Способ оценки качества маскирующего шума
Владельцы патента RU 2550353:
Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) (RU)
Изобретение относится к области защиты информации и может быть использовано для оценки качества маскирующего шума. Технический результат - повышение точности оценки качества маскирующего акустического шума. Способ оценки качества маскирующего шума включает, в том числе, получение с помощью анализатора спектра набора спектральных составляющих маскирующего шума, разбиения заданного диапазона частот на M равных частотных областей, для каждой из которых рассчитывается относительный коэффициент отклонения от среднего выровненного значения амплитуд спектральных составляющих и коэффициент равномерности амплитудного спектра маскирующего шума. Далее значение коэффициента равномерности используется для корректировки энтропийного коэффициента качества маскирующего шума, который отображают с помощью устройства вывода. 4 ил.
Изобретение относится к области защиты информации и может быть использовано для оценки качества маскирующего шума.
Известны способы оценки качества маскирующих частотно-модулированных (патент РФ №2346390) и амплитудно-модулированных (патент РФ №2351076) шумовых помех, основанные на демодуляции принятой маскирующей шумовой помехи, ее преобразовании в электрический сигнал, дискретизации электрического сигнала по времени, квантовании отсчетов значений по уровням, вычислении энтропии закона распределения значений напряжений электрического сигнала, подсчете энтропийного коэффициента качества шумовой помехи, оценивании качества маскирующей шумовой помехи по энтропийному коэффициенту качества шумовой помехи.
Недостатком данных способов является то, что все расчеты проводятся во временной области и поэтому отсутствует возможность учета влияния формы огибающей частотного спектра на качество шумовой помехи.
Известен способ оценки качества маскирующих прямошумовых помех (патент РФ №2353057), основанный на преобразовании маскирующего шума в электрический сигнал, его дискретизации по времени и квантования по уровням, вычислении энтропийного коэффициента качества мгновенных значений напряжения электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения, демодуляции по амплитуде маскирующей прямошумовой помехи, дискретизации по времени и квантовании по уровням напряжения амплитуды электрического сигнала, вычислении энтропийного коэффициента качества значений напряжений амплитуды электрического сигнала, оценивании качества маскирующей прямошумовой помехи по произведению энтропийных коэффициентов качества мгновенных значений и значений напряжений амплитуды электрического сигнала. Недостатком этого способа является отсутствие возможности учета влияния формы огибающей частотного спектра на качество шумовой помехи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ оценки качества маскирующего акустического (виброакустического) шума (патент РФ №2350023), заключающийся в том, что маскирующий шум преобразуют в электрический сигнал, осуществляют его дискретизацию по времени и квантование по N уровням, вычисляют математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение напряжения электрического сигнала, по мгновенным значениям напряжения электрического сигнала подсчитывают ряд значений огибающей электрического сигнала, подсчитывают вероятности распределений мгновенных значений напряжения и значений огибающей электрического сигнала по уровням, вычисляют, энтропийный коэффициент качества огибающей электрического сигнала относительно эталонного закона распределения Релея, считают энтропийный коэффициент качества маскирующего шума как произведение энтропийного коэффициента качества мгновенных значений напряжений электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения и энтропийного коэффициента качества огибающей электрического сигнала относительно эталонного закона распределения Релея, используют для оценки маскирующего шума энтропийный коэффициент качества маскирующего шума.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие возможности учета влияния неравномерности амплитудного спектра маскирующего шума в некотором (конечном) частотном диапазоне при расчете энтропийного коэффициента качества, которая может характеризоваться провалами и подъемами в отдельных областях частотного диапазона.
Исходя из требований нормативных документов, частотный диапазон акустического маскирующего шума должен соответствовать среднестатистическому спектру зашумляемого сигнала. Речевой сигнал представляет собой процесс со сложной структурой, поэтому наиболее предпочтительной формой маскирующего шума является шумовой процесс с нормальным законом распределения плотности вероятности мгновенных значений, которому соответствует белый или розовый шум [Бузов Г.А., Калинин С.В., Кондратьев А.В. Защита от утечки информации по техническим каналам: Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 416 с.: ил. - С. 169].
Маскирование в речевом диапазоне проводится с использованием «белого» шума, имеющего равномерно распределенный частотный спектр [Энциклопедия промышленного шпионажа. / Каторин Ю.Ф., Куренков Е.В., Лысов А.В., Остапенко А.Н. / под общ. ред. Куренкова Е.В. - С.-Петербург: ООО «Издательство Полигон», 2000. - 512 с., ил. - С. 414].
