Формирователь ансамблей стохастических ортогональных кодов с отсутствующей временной задержкой
Владельцы патента RU 2787561:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU)
Настоящее изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в устранении задержек по времени в процессе формирования и вывода ансамблей стохастических ортогональных кодов (АСОК). Технический результат достигается за счёт того, что устройство содержит генератор функций Попенко - Турко, позволяющий формировать ортогональные коды, в качестве которых используют ортогональный базис, определяемый собственными значениями и собственными векторами действительной положительно определенной симметрической матрицы, блок стохастического формирования коэффициентов симметрической матрицы, позволяющий формировать положительно определенную симметрическую матрицу на базе псевдослучайных чисел, блок памяти, в котором все АСОК хранятся до тех пор, пока не будет принято решение об их использовании для осуществления процесса передачи информации, и блок вывода АСОК, в котором хранится порядок вывода ансамблей, определяющий то, какие ансамбли из блока памяти будут использоваться для обеспечения процесса передачи информации. 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано автономно или в комплексе для вычисления ортогонального базиса положительно определённой симметрической матрицы, который будет храниться в памяти устройства необходимое для пользователя время для осуществления передачи информации в системе цифровой радиосвязи с множественным доступом с кодовым разделением каналов (CDMA – Code Division Multiplte Access), например, в системе сотовой связи 4 поколения, беспроводной системе охраны, навигационном аппаратно-программном комплексе.
Уровень техники
Известно устройство генерации ортогональных кодов (Генератор функций Попенко-Турко: пат. №1753464 А1 СССР, опубл. 07.08.1992, МПК G06F1/02). Данное устройство позволяет вычислить ортогональный базис положительно определенной симметрической матрицы с действительными положительными коэффициентами, принадлежащими интервалу (0; 1). В состав данного устройства входят матрица вычислителей, два блока памяти, группы блоков деления, блок синхронизации, блоки И, операционные блоки, элемент задержки и регистры сдвига.
Недостатками генератора функций Попенко-Турко является отсутствие автоматического поступления входных данных, а также отсутствие возможности стохастического формирования ансамблей ортогональных кодов различной структуры.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор стохастических ортогональных кодов (Генератор стохастических ортогональных кодов: пат. № 2 615 322(13) C1 RU, опубл. 04.04.2017, МПК G06F1/02, G06F 7/58), предназначенный для автоматизации процесса формирования исходных данных и обеспечения формирования систем стохастических ортогональных кодов. Устройство содержит генератор функций Попенко-Турко, позволяющий формировать ортогональные коды, в качестве которых используют ортогональный базис, определяемый собственными значениями и собственными векторами действительной положительно определенной симметрической матрицы, и блок стохастического формирования коэффициентов симметрической матрицы, позволяющий формировать положительно определенную симметрическую матрицу на базе псевдослучайных чисел.
Недостатком генератора стохастических ортогональных кодов является наличие временных пауз в процессе формирования ансамблей стохастических ортогональных кодов. Наличие временных пауз приводит к появлению накапливающейся задержки по времени в процессе вывода ансамблей стохастических ортогональных кодов для их использования по назначению (в системе передачи информации или при автономном использовании).
Раскрытие сущности изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является устранение временных пауз в процессе формирования ансамблей стохастических ортогональных кодов.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счёт введения блока памяти, в который после процесса вычисления будут записываться сформированные ансамбли стохастических ортогональных кодов (АСОК), что позволит обеспечить их непрерывное формирование и вывод (применение).
Генератор функций Попенко – Турко вычисляет ортогональный базис для матрицы вида, указанного в формуле 1:
Для положительно определённой симметрической матрицы это будет означать:
1) любой коэффициент матрицы вида (1) удовлетворяет условию
2) соблюдается свойство симметричности для коэффициентов матрицы, не принадлежащих главной диагонали 
Для спектрального анализа сигналов используется сравнительно небольшое количество полных и ортогональных систем базисных функций. При этом наиболее эффективно разложение сигналов по системам кусочно-постоянных функций, например, функций Уолша. Поскольку собственные векторы действительной симметрической матрицы, соответствующие различным собственным значениям, ортогональны между собой, то в качестве системы базисных функций может быть использован ортогональный базис, состоящий из собственных векторов симметрической матрицы вида (1).
Постоянное увеличение объёмов передаваемой информации создаёт требования к увеличению пропускной способности каналов и скорости передачи информации при условии обеспечению достаточного уровня её безопасности. Таким образом, возникает необходимость ускорить процесс передачи информации с сохранением высокого уровня безопасности передаваемой информации, что, в рамках данного устройства, достигается путём записи АСОК в блок памяти после их вычисления.
В случае вычисления АСОК прямо во время процесса передачи информации будут возникать накапливающиеся временные задержки, связанные с тем, что между этапами вычисления АСОК существует время паузы tп, которое представляет собой временные затраты на вычисление одного АСОК. Очевидным является то, что появление пауз при передаче данных негативно отражается на общем времени передачи информации, увеличивая его. Причем, поскольку расчет АСОК в генераторе носит итерационный характер, то величина пауз может быть различной.
