автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Метод оценки помехоустойчивости средств широкополосного радиодоступа к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов

На правах рукописи

Пименов Павел Николаевич

МЕТОД ОЦЕНКИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СРЕДСТВ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА К ВОЗДЕЙСТВИЮ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ПАЙ 2015

Москва —2015

005568864

005568864

Работа выполнена в ОАО «Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт»

Научный руководитель: Невзоров Юрий Витальевич,

кандидат технических наук

Официальные оппоненты: Фоминич Эдуард Николаевич,

доктор технических наук, профессор, лауреат премии Совета Министров СССР, Военный институт (инженерно-технический) ФГК ВОУ ВПО «Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева», профессор кафедры электроснабжения, электрооборудования и автоматики, г. Санкт-Петербург

Туркин Владимир Анатольевич,

кандидат технических наук, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, ФГУП «Всероссийский научно - исследовательский институт оптико-физических измерений», заместитель начальника лаборатории генерирования и измерения параметров электромагнитных импульсов, г. Москва

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

«Аргон», г. Москва

Защита состоится «18» июня 2015г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 123458, Москва, ул. Таллинская, 34, ауд.501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», по адресу: 101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д.20 и на сайте: www.hse.ru. Автореферат разослан« » 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., профессор

Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень разработанности темы исследования

Современная тенденция роста сегмента рынка беспроводного доступа к глобальной сети интернет дала большой импульс для развития технологии беспроводной широкополосной передачи данных, сформировавший ветви стандартов связи IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16 с высокой плотностью каналов и высокими скоростями передачи информации.

Большая доля использования таких средств, а также огромные объемы передаваемой информации, требуют устойчивого функционирования беспроводных сетей передачи данных в условиях воздействия различных деструктивных факторов, одним из которых отдельно выделяется фактор воздействия сверхкороткоимпульсного электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ), ввиду относительной новизны и возможностей высокой эффективности воздействия.

Особое внимание к СКИ ЭМИ и его влиянию на средства широкополосного радиодоступа (ШРД) обусловлено спецификой СКИ ЭМИ занимать достаточно широкий спектр, перекрывающий большую часть диапазонов, выделенных для средств ШРД, потенциальной соизмеримостью частот следования импульсов СКИ ЭМИ с частотами смены состояний модулированного сигнала, а также дискретной природой воздействующего импульса, что обуславливает высокую восприимчивость цифровых систем. При высоких энергетических характеристиках СКИ ЭМИ его влияние возможно не только на радиоприемную часть устройств, но также и аппаратную часть, ввиду формирования наводок в цепях обработки информации. Современные разработки генераторов СКИ ЭМИ позволяют достигать высокой частоты повторения импульсов с возможностью формирования более сложных последовательностей.

При учете особенностей часто используемого в средствах ШРД метода модуляции OFDM с несколькими рядом расположенными поднесущими частотами, СКИ ЭМИ может оказывать одновременное влияние на несколько поднесущих частот. Анализ алгоритма модуляции исходной битовой последовательности на поднесущие частоты позволяет сформулировать критерии последовательности импульсов СКИ ЭМИ, оказывающей наибольшее воздействие.

Развитие современных средств ШРД идет по пути расширения полосы частот, а это ведет и к снижению скорости смены состояний модулированного сигнала (символьной скорости) на поднесугцей частоте. При этом, выбор диапазона центральной несущей частоты уходит за гигагерцовую область. Сигналы, модулированные с расширением спектра, как правило, имеют более низкие амплитудные характеристики, чем узкополосные сигналы. Все это приводит к тому, что длительности импульсов СКИ ЭМИ, а также частота их повторения, могут быть близки к полупериодам несущей (поднесущей) частоты и символьным скоростям соответственно, что будет увеличивать вероятность искажения принимаемой информации средствами ШРД. Это подтверждают и результаты экспериментальных исследований, которые показали, что источники СКИ ЭМИ, при сравнительно небольших напряженностях электромагнитного поля, способны оказывать воздействия на средства ШРД, приводящие к нарушению целостности передаваемой информации вплоть до полной ее потери.

Так, на сегодняшний день, несколькими научными школами, возглавляемыми российскими (Ю.В. Парфеновым, Н.В. Балюком, К.Ю. Сахаровым, Т.Р. Газизовым) и зарубежными (W. Radasky, С. Baum, D. Nitsch, М. Ianoz, 1. Kohlberg, F. Sabath,) учеными, проведено значительное количество исследований, подтверждающих, что с помощью генераторов СКИ ЭМИ, инжектирующих тем или иным способом импульсы напряжения в физическую среду передачи информации, можно воздействовать на обмен данными по сети между оконечными устройствами. При этом, существующими средствами диагностики факт такого воздействия может не определяться, так как сетевое соединение при этом не разрушается.

Определенные успехи были достигнуты в решении задач анализа стойкости структурно-сложных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета наведенных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах. Большой вклад в решение этой проблемы внесли советские и российские ученые: Кечиев Л.Н., Соколов A.A., Мырова J1.0., Комягин С.И., Крохалев Д.И., а также научные коллективы ФГУ 12 ЦНИИ МО, ОАО «МНИРТИ», ФГУП «ВНИИОФИ», МИЭМ, ОАО «НИИ «АРГОН», ОИВТ РАН, ФГУП «ЦентрИнформ», НИИПП, ГНИИИ ПТЗИ.

