Розвиток методів аналізу та практики побудови цифрових систем передачі інформації для відомчих мереж зв'язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗВИТОК МЕТОДІВ АНАЛІЗУ ТА ПРАКТИКИ ПОБУДОВИ ЦИФРОВИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ ДЛЯ ВІДОМЧИХ МЕРЕЖ ЗВ'ЯЗКУ

Маслій Віталій Васильович

Харків - 2010

Анотація

Маслій В.В. Розвиток методів аналізу та практики побудови цифрових систем передачі інформації для відомчих мереж зв'язку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010.

Дисертація є дослідженням, в якому отримано нове вирішення актуального науково-практичного завдання розвитку теорії і практики побудови багатоканальних цифрових систем передачі інформації (ЦСПІ), яке відрізняється від відомих вітчизняних рішень числом каналів зв'язку, більшою продуктивністю та захищеністю і задовольняє вимогам стандартів передачі відеоінформації у відомчих системах зв'язку (ВСЗ).

Головний результат дисертації полягає в теоретичному обґрунтуванні та розробці нового апаратного рішення чотирьохканальної ЦСПІ, адаптованої для роботи на існуючих вітчизняних кабельних лініях зв'язку (КЛЗ).

Вперше на основі порівняльного аналізу близькості до межі Шеннона продуктивності каналів зв'язку з різними технологіями хDSL доведено необхідність побудови багатоканальних ЦСПІ, що дозволяють на існуючих КЛЗ досягти передачі мультимедійної інформації на відстань до 5 км зі швидкістю до 20 Мбіт/с, що задовольняють вимогам побудови мультимедійних ВСЗ. Також вперше створено модель КЛЗ у вигляді підземної антени біжучої хвилі, що дозволяє розрахувати рівні завадозахищеності і скритності в залежності від кутових координат та частоти, а також напруги завади на вході модему, що наводяться зовнішнім радіочастотним випромінюванням.

Практична цінність роботи визначається насамперед розробкою, створенням та випробуванням дослідного зразка чотирьохканальної ЦСПІ «Quadro». Достовірність розроблених наукових положень і принципів, а також отриманих результатів підтверджена створенням і введенням в експлуатацію відомчої системи зв'язку - Центру обслуговування викликів екстреної служби «102» ГУМВС м. Харкова.

Ключові слова: цифрова система передачі, спектр сигналу, відвідний радіоканал, радіочастотна завада, захищеність системи зв'язку.

Аннотация

Маслий В.В. Развитие методов анализа и практики построения цифровых систем передачи информации для ведомственных сетей связи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

Диссертация является исследованием, в котором получено новое решение актуальной научно-практической задачи развития теории и практики построения многоканальных цифровых систем передачи информации (ЦСПИ), которые отличается от известных отечественных решений числом каналов связи, большей производительностью и защищенностью и удовлетворяет требованиям стандартов передачи видеоинформации в ведомственных сетях связи.

Главный результат диссертации состоит в теоретическом обосновании и разработке нового аппаратного решения четырехканальной ЦСПИ, адаптированной для работы на существующих отечественных кабельных линиях связи (КЛС).

Основной вклад в теорию заключается в трех моментах:

- предложен подход к анализу ВСС как радиотехнической системы, имеющей кроме основного канала отводной радиоканал, который излучает и принимает радиоволны. Такой подход дает возможность значительно расширить возможности моделирования различных режимов работы ВСС и проводить анализ как собственно аппаратных решений ЦСПИ, так и уровня их защищенности при воздействии помех или преднамеренных помех нарушителя (разрушение информации в ВСС), или приемника-обнаружителя излучения с КЛС (извлечение информации из ВСС);

- впервые на основе сравнительного анализа близости к пределу Шеннона производительности каналов связи с различными хDSL технологиями доказана необходимость построения многоканальных ЦСПИ, позволяющих на существующих КЛС достичь передачи мультимедийной информации на расстояние до 5 км со скоростью до 20 Мбит/с; эти показатели являются удовлетворительными при реализации современных ведомственных систем связи;

- впервые создана модель КЛС в виде подземной антенны бегущей волны, позволяющая рассчитать уровни помехозащищенности и скрытности в зависимости от угловых координат и частоты, а также напряжения помехи на входе модема, наводимого внешним радиочастотным излучением; показано, что действующие КЛС обеспечивают передачу мультимедийной информации с вероятностью пакетной ошибки не хуже требуемой при напряженности поля помехи не более , а максимальный радиус обнаружения равен 420 м на частоте 1 Мгц и 0,44 м на частоте 100 МГц.

Практическая ценность работы определяется, прежде всего, разработкой и созданием опытного образца четырехканальной ЦСПИ «Quadro». Испытание этой ЦСПИ в реальных условиях при работе в двухканальном режиме на КЛС длиной 5 км была достигнута скорость 11 Мбит/с, что доказывает возможность достижения скорости 20 Мбит/с в четырехканальном режиме.

