1. wprowadzenie - Wojskowy Instytut Łączności

ANALIZA MOŻLIWOŚCI EFEKTYWNEGO ZAKŁÓCANIA SYSTEMÓW
WYKORZYSTUJĄCYCH DYNAMICZNY DOSTĘP DO WIDMA
Marek SUCHAŃSKI, [email protected]
Paweł KANIEWSKI, [email protected]
Robert MATYSZKIEL, [email protected]
Mateusz KUSTRA, [email protected]
WOJSKOWY INSTYTUT ŁĄCZNOŚCI
ul. Warszawska 22 A, 05-130 ZEGRZE
ZAKŁAD RADIOKOMUNIKACJI I WALKI ELEKTRONICZNEJ
Streszczenie:
Rozwój wojskowych systemów radiowych wykorzystujących dynamiczny dostęp do
widma postawił nowe wymagania dla systemów walki elektronicznej. W celu efektywnego
zakłócenia takich systemów nie wystarczy wygenerować sygnał o mocy większej niż sygnał
użyteczny ale należy dynamicznie śledzić środowisko elektromagnetyczne w celu
poszukiwania sygnału generowanego przez przeciwnika oraz sprawdzania efektywności
systemu zakłócania.
W niniejszym artykule krótko scharakteryzowano metody dynamicznego dostępu do
widma (koordynowany dostęp do widma, oportunistyczny dostęp do widma), Opisano
obecnie eksploatowane w SZ RP środki radiowe wykorzystujące tryby pracy z rozproszonym
widmem. W dalszej części opisano sposoby zakłóceń systemów łączności radiowej oraz
przedstawiono efektywne sposoby zakłócania wojskowych systemów łączności radiowej
wykorzystujących dynamiczny dostęp do widma. Należy zaznaczyć, że przy obecnie
wykorzystywanych systemach walki elektronicznej skuteczność zakłócania zmniejsza się gdy
środki radiowe wykorzystują tryby pracy z rozproszonym widmem. Dlatego wymagane jest
wprowadzenie metod zwiększających efektywność zakłócania systemów łączności radiowej
wykorzystujących tryby pracy z rozproszonym widmem. Efektywne zakłócanie tych systemów
wymusza wprowadzenie inteligentnych metod wykrycia sygnału przeciwnika,
przeprowadzenia wstępnej analizy technicznej oraz wybrania metody skutecznego zakłócenia.
1. WPROWADZENIE
Zakłócanie łączności przeciwnika zawsze stanowiło skuteczny oręż w rękach dowódców.
Blokowano szlaki komunikacyjne, zabijano gońców, przechwytywano kurierów i ich
przesyłki. Gdy standardem stała się łączność radiowa, zaczęto podsłuchiwać komunikaty
przeciwnika, a także je zakłócać. Początkowo stosowano w tym celu niezbyt zaawansowane
techniki, ale też potrzeby nie były duże. Jednak wraz z szybkim rozwojem komunikacji
bezprzewodowej pojawiły się nowe, skuteczne zabezpieczenia przed zakłócaniem.
Od systemów WE wymaga się by były one efektywne, gdyż jak wykazały działania
wojenne ostatnich lat, walka elektroniczna stała się aktualnie działaniem bojowym o istotnym
znaczeniu dla przebiegu pozostałych rodzajów działań. Skuteczne zakłócanie wymaga
szybkiego i precyzyjnego określenia charakterystyki źródła emisji oraz jego lokalizacji.
1/9
2. DYNAMICZNY DOSTĘP DO WIDMA
Technologie bezprzewodowe przejmują dominującą rolę w sieciach wymiany informacji
zapewniających realizację różnorodnych usług: transmisji danych, audio, wideo, aplikacji
multimedialnych. Szybkie oraz niezawodne przesyłanie danych, obrazów i komunikatów jest
szczególnie istotne w warunkach dynamicznych zmian środowiska radiowego wynikających z
mobilności poszczególnych węzłów, ale również zróżnicowania wymagań na parametry
transmisyjne łączy wymiany danych [1]. Z tego powodu jednym z głównych wyzwań jakie
stają przed środowiskami regulatorów i zarządców widma jest zwiększenie efektywności
wykorzystania widma poprzez optymalny dynamiczny przydział częstotliwości zapewniający
korespondentom sieci radiowych realizację usług z określonym poziomem jakości.