Предлагаемый формирователь ансамблей стохастических ортогональных кодов с отсутствующей временной задержкой имеет возможность устранить недостаток, заключающийся в появлении пауз непредсказуемой длительности при генерировании АСОК.
Технический результат достигается с помощью того, что в функциональную схему генератора стохастических ортогональных кодов, состоящего из генератора 1 функций Попенко – Турко (ГФПТ) и блока 2 стохастического формирования коэффициентов симметрической матрицы (СФКСМ), введён блок 3 памяти и блок 4 вывода АСОК, причём
первый выход ГФПТ 1 подключен ко второму входу блока 2 СФКСМ, второй выход ГФПТ 1 подключен к первому входу блока 3 памяти, первый выход блока 3 памяти выводит компоненты вектора, который определяется порядком вывода ансамблей, хранящимся на блоке 4 вывода АСОК; третий выход ГФПТ 1 подключен ко второму входу блока 3 памяти, второй выход блока 3 памяти выводит компоненты вектора, который определяется порядком вывода ансамблей, хранящимся на блоке 4 вывода АСОК; четвёртый выход ГФПТ 1 подключен к третьему входу блока 3 памяти, третий выход блока 3 памяти выводит компоненты вектора, который определяется порядком вывода ансамблей, хранящимся на блоке 4 вывода АСОК,
узел подачи команды «Пуск» подключен ко входу активации блока 2 СФКСМ, а также к первому входу блока 4 вывода АСОК, первый выход которого соединён с четвёртым входом блока 3 памяти,
первый вход блока 2 СФКСМ соединён с пятым выходом ГФПТ 1, первый вход которого подключен к первому выходу блока 2 СФКСМ, второй выход блока 2 СФКСМ соединён со вторым входом ГФПТ 1, третий выход блока 2 СФКСМ соединён с третьим входом ГФПТ 1, четвёртый выход блока 2 СФКСМ соединён с четвёртым входом ГФПТ 1.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема формирователя ансамблей стохастических ортогональных кодов с отсутствующей временной задержкой.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы прототипа (генератора стохастических ортогональных кодов).
На фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы заявляемого формирователя ансамблей стохастических ортогональных кодов с отсутствующей временной задержкой
Осуществление изобретения
Процедуру задания начальных псевдослучайных значений коэффициентов симметрической положительно определенной действительной матрицы для работы ГФПТ 1 (фиг. 1) осуществляет блок 2 СФКСМ (фиг. 1). Формирование симметрической матрицы порядка n происходит из верхней треугольной матрицы того же порядка n, исходя из свойства симметричности (1).
Устройство работает следующим образом.
После поступления от пользователя команды «Пуск» на вход активации блока 2 СФКСМ в нём происходит формирование коэффициентов симметрической матрицы. Сформированные коэффициенты симметрической матрицы через выходы 2, 3 и 4 блока 2 СФКСМ соответственно поступают на входы 2, 3 и 4 ГФПТ 1.
В блоке 2 СФКСМ формирование квадратной симметрической матрицы А вида (1) осуществляется на базе элементов верхней треугольной матрицы с количеством элементов, определяемым порядком матрицы n.
Для вычисления ансамбля стохастических ортогональных кодов (ортогонального базиса собственных векторов симметрической матрицы А вида (1)) псевдослучайные коэффициенты симметрической матрицы А (ПСК СМ) вида (1) записываются в ГФПТ 1 после поступления сигнала с первого выхода ГФПТ 1 на второй вход блока 2 СФКСМ.
При этом поступающая от пользователя команда «Пуск» также поступает на первый вход блока 4 вывода АСОК, в котором хранится порядок вывода ансамблей, определяющий то, какие ансамбли из блока 3 памяти будут использоваться для обеспечения процесса передачи информации. Требуемые позиции ансамблей передаются через первый выход блока 4 вывода АСОК на четвёртый вход блока 3 памяти, в котором порядок вывода ансамблей будет храниться до момента повторной активации устройства.
Вычисленные АСОК с выходов 2, 3 и 4 ГФПТ 1 поступают соответственно на входы 1, 2 и 3 блока 3 памяти, в который они записываются за некоторое время до начала процесса передачи информации. Время, за которое необходимо начать процесс формирования АСОК выбирается, исходя из требуемого количества ансамблей, которое хочет получить пользователь.
На фиг. 2 представлены временные диаграммы прототипа, которые описывают время, затрачиваемое прототипом на формирование АСОК и, в дальнейшем, на их передачу в канал связи. Таким образом, при формировании АСОК наблюдаются паузы длительностью tп, что, при их использовании в системе передачи информации, увеличивает время передачи данных.
На фиг. 3 представлены временные диаграммы предлагаемого устройства, которые описывают время, затрачиваемое на формирование АСОК и, в дальнейшем, на их передачу в канал связи. В данном случае процесс формирования АСОК и процесс их передачи в канал связи не происходят в одно и то же время (на фиг. 3 это разграничение представлено вертикальной пунктирной линией). Произведя предварительное формирования АСОК с паузами и последующее их непрерывное считывание, можно добиться того, что в момент непосредственного использования сформированных АСОК временные паузы будут отсутствовать, что в процессе передачи информации обеспечит непрерывную передачу данных.
