Cadernos CPqD Tecnologia

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ISSN 1809-1946

Cadernos

CPqD Tecnologia

V. 10 - número especial - novembro 2014

Tecnologias de Defesa – CTEx

Cadernos

CPqD Tecnologia

C a d e rn o s C P q D Te c n o lo g ia V . 1 0 , n ú m e ro e s p e c ia l, n o v. 2 0 1 4 C P q D www.cpqd.com.br

R. Dr. Ricardo Benetton Martins, s/n Parque II do Polo de Alta Tecnologia CEP 13086-902 – Campinas – SP

Rádio Definido por Software do Ministério da Defesa – Visão geral das primeiras contribuições do CPqD

Marcos Guimarães Castello Branco, Fabiana Antonia Roelli, Felipe Henriques da Silva, Fernando Rocha Pereira, Gustavo Correa Lima, Marco Antonio Miquelino, Rafael Pompeo de Haro Moreno, Sérgio Luís Ribeiro, David Fernandes Cruz Moura, Juraci Ferreira Galdino

Transceiver Facility Specification – Um padrão para desenvolver transceptores RF de RDS

SCA-Compliant

Rafael P. H. Moreno, Felipe Henriques da Silva, Marcos Guimarães Castello Branco, Alexandre de Macedo Torturela, George Alex Fernandes Gomes

Uma visão geral sobre os radares desenvolvidos pelo Exército Brasileiro

João Abdalla Ney da Silva, Bruno Suarez Pompeo, Vitor Augusto Ferreira Santa Rita, Bruno Silva de Carvalho

Pesquisa e desenvolvimento de tecnologias de visão noturna no Exército Brasileiro

Marcelo Silva Bortolini de Castro, Fábio Luiz Firmino, Augusto César dos Santos, Marcio Scarpim de Souza

Modelagem de sistema VANT baseado em um dirigível como plataforma

Ricardo Coutinho do Valle, David Fernandes Cruz Moura, José Cerdeira Gonzalez, Luciano Luporini Menegaldo, Alberto Mota Simões

Emprego de Análise Baseada em Cenários em apoio a projeto de sistemas de comunicações militares

Marcio Nascimento Bispo, George Alex Fernandes Gomes, José Niuton da Nova, David Fernandes Cruz Moura

Materiais de Carbono – Aplicações em eletrônica e sua pesquisa no Exército Brasileiro

Alexandre Taschetto de Castro

Análise de desempenho de técnicas de estimação de canais esparsos

Nilson Maciel de Paiva Junior, Elaine Crespo Marques, Francisco Carlos Ribeiro Junior, Alexandre de Macedo Torturela e Juraci Ferreira Galdino

Avaliação de desempenho de equalizadores DFE adaptativos em enlaces HF ionosféricos que empregam a norma MIL-STD-188-110C

Francisco Carlos Ribeiro Junior, Elaine Crespo Marques, Nilson Maciel de Paiva Junior, Juraci Ferreira Galdino 0 5 25 75 95 100 0 5 25 75 95 100 0 5 25 75 95 100 0 5 25 75 95 100

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Cadernos CPqD Tecnologia

Editores-Chefes

Claudio A. Violato Rege Romeu Scarabucci

Editores Executivos Diretoria de Gestão da Inovação

Carlos Eduardo Salla Moacir Giansante Tania Regina Tronco

Comitê Editorial (Fórum de P&D do CPqD)

Rege Romeu Scarabucci (Representante do Conselho Curador do CPqD) Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajubá – Unifei) José Carlos Maldonado (Universidade de São Paulo – USP)

Luci Pirmez (Sociedade Brasileira de Computação – SBC) Antonio Jorge Gomes Abelém (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)

Michel Daoud Yacoub (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT) Murilo Araújo Romero (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO)

João César Moura Mota (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Preparação e Diagramação – GECON

Elisabete da Fonseca Juliana Cristina Fernandes Pereira Maria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos

Patrícia Fonseca Robson Eudes Oliveira Duarte SR Consultoria em Documentação

Tradetec Traduções Técnicas

Tiragem

600 exemplares

Correspondência e Pedidos de Assinatura

Adriana Maria Antonietta Bevilacqua Assessoria de Desenvolvimento Corporativo – ADC

Dr. Ricardo Benetton Martins, s/n – Parque II do Polo de Alta Tecnologia CEP 13086-902 – Campinas – SP – Brasil

DDG: 0800.7022773 e-mail: [email protected]

Diretoria do CPqD

Presidente: Hélio Marcos M. Graciosa

Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. Violato

Vice-Presidente de Pesquisa e Desenvolvimento: Alberto Paradisi Vice-Presidente Comercial: José Eduardo Azarite

Vice-Presidente Financeiro: Sebastião Sahão Junior

Cadernos CPqD Tecnologia. Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações. Campinas, SP, v. 1, n. 1 (jan./dez. 2005 -) v.il.; 30 cm.

v. 10, número especial, novembro 2014 Tecnologias de Defesa

Semestral

Resumos em português e inglês ISSN 1809-1946

1. Tecnologia. 2. Telecomunicações. I. Fundação CPqD

CDD 621.38

A revista Cadernos CPqD Tecnologia é uma publicação da Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente.

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ISSN 1809-1946

Cadernos CPqD Tecnologia

Vol. 10, núm. esp., nov. 2014

Apresentação

Gen Bda Claudio Duarte de Moraes, Claudio A. Violato ... 3

Mensagem

General de Exército Sinclair Mayer ... 5

Prefácio

Rege Romeu Scarabucci ... 7

Rádio Definido por Software do Ministério da Defesa – Visão geral das primeiras contribuições do CPqD

Marcos Guimarães Castello Branco, Fabiana Antonia Roelli, Felipe Henriques da Silva, Fernando Rocha Pereira, Gustavo Correa Lima, Marco Antonio Miquelino, Rafael Pompeo de Haro Moreno, Sérgio Luís Ribeiro, David Fernandes Cruz Moura, Juraci Ferreira Galdino ... 9

Transceiver Facility Specification – Um padrão para desenvolver transceptores RF de RDS SCA-Compliant

Rafael P. H. Moreno, Felipe Henriques da Silva, Marcos Guimarães Castello Branco, Alexandre de Macedo Torturela, George Alex Fernandes Gomes ... 17

Uma visão geral sobre os radares desenvolvidos pelo Exército Brasileiro

João Abdalla Ney da Silva, Bruno Suarez Pompeo, Vitor Augusto Ferreira Santa Rita, Bruno Silva de Carvalho ... 27

Pesquisa e desenvolvimento de tecnologias de visão noturna no Exército Brasileiro

Marcelo Silva Bortolini de Castro, Fábio Luiz Firmino, Augusto César dos Santos, Marcio Scarpim de Souza ... 41

Modelagem de sistema VANT baseado em um dirigível como plataforma

Ricardo Coutinho do Valle, David Fernandes Cruz Moura, José Cerdeira Gonzalez, Luciano Luporini Menegaldo, Alberto Mota Simões ... 49

Emprego de Análise Baseada em Cenários em apoio a projeto de sistemas de comunicações militares

Marcio Nascimento Bispo, George Alex Fernandes Gomes, José Niuton da Nova, David Fernandes Cruz Moura ... 63

Materiais de carbono – Aplicações em eletrônica e sua pesquisa no Exército Brasileiro

Alexandre Taschetto de Castro ... 77

Análise de desempenho de técnicas de estimação de canais esparsos

Nilson Maciel de Paiva Junior, Elaine Crespo Marques, Francisco Carlos Ribeiro Junior, Alexandre de Macedo Torturela, Juraci Ferreira Galdino ... 89

Avaliação de desempenho de DFE adaptativos em enlaces HF ionosféricos que empregam a norma MIL-STD-188-110C

Francisco Carlos Ribeiro Junior, Elaine Crespo Marques, Nilson Maciel de Paiva Junior, Juraci Ferreira Galdino ... 101

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Apresentação

Pela primeira vez a revista Cadernos CPqD Tecnologia traz a seus leitores uma edição compartilhada com outra instituição, o Centro Tecnológico do Exército (CTEx), Organização Militar diretamente subordinada ao Departamento de Ciência e Tecnologia (DCT) do Exército Brasileiro.

