רדיו ממונע ב-WiFied Communications

רדיו מוגדר תוכנה (SDR) הפך את הנוף של תקשורת לווינית על ידי הצגת רמה של גמישות והתאמה כי מערכות מבוססות חומרה מסורתיות לא יכולות להתאים. בתקשורת רדיו קונבנציונלית, כל פונקציה - גודל, סינון, המרה תדירות - מבוצעת על ידי רכיבים ייעודיים כגון ערבוב, מסננים, ומגברה של פעולות אלה דורשות החלפת פיזיות או שחזור של רכיבים, אשר יקר ו-DR הוא אפשרי במיוחד ל-Schangetowsualability הפעלה של מערכת הפעלה של מערכות הפעלה אחת, כלומר, כלומר, אשר מאפשר שינויים קריטיים, מערכת הפעלה של פונקציות הפעלה של מערכת הפעלה של מערכות אבטחה אחת, במיוחד, מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של מערכת אבטחה אחת, כולל של פונקציות אבטחה אחת, ו-S.

היישום של SDR משתרע על כל שרשרת התקשורת של הלוויין - מתחנות אדמה המשמשות לטלמטארי, מעקב ופקד (TT &C) למטענים על החללית אשר מטפלות במסירת נתונים, חישה מרחוק ותקשורת. כמו תעשיית החלל נעה לעבר קבוצות לוויין קטנות יותר, יותר רבות יותר וצרכים תקשורת מורכבים יותר, SDR מספק את האגרה הנדרשת כדי לשמור על קצב זה, כדי לחקור את עקרונות התוכנה של כיוונים מוגדרים, ופעולות תקשורת, ועוד.

מהו רדיו מבוסס תוכנה?

בליבתו, רדיו מוגדר תוכנה הוא מערכת תקשורת רדיו שבו מרכיבים שבדרך כלל מיושמו בחומרה - כגון ערבוב, מסננים, מודולרים, דמודורים וגלאים - הם מיושם על ידי שימוש בתוכנה על מעבד הניתן לתוכנה או על ידי מערך השערים המאפשר שדה (FPGA) ההבחנה המרכזית היא כי המרה אנלוגית-ל-למדתית מתרחשת קרוב ככל האפשר לתצורה דיגיטלית; כלומר, לאחר עיבוד חומרים דיגיטליים מסוג S17, פשוט דורש שינוי של חומרהחומרה (FPGA).

SDR טיפוסי מורכב מסוף חזית RF שמקבל או משדר אותות אנלוגיים, ממיר אנלוגי במהירות גבוהה לדיגיטלי (ADC) בצד המקבל (או ממיר דיגיטלי-ל-ל-אנטר, DAC, בצד השידור), ומנוע עיבוד דיגיטלי - בדרך כלל שילוב של FPGAs, מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs), ו-CPUs למטרות כלליות.DDR.

המושג אינו חדש – מוקדם צבאי ומחקר SDRs תאריך אחורה עשרות שנים – אבל התקדמות בכוח העיבוד, מהירות ADC, ולוחיות פיתוח FPGA סביר הביאו את SDR לזרם המרכזי של היום, קטן טופס קטן כמו RTL-SDR, LimeSDR, ו- USRP משמשים נרחב על ידי חובבים, חוקרים ומפעילים מסחריים כאחד לתקשורת, חללי תקשורת, אשר הועברו ממשימות נמוכות של CDRLE-O.

תפקיד SDR בתקשורת בלוויין

SDRs משרתים שני תפקידים עיקריים בתקשורת לווינית: על הקרקע (בתחנות אדמה) ועל הסיפון את הלוויין עצמו. שני התפקידים נהנים מאותה תכונה הליבה - יכולת שינוי - אבל מקרים ספציפיים של שימוש שונים באופן משמעותי.

דרישות תחנת קרקע

תחנות קרקע הן השערים הארציים ששולחים פקודות ללוויינים ולקבל נתונים בחזרה.היסטורית, כל תחנת קרקע הייתה חייבת להיות מצוידת עם מספר רב של רדיוים המיועדים לתאריכים הספציפיים ולפורמטים מודולים של לווינים שונים.זה הוביל לערימות חומרה מורכבות ויקרות שהיו קשה לשמור ולשדרג. תחנות קרקע SDR להחליף מספר זה של רדיו ייעודי עם פלטפורמת פס רחב אחת שניתן להפעיל מחדש בתוכנות לתמיכה ומשימות לוויין שונות.