В тоже время вопросы воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД мало исследованы и нет достоверной информации по механизму воздействия СКИ ЭМИ на широкополосные средства радиосвязи. Существующие системы защиты беспроводных каналов связи в условиях этого воздействия, в основном, заключаются в смене типа модуляции, снижения скорости передаваемой информации. Отсутствуют данные и по реакциям широкополосных средств беспроводной радиосвязи на воздействие СКИ ЭМИ с амплитудами, не приводящими к наведению токов в аппаратной части атакуемых устройств, поражающих элементную базу.

Данная работа призвана восполнить отмеченный пробел, так как посвящена решению актуальной научной задачи, имеющей важное хозяйственное значение, а именно, разработке метода оценки степени влияния характеристик СКИ ЭМИ на устойчивое функционирование широкополосных средств радиодоступа с определением механизма влияния, и критериальных параметров влияния.

В связи с этим особенно актуальным является проведение расчетных и экспериментальных исследований воздействия СКИ ЭМИ на широкополосные средства радиосвязи для реализации перспективных эффективных мер таких как, например, выявление возможности повышения эффективности такого воздействия без увеличения амплитудных характеристик воздействующего поля путем выявления зависимости снижения устойчивого функционирования исследуемых устройств от изменения временных параметров воздействующего СКИ ЭМИ.

Особую актуальность данная проблема приобретает еще и в связи с принятием нового поколения национальных и международных стандартов по электромагнитным явлениям и разработкой новых типов источников электромагнитной энергии, которые характеризуются более высокими амплитудными значениями и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундной и субнаносекундной областях. Это и определило важность и практическую значимость решаемой в диссертации научно-технической задачи.

Целью диссертационной работы является разработка метода оценки помехоустойчивости средств ШРД к воздействию СКИ ЭМИ на основе исследования механизма влияния временных параметров последовательности СКИ ЭМИ на устойчивое функционирование ШРД.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

1. Анализ состояния проблемы обеспечения устойчивого функционирования средств ШРД в условиях воздействия преднамеренных импульсных ЭМВ.

2. Анализ современных средств ШРД, как объекта подверженного воздействию СКИ ЭМИ, и применяемых в них видов модуляции сигнала.

3. Анализ основных видов источников генерации СКИ ЭМИ и параметров генерируемого излучения.

4. Определение механизма воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД.

5. Разработка алгоритма управления многоканальным источником излучения для формирования последовательности импульсов СКИ ЭМИ, обеспечивающей эффективное воздействие на средства ШРД.

6. Разработка метода формирования последовательности импульсов СКИ ЭМИ, обеспечивающей эффективное воздействие на средства ШРД.

7. Разработка критериев эффективности воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД.

8. Разработка методики экспериментальных исследований воздействия последовательности импульсов СКИ ЭМИ для анализа изменений потока обмена данными, происходящих между средствами ШРД при воздействии СКИ ЭМИ.

9. Разработка рекомендаций для повышения эффективности воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД.

Методы исследований

Решение поставленных в диссертации задач выполнено на основе теории системного анализа, теории электромагнетизма, теории цепей и методов экспериментальных исследований, информационного и компьютерного моделирования с использованием новых информационных технологий получения знаний об объекте исследования.

Научная новизна полученных результатов

• Разработан метод оценки помехоустойчивости средств ШРД к воздействию СКИ ЭМИ, учитывающий мощностные характеристики СКИ ЭМИ и отличающийся учетом характера последовательности и временных характеристик СКИ ЭМИ.

• Разработан метод генерации последовательности импульсов СКИ ЭМИ, обеспечивающий эффективное воздействие на средства ШРД, отличающийся формированием пакетов импульсов с интервалами соизмеримыми с периодом центральной несущей частоты полезного сигнала.

• Разработан алгоритм управления комплекса воздействия СКИ ЭМИ (КВ СКИ ЭМИ) для формирования последовательности импульсов СКИ ЭМИ, обеспечивающий эффективное воздействие на средства ШРД.

• Разработаны критерии эффективного воздействия СКИ ЭМИ на средства широкополосного радиодоступа, позволяющие прогнозировать устойчивость такого класса систем при воздействиях СКИ ЭМИ с целью использования при разработке перспективных помехоустойчивых систем связи.

Положения, выносимые на защиту

• Метод оценки помехоустойчивости средств ШРД к воздействию СКИ ЭМИ реализуется через отношение плотностей энергий, с учетом вида воздействующей последовательности, а так же мощностных, спектральных и временных характеристик СКИ ЭМИ.

• Метод эффективного воздействия СКИ ЭМИ обеспечивается за счет формирования последовательности пакетов импульсов с частотой следования не меньшей символьной скорости модуляции и с интервалом между импульсами в пакете соизмеримым с периодом несущей частоты.

• Алгоритм управления многоканальным источником СКИ ЭМИ должен обеспечивать формирование пакетов импульсов и расширение диапазона частоты следования импульсов СКИ на основе адресного использования ресурсов комплекса с формированием матрицы задержек.

