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Proyecto Final de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Curso 2011-2012 Modelado y simulación de un sistema de guerra electrónica (jamming) en una transmisión de datos inalámbrica crítica en seguridad Marcos Félez Trasobares Julio de 2012 Director: Oroitz Elgezabal Gómez Codirector: Hannes Wagner Ponente: Alfonso Ortega Giménez Departamento de Sistemas de Seguridad e Ingeniería de Sistemas German Aerospace Center (DLR) Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Escuela de Ingeniería y Arquitectura Universidad de Zaragoza Para mi familia y todos aquellos que me apoyaron durante este largo camino i Modelado y simulación de un sistema de guerra electrónica (jamming) en una transmisión de datos inalámbrica crítica en seguridad RESUMEN Las infraestructuras de telecomunicaciones cableadas están siendo sustituidas por sus equivalentes inalámbricos debido a la versatilidad y flexibilidad de estos últimos, así como por su facilidad de despliegue. Los sistemas inalámbricos presentan, aun así, importantes desventajas que están retrasando su implantación en ciertos sectores donde la seguridad es crítica y donde es obligatorio garantizar cierto rendimiento del sistema bajo toda circunstancia de funcionamiento. Hasta el momento la industria aeroespacial no ha introducido en sus sistemas los equivalentes inalámbricos, es ahora cuando se está implantando la tecnología inalámbrica para sistemas secundarios (como proporcionar internet al pasajero o un sistema interno de comunicaciones). El Instituto de Sistemas de Vuelo del Centro Aeroespacial Alemán (“German Aerospace Center”) va un paso más allá y está desarrollando el equivalente inalámbrico de los actuales Sistemas de Control de Vuelo cableados, presentes en toda la aviación actual. Los sistemas de control de vuelo conforman una de las partes más sensibles del avión ya que es lo que permite al piloto controlar todos los elementos móviles del aparato. Por ello, las normativas que rigen el funcionamiento de estos sistemas críticos en seguridad son muy estrictas, ya que un fallo podría significar una catástrofe. El uso de tecnologías inalámbricas implica que el sistema debe ser capaz de sobreponerse a las variaciones del canal, de adaptarse y reconfigurarse para poder funcionar en entornos hostiles (entornos con muchas interferencias, ruido etc.) y de combatir ataques electromagnéticos dirigidos hacia él, a fin de garantizar la fiabilidad del sistema en todo momento. Con este objetivo se propone estudiar las diferentes posibilidades existentes entre las tecnologías inalámbricas para la creacion de un sistema de control de vuelo inalámbrico, asi como estudiar, clasificar y caracterizar los tipos de ataques que podrían ser perpetrados contra él. Posteriormente se diseñará la base de un sistema de control de vuelo inalámbrico y se construirá un entorno de simulación en Matlab/Simulink donde se procederá a comprobar el comportamiento del sistema diseñado y su funcionamiento en presencia de ataques electromagnéticos. Por último se diseñarán y se incluirán en el modelo de simulink medidas para combatir posibles ataques y también para mitigar la variabilidad del canal inalámbrico. ii Página dejada en blanco intencionadamente iii ÍNDICE 1 Introducción ........................................................................................... 1.1 Contexto ................................................................................... 1.2 Estado del arte ......................................................................... 1.3 Motivación ................................................................................ 1.4 Objetivo y alcance del proyecto ............................................... 1.5 Organización ............................................................................ 1.6 Herramientas ............................................................................ 2 Guerra electrónica ................................................................................. 2.1 Ataque electrónico ................................................................... 2.2 Jamming ................................................................................... 2.2.1 Distribución de la energía en el espectro ................... 2.2.2 Distribución de la energía en espectro y en el tiempo 3 Situación de partida y requerimientos ................................................... 3.1 Situación de partida ................................................................. 3.2 Requerimientos ........................................................................ 4 Diseño .................................................................................................... 4.1 Throughput ............................................................................... 4.2 Modulación digital ................................................................... 4.3 Técnicas de acceso al medio ................................................... 4.4 Técnicas de corrección de errores ........................................... 4.5 Sistemas de mejora ................................................................. 4.5.1 Radios cognitivas ....................................................... 4.5.1.1 Detección de jamming .................................. 4.5.1.2 Evasión de jamming ...................................... 4.5.2 Redundancia frecuencial ............................................ 4.5.3 Redundancia en tiempo y datos ................................. 1 1 1 2 3 4 5 7 8 8 10 11 13 13 14 17 18 18 19 19 20 20 21 23 24 25 iv 4.6 OFDM ....................................................................................... 4.7 Jammings ................................................................................. 4.8 Selección de frecuencias ......................................................... 4.9 Canal ........................................................................................ 5 Modelado ............................................................................................... 5.1 Enlace OFDM ........................................................................... 5.1.1 Transmisor .................................................................. 5.1.2 Canal .......................................................................... 5.1.3 Receptor ..................................................................... 5.1.4 Validación del enlace .................................................. 5.2 Jammings ................................................................................. 5.3 Sistemas de mejora ................................................................. 5.3.1 Detección y evasión de jamming ................................ 5.3.2 Redundancia frecuencial ............................................ 5.3.3 Redundancia en tiempo y datos ................................. 6 Resultados ............................................................................................. 7 Conclusiones y posibles mejoras .......................................................... 7.1 Conclusiones ............................................................................ 7.2 Posibles mejoras ...................................................................... 7.3 Lineas de futuro ....................................................................... Bibliografía ................................................................................................ Anexo A. Electronic support, electronic protect and radar jamming ......... A.1 Electronic support .................................................................... A.1.1 Interception ................................................................ A.1.2 Geolocation ................................................................ A.2 Electronic protect ..................................................................... A.3 Radar jamming ........................................................................ Anexo B. Flight control systems ............................................................... Anexo C. Attack scenarios and defenses ................................................. C.1 Jammers C.2 Flight phases ........................................................................... C.3 Scenarios ................................................................................. C.3.1 Distances ................................................................... C.3.2 Antennas .................................................................... C.3.3 Power ......................................................................... C.4 Jammer assumptions .............................................................. C.5 Defenses ................................................................................. 25 28 29 29 31 32 32 33 35 36 39 41 41 44 45 47 55 55 57 58 59 61 61 61 63 63 65 67 71 71 72 73 74 74 75 75 76 v Anexo D. Frequency allocation ................................................................. Anexo E. Simulink models ........................................................................ E.1 Single frequency model ........................................................... E.1.1 Info. Generator ........................................................... E.1.2 Encoder ...................................................................... E.1.3 QPSK modulator ........................................................ E.1.4 OFDM modulator ....................................................... E.1.5 Transmitter ................................................................. E.1.6 Channel ...................................................................... E.1.7 Receiver ..................................................................... E.1.8 OFDM demodulator ................................................... E.1.9 Decoder ..................................................................... E.2 Extra blocks ............................................................................. E.2.1 Jamming block ........................................................... E.2.2 SNR estimation .......................................................... E.2.3 Difference mean ......................................................... E.2.4 Drawing blocks ........................................................... E.3 Two frequency model .............................................................. E.3.1 Transmitter ................................................................. E.3.2 Channel, jamming and receiver ................................. E.3.3 Other interferences .................................................... E.3.4 Voter .......................................................................... E.3.5 Display ....................................................................... Anexo F. Evolución temporal .................................................................... F.1 Hitos del proyecto .................................................................... F.2 Diagrama de Gantt .................................................................. 79 81 81 81 81 83 83 84 84 86 87 88 89 89 93 94 94 94 94 95 95 95 95 99 99 99 xii xiii ÍNDICE DE ACRÓNIMOS AGC AWGN BBJ Automatic Gain Control Additive White Gaussian Noise Broadband Jamming BER BPS Bit Error Rate Bits per Second CAST CDMA CR CW Commercial Aviation Safety Team Code Division Multiple Acces Cognitive Radio Continuous Rave DF DLR DSSS Direction Finding German Aerospace Center Direct Sequence Spread Spectrum EA EMCOM EoB EP ES Electronic Attack Emission Control Electronic Order of Battle Electronic Protect Electronic Support FBW FCS FDMA FFT FHSS Flight by Wire Flight Control System Frequency Division Multiple Access Fast Fourier Transform Frequency Hopping Spread Spectrum ICAO ICI IFFT ISI International Civil Aviation Organization Intercarrier Interference Inverse fast Fourier transform Intersimbolic Interference LPD LPE Low Probability of Detection Low Probability of Exploitation xiv LPI LS MMSE MTJ NBJ Low Probability of Interception Leas-square Minimum mean square error Multitone Jamming Narroband Jamming OFDM PBJ Orthogonal Frequency Division Multiplexing Partialband Jamming POD POE POI PSK PTT RF RGPI RGPO Probability of Detection Probability of Exploitation Probability of Interception Phase Shift Keying Push-to-talk Radio Frequency Range gate pull-in Range gate pull-off RPI Radar pulse interval QAM Quadrature Amplitude Modulation SJ SJR SNR SPS Smart Jamming Signal to Jamming Ratio Signal to Noise Ratio Symbols per Second TDMA TJ VGPO Time Division Multiple Acces Tone Jamming Velocity-gate pull-off xv 1. Introducción 1 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Contexto Este proyecto se ha desarrollado en el departamento de Sistemas de Seguridad e Ingeniería de Sistemas (SSSE) del Instituto de Sistemas de Vuelo (IFT) del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), concretamente en su sede en Braunschweig (Alemania). El proyecto se engloba dentro de una tesis doctoral que tiene como objetivo el diseño completo de un sistema de comunicaciones inalámbrico capaz de substituir a los actuales sistemas de control de vuelo cableados. 1.2 Estado del arte Los sistemas de comunicaciones han estado tradicionalmente basados en cable, en este tipo de infraestructuras cada uno de los nodos participantes necesita estar conectado mediante cable con todos los nodos con los que se quiere comunicar (directamente o a través de otros nodos). Esta exigencia hace que el cableado necesario sea muy dependiente de la distancia entre los nodos y del número de estos. En entornos donde el acceso es difícil, el espacio para cableado es limitado o el peso máximo del dispositivo es bajo, los sistemas basados en cable presentan limitaciones que los sistemas inalámbricos solucionan. En la actualidad se está tendiendo al uso de la tecnología inalámbrica como base para el desarrollo de tecnologías de comunicación. Entre las ventajas más significativas de los sistemas inalámbricos se puede destacar que no exigen un complicado despliegue, que dan una cobertura de zona global, que ofrecen libertad al receptor al no tener que estar conectado físicamente en todo momento, que 1. Introducción 2 ahorran peso y espacio o que en caso de avería, ésta es más fácil de localizar y solucionar. La aviación es un terreno donde las tecnologías inalámbricas no se habían abierto paso. Es ahora cuándo se están empezando a desarrollar sistemas inalámbricos destinados a este sector, principalmente sistemas destinados al usuario (pasajero) o a comunicaciones entre la tripulación. El propósito de este proyecto es ir un paso más allá y confiar las comunicaciones críticas del avión (hasta ahora siempre realizadas por cable) a un sistema inalámbrico. Entre estos sistemas críticos se encuentra el sistema de control de vuelo del avión. Este sistema es el que permite al piloto controlar las partes móviles del avión (turbinas, alerones, etc.), es decir, es el que controla el vuelo del avión. En la actualidad todos los sistemas de control de vuelo son cableados, lo que conlleva que una gran cantidad de cable, especialmente en los aviones grandes, desaparecería al cambiar a un sistema inalámbrico. Las ventajas de usar la tecnología inalámbrica se derivan no solo del hecho de evitar la fabricación e instalación del cable, también de que durante el diseño de la aeronave se prescinde del tiempo necesario para el cálculo de las rutas de cableado. El ahorro no se produce únicamente durante la fabricación. De igual manera, durante la vida útil del avión, tener un sistema inalámbrico trae consigo notables ventajas, como en las revisiones periódicas a las que se somete a un avión, especialmente durante el chequeo de mantenimiento exhaustivo (heavy maintenance visit), o en el ahorro en combustible derivado de no tener el peso de los cables. Por otra parte, el hecho de que las comunicaciones sean críticas para la seguridad implica que los requerimientos por parte de las organizaciones de estandarización que validan los sistemas sean muy exigentes, ya que un fallo en el sistema podría suponer desembocar en un suceso catastrófico. Dichas exigencias presentan un reto a la hora de diseñar los sistemas inalámbricos. 