СПОСОБ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЛУЧАЙНОЙ АНТЕННЕ
METHOD FOR INFORMATION PROTECTION IN DISTRIBUTED RANDOM ANTENNA

Изобретение относится к области защиты конфиденциальной информации (КИ) и может быть использовано для защиты радиотехнических систем, объединенных термином «распределенные случайные антенны» (РСА).
Для обеспечения защиты КИ важное значение имеет выявление и последовательное перекрытие всех технических каналов утечки, в том числе по соединительным линиям (СЛ), отходящим из подлежащих защите помещений (ПЗП) во внешнюю среду. Примерами ПЗП являются помещения (служебные кабинеты, переговорные комнаты и кабины, конференц-залы), предназначенные для работы с КИ при проведении совещаний, переговоров, конференций и т.п. Примерами СЛ, выступающих в роли РСА, являются системы проводов электропитания, заземления, оповещения, охранной и пожарной сигнализации; кабельные линии внешней, внутриофисной и компьютерной связи; трубы систем вентиляции и центрального отопления; металлические части несущих конструкций в зданиях и т.д.
К негативным особенностям каналов утечки КИ через РСА относятся:
- сложный и часто неоднозначный (заранее непредсказуемый) характер возбуждения, связанный с преобразованием исходного сигнала, создаваемого источником КИ (далее КИ-сигнала), в КИ-сигналы, расходящиеся по СЛ. Источниками КИ могут быть как основные (непосредственно участвующие в обработке, передаче и приеме КИ-сигналов) технические средства (ТС), то есть рабочая аппаратура, так и вспомогательные (не участвующие в указанных процессах, но находящиеся в ПЗП - системы и средства электропитания, заземления, охранной и пожарной сигнализации, оповещения, связи, ЭВМ, офисное оборудование и т.д.);
- обычно принципиально разный характер распространения КИ-сигнала внутри ПЗП и КИ-сигналов в СЛ, с помощью которых ТС, размещенные в ПЗП, подключаются к внешнему общедоступному оборудованию. В результате этого КИ-сигналы могут с малым затуханием уходить через РСА далеко за пределы ПЗП и становиться доступными для злоумышленника;
- трудности моделирования (математического, физического, компьютерного) источников КИ и СЛ, выступающих в роли РСА;
- негативная динамика экологических и эргономических характеристик ПЗП при использовании большинства известных методов и средств ликвидации каналов утечки КИ приводящих к тепловому, шумовому и электромагнитному загрязнению ПЗП, ухудшению микроклимата (повышение влажности и изменение состава воздуха без вентиляции), снижению уровня естественного геомагнитного фона и т.п. В ряде случаев нежелательными факторами являются также высокая стоимость, вес и габариты оборудования для защиты ПЗП.
Как разновидность случайных антенн (см. классификацию в [1-2]) РСА в настоящее время исследованы недостаточно. Способы информационной защиты РСА также имеют ряд неизученных особенностей. Это объясняется, во-первых, тем, что, в отличие от СЛ, образующих основные каналы связи (по которым КИ-сигналы поступают к «законным» - санкционированным потребителям КИ), благодаря РСА возникают побочные каналы (каналы утечки КИ), по которым КИ-сигналы поступают к несанкционированным потребителям КИ - злоумышленникам. При организации информационной защиты СЛ основных каналов ограничением является отсутствие недопустимых помех для законных потребителей КИ. При защите РСА данного ограничения не существует, поскольку к ним подключаются только злоумышленники.
Во-вторых, надежные и универсальные способы пассивной защиты СЛ («герметичное» электромагнитное экранирование, заземление, фильтрация КИ-сигналов) для защиты РСА зачастую неприменимы. Главным и наиболее перспективным средством в данном случае является активная защита КИ - с использованием различного рода преднамеренных помех (заградительных шумовых, имитационных прицельных и др.). В-третьих, поскольку КИ-сигналы через РСА способны с малым затуханием уходить далеко за пределы ПЗП, злоумышленник может использовать в своих целях высокоэффективную стационарную аппаратуру. Поэтому при организации активной защиты КИ необходимо всеми доступными способами - включая новые научно-технические идеи - повышать ее универсальность и эффективность.
