Пространственно-частотные характеристики электромагнитного возбуждения комплекса случайных антенн

Автор: Заседателева Полина Сергеевна, Маслов Олег Николаевич

Журнал: Инфокоммуникационные технологии @ikt-psuti

Рубрика: Электромагнитная совместимость и безопасность оборудования

Статья в выпуске: 2 т.10, 2012 года.

Бесплатный доступ

Рассматриваются пространственно-частотные характеристики электромагнитного излучения (ЭМИ) в многоэтажном здании, где размещен комплекс сосредоточенных и распределенных случайных антенн (СА и РСА). Представлены результаты экспериментальных измерений, которые являются исходными данными для исследования многоканальных СА и РСА методом статистического имитационного моделирования (СИМ) и проектирования систем защиты конфиденциальной информации (КИ).

Защита конфиденциальной информации, многоканальные случайные антенны, способы электромагнитного возбуждения, метод статистического имитационного моделирования, исходные данные

Короткий адрес: https://sciup.org/140191557

IDR: 140191557

Текст научной статьи Пространственно-частотные характеристики электромагнитного возбуждения комплекса случайных антенн

В многоэтажном здании, расположенном в мегаполисе, сегодня размещается целый комплекс устройств, соответствующих определению СА и РСА [1-3]:

- сосредоточенные многоканальные СА в виде малогабаритных радиоэлектронных (РЭС) и других технических средств (абонентские терминалы, базовые станции и концентраторы систем сотовой связи и широкополосного радиодоступа; портативные радиостанции; оконечные устройства систем связи и сигнализации; блоки ЭВМ; экранированные камеры и корпуса аппаратуры; датчики систем охраны и управления; бытовая радиоэлектронная аппаратура; офисное оборудование и т.п.);
- многоканальные РСА в виде отдельных проводных линий связи в составе компьютерных и других сетей различного назначения;
- разветвленные РСА в виде систем проводов электропитания и заземления аппаратуры, оборудования оповещения и сигнализации;
- разветвленные РСА в виде систем металлических и металлопластиковых труб водоснабжения и центрального отопления;
- разветвленные РСА в виде металлических элементов несущих конструкций стен, потолков и полов помещений и т.д.

Структура фона по ЭМИ, воздействующего на данный комплекс СА и РСА, сегодня также является достаточно сложной и многообразной. Вблизи ТВ-центра г. Самары, например, фон на участке радиодиапазона 100 кГц … 2,2 ГГц насчитывает до сотни дискретных составляющих, обусловленных работой РЭС разного назначения и ведомственной принадлежности. Некоторые из этих составляющих имеют уровни, способные вызывать интермодуляционные (ИМ) эффекты в СА и РСА, обладающих нелинейными свойствами [4-5]. Продукты совместного ИМ-преобразо-вания сигналов, содержащих КИ (далее КИ-сиг-налов), и наиболее интенсивных составляющих фона по ЭМИ могут быть обнаружены как с помощью измерительной аппаратуры универсального лабораторного стенда [5], так и с помощью средств перехвата КИ злоумышленником [6].

Цель статьи – обсуждение экспериментальных результатов исследования пространственных (на 1; 2; 5 и 9 этажах) и частотных (в пределах от 873 кГц до 2170 МГц) характеристик ЭМИ, создаваемых РЭС, размещенными на башне ТВ-центра г. Самары, которые способны оказывать воздействие на комплекс СА и РСА, расположенных в пределах 12-этажного здания учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ на расстоянии порядка 550±50 м от него. Полученные результаты представляют собой часть базы данных, формируемой в интересах проектирования типовых систем защиты КИ коммерческого назначения.

