ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ

()

На правах рукописи

Разработка метода и исследование параметров передачи

неспецифицированных цепей слаботочных и силовых кабелей узлов связи

Специальности 05.09.02 Электротехнические материалы и

изделия

05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009
Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте связи ()

Официальные оппоненты

- , доктор технических наук, профессор МТУСИ;

- , кандидат технических наук

Ведущее предприятие

- Центр Безопасности Информации “МАСКОМ” ( “МАСКОМ”).

Научный руководитель

- , доктор технических наук, с. н.с.

Защита состоится 16.09.2009 года в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д 520.026.01 в Москва, шоссе Энтузиастов, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в

Ученый секретарь

диссертационного совета, к. т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные узлы связи насыщенны 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 ТП, многожильные станционные кабели типа ТСВ, кабели управления, сигнализации и связи типа КСПЭВ, кабели структурированных кабельных систем. 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. Однако существует реальная угроза съема информации с так называемых неспецифицированных цепей. 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. Таким образом, к неспецифицированным цепям можно отнести несимметричные цепи и системы и симметричные цепи, организованные различными комбинациями жил. К неспецифицированным цепям также следует отнести цепи электрических кабелей распределительных энергетических сетей. Физический механизм, обусловливающий возможность утечки информации через посредство неспецифицированных цепей заключается в следующем. Из-за конечного значения переходного затухания между симметричными и несимметричными цепями информационный сигнал переходит на незащищенные неспецифицированные цепи и может быть зафиксирован за границами узла связи. В настоящее время этот механизм существенно усовершенствован, в результате чего разработана технология ВЧ-навязывания. 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 ВЧ-навязывания необходимо в первую очередь исследовать параметры передачи неспецифицированных цепей узлов связи в широком диапазоне частот. Этой актуальной теме посвящена настоящая диссертационная работа.

Состояние вопроса. 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. Однако в большинстве из них внимание уделяется основной симметричной двухпроводной цепи. Такой подход исторически оправдан, так как долгое время наиболее важной задачей в этой области техники было расширение диапазона передаваемых частот, необходимое для построения многоканальных систем передачи.

Изучению параметров передачи неспецифицированных цепей уделялось недостаточное внимание. В связи с этим достигнутый уровень исследования характеризуется отсутствием общего метода теоретического расчета параметров передачи различных видов несимметричных цепей, ограничением частотного диапазона, применением методик измерений, не учитывающих принципиальных отличительных особенностей этих цепей.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Известны методы расчета параметров передачи некоторых видов несимметричных цепей. Например, 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 одночетверочного 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 значимой явилась монография Г. Кадена, в которой определены параметры передачи несимметричных цепей: пара-оболочка и четверка-оболочка при условии коаксиального расположения центральных проводов относительно металлической оболочки. К сожалению, здесь 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, отличаются от экспериментальных в 1,5-2,0 раза. Тем не менее, общий подход Г. Кадена, базирующийся на определении комплексного потенциала цепи, может быть с успехом использован. Кроме того, в этой работе решена принципиально важная частная 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 неспецифицированных цепей, 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:

ü  разработка метода теоретического расчета параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связи в широком диапазоне частот;

ü  разработка метода экспериментального исследования параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связи;

ü  исследование частотных характеристик параметров передачи неспецифицированных цепей многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи и кабелей структурированных кабельных систем;

ü  исследование частотных характеристик параметров передачи неспецифицированных цепей силовых кабелей узлов связи.

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 ВЧ-навязывания, в том числе:

1.  Разработан метод теоретического расчета параметров передачи неспецифицированных 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 технологии ВЧ-навязывания.

4.  Впервые исследованы характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей электрических кабелей распределительных энергетических сетей в диапазоне частот технологии ВЧ-навязывания.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается использованием математических моделей, адекватных рассматриваемым физическим явлениям; подтверждение теоретических зависимостей параметров передачи результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем.

1.  Получены параметры передачи неспецифицированных цепей жила – экран, пара жил – экран, пучок жил – экран, жила – жила разных пар кабеля, пара жил – пара жил, тройка – тройка, четверка жил – четверка жил и иные симметричные цепи, образованные другими комбинациями жил многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи, кабелей структурированных кабельных систем и кабелей распределительных энергетических сетей в диапазоне частот технологии ВЧ-навязывания.

