CC BY
196
Радиоэлектроника и системы связи
УДК 621.391
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ Д.В. Асотов, В.Б. Авдеев, В.А. Сладких, Б.В. Матвеев
Рассмотрена задача моделирования процессов распространения радиоволн в условиях плотной городской застройки (в зданиях и рядом с ними) с использованием программного продукта Wireless Insite. Представлены результаты решения указанной задачи в интересах оценки побочных электромагнитных излучений и радиоконтроля. Рассмотрен конкрентный практический пример
Ключевые слова: Wireless Insite, моделирование распространения радиоволн, побочные электромагнитные излучения
Введение
В последнее время всё большее число технических задач решаются с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР). Одна из задач, представляющая большой интерес - радиоконтроль побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ), которые могут использоваться для перехвата информации, обрабатываемой средствами электронной техники (СЭТ). Она сводится к моделированию процессов распространения электромагнитных волн внутри и вне здания.
Специфика указанной задачи обусловлена тремя факторами: 1) высокая сложность, 2) растущая актуальность, 3) потенциальная потребность в подобных решениях.
1. Численные методы электродинамики являются весьма ресурсоёмкими и требуют больших вычислительных ресурсов, поэтому они нуждаются в грамотной реализации и уместном применении.
2. Во время появления первых публикаций, рассматривающих проблему ПЭМИ [1], СЭТ были ещё слабо распространены, а необходимая аппаратура радиоконтроля требовала специального конструирования. В наши дни компьютеризация достигла достаточных масштабов. При этом даже современная энергосберегающая техника, не использующая высоких напряжений, не позволяет сама по себе решить проблему ПЭМИ и его радиоконтроля [2,11].
3. В настоящее время методики оценки излучений базируются на экспериментально-расчётных методах определения радиуса минимально допустимой контролируемой зоны И2 [3, с. 189-196]. Это приводит к тому, что необходимо проводить работы в пределах контролируемой территории с привлечением специалистов в данной области. Такой путь может быть нежелателен для структур и организаций, где не допустим открытый доступ, а использование асимптотических расчётных мето-
Асотов Дмитрий Валериевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-540-52-05.
Авдеев Владимир Борисович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-903-65-35-520.
Сладких Владимир Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-950-775-02-67.
Матвеев Борис Васильевич - ВГТУ, канд. техн. наук, тел. 8-960-138-45-61.
дов [3, с. 196-199] может дать недопустимо большую погрешность [4].
Цель данной статьи - продемонстрировать возможность оценки источников радиоизлучений через моделирование процессов распространения радиоволн в сложных условиях при помощи программы Wireless Insite.
Основные особенности программы Wireless Insite
Wireless Insite - программный продукт компании Remcom, предназначенный для анализа процессов распространения электромагнитных волн на больших (в электродинамическом смысле) расстояниях. Программа обладает уникальными возможностями по моделирования различных сред распространения и электродинамических процессов, протекающих в них [5-6]. Следует отметить её слабое распространение в России, вследствие чего, за исключением [7-8] отсутствует русскоязычная литература по данной САПР.
Геометрические модели пространства. Основой для проведения расчётов является трехмерная модель исследуемого пространства (рис. 1,2). В Wireless Insite предусмотрено 5 типов моделей пространства: город, план здания, объект, ландшафт и флора.
Рис. 1. Модель здания
Город представляет собой совокупность зданий и прочих структур. План здания - геометрическая модель расположения комнат, состоящих из стен пола и потолка, с дверьми и окнами. Объекты - любые предметы, которые могут повлиять на
расчёты, такие как мебель, офисное оборудование, транспорт, и т.д. Ландшафт - подкладку под всеми другими объектами в проекте. Флора - область на
ландшафте, покрытая растительностью.
12.
Модель пространства (Features)
ИГ
L-J
і Точки излучения
(Rx>
Выходные данные (Output)
і Точки контроля
шо
ж
Модель распространения
А - -
АЛ Сигналы (Waveforms)
Qwp Ttaedenan
4»ОВ в^ЮЭ
Рис. 2. Компоненты модели Wireless Insite
Встроенный редактор даёт возможность создавать и редактировать рельеф местности, планы городов и зданий, размещать на них объекты. Но зачастую модели можно импортировать из файлов цифровых географических карт, архитектурных и прочих САПР, предназначенных для моделирования трёхмерных объектов.
