Методики определения характеристик распространения побочных электромагнитных излучений в урбанизированных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Асотов Дмитрий Валериевич

• Асотов Дмитрий Валериевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Асотов Дмитрий Валериевич

Сокращения и обозначения

Введение

1. ПОБОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности сигналов, порождающих побочные электромагнитные излучения

1.1.1. Побочные электромагнитные излучения видеосистем

1.1.2. Побочные электромагнитные излучения шин данных

1.1.3. Создание каналов связи с использованием побочных электромагнитных излучений

1.2. Определение трассового коэффициента ослабления побочных электромагнитных излучений в урбанизированных средах

1.3. Методы моделирования процессов распространения радиоволн

1.4. Лучевые методы моделирования

1.4.1. Геометрическая оптика

1.4.2. Физическая оптика и метод краевых волн

1.4.3. Моделирование процесса распространения радиоволн

1.5. Использование лучевого приближения в пакетах имитационного моделирования

1.5.1. Анализ известных пакетов имитационного моделирования

1.5.2. Решение задачи рассеяния на клине

1.6. Выводы

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОИСКА ТРАСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

2.1. Анализ методов поиска лучевых трасс

2.1.1. Метод возбуждения

2.1.2. Метод изображений

2.2. Поиск лучевых трасс при отражениях радиоволн

2.3. Алгоритм поиска лучевых трасс при отражении радиоволн

2.4. Поиск лучевых трасс при дифракции радиоволн

2.5. Алгоритм поиска трасс при дифракции

2.6. Поиск лучевых трасс при преломлении радиоволн

2.7. Алгоритм поиска трасс при преломлении

2.8. Решение задачи поиска трасс общего вида

2.9. Математическая модель получения исходных данных о трассах

2.9.1. Генерация типов трасс

2.9.2. Синтез последовательности преград

2.9.3. Проверка решения на соблюдение условий корректности

2.9.4. Структурная схема работы математической модели

2.10. Выводы

3. МЕТОДИКА РАСЧЁТА КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ ПОБОЧНЫХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ СРЕДАХ

3.1. Расчёт напряжённости электрического поля радиоволн при распространении в урбанизированных средах

3.1.1. Коэффициент расхождения лучей

3.1.2. Коэффициент преобразования

3.1.3. Коэффициент поглощения в среде

3.1.4. Модель источника излучения

3.2. Моделирование процессов распространения радиоволн

3.2.1. Открытый канал распространения

3.2.2. Канал распространения в помещении

3.2.3. Канал распространения, содержащий преграду

3.3. Методика определения коэффициента ослабления побочных электромагнитных излучений

3.3.1. Вероятностный анализ двулучевой модели РРВ

3.3.2. Вероятностный анализ многолучевой модели РРВ

3.3.3. Скорость изменения разности фаз лучей

3.3.4. Методика определения коэффициента ослабления

3.4. Выводы

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ ПОБОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

4.1. Результаты экспериментального определения частотных зависимостей напряжённости электрического поля

4.1.1. Измерения в помещении

4.1.2. Измерения в открытом канале распространения

4.1.3. Измерения в канале «помещение-стена-улица»

4.2. Методика определения коэффициента ослабления побочных электромагнитных излучений

4.3. Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А. Описание аппаратуры

Приложение Б. Результаты измерений

Приложение В. Методы аналитической геометрии при поиске лучевых трасс

Приложение Г. Решение уравнения четвёртой степени

Приложение Д. Акты о внедрении результатов работы

Сокращения и обозначения

ГО - геометрическая оптика,

КО - коэффициент ослабления,

ГТД - геометрическая теория дифракции,

МКВ - метод краевых волн,

ПО - программное обеспечение, программа или множество программ,

используемых для управления компьютером, ПЭМИ - побочные электромагнитные излучения, ПЭМИН - побочные электромагнитные излучения и наводки, РРВ - распространение радиоволн,

ТС - техническое средство, любое электронное устройство (система или узел

системы) передачи, хранения и обработки информации, ФО - физическая оптика,

DVI - Digital Visual Interface, интерфейс ТС, предназначенный для передачи

видеоизображения на цифровые устройства отображения, HDMI - High Definition Multimedia Interface, интерфейс ТС для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые видеоданные высокого разрешения, VGA - Video Graphics Array, аналоговый видеоинтерфейс, используемый в ТС, SBR - Shooting and Bouncing, «стрельба с рикошетом», процедура поиска лучевых трасс, основанная на генерации множества вариантов.

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики определения характеристик распространения побочных электромагнитных излучений в урбанизированных средах»

Актуальность темы исследования

Современные технические средства (ТС) передачи, приема и обработки информации (в том числе компьютеры) работают с данными, содержащими результаты научных и технологических разработок в промышленности, со сведениями, используемыми для управления государственными структурами, финансами, обороноспособностью страны и т.д. В то же время ТС являются электронными устройствами, порождающими побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ), посредством которых может происходить утечка ценной информации. Данные излучения могут быть приняты специальными радиоприемниками, и информация, переносимая ими, может стать доступной организациям, которым она не предназначена и деятельность которых является незаконной. Ввиду этого высокую актуальность приобретает вопрос определения размеров зоны, за пределами которой соотношение сигнал/шум не превышает принятого порогового значения. Внутрь зоны, где возможен прием ПЭМИ, не должны допускаться посторонние средства радиоприема, а если это не реализуемо, то следует применять иные меры.

Одной из характеристик, определяющих величину зоны возможного приема, является коэффициент ослабления (КО) ПЭМИ. Он позволяет пролонгировать затухание напряжённости электрического поля на определённое расстояние и сделать вывод о возможности приёма ПЭМИ и извлечения из него информации. Для определения КО, чаще всего, используются модель затухания электромагнитного излучения в свободном пространстве или непосредственные его измерения на объекте. Использование теоретической модели затухания напряжённости электрического точечного изотропного излучателя в свободном пространстве нередко приводит к занижению оценки КО ПЭМИ. Это связано с тем, что в большинстве случаев электромагнитные излучения распространяются в урбанизированной среде (пространстве, содержащем здания, строительные конструкции и т.д.), которая обладает сложными физическими свойствами с

высокой степенью неоднородности, анизотропии и влияет на отражения, дифракцию, интерференцию и дисперсию волн. Другими словами, формируются сложные каналы распространения радиоволн (РРВ). Простая теоретическая модель не позволяет учитывать влияние строительных конструкций и пассивных средств ослабления ПЭМИ, таких, например, как радиоэкраны и радиопогло-щающие покрытия. Экспериментальное определение КО сопряжено с большими трудозатратами на осуществление необходимых измерений. К тому же, влияние многолучевости приводит к тому, что процесс затухания радиоволн, особенно в дециметровом диапазоне, становится немонотонным и однозначная корректная оценка КО ПЭМИ существенно затрудняется.

Тенденция роста рабочих частот современных ТС также влияет на возможности перехвата ПЭМИ. Ввиду того, что рабочие частоты у большинства информационных шин, входящих в состав ТС, за последние 15 лет выросли с десятков мегагерц до сотен мегагерц, а частоты гармоник тестовых сигналов ПЭМИ увеличились до сотен мегагерц и единиц гигагерц соответственно, именно диапазон дециметровых волн является наиболее актуальным с точки зрения возможности приёма сигналов ПЭМИ.

Из вышесказанного следует, что исследования, связанные с распространением и приёмом ПЭМИ в урбанизированных средах, актуальны.

Диссертация выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приёма, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2013.49 «Развитие методов обработки сигналов в устройствах и системах передачи и защиты информации», а также в рамках НИР «Новые методы и алгоритмы высокоточного дистанционного зондирования и мониторинга протяженных объектов для повышения эффективности разработки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых и предотвращения катастроф техногенного характера» (грант РФФИ 13-08-97538).

