THE INTERACTION OF RANDOM ANTENNAS LOCATED IN A HIGH-RISE OFFICE BUILDING

Abstract


He paper presents the results of an experimental study of the levels of electromagnetic fields (EMF) in a high-rise office building. Random aperture antennas (RAA) are a model of holes in the walls of the building. Distributed random antenna (DRA) is a model of the metal elements of the building. It is shown that the RAA have a major impact on the levels of EMF in the frequency range 60-700 MHz. Levels of electromagnetic fields have more complicated dependence on the parameters of RAA and DRA together at lower frequencies.

Full Text

Введение 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 VCA, который находится в точке МСА. Апертурная СА представляет собой три прямоугольных отверстия (моделирующих апертуры утечки КИ через окна подлежащего информационной защите помещения - далее ПЗП) на поверхности SA с центром в точке 0, размеры каждой апертуры Ixh, расстояние между апертурами d, каждый отдельный элемент в точке МА на SA, 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 MS на поверхности S^, 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 MS будет проходить исключительно через АСА, тогда как в области достаточно низких частот - исключительно че «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 84 Заседателева П.С., Маслов О.Н., Раков А.С., Силкин А.А. 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 MS на поверхности ^М 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 ^СА+РСА - иРСА, где иСА+РСА - результат измерения уровня ЭМП в освещенной точке, дБ; Ц/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- «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 Заседателева П.С., Маслов О.Н., Раков А.С., Силкин А.А. 85 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. Ref: -5.0 dBm M1 : RBW: LN 100 kHz М2: 68.44 MHz/ 83.72 MHz/ -46.6 dBm -43.9 dBm FREQ/ N АМРТ MKR SPAN 1 ВИ/ Il TRACE SHEEP a) Ref: -15.0 dBm M1: RBH: LN 100 kHz М2: 68.44 MHz/ 83.72 MHz/ -54 8 dBm MARKER 1 э*.о ODm RETURM 6) 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 горизонтальной 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 Ц ; дБ, соответственно, в освещенных и теневых точках; в общей сложности было обработано более 200 экспериментальных результатов. Методика обработки предусматривала перевод измеренных значений в относительные единицы согласно т т іл0,1 Us.TdE Us.T=Y\j ’ с последующим вычислением средних значений уровней {US.T) в заданной полосе частот и их отношения в децибелах: (us) NST = 101g, "р . Поскольку U = Е01Д, где Т )ср Е0 - напряженность поля падающей волны; 1д -действующая длина приемной антенны, а уровни Е0 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: 1Дср(АСА + РСА)дб в освещенной точке, и уединенной РСА: і,ЛРСА)я в теневой точке. Если в освещенной точке АСА существенно преобладает над РСА, можно считать, что N" = lOlgj^ = 20lgl„ JACA+PCÀ) --2mgl,<PCA)*l„jACA)at-l,<PCA\ >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- «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 3, 2013 86 Заседателева П.С., Маслов О.Н., Раков А.С., Силкин А.А. Таблица 1. Измеренные средние значения MST, дБ для освещенной и теневой стороны многоэтажного здания Полоса частот, МГц N яв ST ^дер (.АСА )дб 1 дср (РСА )дб 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

References

  1. Maslov O.N., Rakov A.S. The Research of Random Antennas Method of Statistical Simulation // Applied and Fundamental Studies. Proc. of the 1-st IAC. Vol. 1. October, 2012. St. Louis, USA. - P. 251-256.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Маслов О.Н., Раков А.С., Силкин А.А. Статистические характеристики поля апертурной случайной антенны с учетом корреляционной связи между ошибками // Антенны. №12, 2012. - С. 3-10.
  5. Заседателева П.С., Маслов О.Н., Рябушкин, Щербакова Т.А. Особенности моделирования режимов возбуждения многоканальных случайных антенн // ИКТ. Т.10, №1, 2012. - С. 78-89.
  6. Заседателева П.С., Маслов О.Н. Пространственно-частотные характеристики электромагнитного возбуждения комплекса случайных антенн // ИКТ. Т.10, №2, 2012. - С. 93-98.
  7. Методы комплексного контроля безопасности информации на объектах телекоммуникационных систем органов государственного управления. М.: Изд. УДП РФ, 2009. - 368 с.

Statistics

Views

Abstract - 14

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2013 Zasedateleva P.S., Maslov O.N., Rakov A.S., Silkin A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies