Consideration of Multipath in Modeling the Field of Secondary Electromagnetic Radiation on Informatization Objects

Full Text

Введение В электромагнитных каналах утечки информации носителем информации являются различного вида побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ), возникающие при работе технических средств [1; 2]. Как известно, побочные электромагнитные излучения возникают при следующих режимах обработки информации средствами вычислительной техники на объектах информатизации: вывод информации на экран монитора; ввод данных с клавиатуры; запись информации на накопители на магнитных носителях; чтение информации с накопителей на магнитных носителях; передача данных в каналы связи; вывод данных на периферийные печатные устройства; запись данных от сканера на магнитный носитель (ОЗУ). Для перехвата побочных электромагнитных излучений технических средств передачи, обработки, хранения и отображения информации (ТСПИ) злоумышленником могут использоваться как обычные средства радио-, радиотехнической разведки, так и специальные технические средства разведки (ТСР) побочных электромагнитных излучений. Как правило, предполагается, что данные средства находятся за пределами контролируемой зоны объекта. Оценка ослабления побочного электромагнитного излучения ТСПИ как правило размещаются внутри помещений здания, где электромагнитные волны могут распространяться по достаточно сложным трассам путем множественного отражения и дифракции на препятствиях [3-15]. Сложная конфигурация трасс распространения электромагнитных волн затрудняет разработку теоретических методик оценки ослабления ПЭМИ, приемлемых для использования на практике. Поэтому в настоящее время наиболее достоверными считаются методики, основанные на экспериментальных исследованиях [16-19]. К сожалению, известные методики не учитывают многолучевый характер распространения электромагнитных волн внутри здания и, как следствие этого, не рассматривают сложную интерференционную структуру формируемых полей, что может привести к значительным ошибкам в определении коэффициентов ослабления. Суть известных методик определения ослабления ПЭМИ сводится к следующему алгоритму. На некотором расстоянии от ТСПИ (например, 1 м) выполняется измерение значения напряженности поля, затем аналогичные измерения выполняются в интересующей точке пространства. Относительный коэффициент ослабления определяют по формуле L = U2/U1, где U1, 2 - напряжения на входе измерительного прибора при измерении на расстоянии 1 м от источника излучения и в точке возможного расположения специального технического средства разведки ПЭМИ, соответственно. Уровень ПЭМИ зачастую достаточно низок и в некоторых интересующих областях пространства измерить его с помощью имеющихся средств не представляется возможным. В этом случае рекомендуется вместо ТСПИ использовать достаточно мощный генератор ВЧ, нагруженный на широкополосную, например, биконическую, антенну. Необходимо отметить, что в данном случае диаграмма направленности (ДН) излучения ТСПИ может принципиально отличаться от ДН используемой антенны. Однако в известных методиках на данный аспект не обращают внимания, очевидно, полагая, что электромагнитная волна распространяется по прямой «ТСПИ - приемная антенна» (не учитывается многолучевость) и влияние диаграммы направленности одинаково при различном удалении точки приема от источника излучения. Таким образом, в известных методиках делаются два допущения, которые существенно сказываются на результатах оценки. Во-первых, делается предположение об однолучевом распространении радиоволн. Во-вторых, реальное ТСПИ, имеющее сложную диаграмму направленности заменяется генератором с антенной, имеющей собственную диаграмму направленности. Ниже приведен пример расчета уровней напряженности результирующего поля внутри здания и на основе анализа полученных результатов показана неадекватность используемых на практике методик. Результаты расчетов и их анализ Определим возможные ошибки определения множителя ослабления ПЭМИ на примере упрощенной модели этажа здания (рис. 1). Полагаем, что в комнатах отсутствует мебель, а стены ровные без дверных и оконных проемов. Электрические параметры стен для кирпича ε = 4,4 - i ∙ 0,18, для межэтажных перекрытий (потолка и пола) приняты параметры бетона ε = 6,1 - i ∙ 1,2. Расчеты проводились для частоты 900 МГц. ТСПИ размещается в комнате 1, специальное техническое средство разведки ПЭМИ - в комнате 9 на одной стороне относительно коридора. Необходимо в комнате 9 определить уровень напряженности поля и вычислить по известной методике коэффициент ослабления ПЭМИ. Диаграмма направленности ТСПИ может иметь достаточно изрезанный характер, в качестве примера рассмотрим диаграмму направленности с одним провалом (на рис. 2 обозначена цифрой 2). Диаграмма направленности замещающей антенны (как правило, используют биконическую антенну) является ненаправленной в азимутальной плоскости (на рис. 2 обозначена цифрой 1). Рис. 1. Схема этажа здания Fig. 1. Floor plan of the building Рис. 2. Диаграмма направленности ТСПИ и замещающей антенны Fig. 2. Radiation pattern of TMIT and substituting antenna Для расчетов результирующей электродвижущей силы (ЭДС) воспользуемся