Взаимодействие случайных антенн, размещенных в многоэтажном офисном здании

Перспективы развития статистической теории антенн во многом обусловлены расширением круга прикладных задач, решаемых ее методами и средствами. В этой связи представляет интерес проектирование систем активной защиты (САЗ) конфиденциальной информации (КИ) от утечки по каналам, формируемым с участием случайных антенн (СА) разных типов [1-3]. Согласно классификации СА [2] здесь представляют интерес как сосредоточенные СА (далее просто СА), так и распределенные в пространстве (РСА) и апертурные (АСА) случайные источники и рецепторы неионизирующего ЭМП. В рамках прямых внешних задач СТА модели СА и РСА рассмотрены в [2; 4], условия их возбуждения моделируются по ходу решения внутренних задач СТА [5-6] – в частности, связанных с определением законов распределения случайных факторов, влияющих на их эффективность в разных режимах функционирования (амплитудных, фазовых, частотных, временных и геометрических или пространственных ошибок).

Однако остается открытым вопрос о том, в каком виде полученные результаты могут быть использованы при проектировании конкретных вариантов САЗ КИ – особенно при комплексном взаимодействии СА, РСА и АСА, размещенных на одном объекте (например, внутри многоэтаж- ного здания в крупном мегаполисе), что может иметь значение при проектировании САЗ на объектах повышенной важности [7].

Экспериментальные материалы, которые можно было бы принять в качестве исходных данных при проектировании таких САЗ, в необходимом объеме сегодня отсутствуют. На восполнение данного пробела и направлена настоящая статья.

Методика проведения измерений

Взаимодействие СА, РСА и АСА, расположенных в пределах одного многоэтажного здания, иллюстрирует схема на рис. 1. Предполагается, что источником возбуждения РСА и АСА является элемент СА, размещенной в пределах объема V _CA, который находится в точке М _СА. Апертурная СА представляет собой три прямоугольных отверстия (моделирующих апертуры утечки КИ через окна подлежащего информационной защите помещения – далее ПЗП) на поверхности S _A с центром в точке 0, размеры каждой апертуры расстояние между апертурами d , каждый отдельный элемент в точке М _А на S _A, принадлежащей АСА, считается излучателем Гюйгенса [4]. Токопроводящие части РСА выделены утолщенными линиями – это металлические конструкции здания, трубы систем отопления, водопровода и вентиляции, проводные сети электропитания и инфокоммуникаций, цепи сигнализации, заземления оборудования и т.д. [5-6], расположение и форма которых предполагаются произвольными.

Будем считать, что в точку наблюдения МS на поверхности SМ, где размещено техническое средство перехвата (ТСП) злоумышленника, КИ-сигнал может по радиоэфиру попадать двумя путями: во-первых, через АСА по траектории MCA – MA – MS длиной rA; во-вторых, через части РСА по множеству путей длиной rPCA, как это показано на рис. 1. В качественном отношении можно утверждать априори, что в области достаточно высоких частот из представляющего интерес диапазона 10 Гц … 5 ГГц основная часть ЭМИ в точку МS будет проходить исключительно через АСА, тогда как в области достаточно низких частот – исключительно че- рез РСА, причем в роли РСА может выступать все многоэтажное здание целиком. В количественном отношении, однако, соотношение между вкладами апертурной СА и РСА в уровень ЭМИ, создаваемый КИ-сигналом в месте расположения ТСП, необходимо определить хотя бы в первом приближении.

Для этого воспользуемся теоремой взаимности и перейдем от излучающих СА, РСА и АСА, показанных на рис. 1, к приемным. Пусть в точке МS на поверхности SМ расположен источник тестового сигнала, аналогичного по частотному спектру КИ-сигналу, – можно считать, что тестовый сигнал в виде квазиплоской волны будет попадать в точку МСА также двумя путями: через АСА и РСА. Тогда с изменением частоты вклады АСА и РСА в уровень ЭМП измеряемого в точке MCA тестового сигнала должны меняться априори предположенным образом.

Чтобы проверить это, необходимо измерить уровень ЭМП тестового сигнала внутри здания в

Рис. 1. Схема взаимного расположения СА; АСА и РСА

двух противоположных относительно его прихода точках: вблизи АСА (на «освещенной» стороне здания) и симметрично расположенной точке на «теневой» стороне здания (далее без кавычек). Если принять, что в освещенной точке здания формирование уровня ЭМП происходит за счет аддитивного взаимодействия АСА и РСА, а в теневой точке – только за счет РСА, то относительный вклад АСА на каждой частоте тестового сигнала можно приближенно оценить по разности U _СА+РСА – U _РСА, где U _СА+РСА – результат измерения уровня ЭМП в освещенной точке, дБ; U _РСА – результат измерения уровня ЭМП в теневой точке, дБ.

