secure optical data communications between tactical vehicles

6
Proceedings of the 2009 Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium (GVSETS) Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles - LightSpeed™ Technology Page 1 of 6 Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles - LightSpeedTechnology Dr. Leo Volfson [email protected] Mr. Tom Stautz [email protected] Torrey Pines Logic, Inc. San Diego, CA ABSTRACT Modern military forces need an alternative to radiofrequency (RF) based communications between tactical vehicles. Free Space Optics (FSO) can provide that alternative but, to date, the design and formfactor of the equipment precluded considering it as a viable solution. Recent advances in FSO technologies are changing that and systems suitable for use in tactical field operations are currently being introduced into the battlefield by the special operations community. This paper explores some of the issues associated with adapting FSO to mobile vehicular applications and provides an overview of the current maturity and capabilities of these technologies. INTRODUCTION Various forms of optical communications have been used by military forces for thousands of years. A relative newcomer in this scene is Free Space Optics (FSO), an optical communications technology that uses light propagating in free space to transmit data between two points. Modern FSO became possible with the advent of small lasers in the 1950s and, more recently, the explosion of Light Emitting Diode (LED) technologies based upon inexpensive and relatively powerful emitter diodes. It is now possible to establish robust and reliable tactical communications networks using FSO and new products are being introduced that provide suitable performance in a form factor small enough for use by soldiers in tactical operations. Although much work is required, there is no reason that FSO technologies cannot be adapted to vehicular applications where it will provide reliable intervehicle communications under a variety of field conditions. FREE SPACE OPTICS IN PERSPECTIVE Radios are, unquestionably, the preferred solution for intervehicle, mobile communications and FSO is not suggested as a replacement for this flexible and robust solution. However, there are situations were radio frequency communication is undesirable or impractical and FSO provides an alternative with several advantages i : Ease of deployment Immunity from electromagnetic interference High bit rates Low bit error rate Very secure due to high directionality of emission Licensefree operation Conversely, the inherent enabling aspect of a FSO system, transmission through the atmosphere, limits the range and effectiveness of the systems. When light is transmitted through a gaseous atmosphere, some of the radiated power is lost by scattering and some by absorption ii . Scattering is result of photons colliding with particles in the atmosphere whereby the photon energy is reradiated in all directions. Absorption is a fundamental quantum process where an atmospheric molecule absorbs the energy from some incident photon. iii Although atmospheric transmittance is a function of many variables: wavelength, path length, pressure, temperature, humidity and the composition of the atmosphere iv , the realistic effect is that lowpower FSO systems are limited in range to a few kilometers over most of the Earth’s surface. CONSIDERING VEHICULAR APPLICATIONS The most significant issue affecting the viability of a FSO system on tactical vehicles is scattering from fog or dust in the atmosphere. The transmittance properties of fog are fairly well known and a FSO system can be engineered to minimize this attenuation by selecting an optimal frequency v . Transmittance through dust is not well documented, in part because it varies according to the size of the particle versus the frequency. Dust is not uniform in

Upload: maruka33

Post on 18-Apr-2015

28 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles -LightSpeed™ Technology

TRANSCRIPT

Page 1: Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles

Proceedings of the 2009 Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium (GVSETS)

Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles - LightSpeed™ Technology

Page 1 of 6

Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles - LightSpeed™ Technology

Dr. Leo Volfson  [email protected] 

Mr. Tom Stautz  [email protected]  Torrey Pines Logic, Inc. 