Известны следующие способы активной защиты КИ, основанные на применении преднамеренных помех, призванных энергетическим способом (для маскирующих шумовых помех) или путем нанесения максимального информационного ущерба (для имитационных помех) «подавить» КИ - сигналы во всех потенциально возможных каналах утечки, чтобы затруднить злоумышленнику перехват и обработку КИ с помощью имеющихся у него ТС [3-5]:
ш
- линейное зашумление, которое реализуется с помощью шумового генератора, подающего сигнал с уровнем U(t) во все подлежащие защите СЛ;
- пространственное зашумление, которое имеет в виду создание в пределах ПЗП электромагнитного поля (ЭМП) со структурой и характеристиками, обеспечивающими защиту КИ от перехвата по каналам электромагнитной утечки;
- кодовое зашумление - применяемое при невозможности использовать другие
виды активной защиты, связанные с ЭМП;
- самозашумление, которое является специфическим видом зашумления компьютеров, когда либо стоящие рядом ЭВМ работают так, что ЭМП их КИ-сигналов искажают друг друга, либо один компьютер работает в мультипрограммном режиме, когда обработка перехваченного КИ-сигнала с целью извлечения КИ злоумышленником затруднена.
Известным направлением развития методов активной защиты является применение генераторов имитационных помех, способных при малых уровнях ЭМП в окружающем пространстве (что необходимо для улучшения электромагнитной совместимости ТС и обеспечения безопасности условий работы персонала и потребителей КИ) наносить максимальный информационный ущерб потенциальному злоумышленнику [5].
Из уровня развития техники известны способы амплитудной и угловой (частотной, фазовой) модуляции сигналов [6]. Известно предложение использовать каналы, полученные путем суммарно-разностного преобразования в частотной области, для скрытной связи между абонентами с применением отражающих поверхностей с управляемыми параметрами [7]. Соответствующий методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления описан в [8]. Известен также способ определения затухания сигнала в РСА, основанный на использовании нелинейного суммарно-разностного частотного (СРЧ) преобразования [9].
c
0
0
A
1
A
1
c
c
1
c
c
1
c
ш
c
ш
0
ш
1
A
0
1
c
c
Наиболее близким по технической сущности является способ линейного зашумления [3, с.188, рис.8.9] (прототип предлагаемого изобретения), который, применительно к условиям решаемой задачи, предусматривает подключение к РСА через N устройств сопряжения генераторов преднамеренных помех, обеспечивающих информационную защиту РСА. Рассматриваемый КИ-сигнал в заданной частотно-временной области представляет собой U(t)=U(t) cos Φ(t), где амплитуда сигнала U(t)=U+U(t); U - амплитуда несущей сигнала, U{t) - модулирующий амплитуду КИ-сигнал; фазовый угол сигнала Φ(t)=ωt+φ+Ω(t), где ω и φ - соответственно, несущая частота и фаза несущей сигнала, Ω(t) - модулирующий фазовый угол КИ-сигнал, t - текущее время. Идея линейного зашумления состоит в прибавлении к U (t) шумовой помехи U(t), то есть формирование в СЛ, образующих РСА, аддитивной смеси сигнала и помехи вида U(t)+U(t)=U(t)cos Φ{t)+U(t). В принятых обозначениях амплитудной модуляции (AM) соответствует добавка модулирующего КИ-сигнала U(t) к U в составе множителя U(t); угловой модуляции (УМ) - воздействие Ω(t) на слагаемые в составе углового множителя Ф(t): при частотной модуляции (ЧМ) - на ω(t); при фазовой модуляции (ФМ) -на φ(t).
