Use of a Waveguide Simulator of Electromagnetic Wave Propagation to Assess Signal Attenuation inside Buildings

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.137.31
Issue: № 11 (137), 2023
Suggested:
08.08.2023
Accepted:
07.11.2023
Published:
17.11.2023
310
2
XML
PDF

Abstract

The results of research into the possibility of using the waveguide simulator of electromagnetic wave propagation inside buildings are presented. A theoretical calculation of signal attenuation inside a real building at a frequency of 400 MHz is carried out. The obtained results were verified by direct measurements using special equipment. The coincidence of the experimental results with the theoretical calculation can be regarded as a practical substantiation of the applicability of the waveguide model to analyse the attenuation of signals in wireless information transmission networks and to evaluate the effectiveness of passive protection devices that reduce the amplitude of signals whose propagation is undesirable outside the building envelope and premises.

1. Введение

В современном мире проблема распространения электромагнитных волн в условиях городской среды крайне актуальна. Рекомендации МСЭ-Р описывают ослабление радиосигналов в свободном пространстве, атмосфере, дожде и растительности

,
,
,
Существуют модели распространения электромагнитных волн в плотной городской застройке
,
,
или на большие расстояния, в которых городским рельефом можно пренебречь
. Эти модели описывают беспроводные каналы связи. Однако не все они могут быть применены для расчёта естественного затухания электромагнитных сигналов внутри помещений и анализа защищенности объектов от утечек информации. Для этой оценки требуется учитывать геометрию пространства внутри зданий, поскольку охраняемый периметр проходит либо по границам одного из помещений, либо целого здания.

Особенностями распространения электромагнитных волн в таких условиях являются:

- наличие большого количества физических препятствий на пути распространения сигнала;

- наличие переотражения сигнала на пути распространении электромагнитных волн.

Для решения этой проблемы может быть использована волноводная модель беспроводных каналов внутри зданий. Такая модель подойдет и для проведения оценки пассивных средств защиты информации и естественного затухания сигналов, в том числе тех, которые формируют каналы утечки. К подобным сигналам можно отнести побочное электромагнитное излучение, присутствующее в автоматизированных информационных системах, при помощи которого возможен перехват и восстановление сигнала злоумышленниками

.

При таком подходе для расчета характеристик распространения электромагнитных волн необходимо решать задачу о возбуждении электромагнитных колебаний в объемных резонаторах с потерями прямоугольной формы, которую имеют подавляющее количество помещений и зданий.

В данной статье будет проведена оценка возможности применения волноводной модели для оценки не уровня распространенного сигнала, а его затухания. Для верификации модели произведен расчёт значений по методике, описанной в соответствующей статье

.

2. Основные результаты

Проводимые исследования включают следующие этапы:

- расчет уровня излучения при помощи волноводной модели;

- прямые измерения уровня излучения в разных точках помещения;

- сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.

Практические эксперименты проводились в одном из корпусов НИУ МИЭТ. На рисунке 1 представлен план лаборатории, в которой проводились измерения.

План исследуемых помещений

Рисунок 1 - План исследуемых помещений

Основные характеристики здания:

- высота потолка во всех помещениях составляет 2,975 метра;

- толщина всех стен равняется 15 см, за исключением помещения №8218, толщина стен в котором равняется ~29 см;

- толщина межэтажного перекрытия составляет 45 см.

- размер дверных проемов составляет 210х90 см для всех дверей;

- толщина дверей равна ~7 см.

Измерения проводились при помощи лазерного дальномера.

При использовании волноводной модели необходимо рассчитать коэффициенты затухания в физических средах и знать значение сигнала в опорной точке

. Для их определения использовалось следующее оборудование:

- генератор сигналов SMB 100A;

- анализатор спектра FSV13;

- антенна измерительная дипольная НБА-02;

- антенна АШП-12;

- антенна АШН-2.