1.3 Motivación Dentro del ambicioso objetivo que es sustituir los actuales sistemas de control de vuelo basados en cable por sistemas inalámbricos, un paso significativo es crear un entorno de simulación en el que se puedan recrear las diferentes alternativas que se planteen para poder evaluarlas correctamente. A su vez, es conveniente elegir las opciones más apropiadas dentro del marco de las tecnologías inalámbricas y diseñar un sistema inicial desde el que trabajar. Es también una parte importante del 1. Introducción 3 proyecto caracterizar los posibles ataques que nuestro sistema podría sufrir y que pondrían en peligro el funcionamiento y seguridad del avión. Este proyecto proporcionará los primeros resultados acerca del comportamiento del sistema de control de vuelo inalámbrico en situación de funcionamiento normal y en entornos hostiles (ataques basado en jamming). 1.4 Objetivo y alcance del proyecto Este proyecto fin de carrera tiene varias partes que confluyen en un objetivo final que consiste en la creación de un modelo en MATLAB/Simulink donde se pueda simular un sistema de control de vuelo inalámbrico, diferentes ataques electromagnéticos que se puedan perpetrar contra el sistema y las diferentes contramedidas para combatir dichos ataques. Para lograr este objetivo se han seguido varias fases. La primera es la fase de documentación acerca de la guerra electrónica y sus formas (protección electrónica, soporte electrónico y ataque electrónico). La segunda es un estudio y documentación de las posibles alternativas existentes para la creación del sistema inalámbrico más apropiado (principalmente capa física). Dentro de esta parte se incluye también el diseño de un sistema de comunicaciones que pueda llegar a cumplir los requisitos y que sirva de punto de partida para sistemas posteriores. La tercera parte incluye la creación en MATLAB/Simulink de un modelo capaz de simular tanto el sistema diseñado, como diferentes ataques basados en jamming. La última fase es incluir en el modelo sistemas de protección contra ataques que simulen comportamientos basados en radios cognitivas con el objetivo de comprobar si son una vía de estudio válida para asegurar el cumplimiento de los requerimientos en todo momento. En la figura 1 se exponen las diferentes partes que componen el proyecto y como confluyen para dar el resultado final. Figura 1: Partes en las que se divide el presente proyecto final de carrera Guerra electrónica Diseño del sistema Estudio de OFDM Otros parámetros Diseño de ataques Sistemas defensivos Modelado en simulink Simulación Resultados 1. Introducción 4 1.5 Organización Esta memoria está organizada en 8 capítulos, de los cuales el primero es esta introducción, donde se presenta la motivación y objetivo del proyecto. Los capítulos 2 a 5 describen cada una de las partes de las que se compone el proyecto fin de carrera y los capítulos 6, 7 y 8 reflejan los resultados obtenidos, así como las conclusiones y posibles mejoras para futuras implementaciones. ● Capítulo 2 Guerra electrónica: esta sección contiene uno de los objetivos del proyecto, consistente en estudiar, documentar y clasificar las posibles amenazas en forma de ataque electromagnético premeditado que puede sufrir un sistema inalámbrico. Para ello en este capítulo se describe en que consiste el termino “Guerra electrónica”, qué engloba y cómo esta subdividido, dando especial énfasis a la parte de ataque electrónico. Igualmente, se describen los tipos de ataques que puede sufrir un sistema de comunicaciones inalámbrico. ● Capítulo 3 Situación de partida y requerimientos: este apartado incluye la relación de elementos dentro del sistema de control de vuelo inalámbrico que estaban diseñados al inicio de este proyecto, las hipótesis que se tomaron al inicio, así como los requisitos que deberá satisfacer el sistema una vez finalizado. ● Capítulo 4 Diseño: este capítulo define el proceso para alcanzar otro de los objetivos del proyecto: diseñar un sistema completo de comunicaciones para un sistema de control de vuelo inalámbrico. Aquí se exponen las tecnologías elegidas para las opciones de diseño y se incluyen también las medidas que se han diseñado para combatir posibles ataques intencionados, así como entornos no propicios para las comunicaciones inalámbricas. ● Capítulo 5 Modelado: En esta sección se describen las partes del modelo creado en simulink así como las operaciones llevadas a cabo para validarlo. ● Capítulo 6 Resultados: En este capítulo se explican las principales simulaciones que se han llevado a cabo y se analizan los correspondientes resultados. ● Capítulo 7 Conclusiones y posibles mejoras: Este apartado contiene las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos y las posibles mejoras a tener en cuenta en futuras versiones del sistema para mejorar su rendimiento. Para conconcluir se encuentran los anexos, donde se incluye información más detallada y/o adicional de alguno de los apartados incluidos en la memoria principal 1. Introducción 5 y que no contienen una información imprescindible para entender el proyecto ni los resultados obtenidos. Esto anexos son fragmentos o resumenes de entregables que se han desarrollado durante la realización del proyecto y se encuentran escritos en inglés (a excepción del anexo F). ● Anexo A Electronic support, electronic protect and radar jamming: En este anexo se expanden los conceptos relacionados con la guerra electrónica. ● Anexo B Flight control systems: Este apartado proporciona una breve introducción a los sistemas de control de vuelo, se describen sus partes y sus funciones. ● Anexo C Attack scenarios and defenses: El anexo C proporciona una visión global acerca de los posibles ataques electromagnéticos que puede sufrir un sistema de control de vuelo inalámbrico. También se describen los dispositivos capaces de realizar ataques basados en jamming (jammers) y las suposiciones que se han tomado en este proyecto a la hora de generar el jamming. ● Anexo D Frequency allocation: Este anexo sugiere unos rangos de frecuencias en los que se podría encuadrar el sistema diseñado. ● Anexo E Simulink models: En este apartado se describen en detalle los modelos creados en simulink, es un complemento al capítulo 5 de la memoria. ● Anexo F Evolución temporal: El anexo F muestra la descripción del proyecto a lo largo del tiempo, los pasos que se fueron dando y el tiempo que se invirtió en cada uno de ellos. 1.6 Herramientas La parte de programación realizada en este proyecto se ha llevado a cabo usando el programa MATLAB/Simulink the Mathworks, en concreto se han usado las librerías básicas de simulink y las toolboxes de Communications system y DSP system. 2. Guerra electrónica 12 original (como coordenadas de posición) o crear nueva información. Con las técnicas de protección electrónica (como la encriptación) que existen en la actualidad alcanzar el éxito con una técnica de este estilo es altamente complicado. Con el jamming inteligente finaliza la descripción de los diferentes ataques que puede sufrir un sistema de comunicaciones. En la figura 4 se puede observar un resumen de los diferentes tipos de cover jamming, así como una representación de la distribución en el espectro (caso de noise jamming y tone jamming) o de la distribución en frecuencia y en tiempo (jamming de barrido, jamming pulsado y jamming de seguimiento). Figura 4: Relación de los diferentes tipos de cover jamming y su distribución en tiempo y frecuencia 3. Situación de partida y requerimientos 13 3. SITUACIÓN DE PARTIDA Y REQUERIMIENTOS El presente proyecto se engloba dentro de otro proyecto más ambicioso que consiste en el diseño completo de un sistema de control de vuelo inalámbrico capaz de sustituir a los actuales sistemas cableados, por tanto, al inicio de este proyecto final de carrera existían ciertas necesidades y restricciones que ya habían sido establecidas (tanto por el propio proyecto como por la normativa vigente que regula este tipo de sistemas). Al mismo tiempo también se establecieron puntos de partida y se aceptaron ciertas hipótesis. Todos estos puntos e hipótesis se recogen en este apartado de situación de partida y requerimientos. 