Актуальность темы
Современные узлы связи насыщены сложным электронным оборудованием, элементы которого соединяются между собой направляющими системами различного назначения. В подавляющем большинстве случаев направляющие системы представляют собой кабели с металлическими жилами: многопарные телефонные кабели типа Т и ТП [1,2,3], многожильные станционные кабели типа ТСВ [3,4], кабели управления, сигнализации и связи типа КСПЭВ [5], кабели структурированных кабельных систем [6,7,8]. Симметричные цепи этих направляющих систем специфицированы для передачи информационных сигналов. Важнейшее требование, предъявляемое к передаче этих сигналов, является требование обеспечения информационной безопасности. Известны многочисленные методы защиты специфицированных цепей для обеспечения информационной безопасности сигналов, распространяющихся по ним [9]. Однако существует реальная угроза съема информации с так называемых неспецифицированных цепей, образующих электромагнитные технические каналы утечки информации. Такими цепями являются цепи типа жила-экран (металлическая оболочка), пара-экран, четверка жил-экран, пучки жил-экран, а также жила-жила разных пар кабеля, жила-жила разных повивов кабеля, пара жил-пара жил, четверка жил-четверка жил разных комбинаций, восемь жил-восемь жил, и иные комбинации жил, как одного повива, так и разных [10]. Таким образом, к неспецифи-цированным цепям можно отнести несимметричные цепи и системы и симметричные цепи, организованные различными комбинациями жил. К неспе-цифицированным цепям также следует отнести цепи электрических кабелей распределительных энергетических сетей [11−15]. Физический механизм, обусловливающий возможность утечки информации через посредство неспецифицированных цепей заключается в следующем. Из-за конечного значения переходного затухания между симметричными и несимметричными цепями [2,16,17] информационный сигнал переходит на незащищенные неспецифи-цированные цепи и может быть зафиксирован за границами узла связи. В настоящее время этот механизм существенно усовершенствован, в результате чего разработана технология ВЧ-навязывания (ВЧН) [18,19]. Существо этой технологии заключается в следующем. Узел связи облучается высокочастотным сигналом, выполняющим роль несущей частоты. При детальном рассмотрении любое электротехническое устройство является нелинейным в том смысле, что напряжение на его выходе связано с напряжением на его входе нелинейной зависимостью. Благодаря этому осуществляется модуляция несущей частоты информационным сигналом, этот сигнал перемещается в область высоких частот, где переходное затухание между цепями практически равно нулю, и свободно переходит на неспецифицированные цепи.
Для разработки мер противодействия съему информации при помощи технологии ВЧН необходимо в первую очередь исследовать параметры передачи неспецифицированных цепей узлов связи в широком диапазоне частот. Этой актуальной теме посвящена настоящая диссертационная работа.
Состояние вопроса. С появлением в нашей стране рыночной экономики, наряду с обеспечением государственной тайны возникла задача обеспечения и коммерческой тайны. Техническим каналам утечки информации, возможности их возникновения, способам съема и противодействия съему информации по ним посвящено большое количество общедоступной литературы [10−39]. Технические каналы утечки информации делятся на визуально-оптические, электромагнитные, акустические и материально-вещественные (бумага, фотопленка и прочие). В диссертационной работе проводятся исследования неспецифицированных цепей слаботочных н силовых кабелей узлов связи, являющихся электромагнитными техническими каналами утечки информации.
Основными параметрами передачи являются: электрическое сопротивление, индуктивность, электрическая емкость и проводимость изоляции цепи, коэффициенты затухания и фазы, волновое сопротивление, фазовая и групповая скорости распространения.
Исследованиям параметров передачи кабельных цепей посвящено много научных работ [40−46]. Однако в большинстве из них внимание уделяется основной симметричной двухпроводной цепи. Такой подход оправдан, так как долгое время наиболее важной задачей в этой области техники было расширение диапазона передаваемых частот.
Изучению параметров передачи несимметричных цепей уделялось недостаточное внимание. В связи с этим достигнутый уровень исследования характеризуется отсутствием общего метода теоретического расчета параметров передачи различных видов неспецифицированных цепей, ограничением частотного диапазона, применением методик измерений, не учитывающих принципиальных отличительных особенностей этих цепей.
Известны методы расчета параметров передачи некоторых видов несимметричных цепей. В [47] из решения системы телеграфных уравнений, построенных на базе полных собственных и взаимных сопротивлений проводов и соответствующих комплексных потенциальных коэффициентов, получены соотношения для определения волнового сопротивления и коэффициента распространения цепи пучок-оболочка. Однако вследствие принятых допущений погрешность определения волнового сопротивления одночетве-рочного кабеля составляет 40%, а четырехчетверочного — 50%- погрешность приведенных там же значений коэффициента затухания определить затруднительно, так как в работе не указан тип металлической оболочки.
Наиболее значимыми явились работы Г. Кадена [42,48], в которых определены параметры передачи несимметричных цепей: пара-оболочка и четверка-оболочка при условии коаксиального расположения центральных проводов относительно металлической оболочки. К сожалению, автор не рассматривает влияния на конечный результат скрутки четверок и наличия в кабеле пучка соседних проводников. Пренебрежение этим обстоятельством приводит к тому, что параметры передачи, вычисленные по формулам [42,48], отличаются от экспериментальных [49] в 1,5−2 раза, но общий подход Г. Кадена, базирующийся на определении комплексного потенциала цепи, может быть использован. Кроме того, в [42] решена принципиально важная задача определения потерь в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле. С учетом изложенного, сформулируем цель и основные задачи настоящей диссертационной работы.
Цель диссертационной работы — разработка методов теоретического и экспериментального исследования параметров передачи неспецифициро-ванных цепей и определение частотных характеристик этих параметров для полной номенклатуры кабелей, используемых в современных узлах связи.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью должны быть решены следующие задачи: разработка метода теоретического расчета параметров передачи неспе-цифицированных цепей кабелей узлов связи в широком диапазоне частотразработка метода экспериментального исследования параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связиисследование частотных характеристик параметров передачи неспецифицированных цепей многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи и кабелей структурированных кабельных системисследование частотных характеристик параметров передачи неспецифицированных цепей электрических кабелей распределительных энергетических сетей.
Таким образом, областью научных изысканий является исследование свойств электротехнических изделий в сетях, системах и устройствах телекоммуникаций в связи с их внешними условиями эксплуатации с целью обеспечения требуемого качества передачи информации, а предметом исследования — неспецифицированные цепи многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи, кабелей структурированных кабельных систем, а также электрических кабелей распределительных энергетических сетей узлов связи.
Теоретической базой проведенных исследований является теория направляющих систем связи, теория вероятности и математическая статистика, теория ошибок и математическое моделирование.
Научная новизна работы заключается в следующем. Впервые проведено полномасштабное исследование физических сред передачи применительно к технологии ВЧН, в том числе:
1. Разработан метод теоретического расчета параметров передачи неспе-цифицированных цепей кабелей узлов связи в широком диапазоне частот, учитывающий увеличение коэффициента затухания цепей за счет потерь в соседних проводниках, находящихся в поперечном магнитном поле.
2. Разработан метод экспериментального исследования параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связи, учитывающий погрешности за счет отличия волновых сопротивлений неспецифицированных цепей и номинальных входных/выходных сопротивлений измерительных приборов.
3. Впервые исследованы характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи и кабелей структурированных кабельных систем в диапазоне частот ВЧН.
4. Впервые исследованы характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей электрических кабелей распределительных энергетических сетей в диапазоне частот технологии ВЧН.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается использованием математических моделей, адекватных рассматриваемым физическим явлениямподтверждение теоретических зависимостей параметров передачи результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем:
1. Получены параметры передачи неспецифицированных цепей многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи, кабелей структурированных кабельных систем и кабелей распределительных энергетических сетей в диапазоне частот до 300 МГц.
2. Установлено, что на частотных характеристиках затухания неспецифицированных цепей имеют место поддиапазоны с аномально низкими 1 значениями. Это явление обусловлено низкой взаимозащищенностью цепей рассматриваемых кабелей в исследуемом диапазоне частот.
3. Получены зависимости емкости, индуктивности и волнового сопротивления цепей от их структуры, позволяющие оценить эти параметры для любой произвольной конфигурации неспецифицированной цепи.
4. Разработаны программы теоретического расчета параметров передачи неспецифицированных цепей в среде MATHCAD 2000 Professional с использованием элементов программирования и представления результатов в графическом и табличном виде.
5. Определена верхняя граница частотного диапазона технологии ВЧ-навязывания по тепловому шуму.
Результаты диссертации внедрены в разработках ФГУП ЦНИИС «Теоретико-экспериментальные исследования распространения высокочастотных сигналов в низкочастотных проводных линиях связи различного назначения» и «Исследование параметров передачи металлических кабелей узла связи в широком диапазоне частот», выполненных под руководством и при личном участии автора, а также в ряде разработок Центра Безопасности Информации «МАСКОМ» (ООО ЦБИ «МАСКОМ»).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации I доложены и обсуждались на: трех заседаниях Экспертного совета НТС ФГУП ЦНИИС в период с 2004 года по 2006 год, на V международной научной конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» .
Россия, Самара, 2004 г.), на научно-технической конференции проф.-преп. и инженерно-технического состава ПГАТИ (Россия, Самара, ПГАТИ, 2005 г.).