Wzrost liczby urządzeń radiowych współdzielących wykorzystywane pasmo
częstotliwości prowadzi do wzajemnych zakłóceń. Wzrost interferencji powoduje degradację
jakości transmisji, a powyżej określonego, dopuszczalnego poziomu jej całkowite zakłócenie.
Dlatego podjęte zostały badania nad zwiększeniem efektywności wykorzystania widma
poprzez stosowanie tzw. dynamicznego dostępu do niego (ang. Dynamic Spectrum Access –
DSA). W badaniach rozważa się dwie architektury DSA:
• koordynowany dynamiczny dostęp do widma (ang. Coordinated Dynamic Spectrum
Access – CDSA);
• oportunistyczny dostęp do widma (ang. Opportunistic Spectrum Access – OSA).
W porównaniu do obecnie wykorzystywanego statycznego dostępu do widma, koncepcja
CDSA jest bardziej elastyczna. Jednakże to idea oportunistycznego dostępu do widma
pozwala efektywniej wykorzystywać zasoby częstotliwościowe.
Stosowanie metod dynamicznego dostępu do widma pozwala zwiększyć odporność
systemu łączności radiowej na zakłócenia wewnętrzne (pochodzące od środków własnych)
i zewnętrzne (oddziaływanie systemów walki elektronicznej przeciwnika) poprzez
zastosowanie mechanizmów umożliwiających generację i dystrybucję niezakłóconych planów
częstotliwości umożliwiających pracę środków radiowych w trybach wykorzystujących
skokową zmianę częstotliwości (FH).
2.1
Tryby pracy radiostacji z rozproszonym widmem
W Siłach Zbrojnych RP podstawowymi radiostacjami pola walki są radiostacje UKF
rodziny PR4G (w tym F@stNet) firmy Radmor oraz radiostacje KF firmy Harris.
Radiostacje rodziny PR4G mogą pracować w trybach pracy z rozproszonym widmem
takich jak FH, FCS i MIX, które zabezpieczają przed skutkami walki elektronicznej:
•
•
FH (ang. Frequency Hopping - praca ze skaczącą częstotliwością) – radiostacja
zmienia częstotliwość roboczą kilkaset razy na sekundę (PR4G – 300/s) w zakresie
podpasm wyznaczonych przez plan częstotliwości zdefiniowany w czasie
przygotowania radiostacji do pracy;
FCS (ang. Free Channel Search - poszukiwanie wolnego kanału) – za każdym
przełączeniem radiostacji na nadawanie, radiostacja wybiera niezakłóconą
częstotliwość roboczą z planu częstotliwości zdefiniowanego podczas przygotowania
radiostacji do pracy;
2/9
•
MIX (ang. Mixed - tryb mieszany) – na podstawie analizy środowiska
elektromagnetycznego (analiza zajętości częstotliwości zdefiniowanych w planie
częstotliwości) radiostacja wybiera tryb FH lub FCS.
Umiejętne wykorzystanie powyższych trybów pracy powoduje zmniejszenie
prawdopodobieństwa skutecznego rozpoznania systemu łączności radiowej i uodparnia
system na zakłócenia celowe, a także zakłócenia ze strony środków własnych (zapewnienie
kompatybilności wewnętrznej systemu).
Radiostacje KF firmy Harris mogą pracować w różnych trybach pracy (od trybu Fixed
Frequency, poprzez tryb HOP (Frequency Hopping) po tryby ALE (Automatic Link
Establishment) i ALE 3G w wybranych typach radiostacji). Wybór odpowiedniego trybu
pracy i wybór odpowiedniego modemu może znacząco poprawić jakość transmisji w kanale
radiowym KF.
2.2
Koordynowany dynamiczny dostęp do widma
Koordynowany dynamiczny dostęp do widma polega na wykorzystaniu pewnej
infrastruktury z brokerem widma, jako jej głównym elementem. CDSA jest jednym ze
sposobów uodpornienia systemów łączności radiowej na zakłócenia celowe, poprzez
generację i dystrybucję bezkolizyjnych planów częstotliwości radiowych, które umożliwiają
pracę radiostacji z wykorzystaniem emisji z rozproszonym widmem.
