CC BY
22УДК 621.391.6
О применимости помех в сетях сотовой связи для создания защищённого канала связи
К. Н. Зотов, Р. Р. Жданов
Наиболее динамично развивающейся отраслью телекоммуникаций на сегодняшний день является сотовая связь различных стандартов. Сотовые системы изменяются с большой скоростью, производители оборудования вступили в гонку технологий. В данной статье рассматривается способ создания защищённого от несанкционированного доступа широкополосного канала сотовой связи в условиях реального времени и современного города. В связи с большим количеством абонентских устройств GSM, ежегодно продаваемых населению, возникает необходимость защиты канала связи на коротких расстояниях (в одном офисе, магазине, на торговым складах и т.д.) от случайных вмешательств или целенаправленной радиоэлектронной борьбы и промышленного шпионажа. Дешёвым и эффективным способом является создание защищённого канала связи путём внедрения генератора белого шума совместно с фильтром, выделяющим необходимую частоту под целый спектр эвристических критериев для решения реальных задач. Особенностью работы подобного устройства является то, что генерация белого шума происходит исключительно на заявленной территории без вредоносных помех населению.
Ключевые слова: генератор, белый шум, оптимальная фильтрация, защищённый канал сотовой связи, промышленный шпионаж.
1. Введение
В настоящее время ускоренно развиваются средства и системы передачи информации. И поэтому все более значимой становится проблема не только быстрого обмена информацией, но и обеспечение её конфиденциальности, целостности и доступности [1]. В данной статье рассматривается способ создания защищённого канала связи. Создание защищённого канала заключается в предотвращении несанкционированного доступа к информации, т.е. обеспечении конфиденциальности. Чаще всего для технического съёма информации используются мобильные телефоны или устройства, работающие на частотах сотовой связи [2].
Кроме того, бывают случаи, когда использование мобильных устройств запрещено, и тогда принимаются меры, чтобы заблокировать доступ к сети сотовой связи. Например, в медицинских учреждениях сотовый телефон может повлиять на работу медицинского оборудования, на экзаменах, проводимых в учебных заведениях - к необъективной оценке знаний учащихся, на политических мероприятиях (например, саммиты ШОС и БРИКС) - к краже информации или террористическим актам, в местах культуры и отдыха - к нарушению покоя окружающих.
Поэтому было принято решение провести анализ для самого распространённого диапазона сотовой связи - GSM.
В данной статье рассматривается уникальный, ранее не рассматриваемый метод создания защищённого канала радиосвязи. Для создания зоны, свободной от сотовой связи, используется подавитель сигналов. Такой подавитель создаёт так называемый купол из электромагнитных помех, препятствующий передаче данных внутри него. Тем самым создаётся сегмент
сети, обеспечивающий конфиденциальную передачу информации. Для создания защищённого канала связи по мобильному телефону в радиусе действия подавителя предполагается использовать узкополосный (заграждающий) фильтр [3], установленный в подавитель. При этом предполагается, что сведения о полосе заграждения известны только инициатору связи.
2. Постановка задачи
В данной задаче необходимо определиться с функциональными схемами и алгоритмами работы системы в реальных условиях. Первым устройством, используемым в схеме, является подавитель. Наиболее широко в таких подавителях используются генераторы помех с пилообразной перестройкой несущей частоты. Упрощённая схема такого генератора представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема подавителя средств сотовой связи
Генератор помех включает: высокочастотный генератор (ГВЧ) на базе управляемого напряжением генератора, генератор линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН), полосовой фильтр, усилитель мощности, согласующее устройство и антенну.
Частота излучения высокочастотного генератора изменяется при подаче управляющего напряжения в пределах заданной полосы частот ЛР = Р - Р (частотного диапазона соответствующего стандарта сотовой связи). Управляющее напряжение представляет собой последовательность пилообразных импульсов [4].