По теме диссертации опубликовано семь статей, два доклада на конференциях. Результаты исследований отражены в научных отчетах, ФГУП ЦНИИС по хоздоговорным НИР, выполненным под руководством и личном участии автора. Без соавторов опубликовано пять статей в научно-технических журналах (из них два по перечню ВАК).
Краткое содержание работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Введение
содержит обоснование актуальности избранной темы исследованияцель диссертационной работыописание предмета и объекта исследованияметодологические основы теоретических и экспериментальных исследований.
Введение
завершается формулировкой научной новизны и практической значимости работы.
Выводы по результатам исследований, изложенным в Главе 3.
1. Достоверность результатов измерения оценена сопоставлением значений коэффициентов затухания тех же самых кабельных цепей на частотах до 30 МГц с полученными ранее при помощи измерительных приборов более высокого класса точности. При этом расхождение результатов измерения не превышало 7%. Характер частотных зависимостей параметров передачи неспецифицированных цепей сравнивался с характером частотных зависимостей многократно исследованных симметричных цепей кабелей связи. Подтверждено единство природы этих зависимостей. На основании этого можно утверждать: во-первых, теоретическая модель адекватна рассматриваемым физическим явлениямво-вторых, погрешности экспериментального метода исследования не существенны. Расхождения между экспериментальными и теоретическими значениями объясняются неточностью исходных данных (геометрические размеры в конструкциях кабелей, неоднородность материалов изоляции, продольная неоднородность конструкции кабелей).
2. Определены параметры передачи неспецифицированных цепей жила — экран, пара жил одного повива — экран, две жилы разных повивовэкран, две пары жил одного повива — экран, две пары жил разных повивовэкран, четыре пары жил — экран, восемь пар жил — экран, пучок жил — экран, жила — жила, пара жил — пара жил, четверка жил — четверка жил, восьмерка жил — восьмерка жил, как одного повива, так и разных, шестнадцать жилшестнадцать жил и повив — повив многопарных телефонных кабелей: средние значения рабочих емкостей и внешних индуктивностеймаксимальные, минимальные и средние значения волнового сопротивлениячастотные характеристики коэффициентов затухания в диапазоне частот до 30 и 300 МГц, а также сглаживающие их аппроксимирующие кривые.
3. Определены параметры передачи неспецифицированных цепей жила — экран, пара жил — экран, две пары жил — экран, пучок жил — экран, жила — жила, пара жил — пара жил, четверка жил — четверка жил, восьмерка жил — восьмерка жил, десятка жил — десятка жил многожильных станционных кабелей: средние значения рабочих емкостей и внешних индуктивностеймаксимальные, минимальные и средние значения волнового сопротивлениячастотные характеристики коэффициентов затухания в диапазоне частот до 30 и 300 МГц, а также сглаживающие их аппроксимирующие кривые.
4. Определены параметры передачи неспецифицированных цепей жила — экран, две жилы — экран, четыре жилы — экран, восемь жил — экран, пучок жил — экран, жила — жила, пара жил — пара жил, тройка жил — тройка жил, четверка жил — четверка жил и пятерка жил — пятерка жил кабелей управления, сигнализации и связи: средние значения рабочих емкостей и внешних индуктивностеймаксимальные, минимальные и средние значения волнового сопротивлениячастотные характеристики коэффициентов затухания в диапазоне частот до 30 и 300 МГц, а также сглаживающие их аппроксимирующие кривые.
5. Определены частотные характеристики коэффициентов затухания цепей жила — семерка жил и пара жил — шестерка жил кабеля типа ШТ категории 5е в диапазоне частот до 300 МГц с учетом особенностей этих типов кабелей — отсутствием металлического экрана. Как и в предыдущих случаях получена сглаживающая их аппроксимирующая кривая.
6. Разработана модель и определены параметры передачи неспецифицированных цепей жила — оболочка, две жилы — оболочка, три жилыоболочка электрических кабелей распределительных сетей типа ИУМ: средние значения рабочих емкостей и внешних индуктивностеймаксимальные, минимальные и средние значения волнового сопротивлениячастотная характеристика коэффициента затухания цепи жила — оболочка в диапазоне частот до 300 МГц, а также сглаживающая ее аппроксимирующая кривая.
Заключение
.
1. При детальном рассмотрении любое электротехническое устройство является нелинейным в том смысле, что напряжение на его выходе связано с напряжением на его входе нелинейной зависимостью. Благодаря этому осуществляется модуляция несущей частоты информационным сигналом, этот сигнал перемещается в область высоких частот, где переходное затухание между цепями практически равно нулю, и свободно переходит на неспе-цифицированные цепи. Для разработки мер противодействия съему информации при помощи технологии ВЧ-навязывания необходимо исследовать параметры передачи неспецифицированных цепей узлов связи в широком диапазоне частот. Тема диссертационной работы актуальна.