San Diego, CA 

 ABSTRACT 

 Modern  military  forces  need  an  alternative  to  radio‐frequency  (RF)  based  communications  between  tactical vehicles.    Free  Space Optics  (FSO)  can  provide  that  alternative  but,  to  date,  the  design  and  form‐factor  of  the equipment precluded considering  it as a viable solution.   Recent advances  in FSO technologies are changing that and systems suitable  for use  in tactical  field operations are currently being  introduced  into the battlefield by the special operations  community.   This paper  explores  some of  the  issues associated with adapting  FSO  to mobile vehicular applications and provides an overview of the current maturity and capabilities of these technologies.   INTRODUCTION Various forms of optical communications have been 

used  by  military  forces  for  thousands  of  years.    A relative newcomer  in  this  scene  is  Free  Space Optics (FSO), an optical communications technology that uses light  propagating  in  free  space  to  transmit  data between  two  points.   Modern  FSO  became  possible with the advent of small lasers in the 1950s and, more recently,  the  explosion  of  Light  Emitting Diode  (LED) technologies  based  upon  inexpensive  and  relatively powerful  emitter  diodes.    It  is  now  possible  to establish  robust and  reliable  tactical  communications networks  using  FSO  and  new  products  are  being introduced  that  provide  suitable  performance  in  a form factor small enough for use by soldiers in tactical operations.   Although much work  is required, there  is no reason that FSO technologies cannot be adapted to vehicular  applications  where  it  will  provide  reliable inter‐vehicle  communications under a variety of  field conditions. 

FREE SPACE OPTICS IN PERSPECTIVE Radios  are,  unquestionably,  the  preferred  solution 

for  inter‐vehicle, mobile  communications  and  FSO  is not  suggested  as  a  replacement  for  this  flexible  and robust  solution.   However,  there  are  situations were radio  frequency  communication  is  undesirable  or impractical  and  FSO  provides  an  alternative  with several advantagesi: 

• Ease of deployment • Immunity from electromagnetic interference • High bit rates • Low bit error rate 

• Very  secure  due  to  high  directionality  of emission 

• License‐free operation  Conversely,  the  inherent  enabling  aspect  of  a  FSO 

system,  transmission  through  the  atmosphere,  limits the  range  and  effectiveness  of  the  systems.   When light  is  transmitted  through  a  gaseous  atmosphere, some of  the  radiated power  is  lost by  scattering and some by absorptionii.    Scattering  is  result of photons colliding with particles in the atmosphere whereby the photon  energy  is  reradiated  in  all  directions.  Absorption  is a  fundamental quantum process where an  atmospheric  molecule  absorbs  the  energy  from some  incident  photon.iii    Although  atmospheric transmittance  is  a  function  of  many  variables: wavelength,  path  length,  pressure,  temperature, humidity  and  the  composition  of  the  atmosphereiv,  the realistic effect  is that  low‐power FSO systems are limited  in range to a few kilometers over most of the Earth’s surface.  

CONSIDERING VEHICULAR APPLICATIONS The most significant issue affecting the viability of a 

FSO system on  tactical vehicles  is scattering  from  fog or  dust  in  the  atmosphere.    The  transmittance properties  of  fog  are  fairly  well  known  and  a  FSO system  can  be  engineered  to  minimize  this attenuation  by  selecting  an  optimal  frequencyv.  Transmittance  through dust  is not well documented, in part because  it  varies  according  to  the  size of  the particle versus  the  frequency.   Dust  is not uniform  in 

Page 2: Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles

Secure Opt

size so a sthoroughly

Howevesystems  inreasonablethumb  instthis  regarddesign  funof  roughlyother worto  see  40effective  rcontinue tconditionspractical operationa

SOME TACTorrey P

is  an  opticattachmenor  stand‐aeye safe, s

Alternatform  fittinSurefire stationary fiber desig

TPL has Civilian  Lacommunicaudio  and variable fie

Recent communicthis possibstream and

Relay  Stdesign  as integral bin

Proceedings

tical Data Com

ignificant amoy document its

r, when  consin  tactical  vehe to apply somtead of theored,  TPL  has  fonctions suitablyy  twice  what ds,  if  foggy/du00  meters,  thrange  from  ouo seek solid d,  we  believe in  most  s

al soldiers. 