АП
с
АП
МП
МП
c
MП
МП
АП
ш
u
c
1
1
Преднамеренные помехи по принципу воздействия на КИ-сигнал можно разделить на две категории: аддитивная помеха (АП) U(t), которая отвечает условию U(t)=U(t)+U(t) - сигнал, принимаемый злоумышленником; и мультипликативная помеха (МП) U(t), соответствующая U(t)=k U(t)·U(t), где k - коэффициент размерности, зависящий от способа реализации МП. Обобщением способа-прототипа является применение в качестве U(t) вместо U(t) имитационной помехи U(t) - аналогичной по свойствам U(t), однако не связанной с модулирующими КИ-сигналами U(t) и Ω(t).
c
АП
c
ш
c
П
Основным недостатком способа-прототипа является возможность существенно снизить эффективность информационной защиты РСА путем применения злоумышленником известных методов обнаружения и повышения помехоустойчивости приема сигналов любого конкретного вида (аналоговых, цифровых) при обработке аддитивной смеси сигнала и преднамеренной шумовой помехи U(t)=U(t)+U(t)=U(t)+U(t) [11]. Это становится возможным во многом благодаря тому, что частотные энергетические спектры КИ-сигнала G(ω, t) и шумовой помехи G (ω; t), где ω - круговая частота, никак не связаны между собой и изменяются во времени по независимым друг от друга законам.
При использовании имитационных помех, аналогичных по параметрам КИ-сигналу, информационный ущерб, наносимый злоумышленнику, зависит от точности воспроизведения помехами параметров КИ-сигналов - которые, одновременно, должны быть лишены конкретного КИ-содержания [12-14]. Эти требования противоречат друг другу, что осложняет возможность реализации данного способа защиты РСА. Применение имитационных помех затрудняет также необходимость постоянной синхронизации помехи с КИ-сигналом.
c
П
C
П
С целью устранения недостатков, присущих способу-прототипу, в предлагаемом изобретении предлагается связать спектры КИ-сигнала G (ω; t) и преднамеренной помехи G (ω; t) с помощью стохастического СРЧ-преобразования КИ-сигнала U(t) и помехи U(t) на нелинейном элементе (НЭ), вводимом для этой цели в состав РСА.
CП
mn
mn
c
П
mn
СП
П
После СРЧ-преобразования общий спектр КИ-сигнала и помехи приобретает вид G (ω; t), где ω=|m ω ± n ω|; m; n [1; 2…] - коэффициенты преобразования, определяющие порядок m+n составляющих U (t) в преобразованном сигнале U(t). В соответствии с принятой терминологией [10], при внутреннем воздействии на НЭ помехи U(t) по СЛ, входящим в состав РСА, используемое СРЧ-преобразование является аналогом комбинационного преобразования, а при внешнем воздействии помехи по эфиру - аналогом интермодуляционного преобразования.
С
С
П
П
CП
CП
mn
mn
с
П
mn
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности защиты информации в РСА путем применения совместного СРЧ-преобразования КИ-сигнала U(t) с энергетическим спектром G(ω; t) и преднамеренной помехи U (t) с энергетическим спектром G (ω; t) на НЭ, вводимом в состав РСА, итогом которого является формирование стохастически преобразованного сигнала U(t) со спектром G(ω; t), где ω=|m ω±nω|; m; n [1; 2…] - коэффициенты СРЧ-преобразования, определяющие порядок m+n его составляющих U(t).
Сущность предлагаемого способа защиты информации в распределенной случайной антенне состоит в том, что он предусматривает подключение к распределенной случайной антенне через N устройств сопряжения N генераторов помех, которые обеспечивают информационную защиту распределенной случайной антенны, и отличается тем, что в состав М из числа N устройств сопряжения вводят нелинейные элементы, с помощью которых под воздействием М≤N помех осуществляют совместное стохастическое суммарно-разностное частотное преобразование информационных сигналов и помех, излучаемых распределенной случайной антенной.
Фиг.1 демонстрирует схему реализации прототипа - известного способа линейного зашумления применительно к РСА со сложной многоэтажной структурой, где 1 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 2 - устройство сопряжения (общее число N); 3 - генератор преднамеренных помех (общее число М).
