In dit tijdperk van telecommunicatie waarin de meeste systemen draadloos worden gemaakt, is de behoefte aan beveiliging enorm toegenomen omdat verschillende signalen moeten worden beschermd en van elkaar moeten worden geïsoleerd. Het gelijktijdig voldoen aan beide vereisten kan een groot aantal uitdagingen met zich meebrengen. Momenteel worden mobiele communicatie en Wireless Internet Local Area Network (WLAN)-systemen ontworpen op basis van een gedetailleerde analyse van de radiofrequentie (RF)-dekking en capaciteitsvereisten. Beveiligings- en privacykwesties kunnen worden aangepakt door een goed ontwerp, maar “afluisteren” blijft een echte kwetsbaarheid.
Een revolutionaire technologie, Frequency Selective Surface (FSS) genaamd, wordt steeds vaker voorgesteld en gebruikt als antwoord op de inzet van veilige draadloze systemen voor binnenomgevingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van innovatieve technieken in het ontwerp van gebouwen en het gebruik van verzwakkend materiaal.
Tegen het einde van de achttiende eeuw ontdekte de Amerikaanse natuurkundige D. Rittenhouse dat sommige kleuren van een lichtspectrum onderdrukt werden wanneer een straatlantaarn door een zijden zakdoek werd waargenomen. Dit was misschien wel het eerste “bewijs” dat niet-continue oppervlakken verschillende transmissie-eigenschappen kunnen vertonen voor verschillende frequenties van invallende golven. Daarom werden de oppervlakken Frequency Selective Surfaces (FSS) genoemd.
Daarom kan een FSS worden beschouwd als een filter voor vrije ruimte dat kan worden gebruikt om bepaalde frequenties door te laten en andere te stoppen. Deze filters zijn ontworpen door enkele geometrische metalen vormen op een diëlektrisch materiaal te fabriceren. De vormen kunnen een cirkel, een kruis, een vierkant, een ring of een driepool zijn, zoals weergegeven.
Deze geometrische metalen vormen op een diëlektrisch materiaal werken als inductieve en capacitieve reactantie voor de invallende vlakke golven en gedragen zich daarom als vrije-ruimtefilters. De vervaardigde panelen kunnen vervolgens op de muren van een gebouw worden gemonteerd of op een raam worden geplakt om de gewenste bandpass- of bandstop-resultaten te krijgen.
Het ontwerp van FSS wordt in principe verkregen door een van deze vormen periodiek op een halve golflengte van elkaar te plaatsen. De golflengte wordt verkregen door de werkfrequentie. Een veel voorkomend voorbeeld van FSS is het voorscherm van een magnetron, die in onze huizen of werkplaatsen wordt gebruikt. Je hebt vast een periodieke structuur van zeshoeken of cirkels op het voorglas opgemerkt.
Dit is in feite een FSS die ervoor zorgt dat de microgolffrequentie niet uit de oven komt, aangezien dit schadelijk is voor de mens. Hoe en waarom zorgen geometrische vormen ervoor dat een FSS fungeert als een banddoorlaat- of bandstopfilter? Nou, het is heel eenvoudig.
Als voorbeeld wordt hier een kruisgeometrie en het equivalente circuit weergegeven. Het is gemakkelijk te zien dat wanneer een invallende golf deze structuur raakt, er een kleine stroom in het materiaal vloeit (meestal bestaande uit koper), waardoor het een equivalente serie LC-circuit wordt (L = Inductor, C = Condensator). Inductantie bevindt zich in de armen van elk kruis en capaciteit tussen de aangrenzende randen als gevolg van stromen die in de structuur worden geproduceerd wanneer invallende elektromagnetische golven toeslaan, zoals weergegeven in de afbeelding. Bij de resonantiefrequentie van het LC-circuit zou het signaal passeren of stoppen volgens de ontwerpanalogie en de vorm van invallende golven die op de FSS botsen.
Kortom, een FSS is niet meer dan een parallelle of serie LC-schakeling, om zich te gedragen als een vrije-ruimtefilter. Het opnemen van enkele actieve apparaten tussen deze elementen kan de FSS actief maken, wat meer functionaliteit en configureerbaarheid in het ontwerp toevoegt.
Een FSS kan in veel technische toepassingen worden gebruikt, zoals:
– Radio Frequency Identification (RFID)-tags;
– Het uit de weg gaan van botsingen;
– Radar doorsnede vergroting;
– Robotgestuurde paden;
– Bescherming tegen elektromagnetische interferentie;
– Fotonische band-gap-structuren;
– Lage kans op onderscheppingssystemen (bijvoorbeeld stealth);
– Golfgeleider- of holtebesturingskoppeling;
– en, draadloze beveiliging, enz.
