Volume 6, abril de 2006 ISSN 1679 - 4389

ÍNDICE

Nota Editorial.........................................................................................................................3 Sistemas de Comunicação para Segurança Pública..........................................4 Antenas Inteligentes baseadas em COTS.........................................................10Portabilidade de Código de Acesso...................................................................16 GNU Radio e Independência do Hardware em Sistemas Embarcados: Considerações sobre a Aplicabilidade de SCA como Alternativa em busca de maior Flexibilidade............................................22Pesquisa da Arquitetura e Eletrônica Aplicada à Reconfigurabilidade de um Rádio Definido por Software..................................29

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NOTA DO EDITOR Prezados Leitores, Como destaque, informo que a Revista Digital Online tem ganhado uma visibilidade cada vez maior. Tem se tornado cada vez mais comum o acesso de leitores de fora do Brasil, em países de idioma português. Isto significa sucesso à publicação, bem como aos autores dos diversos artigos. Aliás, o sucesso da revista deve ser todo creditado aos interessantes artigos submetidos e publicados pelos autores. A chamada para artigos (CFP) do próximo volume já está aberta, e finda em 15/07/2006. Esperamos receber tantas submissões quanto tivemos nesta última edição! Neste volume é apresentado um artigo abordando a questão dos sistemas de telecomunicações em Segurança Pública, com um estudo de caso baseado no Departamento da Polícia Rodoviária Federal.

Um interessante artigo abordando o problema de portabilidade de código de acesso é desenvolvido.

Baseados em dispositivos COTS, são apresentados 3 (três) artigos tratando, respectivamente, sobre antenas inteligentes; GNU Radio e SCA em sistemas embarcados; e reconfigurabilidade em sistemas SDR.

Boa leitura!

André Gustavo Monteiro Lima [email protected]

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Revista Digital Online – www.revdigonline.com Vol 6 – Abril/2006


SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO PARA SEGURANÇA PÚBLICA

SAMIH NAIF DAIBES JÚNIOR CARLOS AUGUSTO DA MOTA

Engenharia de Telecomunicações

Instituto de Educação Superior de Brasília - IESB http://www.iesb.br e-mails: [email protected] / [email protected] Resumo – A segurança pública no Brasil é formada por diversos órgãos governamentais (fede-rais, estaduais e municipais). Cada um desses órgãos tem um papel distinto, possuindo um conjunto de responsabilidades bem definidas. Então, quando ocorre um fato extraordinário em que haja a necessidade do trabalho em conjunto, a capacidade de comunicação e mobilização entre os órgãos será diretamente proporcional ao sucesso da operação. A interoperabilidade, portanto, torna-se imprescindível para que a infra-estrutura de segurança pública possa ser eficiente e útil para a sociedade, salvando muitas vidas através de trabalhos de ação/reação e prevenção. O objetivo deste artigo é mostrar quais são as principais tecnologias de comunica-ção para segurança pública e suas características, utilizando como estudo de caso a Polícia Rodoviária Federal. Abstract – The public security in Brazil nowadays is formed by several state agencies. Each one has a distinct role, having a set of responsibilities well defined. When an extraordinary fact occurs that needs a work team, the capability of communication and mobility among these state agencies will be directly proportional of the operation success. Therefore, the working together capability is necessary for the public security infrastructure efficiency and useful for all society, saving lives through preventions works. The objective of this article is to show which are the main communications technologies for public security and their features, using the Highway Police as a case study. Keywords – Comunicações críticas, PRF-DF, convencional, troncalizado, TETRA.

1 Introdução A crescente escalada da violência nas grandes cidades, atentados terroristas e fatos extraordinários como terremotos, fu-racões, nevascas, etc, mudaram radical-mente a forma como o mundo conceitua a segurança pública. No Brasil, há uma clara separação entre os órgãos e atividades que mantém a ordem civil na sociedade e aque-les que previnem e socorrem vítimas de desastres naturais. A Segurança Pública é uma atividade pertinente aos órgãos estatais e à comuni-dade como um todo, realizada com o obje-tivo de proteger a cidadania, prevenindo e controlando manifestações da criminalida-de e violência, efetivas ou potenciais, ga-rantindo o exercício pleno da cidadania nos limites da lei [1]. A Defesa civil é um conjunto de medi-das que visam prevenir e limitar, em qual-quer situação, os riscos e perdas a que estão sujeita a população, os recursos da nação e os bens materiais de toda espécie,

tanto por agressão externa quanto em con-seqüência de calamidades e desastres da natureza [2]. Está organizada sob a forma de sistema, denominado de Sistema Na-cional de Defesa Civil – SINDEC [3]. Entre os órgãos responsáveis pela segurança pública no Brasil estão as Polícias Civil, Militar e Rodoviária além do Corpo de Bombeiros. Apesar das dimensões continentais e dos vários órgãos supracitados, não há no Brasil um padrão para os sistemas de co-municação crítica, utilizando rádio freqüên-cia, diminuindo então o fator de mobiliza-ção em uma situação de emergência. En-tretanto, as dificuldades de comunicação podem afetar diretamente a rotina de um determinado órgão, como é o caso do 1º Distrito Regional da Polícia Rodoviária Fe-deral – PRF-DF, que atualmente é respon-sável pelo policiamento de mais de 840 quilômetros de rodovias federais do DF, Goiás e Minas Gerais, onde existem postos sem telefone, cuja única comunicação com a base é feita por rádio. Policiais convivem

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ainda com áreas de “sombra” (áreas sem sinal de rádio). Contudo, existem tecnolo-gias de rádio móvel terrestre que podem minimizar as dificuldades de comunicação e ainda proporcionar integração entre os demais órgãos. Em geral, existem 3 tipos de sistemas: 1. Sistemas Convencionais; 2. Sistemas Troncalizados; 3. Sistemas Híbridos. Serão vistos quais são os componen-tes técnicos básicos de cada tecnologia, além de suas características operacionais.

2 Sistemas Convencionais

Os sistemas de comunicação RF (Ra-dio Freqüência) podem transmitir informa-ções de voz, vídeo e dados utilizando uma freqüência específica para outros rádios sintonizados na mesma freqüência. Esta transmissão utiliza-se de alguma técnica de modulação, sendo que para os sistemas convencionais as mais utilizadas são a mo-dulação em amplitude (AM) e a modulação em freqüência (FM). A maioria dos siste-mas de comunicação para segurança pú-blica transmite em alguma faixa de fre-qüência compreendida entre 30 a 900 MHz. Cada grupo de usuários recebe um canal, ou par de freqüências, que será úni-ca para este grupo. Os usuários deste gru-po podem transmitir e receber por este ca-nal, sendo que no momento que ele estiver em uso os demais usuários do grupo não poderão transmitir. Esta transmissão pode ocorrer com a assistência de um repetidor. O repetidor é apenas um dos equipamen-tos utilizados nos sistemas convencionais, sendo que outros equipamentos que tam-bém fazem parte de sua infra-estrutura são: a) Rádios Portáteis: rádios transceptores de mão pequenos e leves. Sua potência de transmissão varia entre 1W e 5W, sendo que existem rádios cuja potência é bem pequena, no valor de 0.1 W, os quais ge-ralmente são conectados à repetidores por-táteis para aumentar o alcance do sinal e a interoperabilidade do sinal com sistemas de alta potência. A figura 1 ilustra um modelo de rádio portátil da Motorola.

Figura 1 – Modelo de rádio portátil Motorola PRO2150 b) Rádios Móveis (ou veiculares): maiores que os portáteis, são projetados para se-rem montados em uma posição fixa dentro de um automóvel (viatura policial, bombei-ro, etc). Sua potência de transmissão é bem superior, variando entre 5W e 50W, além de um sistema irradiante com maior ganho, melhorando o alcance do sinal, as-sim como sua recepção. Parte disso deve-se ao fato de os rádios móveis não terem tanta restrição de espaço dos componentes eletrônicos como os portáteis. A figura 2 ilustra um modelo de rádio móvel da Moto-rola.

Figura 2 – Modelo de rádio móvel Motorola EM400 c) Estações de Rádios Fixas (Rádio-Base): transceptor ligado ao sistema de abasteci-mento elétrico público ou a um gerador (110V ou 220V) e conectado à uma antena localizada dezenas de metros de altura, em uma torre ou no topo de alguma constru-ção. Com isso, sua potência de transmis-são pode chegar a centenas de watts. d) Repetidores: rádio transceptor especiali-zado cuja principal função é aumentar a área de cobertura dos sinais de rádios por-táteis e móveis. O receptor do repetidor fica sintonizado na freqüência de transmissão dos rádios portáteis e móveis e em seguida transmite as mesmas informações recebi-das de volta para o espaço com alta potên-cia. A figura 3 ilustra um modelo de repeti-dora da Motorola.

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Figura 3 – Modelo de repetidora Motorola CDR700 e) Duplexadores: equipamento que permite ligar um transmissor e um receptor em uma mesma antena. É um dispositivo composto de filtros ressonantes de faixa estreita que isolam a transmissão da recepção. Sem o duplexador, a repetidora teria que utilizar duas antenas, uma para recepção e outra para transmissão. A figura 4 ilustra um tráfego de infor-mação utilizando um sistema de comunica-ção convencional. Nesta ilustração, encon-tram-se praticamente todos os elementos que compõem esta tecnologia.

Móvel 1Transmite

144.770 MHz

Móvel 2Recebe

145.370 MHz

ANTENA

DUPLEXADORSeparação600 KHz

AUDIO

CONTROLE

RECEPTORDA

REPETIDORA

144.770 MHz

TRANSMISSORDA

REPETIDORA

145.370 MHz

Figura 4 – Tráfego de informações em um sistema convencional.