К другим важным практическим результатом относятся: совершенствование установок и методов измерения коэффициента экранирования кабелей и напряжения помехи, при котором хDSL канал связи перестает функционировать. Экспериментально получены данные, которые использовались при оценке защищенности КЛС.

Достоверность разработанных научных положений и принципов, а также полученных результатов подтверждена созданием и введением в эксплуатацию ведомственной системы связи - Центра обслуживания вызовов (ЦОВ) экстренной службы «102» ГУМВД г. Харькова. Опытная эксплуатация ЦОВ показала, что к операторам службы «102» за сутки приходит более 2500 телефонных звонков, а в выходные и праздничные дни до 4000, в среднем в 2-2,5 раза увеличилось количество зарегистрированных сообщений о преступлениях и правонарушениях. Оперативность принятия вызовов, своевременное информирование о происшествиях дежурных в районных отделениях ГУМВД дало возможность более оперативно и качественно реагировать и раскрывать преступления по «горячим» следам.

Ключевые слова: цифровая система передачи, спектр сигнала, отводной радиоканал, радиочастотная помеха, защищенность системы связи.

Abstract

Maslyi V.V. Development of analysis methods and practices of building digital information transmission systems for departmental communication systems. - The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of the technical sciences by specialty 05.12.17 - radio and television systems (Ph.D. thesis). Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2010.

Thesis is a research in which a new topical scientific and practical problems of theory and practice of multi-channel digital information transmission system (DITS) was solve. It differs from the known solutions by communication channel quantity, greater productivity, protection and meets the video transmission in departmental communication systems (DCS) standards requirements.

The main result of the thesis is the theoretical foundation and development of new hardware solutions fourth channel DITS adapted to work on existing domestic cable communication line (CCL).

First, multichannel DITS that allow achieve multimedia information transmission away 5 km by speed up to 20 Mbps, satisfying the requirements of building Multimedia HCP, based on comparative analysis of the proximity to the Shannon limit performance of communication channels with different xDSL technologies creation necessity was proved.

Also created for the first model in the form of underground CCL progressing wave antenna, which allows to determine the noise immunity and secrecy level depending on the angular coordinates, frequency and voltage at the input modem obstacles that are external RF energy.

Work practical worth primarily is made up of development, creation and testing of a fourth channel DTS ”Quadro” prototype on CCL. Reliability of the developed scientific terms, principles and the results confirmed by creation and commissioning of departmental communication systems - Emergency Service Center "102" GUMVS Kharkiv.

Key words: xDSL communication channel, multilevel signal, signal spectrum, digital transmission system, radio frequency obstacle, communication channel security.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Створювана Єдина національна мережа зв'язку України (ЄНМЗУ) являє собою сукупність мереж зв'язку загального користування, відомчих мереж зв'язку та мереж подвійного призначення, які задовольняють потреби споживачів (міністерств, підприємств, організацій, населення та ін.) в послугах зв'язку. Незважаючи на вагому частину, яку займають відомчі системи зв'язку (ВСЗ) у структурі ЄНМЗУ і значну роль у наданні споживачам різноманітних послуг зв'язку, в нашій країні слабо координуються та виконуються роботи з їх проектування і модернізації.

Пріоритетними напрямками розвитку ВСЗ є максимальна «цифровізація» мереж зв'язку та інтеграція з мережами зв'язку загального користування (ТМЗГ). Актуальність першого напряму пов'язано з тим, що побудова сучасних продуктивних мереж зв'язку безпосередньо пов'язане з використанням різних цифрових технологій (xDSL технологій), що дозволяє ефективно використовувати існуючу кабельну інфраструктуру та істотно знижує вартість модернізації ВСЗ. Другий напрям тісно пов'язаний зі створенням в Україні єдиної інтегрованої мультисервісної широкосмугової мережі зв'язку, яка повинна забезпечити споживачам європейський рівень послуг зв'язку.

Для відомчих мереж міністерств, які безпосередньо відповідають за громадську безпеку, особливо важливим є можливість передачі мультімедійної інформації, що безпосередньо пов'язано із завданнями забезпечення охорони громадян, спостереженням за особливо небезпечними об'єктами, захисту населення від наслідків надзвичайних ситуацій та ін. З огляду на великий просторовий розподіл і протяжність кабельних ліній зв'язку (КЛЗ) відомчих мереж це завдання є непростим та вимагає системного підходу для його вирішення. При впровадженні xDSL технологій частота сигналу при передачі інформації зростає до 100 МГц. Одночасно зменшується і коефіцієнт екранування КЛЗ, тобто зростає їх здатність випромінювати і приймати радіохвилі. Це призводить до створення паразитних (відвідних) радіоканалів, що знижує рівень захисту інформації у ВСЗ.

