Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты

 

Изобретение относится к области электросвязи и вычислительной технике, в частности к способам и устройствам передачи информации в вычислительной сети по радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и скрытности связи. Технический результат достигается тем что, на передающем конце радиолинии осуществляют деление входного сигнала на блоки, сформированные в виде двоичных векторов длиною n-бит в соответствии с числом используемых частотных каналов р=2ⁿ, формируют два двоичных вектора псевдослучайной последовательности путем одновременного параллельного снятия информации с различных разрядов регистра сдвига, при этом длину каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности выбирают равной длине двоичного вектора блока входного сигнала, кодируют двоичный вектор блока входного сигнала путем сложения по модулю два его битов с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, осуществляют перестройку передатчика на частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, модуляцию частоты передатчика и последующее излучение сигнала в пространство, прием сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах, преобразование сигнала на промежуточную частоту, усиление, демодуляцию и формирование двоичного вектора демодулированных сигналов, формирование аналогично как и на передающей стороне двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности, осуществление декодирования сигнала путем сложения по модулю два битов первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора демодулированного сигнала и подачу сигнала на оконечное устройство, причем частоты передатчика модулируют помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот, при этом первую частоту выбирают для частотного канала, номер которого соответствует коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, а все другие частотные каналы выбирают последовательным перебором в соответствии со значением символа "1" в соответствующем разряде кодированного двоичного вектора блока входного сигнала, а на приемном конце радиолинии после демодуляции сигналов в частотных каналах формируют двоичный вектор, разряды которого принимают значения "1" при наличии сигнала в соответствующих частотных каналах, номера которых следуют за частотным каналом, который определяют по коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности. 2 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и вычислительной техники, а конкретнее к области способов и устройств передачи информации в вычислительной сети по радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Известны способы передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (см., например, [1] стр.19-35, заявка на изобретение 99123808/09, 10.11.1999 [2]).

В известных способах передачу дискретной информации осуществляют путем расширения спектра сигналов за счет псевдослучайной перестройки рабочей частоты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в заявке 99123808/09, 10.11.1999. Способ включает на передающем конце радиолинии деление входного сигнала на блоки, сформированные в виде двоичных векторов длиною n-бит в соответствии с числом используемых частотных каналов р=2ⁿ, формирование двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности путем одновременного параллельного снятия информации с различных разрядов регистра сдвига, при этом длину каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности выбирают равной длине двоичного вектора блока входного сигнала, кодирование двоичного вектора блока входного сигнала путем сложения по модулю два его битов с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, последовательную перестройку передатчика на частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде вторых двоичных векторов псевдослучайной последовательности, модуляцию частоты передатчика и последующее излучение сигнала в пространство, прием сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах, выбор согласно коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности того частотного канала, по которому производилась передача, преобразование сигнала на промежуточную частоту, усиление, демодуляцию и формирование двоичного вектора демодулированных сигналов, формирование аналогично как и на передающей стороне двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности, декодирование сигнала путем сложения по модулю два битов двоичного вектора сигнала возникающего в частотном канале с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности и подачу сигнала на оконечное устройство.

Однако способ прототип имеет недостаток. Несмотря на то, что несущая частота передатчика перестраивается в соответствии с кодом псевдослучайной последовательности, система связи является недостаточно помехозащищенной при активных вторжениях. Поскольку сигнал на какой-то момент времени излучается на одной частоте, то он вскрывается разведкой противника, что позволяет ему оптимальным образом распределить ограниченную мощность помех по всему пространству радиосигнала.

Изобретение направлено на повышение помехозащищенности (скрытности и помехоустойчивости) связи.

Это достигается тем, что в известном способе передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, заключающимся в делении входного сигнала на блоки, сформированные в виде двоичных векторов длиною n-бит в соответствии с числом используемых частотных каналов р=2ⁿ, формировании двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности путем одновременного параллельного снятия информации с различных разрядов регистра сдвига, при этом длину каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности выбирают равной длине двоичного вектора блока входного сигнала, кодирование двоичного вектора блока входного сигнала путем сложения по модулю два его битов с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, перестройке передатчика на частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде вторых двоичных векторов псевдослучайной последовательности, модуляции частоты передатчика и последующем излучении сигнала в пространство, приеме сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах, преобразовании сигнала на промежуточную частоту, усилении, демодуляции и формировании двоичного вектора демодулированных сигналов, формировании аналогично как и на передающей стороне двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности, декодировании сигнала путем сложения по модулю два первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора демодулированных сигналов и подачи сигнала на оконечное устройство, согласно изобретению осуществляют модуляцию частоты передатчика помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот, при этом первую частоту выбирают для частотного канала, номер которого соответствует коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, а все другие частотные каналы выбирают последовательным перебором в соответствии со значением "1" в соответствующем разряде кодированного двоичного вектора блока входного сигнала, а на приемной стороне после демодуляции сигналов в частотных каналах формируют двоичный вектор, разряды которого принимают значение "1" при наличии сигнала в соответствующих частотных каналах, номера которых следуют за частотным каналом, который определяют по коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности.