Условия, методика и аппаратура для проведения расчетноэкспериментальных исследований

Объектом исследования являются уровни ЭМИ на указанных этажах учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ, расположение которого в городской среде иллюстрирует рис. 1 (в качестве координат территориальной привязки здесь показаны башня ТВ-центра высотой 180 м; остановка городского транспорта (точка 14 ) и здание ПГУТИ (точки 11 и 13 ). Внешний вид (из окна холла 9 этажа) башни ТВ-центра с размещенными на ней излучателями представлен на рис. 2. Схема на рис. 3 содержит обозначения одиннадцати точек k = 11-93 измерения уровней ЭМИ в пределах здания: точки 11 ; 51 и 91 – в ближних к ТВ-центру холлах, соответственно, 1 ; 5 и 9 этажей; точки 13-93 – аналогичным образом, в дальних от ТВ-центра холлах 1... 9 этажей; точки 52 и 92 – в середине коридора 5 и 9 этажей; точка 12 – на входе в здание; точка 21 – в библиотеке на 2 этаже. На рис. 3 показан также источник ЭМИ в виде башни телецентра, где на высоте H_n расположена передающая антенна n -го РЭС ЭА_n , где n [1; N ]; N >> 1 – общее число РЭС, размещенных на башне. В соответствии с данными рис. 1-3 можно утверждать, что основным механизмом распространения ЭМИ от ЭА_n до точки k является прямая волна (с учетом возможности проявления вторичных эффектов, обусловленных ее затенением, пере-отражением, поглощением и экранированием элементами конструкции многоэтажного здания).

Рис. 1. Расположение здания учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ в городской среде

Рис. 2. Внешний вид башни ТВ-центра

Уровни напряженности электрического поля Е; В/м, для первой группы РЭС, работающих на частотах от 100 кГц до 300 МГц, и уровни плотности потока мощности (энергии в единицу времени) электромагнитного поля ППЭ; мкВт/см2, для второй группы РЭС, работающих на частотах от 300 МГц до 2,2 ГГц, измеренные с помощью анализатора спектра FS300 производства Rode&Schwarz и активной измерительной антенны АИ5-0, представлены, соответственно, в таблицах 1 и 2. Значения рабочих частот и на- звания РЭС, размещенных на башне ТВ-центра, указаны в двух верхних строках обеих таблиц; из точек, показанных на рис. 3, здесь выбраны точки 12; 21; 51 и 91, соответствующие максимальным результатам измерения уровней ЭМИ в пределах здания для каждого этажа.

Методика проведения и обработки результатов измерений соответствовала отечественной нормативной базе, предписанной для применения при проведении экспертизы по безопасности неионизирующего ЭМИ в радиодиапазоне [7-8]. В итоге для каждой точки k определялись значения коэффициента безопасности КБ ЭМИ по формуле

N M

KE^EJ Enj№f + ^ЩП^ , (1) n=A m=A

где n [1; N ] и m [1; M ] – «номера» РЭС, соответственно, из первой и второй группы; нижний индекс «ПДУ» соответствует предельнодопустимому уровню ЭМИ для каждого n -го и m -го РЭС [8]. Вычисленные значения КБ представлены в таблице 3.

Согласно [10], напряженность поля

E = 430P^V/r, (2)

где P_A и G_A – соответственно, излученная мощность и коэффициент усиления передающей антенны РЭС; V – множитель ослабления напряженности поля свободного пространства; r – расстояние от передающей антенны до точки наблюдения k . Произведение P_Э = P_A G_A в [10] именуется эквивалентной мощностью

Рис. 3. Схема расположения точек измерения уровней ЭМИ в многоэтажном здании

излучения – отсюда следует, что по результатам таблиц 1-2 и (2), во-первых, могут быть найдены значения P_Э для всех РЭС, размещенных на башне ТВ-центра, если в точках прямой видимости для прямой волны можно принять V 1, а значения r вычислить согласно схеме на рис. 3 как

rnk=^R2k+(Hn-Hky, (3)

где R_k – расстояние от башни ТВ-центра до точки вдоль поверхности земли; H_n и H_k – высота расположения, соответственно, передающей антенны n -го РЭС и точки k .

