Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка методики оценивания уровня сигнала в тоннеле 22
1.1 Постановка задачи. Предварительный анализ ее особенностей и возможных подходов к решению 22
1.2 Разработка электродинамической модели излучающей системы на основе метода зеркальных изображений с учетом потерь в стенках тоннеля посредством коэффициентов Френеля 31
1.3 Разработка методики оценивания уровня сигнала, ее программная реализация и тестирование 44
1.4 Выводы по разделу 57
2 Разработка алгоритма проектирования излучающих систем с ретрансляцией 59
2.1 Общие принципы построения комплексов оборудования и
систем конфиденциальной корпоративной тоннельной радиосвязи 59
2.2 Учет шумов и помех при расчете параметров излучающей системы с ретрансляцией 70
2.3 Разработка алгоритма проектирования излучающей системы с ретрансляцией 95
2.4 Выводы по разделу 107
3 Разработка методики проектирования комплек сов оборудования конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи 109
3.1 Разработка расчетно-экспериментальной методики оценивания параметров затухания в тоннеле на основе частотно-пространственного сканирования 109
3.2 Анализ основных требований конфиденциальности и средств ее обеспечения 131
3.3 Методика проектирования комплексов оборудования конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи 141
3.4 Выводы по разделу 144
4 Экспериментальные исследования и практическая реализация методик проектирования комплек сов оборудования конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи 146
4.1 Экспериментальные исследования моделей излучающих систем и устройств электромагнитного экранирования 146
4.2 Практическая реализация и экспериментальные исследования спроектированного оборудования системы тоннельной радиосвязи на модернизируемом объекте 163
4.3 Выводы по разделу 172
Заключение 174
Список литературы
- Разработка электродинамической модели излучающей системы на основе метода зеркальных изображений с учетом потерь в стенках тоннеля посредством коэффициентов Френеля
- Учет шумов и помех при расчете параметров излучающей системы с ретрансляцией
- Анализ основных требований конфиденциальности и средств ее обеспечения
- Практическая реализация и экспериментальные исследования спроектированного оборудования системы тоннельной радиосвязи на модернизируемом объекте
Введение к работе
Наблюдающееся в последние годы бурное развитие средств подвижной радиосвязи, так или иначе, затронуло сети всех категорий, включая сети общего пользования, выделенные и технологические сети, а также сети радиосвязи специального назначения [27, 41]. Сотовые операторы постоянно расширяют зону покрытия, в том числе в местах, обладающих определенной спецификой: метрополитен, транспортные тоннели, торговые центры, сооружения для проведения массовых мероприятий и т.д. Быстро развиваются выделенные и технологические транкинговые корпоративные сети, в том числе на территориях промышленных и специальных комплексов, представляющих собой сильно экранирующие (в том числе, подземные) сооружения производственного, служебного и иного назначения. Применение корпоративных и профессиональных сетей подвижной радиосвязи в таких сооружениях, наряду с решением общих задач обеспечения персонала радиотелефонной связью, позволяет широко использовать каналы подвижной радиосвязи в системах управления процессами, связанными с назначением объекта, и тем самым повысить оперативность управления и эффективность решения соответствующих задач [46, 62, 67, 70]. В качестве примеров можно указать системы производственно-технологической связи на основе оборудования технологии DECT производства немецкой фирмы Funktel, отечественной ЗАО «Гудвин Европа» (последняя развернута на шахтах АК «АЛРО-СА»), системы технологической связи для Казанского и Московского метрополитенов на основе технологии транкинговой связи TETRA, а также комплекс «ТАЛНАХ», инсталлированный компанией «Информационная индустрия» на ГМК «Норильский никель».
Таким образом, можно констатировать появление сетей и систем тоннельной подвижной радиосвязи, в том числе корпоративных, как относительно самостоятельного направления в области развития подвижной радиосвязи.
Однако, несмотря на имеющийся опыт создания подобных систем, особенно для сетей общего пользования, используемые в настоящее время методики их проектирования являются по большей части полуэмпирическими и обеспечивают решение задачи за счет достаточно больших технологических запасов. Что же касается подходов на основе строгих расчетных моделей, то они не получили широкого практического применения по ряду причин. Прежде всего здесь следует указать весьма значительные вычислительные затраты и невозможность реализовать потенциальные возможности по точности расчетов из-за неопределенности геометрических и электрофизических свойств тоннелей.
В этой связи следует отметить, что при проектировании корпоративных систем тоннельной радиосвязи нередко возникают требования, более жесткие, чем в сетях общего пользования. Сюда прежде всего относится следующее: повышенная устойчивость связи в условиях сильной интерференции поля; конфиденциальность, обеспечиваемая как средствами криптографической защиты (абонентское шифрование), так и средствами электромагнитного экранирования (исключением возможности съема сигнала за пределами объекта); мульти-системность - возможность поддерживать одновременную работу нескольких систем связи на общую излучающую (принимающую) систему; обеспечение оперативного контроля за состоянием (работоспособностью) оборудования и за зоной радиопокрытия в целом; повышенная стойкость к механическим и климатическим воздействиям.
С учетом указанных обстоятельств, настоятельно необходимо развитие методов проектирования систем и оборудования конфиденциальной тоннельной корпоративной радиосвязи, обеспечивающих комплексное решение всех основных задач проектирования на основе современных научно-технических достижений.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема совершенствования систем тоннельной радиосвязи, методов и средств их проектирования.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.
