با گسترش میزان استفاده از ارتباطات بی‌سیم در کسب‌وکارها، نیاز به در اختیار داشتن شبکه‌های قوی و عاری از تداخل افزایش پیدا کرده است. وجود سیگنال‌های غیرقانونی یا بدون مجوزی که در مخابره اطلاعات تداخل ایجاد می‌کنند، ظرفیت نقل و انتقال اطلاعات را کاهش می‌دهد. شناسایی و حذف چنین منابع تداخلی یک چالش مهم است چون ممکن است سیگنال‌ها به صورت دوره‌ای منتشر شده یا فرکانس‌شان به مرور زمان تغییر کند. در نتیجه عدم وجود تداخل در طیف باندهایی که شبکه‌های همراه و فرودگاه‌ها با آنها کار می‌کنند، ضروری است.
در این مقاله، استفاده از رادیوی نرم‌افزاری (SDR[1]) در حوزه نظارت بر طیف را برای تشخیص تداخل‌های سیگنالی در زیرساخت‌های شبکه موبایل و کنترل ترافیک هوایی بررسی می‌کنیم. با وجود برخی از SDRها که مجهز به چند ورودی و چند خروجی (MIMO[2]) هستند و برد وسیع و پهنای باند آنی زیادی دارند، پیشگیری از تداخل سیگنال در زیرساخت‌های حیاتی ممکن است.
نظارت بر طیف چیست؟
نظارت بر طیف به فرایند تشخیص، تحلیل و ارزیابی امواج الکترومغناطیسی روی طیف وسیعی از فرکانس‌ها گفته می‌شود. نظارت بر طیف کاربردهای مختلفی دارد. این فرایند به تشخیص منابع احتمالی تداخل، بهینه‌سازی سیستم‌های ارتباطی، حفاظت از طیف الکترومغناطیسی در برابر استفاده غیرمجاز کمک می‌کند. مشخص کردن خصوصیات امواج RF، تعیین میزان در دسترس بودن طیف‌ها، مدیریت طیف‌های تحت نظارت و تشخیص انتشار سیگنال‌های غیرمجاز نیز از جمله کاربردهای نظارت بر طیف هستند.
دلیل انجام نظارت بر طیف چیست؟
در حوزه خدمات باندهای مجوزدار، از نظارت بر طیف برای حفاظت از کاربران دارای مجوز و پاک کردن باندها از کاربران غیرقانونی استفاده می‌شود. نظارت بر طیف، استفاده واقعی از طیف‌ها را مشخص کرده و از بهره‌وری آن اطمینان حاصل می‌کند. به این ترتیب می‌توان مطمئن بود که کاربران قوانین ملی و بین‌المللی را رعایت می‌کنند.
نظارت بر طیف در زیرساخت‌های فرودگاهی
اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU[3]) نحوه تخصیص طیف‌های رادیویی و استفاده از یک فرکانس برای یک سرویس خاص را تعیین می‌کند. در حوزه کنترل ترافیک هوایی، از نظارت بر طیف برای کاربردهای راهبری و نظارتی استفاده می‌شود.
طیف رادیویی هوا به زمین برای کارهایی مثل ارتباطات صوتی کنترل ترافیک هوایی، رادار نظارتی ثانویه (به انگلیسی: Secondary surveillance radar)[4] و ارتباطات لینک داده یا دیتالینک (به انگلیسی: Datalink) استفاده می‌شود. فرکانس‌های پرکاربرد در این حوزه شامل بیکون‌های غیرجهت‌دار (NBD[5])، ارتباطات HF، محدوده VHF همه جهته (VOR[6])، سیستم فرود ابزاری (ILS[7]) و شیب/ مسیر سرخوردن ILS، حالت بیکون رادار کنترل ترافیک هوایی S/TCAS/ADS-B، رادار نظارت بر مسیر هوایی GPS/GLONASS، رادار هواشناسی و نظارت بر فرودگاه است.