Степень разработанности темы

В области исследования характеристик распространения радиоволн известны работы многих исследователей, как в России, так и за рубежом. Применительно к радиосвязи разработаны эмпирические модели свободного пространства, Ли, Окамуры, Хата, Уолфиша-Икагами и др. Однако они не позволяют оценить влияние конкретных объектов и конструкций на рассеяние радиоволн. В работах Стреттона Дж.А., Менцера Дж.Р, Боровикова В.А, Кинбера В.Е., Бреховских Л.М., Уфимцева П.Я. изложены методы расчёта отражения радиоволн от различных преград, дифракции на телах с различной геометрией и прохождения через различные среды, как строгие, которые могут применяться с допущениями, так и приближённые, среди которых наиболее проработаны геометрическая оптика и геометрическая теория дифракции (вместе лучевое приближение), представляющие радиоволну в виде лучей, распространяющихся в пространстве вдоль определённых линий, т.е. трасс определённого типа, например, прямой, с отражением, с прохождением стены и т.д. Наиболее полно приближённые методы изложены в работах Баланиса A., положения которых, актуальные с практической точки зрения, внесены в рекомендации международного союза электросвязи (МСЭ-R P.1238-7, МСЭ-R P.526-13). Кондратьев А.В., Авдеев В.Б., Катруша А.Н. внесли вклад в развитие методологии расчёта ослабления ПЭМИ при их распространении. При этом некоторые важные вопросы многолучевого распространения ПЭМИ по-прежнему не проработаны.

Для расчёта характеристик РРВ в урбанизированных средах с помощью математического аппарата электродинамики в рамках лучевого приближения необходимо получить исходные данные, т.е. набор трасс распространения лучей и их характеристики (тип трассы, длина, углы падения). В отдельных работах (Ньян Лин Ч.Ч., Yun Z., Zhang Z., Rick T., Kuhlen T.) предлагается использовать фиксированный набор типов трасс. Такие модели подходят только для анализа частных задач (например, РРВ в помещении). Решение произвольных задач требует использования несколько иных подходов. Применительно к этому существуют два основных метода: возбуждения луча и изображений. Метод

возбуждения луча, основанный на построении большого количества тестовых лучей, выпущенных во всех направлениях из источника с заданным угловым шагом между ними, и прослеживании их распространения в среде, изложен и развит в работах Tarng J.H., Buddendick H., Eibert T.F., Ling H. Он применяется в известных программных продуктах моделирования (например, Wireless Insite). Существенным его недостатком является невозможность выбора оптимальной величины углового шага между лучами в связи с эффектом их расхождения при удалении от источника, что, как правило, приводит к возникновению ошибок (пропуску трасс). Подход, основанный на методе изображений, лишён этого недостатка и разработан в трудах Панычева А.И., Tsingos N., Funkhouser T., Aveneau L., где приведены решения частных задач сбора информации о трассах. Однако методология, позволяющая решать задачи общего порядка для урбанизированных сред на основе метода изображений, отсутствует.

Таким образом, вопросы разработки теоретического и технического обеспечения определения характеристик распространения радиоволн вообще и конкретно побочного электромагнитного излучения применительно к урбанизированным средам требуют дальнейших исследований.

Цель диссертационного исследования заключается в совершенствовании процедур определения размера зоны возможного приема ПЭМИ за счёт снижения влияния многолучёвости на величину их коэффициента ослабления в условиях урбанизированных сред.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1) анализ ПЭМИ как носителя информации, их типовых источников, а также существующих методов и программных средств определения их ослабления при распространении в условиях урбанизированных сред;

2) разработка математической модели поиска трасс для определения характеристик РРВ методами лучевого приближения в условиях урбанизированных сред;

3) разработка методики расчёта коэффициента ослабления ПЭМИ в урбанизированных средах на основе моделирования в диапазоне дециметровых волн и её экспериментальное подтверждение;

4) разработка методики достоверной экспериментальной оценки коэффициента ослабления ПЭМИ в урбанизированных средах в диапазоне дециметровых волн.

В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1) математическая модель поиска трасс распространения радиоволн в условиях урбанизированных сред, основанная на новом решении, базирующемся на методе изображений и снимающем известные ограничения по сложности описываемых явлений рассеяния в математической модели для расчёта характеристик распространения радиоволн;

2) подход к определению коэффициента ослабления ПЭМИ, отличающийся устранением влияния многолучёвости за счёт обработки частотных зависимостей методом скользящей средней и позволяющий исключить завышение величины ослабления;

3) методика расчёта коэффициента ослабления ПЭМИ в диапазоне дециметровых волн, отличающаяся учётом при моделировании строительных конструкций и средств пассивной защиты и устранением влияния многолучёво-сти;

4) методика экспериментального определения коэффициента ослабления ПЭМИ в диапазоне дециметровых волн, отличающаяся инвариантностью к размещению средств измерения.

Теоретическая значимость работы

Развитие методик поиска лучевых трасс с использованием метода изображений для определения характеристик РРВ в урбанизированных средах, позволяющее повысить качество моделирования и, в ряде случаев, увеличить производительность вычислений.

Разработка нового подхода к определению КО ПЭМИ в диапазоне дециметровых волн, основанного на устранении многолучевых неоднородностей методом скользящей средней.

Практическая значимость работы Разработанная математическая модель поиска трасс РРВ в условиях урбанизированных сред позволяет улучшить показатели программных пакетов имитационного моделирования ослабления радиоволн или стать базой для новых программных пакетов с лучшими по сравнению с существующими образцами показателями функционирования.

Разработанная на базе предложенной методики получения исходных данных о трассах РРВ программа может применяться для оценки КО ПЭМИ. Полученные оценки могут быть использованы в задачах проектирования систем защиты от утечки информации за счёт ПЭМИ.

Разработанная методика экспериментальной оценки КО ПЭМИ позволяет существенно снизить неопределённость отыскания границ зон возможного приёма, возникающую вследствие влияния многолучёвости, и получать результат, инвариантный по отношению к местоположению средств измерения.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы в виде методик внедрены в ФАУ «ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России» в НИР «Перспектива-16». Разработанные методики и программное средство поиска лучевых трасс внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» для направления магистерской подготовки 11.04.01 «Радиотехника». Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами.

Методы исследования

В процессе выполнения работы использован математический аппарат электродинамики, в частности, методы лучевого приближения, реализованные в программном пакете Wireless Insite и в рамках разработанных моделей, а также натурные экспериментальные исследования, реализованные на основе стан-

дартных методик. Для реализации алгоритма поиска трасс при моделировании процессов РРВ в условиях урбанизированных сред применён математический аппарат аналитической геометрии.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Использование разработанной математической модели поиска трасс для определения характеристик распространения радиоволн в условиях урбанизированных сред, основанной на методе изображений, в отличие от известных, применяющих метод возбуждения, позволяет избежать потерь лучевых трасс при проведении расчётов.

2) Методика расчёта коэффициента ослабления ПЭМИ, основанная на моделировании в лучевом приближении с использованием метода изображений и обработке частотной зависимости, позволяет учитывать наличие строительных конструкций и средств пассивной защиты и снизить влияние многолучёво-сти на его величину.

3) Методика экспериментального определения коэффициента ослабления ПЭМИ в диапазоне дециметровых волн, предусматривающая измерения на сетке частот с последующей обработкой частотных зависимостей, позволяет снизить величины ошибок, обусловленных многолучёвостью, с 20 дБ до 2-3 дБ, по сравнению с известной методикой, предполагающей измерения только на частотах информативных гармоник.

Область исследования диссертации соответствует пункту 2 «Исследование явлений прохождения электромагнитных волн различных диапазонов через среды, их рассеяния и отражения» паспорта специальности 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения».

