Kaistanleveyden hallinta koalition taktisissa verkoissa

Kaistanleveys koalition taktisessa verkossa ei ole koskaan niin runsasta kuin henkilöstön viestintäupseeri haluaisi. Jokainen koalition kansakunta tuo omat radionsa, omat satelliittiterminaalinsa ja omat datanälkäiset sovelluksensa. Kaikki kilpailevat spektristä samalla maantieteellisellä alueella, vastustajan elektronisen sodankäynnin alla, joka kohdistuu juuri niihin taajuuksiin, joihin he luottavat, ja EMCON-rajoitusten alla, jotka asettavat hiljaisuuden juuri silloin, kun operatiivinen tempo on korkeimmillaan. Tämän jaetun, kiistanalisen resurssin hallinta — päättäminen siitä, mikä liikenne pääsee läpi, kun verkko ei pysty kantamaan kaikkea — on yksi vaikeimmista insinööritehtävistä koalitio-operaatioissa. Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten koalition kaistanleveyden hallinta toimii käytännössä: spektrin niukkuuden fysiikasta EMCON-suunnittelun, QoS-priorisoinnin, linkkibudjetoinnin, dynaamisen spektrinhallinnan kautta ja liikkuvien ad hoc -verkkojen (MANET) optimoinnin erityishaasteisiin heikentyneissä ympäristöissä.

Spektrin niukkuusongelma koalitiojärjestelmissä

Sotilastaktiseen käyttöön saatavilla oleva radiotaajuusspektri on fyysisesti rajallinen. Kansainvälisesti sotilasliikkuvaan viestintään osoitetut kaistat sijaitsevat siviilipalveluiden välissä, joita ei voi siirtää, ja näiden kaistojen sisällä käytettävissä olevia taajuuksia rajoittaa edelleen isäntävaltion sääntely, koordinointi siviili-ilmailun kanssa ja tarve välttää koalition omien järjestelmien keskinäinen häiriö. Kun useat kansakunnat keskittävät laitteet samalle operaatioalueelle, radioverkkojen, datalinkien, UAV-ohjauskanavoiden ja satelliittiterminaali­ylälinkkien yhteismäärä ylittää helposti sen, mitä paikallinen spektri voi siististi majoittaa ilman keskinäistä häiriötä.

Satelliittikaistanleveys pahentaa ongelmaa. Koalitio, joka riippuu kaupallisesta satelliittikapasiteetistaan teattereiden välisille linkeillä, kohtaa suoran kustannuksen megabitiltä sekunnissa, ja tämä kustannus luo vaikeita päätöksiä siitä, mikä liikenne on rahan arvoista. Tiedustelutuotteet, ISR-omaisuudesta peräisin olevat videot ja Voice over IP kilpailevat kaikki samasta sopimuksen mukaisesta kapasiteetistä. Ilman hallintoa siitä, kuka voi käyttää satelliittikapasiteettia ja mihin, suurivolyymissä käyttäjät ajavat syrjään korkean prioriteetin käyttäjät — vaikutus, jonka koalitio-operaatiot ovat kokeneet toistuvasti, kun videoneuvottelu kuluttaa suurimman osan ylälinkin kapasiteetistä, jota C2-viestintä myös tarvitsee.

EMCON: tarkoitukselliselle hiljaisuudelle suunnittelu

Lähetysten hallinta (Emission Control) on sähkömagneettisten lähetysten kurinalainen hallinta joukon elektronisen allekirjoituksen vähentämiseksi — rajoittaen tietoja, joita vastustajan SIGINT-kyvykkyys voi poimia radioympäristöstä. EMCON ei ole vika; se on komentopäätös. Määriteltyjen EMCON-jaksojen aikana yksiköt rajoittavat tai lopettavat lähetykset määritetyillä taajuuksilla. Verkon on jatkettava toimintaansa EMCON:n aikana, ja sovellusten on käyttäydyttävä järkevästi, kun niiden datalinkki menee hiljaiseksi komennon eikä vian vuoksi.

