wykorzystanie brokera częstotliwości jako elementu

WYKORZYSTANIE BROKERA CZĘSTOTLIWOŚCI
JAKO ELEMENTU KOORDYNOWANEGO DOSTĘPU
DO WIDMA W SIŁACH ZBROJNYCH RP
dr inż. Marek SUCHAŃSKI, [email protected]
dr inż. Paweł KANIEWSKI, [email protected]
dr inż. Robert MATYSZKIEL, [email protected]
ppor. mgr inż. Mateusz KUSTRA, [email protected]
Wojskowy Instytut Łączności, 05-130 Zegrze, ul. Warszawska 22A
Streszczenie
Specyfika kanału radiowego sprawia, że dostęp do przesyłanej w nim informacji jest
nielimitowany i niekontrolowany. Bezpieczeństwo załóg wykorzystujących środki radiowe jest
w tej sytuacji szczególnie ważnym problemem, który obecnie jest najbardziej zauważalny
podczas prowadzenia operacji pokojowych poza granicami Polski. Z tego względu
w łączności radiowej bezwzględnie należy stosować mechanizmy ochrony informacji
oraz rozwiązania utrudniające przeciwnikowi wykrycie i namierzenie emisji własnych
środków radiowych oraz ich zniszczenie lub obezwładnienie elektroniczne.
Opracowany w ramach prac prowadzonych w Wojskowym Instytucie Łączności broker
częstotliwości umożliwia na podstawie określonej topologii sieci (radiostacje pogrupowane
w sieci i kierunki radiowe), zdefiniowanych miar i kryteriów zakłócalności oraz określonego
przez zarządcę widma zbioru dostępnych częstotliwości wyznaczenie za pomocą
zaimplementowanych algorytmów planowania falowego danych radiowych zapewniających
bezkolizyjną pracę wszystkim środkom radiowym oraz dystrybucję tych danych do
określonych środków radiowych.
W artykule omówiono zagadnienia związane z wykorzystaniem brokera częstotliwości
jako elementu koordynowanego dostępu do widma.
WSTĘP
Zaangażowanie Sił Zbrojnych RP w prowadzenie operacji pokojowych poza
granicami Polski narzuciło konieczność zweryfikowania wymagań stawianych militarnym
systemom łączności. Systemy rozwijane na potrzeby operacji pokojowych posiadają ściśle
określoną funkcjonalność, która zapewniana jest w znacznej mierze przez wykorzystanie
1/9
systemów łączności bezprzewodowej, w tym także środków pracujących w pasmach UKF
i KF.
Opierając się na kryptograficznych i elektromagnetycznych rozwiązaniach niezbędne
jest wypracowanie i stosowanie spójnego systemu bezpieczeństwa w zakresie zasad
i technicznych środków ochrony informacji przesyłanych w łączach radiowych. Niezbędnym
elementem, który umożliwia wykorzystanie możliwości radiostacji w zakresie utrudnienia
wykrycia, namierzenia i przeciwdziałania przez przeciwnika, a jednocześnie zapewniającym
bezkolizyjną pracę wszystkich sieci i kierunków radiowych, jest opracowany przez WIŁ
broker częstotliwości. Broker częstotliwości jest ucieleśnieniem idei koordynowanego
dostępu do widma.
Stosowane dotychczas statyczne metody zarządzania i użytkowania widma prowadzą
do drastycznie niskiej efektywności jego wykorzystania. Na podstawie pomiarów
przeprowadzonych w różnych częściach świata stwierdzono, że w zakresie częstotliwości
poniżej 3 GHz średni poziom wykorzystania widma nie przekracza 10%. [1]. Z drugiej strony
dotychczasowy rozwój systemów łączności radiowej powoduje, że drastycznie wzrasta
zapotrzebowanie na pasmo. Prognozuje się, że przy wykorzystaniu obecnej statycznej polityki
dostępu do widma już w 2014 roku pojawi się znaczący deficyt widma dla tych systemów
Rys. 1 [2].