2. В исследуемом диапазоне частот гипотеза о квазистационарности справедлива для всех рассматриваемых конструкций кабелей. Это позволяет пренебречь магнитным полем токов смещения, и получить инженерные формулы для расчета параметров передачи неспецифицированных цепей. При этом кабель следует рассматривать в виде многопроводной системы из одно-проводных цепей, а потери в соседних проводниках неспецифицированной цепи рассчитывать как потери в проводниках, помещенных в ее поперечное магнитное поле.
3. При значительном количестве жил в кабеле структура известных формул для расчета параметров передачи цепи пучок-оболочка существенно усложняется, а погрешность за счет неточности исходных данных — резко возрастает. Поэтому цепь пучок-оболочка многожильных конструкций целесообразно рассчитывать как коаксиальную структура, у которой радиус центральной жилы равен внешнему радиусу пучка жил. Для силового кабеля ИУМ 4×6 экранирующей поверхностью является окружающие металлические массы. Этот кабель целесообразно рассматривать как пучок проводов над горизонтальной проводящей поверхностью. При этом зеркальные заряды находятся с обратной стороны линии раздела на среднем расстоянии, равном радиусу кабеля. Конформное отображение переводит бесконечную линию.
раздела в окружность с радиусом, равным диаметру кабеля. При этом проводящая поверхность заменяется фиктивным цилиндрическим экраном с таким же радиусом.
4. Для определения границ частотного диапазона технологии ВЧ-навязывания рассмотрен волновой режим распространения электромагнитных колебаний в металлических кабелях. Электрические параметры кабелей, представленных в виде волноводов (критическая частота, волновое число, затухание, скорость передачи, характеристическое сопротивление) определены путем решения основных уравнений Максвелла, характеризующих распространение электромагнитных волн в пространстве. Получены частотные ха1 рактеристики коэффициентов затухания волн типа ТМ01 и ТЕоь Показано, что критическая длина волны для режима передачи ТМщ составляет 16, а для режима передачи ТЕ01 — 30 ГГц.
5. Определена верхняя частота диапазона технологии ВЧ-навязывания с учетом естественного физического ограничения — теплового шума. Она найдена из условия, что вероятность ошибки при приеме сигнала близка к 1. Этот подход не ограничивает общности, поскольку любой аналоговый сигнал можно заменить эквивалентным цифровым на основании теоремы Котельникова. Численное значение верхней границы диапазрна для исследований параметров передачи кабельных цепей в технологии ВЧ-навязывания следует выбрать равным 300 МГц.
6. Проведено теоретическое исследование погрешностей классического метода измерения параметров передачи — метода холостого хода и короткого замыкания. Показано, что и погрешности измерения первичных и вторичных параметров передачи кабельных цепей минимальны на оптимальных частотах, определяемых из соотношения: частное от деления измеряемой длины цепи на длину волны должно быть нечетно кратно 1/8. Показано, что сглаживание экспериментальных частотных характеристик параметров передачи целесообразно проводить при помощи адекватных аппроксимирующих функций.
7. Достоверность результатов измерения оценена сопоставлением значений коэффициентов затухания тех же самых кабельных цепей на частотах до 30 МГц с полученными ранее при помощи измерительных приборов более высокого класса точности. При этом расхождение результатов измерения не превышало 7%. Характер частотных зависимостей параметров передачи неспецифицированных цепей сравнивался с характером частотных зависимостей многократно исследованных симметричных цепей кабелей связи. Подтверждено единство природы этих зависимостей. На основании этого можно утверждать: во-первых, теоретическая модель адекватна рассматриваемым физическим явлениямво-вторых, погрешности экспериментального метода исследования не существенны. Расхождения между экспериментальными и теоретическими значениями объясняются неточностью исходных данных (геометрические размеры в конструкциях кабелей, неоднородность материалов изоляции, продольная неоднородность конструкции кабелей).
8. Впервые определены параметры передачи неспецифицированных цепей жила — экран, пара жил одного повива — экран, две жилы разных пови-вов — экран, две пары жил одного повива — экран, две пары жил разных пови-вов — экран, четыре пары жил — экран, восемь пар жил — экран, пучок жилэкран, жила — жила, пара жил — пара жил, четверка жил — четверка жил, восьмерка жил — восьмерка жил, как одного повива, так и разных, шестнадцать жил — шестнадцать жил и повив — повив многопарных телефонных кабелей: средние значения рабочих емкостей и внешних индуктивностеймаксимальные, минимальные и средние значения волнового сопротивлениячастотные характеристики коэффициентов затухания в диапазоне частот технологии ВЧ-навязывания.
9. Впервые определены параметры передачи неспецифицированных цепей многожильных станционных кабелейкабелей управления, сигнализации и связикабелей структурированных кабельных систем типа иТР категории 5екабелей распределительных электрических сетей типа ЫУМ в диапазоне частот технологии ВЧН.
