空中ネットワーキング

空中ネットワーク( AN ) は、米国空軍が所有するインフラストラクチャであり、飛行可能なプラットフォーム上にある少なくとも 1 つのノードを通じて通信トランスポートサービスを提供します。

背景

定義

米空軍の空中ネットワークの目的は、グローバル情報グリッド（GIG）を拡張し、航空、宇宙、地上の3つの主要な戦争領域を接続することです。変革衛星通信システム（TCS）ネットワークは現在、宇宙資産を介したすべての通信の接続を提供しています。戦闘情報輸送システム（CITTS）と戦域展開通信（TSC）は、戦域ベースの作戦のための地上接続を提供しています。空中ネットワークは、すべての空中資産を活用して宇宙および地上ネットワークに接続し、すべての領域にわたるシームレスな通信プラットフォームを構築するように設計されています

機能

この種のシステムによって特定される機能は、現在の軍隊の能力をはるかに超えています。このシステムにより、空軍は、その地域内のあらゆる空中、宇宙、地上の資産と通信できるほど柔軟な可搬型ネットワークを提供できるようになります。このネットワークは、指定された戦闘空間内外に梱包して移動できる見通し外（LoS）通信インフラを提供し、軍隊が世界中に広がる信頼性と安全性に優れた通信ネットワークを持つことを可能にします。このネットワークは、特定の地域、任務、または技術に適した通信およびネットワークパッケージを提供できるほど柔軟に設計されています

運用面では、ANは自己形成、自己組織化、自己生成するように設計されており、ノードは特定の地域に出入りする際にネットワークに参加したり離脱したりします。ネットワークは、専用戦術リンク、広帯域空対空リンク、そして統合戦術無線システム（JTRS）ネットワークサービスによって構築されるアドホックネットワークで構成されています。JTRSは、既存の多くの軍用および民間の無線と連携するソフトウェア定義無線です。モバイルアドホックネットワークを構築するための暗号化機能と広帯域ネットワーキングソフトウェアが統合されています。また、システムパフォーマンス分析と障害診断を自動的に行うため、人的介入やネットワークメンテナンスの必要性が軽減されます。

使用目的

ANは、ネットワーク中心戦として知られる新しい軍事教義の基礎として設計されました。この教義は、情報優位性を利用して戦闘員により正確な情報を提供し、指揮官と射撃手がより迅速かつ賢明な意思決定を行えるようにするために開発されました。ANは、指揮官が空中および地上の戦闘員にリアルタイムの情報を提供できるようにすることで、ネットワーク中心戦に貢献します。戦闘員はより多くの情報を活用し、特定の状況でどのように行動するかについて、より知識に基づいた意思決定を行うことができます。行動が実行されると、指揮官は結果に関する即時の情報を得て、どのように継続するかを判断することができます。全体として、ANは標的の識別、引き金を引くかどうかの明確かつ知識に基づいた意思決定、そして戦闘の評価に必要な時間を短縮するために設計されました

トポロジ

導入される主要なネットワークトポロジは4つあり、バックボーンとサブネットクラスのネットワークの配置によって異なります

宇宙、空中、地上テザー

他の航空機または地上ノードへの直接接続を確立することをテザリングといいます。これは、見通し内のノードの場合はポイントツーポイントリンク、見通し外のノードの場合は衛星通信（SATCOM）リンクを介して行われます。SATCOMリンクは、ネットワークの地上エントリポイントへの接続を提供します。AWACSなどのC2航空機に随伴する攻撃機は、ポイントツーポイントリンクを介してテザリングされます。さらに、C2航空機または情報監視偵察（ISR）航空機は、 LOSリンクを介してネットワークの地上エントリポイントに直接接続できます。これらのテザリング方式はそれぞれ、大規模ネットワークへのエントリポイントを持ち、接続されたユーザーがそのネットワークにアクセスできるようにするハブまたはスイッチとまったく同じように機能します。

フラットアドホック

フラットなアドホックトポロジとは、特定の時点で存在するANノード間で、必要に応じて非永続的なネットワーク接続を確立することを指します。このネットワークでは、ノードは相互接続可能な他のノードを動的に「発見」し、ネットワークを形成します。ノード間の具体的な相互接続は事前に計画されるのではなく、機会に応じて確立されます。ノードはネットワークに自由に参加・離脱し、位置とモビリティ特性に基づいて隣接ノードとの接続を継続的に変更します。