• Методика экспериментальных исследований воздействия последовательности импульсов СКИ ЭМИ на средства связи предусматривает исследования влияния пакетов импульсов СКИ ЭМИ и влияния импульсов, следующих с определенной частотой повторения.

Практическая значимость

Реализация результатов данной работы позволит:

- повысить показатели эффективности воздействия СКИ ЭМИ на ШРД;

- производить оценку и управлять уязвимостью средств широкополосной радиосвязи СКИ ЭМИ при известных параметрах воздействующего поля;

- разрабатывать рекомендации для повышения устойчивости перспективных средств Т11РД к воздействию СКИ ЭМИ.

Результаты исследований планируется использовать при разработке новых эффективных средств воздействия СКИ ЭМИ, а также при создании перспективных помехоустойчивых средств широкополосного радиодоступа.

Степень достоверности

Достоверность полученных автором научных и практических результатов определяется:

- корректностью используемых опубликованных математических выводов и моделей;

- согласованностью полученных расчетных и экспериментальных данных, а также с результатами, опубликованными в отечественной и зарубежной печати;

- внедрением разработанных методов в научную и производственную деятельность предприятий отрасли;

- апробацией результатов исследований автора на международных, всероссийских и ведомственных научно-технических конференциях.

Апробация результатов работы

Основные теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на 4 Международных и Всероссийских НТК:

• 8-я международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, технике и образовании». - Абхазия, 17-29 сентября, 2012.

• 6-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь». - Москва, 19-22 ноября 2012.

• «XI межотраслевая научно-техническая конференция по радиационной стойкости». - Москва, 18-20 февраля 2015.

• «Ежегодная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Армейского». - МИЭМ НИУ ВШЭ, 3-13 февраля, 2015.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 32 рисунка. Список литературы включает 88 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цель работы, основные задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и достоверность полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы по исследованию воздействия на средства ШРД преднамеренных электромагнитных волн различного происхождения, который показал, что сегодня во всем мире идет поиск и освоение новых источников электромагнитной энергии сверхкороткой длительности и большой энергии. В частности, в последние годы в США, РФ и других ядерных странах развернулись исследования по созданию оружия, основанного на принципах излучения СКИ ЭМИ большой мощности.

Проведенный анализ показал также, что мировая общественность озабочена опасным влиянием этих мощных СКИ ЭМИ на все виды радиоэлектронного оборудования, в том числе и ШРД. Для этого в работе проведен анализ особенностей воздействия СКИ ЭМИ на элементы ШРД, который показал, что широкопо-лосность и высокая частота повторения СКИ ЭМИ делают этот вид ЭМВ значительно опаснее воздействия ЭМИ ЯВ. Соизмеримость длительности воздействующих импульсов с длительностью рабочих импульсов при обработке цифровой информации часто приводит не к физическому разрушению элементной базы и каналов связи, а нарушению логической целостности информации, передаваемой по линиям связи и обрабатываемой вычислительными средствами.

Проведен анализ существующих методов оценки устойчивости информационных средств к воздействию СКИ ЭМИ, который показал, что наряду со значительными достижениями существующие методы не позволяют проводить достоверную оценку воздействия ЭМИ на ШРД. В частности: в настоящее время разработаны и применяются методы оценок, позволяющие рассчитывать токи и напряжения, наводимые электромагнитными излучениями в микро и миллисе-кундном временном диапазоне в кабельных линиях. В связи с этим особую актуальность приобрели вопросы, связанные с оценкой устойчивости систем ШРД к поражающим субнаносекундным ЭМИ перспективных генераторов с учетом целого ряда влияющих факторов. Решение этих задач методами математического моделирования сегодня не представляется возможным, ввиду отсутствия соответ-

ствующего математического аппарата. Анализ численных методов решения таких задач показывает невозможность получения достоверных расчетных результатов имеющимися методами.

На основе результатов анализа состояния проблемы оценки устойчивости ШРД к воздействию СКИ ЭМИ можно констатировать, что существующие методы априорной оценки устойчивости к воздействию СК ЭМИ носят общий постановочный характер или позволяют провести, в лучшем случае, только ориентировочные оценки.

Проведенный анализ методов экспериментальной оценки показал, что определенные достижения в области воспроизведения параметров СКИ ЭМИ имеются, но они не позволяют оценить эффективность влияния последовательности СКИ ЭМИ на средства ШРД. Кроме того, информация по экспериментальным исследованиям критериев поражения ШРД, эффектов и физических механизмов поражающего действия преднамеренных СКИ ЭМП на функционирование ШРД в открытой литературе практически отсутствует.

Таким образом, анализ состояния обозначенной проблемы показывает, что, несмотря на достигнутые результаты в исследованиях устойчивости ШРД к воздействию СКИ ЭМИ, эта большая научно-техническая задача, требующая пересмотра традиционных подходов к обеспечению их устойчивости к воздействию СКИ ЭМИ на основе анализа механизма влияния временных параметров последовательности СКИ ЭМИ на устойчивое функционирование ШРД.

