • Quadrature detection • Sampling rate conversion • Filtering 성균관대학교 정보통신공학부

Baseband modem module • The Baseband modem processes • Multi-channel modulation • Multi-channel demodulation • Using four floating points DSP devices • individual DSP is assigned for each channel. Therefore, even if processing of either channel is under execution, a program can be downloaded to another channel. 성균관대학교 정보통신공학부

Specification of Prototype 성균관대학교 정보통신공학부

Platform 분류 • Application Platform: • 멀티미디어 platform: Nexperia, TI의 OMAP • 3G 무선 platform: Infineon의 M-gold • Bluetooth platform: Parthus • 무선 platform: ARM의 PrimeXsys • Process-centric platform • Improv System, ARC, Tensilica, Triscend • Communication-centric platform: • Sonics, Palmchip 성균관대학교 정보통신공학부

Software Defined Radio