Поскольку формирование системы дискретных базисных функций (ортогонального базиса собственных секторов симметрической матрицы А вида (1)) осуществляется аналогично для любых симметрических положительно определенных матриц любой размерности, то для примера рассмотрим формирование системы, состоящей из трех дискретных базисных функций.
Считается, что исходные данные (ПСК СМ) записаны в ГФПТ 1. После записи исходных данных формирователь ансамблей стохастических ортогональных кодов с отсутствующей временной задержкой работает следующим образом.
Пусть исходная действительная симметрическая положительно определённая матрица А имеет вид (1).
Предположим, что в блоке 2 СФКСМ сформировались следующие ПСЧ для формирования коэффициентов симметрической матрицы А вида (1):
Итог формирования псевдослучайных коэффициентов симметрической матрицы А вида (1) блоком 2 СФКСМ представлен в формуле (4):
Полученные ПСК СМ вида А (4) через выходы 2, 3 и 4 блока 2 СФКСМ соответственно поступают на входы 2, 3 и 4 ГФПТ 1.
В ГФПТ 1 на базе поступивших ПСК СМ производится вычисление ансамблей стохастических ортогональных кодов. В итоге будет формироваться, периодически повторяясь, система кусочно-постоянных дискретных базисных функций (ансамбль стохастических ортогональных кодов) S1(t), S2(t), S3(t) вида (5):
По окончании формирования системы кусочно-постоянных дискретных базисных функций (ансамбля стохастических ортогональных кодов) 
с пятого выхода ГФПТ 1 на первый вход блока 2 СФКСМ поступит сигнал, который будет тождественен сигналу «Пуск», подаваемому от пользователя при начальном запуске устройства. По этой команде в блоке 2 СФКСМ начнётся процедура формирования сигналов для вычисления нового ансамбля стохастических ортогональных кодов.
Каждый сформированный АСОК записывается в блок 3 памяти, в котором все АСОК хранятся до тех пор, пока не будет принято решение об их использовании для осуществления процесса передачи информации.
В дальнейшем при формировании блоком 2 СФКСМ других псевдослучайных чисел, используемых в качестве псевдослучайных коэффициентов для формирования действительной симметрической положительно определенной матрицы, и записи этих коэффициентов в ГФПТ 1, на выходах ГФПТ 1 формируется другая система дискретных базисных функций.
При увеличении размерности исходных матриц число дискретных базисных функций увеличивается. При этом значения периодов генерируемых функций и число значений базисных функций имеют весьма широкий набор, что позволяет повысить точность решения задач обобщённого спектрального анализа и синтеза путем лучшего согласования длины периода обрабатываемого сигнала с длиной периода базисных функций и представления сигнала малым числом коэффициентов преобразования по системе базисных функций.
Использование в данном устройстве блока 4 вывода АСОК, в котором указан закон, определяющий порядок вывода ансамблей с выхода блока 3 памяти, обусловлено необходимостью к повышенной защищённости передаваемой информации. Даже если злоумышленник сумеет получить все АСОК, хранящиеся в блоке 3 памяти, он не сможет выяснить, какие из них были использованы в определённом этапе передачи информации. При этом полученный набор АСОК, который был определён злоумышленником, является актуальным только для одного этапа передачи данных, что снижает потенциальную вероятность раскрытия передаваемой информации в будущем.
Формирователь ансамблей стохастических ортогональных кодов с отсутствующей временной задержкой, содержащий генератор функций Попенко – Турко (ГФПТ) и блок стохастического формирования коэффициентов симметрической матрицы (СФКСМ), причём узел подачи команды «Пуск» подключен ко входу активации блока СФКСМ, первый вход блока СФКСМ соединён с пятым выходом ГФПТ, первый вход которого подключен к первому выходу блока СФКСМ, второй выход блока СФКСМ соединён со вторым входом ГФПТ, третий выход блока СФКСМ соединён с третьим входом ГФПТ, четвёртый выход блока СФКСМ соединён с четвёртым входом ГФПТ, первый выход ГФПТ подключен ко второму входу блока СФКСМ; отличающийся тем, что введены блок памяти и блок вывода АСОК (ансамблей стохастических ортогональных кодов), причём второй выход ГФПТ подключен к первому входу блока памяти, первый выход блока памяти выводит компоненты вектора, который определяется порядком вывода ансамблей, хранящимся на блоке вывода АСОК; третий выход ГФПТ подключен ко второму входу блока памяти, второй выход блока памяти выводит компоненты вектора, который определяется порядком вывода ансамблей, хранящимся на блоке вывода АСОК; четвёртый выход ГФПТ подключен к третьему входу блока памяти, третий выход блока памяти выводит компоненты вектора, который определяется порядком вывода ансамблей, хранящимся на блоке вывода АСОК; первый выход блока вывода АСОК соединён с четвёртым входом блока памяти, первый вход блока вывода АСОК подключен к узлу подачи команды «Пуск».