В ходе практической деятельности по проектированию и эксплуатации систем тоннельной радиосвязи сформировались основные тенденции развития, важнейшая из которых состоит в использовании в большинстве случаев существующих стандартов подвижной радиосвязи. Это вполне обосновано, т.к. позволяет использовать доступное, серийно выпускаемое базовое и абонентское оборудование. Кроме того, тоннельная сеть, являясь сегментом корпоративной сети, должна быть совместима с другими ее сегментами, а также - в большинстве случаев - и с сетями общего пользования. Применительно к рассматриваемым здесь задачам проведенный анализ показал, что, с учетом требований к основным категориям корпоративных и государственных экранированных объектов, а также номенклатуры доступного в настоящее время оборудования, предпочтительным вариантом является построение конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи (ККС ТР) на основе оборудования стандарта GSM с построением излучающей системы на основе излучающего кабеля (ИК) с включением в него двунаправленных усилителей (активных ретрансляторов), распределенных вдоль всей трассы радиопокрытия.
В самом деле, требования конфиденциальности обусловливают необходимость обеспечения организации закрытых каналов связи «мобильный-мобильный» и «мобильный-стационарный» за пределы объекта, что подразумевает наличие мобильных терминалов со средствами криптозащиты. На рынке присутствует подобное оборудование, например, TopSec GSM S35 на базе модуля ТС35І фирмы Siemens; из отечественных разработок (которые по известным причинам представляют интерес) следует указать мобильные терминалы для работы в сетях GSM и DECT производства ФГУП ЫТЦ «АТЛАС». На рынке также присутствуют отечественные мобильные телефоны с криптозащитой «Талисман SE GSM» и система «Референт Basis», выполненные на основе телефона фирмы Sony Ericsson. Отечественные мобильные терминалы со средст-
вами криптозащиты высокой стойкости для работы в стандарте транкинговой связи TETRA в настоящее время отсутствуют, а стандартные средства криптозащиты системы TETRA легко преодолеваются.
Использование системы DECT для рассматриваемого класса объектов нецелесообразно по следующим причинам: работа на излучающий кабель не может быть организована ввиду малой мощности излучения, оговоренной данным стандартом (10 мВт); система DECT устойчиво функционирует при скорости передвижения мобильного абонента не более 36 км/час, а при переходе из зоны действия одной БС в зону действия другой БС это значение уменьшается до 6 км/час [48]; невозможность работы одним мобильным терминалом, как в сооружении, так и за его пределами, ввиду отсутствия сплошной зоны покрытия, что, собственно, и не подразумевает данный стандарт (имеющиеся на рынке двухсистемные терминалы не позволяют работать в защищенном режиме).
Все эти недостатки отсутствуют в случае использования оборудования стандарта GSM. Дополнительно к достоинствам решения на основе GSM следует отнести отработанность стандарта и высокую развитость сервисных функций, таких как, например, передача данных (CSD, HCSD, GPRS, EDGE), поддержанная большим количеством производителей промышленных GSM модемов (Wavecom, Siemens, Enfora и проч.), и тональный донабор номера - основа для построения многочисленных GSM шлюзов, присутствующих на рынке, система коротких сообщений и т.д. Данное положение позволяет придать проектируемой системе свойства мультисервисности, организовать оперативный контроль как за зоной радиосвязи, так и за работой оборудования и систем, имеющихся на объекте.
Конечно, стандарт GSM обладает и некоторыми недостатками (сравнительно высокое затухание в ИК, невозможность закрепления каналов связи за приоритетными абонентами, сложность организации элементов диспетчерской связи, которая может быть востребована как элемент технологической радио-
связи объекта, и т.д.), однако не приводят к принципиальным затруднениям и не являются определяющими.
По этим причинам именно стандарт GSM принят в качестве основы в рамках данной работы.
Что касается излучающих систем, то при их построении учитываются следующие обстоятельства.
Подземные экранированные сооружения (горнодобывающие шахты, транспортные тоннели, производственные и специальные сооружения и т.д.) имеют, как правило, сложную конфигурацию (многоэтажность, наличие помещений и ходов различного размера, лестничных маршей и лифтовых шахт, присутствие крупногабаритного производственного и иного оборудования и т.д.) и являются неблагоприятной средой для распространения радиоволн диапазонов подвижной радиосвязи (ОВЧ и УВЧ) [5, 30, 42, 101]. Ситуация"усугубляется возможностью перемещения в данных сооружениях относительно крупногабаритных подвижных единиц: погрузочно-разгрузочных, транспортных и других аналогичных средств.
Применение традиционных антенно-фидерных устройств (АФУ), с учетом вышеперечисленных особенностей объектов, нередко оказывается недостаточно эффективным, и для организации сплошного покрытия сетью радиосвязи всей площади экранированного объекта наиболее перспективным представляется использование излучающего кабеля [54 - 56, 86].
Впервые результаты теоретических и экспериментальных исследований ИК как линейного тракта системы радиосвязи были опубликованы в 1956 году. Однако только с 1970 года началось активное внедрение систем связи на ИК на многих промышленных объектах, первыми из которых были угольные шахты Шотландии, Бельгии, Франции, железные дороги Японии [60].
