DYNAMIC SPECTRUM MANAGEMENT AS A METHOD OF REDUCING THE IMPACT OF JAMMING

Transkrypt

1 DYNAMICZNE ZARZĄDZANIE WIDMEM JAKO METODA REDUKCJI WPŁYWU ZAKŁÓCEŃ CELOWYCH DYNAMIC SPECTRUM MANAGEMENT AS A METHOD OF REDUCING THE IMPACT OF JAMMING Marek SUCHAŃSKI 1*, Piotr GAJEWSKI 2#, Jerzy ŁOPATKA 2#, Paweł KANIEWSKI 1*, Robert MATYSZKIEL 1*, Mateusz KUSTRA 1* 1 Wojskow Instytut Łączności, Zegrze, ul. Warszawska 22A 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2 e mail: * {m.suchanski, p.kaniewski, r.matyszkiel, m.kustra}@wil.waw.pl; # {pgajewski, jlopatka}@wat.edu.pl Streszczenie: Szybki rozwój systemów wykorzystujących technologie bezprzewodowe powoduje zwiększenie problemu niedoboru widma. Dlatego pojawiła się koncepcja koordynowanego dynamicznego zarządzania widmem, dzięki której możliwe jest efektywne jego wykorzystanie oraz uodpornienie systemów łączności radiowych na zakłócenia celowe. Głównym elementem koordynowanego systemu zarządzania widmem jest broker częstotliwości (BCz), którego zadaniem jest zapewnienie bezkolizyjnej pracy sieci i kierunków radiowych poprzez generację i dystrybucję właściwych danych radiowych. Dzięki bezpośredniej komunikacji brokera częstotliwości z sieciami radiowymi przy wykorzystaniu efektywnych metod transmisji danych możliwa jest szybka zmiana danych radiowych. W referacie został przedstawiony algorytm działania brokera częstotliwości monitorującego stan sieci radiowych w celu zapobiegania zakłóceniom celowym (generacja i dystrybucja niezakłóconego planu częstotliwości). Słowa kluczowe: broker częstotliwości, zakłócenia celowe, dynamiczne zarządzanie widmem, łączność bezprzewodowa. Abstract: The rapid development of systems which uses wireless technologies causes the increase of the spectrum shortage problem. That is why the concept of the coordinated dynamic spectrum management has appeared. It enables allowing for efficient use of the spectrum and makes radio communication systems resistant to intentional interferences. The main element of the coordinated spectrum management system is the frequency broker which is to ensure efficient and collision free action of the radio networks by the generation and distribution of the relevant radio data. Direct communication between the frequency broker and radio networks using efficient transmission methods enables fast exchange of the radio data and operational parameters. This paper presents the frequency broker algorithm of the radio network status monitoring that disables intentional interferences (by generation and distribution of the interference free frequency plan). Keywords: frequency broker, intentional interferences, dynamic spectrum management, wireless communication. 1.WSTĘP Eksploatowanym na współczesnym polu walki systemom łączności stawia się coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące katalogu realizowanych usług, bowiem usługi takie jak transmisja obrazów, transmisja wideo itp. stały się obecnie normą. Pociąga to za sobą zwiększanie 1

2 szerokości pasm sygnałów, a w efekcie większe potrzeby widmowe generowane przez te systemy. To zjawisko w połączeniu z gwałtownie zwiększającą się na polu walki liczbą systemów wykorzystujących technologie bezprzewodowe prowadzi do przeciążenia i w efekcie niedostatków widma w szczególności w działaniach koalicyjnych. Taka sytuacja w połączeniu z małą efektywnością wykorzystania widma stanowiącą skutek statycznych metod zarządzania tym zasobem poprzez przydzielanie częstotliwości (kanałów) do wyłącznego użytkowania stały się inspiracją do wykreowania paradygmatu współdzielenia widma i - w konsekwencji - dynamicznego dostępu do widma. Taksonomia różnych filozofii dostępu do widma przedstawiona w [1] wprowadza klasyfikację w postaci trzech następujących stanów: statyczne metody dostępu do widma (stan obecny); koordynowany dynamiczny dostęp do widma (z infrastrukturą w postaci brokera częstotliwości); oportunistyczny dostęp do widma (realizowany przez radio kognitywne). Metody koordynowanego i oportunistycznego dostępu stanowią realizację filozofii współdzielenia widma przez różnych użytkowników, prowadzącą do znacznego zwiększenia efektywności jego wykorzystania. W raporcie z prac grupy zadaniowej NATO IST104/RTG-050 [2] przedstawiono mapę drogową ewolucyjnego modyfikowania metod zarządzania widmem w taktycznych systemach łączności, tak aby rozpoczynając od obecnych metod statycznych progresywnie je zmieniać do stanu kiedy widmo radiowe będzie współdzielone poprzez wprowadzenie do eksploatacji kognitywnych systemów radiowych. W sformułowanej mapie drogowej zaproponowano początkowy etap stopniowych modyfikacji ( baby step ), adekwatny dla stanu obecnego, polegający na adaptacji aktualnie stosowanych procedur zarządzania widmem mającej na celu osiągnięcie znaczącego skrócenia czasu przydziału częstotliwości. 2

