با گسترش استفاده از ارتباطات بی سیم در تجارت، نیاز به شبکه های قوی و بدون تداخل افزایش یافته است. وجود سیگنال های غیرقانونی یا بدون مجوز که در انتقال اطلاعات اختلال ایجاد می کنند، ظرفیت انتقال اطلاعات را کاهش می دهد. شناسایی و حذف چنین منابع تداخلی یک چالش مهم است زیرا سیگنال ها ممکن است به طور متناوب منتشر شوند یا فرکانس آنها ممکن است در طول زمان تغییر کند. در نتیجه، مهم است که هیچ تداخلی در طیف باندهایی که شبکه های تلفن همراه و فرودگاه ها با آن ها کار می کنند، وجود نداشته باشد.

در این مقاله استفاده از نرم افزار رادیو (SDR[1]) در زمینه نظارت طیف برای تشخیص تداخل سیگنال در زیرساخت شبکه تلفن همراه و کنترل ترافیک هوایی. اگرچه برخی از SDR ها به چندین ورودی و چند خروجی مجهز هستند (MIMO[2]) و دارا بودن دامنه وسیع و پهنای باند آنی بالا، امکان جلوگیری از تداخل سیگنال در زیرساخت های حیاتی وجود دارد.

نظارت بر طیف چیست؟

مانیتورینگ طیف فرآیند شناسایی، تجزیه و تحلیل و ارزیابی امواج الکترومغناطیسی در طیف وسیعی از فرکانس ها است. مانیتورینگ طیف کاربردهای مختلفی دارد. این فرآیند به شناسایی منابع احتمالی تداخل، بهینه سازی سیستم های ارتباطی و محافظت از طیف الکترومغناطیسی در برابر استفاده غیرمجاز کمک می کند. مشخص کردن امواج فرکانس رادیویی، تعیین در دسترس بودن طیف، مدیریت طیف های نظارت شده و تشخیص انتشار سیگنال های غیرمجاز نیز از جمله کاربردهای مانیتورینگ طیف است.

دلیل نظارت بر طیف چیست؟

در حوزه خدمات باند دارای مجوز، از نظارت طیف برای محافظت از کاربران مجاز و پاکسازی باندها از کاربران غیرمجاز استفاده می شود. نظارت بر طیف، استفاده واقعی از طیف را تعیین می کند و کارایی آن را تضمین می کند. به این ترتیب می توانید مطمئن باشید که کاربران قوانین ملی و بین المللی را رعایت می کنند.

پایش طیف در زیرساخت های فرودگاهی

اتحادیه بین المللی مخابرات (ITU).[3]) نحوه تخصیص طیف رادیویی و استفاده از فرکانس برای یک سرویس خاص را تعیین می کند. در زمینه کنترل ترافیک هوایی، پایش طیف برای کاربردهای ناوبری و نظارت استفاده می شود.

طیف هوا به زمین برای کارهایی مانند ارتباطات صوتی برای کنترل ترافیک هوایی، رادار نظارت ثانویه[4] و ارتباط پیوند داده استفاده می شود. فرکانس های رایج در این زمینه شامل چراغ های غیر جهت دار (NBD[5]، ارتباطات HF، محدوده VHF همه جهته (VOR[6]سیستم فرود ابزاری (ILS[7]) و ILS glide/pitch، حالت چراغ رادار S/TCAS/ADS-B برای کنترل ترافیک هوایی، رادار GPS/GLONASS برای نظارت بر فرودگاه، رادار آب و هوا و نظارت فرودگاه.

NBD در محدوده 190-535 کیلوهرتز کار می کند و برای ناوبری هوایی استفاده می شود. VOR ها در محدوده فرکانس 108 تا 117.95 مگاهرتز کار می کنند و توان خروجی آنها پوشش لازم را در فضای کاری اختصاص داده شده آنها فراهم می کند، اما محدودیت هایی در خط دید دارند. ILS بین 328.6 و 335.4 مگاهرتز عمل می کند و هدایت طول و عرض جغرافیایی لازم را برای نزدیک شدن و فرود هواپیما بر روی باند فرودگاه فراهم می کند. میزان انحراف عمودی هواپیما از مسیر فرود بهینه آن توسط بانک/گلاید تعیین می شود. حالت S/TCAS/ADS-B برای پیشگیری از تصادف، برد، ارتفاع و سایر پارامترهای پرواز استفاده می شود زیرا اطلاعات لازم را برای کنترل ترافیک هوایی و هواپیما فراهم می کند. ADS-B از فرکانس رادیویی 1090 مگاهرتز استفاده می کند، اما پیام های آن از طریق یک گیرنده دسترسی جهانی (UAT) منتقل می شود.[8]) در باند فرکانسی 978 مگاهرتز ارسال می شوند. در نهایت، GPS/GLONASS، با استفاده از باندهای L1 و L2، برای موقعیت یابی و هدایت هواپیما استفاده می شود.