Het is niet nodig voor een lezer zonder wetenschappelijke achtergrond om bovenstaande terminologieën te begrijpen, omdat mijn focus op de laatste toepassing ligt. Dit komt omdat het gebruik van draadloze communicatie tot de massa behoort. Daarom zal het belang van FSS in de beveiliging van moderne draadloze technologie worden besproken.
Mobiele communicatie
Mobiele telefoons kunnen niet alleen storend of vervelend zijn, maar soms kunnen ze aanleiding geven tot veiligheidsrisico’s omdat ze kunnen worden gebruikt om een apparaat in werking te stellen. Maar het irritante geluid van een rinkelende mobiele telefoon in de bioscoop of het theater zou aan het verdwijnen kunnen zijn met de ontwikkeling van een hightech frequentieselectief oppervlak dat hun signalen blokkeert.
Met hightech FSS kunnen stille zones worden gecreëerd in ziekenhuizen, scholen en luchthavenlounges. Ook zou het oppervlak, dat bestaat uit een metalen rooster, terroristen kunnen verijdelen. Dit type beveiliging is vooral nodig op luchthavens en andere risicogebieden die worden bezocht door personeel van de strijdkrachten en veiligheidsdiensten.
Het mooie van het ontwerp en de ontwikkeling van een FSS is dat het alleen een bepaald soort signalen zou blokkeren, terwijl andere signalen zouden kunnen worden doorgelaten. In technische termen zou het zich gedragen als een bandstopfilter voor de te blokkeren frequentie en als een banddoorlaatfilter voor de rest.
Opgemerkt moet worden dat vóór de komst van commerciële FSS grote aluminium platen werden verwerkt in de muren van moderne gebouwen om ongewenste signalen tegen te houden. Een groot probleem met deze techniek was dat het naast het blokkeren van de gewenste frequentie ook andere frequenties zou stoppen.
Met de commerciële productie van frequentieselectieve oppervlakken is het nu echter mogelijk geworden om selectief te zijn – ofwel om een bepaald soort golven te stoppen of te passeren. Het doel om beveiligde zones in gebouwen te creëren om terroristische activiteiten te voorkomen, kan daarom worden bereikt door de ontwikkeling van een van de volgende:
– Een passieve FSS, of;
– Een actieve FSS.
Een passieve FSS is degene waarin enkele grappige vormen op een diëlektrische plaat zijn ontworpen om een bepaalde frequentie te passeren of te stoppen. Als dit oppervlak eenmaal is vervaardigd, kunnen de eigenschappen ervan niet meer worden gewijzigd. Het andere basispunt is dat ze relatief groot genoeg moeten zijn om op een grote dwarsdoorsnede van de muur of het raam te worden geplakt. Het voordeel van dit soort FSS is dat ze gemakkelijk te ontwerpen en te vervaardigen zijn, maar het nadeel is dat ze niet herconfigureerbaar zijn.
Aan de andere kant bestaat actieve FSS uit dezelfde grappige vormen met de integratie van enkele actieve elektronische apparaten zoals pistooldiode, varactordiode of condensatoren. Deze actieve apparaten maken de FSS veel kleiner dan een passieve en zijn herconfigureerbaar. Het enige nadeel is dat het ontwerp en de fabricage van dergelijke apparaten een grote uitdaging is. In beide gevallen zou FSS helpen voorkomen dat elk mobiel signaal het beveiligingsgebied binnenkomt, zoals luchthavenlounges, terwijl andere signalen zoals die van de radio, tv of draadloos zeker binnen zouden komen.
Een belangrijk aspect van de menselijke veiligheid is dat overmatig gebruik van mobiele telefoons schade kan toebrengen aan het oor en de hersenweefsels doordat elektromagnetische golven te vaak in het hoofd terechtkomen. Dit is gemeld door mensen van over de hele wereld.
Dit gebeurt omdat in de recent ontwikkelde hightech mobiele telefoons het grondvlak dat achter de antenne wordt gebruikt meestal een geleider is die de voorbijgaande elektromagnetische straling niet kan stoppen. Er wordt onderzoek gedaan door ingenieurs en wetenschappers om een grondvlak van FSS te maken dat zich gedraagt als een perfect bandstopfilter voor de binnenkomende frequenties, waardoor de oorzaak van achterwaartse straling wordt geëlimineerd.
Draadloos internet
Een bepaald type frequentieselectieve oppervlakken is ontworpen om te voorkomen dat Wireless Fidelity Local Area Network (WiFi LAN)-signalen een gebouw verlaten zonder de signalen van mobiele telefoons te beïnvloeden. De technologie is ontworpen om te voorkomen dat buitenstaanders toegang krijgen tot een beveiligd netwerk door gebruik te maken van wifi-netwerken die terloops zijn opgezet door werknemers op kantoor of in een gebouw.