3 W prezentowanym opracowaniu przedstawiono wyniki prac mających na celu osiągnięcie w/w celu poprzez automatyzację przydziałów częstotliwości wykorzystując podatność radiostacji na zdalną dystrybucję danych radiowych. Wprowadzając do systemu broker częstotliwości połączony bezpośrednio z sieciami radiowymi, stworzono możliwość skrócenia czasu przydziału częstotliwości, uzyskując jednocześnie efekt koordynowanego dynamicznego dostępu do widma. W referacie przedstawiono wyniki badań realizowalności takiego scenariusza i czasów zmiany częstotliwości w radiostacjach sterowanych przez broker generujący plany niezakłóconych częstotliwości. Tylko dzięki zastosowaniu metody dynamicznego dostępu do widma możliwe jest efektywne jego wykorzystanie oraz uodpornienie systemów łączności radiowych na zakłócenia celowe poprzez monitorowanie systemu i w przypadku stwierdzenie zakłócenia wygenerowanie i przesłanie nowego przydziału częstotliwości uwzględniającego częstotliwości zakłócone. 2.CHARAKTERYSTYKA BROKERA CZĘSTOTLIWOŚCI Głównym elementem koordynowanego systemu zarządzania widmem jest broker częstotliwości, którego zadaniem jest zapewnienie bezkolizyjnej pracy przyporządkowanych mu sieci i kierunków radiowych poprzez generację i dystrybucję właściwych danych radiowych. Realizacja tej funkcji wymaga pozyskania przydziału częstotliwości od regionalnej jednostki odpowiedzialnej za gospodarkę częstotliwościową. W warunkach polskich jednostką odpowiedzialną za gospodarkę częstotliwościową w SZ RP jest NARFA PL Wojskowe Biuro Zarządzania Częstotliwościami. Struktura organizacyjna systemu łączności radiowej, tj. informacje o typie środków radiowych, ich położeniu i powiązaniu w sieci i kierunki radiowe jest pozyskiwana ze zautomatyzowanego systemu dowodzenia. Bieżąca ocena wykorzystania otrzymanego zbioru częstotliwości oraz występujących zakłóceń prowadzona jest we współpracy z systemami monitoringu widma, np. systemem walki elektronicznej. Rysunek 1 przedstawia umiejscowienie brokera częstotliwości w hierarchicznym systemie zarządzania widmem (od poziomu operacyjnego do poziomu pododdziału). 3

4 Rysunek 1. Umiejscowienie brokera częstotliwości w systemie zarządzania widmem Na każdym poziomie broker powiązany jest z odpowiednią komórką odpowiedzialną za zarządzanie sieciami łączności (G6, S6). Dane radiowe z brokera są przekazywane do sieci radiowych, które potwierdzają ich przyjęcie bądź generują zapotrzebowanie na nowe zasoby widmowe. Ponadto broker jest powiązany z brokerem poziomu wyższego i niższego w celu dystrybucji danych o przydziałach zasobów widmowych do poziomu niższego i zbierania danych o sytuacji elektromagnetycznej w obszarze odpowiedzialności tego brokera. Rysunek 2 przedstawia schemat powiązań strukturalnych pomiędzy NARFA PL i brokerami lokalnymi. Na rysunku tym zamieszczono również schemat funkcjonalny brokera częstotliwości ilustrujący jego modułową strukturę. 4