W celu prawidłowej generacji danych radiowych zapewniających bezkolizyjną pracę
sieci i kierunków radiowych, broker częstotliwości pozyskuje zbiór dostępnych częstotliwości
od regionalnej jednostki odpowiedzialnej za gospodarkę częstotliwościową. W warunkach
polskich jednostką taką jest Wojskowe Biuro Zarządzania Częstotliwościami (WBZC).
W celu określenia struktury organizacyjnej systemu łączności radiowej broker częstotliwości
powinien współpracować z zautomatyzowanymi systemami dowodzenia, z których otrzymuje
informacje o położeniu i rodzaju wszystkich środków radiowych pogrupowanych w sieci
i kierunki radiowe. Dodatkowo w celu bieżącej weryfikacji otrzymanego zbioru
częstotliwości wskazana jest ścisła współpraca z systemami walki elektronicznej. Współpraca
taka umożliwia dokonanie oceny rzeczywistego stanu środowiska elektromagnetycznego
w określonych węzłach systemu łączności radiowej.
Rys. 1 Schemat blokowy aplikacji brokera częstotliwości
3/9
Generacja bezkolizyjnych planów częstotliwości odbywa się przy wykorzystaniu
algorytmów opartych na wcześniej zdefiniowanych miarach i kryteriach zakłócalności oraz
modelach prognozowania tłumienia fal elektromagnetycznych.
W celu efektywnej realizacji filozofii koordynowanego dynamicznego zarządzania
widmem broker częstotliwości umożliwia dystrybucję planów częstotliwości (danych
radiowych) do abonentów sieci w czasie quasi-rzeczywistym.
2.3
Oportunistyczny dostęp do widma
Innym sposobem uodpornienia systemów łączności radiowej na zakłócenia celowe jest
zastosowanie oportunistycznego dostępu do widma, który realizuje ideę oportunistycznego
wykorzystania nieużywanych chwilowo fragmentów widma (tzw. białe przestrzenie widma
radiowego – ang. White Space Spectrum), z przestrzeganiem zasady niezakłócania innych
środków radiowych. W tej filozofii przewiduje się konieczność stworzenia zaawansowanych
metod badania zajętości widma. Realizacją tej filozofii będzie nowa generacja systemów –
tzw. radio kognitywne (ang. Cognitive Radio), które jest w stanie „uczyć się” środowiska
elektromagnetycznego.
Radio kognitywne będzie opierało się na obserwacji zachodzących w przestrzeni zjawisk
fizycznych za pomocą sensingu (detekcji fizycznej) widma lub wykorzystaniu informacji
wcześniej przygotowanych w inny sposób (np. bazy geolokalizacyjne), które mają dostarczać
informacji na temat tego co się dzieje w środowisku elektromagnetycznym w poszczególnych
miejscach. Na podstawie takich danych radio kognitywne będzie miało możliwość podjęcia
decyzji o rozpoczęciu transmisji charakteryzującej się konkretnymi parametrami. Parametry
takiej transmisji (np. maksymalna dopuszczalna moc promieniowania, rodzaj transmisji itp.)
są dynamicznie dostosowywane do zmian zachodzących w otaczającym środowisku
elektromagnetycznym oraz zmieniających się preferencji użytkownika.
Z punktu widzenia zabezpieczenia sieci przed zakłóceniami celowymi radio kognitywne
charakteryzują następujące właściwości:
•
•
•
•
elastyczność – zapewniająca zmiany struktury sygnału i konfiguracji sieci;
sprawność – zapewniająca zmiany wykorzystywanych pasm częstotliwości
roboczych;
rozpoznanie – zapewniające obserwację stanu systemu;
rekonfigurowalność – zapewniająca łączność między wieloma węzłami z relatywnie
dużą pojemnością sieci.
3. RODZAJE ZAKŁÓCEŃ SYSTEMÓW ŁĄCZNOŚCI RADIOWEJ
Zakłócenia radiowe można podzielić na cztery podstawowe rodzaje: atmosferyczne,
przemysłowe, zakłócenia powstałe w aparaturze odbiorczej i zakłócenia sztuczne, najczęściej
wytwarzane specjalnymi stacjami zakłócającymi.