לדוגמה, תחנת קרקע מבוססת SDR יכולה לעבור בין תקשורת עם לוויין מורשת באמצעות תוכנית חלוקת תדר ישנה יותר גישה (FDMA) ולוויינים מודרניים באמצעות ספקטרום התפשטות או חטיבת תדרים אוטוקונים באמצעות תוכנית (OFDM) תוכנית, פשוט על ידי טעינה של תוכנת גלפורציה שונה.יכולות אלה הן בעלות ערך במיוחד עבור מפעילי אשר מנהלים ציים heterogeneous של לווייניים או צורך בהחלפת פרוטוקולים מסחריים כדי להורדת תדרים, וכן להורדת קבצי חומרה מרחוק, כדי להורדת אלגוריתמים, יכולות אלה, כדי להורדת אלגוריתמים, כדי להורדת אלגוריתמים להורדת אלגוריתמים של אלגוריתמים, כדי להורדת אלגוריתמים של אלגוריתמים חדשים של אלגוריתמים מרחוק.

מקרה נוסף של שימוש קרקעי משמעותי הוא בטלמטארי, מעקב ופקד (TT &C) SDRs יכול לטפל בו זמנית במספר TT & ערוצים C, לבצע תיקון דופלר בתוכנה, ולשלב עם מערכות בקרה לווייניות אוטומטיות.בנוסף, קביעת מספר מקלטים מבוססי SDR יכול לשפר את יחס האות-ל-לא-מס עבור אותות לוויין חלשים, טכניקה המועסקת על ידי רשתות חלל עמוקות.

יישומים של לווין

משיכת SDR על לוח לוויין מציעה יתרונות גדולים יותר במקום תכנון רדיו מותאם אישית לכל חללית, יצרני לוויין יכולים להשתמש בפלטפורמת SDR סטנדרטית ולאחר מכן להגדיר את יכולות התקשורת והעיבוד הנתונים בתוכנה. גישה זו מפחיתה את זמן הפיתוח ואת העלות תוך מתן אפשרות להגדרה מחדש של אוביט.

על הסיפון SDRs משמשים עבור היטל (התקשורת אותות הלוויין מספק למשתמשים) ואת האוטובוס (הלווין & #8217; שליטה פנימית וטיפול בנתונים) עבור היטל, SDR מאפשר לווינים לתמוך תקנים תקשורת מרובים, כגון DVB-S2 לשידור, קישורים חסכוניים בסגנון Iridium, או גלפורים מותאם אישית למשימות צבאיות או מדעי.

על גבי לוח SDR מאפשר גם יכולות רדיו קוגניטיביות - הלוויין יכול לחוש את סביבת הרדיו ולתאים את הפרמטרים שלה שידור כדי למנוע התערבות או אופטימיזציה באמצעות חישוב.זה רלוונטי במיוחד עבור קבוצות כוכבים גדולות הפועלות בלהקות ספקטרום משותף שבו התיאום מאתגר יותר, לווייניים מבוססי SDR יכולים להיות מעודכנים ליישום פרוטוקולים חדשים לאחר ההשקה, תכונה קריטית בהתחשב האיום הגובר של מתקפות סייבר על נכסים בחלל.

היתרונות של שימוש ב-SDR במערכות לווין

אימוץ של SDR בתקשורת לווייני מביא מספר יתרונות קונקרטיים שהפכו אותה לבחירה סטנדרטית עבור תוכניות חדשות.

  • (FLT:0) Reconfigurability.FLT:1 SDRs לאפשר לווינים ותחנות קרקע להיות מעודכנים מרחוק כדי לתמוך בסטנדרטים חדשים, באגים נכונים, או לשפר את הביצועים.זה מרחיב את החיים התפעוליים של נכסים בחלל כי הם לא קפואים בזמן ההשקה. לדוגמה, לוויין משוגר עם גל ספציפי יכול להיות מתוכנת מחדש לשימוש יעיל יותר כאשר תחנות קרקעיות משודרגות.
  • (FLT:0) Interoperability.FLT:1 כי SDRs לתמוך במספר גלפורים באמצעות תוכנה, הם מאפשרים תקשורת בין לוויינים ותחנות קרקע המשתמשות בפרוטוקולים שונים.זה חיוני לשיתוף פעולה בינלאומי ולמפעילים שצריכים לחבר את הלוויינים שלהם לרשתות שותפים שונות. תחנת קרקע אחת של SDR יכולה לדבר עם לווינים מיצרנים שונים ללא חומרה נוספת.
  • (FLT:0) שיתוף פעולה זול בהרבה מאשר תכנון רדיו מותאם אישית עבור כל לוויין, היכולת לעדכן תוכנה מפחיתה את הצורך בתחזוקה יקרה והחלפת מערכת יחסים.עבור קבוצות לווייניות, באמצעות עיצוב משותף של SDR על פני חלליות זהות רבות מניבות כלכלות משמעותיות של קנה מידה.
  • (FLT:0) לחנך את מסה של Payload וכרך.BuildFLT:1) על ידי איחוד פונקציות רדיו מרובות לתוך מודול מבוסס תוכנה יחיד, SDR יכול להפחית את טביעת הרגל הפיזית של מערכת התקשורת.זה קריטי עבור לווינים קטנים כמו CubeSats, שבו חלל ומסה נמצאים ב-Premme. A יחיד SDR יכול להחליף מספר פורמטים נפרדים.
  • (FLT:0) חוסן מובטחות.FIRLT:1 , SDRs יכול ליישם טכניקות עיבוד אותות מתקדמות - כגון שוויון אדפטי, ביטול התערבות וניהול ספקטרום קוגניטיבי - שקשה להשיג בחומרה. חוסן זה עוזר לשמור על קשרי תקשורת בסביבות מאתגרות, כגון בנוכחות של ג'ט או כאשר אותות הם חלשים.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות ברורים, פריסת SDR בתקשורת לוויינית אינה ללא אתגרים.יש לטפל בזהירות בפעולת אמינה בסביבת החלל הקשה.