5 Rysunek 2. Architektura brokera i jego powiązania funkcjonalne Broker częstotliwości zasadniczo realizuje dwie funkcje: przygotowania danych radiowych dla sieci w fazie planowania operacji Faza 1 dynamicznego zarządzania widmem w fazie wykonywania operacji Faza 2. W fazie 1 przygotowywany jest pierwotny (inicjacyjny) plan alokacji częstotliwości. Na początku broker na poziomie regionalnym wysyła do NARFA zapotrzebowanie na widmo częstotliwości dla wsparcia operacji. W przypadku polskich Sił Zbrojnych NARFA wykorzystuje system planowania SPECTRUM XXI, dlatego opracowano elektroniczną wersję sformalizowanego dokumentu zapotrzebowania oraz protokoły wymiany danych pomiędzy brokerem a NARFA. Następnie, bazując na danych operacyjnych obejmujących informację o składzie, ugrupowaniu, lokalizacji i zadaniach jednostek wojskowych oraz uzyskanych zasobów widmowych broker opracowuje plany częstotliwości dla działających pododdziałów i przekazuje je do komórek odpowiedzialnych za zarządzanie widmem i do brokerów lokalnych, które rozsyłają dane do podległych sieci radiowych. W fazie 2 broker realizuje funkcję przydziału częstotliwości na żądanie na podstawie wyników monitorowania pracy własnych sieci oraz danych uzyskanych z zewnętrznych systemów rozpoznania (EW) Głównym elementem brokera jest moduł planowania umożliwiający generację bezkolizyjnych planów częstotliwości w oparciu o miary i kryteria zakłócalności adekwatne dla 5

6 radiostacji tworzących system łączności radiowej. Do oszacowania poziomu interferencji i sygnału użytecznego wykorzystuje się odpowiednie modele tłumienia fal radiowych. Dystrybucję danych radiowych do zarządzanych radiostacji zapewnia moduł dystrybucji realizujący funkcje umożliwiające automatyzację procesu zdalnej zmiany danych radiowych zarówno w pojedynczej sieci, jak również w całym systemie łączności radiowej. 3.OPIS ALGORYTMU DZIAŁANIA BROKERA CZĘSTOTLIWOŚCI. W celu zapobiegania zakłóceniom celowym w brokerze częstotliwości zaimplementowano algorytm, pozwalający na pobieranie informacji o aktualnym stanie kanałów radiowych i w przypadku pojawienia się zakłóceń wygenerowanie nowego przydziału częstotliwości, a następnie przesłanie go do radiostacji. W tym celu zaimplementowano funkcję monitorowania sieci radiowych polegającej na cyklicznym wysyłaniu komendy inicjującej pobranie informacji o stanie kanałów. W przypadku pojawienia się zakłóceń w kanale podstawowym radiostacji, zawieszana jest realizacja funkcji monitorowania i uaktywniana funkcja generowania nowego przydziału częstotliwości uwzględniającego informacje o częstotliwościach zakłóconych. Po wygenerowaniu nowego planu częstotliwości następuje wysłanie go do środków radiowych (radiostacji). Należy zaznaczyć, że do czasu zmiany danych radiowych radiostacje z zakłóconym kanałem podstawowym wykorzystują kanał zapasowy. Po wymuszonej przez broker zmianie danych radiowych radiostacja rozpoczyna pracę w nowym kanale podstawowym. Na rysunku 3 przedstawiono algorytm działania brokera częstotliwości uruchomionego w trybie monitorowania sieci radiowych w celu zapobiegania zakłóceniom celowym (generacja niezakłóconego planu częstotliwości). 6

7 Rysunek 3. Algorytm działania brokera częstotliwości Na rysunku 4 przedstawiono przydział częstotliwości dla dwóch kanałów pracy (kanał podstawowy i kanał zapasowy) dla poszczególnych sieci radiowych w przypadku kiedy nie występują zakłócanie celowe. Wygenerowany przydział częstotliwości musi uwzględnić miary i kryteria zakłócalności zapewniające prawidłową pracę systemu łączności radiowej. 7

8 Rysunek 4. Przydział częstotliwości dla dwóch kanałów pracy (kanał podstawowy i kanał zapasowy) dla poszczególnych sieci radiowych w przypadku kiedy nie występują zakłócanie celowe Na rysunku 5 przedstawiono przydział częstotliwości dla dwóch kanałów pracy (kanał podstawowy i kanał zapasowy) dla poszczególnych sieci radiowych w przypadku odebrania informacji o zakłóceniach celowych. Rysunek 5. Przydział częstotliwości dla dwóch kanałów pracy (kanał podstawowy i kanał zapasowy) dla poszczególnych sieci radiowych w przypadku odebrania informacji o zakłóceniach celowych 8

