Помехозащищенность систем связи

А. С. Грибанов





ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ СИСТЕМ СВЯЗИ


Учебное пособие


























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.391.8
ББК 32.841
     Г82



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института динамики геосферы РАН Перунов Юрий Митрофанович; доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиосистем управления, передачи и защиты информации Московского авиационного института (Национального исследовательского университета) Куприянов Александр Ильич





    Грибанов, А. С.
Г82 Помехозащищенность систем связи : учебное пособие / А. С. Грибанов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 364 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1243-8

          Представлены теоретические основы радиотехники. Описаны принципы построения, логическая и физическая структуры беспроводных систем передачи информации. Проведена оценка помехоустойчивости систем радиосвязи 2G и 3G. Рассмотрены обобщенные модели динамики функционирования систем радиосвязи и радиоэлектронного подавления.
          Для студентов, обучающихся по специальностям «Информационная безопасность», «Основы теории систем передачи информации», «Основы систем и комплексов радиоэлектронной борьбы». Может быть полезно инженерам, научным работникам и специалистам, занятым в проектировании и обслуживании технологических сетей и систем мобильной связи.

                                                         УДК 621.391.8
                                                         ББК 32.841








ISBN 978-5-9729-1243-8

    © Грибанов А. С., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


1. РЕТРОСПЕКТИВА СИСТЕМ СВЯЗИ И ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.................4
    1.1. Построение линий связи...................................5
    1.2. Принципы разделения каналов.............................20
    1.3. Системы разведки и противодействия......................29

2. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ К КОНКРЕТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ..................37
    2.1. Помехоустойчивость приёмника............................37
        2.1.1. Задачи обнаружения сигнала........................38
        2.1.2. Задача различения.................................44
    2.2. Помехоустойчивость системы..............................50
    2.3. Скрытность..............................................58
    2.4. Помехозащищенность......................................77

3. ПОМЕХИ........................................................86
    3.1. Условия передачи информации по линии связи.............103
    3.2. Вероятность искажения импульсной последовательности....109
    3.3. Оценка эффективности помех.............................115
    3.4. Информационный ущерб от силовой помехи.................123

4. ЦИФРОВЫЕ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 2G.............................127
    4.1. Оборудование MS........................................134
    4.2. Помехозащищенность - способность радиолинии работать в условиях воздействия организованных помех.................154
    4.3. Общие принципы помехопостановки........................183
    4.4. Разработка принципов функционирования устройства помех.189

5. СИСТЕМЫ СВЯЗИ С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ..................199

6. СИСТЕМЫ СВЯЗИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ............................................276
    6.1. Совмещение по времени сигнала и помехи.................282
    6.2. Возможность пространственного разрешения источников ППРЧ.285
    6.3. Заградительная помеха..................................321

ЛИТЕРАТУРА......................................................359


3

                                                       Автор выражает благодарность Игорю Михайловичу Теплякову, Ирине Юрьевне Ульянкиной и Василию Николаевичу Юдину.



1. РЕТРОСПЕКТИВА СИСТЕМ СВЯЗИ И ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ


     Система связи - это совокупность технических средств, физической среды и методов, обеспечивающих передачу сообщения от источника к получателю.
     Дальность связи определяются характеристиками среды распространения, а скорость передачи - параметрами передаваемого сигнала.
     В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:
     - ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро;
     - СВ сильно поглощаются ионосферой днём, и район действия определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отражённой волной;
     - КВ распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует т. н. зона радиомолчания. Днём лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью - более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на большие расстояния при малой мощности передатчика;
     - УКВ распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой, однако при определённых условиях способны огибать земной шар из-за разности плотностей воздуха в разных слоях атмосферы. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность;
     - СВЧ не огибают препятствия, распространяются в пределах прямой видимости, используются в Wi-Fi, сотовой связи, а также для спутниковой связи;
     - благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости.
     Большую дальность обеспечивают: КВ-связь земной (поверхностной) волной; КВ-связь ионосферной (пространственной) волной; УКВ связь прямой видимости; тропосферная связь. Чтобы совместить дальность и скорость, используют искусственные технические средства - ретрансляторы - это радиорелейная связь, спутниковая связь.