Tämä erottelu — tahallinen hiljaisuus versus linkin epäonnistuminen — on sellainen, jota monet kaupalliset verkkoprotokollit eivät käsittele sujuvasti. Reititysprotokolla, joka julistaa linkin kuolleeksi timeout-pohjaisen keepalive-epäonnistumisen jälkeen ja reitittää liikenteen sen ympäri, käynnistää tarpeettomia uudelleenkonvergenssitapahtumia joka EMCON-jaksolla. Sovellus, joka yrittää aggressiivisesti uudelleen, kun se ei pysty saavuttamaan etäpalvelinta, kerää uudelleenlähetysjonon, joka tulvii verkon heti, kun EMCON päättyy. Verkon suunnittelu EMCON:ia varten vaatii eksplisiittisen konfiguraation: keepalive-ajastimien on ylitettävä EMCON-jakson kestot, sovellusten on puskuroitava eikä yritettävä uudelleen, ja yhteisen operatiivisen kuvan on esitettävä vanhentumaisilmoitin raidoilla, joiden raportointisolmu on ollut hiljainen — koska EMCON:n alainen hiljainen solmu ei ole tuhottu solmu.

EMCON-suunnittelu myös vuorovaikuttaa taajuudenhallintaan. Taajuus, joka näkyy lähetyksenhallintasuunnitelmassa rajoitettuna, ei voi olla minkään sovelluksen käytössä rajoitetun jakson aikana riippumatta sen liikenteen prioriteetista. Taajuudenhallintasuunnitelma ja EMCON-suunnitelma on kehitettävä yhdessä, ja molemmat on heijastettava verkon konfiguraatioon ennen operaation alkua.

QoS-priorisointi C2-liikenteelle

Palvelunlaatu (Quality of Service) on mekanismi, jolla verkko takaa, että korkean prioriteetin liikenne saa edelleenlähetyksen etusijalle, kun kaistanleveys ei riitä kantamaan kaikkea. Koalition taktisessa verkossa prioriteettihierarkia on suhteellisen vakaa: C2-viestit pääsevät läpi ensin, sitten taktinen ääni, sitten yhteistoimintatyökalut, sitten tiedostonsiirrot ja taustasynchronointi. Haaste on tämän hierarkian pakottaminen johdonmukaisesti jokaisen reitittimen ja kytkimen kautta jokaisessa kansakunnan laitteessa koalitioverkossa.

Standardimekanismi on Differentiated Services Code Point (DSCP) -merkintä liikennelähteessä, jonka välisolmujen jonopolitiikat noudattavat. C2-viesti merkitään korkean assurance -edelleenlähetyksen DSCP-arvolla, kun se lähtee alkuperäisestä järjestelmästä; jokainen reittimerkkinsä polulla sijoittaa sen korkean prioriteetin jonoon, jota palvellaan ennen alemman tason liikennettä. FMN:n tekninen näkökulma täsmentää DSCP-merkinnät ja jonoluokan kartoitukset, joita yhteensopivien koalitiolaitteiden on tuettava kaikissa kansakunnissa, jotta C2-viesti, joka on merkitty kansallisessa järjestelmässä, syötetään koalitioydynverkkoon ja käsitellään johdonmukaisesti koko matkan kohteeseen asti.

Käytännössä QoS epäonnistuu reunoilla. Kansallinen järjestelmä, joka ei merkitse C2-liikennettään sovitulla DSCP-arvolla, saa viestinsä käsitellyiksi parhaansa mukaan koalition ytimessä. Reititin, joka ei noudata vastaanotettuja DSCP-merkintöjä — koska se on konfiguroitu merkitsemään kaikki liikenne uudelleen tai koska sen laiteohjelmistossa on tunnettu vika — heikentää QoS:ia kaikelle sen alapuolelle. QoS:n yhteensopivuustestaus on alitehostettu: useimmat koalitioharjoitukset testaavat, saapuuko tieto, eivätkä sitä, saapuuko se viivebudjettinsa puitteissa. Harjoitukset, jotka tahallisesti ruuhkauttavat linkkejä ja mittaavat jonokäyttäytymistä, ovat paljon paljastavia.