Esta edição é reflexo de uma cooperação técnico-científica entre as duas instituições para a realização do Projeto RDS – Rádio Definido por Software, cujo objetivo é o desenvolvimento de um sistema de radiocomunicação que contribuirá para a interoperabilidade e maior segurança nas comunicações táticas das Forças Armadas, dentro do escopo do Programa Rádio Definido por Software do Ministério da Defesa (MD), que é coordenado pelo CTEx.

Esse Programa se insere no contexto de um processo continuado de modernização e de transformação no âmbito das Forças Armadas do Brasil, com o objetivo de assegurar à área de Defesa e Segurança Nacional sua posição em patamar compatível com a importância estratégica do Brasil. Nesse sentido, encontram-se em andamento projetos de grande envergadura, tais como: desenvolvimento do “link BR2”, do Submarino Nuclear, do veículo blindado Guarani, implantação do SISFRON, do Proteger, da Defesa Antiaérea e da Defesa Cibernética.

Apesar de bastante diversificados em seus objetivos, todos esses projetos possuem em comum a necessidade do provimento de meios de comunicação eficientes, confiáveis e seguros.

Em consequência dessa parceria, e tendo como âncora o Projeto RDS-Defesa, em 2013 foi inaugurado no CPqD o Núcleo de Desenvolvimento de Tecnologias de Defesa, voltado para o desenvolvimento de tecnologias inovadoras de comunicações sem fio para a indústria nacional da defesa, com o intuito de dotar o mercado, doméstico e internacional, com soluções competitivas que venham gerar, também, divisas para o Brasil.

Assim, é com enorme satisfação que os Cadernos CPqD Tecnologia acolhem os artigos do CTEx, com resultados importantes alcançados em atividades de pesquisa e desenvolvimento, e que demonstram o espírito inovador das equipes de pesquisadores do CTEx.

Essa iniciativa inaugura uma tendência que orientará o futuro da revista Cadernos CPqD Tecnologia, a qual poderá passar a incluir a produção técnico-científica de outras instituições parceiras do CPqD. Agradecemos a todos os autores, que permitiram a realização desta edição, bem como a todos os membros do Comitê Editorial e aos demais revisores pela inestimável colaboração no processo de avaliação e revisão.

Com isso, esperamos que nossos leitores encontrem informações atualizadas e aprofundadas sobre temas relevantes para o desenvolvimento tecnológico brasileiro.

Boa leitura! Gen Bda Claudio Duarte de Moraes Chefe do Centro Tecnológico do Exército Claudio A. Violato Vice-Presidente de Tecnologia do CPqD

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Mensagem

O Departamento de Ciência e Tecnologia (DCT) é um órgão de direção setorial do Exército Brasileiro, responsável pelo planejamento, orientação, controle e coordenação das atividades de ciência e tecnologia, de estímulo à inovação e de fomento à indústria de defesa nacional. Sua principal finalidade é o gerenciamento do Sistema de Ciência, Tecnologia e Inovação do Exército (SCTIEx) para a produção dos resultados científico-tecnológicos necessários à manutenção da operacionalidade da Força Terrestre.

Como indutor da transformação do Exército Brasileiro, o SCTIEx vem pesquisando e desenvolvendo produtos de defesa de alta tecnologia voltados para atender as necessidades operacionais, influenciando as áreas de doutrina militar terrestre, de pessoal e de logística.

Ciente de que todo o processo de mudança deve ser implementado por pessoal qualificado e motivado, o DCT vem desenvolvendo um conjunto de ações, entre elas a especialização e a capacitação de pessoal, bem como o estabelecimento de parcerias estratégicas.

Em decorrência de um contrato firmado em dezembro de 2012, no ano de 2013, a Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações inaugurou o Núcleo de Desenvolvimento de Tecnologias de Defesa, tendo como âncora o Projeto RDS – Rádio Definido por Software. A gerência desse projeto está sob a responsabilidade do Centro Tecnológico do Exército (CTEx), organização militar diretamente subordinada ao DCT. O RDS conta com a participação da Marinha, do Exército e da Força Aérea, constituindo-se um projeto integrado no âmbito do Ministério da Defesa.

A tecnologia em desenvolvimento pode ser considerada como um passo intermediário para o surgimento de ferramentas ainda mais avançadas, reduzindo a dependência tecnológica neste setor estratégico. O Projeto RDS-Defesa, desde a sua concepção, está sendo desenvolvido com base no emprego dual, o que permitirá o seu uso em diversos setores da sociedade. O programa contribuirá para aumentar a interoperabilidade nas comunicações táticas das Forças Armadas e, também, para dinamizar a Base Industrial de Defesa no setor das telecomunicações.

No corrente ano foram firmados mais dois contratos com o CPqD, no escopo do Projeto RDS-Defesa. Com o CTEx, aprofundaram-se a pesquisa e o desenvolvimento de novas funcionalidades a serem incorporadas à primeira fase do Projeto RDS-Defesa, como o software planejador de missões, que será usado no gerenciamento e na configuração do rádio. Com a Fundação de Apoio à Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação do Exército Brasileiro (FAPEB), foi firmado um acordo voltado para a pesquisa e o desenvolvimento de um módulo de forma de onda na faixa de frequência HF. Com duração prevista de dois anos, esse contrato conta com recursos da FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos.

Por fim, destaca-se que a parceria estratégica estabelecida entre o DCT e o CPqD foi um importante e definitivo passo para o fortalecimento da plataforma tecnológica brasileira nas áreas da Defesa e da Segurança, principalmente pela alta capacitação em tecnologias avançadas de comunicação, desenvolvidas pelo CPqD.

General de Exército Sinclair Mayer Chefe do Departamento de Ciência e Tecnologia do Exército

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Prefácio

No presente número da revista Cadernos CPqD Tecnologia são apresentados 09 artigos, sendo 02 artigos de cooperação entre o CPqD e o Centro Tecnológico do Exército (CTEx), relacionados ao Projeto RDS – Rádio Definido por Software, e os demais artigos envolvendo pesquisas e desenvolvimentos realizados atualmente no CTEx.

No primeiro artigo, Castello Branco e outros colaboradores apresentam uma breve descrição do Programa RDS-Defesa e, principalmente, delineiam as contribuições do CPqD ao programa.

No segundo artigo, Moreno e outros colaboradores descrevem e analisam as principais características do padrão Transceiver Facility Specification que impactam o desenvolvimento de rádios RDS voltados para emprego em comunicações táticas.

No terceiro artigo, Pompeo e outros colaboradores apresentam radares desenvolvidos e em fase de desenvolvimento pelo CTEx, abordando os desafios encontrados e apresentando, como exemplo de uma pesquisa e desenvolvimento específico, um simulador de sistemas de processamento distribuídos. No quarto artigo, Castro e outros colaboradores apresentam os resultados de pesquisa e desenvolvimento (P&D) de equipamentos baseados em tecnologias de visão noturna realizados pelo CTEx nos últimos anos.