3 Sistemas Troncalizados O padrão TETRA – Terrestrial Trunked Radio – é um dos padrões para sistemas troncalizados mais conhecidos. Caracteri-za-se por ser aberto e opera com método de acesso ao canal do tipo TDMA (Time Division Multiple Access), similar ao padrão GSM (Global System for Móbile Communi-cations) [3]. São usados quatro timeslots por portadora, onde a largura de banda da portadora é de 25 kHz. O primeiro timeslot na primeira portadora transmite o BCCH (Broadcast Control Channel), um canal ló-gico que é responsável pela sincronização e controle dos dados. A conexão entre o radio móvel e a estação base é separada em duas bandas, uma para uplink e a outra para downlink. O TETRA está inicialmente disponível em bandas que na Europa va-riam de 380-400 a 410-430 MHz. Alguns

fabricantes já estão oferecendo o TETRA em 800 MHz, já que o padrão permite utili-zar bandas de 300 MHz até 1 GHz. A essência da especificação do TETRA é o padrão troncalizado Voice+Data (voz+dados), onde um intervalo de tempo individual pode ser alocado como controle, voz, circuito de dados ou pacote de dados. Além disso, existe o padrão de Modo Direto (DMO – Direct Mode Operation), modo de operação em que o usuário fala diretamen-te com outro, sem a necessidade de infra-estrutura contendo uma estação fixa. Isto pode ser utilizado pela polícia em algumas situações específicas, particularmente em áreas sem cobertura de uma estação, co-mo é o caso do interior de edificações. Muitos serviços, inclusive suplementa-res, são disponibilizados, incluindo trans-missões individuais ou em grupo, reconhe-cimento de chamada de grupo e opção pe-la proteção de dados. Dentre os serviços suplementares, o primeiro a ser implemen-tado foi o de chamada de prioridade, se-guido do de capacidade preemptiva, escuta discreta, escuta de ambiente, seleção de área, prioridade de acesso e autorização de chamada pelo despachante. A tecnolo-gia TDMA propicia duas funcionalidades: comunicação full duplex e largura de banda sob demanda. Outra funcionalidade impor-tante do sistema é sua comunicação de despacho. Cada sistema permite a defini-ção de grupos de conversação (talk-groups), e comunicação um−para−um e um−para−muitos no modo de despacho. A arquitetura do sistema TETRA con-siste de sistemas de entidades e interfaces definidas. A interface interna da rede TE-TRA não é padronizada. Isto foi permitido para que os desenvolvedores implemen-tassem soluções em relação aos custos da rede sem os efeitos que causaria com uma padronização. Seis componentes majoritários do sis-tema podem ser definidos: 1. Rede TETRA; 2. Mobile Station (MS) ou Estação Móvel; 3. Line Station (LS): sua funcionalidade

compreende LTU (Line Termination U-nit) e o TE (Terminal Equipment);

4. Direct Mode Mobile Station; 5. Gateway; 6. Network Management Unit ou Unidade

de Gerenciamento de Rede. Os serviços do TETRA são baseados em três classes majoritárias de serviços com diferentes interfaces aéreas, todas

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especificadas pela ETSI (European Tele-communications Standards Institute): 1. Voice + Data (V+D); 2. Packet Data Optimized (PDO); 3. Direct Mode (DMO): uma transmissão

simplex de voz entre dois rádios mó-veis sem usar a rede.

O padrão TETRA requer canais de 25 kHz em todos os sites, todos eles troncali-zados. Usando o método TDMA o sistema está apto a ter quatro canais em uma única portadora de rádio freqüência, produzindo um aproveitamento de 4:1 em funciona-mento. Entretanto, existe a desvantagem de que em alguns sites apenas um canal esteja em uso, não necessitando da capa-cidade adicional do TDMA. O TETRA usa a modulação π /4 DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying). Esta modulação é altamente eficiente no uso do espectro, mas requer alta linearidade para todos os componentes RF, especialmente o amplificador de po-tência RF nos rádios. As vantagens óbvias do TETRA estão em sua funcionalidade, incluindo capacida-de de chamada rápida para grupos com diferentes subgrupos, ou mesmo grupos de outras redes. Tais usuários estarão com-partilhando os mesmos recursos de rádio e prioridade de voz, com alta eficiência de utilização do espectro e a toda já conhecida funcionalidade dos sistemas de telefonia móvel celular. 4 Características do Atual Sistema de

Comunicações da PRF-DF O 1º Distrito da PRF (DF) é responsá-vel por uma extensa malha rodoviária, con-tando com apenas cinco postos mais o CI-OP (Central de Informações Operacionais) para cobrir toda a região, que pode ser considerada essencialmente rural. A figura 5 mostra o mapa contendo as rodovias sob sua responsabilidade. O sistema de rádio comunicação utilizado atualmente é basea-do em sistemas convencionais utilizando a faixa VHF banda baixa, onde as estações rádio-base normalmente encontram-se nos postos. As estações fixas não possuem potência suficiente para alcançar toda a área desejada e a área de cobertura das estações móveis é insuficiente para atingir as antenas dos postos, existindo então tre-chos em que os policiais ficam sem comu-nicação com a base.

Figura 5 – Malha rodoviária sob responsabilidade da PRF-DF. Além disso, o sistema irradiante das estações fixas é omnidirecional, não ha-vendo uma otimização do sinal transmitido, ou seja, uma grande parte atinge áreas muito além da cobertura desejada (para fora das estradas, na direção transversal). A figura 6 mostra a área de cobertura cal-culada utilizando-se o método de Okumura-Hata.

Figura 6 – Área de cobertura atual da PRF-DF.

5 WiMAX como Solução Inovadora

As tecnologias Wi-Fi (Wireless Fidelity) e WiMAX vão revolucionar as comunica-ções nos próximos dez anos e devem tra-zer uma série de conveniências para mi-lhões de pessoas mundo afora. A versão original de WLAN (padrão IEEE 802.11) foi liberada em 1997 (freqüência na faixa de 2.4 GHZ e taxa de transmissão de 1 a 2 Mbps) e depois, em 1999, o padrão IEEE 802.11b (2,4 GHz e 11 Mbps) [5]. Nesta época foi utilizado pela primeira vez o ter-mo Wi-Fi, pois os fabricantes de WLAN

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queriam assegurar a fidelidade ao padrão de tecnologia 802.11b. Ambos os padrões utilizam a técnica de espalhamento espec-tral DSSS (Direct-sequence Spread Spec-trum). No mesmo ano de 1999 foi homologa-do o padrão IEEE 802.11a (5,8 GHz e 54 Mbps) que opera em uma freqüência me-nos suscetível a ruídos. Em junho de 2003 foi homologado o último padrão de Wi-Fi, o IEEE 802.11g (2,4 GHz e 54 Mbps). Os padrões 802.11a e 802.11g utilizam a mo-derna modulação OFDM (Orthogonal Fre-quency-Division Multiplexing), também utili-zada na banda larga de ADSL e na TV Di-gital. Adicionalmente, o Wi-Fi tem outros pa-drões complementares, como o IEEE 802.11i (que trouxe segurança para o Wi-Fi desde junho de 2004) e o IEEE 802.11e, responsável pela implementação de QoS (Quality of Service) no Wi-Fi. Na seqüência de desenvolvimento do padrão Wi-Fi surgiu o novo IEEE 802.11n que vai multiplicar a velocidade do 802.11b por 10. O Wi-Fi permite que notebooks e PDAs se conectem à Internet a uma dis-tância de 100 a 300 metros. O WiMAX foi criado da necessidade de se ter uma tecnologia sem fio de banda larga com longo alcance e alta taxa de transmissão. O WiMAX atualmente possui os padrões IEEE 802.16d (ou IEEE 802.16-2004) e Móvel IEEE 802.16e. O 802.16d (ratificado em junho de 2004) é o padrão de acesso sem fio de banda larga fixa (WiMAX Fixo) e cujos e-quipamentos farão os testes de aderência ao padrão e de interoperabilidade. O 802.16e é o padrão de acesso sem fio de banda larga móvel (WiMAX Móvel), assegurando conectividade em velocidades de até 100 km/hora e cujos equipamentos estarão disponíveis em 2006/2007. O WiMAX fornece uma alternativa sem fio para o acesso de banda larga de última milha ao cabo e ao ADSL. Ele tem uma área de 8 a 12 km em cobertura NLOS (Non Line of Sight) e de 30 a 40 km em cobertura LOS e fornece taxa de transmis-são de 70 Mbps por estação rádio base. É uma solução completa para voz, dados e vídeo (streaming) com QoS e segurança intrínseca. A segurança do WiMAX suporta a autenticação com certificados x.509 e criptografia de dados utilizando DES (Data Encryption Standard). Pode transportar IPv4, IPv6 e Ethernet simultaneamente com QoS.

É interessante notar que tão logo o pa-drão WiMAX esteja maduro e com equipa-mentos disponíveis a preços acessíveis, várias soluções de todos os portes o utiliza-rão e será um grande concorrente aos a-tuais padrões de comunicações para segu-rança pública. No caso da PRF-DF, o pa-drão possui as características necessárias para competir com padrões já estabeleci-dos no mercado, além de propiciar, caso seja do interesse deste órgão, a inclusão digital das comunidades que estejam em áreas sob responsabilidade deste órgão.

6 Conclusão

Apesar de existirem vários padrões tecnológicos para sistemas de comunica-ções críticas, cada um possui um conjunto de características que se ajusta a um de-terminado cenário, sendo então necessário uma profunda investigação das reais ne-cessidades para que a escolha da tecnolo-gia possa proporcionar a maximização da qualidade do serviço prestado.

Considerando as três tecnologias cita-das neste artigo, o TETRA possui claras vantagens sobre o Sistema Convencional atualmente utilizado pela PRF-DF, como por exemplo, a capacidade de tráfego am-pliada na proporção de 4:1. Entretanto, o WiMAX pode ampliar a gama de serviços, como transmissão de voz, vídeo e dados, aumentando o poder de comunicação entre os policiais e a integração com a comuni-dade.

Agradecimentos

Ao inspetor Nunes da PRF-DF pelo fornecimento de informações sobre o atual sistema de comunicações deste órgão de segurança pública, as quais enriqueceram este artigo.

Referências Bibliográficas

[1] MINISTÉRIO DA JUSTIÇA. Disponível

em: www.mj.gov.br/senasp/institucional/inst_conceitos.htm. Acesso em 10 Jan 2006.

[2] DEFESA CIVIL. Disponível em: www.defesacivil.gov.br/sindec/ index.asp. Acesso em 10 Jan 2006. [3] J. Dunlop, D. Girma and J. Irvine, Digi-

tal Mobile Communications and the TETRA System. Wiley, 1999.

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[4] The IEEE 802.16 Working Group on

Broadband Wireless Access Standards. [5] Wireless to the max, Arcchart, January

19, 2003.

Biografia

Samih Naif Daibes Júnior, atualmente cursando o dé-cimo semestre de Engenha-ria Elétrica no Instituto de Educação Superior de Bra-sília – IESB e trabalhando como Tecnologista no Mi-nistério da Ciência e Tecno-logia – MCT.

Carlos Augusto da Mota, atualmente cursando o dé-cimo semestre de Enge-nharia Elétrica no Instituto de Educação Superior de Brasília – IESB e traba-lhando como consultor na Agência Brasileira de Inteli-gência – ABIN.

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ANTENAS INTELIGENTES BASEADAS EM COTS

FLÁVIA MARQUES DA SILVA LETÍCIA GARCIA DE BARROS

Engenharia Elétrica

Universidade de Brasília - UnB

http://www.ene.unb.br e-mails:[email protected] [email protected]

Resumo – Na última década, a globalização vem aumentando a demanda por serviços de comunicações mais eficientes, principalmente os serviços de comunicações móveis. Usuários finais desses serviços exigem maior facilidade e comodidade na obtenção de informações em curto espaço de tempo e necessitam dispor de comunicações a qualquer hora e lugar. É nesse contexto que o Rádio Definido por Software (RDS) se torna extremamente atraente. Trata-se de um dispositivo multi-modo e multi-banda que aceita diversas interfaces aéreas e bandas de transmissão em um mesmo aparelho. Para que se tenha o melhor desempenho possível dos RDS, respondendo de igual forma a todas as configurações possíveis, a antena também deve ser multi-banda ou banda larga. Visualizam-se as antenas inteligentes como peças fundamentais no desenvolvimento do RDS. Esse artigo tem por função dar uma breve descrição de como o tema das antenas inteligentes têm sido tratado pelo grupo RDS da UnB e quais as soluções propostas visando solucionar os problemas e desafios que tal assunto envolve. Abstract – On the last decade, the globalization have risen the demand for communications services more efficient, mainly the mobile communication services. Final users of this services demand bigger facility and bigger commodity on the acquisition of information in little time and need to be in communication in every time and everywhere. It’s in this context that the Software Defined Radio (SDR) become extremely attractive. It refers to a multi-manner and multi-band device that accept different air interfaces and transmission band in the same equipment. To have the best performance of the SDR, for them respond in the same way to all possible configurations, the antenna would have be multi-band or wideband to receive a large range of frequencies without loss of power and unless quality production of reception. Thus, the smart antennas are fundamental piece in the SDR development. This article have the function to give a quick description of how the smart antennas theme have been treated by the SDR group of UnB and which proposal solutions looking at the solution of the problems and challenge that this subject involve. Keywords – Smart Antennas, Software Defined Radio, SDR, COTS.

