Главная страница
Навигация по странице:

  • Гизатуллин З.М.

  • ISBN 987-5-7579-1682-8 © Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2012 © З.М. Гизатуллин, 2012 3ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

  • Гизатуллин монография 1. Isbn 9875757916828 Издво Казан гос техн унта, 2012 З. М. Гизатуллин, 2012 3принятые обозначения и сокращения


    Скачать
    НазваниеIsbn 9875757916828 Издво Казан гос техн унта, 2012 З. М. Гизатуллин, 2012 3принятые обозначения и сокращения
    АнкорГизатуллин монография 1.pdf
    Дата25.03.2020
    Размер
    Формат файлаpdf
    Имя файлаГизатуллин монография 1.pdf
    ТипМонография
    #75
    страница1 из 14

    Подборка по базе: СПИСОК Казань.doc, СНГ мигр простр. роль НКО Казань.doc
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

    Министерство образования и науки Российской Федерации
    ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
    ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
    «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
    УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»
    З.М. ГИЗАТУЛЛИН
    ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СРЕДСТВ
    ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ВНУТРИ
    ЗДАНИЙ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ
    ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
    Монография
    Казань 2012

    УДК 004.3; 621.391.82
    Ги 46
    Рецензенты:
    докт. техн. наук Л.Н. Кечиев (Московский государственный институт электроники и математики (технический университет); докт. техн. наук В.Ю. Кириллов (Московский авиационный институт
    (национальный исследовательский университет)
    Гизатуллин З.М.
    Ги 46 Помехоустойчивость средств вычислительной техники внут- ри зданий при широкополосных электромагнитных воз- действиях: Монография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2012. 254 с.
    ISBN 987-5-7579-1682-8
    Рассмотрена проблема помехоустойчивости средств вычислитель- ной техники, установленных внутри зданий, при внешних широкопо- лосных электромагнитных воздействиях. Предложена технология обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий, отличающаяся наличием методики сквозного прогнози- рования и новыми методиками и техническими решениями для его по- вышения.
    УДК 004.3; 621.391.82
    ISBN 987-5-7579-1682-8
    © Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2012
    © З.М. Гизатуллин, 2012

    3
    ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
    ЭМС – электромагнитная совместимость;
    СВТ – средства вычислительной техники;
    ЭСР – электростатический разряд;
    ЭМИ – электромагнитный импульс;
    ЯВ – ядерный взрыв;
    СЭТ – средства электромагнитного терроризма;
    ИЗ – интеллектуальное здание;
    ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика;
    НВТТЛ – низковольтная транзисторно-транзисторная логика;
    GTL – низковольтная высокоскоростная логика;
    HSTL – высокоскоростная логика;
    ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика на переключателях тока;
    ПЭСЛ – позитивная ЭСЛ;
    НВПЭСЛ – низковольтная позитивная ЭСЛ;
    LVDS – низковольтная передача дифференциальных сигналов;
    КМОП – комплементарная логика на транзисторах металл- оксид-полупроводник;
    СКС – структурированная кабельная система;
    МПП – многослойная печатная плата;
    МЭК – Международная электротехническая комиссия;
    CISPR – Международный специальный комитет по радиопо- мехам;
    UTP – неэкранированная витая пара;
    STP – экранированная витая пара;
    FTP – фольгированная витая пара;
    ГИТ – генератор импульсного тока;
    ММ – математическая модель.

    4
    ВВЕДЕНИЕ
    Современное общество быстро становится все более зависи- мым от эффективного функционирования средств вычислительной техники (СВТ). Эта зависимость включает почти весь аспект со- временной жизни, от развлечений, спортивных состязаний и дея- тельности в свободное от работы время до критически важных ос- новных функций общества, таких как передача электроэнергии, медицинское обслуживание, телекоммуникации, транспортировка, банковское дело и финансы, пищи и водоснабжения, чрезвычайных услуг, радио/телевидения и принятие решения. При данной зави- симости, одним из центральных вопросов становится способность
    СВТ сохранять заданное качество функционирования при воздей- ствии на него внешних электромагнитных помех, т.е. помехоустой- чивость. Электромагнитные поля, создаваемые всевозможными источниками, неизбежно вызывают напряжения и токи (электро- магнитные помехи) во внешних или внутренних цепях современ- ных СВТ, которые могут привести к временному нарушению их функционирования или к физическому разрушению элементов.
    Проблема помехоустойчивости является частью общей теории обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) [1 – 3].
    Помехоустойчивость СВТ – это его способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних электромагнитных помех. Выделяют четыре критерия ка- чества функционирования: нормальное, в соответствие с заданны- ми требованиями; временное ухудшение качества или прекращение функционирования с последующим восстановлением нормального