Таким чином актуальним є розробка та впровадження в ВСЗ сучасних цифрових систем передачі інформації (ЦСПІ), які забезпечують передачу мультімедійної інформації на великі (більше 5 км) відстані по існуючих КЛЗ і продуктивністю вище 10 Мбіт/с. У рамках даної роботи під ЦСПІ розуміється складна радіоелектронна система, що включає в себе лінійні приймачі-передавачі, мультиплексори, інтерфейси, комутатори цифрових потоків, мікропроцесори та інші пристрої, що забезпечують прийом і передачу сигналів у фізичному каналі зв'язку.

Судячи з опублікованих робіт, зазначена вище швидкість передачі інформації може бути досягнута, при забезпеченні вимог по дальності роботи системи зв'язку, тільки при застосуванні багатоканальних ЦСПІ. Проте в Україні таких розробок поки що немає. При широкому використанні інфраструктури ТМЗК та існуючих КЛЗ при побудові ВСЗ важливими стають питання забезпечення захисту службової інформації та запобігання несанкціонованого доступу до відомчих баз даних.

Ступінь захищеності (завадозахищеності і скритності) відомчих систем зв'язку при передачі мультимедійної інформації на сьогоднішній день не вивчена. Одна з причин - це відсутність експериментальних досліджень на частотах до 100 МГц коефіцієнта екранування вітчизняних КЛЗ та граничних напруг завад при яких xDSL канали перестають функціонувати. Таким чином практика побудови вітчизняних мультимедійних цифрових систем зв'язку відстає від зазначених вище вимог користувачів відомчих мереж, тому тема роботи є актуальною.

Для вирішення зазначених вище проблемних питань в дисертації пропонується використати підхід, заснований на представлені ВСЗ у вигляді радіотехнічної системи (РТС). Така РТС окрім основного каналу ЦСПІ включає в свій склад і відвідний радіоканал, поява якого пов'язана з наявністю в ній ефекту випромінювання КЛЗ. Це дає змогу використовуючи відомі з теорії цифрової обробки сигналів (ЦОС), антен, поширення радіохвиль і радіозв'язку методи, розробити відповідні моделі для вирішення двох нагальних задач: створення апаратного рішення багатоканальної ЦСПІ та прогнозування її завадозахищеності і скритності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана: з НДР ХНУРЕ, яка фінансувалась МОН України, № 199 «Фундаментальні дослідження складових інтегрованої радіоелектронної системи управління рухомими об'єктами» ГР0102U003741; з господарчою НДР ХНУРЕ №06-02 з ВАТ «Прожектор» (м. Малин, Житомирська обл.) «Розробка обладнання лінійного тракту для передачі потоків Е1», в якій вирішені задачі розробки нових цифрових систем передачі інформації на базі xDSL технологій. В обох НДР автор дисертації був виконавцем робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток методів аналізу і практики побудови захищених швидкісних ЦСПІ, що враховують наявність в них відвідного радіоканалу (каналу витоку), в інтересах створення мультимедійних відомчих систем зв'язку.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі наукові завдання:

1. Удосконалення моделей ЦСПІ (з урахуванням впливу відвідного радіоканалу) та їх використання для досліджень можливості реалізації із застосуванням xDSL технологій мультимедійних відомчих систем зв'язку, що відповідають вимогам стандартів передачі відеоінформації по продуктивності і захищеності.

2. Удосконалення методів експерименту та вимірювання раніш не відомих параметрів ЦСПІ, реалізованих на основі xDSL технологій, що характеризують їх завадозахищеність і скритність.

3. Розробка апаратного рішення та реалізація швидкісної багатоканальної xDSL ЦСПІ, що забезпечує необхідну продуктивність і дальність роботи ВСЗ.

4. Доказ доцільності застосування розроблених моделей, апаратних рішень засобів зв'язку і методів вимірювань для практичного створення ЦСПІ на прикладі розробки та дослідної експлуатації центру обслуговування викликів (ЦОВ) служби «102» ГУМВС м. Харкова.

Об'єктом дослідження є процеси формування, передачі та обробки широкосмугових сигналів у мультимедійних ЦСПІ.

Предметом дослідження є методи та засоби побудови на основі xDSL технологій мультимедійних ЦСПІ, що задовольняють вимогам стандартів передачі відеоінформації по продуктивності і захищеності.

Методи досліджень - використані методи: теорії радіозв'язку, теорії антен, поширення радіохвиль, обробки цифрових сигналів, математичного та імітаційного моделювання на ПЕОМ, натурного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше запропоновано підхід до аналізу ВСЗ як радіотехнічної системи, що має крім основного каналу зв'язку відвідний радіоканал, який випромінює та приймає радіохвилі. Такий підхід дає змогу значно розширити можливості моделювання різноманітних режимів роботи ВСЗ і проводити аналіз як власне апаратних рішень ЦСПІ так і рівня їх захищеності при дії ненавмисних завад або навмисних завад порушника (руйнування інформації в ВСЗ), або приймача-виявляча випромінювання з КЛЗ (вилучення інформації з ВСЗ).

В межах запропонованого підходу одержані такі нові результати.