9 4.CHARAKTERYSTYKA RADIOSTACJI PODATNYCH NA AUTOMATYCZNĄ ZMIANĘ DANYCH RADIOWYCH W SZ RP eksploatowanych jest wiele rodzajów środków łączności radiowej takich jak radiostacje wąskopasmowe, pracujące w zakresie częstotliwości KF, UKF, radiostacje szerokozakresowe (najczęściej o zakresie częstotliwości do 512 MHz), oraz radiostacje szerokopasmowe. Wśród nich występują trzy rodziny radiostacji podatnych na automatyczną zmianę danych radiowych. Są to radiostacje UKF rodziny PR4G firmy Radmor (licencja Thales), radiostacje KF firmy Harris (RF-5800H) oraz radiostacja R-450C firmy Transbit. Rysunek 6.Schemat funkcjonalny systemu łączności radiowej z dynamicznym zarządzaniem widmem Współpracując z brokerem częstotliwości radiostacje te stwarzają możliwość budowania sieci radiowych realizujących filozofię koordynowanego trybu dynamicznego zarządzania widmem, bowiem posiadają one możliwość zmiany ich konfiguracji drogą bezprzewodową (ang. Over The Air Rekeying). W przypadku radiostacji firmy Harris w procesie automatycznej zmiany danych 9

10 radiowych wykorzystywana jest aplikacja RPA (ang. Radio Programming Application). Do konfiguracji radiostacji R-450C wykorzystywany jest protokół zdalnego sterowania AMI (ang. Advanced Manager Interface). Aplikacja RPA zapewnia zapisanie wszystkich danych radiowych w postaci odpowiedniego pliku tekstowego i wysłanie go do radiostacji. Tak utworzony plik zapisywany jest w pamięci radiostacji dołączonej do brokera częstotliwości, a następnie przesłany do pozostałych korespondentów sieci radiowej. Zmiana danych radiowych wywoływana jest w sposób automatyczny w radiostacjach adresatów. W radiostacjach R-450C firmy Transbit protokół zdalnego sterowania AMI jest protokołem tekstowym wykorzystującym sesję TELNET pomiędzy radiostacją dołączoną do brokera a innymi radiostacjami systemu. W celu zainicjowania procedury OTAR dla radiostacji R-450C należy w brokerze uruchomić zdalną sesję z wybraną radiostacją wprowadzając jej adres IP i numer portu TTY. 5.WYNIKI BADAŃ WSPÓŁPRACY BROKERA Z RADIOSTACJAMI PR4G, HARRIS, R-450C Proces zmiany danych radiowych z wykorzystaniem radiostacji PR4G polega na stworzeniu kompletnego pliku zawierającego dane radiowe dla radiostacji PR4G (7 kanałów pracy) i jego dystrybucji albo do wybranej radiostacji w sieci (tryb pracy selektywnego wywołania korespondenta) albo też do wszystkich radiostacji w sieci. Podczas badań wykorzystywane były cztery radiostacje PR4G. W pierwszym kroku zmieniane były dane w radiostacji dołączonej do BC a następnie ta radiostacja dokonywała zmiany danych w pozostałych radiostacjach tworzących sieć radiową w przypadku pracy w trybie dookólnym lub też w wybranej radiostacji w przypadku wyboru trybu pracy selektywnej. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1. 10

11 Tabela 1. Wyniki pomiarów czasu zmiany danych radiowych dla radiostacji PR4G Tryb pracy Liczba prób Wartość średnia [sec] Odchylenie standardowe [sec] Wartość minimalna [sec] Wartość maksymalna [sec] Selektywny Dookólny W przypadku wykorzystania radiostacji krótkofalowej RF-5800H proces zmiany danych radiowych polega na wyborze wcześniej zdefiniowanego w pamięci radiostacji planu łączności radiowej. W łączności KF wykorzystuje się kilka planów łączności uwzględniających specyfikę pracy w tym zakresie częstotliwości (pora dnia, prognozy jonosferyczne itp.). Sama radiostacja ma możliwość zapisania do kilku planów łączności, które później należy aktywować za pomocą określonej komendy. Przeważnie każdy plan łączności ma zdefiniowaną datę od której automatycznie jest aktywny, ale istnieje możliwość aktywowania planu wysyłając określoną komendę w całej sieci radiowej. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że proces aktywowania wybranego planu łączności radiowej wynosił nie więcej niż 5 sekund. W badaniach radiostacji R-450C wykorzystywane były cztery radiostacje. Zmiana danych radiowych polegała na zestawieniu sesji TELNET przez radiostację dołączoną do BC z wszystkimi radiostacjami i wysłaniu komendy do zmiany danych radiowych. Proces zmiany danych radiowych odbywał się automatycznie. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Wyniki pomiarów czasu zmiany danych radiowych dla radiostacji R-450C Liczba prób Wartość średnia [sec] Odchylenie standardowe [sec] Wartość minimalna [sec] Wartość maksymalna [sec] 10 0,8 0,05 0,17 2,7 11