    5
    функционирования без вмешательства оператора (с вмешательст- вом оператора); невосстанавливаемое ухудшение качества [2].
    Создающие электромагнитные помехи электромагнитные поля создаются источниками, излучение которых не предусмотре- но их функциональным назначением и источниками естественного происхождения. А также, в отдельную категорию выделяются преднамеренные источники, которые целенаправленно создают электромагнитные поля для нарушения помехоустойчивости СВТ.
    При решении задач помехоустойчивости, электромагнитную об- становку разделяют на существующую и предполагаемую. Если источники электромагнитных полей заранее известны, известны их параметры, местоположение, которое остается неизменным, то данная электромагнитная обстановка определяется как сущест- вующая. На практике, в основном, приходится сталкиваться с пред- полагаемой электромагнитной обстановкой. Электромагнитная об- становка может быть стабильной и нестабильной во времени. Не- стабильная электромагнитная обстановка характерна для движу- щихся СВТ или перемещающихся в пространстве, источников электромагнитных полей. Если в основу отличительных признаков электромагнитной обстановки положить место расположения ис- точников электромагнитных полей, оказывающих воздействие на помехоустойчивость СВТ, то источники можно подразделить на внешние и внутренние. Когда данные источники не являются со- ставной частью самих СВТ, то они являются внешними [4 – 6].
    По временной форме, электромагнитные поля, создающие помехи, разделяются на импульсные и регулярные [6]. Импульсные электромагнитные поля – это одиночные электромагнитные им- пульсы или их последовательность, произвольные по форме и раз- личные по амплитуде (напряженности). Данные электромагнитные импульсы проявляются в случайные моменты времени, причем для последовательности импульсов интервалы между ними, как прави- ло, намного больше длительности самих импульсов. Как правило, энергия спектра данных электромагнитных импульсов сосредото-

    6
    чена в относительно широком спектре (ширина спектральной по- лосы по уровню – 10дБ – до 25 % от центральной частоты [6]). Ре- гулярные помехи определяются как гармонические.
    В рамках данной работы будут рассмотрены наиболее опас- ные, вероятные и масштабные широкополосные электромагнитные источники (электростатический разряд (ЭСР), разряд молнии, ядерный взрыв (ЯВ), источники преднамеренного локального элек- тромагнитного воздействия), которые представляют серьезную опасность для помехоустойчивости современных СВТ. Каждый из них имеет свои особенности, специфику механизмов воздействия на помехоустойчивость, но на данном этапе внедрения современ- ных СВТ есть необходимость и возможность рассматривать их в комплексе. В начале рассмотрим представленные в научной ли- тературе исследования по каждому из указанных источников в от- дельности и более подробно.
    Из материалов международных симпозиумов по ЭМС по- следних лет видно, что вопросом воздействия ЭСР активно зани- маются специалисты из США [7 – 10], Китая [11 – 14], Швейца- рия [15], Японии [16], Германии [17], Италии [17 – 20] и других стран [21]. В решение задач связанных с воздействием ЭСР также внесли большой вклад российские ученые и специалисты: Кечи- ев Л.Н., Пожидаев Е.Д., в области анализа электромагнитных по- мех при ЭСР и методов защиты от его воздействия [22, 23], Кирил- лов В.Ю., Соколов А.Б., в области разработки методов и средств исследований и испытаний воздействия ЭСР на бортовые системы космических аппаратов [24 – 29], Файзулаев Б.Н, Логачев В.В,
    Усанов А.П., в области экспериментальных исследований воздей- ствия ЭСР на электронные средства [30 – 33], Горлов М.И., Андре- ев А.В., в области исследований непосредственного воздействия
    ЭСР на интегральные схемы [34, 35], Каверзнев В.А., Грошева Г.Д., в области исследований методов и средств защиты полупроводни- ковых изделий от воздействия ЭСР [36], Гизатуллин З.М., Чермошен- цев С.Ф., в области моделирования электромагнитных помех от

