Стандарты цифровой радиосвязи P25: Фазы 1 и 2

Введение

Комплекс стандартов телекоммуникаций

Проект 25 (P25 или APCO 25) — это набор стандартов для обеспечения совместимости цифровых двухсторонних радиостанций. P25 был разработан специалистами в области общественной безопасности в Северной Америке и получил признание для использования в системах общественной безопасности, охраны, государственных службах и коммерческих приложениях по всему миру. Радиостанции P25 являются прямой заменой аналоговых УКВ (обычно FM) радиостанций, добавляя возможность передачи данных наряду с речью для более эффективной реализации шифрования и текстовых сообщений. Радиостанции P25 обычно используются диспетчерскими службами, такими как полиция, пожарная охрана, скорая помощь и служба спасения, с использованием стационарных радиостанций, установленных в транспортных средствах, в сочетании с ретрансляторами и портативных радиостанций. Начиная примерно с 2012 года, стали доступны продукты с новым протоколом модуляции фазы 2, а прежний протокол, известный как P25, получил название P25 фазы 1. Продукты P25 фазы 2 используют более совершенный вокодер AMBE2+, который позволяет передавать звук через более сжатый битовый поток и обеспечивает два голосовых канала TDMA в одной и той же полосе частот RF (12,5 кГц), в то время как фаза 1 может обеспечить только один голосовой канал. Эти два протокола несовместимы. Однако инфраструктура P25 фазы 2 может предоставлять функцию "динамического транскодера", которая осуществляет преобразование между фазой 1 и фазой 2 по мере необходимости. Кроме того, радиостанции фазы 2 обратно совместимы с модуляцией фазы 1 и аналоговой FM-модуляцией в соответствии со стандартом. Европейский Союз разработал стандарты протоколов для наземной транкинговой радиосвязи (TETRA) и цифрового мобильного радио (DMR), которые выполняют аналогичные функции, как и Проект 25.

Фазы P25

Технология, соответствующая стандарту P25, была внедрена в два основных этапа, а дальнейшие этапы еще предстоит определить.

Фаза 1

Радиосистемы фазы 1 работают в цифровом режиме 12,5 кГц с использованием метода доступа одного пользователя на канал. Радиостанции фазы 1 используют непрерывную FM-модуляцию 4-го уровня (C4FM) — особый тип модуляции 4FSK — для цифровой передачи данных со скоростью 4800 бод и 2 бита на символ, обеспечивая общую пропускную способность канала 9600 бит в секунду. Из этих 9600 бит, 4400 используются для голосовых данных, генерируемых кодеком IMBE, 2800 — для прямой коррекции ошибок, а 2400 — для сигнализации и других управляющих функций. Приемники, разработанные для стандарта C4FM, также могут демодулировать стандарт "совместимой квадратурной фазовой манипуляции" (CQPSK), поскольку параметры сигнала CQPSK были выбраны таким образом, чтобы обеспечить такое же отклонение сигнала во время символа, как и C4FM. Фаза 1 использует голосовой кодек IMBE. Эти системы включают стандартизированные спецификации услуг и оборудования, гарантирующие доступ к услугам, описанным в этих спецификациях, для любой абонентской радиостанции, соответствующей требованиям производителей. Функциональные возможности включают обратную совместимость и взаимодействие с другими системами, вне зависимости от границ систем и инфраструктуры. Кроме того, набор стандартов P25 предоставляет открытый интерфейс к подсистеме радиочастот (РЧ) для облегчения объединения систем различных производителей.