3.1 Situación de partida Los sistemas de control de vuelo tienen como objetivo, no sólo controlar las partes móviles del avión, sino además monitorizar el estado de dichas partes. En esta sección se presenta la posición de los nodos que conformarán la topología de la red inalámbrica. Una introducción a los sistemas de control de vuelo se puede encontrar en el anexo B. La figura 5 representa la posición de los nodos que controlan las partes móviles en el sistema de control de vuelo inalámbrico. Son 43 nodos, de los cuales 24 controlan las partes de control de vuelo primario y 19 las partes de control de vuelo secundario. Cada nodo está conectado a un actuador que transmite 224 bits por mensaje y transmite 1 mensaje cada milisegundo [3]. La topología de la red estaba al inicio de este proyecto sin definir y para este proyecto se decidió usar una topología en estrella. La razón por la que se eligió una topología en estrella como punto de partida es que los sistemas de control de vuelo 3. Situación de partida y requerimientos 14 cableados se basan en ella. En el caso que nos ocupa cada nodo se comunicará con el nodo central, el cual simboliza el ordenador de a bordo y está situado debajo de la cabina del piloto. Otra de las hipótesis que se asumió es que las antenas de los nodos son omnidireccionales. El motivo de esta suposición es que se ha intentado modelar y simular el sistema en el peor caso posible, de esta manera el sistema recibe todas las interferencias existentes, tanto ambientales como artificiales. Al mismo tiempo se asume que las antenas y los receptores están adaptados a las frecuencias de trabajo, así se descarta el ruido fuera de la banda de transmisión. 3.2 Requerimientos Este apartado recoge las especificaciones marcadas por las normativas vigentes que el sistema debe cumplir una vez terminado, así como las especificaciones autoimpuestas y que marcan el diseño del sistema. En los siguientes puntos se recogen todos los requerimientos que se le exigirán al sistema final y que por tanto se tienen en cuenta a la hora del diseño. • Bit error rate (BER) menor de 10-6. El sistema final deberá asegurar este requerimiento en todo momento [4]. • Baja potencia. La potencia de emisión del sistema está todavía por determinar, pero se busca que sea un sistema que funcione con la mínima potencia posible (menor de 1 W) • Alcance 100 metros. Se buscará un sistema que sea capaz comunicar nodos que se encuentren hasta una distancia máxima de 100 metros . • El sistema debe ser capaz de transmitir la información de todos los actuadores (224 bits cada milisegundo) en todo momento y sin retrasos. Estos requerimientos vienen en parte marcados por las sociedades de certificación que darían validez al sistema una vez finalizado. En este apartado se recogen sólo los requerimientos que afectan al presente proyecto, a la hora de la validación las sociedades de certificación exigen una gran cantidad de pruebas que abarcan muchos mas campos. 3. Situación de partida y requerimientos 15 Figura 5: Posición de los nodos en el avión. Para este ejemplo se ha tomado un avión Airbus A320. 4. Diseño 17 4. DISEÑO Vistos los requerimientos en el apartado anterior, en este capítulo se van a explicar las diferentes partes de las que se compone el sistema creado en el presente proyecto final de carrera. En la figura 6 se puede observar el diagrama de bloques de un enlace basado en OFDM. Para este proyecto se han diseñado todos los bloques representados en dicha figura y en este capítulo se procederá a explicar cada uno de ellos. Figura 6: Diagrama de un enlace de comunicaciones como el diseñado en este proyecto Rec. Información Decod. Canal Demod QPSK Demod OFDM Receptor Gen. Información Cod. Canal Mod. QPSK Mod. OFDM Transmisor Canal Jamming 4. Diseño 18 4.1 Throughput El diseño de un sistema de comunicaciones es altamente dependiente de la cantidad de información por unidad de tiempo que se necesite transmitir (bits por segundo). Para el cálculo de este parámetro se parte de la necesidad de transmitir 224 bits por mensaje. Tener una topología en estrella obliga a transmitir con cada mensaje una cabecera, la cual no ha sido todavía determinada. Como algo orientativo se ha tomado como un tamaño de cabecera válido, el tamaño de las cabeceras que se han diseñado para sistemas críticos en seguridad aplicados a sistemas ferroviarios [5]. Por tanto, para este proyecto se asume una cabecera de 32 bytes por mensaje, lo que hacen 480 bits por mensaje transmitido. Si cada uno de los 43 nodos transmite un mensaje cada milisegundo la cantidad de información que debe soportar el sistema será de 20.64 Mbps. 4.2 Modulación digital Un paso importante en el diseño es la elección de la codificación digital a utilizar. En un enlace, existe siempre un compromiso entre la cantidad de información que se transmite por unidad de tiempo, el ancho de banda necesario y la potencia necesaria y es labor del diseñador asignar valores a estos parámetros de manera que se cumplan los objetivos y las especificaciones deseadas de la manera más eficiente. En general, en el diseño de un sistema de comunicaciones uno de esos parámetros será el factor limitante del sistema (máxima potencia disponible, ancho de banda máximo permitido o un data rate mínimo) y las técnicas de codificación permiten al diseñador jugar con los otros dos parámetros restantes para poder alcanzar los objetivos fijados. En enlaces OFDM las codificaciones usadas son la modulación en fase (phase shift keying PSK) y la modulación en amplitud y cuadratura (quadrature amplitude modulation QAM). En el caso de este proyecto el factor más limitante es la potencia disponible (ya que uno de los requisitos era usar un sistema que usara una potencia muy baja), por tanto se escogió un orden de modulación (M) pequeño para poder llegar a alcanzar valores de bit error rate bajos aún cuando el ratio de señal a ruido no fuera elevado. Las modulaciones PSK y QAM son iguales para un orden bajo (M=2, 4) , y además está demostrado que el BER de la modulación de orden 2 (BPSK) y la de orden 4 (QPSK) es el mismo. Por tanto, finalmente se eligió una codificación QPSK. Las comprobacionas y demostraciones referentes a estas afirmaciones, así como la teoría referente a la modulación en fase quedan fuera de los objetivos de este proyecto, para ello puede consultarse [6]. 4. Diseño 19 4.3 Técnicas de acceso al medio Dado que en el sistema existen 43 usuarios que comparten los mismos recursos se hace necesario el uso de una técnica de acceso al medio. Las posibles técnicas que se barajaron fueron TMDA (time division multiple access), FDMA (frequency division multiple Access) y CDMA (code division multiple access). De entre estas técnicas CDMA fue descartada por dos razones. La primera fue que el hecho de que todos los usuarios transmitan al mismo tiempo se traduce en un empobrecimiento de la señal a ruido, puesto que para un usuario concreto todos los demás usuarios son ruido. Este problema se acentúa en el caso de sistemas de baja potencia y donde todos los enlaces tienen un nodo común. La segunda razón es a la hora de la sincronización, que haya que remodular una comunicación (ya de por sí generalmente de alta velocidad) con un código hace que los tiempos de símbolos (llamados tiempos de chip) sean muy pequeños y por tanto parámetros como el sincronismo de trama, o de símbolo sean complicados de adquirir. La elección entre TMDA y FDMA se decanta a favor del primero por varias razones. La primera es por la naturaleza de la transmisión. Como se ha comentado en el capítulo 3 la información que generan los actuadores es un mensaje de 224 bits cada milisegundo, el uso de FDMA implica reservar un tiempo para que los usuarios transmitan, aunque no tengan nada que transmitir. En TDMA en cambio cada nodo tiene una ventana (slot) de transmisión asignada, de manera que, cuando a un nodo le llega su slot ya ha tenido tiempo de generar la información que necesita transmitir. La segunda (y principal) razón por la cual se escoge TDMA sobre FDMA es que está demostrado en la bibliografía que TDMA permite transmitir más información que FDMA en un tiempo y un ancho de banda fijados [6]. En este proyecto se decidió usar una multiplexación en tiempo (TDMA). Se ha elegido una trama TDMA de duración 1 ms, la cual está dividida en 43 ventanas (slots) de duración 23.25 µs cada una. 4.4 Técnicas de corrección de errores Los códigos de protección contra errores conforman en todos los sistemas de comunicaciones una parte importante del diseño. La elección del código más adecuado no es trivial y conlleva un estudio de todos las posibles técnicas y de sus efectos en el sistema. Los beneficios que cada código aporta dependen también de cómo tienen lugar los errores durante la transmisión y la naturaleza de estos (ráfagas, uniformemente distribuidos, etc.). Esta información es todavía desconocida para el caso de un enlace fijo en un avión. 