Во второй главе проведен анализ методов и типов модуляции, применяемых в распространенных средствах ШРД, который выявил взаимосвязь временных параметров воздействующей последовательности импульсов СКИ ЭМИ на средства ШРД и степени ее влияния. При этом показано, что устойчивость ШРД к воздействию СКИ ЭМИ зависит от видов модуляций, используемых в этих системах, и высокая степень влияния будет наблюдаться при максимальном перекрытии количества периодов на несущей частоте, приходящихся на один передаваемый символ полезного сигнала.

Проведен анализ механизма воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД, использующие различные типы модуляций. Графически, влияние одиночного импульса СКИ ЭМИ на поднесущую частоту, промодулированную с высокой символьной скоростью по типу ВРБК, вМБК изображено на рисунке 1, где: а - им-

пульс СКИ ЭМИ; б - полезный сигнал; в - модулированный полезный сигнал; г-результирующий сигнал; д - сигнал на выходе демодулятора.

Несложно сделать вывод, что при соизмеримой частоте следования импульсов СКИ ЭМИ с символьной скоростью модуляции на поднесущей частоте, таких ошибочно принятых фаз может быть больше. Другие модуляции типа РБК будут менее стойкими к СКИ ЭМИ за счет большего количества состояний модулированного сигнала и дополнительного применения амплитудной модуляции, как, например, в ОАМ-16. Следует так же отметить, что при модуляции поднесущих частот с низкой символьной скоростью вероятность демодуляции ложного символа будет так же снижаться. Для повышения степени влияния, в этом случае, следует увеличивать количество импульсов СКИ ЭМИ приходящихся на один символ полезного сигнала.

Также в работе предложен критерий экспериментальной оценки изменения эффективности воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД, в качестве которой принято считать количество потерянных пакетов средством ШРД при воздействии СКИ ЭМИ, заключающийся в сравнении количества потерянных пакетов средства ШРД при различных временных параметрах воздействующей

Лив-'

ИШЬ-

—---». t

ВРБК

Рисунок 1 - Влияние импульса СКИ ЭМИ при различных модуляциях

последовательности импульсов СКИ ЭМИ.

-> *

б)

шшт-

А)

бМБК

В общем виде формула оценки изменения эффективности имеет вид:

Есгсн = ЛГИЗМ - N6 аз, (1),

где Л'баз - процент потерянных пакетов при воздействии базовой последовательностью; Л^м - процент потерянных пакетов при воздействии измененной последовательностью импульсов. Еатн может принимать значения от 0 до 100.

В работе также проведено обоснование критериальных параметров СКИ ЭМИ, влияющих на эффективность воздействия, и на основании исследования выделены следующие критериальные параметры, рисунок 2:

1) период следования импульсов (пакетов импульсов), Т;

2) количество импульсов в пакете,

3) интервал между импульсами в пакете,

4) длительность сверхкороткого импульса т.

Е ж

м

12 N 12 N 12 N

Рисунок 2 - Параметры последовательности импульсов СКИ ЭМИ

Кроме того, приведена схема влияния последовательности СКИ ЭМИ на сигналы широкополосной радиосвязи, изображенная на рисунке 3, которая показывает, что длительность СКИ ЭМИ т влияет на ширину спектра помехи, что приводит к перекрытию несущих (поднесущих) частот полезного сигнала, частота следования пакетов сверхкоротких электромагнитных импульсов 1 /Т имитирует символьную скорость передачи информации полезного сигнала_/сш«, а временные интервалы Дг между импульсами в пакете влияют на состояние модулированного сигнала, точнее на состояние несущей частоты в момент прохождения символа (фаза, амплитуда...).

Рисунок 3 - Схема влияния параметров последовательности импульсов СКИ ЭМИ В результате проведенных исследований в главе 2 разработан метод оценки степени влияния СКИ ЭМИ на средства ШРД. При этом установлено, что данная степень может быть оценена только при учете совокупности ряда параметров сигналов СКИ ЭМИ и полезного сигнала. Традиционные методы оценки степени влияния, учитывающие соотношение мощностных параметров, не будут отражать полной картины, т.к. нет учета временных и спектральных параметров. Для этого проведена оценка энергетических характеристик СКИ ЭМИ поля на расстоянии от станции.

Формула расчета спектральной плотности энергии СКИ ЭМИ с учетом преобразований вектора Умова-Пойнтинга и временных характеристик последовательности СКИ ЭМИ принимает вид:

= Е2тМ/„и с™ А/120л- (2) где: Д/- ширина спектра, Е- напряженность СКИ ЭМИ поля. Данная формула учитывает спектральные, амплитудные, и временные характеристики последовательности СКИ ЭМИ, что позволяет проводить более сообразную оценку степени влияния на средство ШРД, сравнивая данный параметр с этим же параметром средства ШРД. Напряженность электрического поля на расстоянии г от источника излучения равна:

„ л/ЖРС

В технике СКИ ЭМИ вводят энергопотенциал средства излучения СКИ ЭМИ РОМ= ТзоРв , так что

Р =-ÎOSL (6)

r r

Eq-FOM (Field On Metre), где FOM можно определить, как напряженность электрического поля на расстоянии г = 1м от источника излучения, т.е. как напряженность электрического поля в месте расположения источника излучения Ео. Спектральная плотность мощности СКИ ЭМИ при этом будет равна:

FOM2 ски ~ г2А/120тс

Таким образом, зная FOM и временные параметры последовательности KB СКИ ЭМИ можем вычислить спектральную плотность энергии СКИ ЭМИ на расстоянии г:

FOM2zNf _J_a

ски г2д/120л-Оценка спектральной плотности мощности (она же энергия) полезного сигнала проводится:

PG

Р =-=- (7)

ист 4яг >

ист ист

Для более детального сопоставления помехи с полезным сигналом необходимо оперировать величинами спектральной плотности энергии, учитывающими усредненную временную заполненность.