Фаза 2

Для повышения эффективности использования спектра была разработана P25 Фаза 2 для транкинговых систем, использующих схему TDMA с двумя временными слотами, и теперь она обязательна для всех новых транкинговых систем в диапазоне 700 МГц. В Фазе 2 используется голосовой кодек AMBE+2 для снижения необходимой скорости передачи данных, так что для одного голосового канала требуется всего 6000 бит в секунду (включая коррекцию ошибок и сигнализацию). Фаза 2 не обеспечивает обратную совместимость с Фазой 1 (из-за принципа работы TDMA), хотя многорежимные TDMA радиостанции и системы способны работать в режиме Фазы 1 при необходимости, если эта функция включена. Абонентская радиостанция не может использовать передачу TDMA без источника синхронизации; поэтому при прямой связи между радиостанциями используется стандартная цифровая операция FDMA. Многодиапазонные абонентские радиостанции также могут работать в узкополосном FM как наиболее общий стандарт совместимости между практически любыми радиостанциями. Это делает аналоговый узкополосный FM фактическим режимом "совместимости" на некоторое время. Изначально при реализации Фазы 2 планировалось разделить канал 12,5 кГц на два слота по 6,25 кГц, или использовать множественный доступ с разделением по частоте (FDMA). Однако оказалось более целесообразным использовать существующие частотные распределения 12,5 кГц в режиме множественного доступа с разделением по времени (TDMA) по ряду причин. Это позволило абонентским радиостанциям экономить заряд батареи, передавая только половину времени, а также дало возможность радиостанции слушать и отвечать на системные запросы между передачами. Фаза 2 известна как 6,25 кГц "эквивалент полосы пропускания", что соответствует требованию FCC о том, чтобы голосовые передачи занимали меньшую полосу пропускания. Голосовой трафик в системе Фазы 2 передается с полной полосой 12,5 кГц на выделенную частоту, как и в системе Фазы 1, однако скорость передачи данных при этом выше – 12 кбит/с, что позволяет осуществлять две одновременные голосовые передачи. Соответственно, абонентские радиостанции также передают с полной полосой 12,5 кГц, но в прерывистом режиме включения/выключения, что приводит к половинному времени передачи и, таким образом, эквиваленту 6,25 кГц на каждую радиостанцию. Это достигается за счет использования голосового кодека AMBE, который работает с половинной скоростью по сравнению с голосовыми кодеками IMBE Фазы 1.

To improve spectrum use, P25 Phase 2 was developed for trunking systems using a 2 slot TDMA scheme and is now required for all new trunking systems in the 700 MHz band. Phase 2 uses the AMBE+2 voice codec to reduce the needed bitrate so that one voice channel will only require 6,000 bits per second (including error correction and signalling). Phase 2 is not backwards compatible with Phase 1 (due to the TDMA operation), although multi mode TDMA radios and systems are capable of operating in Phase 1 mode when required, if enabled. A subscriber radio cannot use TDMA transmission without a synchronization source; therefore direct radio to radio communication resorts to conventional FDMA digital operation. Multi band subscriber radios can also operate on narrow band FM as a lowest common denominator between almost any two way radios. This makes analog narrow band FM the de facto "interoperability" mode for some time. Originally the implementation of Phase 2 was planned to split the 12.5 kHz channel into two 6.25 kHz slots, or Frequency Division Multiple Access (FDMA). However it proved more advantageous to use existing 12.5 kHz frequency allocations in Time Division Multiple Access (TDMA) mode for a number of reasons. It allowed subscriber radios to save battery life by only transmitting half the time which also yields the ability for the subscriber radio to listen and respond to system requests between transmissions. Phase 2 is what is known as 6.25 kHz "bandwidth equivalent" which satisfies an FCC requirement for voice transmissions to occupy less bandwidth. Voice traffic on a Phase 2 system transmits with the full 12.5 kHz per frequency allocation, as a Phase 1 system does, however it does so at a faster data rate of 12 kbit/s allowing two simultaneous voice transmissions. As such subscriber radios also transmit with the full 12.5 kHz, but in an on/off repeating fashion resulting in half the transmission and thus an equivalent of 6.25 kHz per each radio. This is accomplished using the AMBE voice coder that uses half the rate of the Phase 1 IMBE voice coders.

За фазой 2

С 2000 по 2009 год Европейский институт стандартов телекоммуникаций (ETSI) и TIA совместно работали над проектом партнерства в области общественной безопасности, известным как проект MESA (мобильность для приложений экстренных служб и обеспечения безопасности). Целью проекта было определение унифицированного набора требований к радиостандарту нового поколения для аэронавигационной и наземной цифровой широкополосной связи, который мог бы использоваться для передачи и приема голоса, видео и высокоскоростных данных в широкомасштабных сетях, используемых различными службами экстренного реагирования. ETSI опубликовала окончательные функциональные и технические требования, которые, как ожидалось, определят дальнейшее развитие американского проекта 25 и европейских стандартов DMR, dPMR и TETRA. Однако отрасль не проявила интереса, поскольку существующие коммерчески доступные технологии не позволяли соответствовать этим требованиям, и проект был закрыт в 2010 году. В ходе аукциона по беспроводному спектру, проведенного FCC в США в 2008 году, 20 МГц спектра в диапазоне 700 МГц УВЧ, освобожденного в результате перехода на цифровое телевидение, были выделены сетям экстренных служб. FCC рассчитывает, что операторы будут использовать LTE для высокоскоростной передачи данных и видео.