4

1.1. Построение линий связи


     Тропосферные радиорелейные линии связи
     Принцип дальнего тропосферного распространения
     Принципы построения тропосферных радиорелейных линий (ТРЛ) характеризуются рядом особенностей, связанных со спецификой передачи радиосигналов. Создание ТРЛ стало возможным после того, как было открыто явление дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ. ДТР происходит за счет отражения и рассеяния радиоволн турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы. При этом поле в точке приема создается в результате переиз-лучения только тех неоднородностей, которые находятся в пределах объема Q, образованного пересечением диаграмм направленности передающей и приемной антенн (рисунок 1.1). Если использовать антенны с высокой направленностью (большим коэффициентом усиления), то объем переизлучения будет уменьшаться.

Рис. 1.1. Модель распространения УКВ на пролете ТРЛ

     В результате этого рост уровня сигнала на выходе приемной антенны А₂ может отставать от роста усиления антенны. Данное явление принято называть потерей усиления антенн. Переизлучающий объем Q тропосферы играет роль пассивного ретранслятора. Q характеризуется значительной пространственной и временной неоднородностью. Рассеяние радиосигнала в объеме Q происходит во все стороны, и лишь незначительная часть его поступает в точку приема. Чем больше угол рассеяния Q (рис. 1.1), тем меньше угол принимаемого сигнала.
     Все это в целом приводит к следующим особенностям в передаче сигналов по ТРЛ:
     1.       Поскольку для переизлучения можно использовать даже верхние слои тропосферы (в умеренных широтах высота тропосферы составляет 10-12 км), протяженность пролетов R (расстояние между пунктами А₁ и Az) на ТРЛ может превышать 1000 км (при этом антенны можно располагать непосредственно

5

на Земле). Однако с учетом других особенностей расстояние между станциями выбирают чаще в пределах 200.400 км.
      2.      Вследствие значительного ослабления сигналов на пролетах приходится существенно увеличивать энергетический потенциал системы. На ТРЛ применяют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны размерами до 30x30 м² и, соответственно, коэффициентом усиления до 50.55 дБ, малошумящие приемники.
      3.      Из-за пространственно-временной неоднородности переизлучающих объемов тропосферы принимаемые сигналы на ТРЛ подвержены как быстрым, так и медленным замираниям. Первые обусловлены интерференцией множества радиоволн, переизлученных разными участками рассеяния в объеме Q. Длительность быстрых замираний изменяется от сотых долей секунды до нескольких секунд. В течение 5.10 мин случайный процесс изменения уровня принимаемого сигнала приближенно можно считать стационарным. Для этого интервала времени на основе статистических данных можно определить медианное значение множителя ослабления Vм, то есть такое значение V, которое превышается (или не превышается) в течение 50 % указанного времени наблюдения. Распределение мгновенных значений множителя ослабления V при быстрых замираниях удовлетворительно аппроксимируется законом Релея. При этом выраженная в процентах времени интегральная функция распределения
Т(V) = 100 {1 - exp [-0,69(V / VM)² ]}.
      Медленные замирания связанны с изменением метеорологических условий на трассе. С учетом медленных замираний процесс изменения уровня сигнала в целом является нестационарным. Математической моделью медленных замираний принято считать распределение случайных величин Vм относительно медианного значения, определенного за длительный срок, например, за месяц или год. Чаще используется медианное значение (Vм.м), которое рассчитывается на основе статистических данных об изменении Vм в течение одного месяца наблюдения. Колебания Vм.м в течение года связывают с сезонными замираниями (месячная медиана уровня сигнала в летние месяцы примерно на 10 дБ больше, чем зимой). Для борьбы с медленными и сезонными замираниями эффективны адаптивные системы с каналом обратной связи, по которому можно управлять мощностью и (или) частотой передатчика.
      Для быстрых замираний на ТРЛ изменение сигналов в любой момент времени неоднородны в различных областях пространства и частот, поэтому для борьбы с быстрыми замираниями организовывают параллельные каналы передачи, отличающиеся несущими частотами (разнесение по частоте) и (или) траекториями распространения волн (разнесение в пространстве за счет использования различных областей переизлучения и (или) нескольких взаимно удаленных приемных антенн). При относительном частотном разносе