Таким образом, введя параметр Кэнс„, отражающий отношение спектральных плотностей энергии воздействующего СКИ ЭМИ и полезного сигнала, мы можем оценить степень влияния:

Кэнсп ~Рски /Рист

(8)

Если рассматривать влияние пакетов СКИ ЭМИ импульсов с учетом временной заполненности, то следует учитывать количество импульсов СКИ ЭМИ, приходящихся на один символ по отношению к количеству периодов несущей частоты на один символ, таким образом, получаем оценку влияния по временной заполненности:

N f +f

g _ ски симв ски . .

пакет f W

нес

Из (6),(9) следует, что при таком рассмотрении, при соизмеримых частоте следования импульсов СКИ ЭМИ и символьной скорости модуляции, формирование пакетов импульсов, либо кратное увеличение частоты следования импульсов СКИ ЭМИ будут давать примерно одинаковый эффект.

С учетом (6), (7), (8), принимая Af=l/x получаем степень влияния:

[fOM г Л n f Af

g _ист > ски ски Jucm qq\

зпсп зо PGr2CKu

При формировании пакета СКИ ЭМИ импульсов с межимпульсным интервалом At, соизмеримым с периодом несущей частоты, происходит несколько другой механизм восприятия импульсов СКИ ЭМИ. Дело в том, что приемное устройство может воспринять такой пакет, как фрагмент несущей частоты, при этом амплитуда возмущения в приемном тракте будет большей, чем в случае при одиночном импульсе, где большей частью воспринимается его спектральная составляющая.

Приблизительную оценку степени влияния комплекса СКИ ЭМИ с At ~ И/нес, следует оценивать исходя из (10), без учета ширины спектров:

r (FOM rucJTNCKufCKV

К-~ ЗОРСГ*™ (11)

В третьей главе проводится анализ выбранной для исследования широкополосной системы беспроводного доступа стандарта IEEE 802.16. В состав системы входят базовые и абонентские станции, комплектующиеся антеннами разной диаграммы направленности. В данной системе используется распространенная цифровая модуляция OFDM с применением временного разделения прямого и обратного канала, и решений обеспечивающих мобильность связи.

Для проведения анализа показана необходимость определения символьной скорости модуляции поднесущих частот ШРД, которая определяется:

/с = * , (12) с п* N

ист

где R - валовой битрейт, NUCm - количество поднесущих частот, п - количество бит на символ.

В главе также приводится характеристики разработанного в ОАО «МНИР-ТИ» с участием автора KB СКИ ЭМИ. Данный комплекс является многоканальным, в котором излучающая система с изменяемыми параметрами формирует в

пространстве направленное СКИ ЭМИ. Особенностью данной системы является гибкость управления с возможностями изменения напряженности излучаемого СКИ ЭМИ, синхронизации всех каналов, формирования задержек между каналами и группами каналов. В комплексе реализовано 64 независимых излучающих канала, которые могут генерировать импульсы как синхронно, так и по выставленным оператором правилам. При включении всех каналов одновременно, при их синхронизации происходит пространственное сложение напряженности поля. Имеется возможность увеличения частоты следования импульсов за счет последовательного включения групп модулей, при этом напряженность поля в заданной точке уменьшается в пропорциональное количество этих групп, а частота следования увеличится во столько же раз. Таким образом, частота повторения /результ импульсов при последовательном включении модулей рассчитывается по формуле (12):

/результ /'след, (13)

где Ым - число синхронизированных групп модулей,/сяед - частота следования, задаваемая системой управления. При этом, РОМ комплекса рассчиты-

вается по формуле:

РОМ

результ.

= РОМ64/ям

(14)

где РОМ64 показатель энергетического потенциала комплекса КВ СКИ при синхронном включении всех 64 модулей.

На рисунках 4 и 5 изображены единичный антенный модуль комплекса и сборка из 64 единичных антенных модулей.

Рисунок 4 - Единичный антенный модуль

Рисунок 5 - Сборка из 64 единичных антенных модулей

В работе предложен метод, обеспечивающий эффективное воздействие СКИ ЭМИ на средства ШРД, на основе выбора параметров последовательности импульсов.

С учетом изложенного разработан алгоритм формирования последовательности импульсов СКИ ЭМИ, обеспечивающей его эффективное воздействие. Алгоритм применим к рассматриваемому в данной работе комплексу СКИ ЭМИ, содержащий 64 канала излучения. Алгоритм отражает принцип управления рассматриваемым комплексом СКИ ЭМИ в целях генерации последовательности импульсов СКИ ЭМИ для эффективного воздействия на средства ШРД. Определен механизм гибкого использования многоканального ресурса комплекса, начиная от приоритета с высокой заполненностью импульсов СКИ ЭМИ во временной области до приоритета высокой импульсной мощности. Определен механизм оценки напряженности поля на расстоянии от комплекса СКИ ЭМИ. Алгоритм может применяться оператором для выставления задающих параметров работы комплекса вручную, а также для перспективной разработки программной оболочки управления комплексом.