Таблица 1. Измеренные уровни ЭМИ в многоэтажном здании на частотах ниже 300 МГц — напряженность электрического поля, В/м

h * о ^ В 5 § ^н О-	S к о О Си о к ЕС cd р-	№ cd О К Ч cd Си	m /—s н 3 ч ® о Н m -	И о н ” cd U о Н m ~	К и Ри	S о о О CU о ес cd CU	Е cd о ЕС cd Он	О S ЕС cd CU <и о к о о Он	е cd £ О cd CQ У ^ >S ^ з m CQ Н &^т С	Е cd X ^ cd cd К ^ 2 т и [— о- т С	cd S $ О' § §	О S Е[ cd Он	S Он о Н	2 Он « Е cd	S о. о 2 2
МГц	0,873	1,143	49,75	56,25	68,51	70,31	72,05	72,83	77,25	83,75	90,6	91	91,5	92,1	95,7
1 этаж	0,668	0,763	2,111	0,058	0,147	0,008	0,011	0,176	0,305	0,18	0,169	0,201	0,116	0,075	0,115
2 этаж	0,009	0,004	0,031	0,035	0,008	0,001	0,001	0,019	0,025	0,003	0,015	0,025	0,027	0,007	0,016
5 этаж	0,021	0,003	0,229	0,087	0,019	0,018	0,021	0,135	0,363	0,042	0,07	0,082	0,047	0,066	0,041
9 этаж	0,024	0,010	0,026	0,081	0,021	0,021	0,022	0,437	0,153	0,145	0,365	0,293	0,224	0,12	0,055

Таблица 1 (продолжение)

S к g cd О 1 1 ^ CU	< и	о О CU	-Q и о о S о X m	О 2 ч С cd О CQ Ш	О к Си о о « о о Си	X о о cd 9 О к ЕС cd си	С[ Си О си О 5 ЕС cd си	cd У cd О 5 Е[ cd си	О ей Z	5 Q	О е о cd CD §	cd S S з ° cd U	О к EC cd cu о и CQ <	cd « S cd 3 О CU	cd Cu 02 * a о cu о
МГц	96,3	98,6	99,1	99,9	100,3	101	101,5	102,1	102,5	102,9	103,6	104,3	104,8	105,4	106,1
1 этаж	0,132	0,113	0,138	022	0,10	0,013	0,012	0,01	0,166	0,168	0,012	0,01	0,075	0,116	0241
2 этаж	0,014	0,004	0,003	0,008	0,014	0,004	0,001	0,002	0,012	0,061	0,001	0,004	0,009	0,015	0,043
5 этаж	0,041	0,061	0,07	0,104	0,068	0,004	0,005	0,003	0,046	0,092	0,007	0,005	0,041	0,042	0,071
9 этаж	0,084	0,078	0,092	0.228	0,039	0,009	0,009	0,017	0217	0229	0,009	0,009	0209	0,099	0,459

Таблица 1 (окончание)

к S ч g E e н Си	О cd С^ с* > о —	5 Ц- S <и	О У ко о к Е и	О ко Е и	3 ко Е О	О 3 № ко Е О	о 3 У ко о ^ Е и	m 5 ^ \о	m 7? Е и я m щ н CU чо	< и И	н 3 <с СО °	т 3 Р-1 08	s U 8 ” о ^нСЧ сь	s 3 2 Н о „	^ Id g m 2 ^но — СТ-
МГц	106,6	107,2	133	140	ИО-ПО	149	155	17525	181,75	18325	189,75	19925	205,75	21225	221,75
1 этаж	0,016	0,03	0,022	0,049	0,053	0,266	0,072	0,178	0,058	0,07	0,084	0,101	0,087	0,015	0,014
2 этаж	0,001	0,001	6,27-10"⁵	8,76-10"⁵	1,36 ю⁴	8,03-10"⁵	126-10^	0,011	0,008	0,013	0,006	0,006	0,004	7,9 10⁴	2,64-10"⁴
5 этаж	0,002	0,004	0,005	0,004	0,015	0,011	0,016	0,092	0,068	0,110	0,045	0,094	0,039	0,005	0,002
9 этаж	0,04	0,01	0,013	0,022	0,027	0,013	0,023	0,158	0,193	0,186	0,02	0,184	0,02	0,024	0,01

Во-вторых, оценив уровни ЭМИ ППЭ_в ; мкВт/ см ² в предполагаемом месте размещения типовых РЭС, можно согласно [3-5] спрогнозировать уровни ИМ-составляющих ЭМИ как

ППЭим = /им ППЭ_в, (4)

где точность прогноза зависит также от достоверности значений χИМ , определяемых при исследовании и моделировании РЭС. Отсюда следует, что используемый банк данных РЭС должен быть достаточно обширным, надежным и оперативно обновляемым – что представляет собой самостоятельную задачу [11-12].