Swoboda propagacji fal elektromagnetycznych w atmosferze ziemskiej oznacza, że
stosunkowo łatwo może dojść do wzajemnego zakłócania się dwóch systemów
radiokomunikacyjnych, zlokalizowanych w niewielkiej odległości od siebie. Innym
problemem jest ciągła zmienność warunków propagacji fal elektromagnetycznych
w atmosferze
oraz
ukształtowanie
terenu
w
miejscu
lokalizacji
systemu
4/9
radiokomunikacyjnego. Oddziaływanie zarówno atmosfery, jak i warunków terenowych jest
ściśle zależne od częstotliwości fali elektromagnetycznej.
Na potrzeby tego artykułu rozpatrywane będą sztuczne zakłócenia łączności radiowej,
które zostały podzielone na dwie kategorie:
•
•
zakłócenia wewnętrzne (pochodzące od środków własnych);
zakłócenia zewnętrzne (oddziaływanie systemów walki elektronicznej).
Zakłócenia wewnętrzne powstają na skutek braku kompatybilności wewnętrznej systemu.
Zazwyczaj jest to spowodowane nieprzestrzeganiem kryteriów współobiektowych
i współmiejscowych zapewniających prawidłową pracę systemu łączności radiowej oraz
niewłaściwymi danymi radiowymi, na których pracują środki radiowe w ramach konkretnych
sieci i kierunków radiowych.
Zakłócenia zewnętrzne generowane są przez systemy walki elektronicznej (WE) w celu
przeprowadzenia skutecznego obezwładnienia systemów łączności radiowej przeciwnika. Na
zakłócenia zewnętrzne mają wpływ np. możliwość namierzania radiowego, automatyczny
wybór sposobu zakłócania i rodzaju sygnału zakłócającego uzależnionego od
przeprowadzonej analizy technicznej odebranego sygnału itp.
Rys. 2 Przykładowy podział zakłóceń systemów łączności radiowej
W ramach tego artykułu głównie przedstawione zostaną zakłócenia zewnętrzne
wytwarzane przez systemy WE.
4. EFEKTYWNE
SPOSOBY
ZAKŁÓCANIA
Z DYNAMICZNYM DOSTĘPEM DO WIDMA
SYSTEMÓW
Zakłócanie można prowadzić selektywnie (zakłócać tylko jedną częstotliwość) lub
szerokopasmowo. Zakłócanie polega na wytworzeniu sygnału, którego moc na wejściu
odbiornika radiowego jest zdecydowanie większa od sygnału użytecznego.
Czynniki wpływające na efektywność zakłócania można podzielić na dwie grupy:
5/9
•
•
organizacyjne (efektywne rozmieszczenie elementów zakłócających w terenie);
techniczne (wybór efektywnych algorytmów pracy systemu zakłócającego oraz
odpowiednich urządzeń).
W celu właściwego rozmieszczenia stacji zakłócających w terenie należy uwzględnić
profil terenu, co umożliwi określenie zasięgu zakłóceniowego wyznaczającego maksymalną
odległość pomiędzy stacją emitującą sygnał zakłócający a stacją zakłócaną. Radiostacja
przeciwnika może zostać efektywnie zakłócona jeśli poziom mocy sygnału pochodzącego od
stacji zakłóceń jest większy od poziomu sygnału pochodzącego od korespondenta radiostacji
zakłócanej.
Czynniki techniczne mające wpływ na efektywność zakłócania to wybór odpowiedniego
algorytmu zakłócania np. wprowadzenie ciągłej, wielopoziomowej weryfikacji efektywności
zakłócania poprzez permanentny nasłuch przez wszystkie elementy systemu WE wyposażone
w szerokopasmowe odbiorniki, w tym również przez stacje zakłóceń, automatyczny wybór
sposobu zakłócania i rodzaju sygnału zakłócającego uzależnionego od przeprowadzonej
analizy technicznej odebranego sygnału.