Alemman prioriteetin liikenteen policing

C2-liikenteen takaaminen on vain puolet ongelmasta. Ilman alempien prioriteettiluokkien aktiivista policingia yksittäinen solmu, joka lähettää suuria tiedostonsiirtoja, voi kuluttaa suurimman osan jaetun linkin kapasiteetista ja jättää taatun luokan jonon, joka kasvaa nopeammin kuin se tyhjentyy. Liikenteen muotoilu ja policing — nopeuden rajoittaminen, jolla liikenneryhmä voi lisätä paketteja verkkoon — suojaa korkean prioriteetin jonoja nälkiintymiseltä. Konfiguroitujen nopeusrajoitusten on oltava tarpeeksi konservatiivisia, jotta taattuille luokille jää liikkumavaraa, mikä tarkoittaa, että tiedostonsiirroille ja taustasynchronoinnille saatavilla oleva todellinen läpäisy on huomattavasti pienempi kuin raaka linkin nopeus. Operaattorit, jotka eivät ole saaneet tähän koulutusta, valittavat, että verkko on hidas; oikea vastaus on, että verkko suojaa C2-liikennettä.

Linkkibudjetin suunnittelu

Linkkibudjetti on viestintälinkin signaalitehon, kohinatason, etenemishäviön ja antennivahvistuksen määrällinen tili, joka tuottaa ennustetun vastaanotetun signaali-kohinasuhteen ja siten ennustetun saavutettavissa olevan tiedonsiirtonopeuden määriteltyjen etenemisehtojen alla. Linkkibudjetit ovat kapasiteetin suunnittelun insinööriperusta: ne kääntävät "meillä on satelliittiterminaali X:n watin teholähdöllä ja Y dBi:n antennilla" muotoon "näiden etenemisehtojen alla saamme Z kbps:n tuolla välimatkalla." Ilman linkkibudjetteja kapasiteetin suunnittelu on arvausta.

Koalitio-operaatiot luovat linkkibudjetin koordinointiongelman. Jokaisen kansakunnan insinöörit laskevat omat linkkibudjettinsa omista laitespesifikaatioistaan, mutta linkit kansakuntien välillä — välirekistersegmenttien yhteydet, joissa yhden kansakunnan radio kommunikoi toisen kanssa — vaativat jaettuja budjetteja, joista molemmat osapuolet ovat yhtä mieltä. Erot oletetuissa etenemismalleissa, antennivahvistusluvuissa ja kohinatason arvoissa voivat tuottaa täysin erilaisia kapasiteettiennusteita samalle fyysiselle linkille. FMN:n insinöörointiprosessi edellyttää, että kansakunnat jakavat linkkibudjettilaskelmat verkon rajapinnoissa ennen operaatiota, jotta kokonaiskapasiteetin suunnittelu perustuu sovittuihin lukuihin optimististen kansallisten arvioiden sijaan.

Heikentyneen ehtojen budjetit ovat yhtä tärkeitä kuin kirkkaiden ehtojen budjetit. Parhaan tapauksen etenemisen suunnittelu tuottaa verkon, joka toimii täydellisesti toimistossa ja epäonnistuu kentällä. Realistinen koalion verkon suunnittelu käyttää linkkibudjetteja, jotka on laskettu sadehäipymismarginaalien mukaan, jotka sopivat käyttöalueelle, maastonpeitearvioita todennäköisille sijoittamispaikoille ja kohinatason, joka sisältää koalition laitteiden aiheuttaman häiriön samalla alueella. Kapasiteetti heikentyneissä olosuhteissa asettaa lattian sille, mitä QoS-politiikan on suojeltava.

Dynaaminen spektrinhallinta kiistanalaisissa ympäristöissä

Tavanomainen taajuussuunnittelu osoittaa kiinteät taajuudet ennen operaatiota ja muuttaa niitä harkitun uudelleensuunnitteluprosessin kautta. Kykenevää vastustajaa vastaan, jolla on suunnistus- ja häirintäkyky, kiinteät taajuudet ovat ennakoitavia kohteita. Häirintälaite, joka löytää komentoverkon taajuuden, voi heikentää sitä luotettavasti; taajuus, joka esiintyy kaapatussa asiakirjassa, vaarantaa jokaisen taajuudenhallintasuunnitelmaan merkityn verkon. Dynaaminen spektrinhallinta käsittelee tämän seuraamalla jatkuvasti spektrin käyttöastetta ja häiriöitä, ja kohdentamalla taajuudet uudelleen tai säätämällä tehoa vasteena havaittuun heikentymiseen.

