ANALIZA MOŻLIWOŚCI EFEKTYWNEGO ZAKŁÓCANIA SYSTEMÓW WYKORZYSTUJĄCYCH DYNAMICZNY DOSTĘP DO WIDMA Marek SUCHAŃSKI, m.suchanski@wil.waw.pl Paweł KANIEWSKI, p.kaniewski@wil.waw.pl Robert MATYSZKIEL, r.matyszkiel@wil.waw.pl Mateusz KUSTRA, m.kustra@wil.waw.pl 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 SYSTEMÓW Z DYNAMICZNYM DOSTĘPEM DO WIDMA 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