При этом степень приближения оценки зависит, во-первых, от симметричности многоэтаж- ной структуры РСА, во-вторых, от симметрии расположения относительно направления прихода тестового сигнала точек измерения уровней ЭМП в пределах здания и не зависит от инструментальной и, что особенно важно, методической погрешностей, поскольку все измерения проводятся одним и тем же прибором по одинаковой методике.

Результаты экспериментальных измерений

Объектом исследования являлись СА, РСА и АСА, расположенные в многоэтажном здании учебно-лабораторного корпуса №2 ПГУТИ. Электромагнитная обстановка на объекте отлича- ется исключительной сложностью и пространственно-частотной неоднородностью [5-6], однако ее главным формирующим фактором является ЭМП, создаваемое излучателями, размещенными на близкорасположенной башне телецентра г. Самары. Важно, что все эти сигналы достаточно хорошо соответствуют указанным требованиям: поступают с одного направления и обеспечивают заметную разность уровней ЭМП на освещенной и теневой сторонах многоэтажного здания. Кроме них, в составе техногенного фона по ЭМП присутствует ряд низкочастотных компонентов, также поступающих в здание примерно с одинаковых азимутальных направлений.

б)

Рис. 2. Спектрограммы ЭМП, воздействующих на АСА и РСА (частоты 67 … 87 МГц, 9 этаж здания) а) освещенная сторона; б) теневая сторона здания

Измерения уровней ЭМП производились при помощи анализатора спектра FS300 производства Rode & Schwarz в комплекте с активной измерительной антенной АИ5-0. Точки измерения располагались на 5; 9 и 12 этажах, по две точки на каждом этаже, расположенных симметрично относительно продольной осевой линии Y на рис. 1 – на освещенной и теневой стороне здания. Угол прихода сигналов от башни телецентра в гори- зонтальной плоскости YOZ составлял примерно 60°. Примеры полученных экспериментальных спектрограмм в полосе частот 67 … 87 МГц представлены на рис. 2а для 9 этажа освещенной стороны офисного здания; на рис. 2б – для теневой стороны здания.

По аналогичным спектрограммам определялись уровни сигналов US ; дБ и UТ ; дБ, соот- ветственно, в освещенных и теневых точках; в общей сложности было обработано более 200 экспериментальных результатов. Методика обработки предусматривала перевод измеренных значений в относительные единицы согласно

U _S._T = Ю с последующим вычислением средних значений уровней ^Р S T ) в заданной полосе частот и их отношения в децибелах:

(U_s) N_ST =101g^

— Поскольку и = Е₀1_д, где

\   / /ср

Eq – напряженность поля падающей волны; 1д

–

действующая длина приемной антенны, а уровни Е^ для волн, приходящих от каждого источника ЭМП, здесь являются одинаковыми для каждой пары сравниваемых точек (освещенной и теневой), найденные значения Nst отражают различие в средних значениях действующей длины совокупности АСА и РСА: 1ДДАСА^РСА^Д6 в освещенной точке, и уединенной РСА: 'Я,^СА),6 в теневой точке. Если в освещенной точке АСА существенно преобладает над РСА, можно считать, что

^r=101g-

(9j_c/; (^r Xp

= 201ё/Дср(АСА+РСА)-

-201ё1Дср(РСА)« /Дср(АСА)д6- 1дДРСА)дб •

Результаты измерений в обработанном виде для шести частотных полос, в пределах которых размещены сигналы, поступающие в многоэтажное здание с башни телецентра, представлены в таблице 1.

Выводы

Из анализа данных таблицы 1 видно, что средние значения действующей длины АСА на всех этажах заметно превышают аналогичные параметры РСА – это говорит о том, что в области частот 60 … 700 МГц основным источником утечки КИ в системе «многоэтажное здание – окружающая среда», по-видимому, является АСА.

На частотах ниже 60 МГц такую закономерность выявить не удается – во-первых, из-за недостатка объема экспериментального материала, во-вторых, ввиду невозможности приемлемо точ-

Таблица 1. Измеренные средние значения N_ST, дБ для освещенной и теневой стороны многоэтажного здания

Полоса частот, МГц		st ~ ^дср^СА )(б 1Дср^РСА )Д6
		5 этаж	9 этаж	12 этаж
60 .	. 70	4,2	7,6	7,0
90 ..	100	7,7	4,4	7,8
170 .	. 180	14,5	17,75	14,1
190 .	. 200	11,5	15,0	9,4
400 .	. 500	13,2	8,0	7,4
600 .	. 700	17,1	13,2	14,2

ным образом установить направления прихода тестовых сигналов и помех относительно оси здания Y на рис. 1. Поэтому можно только предположить, что источниками утечки КИ из многоэтажного офисного здания на данных частотах могут быть как АСА, так и РСА.

Авторы выражают признательность А.В. Ря-бушкину за действенную помощь при организации и проведении экспериментов.