СПОСОБ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК H04K3/00 

Изобретение относится к радиосвязи, а именно к построению систем радиосвязи с использованием в их работе искусственно созданных радиопомех, и может быть использовано при построении любых локальных систем радиосвязи, предназначенных для обмена конфиденциальной информацией в диапазонах УКВ, СВЧ и более коротких радиоволн.

Известен целый ряд защиты информационного обмена от несанкционированного доступа посторонних лиц к передаваемой конфиденциальной информации в системах связи различного назначения, в частности в системах радиосвязи. Все эти способы можно разделить на три основных типа: засекречивание, частотно-временной, построение системы связи согласно определенным принципам.

При использовании засекречивания обычно используется техника скремблирования, являющаяся простейшим вариантом шифрования. Она заключается в том, что структура информационного сигнала перед подачей в канал связи преобразуется по заранее оговоренным правилам. После приема сигнала он подвергается обратному преобразованию, восстанавливающему исходный информационный сигнал. В качестве преобразования чаще всего используется суммирование с маскирующим сигналом, выполняемое согласно правилам какой-либо арифметической системы. Обычно маскирующим сигналом служит шумоподобный сигнал с априорно известным принципом построения, а суммирование выполняется в цифровой форме по правилам двоичной арифметики. В этом случае прямое и обратное преобразования имеют самый простой вид и полностью совпадают. (Патенты США NN 3381223, 4817144, 4914696, 4241447).

Менее распространенным вариантом этого способа защиты является скремблирование, выполняемое в аналоговой форме. (Заявка Франции N 2015737).

Частотно-временной способ защиты заключается в программной перестройке рабочих частот абонентских станций с течением времени. Скорость такой перестройки может быть постоянной или переменной (Технический отчет по теме "Эвольвента", ВНИИС, Воронеж: 1980).

Способ третьего типа заключается в том, что используются порознь или в различных сочетаниях такие приемы как:
- построение системы связи, при котором каналы связи имеют минимальную утечку энергии;
- за счет понижения мощности рабочих сигналов в системе уменьшается отношение сигнал/шум для приемников, предпринимающих попытки несанкционированного доступа в систему связи;
- используются каналы передачи информации с управляемой конфигурацией [1].

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ защиты информации, относящийся к третьему типу и обычно обозначаемый термином "маршрутизация" [2].

В этом способе используется направленная передача информации по каналам связи, допускающим изменение пространственной конфигурации. Последняя выбирается так, чтобы для передачи использовались только безопасные с точки зрения защиты информации фрагменты сети и участки переприема информации. Практически это означает, что запрещается передача по маршрутам, которые совпадают или близки к направлению на приемник постороннего лица, предпринимающего попытку несанкционированного доступа к конфиденциальной информации. В окрестности точек, лежащих на этих направлениях и поэтому угрожающих утечкой информации, передача последней должна происходить только по маршруту, перпендикулярному к направлению на приемник постороннего лица. Особенно строго правило должно соблюдаться вблизи периметра системы связи. В этом случае утечка энергии, переносящей информацию, из системы возможна только за счет боковых лепестков диаграмм направленности применяемых направленных антенн.

Такой способ защиты информационного обмена имеет ряд недостатков, не позволяющих обеспечить гарантированную защиту от несанкционированного доступа посторонних лиц к информации, передаваемой в системе радиосвязи. Действительно, такая защита может быть обеспечена лишь в отдельных точках периметра системы радиосвязи или на ограниченных участках этого периметра. Поэтому защита обеспечивается только в тех случаях, когда приемник, осуществляющий несанкционированный доступ, стационарен и направление на него точно известно устройствам, управляющим информационным обменом в системе. В случае использования посторонним лицом подвижного приемника этот способ в общем случае непригоден.

Если имеется несколько посторонних лиц, защита возможна только при использовании ими очень малого числа приемников, одновременно осуществляющих несанкционированный доступ. Кроме того, в этом случае такой способ защиты пригоден только для отдельных типов структур системы радиосвязи (радиальная или с регулярным расположением абонентов). В самом общем случае при произвольном размещении абонентов на территории, занимаемой системой радиосвязи, такой способ не обеспечивает защиту информационного обмена.

Однако даже при отсутствии всех вышеперечисленных недостатков, способ-прототип не может гарантировать защиту информационного обмена от несанкционированного доступа, т. к. наличие боковых и задних лепестков в диаграммах направленности антенн не позволяет полностью устранить утечку энергии, несущей конфиденциальную информацию, за периметр системы радиосвязи. Чувствительность же современных приемников такова, что эта энергия будет уверенно улавливаться даже на достаточно больших расстояниях за периметром системы радиосвязи.

