Sieci lotnicze

Airborne Network ( AN ) to infrastruktura należąca do Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych , która zapewnia usługi transportu komunikacyjnego za pośrednictwem co najmniej jednego węzła znajdującego się na platformie zdolnej do lotu.

Tło

Definicja

Celem Sieci Powietrznodesantowej Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych jest rozszerzenie Globalnej Sieci Informacyjnej (GIG) w celu połączenia trzech głównych dziedzin działań wojennych: powietrznej, kosmicznej i naziemnej. Sieć Transformational Satellite Communications System zapewnia obecnie łączność dla całej komunikacji za pośrednictwem zasobów kosmicznych. System transportu informacji bojowych i łączność mobilna w teatrze zapewniają łączność naziemną dla operacji w teatrze działań. Airborne Network została zaprojektowana tak, aby wykorzystywać wszystkie zasoby powietrzne do łączenia się z sieciami kosmicznymi i naziemnymi, tworząc bezproblemową platformę komunikacyjną we wszystkich domenach.

Możliwości

Możliwości identyfikowane przez tego typu system znacznie wykraczają poza możliwości naszej obecnej armii. Ten system umożliwi siłom powietrznym zapewnienie przenośnej sieci, wystarczająco elastycznej, aby komunikować się z dowolnymi zasobami powietrznymi, kosmicznymi lub naziemnymi w okolicy. Sieć zapewni infrastrukturę komunikacyjną poza zasięgiem wzroku (LoS), którą można spakować i przenosić do iz wyznaczonej przestrzeni bojowej, umożliwiając wojsku posiadanie niezawodnej i bezpiecznej sieci komunikacyjnej o zasięgu globalnym. Sieć została zaprojektowana tak, aby była wystarczająco elastyczna, aby zapewnić odpowiednie pakiety komunikacyjne i sieciowe dla określonego regionu, misji lub technologii.

Pod względem operacyjnym sieć AN została zaprojektowana tak, aby była samoformująca się, samoorganizująca się i samogenerująca, a węzły dołączają i opuszczają sieć, gdy wchodzą i wychodzą z określonego regionu. Sieć składa się z dedykowanych łączy taktycznych, szerokopasmowych łączy powietrze-powietrze i sieci ad hoc zbudowanych przez Joint Tactical Radio System (JTRS). JTRS to radio definiowane programowo , które będzie działać z wieloma istniejącymi radiotelefonami wojskowymi i cywilnymi. Obejmuje zintegrowane szyfrowanie i oprogramowanie sieci szerokopasmowej do tworzenia mobilnych sieci ad hoc . Zapewnia również automatyczną analizę wydajności systemu i diagnostykę usterek, zmniejszając zapotrzebowanie na interwencję człowieka i konserwację sieci.

Przeznaczenie

Sieć AN została zaprojektowana jako kamień węgielny nowej doktryny wojskowej znanej jako Network Centric Warfare . Doktryna ta została opracowana w celu wykorzystania przewagi informacyjnej w celu wyposażenia wojowników w bardziej precyzyjne informacje, umożliwiające dowódcom i strzelcom szybsze podejmowanie mądrzejszych decyzji. Sieć AN wnosi wkład w Network Centric Warfare, umożliwiając dowódcom dostarczanie informacji w czasie rzeczywistym bojownikom w powietrzu i na ziemi. Wojownicy mogą wtedy wykorzystać więcej informacji i podejmować bardziej przemyślane decyzje dotyczące postępowania w określonej sytuacji. Gdy czynność zostanie wykonana, dowódcy będą mieli natychmiastową informację o wyniku i będą mogli podjąć decyzję, co dalej. Ogólnie rzecz biorąc, AN został zaprojektowany w celu skrócenia czasu potrzebnego do zidentyfikowania celu, podjęcia jasnych i przemyślanych decyzji o pociągnięciu za spust lub nie oraz oceny bitwy

Topologie

Istnieją cztery główne topologie sieci , które zostaną wdrożone i różnią się w zależności od rozmieszczenia sieci szkieletowych i klas podsieci.

