Maavoimien verkostokeskeisen tiedonsiirtojärjestelmän arkkitehtuuri ja sen toteuttaminen

Tämä tutkimus pyrkii määrittelemään itsenäisenä puolustushaarana toimivalle maavoimille sen tehtäviin soveltuvan verkostokeskeisyyttä ja joukkorakenteita tukevan tiedonsiirtojärjestelmän arkkitehtuurin. Tutkimus on luonteeltaan teoreettinen. Siinä analysoidaan yleistä sotilaallisten tiedonsiirtojärjestelmien kehitystä kylmästä sodasta lähtien, tiedonsiirtojärjestelmien kehitystä Yhdysvaltain ja Suomen maavoimissa sekä kaupallisten tiedonsiirtojärjestelmien kehitysnäkymiä. Analyysin pohjalta on laadittu arkkitehtuurikuvaus koostuen kahdeksasta PVTAKmäärittelyn mukaisesta näkymästä sekä esimerkki arkkitehtuurin soveltamisesta käytäntöön. Tämän työn tutkimusongelmana on, millainen maavoimien tiedonsiirtojärjestelmän arkkitehtuuri tukee tulevaisuudessa parhaiten verkostokeskeisyyttä ja yleistä teknistä kehitystä. Lisäksi tutkimuksessa selvitetään sotilaallisten tiedonsiirtojärjestelmien historian ja kehitysnäkymien vaikutusta arkkitehtuurin rakenteeseen. Tutkimusmenetelmänä työssä käytetään kirjallisuusanalyysia ja suunnittelua. Arkkitehtuurin laatiminen ja esimerkki arkkitehtuurin toteuttamisesta luokitellaan suunnitteluksi. Puolustusjärjestelmää valmistaudutaan käyttämään alue-, YETTS-, kriisinhallinta- ja informaatiosodassa. Keskeinen vaatimus on kyky toimia kaikissa näissä toimintaympäristöissä samalla kalustolla. Verkostokeskeisyyden toteuttamisen puolestaan todettiin vaativan suorituskykyistä, yhteensopivaa ja tietoturvallista tiedonsiirtojärjestelmää, joka takaa yhteydellisyyden taistelukentän toimijoiden kesken. Tällä tuetaan erityisesti verkostokeskeistä johtamista ja suunnittelua. Tiedonsiirtojärjestelmien kehityksen todettiin olevan kaikissa asevoimissa hidasta. Myös käytössä olevien ikääntyneiden järjestelmien kehityksen nopeuttaminen on osoittautunut haasteelliseksi hankintaprosessin luonteesta johtuen. Yhdysvaltain maavoimien tiedonsiirtojärjestelmissä hyödynnetään yhä runsaammin COTStekniikka, mutta taktiset johtamisyhteydet toteutetaan yhä useimmiten sotilasjärjestelmillä. Uusimmassa maavoimien järjestelmässä WIN-T:ssä korostuu kerroksellisuus (maa, ilma ja avaruus) ja tehtävän vaatimusten mukaan rakennettava järjestelmä. Sen merkittävä osa on myös JTRS-ohjelmistoradio kaikkine versioineen. Järjestelmän modulaarinen rakenne mahdollistaa jatkuvan osajärjestelmien kehittämisen teknisen kehityksen myötä. Suomen maavoimien tiedonsiirtojärjestelmät vaativat nykyisellään kehitystyötä, mutta ulkomaanoperaatioiden järjestelmiä voidaan pitää onnistuneina ja nykyaikaisina. Tärkeänä nähdäänkin kaikkien joukkotyyppien järjestelmäkehityksen yhdistäminen paremman suorituskyvyn ja yhteensopivuuden saavuttamiseksi. Kaupallisten tiedonsiirtojärjestelmien sotilaskäytön todettiin sisältävän monia haasteita sekä mahdollisuuksia. Kehityksen eteneminen kohti NGN-verkkoja kuitenkin tukee verkostokeskeisyyttä ja sotilassovelluksia. Tällä hetkellä mielenkiintoisimpia sovelluksia ovat ohjelmistoradio ja langattomat laajakaistaiset ad hoc -datansiirtojärjestelmät. Maavoimien tiedonsiirtojärjestelmän arkkitehtuuri on modulaarinen rakentuen siirtojärjestelmistä, käyttäjäympäristö- ja järjestelmäsolmuista sekä yhtenäisestä ohjaus- ja valvontajärjestelmästä. Siirtojärjestelmiä ovat PAN- (henkilökohtaiset), LAN- (lähi), LOS- (suoran yhteyden), BLOS- (epäsuoran yhteyden) ja runkoverkkojärjestelmät. Solmuja ovat esikunta- , komentopaikka- ja liikkuvan tilaajan sekä järjestelmäsolmu. Siirtoteitä ja solmuja kyetään ohjaamaan sekä valvomaan yhtenäisellä ohjaus- ja valvontajärjestelmällä. Keskeistä kokonaisuudessa on IP-protokollan laaja hyödyntäminen. Arkkitehtuuria voidaan soveltaa kaikille joukkotyypeille. Sen toteutuksen tekniikat ja järjestelmät voivat olla COTS:ia tai sotilaallista tekniikkaa. Toteutetut järjestelmät ovat joukkojen erilaisesta luonteesta ja toiminnan vaatimuksista johtuen mahdollisesti hyvinkin erilaisia.

