STARS Programme
Reconfigurability for sustainable Security
Inhoud 1
STARS ACHTERGROND
3
2
HERCONFIGUREERBAARHEID VAN SENSOREN
5
3
SYSTEEMCONCEPTEN EN ARCHITECTUREN
7
4
ANALOOG FRONT-END
9
5
DIGITALE SIGNAALVERWERKING
11
6
SOFTWARE, ALGORITMES EN METHODOLOGIE
14
7
EINDGEBRUIKERS
16
STARS project
1
Acroniemen AD
Analoog Digitaal
ADC
Analoog Digitaal Convertor
AIVD
Algemene Inlichtingen- en Veiligheidsdienst
BPF
Band Pass Filter
CDAG
Concept Development Assessment Game
DAC
Digitaal Analoog Convertor
DSP
Digital signal processing
ESM
Electronic Support Measure
FEM
Front- End Module
FES
Fonds Economische Structuurversterking
FPGA
Field Programmable Gate Array
GSM
Global System for Mobile communications
IC
Integrated Circuit
IF
Intermediate Frequency
LNA
Low Noise Amplifier
LO
Local Oscillator
LPF
Low pass Filter
MIA-V
Maatschappelijke Innovatie Agenda Veiligheid
MP-SoC
Multi Processor System-on-Chip
NXP
NXP Semiconductors Netherlands B.V.
PCB
Printed Circuit Board
PM
Processing Module
SMS
Short Message Service
SOA
Service Oriented Architecture
STARS
Sensor technology Applied in Reconfigurable systems for sustainable Security
TNO
Nederlandse organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek
TR
Transmit/Receive
TRL
Technology Readiness Level
STARS project
2
1 STARS achtergrond In een middelgrote havenstad worden de zogenaamde “Havendagen” georganiseerd, een groot nautisch evenement waar tienduizenden mensen op af zijn gekomen. Zowel in de binnenstad, aan de havenkant als op het water is het zeer druk. Naast de reguliere in- en uitkomende beroepsvaart zijn er zeer veel grotere en kleinere plezierjachten op het water. Toch verloopt het eerste deel van de dag zonder echte incidenten en hebben de samenwerkende diensten waaronder de havenautoriteiten, waterpolitie en lokale politie de situatie volledig onder controle. De lokale autoriteiten hebben in hun veiligheidsplan middelen en mankracht afgestemd op de verwachte drukte en mogelijke incidenten. Daarbij wordt zowel op het land als op het water gebruik gemaakt van de al aanwezige middelen zoals het haven- en verkeersbegeleidingssysteem (radar en optische sensoren), een tweetal patrouilleschepen van de waterpolitie, het camerabeveiligingssysteem in de binnenstad en de aanwezige politie op straat. De inzet van veiligheidspersoneel is afgestemd op de verwachte aantallen bezoekers. Door het op standby houden van extra personeel en veiligheidsmiddelen is opschaling bij een incident (er is rekening gehouden met zowel een incident op het water als op het land) snel mogelijk. Tot die extra middelen behoort ook een helikopter die op een nabij gelegen vliegveld stand-by staat en in korte tijd in de lucht kan zijn. Deze helikopter is voorzien van een (infrarood) camera systeem. Mankracht en middelen garanderen binnen de kaders van het veiligheidsplan dat voldoende snel geanticipeerd kan worden op incidenten en dat in alle gevallen sprake is van adequate informatievoorziening en beeldopbouw. In de loop van de ochtend begint de situatie echter te veranderen. Via sociale media kondigt een groep activisten aan een aanval uit te zullen voeren op een grote chemicaliëntanker, afkomstig uit een groot Aziatisch land. Deze tanker zal in de loop van de dag binnenlopen. Volgens de AIVD zal deze actie mogelijk uitgevoerd gaan worden met een kleine, snelle motorboot of een recent gestolen ultra-light vliegtuig. De lokale autoriteiten zijn, zoals gewoon bij dit soort evenementen, verantwoordelijk voor de veiligheid van alle bezoekers en ze zullen snel maatregelen moeten nemen om de mogelijke aanslag te verhinderen. De autoriteiten zien zich genoodzaakt om in snel tempo op te schalen en de noodzakelijke middelen vrij te maken om de actie op de chemicaliëntanker te voorkomen. Ondertussen wordt een namaak SMS , schijnbaar van de politie afkomstig, verzonden naar iedereen met een mobiele telefoon. In de SMS wordt het publiek verzocht te evacueren in verband met een grote brand waarbij giftige gassen vrijkomen. Daarna wordt door onbekenden direct een GSM stoorzender geactiveerd die op grote schaal het mobiele telefoonverkeer onmogelijk maakt. Er breekt paniek uit onder de bezoekers. De autoriteiten zien zich geconfronteerd met een zich snel ontwikkelende situatie die hen ver buiten de kaders van het veiligheidsplan positioneert. Niet alleen zal er opgeschaald moeten worden om de vele in paniek geraakte bezoekers veilig te evacueren, maar er zal ook een aanslag voorkomen moeten worden. Het wegvallen van de GSM verbindingen, het ontbreken van exacte informatie over de aard van de dreiging (vanuit de lucht of vanaf het water), timing (wanneer) en directie (uit welke richting) en het ontbreken van de juiste sensoren en middelen (zoals een “fast interceptor”) om de mogelijke dreigingen tijdig te kunnen detecteren, identificeren en onderscheppen compliceert de situatie. De vluchttijd van de helikopter naar de locatie bedraagt tien minuten, maar het zoekgebied naar een mogelijke snelle motorboot is