Kosmos, powietrze, uziemienie

Ustanawianie bezpośredniego połączenia z innym statkiem powietrznym lub węzłem naziemnym za pośrednictwem łącza punkt-punkt dla węzłów w obrębie LOS lub łącza komunikacji satelitarnej (SATCOM) dla węzłów znajdujących się poza zasięgiem wzroku jest znane jako tethering. Łącza SATCOM zapewniają łączność z naziemnym punktem wejścia do sieci. Samoloty uderzeniowe, które towarzyszą C2 , takim jak AWACS , są połączone za pomocą łączy punkt-punkt. Wreszcie samoloty C2 lub wywiadowcze, obserwacyjne i rozpoznawcze (ISR) mogą łączyć się za pośrednictwem łącza LOS bezpośrednio z naziemnym punktem wejścia do sieci. Każda z tych alternatyw na uwięzi działa dokładnie tak, jak koncentrator lub przełącznik, który ma punkt wejścia do większej sieci i umożliwia podłączonym użytkownikom dostęp do tej sieci.

Płaskie ad hoc

Płaska topologia ad hoc odnosi się do ustanawiania nietrwałych połączeń sieciowych w razie potrzeby między węzłami AN obecnymi w danym czasie. Dzięki tej sieci węzły dynamicznie „odkrywają” inne węzły, z którymi mogą się łączyć i tworzyć sieć. Konkretne połączenia między węzłami nie są planowane z góry, ale są tworzone w miarę pojawiających się możliwości. Węzły dołączają i opuszczają sieć według własnego uznania, nieustannie zmieniając połączenia z sąsiednimi węzłami w zależności od ich lokalizacji i charakterystyki mobilności.

Wielopoziomowe ad hoc

Sieci ad hoc mogą być płaskie w tym sensie, że wszystkie węzły są sobie równe w jednej sieci, jak omówiono powyżej, lub mogą dynamicznie organizować się w hierarchiczne warstwy, tak że wyższe warstwy są używane do przenoszenia danych między bardziej zlokalizowanymi podsieciami. Tę topologię sieci można porównać do dowolnej konwencjonalnej wdrożonej sieci, która wykorzystuje routery, przełączniki i koncentratory do tymczasowego łączenia użytkowników.

Trwały kręgosłup

Topologia sieci charakteryzująca się trwałym szkieletem jest tworzona przy użyciu stosunkowo trwałych połączeń szerokopasmowych między platformami o dużej wartości, poruszającymi się po stosunkowo stabilnych orbitach. Zapewnia łączność między podsieciami taktycznymi, które są uważane za sieci brzegowe w stosunku do szkieletu. Zapewnia to punkty koncentracji dla łączności z kosmicznym szkieletem, jak również z sieciami naziemnymi. Ten typ topologii sieci jest porównywalny z konwencjonalną stałą siecią z ustalonymi łączami danych, routerami, przełącznikami i koncentratorami do łączenia użytkowników.

Architektura

Zarządzanie siecią

System zarządzania platformą umożliwia operatorom zarządzanie wszystkimi elementami sieci pokładowej. Łączy się i współpracuje z systemem zarządzania siecią powietrzną, umożliwiając operatorom zarządzanie zdalnymi elementami sieci w sieci lotniczej. System zarządzania siecią monitoruje stan sieci poprzez pasywne testowanie sieci pod kątem błędów i opóźnień. System będzie również aktywnie rozwiązywał problemy za pomocą sond, aby identyfikować i izolować wadliwe połączenia, a także umożliwia operatorom stosowanie parametrów sieci i zmian zabezpieczeń we wszystkich systemach w oparciu o stan sieci.

Routing/przełączanie

Routing i przełączanie umożliwiają dynamiczną transmisję danych przez sieć do innych węzłów. Protokoły routingu muszą być w stanie identyfikować węzły przesyłane w ramach własnej platformy oraz dane, które mają być wysyłane do innych platform, niezależnie od aktualnej topologii. Protokół routingu musi również zapewniać bezproblemowy roaming, zapewniając, że żadne routowane pakiety nie zostaną utracone, gdy węzeł zmieni punkt przyłączenia do sieci. Utrzymanie skalowalności jest ważne w routingu, ponieważ sieć ciągle się zmienia. Sieć musi być w stanie funkcjonować z wieloma poziomami platform, różną liczbą szybko poruszających się platform i różnym natężeniem ruchu na platformę. Routery i przełączniki będą wykorzystywać metryki do określania najlepszych ścieżek do obrania podczas trasowania danych. Protokół routingu wykorzystywany w sieci AN będzie protokołem routingu Adaptive Quality of Service .