В качестве маскирующего сигнала для защиты передаваемой в телефонных линиях информации используют аналоговые сигналы типа «белый» шум [ЗИ. Вас подслушивают - защищайтесь! Халяпин Д.Б. С. 354].
В практических задачах активной радиотехнической маскировки при ограничениях, накладываемых на среднюю мощность шума, нормальный (гауссовский) шум обладает максимальными маскирующими свойствами. Спектр маскирующего шума должен быть равномерным, так как неравномерность спектра предопределит принципиальную возможность увеличения отношения сигнал-шум [Емельянов С.Л. Альтернативные подходы к оптимизации помех в системах активной защиты информации // Науковi записки, УНДIЗ, 2007. - №2. - С. 97-100].
С точки зрения энергетической эффективности процесса защиты информации, а также, исходя из рассмотренных выше материалов, к маскирующей помехе необходимо применять требование по равномерности амплитудного спектра в частотном диапазоне.
Учет частотных свойств при такой оценке может быть осуществлен по значению коэффициента отклонения от среднего значения, показывающему отклонение от полностью равномерно распределенной в частотной области маскирующей помехи с затраченной на ее генерацию энергией, эквивалентной энергии рассматриваемой помехи:
где M - количество частотных областей,
n - количество спектральных составляющих в заданной ограниченной полосе частот,
pm - количество спектральных составляющих в границах m-й частотной области,
A - значение амплитуды спектральных составляющих.
Задачей изобретения является создание способа оценки качества маскирующего шума, позволяющего повысить точность оценки качества маскирующего шума за счет учета его частотных свойств.
В заявленном способе эта задача решается тем, что в способе оценки качества маскирующего шума, заключающегося в том, что принимают в течение времени t≥10 c маскирующий шум, преобразуют его в электрический сигнал, осуществляют дискретизацию по времени и квантование отсчетов мгновенных значений электрического сигнала по N уровням, вычисляют вероятности пересечения каждого уровня квантования, с использованием полученных значений вероятности пересечения уровней квантования и значений каждого из уровней вычисляют математическое ожидание, среднеквадратическое значение напряжения электрического сигнала, находят энтропию закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала, рассчитывают энтропийный коэффициент качества относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала, вычисляют для всех дискретных значений времени уровень напряжения огибающей электрического сигнала и осуществляют квантование полученных значений напряжений огибающей электрического сигнала по N уровням, рассчитывают вероятности пересечения огибающей электрического сигнала каждого N-го уровня, второй момент закона распределения значений напряжения огибающей электрического сигнала, математическое ожидание натурального логарифма значений напряжения огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропию закона распределения значений напряжений огибающей электрического сигнала и энтропию эталонного для огибающей электрического сигнала распределения по закону Релея, вычисляют энтропийный коэффициент качества огибающей электрического сигнала, определяют энтропийный коэффициент качества маскирующего шума, как произведение энтропийнных коэффициентов качества мгновенных значений и огибающей электрического сигнала, с помощью анализатора спектра получают набор спектральных составляющих маскирующего шума, находят среднее значение амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума. Разбивают весь диапазон частот на М равных частотных областей, таким образом, чтобы в каждой частотной области оказалось не менее z значений (z>2) амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума. Для каждой частотной области вычисляют относительный коэффициент отклонения значений амплитуд от среднего выровненного значения амплитуд спектральных составляющих данной частотной области и коэффициент равномерности амплитудного спектра маскирующего шума как усредненное значение относительных коэффициентов схождения к среднему, вычтенных из единицы. Рассчитывают скорректированный энтропийный коэффициент качества маскирующего шума как произведение коэффициента равномерности и энтропийного коэффициента качества маскирующего шума. Скорректированное значение энтропийного коэффициента качества отображают с помощью устройства вывода.
Благодаря новой совокупности признаков обеспечивается повышение точности оценки качества маскирующего шума в условиях неравномерности амплитудного спектра маскирующего шума в заданном частотном диапазоне.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа оценки качества маскирующего шума, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - последовательность действий, осуществляемых при реализации заявленного способа;
фиг. 2 - частотный спектр маскирующей помехи в ограниченной полосе частот;
фиг. 3 - амплитудный спектр «квазибелого» маскирующего шума;
фиг. 4 - пример реализации предлагаемого способа для амплитудного спектра «квазибелого» маскирующего шума.
Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг. 1).
101. Маскирующий шум принимают в течение времени t≥10 c, преобразуют его в электрический сигнал.