Фиг.2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа защиты информации в РСА, где 1 - РСА в виде разветвленной неоднородной СЛ; 2 - устройство сопряжения (общее число N); 3 - генератор преднамеренных помех (общее число N); 4 - НЭ элемент, условно показанный в виде полупроводникового диода (общее число M≤N).
n
П
П
Фиг.3 показывает варианты реализации устройства сопряжения генератора помехи U (t) с РСА, подключаемого к РСА в точках А-А, при наличии НЭ: а) - с помощью индуктивной связи через трансформатор; б) - с помощью емкостной связи через конденсаторы С; в) - с помощью гальванической связи через резисторы R, г) - с помощью внешнего облучения помехой от антенны АП.
Фиг.4 представляет спектрограммы для сигнала, циркулирующего в РСА при подключении в ней генератора шумовой помехи и генератора сигнала 890 МГц (верхняя кривая); и при отключенном генераторе сигнала 890 МГц (нижняя кривая): а) - в полосе частот до 2 ГГц; б) - в полосе частот до 3 ГГц.
Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.
c
0
с
ш
0
ш
c
C
П
П
u
C
К СЛ, образующим РСА 1 (см. Фиг.1), через N устройств сопряжения 2 подключаются генераторы помех 3, которые обеспечивают защиту информации в РСА путем формирования вместо циркулирующего в ней КИ-сигнала U(t)=U(t)cos Φ(t) смеси сигнала и шумовой АП вида U(t)+U(t)=U(t)cos Φ(t)+U(t). Частотные энергетические спектры G (ω; t) КИ-сигнала U(t) и G(ω; t) преднамеренной помехи U(t) здесь не связаны друг с другом (разделены в частотно-временной области). При необходимости уменьшить уровни АП, необходимые для эффективной защиты РСА, вместо шумовой АП применяется имитационная помеха U(t) - аналогичная по свойствам U(t), однако несвязанная с модулирующими КИ-сигналами.
c
АП
c
ш
c
П
c
П
c
П
Основным недостатком способа-прототипа является возможность снизить эффективность информационной защиты РСА путем применения злоумышленником известных методов обнаружения и повышения помехоустойчивости приема смеси КИ-сигнала и шумовой АП вида U (t)=U(t)+U(t)=U(t)+U(t) [11] - чему способствует взаимная независимость их спектров G(ω; t) и G (ω; t). Для устранения этого предлагается связать спектры КИ-сигнала G(ω; t) и преднамеренных помех G(ω; t) с помощью СРЧ-преобразования КИ-сигнала U(t) и помехи U(t) на НЭ, вводимых в состав РСА.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
c
П
CП
mn
mn
с
П
mn
СП
С
С
П
П
СП
СП
mn
С
П
CП
mn
П
К СЛ, образующим РСА 1, через N устройств сопряжения 2, в состав которых входят НЭ 4 (см. Фиг.2), подключаются генераторы помех 3, обеспечивающие информационную защиту РСА аналогично способу-прототипу - однако с учетом стохастического СРЧ-преобразования КИ-сигнала U(t) и помехи U(t) на каждом из М≤N НЭ 4. После СРЧ-преобразования спектр КИ-сигнала и помехи приобретает вид G (ω; t), где ω =|m ω±nω|; m; n [1; 2…] - коэффициенты преобразования, определяющие порядок m+n составляющих U(t) в преобразованном сигнале U(t). Таким образом, в данном случае вместо КИ-сигнала U(t) с частотным энергетическим спектром G (ω; t) и помехи U(t) со спектром G(ω; t) в РСА циркулирует общий стохастическим образом преобразованный сигнал U(t). Из уровня техники [10-14] известно, во-первых, что разделить КИ-сигнал и помеху, имеющие совместный стохастический спектр G(ω; t), злоумышленнику существенно более сложно, чем сигнал и помеху, имеющие независимые друг от друга спектры G (ω; t) и G(ω; t). Во-вторых, что имеется возможность динамического управления спектром G (ω, t) путем изменения характеристик помехи U(t). Результатом этого является снижение помехоустойчивости приема КИ-сигналов в канале утечки КИ и, соответственно, повышение эффективности защиты информации в РСА.