Место установки генератора при измерении значения уровня сигнала в опорной точке показано на рисунке 1. Измерительная антенна была установлена на расстоянии 1 метр от излучающей антенны (рис. 2). Для имитации излучения источника электромагнитных сигналов использовался генератор сигналов SMB 100A вместе с антенной АШП-12. Данная антенна имеет тороидальную (близкую к круговой) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости при вертикальной установке, что позволяет имитировать распространение побочного электромагнитного излучения. Генератор сигналов имеет максимальную выходное напряжение в 131.9 дБ относительно мкВ. Измерения проводились на частоте 400 МГц. Для получения максимального уровня сигнала использовался поворотный стол, с его помощью излучающая антенна делала полный оборот вокруг оси стола, что позволяет уменьшать возможную неравномерность диаграммы направленности. Измеренный уровень напряжения составил 103 дБмкВ. Измерительная антенна НБА-02, согласно паспорту, на частоте 400 МГц имеет коэффициент калибровки в 23.1 дБмкВ. Следовательно, напряженность в опорной точке равняется 126.1 дБмкВ.

Стенд для измерения значения уровня сигнала в опорной точке

Рисунок 2 - Стенд для измерения значения уровня сигнала в опорной точке

Таблица 1 - Настройки анализатора спектра при проведении измерений

Параметр

Значение параметра (модель)

Значение параметра (опорная точка)

Trace

Average (100)

Max Hold

Detector

RMS

RMS

RBW/VBW

10 kHz

10 kHz

Frequency

400 MHz

400 MHz

Span

1 MHz

1 MHz

Attenuator

0 dB

0 dB

Значения параметров анализатора спектра, указанные во втором столбце таблицы 1, использовались для измерений затуханий в физических средах и значений уровня сигнала в исследуемых помещениях. Значения из третьего столбца использовались для измерения значения уровня сигнала генератора в опорной точке.

Измерение затуханий в дверях (излучатель)

Рисунок 3 - Измерение затуханий в дверях (излучатель)

Расчёт затуханий проводился на основе экспериментальных данных: генератор сигналов с излучающей направленной антенной АШН-2 ставился напротив анализатора спектра с измерительной антенной НБА-02 на расстоянии 1 метр, после чего проводился замер уровня напряжения. Второе измерение проводилось следующим образом: генератор сигналов и излучающая антенна АШН-2 ставились с одной стороны исследуемой физической преграды на расстоянии 1 метр, а анализатор спектра и измерительная антенна с другой стороны на том же самом расстоянии (рис. 3). Разница в измерениях является затуханием. Для упрощения расчётов затухание в гипсокартонных стенах одинаково для всех подобных межкомнатных перекрытий.
Измерение затуханий в дверях (приёмник)

Рисунок 4 - Измерение затуханий в дверях (приёмник)

Таблица 2 - Измеренные значения затуханий

Физическая среда

Затухание в дБмкВ

Затухание в стене

7,56

Затухание в двери

6,12

Затухание в двойной стене (№8206)

9,67

Затухание в двойной двери (№8206)

11,74

Затухание в окне

4,47

Затухание в железной двери (Лестница)

9,43

Затухание в кирпичной стене (№8218)

14,45

Затухание в межэтажном перекрытии

19,81

Для упрощения расчёта рассмотрена модель здания, учитывающая только один этаж и коридор этажом выше и ниже. Для каждого помещения рассматривается входящий поток также из тех помещений, с которыми есть минимум одна общая стена. Отражения с улицы не учитываются.

Вычисления проводились согласно упрощённой методике расчёта волноводной модели, описанной в статье [12]. Основные положения этой модели используют для расчета следующие соотношения:

img
(1)
img
(2)
img
(3)

Где Pr – мощность излучающего генератора, Sk – площадь k-й грани прямоугольника (k = 1-6), V – объем резонансной структуры, dст – толщина стены, Lсm– затухание в рассматриваемой dсm стене.

Если k-ая грань (стена, пол или потолок) была неоднородна, проводилась нормализация значения img. К примеру, если на одной поверхности помещения присутствует окно, то для площади окна берется одно значение img, а для стены другое, с соответствующим весовым коэффициентом. Геометрическое расположение окна не учитывается. Таким образом, данная модель учитывает неоднородность физических материалов, что повышает достоверность данной модели. При расчёте значения потока на входе в помещение необходимо учитывать также, что смежные помещения также представляют резонирующий волновод и должны учитываться при расчёте входного потока мощности. Следовательно, базовые вычисления должны быть проведены и для смежных помещений.