No quinto artigo, do Valle e outros colaboradores apresentam os sistemas de VANT e as principais contribuições na P&D desses sistemas no âmbito do CTEx, envolvendo a arquitetura e o modelo do sistema em estudo, as perturbações atmosféricas consideradas, os sistemas de guiamento e controle e os resultados das simulações de trajetórias de voo do dirigível.

No sexto artigo, Bispo e outros colaboradores descrevem um exemplo de emprego de Análise Baseada em Cenários em apoio ao projeto de sistemas de comunicações militares em proveito de uma típica operação militar. Como contribuição adicional, propõe-se ainda um método de sistematização do mapeamento dos requisitos operacionais em requisitos de comunicações, também fundamentado na Análise Baseada em Cenários.

No sétimo artigo, de Castro apresenta uma revisão sucinta dos materiais de carbono, suas propriedades e suas aplicações na área de eletrônica, e também discute o estado atual de sua pesquisa no Exército Brasileiro.

O oitavo artigo, de Paiva Junior e outros colaboradores, apresenta um estudo computacional de análise de desempenho de técnicas de estimação de canais esparsos invariantes no tempo. São investigados diversos algoritmos, e uma análise minuciosa dos desempenhos dos algoritmos em função dos seus parâmetros é apresentada.

No nono artigo, Ribeiro Junior e outros colaboradores avaliam o desempenho de equalizadores adaptativos com espaçamento de símbolo e fracionário em cenários que envolvem transmissão em canais HF ionosféricos e o emprego da norma militar MIL-STD-188-110C.

Os Cadernos apresentam assim, no presente número, pela primeira vez, uma edição compartilhada CPqD e CTEx. Agradecemos a cada um dos autores que participam deste exemplar e aos membros do Fórum de P&D. Em nome do CPqD, agradeço principalmente ao TC Galdino pelo minucioso trabalho de revisão.

Rege Romeu Scarabucci Presidente do Fórum de P&D do CPqD

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Rádio Definido por Software do Ministério da

Defesa – Visão geral das primeiras contribuições

do CPqD

Marcos Guimarães Castello Branco*_{, Fabiana Antonia Roelli, Felipe Henriques da Silva,}

Fernando Rocha Pereira, Gustavo Correa Lima, Marco Antonio Miquelino, Rafael Pompeo de Haro Moreno, Sérgio Luís Ribeiro, David Fernandes Cruz Moura e Juraci Ferreira Galdino

Este artigo versa sobre o Programa Nacional Rádio Definido por Software do Ministério da Defesa (RDS-Defesa), cuja coordenação foi atribuída ao Centro Tecnológico do Exército (CTEx). Este programa tem entre seus principais objetivos a pesquisa e o desenvolvimento de soluções tecnológicas voltadas à promoção da interoperabilidade nas comunicações táticas das Forças Armadas do Brasil, bem como à garantia de atuação, com liberdade de ação e segurança, no espaço cibernético. O CTEx estabeleceu parcerias com ICTs civis e empresas para fazer frente aos grandes desafios tecnológicos decorrentes dos objetivos traçados pelo Programa RDS-Defesa. Nesse contexto, destaca-se a parceria estabelecida entre o CTEx e a Fundação CPqD em dezembro de 2012. O objetivo deste artigo é apresentar uma breve descrição do Programa RDS-Defesa e, principalmente, delinear as contribuições do CPqD no aludido programa.

Palavras-chave: RDS. Comunicações táticas. SCA. Formas de onda. Segurança da informação.

Abstract

This paper presents an overview of the Brazilian Ministry of Defense’s Software Defined Radio (RDS-Defesa) program, coordinated by the Brazilian Army Technological Center (CTEx). The primary goals of this program include the research and development of technical solutions to enhance tactical communications interoperability among the Brazilian Armed Forces, as well as ensure secure cyberspace activity. In this context, Fundação CPqD participates in the development of several modules that belong to the first development cycle of the RDS-Defesa program since December 2012. The goal of this paper is not only to present a brief description of the RDS-Defesa program, but mainly to outline CPqD contributions in each of the functional modules it is engaged in.

Key words: SDR. Radiocommunications. SCA. Waveforms. Information security.

*_{Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].}

1 Introdução

A tecnologia de radiocomunicação passa por uma mudança de paradigma com importantes reflexos para as comunicações militares sem fio: trata-se do advento do Rádio Definido por Software (RDS). A interoperabilidade, a portabilidade de formas de onda (padrões de comunicações) e a possibilidade de acompanhar os avanços tecnológicos no setor das radiocomunicações, sem a necessidade de substituição de hardware, são algumas das principais vantagens que esse novo paradigma propicia. A par disso, o RDS é considerado a plataforma apropriada para o desenvolvimento de rádios cognitivos.

Em um passado remoto, as funcionalidades dos rádios eram totalmente projetadas por componentes eletrônicos, como, por exemplo, o rádio RY-20 do Exército Brasileiro. Em um passado recente, surgiram os rádios configuráveis por software, caso do rádio M3TR, da fabricante Rohde & Schwarz, em uso pelas tropas brasileiras.

Posteriormente, nessa escala evolutiva, surgiu o RDS, no qual as funcionalidades do rádio, que anteriormente eram projetadas em hardware, passam a ser definidas via software. Em um RDS, o usuário não apenas tem a possibilidade de escolher formas de onda (padrões de comunicações), mas também de introduzir novas formas de onda no Teatro de Operações.

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10 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, núm. esp., p. 9-16, nov. 2014

Cabe destacar que o RDS vem se tornando uma realidade em razão dos enormes avanços nas áreas de sistemas embarcados, conversão analógico-digital, antenas, transmissão digital, processamento digital de sinais, arquitetura de software e na capacidade de processamento de dispositivos, tais como os Processadores de Uso Geral.

Tendo em vista a complexidade do projeto e tomando como referência os desenvolvimentos realizados em outros países, identificou-se a necessidade de implantação de um programa (composto de projetos intermediários), sob a coordenação geral do Ministério da Defesa e a coordenação executiva do Exército, por intermédio do Centro Tecnológico do Exército (CTEx). No CTEx, foi criado o Núcleo de Inovação e Pesquisa em Comunicações Aplicadas à Defesa (NIPCAD), para realizar pesquisa e desenvolvimento na área, bem como gerenciar o desenvolvimento técnico, os recursos humanos e financeiros das Forças Armadas e de órgãos de fomento alocados nesse empreendimento.

Diante do grande desafio científico e tecnológico de dominar todo o processo de P&D de equipamentos militares baseados na tecnologia RDS, bem como de iniciar pesquisas na área de Rádios Cognitivos para atender demandas de comunicações táticas das Forças Armadas, o NIPCAD/CTEx vem estabelecendo parcerias com universidades, ICTs e empresas.

A primeira e principal parceria estabelecida pelo CTEx nesse empreendimento, mormente na área de pesquisa e desenvolvimento de componentes de software do RDS, foi com a Fundação CPqD.

Este artigo apresenta, de forma bastante sumária, os objetivos do Programa RDS-Defesa e a forma como tal programa foi estruturado, destacando a participação do CPqD na execução do Programa Nacional RDS do Ministério da Defesa.

O restante deste trabalho é organizado em três seções. Na Seção 2 são apresentados os objetivos do Programa RDS-Defesa, bem como são apresentadas informações sobre a forma como o programa foi estruturado. A Seção 3 é dedicada à apresentação da participação do CPqD no projeto. Na Seção 4 são apresentadas as atividades atinentes à área de integração dos diversos componentes do RDS-Defesa e, por fim, na Seção 5, são destacadas as considerações finais do artigo.

