無線スペクトラムは有限の資源であり、すべての国、製造業者、市民によって厳しく規制、管理、共有されています。規制またはライセンスの範囲外で運用していることが発覚した場合、罰金を科されるリスクがあります。干渉や他の対象信号が自分の無線スペクトラム帯域に忍び込んでくることは、一部の人々にとっては日常的に発生し、高需要または重要な無線アプリケーションを扱う多くの人々にとって大きな懸念事項となっています。
また、Cバンドおよび5Gミリ波トランスミッタの普及、さらにはモノのインターネット（IoT）の一部によって実現された低コストの無線トランスミッタの増加もあります。現在、世界中に200億以上のワイヤレス・デバイスが存在し、ドローン、機械学習、AI、ディープデータの進歩により、RFI（無線周波数干渉）や対象信号をより迅速かつ効率的に検出し位置特定するために、無線スペクトラムを継続的に監視する必要性が生じています。
これらの業界および環境のトレンド（COVID-19を含む）により、スペクトラム監視に関連する3つの主要なシステム設計課題が生まれています。
1．技術的課題への対応
スペクトラム監視またはRFセンサ・ベースのシステムを構築する際に対処する必要がある、6つの主要な技術要件があります。以下にその要約を示します。
- 対象信号のリモート監視 – プログラム的にリモート地点からインタフェースする能力に関しては、すべてのセンサやスペクトラムアナライザが同等に作られているわけではありません。RF記録データや結果を送信するための帯域幅を考慮し、RFセンサが長期間フィールドに設置される可能性があるため、RFセンサーサイズ、重量、および電力を選択する際に環境要因を考慮してください。PCをリモートでオン・オフする機能や、PCまたはARセンサがクラッシュしたり動作を停止したりした場合のシステム復旧を実行する能力を持つことが重要です。幸いなことに、このようなリモートアクセスのほとんどは、安定した強力なWindowsまたはLinux環境でサポートされています。
- 短時間または一過性のRFの検出 – フィールドでの最終的な識別のために干渉や対象信号を効果的に監視するためには、短期間と長期間の両方にわたってスペクトラムがどのように変化しているかについて、できるだけ多くの情報を収集することが重要です。データを記録し、後の時点でトレースを前後に比較できるようにする必要があります。
ツールの観点では、今日のリアルタイム・スペクトラム・アナライザは、場合によっては15マイクロ秒以下の短さの信号に対して100%の捕捉確率をユーザーに提供することが可能です。リアルタイム・スペクトラム・アナライザとは異なり、他の低性能の受信機やアナライザは、低周波数から高周波数へスイープする従来の掃引型ハードウェア・アーキテクチャのため、短時間信号に対する保証された捕捉確率仕様を提供することができません。
- 対象信号の特性評価 – ここでは特定の信号特性に基づいてマッチングを試み、周波数、帯域幅、電力、パルス繰り返し間隔、クレスト・ファクタなどのパラメータに基づいてプロファイリングします。例として、パルス・レーダは通常、非常に低いデューティサイクルのRFパルス（通常10%未満）を使用し、レンジと解像度はパルス繰り返し周波数（PRF）によって決定されます。また、パルス幅と送信電力によっても決定されます。パルス繰り返し間隔の敏捷性のレベルを決定することは、受信機やジャマーに適切な情報を提供して行動を起こすために重要です。
- 信号識別 – 今日のワイヤレス・システムで使用される複雑なデジタル変調信号の混雑が増加しており、特に都市環境では、信号識別と分析はフィールドでさらに困難になり、与えられた帯域内の多くの異なる信号を適切に分離して識別するために、適切な測定機器と専門知識の組み合わせが必要です。
- 干渉源または対象信号の位置特定 – 到達時間差（TDOA）や到来角（AOA）などの特殊な信号処理アルゴリズム、あるいは三角測量などのより基本的な無線位置特定形式を使用して信号の位置を特定するためには、少なくとも2つの良好な測定値が必要です。最大の精度と解像度、およびターゲットのための空間を提供するためには、4つ以上が望ましいでしょう。したがって、固定型またはハンドヘルド型のスペクトラム・アナライザやセンサ、あるいはその両方の組み合わせを使用して、複数の場所から測定値を収集する必要があります。
- すべての環境での記録と再生 – .WAVファイルやトレース・ファイルを使用して信号を記録するハンドヘルド・スペクトラム・アナライザがある一方で、IQまたはIFデータ・キャプチャやストリームを記録する固定型RFレコーダがある場合、互換性の問題が発生し、データ・ストリームを比較しようとすると困難に直面するでしょう。この作業は、組織やチームが異なる機器ベンダー間で作業している場合、相関付けがさらに困難になります。
2. 運用準備態勢の維持
二番目の課題は、スペクトラム監視システムの運用準備態勢を維持することに関わります。これは、a）新しい革新的なスペクトラム監視技術や機能が利用可能になった際にそれらをサポートする能力、b）古い技術の陳腐化をサポートし軽減すること、c）古い技術から新しい技術への容易な移行を可能にすること、d）異なるプラットフォーム間の相互運用性を促進することを意味します。変更の影響や、障害、イベントの見逃し、リスク・シナリオにつながる可能性のある新技術の影響を分離することが重要です。フィールドで干渉や信号を探索する際、ハンドヘルド機器が時々落下することがあるかもしれません。そのため、さまざまな過酷な気象条件下で運用できる堅牢なソリューションを持つことが重要になります。
3．性能と価格のバランス
掃引型スペクトラム・アナライザには性能に影響し、価格に直接関連する制限があります。さらに、USBベースのリアルタイム・シグナル・アナライザにも制限があります。同様に、従来の高性能システムや広帯域RFレコーディング受信機にも制限があります。これらのシステムはすべて非常にユニークですが、広帯域のスペクトラムを長時間にわたってリアルタイムで同時に記録・分析する必要がある人にとっては必要不可欠です。
USBリアルタイム・シグナル・アナライザは、研究室、モバイル、固定型またはリモート・アプリケーションに適しており、性能と価格のバランスが良好です。これらは、過剰に設計された従来の監視システムや広帯域RFレコーディング・システムに代わる費用対効果の高い選択肢となります。また、複数のUSBベースRFセンサがネットワーク化され、時間相関されると、複数の瞬時帯域幅を組み合わせて、100倍も高価なシステムで行うような広帯域スペクトラム監視を実行することが可能になります。