Ohjelmistoradion hyödyntäminen tiedonsiirron tutkimisessa LVDC-verkossa

Työssä tutkitaan tiedonsiirtoa eri modulaatioilla, bittinopeuksilla ja amplitudin voimakkuuksilla ja tuloksia tarkastellaan Bit Error Ration avulla. Signaaleja siirrettiiin myös koodattuna ja vertailtiin koodauksen etuja ja haittoja verrattuna koodaamattomaan tietoon. Datavirta kulkee AXMK-kaapelissa, joko tasasähkön mukana, tai maadoituskaapelissa. Tuloksissa havaittiin, että suurempi bittinopeus ei kasvattanut häviöiden määrää. Koodauksen käyttö toisaalta vähenti bittivirheiden määrää.

Kognitiivinen radio sotilaallisessa käyttöympäristössä

Tutkielmassa arvioidaan kognitiivisen radion sotilaalliseen ympäristöön tuomia mahdollisuuksia. Radion kognitiivisuutta käsitellään kongitiivisten ominaisuuksien, kuten adaptiivisuuden tai tilannetietoisuuden, kautta. Painopisteenä on kognitiivisten ominaisuuksien tuomien vaikutusten tarkastelu operatiivisessa viitekehyksessä. Operatiivisia vaikutuksia tutkitaan uhkalähtöisesti eli arvioimalla, miten tietty kognitiivinen ominaisuus vaikuttaa yleisimpiin tiedonsiirtoverkon uhkiin. Tutkimus on kirjallisuustutkimus, jota on täydennetty asiantuntijahaastatteluin sekä -arvioin. Operatiiviset vaikutukset on tiivistetty taulukoimalla eri kognitiivisten ominaisuuksien ja yleisimpien tiedonsiirtojärjestelmien uhkat. Kognitiiviselle radiolle on useita erilaisia määritelmiä. Tutkielman perusteella ITU-R:n määritelmää voidaan pitää kattavana. Kaikkia kriteerejä täyttävää kognitiivista radiota ei ole vielä olemassa, vaikka kognitiivisia ominaisuuksia radioissa on ollut pitkään. Kognitiivinen radio, tai jo pelkästään ohjelmistoradio kehittyneillä kognitiivisilla ominaisuuksilla, tuo huomattavia mahdollisuuksia parantaa langattoman tiedonsiirron toimintakykyä sotilaallisessa käyttöympäristössä. Kognitiiviset ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi niin viestitaktiikkaan kuin uhkaankin. Tiedonsiirtojärjestelmien ylläpito ja rakentaminen vaativat aiempaa enemmän suunnittelua ja ammattitaitoa, mutta toisaalta loppukäyttäjän osaamistasovaatimuksia voidaan laskea sitä mukaan, kun lähestytään 0- konfiguraatiojärjestelmiä. Radioiden kognitiivisuuden myötä voidaan myös passiivisiin uhkiin, esimerkiksi elektroniseen tiedusteluun, varautua aiempaa tehokkaammin. Aktiivisiin uhkiin, kuten häirintään, kognitiiviset ominaisuudet vaikuttavat jopa toiminnan fundamentteja muuttavasti: perinteiset häirintätehtävät voivat vaihtua esimerkiksi tiedustelua tukeviksi tehtäviksi. Kognitiivisia ominaisuuksia voi olla myös häirintäjärjestelmissä, mikä toisaalta tasapainottaa mutta toisaalta vaikeuttaa häirinnän vaikutuksen ennakointia ja arviointia. Tiedonsiirtojärjestelmien ohjelmistopohjaisuus nostaa kyberuhkan merkitystä arvioitaessa eri uhkien kokonaismerkityksiä. Onnistunut kyberoperaatio voi tarkoittaa koko järjestelmän lamautumista tai vakavaa tietovuotoa. Merkittävimpänä esteenä kognitiivisen radion kehittymiselle on taajuusregulaation jäykkyys. Paine taajuushallinnan muutokselle nousee erityisesti siviilipuolen kehittyvien mobiililaitteiden datansiirtomäärien kasvaessa. Lainsäädäntö antaa viranomaisille suuret valtuudet säädellä spektrin käyttöä poikkeusoloissa. Tämä mahdollistaa sotilaallisten järjestelmien suunnittelun ja kehittämisen taajuusriippumattomasti ja toisaalta myös edellyttää sitä.