1 Introdução

O Rádio Definido por Software é um dispositivo que procura fazer a digitalização do sinal o mais próximo possível da antena. Procura-se minimizar o trabalho desenvolvido pelo hardware e aumentar a parte que cabe ao software, proporcionando, assim, uma maior flexibilidade ao RDS, se comparado com um Rádio Definido por Hardware. O RDS é de suma importância para a melhoria no sistema de comunicações móveis. Por

aceitar diferentes interfaces, ele pode ser utilizado para vários fins como aparelhos celulares TDMA, celulares CDMA, TV Digital entre outros.

Como no RDS procura-se a maior flexibilidade possível, deseja-se que a antena também seja flexível, aceitando uma maior faixa de freqüências de transmissão e recepção, com a menor perda possível de potência e de qualidade de recepção. Visualiza-se que o uso de Antenas Inteligentes é de fundamental

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importância para o RDS. Sendo ele um dispositivo reconfigurável, deseja-se que a antena acompanhe as mudanças sofridas pelo rádio sem sofrer perda de qualidade na recepção em qualquer faixa de freqüência que se deseje trabalhar. Adicionalmente, antena pode é a responsável por receber as informações do canal de transmissão/recepção a fim de prover ao circuito rádio os dados necessários para que ele se reconfigure e faça o mesmo com a própria antena da maneira mais adequada. Com os dados do canal recebidos pela antena e utilizando um algoritmo de detecção da DOA (Direction Of Arrived) é possível redi-recionar o lóbulo principal do feixe da antena é orientado na direção de chegada do sinal de interesse. Como todo o processo é feito modificando-se o diagrama de radiação da antena, o feixe principal é feito de forma que tenha a menor abertura possível para se evitar a interferência das componentes multi-percurso e a interfe-rência de outros sinais, aumentando-se a capacidade do sistema.

Neste artigo será apresentado o trabalho sendo desenvolvido na UnB sobre o assunto do RDS e, mais especifi-camente, das Antenas Inteligentes.

2 Os dispositivos COTS utilizados na implementação do

projeto

Devido a restrições financeiras, optou-se pela utilização de dispositivos Commercial Of The Shelf (COTS) na implementação do protótipo da Antena Inteligente. Os COTS são dispositivos que se encontram prontos e testados no mercado para determinados fins. Por se tratarem de produtos comercializados mundialmente, esses são produzidos em larga escala, o que acaba por baratear os custos de produção, uma das razões para seu uso nesse projeto. Entre os COTS utilizados encontram-se os elementos de antena e os front-ends RF.

Serão utilizados 4 elementos de antena dipolo vertical Aquário modelo M-100A [1]. Esses elementos são antenas pequenas de ¼ de comprimento de onda para a faixa de VHF, nas freqüências de 136 a 174 MHz, com um ganho de 1,73 dBi.

Para o front-ends RF optou-se pela utilização da placa USRP [2]. O USRP é uma implementação de baixo custo para ser utilizada com o software de processamento de sinais GNU Radio. O GNU Radio é uma biblioteca para tratamento por software de sinais de radiofreqüência. Por ser parte do projeto GNU, um projeto de desenvolvimento de software livre, traz enormes vantagens para o trabalho científico, uma vez que o conhecimento que for gerado em qualquer lugar do mundo e o que for criado por este grupo de pesquisa com a utilização desses tipos de softwares pode ser compartilhado com outros pesquisadores. Ele é muito conveniente ao projeto que está sendo desenvolvido por ser bastante didático, dividindo as partes do processamento do sinal em blocos (filtragem, demodulação, equalização, etc) de linguagem compilada, a linguagem C++, ligados por linguagem interpretada, o phyton.

O USRP é constituído de uma placa mãe e placas filhas de recepção e transmissão. A placa mãe contém a entrada da tensão de alimentação, a conexão com uma porta USB para comunicação com o computador (o barramento USB se faz necessário devido à sua capacidade de transmitir dados em alta velocidade), um Field Programmable Gate Array (FPGA) que faz um pré-processamento do sinal e os conversores A/D. As placas filhas de recepção/ transmissão contêm as interfaces RF (comunicação entre a antena e a placa mãe). O processamento do sinal é feito pelo GNU Radio, o que faz o USRP ser muito flexível, logo, bastante adequado para projetos de RDS. As amostras vindas dos conversores A/D são entregues ao computador via porta USB e o processamento é feito por um script que usa linguagem python. A placa USRP tem como características: interface USB 2.0, quatro conversores A/D de 64 MSPS que podem amostrar sinais de mais de 200 MHz com banda de aproximadamente 32 MHz, quatro conversores D/A de 128 MSPS que podem gerar sinais de mais de 50 MHz, um FPGA para maior capacidade de cálculo de uma maior largura de banda e para reduzir a taxa de dados que passará pela porta USB. A placa mãe com as quatro placas filhas (duas de transmissão e duas de recepção) é mostrada na figura 1.

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Figura 1 – Placa mãe com as quatro placas filhas do USRP [2 alterado]

3 Concepção do Projeto

Considerando os meios disponíveis, construiu-se um array com quatro elementos. Esses elementos são dispostos em linha reta, sendo cada um separado do elemento mais próximo por uma distância de meio comprimento de onda. A reconfigurabilidade dessa antena é conferida pelos pesos dos elementos do array. O algoritmo de detecção de direção de chegada utilizado, o CAPON, detecta a direção de chegada do sinal e altera os pesos dos elementos de forma a se ter o diagrama de radiação da antena com o feixe de maior ganho na direção do sinal desejado e atenuar a interferência das componentes multi-percurso que chegarem nas demais direções. Por se tratar de um array com 4 elementos, cada um deles terá de ser ligado a um front-end para que esse faça o adequado abaixamento da freqüência para valores os quais o conversor analógico/digital possa trabalhar.

O diagrama de blocos pretendido para o projeto é o mostrado na figura 2.

Figura 2 – Diagrama de Blocos do RDS a ser implementado

Para a parte inicial desse projeto, primeiramente faz-se a detecção da direção de chegada do sinal, sendo que a reconfiguração do circuito rádio será feito em fase mais adiantada de execução do projeto. Todo o processamento do sinal e detecção da direção de chagada será feita via computador. O processamento é realizado pelo GNU Radio e o algoritmo CAPON para detecção de DOA é escrito em linguagem C, todos sendo rodados em ambiente Linux.

Os snapshots vindos dos conversores são recebidos de forma serial pela porta USB e o script de processamento do sinal no GNU Radio possui uma variável que armazena os snapshots, ainda modulados, em envelope complexo, porém downconvertidos para banda básica que é a forma ideal para o funcionamento do algoritmo CAPON. Com isso, importa-se essa variável para um programa também em linguagem phyton para que se possam passar as amostras dessa linguagem para a linguagem C. Nesse script, as amostras são organizadas em uma matriz tridimensional, na qual cada coluna terá as amostras de cada antena, as linhas armazenam os snapshots de uma dada antena e as colunas da terceira dimensão são os dados semelhantes ao da primeira linha, ou seja, colunas para amostras de cada antena e linhas para dividir as amostras em quantidades iguais. A matriz terá a forma da figura 3.

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Figura 3 – Matriz de armazenamento dos

dados do script do GNU Radio

O valor de n é tal que dividirá o número de snapshots e dará um inteiro. Como exemplo ilustrativo, a taxa de amostragem será de 64MSPS e o valor da decimação é de 250. Logo, tem-se uma taxa de amostras de 256 kHz. Querendo que seja analisado pelo CAPON 256 mil amostras de cada antena, n pode ser feito igual à 25.600, assim cada coluna terá 25.600 amostras e a matriz terá 10 colunas em sua terceira dimensão. Essa matriz é requisitada pelo algoritmo CAPON para a obtenção da DOA, o que é possível no ambiente Linux.

4 Algoritmos de Obtenção de DOA

Algoritmos de Obtenção de Direction Of Arrival (DOA) são importantes não apenas no estudo da direção de chegada dos sinais em antenas inteligentes, como no caso específico desse artigo, mas também no caso de sensores de presença, como radares, sonares, exploração sísmica e no caso de um array de microfones, por exemplo.

O Método de Atraso e Soma, Delay-And-Sum Method [3,4], e o CAPON [3,4] são algoritmos convencionais e simplificados, se comparados com os demais. Existem também algoritmos mais sofisticados como o MUSIC [3,4] e o ESPRIT [3,4], que não serão abordados nesse artigo por não serem objetos de estudo da pesquisa.

O primeiro método citado, conhecido também como método de Fourier, consiste na premissa de que apontando-se o feixe de maior potência do array em uma determinada direção se produzirá a melhor estimativa de energia recebida nessa mesma direção. Ou seja,

sendo ele mais forte, o mesmo dita a melhor estimativa de chegada. Contudo, esse método trabalha bem apenas com um sinal presente na recepção pelas antenas. Assim, o acréscimo de sinais pode acarretar em colisões e em uma má precisão da direção, pois a potência de saída contém contribuições do sinal desejado tanto quanto dos sinais indesejados advindos de outras direções. Além disso, ele tem uma resolução pobre para os resultados esperados. A precisão do ângulo de direção de chegada do sinal é baixa. Sinais oriundos de direções com 10° de diferença não são detectados como sinais diferentes. Isto pode ser observado na figura 4.

Figura 4 – Comparação da resolução do Método de Atraso e Soma e o Método

CAPON [3 alterado]

O CAPON visa superar os problemas de baixa resolução do Método Delay-And-Sum. Por esse motivo, e também devido à sua relativa simplicidade, este foi o algoritmo escolhido para ser utilizado nesse projeto.

A técnica do CAPON consiste em varrer os ângulos de direção de determinada área. Ele usa uma amostragem dessa varredura para formar um feixe na direção desejada, enquanto, simultaneamente, forma nulos nas mesmas direções de sinais de interferência. Sendo assim, essa técnica visa minimizar a contribuição de interferências não desejadas mantendo-se o ganho em determinada direção constante. O DOA pode ser estimado observando os picos dessa varredura de ângulos no espectro do CAPON. As desvantagens deste método estão relacionadas justamente com seus benefícios. Ao se minimizar a energia de saída, os componentes correlatos podem se combinar destrutivamente, podendo

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anular as estimativas [3]. É necessário nos seus cálculos o uso de uma matriz inversa, o que, para grandes arrays, pode ser computacionalmente inviável. Porém para essa pesquisa ele é suficiente.

5 Conclusão

A utilização de COTS no desenvolvimento do projeto traz as vantagens já citadas, porém, com o ônus de sua utilidade não ser especificamente a necessária para os objetivos da pesquisa. Logo, é preciso alterações na arquitetura do software para fazê-lo funcionar de maneira adequada ao propósito do RDS e das antenas inteligentes.