CTICAL APPLICAPines Logic’s (“cal  LED  commnt to any existinalone    allowingecure, non‐RF 

ive configuratng  any  handhand  or  weNavy shipboan systems desc

created a portw  Enforcemenations  possiblive  video.   D

eld of view can

developmenation  technoloble with systemd parallel 64Kb

tations and Wwell  as  TPL  inocular comm

s of the 2009 G

mmunications B

ount of researcs effects worldw

dering  the  prahicle  applicatiome experiencedetical transmittound  that  its y  in  fog and dthe  human  eusty  conditionhen  we  expeur  FSO  systemata on transmthat  a  range situations  en

ATIONS TPL”’s) LightSp

munication  sysng binocular, sg  point  to  pocommunicatio

ions  for LightS‐held  light  seapon‐mounterd configuratiocribed below. 

table  link for Mnt  teams makle,  including Distances  of  un be implemen

ts  in  Lightogy  presently ms providing upbps voice chann

earable Units s  starting  to unication syste

Ground Vehicle

Between Tactic

P

ch  is required wide. 

acticality of  FSons,  it  may  bd based rules‐otance tables.   LED‐based  FS

dust at distancye  can  see.   s  allow  a drivect  800  metem.    Although wmittance  in dusof  2x  visible 

ncountered 

peed technolotem  built  as  ascope, gun scopint,  high  speeons. 

Speed are  in thource,  such ed  attachmenons or advance

Military Use anking  safe  non‐transmission p  to  10km wited. 

tSpeed  opticin  Gen  6 map to 2Mbps danel. 

are  currently manufacture  aem. 

e Systems Eng

cal Vehicles - L

Page 2 of 6

to 

SO be of‐In SO ces In 

ver ers we sty is by 

gy an pe ed, 

 

he as nt, ed 

nd RF of ith 

cal ke ata 

in an 

Lighvia ext

Advafor bod

It shLightSpthe  cousing ton eve

Usincommuproviddeploy

 CURRETorr

previoOpticasafe  LEforces emerg

In  thoverallWe  cabinocucompleCommsystemin boathe pribelow.

The hardwand B2full sca

ineering and T

LightSpeed™ T

tSpeed  technoernal Encryptio

anced  LightSpedy worn, statio

ould be notedpeed system woncept  of  comthe attachmenery vessel. 

g  these  attunicate at disted  ship  to  syed craft scena

ENT TECHNICAey Pines Logicusly  built  devl CommunicatED  communicawith  non‐RF

ency response

his section we l packaging of an  consider  thular  with ete  Optical unications 

m  embedded rds wrapping isms as show .  

development are  enabled  in20 unit has beale production 

Technology Sym

Technology

ology  is  availaon link. 

eed  versions  conary or on the

d that original was partially summunicating  bnt and Big Eyes

tachments  sances exceedinhip,  ship  to arios communic

AL APPROACH c has  leveragedvices  to  creation systems.  Tation  platformF  solution  fore scenarios. 

will outline  ththe three varhe  first  system

of  the  embentegrated  binoeen  introducedcommencing S

mposium (GVS

ble  for  secure

can  be miniate move applica

development upported by ONbetween  Navy s binoculars p

hips  could ng 5nm.  The sshore  and  shcations. 

d  its knowledgte  GenerationThe devices usm  to  provide  tar  EOD,  cover

he  form  factoriants of the sym  as  a  stand

edded  Generatocular  developd  in early 2009Summer 2009.

SETS)

e  links 

urized ations. 

of the NR for   ships resent 

 

easily system hip  to 

 

ge and n  6  of e eye‐actical rt  and 

rs and ystem.  ‐along 

tion  6 pment 9 with . 

Page 3: Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles

Secure Opt

The  sechand‐held is a small sprotocol binocular uport). 