Rys. 1 Prognozy wzrostu ruchu w sieciach bezprzewodowych i zapotrzebowania na częstotliwości wg FCC
Z tego powodu jednym z głównych problemów jaki muszą rozwiązać organizatorzy
systemów łączności radiowej, jest optymalny dynamiczny przydział częstotliwości
zapewniający korespondentom sieci radiowych realizację usług z określonym poziomem
jakości.
2/9
Spostrzeżenia te stały się przyczyną podjęcia badań nad zwiększeniem efektywności
wykorzystania widma poprzez stosowanie tzw. dynamicznego dostępu (ang. Dynamic
Spectrum Access – DSA). Koncepcja DSA jest ucieleśnieniem idei współdzielenia widma
przez różne systemy bezprzewodowe.
Jednym ze sposobów rozwiązania problemu deficytu widma jest zastosowanie
tzw. koordynowanego dynamicznego dostępu do widma (ang. Coordinated Dynamic
Spectrum Access – CDSA), polegającego na wykorzystaniu pewnej infrastruktury z brokerem
widma, jako jej głównym elementem.
W artykule został przedstawiony opracowany przez WIŁ broker częstotliwości, który
umożliwia generację niezakłóconych planów częstotliwości w oparciu o zbiór częstotliwości
do wykorzystania dostarczony przez właściwego zarządcę widma (w krajach członkowskich
NATO organizacją odpowiadającą za zarządzanie widmem jest NARFA ang. National Allied
Radio Frequency Agency). Odpowiednikiem NARFY na terytorium RP jest Wojskowe Biuro
Zarządzania Częstotliwościami – WBZC. Dodatkowo broker częstotliwości umożliwia
dynamiczną dystrybucję wcześniej wygenerowanych planów częstotliwości do odpowiednich
środków radiowych (wykorzystanie funkcji OTAR).
1. BROKER CZĘSTOTLIWOŚCI
Broker częstotliwości jest narzędziem wspomagającym proces gospodarki widmem
radiowym we współczesnych sieciach radiowych pola walki. Przeznaczony jest on do
współpracy z sieciami radiowymi której radiostacje podatne są na dynamiczną dystrybucję
danych radiowych. W celu zapewnienia efektywnego działania broker ma budowę modułową,
a jego główne elementy przedstawia Rys. 2.
3/9
Rys. 2 Schemat blokowy brokera częstotliwości
Każdy z elementów brokera pełni ściśle określoną funkcję:
•
Moduł Zarządcy – odpowiedzialny za prawidłową komunikację oraz właściwą
wymianę danych między poszczególnymi modułami brokera częstotliwości;
•
Moduł Oceny sytuacyjnej – odpowiedzialny za określenie struktury organizacyjnej
systemu
łączności
radiowej
(położenie
wszystkich
środków
radiowych
pogrupowanych w sieci i kierunki radiowe). Moduł ten umożliwia ręczne
wprowadzanie niezbędnych danych oraz współpracuje z zautomatyzowanymi
systemami dowodzenia, z których otrzymuje informacje o położeniu i rodzaju
wszystkich środków radiowych pogrupowanych w sieci i kierunki radiowe;
•
Moduł Baza danych – zawiera dane niezbędne w procesie generacji planu
częstotliwości, a w szczególności topologię systemu łączności radiowej, definicję
danych radiowych (moc, tryb pracy, prędkości transmisji, częstotliwości pracy), miary
i kryteria zakłócalności oraz plan częstotliwości;
•
Moduł Analizy – odpowiedzialny za określenie zbioru dostępnych częstotliwości,
które mogą być
wykorzystane przez
brokera częstotliwości
do
generacji
niezakłóconych planów częstotliwości. Moduł analizy ma możliwość współpracy
z systemami walki elektronicznej w celu określenia aktualnego stanu środowiska
elektromagnetycznego w rozpatrywanej lokalizacji.