دلایل پایش طیف در فرودگاه ها/کنترل ترافیک هواییATC[1])

به طور کلی فعالیت در باند فرکانسی اختصاص داده شده توسط ITU به فرودگاه ها/ATC ممنوع است زیرا برای ارتباطات، ناوبری و نظارت استفاده می شود. باندهای فرکانس نظارت می شوند تا فاصله کانال ها حفظ شود و سیگنال های رادیویی ساطع شده توسط هواپیما و سایر منابع تداخل نداشته باشند. سیگنال های خطر هوایی (VHF Guard) نباید مسدود شوند زیرا برای مواقع اضطراری استفاده می شوند. نظارت بر طیف برای برخی از برنامه های کاربردی ایمن[2] برای مثال هنگام استفاده از VOR یا سایر باندهای فرکانس زمانی که ناوبری GPS غیرفعال است استفاده می شود. در نهایت، نظارت طیف می‌تواند به شناسایی تهدیدهای بالقوه، رهگیری ارتباطات و نظارت بر عملکرد هواپیما و شرایط آب و هوایی کمک کند.

نظارت طیف برای زیرساخت شبکه تلفن همراه

فناوری‌های فرکانس رادیویی و دستگاه‌های فرکانس رادیویی در شبکه‌های بی‌سیم، از جمله سیستم جهانی برای ارتباطات سیار، سیستم جهانی برای ارتباطات سیار و توسعه بلند مدت (LTE)[3] استفاده می شود تلفن های همراه با ارسال و دریافت سیگنال های رادیویی کم مصرف کار می کنند. این سیگنال ها از آنتن های متصل به فرستنده ها و گیرنده های رادیویی (ایستگاه های پایه تلفن همراه) و بخشی از شبکه دسترسی رادیویی ([4]RAN) به عنوان نام سلول ارسال می شوند. ایستگاه های پایه به بخش های دیگر شبکه تلفن همراه و ثابت متصل می شوند و سیگنال ها/تماس ها را به این شبکه ها هدایت می کنند. برای اینکه سیگنال های رادیویی از تلفن های همراه ارسال شده و در ایستگاه پایه بدون تداخل دریافت شوند، شبکه های تلفن همراه باید دارای خط دید واضح باشند.

شبکه های موبایل سلول های مختلفی دارند، به عنوان مثال سلول های کلان که مناطق وسیعی را پوشش می دهند. سلول های تعبیه شده که پوشش لازم را در فضای داخل ساختمان ها مانند فروشگاه های بلندمرتبه، مراکز خرید، آپارتمان ها و سیستم های زیرزمینی مترو و سلول های کوچک که پوشش لازم را برای دستگاه های تلفن همراه یا افزایش ظرفیت شبکه برای یک منطقه فراهم می کند، فراهم می کند. کمی افزایش دهد.

دلایل نظارت طیف در شبکه های تلفن همراه

نظارت طیف به تنظیم‌کننده‌ها اجازه می‌دهد تا از انطباق کاربران اطمینان حاصل کنند، مشکلات تداخل سیگنال را شناسایی و تصحیح کنند، و استفاده از باندهای فرکانسی مختلف را ارزیابی کنند.

نظارت بر طیف تضمین می کند که شبکه در محدوده مجاز خود عمل می کند و هرگونه استفاده غیرمجاز از طیف شبکه یا تداخل با آن را تشخیص می دهد و در نتیجه به بهینه سازی شبکه کمک می کند. این به حل مشکلاتی مانند مشکلات اتصال، قطع شدن تماس ها، سرعت کم داده، کیفیت صدا/فیلم و غیره کمک می کند.

SDRبرای نظارت بر طیف

رادیو نرم افزاری از نرم افزار پردازش سیگنال استفاده می کند. SDR ها حاوی یک قسمت جلویی رادیویی (RFE[1](و بک اند دیجیتال)[2]DEB) به شکل یک واحد ترکیب می شوند. RFE شامل یک مسیر است [سیگنال] رادیو و DEB پذیرفته شده از جمله پردازش سیگنال دیجیتال (DSP[3]) خوب.

مسیر دریافت شامل یک آنتن، یک تقویت کننده کم نویز، یک میکسر و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) است.[4]) F. آنتن سیگنال رادیویی را دریافت می کند که سپس توسط تقویت کننده کم نویز تقویت می شود. سیگنال تقویت شده به سیگنال فرکانس متوسط ​​تبدیل می شود ([5]IF) تبدیل می شود و ADC نیز سیگنال IF را دیجیتالی می کند.

پردازش سیگنال دیجیتال شامل یک گیرنده دیجیتال، یک دمدولاتور دیجیتال و یک پردازنده سیگنال دیجیتال است. گیرنده سیگنال دیجیتال سیگنال IF دیجیتالی شده را از ADC دریافت می کند. دمدولاتور سیگنال IF دیجیتالی شده را برای تولید سیگنال دیجیتال باند پایه دمودوله می کند. پردازنده سیگنال همچنین سیگنال باند پایه دیجیتال را برای تولید سیگنال خروجی دیجیتال پردازش می کند.

سیگنال خروجی دیجیتال دنباله ای از نمونه های دیجیتال است. نمونه های دیجیتال نشان دهنده دامنه سیگنال رادیویی در یک زمان خاص است. نمونه های دیجیتال برای استخراج اطلاعات سیگنال رادیویی پردازش می شوند.

