PDF de programación - Integracin de Redes y Protocolos con SDR (Software Defined Radio)

Integración de Redes y Protocolos con SDR

(Software Defined Radio)

Jorge Estudillo-Ramírez, René Cumplido

Reporte Técnico No. CCC-00-004

18 de julio de 2005



© Coordinación de Ciencias Computacionales

INAOE

Luis Enrique Erro 1
Sta. Ma. Tonantzintla,
72840, Puebla, México.

Integración de Redes y Protocolos con SDR

(Software Defined Radio)



Jorge Estudillo Ramírez1, René Cumplido2



1,2Coordinación de Ciencias Computacionales,

Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica,

Luis Enrique 1, Sta. Ma. Tonantzintla,

72840, Puebla, México

[email protected], [email protected]



Abstract. Software defined radio is a concept that it is revolutionizing the technology of the
communications toward the integration of multiple architectures of wireless telecommunications
nets. However, the hardware reconfiguracion through software also demands a similar behavior of
the software oriented to regulate the exchange of information. In other words, it is important to have
outlines that allow the reconfigurability of the software of protocols used in the current and future
communications for their internetworking. In this work it will be analyzed the current structure of
the protocols stacks and their communication. The importance of the APIs is profiled with regard to
the outline based on SAPs of the current protocols stacks. Finally, three focuses are approached that
they try directly on aspects of software of protocols reconfigurability, giving with this a future
vision toward the integration between dynamic communication hardware - dynamic software of
protocols.

Resumen. Radio definido por software es un concepto que esta revolucionando la tecnología de las
comunicaciones rumbo a la integración de múltiples arquitecturas de redes de telecomunicaciones
inalámbricas. Sin embargo, la reconfiguración del hardware a través de software exige también un
comportamiento similar del software destinado a regular el intercambio de información. En otras
palabras, es importante contar con esquemas que permitan la reconfigurabilidad del software de
protocolos empleados en las comunicaciones actuales y futuras para su intercomunicación. En este
trabajo se analiza la estructura actual de las pilas de protocolos y su comunicación. Se perfila la
importancia de las APIs con respecto al esquema basado en SAPs de las pilas de protocolos
actuales. Finalmente, se abordan tres enfoques que tratan directamente sobre aspectos de
reconfigurabilidad de software de protocolos, dando con ésto una visión futura hacia la integración
entre hardware de comunicación dinámico – software de protocolos dinámico.

Palabras clave. Radio Defined Software, Protocols Integration, reconfigurability, Active Network,
Flexible Protocol Stacks, Adaptive Protocols, Multiprotocol Network.

1. Introducción.


El término “Software Radio” fue acuñado por Joe Mitola en 1991 para referirse a la clase de
“radios” re-programables o re-configurables [1]. En otras palabras, una misma pieza de hardware
puede realizar diferentes funciones en diferente tiempo. Con lo anterior podemos especular el hecho
de tener un dispositivo hardware de “propósito general” en un ámbito de comunicaciones. Este
concepto abre un amplio panorama de oportunidades para la industria de las comunicaciones y la
investigación en ese mismo sentido.



2

En [1] se define SDR cómo “Sofware Radio es un radio sustancialmente definido en
software y cuyo comportamiento en capa física puede ser significativamente alterado a través de
cambios en su software”. Otra definición dada por [2] dice que “SDR es un radio en el cual la
digitalización en el receptor es realizada en algunos escenarios de bajada desde la antena,
típicamente después del filtrado del ancho de banda, reducción de amplificación de ruido, y la
conversión a bajas frecuencias en subsecuentes escenarios (con un proceso inverso en la
digitalización del transmisor)”. En [3] “término utilizado para describir control de software para una
aplicación de radio el cual provee técnicas de modulación, operaciones de banda angosta y banda
ancha, funciones de seguridad en comunicaciones y requerimientos de forma de onda”.


Desde la creación y evolución constante de estándares tales como 2.5G, 3G y 4G, existe una
amplia incompatibilidad entre tecnologías de redes inalámbricas utilizadas por diferentes países.
Desde una perspectiva comercial y global, este problema inhibe el uso de servicios de roaming y
otras facilidades [3]. Esta es una de las grandes oportunidades de SDR, ya que el aspecto económico
es de suma importancia, para la integración transparente de diversas arquitecturas de comunicación.