•
Moduł Wizualizacji – stanowi interfejs użytkownika, umożliwiający definicję
i weryfikację wprowadzanych parametrów, pozwalających zilustrować rozmieszczenie
środków radiowych pogrupowanych w sieci i kierunki radiowe jak również
4/9
umożliwiający
pracę
brokera
częstotliwości
w
trybie
manualnym
(ręczne
wywoływanie poszczególnych funkcji);
•
Moduł Planowania – odpowiedzialny za generację i weryfikację planów
częstotliwości w oparciu o wcześniej zdefiniowane kryteria zakłócalności, lokalizację
środków radiowych pogrupowanych w sieci i kierunki radiowe oraz zbiór
częstotliwości
do
elektromagnetycznego
wykorzystania
(poziom
wraz
z
sygnału
aktualnym
stanem
środowiska
zakłócającego
na
określonych
częstotliwościach);
•
Moduł Dystrybucji – odpowiedzialny za bezpieczną dystrybucję, wygenerowanych
w module planowania, danych radiowych zawierających wszystkie niezbędne
parametry potrzebne do prawidłowej pracy środków radiowych. Moduł ten
współpracuje z radiostacją umożliwiającą zdalną zmianę parametrów radiowych
wybranych radiostacji w systemie łączności radiowej;
•
Moduł Decyzyjny – odpowiedzialny za określenie kryteriów (prawdopodobieństw
zakłócania się sieci radiowych) przy których niezbędna jest generacja nowych planów
częstotliwości. Moduł ten otrzymuje dane wejściowe z modułu Analizy oraz modułu
Oceny
sytuacyjnej
(aktualny
stan
środowiska
elektromagnetycznego,
zbiór
częstotliwości do wykorzystania oraz rozmieszczenie środków radiowych) i na tej
podstawie określa prawdopodobieństwo zakłócenia sieci radiowej. Jeżeli oszacowane
prawdopodobieństwo zakłócenia przekroczy założoną wartość progową, wówczas
moduł ten automatycznie uruchomi moduł Planowania w celu wygenerowania nowego
planu częstotliwości i dystrybucji do określonych środków radiowych;
•
Moduł Weryfikacyjno-korekcyjny – odpowiedzialny za komunikację z WBZC,
w celu uzyskania możliwych do wykorzystania przez broker częstotliwości - w dalszej
części referatu zostanie szczegółowo omówione funkcjonowanie tego modułu.
2. MOŻLIWOŚCI WSPÓŁPRACY Z WBZC
Modułem brokera częstotliwości odpowiadającym za współpracę z Wojskowym
Biurem Zarządzania Częstotliwościami jest moduł weryfikacyjno-korekcyjny. Pierwszym
i podstawowym jego zadaniem jest wygenerowanie wniosków o przydział częstotliwości dla
zdefiniowanych w brokerze częstotliwości sieci radiowych. Wnioski o przydziały
częstotliwości muszą być przesyłane do WBZC w formacie SFAF (ang. Standard Frequency
Action Format), którego parametry są ściśle zdefiniowane. SFAF jest formatem wymiany
5/9
danych wykorzystywanym w programie SPECTRUM XXI – najpopularniejszym narzędziu
wspierającym zarządzanie częstotliwościami używanym przez państwa członkowskie NATO.
W celu wygenerowania wniosków moduł weryfikacyjno-korekcyjny pobiera z modułu
Oceny sytuacyjnej oraz modułu Planowania niezbędne dane, takie jak struktura sieci
radiowych, częstotliwości, współrzędne środków radiowych. Następnie po wczytaniu
parametrów, zgodnie z wymaganiami formatu SFAF, generuje wnioski dla każdej
zdefiniowanej w brokerze sieci radiowej. W celu usprawnienia komunikacji z WBZC moduł
weryfikacyjno-korekcyjny zawiera zdefiniowane pola, które są wymagane do wypełnienia
w ramach konkretnego wniosku. Struktura wypełnionych pól jest zmienna i zależna np. od
rodzaju wniosku, jego klasyfikacji itp. Generacja wniosków nie nastąpi jeżeli nie zostaną
wypełnione wszystkie wymagane pola lub też zostaną uzupełnione niezgodnie z wymogami
formatu SFAF. W celu przyspieszenia procesu generacji wniosków i komunikacji z WBZC,
większość z pól ma zdefiniowane wartości domyślne.