2 Introdução ao Programa Nacional RDS-Defesa: objetivos e estruturação

O Programa Nacional Rádio Definido por Software de Defesa, doravante denominado

RDS-Defesa, deverá contribuir para a interoperabilidade nas comunicações táticas das Forças Armadas, bem como para a atuação no espaço cibernético com liberdade de ação e segurança das comunicações.

Tais objetivos serão atingidos mediante o desenvolvimento de protótipos de rádios, baseados no conceito RDS, capazes de prover protocolos de comunicações aderentes à doutrina das Forças Armadas do Brasil, aos cenários de emprego específicos da atuação dessas Forças Armadas, bem como conferir eficiência, disponibilidade e segurança nas comunicações, tanto no que toca à Guerra Eletrônica quanto aos aspectos ligados à Cibernética.

Adicionalmente, o programa possui como objetivos decorrentes a capacitação de recursos humanos altamente qualificados, o domínio de conhecimento de área estratégica para o Brasil, o fomento à Base Industrial de Defesa, sobretudo aquela ligada ao setor das telecomunicações, o fortalecimento de laços institucionais entre ICTs civis e militares, bem como a criação de condições para promover pesquisas e desenvolvimentos na área de rádios cognitivos.

O Programa RDS-Defesa compreende dois ciclos de desenvolvimento. O primeiro visa realizar o desenvolvimento de protótipos de rádios veiculares embarcáveis em vetores navais e terrestres. O segundo envolve o desenvolvimento de protótipos de rádios menores e mais leves, denominados de

handheld e manpack.

O primeiro ciclo de desenvolvimento tem duração prevista de 10 (dez) anos e é composto de 4 (quatro) fases. Ao longo desse período, serão desenvolvidos protótipos de RDS veiculares operando nas faixas de HF, VHF e UHF; formas de onda analógicas e digitais (padrões de comunicações) para operar em todas essas faixas espectrais, que serão dotadas de diversos mecanismos de segurança cibernética, segurança na transmissão (TRANSEC) e nas comunicações (COMSEC); e uma plataforma para facilitar o desenvolvimento de novas formas de onda.

Adotou-se no projeto uma filosofia de desenvolvimento incremental, na qual novas funcionalidades serão acrescentadas aos protótipos de uma determinada fase para gerar protótipos da fase subsequente. A execução do primeiro ciclo de desenvolvimento foi iniciada em dezembro de 2012, com a contratação do CPqD, e os escopos e as previsões das datas de conclusão das quatro fases do primeiro ciclo de P&D são os seguintes:

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 primeira fase (RDS-veicular operando na faixa de VHF): maio de 2016;

 segunda fase (RDS-veicular operando nas faixas de HF e VHF): dezembro de 2017;

 terceira fase (RDS-veicular operando nas faixas de HF, VHF e UHF): dezembro de 2019; e

 quarta fase (atualização das formas de onda de HF, VHF e UHF, bem como

conclusão da plataforma de

desenvolvimento de formas de onda): dezembro de 2022.

A fim de facilitar a P&D, o projeto de cada fase foi dividido em 13 (treze) módulos, sendo um voltado para gestão, outro para integração e os demais destinados ao desenvolvimento de partes específicas dos protótipos, tais como: formas de onda, soluções de segurança, front

end e plataforma operacional.

A Figura 1 apresenta as vistas frontais dos dois tipos de protótipo previstos para serem desenvolvidos no primeiro ciclo de desenvolvimento do Programa RDS-Defesa (RDS-Defesa versões veiculares).

Figura 1 Vista frontal das versões dos protótipos a serem desenvolvidos no primeiro ciclo de

desenvolvimento do Programa Nacional RDS-Defesa

Tais protótipos são compostos de:

 um Módulo de Processamento (MP), onde todo o processamento de banda básica dos rádios é realizado;

 dois Módulos de Controle e Conversão Digital-Analógica (CCDA), onde são efetuadas conversões entre os domínios digital e analógico, bem como são realizadas filtragens digitais,

sincronizações e controles automáticos de ganhos;

 front end operando nas faixas de HF (FE-HF), VHF e UHF (FE-V/U(FE-HF), os quais são encarregados de gerar as ondas eletromagnéticas a serem irradiadas pelas antenas e de realizar filtragens analógicas.

Como pode ser verificado na figura, uma das versões opera nas três bandas de frequência (H/V/UHF), Figura 1(b), enquanto a outra opera apenas em V/UHF, Figura 1(a).

A Figura 2 apresenta uma ilustração tridimensional do desenho contido na Figura 1(a). Esta versão possui dois front ends de V/UHF e é apropriada para várias aplicações típicas do Exército Brasileiro.

Nessa ilustração, da direita para a esquerda, estão posicionados os seguintes blocos:



Módulo de Processamento;



Controle e Conversão Digital-Analógica – (CCDA) operando na faixa de VHF e UHF;

 front end de VHF e UHF;

 segundos CCDA e front ends que também operam na faixa de VHF e UHF.

Figura 2 Ilustração em três dimensões do RDS-Defesa veicular – versão apresentada na Figura 1(a)

Adicionalmente, na Figura 3 são apresentados, em detalhes, o Backplane (que interconecta os blocos de processamento, CCDA e front end ao Módulo de Alimentação, que é localizado na parte traseira do desenho) e alguns detalhes da Base Veicular, como, por exemplo, o sistema de arrefecimento forçado (ventoinhas posicionadas na parte de baixo do desenho).

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Figura 3 Detalhes dos módulos Backplane, Alimentação e Base Veicular

O planejamento do primeiro ciclo do Programa RDS-Defesa foi iniciado em 2010 e intensificado a partir de 2011. Os requisitos operacionais foram elaborados em conjunto com as três Forças Armadas, tendo sido finalizados ainda em 2011.

Atualmente estão em curso as atividades de pesquisa e desenvolvimento das duas primeiras fases do primeiro ciclo de desenvolvimento e o planejamento do segundo ciclo de desenvolvimento.

Como mencionado previamente, a execução da primeira fase do primeiro ciclo de P&D do Programa Nacional RDS-Defesa iniciou em dezembro de 2012, com a contratação do CPqD. Atualmente, esse desenvolvimento conta com a participação do próprio CTEx, do CASNAV (Centro de Análise de Sistemas Navais), do IPqM (Instituto de Pesquisas da Marinha), e de outras duas empresas: a MECTRON/Odebrecht e a HIDROMEC. No total, o projeto conta com a participação de mais de 70 engenheiros.

A Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações – atua na primeira fase do projeto RDS colaborando, especialmente, com o desenvolvimento de cinco dentre os treze módulos, os quais são listados a seguir:

 MSCA – Módulo do Middleware SCA;  MFOSCA – Módulo de Forma de Onda

SCA (VHF);

 CCDA – Controle e Conversão Digital-Analógica, parte integrante do Módulo de Radiofrequências;

 MSEG – Módulo de Segurança;

 FDSCAC – Ferramenta de

Desenvolvimento SCA Compatível.

Adicionalmente, o CPqD atua também, em conjunto com o CTEx, na pesquisa e no desenvolvimento da forma de onda de HF, da segunda fase do primeiro ciclo de desenvolvimento do Programa Nacional RDS-Defesa (RDS-RDS-Defesa). A seguir são detalhadas informações referentes aos módulos supracitados.

3 Participação do CPqD no Programa Nacional RDS-Defesa

Nesta seção, são descritos os principais resultados alcançados e planejados pelos cinco módulos do RDS-Defesa que contam com a participação do CPqD.