Излучающий кабель - это, как правило, коаксиальный радиочастотный кабель, во внешнем проводнике которого имеются отверстия, играющие роль антенн [13]. Благодаря этим отверстиям, электромагнитное поле существует не
только внутри, но и снаружи кабеля, вследствие чего он одновременно выполняет функции как передающей линии, транслирующей сигнал от заданного места, так и приемопередающей антенны. Выбирая форму, размеры, порядок следования излучающих отверстий по длине кабеля, можно в широких пределах изменять характеристики самого кабеля, а именно: величину продольного затухания и поперечных потерь на излучение, частотную характеристику и распределение мощности излучения по длине кабеля. Основными производителями и поставщиками ИК на российский рынок являются американская компания ANDREW, немецкая RFS, бельгийская EUPEN, финская NK Cables.
Одной из важнейших задач при обеспечении радиосвязи в тоннельных системах является разработка системы излучения и ретрансляции радиосигнала вдоль тоннеля, роль которой, по указанным выше причинам, выполняет совокупность излучающего кабеля и двунаправленных усилителей (активных ретрансляторов), распределенных вдоль всей трассы радиопокрытия. Роль последних заключается в компенсации потерь в излучающем фидере при имеющихся ограничениях мощности и чувствительности абонентских терминалов [13,26,61,63,64,77].
Наличие большого количества активных, вообще говоря, нелинейных устройств в приемопередающем тракте базовых станций ККС ТР, а также значительное затухание при распространении радиоволн в тоннелях требуют, в дополнение к общеизвестному расчету бюджета радиолинии, принятому для наземных систем подвижной радиосвязи, комплексного анализа всех видов шумов и помех (соканальные и интермодуляционные помехи, тепловые шумы, индустриальные шумы и радиопомехи) с учетом специфики тоннельной системы радиосвязи.
Вопросам построения телекоммуникационных сетей и систем, обеспечения их эффективного функционирования, высокой надежности в условиях воздействия внешних и внутренних помех, в том числе - систем подвижной радиосвязи, посвящена обширная литература. Здесь следует указать работы
С.Н. Елисеева, В.Г. Карташевского, Д.Д. Кловского, К. Феера и многих других ученых ([32, 34, 43 ,44, 75] и др.). Обоснованные в данных работах методы исследований и отдельные результаты, соответствующим образом адаптированные к особенностям тоннельных систем, вполне применимы к задачам проектирования ККС ТР.
Основой для решения задач обеспечения радиопокрытия (оценки уровня электромагнитного поля в тоннеле) при проектировании ККС ТР являются базовые электродинамические задачи. Они позволяют на основе математической модели объекта определить уровни сигналов базовой и абонентских станций в любой точке трассы.
Как уже отмечалось, достаточно широкое распространение в практике проектирования получили полуэмпирические методики, рекомендуемые фирмами-производителями излучающих кабелей, например, ANDREW, RFS, TIMES MICROWAVE SYSTEMS. Данные методики просты в использовании и не требуют значительных объемов вычислений. Однако они зачастую приводят к слишком большим технологическим запасам, что удорожает системы тоннельной радиосвязи.
Теоретическим проблемам анализа и моделирования распространения радиоволн в протяженных сооружениях посвящена обширная литература [14, 19, 51, 54-56, 83, 84, 88, 90, 94-98, 103-111, 113, 114, 121-124, 126-131]. Данная проблема изучалась в трудах В.И. Мущенко, S.O.M. Abo, F.K. Akorli, М. Boutin, D.G. Dudley и многих других авторов.
Развиваемые в данных работах методы можно разделить на две группы.
Первую группу образуют методы, основанные на квазиоптических представлениях. Наименее ресурсоемким из них является метод зеркальных изображений (ЗИ). Он позволяет адекватно отображать процессы распространения электромагнитных волн в тоннелях прямоугольного сечения при идеальной проводимости стенок. При других формах сечения построение системы ЗИ существенно усложняется, число ЗИ резко возрастает, что сопровождается значи-
тельным увеличением вычислительной работы. При этом отсутствие учета потерь в стенках приводит к избыточным технологическим запасам.
К первой группе относятся также методы геометрической или физической оптики, геометрической теории дифракции, а также методы на основе аппарата, разработанного для многомодовых волноведущих структур. Будучи более затратными (по сравнению с методом ЗИ), они и более универсальны с точки зрения многообразия форм сечений тоннелей. Однако в условиях неопределенности геометрических и электрофизических свойств стенок тоннелей это преимущество оказывается невостребованным. Кроме того, известные автору методы данного класса принципиально ориентированы на анализ волновых процессов в структурах при их локальном возбуждении, что не соответствует варианту возбуждения протяженным источником в виде излучающего кабеля.
Другую группу методов образуют методы на основе решения соответствующих электродинамических задач - методы интегральных уравнений, собственных волн (модальный анализ), комбинированный метод векторного параболического уравнения и геометрической оптики, метод конечных элементов и др. Сюда же следует отнести и метод, в рамках которого моделирование процессов отражений от стенок осуществляется на основе известного решения задачи Зоммерфельда. Для всех этих методов характерно то, что они способны, в принципе, обеспечить достаточно высокую точность при анализе тоннеля как детерминированного объекта. Однако реализация этой потенциальной возможности на практике крайне затруднительна, так как требует очень больших вычислительных затрат, обусловленных большими электрическими размерами тоннеля. Кроме того, в условиях неопределенности электрических и электрофизических свойств стенок тоннелей возможности по обеспечению высокой точности в значительной мере оказываются невостребованными.