Pretendeu-se, em fase inicial do projeto, somente fazer a obtenção da DOA, deixando a reconfiguração da antena e do circuito rádio para fase mais adiantada. Encontrar-se com certa precisão a direção de chegada do sinal recebido pelo array já pode ser considerado um grande avanço nos objetivos a serem alcançados.

As atuais dificuldades encontram-se na requisição das amostras que estão no código do GNU Radio para serem entregues ao algoritmo CAPON quando da utilização das quatro antenas. Cada front-end liga duas antenas ao computador e as amostras são levadas ao mesmo por uma única conexão USB. O principal desafio está em conseguir separar as amostras de cada antena para o perfeito funcionamento do algoritmo CAPON.

Agradecimentos

Agradecemos ao Francisco Augusto da C. Garcia e Rafael Schena pela ajuda e apoio prestados. Agradecemos também ao GPDS por ceder espaço físico para realização das atividades do projeto.


[1] http://antenas.aquario.com.br [2] http://comsec.com/wiki?UniversalSoftw

areRadioPeripheral

[3] Joseph C. Liberti Jr, Theodore S. Rappaport, Smart Antennas for Wireless Communications - IS-95 and Third Generation CDMA Applications,

Prentice Hall Communications Engineering, 1999.

[4] ROY, Richard, KAILATH, Thomas, “ESPRIT – Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, Volume 37, Number 7, July 1989.

[5] André G M Lima, “Rádio Definido por

Software: o próximo salto no mundo das Telecomunicações e Computação”, Papo do mês 10/2003, Revista Digital Online (www.revdigonline.com).

[6] LARKIN, Robert, DSP-10 Project,

http://www.proaxis.com/~boblark/dsp10.htm

[7] B Tarver, E Christensen, A Miller,

“Software Defined Radios (SDR) Plataform an Application Programming Interfaces (API)”, IEEE Communications Magazine, August 2001.

[8] B. P. Lathi, Modern Digital and Analog

Communications Systems, Oxford University Press Inc., 3a ed., 1998

[9] SILVA, Fernanda B. da, GARCIA,

Francisco Augusto da C., TAKADA, Izumi Renata S., SASAKI, Marcello G, “Princípio do RDS e Aplicação no DSP-10, DSPX e FPGA com Sistema Semi-embarcado”, disponível Online em: http://www.revdigonline.com/artigos_download/art_21.pdf

[10] JÚNIOR, Rivaldo G. C., OLIVEIRA,

Jansen Carlos de, “A Tecnologia do Processador Digital de Sinal (PDS) Aplicada ao Rádio Definido por Software (RDS) – 3G”, disponível Online em: http://www.revdigonline.com/artigos_download/art_14.pdf

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Biografias

Flávia Marques da Silva é estudante de Engenharia Elétrica na UnB, Universidade de Brasília, onde cursa o 6º semestre. Bolsista de Iniciação Científica – PIBIC – UnB/CNPq.

Letícia Garcia de Barros é estudante de Engenharia Elétrica na UnB, Universidade de Brasília, onde cursa o 6º semestre

Trabalho desenvolvido com o apoio do CNPq/PIBIC – UnB

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PORTABILIDADE DE CÓDIGO DE ACESSO

EDUARDO AUGUSTO DIAS FONSECA

Engenharia de Telecomunicações Instituto de Educação Superior de Brasília - IESB

http://www.iesb.br e-mail: [email protected]

Resumo – O objetivo desse artigo é apresentar a portabilidade de códigos de acesso (Portabilidade Numérica), abordando fatores relevantes para melhor compreensão do tema, tais como: tecnologia empregada, desafios enfrentados e estratégias de implantação/organização do sistema utilizadas. Inicialmente, serão apresentadas as regras a serem seguidas pelas operadoras para implementar a tecnologia, verificando também a possibilidade de utilização da já disponível. Serão citados os diferentes tipos de portabilidade existentes, mostrando com isso, a flexibilidade que se pode ter com a implementação de cada uma dessas tecnologias. Em seguida, as maneiras de roteamento das chamadas para números portados, apresentando as diferentes formas de consultas às bases de dados existentes e, finalmente, apresentada uma conclusão sobre os benefícios e efeitos da implementação da portabilidade numérica, tanto para usuários como para provedores. Abstract – The objective of this article is to present the access codes portability (Number Portability), approaching important factors for better understanding of the subject, such as: used technology, faced challenges and strategies of implantation/organization of the system used. Initially, will be presented the rules to be followed for the operators to implement the technology, also verifying the possibility of use of the already available. The different types of existent portability will be mentioned, showing with that, the flexibility that one can have by the implementation of each one of those technologies. Soon after, the ways of calls routing for carried numbers, presenting the different forms of consultations to the existent data bases and, finally, an conclusion on the benefits and effects of the implementation of the numeric portability, as much for users and providers will be presented.

Keywords – Onward Routing, Call Drop Back, Query on Release, All Call Query, Tromboning.

1 Introdução

O desenvolvimento tecnológico não para. Surge uma nova fronteira para as telecomunicações no Brasil – a portabilidade de código de acesso. Assim como se desenvolveu a comunicação na história, a portabilidade surge devido à necessidade que o homem tem de ser único. Isso é comprovado por todas as avaliações e pesquisas, uma vez que a grande maioria dos usuários não muda de operadora, pois não quer perder o seu número de telefone, seja ele fixo ou móvel. Caso o assinante opte por mudar o seu número, uma série de transtornos advém disso, como, por exemplo, comunicar ao maior número de pessoas possível, ou a mudança poderá significar a perda de contato com uma determinada pessoa importante.

Para empresas, isso é mais significativo. Mudar o 0800 da empresa

exige um custo imenso, gastos como campanha publicitária, troca de embalagens além do valor intrínseco do número que fica vinculado à empresa. Portanto, manter o número de telefone tornou-se um desejo de muitos usuários e uma necessidade para as empresas.

Sendo assim foi criada uma possibilidade de portabilidade de código de acesso, algo como um número de identidade telefônico.

No Brasil, em 10 de junho de 2003, o Presidente da República dispôs sobre políticas públicas de telecomunicações no Decreto nº. 4.733 [1], que assegura aos assinantes de serviços de teleco-municações a portabilidade numérica.

A lei enfrenta a resistência das operadoras incumbidas devido aos custos de implementação desse novo sistema. Essas empresas alegam que estarão pagando para perder clientes se a portabilidade vier a acontecer. As

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operadoras entrantes são totalmente favoráveis, pois alegam que vai ajudar a criar um ambiente de competição, de fato [2].

Vale ressaltar também os diversos problemas que o setor de telecomunicações encontrará para fazer uma implementação dessa envergadura, pois, apesar de parecer uma questão simples, a portabilidade de código de acesso esconde grandes desafios de implementação, tais como: redes inteligentes, digitalização das centrais de comutação, alteração nos call centers, reprogramações dos sistemas de billing e customer care, campanhas de marketing para manter clientes antigos e atrair novos, gastos com mão de obras e engenharia, além de serviços de segurança contra fraudes e de redes confiáveis que evitem falhas e possíveis interrupções do sistema.

2 Implantação da portabilidade de código de acesso

Os diversos tipos de portabilidade

podem ser implementados através de dois grandes modelos: uma aproximação dita descentralizada ou uma aproximação centralizada.

Uma implementação descentralizada necessita de acordos bilaterais entre as operadoras. Além disso, nela não existe uma padronização de protocolos de comunicação. Pode-se exemplificar esque-maticamente esse modelo descentralizado conforme a figura 1.

Figura 1 – Modelo de Portabilidade Descentralizado

Já o modelo centralizado difere apenas

pelo surgimento de um banco de dados centralizado de uma rede inteligente que irá gerenciar tudo que for necessário para o

bom funcionamento de um sistema de telecomunicações: entrada e saída de usuários de uma determinada operadora, faturamento, serviços especiais, etc. Na maioria dos países que estão a frente, em termos de portabilidade, e que já tiveram experiências com o modelo descen-tralizado, foi criada a figura de um órgão gerenciador neutro para gerenciar os serviços entre as prestadoras de serviços de telecomunicação. Na figura 2 está detalhado o seu funcionamento.

Figura 2 – Modelo de Portabilidade Centralizado

A maioria dos países da Comunidade

Européia optou por portabilidade e implementou uma solução de banco de dados centralizado. As principais exceções foram Reino Unido e Itália. Entretanto, esses países já estão migrando para o modelo de banco de dados centralizado.

Olhando a implantação descentralizada mais detalhadamente, a qual pode também ser chamada de solução On-Switch, percebe-se que ela se compõe de dois processos principais: o Reencaminhamento Remoto (Onward Routing) e o Reecaminhamento com Drop-Back (Call Drop Back). Antes de detalhar tais implementações, vale frisar que a escolha por essas topologias se deve principalmente ao fator custo e simplicidade.

3 Tipos de Reencaminhamento

a) Reencaminhamento Remoto

(Onward Routing) No Reencaminhamento Remoto

(Onward Routing), a chamada é feita pelo

Operadora A

Banco de Dados de Números Portados

Operadora B


Operadora D


Operadora C


NPAC

do Banco de Dados

Operadora A


Operadora B


Operadora D


Operadora C


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usuário, o que define a rede de onde parte a chamada. Após esse primeiro momento, a sinalização identifica o número portado na rede doadora e é feita então uma segunda chamada para o novo destino ou rede de destino. Essa é a forma mais simples de implementar a portabilidade, pois recorre à funcionalidade de Call Forwarding, já disponível nos comutadores digitais. Na figura 3, observa-se grafi-camente o Reencaminhamento Remoto.

Figura 3 – Reencaminhamento Remoto

A principal vantagem dessa solução

está no custo de implementação. Com investimentos modestos, o sistema pode ser implementado em um tempo menor do que qualquer das implementações que será vista a seguir. A principal causa disso é que a tecnologia existente já é suficiente para isso. Outro ponto importante é que essa solução não causa impacto sobre as chamadas destinadas aos números não portados.

O problema dessa solução é que ela não é confiável a longo prazo, porque os problemas tendem a agravar-se na proporção em que aumenta a quantidade de números portados.

Outro problema que surge com essa solução é o efeito tromboning [4]. Fazendo uma melhor análise da figura 3, nota-se a necessidade de se manter dois circuitos – um que vai da rede de origem para a doadora e outro que vai desta para o destino – durante todo o tempo que durar o processo de chamada, gerando também uma depreciação na eficiência do sistema como um todo. Além disso, surge um outro problema, que é o relacionamento entre as diversas operadoras, já que o sistema fica totalmente dependente da rede doadora para que a chamada telefônica tenha sucesso.

b) Reencaminhamento com Drop Back (Call Drop Back)

Antes de encaminhar a chamada, a

rede de origem envia uma mensagem de sinalização à rede doadora. Essa, por sua vez, efetua uma consulta para checar a verdadeira localização do número, retornando uma mensagem com indicações para o adequado encaminhamento da chamada. Aqui o sistema de sinalização utilizado é o nº. 7 (SS7), que tem como papel fazer o drop-back, otimizando a solução, pois ela envolve reencami-nhamento remoto e evita o efeito de tromboning na rede doadora. Na figura 4, pode-se visualizar graficamente a consulta à rede doadora e sua resposta à rede de origem.