3.1 MSCA

Este módulo é responsável pelo

desenvolvimento de componentes do middleware SCA (Software Communication Architecture) (KOVARIK, 2007; WIRELESS INNOVATION FORUM, 2006), que foi padronizado no bojo do JTRS (Joint Tactical Radio System) (REED, 2002), programa voltado para o desenvolvimento de RDS para as comunicações táticas das Forças Armadas dos Estados Unidos.

O middleware SCA é uma infraestrutura de software aberta que especifica os mecanismos para criar, implantar, gerenciar e interconectar aplicações rádio (formas de onda), baseadas em componentes e em plataformas distribuídas. Esse padrão visa facilitar a portabilidade de formas de onda, um aspecto importante para promover a interoperabilidade das comunicações táticas, este, de fato, requisito peremptório do Programa Nacional RDS do Ministério da Defesa. Adicionalmente, o SCA busca reduzir o tempo de implantação e custos de desenvolvimento de formas de onda, bem como propiciar maior independência de soluções proprietárias de tecnologias, equipamentos e componentes a serem empregados nos sistemas rádio que dotarão as Forças Armadas Brasileiras no futuro.

Com base nessa premissa, o MSCA desenvolve componentes SCA que serão utilizados pelo RDS-Defesa provendo padronização de interfaces e recursos para a comunicação interna e externa dos elementos do rádio visando o uso adequado pelas diferentes formas de onda que serão desenvolvidas ao longo do Programa RDS-Defesa.

Além de todos os benefícios já indicados, é relevante destacar que o desenvolvimento de uma solução nacional para o middleware SCA apresenta grandes vantagens sob a ótica da segurança, pois o SCA é um elemento crítico

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para a proteção do equipamento rádio, conforme descrito em Silva, Moura e Galdino (2014). Tal iniciativa garante o conhecimento e o uso das melhores técnicas de segurança no software, por meio do projeto cuidadoso dos componentes do núcleo e da implementação de diversos mecanismos dinâmicos que mitiguem ataques de injeção de software.

A Figura 4 ilustra o ambiente operacional SCA empregado no projeto RDS.

Figura 4 Ambiente operacional SCA

Isso posto, a equipe do CPqD é responsável pelo desenvolvimento de um núcleo SCA para o RDS, que é a entidade que controla o ambiente SCA, sendo responsável, entre outras atividades, pela instalação e instanciação de aplicações SCA. Adicionalmente, o trabalho em curso abrange o desenvolvimento de componentes previstos na especificação do ambiente operacional SCA, bem como de componentes de software (não SCA) para a transmissão de mensagens do ambiente

operacional entre os Módulos de

Processamento do rádio.

Para cada um dos componentes SCA são aplicadas as regras de modelagem SCA, por meio das quais são atribuídas as propriedades e as portas de comunicação associadas a cada tipo de componente. Deste modo, os mesmos componentes poderão ser utilizados de maneira padronizada pelas aplicações instaladas e habilitadas para execução dentro do Módulo de Processamento do RDS.

3.2 MFOSCA

Conforme descrito em Paiva Junior e autores (2012), no contexto SCA, uma aplicação rádio é denominada forma de onda e é definida como o resultado de um conjunto de transformações realizadas com o objetivo de superar distúrbios, causados seja pela propagação em ambiente rádio, seja em função de possíveis ações de interferência inimigas.

Tais transformações são realizadas no transmissor e aplicadas à informação veiculada através do canal rádio. Além disso, essa

definição também contempla o conjunto correspondente de transformações no receptor para converter os sinais recebidos, recuperando a informação original. Logo, as formas de onda são o núcleo funcional e, portanto, a essência de um rádio RDS.

A par disso, o desenvolvimento de formas de onda eficientes passa necessariamente por evoluções nas áreas de modulação, equalização, sincronização, codificação de canal, codificação de fonte, técnicas de acesso ao meio, roteamento, controle de fluxo, de admissão e congestionamento em ambientes sujeitos a falhas e desconexões, entre outros. Tais pesquisas devem levar em conta necessidades peculiares do ambiente militar, como a baixa probabilidade de detecção e de interceptação, com o intuito de dificultar as ações de Guerra Eletrônica do oponente. Além dos itens de pesquisa descritos no parágrafo anterior, é possível mencionar os algoritmos de sincronização e de salto em frequência, que normalmente são protegidos por patentes de empresas estrangeiras.

Assim, o Módulo de Forma de Onda SCA é o responsável pela pesquisa e pelo desenvolvimento das formas de onda a serem utilizadas nos rádios que serão desenvolvidos ao longo do Programa RDS-Defesa. Cabe mencionar que essa missão vem sendo desenvolvida em intensa parceria com o CTEx que alocou oito engenheiros especificamente nessas pesquisas e desenvolvimentos.

Atualmente estão em desenvolvimento duas formas de onda, uma para a faixa de VHF (primeira fase) e a outra para a faixa de HF (segunda fase), as quais envolvem, principalmente, técnicas vinculadas às três primeiras camadas do modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection). Adicionalmente, nas formas de onda do RDS também serão desenvolvidas soluções atinentes às camadas de aplicação e de transporte de tal modelo de referência.

No contexto do RDS-Defesa, tais aplicativos se destinam tanto para comunicações digitais, quanto para comunicações analógicas. Especificamente, no tocante, à forma de onda de VHF, as seguintes tecnologias e padrões de comunicação estão sendo desenvolvidas:

 Voz analógica AM  Voz analógica FM

 Modo CW (Código Morse)  Transmissão digital de dados  Transmissão digital de voz

Nos modos digitais, adotou-se o padrão MIL-STD-188-220D (DOF, 2005), bem como um

(16)

padrão proprietário vem sendo desenvolvido. No tocante à forma de onda de HF serão desenvolvidos aplicativos aderentes à norma MIL-STD-188-110C (DOF, 2011).

Como mencionado na seção anterior, essas e outras formas de onda para o projeto RDS estão sendo desenvolvidas sobre a mesma arquitetura SCA e terão seu núcleo operacional baseado nos mesmos dispositivos e interfaces de software, permitindo assim a portabilidade em diferentes versões do rádio.

3.3 CCDA

O Controle e Conversão Digital-Analógica (CCDA) é o responsável pela interface entre o

front end (Módulo de RF) e o componente de processamento, encarregado de suportar todo o processamento de banda-base do equipamento. Um projeto do CCDA deve abranger o desenvolvimento de hardware e software embarcado (firmware) para processador, o desenvolvimento de circuitos lógicos de alta complexidade e tempos de latência sensíveis, além de device drivers para comunicação. Adicionalmente, faz-se mister que o projeto em tela execute atividades de integração com os componentes de formas de onda, SCA e Sistema Operacional de Tempo Real, posto que

demanda pesquisa, modelagem e

desenvolvimento de diversos algoritmos críticos que exigem conhecimentos avançados nas áreas de transmissão digital e processamento digital de sinais.

Assim, no escopo do Projeto RDS-Defesa, o Módulo de Controle e Conversão Digital-Analógica é parte integrante do MRF (Módulo de RF), sendo constituído de componentes de HW e SW. Sua principal função, no ciclo de transmissão, é efetuar a conversão dos sinais digitais repassados pela forma de onda em um sinal de FI (Frequência intermediária) que será entregue ao FERF (front end de RF) para a geração do sinal de RF a ser transmitido. Já no ciclo de recepção, o Módulo CCDA se encarrega de converter o sinal de RF transladado para FI pelo FERF, no sinal digital a ser tratado pela forma de onda em execução no rádio. Adicionalmente, o CCDA contempla mecanismos de controle automático de ganho dos estágios de amplificação na cadeia de recepção do FERF.