В итоге по результатам проведенного обзора наиболее перспективным представляется метод зеркальных изображений (ЗИ), модифицированный в части учета поглощения в стенках тоннеля. При этом, как будет показано, учет по-
глощения позволяет уменьшить технологические запасы и обеспечивает более быструю (по сравнению с методом ЗИ без учета поглощения) сходимость рядов по ЗИ, что дополнительно сокращает вычислительные затраты. Что же касается отмеченного выше ограничения на форму сечения тоннеля, то в условиях сильной интерференции при неопределенности электрических и электрофизических свойств стенок оно не является существенным, поскольку поле так или иначе приходится рассматривать как случайную величину, т.е. от задачи как можно более точного определения поля в заданных точках переходить к задаче исследования статистических свойств поля в заданном сечении.
В большинстве случаев в тоннелях присутствуют различного рода транспортные средства (автомобили, поезда, лифты и т.д.). Как правило, при учете влияния этих средств на распределение поля их рассматривают как систему проводящих поверхностей. Методам анализа систем проводящих поверхностей посвящена обширная литература [16, 28, 49, 80, 85, 87, 89, 91, 112, 125]. Подавляющее большинство методов основано на интегральных уравнениях относительно поверхностных источников, наведенных на рассеивателях. Все многообразие таких методов можно свести к двум основным группам - методы на основе ИУ первого рода и методы на основе ИУ второго рода. При этом необходимо учитывать, что ИУ второго рода неприменимы для незамкнутых поверхностей. Таким образом, на взгляд автора, наиболее целесообразно в данном случае использовать метод на основе системы ИУ первого рода, имеющих смысл граничных условий для тангенциальных компонент электрического поля [80]. При этом основные трудности здесь возникают при интегрировании особенности в ядре ИУ в случае совпадения точки источника и точки коллокации. Преодоление указанной трудности выполняется различными методами, в частности, на основе использования кусочно-постоянного базиса. Такой подход и был выбран в данной работе.
Как уже отмечалось, картина распределения поля в тоннеле является принципиально статистической, так как образуется в результате многократных
переотражений от стен при случайном положении точки наблюдения (мобильной радиостанции). В этом смысле задачи распространения в тоннеле близки к задачам распространения радиоволн в условиях сложной городской застройки, а также внутри помещений. Здесь также возникает сильная интерференция и используется вероятностный подход. Для обоих классов задач используются похожие методы оценки уровней сигнала (в данном случае представленного величиной напряженности поля) [1-3, 7, 18, 21,31, 53, 74, 92, 93, 97, 102, 116-120].
Измерение значений напряженности поля внутри тоннеля является весьма трудоемкой и нетривиальной задачей [23, 88, 130]. Это связано, во-первых, с сильной интерференцией поля, а во-вторых, с тем, что требуется измерять малые уровни. Второе обеспечивается применением соответствующей метрологической базы, а первое приводит, как будет показано, к необходимости проведения очень большого числа измерений и, как следствие, к чрезвычайно высокой трудоемкости физического эксперимента. Между тем такие измерения весьма желательны прежде всего для целей определения коэффициента затухания радиоволн в тоннеле с последующим их использованием в расчетных моделях. На взгляд автора, этот вопрос является одним из ключевых, и его решение имеет большое значение. В связи с этим в диссертации проведены соответствующие исследования, результатом которых явилось создание весьма эффективной расчетно-экспериментальной методики на основе частотно-пространственного сканирования.
Таким образом, проведенный обзор состояния вопроса в рассматриваемой области показывает наличие практической потребности развития средств проектирования оборудования тоннельной радиосвязи и актуальность решаемых в рамках диссертационного исследования задач.
Цель работы - создание методик и средств проектирования комплексов оборудования конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе выполнена следующая программа исследований:
разработка электродинамической модели излучающей системы на основе метода зеркальных изображений с учетом потерь в стенках тоннеля посредством коэффициентов Френеля, методики оценивания уровня сигнала;
исследование вопросов учета шумов и помех различного происхождения; разработка алгоритма проектирования излучающей системы с ретрансляцией с учетом шумов и помех;
разработка расчетно-экспериментальной методики определения коэффициента затухания радиоволн в тоннеле на основе частотно-пространственного сканирования;
разработка методики проектирования комплексов оборудования конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи;
практическая реализация и экспериментальные исследования оборудования системы тоннельной радиосвязи.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения.
Разработка электродинамической модели излучающей системы на основе метода зеркальных изображений с учетом потерь в стенках тоннеля посредством коэффициентов Френеля
Если, скажем, т = 0, то ЗИ расположено на уровне тоннеля (по вертикали на рис. 1.3), и соответствующая ему волна в тоннеле будет отражаться только от вертикальных стенок, параллельных оси ординат. В этом случае несложно определить параметры процесса отражений (вообще говоря, этот случай соответствует рис. 1.2): число отражений равно числу пересечений границ между ячейками, параллельных оси ординат (нетрудно видеть, что это число п).
Угол падения на стенку для всех отражений - одинаковый и равен углу между волновым вектором, направленным из ЗИ в точку наблюдения и осью абсцисс. То же будет иметь место и для случая п - 0.
Ситуация, однако, усложняется при п Ф 0, т Ф 0 . В этом случае волна в тоннеле распространяется по сложной траектории, отражаясь как от вертикальных, так и от горизонтальных стенок, причем углы падения теперь уже не будут одинаковыми.