12 6.WNIOSKI Grupa robocza IST-104/RTG-050 Cognitive Radio in NATO II opracowała bezpieczny plan wdrożenia w NATO bardziej efektywnych sposobów wykorzystania widma. Opracowany raport techniczny zawiera rekomendacje dotyczące sposobu implementacji mechanizmów współdzielenia widma początkowo przez systemy zarządzane, a następnie rozwiązania autonomiczne kognitywne. Na obecnym początkowym etapie implementacji istotna jest pierwsza faza planu rozwoju wojskowych systemów zarządzania widmem. Przewiduje ona stopniowe zwiększenie elastyczności wykorzystania zasobów widmowych poprzez realizację kilku kroków, takich jak: skrócenie czasu oczekiwania na przydział częstotliwości; skrócenie minimalnego czasu obowiązywania przydziału częstotliwości; umożliwienie przydziału podpasm częstotliwości dla całych systemów (bez definiowania innych parametrów, np. modulacji) zamiast nominałów dla konkretnych środków radiowych, co umożliwi optymalizację wykorzystania częstotliwości w ramach danego systemu; uwzględnienie podczas dokonywania przydziału (obok narzędzi analitycznosymulacyjnych) rzeczywistego wykorzystania częstotliwości. Realizacja tego kroku musi zostać poprzedzona uzyskaniem świadomości widmowej na podstawie prowadzonego sensingu. W tej fazie nie przewiduje się współdzielenia częstotliwości (na poziomie ich przydziału) przez użytkowników różnych kategorii, jednak krok 3 przydział podpasm częstotliwości dla całych systemów umożliwia wprowadzenie takich rozwiązań na niższym poziomie, przez organizatora systemu łączności, co wykorzystali autorzy referatu. Prezentowane prace stanowią przykład wykorzystania możliwości technicznych, które stworzyłoby możliwość wdrożenia zmian organizacyjnych rekomendowanych przez IST-104/RTG Uzyskane wyniki pozwalają na sformułowanie wstępnych wniosków. Systemy wymagające statycznego przydziału danych radiowych (legacy) w zakresie KF i UKF umożliwiają dynamiczną zmianę danych radiowych, jednak czas przeprogramowania sieci radiowych jest na tyle długi, że 12

13 takie działania nie powinny być zbyt częste, aby nie dezorganizować systemu łączności. Analogiczne czasy w przypadku radiostacji pracujących w wyższych zakresach częstotliwości są na tyle krótkie, że w pełni wykorzystane zostają możliwości stwarzane przez rekomendowane zmiany organizacyjne. Wdrożenie idei Dynamicznego Zarządzania Widmem dla heterogenicznych sieci radiowych, w których wykorzystywane są radiostacje wymagające statycznego przydziału danych radiowych (legacy) oraz radiostacje wykorzystujące rozwiązania kognitywne, wymaga dalszych prac regulacyjnych i badawczych określających polityki zachowania sieci i węzłów w określonych warunkach, tworzenia i wykorzystania map środowiska radiowego REM oraz opracowania procedur umożliwiających wykorzystanie radiostacji wielozakresowych oraz zasad współdzielenia widma z innymi systemami. Przedstawiony algorytm działania brokera częstotliwości pozwala na skuteczne zapobieganie zakłóceniom celowym dzięki zaimplementowanym mechanizmom zapewniającym uzyskanie informacji o stanie kanału radiowego danej sieci radiowej, generację i dystrybucję planu łączności radiowej uwzględniającego miary i kryteria zakłócalności oraz informacje o zakłóconych częstotliwościach. Prezentowane badania oraz wyniki zostały otrzymane w ramach projektu badawczego nr DOBR-BI04/030/13317/2013 "Zaawansowane metody dynamicznego zarządzania widmem w Radiu Kognitywnym", finansowanego przez NCBR. LITERATURA [1]M.M. Buddkihot: Understanding Dynamic Spectrum Access: models, taxonomy and challanges, Proc. of the IEEE Symposium on new frontiers in dynamic spectrum access networks (DYSPAN 2077), April 2007, Dublin, Ireland. [2]Final Raport of Task Group IST 104 / RTG 050, Cognitive Radio in NATO II