کولوسئوم؛ ابزاری برای شبیه‌سازی ارتباطات بی‌سیم

به گزارش واحد فناوری اطلاعات سایبربان: سازمان دارپا به تازگی از نسل بعدی «شبیه‌سازهای الکترونیکی از جهان الکترومغناطیسی نامرئی¹» خود با نام «کولوسئوم» (Colosseum) رونمایی کرد. این سامانه در اتاقی به ابعاد 6 در 9 متر در آزمایشگاه فیزیک کاربردی (APL) دانشگاه جانز هاپکینز (Johns Hopkins University) آمریکا قرار داشته و با وجود اینکه در محیطی کوچک قرار دارد می‌تواند، جهان بی‌سیمی بسیار بزرگ‌تر و مهم‌تر ایجاد کند.
دارپا اعلام کرد اگر توسعه کولوسئوم در قالب طرح سه ساله‌ی «چالش همکاری طیف» (SC2²) به خوبی پیش برود. رقابتی با جایزه‌ی 3.75 میلیون دلار برگزار می‌شود. افرادی که در رقابت برای جایزه‌ای 3.75 میلیون دلاری شرکت می‌کنند، امکان استفاده از این سامانه را به دست می‌آورند. سامانه‌ی مذکور هم‌اکنون برای اولین بار به صورت کامل در دسترس بوده و به عنوان بستری برای آزمایش جهانی منحصر به فرد و ایجاد الگوهای جدید مدیریت دسترسی به طیف‌های الکترومغناطیسی در حوزه‌های نظامی و غیرنظامی مورداستفاده قرار می‌گیرد.
پل تیلگمن (Paul Tilghman)، مدیر برنامه چالش همکاری طیف گفت: «کولوسئوم یک محیط تحقیقاتی بی‌سیم است. ما امیدواریم به کمک این بستر بتوان سرعت تحقیقات را در زمینه‌ی تجهیزات خودمختار، هوش و مهم‌تر از همه فناوری‌های مشترک رادیویی افزایش بدهیم؛ زیرا تعداد دستگاه‌هایی که به شکل بی‌سیم به یکدیگر متصل شده‌اند و اینترنت به صورت نمایی در حال رشد است.»
ابزارهای ارتباطی بی‌سیم سنتی توسط یک ویژگی معرفی می‌شوند. سندی که بعد از سال‌ها تحقیق و مطالعه به وجود آمده‌اند. همچنین در این گزارش نحوه دقیق فعالیت سامانه‌های رادیویی و همکاری همه‌ی آن‌ها با یکدیگر شرح داده شده است.
پل تیلگمن گفت: «ما از شرکت‌کنندگان طرح چالش همکاری طیف درخواست کردیم تا سامانه‌های رادیویی جدیدی که توانایی یادگیری را از همدیگر دارند، تولید کنند. این موضوع نیاز به خصوصیات رادیوی سخت را منسوخ می‌کند.»
تیلگمن افزود: «سامانه‌های رادیویی سنتی به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که تنها بر اساس برنامه‌ای که از قبل به آن داده شده است، عمل کند؛ بنابراین کاملاً قابل‌قبول است که تعداد کمی از آن‌ها را در یک محیط کوچک و ساده آزمایش کنیم.»
وی ادامه داد: «در طرح یاد شده از گروه دیگری نیز خواسته شده است تا تعدادی ابزار رادیویی را طراحی کنند که بدون همکاری با یکدیگر، یاد می‌گیرند چگونه به صورت زمان واقعی ظرفیت پهنای باند طیف فرکانسی خود را بهینه کنند. این دسته با تکیه بر هوش مصنوعی می‌تواند فرصت‌هایی را برای افزایش بهره‌وری ایجاد کند. شما نمی‌توانید راه‌حل این معما را به راحتی پیدا کنید مگر آن که در مقیاس کلان به آن بپردازید و به همین دلیل است که کولوسئوم بخش مهمی از راه‌حل به شمار می‌رود.»
در نگاه اول کولوسئوم مجموعه‌ای از قفسه‌های معمولی، یکنواخت و خسته‌کننده به نظر می‌رسد. با وجود این بستری است که می‌تواند ده‌ها هزار ارتباط بی‌سیم میان صدها دستگاه (مانند تلفن همراه، رادیوی نظامی، ابزارهای اینترنت اشیا) را در محیطی به وسعت یک کیلومترمربع به شکل هم‌زمان، شبیه‌سازی کند.
مدیر برنامه چالش همکاری طیف خاطر نشان کرد: «کولوسئوم می‌تواند یک ارتباط رادیویی قابل‌باور را در یک زمینه عملیاتی باز، یک شهرستان متراکم، مرکز خریدی در حومه‌ی شهر، بیابان یا بسیاری سناریوهای قابل‌تصور دیگر ایجاد کند.»
مهندسان آزمایشگاه فیزیک کاربردی کولوسئوم را با 128 ابزار دو آنتنه³ (two-antenna)، رادیوی نرم افزاری⁴ (Software-defined radio) ساخته شده توسط سازمان اسناد ملی⁵ (National Instruments) ایجاد کرده‌اند. شبیه‌سازی امواج الکترومغناطیسی که در جهان فیزیکی منتقل می‌شوند فرایند ساده‌ای نیست. به همین دلیل دو مرکز یاد شده برای تولید 64 آرایه دریچه‌ای برنامه‌پذیر میدانی (FPGA⁶) با یکدیگر همکاری کردند.
یکی دیگر از چالش محققان طراحی بستری است که فناوری رادیوی نرم‌افزاری را محیط محاسباتی ابری ترکیب کند تا گروه‌های شرکت کننده بتوانند به از راه دور به سامانه‌ی یاد شده دسترسی داشته باشند. در ماه دسامبر سال 2017، سی عدد از گروه‌ها در این رویداد شرکت خواهند کرد.
با توجه به آمار ارائه شده کولوسئوم می‌تواند یک کانال رادیویی 256 در 256 را شبیه‌سازی کند. این موضوع امکان محاسبه‌ی هم‌زمان و زمان واقعی تعاملات 65 هزار کانال ارتباطی میان 256 دستگاه بی‌سیم را فراهم می‌کند.
هر کانال شبیه‌سازی شده پهنای باندی به اندازه‌ی 100 مگاهرتز ارائه می‌دهد که در مجموع پشتیبانی از باند 25.6 گیگاهرتزی را فراهم می‌آورد. به علاوه فرکانس رادیویی انتقال و دریافت هر کانال قابل تنظیم بین 10 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز است. همچنین اعلام شد میزان داده‌های قابل‌انتقال توسط کولوسئوم دارپا بیش از 52 ترابایت در ثانیه است.

_________________________

1- electronic emulator of the invisible electromagnetic world
2- Spectrum Collaboration Challenge
3- در ارتباطات وای‌فای آنتن دوتایی از دو منبع مختلف اقدام به دریافت و ارسال سیگنال می‌کند تا عملکرد بهتر از ابزارهای تک آنتنه داشته باشد.
4- رادیوی نرم‌افزاری یک سیستم رادیو مخابراتی است که مؤلفه‌هایی که معمولاً به‌صورت سخت‌افزاری هستند (برای نمونه میکسر، فیلتر، مدولاسیون/دمودولاتور، آشکارساز و تقویت‌کننده الکترونیکی) را به صورت نرم‌افزار پیاده‌سازی می‌کند.
5- اسناد ملی یک شرکت آمریکایی است که  تجهیزات آزمایش خودکار ابزارها و زیرساخت‌های مجازی نرم‌افزاری تولید می‌کند.
6- field programmable gate arrays