Обратимся к рис. 1.4, где на примере одного из ЗИ (п = 2, т = 3) иллюстрируется определение параметров процесса отражений. Видно, что прямолинейный отрезок, соединяющий данное ЗИ и точку наблюдения, дважды пересекает вертикальные границы между ячейками и трижды - горизонтальные границы. Можно показать, что столько же будет отражений реальной волны в тоннеле от его стенок (соответственно вертикальных и горизонтальных) и с такими же углами падения, причем такое соответствие будет иметь место и для общего случая, т.е. при любых п и т.
Таким образом, некоторое (пт)-е ЗИ моделирует волну в тоннеле, которая при распространении \п\ раз отражается от вертикальных стенок и \т\ раз — от горизонтальных. Соответствующие косинусы углов падения обозначим Сх и С \ для них получены следующие формулы:
Волновой вектор для (пт)-то ЗИ и точки наблюдения с координатами л\,, yv zv определяется по формуле, которая получена на основе известных соотношений [59] применительно к данной электродинамической модели и имеет вид:
В (х у , \2пх0 {xv - xHm ) + yQ (yv - ynm ) + z0 (zv - z0) X V(Xv - Xnm f + (Уv - У,ип f + (Zv Zn,n Y где f0 - орт оси аппликат; z0 - аппликата сечения тоннеля, где расположен излучатель (она же аппликата поперечной плоскости, в которой строится система ЗИ); zv — аппликата сечения тоннеля, в котором расположена точка наблюдения.
Известно, что коэффициенты Френеля определяются различным образом для нормально и параллельно поляризованных волн (вектор Е соответственно перпендикулярен и параллелен плоскости падения). Поэтому произвольно ориентированный вектор Е волны от ЗИ, пространственную ориентацию которого будем описывать ортом е0, необходимо представлять в виде суперпозиции (векторной суммы) векторов электрического поля нормально и параллельно поляризованных волн, которые, как известно [59], образуют ортогональный базис и всегда допускают такое представление.
Применительно к рассматриваемой задаче получены следующие формулы для ортов, указывающих ориентацию вектора электрического поля нормально (орт pQ±) и параллельно (орт рщ) поляризованных волн: символ «x» обозначает векторное произведение; Я0 - орт нормали к отражающей поверхности, причем nQ = х0 при отражении от вертикальных стенок, и п0 = у0 ПРИ отражении от горизонтальных стенок (отражения от вертикальных и горизонтальных стенок суть пересечения волной от ЗИ границ между ячейками, вертикальных и горизонтальных, соответственно); С0 - косинус угла падения, причем С0 = Сх при отражении от вертикальных стенок, и С0 =Су при отражении от горизонтальных стенок; Сх, Су определяются по формулам (1.2).
Множители -sign Я0 xfinm(xv,yv,zv)\ в (1.4), (1.5) обеспечивают вполне определенную ориентацию ортов р01 и рщ вне зависимости от того, в каком квадранте расположено ЗИ: орт pQ1 всегда ориентирован направо, если смотреть по направлению волнового вектора, орт рщ всегда ориентирован от отражающей поверхности (пересекаемой границы между ячейками).
Орты р01 и j$0 получаются различными при пересечении вертикальных и горизонтальных границ (отражении от вертикальных и горизонтальных стенок тоннеля). Это усложняет процедуру моделирования процесса распространения с отражениями и требует рассмотрения каждой границы отдельно.Электродинамическая модель излучающей системы является вычислительной основой разрабатываемой методики оценивания уровня сигнала (поля) в тоннеле. В соответствии с принципами, обоснованными в п. 1.1, она базируется на представлении излучающего кабеля в виде цепочки элементарных излучателей и построении для каждого из них системы зеркальных изображений. В этой части все делается в основном аналогично методу, предложенному в [14]. Принципиальная разница заключается в учете уже на этой стадии потерь в стенках путем введения коэффициентов Френеля. Обусловленные этим отличия в деталях будут рассмотрены ниже.
Построение системы ЗИ иллюстрируется на рис. 1.2 для двух параллельных стенок тоннеля. Аналогичным образом система строится и в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка. В отличие от [14] все ЗИ в данном случае отображаются без изменения ориентации, поскольку амплитуды воли от них определяются коэффициентами Френеля. Видно, что процесс построения системы ЗИ можно формально представить как выделение неких слоев, в каждом из которых расположено одно ЗИ.
Если пронумеровать слои положительными целыми числами вне зависимости от направления удаления от излучателя (вверх или вниз по рис. 1.2; в дальнейшем мы будем использовать и отрицательные номера), то номер слоя есть число отражений волны от стенок. Нетрудно видеть, что это же число есть число пересечений границ между слоями лучом, проведенным от ЗИ в точку наблюдения. Оно используется в качестве показателя степени при соответствующем коэффициенте Френеля. Из рис. 1.2 видно также, что угол падения на стенку может быть определен как угол между волновым вектором ЗИ и нормалью к границам между слоями.
На рис. 1.3 схематично показана система ЗИ для поперечного сечения тоннеля. Здесь уже используется двойная нумерация ЗИ - по абсциссе (индекс п) и по ординате (индекс т), причем номера могут быть и положительными, и отрицательными. Каждое ЗИ расположено в соответствующей прямоугольной ячейке с размерами а Ь (размеры тоннеля по абсциссе и ординате), образованной параллельным переносом контура поперечного сечения собственно тоннеля. В каждой ячейке расположено одно ЗИ; ячейки имеют те же номера, что и расположенные в них ЗИ.