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных в работе результатов обусловлена корректным использованием математического аппарата геометрической оптики и геометрической теории дифракции и соблюдением условий сходимости этих методов. Основные результаты имеют экспериментальное подтверждение на аттестованном оборудовании.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, кибернетических, информационных и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2013); Международном научном форуме «Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке» (Харьков, 2014); международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, 2014), международной конференции Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo, Севастополь, 2015); международной конференции International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON, Омск, 2015) международных научных семинарах, проводимых Московским энергетическим институтом (Москва, 2014-2015), международной конференции Mechatronics, Control and Automation Engineering (MCAE, 2017), международной конференции Green Materials and Environmental Engineering (GMEE, 2017), ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» и научно-методических семинарах кафедры радиотехники (2012-2018). По результатам работы зарегистрировано программное средство в государственном информационном фонде неопубликованных документов ФГАНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти» № 50201450691 от 14.10.14.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 20 научных работах, в том числе в 6 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, и 4 публикации в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования.

Личный вклад автора состоит в выборе лучевого приближения для построения модели трассового ослабления ПЭМИ [1, 13] в выборе метода изображений для решения задачи поиска лучевых трасс [1, 19]; в получении решений задач поиска лучевых трасс при отражении [2, 3, 9, 10], дифракции [3, 5], преломлении [4, 7, 8, 16], а также при поиске лучевых трасс общего вида [5,

18]; в получении аналитических формул для расчёта параметров трасс [3, 5, 17]; в разработке и реализации в виде программы для ЭВМ алгоритмов поиска лучевых трасс в условиях урбанизированной среды [12, 14, 15, 18, 20]; в разработке подхода и методики определения КО ПЭМИ [6].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 130 наименований. Основная часть работы изложена на 168 страницах, содержит 92 рисунка и 27 таблиц.

В первой главе рассмотрены общие вопросы возникновения ПЭМИ, проведён анализ возможности перехвата информации, обрабатываемой типовыми ТС. Указаны наиболее опасные источники ПЭМИ. Поставлена задача определения характеристик трассового ослабления побочных электромагнитных излучений в урбанизированных средах, используемых для оценки размеров зон возможного приема ПЭМИ.

Проведён анализ методов моделирования, применяемых для решения задач РРВ в урбанизированных средах. Приведена классификация методов моделирования. Обоснован выбор лучевого приближения для разработки методики оценки КО ПЭМИ. Проведён анализ лучевого приближения, реализованного в программном пакете имитационного моделирования Wireless Insite. Выявлены имеющиеся недостатки, в частности, отсутствие возможности проведения расчётов в частотной области, ограниченный набор базовых методов анализа многолучевой структуры, значительные затраты времени на решение задач поиска трасс, плохая приспособленность к оптимизации алгоритмов для трёхмерных задач и потери некоторых трасс распространения. Поставлена задача совершенствования методик имитационного моделирования в лучевом приближении применительно к расчёту коэффициента ослабления ПЭМИ.

Во второй главе разработана математическая модель поиска лучевых трасс на основе метода изображений для определения характеристик радиоволн, рассеянных в условиях урбанизированных сред.

Проведён анализ методов поиска лучевых трасс: метода возбуждения и метода изображений. Показана причина потери лучевых трасс при использовании метода возбуждения и невозможность принципиального её устранения.

Приведены решения для базовых задач поиска лучевых трасс (отражения, преломления, дифракции), на основе которых получено новое обобщающее решение рассмотренных задач. На его основе выведено решение задачи поиска трасс произвольной сложности для радиоволн, рассеянных в урбанизированных средах. Проведён анализ частных случаев решения, важных с практической точки зрения.

Разработана математическая модель поиска трасс РРВ, которая включает полученные решения задач поиска трасс, алгоритмы генерации множества типов искомых трасс и множества возможных наборов рассеивающих препятствий.

Предложенная модель позволяет получать исходные данные о трассах для моделирования процессов РРВ и отличается большей функциональностью по сравнению с другими аналогичными моделями.

В третьей главе разработана методика определения КО ПЭМИ в диапазоне дециметровых волн на основе имитационного моделирования в приближении геометрической оптики.

Приведены необходимые для разработки методики расчёта КО ПЭМИ соотношения для определения характеристик радиоволн на трассах, характерных для урбанизированных сред. Представлены результаты моделирования РРВ в типовых каналах.

На примере модели РРВ в канале над диэлектрической поверхностью показан принципиальный недостаток существующего подхода к определению КО ПЭМИ - возможность появления ошибок, обусловленных многолучёво-стью. Разработан подход к устранению возможных ошибок, основанный на обработке частотной зависимости КО методом скользящей средней. Рассмотрены обобщённые модели многолучевого канала распространения.

Показано, что среднее значение напряжённости электрического поля в пределах частотного квазипериода колебаний приближается к величине большего луча сверху. Это подтверждает применимость разработанного подхода.

Разработанная методика расчета КО ПЭМИ включает следующие этапы:

1) создание модели окружающего пространства; 2) определение частотной зависимости напряжённости электрического поля с помощью имитационного моделирования в контрольной точке и величины напряжённости основного луча в опорной точке; 3) обработка частотной зависимости напряжённости с помощью метода скользящей средней; 4) вычисление КО ПЭМИ по определению.

В четвёртой главе на основе анализа экспериментальных данных и результатов третьей главы разработана методика экспериментального определения КО ПЭМИ в диапазоне дециметровых волн.

Дано описание проведённых экспериментальных исследований в двух диапазонах частот для типовых каналов распространения: открытого, помещение и «помещение-стена-улица». Представлены полученные зависимости напряжённости электрического поля и выполнен их сравнительный анализ с результатами имитационного моделирования, воспроизводящего условия проведения экспериментов.

Разработанная методика экспериментального определения КО ПЭМИ включает следующие этапы: 1) экспериментальное определение частотных зависимостей напряжённости электрического поля (или напряжения/мощности на входе приёмника) в опорной и контрольной точках в заданном диапазоне;

2) расчёт частотной зависимости КО ПЭМИ по определению; 3) обработку частотной зависимости КО ПЭМИ с помощью метода скользящей средней.

Данная методика инвариантна методике, разработанной в третьей главе, при наличии достоверных исходных данных и корректного их переноса на электродинамическую модель.

В заключении приведены основные результаты работы.

1. ПОБОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ:

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В процессе работы технических средств (ТС), осуществляющих обработку, хранение и передачу информации, в элементах и соединительных проводниках этих устройств протекают электрические токи под воздействием последовательностей видеоимпульсов информативных сигналов. Это приводит к формированию и излучению в окружающее пространство побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ), уровни которых могут быть достаточными для их радиоприема на расстоянии от технического средства и возможного выделения из них информации после специальной обработки.

Возможность перехвата информации за счёт ПЭМИ ТС впервые была доказана Ван Эйком в 1985 году [1-2]. С тех пор ПЭМИ являются актуальным объектом исследований, которому посвящено большое количество публикаций [3-30]. Нормативные документы, отражающие вопросы ПЭМИ, появились как в России [31], так и в других развитых странах [32]. Однако некоторые важные аспекты, касающиеся их распространения, определения характеристик, методов моделирования до настоящего времени являются не полностью раскрытыми.

В данной главе выполнен аналитический обзор литературы по материалам отечественных и зарубежных источников в области, относящейся к исследованиям побочных электромагнитных излучений ТС.

1.1. Особенности сигналов, порождающих побочные электромагнитные излучения

Источниками ПЭМИ ТС могут являться, например, кабели, шины, проводники печатных плат и особенно разъёмы, в которых протекают электрические токи под воздействием последовательностей видеоимпульсов информативных сигналов. Отдельные конструктивные элементы ТС при этом образуют распределённые излучающие структуры.

Типовой вид временной диаграммы модели импульса информационной шины показан на рисунке 1.1 а. Реальный сигнал изображён на рисунке 1.1 б. Его особенность заключается в плавных фронтах нарастания и спада. Формируемые сигналы сознательно генерируются с гладкими фронтами для сужения их частотных спектров.