The inteallow  R10dismountecompariso

Finally, product  linadapter wB20  and  Rvariety of use of eithspotting scthe  facts are  genenarrow  fiedistances ais  operatiexceed performan

A Tactica• 2  Bin

attach• 2  R10

tripod• 2  G

attach

Proceedings

tical Data Com

cond  implemeof tripod moustand‐alone syincluding  Ethunit above sup

egral Ethernet 0  to  be  useded operator atn B20 operate

the  third  keyne  is  a  G10  gith  the same cR10  above.    Thscope and doeher the gun or cope.   Due to that  scopes erally  have eld  of  view, at which G10 ional  greatly the  B20 

nce. 

al Operations knoculars  withhments or B20 0  LightSpeed  mounted unitG10  LightSphments with he

s of the 2009 G

mmunications B

entation  of  thunted version nystem enablingernet  commupports USB as 

adapter and sd  as  vehicle  distances exces at distances 

 

y  componentgun  scope  (or communicatiohe G10  can  bes not change 

kit may consist  A10  LightSbinoculars andself‐containedts with headsepeed  gun/speadsets 

Ground Vehicle

Between Tactic

P

he  system  is named R10.  Rg full LightSpeeunications  (B2a power or da

mall form factto  vehicle 

ceeding 2km.   exceeding 3km

  of  LightSpeespotting  scopn capabilities e  attached  tothe operation

t of: peed  binoculd headsets d  hand‐held ts potting  scop

e Systems Eng

cal Vehicles - L

Page 3 of 6

in 10 ed 20 ata 

tor or In m. 

 

ed pe) as 

o  a nal 

lar 

or 

pe 

• Alof

• 2 co

CurrdesignWhile solely Navy, particirecentbinocuterms substit

 Ther

implemDuringopticala  Mhand‐hThe implem

• Extediscefrom

• Audilight

• Systecom

• Audi• Audi• The 

Surehardwpurely the  fcross‐sflashlig

ineering and T

LightSpeed™ T

l units will conf either Etherne

small  tripoommunications

rent  developm  and  developthe  original  cby TPL,  in the ONR  and 

pated  in  fundily  completed ular attachmenof  size,  wei

tute one of the

re  is  a  nummentations  thg 2006/2007 TPl LightSpeed fu92/M97  SUheld  light  sgoals  of 

mentation wer

rnally there arernable differem an original ligio transmissiont frequency em is based onpletely eye safio is full duplexio link at 1‐2 kmsystem operat

efire  proare  was  locain  the  head

flashlight.   section  of ght is shown h

Technology Sym

Technology

ntain a data conet or USB port ods  to  estas between inte

ment  has  builpment  of  Lighconcept was  dlater stages ocomponents ing specific dethe  Generat

nt with improvght  and  range components 

mber  of  advhat  merit  adPL proposed aull duplex audREFIRE system.  

the e: 

re no ence ght n is optical at o

n LED light soufe x voice at 16Kbm tes on 3 CR123

oject ated d  of The the ere.  

mposium (GVS

nnection in the

ablish  hands eroperable unit

t  upon  7  yeahtSpeed  techndeveloped  andof the system dof  SOCOM 

esign goals.   TPtion  5  of  theved characterisge.    This  uniin the Tactical 

vanced  Lightditional  discund built a protio system hou

or around 1550

rce and be 

b sampling rate

3 Lithium for 8 

SETS)

e form 

free ts 

ars  of nology.  d  built design have 

PL has e  A10 stics in it  can kit. 

 

tSpeed ussion. totype sed  in 

0nm 

hrs 

Page 4: Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles

Secure Opt

Please notinto the bathe boardscontained compariso

While thimportant desirable implementinternally Xilinx Virteheld  devicpower and

It  is  imseparately

In  the transmissiotactical cowith LPD aof  the LightSpeed

Basic NetwUsing th

a remote cvia the SOC

DigIP addressSubnet ma:

Proceedings

tical Data Com

e that 2.5mm ack of the lights (shown  in grin one pluggan with the US 

he audio commstep in the tacextension  is ted  a  full  Einside  the  coex4 FPGA  techce  we  have  ad audio jack as 

portant  to  no and concurren

case  of  daon capabilitiesmmunicationsand LPI capabipotential  ned equipment. 

work Topologye R10 Surefirecomputing devCS. 