Учет шумов и помех при расчете параметров излучающей системы с ретрансляцией
Как известно, качество связи цифровых систем подвижной радиосвязи определяется значением вероятности ошибки на бит - BER. BER, в свою очередь, является функцией от отношения «сигнал/шум», зависящей, в том числе, от типа модуляции, используемого в системе. Например, вид данной зависимости для систем сотовой связи стандарта GSM(GMSK модуляция с ВТ0=0,3, где
В - ширина предмодуляционного гаусовского фильтра, Т0— длительность бита) приведен на рис.2.7 [75]. При этом в сетях GSM принято пользоваться условным показателем качества RxQualFull, соответствие которого значениям BER приведено в таблице 2.1 [100].
Так как согласно [72] для существующих и вновь вводимых сетей GSM значение RxQualFull должно лежать в пределах (2+5) единиц, то согласно рис. 2.7 для получения требуемого качества связи вероятность ошибки на бит, BER должна составлять не более (2+3)Т0 , что обеспечивается в условиях релеев Р ских замираний при —— 9 дБ. Заметим, что предположение о релеевском характере замираний в тоннелях основано на имеющемся практическом опыте разработки и эксплуатации тоннельных систем радиосвязи [86]. - проверка требований ЭМС; - проверка требований ЭМБ.
Учет шумов и помех при расчете параметров излучающей системы с ретрансляцией
Как известно, качество связи цифровых систем подвижной радиосвязи определяется значением вероятности ошибки на бит - BER. BER, в свою очередь, является функцией от отношения «сигнал/шум», зависящей, в том числе, от типа модуляции, используемого в системе. Например, вид данной зависимости для систем сотовой связи стандарта GSM(GMSK модуляция с ВТ0=0,3, где
В - ширина предмодуляционного гаусовского фильтра, Т0— длительность бита)
приведен на рис.2.7 [75]. При этом в сетях GSM принято пользоваться условным показателем качества RxQualFull, соответствие которого значениям BER приведено в таблице 2.1 [100].
Так как согласно [72] для существующих и вновь вводимых сетей GSM значение RxQualFull должно лежать в пределах (2+5) единиц, то согласно рис. 2.7 для получения требуемого качества связи вероятность ошибки на бит, BER должна составлять не более (2+3)Т0 , что обеспечивается в условиях релеев Р ских замираний при —— 9 дБ. Заметим, что предположение о релеевском характере замираний в тоннелях основано на имеющемся практическом опыте разработки и эксплуатации тоннельных систем радиосвязи [86]. 1 BER 0,5 02 ю- 5 2ю-2 ь 2ю-35 2ю-4 5 21Л-5 о 15 25 y7V0, дБ -,дБ = - + ШБ о Nt Рисунок 2.7 - Зависимость BER = f(Eb/N0) Таким образом, при расчете параметров ИСР необходимо ввести ограничения по отношению «сигнал/шум»: ( г Л Г р Л (2.1) \Рш J р V ш J треб
Величина, стоящая в знаменателе левой части выражения (2.1), представляет собой совокупную, общую мощность всех шумов и помех в полосе канала приема базовой или мобильной станции. Прежде всего, к таковым относятся соканальные (СГ), интермодуляционные (IM) и индустриальные радио помехи (ИРП), а также собственные, в том числе, тепловые шумы КО ТР. Таким образом, указанная процедура состоит в определении мощности каждой из составляющих и вычислении результирующего отношения «сигнал/шум» по следующему выражению: Pr Гр\ ± с ,d = 101g o.i ! а + 0,1 P,.v + 0,1 coO. + 0,1 Pc upn (индексы соответствуют введенным обозначениям видов помех и шумов).
Далее вычисленное значение «сигнал/шум» сравнивается с правой частью выражения (2.1) на основании чего делаются соответствующие корректировки длин пролетов и количества ретрансляторов.
Причем с точки зрения сказанного постановка данной задачи не представляется чем-то новым, но составляющие, отвечающие за выполнение ограничений (2.1) в условиях тоннельной радиосвязи представляются мало описанными и требуют тщательного рассмотрения. Ниже мы рассмотрим каждую из этих составляющих подробно и применительно, где необходимо, к конкретной схеме ИСР и получим необходимые расчетные соотношения.
Ввиду того, что, как будет показано ниже, в КО ТР превалирующими являются собственные, тепловые шумы ее активных элементов выполнение огра ничений (2.1) при проведении итерационной процедуры расчета оптимальной структуры ИСР достаточно проверять только при приеме радиосигнала базовой станцией, т.е. направление UPLINK, с проверкой выполнения (2.1) для направления DOWNLINK, т.е. при приеме радиосигнала мобильной станцией, только на заключительном этапе, причем по уровню интермодуляционных помех.
Покажем это. Для этого запишем выражение для мощности радиосигнала в точке приема, воспользовавшись для наглядности эмпирической методикой американской фирмы ANDREW для радиосистем, использующий излучающий фидер [86]: Рпри = РПрд L„a -KC-WTF-SV-RF-AL- VLP, (2.2) где Рпрд, дБм - выходная мощность сигнала передатчика; WTF = 101g( /2) дБ - коэффициент, учитывающий ширину тоннеля W, м; SV-3 дБ - коэффициент, учитывающий погрешность статистического анализа поля; Кс, дБ - коэффициент связи излучающего фидера; я ДБ/ЮОМ - погонное затухание излучающего фидера; Lv- нормированная к 100м длина излучающего фидера; RF — 11 дБ - коэффициент, учитывающий интерференцию поля в тоннеле; AL = 3 дБ - коэффициент, учитывающий тот факт, что параметры антенны МС хуже параметров полуволнового вибратора; VLP = 6 дБ - коэффициент, учитывающий присутствие транспортного средства в тоннеле.