כוח

מעבדי ADC מהירים, FPGAs ו- DSP צורכים חשמל משמעותי.על לוויין, כוח הוא משאב נדיר שנוצר על ידי לוחות סולאריים ומאוחסנים סוללות.SDRs, במיוחד אלה טיפול רוחב פס רחב או מודולים מורכבים, יכול לצייר יותר כוח מאשר רדיו חומרה ייעודי. מהנדסים חייבים לאזן יכולת עיבוד עם תקציבי חשמל, לעתים קרובות באמצעות טכניקות כגון מתח דינמי ודרג (DVS) או צמצום כוח מתקדם בהדרגה.

קרינה: Harding

החלל מלא בקרינה מייננת שיכולה לגרום להפרעות חד-משמעיות (SEUs) באלקטרוניקה דיגיטלית - פיסותביט בזיכרון או שגיאות לוגיות. רכיבי SDR ברמה המסחרית אינם בדרך כלל קשים נגד קרינה. חלקי חלל שהינם rad-hard הם יקרים ולעתים קרובות lag חלקים מסחריים בביצועים.

אבטחת סייבר

מכיוון ש-SDRs מסתמכים על תוכנה, הם פגיעים להתקפות סייבר שיכולות לשנות את הרדיו & #8217; התנהגותו של התוקף. תוקף שזוכה בגישה ללוויינים & #8217; קישור פיקודי ה-SDR יכול לזרז את ה-SDR כדי להפריע לתקשורת, לנעול משתמשים לגיטימיים, או אפילו לגרום נזק גופני. Ensuring Secureחול, עדכונים תוכנה מוצפנים, וקישורים מוצפנים הם חיוניים מאוד.

זמן אמת-זמן Constraints

תקשורת לווינית לעתים קרובות דורשת עיבוד נמוך - לדוגמה, במערכות מבוססות TDMA או כאשר טיפול בקול בזמן אמת או זרימת נתונים. SDRs המיושמת על מעבדים למטרות כלליות עלולים להיאבק כדי לעמוד בדרישות תזמון קפדניות ללא אופטימיזציה זהירה. ביצועים גבוהים FPGAs משמשים לעתים קרובות עבור משימות קריטיות ל- latency, אבל הם קשים יותר לתכנן ולקבוע מחדש מאשר יישום תוכנה טהורה.

דוגמאות ומשימות אמיתיות

כמה סוכנויות חלל ומפעילים מסחריים פרסמו טכנולוגיית SDR במשימות לוויין, מה שמדגים את יכולתה והטבותיה.

נאס"א הייתה חלוצה בתוכנית SDR מבוססת חלל (SCAN) שפותחה את תוכנית ה-FLT:0Software Defined RadioveFLT:1 , נבדקה על תחנת החלל הבינלאומית (ISS), אשר שימשה לבדיקת פרוטוקולים גלפורים שונים ותקשורת מאז 2012. הבדיקה כוללת מספר רב של SDRs שיכולים לפעול בלהקות תדר שונות, המאפשרת ניסויים עם יכולת קוגניטיבית וטכניקות חלליות.

סוכנות החלל האירופית (ESA) קידמה גם את SDR לתקשורת לוויינית.The FLT:0ESA SDRIRFLT:1 שואפת לפתח פלטפורמות רדיו סטנדרטיות, ניתנות להגדרה עבור לווייני תצפית כדור הארץ וטלקומוניקציה. ESA מממן פרויקטים המוכיחים את ה-SDR מבוססי transponders עבור תשלומים גמישים, כולל השימוש של SDR לעיבוד בקונסטלים בקבוצת הכוכבים LEO.

