Способ блокировки систем сотовой связи в общественных местах и учебных заведениях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Способ блокировки систем сотовой связи в общественных местах и учебных заведениях

В. А. Степанов, аспирант, e-mail: [email protected]

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

Рассмотрены способы блокировки использования систем сотовой связи (сотового телефона) в школах, колледжах, вузах при проведении учебного процесса, а также в общественных местах, требующих от посетителей или выступающих повышенного внимания, например театрах или музеях.

The author examines methods to block the use of cellular communication systems (cell phones) in schools, colleges, and universities during the educational process, as well as in public places that require attention from visitors, for example in theaters and museums.

Ключевые слова: LabView, блокировка систем, сотовая связь.

Key Words: LabView, blocking, cellular communication.

В современном обществе остро стоит проблема неэтичного и несанкционированного применения сотовых телефонов, например, на лекциях и экзаменах в качестве «шпаргалки», при чтении лекций как отвлекающий фактор для выступающего, а также во время театральных постановок. Во многих учебных заведениях во время проведения занятий запрещено пользоваться сотовыми телефонами. Использование систем глушения, построенных на данном принципе, позволяет школьникам сосредоточиться во время уроков на учебном процессе, театральному актеру реализовать свой талант в ходе спектакля, а на семинарах качественно преподнести и усвоить материал.

Цель работы: компьютерное моделирование с помощью программы LabView процесса за-шумления в выбранной зоне блокировки сигнала, передающегося от базовой станции до абонента сотовых сетей стандарта GSM 900/1800.

Проанализируем способы блокировки сотового канала связи. Это можно сделать с помощью экранирования помещений или постановки помехи в радиодиапазоне [1]. Первый способ малопригоден из-за больших размеров производственных помещений и высокой стоимости радиопоглощающих материалов. Второй способ в данном случае является оптимальным.

Существует два основных вида систем подавления сотовой связи:

1) системы зашумления непрерывного действия;

2) интеллектуальные системы.

Системы зашумления непрерывного действия работают в постоянном режиме и зашумляют строго определенный диапазон частот. Основные достоинства этих систем - это дешевизна

и простота исполнения. Главным их недостатком является постоянное воздействие излучения на людей и малый ресурс работы при батарейном питании, так как устройство включено постоянно.

Интеллектуальные системы находятся в режиме ожидания и включаются при попытке соединения с базовой станцией, подавление идет по конкретному каналу. Важнейшие достоинства этих систем заключаются в том, что отсутствует постоянное воздействие излучения и возможно длительное время работы при батарейном питании, а существенным недостатком - более высокая стоимость по сравнению с простейшими системами подавления сотовой связи и сложность исполнения и настройки.

Также системы подавления сотовой связи можно разделить по способу постановки помехи: на приемный канал телефона и на передающий канал телефона (систем передачи по сотовым каналам связи). Второй вариант используется редко, это связано со сложностью реализации системы.

Алгоритм подавления сотовой связи по приемному каналу телефона сводится к тому, что устройство подавления формирует сигнал с равномерной характеристикой по частоте. В результате на вход мобильного телефона, помимо сигнала от базовой станции, поступает сигнал помехи с более высоким уровнем, вследствие чего резко ухудшается соотношение сигнал/шум, что препятствует установлению связи между мобильным телефоном и базовой станцией.

В данном случае устройство подавления сотовой связи будет построено по принципу непрерывного воздействия, также устройство должно иметь возможность автономной работы.

Исходя из того, что способ передачи основан на стандартных технологиях, имеет смысл рассмотреть их и выявить «слабое звено», воздействуя на которое можно предотвратить передачу данных.

Основой при передаче информации мобильным телефоном является стандарт в8М-900/1800, рассмотрим далее его ключевые характеристики. Стандарты цифровых систем в8М-900 и вБМ-1800 используют диапазоны частот 890-960 МГц и 1,71-1,88 ГГц соответственно (рис. 1) [2].

Рис. 1. Планы частот стандарта GSM 900/1800

На этом рисунке введены следующие обозначения: BTS - каналы базовой станции; MS -

прд ^ 7 прд

каналы мобильной станции; Д/ - частота разноса каналов; fmax - максимальная частота участка частот; fmin - минимальная частота участка частот.

Сети сотовой связи занимают достаточно небольшие полосы частот в двух (учитываются диапазоны, по которым производится прием сигнала базовой станции) разнесенных диапазонах, следовательно, полное зашумление всего радиодиапазона не требуется. Наиболее целесообразно сформировать шу-

мовой сигнал ограниченной полосы и переменно переносить его в требуемые диапазоны зашумления сетей сотовой связи. Более того, каждый из интересующих поддиапазонов можно перекрыть шумовым сигналом не одновременно во всем частотном интервале, а последовательно, максимально быстро перестраивая частоту. На основании этих данных была предложена структурная схема устройства (рис. 2). Подберем соответствующие элементы, способы реализации и моделирования компонентов схемы.

Поскольку основой устройства является связка «генератор частоты -генератор, управляемый напряжением-ВЧ-усилитель», стоит рассмотреть и описать эти модули по отдельности.