gezien de summiere informatie te groot en vereist eigenlijk meerdere helikopters. Het verkeersbegeleidingssysteem is niet ingericht op het op grotere afstand detecteren van zeer snel bewegende, kleine vaartuigen en voor het detecteren, identificeren en mogelijk onderscheppen van kleine vliegtuigen zijn in het geheel geen middelen voorhanden. De twee patrouilleboten zijn niet in staat om het relatieve grote gebied met hun sensoren snel genoeg af te zoeken en ze zijn niet snel genoeg voor een snelle motorboot, mocht het op interceptie aankomen. Het bovenstaande fictieve scenario schetst een beeld van de grote uitdagingen waarvoor de spelers binnen het maatschappelijke veiligheidsdomein zich gesteld zien. Veiligheidsdiensten moeten continu kunnen anticiperen en reageren op zich snel veranderende en slecht te voorspellen omstandigheden. Willen ze tijdig en adequaat kunnen optreden, dan is het tijdig beschikken over de juiste informatie van
STARS project
3
essentieel belang. Bij de Havendagen in het fictieve scenario zullen, in eerste instantie, verschillende sensoren gebruikt worden om overzicht te houden over het evenement, zowel op het water als in de stad. Zodra de informatie over de activistendreiging bekend wordt, moeten andere sensoren specifiek ingezet worden om de dreiging op de olietanker op te sporen. Als tot slot de GSM stoorzender wordt gebruikt, zal dit probleem waarschijnlijk tot hoogste prioriteit worden verheven bij de opsporing en zal de stoorzender opgespoord moeten worden met weer een nieuwe set sensoren. De bestaande infrastructuur is echter niet instantaan te wijzigen en in te richten op het nieuwe dreigingsbeeld en de daaraan gerelateerde operationele taken; zij is ingericht op een vooraf bepaald beperkt aantal functionaliteiten. Een deel van de oplossingsrichtingen om de geschetste beperkingen te kunnen pareren ligt in de ontwikkeling van geheel nieuwe sensortechnologie. Sensortechnologie die cruciaal is om een dominante informatiepositie op te kunnen bouwen en te handhaven in een complexe en hoog dynamische omgeving en die in haar toepassing robuust, betrouwbaar, flexibel, betaalbaar, effectief, multi-domein en multiservice moet zijn. Herconfigureerbaarheid is in deze het sleutelbegrip. Om de droom van herconfigureerbare sensoren te realiseren is fundamenteel onderzoek noodzakelijk. Herconfigureerbaarheid grijpt namelijk in op vrijwel alle delen en alle niveaus van een systeem. Dit geldt zowel voor ontwerpmethodieken, architecturen als technologieën. Binnen het STARS (Sensor Technology Applied in Reconfigurable Systems) programma is daarom gekozen voor een brede onderzoeksaanpak, waarbij de relevante gebieden onderzocht worden binnen een viertal samenhangende onderzoeksthema‟s: “Systeemconcepten en Architecturen”, “Analoge front ends”, “Digitale processing” en “Software, Methodologie en Algoritmes”. Het STARS programma wordt uitgevoerd door een consortium bestaande uit Thales NL, NXP Semiconductors, Recore Systems, TNO, TU Delft en de Universiteit Twente. STARS wordt gefinancierd uit FES gelden.
STARS project
4
2 Herconfigureerbaarheid van sensoren Eén van de kernproblemen voor veiligheidsdiensten is dat zij continu moeten kunnen anticiperen op veranderende omstandigheden en taken. Het hebben van een optimale informatiepositie is hierbij essentieel. Eén van de belangrijkste bronnen bij de opbouw van een informatiepositie zijn sensoren. Het STARS programma richt zich voornamelijk op onderzoek naar sensoren die werken in het radio spectrum, het zogenaamde RF spectrum, zoals radar en Electronic Support Measures (ESM). Hoewel strikt genomen het geen sensoren betreft, worden stoorzenders en radiocommunicatiesystemen ook in het project beschouwd vanwege de grote overkomsten in architectuur en technologie met RF sensoren. In de huidige situatie ligt bij het ontwerp van de sensoren de functionaliteit vast en deze kan in een later stadium slechts met een grote investering in tijd en geld worden aangepast. Herconfigureerbaarheid maakt het mogelijk om met kleinere investeringen in tijd en geld de systeemfunctionaliteit aan te passen. Hierbij worden drie tijdsschalen onderscheiden: de ontwerpfase, waarin relatief veel tijd is om functionaliteit aan te passen en/of uit te breiden, de ontplooiingsfase, waarin de inzet van sensoren wordt gepland (voorbereidende fase), de operationele fase, waarin functionaliteit tijdens de inzet kan worden aangepast. RF sensor- en communicatiesystemen zijn globaal opgebouwd uit een aantal delen (zie Figuur 2-1). Het analoge deel, het analoge front-end, zorgt voor zowel het opwekken en versterkt uitzenden van RF signalen als het ontvangen van inkomende RF signalen en de omzetting naar een digitaal signaal. Deze digitale signalen worden in de digitale processing via een aantal signaalverwerkingsstappen omgezet naar informatie die een bijdrage levert aan de globale informatiepositie. Daarnaast zal de digitale processing in het algemeen ook de besturing van de sensor regelen.