102. Осуществляют дискретизацию отсчетов мгновенных значений электрического сигнала, измеряют для всех дискретных моментов времени tj
уровни напряжений электрического сигнала u(tj), выбирают среди всех измеренных значений максимальный umax и минимальный umin уровень напряжения сигнала, разбивают весь диапазон измеренных значений напряжения электрического сигнала на N уровней, в которых напряжение j-го уровня вычисляют по формуле:
,
где 
- номер уровня напряжения электрического сигнала;
N - количество уровней напряжения электрического сигнала;
подсчитывают в течение интервала времени t количество Ni пересечений электрическим сигналом каждого i-го уровня.
103. Рассчитывают количество S пересечений электрическим сигналом всех уровней по формуле:
.
Далее вычисляют вероятности pi пересечения каждого i-го уровня по формуле 
.
104. Затем строят гистограмму закона распределений мгновенных значений электрического сигнала pi(ui) 
и вычисляют с использованием гистограммы средневзвешенное значение uср напряжения электрического сигнала на интервале [umin, umax] по формуле:
.
После этого вычисляют с использованием гистограммы среднеквадратическое значение σ напряжения электрического сигнала на интервале [umin, umax] по формуле:
.
105. С использованием гистограммы вычисляют энтропию Н закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле:
.
Вычисляют энтропийный коэффициент качества ηM мгновенных значений напряжений электрического сигнала относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала по формуле:
.
106. Для всех дискретных значений времени tj
вычисляют уровень напряжения U(tj) огибающей электрического сигнала по формуле:
,
где u(tj) - уровень напряжения электрического сигнала для j-го момента времени;
.
107. Выбирают среди всех вычисленных значений максимальный umax и минимальный umin уровень напряжения огибающей электрического сигнала, вычисляют количество уровней N0 напряжения огибающей электрического сигнала по формуле:
.
После разбивают весь диапазон значений напряжения огибающей электрического сигнала на N0 уровней, в которых напряжение Ul l-го уровня вычисляют по формуле:
,
где 
- номер уровня напряжения огибающей электрического сигнала;
N0 - количество уровней напряжения огибающей электрического сигнала, подсчитывают количество пересечений 
огибающей электрического сигнала каждого l-го уровня, рассчитывают количество S0 пересечений огибающей электрического сигнала всех уровней по формуле:
.
Рассчитывают вероятности 
пересечения огибающей электрического сигнала каждого l-го уровня по формуле:
.
Строят гистограмму закона распределений значений напряжения огибающей электрического сигнала 
, рассчитывают с использованием гистограммы второй момент 
закона распределения значении напряжения огибающей электрического сигнала по формуле:
.
Рассчитывают с использованием гистограммы математическое ожидание m натурального логарифма значений напряжения огибающей электрического сигнала по формуле:
.
108. С использованием гистограммы вычисляют энтропию H0 закона распределения значений напряжений огибающей электрического сигнала по формуле:
.
Вычисляют энтропию HP эталонного релеевского закона распределения по формуле:
.
где 
- параметр релеевского закона распределения;
c=0,577 - постоянная Эйлера.
109. Вычисляют энтропийный коэффициент качества η0 огибающей электрического сигнала по формуле:
.
Вычисляют энтропийный коэффициент качества η маскирующего акустического (виброакустического) шума по формуле η=ηM·η0.
110. После вычисления энтропийного коэффициента качества маскирующего шума с помощью анализатора спектра получают набор спектральных составляющих маскирующего шума в заданной ограниченной полосе частот (фиг. 2).
111. Находят среднее значение амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума по формуле:
где n - количество спектральных составляющих в заданной ограниченной полосе частот;
Ai - значение амплитуды спектральных составляющих.
112. Затем разбивают весь диапазон частот на М равных частотных областей, таким образом, чтобы в каждой частотной области оказалось не менее z значений (z>2) амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума.
113. Для каждой m-й частотной области производят расчет среднего значения амплитуд спектральных составляющих по формуле:
.
114. Для каждой m-й частотной области вычисляют относительный коэффициент отклонения от среднего выровненного значения амплитуд спектральных составляющих данной частотной области по формуле:
где m - номер частотной области;
- среднее значение амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума в заданной ограниченной полосе частот;
- среднее значение амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума в границах m-й частотной области.