2. На основі аналізу потенційної продуктивності цифрових систем передачі інформації з різними цифровими xDSL технологіями зв'язку доведено, що в разі швидкісної передачі мультимедійної інформації (більше 5 Мбіт/с) на великі відстані необхідно здійснити перехід від розробки одноканальних до створення

багатоканальних систем зв'язку.

3. Вперше запропоновані модель та апаратне рішення чотирьохканальної ЦСПІ з продуктивністю 20 Мбіт/с, достатньої для якісної передачі відеоінформації різних відеостандартів у відомчих цифрових системах передачі інформації та адаптованої для роботи на існуючих кабельних лініях зв'язку.

4. Вперше запропоновано модель оцінки захищеності магістральних кабельних ліній зв'язку, яка заснована на представленні КЛЗ у вигляді підземної антени біжучої хвилі. Ця модель на відміну від відомих дозволяє визначити рівень захищеності КЛЗ від кутових координат і віддалення від постановника завад або приймача порушника.

5. Модифіковано метод вимірювання коефіцієнта екранування кабелів і запропоновано метод вимірювання допустимої напруги завади в каналі зв'язку при перевищенні якої xDSL канал перестає функціонувати.

Практичне значення отриманих результатів.

Практична цінність отриманих у дисертаційній роботі результатів полягає в тому, що: отримані нові дані про допустимі рівні напруги завади та значення коефіцієнта екранування для вітчизняних кабелів в діапазоні до 100 МГц; вперше створено та проведено випробовування дослідного зразку чотирьохканальної цифрової системи передачі інформації ЦСПІ «Quadro» зі швидкістю передачі мультимедійної інформації 20 Мбіт/с; створено і введено в експлуатацію центр обслуговування викликів служби «102» ГУМВС м. Харкова (про що є відповідний акт впровадження); результати дисертаційної роботи впроваджені в дослідних зразках цифрової системи передачі ЦСПІ «Quadro» ВАТ "Прожектор" та в навчальний процес при проведенні дипломних та магістерських робіт на кафедрі основ радіотехніки ХНУРЕ, що підтверджено відповідними актами впровадження.

Обґрунтованість та достовірність результатів дисертації зумовлена коректним використанням: строгих методів цифрової обробки сигналів, теорії електрозв'язку, антен та поширення радіохвиль при теоретичних дослідженнях; а також позитивними результатами натурних експериментів по оцінці захищеності ВСЗ, та результатами натурних випробувань створеного ЦОВ служби „102”.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- розробці теоретичного і науково-практичного підходу до вирішення задач моделювання та вдосконалення ВСЗ [1, 2, 4];

- обґрунтуванні та розробці нових апаратних рішень ЦСПІ для ВСЗ [5, 6];

- розробці та дослідженні математичної моделі захищеності ВСЗ [7, 8];

- проведенні чисельних і натурних експериментів [3, 9, 10].

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 6-ти міжнародних конференціях, зокрема, на: Міжнародній науково-практичній конференції (МНПК) «Обробка сигналів і негауссовскіх процесів» (м. Черкаси, 2007 р.); III МНПК «Спеціальна техніка у правоохоронній діяльності» (м. Київ, 2007 р.); IX Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» /TCSET'2008/ (м. Львів, 2008 р.); IV МНПК «Сучасні проблеми в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» /РТІТ-2008/ (м. Запоріжжя, 2008 р.); III Міжнародному радіоелектронному форумі. Міжнародна конференція «Сучасні перспективні системи радіолокації, радіоастрономії та супутникової навігації» /СРРСН-2008/ (м. Харків, 2008 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 5 статтях, виданих у збірниках, що входять до переліку ВАК України, а також у 5-ти тезах доповідей Міжнародних конференцій.

Структура дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел (83 найменувань) і додатків. Робота містить 128 сторінки, 98 рисунків, 16 таблиць, включаючи додатки обсягом 23 сторінки.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень. Визначена наукова новизна роботи та її практичне значення. Наведені дані про особистий внесок автора в роботах, виконаних у співавторстві, апробацію результатів дисертації та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі дисертації розглянуті особливості побудови і перспективні напрямки модернізації ВСЗ України і сформульовано підхід до вирішення поставлених задач. В підсумку проведеного дослідження зроблені такі висновки: розробка вітчизняних мультимедійних ЦСПІ для ВСЗ повинна вестись на основі використання xDSL технологій, вітчизняної апаратури і наявної інфраструктури КЛЗ; основна вимога до мультимедійних ЦСПІ полягає в забезпеченні в xDSL каналах зв'язку пропускної здатності не менше 10 Мбіт/с на відстані до 5 км; із проведеного ж в роботі огляду слідує, що найкращі вітчизняні розробки модемів забезпечують пропускну здатність не більш як 2 Мбіт/с на відстані до 10 км по існуючим КЛЗ, що недостатньо для реалізації мультимедійних ЦСПІ. Крім того, зараз відсутні оцінки завадозахищеності і скритності ЦСПІ, які є одними з основних експлуатаційних характеристик ВСЗ.