Figuur 2-1: globale en schematische opbouw RF sensorsysteem.
In de huidige methodiek van systeemontwerpen wordt een sensorsysteem ontworpen voor één bepaalde applicatie. In het ontwerpproces wordt, gegeven de eisen die deze applicatie stelt, een optimaal ontwerp gemaakt die vervolgens wordt geïmplementeerd. Zo wordt in het analoge front-end bijvoorbeeld de keuze gemaakt voor de zendfrequenties, de polarisatie en het zend- en ontvangstspatroon van de antenne die het best passen bij de applicatie. Een andere applicatie leidt als snel tot andere keuzes. Een radar bestemd voor de scheepvaartverkeersleiding heeft bijvoorbeeld een andere uitvoeringsvorm dan een peilzender die wordt gebruikt om mobiel dataverkeer te monitoren. Dit is geïllustreerd in figuur 2-2. Vergelijkbare keuzes worden ook gemaakt voor het digitale back-end. In sommige systemen worden zeer rekenintensieve algoritmen toegepast om één bepaald type informatie te verkrijgen, terwijl in andere gevallen minder rekenkracht nodig is, maar bijvoorbeeld de benodigde verwerkingssnelheid hoger ligt. In de huidige systemen zal afhankelijk van de toepassing de digitale hardware en bijbehorende data verwerkingsalgoritmen worden geoptimaliseerd.
STARS project
5
Figuur 2-2: functie specifiek ontwerp.
Het introduceren van herconfigureerbaarheid in sensoren heeft grote gevolgen voor het systeemontwerp. Deze gevolgen, in de vorm van nieuw te ontsluiten mogelijkheden, komen ook sterk naar voren in de zogenaamde phased array antenne ontwerpen. Bij een phased array antenne is de antenne opgebouwd uit een groot aantal kleine zend- en ontvangstelementen die elektronisch stuurbaar zijn. Door de elektronische sturing van de elementen kunnen zeer snel veel verschillende soorten antennepatronen worden gemaakt. Met dezelfde antenne kan zo het equivalent gemaakt worden van een ronddraaiende radarantenne en een directieve communicatie-antenne. Door vervolgens de individuele zend- en ontvangstelementen zodanig te ontwerpen dat bijvoorbeeld verschillende frequentiebanden kunnen worden gekozen, modulatievormen aangepast kunnen worden en de polarisatie instelbaar is, ontstaat een analoog front-end waarvan de configuratie ingesteld kan worden op basis van de gewenste functionaliteit. Een dergelijk herconfigureerbaar analoog front-end zal leiden tot een grotere complexiteit van de achterliggende besturing, een grotere variëteit van de datastromen en diversiteit in de bijbehorende signaalverwerking. Hiervoor zijn zowel technologische ontwikkelingen nodig op digitale hardware en software, als de noodzakelijke algoritmiek en ontwerpmethodieken. Hieronder zal voor de noodzakelijke ontwerpmethodieken, architecturen en technologieën de onderzoeksresultaten worden toegelicht die mogelijk op termijn kunnen leiden tot volledig herconfigureerbare RF sensoren.
STARS project
6
3 Systeemconcepten en architecturen De traditionele wijze van systeemontwikkeling vindt plaats op basis van vooraf gespecificeerde taken en prestaties en biedt daarom beperkte flexibiliteit. Een herconfigureerbaar systeem is daarentegen op een zodanige manier ontworpen dat het snel aangepast kan worden om onvoorziene taken uit te kunnen voeren. Het systeem is daarmee toekomstbestendig. Bovendien kan het gebruik van een herconfigureerbaar systeem dat diverse taken kan uitvoeren, leiden tot besparingen op de kosten voor onderhoud, logistiek, training en opleiding. Het introduceren van herconfigureerbaarheid in systeemconcepten en -architecturen betekent daarmee een flinke ommezwaai in de denkwijze van systeemarchitecten.