Sin embargo, para considerar la integración de múltiples arquitecturas de comunicaciones
no sólo se debe tomar en cuenta el nivel de hardware sino también la parte de software que
establece los pasos a seguir para realizar una comunicación. Los protocolos o pila de protocolos en
capas superiores del modelo OSI permiten la comunicación y la coherencia de la misma en una
comunicación de datos. La comunicación de la capa física –nivel hardware- hasta la capa de
aplicación – software – está directamente ligada y es imposible pasar de un nivel al otro sin requerir
de servicios y funciones especificados en capas intermedias.


Este trabajo trata de la orientación de la parte software con respecto al escenario dinámico
de cambio que propone la tecnología SDR. Específicamente se trata de dar una respuesta a la
pregunta: ¿Qué sucederá con el protocolo o pila de protocolos requeridos para complementar un
proceso completo de comunicación entre dos aplicaciones, en un ambiente en donde el hardware
puede adoptar cambios temporales de manera dinámica?

2. Perspectiva de Protocolos en el Ámbito SDR.

2.1 Pila de Protocolos y su comunicación.


Una pila de protocolos es una agregación de muchos protocolos simples donde cada uno
implementa en una pila cierta funcionalidad y servicios para una tarea claramente especificada [4].
Los protocolos en general se clasifican mediante mecanismos de estratificación con base en su
funcionalidad y servicios ofertados. Cada capa puede ser vista como una caja negra en la que no
puede existir redundancia de funcionalidad y puede contener un grupo de protocolos provenientes
de diferentes desarrolladores o protocolos propietarios.


El principio de estratificación para acceso a servicios o recibir servicios es utilizado en la
mayoría de redes de telecomunicaciones móviles y fijas. Funciones o servicios de protocolos son
ofrecidos o recibidos de capas inmediatamente vecinas. La comunicación entre las diferentes capas
de una pila de protocolos es realizado vía lo que se denomina “Punto de Acceso al Servicio” (SAP).
Un SAP provee acceso vía un conjunto de primitivas que habilitan el acceso a determinadas capas
vecinas.


Los servicios de protocolos son un conjunto de operaciones realizada en una capa particular
de un protocolo [4]. Un servicio para protocolo es, como el nombre sugiere, un servicio. Eso
significa que no se pasan mensajes ``a través'' del servicio, dado que desde un punto de vista lógico

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no es una etapa en el flujo de mensajes. Un servicio exporta una interfaz bien definida, y las etapas
que necesitan su funcionalidad simplemente llaman a subprogramas en ella, como harían con
cualquier otro módulo software normal (por ejemplo, uno para la entrada/salida por consola) [5]. La
descripción de un servicio de protocolo define solamente el tipo de operación que una capa de
protocolo particular debe ofrecer al siguiente nivel vía un SAP inherente (Figura 1).


MT

BTS

L3

L3’

L2

L1

L2/3 interface

L1/2 interface

Physical interface
(air interface – Um)

RR’

LAPDm

L1 Protocol
TDMA/FDMA

Physical medium

Figura 1. Esquema de comunicación por capas [4].

L3’

L2

L1



En la figura 1 podemos ver que la capa 2 (L2) ofrece un servicio a su capa superior vecina
(L3) a través de una interfaz SAP (L2/3). Podemos observar también que existe una comunicación
virtual capa – capa en donde se hace necesario utilizar un mismo protocolo.


Un punto de acceso al servicio no solamente provee servicios para su capa de protocolo
correspondiente, también es útil para ocultar la complejidad de la implementación y descripción de
una capa particular. Las definiciones de servicio se desarrollan de manera formal desde la capa
inferior (física) hacia arriba, hasta la capa superior. La ventaja de este enfoque es que el diseño de la
capa N + 1 puede basarse en las funciones ejecutadas en la capa N, evitando dos funciones que
realizan la misma tarea en dos capas adyacentes. Un punto de acceso al servicio identifica que
funciones de la actual capa de protocolos será requerida por una capa superior o vecina. En la pila
de protocolos, un SAP es identificado por una única dirección (puerto).


[4]. Lo anterior debido a que

La introducción de puntos de acceso al servicio y su estandarización fue un gran paso hacia
plataformas abiertas
la estandarización ha habilitado
implementaciones propietarias de funcionamiento de protocolos manteniéndolas ocultas y con esto
habilitando implementaciones de protocolos de diferentes proveedores haciendo que éstos co-
existan en una pila de protocolos, ya que únicamente interesa acceder al servicio sin la necesidad de
conocer detalles de cómo será realizado.


Sin embargo, una de las mayores desventajas de