ее

0.5

- 2x10 8 - 1x10 8

а)

1x10

- 8

2х10- 8 Ь с

б)

Рисунок 1.1 - Временная диаграмма прямоугольного импульсов ТС а) математическая модель, б) экспериментальная диаграмма для интерфейса

DVI (1280x800x60)

Сглаживание фронтов импульсов приводит к уменьшению высших гармоник в их спектре. На рисунке 1.2 представлены спектры трёх импульсных сигналов: прямоугольного импульса и двух импульсов той же длительности, временные диаграммы которых изображены на рисунке 1.1 а. Спектральные зависимости показывают, что в диапазоне высоких и сверхвысоких частот спектральные составляющие прямоугольного импульса значительно интенсивнее (на 20...30 дБ) составляющих трапецеидальных импульсов, что отмечалось в работе [34]. Кроме того, спектральные составляющие импульса с синусоидальными (более гладкими) фронтами существенно слабее (на 15.20 дБ) спектральных составляющих импульса с линейными фронтами.

Спектральные характеристики ПЭМИ могут существенно отличаться не только у различных узлов и блоков ТС, но и для различных реализаций этих узлов. Также характерна немонотонная зависимость затухания от частоты.

Сигналы в современных технических системах можно разделить на два типа: служебные и информационные сигналы (содержащие данные, обрабаты-

0

0

ваемые ТС). К служебным сигналам относятся, в частности, тактирующие сигналы, каждый из которых представляет собой меандр определённой частоты. Они не несут информации, но являются демаскирующими признаками работы ТС. Пример неинформационных сигналов - сигналы строчной и кадровой синхронизации монитора.

1х107 1х108 1х109 /, Гц

Рисунок 1.2 - Нормированные спектральные плотности импульсных сигналов

Информационные сигналы в рабочем режиме, как правило, не имеющие чёткой периодичности, порождают излучения, несущие информацию. В частных случаях они могут быть периодичными. Такие режимы называют тестовыми. Спектр сигналов в тестовом режиме дискретный (линейчатый). В рабочем режиме спектр информационных сигналов является непрерывным.

На рисунке 1.3 представлена упрощенная структурная схема типового ТС (компьютера). Каждая из шин, отображённых на схеме рисунка 1.3, может иметь определённые особенности функционирования, влияющие на порождаемые ей ПЭМИ. Их перечень приведён в таблице 1.1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Асотов Дмитрий Валериевич, 2019 год

Список литературы

1. W. van Eck, Electromagnetic Radiation from Video Display Units: An Eavesdropping Risk? Computers and Security 4, pp. 269-286, 1985.

2. Вим ван Эйк. Электромагнитное излучение видеодисплейных модулей: риск перехвата информации? // Защита информации. Конфидент. 2001. № 1. - С. 90-93; № 2. - С. 84-93.

3. Kuhn M.G., Anderson R.J., Soft tempest: Hidden data transmission using electromagnetic emanations, in Information Hiding, 1998, pp. 124-142.

4. Kuhn M.G., Compromising emanations: Eavesdropping risks of computer displays, University of Cambridge, Computer Laboratory, 2003.

5. Мотуз О.В. Побочные электромагнитные излучения. Моменты истории // Конфидент, 2001. - № 1. С.86-89.

6. Мусатов С., Белорусов Д. 12 вопросов о корректных измерениях побочных электромагнитных излучений // Системы безопасности связи и телекоммуникаций. 2000. № 36, - C. 64-67.

7. Генне В.И. Защита информации от утечки через ПЭМИ цифрового электронного оборудования // Конфидент. 1998. - № 2. - С. 19-24.

8. Побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ) компьютера. [Электронный ресурс]. Режим доступа: {http://www.electrosad.ru/Processor/RFI.htm}

9. Gibbs W. How Hackers Can Steal Secrets from Reflections, Scientific American. May, 2009. - pp. 58-63.

10. Гибс У. Украсть секреты без сети // В мире науки, № 7. - 2009. - C.

70-75.

11. Asotov D.V., Matveev B.V. Digit Equipment Transient Electromagnetic Pulse Emanation as Side-Channel Leak Information // Материалы XI-ой международной, научно-практической конференции «Актуальные проблемы профессионального образовании: подходы и перспектив». Воронеж: Издательско-полиграфический центр «Научная книга», 2013. - С. 453-454.

12. Хорев А.А. Контроль защищённости средств вычислительной техники от утечки информации по техническим каналам // Специальная техника, 2015. - № 1. - C. 53-63; № 2. - C. 38-63.

13. Токарев А.Б. Развитие методов и алгоритмов обработки сигналов при радиотехнических измерениях и радиоконтроле в условиях априорной неопределенности: дис. ... д-ра тех. наук 05.12.04 / Токарев Антон Борисович, Воронеж, 2014, - 443 с.

14. Королёв М.В. Определение границ зоны защищённости конфиденциальной информации от утечки за счёт ПЭМИ // Вопросы защиты информации 2013. - № 1. - С. 40-42.

15. Королев М.В. Методика расчета границ зоны защищенности информации при измерениях ПЭМИ в дальней волновой зоне источника излучения // Безопасность информационных технологий. 2013. - № 1. - С. 58-62.

16. Бузов Г.А., Калинин С.В., Кондратьев А.В. Защита от утечки информации. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 416 с.

17. Наваркин В.В. Оценка эффективности защиты информации, обрабатываемой СВТ при применении средств активной защиты // Спецтехника. 2004.

- № 6. - С. 31-37.

18. Кондратьев А.В. Некоторые вопросы специальных исследований ПЭМИН. // Защита информации. Конфидент. № 4-5. 2002. - C. 80-83.

19. Бехтин М.А., Система обнаружения побочных информационных электромагнитных излучений технических средств: дис: ... канд. тех. наук 05.12.04 / Бехтин Максим Александрович, М.: 2009. - 144 с.

20. Кузнецов Ю.В., Баев А.Б., Бехтин М.А., Сергеев А.А. Корреляционный метод обнаружения информационных составляющих побочных электромагнитных излучений технических средств. // Технологии ЭМС. 2009. № 2. C. 3

- 12.

21. Суворов П.А., Кондратьев А.В., Белихов А.Н. Некоторые особенности поля ПЭМИ ТС, обрабатывающих конфиденциальную информацию // Спецтехника. 2004. - № 2. - С. 26-31.

22. Петров И.С. оценка энергетической эффективности метода формирования маскирующих помех путем записи/воспроизведения сигналов ПЭМИ от СВТ // Информационное противодействие угрозам терроризма. Научно-практический журнал 2010. - № 14. - С. 171-175.

23. Хорев А.А. Оценка возможности перехвата побочных электромагнитных излучений видеосистемы компьютера. Часть 1 // Специальная техника. - 2011. - № 3. - С. 48-61.

24. Хорев А.А. Оценка возможности по перехвату побочных электромагнитных излучений видеосистемы компьютера. Часть 2 // Специальная техника. - 2011. - № 4. - С. 51-62.

25. Хорев А.А. Оценка возможности перехвата побочных электромагнитных излучений клавиатуры компьютера // Специальная техника. 2011. -№ 5. - С. 47-63.

26. Хорев А.А. Способы защиты объектов информатизации от утечки информации по техническим каналам: экранирование // Специальная техника. -2012. - № 3. - С. 45-62.

27. Хорев А.А. Способы защиты объектов информатизации от утечки информации по техническим каналам: пространственное электромагнитное за-шумление// Специальная техника. - 2012. - № 6. - С. 37-57.

28. Маслов О.Н., Соломатин М.А., Васильевский А.Д. Тестовые сигналы для анализа ПЭМИН персональных ЭВМ // «Инфокоммуникационные технологии» Том 5, № 2, 2007. - С. 79-82.