Kognitiivinen radio sotilaallisen maanpuolustuksen kontekstissa

Kognitiiviteknologialla on ennustettu olevan disruptiivisia vaikutuksia sodankäyntiin. Kognitiiviteknologian avulla pyritään löytämään myös ratkaisu kasvavista datansiirtovaatimuksista aiheutuvaan radiotaajuisen spektrin ahtauteen. Tämän tutkimuksen keskiössä on kognitiivinen radio. Diplomityössä ennakoidaan niitä muutoksia, joita radion kognitiiviset ominaisuudet tuovat sotilaalliseen toimintaympäristöön. Tutkimuksessa etsitään kognitiivisen radion suorituskykyyn, suorituskyvyn rakentamiseen ja käyttöön liittyviä tekijöitä, jotka ovat merkityksellisiä sotilaallisesta näkökulmasta. Radion kognitiivisuutta käsitellään kongitiivisten ominaisuuksien, kuten adaptiivisuuden tai tilannetietoisuuden, kautta. Painopisteenä on kognitiivisten ominaisuuksien keskinäinen arvottaminen, mahdollisten vaikutusten tarkastelu operatiivisessa viitekehyksessä sekä tarvittavien toimenpiteiden kartoittaminen kognitiivisen tekniikan operatiivisen käytön mahdollistamiseksi. Tutkimuksen pohjalta esitetään kognitiivisten ominaisuuksien tärkeysjärjestys suorituskyvyn ja johtamisjärjestelmien kehittämisen näkökulmista ja alustavia operatiivisia vaatimuksia kognitiiviselle radiolle sekä kuvataan spektrin hallinnan kehittämismahdollisuuksia. Operatiivisia vaikutuksia tutkitaan myös uhkalähtöisesti eli arvioimalla, miten tietty kognitiivinen ominaisuus vaikuttaisi yleisimpiin tiedonsiirtoverkkoihin kohdistuviin uhkiin. Lisäksi työssä arvioidaan kognitiivisen radion käyttöönoton esteitä Puolustusvoimissa. Tutkimuksen päämenetelmä on delfoi, jota on täydennetty asiantuntijahaastatteluin sekä -arvioin. Kognitiiviselle radiolle on useita erilaisia määritelmiä. Kaikkia kriteerejä täyttävää kognitiivista radiota ei ole vielä olemassa, vaikka kognitiivisia ominaisuuksia radioissa on ollut pitkään. Kognitiivinen radio, tai jo pelkästään ohjelmistoradio kehittyneillä kognitiivisilla ominaisuuksilla, tuo huomattavia mahdollisuuksia parantaa langattoman tiedonsiirron toimintakykyä sotilaallisessa käyttöympäristössä. Merkittävin suorituskykylisä sotilaallisessa käyttöympäristössä saadaan seuraavista kognitiivisista ominaisuuksista: 1) dynaaminen spektrin hyväksikäyttö (DSA) 2) yhteyksien adaptiivisuus ja radioresurssien hallinta (SLA ja RRM) sekä 3) älykäs verkonmuodostus (SON ja RBR). Tiedonsiirtojärjestelmien ylläpito ja rakentaminen vaativat aiempaa enemmän suunnittelua ja ammattitaitoa, mutta toisaalta loppukäyttäjän osaamistasovaatimuksia voidaan laskea sitä mukaa, kun lähestytään 0-konfiguraatiojärjestelmiä. Radioiden kognitiivisuuden myötä voidaan myös passiivisiin uhkiin, esimerkiksi elektroniseen tiedusteluun, varautua aiempaa tehokkaammin. Aktiivisiin uhkiin, kuten häirintään, kognitiiviset ominaisuudet vaikuttavat jopa toiminnan fundamentteja muuttavasti. Tiedonsiirtojärjestelmien ohjelmistopohjaisuus nostaa kyberin merkitttävyyttä arvioitaessa eri uhkien kokonaismerkityksiä. Onnistunut kyberoperaatio voi tarkoittaa koko järjestelmän lamautumista tai vakavaa tietovuotoa. Kognitiivisten ominaisuuksien liittäminen osaksi sotilasradiojärjestelmiä on haasteellista. Käyttöönoton esteitä ovat osaamisen puute, lainsäädännön ja regulaation jäykkyys, tekniikan osittainen kypsymättömyys sekä tietoturvan hallinta. Spektri on muutoksessa, mikä tulee näkymään spektrin sirpaloitumisena vuoteen 2020 mennessä. Paine taajuushallinnan muuttamisesta kognitiivitekniikkaa sallivampaan suuntaan nousee erityisesti siviilipuolen kehittyvien mobiililaitteiden datansiirtomäärien kasvaessa. Lainsäädäntö antaa viranomai-sille suuret valtuudet säädellä spektrin käyttöä poikkeusoloissa. Tämä mahdollistaa sotilaallisten järjestelmien suunnittelun ja kehittämisen taajuusriippumattomasti jo normaalioloissa. Haasteena on spektrin hallinnoinnin kehittäminen esimerkiksi ennakoitua nopeammassa tilannekehityksessä. Spektriä tulisi hallita kokonaisturvallisuuden näkökulmasta joustavasti viranomaisten yhteisillä päätöksillä. Kognitiivisen radion tulisi tulevaisuudessa voida käyttää muille järjestelmille osoitettuja taajuusresursseja taajuuksien ollessa käyttämättömänä. Kognitiivista radiota kannattaisi kehittää taajuusvapaasti. Spektri tullee olemaan tulevaisuudessa yhä ahtaampi, ja tähän haasteeseen kognitiivinen radio tarjoaa osaltaan ratkaisun.