Het kost een medewerker maar even tijd om een wifi-basisstation ter grootte van een paperback aan te sluiten op een bedrijfsnetwerk. Die persoon kan dan met zijn laptop door het kantoor dwalen en toch draadloos verbonden blijven met internet. Het probleem met deze topologie is echter dat het een buitenstaander de kans geeft om de computerbeveiliging van dat bedrijf te doorbreken met behulp van de wifi-verbinding.
Tenzij het WiFi-basisstation wordt beschermd door beveiligingsmaatregelen die de meeste amateurgebruikers niet zouden willen installeren, geeft het iedereen tot 100 meter afstand de kans om de bedrijfsfirewall te omzeilen en draadloos rechtstreeks in het netwerk te hacken.
Tot nu toe was de enige manier om ervoor te zorgen dat mensen niet ongeoorloofd toegang krijgen tot bedrijfsgeheimen, het veranderen van kantoren en gebouwen in een signaalbestendige “kooi van Faraday”, door de muren te bekleden met aluminiumfolie en glas te gebruiken dat radiogolven absorbeert in de ramen. Dit zorgt ervoor dat alle elektromagnetische emissies worden geabsorbeerd, maar het betekent ook dat niemand in het gebouw of kantoor een mobiele telefoon kan gebruiken.
Bedrijven over de hele wereld hebben afstembare frequentieselectieve oppervlakken ontwikkeld die wifi van 2,4, 5 en 6 gigahertz kunnen blokkeren, terwijl ze GSM- en 3G-mobiele telefoonsignalen doorlaten, plus noodoproepen. Dit betekent dat FSS nu werkt als een bandstopfilter voor 2,4, 5 en 6 gigahertz WiFi-signalen, terwijl het fungeert als een banddoorlaatfilter voor GSM- en 3G-signalen en andere noodoproepen.
FSS kan ook zorgen voor de isolatie tussen verschillende standaarden van wifi-signalen in een gebouw, dat wil zeggen tussen 2,4, 5 en 6 GHz-systemen. Deze isolatie is erg belangrijk, anders zou interferentie tussen deze een ernstige bedreiging vormen voor de toegankelijkheid en veiligheid van gegevens. Als er bijvoorbeeld isolatie vereist is tussen 2,4 en 5 GHz-systeem in een draadloze netwerkomgeving, kan een FSS worden ontworpen die zich als een bandstopfilter voor ofwel de frequenties kan gedragen en vervolgens op een muur tussen de twee WiFi-netwerken kan worden bevestigd. Hierdoor zouden beide netwerken afzonderlijk op verschillende locaties kunnen werken, zonder enige interferentie.
Naarmate draadloze communicatie zich ontwikkelt tot een kritieke zakelijke toepassing, zouden bouwbedrijven, verhuurders en huurders meer aandacht moeten besteden aan de verspreiding van RF. Ingenieurs en ontwerpers zullen zich ook vertrouwd moeten maken met een nieuw soort bouw-, inbouw- en RF-materialen, met name FSS’s, en de implementatie van de nieuwste draadloze systemen en intelligente antennes onder de knie moeten krijgen. De huidige ontwikkelingen in FSS wijzen op een mooie toekomst voor de technologie, met nuttige toepassingen die wachten om te worden benut in een groot aantal industrieën.
Pakistan staat ondertussen aan de vooravond van het draadloze tijdperk en binnenkort zou er een grote verschuiving in datacommunicatie plaatsvinden van fysieke verbindingen naar draadloze connectiviteit. Draadloze communicatie wordt beschouwd als een schone vorm van netwerken waar geen lange fysieke lijnen en netwerkcomponenten bij betrokken zijn. Daarom zou kunnen worden afgeleid dat steeds meer bedrijven deze technologie zouden gebruiken om geld te besparen en efficiënt te zijn.
Daarom hebben we experts nodig om de algehele draadloze netwerken te beveiligen. Bovendien, met de ontwikkeling van een enorme infrastructuur voor mobiele telefoons in het land, moeten we op een gegeven moment signalen blokkeren in gebieden met beperkte toegang, zoals luchthavens, ziekenhuizen en bioscoopzalen.
Iedereen die geïnteresseerd is in microgolf- en radiofrequentiecommunicatie (RF) moet FSS kiezen als focusgebied voor onderzoek, omdat het veel potentieel heeft voor de toekomst, zelfs in Pakistan.
Bron: Syeda Mahwish Fatima Naqvi