В совокупности признаков заявленного способа под двоичным вектором понимается сигнал в виде последовательности нулевых и единичных битов, соответствующей представлению числа (символа) в двоичной системе исчисления.

Перечисленная совокупность существенных признаков обеспечивает высокую помехозащищенность связи, поскольку передатчик излучает одновременно на разных частотах, число которых и разность между которыми может иметь различные значения при каждом скачке частоты. Такое формирование сигнала с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и энергетическое подавление при активных вторжениях затрудняет их разведку, так как излучаемый передатчиком сигнал расширяется с помощью непосредственной модуляции несущих частот помехоустойчивым кодом с большой базой, а затем за счет скачкообразного изменения рабочих частот передатчика. При этом осуществляется распределение энергии сигнала в большой полосе частот, чем обеспечивается энергетическая, структурная и информационная скрытность сигналов. В таких условиях постановщик помех вынужден либо распределять ограниченную мощность помех по всему пространству радиосигнала, тем самым создавая малую спектральную плотность мощности помех, либо использовать всю имеющуюся мощность передатчика помех в малом подпространстве, оставляя оставшуюся часть пространства радиосигнала свободной от помех. В результате повышается помехоустойчивость системы радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в условиях активных вторжений.

Возможность технической реализации заявленного способа поясняется следующим образом.

Если число используемых частотных каналов равно 2^k, то длину двоичного вектора блока входного сигнала выбирают равной k бит. Например, для 16 используемых частотных каналов длина двоичного вектора блока входного сигнала должна составлять 4 бита.

Формирование псевдослучайной последовательности максимальной длины, содержащей 2ⁿ-1 символов, можно осуществлять путем использования линейного регистра сдвига, имеющего n разрядов, обратную связь которого определяют по виду выбранного примитивного полинома степени n. Нахождение примитивных полиномов степени n изложено в [3] на стр.74-75.

Формирование каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности длиною k битов можно осуществить путем снятия информации с k различных разрядов регистра сдвига, номера которых могут быть определены по значению вводимого ключа защиты К (начального заполнения разрядов регистра сдвига). Например, путем определения порождающего элемента

l₀ ≡ K(mod q), если l₀<2, то l₀=2,

и вычисления номера разряда регистра сдвига по формуле

l₁=l₀, l_i ≡ l₀l_i-1 (mod q), i=1, k,

где значение q выбирается из простых чисел и для регистра сдвига, имеющего 256 разрядов q=257, а для регистра сдвига, имеющего 128 разрядов q=127. В этом случае за счет возведения в степень порождающего числа l₀, мы будем переходить от одного элемента поля Fq к другому. При этом, как показано в [3] стр.44, если l₀ - элемент порядка m, то все элементы l₀ l²₀ l³₀,...,l^m-1₀ будут различны.

В соответствии со вторым двоичным вектором псевдослучайной последовательности (например 1000) код К₁ для перестройки передатчика на первую несущую частоту будет соответствовать 8-частотному каналу, так как в двоичной системе исчисления 1000 соответствует числу 8.

Кодирование блока входного сигнала можно осуществить путем сложения по модулю два символов первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности (например, 0011), с символами двоичного вектора блока входного сигнала (например, 0111)

К₂=0100.

В соответствии с сформированными кодами K₁ и К₂ передатчик будет излучать сигнал одновременно на несущих 8- и 11-частотных каналах, так как 9-й канал будет соответствовать нулевому разряду кода К₂, 10-й разряд будет соответствовать первому разряду кода К₂, 11-й канал будет соответствовать второму разряду кода К₂, а 12-й канал будет соответствовать третьему разряду кода К₂.

