ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ

(ФГУП ЦНИИС)

На правах рукописи

Крутяков Константин Александрович

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 (ФГУП ЦНИИС)

Защита состоится 16.09.2009 года в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д 520.026.01 в ОАО ВНИИКП по адресу: 111024, Москва, шоссе Энтузиастов, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в ОАО ВНИИКП

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. И.А. Овчинникова

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.

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:

• разработка метода теоретического расчета параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связи в широком диапазоне частот;
• разработка метода экспериментального исследования параметров передачи неспецифицированных цепей кабелей узлов связи;
• исследование частотных характеристик параметров передачи неспецифицированных цепей многопарных телефонных кабелей, многожильных станционных кабелей, кабелей управления, сигнализации и связи и кабелей структурированных кабельных систем;
• 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 УТеоретико-экспериментальные исследования распространения высокочастотных сигналов в низкочастотных проводных линиях связи различного назначенияФ и УИсследование параметров передачи металлических кабелей узла связи в широком диапазоне частотФ, выполненных под руководством и при личном участии автора, а также в ряде разработок Центра Безопасности Информации УМАСКОМФ (ООО ЦБИ УМАСКОМФ).

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 УПроблемы техники и технологий телекоммуникацийФ (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.