2.  Установлено, что на частотных характеристиках затухания неспецифицированных цепей имеют место поддиапазоны с аномально низкими 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 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” ( “МАСКОМ”).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждались на: трех заседаниях Экспертного совета НТС 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.)

Основное содержание диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 7 печатных работах. Результаты исследований также отражены в научных отчетах ЦНИИС по хоздоговорным НИР, выполненным под руководством автора. Без соавторов опубликовано 5 работ (из которых 2 – по перечню ВАК).

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертационная работа содержит 126 страниц основного машинописного текста, 60 рисунков и 24 таблицы.

Введение содержит обоснование актуальности избранной темы исследования; цель диссертационной работы; описание предмета и объекта исследования; методологические основы теоретических и экспериментальных исследований. Введение завершается формулировкой научной новизны и практической значимости работы.

В первой главе изложены результаты разработки метода теоретического исследования параметров передачи неспецифицированных цепей. Показано, что в исследуемом диапазоне частот имеет место квазистационарный режим электромагнитных колебаний, позволяющий пренебречь магнитным полем токов смещения. Общий алгоритм теоретического расчета параметров передачи строится на учете потерь в проводнике, находящемся в поперечном магнитном поле.

Известная теория распространения сигнала по цепи пучок-оболочка с учетом поверхностного эффекта, эффекта близости двух проводников и потерь в оболочке. Однако на основании этой теории инженерные формулы получены для кабеля с ограниченным количеством жил (16). При увеличения количества жил, структура формул существенно усложняется, а погрешность за счет неточности исходных данных – резко возрастает. Поэтому цепь пучок-оболочка многожильных конструкций рассчитана нами как коаксиальная структура, у которой радиус центральной жилы равен внешнему радиусу пучка жил.

Отметим особенности физической модели, построенной для расчета параметров передачи цепей электрического распределительного кабеля типа NYM 4x6. Для этого кабеля экранирующей поверхностью являются окружающие металлические массы (кабельросты, корпуса аппаратуры, металлические кабели в том же пакете кабелей). Этот кабель рассматривается 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.

В главе 2 изложены результаты разработки метода экспериментального исследования параметров передачи неспецифицированных цепей. При этом большое внимание уделено определению частотного диапазона для исследования параметров передачи неспецифицированных цепей. В ходе исследования рассмотрен волновой режим распространения электромагнитных колебаний в металлических кабелях.

Результаты расчета коэффициента затухания кабеля ТПП 20x2x0,5 в волновом режиме передачи поперечной магнитной волны TM01 приведены в таблице 1, а поперечной электрической волны TЕ01 –в таблице 2.

Таблица 1

Таблица 2

f, ГГц

f0/ f

α, дБ/км

f, ГГц

f0/ f

α, дБ/км

16

1

∞

30

1

∞

32

0,5

182

60

0,5

62,4

48

0,33

205

90

0,33

31,1

64

0,25

230

120

0,25

19,7

80

0,2

254

150

0,2

13,9

96

0,166

277

180

0,166

10,4

112

0,143

299

210

0,143

8,3

128

0,125

318

240

0,125

6,8

144

0,111

337

270

0,111

5,6

160

0,1

355

300

0,1

4,8

Показано, что потери в волноводном режиме на волнах (модах) высших порядков сопоставимы с потерями на волнах TM01 и TЕ01.

Реальные значения потерь в кабеле окажутся существенно выше за счет неоптимального возбуждения волн и дополнительных потерь в медных жилах. Кроме того, на этих длинах волн (0,3 … 2,0 см) ярко проявляется эффект экранирования.

Далее в работе определена верхняя граница частотного диапазона для технологии ВЧ-навязывания с учетом естественного ограничения - теплового шума. В качестве верхней границы диапазона для исследований параметров передачи кабельных цепей в технологии ВЧ-навязывания рекомендовано выбрать значение 300 МГц.

Поскольку это значение является достаточно высоким для рассматриваемых конструкций кабелей, далее в работе проведено исследование погрешностей методов холостого хода и короткого замыкания и разработаны рекомендации по их уменьшению. Показано, что и методическая, и случайная составляющие погрешности уменьшаются на критических частотах нечетно кратных отношению длины измеряемого отрезка кабеля к длине волны.