Базовый генератор производит сигнал такой формы на вход генератора, управляемого направлением (ГУН), чтобы полученный сигнал проходил заданный диапазон частот. Одновременная работа в двух заданных диапазонах (в стандарте в8М-900 это 860-960 МГц, в стандарте в8М-1800 это 18051880 МГц) обеспечивается путем применения двух ГУН и управление ими одним источником.

Также при работе базового генератора происходит зашумление этих диапазонов псевдослучайной последовательностью. Полученный сигнал усиливается высокочастотными усилителями и подается на антенны. Таким образом обеспечивается излучение в пространство шумоподобного сигнала в диапазоне работы передатчика базовой станции сотовых сетей, а также достигается такое малое отношения сигнал/шум передатчика в месте приема, при котором невозможна работа систем сотовой связи.

Генератор, управляемый напряжением, представляет собой устройство генерирования колеба-

Рис. 2. Структурная схема генератора зашумления сетей сотовой связи

ния, частота которого определяется управляющим напряжением. Это управляющее напряжение подается, как правило, на специальный вход управления и позволяет перестроить генератор в требуемом диапазоне частот. По сути дела, в ГУН происходит преобразование величины управляющего напряжения, изменяющегося в диапазоне U -U , в номи-

7 ' min max7

нал выходной частоты в диапазоне f -f . Основ-

min max

ные графики зависимости управляющего напряжения и выходной частоты для идеализированного ГУН и его общая схема представлены на рис. З.

Для обеспечения заполнения диапазонов частот на управляющий вход ГУН может подаваться как пилообразный, так и синусоидальный сигнал.

С помощью программного пакета Lab View и блока MathScript проведем моделирование поведения ГУН при линейном увеличении напряжения на его входе:

у = vco(x,[ f . , f ], F,

J m in J max J’ s’

где x - входной сигнал в диапазоне [-1,1]; fmln -минимальная выходная частота; fmax - максимальная выходная частота; Fs - частота дискретизации.

Функция vco() генерирует сигнал, мгновенная частота которого меняется по закону, заданному отсчетами из входного вещественного вектора или матрицы X. Частота дискретизации отсчетов X задается входным параметром Fs.

В данном варианте синтаксиса диапазон изменения мгновенной частоты масштабируется таким образом, что значения ±1 из вектора X соответствуют частотам fmln, Гц, и fmax , Гц, соответственно. Для получения наилучших результа-

Рис. 3. Схема функционирования ГУН: U^ - управляющее напряжение; Umax - максимальное управляющее напряжение; Umin - минимальное управляющее напряжение; f - выходная частота; f - максимальная выходная частота; f - минимальная вы-

J вых 7 J max 7 J min

ходная частота; S - кривая отношения входного напряжения и выходной частоты

тов значения fmln и fmax должны лежать в диапазоне от 0 до Fs/2. По умолчанию Fs = 1 Гц и Fc = Fs/4. Если X является матрицей, ее столбцы обрабатываются независимо друг от друга [3].

Проведем моделирование со следующими параметрами:

• входной параметр x изменяется во времени от -1 до 1 с шагом 0,005;

• ГУН может генерировать частоту от 100 до 1000 Гц;

• частота дискретизации, согласно вышеуказанным условиям, составляет 2000 Гц;

• для построения графиков применим функцию plot().

Таким образом, функция применяется в следующем виде (с учетом синтаксиса, используемого в программном пакете):

Х= -1:0.005:1

у = vco(x,[100,1000],2000);

plot(X)

plot(Y).

Результатом моделирования являются графики зависимости входного и выходного сигналов от времени (рис. 4).

Рассмотрим работу устройства, основанного на связке «генератор частоты-ГУН», использующего непрерывное, а не интеллектуальное зашум-ление выбранного частотного диапазона. Проверим правильность работы выбранного способа за-шумления.

Построим средствами LabView виртуальный прибор, состоящий из следующих компонентов:

• блок генерации пилообразного сигнала и белого шума;

• блок MathScript для моделирования ГУН с частотами 930-960 МГц;

• блок получения спектра выходного сигнала;

• вывод контрольных значений входа и выхода ГУН;

• блок управления амплитудой и частотой пилообразного

сигнала;

• блок управления амплитудой белого шума.

Для связи компонентов виртуального прибора воспользуем-

ся так называемыми «связями» (линиями, передающими сигнал от блока к блоку) и преобразователями сигналов.

Схема подключения блоков при моделировании представлена на рис. 5.

Результатом работы системы моделирования являются графики входного и выходного сигнала, приведенные на рис. 6.

Рис. 4. Зависимость входного (а) и выходного (б) сигналов при моделировании идеализированного ГУН

Для наглядного анализа полосы зашумления частот систем сотовой связи при моделировании получена спектрограмма, представленная на рис. 7.

Следует учесть, что промоделированное устройство не является готовым средством глушения сетей сотовой связи. Реальное устройство должно обеспечивать гарантированное перекрытие шумом канала передачи информации от базовой станции к телефону. Попробуем ввести отношение, показывающее качество зашумления диапазона: иБС < U ,

БС вых 7

где UEC - уровень сигнала от базовой станции;. ивых - уровень сигнала на выходе системы зашумления.

