Ohjelmistoradio

Ohjelmistoradio (engl. Software-defined radio eli SDR) on radiojärjestelmä, jonka ominaisuuksista suurta osaa voidaan määritellä ohjelmallisesti. Radiot luokitellaan ohjelmoitavuuden perusteella. Kansainvälinen ohjelmistoradion kehitykseen keskittynyt SDR Forum -organisaatio jakaa radiot viiteen luokkaan seuraavasti:

1. HW-radio (hardware radio)
2. Ohjelmistolla kontrolloitava radio (software controlled radio)
3. Ohjelmistolla määritetty radio (software defined radio)
4. Ideaalinen ohjelmistoradio (ideal software radio)
5. Lopullinen ohjelmistoradio (ultimate software radio)

Ohjelmistoradioluokat

HW-radio on perinteinen radio, jonka toimintaa voidaan muuttaa ainoastaan laitteistomodifikaatioiden kautta. ARP-radiopuhelin ja LV 217 ovat tästä esimerkkejä.

Ohjelmistolla kontrolloitavassa radiossa (esimerkkinä GSM-puhelin tai hyppivätaajuinen kenttäradio) kontrollitoiminnot on toteutettu ohjelmistolla, mutta esimerkiksi modulaatiomenetelmää ei voida muuttaa ohjelmistoa muuttamalla.

Ohjelmistoradiolla tarkoitetaan yleensä ohjelmistolla määritettyä radiota, jossa otetaan huomioon toteutuksen teknologiset rajoitteet. Tässä radiossa kaikki radiojärjestelmän toiminnot^selvennä toteutetaan ohjelmistolla. Radioon voidaan tallettaa ja ladata uusia aaltomuotoja (engl. waveform) tai lisätä uusia ominaisuuksia vanhoihin aaltomuotoihin ilman laitteistomuunnoksia, esimerkkinä häirinnän vaimennus. Radion toimintaa rajoittavat etupään (RF/IF-osat, A/D-ja D/A-muuntimet^selvennä) kaistanleveys ja dynamiikka-alue. Taajuusalueen muutos voi edellyttää RF/IF-osien vaihtamista. Tämän vuoksi ohjelmistolla määritettävät radiot suunnitellaan usein modulaarisiksi, jolloin RF/IF-moduulin vaihto on kohtalaisen helppoa.

Kaavio ohjelmistoradion toiminnasta

Ideaalisessa ohjelmistoradiossa signaalin näytteistys vastaanottimessa tapahtuu suoraan RF-taajuudella ja vastaavasti lähettimessä signaalin muodostus tapahtuu suoraan lähetystaajuudella. Alle 30 MHz:n taajuudella tämä voidaan tällä hetkellä toteuttaa, mutta käytännössä tähän ryhdytään hyvin harvoin, muun muassa kustannus- ja tehonkulutussyistä.

Lopullisen ohjelmistoradion määritelmässä ei huomioida teknologisia rajoitteita. Se on idealistinen kuvaus radiosta, joka kykenee toimimaan missä tahansa radiojärjestelmässä ja on käytännössä mahdoton toteuttaa.

Ohjelmistoradion edut

Ohjelmistoradion käytön tarjoamia etuja ovat käyttäjän mahdollisuus käyttää hyväkseen erilaisten radioverkkojen palveluja yhdellä radiolaitteella, radion toiminnan muokkaaminen käyttäjän tarpeiden mukaan, sekä uusien palvelujen ja kokonaisten radiojärjestelmien käyttöönotto ilman laitteistomuutoksia.

Ohjelmistoradion tärkeänä sovelluksena on nähty gateway-toiminto kahden eri verkon välillä. Tehtävä on vaativa, koska esimerkiksi TETRA- ja GSM-järjestelmät poikkeavat niin paljon toisistaan, että sovitus on tehtävä kaikilla OSI-kerroksen tasoilla. ^selvennä

Langattomien sotilas-, viranomais- ja kaupallisten viestintäverkkojen kehittyminen IP-pohjaisiksi ja tulevaisuudessa jopa yhteinen signalointi (SIP) helpottaa merkittävästi verkkojen sovittamista ja tarjoaa mielenkiintoisia tulevaisuuden mahdollisuuksia. Ohjelmistoradiotukiasema voi automaattisesti tunnistaa terminaalin käyttämän aaltomuodon ja adaptoida lähetteensä sen mukaan.

Radiojärjestelmien lukumäärän lisääntymien aiheuttaa taajuusspektrin ruuhkautumista. Koska ohjelmistoradio toimii laajalla taajuusalueella ja sen käyttämä aaltomuoto määritetään ohjelmistolla, tulevaisuudessa ohjelmistoradion avulla voidaan kontrolloida spektrinkäytön tehokkuutta paremmin kuin perinteisillä tekniikoilla.

Toimintojen määrittäminen ohjelmistolla mahdollistaa myös häiriönsietokyvyn parantamisen. Koska myös häiriönvaimennusmenetelmät toteutetaan ohjelmallisesti, voidaan radion muistista ottaa käyttöön menetelmä, joka on suunniteltu kulloiseenkin tilanteeseen.