На приемной стороне вычисляют символы двоичных векторов псевдослучайной последовательности, один из которых используется для определения номеров каналов, в которых возможно появление кодированного сигнала. Для нашего примера, в соответствии с кодом псевдослучайной последовательности (1000⇒ 8) появление сигналов следует ожидать в 9, 10, 11, 12-м каналах. Так как сигнал появился в 11-м канале, то формируют двоичный вектор К₂=0100. Декодирование сформированного сигнала осуществляют путем сложения по модулю два битов кодов К₂ (0100) с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности (0011). Полученное число (0111⇒ 7) подают на оконечное устройство.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройств, представленных блок-схемой на фиг.1, где:

блок 1 - источник сигнала;

блок 2 - первый регистр сдвига;

блок 3 - кодирующее устройство;

блок 4 - синтезатор частот;

блок 5 - модулятор;

блок 6 - передатчик;

блок 7 - приемник;

блок 8 - второй регистр сдвига;

блок 9 - декодирующее устройство;

блок 10 - оконечное устройство,

и блок-схемой на фиг.2, где блоки 11-16 - разряды 1-6 регистра сдвига, а блок 17 - сумматор по модулю два.

Для простоты описания работы устройства будем пользоваться малыми числами. Будем считать, что регистр сдвига имеет 6 разрядов (длина ключа защиты 6 бит), а число используемых частотных каналов 16, тогда для передачи одного блока входного сигнала может быть использован двоичной вектор длиною 4 бита.

Для определения структуры регистра сдвига выбирают примитивный многочлен шестой степени, например

λ ⁶+λ ⁵+1.

Для выбранного примитивного многочлена, структурная схема регистра сдвига с обратной связью будет иметь вид, представленный на фиг.2. Сформированный с помощью генератора случайных чисел ключ защиты длиною 6 бит

<λ ₆,λ ₅,λ ₄,λ ₃,λ ₂,λ ₁>

где λ ₁=0, λ ₂=0, λ ₃=0, λ ₄=1, λ ₅=1, λ ₆=1 – поступает в регистр сдвига и используется для начального заполнения разрядов регистра сдвига. Двоичные символы с 5 и 6 разряда регистра сдвига поступают в каждом такте работы на вход сумматора 17 по модулю два, а с выхода сумматора по модулю два символ ε =λ ₅ ⊕ λ ₆ поступает на вход первого разряда регистра сдвига (блок 11). При этом состояние разрядов для каждого такта в процессе работы регистра сдвига определяется выражением

λ _i=λ _i-1 для , λ ₁=ε .

Если символы будут сниматься с шестого разряда λ ₆, то двоичная псевдослучайная последовательность максимального периода будет иметь вид

{1110000010000110001010011110100011100100101101110110

011010101111}.

Заметим, что на периоде этой последовательности любой ненулевой набор из шести знаков 0 и 1 встречается только один раз.

Если двоичные числа будем снимать с 1, 2, 3 и 4-го разряда регистра сдвига (блоки 11, 12, 13, 14) на каждом такте его работы и с набором <λ ₁,λ ₂,λ ₃,λ ₄> будем сопоставлять двоичный вектор (число) x=λ ₁+2λ ₂+2²λ ₃,+2³λ ₄, то последовательность двоичных чисел в процессе работы регистра можно рассматривать как последовательность символов x(0, 1, 2,...,15} в виде

x={8, 0, 0, 1, 2, 4, 8, 0, 1, 3, 6, 12, 8, 1, 2, 5, 10, 4, 9, 3, 7, 15, 14, 13, 10, 4, 8, 1, 3, 7, 14, 12, 9, 2, 4, 9, 2, 5, 11, 6, 13, 11, 7, 14, 13, 11, 6, 12, 9, 3, 6, 13, 10, 5, 10, 5, 11, 7, 15, 15, 15, 14, 12,...}.

Если двоичные числа будем снимать одновременно с 1, 2, 5, 6-го разрядов регистра сдвига (блоки 11, 12, 15, 16) на каждом такте его работы с набором <λ ₆,λ ₅,λ ₂,λ ₁>, будем сопоставлять число в виде y=λ ₆+2λ ₅+2²λ ₂+2³λ ₁, то последовательность двоичных чисел в процессе работы регистра сдвига можно рассматривать как последовательность символов y{0,1,2,...,15} в виде

y={3, 3, 1, 8, 4, 0, 0, 2, 9, 12, 4, 0, 2, 11, 5, 8, 4, 2, 9, 14, 13, 12, 6, 11, 7, 3, 1, 10, 13, 12, 4, 2, 11, 7, 1, 8, 6, 9, 12, 6, 9, 14, 15, 5, 10, 15, 7, 1, 10, 15, 5, 8, 6, 11, 5, 10, 13, 14, 13, 14, 15, 7, 3,...}.

Анализ сформированных последовательностей x и y показывает, что на интервале, соответствующем периоду равному 63 тактам работы регистра сдвига, каждый из символов {1, 2,...15} встречается ровно четыре раза. Символ, соответствующий нулю, в обеих последовательностях встречается ровно три раза, при этом последовательности x и y не могут быть получены друг из друга в результате циклического сдвига. В последовательностях x и y отсутствуют скрытые периодичности и обеспечивается статистическая равномерность используемых символов.

