WYKORZYSTANIE BROKERA CZĘSTOTLIWOŚCI JAKO ELEMENTU KOORDYNOWANEGO DOSTĘPU DO WIDMA W SIŁACH ZBROJNYCH RP dr inż. Marek SUCHAŃSKI, m.suchanski@wil.waw.pl dr inż. Paweł KANIEWSKI, p.kaniewski@wil.waw.pl dr inż. Robert MATYSZKIEL, r.matyszkiel@wil.waw.pl ppor. mgr inż. Mateusz KUSTRA, m.kustra@wil.waw.pl 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 wykorzystania wraz z aktualnym stanem środowiska elektromagnetycznego (poziom sygnału 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
WERYFIKACJA WBZC AKCEPTACJA ODEBRANIE WYSŁANIE M I L - W A N M I L - W A N moduł WERYFIKACYJNO- KOREKCYJNY WYSYŁANIE ODBIÓR Wczytanie parametrów formatu SFAF Generacja wniosków Dostępne częstotliwości Pobranie danych Przekazanie danych Moduł Oceny sytuacyjnej Moduł Planowania 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