Расчет требуемых параметров СКИ ЭМИ

1< fated <800МГц 1.5< FOMmp<\QQvB

Входные данные, характеристики ШРД расстояния

/след, FOMmp

I

Т

Нет

F0Mpe3 = IOOkB/Ncku

Ncku= п {след - {ген

Уменьшить количество Разрешение на Ncku (пакета реж.), ли- запуск

бо частоту /след (б.п.)

Параметры и, At, /ген, FOMpe3

б)

Рисунок 6 - Блок схема алгоритма, а - обработка данных, б - формирование пакетов

Алгоритм предусматривает обработку первичных данных, включающих характеристики ШРД, расстояния между средствами ШРД, средством ШРД и комплексом излучения, рисунок 6а. На выходе обработки первичных данных формируются требуемые параметры СКИ ЭМИ поля. Требуемые параметры СКИ ЭМИ поля обрабатываются алгоритмом формирования задающих параметров для комплекса, рисунок 66, рисунок 7, в зависимости от характера требуемой последовательности.

Рисунок 7 - Блок схема алгоритма ветви формирования частоты излучения

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям.

Целью эксперимента является определение и сопоставление степени влияния последовательности СКИ ЭМИ на средство ШРД и других типов связи с учетом изменения временных параметров следования импульсов при неизменных энергетических характеристиках поля СКИ ЭМИ, таблица 1.

Оценка воздействия СКИ ЭМИ предусматривает определение зависимости изменения рабочих характеристик исследуемых объектов от характеристик воздействующего поля и определение критических параметров излучения.

Система диагностики включает в себя средство измерения уровней СКИ ЭМИ поля, средства оценки относительных показателей функционирования исследуемых устройств, средства обработки результатов, средства управления комплексом воздействия СКИ ЭМИ поля, защиту от воздействия СКИ ЭМИ поля.

Таблица 1- Результаты экспериментальных исследований

Эксперимент № 1

FOM, В fCKU. МГц Геки, м f ист, м

1500 1 15 30

Исследуемое средство Характер влияния, процент потерянных пакетов, (скорость канала связи)

Воздействие с fcKU Воздействие с 2 /ски Воздействие с NcKii=2,At ~ 11 fries

ШРД DECT FM (F3E) 0%, (36Мбит/с ) Блокирование Легкий шум 0%, (36Мбит/с) Блокирование Легкий шум 10%,(24Мбит/с) Блокирование Блокирование

Эксперимент № 2

FOM, В fcm МГц f еки, M f ист, M

1500 1 30 30

Исследуемое средство Характер влияния, процент потерянных пакетов, (скорость канала связи)

Воздействие с fCKU Воздействие с 2 /ски Воздействие с Ncku=2,Ai ~ \lfnes

ШРД DECT FM (F3E) 0%, (36Мбит/с ) Нет Легкий шум 0%, (36Мбит/с) Нестабильность Легкий шум 0%,(36Мбит/с) Блокирование Блокирование

Средством измерения СКИ ЭМИ поля служит преобразователь напряженности импульсного электрического поля измерительный ИППЛ-Л с линией связи в комплекте и осциллограф цифровой с диапазоном измерения не ниже 13ГГц.

Объекты испытаний: средство ШРД стандарта IEEE 802.16 (2,4 ГГц, 21 дБм),беспроводной телефон стандарта DECT (1,9 ГГц, 10 мВт), портативная ра-

диостанция РМ (433МГц, 0,5 Вт). Целью испытаний является оценка степени влияния последовательности СКИ ЭМИ на объекты испытаний. Задачи испытаний - определение влияния характеристик последовательности СКИ ЭМИ на изменение параметров функционирования объектов испытаний с целью формирования эффективной последовательности СКИ ЭМИ. Для проведения испытаний в качестве генератора СКИ ЭМИ использовался КВ СКИ ЭМИ.

Для сопоставления результатов экспериментов произведены расчеты с использованием формул (10), (11). Результаты представлены, как зависимости степени влияния К от расстояния между КВ СКИ ЭМИ и исследуемым устройством при оценке, с учетом в расчетах коэффициента блокирования по мощности принимается полное блокирование канала передачи данных при К > 1. Результаты представлены на рисунках 8,9,10.