Kolejnym zadaniem modułu jest przesłanie wygenerowanych wniosków do WBZC,
w celu ich weryfikacji oraz akceptacji. Komunikacja odbywa się drogą elektroniczną
w oparciu o sieć teleinformatyczną MON (MIL-WAN), pozwalającą na przesyłanie
informacji niejawnych.
W Wojskowym Biurze Zarządzania Częstotliwościami następuje weryfikacja oraz
akceptacja wygenerowanych przez moduł weryfikacyjno-korekcyjny wniosków. Następnie
WBZC przesyła odpowiedź, którą moduł odbiera w celu odczytania dostępnych
częstotliwości i dokonania korekty w module Analizy widmowej brokera.
Na Rys. 3 przedstawiono schemat funkcjonowania modułu weryfikacyjno-korekcyjny
i jego współpracy z WBZC.
6/9
WBZC
WERYFIKACJA
AKCEPTACJA
WYSŁANIE
ODEBRANIE
M
I
L
W
A
N
M
I
L
W
A
N
moduł
ODBIÓR
WYSYŁANIE
WERYFIKACYJNOKOREKCYJNY
Wczytanie
parametrów
formatu SFAF
Pobranie
danych
Moduł Oceny
sytuacyjnej
Moduł
Planowania
Generacja
wniosków
Dostępne
częstotliwości
Przekazanie
danych
Struktura sieci,
częstotliwości,
współrzędne środków
radiowych
Moduł
Analizy widmowej
CZĘSTOTLIWOŚCI
Rys. 3 Schemat współpracy modułu weryfikacyjno-korekcyjnego z WBZC
7/9
3. PRZYKŁADOWY WNIOSEK
Do wymiany danych program SPECTRUM XXI używa formatu SFAF, który jest
ściśle zdefiniowany. Format SFAF składa się z szeregu pól, w których zapisane są informacje
potrzebne do złożenia wniosku z propozycją, modyfikacją, odnowieniem, przeglądem czy też
usunięciem przydziałów częstotliwości radiowych. Przykładowe pola to np. klasyfikacja
wniosku, rodzaj wniosku, klasa stacji, rodzaj emisji, czas wykorzystywania częstotliwości
i wiele innych.
W module NARFA brokera częstotliwości zostały zdefiniowane tylko te pola, które są
niezbędne do złożenia wniosku o przydział częstotliwości dla możliwych w ramach brokera
sytuacji. Wygenerowane wnioski są zgodne z formatem SFAF i generowane są w postaci
plików tekstowych (*.txt). Rys. 4 przedstawia przykładowy wniosek o przydział
częstotliwości.
Rys. 4 Wygenerowany, przykładowy wniosek o przydział częstotliwości
8/9
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Zarządzanie widmem częstotliwości jest procesem złożonym, polegającym na
identyfikacji i efektywnym wykorzystaniu dostępnego widma elektromagnetycznego.
Zakres wymagań informacyjnych, na podstawie których dokonywany jest przydział
częstotliwości, określa format SFAF. Format ten, wymaga definicji struktury podsystemu
łączności radiowej i parametrów określających warunki wpływających na przydział
częstotliwości radiowych.
Za generację niezakłóconych planów częstotliwości odpowiada broker częstotliwości.
Problem współpracy z WBZC oparto o interfejs programowy pośredniczący pomiędzy
oprogramowaniem SPECTRUM XXI, a oprogramowaniem brokera. Rozwiązanie takie
umożliwia wymianę danych pozwalającą na szybką weryfikację i ewentualną korekcję
wygenerowanych nominałów częstotliwości.
5. LITERATURA
[1] T. Erpek, K. Steadman, D. Jones – “Dublin Ireland Spectrum Occupancy Measurement
Collected On April 16 – 18, 2007”, Shared Spectrum Company 2007
[2] http://blogs.uco.edu/graduate/files/2012/02/chart_wireless_data_2.gif
9/9