O primeiro protótipo do CCDA, ilustrado na Figura 5, foi concluído e entregue ao CTEx em dezembro de 2013. Este protótipo está sendo aperfeiçoado no intuito de melhorar suas características térmicas e de compatibilidade eletromagnética. A par disso, encontram-se em

andamento atividades de integração do CCDA com outros módulos de HW do RDS-Defesa.

(a)

(b)

Figura 5 Ilustração da integração do CCDA com o

Backplane (a) e a primeira versão do protótipo do

CCDA (b)

Paralelamente, a equipe do CCDA está desenvolvendo um protótipo de parte do

Backplane do rádio (jiga de teste), para realizar

testes preliminares de interconexão com um Módulo de Processamento. Adicionalmente, a jiga de testes permitirá a validação do driver deste Módulo de Hardware.

3.4 MSEG

O aspecto de segurança de um rádio RDS é bem mais amplo do aquele tipicamente encontrado em rádios de gerações antecessoras. Um RDS pode ser alvo de ataque de Guerra Eletrônica, mas pode também sofrer ataques cibernéticos. É com esse pensamento que o componente de Segurança do RDS de Defesa foi planejado e está sendo modelado. Tal cenário faz com que a necessidade de cuidados seja muito maior, pois pequenas modificações em arquivos de configuração da forma de onda ou do SCA podem provocar graves prejuízos ao desempenho do sistema, conforme demonstrado em Moura, Silva e Galdino (2012).

Assim, no âmbito do Projeto RDS-Defesa, o Módulo de Segurança é responsável pelo desenvolvimento do subsistema de criptografia

(17)

(CS/S) do RDS. Esse subsistema, por sua vez, executará o tratamento seguro de toda a informação, não apenas aquela trafegada entre rádios, como também aquela armazenada no próprio rádio, como, por exemplo, as configurações e as especificações dos parâmetros do equipamento.

O MSEG também é responsável pela governança, gestão de riscos e pelo estabelecimento da política de segurança do RDS. Esse módulo conta com a participação ativa das equipes do CTEx e do CASNAV, através de inúmeras trocas de experiência. No desenvolvimento do CS/S estão previstos, ao menos, dois ciclos de prototipagem desse subsistema composto de HW e SW. O CS/S contará com a implementação de diversos algoritmos criptográficos, entre eles, um algoritmo criptográfico desenvolvido pelo CASNAV. A Figura 6 apresenta uma ilustração da versão referente à primeira prototipagem do CS/S.

Figura 6 Protótipo da primeira versão do CS/S

Além das atividades descritas, a equipe do CPqD, contando com apoio de especialistas do CTEx, realizou um amplo trabalho de análise e avaliação de riscos de um RDS veicular empregado em cenários de comunicações táticas. Esse trabalho foi realizado com o intuito de identificar os riscos e os respectivos controles para mitigar tais riscos, permitindo assim a construção da Política de Segurança do RDS.

Como resultado desse estudo, foram identificados controles importantes para contribuir com a confidencialidade, integridade, disponibilidade e autenticidade, tanto do equipamento quanto de cada um de seus componentes. Adicionalmente, esse estudo foi fundamental para realizar um planejamento de priorização de implementação dos controles ao longo do primeiro ciclo de P&D do RDS-Defesa. Por fim, cabe destacar que a equipe do MSEG irá analisar e verificar toda a base de software existente no RDS, por meio de análises dinâmicas e estáticas de software, em busca de brechas de segurança, aumentando assim a segurança do RDS-Defesa como um todo.

3.5 FDSCAC

Sabe-se que a implementação de software para representar a forma de onda é frequentemente prejudicada pelo fato de que a especificação da forma de onda não ser claramente conhecida. Além disso, a plataforma de destino é

usualmente composta de múltiplos

processadores, que interagem entre si.

Assim sendo, os desenvolvedores precisam usar várias ferramentas para alcançar seu projeto, mas a falta de padrões torna a integração desse ambiente heterogêneo muito desafiadora.

Constata-se que a maioria das ferramentas de desenvolvimento de software para RDS e os artefatos que produzem são de muito alto nível e informais (como documentos criados pelo Microsoft Word) ou de muito baixo nível (como códigos-fonte em C/C++). Assim, os artefatos utilizados para trocar informações entre ferramentas de desenvolvimento são geralmente os informais, posto que não empregam formatos padronizados. Tal estratégia acaba por trazer uma barreira à transmissão eficiente dos artefatos de concepção entre as diferentes fases de desenvolvimento.

Tal cenário apresenta, portanto, um problema de comunicação e de padronização, cuja gravidade aumenta em ambientes de equipes interdisciplinares, como o do Projeto RDS-Defesa. Isso se dá pois pessoas de software e hardware possuem diferentes perspectivas acerca de um determinado tema, o que naturalmente se reflete na terminologia adotada. Assim, justifica-se o desenvolvimento de uma ferramenta específica para o desenvolvimento de formas de onda compatíveis com a especificação SCA, que seja capaz de integrar as visões interdisciplinares.

Assim, no Projeto RDS-Defesa, o Módulo da Ferramenta de Desenvolvimento SCA Compatível é responsável pela especificação e pelo projeto-piloto da interface HMI de uma ferramenta de SW que facilitará o desenvolvimento de novas formas de onda SCA. Tal especificação, que vem sendo intensamente debatida com as equipes do CTEx, será customizada para as necessidades operacionais das Forças Armadas do Brasil. O desenvolvimento da FDSCAC segue a metodologia RUP (IBM, 2014) e seus recursos e interfaces visam permitir a abstração da camada CORBA pelo desenvolvedor da forma de onda SCA. Permite ainda a modelagem de elementos, facilita a geração automática de códigos da aplicação, bem como sua ativação e configuração no RDS.

(18)

A ferramenta fornecerá também alguns recursos de simulação e testes das aplicações desenvolvidas, que permitirão ao usuário exercitar os recursos e as funcionalidades de uma nova forma de onda a ser instalada no RDS.

Adicionalmente, a equipe da FDSCAC desenvolverá, em conjunto com a equipe do CTEx, uma ferramenta cuja finalidade é facilitar a construção do plano de missão do RDS, o qual é responsável pelo preparo dos rádios antes de sua remessa para o Teatro de Operações.

4 Atividades de integração

Além das contribuições específicas nos módulos de atividades descritos na Seção 3, o CPqD já está iniciando os trabalhos de integração de seus resultados parciais com os demais módulos do RDS sob responsabilidade do CTEx e da MECTRON.

Dentre as principais atividades de integração destacam-se:

 Integrações mecânicas do CCDA com o gabinete principal do RDS e respectivo

Backplane;

 Integrações de códigos internos ao RDS que dependem de interações com o SCA;  Integrações e testes de desempenho das aplicações com o sistema operacional de tempo real;

 Integrações mecânicas do CS/S (MSEG) e testes de desempenho de códigos no Módulo de Processamento;

 Avaliações da integração do HW no ambiente eletromagnético do rádio;  Avaliações da integração do HW diante

das condições finais de arrefecimento interno do rádio.

5 Conclusão

O Programa RDS-Defesa é uma importante iniciativa do Ministério da Defesa que busca promover a interoperabilidade das comunicações táticas entre as Forças Armadas do Brasil, ao mesmo tempo em que visa garantir a segurança das comunicações no ciberespaço. Os desafios impostos por esse novo paradigma tecnológico englobam diversas linhas de pesquisa e desenvolvimento, bem como especialidades distintas. Nesse sentido, são notáveis os desenvolvimentos tecnológicos de cada módulo funcional que compõe o primeiro

ciclo de desenvolvimento do Programa RDS-Defesa.