Bramy/Proxy

Bramy i serwery proxy umożliwiają połączenie wielu typów technologii niezależnie od wieku w celu komunikacji w sieci opartej na protokole IP . Bramy i serwery proxy są niezbędne w działaniu tej sieci, ponieważ do komunikacji w każdej domenie używa się tak wielu różnych technologii. Systemy te ułatwią przejście dotychczasowej infrastruktury pokładowej, systemów transmisji, taktycznych systemów łączy danych i aplikacji użytkownika do docelowych systemów sieci pokładowych. Dlatego są one tylko tymczasowe, dopóki wszystkie platformy nie będą używać do transmisji ustandaryzowanego radia IP.

Serwery proxy zwiększające wydajność

Zwiększające wydajność serwery proxy poprawiają wydajność aplikacji użytkownika działających w sieci lotniczej, przeciwdziałając upośledzeniom sieci bezprzewodowej, takim jak ograniczona przepustowość, duże opóźnienia, wysokie wskaźniki strat i zakłócenia w połączeniach sieciowych. Systemy proxy są implementowane między aplikacją użytkownika a siecią i mogą być wykorzystywane do poprawy wydajności w warstwie funkcjonalnej aplikacji i transportu modelu OSI. Niektóre techniki, które można zastosować, obejmują:

Kompresja : Kompresję danych lub kompresję nagłówka można zastosować w celu zminimalizowania liczby bitów przesyłanych przez sieć.
Łączenie danych : Mniejsze pakiety danych można łączyć (łączyć) w jeden duży pakiet do transmisji w sieci.
Buforowanie : lokalna pamięć podręczna może służyć do zapisywania i dostarczania wielokrotnie żądanych obiektów danych, zmniejszając liczbę transmisji w sieci (i poprawiając czas odpowiedzi).
Przechowuj i przesyłaj dalej : Kolejkowanie wiadomości może być używane do zapewnienia dostarczenia wiadomości do użytkowników, którzy zostali rozłączeni z siecią lub nie mogą połączyć się z siecią przez pewien czas. Po połączeniu platformy zapisane wiadomości są wysyłane.
Pipelining : Zamiast otwierać kilka oddzielnych połączeń sieciowych, można użyć potokowania do współdzielenia jednego połączenia sieciowego do wielu transferów danych.
Usprawnienie protokołów: Liczbę transmisji potrzebnych do ustanowienia i zerwania połączenia oraz potwierdzenia odbioru danych można zminimalizować dzięki połączeniu buforowania, spoofingu i przetwarzania wsadowego .
Tłumaczenie : można wykonać tłumaczenie w celu zastąpienia określonych protokołów lub formatów danych wydajniejszymi wersjami opracowanymi dla środowisk bezprzewodowych.
Osadzone potwierdzenia : Potwierdzenia mogą być osadzone w nagłówku większych pakietów zawierających informacje w celu zmniejszenia liczby pakietów przechodzących przez sieć.

Kategorie platformy

Aby sklasyfikować określony zasób lotniczy lub sprzęt komunikacyjny klasy, wszystkie statki powietrzne są podzielone na trzy główne kategorie. Kategorie te są określone przez typy misji, które zwykle wykonuje samolot. Samoloty pasują również do każdej kategorii w zależności od rodzaju wyposażenia, w które mogą wyposażyć płatowiec. Każda z poniższych sekcji opisuje te trzy główne kategorie.