В-третьих, найденные согласно (1) значения КБ позволяют оценить степень безопасности

Таблица 2. Измеренные уровни ЭМИ в многоэтажном здании на частотах выше 300 МГц — плотность потока мощности, мкВт/см2

£ я

2 СУ

Ч н

р-

ю о

ад

ю о

ад

2 я о * ад и

Q и

О'

m н со к н

СМ

m S и m

I н

5 ^

ад m

^ н

^ со см

” m

« н

ЧЭ СП сэ

сУ

Он

й S

к m R Е— § ЧП

ад

^ m

S чп

8 n о

СЦ

m 'о^1,

о^ а- £

m 7?

К r~.

&Ч rl

m rs н ы co CO s £

m 5,

Л m

S ^

МГц

339

225460

423

464,6

465,85

471,25

477,75

487,75

493,75

503,25

509,75

519,25

525,75

58325

589,75

1 этаж

7,76-10"⁶

2,45-10"⁷

1,48-10"⁶

2,72-10"⁸

7,85-10"⁶

3,63-10"⁶

1,21-10"⁴

1,72-10"⁵

2,16-10"⁵

3,14-10"⁵

3,89-10"⁴

5,07-10"⁵

6,24-10"⁶

4,62-10"⁶

2 этаж

1,02-10"⁷

1,62-10"⁷

9,77-10"⁸

1,08-10"⁹

1,68-10"⁶

2,24-10"⁸

2,37-10"⁵

5,69-10"⁶

4,73-10"⁵

1,47-10"⁵

6,92-10"⁹

1,57-10"⁷

5,19-10"¹⁰

1,4-10"⁷

5 этаж

6,03-10"⁸

0,001

1,02-10"⁹

4,12-10"⁸

1,03-10"⁵

7,08-10"⁶

8,03-10"⁵

2,92-10"⁵

2,85-10"⁴

4,05-10"⁵

4,47-10"⁵

2,02-10"⁵

9,9-10"⁶

7,67 IO"⁷

9 этаж

9,77-10"⁷

2,57-10"⁵

1,51-10"⁸

3,35-10"⁸

1,72-10"⁵

2,4-10"⁵

1,33-10"⁴

2,72-10"⁵

6,53-10"⁶

8,65-10"⁵

1,1-10"⁵

9,44-10"⁶

1,64-10"⁶

9,23-10"⁷

Таблица 2 (окончание)

я §

Kt н

Рн

S со V

Н н

СО m m ^ н

ад ад ^

$ m ад Н ^m о

« S о CQ ш Н ^m °

Д' m m н н

со со

Ь н

w ^

5 « 8 m

^ о ЧП

'ад⁴ад ^

8 со

^ о ш

О о

5 и

О о

s а

О о

ОО ^

s е

о Н

<и

Н ⁵

>S *у

к м

МГц

59925

605,75

62325

629,75

67925

685,75

70325

709,75

935960

18211855

21352140

2140

2145

21552160

1 этаж

2,40-10"⁴

3,43-10"⁵

4,22-10"⁷

1,72-ю-⁷

4,27-10"⁶

2,63-10"⁶

6,03-10"⁵

2,34-10"⁵

5,15-10"⁶

5,14-10"⁶

1,4-10"⁶

1,07-10"⁷

1,26-10"⁸

5,01-10"⁸

2 этаж

3,71-10"⁶

1,53-10"¹⁰

5,19Ю’”

4,2210"”