Architectuur, het fundament onder herconfigureerbaarheid Het gebruik van gestandaardiseerde bouwblokken en een modulaire architectuur is een bekende aanpak om de tijd en kosten van het ontwikkelen van een complex systeem te beheersen. Hoewel deze ontwerpfilosofie veel wordt toegepast, leidt deze aanpak ook tot een beperkte toekomstbestendigheid omdat nieuwe taken al snel buiten het toepassingsgebied van de architectuur vallen. In het STARS project is gekozen voor een architectuur met herconfigureerbare bouwblokken waardoor systemen flexibeler worden ontwikkeld en voor een groot scala aan missies kan worden ingezet met lagere kosten dan een traditioneel systeem. De herconfigureerbare bouwblokken die in de STARS systeemarchitectuur worden gebruikt bestaan uit subsystemen en algoritmes voor het analoge front-end, de digitale processing en software. Deze zullen verderop behandeld worden. Een systeemarchitectuur geeft aan hoe de operationele eisen van gebruikers vertaald worden naar bouwblokken en het beschrijft het gedrag en de onderlinge relatie van de bouwblokken. Vanwege de diverse aspecten is de systeemarchitectuur beschreven vanuit vier verschillende gezichtspunten. De gebruikersgerichte beschrijving geeft aan welke operationele behoeften het systeem moet vervullen, de functionele beschrijving geeft aan welke functies het systeem moet uitvoeren, de logische beschrijving geeft aan hoe het systeem de functies moet uitvoeren en de fysieke beschrijving geeft aan met welke bouwblokken de functies moeten worden uitgevoerd. De verschillende aspecten van de herconfigureerbare systeemarchitectuur zijn geanalyseerd in een aantal “use cases” die zijn gebaseerd op het bovengenoemde “Havendagen” scenario. Bovendien is een model van de architectuur in de MATLAB™ software geïmplementeerd om het gedrag van de architectuur in verschillende “use cases” na te kunnen bootsen. De resultaten van de simulaties met dit model hebben de haalbaarheid van de herconfigureerbare systeemarchitectuur bevestigd.
Resource allocatie Het gebruik van herconfigureerbare bouwblokken maakt een grote mate van flexibiliteit mogelijk. Deze flexibiliteit kan worden benut om een systeem snel aan te passen aan nieuwe taken en omgevingsomstandigheden. Een voorbeeld hiervan is het eerder geschetste “Havendagen” scenario waarbij het systeem naast de opbouw van het globale omgevingsbeeld ook moet bijdragen aan de opsporing van een GSM stoorzender. De keuze van de juiste bouwblokken én de configuraties van deze bouwblokken die voldoen aan de operationele eisen en randvoorwaarden zoals afmetingen, gewicht en vermogensverbruik is echter een grote uitdaging vanwege het enorme aantal systeemconfiguraties dat mogelijk is. Traditionele oplossingen voor niet-herconfigureerbare systemen waarbij missieplanners en/of operators op basis van de verwachte operationele situatie de systeemconfiguratie aanpassen zijn in de meeste gevallen niet optimaal omdat het aantal keuzes veel te groot is. Figuur 3-1 laat een voorbeeld zien van het grote aantal mogelijkheden dat er is om een missie die bestaat uit twee operationele taken en vijf systeemtaken toe te wijzen aan een systeem met drie mogelijke sensorlocaties en drie, vier of vijf 5 sensorconfiguraties per locatie. In dit voorbeeld zijn al bijna een kwart miljoen (12 ) mogelijke toewijzingen van systeemtaken aan systeemconfiguraties mogelijk. Het zal duidelijk zijn dat in realistische gevallen met meer systeemtaken en systeemconfiguraties een planner en/of operator vanwege de combinatorische explosie niet in staat is om de beste systeemconfiguratie (aangegeven met rode pijlen in
STARS project
7
Figuur 3-1) te kiezen. Bij gebruik van herconfigureerbare systemen zal deze complexiteit verder toenemen.
Figuur 3-1: Voorbeeld van een decompositie van een missie in operationele taken en systeemtaken en een toewijzing van systeemtaken aan een systeem met herconfigureerbare sensoren op verschillende locaties. Een potentiële oplossing voor het selecteren van de beste systeemconfiguratie is het ontwikkelen van automatische resource-allocatietechnieken die, op basis van de in het operationeel raamwerk gedefinieerde kwaliteitsmaten, berekenen welke combinatie van bouwblokken en bouwblokconfiguraties het best voldoet aan de operationele eisen en randvoorwaarden van de eindgebruiker(s). Daarvoor zijn “utility” functies ontwikkeld die het nut van een systeemconfiguratie voor een eindgebruiker meten als functie van de combinatie en configuratie van bouwblokken. Daarnaast zijn een verdeel-en-heers algoritme en een genetisch algoritme toegepast op het resource-allocatie probleem om de systeemconfiguratie met groot nut voor de eindgebruiker te kunnen selecteren. Een analyse van de resultaten laat zien dat ondanks de combinatorische explosie de resource-allocatie algoritmen in staat zijn om een systeemconfiguratie te kiezen die voor de eindgebruiker toereikende prestaties geeft. Om de introductie van herconfigureerbaarheid binnen systeem concepten en architecturen mogelijk te maken, is het essentieel dat ook de onderliggende technologieën en ontwerpmethodieken, zijnde analoge front-ends, digitale signaalverwerking en softwaremethodologie en algoritmes, herconfigureerbaar worden. In de hiernavolgende hoofdstukken wordt een beschrijving gegeven van de resultaten op deze gebieden.
STARS project
8
4 Analoog front-end In het analoge frond-end wordt het signaal omgezet van een analoog naar een digitaal signaal zodat het daarna verder verwerkt kan worden door de digitale signaalverwerking. Om met het analoge front-end verschillende functies te kunnen ondersteunen is het noodzakelijk om aspecten zoals frequentie, polarisatie, antennepatronen, modulatievormen en bandbreedtes flexibel te kunnen aanpassen. Figuur 41 geeft aan welke delen van het front-end herconfigureerbaar moeten worden gemaakt (weergegeven in geel) en daarmee onderwerp zijn van onderzoek binnen STARS.