Figura 4 - Reecaminhamento com Drop-Back

As vantagens e desvantagens desse sistema assemelham-se com o reencaminhamento remoto. Sua vantagem principal é que os níveis de ocupação ao se processar as chamadas são inferiores aos do método de reencaminhamento. Entre as desvantagens, tem-se a depreciação dos serviços de rede devido a um aumento na consulta à rede doadora em virtude do aumento de clientes com números portados. Além disso, esse método implica em modificações no sistema sinalização nº. 7 (SS7). Outra desvantagem é o surgimento de nova possibilidade de conflito entre operadoras, já que nesse método os números portados ficam sob controle da rede doadora.

c) Query on Release (QoR) O método Query on Release, chamada de solução Off-Switch, se assemelha bastante ao Drop-Back. Ele inicia o processo fazendo uma tentativa de

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estabelecimento de chamada para o comutador doador, via sinalização (Query). Se o número tiver sido portado, o comutador responde informando que deve ser interrogada uma base de dados própria com a informação adequada ao encaminhamento da chamada; faz-se o Release da sinalização Query e completa-se a chamada para o destino correto. Na figura 5, observa-se sua representação gráfica.

Figura 5 - Query on Release (QoR)

Esse método apresenta clara vantagem sobre os precedentes, pois apenas as chamadas usando números portados são checadas na base de dados. Essa consulta pode ser feita ou numa base de dados central ou em bases periféricas localizada em cada rede. d) All Call Query (ACQ) O método All Call Query (ACQ), também chamada de solução Off-Switch, usa uma base de dados central geralmente denominada Number Portability Administration Center (NPAC). Aqui o encaminhamento de tráfego não depende da rede doadora, sendo que, para cada número marcado, é feita uma consulta à base de dados. Nela é obtida a informação do operador ou comutador de destino da chamada. Na figura 6, observa-se que a rede doadora não é utilizada. A grande vantagem desse método é uma melhor utilização da rede inteligente, pois a chamada é completada nessa rede. Isso promove também uma concorrência mais equilibrada entre as operadoras, já que uma instituição independente irá gerenciar essa base de dados central e a rede doadora deixará de existir, o que é também uma das vantagens desse método.

Conforme visto anteriormente, praticamen-te todos os países já implementaram direto essa solução ou estão migrando para ela. Outro ponto importante é que esta solução elimina o efeito Tromboning.

Figura 6 - All Call Query (ACQ) Apesar de haver desvantagens nesse método, elas são menores comparando aos métodos apresentados anteriormente. O principal problema é o alto custo de implementação desse sistema. As redes devem ser robustas para suportar o trânsito de chamada além de possuir capacitação e segurança. Isso é importante porque, como todas as chamadas passarão pela rede inteligente, números portados ou não portados, não podendo haver o risco dessa rede ficar comprometida ou ficar fora de serviço, afinal milhões de assinantes dependem dela para se comunicar, sem falar nos órgãos públicos e serviços essenciais. Define-se então, de maneira geral, as formas de implementação de portabilidade. Levando em consideração também que essas soluções técnicas dependem de vários fatores que vão desde o tempo necessário para realizar as imple-mentações até características de redes existentes, podem ser citados os seguintes pontos de decisão: 1 - As características das redes já existentes. Se já existem plataformas de redes inteligentes, topologias de redes, nível de digitalização, etc; 2 - O tempo necessário para a implementação; 3 - As estruturas de interconexões; 4 - Definir se os números de telefone dos assinantes como um todo será portado, ou

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algum tipo de verificação especial, como por exemplo, definir que todo número com seu quinto dígito igual a zero é um número portável; 5 - Definir quais serviços inicialmente devem ser portados; 6 - Número de operadoras envolvidas. Em alguns países, uma solução intermediária de curto prazo foi implementada inicialmente para minimizar o impacto na rede e minimizar investimentos. Após se adquirir experiên-cia, um projeto é definido com metas específicas a serem conquistadas procurando por viabilização em longo prazo, compatibilidade e uma migração para o novo sistema menos traumático.

4 Segurança

Segundo estudos, não haverá maiores impactos sobre a segurança quando for implantada a portabilidade de código de acesso. A portabilidade não interfere na comutação da chamada. Para exemplificar uma chamada e visualizar a segurança, imagine que a solução que mais se tem usado no mundo – a de rede inteligente – seja adotada e implementada. Uma pessoa disca um número portado na central local. Nesse caso de N5=0, a central saberá que a chamada é destinada a um possível número portado. Como a central não sabe para onde se destina a chamada, dentro da programação das redes, ela é encaminhada para um PAS (ponto de acesso de serviço) dentro da rede inte-ligente e fica suspensa (a comutação da chamada). A seguir o PAS faz uma consulta, por meio do canal de sinalização n.º 7, ao banco de dados central, que é o PCS. O número discado é encaminhado para o PCS, que faz a tradução e informa onde está o assinante e o endereço de encaminhamento correto. O PAS recebe essa informação de volta e comuta a chamada normalmente. Com exceção da chamada, que fica suspensa esperando a consulta ao PCS, nada mudou em relação à segurança: ela continuará existindo. Nenhum impacto sobre os processos de controle de fraude de clonagem, tais como Autenticação A-41, Subscriber PIN, Intercep / Access e RF Fingerprinting serão sentidos. A autenticação continua vinculada ao MIN (Móbile Identification Number) do assinante e as RF Fingerprints continuam vinculadas ao ESN (Exchage System Number) do

telefone. Logicamente alguns ajustes na rede e protocolos de redes podem se fazer necessários com a implementação do modelo de portabilidade, mas, no geral, o impacto em segurança será mínimo. Entretanto, algumas considerações sobre fraude devem ser cuidadosamente avaliadas. Provavelmente esse controle terá que existir com as solicitações para portar um número. Sistemas de validação cuidadosos têm que existir e cada operadora deverá estar ciente disso. Dentro dos serviços, que será o maior trunfo para conquistar assinantes, novos ou não, as validações de créditos para assinantes pós-pagos com os números portados é um possível canal de fraude. Dentro do universo de problemas que surgiram, as operadoras não podem deixar brechas para fraudes.

5 Conclusão A portabilidade de código de acesso, a Portabilidade Numérica, no Brasil só não se tornou uma realidade devido a questões políticas e acordos não firmados entres as operadoras, tanto incumbentes quanto entrantes, uma vez que a portabilidade já é prevista por lei. Existem inúmeras vantagens na portabilidade numérica. O fato de o número ter uma “identidade”, ser único, traz ao usuário dos sistemas de telecomunicações conforto e confiabilidade quando da necessidade de troca de operadora, tornando o mercado de telecomunicações mais competitivo. Para empresas que utilizam serviços de atendimento, os 0800, a portabilidade traz ainda maior conforto, uma vez que assegura a identidade do número. É fato que soluções tecnológicas que possibilitem a portabilidade de código de acesso de maneira segura e confiável existem, porém é necessário que o cenário das telecomunicações no Brasil seja estudado criteriosamente, para que a escolha do modelo a ser implementado (descentralizado ou centralizado) e até mesmo análise dos acordos a serem firmados entre as operadoras, não traga grandes impactos às redes e ao mercado, tornando a portabilidade um fracasso nas telecomunicações brasileiras.

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6 Referências Bibliográficas

[1] www.planalto.gov.br/ccivil_03/decreto /2003/D4773.htm

[2] www.anatel.gov.br [3] http://www.icp.pt/template12.jsp?cate

goryId=2864 [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-tromb

oning [5] FONSECA. Ailton Marques.

PORTABILIDADE DE CÓDIGO DE ACESSO, A NOVA IDENTIDADE NUMÉRICA. Brasília 02 de dezembro de 2004.

[6] MANDARINO. Fábio. ESTRATÉGIA

PARA A INTRODUÇÃO DA PORTABILIDADE DE CÓDIGO DE ACESSO NO BRASIL. Brasília, março de 2003.

7 Biografia

Eduardo Augusto Dias Fonseca, cursando o 8º semestre de Engenharia de Telecomunicações no IESB, Brasília/DF. Atualmente trabalhando na empresa de telefonia móvel VIVO na

Divisão de Engenharia de Rede de Acesso CO-N /Gerência de Radiofreqüência e Otimização.

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GNU RADIO E INDEPENDÊNCIA DO HARDWARE EM SISTEMAS EMBARCADOS: CONSIDERAÇÕES SOBRE A APLICABILIDADE DE SCA

COMO ALTERNATIVA EM BUSCA DE MAIOR FLEXIBILIDADE

MARIA SÍLVIA ITO RAFAEL SCHENA

Engenharia Elétrica

Universidade de Brasília - UnB

http://www.ene.unb.br e-mails: [email protected] [email protected]

Resumo – Um Rádio Definido por Software ideal é versátil, opera em vários modos e várias bandas. Para se alcançar essa versatilidade é necessária a criação de um conjunto de regras que padronize um sistema de rádio para que vários deles possam interoperar entre si. Uma das arquiteturas mais aceita atualmente como realização dessas regras é a SCA, que, por sua vez, utiliza CORBA como middleware. Isto possibilita o uso de várias plataformas no funcionamento de um rádio de forma que esse opere com outros rádios de plataformas diferentes. Esta proposta utiliza GNU Radio para fazer o processamento de sinais de modo flexível sobre um único processador. Utiliza-se também a placa USRP, como front-end. Por fim, é levantada a hipótese de se embarcar o sistema de RDS proposto em dispositivos reconfiguráveis, para assim possibilitar a portabilidade do sistema.

.

Abstract – An ideal Software Defined Radio is versatile and operates in multiple modes and bands. In order to achieve the desired versatility, the creation of a set of rules is necessary to standardize a radio system so that the radios could interoperate. One of the most accepted architectures as an accomplishment of this set of rules is SCA, wich uses CORBA as middleware. CORBA allows the use of several platforms in the functioning of a radio so that it operates with other radios using different platforms.This proposal uses GNU Radio,to process signals in a flexible way over a single processor, with the USRP board as front-end. Finally, the hypothesis of embedding the SDR system proposed in reconfigurable devices is raised, so that the portability of the system is allowed. Keywords – SDR, Reconfigurability, SCA, CORBA, USRP, GNU Radio

1 Introdução

O projeto de um Rádio Definido por Software (RDS) almeja produzir um único transceptor reconfigurável capaz de atuar, por exemplo, como telefone sem fio, celular, GPS (Global Position System), e outras funções, e que seja operável em qualquer lugar do mundo. Daí é necessário um dispositivo multi-modo e multi-banda para que esse esteja apto a receber várias interfaces aéreas e bandas de transmissão.

Existe uma grande variedade de tecnologias, tanto de suporte ao software, como CORBA (Common Object Request Broker Architecture) e MVR (Máquina Virtual de Rádio), quanto de hardware,

como DSP (Processador Digital de Sinais), FPGA (Matriz de Portas Lógicas Reconfiguráveis) e ASIC (Circuito Integrado de Aplicação Específica), existentes no mercado e que vêm melhor atender determinadas necessidades.