29. Маслов О.Н., Соломатин М.А., Егоренков В.Д. Тестовые сигналы для анализа ПЭМИН периферийных устройств персональных ЭВМ // «Инфо-коммуникационные технологии» Том 5, № 2, 2007. - C. 82-84.

30. Киреева Н.В., Семенов А.В. Утечка информации по каналам ПЭМИ и способы их защиты // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - № 8-4. - С. 499-504; Режим доступа: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=10110 .

31. Базовая модель угроз безопасности персональных данных при их обработке в информационных системах персональных данных (выписка). Федеральная служба по техническому и экспортному контролю. 2008. - 69 с. Режим доступа: http://fstec.ru/

32. NSA Tempest Documents [Электронный ресурс] - Режим доступа: http : //cryptome. org/nsa-tempest.htm.

33. Источники ПЭМИ в компьютере [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.electrosad.ru/Processor/RFI.htm

34. Горбунова А.А. Модель электромагнитных излучений проводных интерфейсов передачи данных средств вычислительной техники / А.А. Горбунова, М.А. Коновалюк, Баев А.Б, Кузнецов Ю.В. // Специальная техника, 2013. - № 5. - С. 26-36.

35. Железняк В.К., Барков А.В., Метод обнаружения периодических сигналов в гауссовом шуме высокого уровня // XVII Международная научно-практическая конференция «Комплексная защита информации» г. Суздаль, 1518 мая, 2012, - С. 87-88.

36. Крюков В.В., Шахгельдян К.И. Анализ экспериментальных сигналов по подсчету пересечений нулевого уровня // Сборник статей Информатика и моделирование в океанологических исследованиях. Владивосток: Дальнаука. ТОИ. 1999. С. 72-83.

37. Иванов С.М. Анализ спектральных характеристик побочных электромагнитных излучений от одноразрядных и многоразрядных цифровых сигналов / С.М. Иванов, А.А. Самсонов, Ю.Н. Симанькин, В.И. Тупота // Известия ЮФУ. Технические науки. 2005. № 4 (48), C. 119-126.

38. Guri M. AirHopper: Bridging the Air-Gap between Isolated Networks and Mobile Phones using Radio Frequencies / M. Guri, A. Kachlon, Y. Elovici, G. Ked-ma // 9th IEEE International Conference on Malicious and Unwanted Software (MALCON 2014), 20 p.

39. Guri M. GSMem: Data Exfiltration from Air-Gapped Computers over GSM Frequencies / M. Guri, A. Kachlon, O. Hasson, G. Kedma, Y. Mirsky, Y. Elo-vici // 24th USENIX Security Symposium August 12-14, 2015. - pp. 849-864.

40. Герасименко В.Г., Лаврухин Ю.Н., Тупота В.И. Методы защиты акустической речевой информации от утечки по техническим каналам // М.: РЦИБ «Факел», 2008. 258 с.

41. Авдеев В.Б. Определение частотной зависимости коэффициента ослабления побочных электромагнитных излучений на трассах их распространения методом импульсного зондирования трасс / В.Б. Авдеев, А.В. Бердышев, С.А. Пырочкин // Специальная техника, 2015. - № 2. - C. 28-33.

42. Авдеев В.Б. К расчёту уровней побочных электромагнитных излучений технических средств, входящих в состав ПК // Телекоммуникации. - 2006. - № 2. - C. 40-43.

43. Авдеев В.Б. Мажорирующая оценка коэффициентов ослабления уровней побочных электромагнитных излучений технических средств / В.Б. Авдеев, А.Н. Катруша // Спецтехника и связь, № 5. - 2013. - С. 36-41.

44. Авдеев В.Б. Особенности формирования помех мобильной УКВ радиосвязи в городе и зданиях в условиях многолучевости: [монография] / В.Б. Авдеев, А.Н. Катруша - Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2012. - 138 с.

45. Авдеев В.Б. Расчет и анализ многокомпонентного состава поля радиоволн на трассах распространения внутри здания / В.Б. Авдеев, А.Н. Катруша // Антенны. - 2007. - № 4. - С. 6-11.

46. Горячев С.В. Об исследованиях закона убывания электромагнитного поля в реальных условиях эксплуатации. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=523&lvl=04.01.01.

47. Рыжов А.И. Ослабление сверхширокополосных хаотических сигналов диапазона 3-5 ГГц при прохождении через стены зданий / А.И. Рыжов, В.А. Лазарев, Т.И. Мохсени, Д. В. Никеров, Ю.В. Андреев, А. С. Дмитриев, Н.П. Чубинский // Журнал радиоэлектроники, 2012. - № 5.

48. Юдин В.И., Останков А.В. Электромагнитные поля и волны, Электромагнитные поля и волны. Часть 1. Волны в безграничных и полубесконечных средах: учеб. пособие / под общ. ред. В. И. Юдина. - Воронеж: Междунар. ин-т компьют. технологий, 2007. - 178 с.

49. Стрэттон Дж. Теория электромагнетизма. - М.: Гостехиздат, 1948.

50. Распространение радиоволн: Учебник / Под ред. О.И. Яковлева. СпБ.: Ленанд. 2009. - 496 с.

51. Банков C.E., Курушин А.А. Электродинамика для пользователей САПР. М.: - 2008, 276 c.

52. Баранов А.В. Методы анализа распространения и дифракции электромагнитных волн в беспроводных сетях // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2013. № 1. С. 11-20.

53. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services // IEEE Trans. Veh. Technol. -1980. - V.VT-29.- № 3. - p. 317-325.

54. Okumura J. et al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service // Rev. Inst. Elec. Eng. -1968. - V.16.-№ 9-10. - p.825-873.

55. COST231 Final Report. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.lx.it.pt/cost231.

56. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет и моделирование распространения радиоволн в городской среде и пересеченной местности с помощью программы Wireless InSite // EDA Express. - 2004. - № 9. - С. 35-39.

57. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики. М., «Сов Радио», 1970, 117 с.

58. Harrington R.G. Field Computation by Moment Methods, N.-Y., 1968,

230 p.

59. Taflove A., Hagness Susan C. Computational Electrodynamics: the Finite-Difference Time-Domain Method. - 2nd ed. 2000. 852 p.

60. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. - М.: ЗАО «НПП «РОДНИК», 2008, 246 с.

61. Бабич В.М., Булдырев В.С. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн // М.: Главная редакция физико-математической литературы «Наука», 1972, 456 с.

62. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. -М.: Связь, 1978. - 248 с.

63. Balanis A. Advanced Engineering Electromagnetics. New York: Wiley,

1989.

64. Уфимцев П.Я., Теория дифракционных краевых волн в электродинамике/пер. с англ. А.В. Капцова. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. - 366 с.

65. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в электродинамике / Монография. - М.: Советское радио, 1962. - 244 с.

66. Bertoni H.L. Radio Propagation for Modern Wireless Systems. Prentice Hall, 2000.

67. Крюковский А.С, Лукин Д.С. Краевые и угловые катастрофы в равномерной геометрической теории дифракции: Учебное пособие: М: МФТИ. 1999. 132 с.

68. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: «Наука», 1973. -

344 с.

69. Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие / Под ред. Неганов В.А., Раевский С.Б., изд. 3-е доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2007. - 744 с.

70. Менцер Дж. Р. Дифракция и рассеяние радиоволн, М.: «Госэнергоиз-дат», 148 с.

71. Данные о распространении радиоволн для проектирования наземных линий связи пункта с пунктом. Женева: 2009. - 100 с.

72. МСЭ^Р.526-13 Распространение радиоволн за счет дифракции. 2013. - 41 c.

73. МСЭ-ЯГ.1238-7 Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и

локальных зоновых радиосетей в частотном диапазон 900 МГц-100 ГГц. ITU. 2012. - 26 с.