4. Diseño 20 Durante la realización de este proyecto no ha habido el tiempo necesario para realizar un estudio correcto de todas las posibles opciones. Sin embargo, sí se ha querido implementar algún tipo de sistema de corrección de errores con el fin de crear un modelo que contenga todos los componentes finales del diseño. Para ello se ha tomado como referencia la técnica de corrección de errores implementada en el estándar 802.11a. El cual es similar a este proyecto [7]. La codificación de canal usada en este diseño se compone por un código convolucional reducido (punctured convolutional code) de ratio ¾ seguido de un entrelazado aleatorio. El código convolucional reducido se construye a partir de un código convolucional de ratio ½ compuesto por un registro de dimensión 7 y ecuaciones de conexión g1 y g2: 𝑔!=1011011 𝑔!=1111001 (1) Para conseguir el ratio ¾ deseado se ha reducido con el siguiente esquema: 111001. Lo que representa que de cada 6 bits generados se descartan el 4 y el 5. 4.5 Sistemas de mejora En este apartado se van a explicar los añadidos que se han hecho al sistema de comunicaciones básico con el fin de combatir el jamming y de mejorar el BER en entornos desfavorables (entornos con muchas interferencias, fading, etc.). Se han seleccionado tres maneras de abordar estas mejoras: radios cognitivas, redundancia en frecuencia y redundancia en tiempo y datos. 4.5.1 Radios cognitivas Las radios cognitivas son una evolución de las radios definidas por software (software defined radio SDR). Las SDR son transmisores cuyos parámetros de emisión (potencia, codificación, frecuencia central, etc.) son configurables por software lo que permite adaptar la transmisión a entornos cambiantes, la limitación de estas radios es que dichos parámetros son configurables únicamente bajo demanda. La innovación que aportan las radios cognitivas (cognitive radios CR) frente a las SDR es que son capaces de tomar decisiones por ellas mismas y modificar los parámetros de transmisión según convenga. Las radios cognitivas son capaces de observar y aprender del entorno, de reconocer patrones y ofrecer la mejor respuesta frente una situación nueva. 4. Diseño 21 De esta manera un sistema basado en radios cognitivas es capaz de detectar cuándo el SNR del enlace disminuye y actuar en consecuencia (aumentando la potencia de transmisión, cambiando la frecuencia de transmisión, disminuyendo el orden de la modulación, etc.). En este proyecto lo que se quiere comprobar si las técnicas de defensa basadas en radios cognitivas son una solución viable como defensa contra el jamming y contra otros problemas que puedan surgir en el enlace, y por tanto merece la pena su estudio e implementación. En este proyecto se van a emular ciertos comportamientos que pueden aportar las radios cognitivas, estos son: detección de jamming y evasión de jamming. 4.5.1.1 Detección de jamming La detección de jamming tiene como objetivo detectar cuándo el sistema está siendo víctima de un ataque o de algún tipo de interferencia en la banda de transmisión. El reto de esta mejora es diferenciar cuándo la caída de la SNR es debida a un jamming y cuándo es debida al canal. La detección de jamming se va a realizar mediante la comparación de dos estimaciones diferentes de la SNR en el receptor, el esquema puede observarse en la figura 7. Figura 7: Esquema del sistema de detección de jamming situado en el receptor. El primer estimador (estimador de SNR 1) consiste en tras el demodulador OFDM, demodular la señal QPSK recibida y posteriormente re-modularla (figura 8). Después se resta la señal re-modulada (que está limpia de ruido) de la señal recibida obteniendo así una estimación del ruido. Figura 8: Esquema del estimador de SNR 1 Estimador SNR 1 Estimador SNR 2 Señal QPSK Señal OFDM sin prefijo cíclico Diferencia Comparador Demodulador QPSK Modulador QPSK Señal QPSK con ruido Ruido estimado 4. Diseño 28 Figura 12: Descripción completa de la fisonomía del mensaje. 4.7 Jammigs Una de las partes del proyecto es simular ataques contra el sistema basados en jamming, para este propósito se estudiaron los tipos de posibles ataques que pueden darse (capítulo 2). Igualmente se realizó un estudio acerca de las posibles situaciones de peligro que se podrían dar de acuerdo con las fases de vuelo que tienen lugar en un vuelo estándar, dicho estudio puede consultarse en el anexo C. En la bibliografía están documentados estudios dónde se han realizado pruebas del comportamiento de un enlace OFDM en presencia de jamming [11] [12] [13]. Cada estudio ha arrojado diferentes resultados. Esto se debe a que la efectividad del jamming depende no solo del tipo de ataque sino además del sistema víctima. Igualmente la efectividad del atacante depende de la información que este posea acerca del sistema atacado, para este proyecto se realizaron una serie de suposiciones acerca de la información que el jammer posee, las cuales se recogen en el Anexo C. En este proyecto se han simulado los siguientes tipos de jamming: jamming de banda ancha, jamming de banda parcial, jamming de banda estrecha, tone jamming (1 tono), multitone jamming (multiples tonos) y smart jamming. De esta manera se simulan todos los tipos de jamming y se buscará aquel que sea más perjudicial para cada situación. Como se comentó en el apartado 2.4, el objetivo de los jammings de cobertura es aumentar el ruido en el receptor. Para el caso de los noise jammings (los 3 casos) … … 1 2 43 42 41 i … … Time slot 23.25 µs 7.75 µs Training symbols 15.5 µs data symbols Tsufijo = 0.323*𝛽 µs Tprefijo= 0.323*𝛽 µs TFFT = 3.229 µs 4. Diseño 29 se ha generado un ruido blanco de un ancho de banda superior al de la señal OFDM y posteriormente se filtrado para simular los diferentes formatos (jamming de banda ancha, jamming de banda parcial y jamming de banda estrecha). En el caso de los tone jamming se han generado uno o varios tonos de fase aleatoria por cada paquete transmitido coincidiendo con las frecuencias de la subportadoras. En el caso del Smart jamming se ha simulado un ataque en el que el jammer explota uno de los puntos débiles del sistema OFDM: la estimación de canal. Dicho jamming atacará únicamente los símbolos de entrenamiento, empeorando así la estimación de canal. 