Platformy myśliwskie

Profil lotu powietrznej platformy myśliwskiej obejmuje okresy stabilnych wzorców lotu i dynamicznych manewrów przy dużych prędkościach. Jego stosunkowo niewielkie rozmiary ograniczają ilość miejsca dostępnego do montażu anten i instalacji sprzętu. Będzie wykorzystywany w ramach pakietu uderzeniowego lub bojowego patrolu powietrznego (CAP). Pakiet uderzeniowy lub CAP będzie obejmował wspierającą powietrzną platformę C2 i ISR, platformę tankowca (do tankowania) oraz naziemną platformę C2. Każda powietrznodesantowa platforma bojowa wymaga łączności ze wszystkimi innymi pakietami uderzeniowymi lub CAP i platformami pomocniczymi; jednak większość informacji będzie wymieniana między powietrznymi platformami myśliwskimi. Wynika to w dużej mierze z potrzeby częstych aktualizacji świadomości sytuacyjnej i sortowania celów w wysoce mobilnym środowisku. Pilotom zostaną zapewnione usługi, takie jak dane w czasie rzeczywistym , cyfrowy głos i interaktywne udostępnianie danych.

Powietrzne platformy myśliwskie będą uczestniczyć zarówno w topologii sieci na uwięzi, jak i płaskiej ad hoc. Topologia na uwięzi byłaby używana przede wszystkim do przesyłania zwrotnego i do przodu między platformą myśliwca w powietrzu a elementami wspierającymi. Płaska topologia ad hoc byłaby używana między platformami myśliwców w powietrzu w pakiecie uderzeniowym lub CAP w celu częstszej wymiany informacji. Rysunek przedstawia minimalne wymagania sprzętowe do obsługi platformy myśliwskiej.

Platformy C4ISR

Profil lotu platformy C4ISR obejmuje okresy lotu na trasie oraz powtarzające się, stabilne wzorce lotu. Względnie duży rozmiar zapewnia przestrzeń dostępną do montażu anten i instalowania znacznego sprzętu komunikacyjnego, aby pomieścić wiele funkcji załogi misji. Pomieści do trzech tuzinów członków załogi misji, w tym operatora łączności. Aplikacje i czujniki misji platformy C4ISR będą obsługiwać wiele możliwości i typów misji. Czas trwania misji dla pojedynczego samolotu i załogi może wynosić do 12 godzin; przy tankowaniu z powietrza można go wydłużyć do 24 godzin. Platformy te często działają poza zasięgiem wzroku infrastruktury naziemnej i mogą być wykorzystywane jako samodzielne lub jako część pakietu strajkowego lub CAP w celu wsparcia pakietu strajkowego. Samoloty C4ISR wymagają szerokiego zakresu możliwości połączeń, aby łączyć się w trybie peer-to-peer z innymi samolotami C4ISR lub służyć jako hub do łączenia samolotów platformy myśliwskiej. Usługi świadczone przez samoloty C4ISR obejmują dane w czasie rzeczywistym , głos, wideo, masowy transfer danych i dane interaktywne.

Platformy C4ISR będą uczestniczyć zarówno w tetheringu, jak i warstwowych topologiach sieci ad hoc. Topologia na uwięzi byłaby wykorzystywana przede wszystkim do przesyłania zwrotnego i przekazywania między platformą C4ISR, systemem kontroli powietrza w teatrze naziemnym i pakietem uderzeniowym lub samolotem CAP. Wielopoziomowa topologia ad hoc zostałaby zastosowana między platformą C4ISR a powietrznymi platformami myśliwskimi w pakiecie uderzeniowym lub CAP. Rysunek przedstawia minimalne wymagania sprzętowe do realizacji operacji platformy C4ISR.

Platformy przekaźników łączności lotniczej

Profil lotu lotniczej platformy przekaźnikowej obejmuje okresy lotu na trasie oraz powtarzające się, stabilne schematy lotu. Stosunkowo duży rozmiar szerokokadłubowych teoretycznie umożliwia dostępną przestrzeń do montażu anten i instalowania znaczącego sprzętu komunikacyjnego. UAV oferują długą żywotność i dużą wysokość, co zapewnia pokrycie powietrza i powierzchni na dużym obszarze oraz dobre ścieżki optyczne do satelitów. Misją lotniczej platformy przekaźnikowej jest wykorzystanie jako część i/lub wsparcie konstelacji C4ISR i/lub pakietów uderzeniowych lub CAP. Platforma przekaźników komunikacyjnych zapewnia łączność między elementami pakietu uderzeniowego, samolotami CAP, platformami C4ISR i platformami naziemnego systemu kontroli powietrza, które wymagają rozszerzenia zasięgu lub funkcji sieci i bram między sieciami w celu zapewnienia interoperacyjności informacji. Usługi niezbędne dla platform przekaźników komunikacyjnych obejmują transfer danych w czasie rzeczywistym, głos, wideo, dane masowe i interaktywny transfer danych.