Kl(rski)

а)

б)

Рисунок 8 - Расчетная оценка зависимости степени влиняния СКИ ЭМИ на средство ШРД от расстояния КВ СКИ ЭМИ до исследуемого устройства, при тех же параметрах эксперимента №1, а - воздействие 2/ски, б - воздействие с Ncku=2,Aí ~ Мfnes

5

Kl(rski) 0

Kl(rski)

О 20 40 60 SO 100 0 rski 100

а)

б)

Рисунок 9 - Расчетная оценка зависимости степени влияния СКИ ЭМИ на б/т DECT от расстояния КВ СКИ ЭМИ до исследуемого устройства, при тех же

параметрах эксперимента №1, а - воздействие 2 /ски, б - воздействие с Л?ск!/=2,Д/ = \Zfnes

а) б)

Рисунок 10 - Расчетная оценка зависимости степени влиняния СКИ ЭМИ на р/с РМ от расстояния КВ СКИ ЭМИ до исследуемого устройства, при тех же параметрах эксперимента №1, а - воздействие 2 /ски, б - воздействие с

2,А1 ~ \lfnes

Проведенный анализ полученных характеристик показал следующее:

- воздействие пакетами импульсов СКИ ЭМИ, при расстояниях между импульсами в пакете, соизмеримыми с периодом несущей частоты, является наиболее эффективным;

- при изменении РОМ, с учетом сохранения выбранной степени влияния, расстояние дальности действия СКИ ЭМИ будет меняться пропорционально.

- при изменении Иски, /скш расстояние дальности действия будет пропорционально корню этих величин.

На основании полученных результатов установлено, что для повышения эффективности воздействия последовательностью СКИ ЭМИ на средства 1ПРД необходимо формировать пакеты импульсов с величиной задержки между импульсами соизмеримой с периодом центральной несущей частоты. Это обеспечит прохождение создаваемых наводок в антенне в приемные тракты устройств, что может привести к блокированию по мощности. Частота следования пакетов будет влиять на перекрытие во времени. Число импульсов в пакете будет определять имитацию несущей частоты.

Основные результаты работы

Основным результатом, определяющим научную и практическую значимость работы, является решение задачи повышения эффективности воздействия

СКИ ЭМИ на средства ШРД путем разработки метода оценки помехоустойчивости средств широкополосного радиодоступа к воздействию СКИ ЭМИ на основе анализа механизма влияния временных параметров последовательности СКИ ЭМИ на устойчивое функционирование ШРД.

В результате решения поставленных задач получены следующие результаты, определяющие научную и практическую значимость работы:

1. Проведен аналитический обзор исследований по теме диссертации, выполненных ранее отечественными и зарубежными авторами, показавший, что существует потенциальная угроза проведения поражающих электромагнитных атак с использованием источников СК ЭМИ. В связи с этим в России и за рубежом ведется активная деятельность по разработке стандартов и рекомендаций по защите информационных и телекоммуникационных объектов от СКИ ЭМИ.

2. Проведен обзор методов и средств оценки влияния СКИ ЭМИ на информационные и телекоммуникационные системы, в том числе средства ШРД, который показал, что существующие методы априорной оценки их устойчивости к воздействию СКИ ЭМИ в основном носят общий постановочный характер или недостоверны из-за несовершенства имеющегося математического аппарата.

Кроме того, обзор показал, наличие результатов исследований по критическим значениям напряженности электрического поля и частоты повторения импульсов СКИ ЭМИ, приводящих к обратимым и необратимым отказам аппаратной части различных радиоэлектронных средств, но при этом отсутствие результатов по исследованию влияния временных параметров последовательности импульсов СКИ ЭМИ на средства ШРД.

3. Проведен анализ характеристик средства ШРД и многоканального КВ СКИ ЭМИ, позволяющий определить механизм влияния последовательности СКИ ЭМИ на средства ШРД и другие типы радиосвязи с учетом неизменных энергетических характеристик поля СКИ ЭМИ при изменении временных параметров следования импульсов.

4. Проведен сравнительный анализ построения беспроводных широкополосных сетей различных масштабов, который позволил выявить схожесть используемых видов модуляции, что обуславливает идентичность механизмов воздействия СКИ ЭМИ на различные средства ШРД.

5. Разработан метод оценки степени влияния СКИ ЭМИ на основе анализа механизма его воздействия на средства ШРД с учетом их мощностных характеристик, вида воздействующей последовательности, спектральных и временных характеристик, позволяющий рассчитать необходимую величину энергопотенциала КВ СКИ ЭМИ и временные характеристики последовательности СКИ ЭМИ, обеспечивающие эффективное воздействие на требуемом расстоянии.

Получены расчетные формулы, позволяющие оценить степень влияния последовательности СКИ ЭМИ на средства ШРД.

6. Проведена оценка влияния СКИ ЭМИ на средство ШРД при различной символьной скорости модуляции несущей частоты. Показано, что для управления степенью влияния на средство ШРД необходимо оперировать частотой следования пакетов импульсов СКИ ЭМИ и межимпульсным интервалом.

7. Разработан алгоритм управления многоканальным КВ СКИ ЭМИ, расширяющий возможности данного комплекса в части формирования пакетов импульсов СКИ ЭМИ и увеличения диапазона частоты повторения импульсов путем адресного использования ресурсов комплекса с расчетом матрицы задержек. Алгоритм позволяет проводить исследования влияния последовательности импульсов СКИ ЭМИ в широком диапазоне изменяемых временных характеристик последовательности импульсов.

8. Разработан метод генерации последовательности импульсов СКИ ЭМИ, обеспечивающий эффективное воздействие на средства ШРД, отличающийся формированием пакетов импульсов с интервалами, соизмеримыми с периодом центральной несущей частоты полезного сигнала, и частотой следования пакетов не меньшей символьной скорости модуляции несущей частоты.

