Tổng quan software defined radio (SDR)

Tại Việt Nam, cơ quan chịu trách nhiệm các vấn đề về vô tuyến điện là Cục tần số vô tuyến điện, thuộc Bộ thông tin và truyền thông; các vấn đề tham khảo về pháp luật cho nước sở tại bạn đọc có thể tham khảo với cơ quan liên quan với vùng quốc gia mà bạn đang sinh sống. Nhóm T17Lab thành lập dự án nghiên cứu bảo mật sử dụng nền tảng SDR nhằm mang đến cho cộng đồng người dùng là sinh viên viễn thông, công nghệ thông tin và những người hoạt động trong ngành an toàn thông tin tại Việt Nam, các vấn đề ảnh hưởng đến can nhiễu sóng vô tuyến là phạm luật, người đọc cần thực hiện có trách nhiệm với các thí nghiệm trong khu vực không ảnh hưởng sóng xung quanh.

Giới thiệu software defined radio (SDR)

SDR, software defined radio hoặc được gọi ngắn gọn là software radio đã trở thành mục tiêu phát triển của các ngành công nghiệp sử dụng sóng vô tuyến trong những năm gần đây. Nguồn gốc phát triển của SDR ngày nay là kết quả của một thời gian dài cải tiến các công nghệ lạc hậu ban đầu đến việc ứng dụng sức mạnh của các chip xử lý ngày nay.

Công nghệ SDR là một kiến trúc phần cứng kết hợp phần mềm để thực hiện xử lý các tín hiệu vô tuyến thu được trong không gian; chính sự kết hợp này đã cho phép người dùng tùy biến phần cứng thu/phát sóng vô tuyến thành những  thiết bị đa dạng như:

• thu/phát tín hiệu, nghiên cứu, phát triển giao thức truyền tải dữ liệu (4G, 5G, Wifi,...) trên cùng thiết bị phần cứng ban đầu, việc còn lại là người dùng sử dụng khả năng lập trình để xử lý các tín hiệu thu được; trên thực tế người dùng có thể kéo/thả các khối chức năng (function block) trên GNURadio để xử lý dữ liệu hoặc đơn giản là sử dụng phần mềm có sẵn để thực hiện một số nhu cầu nhất định trên cùng một phần cứng (nghe FM, thu tín hiệu vệ tinh, nghe lén đàm thoại vô tuyến, ...)

• tăng khả năng di động, linh động trong tác chiến quân sự, đây là một tính năng khá hay trong việc ứng dụng thực tế của SDR, nó còn được biết đến với tên gọi Joint Tactical Radio System (JTRS - tạm dịch: Hệ thống sóng vô tuyến tác chiến hiệp đồng). Trên chiến trường, việc thống nhất các tần số thu/phát là một việc quan trọng và phải bảo đảm tính bí mật, tránh tình trạng nghe lén của đối phương có thể xảy ra; thông qua việu tùy biến, cấu hình các thông số bằng phần mềm vào thiết bị SDR sẽ giúp cho việc truyền tải thông tin qua sóng vô tuyến được nhanh chóng, bí mật mà không cần phải thay đổi thiết kế phần cứng ban đầu, tăng khả năng hiệp đồng tác chiến trên chiến trường trong tình huống có nhiều liên minh quân sự tham gia. Để bảo đảm tính bí mật của dữ liệu truyền, kỹ thuật nhảy tần tốc độ cao hoặc trải phổ được hỗ trợ thông qua sử dụng các chip xử lý ADC tốc độc cao như FPGA.

• dịch vụ viễn thông thương mại, việc ứng dụng các công nghệ phần cứng SDR vào viễn thông thương mại đã góp phần giảm giá thành nâng cấp phần cứng tại các trạm BTS vốn có giá thành không hề nhỏ; việc phát triển giao thức truyền dẫn sử dụng phần mềm và nạp lại vào phần cứng ban đầu sẽ giúp nâng cấp tính năng của trạm BTS (ví dụ: cập nhật phần mềm vào SDR cho phép chuyển đổi từ mạng UMTS sang HSPA và thậm chí chuyển thành mạng LTE/4G)

• và còn nhiều ứng dụng thực tế khác mà SDR đang được áp dụng ngày nay trong cả dân sự và quân sự, thời điểm bài viết đang thực hiện thì việc cải tiến tính năng SDR vẫn đang phát triển mạnh mẽ tại các tập đoàn công nghệ trên thế giới và cả tại Việt Nam.