6

Дflf) = 2-10'³...5-10³ или разносе антенн в перпендикулярном трассе направлении на 70...100 длин волн замирания сигналов в отдельных каналах становятся некоррелированными. В этом случае, например, для системы m-кратного разнесенного приема с автовыбором большего из сигналов (сигнала большей мощности в точке приема), распределение результирующей величины множителя ослабления
T(V) = 100 (1 - ехр[-0,69(V l VM )²]jm,
что указывает на повышение устойчивости связи по сравнению с одинарным приемом.
     4.      Селективные замирания по частоте препятствуют передаче по ТРЛ широкополосных сигналов (как аналоговых, так и цифровых), так как при широком спектре передаваемых сигналов селективные замирания вызывают изменения фазовых и амплитудных соотношений спектральных компонентов, то есть искажается спектр, а, следовательно, и форма сигналов. В групповом телефонном сигнале возникают переходные помехи как при использовании метода ЧРК-ЧМ, так и при импульсной (цифровой) модуляции. Селективные замирания являются следствием многолучевого распространения радиоволн. Если относительное запаздывание лучей Дt превосходит длительность одного цифрового сигнала т, то возникает явление эхо, искажается форма сигналов.
     Связанное с селективными замираниями ограничение полосы частот при передаче аналоговых и цифровых сигналов указывает на недостаточную пропускную способность ТРЛ. Действительно, число ТФ каналов в одном стволе ТРЛ пока не велико (120 ТФК). Для передачи телевидения применяют специальное оборудование, используют частоты в диапазоне 4.6 ГГц, антенны с шириной диаграммы направленности не более 0,3°.
     Для борьбы с быстрыми замираниями наибольшее распространение получили различные варианты разнесенного приема и применение широкополосных составных сигналов. Так как замирания на ТРЛ весьма интенсивны, на этих линиях часто прибегают к комбинированным видам разнесения сигналов.

     Радиорелейные линии прямой видимости
     Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи.
     Радиорелейные линии (РРЛ) превратились в эффективное средство передачи больших массивов информации на расстояния в тысячи километров.
     РРЛ стали важной составной частью сетей электросвязи - ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных, поскольку имеют ряд важных достоинств, в том числе:

7

     - возможность быстрой установки оборудования при небольших капитальных затратах;
     - экономически выгодная, а иногда и единственная, возможность организации многоканальной связи на участках местности со сложным рельефом;
     - возможность применения для аварийного восстановления связи в случае бедствий, при спасательных операциях и в других случаях;
     - эффективность развертывания разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;
     - высокое качество передачи информации по РРЛ, практически не уступающие ВОЛС и другим кабельным линиям.

ОРС,

Рис. 1.2. Принцип действия радиорелейной связи

     Современные радиорелейные линии связи позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений. Для таких потоков информации требуются полосы частот до нескольких десятков, а иногда и сотен мегагерц и, соответственно, несущие не менее нескольких гигагерц. Известно, что радиосигналы на этих частотах эффективно передаются лишь в пределах прямой видимости. Поэтому для связи на большие расстояния в земных условиях приходится использовать ретрансляцию радиосигналов. На радиорелейных линиях прямой видимости в основном применяют активную ретрансляцию, в процессе которой сигналы усиливаются.
     Протяженность пролетов R между соседними станциями зависит от профиля рельефа местности и высот установки антенн. Обычно ее выбирают близкой к расстоянию прямой видимости R₀, км. Для гладкой сферической поверхности Земли и без учета атмосферной рефракции:
Rо = 3,57(+     ),
где h 1 и h₂ - высоты подвеса, соответственно, передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности

8

     R о = 40.70 км, ah ₁ и h ₂ составляют 50.80 м. Принцип радиорелейной связи показан на рисунке 1.2, где отмечены радиорелейные станции трех типов: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС).
     Пролет (интервал) РРЛ - это расстояние между двумя ближайшими станциями.
     Участок (секция) РРЛ - это расстояние между двумя ближайшими обслуживаемыми станциями (УРС или ОРС).
     На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям от междугородных телефонных станций (МТС), междугородных телевизионных аппаратных (МТА) и междугородных вещательных аппаратных (МВА), в сигналы, передаваемые по РРЛ, а также обратное преобразование. На ОРС начинается и заканчивается линейный тракт передачи сигналов.
     С помощью УРС обычно решают задачи разветвления и объединения потоков информации, передаваемых по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, телевизионных и других сигналов, посредством которых, расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.
     На ОРС и УРС всегда имеется технический персонал, который обслуживает не только эти станции, но и осуществляет контроль и управление с помощью специальной системы телеобслуживания ближайшими ПРС. Участок РРЛ (300.500 км) между соседними обслуживаемыми станциями делится примерно пополам так, что одна часть промежуточных станций входит в зону телеобслуживания одной УРС.
     С помощью РРЛ решают следующие задачи:
     1.      Создание стационарных магистральных линий для передачи больших потоков информации на расстояния в несколько тысяч километров. В этих случаях применяются системы большой емкости. Магистральные РРЛ обычно являются многоствольными. Ствол РРЛ - совокупность приемопередающих устройств, антенно-фидерных трактов и среды распространения.
     2.      Использование стационарных РРЛ для организации внутризоновой связи. Эти линии имеют протяженность до 600.1400 км. Здесь применяют РРС средней емкости, которые в большинстве случаев рассчитаны на передачу телевизионных сигналов и сигналов радиовещания. Часто эти линии являются многоствольными и ответвляются от магистральных РРЛ.
     3.      Использование РРЛ в местной (районной и городской) сети связи. Здесь в основном применяют РРЛ малой емкости.
     4.      Обеспечение с помощью многоканальных РРЛ служебной связью железнодорожного транспорта, газопроводов, нефтепроводов, линий энергоснабжения и других систем, охватывающих большую территорию.

9

     5.      Обеспечение подвижной связи, используемой в случае ремонта или модернизации стационарных РРЛ и кабельных линий связи (КЛС), а также для других целей.
     6.      Соединение базовых станций и центров коммутации в составе системы подвижной связи.

     Сети связи на базе беспилотных летательных аппаратов
     Развертывание беспроводных систем связи на территории со сложным географическим рельефом связано с решением большого количества сопутствующих организационных и технологических задач.
     Установка активных ретрансляторов требует строительства антенномачтовых сооружений, подвода электропитания и установки аппаратного контейнера для активного оборудования и его обслуживание.
     В районах, где нет стационарной связи (в том числе и спутниковой) или там, где связь необходимо поддерживать непродолжительное время, а использование спутниковой связи экономически неэффективно, применение для трансляции информации БПЛА может оказаться единственным с точки зрения времени развертывания, стоимости и, в определенных условиях, эффективности.

     Спутниковые линии связи
     Спутниковые системы связи - частный случай радиорелейных линий связи: спутниковые системы передачи. Принцип осуществления системы связи с использованием искусственных спутников Земли показан на рисунке 1.3. Здесь через а и б обозначены земные станции (ЗС), между которыми устанавливается связь, а прямые аа' и бб', касательные к поверхности Земли в точках а и б, являются линиями горизонта этих пунктов. Поэтому спутник ИСЗ₁, движущийся по орбите MN, может одновременно наблюдаться со станций а и б при движении его по участку орбиты а 'и б'. Следовательно, электромагнитные колебания, излучаемые антенной системой ЗС в точке а в направлении ИСЗ₁, могут быть приняты бортовой радиоаппаратурой спутника и после их усиления и преобразования по частоте направлены в сторону Земли, где будут приняты антенной ЗС в точке б. Антенны ЗС всегда должны быть ориентированы на ИСЗ. Следовательно, при движущихся ИСЗ антенны должны поворачиваться, осуществляя непрерывное «слежение» за перемещением спутника в пространстве.
     Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала или системой с активным спутником.
     Преимущества спутниковых систем связи
     Спутниковые системы связи появились после запуска на высокую эллиптическую орбиту первого отечественного спутника связи «Молния-1» и запуска на геостационарную орбиту первого спутника коммерческой связи Intelsat-1.

10

     Таким образом, была реализована идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.

Рис. 1.3. Принцип радиосвязи через ИСЗ

     Орбиты спутниковых систем связи
     Орбита ИСЗ в общем случае представляет собой эллипс, один из фокусов которого совпадает с центром Земли. Ближайшая к Земле точка орбиты называется перигеем, наиболее удаленная - апогеем.


Рис. 1.4. Спутниковые орбиты

      Частным случаем эллипса является окружность (круговая орбита). Наклонением орбиты называется двугранный угол, образуемый плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли. Если орбита наклонена к экваториальной плоскости Земли, то при наблюдении с Земли спутник в течение суток описывает на небе восьмёрку. Орбиты с большим наклонением, порядка 70 градусов

11