9,12-10"⁸

3,31-10"⁸

7,59-10"⁸

4,36-10"⁶

2,83-10"⁶

2,9-10"⁶

6,12-10"⁸

6,61-10"⁸

1,12-10"⁸

5,49-10"⁹

5 этаж

7,59-10"⁶

3,43-10"⁷

8,22-10"⁹

9,89-10"⁹

4,9-10"⁶

3,47-10"⁶

2,04-10"⁶

1,55-10"⁷

2,37-10"⁶

2,35-10"⁶

6,87-10"⁷

1,01-10"⁸

1,26-10"⁷

3,31-10"⁸

9 этаж

5,13-10"⁶

2,3-IO"⁷

3,59-10"⁸

6,84-10"⁹

1,7-10"⁵

3,89-10"⁶

1,58-10"⁵

2,4-10"⁶

1,26-10"⁵

1,28-10"⁵

1,11-10"⁶

2,69-10"⁸

7,24-10"⁹

5,5-10"⁸

Таблица 3. Значения коэффициента безопасности по ЭМИ на этажах здания

Точка 1 этаж Вне здания 2 этаж 5 этаж 9 этаж 11 72 73 14 27 57 52 53 91 92 93 КБ 0,021 0,572 0,002 0,221 0,0015 0,035 0,003 0,0025 0,123 0,0015 0,006 по ЭМИ как вне, так и внутри многоэтажного здания в соответствии с нормами [8]. Приведенные в таблице 3 значения КБ показывают, что в целом обстановку по ЭМИ в здании согласно [8] следует признать безопасной, хотя между собой по данному критерию точки измерений 11-93 различаются весьма значительно (в 300 и более раз). Можно утверждать также, что помимо расстояния rnk (3) на значения КБ внутри здания влияет целый ряд факторов – как детерминированных, так и случайных, исследование которых представляет существенный интерес.

Заключение

Приведены результаты расчетно-экспериментального исследования пространственно-частотных характеристик ЭМИ, создаваемых РЭС, размещенными на башне ТВ-центра г. Самары, которые способны воздействовать на комплекс СА и РСА в 12-этажном здании учебно-лабораторного корпуса ПГУТИ. Аналогичные представленным в статье данные позволяют оценить степень безопасности по ЭМИ обстановки в пределах и вокруг многоэтажного здания, расположенного в городской среде, они также формируют базу данных, необходимую для проектирования систем защиты КИ коммерческого назначения.

Список литературы Пространственно-частотные характеристики электромагнитного возбуждения комплекса случайных антенн

Маслов О.Н. Случайные антенны//Электросвязь. №7, 2006. -С. 12-15.
Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Рябушкин А.В. Методы и средства исследования эффективности случайных антенн//Антенны. №4 (131), 2008. -С. 59-65.
Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Исследование случайных антенн методом статистического имитационного моделирования//Успехи современной радиоэлектроники. №7, 2008. -С. 3-41.
Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Рябушкин А.В. Исследование интермодуляционных характеристик случайных антенн//Труды МТУСИ. Том II. М.: ИД Медиа Паблишер, 2008. -C. 68-74.
Маслов О.Н., Рябушкин А.В. Сотовые терминалы: утечка информации по интермодуляционным каналам//Мобильные телекоммуникации. №6, 2008. -С. 11-14.
Маслов О.Н. Применение метода статистического имитационного моделирования для исследования случайных антенн и проектирования систем активной защиты информации//Успехи современной радиоэлектроники. №6, 2011. -С. 42-55.
Маслов О.Н. Экологический риск и электромагнитная безопасность. М.: ИРИАС, 2004. -330 с.
Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. М.: Минздрав России, 2003.
Способ определения безопасности электромагнитного фона//Маслов О.Н., Борякова Е.С., Рябушкин А.В. Патент RU 2401433 от 01.09.2008, опубл. 10.10. 2010, бюлл. №28.
Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984. -272 с.
Маслов О.Н. О моделировании риска принятия решений в области обеспечения информационной безопасности//Защита информации. №4, 2011. -С. 16-20; №5, 2011. -С. 12-15.
Маслов О.Н. Реинжиниринг бизнес-процесса обеспечения корпоративной безопасности//Защита информации. №6, 2011. -С. 18-28.

Еще

Статья научная