74. Богенс К.К. Прогнозирование теневых зон при расчете поля УКВ в системах подвижной радиосвязи / К.К. Богенс, Г.А. Ерохин, О.А. Шорин // Журнал радиоэлектроники, 2000. - № 7.

75. Лаврентьев, Ю.В. Квазидетерминированная трехмерная модель многолучевого канала распространения миллиметровых поли в городской застройке / Ю.В. Лаврентьев // Журнал Радиоэлектроники. - 2000. - № 5. Режим доступа: http : //j re.cplire.ru/koi/may00/2/text.html.

76. Luebbers R. Finite conductivity uniform GTD versus knife edge diffraction in prediction of propagation path loss, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 32, January 1984. pp. 70-76.

77. Luebbers R.J. Propagation prediction for hilly terrain using GTD wedge diffraction // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.32, September 1984. pp. 951-955.

78. Burnside W.D. High frequency scattering by a thin lossless dielectric slab // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-31, pp. 104-110, January 1983.

79. Holm P.D. A new heuristic UTD diffraction coefficient for nonperfectly conducting wedges, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, pp. 1211-1219, August 2000.

80. Ньян Лин Ч.Ч. Разработка гибридной модели распространения радиоволн внутри помещений с учетом затенения фиксированными и подвижными объектами: автореферат дис. ... канд. тех. наук: 05.12.13 / М., - 2011, 24 с.

81. Remcom. Wireless Insite v. 2.6.3, Reference Manual, 384 pp.

82. Потапов, Ю. Программное обеспечение для планирования радиосетей / Ю.Потапов // EDA EXPERT. - 2002, - № 7.

83. Кисель Н.Н. Опыт использования программы «Wireless Insite» для магистерской подготовки по направлению «инфокоммуникационные техноло-

гии и системы связи» / Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. // Методические вопросы преподавания инфокоммуникаций в высшей школе. 2014. Т.3. № 3. С. 117-120.

84. Смыслова Е.В. Анализ методов моделирования программы «Wireless Insite» в целях прогноза радиолокационной наблюдаемости / Смыслова Е.В., Денисов В.П. // Электронные средства и системы управления. 2007. № 1. С. 3234.

85. Асотов Д.В. Моделирование процессов распространения радиоволн в условиях городской застройки / Д.В. Асотов, Б.В. Авдеев, Б.В. Матвеев, В.А. Сладких // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. - № 4. - С. 4-7.

86. Асотов Д.В. Моделирование с использованием САПР Wireless Insite процессов распространения побочных электромагнитных излучений компьютеров // Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, кибернетических, информационных и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах: материалы Междунар. конф. - М.: Энергоиздат. 2013. Ч.2. С. 45-47.

87. Вязьмитинов И.А. Результаты исследований ослабления энергии электромагнитных волн оптически непрозрачными преградами / И. А. Вязьми-тинов, Е.И. Мирошниченко, О.В. Сытник // Радиофизика и электроника, том 12, № 2. - 2007. - C. 426-434.

88. Асотов Д.В. Трассировка лучей в асимптотических методах решения задач распространения радиоволн в интересах оценки побочных электромагнитных излучений // Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, кибернетических, информационных и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах: материалы Междунар. конф. -М.: Энергоиздат. 2013. Ч.2. С. 43-45.

89. Bhalla R., Moore J., Ling H., A global scattering center representation of complex targets using the shooting and bouncing ray technique, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 45, pp. 1850-1856, Dec. 1997.

90. Bhalla R., Moore J., Ling H., Three-Dimensional Scattering Center Extraction Using the Shooting and Bouncing Ray Technique IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 44. № 1, November 1996.

91. Ozgun S. Computation of radar cross sections of complex targets by shooting and bouncing ray method // Partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in electrical and electronics engineering. 2009. - 81 p.

92. Schuster J., Luebbers R., Hybrid SBR/GTD radio propagation model for site specific predictions in an urban environment, 12th Annual Rev. of Progress in Applied Computational Electromagnetics, vol. 1, pp. 84-92, 1996.

93. Tarng J.H., Liu W., Huang Y., Huang J., A novel and efficient hybrid model of radio multipath-fading channels in indoor environments, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, pp. 585-594, March 2003.

94. Ling H., Chou R., Lee S., Shooting and bouncing rays: Calculating the RCS of an arbitrarily shaped cavity, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 37, № 2, -pp. 194-205, Feb. 1989.

95. Nidd M. Using Ray Tracing tor Site-Specific Radio Signal Strength Analysis. Partial fulfillment of the requirements for the degree of master of Mathematics in Computer Science. 1995. - 87 p.

96. Buddendick H., Eibert T.F., Bistatic image formation from shooting and bouncing rays simulated current distributions Progress in Electromagnetics Research, Vol. 119, pp. 1-18, 2011.

97. Yang C., Wu B., Ko C., A ray-tracing method for modeling indoor wave propagation and penetration // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 46, June 1998, pp. 907-919.

98. Панычев А.И. Алгоритм трехмерной трассировки радиоволн локальной беспроводной сети // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 11 (136). С. 31-41.

99. Панычев А.И. Дубинская И.В. Синтез лучевой траектории проникновения сигналов WLAN в смежные помещения // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2013. - № 5 (142). - С. 116-122.

100. Панычев А.И. Трассировка многолучевого распространения радиоволн внутри зданий // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер.: Общие вопросы радиоэлектроники (ОВР). Вып. 1. Москва-Таганрог, 2012. С. 182-187.

101. Панычев А. И. Геометрооптическая модель распространения укв радиосигналов сквозь конструкции зданий / А.И. Панычев, А.А. Ваганова // Сборник материалов конференции, посвященной дню российской науки и 100-летию Южного федерального университет. ФГА ОУВО «Южный федеральный университет»., 2015. - C. 28-30.

102. Tsingos N., Funkhouser T., Ngan A., Carlbom I., Modeling Acoustics in Virtual Environments Using the Uniform Theory of Diffraction, Proceedings of the 28th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, 2001, pp. 545-552.

103. Funkhouser T. A beam tracing method for interactive architectural acoustics / T. Funkhouser, N. Tsingos, I. Carlbom, G. Elko, M. Sondhi, J.E. West, G. Pingali, P. Min, A. Ngan // Acoustical Society of America. 2004. - pp. 739-756.

104. T. Funkhouser, I. Carlbom, G. Elko, G. Pingali, M. Sondhi, J. West. A beam tracing approach to acoustic modeling for interactive virtual environments. ACM Computer Graphics, Proc. SIGGRAPH98, pp. 21-32, July 1998.

105. T. Funkhouser, J.M. Jot, N. Tsingos. Computational Sound for Graphics, Virtual Reality, Interactive Systems. In Proceedings of SIGGRAPH2002, San Antonio, TX, July 2002.

106. Funkhouser T.A. Database and display algorithm tor interactive visualization of arhitectural models. Dissertation of doctor of philosophy in the Computer Science, 1993, 167 p.

107. Асотов Д.В. Быстрая трассировка лучей при расчёте отраженного поля в геометрической оптике / Матвеев Б.В., Авдеев В.Б. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. - № 2. - С. 36-39.

108. Асотов Д.В. Алгоритмы трассировки лучей на основе аналитических решений / Асотов Д.В., Матвеев Б.В., Авдеев В.Б., Калинин Ю.Е. // Радиотехника. 2014. - № 6. - С. 8-11.

109. Асотов Д.В. Трассировка преломлённых лучей / Матвеев Б.В., Авдеев В.Б., Середа В.А. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. - Т. 10. - № 3.1. - С. 60-63.

110. Асотов Д.В. Трассировка лучей при многократных дифракциях и комбинационных преобразованиях / Матвеев Б.В., Авдеев В.Б., Останков А.В. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. - Т. 10. - № 5. - С. 99-103.