детерминированной методикой. Как показал анализ, при указанном размещении передающей и приемной антенн основной вклад в результирующее поле будет вносить волноводно-сквозная компонента, распространяющаяся по волноводу с перегородками, состоящему из фронтальной стены здания, стен коридора, а также межэтажных перекрытий. На рис. 3-4 приведены распределения уровней ЭДС, наведенной в приемной антенне многолучевым полем в комнате 1 размещения передающей антенны (рис. 3) и в комнате 9 размещения ТСР ПЭМИ (рис. 4), нормированные относительно максимально достижимого значения ЭДС на расстоянии 1 м от источника излучения. Анализ полученных результатов показал следующее. Пространственное распределение поля на рис. 3-4 не совпадают (точки, в которых наблюдаются замирания и всплески ЭДС, не совпадают). Замена источника излучения генератором с антенной приводит к принципиальному изменению интерференционной структуры результирующего поля. Так, для приведенного примера, при ненаправленном излучении существенный вклад в формируемое поле вносят лучи, излучаемые в направлении комнаты 9, при направленном излучении доминируют лучи, излучаемые в противоположном направлении и отраженные от дальней стены в комнате 1 (уровень и структура поля в комнате 9 зависят от параметров стены). Рис. 3. Распределение в пределах комнаты 1 уровней ЭДС, наведенной в приемной антенне многолучевым полем: а - диаграмма направленности излучения в азимутальной плоскости круговая; b - диаграмма направленности излучения в азимутальной плоскости имеет один провал Fig. 3. Distribution within the room 1 EMF levels, induced in the receiving antenna by a multipath field: a - radiation pattern in the azimuthal plane is circular; b - radiation pattern in the azimuthal plane has one dip Таким образом, в результате замены реального источника излучения мощным генератором с антенной возникает ошибка в измеренном значении ЭДС в заданной точке пространства, а, следовательно, и в рассчитанном коэффициенте ослабления ПЭМИ. Проведенные расчеты показали, что данная ошибка может достигать 40 дБ и более. Согласно известной методике измерение проводится сначала на расстоянии 1 м от источника излучения, однако в точке измерения может наблюдаться замирание результирующей ЭДС (от 10 до 30 дБ). В пределах комнаты 9 уровень результирующей ЭДС может меняться на 40-50 дБ. Таким образом, при незначительном смещении точек измерений в комнатах 1 и 9 значение коэффициента ослабления может меняться весьма значительно до 80 дБ. Однако в известной литературе такой важный момент не описан и, значения коэффициента ослабления, измеренные лишь в одной точке, приписываются целым областям пространства, например, одной комнате. Очевидно, что анализ приведенного примера позволяет сделать вывод о неадекватности результатов, получаемых с помощью известных методик, хотя они основаны на экспериментальных данных. Рис. 4. Распределение в пределах комнаты 9 уровней ЭДС, наведенной в приемной антенне многолучевым полем: а - диаграмма направленности излучения в азимутальной плоскости круговая; b - диаграмма направленности излучения в азимутальной плоскости имеет один провал Fig. 4. Distribution within the room 9 levels of EMF induced in the receiving antenna by a multipath field: a - radiation pattern in the azimuthal plane is circular; b - radiation pattern in the azimuthal plane has one dip Выводы Для более достоверного и адекватного определения значений коэффициента ослабления ПЭМИ необходимо: во-первых, отказаться от замены источника излучения мощным генератором с антенной и искать другие способы измерения слабого уровня амплитуды поля реального ТСПИ; во-вторых, существенно доработать методику определения коэффициента ослабления, поскольку в известном виде, она пригодна лишь для измерений в свободном пространстве и дает весьма существенные ошибки в условиях города и внутри зданий, или использовать при приеме сигналов адаптивные способы приема (например, разнесенный прием), что позволяет существенно снизить уровень интерференционных провалов результирующей ЭДС.

About the authors

Aleksey V. Bobrovskikh

National Research University of Electronic Technology

Email: qazxcvbnm.qq3@gmail.com
postgraduate student at the Department of Information Security Moscow, Russian Federation; Zelenograd, Russian Federation

Alexander V. Gureev

Institute of Microdevices and Control Systems named after L.N. Presnukhina of the National Research University of Electronic Technology

Email: alex.dushkin@list.ru
Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor; Professor at the Institute of Microdevices and Control Systems named after L.N. Presnukhina Moscow, Russian Federation; Zelenograd, Russian Federation

Vladimir P. Los

MIREA - Russian Technological University

Email: ib.labs@yandex.ru
Dr. Sci. (Mil.), Professor; Director of the Center for Research on Human Resources in the Information Security Industry Moscow, Russian Federation

Aleksey S. Markov

Bauman Moscow State Technical University (National Research University)

Email: mail@cnpo.ru
Dr. Sci. (Eng.), Professor; Professor at the Department of IU8 “Information Security” Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files