다음은 서적 "Introduction to Communication Warfare Systems"에서 얘기하는 전자 공격에 대한 2부로서 아날로그 통신과 디지털 통신 재밍의 특징 그리고 통신 재밍에 사용되는 기법들에 대해 알아본다.
아날로그 통신
재머 전력의 양은 사용되는 변조의 형태에 따라 달라진다.
몇몇 변조 타입은 쉽게 재밍을 할 수 있다.
예를 들면 AM이나 FM의 아날로그 음성은 대부분의 디지털 통신보다 더욱 큰 재밍 전력을 요구한다.
FM 잡음 신호와 함께 고출력의 캐리어 신호를 변조하는 것은 아날로그 통신 재밍을 위한 오래된 방법이다.
이는 FM 표적에 대한 가장 최적의 파형이다.
이러한 표적들은 VHF 대역에서 사용된다.
FM 통신은 수신기에 두 개의 동일 주파수의 신호가 들어올 때에 더 강한 신호가 수신기를 점유하여 약한 신호는 거의 완벽히 제거된다는 임계치 효과가 있다는 것은 오래전부터 알려져 왔던 사실이다.
신호 중 재머 신호가 FM 변조와 함께 존재하면 동일한 효과를 일으킨다.
따라서 이러한 시스템은 다른 신호보다 전력만 높으면 수신기를 방해할 수 있을 것이다.
이러한 영향은 AM 시스템에도 동일하다.
다음의 그림은 J/S대 articulation index를 나타낸다.
Articulation index의 0.3 이하는 받아들일 수 없는 성능이고 0.3 부터 0.7은 일반적 수준의 성능이며 0.7 이상은 받아들일 수 있는 성능이다.
위 그래프에서 보면, FM -6dB나 이보다 높은 J/S 에서는 송신 방해가 적절하게 이뤄졌다고 볼 수 있다.
이 부분은 그래프에서 articulation index가 약 50% 정도 된다.
이와 동일한 위치는 AM에서는 약 -15dB 정도이며 FM 보다는 방해에 대한 내구성이 좀 떨어지는 것을 볼 수 있다.
다른 형태의 변조가 효과적일 수도 있으나 잡음에 의한 FM은 나쁜 선택은 아니다.
물론 만약 재밍을 해야하는 신호의 정확한 파형을 알고 있다면 표적에 최적화된 파형을 설계할 수 있을 것이다.
그러나 이러한 경우는 흔하지 않다.
디지털 통신
디지털 통신 시스템의 한 가지 설계 기준은 운용되는 환경에서의 BER(Bit Error Rate)이다.
이론적으로는 만약 BER이 이 레벨보다 높게 되면 통신 저하가 발생하며 보통 처음에는 정보 전송이 늦어지는 형태로 시작된다.
만약 BER이 충분히 높으면 정보 교환이 불가하게 된다.
디지털 신호는 높은 BER을 생성하기 위해서 재밍이 연속적으로 되는 것이 필요치 않다.
BER 0.5는 적당한 신호 레벨을 가지면서 연속적으로 방송되는 디지털 신호에 오직 50% 시간 동안만 재밍이 가해져도 만들 수 있다.
그래서 디지털 통신 신호에서의 정보 방해는 아날로그 신호에서보다 쉽다는 결론을 낼 수 있다.
게다가 디지털 통신에 대한 전형적인 재밍 기법은 완전히 포화되는 구간에 정보를 실은 전송 채널을 인가할 수 있다.
누군가는 정보가 통과할 수 없도록 가짜의 데이터를 채널에 넣고 싶을 수 있으며 최소한 유효한 정보의 전송 속도를 느리게 할 수 있다.
가짜의 데이터 속에서 유효한 정보를 구분하는 것은 쉽지 않기 때문에 대부분의 컴퓨터는 이러한 넘치는 데이터에 취약하다.
탱크 대대의 위치 좌표에 대한 유효하지 않은 보고는 시스템이 탱크 대대와 이들의 위치를 탐지하는데 어려움을 준다.
이것은 정보 시대의 하나의 단점이다.
컴퓨터가 단지 데이터를 처리하지 않고 추론을 하지 않는 한 취약할 수밖에 없다.
더 높은 수준의 잡음과 간섭, 그리고 재밍에 견디기 위해 디지털 신호에 채널 코딩이 사용될 수 있다.
코딩은 BER이 이미 꽤 낮은 상태(예를 들면 10-3 이하)의 경우에 적용한다.
BER 레벨이 10-1에서는 가장 단순한 코딩 형태에 의해서는 어떠한 보호도 되지 않는다.
코드화되지 않은 BER은 채널 BER과 유사하다.
그러나 어떠한 재밍 기법에도 대응이 충분한 코딩을 적용한다면 이미 너무 많은 코딩으로 인해 사실상 정보 처리량이 없게 된다.
협대역 / 부분대역 재밍
개별 주파수를 갖는 표적에 대해서는 협대역 재머가 사용될 수 있다.
재머는 표적 통신 망에서 사용되는 주파수에 강한 잡음 신호를 방사한다.
이는 재머의 높은 전력을 통신 수신기에 인가하기 위함이다.
이러한 기법은 standoff 재머에서 우군의 피해를 줄 수 있는 barrage 재머와 다르게 우군 피혜를 최소화하려 할 때에 사용된다.
이러한 형태의 재머는 DSSS 표적에 또한 효과적일 수 있다.
IS-95 셀룰러 라디오 표준과 같은 DSSS 통신 시스템들은 수신기가 근처에 있는 강한 신호에 민감하게 반응한다.
이는 소위 near-far 문제라 불리는 DSSS 시스템의 태생적인 문제이다.
만약 적절한 전력의 협대역 신호가 수신기 근처에 있다면 수신기 내의 재밍 마진은 극복될 수 있으며 수신기에서는 신뢰할 수 없는 효과가 발생한다.
광대역의 송신기와 안테나를 활용하여 동시에 한 개 이상의 표적 신호에 재밍을 가할 수 있다.
이러한 기법은 전력 공유를 수반한다.
하나의 exciter는 재밍할 주파수를 결정하기 때문에 이러한 신호를 위한 각각의 exciter가 필요하다.
신호 재밍을 위한 전력은 공통의 전력 증폭기를 통해서는 이론적으로 재밍을 할 신호의 숫자 제곱에 비례하여 줄어든다.
그러나 실제적으로는 전력 증폭기의 출력단에서의 mismatch로 인해 재밍할 신호 숫자에 제곱의 비례보다 더 빠르게 전력이 줄어든다.
게다가 이러한 기법은 각 재밍 신호를 위한 증폭기의 출력단에 구분된 튜닝 필터가 없이 재밍 주파수로 튜닝하는 전력 증폭기라면 동작하지 않는다.
하나 이상의 선호를 거의 동시에 재밍을 하기 위해서 시간-배분을 통한 재머를 활용하는 것이 가능하다.
신호를 인식할 수 없게 하기 위해서 신호 통과를 100% 차단할 필요는 없다.
앞에서도 언급했듯이 아날로그 음성 통신의 ⅓ 정도를 방해하면 메시지를 이해하는 것을 막기에 충분하다.
그리고 100개 중 1 비트를 방해하면 전략 디지털 통신 시스템에서는 통신을 방해할 수 있다.
따라서 충분히 빠르게 주파수를 변경할 수 있는 exciter는 동일한 재머 하드웨어를 가지고 세 개의 아날로그 신호를 방해할 수 있다.
디지털 신호에 대해서는 아마도 100개의 표적에 대해 동시에 통신을 방해할 수 있을 것이다.
그러나 이러한 시간-분배 기법에서도 재머의 활용도를 최대화하기 위해서는 look-through가 여전히 필요하다.