階層型アドホック

アドホックネットワークは、前述のように、すべてのノードが単一のネットワーク内で互いにピアであるという意味でフラットに構成することも、よりローカルなサブネット間でデータを移動するために上位層が使用されるように、階層的な層に動的に構成することもできます。このネットワークトポロジは、ルーター、スイッチ、ハブを使用してユーザーを一時的に接続する従来のネットワークと比較できます

永続的バックボーン

永続的バックボーンを特徴とするネットワークトポロジーは、比較的安定した軌道を飛行する高価値プラットフォーム間の比較的永続的な広帯域接続を使用して確立されます。バックボーンに対してエッジネットワークと見なされる戦術的サブネット間の接続を提供します。これにより、宇宙バックボーンと地上ネットワークへの接続の集中ポイントが提供されます。このタイプのネットワークトポロジーは、ユーザーを接続するための確立されたデータトランク、ルーター、スイッチ、ハブを備えた従来の永続的なネットワークに匹敵します

アーキテクチャ

ネットワーク管理

プラットフォーム管理システムにより、オペレーターは機内ネットワークのすべての要素を管理できます。このシステムは、機上ネットワーク管理システムと連携して相互運用し、オペレーターが機上ネットワーク内のリモートネットワーク要素を管理できるようにします。ネットワーク管理システムは、ネットワークの障害や遅延を受動的にテストすることで、ネットワークの健全性を監視します。また、プローブを使用して障害を能動的にトラブルシューティングし、障害のある接続を特定して分離します。さらに、オペレーターはネットワークの状態に基づいて、すべてのシステムにネットワークパラメータとセキュリティの変更を適用できます

ルーティング/スイッチング

ルーティングとスイッチングにより、ネットワークを介してデータを他のノードに動的に送信できます。ルーティングプロトコルは、現在のトポロジに関係なく、自身のプラットフォーム内で送信されるノードと、他のプラットフォームに送信されるデータを識別できる必要があります。また、ルーティングプロトコルは、ノードがネットワークへの接続ポイントを変更してもルーティングされたパケットが失われないようにすることで、シームレスなローミングを提供する必要があります。ネットワークは常に変化するため、ルーティングではスケーラビリティの維持が重要です。ネットワークは、多様なレベルのプラットフォーム、変化する数の高速移動プラットフォーム、そしてプラットフォームごとの変化するトラフィック量に対応できる必要があります。ルーターとスイッチは、データをルーティングする際にメトリックを使用して最適なパスを決定します。ANで使用されるルーティングプロトコルは、適応型サービス品質（Adaptive Quality of Service）ルーティングプロトコルです。

ゲートウェイ/プロキシ

ゲートウェイとプロキシは、 IPベースのネットワークを介して通信するために、年齢に関係なく様々な技術タイプを接続することを可能にします。各ドメインで通信に非常に多くの異なる技術が使用されているため、ゲートウェイとプロキシはこのネットワークの運用に不可欠です。これらのシステムは、従来の機内インフラストラクチャ、伝送システム、戦術データリンクシステム、およびユーザーアプリケーションを、目的の航空機ネットワークシステムに移行するのに役立ちます。したがって、すべてのプラットフォームが伝送に標準化されたIP無線を使用するまでの一時的なものです

パフォーマンス向上プロキシ

パフォーマンス向上プロキシは、帯域幅の制限、長い遅延、高い損失率、ネットワーク接続の中断など、無線ネットワークの障害に対処することで、Airborneネットワーク上で実行されるユーザーアプリケーションのパフォーマンスを向上させます。プロキシシステムは、ユーザーアプリケーションとネットワークの間に実装され、 OSI参照モデルのアプリケーション層とトランスポート機能層のパフォーマンスを向上させるために使用できます。採用できる技術には、以下のものがあります