Das três tecnologias de hardware citadas, o DSP apresenta maior capacidade de reprogramação. Apresenta, também, um bom desempenho, porém com um consumo maior de potência, podendo inviabilizar ou dificultar aplicações com dispositivos portáteis. O ASIC, em oposição ao DSP, privilegia o desempenho com baixo consumo, porém apresenta baixa capacidade de reprogramação. Já o FPGA possui desempenho e reprogramação

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intermediários se comparado ao DSP e ASIC.

Quanto às tecnologias de suporte ao software, a MVR representa uma maior flexibilidade e portabilidade do software, com baixo custo e integração dos mercados militar e comercial, com a conseqüente redução dos custos dos produtos militares. MVR, em conjunto com MVJ (Máquina Virtual Java), promove um middleware comum para desenvolvedores de software e hardware, simplificando e otimizando, assim, o desenvolvimento do RDS [1,2].

Com a profusão de tecnologias de hardware e configurações de interfaces aéreas, deve haver a padronização de procedimentos para a reconfiguração do rádio. Daí a necessidade de um middleware que possibilite o uso de várias plataformas software-hardware, na tentativa de integrar vários sistemas de rádio existentes. O JTRS (Joint Tactical Radio System – Sistema de Rádio Tático para Operações Combinadas), um projeto militar americano com a finalidade de integrar rádios militares, estabeleceu, para a defi-nição de elementos interoperáveis a Arqui-tetura de Comunicações de Software (SCA - Software Communications Architecture), uma arquitetura aberta que possibilita a gerência e interconexão de recursos de software em um ambiente computacional distribuído embarcado [3]. A SCA fornece um conjunto de regras focalizado nas especificações e nos padrões detalhados do desenvolvimento do rádio – incluindo a interface aérea e o software aplicativo – que detalha o que deve ser feito para tornar o sistema interoperável e para se ter equipamentos, software e outros componentes de rede permutáveis

Como middleware de sua estrutura central, o SCA utiliza CORBA, especi-ficação desenvolvida pela OMG (Object Management Group). O CORBA é uma infra-estrutura aberta e independente de fabricante, que fornece interfaces e mode-los independentes de plataforma para aplicações computacionais distribuídas e portáteis. Como o SCA e, conseqüente-mente, o CORBA estão progressivamente sendo adotados como padrão pelo Fórum de Rádio Definido por Software (Software Defined Radio Forum– SDRF)[4], tornam-se candidatos naturais de um estudo mais aprofundado e estão sendo explorados como objeto de pesquisa do grupo de

Rádio Definido por Software da Universidade de Brasília.

Por outro lado, o grupo de trabalho já utiliza a plataforma formada pela placa USRP (Universal Software Radio Peripheral) e o GNU Radio como base inicial de pesquisa na área. Nesta plataforma, a placa USRP é responsável pela conversão A/D e D/A e pela transmissão dos sinais digitalizados para o PC, enquanto o GNU Radio é uma biblioteca de blocos de processamento de sinais para a construção de RDS. Como esta plataforma USRP + GNU Radio apresenta limitações por não manter independência do hardware do rádio, uma idéia sendo explorada na pesquisa e alvo deste artigo é o estudo da adequabilidade da especificação SCA a esta plataforma. Em outras palavras, a arquitetura a ser proposta neste artigo pode ser usada na construção de um protótipo de RDS, independente de um PC. A camada de hardware é composta por uma antena e um dispositivo de processamento reconfigu-rável, enquanto a camada de software é composta basicamente pelo GNU Radio rodando sobre um kernel Linux. Existe ainda uma camada de middleware (CORBA) responsável pela independência do sistema em relação ao hardware utilizado.

Para explanar as bases dessa proposta, o artigo está organizado da seguinte maneira. A seção 2 trata sobre os principais aspectos de SCA. A seção 3 explana a estrutura da plataforma baseada em GNU Radio e a placa USRP e a seção 4 apresenta limitações dessa plataforma. A seção 5 aponta para as direções a serem tomadas no decorrer da pesquisa e a seção 6 conclui o artigo, apresentando as expectativas quanto ao desenvolvimento da pesquisa.

2 SCA e middleware CORBA

SCA foi desenvolvida na busca do dos futuros sistemas de comunicação, fazendo uso dos avanços das tecnologias já existentes, com a finalidade de enfatizar ainda mais a interoperabilidade de um sistema e reduzir custos de desenvol-vimento e distribuição [5]. Sua estrutura pode ser observada na Figura 1. Como a padronização é a chave para a aceitação de uma tecnologia, o programa JTRS está cooperando com o Fórum de Rádio Definido por Software (Software Defined Radio Forum - SDRF) e a OMG. O SDRF

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está envolvido no desenvolvimento da SCA, com a finalidade de garantir a conformidade com necessidades tanto comerciais como militares [3].

Figura 1 – estrutura da arquitetura da SCA

A versão explorada na pesquisa é a SCA 3.0, que descreve e explica detalhadamente as exigências dessa espe-cificação. Entre as descrições encontra-se o ambiente operacional, arquitetura do hardware e do software e INFOSEC.

Uma das bases da SCA é a utilização de CORBA como middleware. O CORBA é uma infra-estrutura aberta e independente de fabricante que fornece interfaces e modelos independentes de plataforma para aplicações computacionais distribuídas e portáteis [1]. É recomendada para o desenvolvimento de novas aplicações e a integração destas a siste-mas existentes.

O CORBA é usada no fornecimento de serviços de middleware de plataforma cruzada (cross-platform middleware service), que simplificam operações cliente-servidor padronizadas em um ambiente distribuído ao omitir os mecanismos de comunicação sob um barramento de software ORB (Object Request Broker software bus). Um objeto CORBA é uma entidade virtual capaz de ser localizada por um ORB. O objeto é virtual no sentido de que este não existe se não for concretizado pela sua implementação escrita em uma linguagem de programação. Um cliente é uma entidade que faz pedidos ao objeto CORBA.

O funcionamento do CORBA, seus clientes e objetos estão esquematizados na Figura 2. Cada objeto possui uma referência, que funciona como um endereço do mesmo. Um cliente faz um pedido a um objeto da seguinte maneira: o pedido do cliente passa pelo IDL stub para

o ORB e depois pelo IDL skeleton para, finalmente, chegar ao objeto onde o pedido é executado. Tanto o stub quanto o skeleton esquematizados são interfaces bem definidas em IDL (Linguagem de Definição de Interface).

Figura 2 – Pedido realizado de cliente para objeto

Com a finalidade de requisitar um

objeto remoto (Figura 3), o cliente precisa obter a referência do objeto, e com esta, o cliente faz o pedido ao objeto, como se este fosse um objeto local. O ORB do cliente localiza o ORB em que o objeto se encontra e o pedido é feito. Mas para que o pedido passe entre diferentes ORBs é necessário que ambos os ORBs operem em um protocolo comum, o IIOP (Internet Inter ORB Protocol) [6].

Figura 3 – A interoperabilidade usa comunicação de ORB para ORB

3 A plataforma de RDS formada pela placa USRP e o GNU Radio

A placa USRP [8,9], foi desenvol-

vida por Matt Ettus para ser uma alternativa de baixo custo à implementação de modelos de RDS baseados no GNU Radio. A placa USRP, mostrada na Figura 4, atua como um front-end, fazendo conversões AD e DA, multiplexações e decimações.

A placa USRP é composta basicamente de: a) quatro conversores A/D 64 MS/s 12-bit, para digitalizar o sinal vindo da antena na recepção. Tais conversores podem digita-

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lizar um sinal de freqüência máxima de até 200 MHz com banda de até 32 MHz. b) quatro conversores D/A 128 MS/s 14-bit, para tornar analógico o sinal a ser transmitido. c) um FPGA Altera EP1C12 Q240C8 "Cyclone" para reduzir as taxas de transmissão (decimação) de dados para taxas compatíveis com uma conexão via USB. Ou seja, a decimação é feita no FPGA, apesar de seus parâmetros serem definidos no software, através de variáveis criadas no script Python. Outra função executada pelo FPGA é a multiplexação, para que até quatro sinais possam ser processados simultaneamente (dois recebidos e dois transmitidos). Tal multiple-xação é necessária pois todos os sinais devem passar pelo mesmo canal da placa USRP para o PC. d) dois slots para placas-filhas de trans-missão e dois slots para placas-filhas de recepção. e) Uma interface USB 2.0.

Figura 4 – Placa USRP com duas placas-filhas básicas de transmissão e duas de recepção.

A placa USRP juntamente com um PC e uma antena apropriada para recepção e transmissão dos sinais constituem o hardware necessário para a montagem desta plataforma. Já o software é composto pelo GNU Radio rodando sobre um kernel Linux com alguns programas auxiliares. O GNU Radio [10, 11] é uma biblioteca de blocos de processamento de sinais de código aberto, uma das diversas partes integrantes do projeto GNU de

software livre, fornecendo um conjunto de ferramentas necessárias para a criação de um RDS. O GNU Radio fornece blocos de código em C++ para processamento de sinais e são conectados por scripts Python, uma linguagem interpretada e de alto nível, que acompanha muitas das distribuições Linux. Com isso, o programa não perde em desempenho, por ter suas funções críticas escritas em C++, e tem os fluxos de tratamento dos sinais montados facilmente, permitindo que qualquer usuário crie um RDS apenas criando um diagrama de blocos e implementando-o em Python.

A partir da plataforma apresentada até agora, pode-se construir um protótipo de RDS para a transmissão e recepção de sinais de áudio, com a estrutura do fluxo de dados para transmissão e recepção apresentada na Figura 5. Analisando a figura, verificam-se as principais etapas do seu funcionamento, tanto na transmissão quanto na recepção.

Na recepção, o sinal é recebido pela antena e então segue para a placa USRP, onde é digitalizado e decimado para reduzir a taxa de transmissão de dados. Segue então via USB para o PC, onde é, então, demodulado pelo GNU Radio e depois vai para a placa de som.

Na transmissão o processo é inver-so: um sinal de áudio é captado por um microfone e segue para a placa de som, de onde é lido por um bloco do GNU Radio, e em seguida é modulado e segue para a placa USRP via porta USB. Lá chegando, o sinal é convertido pelo conversor D/A para então ser transmitido pela antena.

Figura 5 – Transmissão e recepção na plataforma USRP + GNU Radio.

4 Reconfigurabilidade oferecida pela plataforma USRP+GNU Radio e suas

limitações

Dentro da filosofia de RDS, onde é imprescindível a capacidade de reconfigu-ração para que o sistema possa operar em outros modos, outras faixas de freqüência e

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utilizando diferentes métodos de modulação e demodulação, a plataforma de RDS apresentada pode utilizar todos os módulos já presentes no núcleo do GNU Radio. Há também a possibilidade de se aproveitar o fato de o GNU Radio ser uma biblioteca de código aberto para modificar qualquer um dos seus módulos ou blocos de código para se adaptar a um problema específico, bem como criar soluções próprias. Na Figura 6, verifica-se um esquema mostrando apenas as etapas de aquisição e exportação dos dados via USB, a modulação e demodulação, e por fim, a aquisição e exportação dos dados da placa de som.

Figura 6 – Diversos métodos de modulação e demodulação já estão inclusos no GNU Radio

Apenas com a mudança de um script, pode-se substituir o método de modulação e demodulação e o tipo de sinal que se está sendo transmitido. É possível, por exemplo, receber um sinal modulado em amplitude de um ponto e depois receber um sinal com uma modulação FSK (Frequency Shift Keying), sem que, com isso, tenha-se a necessidade de se substituir o hardware utilizado.

