NO.48 | 2018.10.31
banner
title有備而來 友善列印>>
2018成功大學無線電通訊研究室參訪心得_應用服務組 黃明哲工程師



    近年因為在無線通訊技術快速演進,造成頻寬需求大增,頻譜供給有了很大的挑戰,在經過3G、4G與數位電視普及使用後,顯然能供給部份越來越少了,最早在1991年由Joseph Mitola提出軟體定義無線電,並於美國軍事計畫(SpeakEasy)實現動態頻譜接取的應用,主要目標是使用程式模擬更多軍用無線電,模擬頻段為2至2000 MHz,藉由此動態頻譜接取技術,以提高頻譜之利用率。
 
    為因應未來5G頻譜動態管理與應用,安排此無線電通訊研究室參訪,希望建立與學術界溝通之另一管道,主講者為成功大學陳文字教授,為我們說明無線通訊技術之演進、動態頻譜接取、軟體定義無線電簡介、軟體定義無線電相關之應用及實際系統展示等主題,以及動態頻譜調頻與頻譜監測之應用及解決方案。
 
此次參訪主題與摘要:
無線電通訊技術介紹
一、Dynamic Spectrum Access
  動態頻譜接取的技術可偵測無線環境如頻率或傳送功率,讓無線設備可在未被使用的空閒無線頻譜上,即時調整傳輸參數並在該頻帶上傳送資料,利用空閒頻譜,有效解決無線頻譜使用率過低的議題,是非常有潛力的無線通訊技術。包括美國、英國、新加坡、日本等國目前正發展實驗室與戶外的動態頻譜接取網路測試,利用頻譜共享的方式,擴大運用有限的頻譜資源,亦促成新興的頻譜應用投資與產業,讓頻譜共享擁有更多樣性的發展,以改善頻譜使用的效率,並在2012年由IEEE制定架構,如下圖所示(引用來源:https://www.its.bldrdoc.gov/media/36337/3.6_Grande_ISART2012.pdf)



二、Software Defined Radio
  軟體定義無線電(Software Defined Radio,SDR)是一種實現無線通訊的新概念和體制。其中已在硬體被實現的組件(例如混頻器、濾波器、放大器、調變器 / 解調器、檢測器等),也可以通過軟體手段的個人計算機上或代替實施嵌入式系統。一開始應用在軍事領域,在21世紀初,由於眾多公司的努力,使得它已從軍事領域轉向民用領域,成為經濟的、應用廣泛的、全球通訊的第三代行動通訊系統的戰略基礎。
     SDR優勢有高靈活性和可重新配置性、硬體成本便宜、提高頻譜使用率等,教授特別強調在900至6000 MHz都可以使用同一台設備發送與接收電波,可以廣泛應用
在電信通訊。



三、SDR Development Environment


USRP (Universal Software Radio Peripheral)為通用無線電週邊設備收發器,可當收發器可傳輸/接收多個頻帶的無線電頻率訊號,並可用於通訊的教學與研究等應用,為電腦架構的裝置,可開發軟體定義的無線電,如下圖所示:


    樹莓派是由劍橋大學的Eben Upton及其他幾位老師所設計的,最初只是為了提供一台平價電腦和自由軟體,讓學生可以輕鬆取得,用來學習跟練習電腦科學的相關知識。原始目的只在於教學用途,但因為價格低廉、容易取得、方便攜帶、安裝簡單、運作穩定,且可以連接其他週邊設備,導致不只盛行在教育界,在創客(Maker)圈也是很常見,並實作各種的應用,如下圖所示(引用來源:http://blog.itist.tw/p/how-to-study-raspberry-pi.html?m=1):



    軟體的平台為GNU Radio,是一個免費的軟體開發工具套件,提供信號運行和處理的模組,可以在低成本的外部射頻(RF)硬體和微處理器上實現軟體定義無線電,主要是使用Python程式來編譯,但其核心處理模組是C++程式在微處理器上所建構,可安裝在Windows、Linux、Mac OS等作業系統下,並提供圖形介面,軟體內包含許多通訊模組,架構圖如下圖所示:



實機展示-以軟體定義無線電技術為主軸
 
一、動態擷取電波收聽電台及數位頻道
 
  第一步要先做發射與接收設備對頻設定,以軟體GNU Radio平台,動態控制軟體模組,主要模組有添加功能模組、連接功能模組、編輯參數模組、濾波器設計模組等,讓SDR設備結合軟體控制變成一個無線電收發器,並可指定收發電台頻率或數位頻道,完成接收或射頻的動作,展示成果如下圖所示:



二、無人飛行載具及SDR行動頻譜監測
 
  利用自組的四軸旋翼式無人飛行載具,原型重量約1.4公斤,並載著安裝GNU Radio的樹莓派與接收WiFi訊號的SDR設備,可克服行動監測車與電台位於高樓或山區無法有效監測電波的問題,但目前還有一些問題尚待解決,例如無人飛行機之續航力與WiFi接收距離受限等,展示成果如下圖所示:



    很榮幸能參加成功大學無線通訊研究室參訪,在陳教授詳盡解說無線電研究與應用,透過SDR軟硬體結合,提供無人飛行載具SDR行動監測頻譜管理、模擬車聯網發射訊號與接收、動態調頻實現數位電視收看等實作,因王彥中研究員正在籌辦5G頻譜共享管理平台研究計畫,我也受邀參與計畫,希望在動態頻譜擷取上,未來可利用軟體定義無線電技術來完成,以提供5G動態頻譜管理與監測一個解決方案。
 
 無線通訊環境將持續走向多個標準系統共存的未來,不管是系統設備供應商或是終端設備製造商,都將提供支援多重系統解決方案,同時擁有具彈性的軟及硬體系統,再進一步結合人工智慧與物聯網,以提高電信通訊產業之服務品質與附加價值。