В большинстве случаев сотовая радиосвязь ведётся в отсутствие прямой видимости. В этих условиях может существовать более одного пути распространения радиоволн между базовой и мобильной станциями. Радиоволны приходят в точку приёма в результате многократного отражения от зданий и других объектов. Трасса распространения радиоволн, как правило, нестационарна, что связано либо с перемещением мобильной станции, либо с перемещением других подвижных объектов, например, автомобилей. Распространение радиоволн в подобных условиях характеризуется следующими основными эффектами: замираниями, связанными с многолучёвостью; затенением (или экранированием); временным рассеянием; доплеровским рассеянием и потерями при распространении. Использование подавителя в конкретно заданной точке пространства позволяет избежать нежелательных утечек переотраженных волн. Остаётся определиться только с мощностью подавителя и уровнем помехи. Излучаемая помеха должна быть выше сигнала в спектре по всем мощностным характеристикам.
Фильтр, следующий за генератором белого шума, должен отсекать одну несущую спектра, что позволит сохранить связь на одной конкретной (или нескольких, на усмотрение заказчика) частоте. Таким образом, в общем шуме на заданной территории будет работать лишь санкционированное устройство. При этом сеть связи в целом не страдает, так как глушится не сеть связи, а конкретное пространство в зоне покрытия сотовой связи, к которому применяются такие защитные действия.
3. Решение задачи
Сети сотовой связи занимают сравнительно небольшие полосы частот в двух (учитываются диапазоны, по которым производится приём сигнала базовой станции) разнесённых диапазонах, следовательно, полное зашумление всего радиодиапазона не требуется. Наиболее целесообразно сформировать шумовой сигнал ограниченной полосы и переменно переносить его в требуемые диапазоны зашумления сетей сотовой связи. Более того, каждый из интересующих поддиапазонов можно перекрыть шумовым сигналом не одновременно во всем частотном интервале, а последовательно, максимально быстро перестраивая частоту. На основании этих данных была предложена структурная схема устройства (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема генератора зашумления сетей сотовой связи
Базовый генератор производит сигнал, подаваемый на вход генератора, управляемого напряжением (ГУН), такой формы, чтобы полученный сигнал проходил заданный диапазон частот. Одновременная работа в двух заданных диапазонах (GSM-900: 860-960 МГц, GSM-1800: 1805-1880 МГц) обеспечивается путём применения двух ГУН и управление ими одним источником [5].
Также при работе базового генератора происходит зашумление этих диапазонов псевдослучайной последовательностью. Полученный сигнал усиливается высокочастотными усилителями и подаётся на антенны. Таким образом, обеспечивается излучение в пространство шумоподобного сигнала в диапазоне работы передатчика базовой станции сотовых сетей, а также достигается такое малое отношение сигнал/шум передатчика в месте приёма, при котором невозможна работа систем сотовой связи [6].
На рис. 3 представлен спектр генератора шума, снятый экспериментально в модульной платформе NI PXI. Из него видно, что подавитель работает с частотой 925-970 МГц и коэффициентом усиления 30 дБ, этого достаточно, чтобы сигнал GSM подавлялся полностью.
Рис. 3. Спектр генератора шума
4. Пример
Приведём результаты экспериментов. С помощью модульной платформы NI PXI исследован спектр шума EST-505A (заводской прибор производства Китай, имеющий 4 выходных каскада с зашумлением диапазонов CDMA 850-894 МГц, GSM 930-960 МГц, DCS/PHS 1805-1990 МГц, GSM 3G 2100-2200 МГц) в зависимости от расстояния на минимальной мощности подавителя.
Из-за того, что базовые станции сотовых операторов находятся на различных расстояниях от прибора, получим разный радиус подавления сигнала сотового телефона [7].
В ходе эксперимента выяснилось, что в данном месте базовая станция ПАО «МТС» находится ближе. Радиус защищённой зоны составил 5 метров, а для ПАО «МегаФон» -6 метров.
Результаты измерения мощности генерируемой помехи при отдалении от антенны в полосе частот GSM (925-965 МГц) представлены на рис. 4, 5.
