This post is also available in: enEnglish (אנגלית)

הספקטרום האלקטרומגנטי נמצא בשימוש ע"י מגון מערכות, שיכולות לשדר ו/או לקלוט גלים אלקטרומגנטיים. מערכות כאלה מכונות "מערכות תלויות ספקטרום" (מת"ס, ובאנגלית – Spectrum Dependent Systems). מת"ס כוללות בין היתר מערכות תקשורת, ניווט לווייני (Global Navigation Satellite Systems), מכ"ם, מודיעין אותות, לוחמה אלקטרונית, חסימת תקשורת, וכן שיבוש וחסימת ניווט לווייני.

בשנים האחרונות אנו רואים גידול משמעותי במספר ובמגוון המת"ס, הן בזירה האזרחית והן בשדה הקרב. בין המגמות המסחריות הרלוונטיות:

  • גידול מתמיד בהיקף השימוש ברשתות סלולאריות וברוחבי הסרט המוקצים להן. למשל, רשות התקשורת הפדראלית (Federal Communication Commission) בארה"ב הקצתה מספר תחומי תדר חדשים (מעל ל-6 GHz) לצורך רשתות הדור החמישי של התקשורת הסלולארית (5G), ברוחב סרט כולל של כמה GHz.
  • הופעת קונסטלציות תקשורת לוויינית גדולות, כדוגמת Starlink של SpaceX, הכוללת יותר מ-2,500 לוויינים הפועלים בתחומי התדר Ku, Ka ו-E, וכן OneWeb, הכוללת מעל 400 לוויינים בתדרי Ku. 
  • התפתחות האינטרנט של הדברים (Internet of Things), העושה שימוש במספר רב של מת"ס ליחידת שטח באזורים אורבאניים ובפרברים. 
  • מהפכת הניידות (Mobility), הצפויה להוביל לשימוש נרחב ברכבים אוטונומיים, רחפנים, וכלי טייס אלקטרוניים ממריאים אנכית (Electric Vertical Take-off and Landing), העושים שימוש בתקשורת רחבת סרט.

שדה הקרב המודרני מושפע מטכנולוגיות אלה ומטכנולוגיות נוספות המשמשות את האוכלוסייה האזרחית הסמוכה. בנוסף לכך, יש מספר מגמות רלוונטיות שהינן ייחודיות לכוחות צבאיים:

  • הטרנספורמציה הדיגיטלית, המובילה לחיבור יותר ויותר מערכות לרשתות תקשורת, ולפריסת רשתות תקשורת חדשות ומתקדמות.
  • הרחבת השימוש בכלים בלתי מאוישים בים, ביבשה ובאוויר, עם רמות שונות של אוטונומיה ורוחבי סרט שונים של תקשורת. חלק מהכלים הללו פועלים בסביבות המתאפיינות בתופעות מורכבות של התפשטות גלים, כגון אזורים אורבאניים צפופים ובתוך מבנים.
  • גידול בכמות ובמגוון סנסורי ה-RF והחוסמים בזירה, במקביל לעליה בהיקף ובמורכבות האיומים.

יש לציין שמדינות מסוימות שוקלות שיתוף ספקטרום בין גורמים ממשלתיים ואזרחיים. למשל, משרד הביטחון האמריקאי מקיים סדרת ניסויים המדגימים שיתוף ספקטרום דינאמי בין מערכות מכ"ם צבאיות מוטסות לרשתות סלולאריות מהדור החמישי.

ההתפתחויות המתוארות לעיל מובילות לגידול משמעותי בצפיפות הספקטראלית, ולצורך משמעותי במערכות ניהול ספקטרום (מנ"ס).

דרישות ניהול ספקטרום

לאור האתגרים לתוארו, מנ"ס נדרשות לקיים 4 דרישות יסוד (כפי שיפורט בהמשך):

  • ניהול ספקטרום ותהליכי תכנון/ניהול משימות מבצעיות צריכים להתבצע באופן משולב.
  • ניהול ספקטרום חייב להתבסס על מודעות מצבית.
  • מנ"ס חייבות להיות מסוגלות להגיב במהירות לשינויים בסביבה הספקטראלית.
  • מנ"ס צריכות להיעזר בארכיטקטורה היררכית ובמחשוב קצה (Edge Computing).

ניהול ספקטרום ותהליכי תכנון/ניהול משימות מבצעיות צריכים להתבצע באופן משולב

מנ"ס קלאסיות מתמודדות עם קונפליקטים בספקטרום ע"י עדכון הקצאת תדרי שידור, צורות גל/אפנונים, ו/או תצורות קיטוב. עם זאת, ניתן גם לפתור קונפליקטים ע"י שינוי גיאומטריית המת"ס (כולל עדכון מיקום, אוריינטציה, מסלול וכד'), שנקבעת במקרים רבים ע"י מערכות תכנון/ניהול משימות מבצעיות. 

היות ותתכנה הפרעות הדדיות בין מת"ס הקשורות למשימות מבצעיות שונות, הבאת הביצועים המבצעיים הכוללים לתצורה אופטימאלית דורשת שילוב מספר מערכות תכנון/ניהול משימה (שכל אחת מהן אחראית על משימה אחת או יותר) יחד עם מנ"ס.