9. Разработана методика проведения экспериментальных исследований воздействия преднамеренных СК ЭМИ на средство ШРД, позволяющая формировать программу проведения испытаний и критерии оценки устойчивости с учетом требований к характеристикам различных излучателей воздействия.

10. Получены новые экспериментальные данные воздействия СКИ ЭМИ на различные средства ШРД, которые подтвердили большую эффективность воздействия пакетами импульсов СКИ ЭМИ при расстояниях между импульсами в пакете соизмеримыми с периодом несущей частоты, чем при воздействии простой последовательностью импульсов СКИ ЭМИ.

11. Результаты экспериментальных исследований на основе сравнительного анализа расчетных и экспериментальных значений формируемых уровней воздействующего СКИ ЭМИ, подтвердили достоверность и адекватность разработанных методов и алгоритмов.

12. Разработаны рекомендации для повышения эффективности воздействия СКИ ЭМИ на средства ШРД, состоящие в необходимости формировать пакеты импульсов с величиной задержки между импульсами, соизмеримой с периодом центральной несущей частоты.

13. Основные результаты диссертации реализованы в ОАО «МНИРТИ» в ходе выполнения ОКР «Вагон» и ОКР «Пинг» при непосредственном активном участии автора, а так же в ОАО «НИИ «АРГОН» при разработке перспективных бортовых систем управления устойчивых к воздействию СКИ ЭМИ.

Публикации. Научные и практические результаты отражены в 9 опубликованных работах по теме диссертации, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, включенных в Перечень ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Имеется 2 Заявки на получение патента на изобретение № 2015103784 от 05.02.2015 «Многоканальный комплекс воздействия сверхкороткоимпульсного электромагнитного излучения с высокой частотой повторения на наземные широкополосные линии радиосвязи», № 2015101351 от 20.01.2015 «Способ воздействия СК ЭМИ на средства широкополосной радиосвязи на основе формирования последовательности сверхкоротких электромагнитных импульсов».

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач, результаты моделирования устройств и частично их конструктивные решения, а также обобщение полученных результатов. Личный вклад в публикациях 2,25 п.л.

Работы, опубликованные автором в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Пименов П.Н. Развитие способов обеспечения помехоустойчивости электронно-вычислительных систем при воздействии сверхкоротких электромагнитных импульсов / П.Н. Пименов // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. - 2014. - № 1,2.-С. 103-104.-0,3 п.л.

2. Пименов П.Н. Сравнительный анализ влияния сверхкороткого электромагнитного импульса на узкополосные, широкополосные, сверхширокополосные системы радиосвязи / П.Н. Пименов // Технологии ЭМС. - 2015. - № 1(52). -С. 13-16.-0,5 п.л.

3. Пименов П.Н. Эффективность воздействия сверхкороткого электромагнитного импульса на широкополосные системы радиосвязи / П.Н. Пименов, Л.О. Мырова // Технологии ЭМС. - 2015. - № 1(52). - С. 17-20. - 0,5 п.л. - личный вклад 0,3п.л.

В других изданиях:

4. Пименов П.Н. Справочный модуль ИЭТ / B.C. Алтунин, П.Н. Пименов, Д.А. Поляков, В.В. Жаднов // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / под ред. A.B. Сарафанова - Красноярск: НИЦ КГТУ, 2000. — С. 246 -247. - 0,1. п.л. - личный вклад 0,05.

5. Пименов П.Н. Требования стандартов по параметрам мощных импульсных электромагнитных полей / П.Н. Пименов // Сборник научных трудов МИ-ЭМ / под ред. Л.Н. Кечиева. - 2008. - С. 9-12. - 0,2 п.л.

6. Пименов П.Н. Анализ видов электромагнитных воздействий на технические средства / П.Н. Пименов // Сборник научных трудов МИЭМ / под ред. Л.Н. Кечиева. - 2008. - С. 26-28. - 0,2 п.л.

7. Пименов П.Н. Технические решения по обеспечению помехоустойчивости аппаратуры к воздействию электромагнитных помех / П.Н. Пименов // Сборник научных трудов МИЭМ /под ред. Л.Н. Кечиева. - 2009. - С. 7-11. - 0,2 п.л.

8. Пименов П.Н. Анализ воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на каналы передачи данных бортовой системы управления современных беспилотных летательных аппаратов/ И.А. Фомина, Л.О. Мырова, Т.Л. Рязанов-ский, П.Н. Пименов // Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Труды Международной научной конференции. - МНК ИРЭМВ-2013, 23-28 июня 2013 года, Таганрог -Дивноморское. - С. 425-428 - 0,5 п.л. - личный вклад 0,2 п.л.

9. Пименов П.Н. Влияние последовательности сверхкоротких электромагнитных импульсов на широкополосные средства беспроводной передачи данных / П.Н Пименов // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Армейского. Материалы конференции. - М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2015. - С. 206 - 207. - 0,3 п.л.

Лицензия ЛР № 020832 от 15 октября 1993 г. Подписано в печать 2015г. Формат 60x84/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 110 экз. Заказ № Л?

Типография издательства НИУ ВШЭ 125319, г. Москва, Кочновский пр-д, д. 3