Trên thực tế, việc thiết kế một phần cứng hỗ trợ đầy đủ SDR không phải lúc nào cũng khả thi về mặc kỹ thuật và kinh phí; diễn đàn phát triển mạng không dây (Wireless Innovation Forum, WINNF) đã phân thành các cấp độ phần cứng SDR dựa vào các tính năng có thể tùy biến trên thiết bị: lọc tần số, điều chế/giải điều chế, lọc băng thông, lọc nhiễu, ... Để khắc phục các tính năng không tương thích trên những kiến trúc phần cứng/ phần mềm khác nhau, đồng thời tăng tính đa dạng của các dạng sóng (waveform), các nhà phát triển quân sự đã đề xuất mô hình luận lý SCA (Software Communications Architecture) kết hợp một lớp middleware CORBA (Common Architecture Request Broker Architecture) để kết nối các thành phần với nhau sử dụng trong hệ thống mạng JTRS và sau này phổ biến trong dân sự .

Kiến trúc phần cứng SDR

Sơ đồ cơ sở để hình thành một phần cứng SDR bao gồm mixer, filter, modulator/ demodulator, và mạch chọn sóng. Có một số thành phần được thiết kế cố định như ăn-ten thu tín hiệu, bộ chuyển đổi ADC (Analog to Digital Converter) /DAC (Digital to Ananlog Converter), và bộ xử lý tín hiệu DSP (Digital Signal Processing) được sử dụng như là thành phần xử lý trung tâm của thiết bị. Với sự phát triển của các công nghệ chip như ASIC, FPGA,... đã giúp tăng tốc độ I/O trên phần cứng SDR được cải thiện và tăng tính tin cậy trong sử dụng thực tế; FPGA có thể xử lý dữ liệu thời gian thực với băng thông và băng tần lên đến niều GHz, ngoài ra có những dòng chip xử lý giá thành thấp khác được bán trong nhiều sản phẩm khác với mục đích đơn giản hơn (thu tín hiệu truyền hình số, thu ADS-B trong hàng không dân dụng,...).

Kiến trúc khối SDR

Sơ đồ bộ thu SDR

Sơ đồ bộ phát SDR

Bộ xử lý tín hiệu DSP có thể khá đa dạng về kiến trúc và phương pháp thực hiện, ví dụ trong dự án Outernet - một dự án truyền dữ liệu vệ tinh đến những vùng khó khăn không thể tiếp cập mạng dữ luệu công cộng; DSP được sử dụng là mạch CHIP SoC tích hợp hệ điều hành Linux  để xử lý thu nhận tín hiệu và chuyển đổi sang giao diện người dùng Skylark sử dụng website. Trong nhiều tình huống, các SDR thường sử dụng sức mạnh vi xử lý laptop/desktop và phần mềm máy tính tương tác với các thiết bị SDR ngoại vi.

Phần cứng SDR HackRF One được cung cấp từ nhà sản xuất Great Scott Gadgets có băng thông và băng tần lớn, hỗ trợ thu/phát half-duplex, kết nối với máy tính qua cổng USB.

