StormWave: An Open-Source Portable SDR Platform for Over-the-Air Resilience Evaluation of Terrestrial and Aerial Communications

ملخص تقني: StormWave – منصة SDR مفتوحة المصدر ومحمولة لتقييم المرونة عبر الأثير

بيان المشكلة
يتطلب التحقق من مرونة أنظمة الاتصالات اللاسلكية ضد التداخل في الترددات الراديوية (RF) القدرة على توليد ظروف تداخل هيكلية وقابلة للتكرار في بيئات واقعية. وبينما تسود الدراسات الخوارزمية والقائمة على المحاكاة، توجد فجوات كبيرة بين هذه النماذج النظرية والتقييمات الميدانية. تعاني منصات توليد التداخل الحالية غالبًا من قيود مثل توليد الإشارات الثابت أو محدود التكوين، والافتقار إلى التبديل السلس للموجات أثناء التشغيل، وضعف قابلية النقل، وعدم القدرة على دعم دمج الموجات المعرفة من قبل المستخدم أو تنسيق أجهزة الراديو المتعددة. علاوة على ذلك، نادرًا ما يتم معالجة الاعتبارات العملية مثل المرونة البيئية والتشغيل المستمر في البيئات الميدانية المنفصلة في الحلول الحالية.

المنهجية وتصميم النظام
لمعالجة هذه الفجوات، يقدم المؤلفون StormWave، وهي منصة راديو معرف برمجياً (SDR) مفتوحة المصدر، محمولة، مقاومة للعوامل الجوية، ومنخفضة التكلفة، مصممة للتقييم الشامل الميداني. تنقسم بنية النظام إلى مكونات عتادية وبرمجية:

• البنية العتادية: تدمج المنصة أربع وحدات أساسية:

  • الحوسبة المدمجة: يعمل جهاز Intel NUC (معالج من فئة i7، وذاكرة وصول عشوائي 32 جيجابايت) كمركز تنسيق مركزي، يدعم تنفيذ الموجات في الوقت الفعلي، ومراقبة الطيف، والوصول عن بُعد.
  • منصات الراديو القابلة للبرمجة: توفر جهازا USRP (من طرازي USRP B210 وUSRP N210 مع لوحة ابنة CBX) تغطية ترددية من 70 ميجاهرتز إلى 6 جيجاهرتز. تُخصص وحدة واحدة لإرسال التداخل، بينما تقوم الأخرى بمراقبة الطيف المستمرة. يتم التحكم في كليهما عبر برنامج تشغيل عتاد USRP (UHD) للسماح بالتشغيل المنسق وتعيين الأدوار الديناميكي دون الحاجة لإعادة تشغيل العتاد.
  • نظام الطاقة: يتيح نظام إمداد الطاقة غير المنقطع (UPS) من نوع CyberPower ما يصل إلى ساعتين من التشغيل في الظروف الميدانية دون طاقة خارجية.
  • نظام العرض: تتيح شاشة ولوحة مفاتيح محمولة التكوين والتحكم المحلي في حالة عدم وجود اتصال بالشبكة.

• البنية البرمجية: يستخدم البرنامج تصميماً نموذجياً ثلاثي الطبقات:

  1. واجهة تحكم المستخدم: واجهة رسومية قائمة على PyQt تدير اختيار الموجة، وتكوين المعلمات، وتصور الطيف في الوقت الفعلي، ومراقبة الطاقة. تدعم الاكتشاف التلقائي للأجهزة والتوليد الديناميكي لعناصر التحكم في التكوين عبر بيانات وصفية بتنسيق JSON.
  2. طبقة دمج الموجات: تسمح هذه الطبقة بتطوير موجات تداخل قابلة للتوسع. وهي تدعم نموذجين للتنفيذ: نمط مخطط تدفق GNU Radio المباشر لسلاسل المعالجة المعقدة والمخصصة، ونمط السلسلة الأساسية المركبة للتعريفات خفيفة الوزن القائمة على الفئات والتي تتكامل تلقائياً مع سلاسل معالجة الإشارات المشتركة. يتم التحقق من الموجات الجديدة وتسجيلها عبر ملفات البيانات الوصفية.
  3. طبقة الخلفية للنظام: تتعامل هذه الطبقة مع العمليات منخفضة المستوى، بما في ذلك تنسيق الأجهزة، وتخليق الموجات (يدعم الموجات ضيقة النطاق، وعريضة النطاق، والموجات المدركة للبروتوكولات مثل HORNet وOFDM وOTFS)، وتسجيل البيانات.