Усыновление

Принятие этих стандартов замедлилось из-за бюджетных проблем в США; однако финансирование модернизации систем связи от Министерства внутренней безопасности обычно предполагает переход на стандарт Project 25. Он также используется в других странах мира, включая Австралию, Новую Зеландию, Бразилию, Канаду, Индию и Россию. По состоянию на середину 2004 года стандарт P25 был развернут в 660 сетях в 54 странах. В штате Новый Южный Уэльс GRN теперь называется Сетью общественной безопасности (PSN).

Проект 25 Программа оценки соответствия (P25 CAP)

Программа оценки соответствия проекта 25 (P25 CAP) Министерства внутренней безопасности США направлена на обеспечение взаимодействия между продукцией разных производителей посредством тестирования на соответствие стандартам P25. P25 CAP, являясь добровольной программой, позволяет поставщикам публично заявлять о соответствии своей продукции. Приобретение может осуществляться за счет федеральных грантов США. Как правило, не прошедшим проверку продуктам не следует доверять в отношении соответствия стандартам P25 по производительности, соответствию и взаимодействию. Маркировка продукции P25 может отличаться. Сами по себе обозначения "P25" и "P25-совместимый" не имеют значения, в то время как для заявления производителя о том, что продукт "соответствует P25 CAP" или "P25-совместим с заявлением о требованиях (P25 SOR)", предъявляются высокие стандарты.

Проект ОП25Ошибки шифрования в шифрах DES-OFB и ADP

На конференции Securecomm 2011 в Лондоне исследователь в области безопасности Стив Гласс представил статью, написанную им в соавторстве с Мэтом Эймсом, в которой объяснялось, как шифры DES OFB и проприетарный ADP (на основе RC4) от Motorola были уязвимы к полному перебору ключей. Это исследование стало результатом проекта OP25, использующего GNU Radio и Ettus Universal Software Radio Peripheral (USRP) для создания P25-сниффера и анализатора с открытым исходным кодом. Проект OP25 был основан Стивом Глассом в начале 2008 года, когда он проводил исследования беспроводных сетей в рамках своей докторской диссертации. Статья доступна для скачивания на веб-сайте NICTA.

Исследования в Университете Пенсильвании

В 2011 году Wall Street Journal опубликовала статью, описывающую исследование уязвимостей системы безопасности, включая пользовательский интерфейс, который затрудняет для пользователей определение, когда приемопередатчики работают в защищенном режиме. Согласно статье, «исследователи из Университета Пенсильвании перехватили разговоры, содержащие описания агентов под прикрытием и конфиденциальных информаторов, планы предстоящих арестов и информацию о технологиях, используемых в операциях наблюдения». Исследователи обнаружили, что сообщения, передаваемые по радио, отправляются сегментами, и блокировка лишь части этих сегментов может привести к полной блокировке сообщения. «Их исследование также показало, что радиостанции можно эффективно заглушить (одна радиостанция, короткий радиус действия) с помощью сильно модифицированной розовой электронной детской игрушки, а используемый радиостанциями стандарт «предоставляет удобный способ для злоумышленника» непрерывно отслеживать местоположение пользователя радиостанции. В других системах для блокировки связи требуется значительная мощность, но радиостанции P25 позволяют создавать помехи при относительно низкой мощности, что позволило исследователям предотвратить прием сигнала с помощью игрушечного пейджера стоимостью 30 долларов, предназначенного для детей младшего подросткового возраста». Доклад был представлен на 20-м симпозиуме USENIX Security в Сан-Франциско в августе 2011 года. В докладе были отмечены многочисленные уязвимости системы Project 25, некоторые из которых связаны со способом ее реализации, а другие – с принципами ее безопасности.

Пробелы шифрования

В докладе не было выявлено уязвимостей в шифровании P25, однако наблюдались большие объемы конфиденциального трафика, передаваемого открытым текстом из-за проблем реализации. Авторы отметили, что индикаторы переключателей для защищенного и незащищенного режимов трудно различить (∅ и o). Это усугубляется тем, что радиостанции P25, работающие в защищенном режиме, продолжают функционировать без предупреждения, если другой участник переключается в незащищенный режим. Кроме того, авторы доклада указали, что во многих системах P25 ключи меняются слишком часто, что повышает риск неправильной настройки ключей на отдельной радиостанции в сети, в результате чего все пользователи сети вынуждены передавать данные открытым текстом для поддержания связи с этой радиостанцией.