Модели пространства создаются инструментами редактирования Wireless Insite, или могут быть импортированы из файлов типа DXF, DTED и USGS. Они являются одной из наиболее важных составляющих. Точное воспроизведение геометрии зданий и повторение всех существенных деталей -первое условие получения адекватных результатов.
Второе условие - точное задание электродинамических характеристик материалов, образующих геометрию пространства. Применяемые для моделирования зданий материалы приведены в таблице 1 [5, с. 91-116]. Интересная особенность моделей строительных материалов в том, что одним из их свойств является толщина.
Точки излучения и контроля (приёмники и передатчики) - пространственное расположение излучающих и принимающих антенн с заданными свойствами пространственной избирательности (диаграммами направленности) и сигналами. Для удобства их можно задавать группами в виде геометрических фигур (линия, сетка, круг, ломаная линия). Информацию о параметрах поля можно снять только с контрольных точек.
Модели распространения радиоволн. Wire-
less Insite предоставляет пользователю возможность производить расчёты с моделями распространении радиоволн 3-х классов: лучевые, электродинамические, эмпирические. Но для моделирования поля внутри зданий доступны основанные на однородной теории дифракции [9,10] и геометрической оптике, лучевые модели Full 3D и X3D. Данные модели рассматривают дискретные лучи в качестве носителей поля. Расчёт начинается с определения всех траекторий, по которым испущенные лучи достигают точек приёма.
Таблица 1
Материалы для моделирования зданий
Название Тип Диэлектрческая проницаемость ь т о S я | в о £ Толщина, м
Бетонная стена нй ^ Д S ’§ [5 ч * се о ц U Л ои д R 2 15 0,015 0,3
Кирпичная стена 4
Зеркальное стекло 2,4 0 0,003
Внутренняя стена (слои 1,3) 2,8 0,001 0,013
Внутренняя стена (слой 2) 1 0 0,089
Для каждого луча определяются параметры поля, на основе которых рассчитываются выходные данные. Один из параметров - принимаемая мощность, определяемая формулой [5, с. 251]:
(1)
где X - длина волны, щ0 - характеристическое сопротивление свободного пространства 120%, Ыр-число принимаемых в данной точке лучей, g(в, ф) -диаграмма направленности приёмной антенны, в -коэффициент перекрытия по частоте излученного сигнала и сигнала в контрольной точке:
Р = ^ Л!-¥Вт!1 -.......... ' (2)
где /т и Вт - центральная частота и ширина спектра излученного сигнала, Бтф и Бкф - спектральные плотности излученного сигнала и сигнала в контрольной точке.
Пример расчета
Проведем расчет уровней радиоизлучений в пределах 2х соседних зданий и между ними. Для этого создадим пространственную модель двух зданий с высотой потолков 3 метра, бетонными полом и стенами, стеклянными окнами и деревянными дверьми, с плоской крышей. Между зданиями расположена только плоская бетонная поверхность. Область расчётов является прямоугольным параллелепипедом, включающим в себя оба здания
и воздушное пространство между ними (рис. 3 -вид сверху).
Далее добавим в модель источник излучения и контрольные точки. Источник излучения является идеальным формирователем гармонического сигнала с частотой 450 МГ ц (типовая частота диапазона ПЭМИ) идеально согласованного с короткой дипольной антенной, расположенной на высоте 1,5 м над полом. Этот диполь моделирует реальный излучатель, которым может являться антенна, разъём кабеля или дорожка на плате СЭТ. Для анализа излучаемого поля создадим наборы изотропных контрольных точек, моделирующих приёмник ПЭМИ, размещённых: на сетке, вдоль линии.
Расчёт будем проводить с использованием модели Full 3D (Eigenray) Величина затухания, нормированная относительно излучаемой мощности (численно равна принимаемой мощности при излучении 1 мВт) на сетке контрольных точек, представлена на рис. 3а в виде цветовой диаграммы [6, с. 35]. Такие диаграммы полезны для отображения общей картины и позволяют понять пространственные зависимости параметров поля, пусть и не всегда дают возможность снять точные результаты.
Принимаемая мощность убывает с удалением от излучателя неравномерно. Присутствуют, пусть и незначительная, колебательная составляющая, обусловленная синфазным и противофазным приходом прямых и отражённых лучей в разные точки пространства.
Рис.3. Расчёт принимаемой мощности: а) без экранирующего листа, б) с экранирующим листом, в) шкала соотношения цвет-мощность с шагом 5 Ж для рис. а и б
На основе полученных данных примем условное решение: помещение не является защищённым от выхода из здания излучений. Предложим средство защиты - металлический экран, покрывающий всю внутреннюю поверхность фасадной стены здания и имеющего у стен пола и потолка по 15 сантиметров.