116. После этого вычисляют коэффициент равномерности амплитудного спектра маскирующего шума как разность единицы и усредненного значения относительных коэффициентов схождения к среднему по следующей формуле
где m - номер частотной области;
M - количество частотных областей;
- среднее значение амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума в заданной ограниченной полосе частот;
Km - коэффициент отклонения от среднего выровненного значения амплитуд спектральных составляющих m-й частотной области.
117. Рассчитывают скорректированный энтропийный коэффициент качества маскирующего шума как произведение коэффициента равномерности и энтропийного коэффициента качества маскирующего шума:
где η - энтропийный коэффициент качества маскирующей помехи;
- коэффициент равномерности амплитудного спектра маскирующего шума.
118. Полученное скорректированное значение энтропийного коэффициента качества отображают с помощью устройства вывода.
При реализации предлагаемого способа достигается результат, эквивалентный повышению точности оценки качества маскирующего акустического шума средства активной защиты, что в значительной мере должно способствовать более достоверным результатам при проведении сертификационных испытаний средств активной защиты. Правомерность полученных результатов подтверждена экспериментальным путем.
В качестве исходных данных для проведения эксперимента взята запись «квазибелого» маскирующего шума. На фиг. 3 представлен его амплитудно-частотный спектр. В результате практической реализации способа-прототипа получено значение энтропийного коэффициента качества η≈0,1. На фиг. 4 представлены первые 15 частотных областей, полученных при реализации предлагаемого способа для амплитудно-частотного спектра «квазибелого» маскирующего шума. Для 262145 спектральных составляющих спектра «квазибелого» маскирующего шума выбрано 20000 частотных областей (примерно 13 значений спектральных составляющих в каждой области). Получено значение для коэффициента равномерности 
. Скорректированное значение энтропийного коэффициента качества «квазибелого» маскирующего шума ηc≈0,087.
Выигрыш заявленного способа перед способом прототипом выражается коэффициентом отклонения от среднего значения 
. Следовательно, технический результат, заявленный в задаче изобретения, достигнут.
Достоинства предлагаемого способа заключаются в следующем:
- при реализации заявленного способа обеспечивается повышение точности оценивания качества маскирующего шума;
- реализация способа не требует значительных затрат вычислительных ресурсов.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность оценки качества маскирующего шума в условиях неравномерности амплитудного спектра маскирующего шума в заданном частотном диапазоне.
Способ оценки качества маскирующего шума, заключающийся в том, что принимают в течение времени t≥10 c маскирующий шум, преобразуют его в электрический сигнал, осуществляют дискретизацию по времени и квантование отсчетов мгновенных значений электрического сигнала по N уровням, вычисляют вероятности пересечения каждого уровня квантования, с использованием которых вычисляют математическое ожидание и среднеквадратическое значение напряжения электрического сигнала, затем находят энтропию закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала, рассчитывают энтропийный коэффициент качества относительно эталонного нормального закона распределения мгновенных значений напряжений электрического сигнала, вычисляют для всех дискретных значений времени уровень напряжения огибающей электрического сигнала, осуществляют квантование полученных значений напряжений огибающей электрического сигнала по N уровням, рассчитывают вероятности пересечения огибающей электрического сигнала каждого N-го уровня, рассчитывают второй момент закона распределения значений напряжения огибающей электрического сигнала, рассчитывают математическое ожидание натурального логарифма значений напряжения огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропию закона распределения значений напряжений огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропию эталонного для огибающей электрического сигнала распределения по закону Релея, вычисляют энтропийный коэффициент качества огибающей электрического сигнала, вычисляют энтропийный коэффициент качества маскирующего шума как произведение энтропийных коэффициентов качества мгновенных значений и огибающей электрического сигнала, отличающийся тем, что после того как вычисляют энтропийный коэффициент качества маскирующего шума, с помощью анализатора спектра получают набор спектральных составляющих маскирующего шума, находят среднее значение амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума, разбивают весь диапазон частот на M равных частотных областей, таким образом, чтобы в каждой частотной области оказалось не менее z значений (z≥2) амплитуд спектральных составляющих маскирующего шума, для каждой частотной области вычисляют относительный коэффициент отклонения от среднего выровненного значения амплитуд спектральных составляющих данной частотной области, вычисляют коэффициент равномерности амплитудного спектра маскирующего шума как усредненное значение относительных коэффициентов схождения к среднему, вычтенных из единицы, рассчитывают скорректированный энтропийный коэффициент качества маскирующего шума как произведение коэффициента равномерности и энтропийный коэффициент качества маскирующего шума, скорректированное значение энтропийного коэффициента качества отображают с помощью устройства вывода.