    7
    ЭСР [181, 182] и Потапов Г.П. в области электризации летательных аппаратов [37]. Среди зарубежных авторов необходимо отметить ра- боты Джоввета Ч. [36], Бокслейтера В. [38], Хабигера Э. [39] и Шваба А. [40], в которых даны описания некоторых механизмов воздействия и упрощенные, аналитические подходы для решения задач связанных с воздействием ЭСР. Как видим, для большинства перечисленных работ, касающихся анализа воздействия ЭСР на элементы, наиболее характерным является экспериментальный подход для решения данной задачи, упрощение конфигурации ре- шаемой задачи и множество подходов и методов для защиты от непосредственного воздействия ЭСР на элементы СВТ.
    Разряд молнии представляет собой источник электромаг- нитных помех большой мощности. Известен случай, когда разряд молнии в систему молниеотводов современного высотного здания в Мюнхене вывел из строя более 200 единиц СВТ в самом здании и в зданиях на удалении до 1 км, нанеся при этом ущерб порядка
    500 млн марок. В г. Кельн воздействие разряда молнии вывел из строя 110 компьютеров, 25 принтеров, 25 графопостроителей и дру- гое оборудование [41, 42]. Разряд молнии представляет собой раз- новидность газового разряда при очень большой длине искры. Об- щая длина канала молнии достигает нескольких километров. Ам- плитудно-временные характеристики импульса тока молнии изме- няются в широких пределах и носят вероятностный характер [43].
    В решение задач связанных с электромагнитным воздействием раз- ряда молнии внесли большой вклад российские ученые и специа- листы: Разевиг Д.В. [43], Кравченко В.И. [6], Комягин С.И. [44, 45],
    Фоминич Э.Н. [46] и др. Среди зарубежных авторов необходимо от- метить работы Ракова В.А. [47 – 49], Чавки Г.Г. [51, 52], Корди Б. [53],
    Рашиди Ф. [54], Орланди А. [55] и др. В целом, в их работах со- держатся результаты экспериментальных и теоретических исследо- ваний тока разряда молнии; электромагнитных полей разряда мол- нии; анализ воздействия разряда молнии на систему молниезащиты зданий; анализ растекания токов молнии; анализ перенапряжений

    8
    в линиях электропередачи и другие аспекты данного явления. Из материалов международных симпозиумов по ЭМС последних лет видно, что данными вопросами анализа электромагнитного воздей- ствия разряда молнии активно занимаются специалисты из США
    [50, 55, 56], Швейцария [53], Германии [57 – 59], Польши [49, 52],
    Индии [56], Ирана [53] и многих других стран.
    Кроме совокупности внешних электромагнитных факторов естественного происхождения, существуют источники искусствен- ного преднамеренного характера. Наиболее мощным преднамерен- ным искусственным источником электромагнитных импульсов
    (ЭМИ) является ЯВ. Причиной возникновения ЭМИ радиочастот- ного диапазона могут оказаться многие физические процессы, про- текающие при развитии ядерного взрыва. Задачам анализа воздей- ствия ЭМИ ЯВ посвящено достаточно большое количество ис- следования, но в связи с ограничениями по данной тематики, полноценных работ можно выделить несколько: Мырова Л.О.,
    Чепиженко А.В. [60], описаны особенности, механизм образова- ния и воздействия ЭМИ, рассмотрены задачи проектирования
    СВТ с учетом воздействия ЭМИ ЯВ; Лоберев В.М [61], описана физика ядерного взрыва; Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. и др. [62 – 70], разработка и анализ нормативных документов в области испытаний технических средств на воздействие данно- го ЭМИ, результаты испытаний технических средств на воздей- ствие ЭМИ, методики расчета наведенных токов и напряжений и др. Среди зарубежных авторов необходимо отметить полно- ценную работу Риккетса Л.У. [71].
    Широкое использование современных цифровых СВТ в раз- личных сферах общества и бизнеса ставит вопрос об их надежно- сти от преднамеренного локального электромагнитного воздейст- вия. Данные источники – «Средства электромагнитного террориз- ма» (СЭТ) [72] – направлены именно на целенаправленное искаже- ние, уничтожение или блокирование информации в СВТ. Своим возникновением проблема «электромагнитного терроризма», в ос-