Platformy przekaźników komunikacji lotniczej będą uczestniczyć zarówno w topologiach sieci na uwięzi, jak iw warstwach ad hoc. Topologia na uwięzi byłaby wykorzystywana przede wszystkim do przesyłania zwrotnego i przekazywania między platformą C4ISR, systemem kontroli powietrza w teatrze naziemnym i pakietem uderzeniowym lub samolotem CAP. Wielopoziomowa topologia ad hoc zostałaby zastosowana między platformą C4ISR a powietrznymi platformami myśliwskimi w pakiecie uderzeniowym lub CAP. Rysunek przedstawia minimalne wymagania sprzętowe do realizacji operacji platformy przekaźnikowej komunikacji.

Wyzwania

Obecne ograniczenia technologiczne

Zanim sieć AN będzie istnieć w sposób opisany w tym dokumencie, czeka nas wiele wyzwań. Wiele wyzwań stanowi obecnie awionika systemu Legacy, którą można znaleźć we wszystkich samolotach. Największą przeszkodą jest brak przepustowości. Dopóki więcej optyki nie zostanie zintegrowanych z systemami samolotów, system ten będzie opóźniony w szybkości przesyłania danych i opóźnieniach. Jedną z technologii badanych w celu rozwiązania tego problemu są badania Marynarki Wojennej nad wysoce zintegrowaną fotoniką do zarządzania komunikacją zestawu czujników samolotu. Technika wykorzystuje częstotliwości radiowe za pośrednictwem światłowodów i jest obecnie integrowana z elektronicznym odrzutowcem bojowym EA-6B Prowler .

Bezpieczeństwo tej sieci to kolejna ogromna przeszkoda. Celem jest zapewnienie systemowi niskiego prawdopodobieństwa zakleszczenia i przechwycenia. Badanych i testowanych jest wiele pomysłów na ochronę systemu. Wykorzystywane są tradycyjne metody uwierzytelniania i autoryzacji, w tym biometria , tokeny kryptograficzne i zintegrowana infrastruktura klucza publicznego .

Komercyjne gotowe

Komercyjne gotowe rozwiązania (COTS) stwarzają ekstremalne wyzwania inżynieryjne. Chociaż oferuje elastyczność w zastosowaniu i oszczędza pieniądze w produkcji, niezwykle trudno jest dostosować go do różnych zastosowań. Instalacja COTS w aplikacjach, dla których nie została zaprojektowana, nadal stanowi ogromne wyzwanie inżynieryjne, ponieważ badacze wojskowi pracują nad integracją cywilnego radia L-3 i FPGA w samolotach rozpoznawczych zaprojektowanych w latach 60.

Przepustowość łącza

Przepustowość do obsługi AN Sił Powietrznych obecnie nie istnieje. Tylko czas pokaże, kiedy przestarzała technologia zwolni wystarczającą przepustowość. Stwarza to wyzwanie stworzenia lepszych sposobów kompresji danych i opracowania bardziej wydajnych sposobów wykorzystania dostępnej obecnie przepustowości. Jednym z tymczasowych rozwiązań opracowanych przez Northrop Grumman jest Dialup Rate IP przez istniejące radiotelefony (DRIER). DRIER umożliwia powietrznym lub naziemnym użytkownikom taktycznym wybieranie i pobieranie danych o znaczeniu krytycznym bezpośrednio z platformy Joint STARS przy użyciu istniejących wąskopasmowych łączy komunikacyjnych UHF w linii wzroku lub poza linią wzroku . Użytkownicy mogą również służyć jako punkt przekaźnikowy, dostarczając krytyczne informacje o przekazywaniu między samolotami wchodzącymi i wychodzącymi z orbit misji.

Airborne Networking Architecture HQ ESC / NII dla USAF Airborne Network Special Interest Group AN Architecture , 2004

Airborne Networking Kenneth Stranc Mitre Corporation [1] , 2004

Airborne Networking Challenges Ben Ames, magazyn „Military and Aerospace Electronics” Airborne Networking Challenges , 2004