Таблица 3 - Результаты экспериментов

Помещение

Расчёт

Измерение

Сигнал, дБмкВ

Затухание, дБмкВ

Сигнал, дБмкВ

Затухание, дБмкВ

8200

99,78

26,32

103,1

23

Лестница

98,15

27,95

101,84

24,26

8218

100,26

25,84

104,39

21,71

8217

96,35

29,75

98,82

27,28

8216

96,37

29,73

100,05

26,05

Стеклянная дверь

90,10

36,00

120,66

5,44

8206

113,57

12,53

109,61

16,49

8207

93,95

32,15

98,52

27,58

Окно

99,71

26,39

99,65

26,45

3 этаж

112,93

13,17

107,75

18,35

1 этаж

112,93

13,17

108,68

17,42

Параметры измерения на анализаторе спектра представлены в третьем столбце таблицы 1. Выбор способа отрисовки кривых «Max Hold» был выбран для того, что измеренный уровень сигнала был максимально возможным для исследуемого помещения. Вследствие того, что пространство в помещениях однородно, измерения в смежных помещениях проводились в трех случайных точках при помощи анализатора спектра и направленной измерительной антенны. Уровень сигнала в помещении высчитывался, как среднее арифметическое от измеренных значений.

Для сравнения расчётных значений с экспериментальными данными, необходимо учитывать погрешность измерений. Для анализатора спектра FSV13 при частоте 400 МГц погрешность составляет ±0.5 дБ, измерительная антенна НБА-02 имеет погрешность в ±2.5 дБмкВ.

Все измерения, кроме измерения опорного уровня сигнала, проводились при усреднении значений на анализаторе спектра. Измерение опорного уровня сигнала происходило в режиме фиксации максимального значения амплитуды. Это необходимо для рассмотрения максимально допустимого уровня сигнала, как наиболее опасного. Поскольку в данном случае учитывалось единственное измерение хоть и с максимальным уровнем сигнала, для данного случая необходимо также учитывать максимально возможную погрешность.

В статье, описывающей волноводную модель распространения сигналов, указано допустимое значение разницы между экспериментальными измерениями и волноводной моделью в 3 дБ. Поскольку дБмкВ + 120 = дБ, увеличение уровня сигнала на 1 дБмкВ равно увеличению на 1 дБ.

Таким образом, волноводная модель может быть признана достоверной при разнице в затухании между экспериментом и результатом моделирования меньше, чем 5,5 дБмкВ.

Таблица 4 - Оценка полученных результатов

Помещение

Затухание, дБмкВ (измерение)

Затухание, дБмкВ

(расчёт)

Разница,

дБмкВ

Допустимая разница, дБмкВ

Итог

8200

23

26,32

3,32

5,5

+

Лестница

24,26

27,95

3,69

5,5

+

8218

21,71

25,84

4,13

5,5

+

8217

27,28

29,75

2,47

5,5

+

8216

26,05

29,73

3,68

5,5

+

Стеклянная дверь

5,44

36,00

30,56

5,5

-

8206

16,49

12,53

-3,96

5,5

+

8207

27,58

32,15

4,57

5,5

+

Окно

26,45

26,39

-0,06

5,5

+

3 этаж

18,35

13,17

-5,18

5,5

+

1 этаж

17,42

13,17

-4,25

5,5

+

3. Заключение

Затухания, полученные при помощи волноводной модели, согласуются с данными, полученными экспериментально. Исключениями являются расчеты, выполненные для сигнала, проходящего через стеклянную дверь. Для стеклянной двери значения, полученные моделью, значительно ниже, чем экспериментальные. Это связано с тем, что стеклянная дверь имеет затухание ниже, чем теоретическая погрешность измерений, следовательно, в этом случае нужно рассматривать коридор и его продолжение за стеклянной дверью как один волновод. В остальных случаях экспериментально измеренные значения согласуются с теми, которые получились при расчёте с помощью волноводной модели.

Ограничением использования подобной модели является увеличение количества необходимых измерений за счет того, что для корректного моделирования необходимо уточнять затухание в физических преградах. Для получения более точных оценок необходимо учитывать и наличие мебели внутри помещения, поскольку она также может вносить существенный вклад в затухание и влияет на конфигурацию волноводов внутри помещений.

Article metrics

Views:310
Downloads:2
Views
Total:
Views:310