Apesar de ser bastante didática e funcional, e da relativa versatilidade apresentada, essa plataforma apresenta limitações pelo fato de não guardar independência em relação ao hardware que a suporta. Por exemplo, poderia se pensar em um processador separado exclusivo para a realização de codificação e de decodificação convolucional. Neste caso, não há como, usando o GNU Radio, enviar o fluxo para a codificação ou para a decodificação nesse processador sepa-rado. Generalizando, isso resulta numa dificuldade em se obter soluções embar-cadas em RDS baseadas no GNU Radio. Isso porque existe uma maior dificuldade em se explorar, da melhor maneira, a menor capacidade computacional e de armazenamento de dispositivos embarca-dos típicos, que podem oferecer diver-

sidade de tecnologias, como FPGA e DSP, por exemplo. 5 Proposta de aplicação de arquitetura SCA e de middleware CORBA em um

ambiente reconfigurável de RDS baseado no GNU Radio

A limitação da plataforma USRP +

GNU Radio apresentada impõe restrições à utilização da grande variedade de ferramentas fornecidas pelo GNU Radio em uma plataforma independente do PC. Nesse sentido, é sugerida a aplicação da SCA à estrutura do GNU Radio. Assim, o protótipo de RDS poderá interoperar com outros rádios definidos pela SCA.

Na etapa seguinte do projeto, o CORBA será embarcado no sistema operacional Linux. Assim o GNU Radio poderá operar sobre diferentes plata-formas. O uso de CORBA facilitará o pro-cessamento do sinal de forma que este, com o auxílio do middleware citado, poderá ser distribuído entre dois ou mais dispo-sitivos de processamento, com a finalidade de não sobrecarregar o dispositivo de processamento reprogramável (ver Figura 7).

Figura 7 – Esquema de camadas a ser estudado

O uso de arquitetura SCA e do middleware CORBA permitirá, por exemplo, embarcar o GNU Radio em um FPGA. Neste caso o GNU Radio operará sobre um kernel Linux desenvolvido especificamente para este tipo de dispositivo de proces-samento, como é o caso do NIOS uClinux [12,13,14], uma distribuição Linux embar-cada concebida especialmente para o pro-cessador NIOS, utilizado em FPGAs Altera.

6 Conclusão

A tecnologia de Rádio Definido por Software tem ainda um longo caminho a percorrer antes que possa estar presente na vida da maioria das pessoas. Contudo, essa realidade começa a ser vislumbrada com a reconfigurabilidade e a interope-

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rabilidade sendo suas principais caracte-rísticas.

Tentando mostrar este aspecto, o artigo faz uma breve incursão à SCA, que define regras para arquiteturas de RDS, e o CORBA, um middleware usado pela SCA para permitir uma maior flexibilidade no uso das diversas plataformas disponíveis. Por outro lado, tem-se o GNU Radio, que se utiliza de uma estrutura de software livre para permitir uma flexibilidade de soluções quanto ao processamento dos sinais em RDS. Juntamente com o GNU Radio, tem-se a placa USRP, formando uma plata-forma para a construção RDS didática e funcional, porém limitada no sentido de ser dependente de um PC.

Assim, propõe-se a aplicação da SCA e do middleware CORBA, no que couber, ao GNU Radio, fazendo com que se possa prescindir de um dispositivo único de processamento, abrindo novas possi-bilidades ao uso do software livre. Isto possibilitará também a divisão do proces-samento entre dois ou mais dispositivos, uma vez que tais dispositivos repro-gramáveis não possuem a mesma capacidade de processamento que os processadores utilizados em PCs atualmente.

7 Agradecimentos

Agradecimentos ao professor Eduardo Wolski pelo grande auxílio prestado durante a evolução dos estudos realizados pelo grupo em Rádio Definido por Software. Ficam também registrados os agradecimentos ao amigo e colega de projeto Francisco Augusto da Costa Garcia, que contribuiu muito nos estudos realizados pelo grupo desde a entrada deste no Projeto RDS – UnB.

8 Referências Bibliográficas [1] Lima, André Gustavo, “Rádio Definido

por Software: o próximo salto no mundo das telecomunicações e computação” (http://www.revdigonline.com/artigos_download/art_13.pdf)


Francisco Augusto da C., TAKADA, Izumi Renata S., SASAKI, Marcello G, Princípio do RDS e Aplicação no DSP-10, DSPX e FPGA com Sistema Semi-embarcado, available on-line in:

(http://www.revdigonline.com/artigos_download/art_2)

[3] Isomäki, Petri; Avessta, Nastooh, “An

Overview of Software Defined Radio Technologies”(www.tucs.fi/publications/insight.php?id=tIsAv04a&table=techreport)

[4] “A Software Communications Archite-

cture Compliant Software Defined Radio Implementation” (www.ece.neu. edu/info/architecture/publications/mbicer.pdf)

[5] JTRS SCA, disponível em

(http://jtrs.army.mil/) [6] OMG CORBA, disponível em

www.omg.org [7] Software Radio – a Modern Approach

to Radio Engineering, Jeffrey H. Reed, Prentice Hall, 2002.

[8] UniversalSoftwareRadioPeripheral,

(comsec.com/wiki?UniversalSoftwareRadioPeripheral)

[9] USRP User's Guide, (home.ettus.com/

usrp/usrp_guide.html) [10]GNU Radio - The GNU Software Radio,

(http://www.gnu.org/software/gnuradio/) [11]Dawei's GNU Radio Tutorials,

(http://www.nd.edu/~dshen/GNU/) [12]uClinux Embedded Linux -

Microcontroller Project (www.uclinux. org)

[13] NIOS µClinux Project

(http://www.enseirb.fr/~kadionik/embedded/uclinux/nios-uclinux.html)

[14]McCULLOUGH, David, “uClinux for

Linux Programmers”, Linux Journal, disponível online em (www.linuxjournal.com/article/7221)

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9 Biografias

Maria Silvia Ito cursa o sétimo semestre de Engenharia Elétrica na Universidade de Brasília – UnB, onde participa como voluntária do projeto de Rádio Definido por Software.

Rafael Schena é estudante de engenharia elétrica na Universidade de Brasília, onde cursa o sétimo semestre. Aluno do programa voluntário de Iniciação Científica – PIBIC – UnB/CNPq.

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PESQUISA DA ARQUITETURA E ELETRÔNICA APLICADA À RECONFIGURABILIDADE DE UM RÁDIO DEFINIDO POR SOFTWARE

FRANCISCO AUGUSTO DA COSTA GARCIA

Engenharia Elétrica Universidade de Brasília - UnB

http://www.ene.unb.br e-mail: [email protected]

Resumo – Dando prosseguimento ao projeto proposto há um ano, no Laboratório de Estruturas de Microondas e Ondas Milimétricas (LEMON) da UnB, de desenvolvimento de um protótipo de Rádio Definido por Software a partir de um COTS, fazendo uso de um DSP, este artigo pretende definir os requisitos eletrônicos envolvidos na realização da reconfigurabilidade desse RDS. Esses parâmetros permitirão a alteração de características do sistema pelo usuário e suplantarão as limitações de operabilidade do programa do protótipo atual. É esperado, como resultado, um novo hardware mais compatível com os sistemas atuais. Devido à natureza deste tipo de pesquisa, este projeto pode realizar contribuições significativas no sentido de prover uma base de desenvolvimento de Rádios Definidos por Software mais próximos do que se define como o ideal, permitindo análise de desempenho em termos de processamento e tempo de troca de modos. Abstract – Following the project proposed one year ago to develop a Software Defined Radio prototype from a COTS using a DSP, the article intends to define the involved electronic requirements in the accomplishment of the reconfigurability of the SDR, overcoming the software limitations of the current prototype. These parameters will allow for user changes in the system's characteristics. Thus, a hardware with a higher compatibility to the current systems is expected. Due to nature of the research, this project may bring out some significant contributions in the direction of providing a development in Software Defined Radios nearer to what is deemed as ideal, allowing for processing and time performance analysis. Keywords – Software Defined Radio, SDR, Digital signal processor, DSP, smart antenna.

1 Introdução

O grupo de estudos em RDS da Universidade de Brasília tem desenvolvido pesquisas sobre o desenvolvimento de um Rádio Definido por Software simples, a partir de um produto já pronto e disponibilizado para venda imediata, mas com outras finalidades, um COTS. Trata-se de um rádio digital, processado por um DSP, com hardware rigidamente fixo. Ou seja, a reconfigurabilidade desse rádio deverá envolver alterações radicais em seu projeto. Com o Rádio Definido por Software, pode-se ter uma grande variedade de interfaces aéreas e modos de operação para o rádio. Assim, com o desenvolvimento do RDS pretende-se atender à gama de serviços pessoais

disponíveis como acesso à rede celular, TV Digital, redes WLAN, WPAN, etc.

A convergência dos sistemas

móveis pessoais para um único dispositivo é uma previsão já assumida por toda a comunidade científica para alcançar os objetivos dos sistemas de 4ª geração. Por este motivo, este trabalho propõe um reconfigurador de dois modos para o hardware já testado na UnB [1, 2].

Os aspectos envolvidos no

reconfigurador envolvem antenas inteligentes, filtros digitais, eletrônica embarcada, processamento digital de sinal e software de utilitários e de segurança. Uma descrição dos trabalhos já realizados e resultados obtidos pelo grupo de RDS da UnB podem ser encontrados em [1, 2]. Não

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é objeto desse artigo esgotar todos os temas relacionados, mas abordar algumas características da eletrônica envolvida.

Este artigo apresenta no item 2

uma evolução dos sistemas de comunicação rádio. No item 3, a proposta de implementação do reconfigurador é feita, além de comentar a sua comunicação com um terminal computador. Finalmente, o item 4 realiza algumas conclusões.

2 A evolução dos Sistemas de

Rádio

Nos últimos 100 anos, quase que foi ocupado todo o espectro de rádio com tantos serviços disponibilizados, como radiodifusão, serviços de comunicações críticas, rede celular, enlaces de microondas, comunicação satélite, entre outras. Esses serviços ocupam, inclusive, as freqüências mais altas, da faixa de MHz até muitos GHz. Dessa forma o esquema de transmissão com uso de transmissores superheteródinos com uma única freqüência intermediária não são suficientes. Os sinais são, em sua maioria, banda estreita e, dessa forma, imprecisões dos componentes discretos eletrônicos utilizados acarretam grandes problemas de ruído e inoperância. O abaixamento de freqüência necessário para a demodulação do sinal, em um único passo, para freqüências altas necessita de osciladores de grande precisão e de alto valor, o que é economicamente e tecnicamente inviável. O uso de duas freqüências intermediárias torna-se então inevitável.

Assim, esse novo paradigma dos

rádios, aliado à necessidade de processar os sinais digitalmente, implicou que a segunda freqüência intermediária seja muito baixa, perto da banda básica. Os sinais precisam estar dessa forma para que os conversores analógico-digitais possam tomar amostras suficientes para poder recompor o sinal sem comprometimento de qualidade. Mesmo atualmente, não são viáveis conversores de alta freqüência com alta resolução.