Таким чином, основне завдання при створенні перспективних ВСЗ - це розробка вітчизняних зразків ЦСПІ, що відповідають вимогам існуючих стандартів передачі мультімедійної інформації і захищеності.

Для вирішення вказаних науково-практичних задач в дисертації пропонується використати підхід, який базується на представлені ВСЗ як радіотехнічної системи.

Представлений фрагмент РТС складається з ЦСПІ, сполучених КЛЗ. Внаслідок ефекту кінцевого екранування КЛЗ являє собою деяку еквівалентну випромінюючу систему, що разом з середовищем поширення радіохвиль (ПРХ) та генератором завад і приймачем-виявлячем порушника утворюють відвідний радіоканал.

Викладений підхід дає змогу, використовуючи відомі теоретичні методи дослідження РТС в частині цифрової обробки сигналів, теорії випромінювання і поширення радіохвиль, а також розрахунків їх завадозахищеності і скритності, вирішити всі задачі моделювання, які вказані у вступі. При цьому у випадку створення нових апаратних рішень за основну характеристику буде розглядатися пропускна здатність ЦСПІ, а при розгляданні задач захищеності - вірогідність пакетної помилки в каналі зв'язку PER, та конфігурація ї розмір зони виявлення в межах якої порушник може зафіксувати випромінювання з КЛЗ.

Другий розділ є центральним. В ньому проведено теоретичне обґрунтування принципів побудови ЦСПІ з достатньою для передачі мультімедійної інформації пропускною здатністю. На основі використання різновидів формул Шеннона тут виконано аналіз потенційних можливостей по пропускній здатності С з урахуванням теплових втрат реальних КЛЗ. При цьому для випадку багатоканальних систем зв'язку з N однаковими і не взаємодіючими парами КЛЗ пропускна здатність СN розраховувалась таким чином:

, біт/с (1)

де - смуга частот;

- відношення потужності сигналу до потужності шуму в кожній лінії зв'язку.

Співвідношення розраховувалось для кожної технології xDSL (SHDSL, ADSL, VDSL) по своїй моделі. Відповідні формули, в тому числі і залежності від довжині КЛЗ L наведені в дисертації.

З аналізу одержаних даних виходить, що для передачі мультимедійної інформації ЦСПІ для ВСЗ повинні реалізовуватися як дво- або чотирьохканальні. Структурна схема запропонованої в роботі чотирьохканальної ЦСПІ зображена на рис. 3. В подальшому вона має назву «Quadro». Ця ЦСПІ побудована на основі SHDSL технології і для її реалізації запропоновані такі підходи: здійснення адаптації ЦСПІ до існуючих КЛЗ; установка кількох допоміжних інтерфейсів (С1, Е1) для з'єднання з діючим обладнанням ВСЗ; використання продуктивного мережевого процесора Intel xScale, який суттєво розширює мережеві можливості та захищеність ЦСПІ.

Крім того схема ЦСПІ включає в себе такі основні блоки: AFE - аналоговий блок спряження з КЛЗ, який забезпечує узгодження з лінією зв'язку і фізичне розділення сигналів приймання/передавання, що дозволяє працювати у дуплексному режимі по одній КЛЗ; DSP - лінійний цифровий сигнальний процесор, який реалізує відповідні алгоритми приймання і передавання багаторівневого лінійного сигналу, в відповідності з типом лінійного кодування і швидкістю передачі інформації; перетворювач цифрових потоків даних, який забезпечує розподіл та об'єднання цифрових потоків у відповідності з настройками, встановленими при початковій інсталяції системи зв'язку на місці експлуатації; набір інтерфейсів (С1, Е1, Ethernet - для підключення ЦСПІ до різноманітного телекомунікаційного обладнання; мікроконтролер - для зовнішнього та віддаленого управління блоками ЦСПІ.

В дисертації наведено ряд нових схемотехнічних рішень, які були втілені при розробці принципової електричної схеми на основі приймачів/передавачів фірми Infineon, які забезпечили побудову багатоканальних структур ЦСПІ. Розроблена ЦСПІ «Quadro» дає змогу вести одночасну передачу декількох потоків Е1 і Ethernet по кількох КЛЗ, що дозволяє використовувати систему на різних сегментах ВСЗ.

У розділі 2 прогнозовані такі основні технічні характеристики створеної ЦСПІ: рівень сигналу в КЛЗ у межах - 5-17 дБм; швидкість передачі по одній лінії 273-5600 Кбіт/c; кількість каналів G.SHDSL - 4/2/1; лінійний код TC-PAM-16/32;

програмне забезпечення на основі операційної системи (ОС) Linux 2.6. Викладені характеристики підтверджують доцільність втілення запропонованих в розділі 2 апаратних рішень при реалізації швидкісних цифрових систем зв'язку.

В третьому розділі основна увага приділена дослідженню захищеності ЦСПІ. З цієї багатогранної задачі виділена одна - оцінка енергетичної захищеності КЛЗ. На основі підходу до КЛЗ як випромінюючої системи запропонована її модель в вигляді антени біжучої хвилі.