Расчёт показывает (см. рис. 3б), что экран значительно ослабляет поле за пределами здания, но при этом наблюдается его существенная неоднородность. Рассмотрим поведение поля при более точном, табличном способе представления данных.
Помимо диаграмм, которые дают наглядную картину, но не всегда позволяют снять точные значения, результаты расчёта могут быть представлены в виде графиков и таблиц [6, с. 28-31].
Таблица 2 Величина затухания для точек А, Б и В
А Б В
Без экрана, dB -18,2 -19,6 -24,0
С экраном, dB -33,5 -27,7 -40,2
Разность затухания, dB 15,3 8,1 16,2
Расстояние, м
Рис. 4. Коэффициент затухания для модели с экраном (1) и без (2)
Из рис. 4 видно, что установка экрана влияет на ослабление поля. До экрана изменения сводятся к появлению большого количества локальных минимумов и максимумов, но его среднее значение практически не меняется. В точке установки экрана происходит резкое падение уровня сигнала. При этом уровень принимаемой мощности снижается на 20 и более децибел вдоль всей траектории за исключением 3х участков. Минимальное значение падения мощности составляет 8,1 децибел, соответ-Воронежский государственный технический университет
ствует точке Б (табл. 2). Итог: применяемый экран не является надёжным средством от выхода излучения.
Заключение
Несмотря на то, что рассмотренный пример является достаточно конкретным, и не затрагивает вопросов нормирования ПЭМИ и требований к средствам защиты, он наглядно показывает возможность проведения необходимых расчетов для прогнозирования распространения радиоизлучения в конкретных ситуациях.
Статья написана при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №13-08-97538-р-центр-а.)
Литература
1. Wim van Eck: Electromagnetic Radiation from Video Display Units: An Eavesdropping Risk? Computers & Security vol 4. 1985. pp 269 - 286.
2. R.J. Anderson and M.G. Kuhn Soft Tempest. An Opportunity for NATO University of Cambridge, Computer Laboratory, New Museums Site, Pembroke Street, Cambridge CB2 3QG, United Kingdom URL: http://www.cl.cam.ac.uk/ ~rja14/Papers/nato-tempest.pdf
3. Бузов Г.А., Калинин С.В., Кондратьев А. В. Защита от утечки информации по техническим каналам: Учебное пособие. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. -416 е.: ил.
4. Авдеев В.Б., К расчёту уровней побочных электромагнитных излучений технических средств, входящих в состав ПК // Телекоммуникации - 2006. № 2. C. 40 - 43.
5. Remcom. Wireless Insite v. 2.6.3, Reference Manual, 384 pp.
6. Remcom. Wireless Insite v. 2.6.3, User’s Guide, 64
pp.
7. Банков С.Е., Курушин А.А., Расчет и моделирование распространения радиоволн в городской среде и пересеченной местности с помощью программы Wireless InSite. Электронная копия. Режим доступа: http//ipso.ioso.rudistance/Wireless_InsitE.hlm
8. Потапов Ю. Программное обеспечения для пла-
нирования радиосетей. Электронная копия статьи. декабрь 2002. Режим доступа:
http://www.eurointech.ru/EDA_Expert/.
9. C. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics. New York: Wiley, 1989.
10. J. B. Keller, “Geometrical theory of diffraction,” Journal of the Optical Society of America, vol. 52, pp. 116130, February 1962.
11. Сладких. В. А. Возможность разработки анализатора точек доступа WI-FI сетей для систем радиоконтроля на базе панорамного измерительного приемника Аргамак -ИС / В.А. Сладких, И.С. Мякинин, Б.В. Матвеев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. №1. С. 50-54.
SIMULATION IN CODITIONS OF CITY BUILDING RADIOWAVE PROPAGATION PROCESS
D.V. Asotov, V.B. Avdeev, V.A. Sladkih, B.V. Matveev
The problem of the automated mathematical modeling of processes of radiowaves propagation in the conditions of city building (in buildings and near them) is considered. The review of opportunities of the Wireless Insite software product is carried out. Results of the solution of the specified task in interests of an assessment of collateral electromagnetic radiations are presented. An example showing possibilities of the program, with the description of its structure and use of its terminologiya is reviewed
Key words: wireless insite, modelling of radiowave propagation processes, transient electromagnetic pulse emanation