NBD در محدوده 190 تا 535 کیلوهرتز کار می‌کند و از آن برای ناوبری هوایی استفاده می‌شود. VORها در محدوده فرکانس 108 تا 117.95 مگاهرتز کار می‌کنند و توان خروجی‌شان پوشش لازم را در فضای عملیاتی تخصیص یافته به آنها فراهم می‌کند اما از نظر خط دید، محدودیت‌هایی دارند. ILS بین 328.6 تا 335.4 مگاهرتز کار می‌کند و راهنمایی‌های عرضی و طولی لازم را برای هواپیماهایی که به یک باند نزدیک شده و در آن فرود می‌آیند، فراهم می‌کند. میزان انحراف عمودی هواپیما از مسیر فرود بهینه آن، با شیب/ مسیر سرخوردن مشخص می‌شود. برای پیشگیری از تصادف، محدوده، ارتفاع و سایر پارمترهای پرواز از حالت S/TCAS/ADS-B استفاده می‌شود چون اطلاعات لازم برای کنترل ترافیک هوایی و هواپیما را فراهم می‌کند. ADS-B از فرکانس رادیویی 1090 مگاهرتز استفاده می‌کند اما پیام‌های آن روی یک فرستنده گیرنده دسترسی جهانی (UAT[8]) در باند 978 مگاهرتز منتقل می‌شوند. در نهایت، برای موقعیت‌یابی و راهبری هواپیما از GPS/GLONASS با استفاده از باندهای L1 و L2 استفاده می‌شود.
دلایل نظارت بر طیف در فرودگاه‌ها/ کنترل ترافیک هوایی (ATC[1])
به طور کلی، کار کردن تحت باند فرکانسی که ITU آن را به فرودگاه‌ها/ATC اختصاص داده ممنوع است چون از آن برای ارتباطات، راهبری و نظارت استفاده می‌شود. باندهای فرکانسی تحت نظارت قرار می‌گیرند تا فاصله پهنای باند بین کانال‌ها رعایت شود و سیگنال‌های رادیویی منتشر شده توسط هواپیماها و سایر منابع با یکدیگر تداخل پیدا نکنند. نباید مانعی برای سیگنال‌های اضطراری هوایی (VHF Guard) وجود داشته باشد چون از آن برای مواقع اضطراری استفاده می‌شود. از نظارت بر طیف برای برخی از کاربردهای شکست امن[2] استفاده می‌شود مثلاً در صورت استفاده از VOR یا سایر باندهای فرکانسی، در صورت از کار افتادگی ناوبری جی‌پی‌اس، از آن استفاده می‌شود. در نهایت، نظارت بر طیف می‌تواند به شناسایی تهدیدات بالقوه، مخابره‌های غیرمجاز و نظارت بر عملکرد هواپیما و شرایط آب و هوایی کمک کند.
نظارت بر طیف برای زیرساخت شبکه همراه
از فناوری‌های RF و دستگاه‌های فرکانس رادیویی در شبکه‌های بی‌سیم از جمله سیستم جهانی ارتباطات همراه، سیستم جهانی مخابرات سیار و فرگشت بلندمدت (LTE)[3] استفاده می‌شود. تلفن‌های همراه با ارسال و دریافت سیگنال‌های رادیویی کم توان کار می‌کنند. این سیگنال‌ها، از آنتن‌های متصل شده به فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی (ایستگاه‌های پایه تلفن‌های همراه) و بخشی از شبکه دسترسی رادیویی ([4]RAN) به نام سلول‌ها ارسال می‌شوند. ایستگاه‌های پایه به سایر بخش‌های شبکه تلفن همراه و ثابت متصل شده و سیگنال‌ها/ تماس‌ها را به این شبکه‌ها هدایت می‌کنند. برای این که سیگنال‌های رادیویی بدون اختلال، از تلفن‌های همراه ارسال شده و در ایستگاه پایه دریافت شوند، لازم است که شبکه‌های همراه یک خط دید واضح در اختیار داشته باشند.