Figuur 4-1: blokschema van een zender (a) en een ontvanger (b).
Antenneonderzoek In het antenneonderzoek is onderzoek gedaan naar het omschakelbaar maken van een array tussen twee frequentiebanden. Hiervoor is de L-band (1.2-1.4 GHz) en S-band (2.9-3.4 GHz) als uitgangspunt genomen. In STARS is een proefontwerp gemaakt, gerealiseerd en gemeten. Daarmee is aangetoond dat het mogelijk is om een schakelbare array antenne te kunnen maken. Een ander onderzoek heeft zich gericht op de vraag of het mogelijk is om de frequentiebandbreedte te verhogen. Niet alleen het antenne-element moet nu een groot frequentiebereik hebben, maar ook het ontwerp van het array moet worden aangepast. Hierbij speelt de onderlinge beïnvloeding van de antenne-elementen (zogenaamde wederzijdse koppeling) een rol. Door het onderzoek in STARS is een nieuwe fabricagemethodiek voorgesteld en uiteindelijk aangetoond om deze koppeling sterk te reduceren. Hierdoor is het mogelijk om over een frequentiebereik, met een verhouding tussen de hoogste- tot de laagste frequentie van 1.5, , een lage koppeling (< -14 dB) en een grote scan hoek (+/- 60 graden) te kunnen realiseren in een goedkope en produceerbare antennetechnologie.
Herconfigureerbare zender. Het onderzoek binnen STARS naar de aspecten van een herconfigureerbare zender focusseert op twee onderdelen: de Digitaal naar Analoog convertor (DAC) en de vermogensversterker. De DAC zet een digitaal signaal om naar een analoog signaal. In het digitale domein is de herconfigureerbaarheid het hoogst. Het loont daarom om een DAC te maken die nauwkeurig, snel en energiezuinig is. De ontwikkelde DAC haalt een nauwkeurigheid (lineariteit) van 60dB bij een snelheid van 1.7GHz en een verbruik van 70mW, wat een verbetering is van 10 dB in vergelijking met eerdere
STARS project
9
resultaten met zelfde snelheid en verbruik. Een DAC met deze combinatie was nog niet beschikbaar en is onderzocht. Een nieuwe, flexibele, DAC architectuur is ontwikkeld waarbij nauwkeurigheid, snelheid en energieverbruik tegen elkaar kunnen worden uitgewisseld. De power amplifier wordt typisch ontworpen op één enkele frequentieband en mate van verstoring van de golfvorm. Dit wordt ingegeven door het benodigde vermogen en efficiëntie. Het onderzoek binnen STARS richt zich op het uitbreiden van het aantal frequentiebanden zodanig dat dit minimale gevolgen heeft voor het opgewekte vermogen, efficiency en de mate van verstoring van de golfvorm. Dit heeft geresulteerd in een versterker diet zowel op L-band (1.2-1.4 GHz) als op S-band (2.9-3.4 GHz) goed kan werken.
Onderzoek naar een herconfigureerbare ontvanger. Het blok “antenna+filter” converteert het radiofrequente signaal van een electromagnetisch naar een elektrische vorm. Een antenne-element kan resoneren op één bepaalde frequentie. Die frequentie wordt bepaald door de fysische afmetingen van het element. Binnen STARS wordt er gewerkt aan het herconfigureerbaar maken van het antenne-element. Onderzocht wordt of het antenne-element groter of kleiner gemaakt kan worden door middel van electronische schakelingen en daardoor kan resoneren op verschillende instelbare frequenties. Hierdoor wordt het mogelijk om te schakelen tussen verschillende frequentiebanden, waarmee de antenne voor meerdere toepassingen geschikt wordt. Het onderzoek heeft uitgewezen dat het mogelijk is om één antenne te maken die geschikt is voor toepassing in phased array systemen – en kan worden geschakeld tussen L en S-band. De antenne is de eerste stap waarbij selectiviteit wordt toegepast, het pre-selectie filter dat erna komt, is de tweede. Het onderzoek heeft uitgewezen dat het mogelijk is om de selectiviteit van het antenneelement sterk te verbeteren: de selectiviteit die nu gehaald wordt is 20 dB of 100x beter dan een tot nu toe toegepaste antennevorm. Dit wordt bereikt door de antenne te combineren met een gedistribueerd filter. Speciaal hieraan is dat zowel de antenne als het filter een zeer lage harmonische response hebben: 20 dB lager dan een standaard implementatie. Na de antenne gaat het signaal door een low noise amplifier (LNA). De LNA is nodig omdat het signaal te zwak is om door de volgende blokken goed te kunnen worden verwerkt. Daarna wordt het signaal nog een keer gefilterd zodat het gewenste frequentiegebied overblijft. Een hoge selectiviteit voor het filter is tot nu toe niet mogelijk omdat de componenten die beschikbaar zijn, de selectiviteit negatief beinvloeden. Om toch een herconfigureerbare ontvanger met hoge selectiviteit te kunnen maken wordt er binnen STARS onderzoek gedaan naar twee onderwerpen: 1) Is het mogelijk om de selectiviteit van alle blokken in de keten te verbeteren, zodat door bijdrage van alle blokken toch de benodigde overall selectiviteit wordt gehaald? Naast het werk aan de antennes zijn de electronische blokken nog in onderzoek. 