111. Асотов Д.В. Оптимизация аналитических алгоритмов трассировки лучей при моделировании процессов распространения радиоволн в городах // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: материалы международной научно-практической конференции. Воронеж: ВГЛА, 2014. № 5, Ч. 2, С. 152-155.

112. Heekbert P.S., Hanrahan P. Beam Tracing Polygonal Objects // Computer Graphics. 1984. - № 3. v.18. pp. 119-127.

113. Antonacci F. Fast Tracing of Acoustic Beams and Paths Through Visibility Lookup // F. Antonacci, M. Foco, A. Sarti, S. Tubaro, IEEE Transactions on audio, speech, and language processing, Vol. 16, № 4, May 2008. pp. 812-824.

114. Aveneau L. Development 8nd Evaluations оf Physical 8nd Computer Optimizations For The 3d UTD Model / L. Aveneau, Y. Pousset, R. Vauzelle, M. Meriaux // AP2000 Millennium Conference on Antennas & Propagation (Poster), April 2000.

115. Raspopoulos M. Modelling of the Channel and its variability // M. Raspopoulos, S. Stavrou, B. Uguen, R. Burghelea, M. Garcia, T. Pedersen, Gerhard S. Bernard H. Fleury, B. Denis, J. Youssef, Y. Lostanlen, A. Alvarez. Report August 2009. 88 р.

116. Tobias Rick, Torsten Kuhlen Accelerating Radio Wave Propagation Algorithms by Implementation on Graphics Hardware P. 103-122 // Режим доступа: www.intechopen.com.

117. Asotov D.V., Matveev B.V., Chernoyarov O.V., Lysina E.A. Radio Waves Attenuation Model for a Ray Approximation // 2015 International Siberian

Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. - P. 1-5.

118. Asotov D.V., Matveev B.V., Faulgaber A.N., Salnikova A.V. The Exact and Approximate Task Solution of a Ray Tracing at Their Transition in Medium with Finite Conductivity // 25th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo-2015), Conference Pro-ceedings, 2015. - P. 12.

119. Асотов Д.В. Построение автоматизированной модели анализа распространения радиоволн, основанной на геометрическом приближении // Физико-математическое моделирование систем: материалы XII Междунар. семинара. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. Ч. 3. C. 3-9.

120. Асотов Д.В. Построение модели трассировки лучей системы моделирования процессов распространения радиоволн в реальных условиях // Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке: материалы 18-го Междунар. форум. Харьков: ХНУРЭ. 2014. Т. 3. - С. 5-6.

121. Асотов Д.В. Разработка программы моделирования процессов распространения радиоволн в условиях города с использованием асимптотических методов // Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок - прорыв в будущее: материалы региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. Воронеж: Воронежский Инновационно-технологический центр, 2014. С. 180-181.

122. Асотов Д.В. Разработка программы моделирования процессов распространения радиоволн в условиях города с использованием асимптотических методов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: материалы международной заочной научно-практической конференции. Воронеж: ВГЛА, 2014. № 4, Ч. 3, С. 144-146.

123. Программа построения траекторий распространения радиоволн от точечных источников в условиях смоделированной неоднородной среды /

Д.В. Асотов, Матвеев Б.В., Середа В.А. // Регистрационный № 50201450691 от 14.10.2014.

124. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства М.: Советское радио, 1974. - 536 с.

125. Венциль Е.С. Теория вероятности: Учеб. для ВУЗов. 5-е изд. стер. -М.: Высш. шк., 1998. - 576 с.

126. Венциль Е.С. Задачи и упражнения по теории вероятности: Учеб. пособие для сдуд. ВТУЗов / Е.С. Венциль, Л.А. Овчаров. - 5-е изд., испр. - M.: Издательский центр "Академия", 2003. - 448 с.

127. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений / 4-е издание // Государственное издательство физико-математической литературы, М.: 1963. - 1108 с.

128. Измерительная антенна Schwarzbeck UBAA 9114, техническая документация. Режим доступа: { www.schwarzbeck.com }.

129. Измерительная антенна Schwarzbeck KX 9120 lf, техническая документация. Режим доступа: { www.schwarzbeck.com }.

130. Измерительная антенна Rohde&Schwarz HE 500 техническая документация. Режим доступа: { https://www.rohde-schwarz.com }

Приложение А. Описание аппаратуры

Ниже приведён перечень оборудования, использованного в экспериментальных исследованиях, с краткими техническими характеристиками.

Антенна R&S®HE500

Широкополосная активная измерительная антенна модели R&S®HE500 (см. рисунок А.1), предназначенная для мониторинга вертикально-поляризованных сигналов в диапазоне частот 20 МГц-3 ГГц. Её основные технические характеристики приведены в таблице А. 1.

Рисунок А. 1 - антенна R&S®HE500

Таблица А.1 - Основные технические характеристики

Наименование Значение

Диапазон частот 20 МГц-3 ГГц

Поляризация Вертикальная

КСВН 2,5 (типовое значение)

Разрушающая напряженность поля на частотах до 10 МГц на частотах 10-20 МГц на частотах 20 МГц-3 ГГц > 50 В/м (типовое значение) > 20 В/м (типовое значение) > 10 В/м (типовое значение)

Линейность электрических цепей антенны №2 > 50 дБ отн. 1 мВт на частоте 20 МГц и №2 > 30 дБ отн. 1 мВт на частоте 3 ГГц Ш3 > 25 дБ отн. 1 мВт

Диаграмма направленности антенны представлена на рисунке А.2. Частотные зависимости антенного фактора и коэффициента усиления приведены в таблице А.2.

ДН в горизонтальной плоскости ДН в вертикальной плоскости

Рисунок А.2 - Диаграмма направленности антенны R&S®HE500

Таблица А.2 - Антенный фактор и коэффициент усиления антенны R&S®HE500

Частота / МГц Антенный фактор, А, дБ(1/м)

300 15,5

400 13,0

500 10,0

600 17,0

700 22,5

800 24,5

900 27,5

1000 20,0

1200 20,0

1400 21,5

1600 25,0

1800 25,0

2000 30,5

2200 34,0

2400 34,5

2600 33,0

2800 34,0

3000 36,5

Для расчёта антенного фактора (А) при известном коэффициенте усиления (О) для антенн с входным сопротивлением 50 Ом можно использовать формулу

А[дБ / м] = 20 • /[МГц]) - 0[дБ] - 29,77. (А.1)

Антенна 8^аггЬеск ББИХ 9120

Широкополосная измерительная антенна модели ВВНХ 9120 LF (см. рисунок А.3), предназначенная для мониторинга сигналов в диапазоне частот 18 ГГц. Её основные технические характеристики приведены в таблицах А.3 и А.4.

Рисунок А.3 - антенна Schwarzbeck ВВНХ 9120 LF

Таблица А.3 - Основные технические характеристики антенны ВВНХ 9120LF

Наименование Значение

Тип антенны рупорная, двухполяризационная

Диапазон частот 1 ГГц-8 ГГц (возможно использовать от 0,8 ГГц до 10,5 ГГц)

Коэффициент усиления относительно изотропного излучателя 4..15 дБи

Антенный фактор 20...34 дБ(1/м)

Номинальный импеданс 50 Ом

КСВН 2

Максимальная входная мощность 50 Вт

Таблица А.4 - Антенный фактор антенны ВВНХ 9120LF

Частота / МГц Антенный фактор, дБ(1/м)

1000 25,6

1500 25,6

2000 25,4

2500 27,1

3000 27,5

3500 28,2

4000 28,9

4500 30,0

5000 32,1

Антенна 8сЬ-^аггЬеск иВАА 9114

Широкополосная измерительная антенна модели иВАА 9114 (см. рисунок А.4), предназначенная для мониторинга сигналов в диапазоне частот 0,1 ГГц-1 ГГц. Основные её технические характеристики приведены в таблицах А.5 и А.6.

