Securing frontline operations in the event of disaster-induced failures in a 5G-based public safety network

Abstract

Fremskritt innen mobilkommunikasjon øker behovet for bedre tjenester fra et nødetatperspektiv. Sambandet mellom nødetater i Norge heter Nødnett og eies av Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap (DSB). Det er basert på en smalbåndsteknologi kalt Terrestrial Trunked Radio (TETRA), med en kontrakt som varer ut 2026. På grunn av økende krav i markedet er mange land i ferd med å flytte sine nødnett til kommersielle mobilnett. Det er forventet at neste generasjons Nødnett (NGN) vil bli implementert over 5G ved å benytte allerede definerte tjenester kalt oppdragskritiske tjenester (MCX). En konsekvens av denne overgangen er tapet av redundante nettverk, siden både Nødnett og kommersiell trafikk i så tilfelle vil basere seg på den samme infrastrukturen. Sett sammen med det faktum at global oppvarming vil øke styrken og frekvensen av ekstremvær, kan dette resultere i at ekstremvær vil utgjøre en større trussel mot NGN.

Formålet med dette prosjektet er å identifisere effekten ekstremvær vil ha på NGN, potensielle løsninger for å gjenopprette oppdragskritisk kommunikasjon i etterkant av at ekstremvær har slått ut nettverket, samt hvilke minimumkrav som stilles til slike løsninger. For å besvare disse spørsmålene benyttes en kvalitativ forskningsmetode, og det gjennomføres en litteraturstudie for å avdekke dagens situasjon innen NGN-relaterte teknologier. Intervjuer med relevante interessenter avholdes, som inkluderer brukere av Nødnett, kommersielle aktører, og aktuelle statlige representanter relatert til Nødnett.

Hovedårsakene for dekningsutfall i Nødnett er strøm- og transmisjonsbaserte utfall. Til tross for at tiltak implementeres for å robustifisere nettverkene og strømsektoren, vil slike utfall fremdeles være et problem. Brukere av Nødnett viser til at minimumskrav er gruppesamtaler lokalt med andre enheter, og regionalt med kontrollrom. Lokal kommunikasjon kan fasiliteres ved distribuert 5G-kjernefunksjonalitet i isolerte basestasjoner eller mobile enheter, og utfordringer for dette er identifisert. Regional kommunikasjon kan skje via satellitt eller plattformstasjoner i stor høyde (HAPS) for å etablere forbindelse mellom ellers isolerte nett og kjernenettet. Dette prosjektet foreslår en tostegs tilnærming som i første omgang innebærer å gjenopprette begrenset kommunikasjon raskt, og deretter supplere med mer kompleks funksjonalitet fortløpende. På denne måten kan man sikre uavbrutt tjeneste, med økte tjenestetilbud over tid.

Advances in mobile communication technology drives the need for better services from a public protection and disaster relief (PPDR) perspective. The Norwegian Public Safety Network (PSN) is owned by the Directorate for Civil Protection (DSB) and called Nødnett, based on the narrow-band network technology Terrestrial Trunked Radio (TETRA), through a contract that lasts until the end of 2026. Due to growing market demands, many countries are in the process of migrating their PSNs to commercial networks, and it is expected that Next Generation Nødnett (NGN) will be deployed over 5G using the already defined, and continuously improved, Mission Critical Services (MCX). A consequence of this migration is the loss of redundant networks, as both PSN and commercial traffic will rely on the same infrastructure. Combined with the fact that global warming will increase the severity and frequency of weather, this will make extreme weather an increased threat to NGN.

This project seeks to identify the effect extreme weather will have on NGN, potential solutions for how mission-critical communication can be re-established in the event of a disaster-induced network failure, and what the minimum requirements of such solutions are. To answer these questions a qualitative research approach is conducted. A Systematic Literature Review (SLR) is performed to reveal the state-of-the art within NGN-related technologies. Then, interviews are held with relevant stakeholders, including users of Nødnett, commercial actors and government representatives all related to Nødnett.

The main reasons for disaster-induced failures are power and transmission failures. Measures are being taken to robustify the commercial networks and power sector, but failures will still remain an issue. Minimum requirements of the users are talk group communication locally with other units, and regionally with control rooms. Local communication can be ensured by distributing 5G core functionality in isolated base stations or mobile units, but a set of challenges relate to core distribution. Regional communication is achieved through satellites or high-altitude platform stations (HAPS) to connect otherwise isolated networks to the core network. This project proposes a two-step approach to quickly re-establish limited communication, and supplement with more complex functionality consecutively, to ensure an uninterrupted service, with more complex services over time.