SureFire OExam

gital Device As: 192.168.2.12ask 255.255.255.0

s of the 2009 G

mmunications B

standard audiot next to the oeen) and opticble module (squarter coin). 

munication is thctical context, full  data  m

Ethernet  tranmmunication hnology.    In  caadd  an  Ethernseen above in 

ote  that  audiontly with data.

ata  communics opens up currs  to a plethoralities.  Below wetwork  arrang

y  predecessor avice can be con

ptical Comms Systemmple network topology

WAN

Router

LAN IP: 192.168.2.xWAN IP: 192.168.1.x

LAN

 

Ground Vehicle

Between Tactic

P

o jack is inserten/off switch.  Acal assembly ahown at right 

he first and moclearly the moode.    TPL  hsmission  modsystem  utiliziase of  the hannet  plug  to  thR10 version.

o  is  functioni 

cations,  opticrently limited a of optical  linwe discuss somgements  usi

as a placeholdennected to a LA

Digital Device BIP address: 192.168.1.10Subnet mask: 255.255.255.

To Internet Gateway

e Systems Eng

cal Vehicles - L

Page 4 of 6

ed All are in 

ost ost as de ng nd‐he 

 ng 

cal RF nks me ng 

er, AN 

000

DeviDeviceAgain, the  saport m

Conncommupair  Eindicatwith  cconfigu

A

SOCSdegreetransmdistancrange shownreceivethe fie

Withdifficulsimultareceivesignalsweake

A

By  aboth  sadditioreceptrocker device

ineering and T

LightSpeed™ T

ice A can accee  B,  which  canboth LightSpeme  subnet; al

must also be on

nect  the  adaunicator to alloEthernet  nettors  for  netwocommunicationured to operat

SureFire

S optical transes;  thus,  for  emit  signal  will ce.   Thus  it  is to  receive  sig in the figure ae  the  transmisld‐of‐view of A

h  a  single  olties  arise  if  Baneously.    Aes  informations will  either  inr signal may be

Sure

adding multi‐csignals  could on,  the  operaion  from  B  oswitch  attac.   Please note

Technology Sym

Technology

ess network ren  include  acceeed Controller so, Device A a this subnet. 

apter  to  the ow direct connwork.    The ork  presence n  lock.    The  ate with all indic

e Transmit to Multiple Re

1 km

 mitters have aexample,  at  a cover  80  to possible for mgnal  from  a  siabove.  In this sssion  from A, A’s transmitter

optical  commB  and  C  attems  depicted  inn  from  both nterfere with  oe ignored entir

eFire Multi -channel Rece

1 km

 

hannel  capabibe  received ator  at  A  maor  C  individuahed  to  the  re  that multi‐ch

mposium (GVS

sources availaess  to  the  IntSystems must and  the Route

rear  of  an nection to a tw

adapter  incand  activity, 

adapter  can  acators off. 

eceivers

 beam width orange  of  1  km100m  of  hori

multiple units angle  transmittscenario, unitsas  they are b. 

munication  chmpt  to  transmitn  Figure  beloB  &  C;  theseone  another,  orely. 

ption

ility  to  the  recsimultaneouslyy  choose  to ally,  using  a  sear  of  the  Suannel capabili

SETS)

able to ternet.  be on 

er  LAN 

SOCS wisted‐cludes along lso  be 

B

C

of 8‐10 m,  the zontal at  long ter,  as s B & C oth  in 

annel, t  to A ow,  A e  two or  the 

B

C

ceiver, y.    In select simple urefire ty will 

Page 5: Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles

Proceedings of the 2009 Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium (GVSETS)

Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles - LightSpeed™ Technology

Page 5 of 6

be  a  later  separate  addition  after  the  initial  effort  is done and thoroughly tested. 