П
1
2
1,2
П
П
Фиг.3 иллюстрирует варианты реализации устройства сопряжения 2 генератора помехи U(t) 3 с РСА 1, подключаемого к ней в точках А-А, при наличии НЭ 4 в виде полупроводникового диода: а) - с помощью индуктивной связи через трансформатор с коэффициентом трансформации W/W, где W - число витков, соответственно, в первичной и вторичной обмотках; б) - с помощью емкостной связи через конденсаторы С; в) - с помощью гальванической связи через резисторы R; г) - с помощью внешнего облучения помехой от антенны АП.
С
П
CП
mn
Фиг.4 представляет экспериментальные спектрограммы, полученные с помощью анализатора Rode & Schwarz, для сигнала, циркулирующего в РСА 1 при подключении в ней генератора шумовой помехи 3 и генератора сигнала 890 МГц (верхние кривые); и при отключенном генераторе сигнала 890 МГц (нижние кривые): а) - в полосе частот до 2 ГГц; б) - в полосе частот до 3 ГГц. На спектрограммах Фиг.4 отчетливо видны различия между спектрами G (ω; t) гармонического сигнала 890 МГц - выбросы на верхних графиках; G(ω; t) шумовой помехи - нижние графики; и совместным спектром G(ω; t) - верхние графики.
СП
mn
П
c
mn
c
Совместный спектр G (ω; t) заметно более равномерный и «растянутый» в области высоких частот (вплоть до 2-3 ГГц) по сравнению со спектром помехи G(ω; t), гармонический спектр G(ω; t) на его фоне существенно менее заметен ввиду появления после СРЧ-преобразования новых многочисленных составляющих U(t). Для реальных КИ-сигналов с более сложной формой G(ω; t) стохастическое СРЧ-преобразование еще более затрудняет задачу злоумышленника и повышает эффективность защиты КИ, циркулирующей в РСА. Предлагаемый способ универсален и прост, он удобен для реализации в автоматическом режиме и позволяет повысить эффективность защиты информации в РСА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маслов О.Н. Случайные антенны // Электросвязь, №7, 2006. - С.12-15.
2. Алышев Ю.В., Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Исследование случайных антенн методом статистического имитационного моделирования // Успехи современной радиоэлектроники. №7, 2008. - С.3-41.
3. Соболев А.Н., Кириллов В.М. Физические основы технических средств обеспечения информационной безопасности. М.: Гелиос АРВ, 2004. - 224 с.
4. Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: ИД «Технологии», 2005. - С.320.
5. Маслов О.Н., Шашенков В.Ф. Электромагнитное экранирование оборудования и помещений // Приложение к журналу «Инфокоммуникационные технологии». Выпуск 7, 2011. - 256 с.
6. Каганов В.И. Транзисторные радиопередатчики. М.: Энергия, 1976. - 448 с.
7. Способ радиосвязи и системы его реализации // Головков А.А., Волобуев А.Г, Чаплыгин А.А. и др. Патент RU 2 271 065 С1 от 09.06.2004, опубл. 27.02.2006, бюлл. №6.
8. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов Е.С., Ваганов М.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления // Телекоммуникации, №7, 2007. - С.35-40.
9. Способ определения затухания сигнала в распределенной случайной антенне // Маслов О.Н., Раков А.С., Рябушкин А.В. Патент RU 2 393 493 С1 от 06.04.2009, опубл. 27.06.2009, бюл. №18.
10. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Под ред. Быховского М.А. М.: Эко-Трендз, 2006. - 376 с.
11. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. -728 с.
12. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1989. - 350 с.
13. Алышев Ю.В., Маслов О.Н. К оценке эффективности случайных антенн по критерию информационного ущерба // Инфокоммуникационные технологии. Т.6, №3, 2008. - С.116-125.
14. Алышев Ю.В., Маслов О.Н. Тестирование модели измерительного комплекса для исследования случайных антенн // Инфокоммуникационные технологии. Т.7, №1, 2009. - С.67-72.