Уязвимость в блокировке

Одним из решений при проектировании было использование более низких уровней коррекции ошибок для частей кодированных голосовых данных, которые считаются менее критичными для разборчивости. В результате, в обычных передачах следует ожидать появления битовых ошибок, и хотя они безвредны для голосовой связи, наличие таких ошибок вынуждает использовать потоковые шифры, устойчивые к битовым ошибкам, и исключает возможность использования стандартного метода – кодов аутентификации сообщений (MAC) – для защиты целостности сообщений от атак на потоковые шифры. Различные уровни коррекции ошибок реализуются путем разбиения фреймов сообщений P25 на подфреймы. Это позволяет злоумышленнику блокировать целые сообщения, передавая сигналы только во время определенных коротких подфреймов, критически важных для приема всего фрейма. В результате, злоумышленник может эффективно подавлять сигналы Project 25, используя среднюю мощность, значительно меньшую, чем мощность, используемая для связи. Такие атаки могут быть направлены исключительно на зашифрованные передачи, вынуждая пользователей передавать данные в открытом виде. Поскольку радиостанции Project 25 предназначены для работы в существующих двухсторонних радиочастотных каналах, они не могут использовать широкополосную модуляцию, которая по своей природе устойчива к подавлению. Оптимальная система широкополосной связи может потребовать, чтобы эффективное устройство подавления использовало в 1000 раз больше мощности (на 30 дБ больше), чем отдельные устройства связи. Согласно отчету, устройство подавления P25 может эффективно работать с мощностью в 1/25 от мощности (на 14 дБ меньше), чем у взаимодействующих радиостанций. Авторы разработали прототип устройства подавления на основе однокристального радио Texas Instruments CC1110, найденного в недорогой игрушке. Авторы отчета заключили: «Вполне разумно задуматься, почему этот протокол, разрабатывавшийся на протяжении многих лет и используемый для конфиденциальных и критически важных приложений, так сложен в использовании и так уязвим для атак». Авторы также отдельно опубликовали ряд рекомендаций для пользователей P25, направленных на смягчение некоторых выявленных проблем. К ним относятся отключение режима защищенной/открытой передачи, использование кодов доступа к сети для разделения открытого и зашифрованного трафика, а также компенсация ненадежности переключений ключей P25 по радиоканалу путем увеличения срока действия ключей.

One design choice was to use lower levels of error correction for portions of the encoded voice data that are deemed less critical for intelligibility. As a result, bit errors may be expected in typical transmissions, and while harmless for voice communication, the presence of such errors force the use of stream ciphers, which can tolerate bit errors, and prevents the use of a standard technique, message authentication codes (MACs), to protect message integrity from stream cipher attacks. The varying levels of error correction are implemented by breaking P25 message frames into subframes. This allows an attacker to jam entire messages by transmitting only during certain short subframes that are critical to reception of the entire frame. As a result, an attacker can effectively jam Project 25 signals with average power levels much lower than the power levels used for communication. Such attacks can be targeted at encrypted transmissions only, forcing users to transmit in the clear. Because Project 25 radios are designed to work in existing two way radio frequency channels, they cannot use spread spectrum modulation, which is inherently jam resistant. An optimal spread spectrum system can require an effective jammer to use 1,000 times as much power (30 dB more) as the individual communicators. According to the report, a P25 jammer could effectively operate at 1/25th the power (14 dB less) than the communicating radios. The authors developed a proof of concept jammer using a Texas Instruments CC1110 single chip radio, found in an inexpensive toy. The report's authors concluded by saying "It is reasonable to wonder why this protocol, which was developed over many years and is used for sensitive and critical applications, is so difficult to use and so vulnerable to attack." The authors separately issued a set of recommendations for P25 users to mitigate some of the problems found. These include disabling the secure/clear switch, using Network Access Codes to segregate clear and encrypted traffic, and compensating for the unreliability of P25 over the air rekeying by extending key life.

Сравнение между P25 и TETRA

P25 и TETRA используются более чем в 53 странах мира как для систем связи служб общественной безопасности, так и для частных радиосетей. Существуют некоторые различия в функциональности и возможностях: TETRA оптимизирован для районов с высокой плотностью населения и обладает спектральной эффективностью в 4 временных слота на 25 кГц. (Четыре канала связи в полосе 25 кГц, что обеспечивает эффективное использование спектра). Он поддерживает полнодуплексную голосовую связь, передачу данных и сообщений. TETRA не поддерживает режим одновременной передачи с нескольких базовых станций (симулкаст). P25 оптимизирован для обеспечения широкого покрытия в районах с низкой плотностью населения и поддерживает режим одновременной передачи с нескольких базовых станций (симулкаст). Однако его возможности по передаче данных ограничены. В системах радиосвязи P25 выделяют два основных этапа развития: P25 Phase I работает в аналоговом, цифровом или смешанном режиме в одном канале шириной 12,5 кГц. P25 Phase II использует структуру TDMA с двумя временными слотами в каждом канале шириной 12,5 кГц.