2) Kunnen N-path filters worden toegepast? Bij een N-path filter wordt het inkomende signaal periodiek aan subsecties toe en afgevoerd. Het bestaat dus uit meerdere paden (N-path) waarlangs het signaal gefilterd wordt. Het gedraagt zich daardoor als een banddoorlaatfilter rondom de frequentie van af- en aanvoer. Naast een in- en uitgang heeft dit filter ook een oscillatoringang. Door deze bewerking zal het uitgangssignaal niet alleen gefilterd worden, maar ook de eigenschappen van het kloksignaal aannemen. Binnen STARS is het N-path filter zodanig aangepast dat het naast filteren ook nog een frequentietranslatie (“mixen”) kan realiseren. Ook is het systeem verder geoptimaliseerd om artefacten (ongewenste overdrachten) te onderdrukken. Voor zowel frequentie conversie als voor de N-path filtering is een oscillator nodig. Voor communicatie toepassingen zijn oscillatoren beschikbaar die kunnen worden geminiaturiseerd als geïntegreerd circuit (IC). Voor radarsystemen zijn de eisen die gelden zo streng dat deze niet als IC beschikbaar zijn. Binnen STARS moet er tussen toepassingen geschakeld kunnen worden, onder andere tussen radar en Electronic Support Measure (ESM). Daarom wordt er onderzocht of het mogelijk is een local oscillator(LO) te ontwerpen die kan worden geïntegreerd en toch voldoet aan de strenge eisen van een radarapplicatie.
STARS project
10
5 Digitale Signaalverwerking Het onderzoek op het gebied van de digitale signaalverwerking binnen het STARS project concentreert zich op de rekenintensieve delen van een sensorsysteem (processoren) waarbij vooral het digitale deel van de ontvanger bepalend is. In dit deel wordt de digitaal gemaakte data van individuele antennes ontvangen en verder bewerkt.. Het digitale deel zit dicht bij de antennes op een plek waar weinig ruimte beschikbaar is en waar strikte eisen worden gesteld aan vermogensopname. Hierdoor worden meteen vanaf het begin de datastromen beperkt. Dit is nodig want het transporteren van veel data is duur In de huidige systemen, kan er, als er alleen naar deze eisen gekeken wordt, een oplossing op maat gemaakt worden. Echter, een dergelijk oplossing is weinig flexibel. Bij veranderende eisen zou het systeem opnieuw ontworpen, geproduceerd en geïnstalleerd moeten worden. Dit is financieel vaak onhaalbaar en het is ook onmogelijk om snel en adequaat in te spelen op een veranderende omgeving. Om die reden wordt er binnen STARS onderzoek gedaan naar een chip die die de optimale balans vormt tussen vermogensopname, chipoppervlak en flexibiliteit.
Herconfigureerbare processoren Binnen het onderzoeksveld dat zich richt op het ontwerp van digitale rekeneenheden wordt een oplossing aangedragen die gebruik maakt van herconfigureerbare processoren. Herconfigureerbare processoren zijn geoptimaliseerd voor een bepaald domein. Zo zijn er processoren ontwikkeld voor toepassing binnen het domein van de digitale signaalverwerking. Door middel van herconfiguratie zijn de processoren in staat verschillende signaalverwerkingstaken efficiënt uit te voeren.
Multi-Processor System-on-Chip (MP-SoC) De basisbouwsteen van het digitale processing gedeelte is een Multi Processor System-on-Chip (MPSoC) waarin meerdere herconfigureerbare processoren gecombineerd worden tot één enkele chip. Deze processoren zullen met elkaar communiceren maar ook met de andere onderdelen van een sensor systeem zoals de antennes (middels de analoge front-ends) en andere computer systemen die gebruikt worden voor bijvoorbeeld besturing en weergave van de digitale informatie. Om de complexiteit van een dergelijk groot systeem te beheersen is gewerkt aan een hiërarchische architectuur. Er is een communicatie structuur ontworpen die gebruikt kan worden om meerdere processoren bij elkaar op één enkele chip te plaatsen. Een vergelijkbare structuur is ontwikkeld om meerdere chips op een enkele printplaat (PCB) te plaatsen en ook op het daaropvolgende niveau, waar meerdere PCBs met elkaar gecombineerd worden, wordt deze structuur herhaald. Het uiteindelijke resultaat (zie figuur 5-1) is de definitie van een TR-Processing Module (PM) en een TR-Front-End Module (FEM). Een FEM kan worden aangesloten op meerdere (bijvoorbeeld acht) antennes. Een PM kan op zijn beurt weer worden aangesloten op meerdere (bijvoorbeeld ook acht) FEMs. Een combinatie van FEMs en een PM heeft voldoende rekenkracht en daarbij behorende communicatiecapaciteit om de aangesloten antennes te bedienen.