Сформированные псевдослучайные последовательности символов x и y в виде двоичных векторов поступают в кодирующее устройство 3, где формируют коды K₁ и К₂ для перестройки передатчика на соответствующие несущие частоты.

Аналогично на приемной стороне формируют символы х, y в блоке 8 для определения номеров частотных каналов, в которых следует ожидать появления сигналов и осуществления декодирования принятых сигналов.

При этом за счет модуляции несущих частот передатчика помехоустойчивым кодом (например, Баркера) с большой базой обеспечивается энергетическая скрытность излучаемых сигналов, а излучение сигнала одновременно на двух и более частотах обеспечивает повышение структурной скрытности излучаемых сигналов и помехоустойчивости связи.

Поскольку при работе регистра сдвига имеется возможность пропускать те такты его работы, для которых символы формируемых двоичных векторов псевдослучайной последовательности совпадают во всех или нескольких выделенных разрядах, то обеспечивается статистическая равномерность используемых частотных каналов при передаче постоянных символов исходного текста и исключается применение статистических методов криптоанализа для вскрытия псевдослучайной последовательности.

Если частотный канал, соответствующий коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, будет применяться только для случая проверки закодированного блока входного сигнала на четность, то имеется возможность обнаружения и исправления ошибок в декодированном сообщении, что повышает помехоустойчивость связи.

Если код для перестройки передатчика на первую несущую частоту будет формироваться путем сложения по модулю два битов второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами кодированного двоичного вектора блока входного сигнала, то на приемной стороне имеется возможность осуществить фильтрацию ложных сигналов за счет формирования дополнительного двоичного вектора путем сложения по модулю два битов второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора соответствующего порядковому номеру частотного канала для первой частоты передатчика и сравнения полученного дополнительного двоичного вектора с двоичным вектором демодулированных сигналов.

Если частотный канал, соответствующий коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности не используется, то в этом случае повышается структурная скрытность излученных сигналов и затрудняется вскрытие кодов псевдослучайных последовательностей.

Реализация предлагаемого способа не вызывает затруднений, так как все блоки и узлы, входящие в устройство, реализующее способ общеизвестны и широко описаны в технической литературе.

Источники информации

1. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, В.И. Шестопалов. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. М.: Радио и связь, 2000.

2. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение 99123808/09, 10.11.1999, МПК 7 Н 04 В 1/713.

3. Б.Н. Воронков, В.И. Тупота. Методическое пособие по разработке средств защиты информации в вычислительных сетях. Воронеж: Воронежский государственный университет, 2000.

Формула изобретения

1. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, включающий на передающем конце деление входного сигнала на блоки, сформированные в виде двоичных векторов длиною n бит в соответствии с числом используемых частотных каналов р=2ⁿ, формировании двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности путем одновременного параллельного снятия информации с различных разрядов регистра сдвига, при этом длину каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности выбирают равной длине двоичного вектора блока входного сигнала, кодирование двоичного вектора блока входного сигнала путем сложения по модулю два его битов с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, перестройку передатчика на частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, модуляцию частоты передатчика и последующее излучение сигнала в пространство, прием сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах, преобразование сигнала на промежуточную частоту, усиление, демодуляцию и формирование двоичного вектора демодулированных сигналов, формирование аналогично как и на передающей стороне двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности, осуществление декодирования сигнала путем сложения по модулю два битов первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора демодулированного сигнала и подачу сигнала на оконечное устройство, отличающийся тем, что частоты передатчика модулируют помехоустойчивым кодом, а перестройку передатчика осуществляют одновременно на несколько частот, при этом первую частоту выбирают для частотного канала, номер которого соответствует коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, а все другие частотные каналы выбирают последовательным перебором в соответствии со значением символа "1" в соответствующем разряде кодированного двоичного вектора блока входного сигнала, а на приемном конце радиолинии после демодуляции сигналов в частотных каналах формируют двоичный вектор, разряды которого принимают значения "1" при наличии сигнала в соответствующих частотных каналах, номера которых следуют за частотным каналом, который определяют по коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частотный канал, соответствующий коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности на передающей стороне, применяют только для обеспечения четного числа одновременно используемых несущих частот, а на приемной стороне используют для проверки кодированного двоичного вектора блока входного сигнала на четность.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частотный канал, соответствующий коду второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, не используют при передаче и приеме сообщений.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пропускают те такты работы регистра сдвига, для которых формируемые двоичные вектора псевдослучайных последовательностей совпадают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2