Предположим, что в системе ИСР имеется один ретранслятор с коэффициентом усиления Кус, мощностью собственных шумов РШсоб и другие шумы в системе отсутствуют. Тогда выражение для мощности сигнала на входе приемника БС и МС соответственно можно записать:
Анализ основных требований конфиденциальности и средств ее обеспечения
Излучение радиоволн за пределы объекта (контролируемой зоны объекта) связано с весьма существенным риском нарушения конфиденциальности информации, т.к. в этом случае возможности препятствования съему, фиксации и дальнейшей обработке информации практически отсутствуют. Особенно велик риск нарушения скрытности расположения объекта, раскрытия его протяженности и конфигурации.
С учетом типичных конструктивных особенностей объектов уровень естественного электромагнитного экранирования для тоннелей и примыкающих к ним помещений обычно достаточно высок. Наибольший риск излучения радиоволн связан с наличием относительно слабо экранированных зон: выходов, вертикальных маршей, шахт и каналов инженерных коммуникаций и т.п.
Особое внимание в этом отношении должно уделяться воздуховодам системы вентиляции, т.к. они имеют достаточно большие сечения и выходят на поверхность. Кроме того, поскольку вентилируется все протяженное сооружение, расстановка выходов вентиляционных шахт весьма информативна с точки зрения определения конфигурации объекта, причем именно средствами электронной разведки. Действительно, применение обычных средств маскирования таких выходов позволяет затруднить их идентификацию, определить визуально принадлежность определенной группы выходов к одному объекту вообще практически невозможно, а вот снятие информации об излучаемых радиоволнах позволяет относительно просто решить обе задачи. Очевидно, необходимы дополнительные меры, исключающие излучение электромагнитных волн за пределы объекта, и в первую очередь - через каналы системы вентиляции.
Риск нарушения конфиденциальности содержания переговоров (сообщений) при выходе радиоволн за пределы объекта также должен учитываться, прежде всего - для основной группы абонентов. Для VIP-группы, если используются средства криптографической защиты достаточной стойкости, этот риск можно считать несущественным.
Съем информации в пределах объекта (посредством несанкционированно внедренных технических средств, не выявленных «закладок» или вследствие грубых ошибок при организации взаимодействия тоннельной системы радиосвязи с внешними сетями), в зависимости от того, с каких составных частей оборудования снимается информация, может привести к нарушению конфиденциальности любого из рассматриваемых видов информации.
Передача информации внедренным в состав персонала агентом, в зависимости от того, к каким именно сведениям он допущен, также может привести к весьма существенным нарушениям конфиденциальности информации. Особенно серьезные риски возникают при доступе агента к документам и базам, содержащим сведения об объекте в целом, а также сведения об абонентах.
Достаточно серьезный ущерб может быть нанесен и при разглашении информации лицами персонала по халатности.
Таким образом, с учетом особенностей действующих и перспективных корпоративных и специальных систем тоннельной радиосвязи, специфики контингента пользователей и абонентов, характера циркулирующей в сети информации и рассмотренных выше потенциальных каналов ее утечки проблема обеспечения конфиденциальности применительно к объекту исследования включает три основные задачи:
- обеспечение конфиденциальности сетевой информации - исключение за пределами объекта (контролируемой зоны объекта) несанкционированного съема циркулирующей в сети информации;
- обеспечение защиты инкогнито абонента - исключение за пределами объекта (контролируемой зоны объекта) несанкционированной идентификации статуса и личных данных абонентов, включая получение данных о присутствии конкретного абонента на объекте;
- обеспечение конфиденциальности адресной информации - исключение в пределах объекта доступа абонента или иного лица к любой циркулирующей в сети информации, кроме адресованной лично ему.
Кроме того, в определенных случаях дополнительно должна быть решена задача обеспечения скрытности - исключения за пределами объекта (контролируемой зоны объекта) приема радиосигналов от радиосредств сети, а следовательно идентификации объекта и получения сведений о его конфигурации.
В качестве основных мер обеспечения конфиденциальности, с учетом рассмотренных выше каналов утечки информации, должны быть рассмотрены: - электромагнитное экранирование; - криптографическая защита; - спецпроверки и специсследования оборудования; - постановка маскирующих помех; - общережимные мероприятия, режимы секретности и физической охраны объекта.
Результаты оценки эффективности основных мер обеспечения конфиденциальности приведены в таблице 3.3.
Электромагнитное экранирование достаточной эффективности должно обеспечивать за пределами объекта (контролируемой зоны объекта) уровень электромагнитного излучения от радиосредств системы, пониженный до значений, исключающих съем информации. Оно предполагает, наряду с использованием свойств естественного экранирования ограждающих конструкций, объекта, применение дополнительных специально разработанных устройств, адаптированных к конструктивным особенностям зон утечки, в том числе, как было отмечено выше, выходов инженерных коммуникаций и прежде всего — вентиляционных шахт.
Роль указанной меры весьма велика, т.к. она является основной с точки зрения обеспечения скрытности, и при наличии излучения за пределы объекта возможные нарушения конфиденциальности информации не могут быть блокированы применением других мер.