Silloin kun ohjelmistoradiota ei käytetä tiedonsiirtoon, sitä voidaan käyttää muuhun toimintaan. Sen avulla voidaan tarkkailla signaaliympäristöä, analysoida vastaanotettuja signaaleja ja suorittaa signaalien tulosuunnan estimointia. Toisin sanoen ohjelmistoradio voi toimia tiedusteluvastaanottimena.

Jos radion laskentakapasiteettia on varattu suunnitteluvaiheessa riittävästi, radio voi suorittaa spektrin monitorointia myös tiedonsiirron aikana. Tiedonsiirtokäyttöön suunniteltu radio ei luonnollisestikaan korvaa tiedusteluvastaanottimia, mutta se voi tarjota lisäkapasiteettia tiedusteluun.

Ohjelmistoradion eräs tulevaisuuden kehitysversio on kognitiivinen radio. Kognitiivinen radio on älykäs radio, joka oppii vuorovaikutussuhteessa käyttäjäänsä ja toimintaympäristöön. Kognitiivisessa radiossa voi olla spektrin monitorointia hyödyntävä älykäs taajuudenhallintajärjestelmä, joka automaattisesti ja dynaamisesti valitsee toimintataajuuden taajuuksien käyttötilanteen mukaan. Siviilipuolella onkin suuri kiinnostus kognitiiviseen radioon, koska se pystyy hyödyntämään parhaiten käytettävissä olevat niukat taajuusvarat.

Sotilasjärjestelmien yhteydessä puhutaan usein verkkokeskeisestä sodankäynnistä, jonka yksi mahdollistava elementti on heterogeeninen verkko. Digitaalisen taistelukentän keskeinen elementti on taistelukentän elektroniset osakokonaisuudet yhdistävä tietoliikennealusta. Ohjelmistoradion kyky toimia useissa järjestelmissä mahdollistaa tällaisen tietoliikennealustan toteutuksen.

Esimerkkejä ohjelmistoradiohankkeista

Yhdysvaltain miljardien dollarien hankkeen, Joint Tactical Radio System (JTRS) tavoitteena on kehittää radio, jossa jopa kymmenien tämän päivän yksittäisten radioiden toiminnot integroidaan ohjelmistoradioperiaatetta käyttäen yhteen radioon. JTRS:n kehittämästä SCA:sta (Software Communication Architecture) on tullut sotilaspuolella ohjelmistoradioiden de facto -ohjelmistoarkkitehtuuri ja NATO on ilmeisesti ottamassa sen myös käyttöön.

On toivottu, että SCA:sta tulisi laajasti hyväksytty ohjelmistoradioarkkitehtuuri, koska tämä muuttaisi ratkaisevasti sotilasradioiden liiketoimintamallia ja täysimääräisesti voisi toteutua ohjelmistoradion keskeisin etu: ”3rd party waveforms on 3rd party platforms”. Avoimien rajapintojen ansiosta radio voisi koostua eri laitetoimittajilta ostetuista yksiköistä ja radion sovellusohjelmat (= aaltomuodot) voisi ostaa toisilta toimittajilta. Malli olisi hyvin samanlainen kuin tämän päivän PC-tietokoneissa.

Itse asiassa ohjelmistoradiota voidaan hyvinkin verrata PC-tietokoneeksi, jonka sisäänmenoon on kytketty RF-etupää ja A/D/A-muuntimet. Kilpailun myötä hinnat laskisivat ja radion ostaja voisi myös itse räätälöidä ja kehittää uusia aaltomuotoja radioon. Edut olisivat kaiken kaikkiaan mittavat.

Suomessa ohjelmistoradiotekniikkaa on tutkittu 1990-luvun lopulta lähtien ja Suomalainen tiede- ja teollisuusyhteisö kulkee kärkirintamassa ohjelmistoradiotekniikan osaamisessa. Puolustusvoimat on myös toteuttanut teknisenä tutkimus- ja tuotekehityshankkeena ohjelmistoradiodemonstraattorin.

Lähteet

• Tukiasema taipuu ohjelmistolla. Prosessori -lehti, 2007, nro 1, s. 22–25.

Aiheesta muualla

• SDR Forum http://www.sdrforum.org/ (englanniksi)
• Communications Research Center Canada (CRC) Software Defined Radio Research
• Eric Blossom explains Software Radio
• Finnish Software Radio Demonstrator
• Software Defined Radio Forum
• Radio Revolution, by Kevin Werbach
• Joint Tactical Radio System
• Zeligsoft Software Defined Radio Resources
• PrismTech Software Defined Radio
• Radioamatöörien avoin ohjelmistoradioprojekti http://www.flex-radio.com/ (englanniksi)
• Software Defined Radio links (dxzone.com)
• XG1 from Adapt 4 - commercial cognitive, software-defined radio (SDR) radio