Phần cứng Outernet SDRx và mạch xử lý tín hiệu CHIP GR8

## Nghiên cứu bảo mật sóng vô tuyến sử dụng SDR

Đi liền với các tiện ích mà SDR mang lại trong kỷ nguyên số ngày nay, vấn đề bảo mật trong các thiết bị tích hợp và giải thuật truyền dữ liệu được phát triển thông qua phần mềm vẫn còn chưa được xem xét cẩn thận. Tại Việt Nam, hiện chỉ có các công ty, tập đoàn lớn mới có khả năng tập trung nghiên cứu những giải pháp SDR mới trong dân sự và quân sự do các điều kiện khách quan và chủ quan; tuy nhiên SDR cũng là một nền tảng tuyệt vời cho người nghiên cứu bảo mật và tin tặc tiếp cận với những giải pháp công nghệ giá thành thấp so với trước đây. Đặc biệt chú ý, mỗi quốc gia đểu có quy định chặt chẽ bằng luật pháp về dãy tần sốsử dụng tron dân sự, các vấn đề làm can nhiễu tín hiệu có thể gây nguy hiểm cho khu vực xung quanh và chính người thực hiện phát sóng vô tuyến. Trong phạm vi nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu t17lab, chúng tôi sẽ giới hạn và luôn khuyến cáo người dùng thực hiện hành vi có trách nhiệm để tránh các rắc rối có thể xảy ra. Để tiếp cận các vấn đề bảo mật trong nghiên cứu sóng vô tuyến, chúng tôi sẽ liệt kê một số ứng dụng của sdr trong đời sống hàng ngày:

• Nghe lén bộ đàm các sóng vô tuyến không mã hóa sử dụng trong cảnh sát/ cấp cứu/ cứu hỏa/ taxi,...
• Nghe lén các cuộc trao đổi dữ liệu hàng không dân dụng
• Theo dõi vị trí máy bay dân dụng sử dụng bộ giải mã ADSB
• Giải mã các tin nhắn gởi từ máy bay dân dụng ACARS
• Quét dãy tần số phát sóng vô tuyến trong khu vực xung quanh
• Theo dõi các tín hiệu hàng hải dân dụng sử dụng AIS
• Giải mã dữ liệu máy nhắn tin sử dụng giao thức POCSAG/FLEX
• Quét các thiết bị điện thoại không dây, thiết bị giám sát trẻ em
• Thu nhận thông tin thời thiết từ vệ tinh hoặc khí cầu quan trắc
• Thu nhận các tín hiệu không dây từ cảm biết nhiệt độ, sạc không dây
• Nghe đài vô tuyến VHF
• Giải mã các gói tin APRS sử dụng trong vô tuyến nghiệp dự
• Xem truyền hình analog
• Nghe lén tín hiệu GSM (sóng di động)
• Tích hợp sdr và điện thoại trong quét sóng vô tuyến
• SDR ứng dụng trong phân tích phổ tín hiệu thu
• Thu nhận hình ảnh vệ tinh thời tiết NOAA
• Nghe các kênh truyền vệ tinh và trạm không gian quốc tế ISS
• SDR ứng dụng trong thiên văn vô tuyến (sử dụng sóng vô tuyến để xác định vị trí hành tinh, khoảng cách,...)
• Theo dõi sao băng gần trái đất
• Nghe sóng radio FM, AM, DAB
• Nghiên cứu, dịch ngược các sóng vô tuyến chưa được biết đến
• Tìm kiếm các các nguồn gây nhiễu tín hiệu
• Truyền tải dữ liệu qua vệ tinh Inmarsat
• Điều khiển, đánh chặn máy bay không người lái, thiết bị điều khiển vô tuyến (xe, máy bay điều khiển từ xa)
• Tấn công các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến: mở cửa cuốn không dây, đánh cắp xe hơi sử dụng khóa không dây,...
• và nhiều ứng dụng SDR có thể gây nguy hiểm trong đời sống hàng ngày...

Trong phạm vi bài viết này, với mục đích tổng quan về SDR hi vọng sẽ giúp cho người dùng mới tiếp cận tổng quan về xu hướng phát triển sóng vô tuyến số ngày nay, các vấn đề kỹ thuật sâu hơn sẽ được tiếp tục trong những ví dụ sau.

Tham khảo:

1. http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/
2. http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/sdr/software-defined-radios-tutorial.php
3. http://www.scielo.org.co/pdf/rfing/v24n38/v24n38a07.pdf
4. http://www.rfdesignline.com/howto/202800773
5. http://www.rfdesignline.com/howto/202804859
6. http://www.rfdesignline.com/howto/203101033

Bài viết được lưu trữ tại T17lab.com