Kognitiivinen radiotekniikka on mahdollistava laitteisto: radiot, jotka pystyvät haistelemaan spektriä, tunnistamaan käytössä olevat ja vapaat kanavat, ja vaihtamaan vapaalle kanavalle ilman operaattorin toimia. Ohjelmistokoordinoitastokerros — päättäminen siitä, mikä solmu vaihtaa mihin taajuuteen, estäen kahta solmua valitsemasta samaa vaihtoehtoa samanaikaisesti, ja levittäen taajuusosoituksia kaikille niitä tarvitseville solmuille — on vaikeampi ongelma. MANET:ssa, jossa solmut liikkuvat ja topologia muuttuu jatkuvasti, taajuuskoordinoinnin on oltava hajautettu: yhdelläkään koordinaattorilla ei voi olla täydellistä, nykyistä näkymää spektrin käyttöasteeseen koko verkon yli.

MANET-optimointi heikentyneissä ympäristöissä

Liikkuva ad hoc -verkko on itsejärjestyvä langaton verkko, jossa jokainen solmu toimii sekä isäntänä että reitittimenä reitittäen liikennettä muiden solmujen puolesta. MANET:t ovat houkuttelevia taktiseen käyttöön, koska ne eivät vaadi kiinteää infrastruktuuria — jokainen ajoneuvo on verkkosolmu — ja ne mukautavat topologiaansa solmujen liikkuessa, liittyessä tai poistuessa. Niiden heikkous on, että reititysprotokollien konvergenaika ja reititysoverhead kasvavat verkon koon myötä, ja läpäisy heikkenee jyrkästi, kun verkko on suuri tai solmujen liikkuvuus on korkea.

Standardit MANET-reititysprotokollat kuten OLSR (Optimized Link State Routing) ja BATMAN-Adv (Better Approach To Mobile Adhoc Networking) on suunniteltu yleistä käyttötapausta varten ja saattavat suoriutua huonosti taktisissa olosuhteissa ilman virittämistä. Sotilaalliset aaltomuodot — ohjelmistomääritellyt radioaaltomuodot, jotka on kehitetty erityisesti taktisille MANET:ille — sisältävät reititykseen optimoituja sotilaskäyttötapauksia varten: pienempi overhead, nopeampi konvergenssi, integrointi taajuushyppäämiseen ja sisäänrakennettu prioriteettikäsittely, jota OLSR ei tarjoa. Missä sotilaalliset aaltomuodot ovat saatavilla, ne yleensä päihittävät kaupalliset MANET-protokollat kiistanalaisissa ympäristöissä.

Reititysmetriikka on yhtä tärkeä kuin reititysprotokollivalinta. MANET, joka reitittää hyppyjen lukumäärän mukaan, lähettää liikenteen polkuja pitkin, joissa on paljon lyhyitä hyppyjä, vaikka harvemmalla hoppyjen polulla, jolla on korkeampi per-linkkinen läpäisy, toimitettaisiin enemmän dataa. Metriikka, joka sisältää linkin laadun — mitatun signaalivoimakkuuden, pakettihäviöasteen tai saatavilla olevan läpäisyn — tuottavat parempia reititys päätöksiä ympäristöissä, joissa linkin laatu vaihtelee laajalti. Koalition MANET:ssa, jossa eri radiotekniikkaisia kansallisia järjestelmiä jakavat saman verkon, linkkilaatumittareiden on oltava vertailukelpoisia eri teknologioiden välillä, mikä vaatii kalibrointia kansallisten rajapinnoissa.

Asianmukainen kaistanleveyden hallinta ja spektrikuri mahdollistavat suoraan tietojenjaon, josta koalition yhteensopivuusstandardit kuten koalition tietojenjakokehykset riippuvat. Ilman riittävää hallittua kaistanleveyttä jopa teknisesti täydellinen tietojenjakamisarkkitehtuuri epäonnistuu operatiivisesti. Samoin taktiset datalinkkit kuten Link 16 kantavat viestiliikennettä, joka asettaa erityisiä kaistanleveys- ja viivevaatimuksia, joita taustalla olevan verkon on täytettävä.