Рис. 4. Спектр генерируемого шума вблизи антенны
Рис. 5. Спектр генерируемого шума на расстоянии 6 м от антенны
По данным экспериментальных таблицы была построена зависимость мощности сигнала и шума от расстояния (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость мощности сигнала и шума от расстояния
По данным графика можно сделать вывод, что c минимальной мощностью подавителя р
условие > 1 выполняется начиная с четырёх метров. На расстоянии больше четырёх мет-
рш
ров от подавителя сотовый телефон будет принимать и передавать сигнал. Результаты экспериментов разняться из-за переотражения сигнала в условиях города и параметров антенны, используемой для получения спектров.
Для синтеза генератора использовалась платформа Microwave Office. Необходимо синтезировать подавитель, ослабляющий сигнал GSM на частотах 935-960 МГц и создающий помехи с мощностью минус 40 дБ. Синтезированная для эксперимента схема и АЧХ смоделированного подавителя приведены на рис. 7, 8 соответственно.
Представленная схема позволяет поблочно представлять любой подавитель радиосигналов, а приведенная схема - моделировать и подбирать значения элементов для переноса шума по радиочастотной сетке.
Рис. 8. АЧХ синтезированного подавителя GSM-диапазона
Для создания защищённого канала связи в GSM-диапазоне необходимо наличие оптимального полосно-заграждающего фильтра, позволяющего нейтрализовать воздействие подавителя на сигнал в узкой полосе частот. Для достижения поставленной задачи нужен узкополосный режекторный фильтр, способный выделить 1 канал сотовой связи с шириной полосы 200 кГц.
Критерии оптимальности:
[Б > 200 (кГц) /о = 935.2 (МГц) 5 / N > 1
ф.загр
< -60 дБ
"ф.проп ^ -40 дБ
1) Ширина полосы режекции фильтра B.
Для работы системы была выбрана ширина полосы 1 канала GSM: 200 кГц.
2) Выберем частоты первого канала сигнала GSM: 935.1-935.3 МГц.
3) Отношение уровня сигнала к уровню шума больше 1.
4) Мощность фильтра должна быть больше мощности подавителя, чтобы полезный сигнал в виде первого канала GSM прошёл через шум, но оставил другие каналы под воздействием подавителя.
Фильтр должен быть достаточно мощным и узкополосным для создания защищённого канала. Для этого необходимо синтезировать фильтр на переключаемых конденсаторах с параллельным соединением. В основу взята аппроксимация по Чебышеву 2 рода 5 порядка. Необходимо синтезировать фильтр с полосой заграждения чуть больше 200 кГц с центральной частотой 935.2 МГц и ослаблением не меньше чем минус 60 дБ.
На рис. 9 отображён результат задания характеристик фильтра с ослаблением минус 60 дБ и полосой заграждения 935.1-935.3 МГц. Из рисунка видно, что условие полосы заграждения шириной 200 кГц не соблюдается.
Рис. 9. АЧХ фильтра
Поэтому необходимо найти такие значения частот и ослабления, которые будут соответствовать заданным требованиям.
Результаты моделирования представлены на рис. 10, 11.
Рис. 10. АЧХ синтезированного фильтра
Как видно из рис. 11, данный фильтр изменяет мощность подавителя до значения минус 63 дБ на частоте 935.2 МГц с шириной 210 кГц, что удовлетворяет заданным требованиям.
channel
910 920 930 940 950 960 970 980
Frequency (MHz)
Рис. 11. АЧХ полученного защищённого канала
Также отсюда видно, что фильтр создал канал, свободный от шума подавителя, по которому потенциально можно передавать информацию. Ширина полосы синтезированного канала с уровнем мощности минус 70 дБ равна 220 кГц (935.09-935.31 МГц). Это позволяет передавать информацию на заданных частотах по каналу GSM.
5. Заключение
Существует чисто технологическая проблема создания реально действующих подобных систем [8]. В частотном канале находится 8 физических каналов с полосой 25 кГц. Предугадать нахождение физического канала невозможно, он перемещается от кадра к кадру в пределах выделенного фиксированного канала 200 кГц, занимая одно из восьми значений. Этот принцип носит название ППРЧ (псевдослучайные прыжки рабочих частот) во временной области. Для работы передатчика (приёмника) выделяется не одна, а несколько рабочих частот. В процессе передачи сообщений передатчик находится на первой частотной позиции определённое время, а затем перескакивает на другую частотную позицию. Интенсивность переключения рабочих частот составляет 217 скачков в секунду. Таким образом, осуществляется прерывистая передача речи на различных частотных участках. Для упорядочения передачи (приёма) информации стандартный цифровой кадр (TDMA-кадр) делится на 8 частей (0-7), каждый из которых передаётся на своей временной и частотной позиции. Включение режима ППРЧ осуществляется только при наличии в тракте модуляции речевого сигнала. В паузах речи и после окончания разговора передатчик отключается.