No entanto, essas alterações no

hardware dos rádios os deixaram rígidos para eventuais reconfigurações, visando mais serviços ou modos. É nesse sentido, de propor reconfigurabilidade, que o RDS propõe a proximidade da amostragem do sinal na antena, com todas as dificuldades

que isso acarreta para o projeto do hardware e todas as facilidades de reconfigurabilidade do software.

Seguindo os modelos de migração

para uma arquitetura RDS da Figura 1, tem-se que o COTS da UnB se enquadra mais próximo da última linha, com duas FI’s seguida da conversão do sinal para digital. Ao final, pretende-se um dos outros métodos [2].

Figura 1 – Possibilidades de migração dos sistemas de Rádio para uma arquitetura

RDS [2 modificado]

3 O Reconfigurador

Na tentativa de minimizar o retrabalho na placa de circuito impresso do Rádio Digital protótipo da UnB, e seguindo o caminho natural do sinal advindo da antena até o dispositivo de processamento, foi sugerido um reconfigurador de dois modos para trabalhar na faixa de VHF baixa e alta.

Os dois modos serão carregados

para o DSP por meio de um barramento de alta velocidade, como o USB, possibilitando, inclusive, um caminho bidirecional para dados. O código referente a cada um dos modos irá então configurar os pinos de entrada e saída do DSP, configurar o tipo de modulação esperado, verificar a codificação do canal e finalmente, reconfigurar o DDS, Direct Digital Synthesis. O DDS é responsável pela geração da freqüência do oscilador local, que, juntamente com o misturador, irão realizar a conversão do sinal RF para uma freqüência intermediária fixa para os dois modos. A partir dessa FI invariável fica mais coerente usar um tipo único de conversor analógico-digital sem alteração de configuração para o mesmo. Ou seja, ter-se-á indubitavelmente o sinal dentro da faixa do conversor analógico-digital, independentemente da freqüência de

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chegada, pois a freqüência do DDS forçaria um abaixamento para essa freqüência fixa.

O sinal RF, chegando atenuado na

antena, passa por um LNA e por um filtro de seletividade na faixa de VHF, com alto índice de rejeição fora da faixa desejada. Após o misturador, que realiza o abaixamento de freqüência, segue um segundo filtro passa-baixas e o conversor analógico-digital, que disponibiliza o sinal amostrado ao DSP para processamento do sinal em banda básica. A Figura 2 apresenta um diagrama destes passos.

Figura 2 – Diagrama proposto do reconfigurador de dois modos O modelo para o DDS a ser usado,

figura 3, é na forma de um oscilador controlado numericamente para formar de forma ágil uma onda senoidal com uma freqüência e fase. Por meio de técnicas de processamento de sinais integradas e uma tabela de consulta, look-up table, em uma memória ROM, é possível obter uma freqüência de saída com uma precisão de 0,0291Hz com um relógio de 125MHz de referência. Essa freqüência pode ser atualizada cerca de 20 milhões de vezes por segundo, podendo inclusive gerar sinais modulados. Essas características

fazem parte do modelo AD9850 da Analog Device.

Existem duas formas de se

configurar a freqüência a ser sintonizada. Ou isso é feito com 5 Bytes, quatro para a freqüência e um para a fase, ou 50 bits serialmente.

Figura 3 – Diagrama de blocos do DDS AD9850, da Analog Device, considerado

para o circuito em questão Um Rádio definido por Hardware

(rádios convencionais) normalmente é configurado para apenas um esquema de transmissão/recepção, que envolve qual modulação usar, como será a interface de controle, canais e freqüências de transmissão e de recepção. No caso proposto, há reconfigurabilidade por se tratar de dois modos diferentes, que podem ter esquemas de modulação, codificação da fonte e do canal, e até mesmo técnicas de segurança da informação diferentes. Isso se faz possível pela interface com o computador.

O projeto do COTS em seu estado

natural difere em muitos aspectos mencionados do projeto proposto, dado que para o COTS não era prevista alteração do modo e o projeto era a princípio um rádio amador digital.

Para elucidar as principais diferenças entre o projeto original e o novo projeto proposto, segue uma análise do que fica e o que vai ser trocado, alterado, ou acrescentado.

A placa original já conta com o

LNA, low noise amplifier, ou amplificador de baixo ruído, e um filtro passa-faixa como desejado para o reconfigurador. No entanto, a resposta do filtro deve ser diferente. A seletividade do circuito original implica inevitavelmente em apenas um modo de operação, haja vista que qualquer sinal fora da região de 144-148MHz é

LNA Filtro Passa-faixa VHF

DDS

ADC

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fortemente atenuado, Figura 4 [3, 4]. Ou seja, o reconfigurador, para ser capaz de operar em dois ou mais modos deve: ou implementar filtros analógicos reconfiguráveis com chaves, ou mesmo um banco de filtros adaptados para cada faixa desejada, correndo o risco de ruído interno e circuitos excessivamente grandes, ou fazer uso de um único filtro com pouca atenuação para as faixas em questão e nulos fora delas. Para modos trabalhando em VHF alto e VHF baixo, na faixa de 60MHz e 150MHz, foi escolhida a segunda forma: um único filtro com resposta em freqüência fixa no lugar do original.

Figura 4 – Resposta em freqüência do primeiro filtro que antecede o primeiro

abaixamento de freqüência [4] O projeto do DSP-10 possui duas

freqüências intermediárias até fazer o processamento do sinal em banda básica, em 15kHz. Os osciladores locais, localizados após a filtragem do sinal são fixos e controlados por um PLL, phase locked loop, que é controlado pelo DSP-10. Para geração do sinal é usado um cristal de referência de 10MHz.

A sugestão inicial do

reconfigurador é diminuir o número de freqüências intermediárias para somente uma, aproximando a digitalização da antena como uma alternativa para a arquitetura RDS, Figura 1. Com a alternativa de fácil reconfigurabilidade e alta precisão do DDS já explicado, far-se-á a substituição do oscilador local. Há grande vantagem também do ponto de vista de tamanho e da diminuição do circuito adjacente necessário. A proposta é que para qualquer módulo de rádio em funcionamento, a reconfiguração do DDS force o deslocamento da freqüência para uma única freqüência, constante, a fim de fazer uso do filtro a cristal já montado no COTS.

Para o uso inicial do rádio, o sinal será apenas de voz com banda não superior à 4kHz. Assim, pode-se usar o

filtro a cristal já montado, que tem como resposta em freqüência o gráfico da Figura 5.

Figura 5 – Resposta em freqüência do segundo filtro passa-faixa, usado antes do

segundo abaixamento de freqüência no DSP-10 [4]

Desse ponto em diante, o circuito

original do COTS deve ser todo refeito para atender aos requisitos do reconfigurador. O sinal analógico já filtrado e centrado em 19,665MHz é digitalizado com um conversor A/D de 65 MSPS de 14 bits. Dada a banda passante do filtro de cristal supracitado, uma subamostragem do sinal com um conversor menos poderoso é uma alternativa a ser avaliada no futuro [5].

O sinal digital de 14 bits entra

serialmente para decimação no DSP e demodulação. Parte dessas funções podem ser feitas no computador como é também a proposta da placa USRP (Universal Software Radio Peripheral) [6], também objeto de estudo do Grupo de Rádio da UnB.

A comunicação com um

computador está prevista para fazer uso do protocolo USB 2.0, com taxas de transmissão de até 480Mbps. Esse caminho bidirecional pode auxiliar o processador do rádio calculando e recalculando o ganho da antena, algoritmos de criptografia, além de permitir carregar novos modos para a interface do front-end. O DSP se comunica com a porta USB com a ajuda do integrado USBN 9603 que é um controlador de barramento serial universal Full Speed com suporte para DMA, direct memory acess [7].

4 Conclusão Nesse artigo pretendeu-se

aprofundar nos quesitos da eletrônica envolvida na reconfigurabilidade de um RDS. O estudo do RDS envolve ainda outras partes como a antena e o programa

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a ser carregado no dispositivo de processamento. Outros pesquisadores estão trabalhando especificamente nessa área e terão seus trabalhos agregados ao reconfigurador proposto.

Ao se comparar a arquitetura

proposta com as possibilidades de evolução para um sistema RDS da Figura 1, observa-se que o projeto aproxima-se do segundo método descrito, haja vista as técnicas utilizadas para o reconfigurador.

Desse modo, o protótipo proposto se configura como uma plataforma RDS simples. A repetição desse front-end RF em paralelo com outros é visto ainda como um próximo passo do projeto. Com várias antenas, configurando uma matriz de antenas, poderia-se recalcular o ganho de cada antena separadamente para alterar o diagrama de radiação da mesma. Espera-se atingir um melhor desempenho e melhor relação sinal ruído. Com essas antenas inteligentes, tem-se a diminuição da interferência co-canal e do multipercurso. Da mesma forma, pode-se calcular a direção de chegada do sinal na antena.

Agradecimentos

A todos do grupo de Rádio da UnB,

que sempre estiveram presentes. Ao GPDS, Grupo de Processamento Digital de Sinais da UnB, pelo espaço físico cedido para pesquisa.



Francisco Augusto da C., TAKADA, Izumi Renata S., SASAKI, Marcello G., Princípio do RDS e Aplicação no DSP-10, DSPX e FPGA com Sistema Semi-embarcado, volume 4, 2/2005 disponível online em: http://www.revdigonline.com/artigos_download/art_21.pdf.

[2] Fernanda Brandi S., Francisco A. C. Garcia, Izumi R. S. Takada, Marcello G. Sasaki, André G. M. Lima, Eduardo Wolski and Leonardo R. A. X. Menezes, Development of a Testbed to Intelligent Systems on Software Defined Radio, IMOC, International Microwave and Optoeletronics Conference, 2005, Brasília, Brasil

[3] LARKIN, Robert, DSP-10 Project, http://www.proaxis.com/~boblark/dsp10.htm

[4] LARKIN, Robert, The DSP-10: An All-Mode 2-Meter Transceiver Using a DSP IF and PC-Controlled Front Panel – Part I, II, III disponível online em: http://www.arrl.org/tis/info/sdr.html

[5] Analog Device, AD6644 - 14-Bit, 65 MSPS Wideband Analog-to-Digital Converter, disponível online em: http://www.analog.com

[6] Universal Software Radio Peripheral, http://comsec.com/wiki?UniversalSoftwareRadioPeripheral

[7] National Semiconductor - Universal Serial Bus Full Speed Node Controller with Enhanced DMA Support – disponível online em: http://www.national.com/pf/US/USBN9603.html

[8] Project: Linux DSP-10, disponível online em: http://sourceforge.net/projects/ linux-dsp -10/

[9] Fórum sobre Rádio Definido por Software www.sdrforum.org

[10] SCHNYDER, Franz, Haller, Implementation on FM Demodulator Algorithms on a High Performance Digital Signal Processor, Diploma Theses, Nanyang – Technological University

Biografia

Francisco Augusto da Costa Garcia é estudante de Engenharia Elétrica na UnB, Universidade de Brasília, onde cursa o 8° semestre. Aluno do programa voluntário de Iniciação Científica – PIBIC – UnB/CNPq. Estagiário de Engenharia de Hardware da WISE Telecomunicações

Trabalho desenvolvido com o apoio do CNPq/PIBIC – UnB e FAP/DF

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