ניהול ספקטרום חייב להתבסס על מודעות מצבית

שדה הקרב הינו דינאמי ובלתי צפוי, הן בהיבט של פריסת/מסלולי הכוחות ותצורת המערכות המבצעיות, והן באופן השימוש בספקטרום ע"י מת"ס צבאיים ואזרחיים. 

מעבר לכך, השערוך התיאורטי של ניחות הערוץ הינו במקרים רבים בלתי מדויק. שגיאת השערוך ע"י כלים מקובלים מתאפיינת בסטיית תקן מסדר הגודל של 7 dB בשטח פתוח ו-15 dB בשטח אורבאני. ללא ביצוע מדידות בשטח ניתן להשיג הפרעות הדדיות נמוכות (בהתבסס על הנחות מחמירות לגבי מידת ההפרעות) או ניצול יעיל של הספקטרום (תוך הנחת הפרעות נמוכות יותר), אך לא את שניהם יחד.

אי לכך, ניהול ספקטרום אינו יכול להתבסס אך ורק על הנחות א-פריוריות, וחילול מודעות מצבית באופן מתמיד הינו רכיב מרכזי במענה לצורך. לשם כך ניתן להיעזר במגוון מקורות מידע, כולל סנסורים ספקטראליים, מערכות מודיעין אותות, מדידות המתבצעות ע"י מת"ס שונים ומדווחות למנ"ס בזמן-אמת, מודיעין אנושי ועוד.

מנ"ס חייבות להיות מסוגלות להגיב במהירות לשינויים בסביבה הספקטראלית

כפי שכבר צוין, מנ"ס נדרשות להגיב לשינויים בסביבה. שינויים אלה עשויים להיות מהירים. לדוגמה, נשקים היפרסוניים יכולים להגיע למהירות של 8 קילומטרים לשנייה, ויכולת התמרון שלהם גבוהה. אפילו רחפנים אזרחיים יכולים להגיע למהירות גבוהה יחסית, למשל, DRL Racer X מגיע למהירות מקסימאלית של
290 קמ"ש. 

שינויים ספקטראליים הינם לרוב מהירים בהרבה. מערכות תקשורת שונות עושות שימוש בדילוג תדר, ומעדכנות את תדר השידור שלהן מספר רב של פעמים בשנייה. למשל, משך הסימבול האופייני בתשדורות של תחנות בסיס סלולאריות מהדור הרביעי (LTE) הינו 71 μsec. תחנות בסיס סלולאריות מסוימות מהדור החמישי (5G) תומכות גם בשידור אלומות המופנות לכיוונים שונים, כאשר כל משתמש בוחר את האלומה המתאימה לו ביותר אחת לפרק זמן מוגדר (למשל, 20 msec). סביר להניח שבעתיד הקרוב יאמצו יותר ויותר מערכות ביטחוניות טכנולוגיות כאלה או דומות להן, ומנהלי ספקטרום צבאיים יאלצו להתמודד עם ההשלכות לכך. 

לאור האמור לעיל, מנ"ס נדרשות לתמוך בזמני תגובה קצרים בהרבה משניה לפחות בחלק מהיישומים.

מנ"ס צריכות להיעזר בארכיטקטורה היררכית ובמחשוב קצה (Edge Computing)

לא ניתן להעביר את כל המידע הרלוונטי למנ"ס אזורית או מרכזית לצורך ניתוח, היות וזמן ההשהיה (Latency) של מערכות התקשורת הקיימות רחוק מלתמוך בזמני התגובה הנדרשים. ניתן להשיג זמני תגובה אלה רק בעזרת מחשוב קצה, קרי, ע"י ביצוע חלק מהעיבוד במת"ס או בסמוך אליהן. 

עם זאת, גם עיבוד אזורי או מרכזי יכול לתרום משמעותית לניהול הספקטרום. הוא מאפשר למנ"ס ולמפעיליהן להעריך את "התמונה הגדולה" ולבצע אופטימיזציה בהסתכלות כוללת, תוך שימוש במספר גדול של מקורות מידע ותוך שליטה על מגוון רחב של משאבים. הוא מאפשר גם בחינה של מספר חלופות למענה לצורך המבצעי. למשל, ניתן להתמודד עם טיל אויב ע"י מיירט או נשק לייזר, אך גם ע"י שיבוש/חסימת תקשורת או ניווט לווייני. עיבוד אזורי/מרכזי מאפשר אם כן למקבלי ההחלטות יכולת תמרון ספקטראלי, וכן מקסימיזציה של יעילות המת"ס ושל ביצועי המשימות המבצעיות.

דרך אפשרית לשילוב עיבוד מקומי ומרכזי הינה שימוש בארכיטקטורה היררכית, המאפשרת איזון מיטבי בין נצילות ספקטראלית וספיקה מבצעית. 

סיכום

בשנים האחרונות ניתן לראות שינויים דרמטיים בשימוש האזרחי והצבאי בספקטרום, ושינויים נוספים צפויים בעתיד הקרוב. תכן מנ"ס נדרש להתחשב במגמות אלה.

מעוניינים לצלול אל תוך עולם העתידנות הטכנולוגית? – הירשמו לINNOTECH 2023, הכנס והתערוכה הבינלאומיים לסייבר, HLS וחדשנות באקספו תל אביב ב29-30 במרץ.

מעוניינים בחסות / ביתן תצוגה בתערוכת ה-INNOTECH 2023? לחצו כאן לפרטים!