Współczesne systemy WE szybko i z dużą dokładnością wykrywają źródła pracujące na
jednej częstotliwości, jak również skutecznie je obezwładniają. Dlatego też w ostatnich
czasach prowadzono wiele badań nad uodpornieniem systemów łączności radiowej na
zakłócanie. W radiostacjach pola walki pojawiły się tryby pracy ze skaczącą częstotliwością
(FH), czy też umożliwiające poszukiwanie wolnego, niezakłóconego kanału (FCS). Badania
udowodniły, że skuteczność zakłóceń zmniejsza się, gdy środki radiowe wykorzystują tryb
pracy FH. Wtedy samo wykrycie źródła zajmuje znacznie więcej czasu, zaś ewentualne
zakłócenie jego pracy jest zdecydowanie bardziej złożone. W przeważającej części prób
następuje degradacja relacji łączności, ale nie jej całkowite obezwładnienie.
Jednym ze sposobów uodpornienia systemów łączności radiowej na zakłócenia jest
stosowanie dynamicznego dostępu do widma. Wcześniej krótko scharakteryzowano dwie
koncepcje DSA. Pierwsza z nich jaką jest koordynowany dynamiczny dostęp do widma, przy
wykorzystaniu brokera częstotliwości pozwala na generację i dystrybucję niezakłóconych
planów częstotliwości umożliwiających pracę środków radiowych w trybach
wykorzystujących skokową zmianę częstotliwości (FH). Idea oportunistycznego dostępu do
widma przy pomocy radia inteligentnego pozwala na dynamiczne dostosowywanie się do
zmian zachodzących w otaczającym środowisku elektromagnetycznym, a tym samym na
podjęcie decyzji o rozpoczęciu niezakłóconej transmisji w nowym kanale.
Ze względu na wprowadzane rozwiązania uodparniające systemy łączności radiowej na
zakłócenia, należy prowadzić badania nad nowymi, innowacyjnymi sposobami
obezwładniania systemów łączności przeciwnika.
W celu poprawnej pracy w trybach cyfrowych, wszystkie radiostacje podległe są
synchronizowane przez radiostację nadrzędną. Przykładowy proces synchronizacji radiostacji
będących w tej samej sieci, dokonywanej drogą radiową w trybie FH został przedstawiony na
Rys. 3. Taki sygnał można przechwycić i zarejestrować, dzięki czemu można go użyć do
wymuszania ciągłego synchronizowania się radiostacji podrzędnych. Pozwoli to na skuteczne
obezwładnienie przesyłania informacji w danej sieci radiowej, ponieważ ciągle
synchronizujące się radiostacje nie będą mogły odebrać innych danych.
6/9
Rys. 3 Synchronizacja radiostacji na trzech zaprogramowanych
częstotliwościach pracy
Na Rys. 4 została przedstawiona przykładowa transmisja FH na zadeklarowanych
wcześniej pięciu różnych nominałach częstotliwości. Dwie z częstotliwości zostały
zakłócone, dlatego też radiostacja zaczęła je pomijać i transmisja odbywała się na pozostałych
trzech nominałach. W takim przypadku, prowadząc sensing widma, wystarczy wykryć
pozostałe częstotliwości i również zacząć je zakłócać. Gdyby odległości międzykanałowe
były niewielkie można zastosować zakłócanie szerszym pasmem. Zgodnie z literaturą, w celu
skutecznego zakłócenia sygnału cyfrowego, wystarczy zakłócić 30% trwania transmisji, aby
uznać ją za nieczytelną.
Rys. 4 Transmisja w trybie FH, gdy dwie częstotliwości pracy radiostacji
(z 5 dostępnych) są zakłócone
Kolejnym sposobem skutecznego zakłócania systemów łączności z rozproszonym
widmem jest zakłócanie inteligentne. Polega ono na zakłócaniu tylko wybranych sygnałów,
takich jak np. sygnały synchronizacyjne czy też konfiguracyjne. Jeżeli radiostacje w sieci nie
zostaną zsynchronizowane to żadne dane nie zostaną odebrane. Każdy system cyfrowy opiera
się na protokołach, w których przesyłane są dane konfiguracyjne (np. rodzaj modulacji).
Jeżeli zostanie zakłócony taki sygnał, radiostacje nie będą mogły ustawić właściwych
parametrów odbioru i również nie zostanie odebrana żadna informacja.