4.8 Selección de frecuencias Asignar las frecuencias de transmisión para estos sistemas es algo que no depende únicamente del diseñador. Es más, el diseñador debe adaptar sus sistemas a las frecuencias del espectro que estén asignadas para el tipo de dispositivo que esté desarrollando. En el caso de sistemas como el que ocupa este proyecto la banda de frecuencias está todavía sin asignar y por esta razón únicamente se van a sugerir varios rangos de frecuencias en los que se podrían situar las frecuencias de transmisión. Posteriormente, corresponderá a las autoridades competentes reservar unos rangos de frecuencia para los sistemas de control de vuelo inalámbricos. Los rangos sugeridos son: la banda de los 4 GHz y la banda de los 20 GHz. Dado que esta cuestión no es esencial en el desarrollo del proyecto se aborda con más detalle en el anexo G. 4.9 Canal Uno de los factores más determinantes a la hora de simular el sistema es el canal que se va a modelar. En la bibliografía se pueden encontrar estudios realizados acerca de propagación electromagnética en la cabina del avión [14], [15], [16]. Estos estudios concluyen en que el modelo de canal puede ser aproximado por una distribución Rician o un canal Rayleigh multicamino. Dichos artículos tienen en común que van orientados al usuario, es decir, existe un emisor y un receptor situado en la cabina del avión pero en una posición variable. Para el caso que nos ocupa los enlaces son fijos y conocidos. Por tanto sería necesario realizar un estudio apropiado acerca de la propagación dentro del avión entre dos puntos conocidos y estudiar las posibilidades de ecualización del 4. Diseño 30 multicamino. Por otra parte, el sistema aquí planteado no exije que la comunicación sea por dentro del avión, sino que puede ser realizada por el exterior. Se ha concluido que los datos actuales no son suficientes como para realizar un modelo correcto del canal para el sistema aquí presentado y por tanto en este proyecto se implementarán 3 canales diferentes: canal AWGN, canal Rayleigh con fading selectivo y canal Rayleigh con fading plano. 5. Modelado 31 5. MODELADO Una vez diseñado el sistema se procedió a su modelado. Para ello se ha hecho uso de la herramienta de Mathworks: MATLAB/Simulink. En especial se han usado las librerías básicas de simulink, la librería de communications systems y de DSP system. En este capítulo se van a explicar los modelos creados a fin de dar una visión global de la simulación. Una descripción más detallada de dichos modelos puede verse en el anexo E. En este capítulo igualmente, se explicarán los métodos de validación del modelo y se mostrará el funcionamiento del mismo. En definitva lo que se ha hecho en los modelos de simulink ha sido implementar el diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones representado en la figura 6, añadiendo los elementos necesarios para simular el jamming y los sistemas de defensa. Debido a la carga computacional que conlleva simular los sistemas en banda frecuencial todos los modelos se simulan en banda base. Para explicar los modelos creados, este capítulo se divide en los siguientes apartados: • Enlace OFDM: en este apartado se explicará el funcionamiento de los bloques que conforman el enlace simple, simulando una transmisión estándar basada en una modulación OFDM. • Jamming: en esta sección se explicará como se han simulado los diferentes jammings. 5. Modelado 32 • Sistemas de mejora: en esta última parte se describirá el funcionamiento de los sistemas de mejora incluidos en la sección 4.5, a excepción del código de repetición. 5.1 Enlace OFDM En este modelo se incluyen únicamente los elementos que pertenecen al enlace básico, los cuales se corresponden con el diagrama de bloques de la figura 6, a excepción del bloque de jamming. El enlace se divide en tres bloques principales: transmisor, canal y receptor. El transmisor lo componen: el generador de información, el bloque de codificación de canal, el modulador QPSK, el modulador OFDM y el filtro transmisor. El canal está formado por un bloque capaz de seleccionar el tipo de canal a simular. El receptor esta construido por los bloques inversos del transmisor, estos son: el filtro receptor adaptado, el demodulador OFDM, el demodulador QPSK, el decodificador de canal, el receptor de información y un bloque para calcular el BER. En la figura 14 se puede observar el modelo completo (incluyendo los bloques que se describen más adelante). 5.1.1 Transmisor El primer bloque corresponde al generador de información. Dicho bloque es un generador aleatorio de bits (P(0)=P(1)=0.5), expuesto en la tabla 2 queda que el tiempo de bit debe ser : 23.25𝑥10!! 480 =4.844𝑥10!!!𝑠. El siguiente bloque es el codificador de canal, en él se encuentra el código convolucional de ratio ¾, el código de repetición de ratio 1/3 y los bloques que aplican el entrelazado. Los siguientes bloques son los moduladores. Primero se encuentra el modulador QPSK, el cual modula los bits en una constelación QPSK seleccionada (figura 13). 5. Modelado 33 El siguiente bloque es el modulador OFDM, en este bloque la señal QPSK se transforman en un mensaje OFDM formado por 2+4 símbolos OFDM (2 símbolos de entrenamiento y 4 símbolos de información). En este bloque se añade igualmente el prefijo cíclico calculado en la sección de diseño. Antes de la salida los símbolos OFDM se transforman a formato serie. Figura 13: Constelación QPSK modelada Por último encontramos el bloque del filtro transmisor, formado por un filtro de raíz de coseno realzado. Este bloque también realiza un upsampling de 10 a la señal OFDM. Este bloque también regula la potencia de la señal de salida. 5.1.2 Canal El bloque del canal consta de los bloques de simulink necesarios para simular los efectos de 3 canales diferentes: AWGN, Rayleigh con efecto multicamino y Rayleigh con fading plano. La imagen del subsistema puede verse en la figura 16. La elección entre los 3 canales se realiza a través de la máscara del bloque, la cual selecciona la salida del switch a través de la variabla channel_select. 5. Modelado 34 Figura 14: Modelo completo creado en Simulink 5. Modelado 35 Especial atención merece el bloque AWGN, el cual regula el parámetro Eb/N0, dicho parámetro se introduce en el modelo a través del workspace de MATLAB. El bloque AWGN genera un ruido de potencia N en función de la potencia de la señal a la entrada, de manera que a la salida del canal la señal tenga esa relación energía de bit a ruido (Eb/N0). Destacar que modificar Eb/N0 no modifica la relación señaljamming (S/J) porque, como se puede constatar en la figura 14, el jamming se introduce a la salida del canal. De esta manera el BER obtenido mejorará conforme aumente Eb/N0 porque los errores debidos al ruido gaussiano disminuirán, pero al no mejorar el S/J los errores que produce el jamming se mantienen. Figura 15: Diagrama del sub-sistema que forma el bloque de canal 5.1.3 Receptor En el receptor encontramos los bloques contrarios al emisor. En primer lugar tenemos el filtro receptor adaptado al filtro transmisor, formado por un filtro raíz de coseno realzado, el cual realiza un downsampling de 10 muestras. El siguiente bloque es el demodulador OFDM, aquí se extrae el prefijo cíclico, así como se extraen y se estudian los símbolos de entrenamiento para realizar la estimación del canal. A la salida de este bloque tenemos de nuevo la señal QPSK. Ésta se demodula en el siguiente bloque y así se obtienen los bits transmitidos. El siguiente paso es deshacer la codificación canal, para ello está el bloque de decodificación, el cual contiene un decodificador de viterbi para el código convolucional, el voter para deshacer el código de repetición y los bloques de desentrelezado. Por último se encuentra el bloque calculador del BER, donde los bits recibidos se comparan con los enviados. 