SDR های با بالاترین پهنای باند می توانند چندین مدار رادیویی مستقل ایجاد کنند که هر مدار دارای یک یا سه گیگابایت پهنای باند است. به طور معمول، این SDR ها می توانند بین DC و 18 گیگاهرتز کار کنند.

نظارت بر طیف SDR برای فرودگاه ها/ATC و شبکه های تلفن همراه

مانیتورینگ طیف SDR کاربردهای زیادی در فرودگاه ها، شبکه های ARC و موبایل دارد. در فرودگاه ها می توان از چندین آنتن با استفاده از کانال های MIMO برای شناسایی ایستگاه های پایه مخرب استفاده کرد. SDR به عنوان یک دستگاه استراق سمع غیرفعال استفاده می شود که ترافیک رادیویی را نظارت می کند و تداخل را تشخیص می دهد یا پیام ها را ارسال می کند. در حالت فعال، SDR به عنوان یک ابزار اسکن فعال استفاده می شود که فرکانس های رادیویی مورد استفاده توسط هواپیما را شناسایی می کند. این کار برای هماهنگی کنترل ترافیک هوایی و ردیابی هواپیما در شرایط اضطراری مورد نیاز است.

نظارت بر طیف SDR می تواند در شبکه های تلفن همراه برای تشخیص تداخل از دستگاه ها یا خدمات دیگر استفاده شود. همچنین، مانیتورینگ طیف SDR، نظارت بی‌درنگ و مستمر طیف فرکانس رادیویی را برای شناسایی، مشخص‌سازی و مکان‌یابی رویدادهای طیفی فراهم می‌کند.

فواید SDR برای نظارت بر طیف

دستگاه های SDR دارای کانال های متعددی هستند که دارای پهنای باند و محدوده تنظیم گسترده هستند. آنها نظارت بلادرنگ را در تمام فرکانس های دلخواه ارائه می دهند و می توانند با تعداد زیادی سنسور ارتباط برقرار کنند. قابلیت همکاری بالای دستگاه های SDR به آنها امکان می دهد هم با سیستم های سنتی و هم با آخرین فناوری ها کار کنند. این ویژگی باعث می شود SDR برای استفاده در زیرساخت های جدید در زمینه هایی مانند کنترل ترافیک هوایی و شبکه های تلفن همراه مفید باشد.

سیستم‌های SDR دارای نویز کم و دامنه دینامیکی وسیع بدون اعوجاج هستند که آنها را برای تشخیص منابع تداخل مناسب می‌سازد. منابع داخلی DSP در حال اجرا بر روی آرایه های دروازه قابل برنامه ریزی (FPGA).[6]) در دسترس هستند، آنها توانایی انجام طیف گسترده ای از عملیات مختلف، از جمله فیلتر کردن، تبدیل فوریه سریع، فشرده سازی و برآورد توان را فراهم می کنند.

توانایی ارتقا و تنظیم پیکربندی پلتفرم های SDR باعث شد که یک واحد از آنها برای کارهای مختلف قابل استفاده باشد. این انعطاف پذیری امکان توسعه استانداردهای جدید ارتباط بی سیم و افزودن آسان حسگرها را فراهم می کند.

نتیجه

در این مقاله خلاصه ای از کاربردهای SDR برای نظارت بر طیف بررسی شد. مانیتورینگ طیف در صنعت تلفن همراه و صنعت هوانوردی بسیار مهم است و برای ناوبری، نظارت و ارتباطات استفاده می شود. رقم نویز SDR و SFDR کافی است و این ویژگی برای تشخیص سیگنال‌های ناخواسته، تداخل یا پارازیت مفید است. به لطف قابلیت ادغام SDR با سیستم های موجود، این ابزارها توانایی انجام انواع وظایف نظارتی را دارند.

[1] قسمت جلوی رادیو

[2] باطن دیجیتال

[3] پردازش سیگنال دیجیتال

[4] مبدل آنالوگ به دیجیتال

[5] فرکانس متوسط

[6] آرایه های دروازه قابل برنامه ریزی میدانی

[1] کنترل ترافیک هوایی

[2] شکست ناپذیر

[3] استاندارد برای انتقال داده های بی سیم با سرعت بالا برای تلفن های همراه و پایانه های داده – ویکی پدیا

[4] شبکه دسترسی رادیویی

[1] رادیو تعریف شده توسط نرم افزار

[2] ورودی های متعدد خروجی های متعدد

[3] اتحادیه بین المللی مخابرات

[4] این یک سیستم راداری است که برای نظارت بر پروازها استفاده می شود. در این سیستم اطلاعات بیشتری نسبت به رادار معمولی منتقل می شود که فقط موقعیت هواپیما را تشخیص می دهد – ویکی پدیا

[5] چراغ های غیر جهت دار

[6] محدوده همه جهته VHF

[7] سیستم فرود ابزاری

[8] فرستنده و گیرنده دسترسی جهانی

منبع: cyberdefensemagazine