شبکه‌های همراه، سلول‌های مختلفی دارند مثلاً سلول‌های ماکرو که محدوده‌های بزرگی را پوشش می‌دهند؛ سلول‌های دورن سازه‌ای (Inbuilding) که پوشش لازم را در فضای درون ساختمان‌هایی مثل فروشگاه‌های بزرگ چند طبقه، مراکز خرید، آپارتمان‌ها و سیستم‌های متروی زیرزمین فراهم می‌کنند و سلول‌های کوچک که پوشش لازم را برای دستگاه‌های همراه فراهم کرده یا اینکه ظرفیت شبکه را برای یک منطقه کوچک افزایش می‌دهند.
دلایل نظارت بر طیف در شبکه‌های همراه
نظارت بر طیف به قانون‌گذاران امکان می‌دهد که از رعایت مقررات توسط کاربران مطمئن شده، مشکل تداخل سیگنال را شناسایی و رفع کرده و استفاده از باندهای فرکانس مختلف را ارزیابی کنند.
نظارت بر طیف، این اطمینان را فراهم می‌کند که شبکه، در طیف مجاز آن کار می‌کند و هرگونه استفاده غیرمجاز از طیف شبکه یا تداخل در آن را شناسایی می‌کند در نتیجه به بهینه‌سازی شبکه کمک می‌کند. این کار به رسیدگی به مسائلی مثل مشکلات ارتباط، قطع تماس، کند بودن سرعت انتقال داده‌ها، کیفیت صدا/تصویر و غیره کمک می‌کند.
SDRها برای نظارت بر طیف
رادیوی نرم‌افزاری از نرم‌افزار برای پردازش سیگنال‌ها استفاده می‌کند. SDRها حاوی یک بخش فرانت اند رادیویی (RFE[1]) و بک اند دیجیتال ([2]DEB) هستند که در قالب یک واحد با هم ترکیب شده‌اند. RFE شامل مسیر [سیگنال] رادیویی دریافتی و DEB شامل پردازش سیگنال دیجیتال (DSP[3]) است.
مسیر دریافت شامل یک آنتن، یک آمپلی فایر کم نویز، یک میکسر و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC[4]) است. آنتن، سیگنال رادیویی را دریافت می‌کند که بعد توسط تقویت کننده کم نویز تقویت می‌شود. سیگنال تقویت شده، به یک سیگنال فرکانس واسط ([5]IF) تبدیل شده و ADC هم سیگنال IF را دیجیتالیزه می‌کند.
پردازش سیگنال دیجیتال شامل یک گیرنده دیجیتال، یک دمودولاتور دیجیتال و یک پردازنده سیگنال دیجیتال است. دریافت کننده سیگنال دیجیتال، سیگنال IF دیجیتالیزه شده را از ADC دریافت می‌کند. دمودولاتور، سیگنال IF دیجیتالیزه شده را دمدولاسیون می‌کند تا سیگنال دیجیتال باندپایه را تولید کند. پردازنده سیگنال هم سیگنال باندپایه دیجیتال را پردازش می‌کند تا یک سیگنال خروجی دیجیتال ایجاد کند.
سیگنال خروجی دیجیتال، رشته‌ای از نمونه‌های دیجیتال است. نمونه‌های دیجیتال، نشان دهنده دامنه سیگنال رادیویی در یک لحظه خاص هستند. نمونه‌های دیجیتال پردازش می‌شوند تا اطلاعات سیگنال رادیویی را استخراج کنند.
SDRهایی با بیشترین پهنای باند می‌توانند زنجیره‌های رادیویی مستقل مختلفی ایجاد کنند و هر زنجیره یک گیگابایت یا سه گیگابایت پهنای باند دارد. معمولاً این SDRها می‌توانند بین حالت نزدیک به DC و 18 گیگاهرتز کار کنند.
نظارت بر طیف SDR برای فرودگاه‌ها/ATC و شبکه‌های همراه
نظارت بر طیف SDR کاربردهای زیادی در فرودگاه‌ها، ARC و شبکه‌های همراه دارد. در فرودگاه‌ها می‌توان از چند آنتنی که از کانال‌های MIMO استفاده می‌کنند، برای تشخیص ایستگاه‌های پایه مخرب استفاده کرد. از SDR به عنوان یک دستگاه شنود غیرفعال که بر ترافیک رادیویی نظارت دارد و تداخل‌ها را شناسایی می‌کند یا برای انتقال پیام‌های استفاده می‌شود. در حالت فعال هم از SDR به عنوان یک ابزار اسکن فعال استفاده می‌شود که فرکانس‌های رادیویی مورد استفاده هواپیماها را شناسایی می‌کند. این کار برای هماهنگی کنترل ترافیک هوایی و دنبال کردن هواپیماها در مواقع اضطراری ضروری است.