圧縮: データ圧縮またはヘッダー圧縮を使用すると、ネットワーク経由で送信されるビット数を最小限に抑えることができます。
データバンドル: 小さなデータパケットを 1 つの大きなパケットに結合 (バンドル) して、ネットワーク経由で送信できます。
キャッシュ: ローカルキャッシュを使用すると、複数回要求されるデータオブジェクトを保存して提供できるため、ネットワーク経由の転送が削減され、応答時間が改善されます。
ストアアンドフォワード：メッセージキューイングは、ネットワークから切断されたユーザーや一定期間ネットワークに接続できないユーザーへのメッセージ配信を確実にするために使用できます。プラットフォームが接続すると、保存されたメッセージが送信されます。
パイプライン: 複数の個別のネットワーク接続を開く代わりに、パイプラインを使用して、複数のデータ転送に単一のネットワーク接続を共有できます。
プロトコルの合理化: キャッシュ、スプーフィング、バッチ処理を組み合わせることで、接続の確立と切断、およびデータの受信確認のための送信回数を最小限に抑えることができます。
翻訳: 翻訳を実行すると、特定のプロトコルまたはデータ形式を、ワイヤレス環境向けに開発されたより効率的なバージョンに置き換えることができます。
埋め込み確認応答: 確認応答を、ネットワークを通過するパケットの数を減らすために、より大きな情報伝送パケットのヘッダーに埋め込むことができます。

プラットフォームのカテゴリー

特定の航空機資産または通信機器のクラスを分類するために、すべての航空機は3つの主要なカテゴリーに分類されます。これらのカテゴリーは、航空機が通常実行する任務の種類によって決定されます。また、機体に装備できる機器の種類に基づいて、航空機は各カテゴリーに分類されます。以下の各セクションでは、これらの3つの主要なカテゴリーについて概説します

戦闘機プラットフォーム

空中戦闘機プラットフォームの飛行プロファイルには、安定した飛行パターンと高速での動的機動が含まれます。比較的小型であるため、アンテナの設置や機器の設置に利用できるスペースが限られています。ストライクパッケージまたは戦闘空中哨戒（CAP）の一部として使用されます。ストライクパッケージまたはCAPには、支援用の空中C2およびISRプラットフォーム、タンカー（給油）プラットフォーム、地上C2プラットフォームが含まれます。各空中戦闘機プラットフォームは、他のすべてのストライクパッケージまたはCAPおよび支援プラットフォームとの接続が必要ですが、情報の大部分は空中戦闘機プラットフォーム間で交換されます。これは主に、高度に移動性の高い環境における頻繁な状況認識とターゲットソーティングの更新の必要性によって推進されています。パイロットには、リアルタイムデータ、デジタル音声、インタラクティブデータ共有などのサービスが提供されます

空中戦闘機プラットフォームは、テザード型とフラット型の両方のアドホック・ネットワーク・トポロジーに参加します。テザード型トポロジーは、主に空中戦闘機プラットフォームと支援要素間のリーチバックおよび転送に使用されます。フラット型アドホック・トポロジーは、ストライク・パッケージ（CAP）内の空中戦闘機プラットフォーム間で、より頻繁な情報交換に使用されます。図は、戦闘機プラットフォームをサポートするための最小限の機器要件を示しています。

C4ISRプラットフォーム

C4ISRプラットフォームの飛行プロファイルには、経路飛行期間と安定した飛行パターンの繰り返しが含まれます。比較的大型であるため、アンテナの設置や重要な通信機器の設置のためのスペースを確保し、複数のミッションクルーの機能を収容できます。通信オペレーターを含む最大 34 人のミッションクルーを収容できます。C4ISR プラットフォームのミッションアプリケーションとセンサーは、複数の機能とミッションタイプをサポートします。1 機の航空機とクルーによるミッション継続時間は最長 12 時間で、空中給油により24 時間まで延長できます。これらのプラットフォームは、多くの場合、地上インフラの見通し外で運用され、スタンドアロンとして、またはストライクパッケージや CAP の一部としてストライクパッケージをサポートするために使用できます。C4ISR 機は、他の C4ISR 機とピアツーピアで接続するため、または戦闘機プラットフォーム機を接続するハブとして機能するために、幅広い接続機能を必要とします。C4ISR 機によって提供されるサービスには、リアルタイムデータ、音声、ビデオ、バルクデータ転送、インタラクティブデータなどがあります。

C4ISRプラットフォームは、テザー型と階層型アドホック型の両方のネットワークトポロジーに参加します。テザー型トポロジーは、主にC4ISRプラットフォーム、地上戦域航空管制システム、およびストライクパッケージ（CAP）航空機間のリーチバックおよび転送に使用されます。階層型アドホック型トポロジーは、C4ISRプラットフォームとストライクパッケージ（CAP）内の空中戦闘機プラットフォーム間で使用されます。図は、C4ISRプラットフォームの運用に必要な最低限の機器要件を示しています。