Este artigo buscou apresentar, de forma resumida, os conceitos e os principais resultados já alcançados dentro de cada módulo em que o CPqD está envolvido, bem como a estruturação para o desenvolvimento do programa, que se encontra sob a coordenação do CTEx.

Referências

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PAIVA JUNIOR, N. M.; MARQUES, E. C.; SILVA, F. A. B.; MORAES, R. F.; MOURA, D. F. C.; GALDINO, J. F. Introdução ao Desenvolvimento de Rádios Definidos por Software para Aplicações de Defesa. In:

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TELECOMUNICAÇÕES (SBrT), 12., Brasília, 2012. Anais…

REED, J. H. Software Radio: A Modern Approach to Radio Engineering. USA: Prentice Hall PTR, 2002.

SILVA, F. A.; MOURA, D. F.; GALDINO, J. F. Security Issues in Tactical Software-Defined Radios: Analysis of Attacks and Case Studies. In: VIRTANEN, S. (Ed.). Advancing Embedded

Systems and Real-Time Communications with Emerging Technologies. 1. ed. Hershey,

EUA: IGI Global, 2014. p. 22-53.

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Communications Architecture Specification

(SCA). Version 2.2.2, May 2006. Disponível em: <http://groups.winnforum.org/d/do/3766>. Acesso em: 04 nov. 2014.

(19)

Transceiver Facility Specification

– Um padrão

para desenvolver transceptores RF de RDS

SCA-Compliant

Rafael P. H. Moreno *_{, Felipe Henriques da Silva, Marcos Guimarães Castello Branco,}

Alexandre de Macedo Torturela, George Alex Fernandes Gomes

O Transceiver Facility Specification, do Wireless Innovation Forum, é um importante padrão que norteia o desenvolvimento de transceptores de radiofrequência compatíveis com o framework SCA (Software Communication Architecture). Este framework foi adotado no desenvolvimento do Projeto RDS-Defesa do Ministério da Defesa do Brasil para facilitar a portabilidade de formas de onda, aspecto fundamental para contribuir com a interoperabilidade das comunicações táticas das Forças Armadas do Brasil. Este artigo descreve e analisa as principais características do padrão Transceiver Facility Specification que impactam o desenvolvimento de rádios RDS voltados para emprego em comunicações táticas.

Palavras-chave: RDS. Transceptor. SCA. WInnF. Radiocomunicações. Transceiver Facility

Specification. Abstract

The Transceiver Facility Specification, set by the Wireless Innovation Forum, is an important standard that guides the development of radio frequency transceivers compatible with the SCA framework (Software Communication Architecture). This framework was adopted in the development of RDS-Defense Project of the Ministry of Defence of Brazil to facilitate the portability of waveforms, a fundamental aspect to contribute to the interoperability of tactics communications of the Brazilian Military Forces. This article describes and analyzes the main characteristics of the Transceiver Facility Specification that impact the development of software defined radios aimed for use in tactical communications.

Key words: SDR. Transceiver. SCA. WInnF. Radiocommunications.

*_{Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].}

1 Introdução

O Projeto RDS-Defesa, coordenado pelo Centro Tecnológico do Exército (CTEx) e que conta com a participação do CPqD, é um projeto estratégico do Ministério da Defesa do Brasil que tem como objetivo principal promover a interoperabilidade entre as Forças Armadas Brasileiras, através da adoção de uma família de Rádios Definidos por Software (RDS) que está sendo desenvolvida.

Um RDS é um rádio em que recursos tipicamente baseados em hardware, abordagem

comumente adotada em tecnologias

antecessoras, passam a ser implementados por software. Isso possibilita a utilização de formas de onda mais adequadas para operar em um cenário específico, bem como a atualização de formas de onda ao longo do ciclo de vida do

RDS, sem a necessidade de modificações em seu hardware. Entende-se como forma de onda o conjunto de transformações aplicadas à informação para sua transmissão e recepção, como, por exemplo, protocolos, esquemas de modulação e filtragem.

Uma das principais vantagens de rádios baseados na tecnologia RDS é a possibilidade de uma forma de onda ser portada para outros equipamentos, facilitando assim a interoperabilidade entre os sistemas de comunicações.

Uma condição necessária para alcançar portabilidade é a padronização do ambiente operacional sobre o qual a forma de onda é executada e de suas interfaces. Uma maneira de atender essa condição é seguir os padrões recomendados pelo Wireless Innovation Forum (WInnF), dentre os quais destacam-se o

(20)

Software Communications Architecture (SCA), para a forma de onda, e o Transceiver Facility

Specification, para o transceptor.

Este artigo tem como principal objetivo descrever as principais características do

Transceiver Facility Specification. Para isso, o

restante deste artigo está estruturado da seguinte forma: a Seção 2 apresenta uma visão geral de um RDS segundo o WInnF; a Subseção 2.1 apresenta os conceitos básicos do padrão SCA e a Subseção 2.2 descreve sumariamente o padrão Transceiver Facility

Specification; a Seção 3 apresenta as principais

características do padrão Transceiver Facility

Specification; as Subseções 3.1 e 3.2

descrevem, respectivamente, as APIs de transmissão e de recepção definidas pelo

Transceiver Facility Specification; por fim, na

Seção 4, são feitas algumas considerações finais.

2 Visão geral de um RDS segundo o WInnF

Segundo o WInnF, um RDS típico pode ser dividido em três partes: modem, transceptor e antena (Figura 1).

Figura 1 Estrutura típica de um RDS

O modem tem a função de realizar a modulação e a demodulação dos sinais em banda base, de acordo com a forma de onda empregada. O transceptor tem a função de fazer a conversão dos sinais em banda base em sinais de RF e vice-versa. A antena tem a função de irradiar e captar sinais em RF.

O modem é o componente funcional do RDS que realiza a troca de sinais em banda base com o transceptor. Na transmissão, ele gera, a partir da informação, os sinais em banda base para serem transmitidos e, na recepção, ele executa tarefas capazes de extrair a informação desejada dos sinais em banda base.

O transceptor é composto por um segmento digital e outro analógico, os quais são interligados por um estágio de conversão. É no segmento digital que sinais em banda base são recebidos do modem, processados e remetidos

ao estágio de conversão para serem convertidos em sinais de RF. No segmento analógico, os sinais em RF são amplificados e enviados à antena para serem transmitidos. Na recepção, esse processo é realizado no sentido inverso.

Uma maneira de promover portabilidade de forma de onda, aspecto fundamental de um RDS e um dos principais desafios da comunidade internacional que se dedica ao assunto, é através da adoção do padrão SCA para o modem e do padrão Transceiver Facility

Specification para o transceptor, ambos

especificados pelo WInnF. A Subseção 2.1 apresenta os conceitos básicos do padrão SCA e a Subseção 2.2 descreve sumariamente o padrão Transceiver Facility Specification.

2.1 Padrão SCA

Em um RDS, componentes que são normalmente implementados em hardware são substituídos por componentes de software. A substituição de componentes de hardware por componentes de software não é capaz de, por si só, garantir a portabilidade e a interoperabilidade das formas de onda. Se uma forma de onda acessar diretamente um componente de hardware, através de seu driver, ela estará acoplada a este componente. Caso o componente precise ser alterado, ou a forma de onda precise ser instalada em outro RDS que não possua o componente em questão, a forma de onda precisará ser modificada. Essa modificação gerará custos operacionais indesejados, além de possíveis atrasos de projeto. No pior caso, a forma de onda pode ter sido adquirida de fornecedores externos que não se interessam por alterar seu produto, ou que cobram muito caro por isso.