Optical Beacon A  device  that  transmits  in  a wide  optical  angle  or 

omni‐directionally  can  be  employed  as  a  optical beacon.    This  beacon  could  be  visible  form  several receivers  at  large  distances  from  the beacon  source.   Provided  they  are  pointed  at  the  beacon,  optical receivers  A,  B,  and  C  all  receive  the  information transmitted by the beacon. 

The omni‐directional beacons are  technology being currently developed by TPL.  It is expected that variety of  omni‐directional  devices  and  associated  hardware will  become  available within  the  next  12‐24 months matching  the  performance  of  current  systems  and providing  extended  capabilities  for  blue  force  track, equipment tracking, search and rescue operations. 

    

                               An alternative  implementation  is a micro‐beacon: a 

small  localized  optical  transmitter  visible  from  any direction.   Such a micro‐beacon could be worn by an individual  as  an  optical  identifier,  for  example.    A Surefire  communicator  pointed  at  the  individual wearing  the  ID  tag  from  any  angle would detect  the optical transmission of the micro‐beacon. 

Voice/Data multiplexer 

 

A voice data multiplexer, or combiner, would allow voice and data to be transmitted simultaneously.  This 

module  could  likely be  incorporated  into  an external Ethernet  adapter module with would provide both  a voice and data interface. 

CURRENT AND PRIOR DEVELOPMENTS It  should be noted  that  LightSpeed  technology has 

been  developed  in  stages  with  some  projects  being funded in part by Navy, Army and SOCOM. 

Beyond  systems mentioned  above,  one  of  the  key developments being currently worked on is the UNREP project.   Underway  Replenishment  (“UNREP”)  stands for a device mounted on  the side of  the ships during re‐fueling operation at sea.  Such a device will provide not  only  voice  and  data  communications  but  also  a distance measurement function between hulls. 

Underway Replenishment (LightSpeed UNREP)System provides multiple voice, data lines and real-time distance measurement via optical comms

AN/PAQ-6Bridge Display UnitLightSpeed TransceiverHeadset Jack

 The  device  shown  here  is  being  tested  at  present 

and most likely will migrate to a program development enabling  functionality  not  provided  by  any  other equipment.    Some  of  the  technology  specifically designed for UNREP, such as 180 degree receiver and mux  capability  will  become  crucial  for  follow  on product developments.  

LightSpeed UNREP

New features:• Distance Measurements <1ft precision• True Mux

• can mux multiple receivers• can mux multiple transmitters

• Full TDMA communication mode• On the move: 40 knots, 160 degrees FOV

AN/PAQ-6

 

Page 6: Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles

Proceedings of the 2009 Ground Vehicle Systems Engineering and Technology Symposium (GVSETS)

Secure Optical Data Communications Between Tactical Vehicles - LightSpeed™ Technology

Page 6 of 6

ACKNOWLEDMENTS Torrey  Pines  Logic would  like  to  acknowledge  the 

support of Technical Services Working Group (TSWG), ONR SwampWorks, PEO LMW and Navy OPLOG in the current  development  of  LightSpeed  devices  and concepts as well as various  law enforcement agencies supporting  testing  and  development  of  tactical operations. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

REFERENCES 

i Garlington, Babbitt & Long; “Analysis of Free Space Optics as a Transmission Technology”, US Army Information Systems Engineering Command, March 2005.  ii Burle, “Electro‐Optics Handbook” Burle Technologies Inc. Copyright 1974, Reprinted 09‐2005, Pg 81. iii Driggers, Cox & Edwards, “Introduction to Infrared and Electro‐Optical Systems”, Copyright 1999, Artech House Inc;  Pgs131‐138 iv Burle, Ibid. v Burle, Ibid, Fig 7‐6 on pg 89. 

Conference Calling Heads Up Display

TPL G lowi ng Communicati on Fiber

LightSpeed Fiber 40mm LightSpeed Projectile

GEN 7 and Beyond!

Integrated LightSpeed

Chip