    9
    новном обязана развитию техники генерации мощных коротких сверхширокополосных ЭМИ, которые в руках злоумышленника могут служить оружием наступательной информационной войны.
    Этот вид угрозы в течение долгого времени признавался воору- женными силами, но сегодня получает повышенное внимание уг- роза против гражданских систем, как частных, так и общественных.
    На сегодняшний день, данная проблема непременно обсуждается на всех крупных конференциях и симпозиумах, которые в той или иной мере затрагивают вопросы ЭМС и защиты информации. Из материалов международных симпозиумов по ЭМС последних лет видно, что данным вопросом активно занимаются специалисты из
    Германии [73 – 76], США [77 – 79], Англии [80], Швеции [81] и других стран. Большой вклад в решение задач связанных с воздей- ствием средств электромагнитного терроризма также внесли россий- ские ученые: Мырова Л.О., Кечиев Л.Н., Соколов А.А., Балюк Н.В. и др.[3, 64, 82 – 92] в области решении задач анализа стойкости систем связи, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета, наведенных сверхширокополосных
    ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах;
    Газизов Т.Р., в области систематизации результатов научных ис- следований по проблеме преднамеренных электромагнитных помех и разработке методов защиты [93 – 97]; Сухаруков С.А., Барсу- ков В.С., в области классификации воздействия средств электро- магнитного терроризма и предложении мер защиты гражданских систем [98 – 102]; Сахаров К.Ю., Михеев О.В., Туркин В.А. в об- ласти разработки экспериментальных генераторов и средств изме- рения сверхкоротких электромагнитных импульсов [103 – 106];
    Парфенов Ю.В., Фортов В.Е., Жуков В.Н. [78, 107, 108] в области анализа электромагнитного воздействия по сети питания; Воскобо- вич В.В. [109, 110] – в области обеспечения стойкости перспектив- ных систем связи к воздействию мощных импульсных электромаг- нитных помех; Петровский В.И. [111, 112] – в области обеспечения информационной безопасности и электромагнитной совместимости

    10
    технических средств; Рябов Ю.Г. [113] – в области выработки об- щих положений по сохранению живучести и обеспечению защиты радиоэлектронных средств от воздействия электромагнитного ору- жия и электромагнитного терроризма. Среди зарубежных авторов необходимо отметить работы группы исследователей Нитча Д., Гар- бе Х., Кампа М., Сабас Ф. и др. [73 – 76], Бакстрома М. [81], Рада- ски У.А., Баума К.И. [78, 114], Соннемана Ф. [115], Кери Г., Руссо П. [18],
    Джин К. [116]. В данных работах представлены результаты экспери- ментальных исследований, описания параметров и некоторых меха- низмов воздействия ЭМИ СЭТ, представлены упрощенные аналити- ческие подходы для решения задачи анализа воздействия средств электромагнитного терроризма на некоторые компоненты современ- ных электронных средств и информационных сетей.
    Также в целом, различным аспектом ЭМС электронных и ра- диоэлектронных средств, в том числе и вопросам экранирования элек- тромагнитных воздействий, посвящены работы Кравченко В.И. [6],
    Кечиева Л.Н. [85, 117 – 119], Акбашева Б.Б. [85, 120 – 122], Седельни- кова Ю.Е., Шувалова Л.Н., Шаброва А.В., Даутова О.Ш., Петров- ского В.И., Идиатуллова З.Р., Чермошенцева С.Ф. [123 – 131], Иба- туллина Э.А. [132, 133], Гурвича И.С. [134], Дианова В.Н. [135],
    Барнса Дж. [136], Кадена Г.Н. [137], Надеева А.Ф. [138], Никити- ной В.Н. [139 – 141], Полонского Н.Б. [142], Сливкина В.Г. [143],
    Тухаса В.А. [144], Степанова П.В. [145 – 147], Гроднева И.И. [148],
    Коровкина Н.В. [149], Якимова А.В. [150], Уильямса Т. [151, 152] и др.
    Несмотря на множество теоретических и практических работ, направленных на повышение помехоустойчивости электронных средств, в частности СВТ, на сегодняшний день, например, только экономические потери от воздействия ЭСР составляют сотни и даже миллионы долларов. Например, по данным печати, элек- тронная промышленность США ежегодно теряет от 10 % до 18 % продукции в результате повреждения ЭСР. Ежегодно затраты на ремонт аппаратуры и дополнительное обслуживание в результате отказов от ЭСР составляют около млрд долларов [23].