Optisen radiolinkin toteuttaminen ohjelmistoradiolla

Tämän tutkielman tavoitteena oli toteuttaa optinen radiolinkki hyödyntäen ohjelmistoradiota. Työn alkuosassa käydään läpi ohjelmistoradiota yleisellä tasolla sekä yleisesti nykyisin käytössä olevia optisia tiedonsiirtotapoja. Työn keskiosassa käsitellään työhön käytettävä laitteisto ja ohjelmistot sekä optisen radioetuasteen suunnittelu ja toteutus. Työn loppuosassa analysoidaan toteutetun etuasteen toimintaa. Ohjelmistoradio, yleisemmin ohjelmallisesti määritetty radiolaite, jonka toiminnallisuutta, kuten modulaatioita, suodattimia ja kommunikointiin käytettävää taajuuskaistaa, pystytään muuttamaan ohjelmallisesti ilman laitteistomuutoksia. Useimmiten ohjelmistoradioiden toiminnallisuus määrätään ohjelmoimalla ohjelmistoradio-oheislaitteen ohjelmoitavia porttipiirejä, eli FPGA-piirejä. Optisen radioetuasteen suunnittelun pohjana käytettiin audiokäyttöön tarkoitettua infrapunalähetintä ja – vastaanotinta, jotka muokattiin toimimaan näkyvän valon aallonpituuksilla. Ohjelmistoradio-oheislaitteena toimi Ettus USRP1 varustettuna matalataajuisilla lähetin- ja vastaanotintytärkorteilla. Ohjelmistoradion ohjelmointiympäristönä toimi Linux Ubuntu, ja ohjelmistona GNURadio sekä sen graafinen ohjelmointikäyttöliittymä Gnu Radio Companion. Tutkielman lopputuloksena saatiin aikaan piirilevylle rakennettu optisen radioetuasteen prototyyppi, jolla pystyttiin siirtämään digitaalista audiota 300 kbps tiedonsiirtonopeudella muutamien senttimetrien matkalla pimeässä tilassa.