Завершает главу 2 анализ физической модели взаимного влияния неспецифицированных цепей. Эта модель объясняет неравномерный характер частотных характеристик коэффициентов затухания исследуемых цепей и показывает возможность образования так называемых «окон прозрачности», принципиальных для технологии ВЧ-навязывания.

Глава 3 содержит результаты исследования частотных характеристик параметров передачи неспецифицированных цепей.

Частотные характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей многопарных телефонных кабелей приведены на рисунках 1-4.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Частотные характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей управления, сигнализации и связи приведены на рисунках 5-8.

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Частотные характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей структурированных кабельных сетей типа UTP категории 5е приведены на рисунках 9 и 10.

Рисунок 9

Рисунок 10

Частотная характеристика коэффициента затухания неспецифицированных цепей кабелей распределительных электрических сетей типа NYM приведена на рисунке 11.

Рисунок 11

Частотная характеристика коэффициента затухания неспецифицированных цепей многопарных станционных кабелей приведены на рисунке 11-14.

Рисунок 11

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

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 неспецифицированные 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 однопроводных 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 NYM 4x6 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.  Разработан метод теоретического расчета параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей, при котором определяется верхняя частота квазистационарного режима электромагнитных колебаний; многожильный кабель рассматривается как совокупность однопроводных цепей; учитывается увеличение коэффициента затухания в активной цепи за счет потерь в соседних проводниках, находящихся в поперечном магнитном поле; а цепь: пучок – оболочка многопарных кабелей рассчитывается как коаксиальная направляющая система.

5.  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 характеристики коэффициентов затухания волн типа ТМ01 и ТЕ01. Показано, что критическая длина волны для режима передачи ТМ01 составляет 16, а для режима передачи ТЕ0ГГц.

6.  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 отсчетов (теорема Котельникова). Численное значение верхней границы диапазона для исследований параметров передачи кабельных цепей в технологии ВЧ-навязывания следует выбрать равным 300 МГц.

7.  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.

8.  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 явлениям; во-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).

9.  Впервые определены параметры передачи неспецифицированных цепей жила – экран, пара жил одного повива – экран, две жилы разных повивов – экран, две пары жил одного повива – экран, две пары жил разных повивов – экран, четыре пары жил – экран, восемь пар жил – экран, пучок жил – экран многопарных телефонных кабелей: средние значения рабочих емкостей и внешних индуктивностей; максимальные, минимальные и средние значения волнового сопротивления; частотные характеристики коэффициентов затухания в диапазоне частот до 300 МГц, а также сглаживающие их аппроксимирующие кривые.

10.  Впервые определены параметры передачи неспецифицированных цепей многожильных станционных кабелей; кабелей управления, сигнализации и связи; кабелей структурированных кабельных систем типа UTP; кабелей распределительных электрических сетей типа NYM в диапазоне частот технологии ВЧ-навязывания.

11.  Разработан метод экспериментального исследования параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей, при котором устанавливается верхняя граница исследуемого частотного диапазона, определяется взаимосогласованная система первичных и вторичных параметров передачи, учитываются погрешности за счет отличия волновых сопротивлений неспецифицированных цепей и номинальных входных/выходных сопротивлений измерительных приборов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.

, , Крутяков лаборатория ЦНИИС «Системные вопросы построения и развития кабельных сетей». Достижения последних лет//Электросвязь, 2004(№2)-с.50-52.

2.

Ю, , Крутяков передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связи в широком диапазоне частот//Кабели связи и кабельное оборудование, 2008-с.26-29.

3.

Крутяков уровень проблемы информационной безопасности//Техника и технология, 2005(№4)-с.18-19.

4.

Крутяков режим распространения электромагнитных колебаний в металлических кабелях//Техника и технология, 2008(№4)-с.17-24.

5.

Крутяков верхней границы исследуемого диапазона частот технологии ВЧ-навязывания по тепловому шуму//Естественные и технические науки, 2008(№4)-с.302-303.

6.

Крутяков измерения коэффициента затухания цепей технологии ВЧ-навязывания и учет его систематической погрешности//Техника и технология, 2009(№2)-с.18-22.

7.

Крутяков характеристики параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей структурированных кабельных систем и кабелей распределительных электрических сетей//Естественные и технические науки, 2009(№2)-с.323-329.