В результате анализа существующих принципов организации связи стандарта GSM была выявлена проблема - при выделении одного защищённого канала могут общаться одновре-
менно 8 абонентов. Поэтому в статье расчёт и моделирование производилось для одного канала, в котором 7 физических каналов были принудительно заняты заранее известными абонентами, а оставшийся канал являлся защищённым.
Данную проблему можно решить в системах передачи 5G. В этих системах распределение абонентов производится непосредственно базовой станцией. Для этого предлагается произвести настройку БС таким образом, чтобы при подаче определённой комбинации импульсов она переходила в защищённый режим. В этом режиме БС принудительно отключает перескок частот и, соответственно, в одном частотном канале обеспечивается связь для одного абонента.
Литература
1. Панюкова В. В. Коммерческая разведка - мощное оружие конкурентной борьбы // Российская торговля. 2005. № 10. С. 62-64.
2. Степанов П. Д., Фарваздинов А. Ф., Зотов К. Н. Подавление сигналов мобильной связи стандарта GSM 900/1800 // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: материалы 16-й международной научно-технической конференции, Уфа, 2015. С. 95-99.
3. Романов Б. Н. Теория электрической связи. Устройства формирования и преобразования сигналов: метод. указания к лабораторным работам. Ульяновск: УлГТУ, 2010. 28 с.
4. Зюко А. Г. Кловский Д. Д., Коржик В. И., Назаров М. В. Теория электрической связи: учебник для вузов. М., 1999. 432 с.
5. Рекомендация ITU-R V.431-7. Номенклатура диапазонов частот и длин волн, используемых в электросвязи.
6. Геннадиева Е. Г., Дождиков В. Г., Кульба А. В. и др. Краткий энциклопедический словарь по радиоэлектронике и радиопромышленности / под ред. В. Н. Саблина. М.: Диво, 2006. 276 с.
7. Titov E. V., Soshnikov A. A. Determination of the Efficiency of the Electric Field Shielding from a Pocket Personal Computer // 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). P. 457-459.
8. Soshnikov A., Migalyov I., Titov E. Principles of Functioning of Technological Module for Danger Estimation of Combined Electromagnetic Field // Procedia Engineering. 2016. № 165.
Статья поступила в редакцию 20.09.2019; переработанный вариант - 28.02.2020.
Зотов Кирилл Николаевич
к.т.н., доцент, кафедра телекоммуникационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета (450008, Респ. Башкортостан, Карла Маркса 12), e-mail: zkn2002@inbox.ru.
Жданов Руслан Римович
к.т.н., доцент, кафедра телекоммуникационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета, e-mail: rtz348@mail.ru.
100
K. H. 3OTOB, P. P. ^gaHOB
On the applicability of interference in cellular networks to create a secure communication channel
K. N. Zotov, R. R. Zhdanov
The most dynamically developing area of telecommunications today is cellular communication of various standards. Cellular systems are changing at a high speed; equipment manufacturers have entered the technology race. In this article, the way of creation of the protected broadband channel of cellular communication from unauthorized access in the conditions of real time and the modern city is considered. Due to the large number of GSM subscriber devices sold annually to the population, there is a need to protect the communication channel at short distances (in an office, store, warehouses, etc.) from accidental interference or targeted electronic warfare and industrial espionage. A cheap and effective way is to create a secure communication channel by introducing a white noise generator together with a filter that allocates the necessary frequency for a range of heuristic criteria for solving real problems. The main feature of this device is that the generation of white noise will occur exclusively in the territory, without harmful interference to the population.
Keywords: generator, white noise, optimal filtration, secure cellular communication channel, industrial espionage.