במגזר המסחרי, Iridium Communications ’ צי לווין NEXT משתמש בטכנולוגיית SDR כדי לתמוך בשירותים מרובים, כולל קול, נתונים ותקשורת מכונה-למכונה, כל יתר על אותו קו החזית RF.הגמישות של SDR אפשרה ליינדרום לשדרג את יכולות הרשת שלה במהלך שלב בניית הלוויין ולהמשיך שיפורים לאחר ההשקה.

בקנה מידה קטן יותר, הפצת ה- CubeSats הובילה לשימוש נרחב ב-SDRs. הרבה אוניברסיטאות ו-C CubeSats להשתמש בפלטפורמות SDR כגון דאעש (ראה FLT:0IS SDRIRLT:1) או בקוד פתוח-sourceFLT:2Ettus USRPFLT 3 מבוסס כדי לטפל בנתונים ניכויים וניסוי עם גלים חדשים ועלויות ברירת מחדל עבור ברירת מחדל אלה.

כיוונים עתידיים

ככל שתקשורת לווינית מתפתחת לרשתות מורכבות ודינמיות יותר, SDR תהפוך למרכזית יותר ויותר.כמה מגמות מתעוררות מבטיחות לפתוח יכולות אפילו גדולות יותר.

רדיו קוגניטיבי ולמידה

השילוב של SDR עם למידת מכונה (ML) מאפשר מערכות רדיו קוגניטיביות שמחושות באופן אוטומטי את סביבת הרדיו, לזהות תדרים עם התערבות נמוכה, ולהתאים את רמות המודולציה והעוצמה בזמן אמת.מערכות כאלה יכולות לשפר את יעילות הספקטרום והאמינות, במיוחד בלהקות צפופות.על ML בפלטפורמות SDR הוא תחום פעיל של מחקר, אשר מודר על ידי זמינות של מאיץ רשת עצבית אנרגיה נמוכה.

תדירות גבוהה יותר ו Wider Bandwidths

לווינים נעים לתדרים גבוהים יותר - Ka-band, Q/V-band, ואפילו terahertz - כדי לענות על הביקוש לנתונים עתירי גבוה.SDRs חייב להתמודד עם רוחב פסים מיידיים רחב יותר ושיעורי דגימה מהירים יותר. Advances in ADC גליקו (למשל, 12 סיביות ADCs s דגימה ב- 10GSPS) וב-GA (עם מאות פילטרים) עלולים (מתאים) מאתגרים)

Integrated SDR ו-שלב-Array Antennas

שילוב SDR עם אנטנה דיגיטלית beamforming בשלבי רנטגן יוצר סינרגיה חזקה.כל אלמנט אנטנה ניתן לדיגיטלה מעובדת ב SDR, המאפשר ללוויינים ליצור מספר רב של דבורים גמישות, להניע אותם אלקטרונית, והפרעות אפס - כל זאת תחת שליטה בתוכנה.אדריכלות זו מפותחת עבור לווייני מחשבים מתקדמים הדור הבא עבור קבוצות קבוצות גדולות של LEO הדורשות דפוסים כיסוי גמיש.

תקנים פתוחים ואדריכלות בין-זמנית

קבוצות כמו IEEE (באמצעות תקני IEEE (באמצעות 802.22 עבור רשתות אזוריות אלחוטיות) ופורום החדשנות האלחוטית (באמצעות ארכיטקטורת תקשורת התוכנה, SCA) מקדמים סטנדרטים פתוחים עבור SDR. בתחום הלווין, CCSDS (ועדת הרחבה עבור מערכות מידע חלל) פיתחה המלצות עבור קישורים חלל מבוססי SDR.Vder של תקני פתוח יפחיתו עוד עלויות ויאפשרו יכולת לחצות, שילוב של ספריות תוססת ומערכת חומרה.

שיפור אבטחה

אבטחת סייבר תישאר בראש סדר העדיפויות.עתיד SDRs יכיל מודולים ייעודיים של אבטחת חומרה לניהול מפתח, סביבות הוצאה אמינה עבור אימות גלפור, ו מאיצים קריפטוגרפיים כדי להצפין נתונים ללא הקרבה באמצעות לוח. Post-quantumgraphic אלגוריתמי, שנועדו להתנגד להתקפות מהמחשבים הקוונטים, יצטרכו גם להשתלב בתוכנות SDR.

מסקנה

רדיו מוגדר תוכנה עבר מטכנולוגיית נישה ועד זרם ⁇ בתקשורת לווינית.היכולת שלו להסתגל, לשדרג ולתמוך בפרוטוקולים מרובים באמצעות תוכנה מספקת יתרונות מוחשיים מבחינת עלות, גמישות וביצועים.בעוד אתגרים כמו צריכת חשמל, קשיחות קרינה ואבטחת סייבר חייב להיות מנוהל בקפידה, הוכחה מתמשכת החידושים אלקטרוניקה והנדסה תוכנה להמשיך לסגור את הפער.