STARS project
11
Control Interface Control Interface
Control Interface
STARS MP-SoC
DSP Data interface DSP
Front End 1
STARS MP-SoC STARS MP-SoC
STARS MP-SoC
Supervision Interface
Supervision Interface Supervision Interface
F P G A
F P G A
Front End 1
Front End M Front End M N
TR-Processing Module (PM)
TR-Front-End Module (FEM)
1
Figuur 5-1: Digitale Signaalverwerking Architectuur
Om voldoende rekenkracht te realiseren worden meerdere processoren gecombineerd. Tot op heden was het maximum aantal van dergelijke herconfigureerbare processoren op een enkele chip beperkt tot ongeveer tien. Binnen de architectuur zoals die ontwikkeld is, is echter een chip gedefinieerd waarbij 48 processoren gecombineerd worden. Om de stap van tien naar 48 processoren te kunnen maken is een precieze specificatie van een dergelijke chip opgesteld en is begonnen met het ontwerp van de essentiële bouwstenen. De chip zal tot in detail ontworpen worden zodat de haalbaarheid ervan, op basis van huidige technologie, aangetoond zal worden. Het daadwerkelijk produceren van de chip valt buiten de scope van het STARS project. Dataflow Parallel aan het onderzoek naar de integratie van zoveel mogelijk processoren op één chip richt het onderzoek zich ook op het onderzoek naar een nieuwe generatie herconfigureerbare processoren. De huidige processoren werken met taken (instructies) die in een vaste volgorde worden afgehandeld. De moeilijkheid is dan om de juiste data op het juiste moment ter bewerking aan te bieden, dus om instructies en data te synchroniseren. Een fundamenteel ander principe waarvan de geschiktheid nu onderzocht wordt is het „dataflow‟ principe. Daarbij wordt data aan een processor aangeboden en de processor beschikt over een tabel waarin de relatie gelegd wordt tussen de informatie en de taak (instructie) die op de aangeboden data moet worden uitgevoerd. Synchronisatie verloopt in een dergelijk systeem automatisch. Op dit moment is een relatief eenvoudige processor volgens het dataflowprincipe ontworpen en meerdere dataflowprocessoren zijn gecombineerd in een netwerk. Simulaties met eenvoudige toepassingen hebben de haalbaarheid van de dataflowbenadering aangetoond. De komende tijd zullen uitgebreider processoren en toepassingen ontwikkeld worden.
STARS project
12
Betrouwbaarheid De hierboven beschreven activiteiten richten zich vooral op de functies die door het digitale deel van een sensor systeem moeten worden uitgevoerd. Een ander heel belangrijk aspect is de betrouwbaarheid van een dergelijk systeem. Doordat zeer veel elektronische componenten gecombineerd worden in één systeem is de kans dat een onderdeel stuk gaat relatief groot. Vooral als daarbij in ogenschouw wordt genomen dat de kans op fouten in toekomstige generaties chips alleen maar toeneemt. De reden daarvoor is dat de basisbouwstenen van de chips, de transistors, alleen maar kleiner en daardoor kwetsbaarder worden. Vandaar dat er al veel onderzoek gedaan is door de chipindustrie, naar technieken om met dergelijke fouten om te gaan. Deze technieken zullen zoveel mogelijk geïntegreerd worden in het ontwerp van de STARS MP-SoC. Echter, in het STARS project wordt een volgende stap gezet om chips betrouwbaarder te maken. Het idee is om niet te wachten tot een fout optreedt maar om voortdurend het gedrag van elektronische schakelingen te monitoren en afwijkingen van „normaal gedrag‟, bijvoorbeeld door veroudering, te rapporteren. De hypothese is dat er een relatie is tussen het afwijkende gedrag en de kans op het optreden van een fout. Door in te grijpen in het systeem voordat een fout optreedt, wordt de foutkans van het gehele systeem verlaagd. Dit kan bijvoorbeeld door een taak van een processor met afwijkend gedrag te verplaatsen naar een „gezonde‟ processor. De relatie tussen veroudering van elektronische schakelingen en meetwaarden verkregen middels zogenoemde health monitors, wordt op dit moment onderzocht. In een volgende stap zal deze relatie gebruikt worden in een model waarmee foutkansen in elektronische schakelingen bepaald kunnen worden.
STARS project
13
6 Software, Algoritmes en Methodologie Het STARS onderzoeksgebied “Software, Algoritmes en Methodologie” voert onderzoek uit aan de gehele ontwikkelketen voor digitale processing & control voor sensorsystemen. In deze context zijn de speerpunten van het onderzoek onder te verdelen in:
Software architecturen die op verschillende digitale processing platformen om kunnen gaan met de gevraagde herconfiguraties. Het ontwikkelen van algoritmes die inherent rekening houden met, of geschikt zijn voor, herconfiguratie. Ontwikkelmethodologie: Om van het wiskundig algoritme niveau naar een optimale afbeelding op de software en hardware te komen zijn er transformaties & gereedschappen (tools) nodig.