Практическая реализация и экспериментальные исследования спроектированного оборудования системы тоннельной радиосвязи на модернизируемом объекте
На основе разработанной автором методики проектирования комплексов оборудования конфиденциальных корпоративных систем тоннельной радиосвязи, ФГУП СОНИИР в рамках соответствующих ОКР был реализован опытный образец такой системы (децимальный номер ГТИВ.460461.001) на одном из модернизируемых объектов. В настоящем подразделе излагаются результаты рас-четно-экспериментальных исследований данного опытного образца.
Основой развернутой системы является сеть стандарта GSM900, включающая следующие элементы: центр коммутации мобильной связи ЦКМ, контроллер базовых станций КБС, базовую приемопередающую станцию БС, домашний регистр местоположения ДРМ, гостевой регистр местоположения ГРМ, центр аутентификации ЦА, регистр идентификации аппаратуры РИ, межсетевой функциональный стык МФС, центр эксплуатации и технического обслуживания ЦТО, размещенные в одной компактной стойке базовой станции. Клиентская часть ЦТО представляет собой вынесенную за пределы стойки БС ПЭВМ. БС инсталлированной сети имеет в своем составе один приемопередатчик.
Кроме этого, в состав системы входят: излучающий кабель ИК — как распределенная антенная система, распределитель мощности для разветвления ИК там, где это необходимо, ретранслятор - активный элемент компенсации потерь ИК и элемент согласования свободных окончаний ИК - балластные нагрузки.
Коммутационный центр мобильной связи по одному потоку Е1 и протоколу цифровой абонентской сигнализации EDSS1 связан с АТС объекта для выхода на его внутренних стационарных абонентов, а также абонентов внешних городских телефонных сетей.
Структурная схема развернутого участка сети применительно к конкретной физической конфигурации объекта, мест установки оборудования и трассы прокладки излучающих фидеров на объекте представлена на рис.4.9. Трасса прокладки излучающего фидера определяет зону радиопокрытия объекта и представляет собой четыре участка, обозначенные на схеме цифрами 1, 2, 3, 4.
Первый участок представляет собой тоннель кругового сечения диаметром 5 м, стенки которого армированы составными чугунными тюбингами. Приемопередающий тракт на этом участке включает в себя 150-метровый отрезок ИК 7/8" до ретранслятора и 100-метровый отрезок ИК 7/8" от ретранслятора до 3-го участка. Каждый из отрезков ИК проложен на расстоянии 2 м от металлического пола и 150...200 мм от стенок тоннеля. Перемещение транспортных средств по данному участку не предусматривается.
Четвертый участок представляет собой тоннель аналогичной конструкции диаметром 4 м. На расстоянии 150...200 мм от потолка данного участка также расположен излучающий кабель общей протяженностью 80 м.
Второй участок представляет собой вертикальный по отношению к первому тоннель аналогичной конструкции диаметром 3 м. На данном участке расположена лифтовая шахта, помещенная в защитную металлическую сетку с размером ячейки 20 мм. ИК располагается параллельно движению лифта на расстоянии 150...200 мм от стенки тоннеля и на стороне, противоположной входу в лифтовую кабину. Стенки лифта сделаны из «радиопрозрачного» материала, а входные двери лифтовой шахты из металла. Общая длина ИК, проложенного вдоль лифтовой шахты, составляет 40 м.
Третий участок представляет собой протяженный горизонтальный тоннель диаметром 6 м, конструкции аналогичной первому и четвертому участкам. ИК располагается на одном из многочисленных кабельных лотков, расположенных на боковых стенках тоннеля, на расстоянии 2,5 м от пола и 350...400 мм от стенок тоннеля. Общая длина ИК, проложенного вдоль тоннеля, составляет 350 м. По данному участку предусматривается движение транспортных средств. Соединение БС с ИК первого участка осуществлялось неизлучающим кабелем длиной 150 м.
В качестве ИК использовался кабель излученной волны {radiating cable) 7 типа RCT5-LTC-1RNT фирмы ANDREW диаметром — дюйма с погонным зату 8 ханием а = 0,053 дБ/м на частоте 960 МГц. В ходе инсталляции сети были установлены следующие настройки ее активных элементов, а именно, БС и ретранслятора: - уровень выходного сигнала БС 33 дБм; - номер частотного канала п = 15 (см. п.2.3); - уровень выходного сигнала ретранслятора в направлении DOWNLINK 33 дБм; - усиление ретранслятора в направлении DOWNLINK и UPLINK соответ ственно 30 дБ и 25 дБ.
Все измерения непосредственно в ИК и входе / выходе составных частей системы проводились портативным измерителем мощности MFP-8000, имеющим погрешность измерения на несущей частоте БС ± 0,5 дБм и чувствительность не менее минус 60 дБм. Измерения условного показателя качества радиосигнала RxQualFull (см. п.2.3) производились мобильным терминалом Nokia 3310 с использованием опции инженерного меню (Netmonitor). Экспериментальные исследования системы проводилось в два этапа. На первом этапе проводилась проверка функционирования сети. При этом оценивались следующие параметры: - прохождение звонков типа мобильный - мобильный, мобильный - стационарный на всех участках зоны радиопокрытия, в том числе, находясь внутри и вне транспортных средств, при их движении по участку 3, а также нахождении абонента в кабине лифта участка 2; - время установления соединения типа мобильный - мобильный, мобильный - стационарный; - качество соединения по разборчивости контрольной фразы; - возможность функционирования передачи данных в инсталлированной сети посредством проверки дистанционного управления ретранслятором непосредственно с места расположения клиентской ПЭВМ через радиоэфир;