Рисунок А.4 - антенна Schwarzbeck иВАА 9114

Таблица А.5 - Основные технические характеристики антенны иВАА 9114

Наименование Значение

Антенный фактор 18...38 дБ/м

Максимальная входная мощность 10 Вт

Таблица А.6 - Антенный фактор антенны иВАА 9114

Частота / МГц Антенный фактор, А, дБ(1/м)

100 23,0

200 19,8

300 18,9

400 21,6

500 24,7

600 27,9

700 30,6

800 32,4

900 35,3

1000 38,1

Генератор сигналов Я&8 8МР100Л

Назначение: генератор сигналов микроволнового диапазона, поддерживающий новые стандарты с возможностями широкого спектра приложений, встречаемых в научных исследованиях.

Рисунок А.5 - Генератор сигналов Я&Б 8МР100А

Таблица А.7 - Основные технические характеристики 8МБ100А

Наименование Значение

Диапазон частот 9 кГц - 43,5 ГГц

Время установки < 4 мс

Время установки в режиме списка < 700 мкс

Диапазон установки от -130 дБм до +30 дБм

Время установки <3 мс

Время установки в режиме списка <700 мкс

Чистота спектра

Фазовый шум ББВ ^ = 10 ГГц; отстройка от несущей 10 кГц; полоса измерения 1 Гц) < -115 ёВе (ном. -120 ёВе)

Гармонические составляющие (1 ГГц < f < 22 ГГц) <50 dBc (ном. <-55 ёВе)

Негармонические составляющие (1 ГГц < f < 11 ГГц; <-62 dBc (ном. -67 ёВе)

отстройка от несущей >3 кГц; уровень +10 дБм)

Широкополосный шум (1 ГГц < f < 11 ГГц; отстройка от <-148 dBc (ном.)

несущей >10 МГц; полоса измерения 1 Гц; уровень +10 дБм)

Поддерживаемые типы модуляции с опцией R&S®SMF-B20 АМ/ЧМ/ФМ/ШО АМ

Интерфейсы ЬАК (100BaseT), 2 х ШВ

Ступенчатый аттенюатор от 100кГц до 43,5 ГГц

Номер в государственном реестре средств измерений 39089-08.

Анализатор спектра R&S FS U3

Рисунок А.6 - Анализатор спектра R&S FS U3

Назначение: измерения, требующие широкого динамического диапазона в разработке, в системах обеспечения качества и на производстве. Для измерения мощности во временной области в сочетании с канальными фильтрами и фильтрами ЯЕС превращает R&S FS и3 в полнофункциональный измеритель мощности в канале.

Таблица А.8 - Основные технические характеристики FS U3

Наименование Значение

Диапазон частот от 20 Гц до 3,6 ГГц

Эталонная частота старение: Г10-/ в год

Фазовый шум -123 dBc (1 Гц) на 10 кГц от несущей

Остаточная ЧМ 1 Гц

Полоса обзора > 10 Гц от 2,5 мс до 16000 с

Полоса обзора 0 Гц от 1 мкс до 16000 с

Полоса разрешения, от 10 Гц до 50 МГц, от 1 Гц до 30 кГц, канальный фильтр, полоса

фильтр FFT измерения электромагнитных помех

Диапазон отображения отображаемый средний уровень шумов до +30 дБм

Отображаемый средний уровень шумов (полоса пропускания 10 кГц) 1 ГГц типично -148 дБм

Отображаемый средний уровень шумов с -152 дБм

включенным предусилителем (R&S®FSU-B25) 1 ГГц, полоса пропус-

кания 10 Гц

Типы детекторов макс. пик, мин. пик, автопик, с выборкой, среднеквадратичный, усредняющий, квазипиковый

Полная погрешность измерения 0,3 дБ

Полоса разрешения от 1 Гц до 50 МГц

Линейность дисплея 0,1 дБ (от 0 дБ до -70 дБ)

Номер в государственном реестре средств измерений 41345-09.

Приложение Б. Результаты измерений

Ниже, на рисунках Б.1-Б.3, приведены схемы каналов, в которых проводились натурные измерения. На рисунках Б.1-Б.3 использованы следующие обозначения: Тх - передающая антенна, Их - приёмная антенна.

Гд\

Гд

-3»-

11

А А

Тх

Укх

А

¡2

- -> <- -

- 1 -

Параметры: гк = 3,3 м

I = 8,7 м го = 1,7 м гд = 0,8 м Гд1 = 0,7 м

II = 5,2 м г = 1 м г1= 1,1 м г2= 1,2 м

горизонтальная проекция Рисунок Б.1 - Канал распространения в помещении

Тх \<

Ях

10 м

2 0 м

18 м Ях >

->

Ях

30 м

Ях

40 м

^ 10 м

Тх 1<

горизонтальная проекция Ях Ях Ях

Ях

2,5 м

вертикальная проекция

8 м

Рисунок Б.2 - Открытый канал распространения

£

Тх

4

кл

/

межэтажное перекрытие

Г2 -=>■

несущая стена

кг

уровень земли

\

Параметры: г = 10, 20, 30 м кп = 0,25 м кс = 0,8 м Н = 2,75 м На = 3,6 м

Г2= 1,2 м

кА = 1 м

Рисунок Б.3 - Канал «помещение-стена-улица»

Ях

кл

На схемах каналов распространения некоторые размеры, измерения которых были затруднены, указаны приближённо. В четвёртой главе в качестве параметра для канала «помещение-стена-улица» указано продольное расстояние между антеннами г. Здесь приведём приблизительное расстояние между точками размещения антенн: 10,6; 20,3; 30,2 м.

Результаты измерения для трёх каналов соответственно представлены на рисунках Б.4-Б.6 в графическом виде.

г

к

Г

Р( У), дБм Р(У), дБм

0.4 0.6 0.8 у, ГГц 1 1-5 2 2.5 У, ГГц

Рисунок Б.4 - Частотные зависимости мощности на входе измерительного

приёмника в открытом канале

Р( £ ), дБм

-20

-40

-60

-80

Р( £), дБм

Нн •г. \/ 1 м

■/Л». ? - 5 м

Щ I 1 в**. *, г г .Л

V

-50

- 100

0.4

06

о ■: £ ГГц

£, ГГц

Р(/), дБм

Р(/), дБм

-20

- 40

-60

0.4

0.6

0.8

' й!

£ ГГц

-80

-ч у 1 м

Г

10 м ур

ад ¡1 9 Чй Л

71 ! ■ пг Т^

3.5

£ ГГц

Рисунок Б.5 - Частотные зависимости мощности на входе измерительного приёмника в канале «помещение-стена-улица» и внутри помещения

(контрольная точка 1 м)

Р( / ), дБм Р(/■), дБм

р( / ), дБм р( ]■), дБм

Рисунок Б.6 - Частотные зависимости мощности на входе измерительного приёмника в канале «помещение-стена-улица» и внутри помещения

(контрольная точка 1 м)

Приложение В. Методы аналитической геометрии при поиске лучевых трасс

Любая плоскость однозначно задаётся любыми тремя попарно несовпадающими своими точками Т1, 72 и Т3, не лежащими на одной прямой. Другое удобное описание - использование уравнения плоскости:

Р(х,у^) = А • х + В • у + С • z + Б = 0, (В.1)

где А, В, С и О - коэффициенты, которые вычисляются через координаты точек

71, 72 и Т3,

Г А >

В

С

V Б У

У1 1

У2 1 Уз ^з 1

71 х1 22 Х2

23 Х3

х

х

х

У1 1

У2 1

Х1 У1 ^ Х2 у2 22 хз уз 23

(В.2)

^3 Уз 1

т

где (А, В, С) = Р - нормальный вектор плоскости, О - свободный

—» I гг

коэффициент: Р ={(А, В, С, О) }. Полученный результат целесообразно нормировать, с точки зрения упрощения последующих формул, следующим образом

В

ГахЛ

а,

а„