만약 전력 증폭기의 출력이 최대가 될 때에 exciter는 빠르게 주파수를 변경해야만 한다.
이러한 고출력 필터의 튜닝은 매우 어려운 일이다.
Barrage 재밍
Barrage 재머는 UAV 탑재 재머로서 좋은 후보이다.
UAV에 탑재된 재머는 우군의 통신보다 훨씬 더 가깝게 적에 접근하며 재머 효과 반경 내에서 완벽하게 통신을 방해한다.
일반적으로 통신 스크리닝을 위해 barrage 재머가 사용된다.
이는 아마 우군의 통신 대역 전체를 포함할 만큼 넓은 주파수 범위일 때에 스크리닝 재머에서 방사된다.
이 재머는 반드시 우군의 통신 시스템보다 적의 ES/SIGINT 시스템에 훨씬 더 가까워야 하며 그렇지 않으면 재머는 우군의 통신 시스템을 방해하게 된다.
이러한 재밍을 생성하는 한 가지 방법은 1 MHz와 같이 상대적으로 좁은 신호를 잡음과 함께 캐리어 주파수로 변조하여 생성한다.
이 신호는 이후 1 MHz 단계로 연속적으로 만들어지고 각 단계는 어느 정도의 시간 동안 유지된다.
예를 들면 1 ms 정도 유지된다.
서로 다른 다양한 순시 대역폭을 갖는 재머에 있어서 심볼 에러를 발생시키는 확률을 계산한 결과는 다음의 그림과 같다.
전략적인 목적으로 설계된 장비의 BER이 10-2 정도 된다.
그렇기 때문에 이보다 높은 BER을 만들면 성공적인 재밍이라 할 수 있다.
그림에서 보면 순시 대역폭이 5 MHz이고 J/S가 -5 dB 이면 이것이 가능하고 이는 UAV에 탑재된 재머에서는 비교적 쉽게 구현할 수 있다.
그렇기 때문에 위 예에서 볼 수 있듯이, 통신의 방해는 비교적 낮은 J/S에서 가능하다.
만약 10-2 BER 이상의 신뢰성 있는 통신 시스템이 요구된다면, 순시 대역폭 5 MHz에서 10 MHz에 해당하는 J/S -6에서 -4 dB의 값이면 이 정도의 저하를 만들어 낼 수 있다.
LPI 표적에 대한 재밍
주파수 호핑을 하는 표적에 대한 재밍의 경우에는 follower 재머 또는 barrage 재머를 사용할 수 있다. Follower 재머는 우선 표적의 주파수를 탐지한 후 이 주파수에 대한 협대역 재밍을 수행한다.
Barrage 재머의 경우 앞에서 계속 언급했듯이 우군에 피해를 준다는 단점이 있다.
주파수 호핑 표적에 대한 재밍은 송신기와 수신기, 재머와 수신기, 그리고 재머와 송신기 간의 거리에 따라 달라진다.
만약 재머가 송신기와 수신기간의 거리보다 송신기와의 거리가 너무 멀리 떨어져 있으면 신호가 재머에 도착했을 때에는 이미 수신기에 신호가 도달한 후가 된다.
따라서 주파수 호핑 통신 시스템은 이미 다음 주파수로 변경을 했을 것이며, 그러면 재밍 효과도는 떨어지게 된다.
이와 동일한 문제는 재머와 수신기간의 거리가 송신기와 수신기 간의 거리보다 아주 멀 때에도 발생한다.
비록 재머가 신호를 정확한 시간에 수신을 하더라도 통신을 방해하기 위한 재밍 신호가 수신기로 이동하는 거리가 너무 멀기 때문에 재밍 효과도가 떨어지는 것이다.
주파수 호핑 통신 시스템에서의 주파수 변경 속도 또한 효과적인 EA를 위해서 반드시 고려되어야 할 점이다.
전파의 속도는 일정하기 때문에 주파수 변경 속도가 빨라지면, 재밍 신호가 오래된 주파수로 수신기에 도달했을 때에 송신기와 수신기는 다음 주파수로 변경하게 되고 EA의 효과도는 떨어진다.