. Коефіцієнт екранування кабелю дорівнює

, (2)

де - потужність антени з електрорушійною силою (е.р.с.) випромінювання ;

- потужність передавача модему при напрузі сигналу на вхідному опорі ЦСПІ .

В дисертації одержані такі співвідношення:

; (3)

напруженість поля випромінювання на глибині і при частоті

, (4)

де - діюча висота антени;

- коефіцієнт загасання в ґрунті; - фазова стала в КЛЗ.

Якщо відомі величини то, використовуючи відомі з теорії підземних антен формули для величин і , можна знайти напруженість поля у вільному просторі. Порівнюючи цю величину з чутливістю сучасних приймачів, можна оцінити скритність КЛЗ.

При дії на КЛЗ навмисної завади є відомою величина . Зробивши заміни , , де - е.р.с. завади на клемах антени, - напруга завади на вході модему, можна визначити, наскільки , де - допустима величина завади при якій канал зв'язку перестає функціонувати.

Таким чином, для визначення захищеності КЛЗ необхідно знати величини і , які з літератури невідомі. З цієї причини були розроблені оригінальні вимірювальні установки і проведені натурні експерименти.

Для вимірювання величини використовувався метод антени-пробника, який модифіковано шляхом зміни конструкції антени. В нашому варіанті вона повністю охоплює оболонку кабелю та повністю обмежує простір в який випромінював кабель. Для оцінки можливості використання кабелів для випадку xDSL технологій досліди були проведені в діапазоні частот (0,1-100) МГц.

З результатів експерименту видно, що кабелі ТПП, СПП, які були випущені ще в СРСР (лінії 5 і 6), мають на (10-15) дБ гірші параметри по величині ніж закордонні зразки КЛЗ (лінії 1-4). Цей факт і визиває необхідність дослідження захищеності існуючих на Україні кабельних ліній зв'язку.

Другий, на наш погляд, новий відносно випадку використання xDSL технологій експеримент полягає в виміру величини вірогідності бітової помилки BER та . Для цього був виготовлений програмно-апаратний комплекс (ПАК).

В цьому ПАК в якості навантаження xDSL каналів використовувався імітатор лінії зв'язку. До імітатора підключався блок, який давав змогу змінювати величину загасання (тобто імітувати довжину лінії), а також генератор завад. На рис. 7 приведені дані експериментів по вимірюванню величини в залежності від частоти завади.

Наведена вище модель, та результати дослідів були використані для досліджень захищеності КЛЗ. Була розрахована серія діаграм спрямованості (ДС) в режимі випромінювання кабелю при , та в режимі дії завади .

Розрахунки виконувалися на частотах 1, 50, 100 МГц при різних середовищах прокладки кабелю (сухий грунт, вологий грунт, тощо). Крім того приймалось, що , , а величини бралися з рис. 6 для кабелю ТПП.

Крім того проводилися розрахунки конфігурації зони виявлення (ЗВ) по формулі

, (5)

де - відстань від центру координат ЗВ при куті ;

- коефіцієнти підсилення антени приймача-виявляча та еквівалентної антени КЛЗ;

- потужність випромінювання КЛЗ;

- чутливість приймача виявляча;

- ККД каналу зв'язку.

З'ясовано, що форма ЗВ співпадає з формою ДС, при чому максимальна величина змінюється приблизно від 400 м до 0,4 м при збільшенні частоти від 1 до 100 МГц.

На основі узагальнення результатів числових експериментів в дисертації зроблені такі висновки:

1. Діаграми спрямованості відрізку підземного кабелю є багатопелюстковими, причому кількість пелюсток росте з ростом частоти, що не суперечить теорії антен бігучої хвилі. В максимумах ДС величина в залежності від частоти змінюється в межах до .

2. Якщо допустити, що чутливість приймачів порушника , то можна зробити висновок, що в просторі мається багато напрямків в яких можна зареєструвати випромінювання кабелю і здійснити несанкціонований доступ до інформації при цьому розміри ЗВ вимірюються в великих межах залежно від частоти.

3. В максимумах діаграм спрямованості величина при напруженості завад , тобто порушник може перервати функціонування каналу зв'язку за допомогою передавача в кілька десятків ватт.

Досліджені характеристики вказують на існування проблеми захисту інформації при передачі її по існуючим КЛЗ при застосуванні xDSL технологій.

У четвертому розділі розглянуто новий напрямок розвитку ВСЗ, з яким пов'язано створенням центрів обслуговування викликів (ЦОВ), які дозволяють підвищити ефективність роботи екстрених служб МВС України. З впровадженням ЦОВ з'являються нові можливості прийому та обробки тривожних повідомлень: прийом і облік кожного дзвінка служби «102», забезпечення взаємодії екстрених служб з населенням і між собою, реєстрація всієї необхідної інформації з пригод, а також негайне сповіщення відповідних підрозділів і служб.