المساهمات الرئيسية
يقدم البحث StormWave كمنصة جاهزة للميدان تجسر الفجوة بين المحاكاة والواقع من خلال عدة قدرات رئيسية:

• التبديل السلس أثناء التشغيل: يدعم النظام التبديل بين ملفات التداخل غير المتجانسة (مثل من ضيق النطاق إلى عريض النطاق) في أطر زمنية تقل عن ميكروثانية (الفجوات المقاسة < 100 نانو ثانية) دون مقاطعة الإرسال أو إعادة تشغيل العتاد.
• القابلية للتوسع: يمكن للمستخدمين رفع موجات مخصصة عبر تنفيذات لغة Python وأوصاف معلمات JSON، والتي يتم التحقق من صحتها ودمجها تلقائياً في مسار التحكم.
• التصور والتحكم المتكامل: توفر المنصة مراقبة متزامنة للطيف في الوقت الفعلي وتسجيلاً، مما يقلل من عبء المشغل وأخطاء التكوين.
• القابلية للنقل والمتانة: صُممت المنصة للانتشار بواسطة مشغل واحد، حيث توضع في غلاف مقاوم للعوامل الجوية وتتضمن نظام طاقة مستقل للعمليات الميدانية المنفصلة.

النتائج التجريبية
قيم المؤلفون StormWave من خلال تجارب أرضية وتجارب من طائرة إلى طائرة (A2A):

• التجارب الأرضية:

  • السيناريو 1 (البيئة المزدحمة/تعدد المسارات): في وصلة بطول 25 متراً مع اقتراب التداخل لمسافة 5 أمتار، تسببت الموجات عريضة النطاق (HORNet، OFDM، OTFS) في انهيارات دورية في معدل نقل البيانات، بينما كان للموجات ضيقة النطاق تأثيرات متواضعة. عانت التعديلات ذات الرتب العالية (QPSK) من تدهور أعمق في هذه البيئة مقارلة بـ BPSK.
  • السيناريو 2 (الحقل المفتوح): في وصلة بطول 40 متراً مع اقتراب التداخل لمسافة 15 متراً، كانت البيئة أكثر نقاءً. هنا، أثبت التداخل القائم على BPSK أنه أكثر فعالية من QPSK، حيث تسبب في كبح مستمر لمعدل النقل (60-70%). يشير هذا إلى أن تأثيرات تعدد المسارات المقلصة تحول الهيمنة نحو تداخل التعديل من الرتب المنخفضة.
  • تبديل الموجات: أكدت التجارب وجود فجوات انتقال تبلغ حوالي 64 نانو ثانية بين الموجات (على سبيل المثال، من Baseline إلى HORNet)، مما يؤكد قدرة النظام على إجراء إعادة تكوين سريعة أثناء التشغيل.

• تجارب الطائرة إلى طائرة (A2A):

  • أجريت باستخدام أجهزة إرسال واستقبال محمولة جواً ووحدة StormWave الموجودة على الأرض.
  • شملت المقاييس معدل خطأ الوصول إلى الرمز (ASER) وتباعد كولباك-ليبلر (KLD) المستمد من لقطات I/Q الخام.
  • أظهرت النتائج أنه عند المسافات القصيرة (20-40 متراً)، كانت الوصلة غير مستقرة للغاية (ASER > 20-20%، KLD > 25 نات). ومع زيادة المسافة إلى 60-100 متر، تقاربت المقاييس إلى مستويات قريبة من الخط المرجعي (Baseline) (ASER < 5%، KLD ≈ 0)، مما يثبت أن هيمنة التداخل في النطاق القريب تفوق تأثيرات فقدان المسار في هذا النطاق.

الأهمية والادعاءات
يدعي المؤلفون أن StormWave توفر منصة مرنة، قابلة للتوسع، وجاهزة ميدانياً للتحقق المنهجي من مرونة الأنظمة اللاسلكية تحت ظروف تشغيل واقعية. ومن خلال إطلاق الكود المصدري للمجتمع، يهدف العمل إلى تمكين التقييم القابل للتكرار لمرونة التداخل. يؤكد البحث أن StormWave ليست مجرد مولد إشارات، بل هي أداة تقييم شاملة تدعم الموجات المدمجة والمعرفة من قبل المستخدم، والتبديل السلس، وجمع البيانات الصارم في البيئات الديناميكية. وقد ذُكر أن العمل المستقبلي سيشمل توسيع المنصة نحو توليد تداخل تكيفي مدفوع بالتعلم وتمكين الوصول عن بعد عبر مختبرات قائمة على السحابة مثل UnionLab.