空中通信中継プラットフォーム

航空通信中継プラットフォームの飛行プロファイルには、経路飛行期間と安定した飛行パターンの繰り返しが含まれます。ワイドボディ機は比較的サイズが大きいため、理論的にはアンテナの取り付けや重要な通信機器の設置に利用できるスペースが確保されます。UAV は滞空時間が長く高度が高いため、広範囲の空中および地表をカバーでき、衛星への光路も良好です。航空通信中継プラットフォームの使命は、C4ISR コンステレーションやストライクパッケージ、CAP の一部として、またはこれらをサポートするために採用することです。通信中継プラットフォームは、ストライクパッケージ、CAP 航空機、C4ISR プラットフォーム、および範囲拡張やインターネットワーキングを必要とする地上戦域航空管制システムプラットフォーム間の接続を提供し、情報の相互運用性を確保します。通信中継プラットフォームに必要なサービスには、リアルタイムデータ転送、音声、ビデオ、バルクデータ、インタラクティブデータ転送などがあります。

空中通信中継プラットフォームは、テザー型と階層型アドホック型の両方のネットワークトポロジーに参加します。テザー型トポロジーは、主にC4ISRプラットフォーム、地上戦域航空管制システム、およびストライクパッケージ（CAP）航空機間のリーチバックおよび転送に使用されます。階層型アドホック型トポロジーは、C4ISRプラットフォームとストライクパッケージ（CAP）内の空中戦闘機プラットフォーム間で使用されます。図は、通信中継プラットフォームの運用に必要な最小限の機器要件を示しています。

課題

現在の技術制約

この文書で説明されているANが実現するまでには、多くの課題が待ち受けています。現在、多くの課題は、すべての航空機に搭載されているレガシーシステムの航空電子機器にあります。最大の障害は帯域幅の不足です。航空機システムにさらに多くの光学系が統合されるまで、このシステムはデータ転送速度と遅延において遅れをとることになります。この問題を解決するために研究されている技術の1つは、海軍が航空機センサースイートの通信を管理するための高度に統合されたフォトニクスの研究です。この技術は光ファイバー上で無線周波数を伝送するもので、現在EA-6Bプラウラー電子戦ジェット機に統合されています

このネットワークのセキュリティは、もう一つの大きな障害です。目標は、システムへの妨害や傍受の可能性を低くすることです。システムを保護するための様々なアイデアが検討・検証されています。生体認証、暗号トークン、統合型公開鍵基盤（PKI）といった従来の認証・認可手法が用いられています。

市販の既製品

市販の既製品（COTS）は、極めて大きなエンジニアリング上の課題を生み出します。アプリケーションの柔軟性を提供し、生産コストを節約する一方で、様々なアプリケーションへの適応は非常に困難です。軍事研究者が60年代に設計された偵察機に民間のL-3無線とFPGA技術を統合する作業を進めているため、COTSを本来の設計目的とは異なるアプリケーションに導入することは、依然として大きなエンジニアリング上の課題となっています

帯域幅

空軍のAN（交信網）をサポートする帯域幅は現在存在しません。旧式の技術によって十分な帯域幅が解放されるかどうかは、時が経てば分かるでしょう。そのため、データ圧縮のより良い方法を開発し、現在利用可能な帯域幅をより効率的に活用する方法を開発するという課題が生じています。ノースロップ・グラマンが開発した暫定的な解決策の一つが、Dialup rate IP over existing radios（DRIER）です。DRIERにより、航空機または地上の戦術ユーザーは、既存の狭帯域見通し内または見通し外UHF通信リンクを使用して、Joint STARSプラットフォームからミッションクリティカルなデータを選択し、直接ダウンロードすることができます。ユーザーは中継ポイントとしても機能し、ミッション軌道に進入する航空機と離脱する航空機間で重要なハンドオーバー情報を提供することができます。

参考文献

USAF空挺ネットワーク特別利益団体ANアーキテクチャのための空挺ネットワークアーキテクチャ本部ESC/NII 、2004年

エアボーンネットワーキングケネス・ストランクマイターコーポレーション[1]、2004

航空機ネットワークの課題ベン・エイムズ、ミリタリー・アンド・エアロスペース・エレクトロニクス・マガジン航空機ネットワークの課題、2004年