Запропонована структура ЦОВ включає в себе декілька підсистем і мереж: IP-центр служби «102», центральний інформаційний сервер служби «102», 6 робочих місць операторів служби «102», мережу проводового доступу на базі xDSL модемів для зв'язку станційного устаткування служби «102» з 9 районними відділеннями УМВС та з вузлом екстрених і інформаційно-довідкових служб Харківської філії ВАТ «Укртелеком» (ЦАТС), робочі місця чергових районних відділень ГУМВС, які оснащено персональними комп'ютерами, системним VoIP телефоном, та електронною системою зняття відбитків пальців порушників.

Використання широкосмугових IP - технологій на всіх ділянках отримання, обробки, передачі та комутації інформаційних потоків дозволяє зв'язати телефонний дзвінок служби «1О2» з інформацією про нього, а також забезпечує можливість створення віддалених робочих місць операторів.

У розділі також наведені результати лабораторних та мережевих випробувань дослідного зразку ЦСПІ «Quadro». Максимальна досягнута швидкість передачі інформації в двоканальному режимі для SHDSL технології з багаторівневим лінійним кодом ТС-РАМ-32 і рівнем сигналу в КЛЗ 14,5 дБм склала 11 Мбіт/с, а максимальна дальність роботи системи склала 5 км (для КЛЗ типу ТПП-0,5), що підтверджує теоретичні показники продуктивності та дальності системи зв'язку і дозволяє передавати мультимедійну інформацію с заданими показниками якості.

У додатках наведено: основні вимоги до побудови мультимедійних ВСЗ, огляд існуючих xDSL технологій, акти про впровадження результатів дисертаційної роботи: у навчальному процесі в ХНУРЕ; під час розробки та випуску дослідної партії цифрових систем передачі ЦСПІ «Quadro» в ВАТ «Прожектор»; під час розробки, побудови та дослідної експлуатації Центру обслуговування викликів служби «102» ГУМВС м. Харкова.

Висновки

Дисертація є дослідженням, в якому отримано нове вирішення актуального науково-практичного завдання розвитку теорії і практики побудови багатоканальних цифрових систем передачі інформації (ЦСПІ), яке відрізняється від відомих вітчизняних рішень числом каналів зв'язку, більшою продуктивністю та захищеністю і задовольняє вимогам стандартів передачі відеоінформації у відомчих системах зв'язку (ВСЗ). Зокрема отримані наступні нові результати.

В області теорії:

1. Запропоновано підхід до аналізу ВСЗ як радіотехнічної системи, що має крім основного каналу відвідний радіоканал, який випромінює та приймає радіохвилі. Такий підхід дає змогу значно розширити можливості моделювання різноманітних режимів роботи ВСЗ і проводити аналіз як власне апаратних рішень ЦСПІ так і рівня їх захищеності при дії завад або навмисних завад порушника (руйнування інформації в ВСЗ), або приймача-виявляча випромінювання з КЛЗ (вилучення інформації з ВСЗ).

2. На основі аналізу близькості до межі Шеннона продуктивності каналів зв'язку з різними xDSL технологіями показано. що сучасні вимоги до швидкості передачі мультимедійної інформації на великі відстані можуть бути задоволені тільки шляхом переходу від побудови одноканальних до побудови багатоканальних цифрових систем передачі інформації. Таке рішення дозволяє більш ефективно експлуатувати існуючу в Україні інфраструктуру кабельних ліній зв'язку за рахунок використання вільних виділених пар КЛЗ при застосуванні багатоканальних ЦСПІ.

3. Запропонована і обґрунтована структура та схема першої вітчизняної чотирьохканальної ЦСПІ, адаптованої для роботи на існуючих кабельних лініях зв'язку. Розрахункова швидкість ЦСПІ (20 Мбіт/с) задовольняє вимогам існуючих стандартів передачі відеоінформації високої якості на дальності до 5 км, що достатньо для реалізації відомчих систем зв'язку.

4. Вперше вивчені закономірності зміни захищеності вітчизняних КЛС (як частини ВСЗ) при використанні xDSL технологій від кутових координат і частоти. На основі подання КЛЗ у вигляді підземної антени біжучої хвилі розроблена модель, що дозволяє розрахувати інтенсивність поля випромінювання кабелю (тобто і скритність ВСЗ) від кутових координат і частоти, а також кутові і частотні характеристики напруги перешкоди на вході модему ЦСПІ при впливі зовнішнього радіовипромінювання (тобто завадозахищеність ВСЗ).

5. Удосконалено методи вимірювання необхідних для оцінки захищеності КЛС величин: коефіцієнта екранування кабелів та граничного напруги перешкод, при якому xDSL канал зв'язку перестає функціонувати.

В області практичних розробок та експерименту.