    11
    В целом, проведенный анализ современного состояния рас- смотренных задач прогнозирования и повышения помехоустойчи- вости СВТ позволяет выделить следующие тенденции:
    – представленные в литературе подходы, направленные на решение проблемы помехоустойчивости на этапе установки СВТ
    приводят к значительным затратам и в ряде случаев требуют корен- ной переделки помещений здания и переналадки оборудования [3].
    Поэтому, для того чтобы экономический эффект от принимаемых мер по обеспечению помехоустойчивости был максимальный, необходимо их применять с самых первых стадий разработки СВТ и зданий, где они устанавливаются. Последующая экономия средств и снижение коммерческих рисков быстро окупают данные дополнительные затраты. Например, по оценкам ряда авторов, за- траты на обеспечение ЭМС технических средств, при данном под- ходе, составляют не более 2 % от стоимости разработки, а стоимость защищенного объекта возрастает не более чем на 3 – 5 % [113];
    – происходит непрерывное повышение быстродействия, что косвенно приводит к снижению динамической помехоустойчиво- сти цифровых элементов, что требует новых, более точных спосо- бов прогнозирования и эффективных методов повышения помехо- устойчивости;
    – методики прогнозирования помехоустойчивости СВТ недос- таточно точно учитывают реальные условия их эксплуатации, ко- торые существенно меняют окружающую электромагнитную об- становку (как правило, СВТ находится внутри здания). При этом работы содержат результаты отдельных частных случаев, примени- тельно к различным объектам (или разным уровням одного объекта исследования), т.е. в литературе нет исследований с четкой направ- ленностью на сквозное прогнозирование помехоустойчивости слож- ных объектов. Например, в данном случае, учет здания, особенно- стей корпуса СВТ, особенностей самого приемника электромаг- нитных помех и элементной базы;
    – возникают новые преднамеренные источники внешних ши- рокополосных электромагнитных воздействий и происходит суще-

    12
    ственное увеличение верхней границы частотного спектра, что приводит к тому, что данные частоты попадают в область собст- венных резонансных частот исследуемых объектов;
    – используются здания, которые очень сильно насыщены со- временными СВТ, в частности, «Интеллектуальные здания» (ИЗ).
    Существующие работы отражают только некоторые аспекты про- блемы ЭМС в данных зданиях;
    – наиболее распространенными информационными линиями связи между СВТ внутри зданий являются кабели на основе неэк- ранированной витой пары. Сегодня в литературе недостаточно представлены математические модели для анализа электромагнит- ных помех в неэкранированной витой паре при внешних широко- полосных электромагнитных воздействиях;
    – анализ проблемы помехоустойчивости СВТ с учетом зда- ния позволяет выявить новые способы его повышения, например, путем оптимизации отдельных подсистем здания;
    – рассмотрение помехоустойчивости СВТ с учетом влияния на данный анализ самого здания требует разработки методик ими- тации электромагнитных процессов на макрообъектах, какими являются здания по отношению к СВТ;
    – при внешних широкополосных электромагнитных воздей- ствиях неизбежно возникают резонансные эффекты, которые мно- гократно снижают помехоустойчивость СВТ, поэтому требуются новые, более эффективные технические решения для снижения резонансных эффектов внутри корпусов;
    – с появлением новых типов источников требуются новые, экспериментальные инструменты и экспериментальные исследова- ния для имитации данных широкополосных электромагнитных воздействий;
    – методики, описанные в нормативных документах в области
    ЭМС, и основанные на испытаниях на воздействие широкополос- ных источников, не всегда позволяют количественно оценить помехоустойчивость СВТ внутри зданий.

    13
    Вывод – требуется современный и точный инструмент для прогнозирования и повышения помехоустойчивости СВТ внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях, который можно применять на ранних этапах разработки. При этом для эффективной работы данного инструмента требуются адекват- ные теоретические и экспериментальные методики, модели, техни- ческие решения и рекомендации.
    В рамках данной монографии, в качестве такого инструмента, предложена технология обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий, отличающиеся наличием методики сквозного прогнозирования и новыми методиками и тех- ническими решениями для его повышения.
    Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой «Информационные техноло- гии проектирования электронно-вычислительных средств» Казан- ского национального исследовательского технического универси- тета им. А.Н. Туполева Чермошенцеву Сергею Федоровичу за под- держку и ценные советы при выполнении данной работы.
    Автор выражает большую признательность коллегам из ка- федры «Информационные технологии проектирования электронно- вычислительных средств» и рецензентам за конструктивные заме- чания.

    14
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14


    написать администратору сайта