می‌توان از نظارت بر طیف SDR در شبکه‌های همراه برای تشخیص تداخل‌های ایجاد شده از سمت سایر دستگاه‌ها یا سرویس‌ها استفاده کرد. همچنین، نظارت بر طیف SDR امکان نظارت بلادرنگ و مستمر بر طیف فرکانس رادیویی را جهت تشخیص، تعیین خصوصیات و پیدا کردن رویدادهای طیفی فراهم می‌کند.
مزایای SDR برای نظارت بر طیف
دستگاه‌های SDR چندین کانال دارند که پهنای باند و محدوده تنظیم وسیعی دارند؛ امکان نظارت بر همه فرکانس‌های مورد نظر را به صورت بلادرنگ فراهم می‌کنند و می‌توانند با تعداد زیادی حسگر ارتباط برقرار کنند. تعامل پذیری بالای دستگاه‌های SDR امکان کار کردن آنها با سیستم‌های سنتی و همچنین جدیدترین فناوری‌ها را فراهم می‌کند. همین ویژگی باعث شده که SDR برای استفاده در زیرساخت‌های جدید در حوزه‌هایی مثل کنترل ترافیک هوایی و شبکه‌های همراه مفید باشد.
سیستم‌های SDR نویز کم و محدوده دینامیک بدون جعل وسیعی دارند که باعث شده برای تشخیص منابع اختلال یا پارازیت مناسب باشند. منابع آن‌بورد DSP که روی آرایه‌های دریچه‌ای برنامه پذیر (FPGA[6]) موجود هستند، امکان انجام طیف وسیعی از عملیات مختلف را فراهم می‌کنند از جمله فیلترینگ، تبدیل فوریه سریع، فشرده سازی و ارزیابی توان.
قابلیت ارتقا و تنظیم پیکربندی پلتفرم‌های SDR باعث شده که یک واحد از آنها برای کارهای مختلف قابل استفاده باشد. این انعطاف پذیری، امکان شکل گیری استانداردهای ارتباط بی‌سیم جدید و اضافه کردن حسگرها را به آسانی فراهم می‌کند.
نتیجه‌گیری
در این مقاله، خلاصه‌ای از کاربردهای SDRها برای نظارت بر طیف بررسی شد. نظارت بر طیف در صنعت تلفن‌های همراه و صنایع هوایی اهمیت زیادی دارد و از آن برای ناوبری، نظارت و ارتباطات استفاده می‌شود. رقم نویز و SFDR SDRها مناسب است و این ویژگی برای تشخیص سیگنال‌های ناخواسته، تداخل یا پارازیت مفید است. با توجه به امکان ادغام SDR با سیستم‌های موجود، این ابزارها قابلیت انجام کارهای نظارتی مختلف را دارند.
[1] Radio Front End
[2] Digital Backend
[3] digital signal processing
[4] Analog-to-Digital Converter
[5] Intermediate Frequency
[6] Field Programmable Gate Arrays
[1] Air Traffic Control
[2] failsafe
[3] استانداردی برای انتقال پرسرعت داده‌های بی‌سیم برای تلفن همراه و ترمینال‌های داده است- ویکی‌پدیا
[4] Radio Access Network
[1] Software-Defined Radio
[2] multiple-input multiple-output
[3] International Telecommunication Union
[4] سیستم راداری است که در مراقبت پرواز استفاده می‌شود. در این سیستم اطلاعات اضافه‌تر از رادار معمولی که فقط موقعیت هواپیما را تشخیص می‌دهد، مخابره می‌شود- ویکی‌پدیا
[5] Non-Directional Beacons
[6] VHF omnidirectional range
[7] Instrument Landing System
[8] Universal Access Transceiver
منبع: cyberdefensemagazine