5. Modelado 36 5.1.4 Validación del enlace La validación de los modelos hasta este punto se ha realizado a través de las curvas de BER de una modulación QPSK. OFDM se comporta de manera transparente para la transmisión QPSK, por tanto, para comprobar que el sistema se comporta como debería, basta con comparar la curva de BER de una modulación QPSK con la obtenida en el enlace OFDM modelado [10]. En la figura 16 pueden observarse diferentes simulaciones para el caso de un canal gaussiano. En ella se puede observar que para el caso de una transmisión en un canal AWGN sin codificación de canal obtenemos exactamente la curva de BER teórica de QPSK. Añadiendo el código convolucional se observa una notable mejora respecto al sistema sin codificación de canal (tal como era de esperar). Por el contrario, tras añadir el estimador de canal el BER empeora, esto se debe a que el ruido es incorrelado, por lo tanto calcular la estimación para dos símbolos y luego aplicarla a los siguientes no implica que necesariamente sea beneficioso. También se observa que dicho empeoramiento se traslada al modelo con código convolucional por la misma razón. Figura 16: Comparación del BER en un canal AWGN. obtenido tras la simulación del sistema sencillo (sin codificación de canal) y con codificación de canal (código convolucional) con la curva teórica de una modulación QPSK. Igualmente se representa el empeoramiento que produce en el BER el uso de la estimación de canal. Por otra parte, para comprobar que el modelo se comporta como debe en cuanto a los anchos de banda, potencias y tiempos representamos la densidad espectral de 5. Modelado 37 potencia de la señal OFDM a la salida del filtro transmisor (figura 17). En esta figura podemos comprobar que el ancho de banda utilizado coincide con el calculado en el capítulo anterior. Así como la constelación QPSK se puede comprobar representando la constelación enviada y la recibida (figura 18). Figura 17: Señal OFDM a la salida del filtro transmisor. Figura 18: Comparación de la constelación QPSK enviada (figura de la izq.) y con la constelación recibida (figura d ela dcha.). Para comprobar el comportamiento del sistema en canales no gaussianos, (i.e. Rayleigh con fading plano), realizaremos las mismas representaciones. En la figura 19 podemos observar BER en un canal Rayleigh con fading plano. Podemos ver que los resultaos se quedan algo distantes respecto a la curva teórica 5. Modelado 44 A la hora de elegir el umbral hay que tener en cuenta dos factores, primero que el estimador de SNR 1 no es fiable por debajo de 5 dB, y segundo que para alcanzar un BER<10-6 en un canal AWGN hay que trabajar con Eb/N0>8 dB (cómo se verá en en capítulo 6). Teniendo en cuenta estos factores para el caso de un canal AWGN un valor de umbral válido es de 3 dB. En este caso el umbral es constante puesto que la diferencia entre las SNR estimadas no varía conforme aumenta Eb/N0. En un canal Rayleigh esto no ocurre y esa diferencia sí varía conforme aumenta Eb/N0. Por esta razón en canales Rayleigh se calculó un umbral diferente para cada Eb/N0 siguiendo el mismo proceso que el descrito para un canal AWGN. EL cálculo de la media así como de las estimaciones de señal a ruido se realiza en los bloques “difference mean” y “SNR estimator” respectivamente. En cambio, la operación de comprar con un umbral se realiza en un subbloque dentro del bloque de jamming llamado “jamming detector”. Dentro del bloque de jamming se encuentra también el bloque “cognitive radio simulator”. Este bloque es el encargado de simular parte de los sistemas de defensa basados en radios cognitivas, especialmente la función de evasión de jamming. En el sistema real una vez detectado el jamming, el emisor cambiaría su frecuencia central de trabajo con el fin de escapar del ataque. En este modelo los sistemas se han simulado en banda base de modo que no es posible aplicar este cambio de frecuencia. Para simular los efectos que tendría dicha defensa se ha creado un bloque que desactiva el jamming una vez es detectado (simulando así el cambio en frecuencia) y que lo vuelve a activar pasado un tiempo t (recreando lo que sería un reenganche del jamming a la nueva frecuencia). Dicho parámetro t es configurable a través de la máscara del bloque de jamming. Para consultar el funcionamiento interno de estos bloques recurrir al anexo E. 5.3.2 Redundancia frecuencial La segunda mejora planteada en el diseño es la redundancia en frecuencia. Como se ha comentado al comienzo de este capítulo el enlace se simula en banda base. Por eso, para poder simular el sistema con redundancia frecuencial se han creado dos enlaces diferentes que parten de un mismo transmisor. Cada uno de los enlaces posee todos los bloques que se encuentran en el sistema con una sola frecuencia. En la figura 28 se puede observar la forma del sistema completo con la redundancia en frecuencia. La diferencia más significativa se encuentra tras la recepción individual. A la derecha del modelo está el voter frecuencial. Este sistema se encarga de analizar la información que se posee acerca del enlace en cada frecuencia (SNR y existencia 5. Modelado 45 de jamming) y seleccionar la información que ha sido transmitida por la frecuencia más fiable. El criterio de selección de la frecuencia se realiza de acuerdo con los criterios expuestos en la tabla 1 en la sección 4.5.2. 5.3.3 Redundancia en tiempo y datos Otra de las mejoras que se han planteado es la redundancia en tiempo y datos, la cual es un código de repetición de ratio 1/3. Dicha repetición se aplica (como se ha comentado en el apartado 5.1.1) en el bloque de codificación de canal y posteriormente en el receptor, concretamente en el bloque de decodificación, se deshace la repetición mediante un voter que toma los 3 bits recibidos en paralelo y elije el valor más probable (es decir, aquel valor presente en al menos 2 de los bits). De esta manera la probabilidad de error en el bit queda representada por la ecuación 3. 𝑃!=𝑃!!𝑃!!𝑃!!+𝑃!!!𝑃!!𝑃!!+𝑃!!𝑃!!𝑃!!+𝑃!!𝑃!!𝑃!! (3) Donde Pb representa la probibalidad de error en el bit total, 𝑃 !! la probabilidad de error en el bit i (i=1, 2, 3) en el enlace sin código de repetición y 𝑃 !! la probabilidad de que el bit i posea el valor correcto. Suponiendo las probabilidades de error en el bit independientes e iguales podemos reescribir la ecuación 3 como: 𝑃!=𝑃!! !+3𝑃!!𝑃!! ! (4) En la ecuación 4 se puede observar la mejora que implementa el código. La figura 27 representa la ecuación 4 de forma gráfica junto con los resultados obtenidos en las simulaciones. Figura 27: Mejora en el BER aportada por la redundancia. Curvas teóricas y simlada. 5. Modelado 46 Figura 28: Modelo del sistema con redundancia en frecuencia 6. Resultados 47 6. RESULTADOS En este apartado se van a presentar y discutir los resultados obtenidos en las simulaciones. Tras la validación del sistema comentada en el capítulo anterior, en este capítulo se expondrán únicamente los resultados más interesantes para los objetivos del presente proyecto. Los objetivos buscados con las simulaciones son: • Comprobar el BER alcanzado con el sistema en estado normal (sin ataques), para dos canales (AWGN y Rayleigh con fading plano). • Comprobar el BER alcanzado cuando el sistema sufre un ataque, en dos canales (AWGN y Rayleigh con fading plano). • Detectar el jamming más perjudicial para el sistema. • Comprobar el comportamiento de la defensa basada en radios cognitivas en presencia del ataque más destructivo. • Comprobar la mejora introducida por la redundancia en frecuencia para ambos canales (AWGN y Rayleigh con fading plano). Para testear dichos objetivos se presentan las siguientes simulaciones: • Comportamiento del sistema monofrecuencia en un canal AWGN sin presencia de jamming.! • Comportamiento del sistema monofrecuencia en un canal Rayleigh con fading plano sin presencia de jamming.! • Comportamiento del sistema (sin sistemas de defensa) en un canal AWGN en presencia de jamming. 6. Resultados 48 • Comportamiento del sistema (sin sistemas de defensa) en un canal Rayleigh con fading plano en presencia de jamming. • Comportamiento del sistema con evasión de jamming en un canal AWGN en presencia del jamming más destructivo. • Comportamiento del sistema con evasión de jamming en un canal Rayleigh con fading plano en presencia del jamming más destructivo. • Comportamiento del sistema con redundancia en frecuencia en un canal AWGN y sin jamming. • Comportamiento del sistema con redundancia en frecuencia en un canal Rayleigh con fading plano y sin jamming Las simulaciones se han realizado con los parámetros mostrados en la tabla 4. Canal AWGN Canal Rayleigh con fading plano No jamming Jamming 2 frecuencias No jamming Jamming 2 frecuencias Rango Eb/No (dB) 0-10 0-20 0-10 10-25 10-25 10-20 Max. Bits transmitidos 108 108 108 109 109 109 Max. Bits erróneos 103 5x103 103 5x105 5x105 5x105 S/J (dB) 10 10 10 10 10 10 Tamaño de la media 15 15 15 15 15 15 Tiempo de reenganche del jammer - 400 mensajes - - 400 mensajes - Tabla 4: Relación de parámetros usados en las simulaciones En la figura 29 se presenta los resultados pertenecientes a las simulaciones en un canal AWGN obtenidos con un sistema monofrecuencial y con el sistema con redundancia en frecuencia. Se puede observar que el sistema alcanza el BER requerido de 10-6 con una relación señal a ruido por bit (Eb/N0) de aproximadamente 6 dB. También se observa 6. Resultados 49 que la mejora introducida por la redundancia en frecuencia es casi inapreciable. Esto se debe a que ambas frecuencias poseen la misma SNR y no hay variaciones en el canal, por tanto la elección de una u otra frecuencia no aporta prácticamente ninguna mejora. Si denominaos Pb a la probabilidad de error en el bit, podemos afirmar que para el caso de 2 frecuencias: 𝑃!