Para resolver esse problema, o Departamento de Defesa dos Estados Unidos criou, em 1998, o JTRS (Joint Tactical Radio System), grupo responsável pela padronização de rádios definidos por software para as Forças Armadas dos Estados Unidos. Esse grupo, reunindo representantes de fabricantes de componentes de hardware e software, iniciou então o desenvolvimento da SCA (Software Communications Architecture).

A especificação foi tornada pública, no intuito de atrair o maior número de fabricantes para o desenvolvimento de componentes aderentes ao padrão. Em 2011, com o término das operações do JTRS, o padrão passou a ser mantido e estendido pelo WInnF, uma organização sem fins lucrativos dedicada à inovação das comunicações civis, comerciais e militares ao redor do mundo. Os membros do fórum têm experiência em rádios definidos por software,

(21)

rádios cognitivos e acesso dinâmico do espectro (Dynamic Spectrum Access  DSA) em diversos mercados e em todas as camadas de valores das comunicações sem fio, sendo capaz de endereçar, eficientemente, requisitos desta área.

SCA é um conjunto de especificações que facilita a portabilidade, a interoperabilidade e a configuração de componentes de software e hardware usados na manufatura de rádios definidos por software. Por meio dessas especificações, a SCA define interfaces para cada componente de hardware de um RDS. Dessa forma, caso um componente de hardware precise ser alterado, nenhuma modificação é necessária na forma de onda. A SCA proporciona, portanto, um desacoplamento entre forma de onda e hardware, favorecendo a portabilidade.

Figura 2 Framework SCA

A Figura 2 ilustra o ambiente operacional SCA, que é composto por:

 Núcleo SCA (SCA Core Framework)  Dispositivos SCA (SCA Devices)  Formas de onda SCA

 Transporte CORBA (Common Object Request Broker Architecture)

O núcleo SCA possui os componentes centrais do ambiente operacional. Ele é responsável pela instalação e instanciação das aplicações SCA (formas de onda) e conexão destas com os dispositivos SCA. Apesar de sua importância, o núcleo não participa do funcionamento do rádio. Após instanciar uma forma de onda, o núcleo se mantém inerte, deixando que a forma de onda execute as operações necessárias ao funcionamento do rádio.

Os dispositivos SCA são os componentes de software responsáveis pela comunicação com os diversos componentes de hardware (através de seus drivers). Esses dispositivos possuem interfaces bem definidas em especificações SCA e têm o papel de criar abstrações dos componentes de hardware para as formas de onda. Em um RDS, para cada dispositivo de hardware a ser acessado por uma forma de onda, há um dispositivo SCA correspondente. No contexto do padrão SCA, as formas de onda são aplicações que definem o funcionamento de um RDS. Um mesmo RDS pode ter uma ou mais formas de onda em execução simultânea. Além de proporcionar um desacoplamento entre a forma de onda e o hardware, a SCA também possibilita que os componentes de uma mesma forma de onda sejam distribuídos entre núcleos de processamento distintos. Para isso, é necessária uma camada de transporte que torne transparente a localização dos componentes SCA. Até a versão 2.2.2 do padrão SCA, essa camada de transporte devia seguir, obrigatoriamente, o padrão CORBA.

O padrão CORBA foi definido pela OMG (Object Management Group) com o objetivo de facilitar a comunicação de sistemas distribuídos em diversas plataformas. O CORBA possibilita a colaboração entre sistemas executados em sistemas operacionais distintos, diferentes arquiteturas computacionais ou implementados com diferentes linguagens de programação. Normalmente, o CORBA utiliza a pilha TCP/IP do sistema operacional durante seu funcionamento.

Na versão mais recente da SCA (4.0), o CORBA deixou de ser mandatório. A camada de transporte pode agora ser implementada com outros padrões, e esta versão permite, inclusive, que seja adotada uma solução proprietária para a camada de transporte.

2.2 Padrão Transceiver Facility Specification

O Transceiver Facility Specification define a estrutura interna do transceptor em canal de transmissão e canal de recepção.

O canal de transmissão é composto por uma fila de dados do tipo first-in first-out, referente ao sinal digital em banda base (Baseband FIFO), e uma cadeia de conversão do sinal digital em banda base em sinais analógicos de RF

(Up-conversion Chain).

O canal de recepção é composto por uma

Baseband FIFO e por uma cadeia de conversão

do sinal analógico de RF em sinal digital em banda base (Down-conversion Chain).

De acordo com a Transceiver Facility

(22)

ocorrem, respectivamente, por meio de ciclos de transmissão e de recepção. Um ciclo de transmissão corresponde à fase de conversão e filtragem do sinal digital em banda base em sinal analógico de RF. Por sua vez, um ciclo de recepção corresponde à fase de conversão, amostragem e filtragem do sinal analógico de RF em sinal digital em banda base.

A Seção 3 descreve a API do transceptor e seu funcionamento, conforme o padrão Transceiver

Facility Specification.

3 API do Transceiver Facility Specification

Esta seção destina-se a descrever de forma sumária a API estabelecida pelo Transceiver

Facility Specification, a qual é dividida em uma

API para o canal de transmissão e uma API para o canal de recepção.

3.1 API do canal de transmissão

A API do canal de transmissão é subdividida em uma API para o controle de transmissões e uma API para o envio de amostras do sinal em banda base da forma de onda para o transceptor de RF.

A API para o controle de transmissões é descrita, na linguagem C++, pela classe

I_TransmitControl (Figura 3).

Figura 3 Interface para controle de transmissões

Essa classe provê três métodos públicos, que obrigatoriamente devem ser implementados:

createTransmitCycleProfile,ConfigureTransmitC ycle e setTransmitStopTime.

O método createTransmitCycleProfile é utilizado pela forma de onda para criar perfis de ciclo de transmissão. O número máximo de perfis de ciclos que poderão existir simultaneamente no canal de transmissão é definido pelo parâmetro

MaxTxCyclesProfiles, inerente ao transceptor de

RF. Um perfil de ciclo de transmissão é uma estrutura que fica armazenada no transceptor de RF e agrupa as seguintes informações, que controlam os ciclos de transmissão, desde sua criação até sua destruição: identificador de ciclo de transmissão (TransmitCycle), perfil de tempo (Time Profile) e perfil de sintonização (Tuning

Profile).

Todo ciclo de transmissão possui um identificador exclusivo chamado TransmitCycle. A cada novo ciclo de transmissão criado, é atribuído automaticamente a seu TransmitCycle um valor sequencial entre ZERO e MaxCycleId, sendo que o identificador do primeiro ciclo criado recebe o valor ZERO e, quando o contador de ciclos ultrapassa o valor

MaxCycleId, ele retorna ao valor zero. O valor

de MaxCycleId é inerente ao transceptor de RF. O perfil de tempo, ao ser configurado pela forma de onda, define os instantes de início

(TransmitStartTime) e término

(TransmitStopTime) de transmissão do sinal em RF.

O perfil de sintonização contém informações necessárias para a realização da filtragem e a conversão dos sinais em banda base para RF. Além de possuir uma estrutura com valores de parâmetros preestabelecidos (Figura 4), como a largura de canal e a frequência de amostragem, também registra valores para a acurácia da frequência de portadora (CarrierFrequency

Accuracy) e a potência nominal de RF (Nominal

RF Power).

Figura 4 Parâmetros preestabelecidos para a sintonização

Os parâmetros do método

createTransmitCycleProfile, vistos na Figura 3,

correspondem aos valores iniciais associados ao perfil de ciclo de transmissão sendo criado.

De forma sucinta, os parâmetros

requestedTransmitStartTime e requestedTransmitStopTime associam valores

ao perfil de tempo e os parâmetros