Podczas prowadzenia zakłócania należy szczególną zwrócić uwagę, aby nie obezwładnić
własnych środków łączności radiowej. Z tego powodu systemy WE muszą mieć na bieżąco
uaktualniane bazy danych radiowych wykorzystywanych przez siły własne. Zakłócanie wiąże
się z wygenerowaniem sygnału na konkretnej częstotliwości o większej mocy niż sygnał
użyteczny, dlatego należy prowadzić ciągły monitoring widma (detekcja i klasyfikacja
sygnałów), co pozwoli określić nominały częstotliwości wykorzystywane przez przeciwnika.
Z uzyskanych w ten sposób danych należy stworzyć oddzielną bazę, która musi być
porównywana z danymi radiowymi wykorzystywanymi przez siły własne.
7/9
W zastosowaniach wojskowych elementy odpowiedzialne za monitorowanie widma
muszą być w stanie wykryć i sklasyfikować wszystkie rodzaje emisji, takie jak sygnały ukryte
w szumie/rozpraszane lub ze skaczącą częstotliwością: LPI (ang. Low Probability of
Interception) i LPD (ang. Low Probability of Detection).
Innym sposobem na skuteczne zakłócanie łączności przeciwnika jest statystyczne
określenie zajętości widma z detekcją „swój obcy”, czyli prowadzenie tzw. predykcji –
prognozowania, racjonalnego przewidywania kiedy i na jakich nominałach przeciwnik będzie
prowadził transmisję.
Obezwładnienie sieci radiowej można uznać za skuteczne, jeżeli mechanizm szacowania
efektywności zakłóceń wskaże, że ponad 50% korespondentów jest obezwładnionych.
Wartość ta może być mniejsza, jeżeli wśród radiostacji obezwładnionych znajdować się
będzie radiostacja główna. Obezwładnienie poszczególnych środków radiowych przeciwnika
będzie można uznać za skuteczne, jeżeli analiza techniczna (prowadzona na bieżąco
w systemie WE) wskaże na łączność jednokierunkową lub brak łączności.
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Skuteczne zakłócenie wojskowych systemów łączności radiowej wykorzystujących
dynamiczny dostęp do widma i stosujących tryby pracy z rozproszonym widmem przy
zastosowaniu dotychczasowych metod zakłócania jest zadaniem trudnym a niekiedy wręcz
nierealizowalnym. Przeprowadzone badania udowodniły, że skuteczność zakłóceń zmniejsza
się, gdy środki radiowe wykorzystują tryb pracy FH. Wtedy samo wykrycie źródła zajmuje
znacznie więcej czasu, zaś ewentualne zakłócenie jego pracy jest zdecydowanie bardziej
złożone. W przeważającej części prób następuje degradacja relacji łączności, ale nie jej
całkowite obezwładnienie. Taki stan rzeczy doprowadził do prac mających na celu
zwiększenie efektywność zakłócania systemów łączności radiowej wykorzystujących tryby
pracy z rozproszonym widmem. Przedstawione metody polegają na wyselekcjonowaniu
sygnałów istotnych np. sygnałów synchronizacji sieci przeciwnika, konfiguracji sieci (w tym
zmiany danych radiowych), sygnałów pochodzących od radiostacji nadrzędnej w sieci i
próbie inteligentnego ich zakłócania, powodującego obezwładnienie sieci radiowej.
6. LITERATURA
[1] M. Suchański, Zarządzanie widmem w wojskowych systemach łączności, Wyd. WAT,
2012.
[2] H. Bogucka, Technologie radia kognitywnego, Wyd. PWN, 2013.
[3] A. Ahmad, Wireless and Mobile Data Networks, J.Wiley & Sons, 2005.
[4] M. Suchański, P. Kaniewski, R. Matyszkiel, A. Woronowicz, Broker częstotliwości
w procesie automatycznego przydziału danych radiowych na przykładzie wybranych
systemów łączności bezprzewodowej, „Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości
Telekomunikacyjne” 2011, Nr 11, s. 1564 - 1567.
8/9
[5] M. Suchański, P. Kaniewski, R. Matyszkiel, A. Woronowicz, Dynamiczne zarządzanie
widmem jako metoda zwiększenia efektywności systemów radiowych wykorzystywanych
w sytuacjach kryzysowych XXVI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna
EKOMILITARIS 2012 Inżynieria bezpieczeństwa – ochrona przed skutkami
nadzwyczajnych zagrożeń. ISBN: 978-83-7798-042-2.
9/9