=𝑃!!𝑃𝑆𝑁𝑅!>𝑆𝑁𝑅!+𝑃!!𝑃(𝑆𝑁𝑅!>𝑆𝑁𝑅!) (5) Donde 𝑃!! representa la probabilidad de error en la frecuencia i (i=1,2). Si asumimos que la probabilidad de que P(SNRi>SNRj)=0.5, puesto que ambos canales son iguales, y que 𝑃!!=𝑃!! ya que ambos enlaces poseen la misma Eb/N0. La ecuación (5) se puede reescribir como: 𝑃!=𝑃!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!𝑖=1,2 (6) De esta última ecuación se desprenede que el uso de dos frecuencias no aporta ninguna mejora en un canal AWGN (tal y como se muestra en la figura 29). Para realizar estas igualdades se ha asumido que Pbi y P(SNRi>SNRj) son independientes y constantes. La probabilidad de error en el bit tiene una relación directa con la SNR. Si bien, en el caso que nos ocupa las variaciones de SNR son mínimas y no varían apenas la probalidad de error para una Eb/N0 dado, lo que nos permite considerar Pbi constante. Figura 29: Resultados arrojados por el modelo monofrecuencial y con redundancia en frecuencia para un canal AWGN sin jamming 6. Resultados 50 La siguiente figura (figura 30) muestra los resultados obtenidos por la simulación del sistema en un canal Rayleigh con fading plano. a) b) Figura 30: Resultados para canales Rayleigh con fading plano. En la figura a) se representan los resultados del sistema monofrecuencial. En la figura b) se encuentran los resultados para un sistema con redundancia en frecuencia. Comparando la figura 30.a con la figura 19, se puede ver que añadir los códigos de corrección de errores no aporta una mejora al BER, esto se debe a que los fadings son mucho más largos que la longitud del paquete (figura 31). Esto implica que el paquete que se transmite durante un fading profundo no es demodulado correctamente y la redundancia que añade el código convolucional solamente empeora el BER. En la figura 30 también se representa la mejora en el BER obtenida por la redundancia en frecuencia. En la simulación del sistema con dos frecuencias, se han querido considerar los efectos del canal independientes y diferentes para cada una de las frecuencias, por eso para el enlace en la frecuencia 1 se ha simulado el mismo canal en el caso del sistema simple, pero para el segundo enlace se han disminuido la frecuencia y aumentado la duración de los fadings (figura 31). Fácilmente se puede observar que la redundancia en frecuencia introduce una notable mejora en el BER obtenido. Como se observa en la figura 31, debe haber un fading simultáneo en ambas frecuencias para que se produzcan errores en la transmisión. Los siguientes resultados que se presentan reflejan el comportamiento del sistema (sin mecanismos de defensa, a excepción del código de repetición) en presencia de los diferentes jammings. El objetivo de esta simulación es no solo estudiar el BER obtenido sino además localizar que tipo de jamming es el más peligroso. Dichos resultados se pueden observar en la figura 32. 6. Resultados 51 Figura 31: Variaciones de los canales para ambas frecuencias. En la figura 32.a se puede observar que para un canal gaussiano el jamming más peligroso para Eb/N0>8 dB es el jamming de banda parcial. En la gráfica se puede ver que las curvas de BER tienen forma asintótica. Esto se debe a lo comentado en el apartado referido al canal del capítulo 5, donde se explicaba que aumentar Eb/N0 indefinidamente no mejora el BER debido a que la relación S/J se mantiene constante. a) b) Figura 32: Comportamiento del sistema en presencia de jamming. La figura a) arroja los resultados correspondientes a un canal AWGN, b) se corresponde con un canal Rayleigh En presencia de jamming se puede afirmar que: 6. Resultados 52 𝑆 𝑁= 𝑆 𝑁!+𝐽 (7) Donde J representa la potencia del jammer. Por tanto si asumimos que para valores de Eb/N0 altos, el valor de N0 disminuye hasta cumplir que: N0<<J. Podemos aproximar la ecuación 7: 𝑆 𝑁= 𝑆 𝐽 (8) Si tal y como se ha explicado anteriormente ni S ni J varía al aumentar Eb/N0, es de esperar el resultado asintótico de las figuras 32.a. Para el caso de un canal Rayleigh (figura 32.b) se puede ver que los jammings más efectivos son: el jamming de banda ancha, el jamming multitono y el Smart jamming (o jamming inteligente). Estos tres jammings son tan efectivos en el canal Rayleigh porque atacan todo el ancho de banda de la señal, esto quiere decir que atacan los símbolos de entrenamiento que controlan la estimación del canal, punto débil de la transmisión OFDM. El siguiente paso es simular las defensas frente al jamming implementadas. En la figura 33 puede verse el BER que se obtiene cuando el sistema usa la defensa basada en la detección y evasión del jamming. El sistema se simula de manera que el jammer tarda 400 tramas en reengancharse a la nueva frecuencia. Como era de esperar el BER mejora sustancialmente, de igual manera que pasaba antes, el resultado es asintótico, puesto que los errores que se producen debidos al jamming siempre están ahí. Hay que destacar los escalones que se forman en la curva de BER, dicho escalones se deben al sistema de detección. Figura 33: BER obtenido en un sistema con evasión de jamming y un canal AWGN. El jamming simulado fue un jamming de banda parcial y el tiempo de reenganche del jammer fue de aproximadamente 9.3 ms. 6. Resultados 53 Como se observa en la figura 34 el sistema calcula un valor de “difference mean” en el que en parte de sus tramas el jamming ya estaba activo. Si los valores de diferencia son los bastante grandes como para hacer que la media supere el umbral el jamming será detectado en ese instante, sino el sistema detectará el jamming tras la siguiente ventana de 15 tramas. Los valores de la variable diferencia aumentan cuanto más grande es el Eb/N0 simulado (como se puede observar en la figura 26). Por eso el mejor caso (en el que el sistema se detecta el jamming en la primera ventana) aparece para valores más altos de Eb/N0. Como se ha comentado anteriormente el número de errores es quasiconstante y depende del tiempo en el que el jamming está activo, si ese tiempo disminuye porque el jamming es detectado antes, entonces el BER disminuye. Figura 34: Proceso de evasión de jamming donde se muestra que un valor de la media da un valor menor que el umbral aún cuando el jamming está activo. Es importante constatar el hecho de que el sistema de evasión transforma el jamming en un jamming pulsado de longitud igual al tiempo que tarda el sistema en detectar el jamming. En esta situación la probabilidad de error en el bit responde a la ecuación (9): 𝑃 !=𝑃 !𝑃 !!+𝑃 !"#$𝑃 !!"#$ (9) Donde definimos cada parámetro como: 𝑃 !: Probabilidad de que exista jamming 𝑃 !!: Probailidad de error en el bit en presencia de jamming 𝑃 !"#$: Probabilidad de que no exista jamming 𝑃 !!"#$ : Probabilidad de error en el bit sin jamming Si en la ecuación (9) hacemos el cambio: Bibliografía 60 Constantinou Philip, "Propagation Measurements inside a B737 Aircraft for In-Cabin Wireless Networks," Mobile Radiocommunications Laboratory, Natiaonal Technical University of Athens,. [16] Núria Riera Díaz and Juan E. Jiménez Esquitino, "Wideband Channel Characterization for Wireless Communications inside a Short Haul Aircraft," German Aerospace Center (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany,. [18] International air transport association. www.iata.org. 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