1. Вперше створений і випробуваний дослідний зразок багатоканальної ЦСПІ «Quadro». Виміряні характеристики складають наступні значення: швидкість передачі інформації по одному SHDSL каналу 5,6 Мбіт/с; дальність роботи системи до 5 км (при КЛЗ типу ТПП-0,5 мм). Досягнуті результати задовольняють вимогам стандартів передачі відеоінформації, що дозволяє рекомендувати створену ЦСПІ до застосування в сучасних ВСЗ і зробити висновок про практичну придатність запропонованих в дисертації апаратних рішень.

2. Розроблені установки і вперше проведені вимірювання частотних характеристик коефіцієнтів екранування вітчизняних кабелів в діапазоні 1-100 МГц та граничної напруги завади для випадку SHDSL технології.

Отримані дані представляють великий практичний інтерес і в даній роботі були використані для оцінки ступеня захищеності вже прокладених КЛЗ. При порівнянні даних чисельних і натурних експериментів показано наступне: радіочастотна завада руйнує роботу каналу зв'язку при напруженості поля біля поверхні землі над трасою прокладки кабелю приблизно 7 В/м у діапазоні частот (1-100) МГц; КЛЗ випромінює поле з малою напруженістю поля біля поверхні землі, що призводить до необхідності організації захисних зон радіусом не більше 400 м на частоті 1МГц; з ростом частоти величина ЗВ різко спадає.

3. Підсумковим результатом дисертації є створення за участю автора (керівник проекту) Центру обслуговування викликів служби «102» ГУМВС м. Харкова. Дослідна експлуатація цього центра показала перспективність використання розробленої ВСЗ та необхідність її впровадження в межах всієї України.

Таким чином, всі поставлені задачі вирішені і мета дисертації досягнута. Подальші дослідження в даному напрямку на наш погляд повинні бути спрямовані на використання в ВСЗ дротових MIMO (Multiple Input Multiple Output) технологій, що дозволить задовольнити ще більш жорсткі вимоги передачі мультимедійної інформації в наступному поколінні ЦСПІ.

цифровий радіоканал мультимедійний

Список публікацій за темою дисертації

Основні результати дисертації опубліковані в таких роботах:

1. Маслий В.В. Принципы построения центров обслуживания вызовов службы "02" УМВД Украины /В.В. Маслий, А.И. Цопа// Збірка тез доповідей Міжнародної науково-практичної конференції "Обробка сигналів і негауссівських процесів". - Черкаси: ЧДТУ, 2007. - С. 149-150.

2. Маслий В.В. Направления создания защищенных центров обслуживания вызовов службы «02» УМВД Украины /В.В. Маслий, А.И. Цопа // Науково-технічний журнал «Захист інформації». - 2007. - Вип. № 4. - С. 87-92.

3. Маслий В.В. Оценка защищенности проводных каналов связи с использованием xDSL технологий от деструктивного электромагнитного воздействия / В.В. Маслий, А.А. Цопа, А.И. Цопа // Науково-технічний журнал «Захист інформації». - 2007. - Спеціальний випуск. - С. 32-39.

4. Маслий В.В. Архитектура защищенного центра обслуживания вызовов службы «02» УМВД Украины /В.В. Маслий, А.И. Цопа // III Міжнародна науково-практична конференція «Спеціальна техніка у правоохоронній діяльності». - Київ: КНУВС, 2007. - С. 113-114.

5. Maslyi V.V. Scientific researches results of wired specialized digital information transmission systems creation (DITS)/ V.M. Shokalo, O.I. Tsopa, V.V. Maslyi // Proc. of IX International Conf. Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science /TCSET'2008/. - Lviv-Slavsko. - 2008. - P. 1-4.

6. Маслий В.В. Результаты разработки проводных специальных систем передачи информации / В.М. Шокало, А.И. Цопа, В.В. Маслий // Международный научный журнал «Компъютинг» научно-исследовательского института Интеллектуальных компьютерных систем. - Тернополь. - 2008. - Том 7, Выпуск № 1, - С. 126-134.

7. Маслий В.В. Исследование защищенности кабельных линий связи / В.В. Маслий, А.А. Цопа, С.А. Маковецкий, А.И. Цопа // Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій: Тези доповідей IV Міжнародної науково-практичної конференції /РТІТ-2008/. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. - С. 218-219.

8. Маслий В.В. Модель кабельной линии связи как излучающей системы / В.В. Маслий, А.А. Цопа, А.И. Цопа // Материалы 3-го Международного радиоэлектронного форума. Международная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации /СРРСН-2008/». - Харьков: ХНУРЭ, 2008. - С. 137-139.

9. Маслий В.В. Защищенность кабельного канала связи при применении xDSL технологий / А.А. Дудка, В.В. Маслий, А.И. Цопа, В.М. Шокало// Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. - Київ: ДУІКТ, 2009. - Том. 7. - Вип. 3. - C. 264-271.

10. Маслий В.В. Методика измерения коэффициента экранирования кабельных линий связи / С.А. Маковецкий, В.В. Маслий, А.И. Цопа // Радиотехника: Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник. - 2009. - Вып. № 157. - С. 142-146.

Размещено на Allbest.ru

...