По усредненным данным, уровень сигнала базовой станции в городских условиях составляет -51 дБ. Усредняя значения данных спектрограммы выходного канала ГУН (см. рис. 7), примем, что сигнал на выходе системы глушения составит -20 дБ. Подставляя эти зна-

Рис. 5. Схема подключения блоков для моделирования

Рис. 6. Входной (а) и выходной (б) сигналы при моделировании выбранного способа зашумления

ЛИТЕРАТУРА

Частотаi

Рис. 7. Спектрограмма выходного сигнала ГУН

чения в последнюю формулу, получим верное соотношение в численном виде, и это свидетельствует о том, что ГУН с пилообразным сигналом обеспечивает зашумление в соответствии с заданием.

Таким образом, на основе разработанной аналитической модели зашумления сотового канала осуществлено компьютерное моделирование. Результаты компьютерного моделирования показали работоспособность выбранного способа блокировки сотового канала связи, что реализует поставленную задачу.

1. Степанов В.А. Обзор технических средств противодействия съему информации по электрическим каналам утечки // Материалы V межвузовской научн.-техн. конф. «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем», 2009.

2. Приказ Министерства информационных технологий и связи РФ от 19 февраля 2008 г. N 21 «Об утверждении Правил применения абонентских станций (абонентских радиостанций) сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM-900/1800»

3. Официальный справочник функций по системе моделирования MatLab // URL: http://matlab. exponenta.ru/signalprocess/book1/18/vco.php (дата обращения 14.11.2009).

Поступила 08.12.2009 г.

УДК 621.381.536

Оптимальный прием фазоманипулированных сигналов на основе динамической модели

В.М. Советов, д.т.н., с.н.с., профессор, e-mail: [email protected] В.А. Коекин, аспирант

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

Рассмотрена динамическая модель представления фазовой манипуляции в пространстве состояний; синтезирована схема оптимального приема; получены выражения для расчета вероятности ошибки.

The authors develop a dynamic model of phase manipulation in the space of states. The research synthesizes the scheme of optimal reception and establishes formulas for calculating the error probability.

Ключевые слова: фазовая манипуляция, фильтр Калмана, оптимальный прием, вероятность ошибки.

Key Words: phase manipulation, Kalman filter, optimal reception, error probability.

Фазовая манипуляция, или фазовая телеграфия (ФТ, или PSK - от англ. Phase Shift Keying), является самым используемым методом модуляции в цифровых системах передачи информации и включает в себя большой класс схем модуляции и демодуляции. Когда двоичные данные представляются двумя сигналами с различной фазой, такая ФТ называется двоичной (ДФТ, или BPSK -от англ. Binary Phase Shift Keying) и записывается как

s1 (t) = A cos 2nfct, 0 < t < T , для 1, (1)

s0 (t) = -A cos 2nfct, 0 < t < T , для 0, (2)

где A - амплитуда сигнала; fc - частота несущей;

Т - длительность сигнала.

Сигналы (1), (2) называются противоположными, так как имеют коэффициент взаимо-корреляции равный -1, что обеспечивает минимальную вероятность ошибки при заданном отношении Еь/N0 , где Еь - энергия сигнала на бит; N0 - спектральная плотность мощности белого шума. Частота несущей определяется как fc = щ/T = mRb, где Rb - скорость передачи информации, бит/с. В этом случае фазы меняются при максимальной или минимальной амплитуде и могут принимать значения 0 или п. Только при fc >>Rb условие fc = m/T = mRb может

быть нарушено.

Последовательность битов можно представить как да

a(t) = ^ aku(t - kT) , k=-tt>

где ak e {+1, — 1}; u(t) - прямоугольный импульс единичной амплитуды в интервале [0, T].

Фазоманипулированный сигнал (1), (2) будет иметь вид

s(t) = Aa(t) cos 2nfct, -да < t < да. (3)

Чтобы получить максимальный выигрыш в помехоустойчивости, прием сигналов ФТ необходимо осуществлять когерентным приемником, т.е. при приеме опорная несущая в приемнике должна быть синхронизирована с несущей принимаемого сигнала по частоте и фазе. Для этого демодулятор должен содержать систему синхронизации и восстановления несущей. Прием осуществляется с использованием коррелятора и решающего устройства [1]. Как правило, использование согласованного фильтра (СФ) вместо коррелятора не рекомендуется, так как СФ с импульсной характеристикой h(t) = cos 2п fc (T -1) трудно реализовать.

Дифференциальная (относительная) ФТ (ОФТ), или двоичная фазовая манипуляция (ОДФТ, DBPSK -от англ. Differential Binary Phase Shift Keying), не требует когерентной опорной несущей и использует предыдущий символ как опорный для демодуляции текущего символа. Демодулятор принимает решение, основываясь на разнице фаз соседних сигналов. Демодулятор не требует знания фазы и частоты и является очень практичным. Однако, как известно, это связано с потерями помехоустойчивости.

Цель статьи: разработать схему оптимального приема на основе представления фазовой ма-