Run time mapping Het “run-time mapping” onderzoek wordt samen met het digitale signaalverwerkingsthema uitgevoerd. Het doel is om het toekennen van taken aan verschillende processoren zo efficiënt mogelijk te laten verlopen. (zie Figuur 6-1: Run Time Mapping). Dit optimalisatie probleem is in de ontwerpfase al „NP compleet‟. Dit is een bepaalde klasse van wiskundige problemen waarvoor waarschijnlijk een optimale oplossing te vinden is, maar de tijd om deze oplossing te vinden kan exponentieel lang duren. Na een bepaalde rekentijd is er een suboptimale oplossing gevonden. De afweging is of deze oplossing goed genoeg is of dat er meer rekentijd moet worden genomen om naar een betere oplossing te zoeken. Daarmee is het een grote uitdaging om de verdeling van taken naar processoren tijdens de run-time fase te berekenen. Binnen dit onderzoek zijn stappen gezet naar een snellere en robuustere aanpak met de Tabu zoekalgoritmiek. Hierbij worden verschillende suboptimale oplossingen “taboe” verklaard, waardoor het zoekalgoritme mogelijk sneller tot een oplossing komt. De optimalisatie valt uiteen in twee delen: het afbeelden van taken op processoren en het afbeelden van de hieraan gekoppelde data uitwisseling tussen die taken op beschikbare hardware interfaces (routering). Hierbinnen zal het onderzoek zich de komende tijd vooral richten op het meenemen van het routeringsprobleem over beschikbare HW interfaces. A
De run-time mapping zal worden ingebed in een nieuw soort van middleware laag die uiteindelijk zorgt voor het starten en stoppen van de verschillende software taken (via de Deployer) en het monitoren van de beschikbare platform capaciteit (Platform Monitor), zie ook Figuur 6-1. A
Middleware is software die services aanbiedt aan software applicaties buiten de services die door het operating system worden aangeboden.
STARS project
14
Capability manager
Capability request/replies
Run time mapper Deploy request
Applications Repository
SW deployer
Platform status
HW platform monitor
HW platform(s)
Figuur 6-1: Run Time Mapping.
CELIX erkenning Om de middleware laag zo efficiënt mogelijk haar taken uit te kunnen laten voeren wordt gekeken naar Service Oriented Architectures (SOA). Deze architecturen werken met opdrachten binnen de software die als een soort servicecontract worden afgehandeld. De opdracht wordt als een dienst geleverd door een leverancier en afgenomen door een afnemer. De afnemer heeft zelf echter geen idee van de inhoud van de opdracht. Dit maakt dat bijvoorbeeld herconfigureerbaarheid eenvoudiger kan worden geïmplementeerd, doordat alleen de afspraken over de afhandeling worden vastgelegd en niet de specifieke inhoud. Deze afspraken over de afhandeling zijn vastgelegd in de OSGi open standaard. Om deze standaard voor real-time sensor processing te kunnen gebruiken is er voor het STARS platform hierbinnen een C-versie ontwikkeld, genaamd “Celix”. “Celix” is volgens deze OSGi standaard opgericht binnen de Apache foundation. Dit heeft in december 2012 geleid tot de succesvolle eerste release binnen deze open-source foundation. Deze eerste implementatie zal de komende tijd worden gebruikt om de eerste prototypes te bouwen om daarmee het STARS middleware concept te demonstreren. Voor de hogere abstractielagen (sensor node en network of sensors) zal deze SOA aanpak ook gebruikt gaan worden.
STARS project
15
7 Eindgebruikers B
Ondanks het lage Technology Readiness Level (TRL) van het STARS project, is er in de projectopzet toch nadrukkelijk voor gekozen de potentiële eindgebruikers te betrekken. Het doel hiervan is tweeledig: eindgebruikers de gelegenheid geven om mede sturing te geven aan het onderzoek en eindgebruikers kennis te laten nemen van de potentie van sensortechnologie in de toekomst. Beide doelen dragen bij aan het vergroten van het draagvlak voor STARS technologie. Op basis van het in de inleiding geschetste “Havendagen” scenario is door middel van een “Concept Development Assessment Game‟ (CDAG) herconfigureerbare sensortechnologie getoetst aan de behoeftes van eindgebruikers. Met een fictief multi-sensor station en een compacte sensorsuite voor waarneming vanuit de lucht is in de CDAG geïllustreerd dat herconfigureerbaarheid bijdraagt aan het vermogen om snel en adequaat te kunnen optreden bij veranderde omgevingen en operationele taken. Het betreft dan herconfigureerbaarheid in: Systeemconcepten, bijvoorbeeld het toepassen van resource allocatie; het analoge front-end, bijvoorbeeld het verschuiven van frequenties, tunen van filters en schakelen van polarisatie; digitale signaalverwerking, bijvoorbeeld het vergroten van de rekensnelheid om antennebundels snel uit te rekenen; software, bijvoorbeeld het realiseren van een service georiënteerde software architectuur en het efficiënter toekennen van taken aan processoren; algoritmes, bijvoorbeeld het opsporen van zowel stoorsignalen als kleine doelen in de lucht en op het water. B
TRL levels zijn een maat om aan te geven in hoeverre de technologie volwassen is. Een laag TRL niveau betekent dat de technologie nog in de onderzoeksfase zit, een hoog TRL niveau betekent dat een technologisch systeem is ontwikkeld en getest wordt.
STARS project
16
STARS Projectbureau
[email protected] 053-4893748 Universiteit Twente t.a.v. CTIT-STARSproject Postbus 217 7500 AE Enschede