이러한 시나리오에서 모든 빨라지는 주파수 변경 속도에는 재밍의 효과도가 떨어진다.
재머가 수신기나 송신기에 가까워질수록 이러한 속도는 빨라져야만 재밍의 효과도를 낮출 수 있으며 대부분의 시나리오에서 이러한 주파수 변경 속도는 존재한다.
따라서 EA 자산을 되도록 가능한 통신 노드와 가깝게 배치하는 것이 중요해지는 이유이기도 하다.
Follower 재머
주파수 호핑을 하는 통신 시스템과 같은 LPI 표적에 대해서 barrage 재밍 또는 협대역 재밍이 사용 가능하며 특히 후자의 경우에는 ES 장비가 송신기의 주파수를 변경하는 것을 따라갈 수 있어야 한다.
이는 송신기가 이동한 주파수를 식별하고 또한 같은 송신기에서 나온 새로운 신호를 식별할 수 있어야 함을 의미하며 이는 결코 쉬운 일이 아니다.
이러한 기법을 Follower 재머라고 부른다.
주파수 호핑은 재밍으로부터 회피하기 위한 ECCM 기법이다.
수신기의 튜닝 주파수뿐만 아니라 송신기의 주파수는 빠르게 변화하기 때문에 고정된 주파수를 쓰는 재머의 영향은 최소화가 된다.
Follower 재머는 이러한 ECCM에 대응하는 기법이 있으며 이러한 EA 시스템 자산은 매우 비싸다.
이중에서도 ES 부분이 실질적으로 더욱 비싸다.
Follower 재머의 개념은 새로운 것이 아니며 전술 통신을 위한 운영의 기준으로 오래전부터 사용되어 왔다.
만약 한 주파수를 재밍하면 재밍되지 않은 다른 백업 주파수로 이동한다.
이는 매우 느린 주파수 변경 형태를 갖는데 전술 재머는 개발된 이후로 이러한 주파수의 변화를 추적해 왔다.
주파수 호핑 라디오는 일반적으로 BPSK 변조를 사용하며 단일 톤 재머는 하나 또는 다른 BFSK 주파수만을 커버할 수 있다.
이러한 이유로 재머에 변조가 가미되었으며 이로 인해 전체 통신 채널에 재밍이 가능하다.
종종 이런 변조는 캐리어 신호에 잡음 신호 주파수 변조로 구성되기도 한다.
결론
성공적인 적의 통신 스펙트럼을 방해하는 것이 통신 EW의 목적이다.
여기에는 많은 요소가 있는데 송신기와 수신기 간의 거리에 대한 재머와 수신기 간의 거리, 재머로부터의 ERP대 송신기의 ERP, 그리고 통신의 종류 등이 포함된다.
디지털 통신을 재밍하는 것은 아날로그 형태보다 쉽다.
디지털 통신을 방해하기 위해 필요한 BER을 만드는 것은 더 적은 에너지를 필요로 하고 또한 더욱 안전하게 수행할 수 있다.
재밍 LPI 통신은 어렵지 않으며 특히, 디지털 변조가 포함되어 있으면 더욱 그렇다.
이러한 형태의 통신에서 어려운 점은 재밍하고자 하는 신호를 찾는 것이다.
Follower 재어와 같이 현대 전장에서 흔히 볼 수 있는 모든 RF 에너지로부터 하나의 신호를 분리해야 하는 하는 것은 어려운 일이다.
이에 대한 대안은 barrage 재머를 통해 RF 스펙트럼의 중요한 한 부분을 재밍하는 것이다.
그러나 이는 우군이 영향을 받지 않는 상황에서 해야 한다.
여기까지 2부에 걸쳐 “Introduction to Communication Warfare Systems” 에서 다루는 전자 공격에 대해 알아봤다.
출처 : Introduction to Communication Warfare Systems
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