Для устранения этих недостатков в приемниках, предпринимающих попытки несанкционированного доступа в систему радиосвязи, создается соотношение сигнал/шум, меньшее единицы во всем диапазоне частот, используемых в системе радиосвязи. Такая операция выполняется для всех точек пространства, окружающего систему радиосвязи, в которых потенциально могут находиться приемники, осуществляющие несанкционированный доступ. Для этого за периметр системы радиосвязи и вверх в течение всего времени работы системы непрерывно излучаются шумовые сигналы во всем диапазоне частот, используемом в системе радиосвязи. Мощность этих сигналов выбирается большей, чем та мощность, которую рабочие сигналы, используемые в системе радиосвязи, могут иметь на периметре системы.

Для реализации предложенного способа защиты информационного обмена локальная система радиосвязи обязательно должна состоять из двух подсистем: из подсистемы информационного обмена и подсистемы создания шумовой завесы.

На фиг.1 представлено необходимое топологическое построение такой системы; на фиг. 2 - необходимое расположение диаграмм направленности антенн передатчиков, создающих шумовую завесу, в горизонтальной плоскости; на фиг. 3 - необходимый вид и расположение этих диаграмм направленности в вертикальной плоскости; на фиг. 4 - приемник абонентской радиостанции для реализации предлагаемого способа.

Система радиосвязи содержит территорию 1, занимаемую обслуживаемыми абонентами, периметр 2 локальной системы радиосвязи, территорию 3, занимаемую подсистемой информационного обмена, элементы 4 подсистемы создания шумовой завесы, элементы 5 подсистемы информационного обмена, относящиеся к различным уровням иерархии, каналы 6 радиосвязи.

Отдельные взаимосвязанные элементы 5 подсистемы информационного обмена, размещаясь на определенной территории 3, совместно с каналами 6 радиосвязи, соединяющими их, образуют иерархическую структуру, которая в каждый момент времени имеет топологию, определяемую пространственным размещением обслуживаемых абонентов в пределах территории 1, занимаемой ими, а также функциональными взаимосвязями отдельных абонентов между собой. Территория 3 на практике полностью совпадает или незначительно меньше чем территория 1. Внутри последней вблизи от ее периметра размещаются элементы 4 подсистемы создания шумовой завесы, которые функционируют непрерывно в течение всего времени передачи конфиденциальной информации, защищаемой от несанкционированного доступа посторонних лиц.

Элементы 5 подсистемы информационного обмена представляют собой абонентские радиостанции, которые при необходимости соединяются между собой через радиоканалы, выделенные для системы радиосвязи. Такие соединения при их графическом представлении образуют структуру, являющуюся частью иерархической системы связей внутри всей совокупности обслуживаемых абонентов. При полной загрузке каналов системы радиосвязи структура, образуемая линиями соединений, полностью повторяет систему связей между обслуживаемыми абонентами.

В системе радиосвязи обе подсистемы функционируют параллельно и с точки зрения операций, выполняемых в них, достаточно независимо одна от другой. Связь между ними заключается в том, что часть энергии шумовой завесы при любой реальной диаграмме направленности антенн передатчиков, создающих шумовую завесу, неизбежно попадает в каналы радиосвязи подсистемы информационного обмена. Абонентские радиостанции последней в процессе работы защищаются от этого шумового воздействия, используя априорную и текущую информацию о построении сигналов, используемых для создания завесы. Но такая связь двух подсистем является паразитной и при правильном построении системы радиосвязи в целом ее можно сделать очень слабой.

Это позволяет рассматривать работу двух подсистем порознь. О подсистеме информационного обмена можно сказать следующее. Процессы занятия каналов абонентскими радиостанциями обмена информацией между ними определяются соответствующими типовыми алгоритмами, используемыми в настоящее время в системах радиосвязи ведомственного или общего назначения. В этом смысле подсистема информационного обмена ничем не отличается от современных систем конфиденциальной радиосвязи, находящихся в эксплуатации, и поэтому ее работа не нуждается в детальном рассмотрении.

Приемник абонентской радиостанции для реализации предлагаемого способа содержит приемник 7 полезного информационного сигнала, вспомогательный приемник 8 шумоподобного сигнала (ШПС), генератор 9 псевдослучайной последовательности, коммутатор 10, радиотехнический тракт приемника 11, сумматор 12 сигналов, анализатор 13 наличия ШПС, демодулятор 14 и низкочастотный тракт приемника.

Процесс приема полезного информационного сигнала таким приемником определяется видом используемой модуляции и в своей основе полностью совпадает с приемом сигнала с таким же видом модуляции в обычной системе связи.

Отличие заключается только в том, что при выделении полезного сигнала из смеси сигнала и шумов, поступающей из радиоканала, в приемниках абонентских радиостанций выполняется операция устранения из входной смеси той шумовой компоненты, которую вносят в радиоканалы передатчики, являющиеся элементами подсистемы создания шумовой завесы. Это можно достичь путем компенсации, т. е. суммирования сигнала, принятого из радиоканала, с сигналом, сформированным внутренним генератором приемника. Структура этого сигнала является инверсией структуры шумоподобного сигнала, используемого в системе радиосвязи для формирования шумовой завесы. В результате такой операции полностью исключается влияние подсистемы создания шумовой завесы на качество работы подсистемы информационного обмена.

Чтобы это было осуществлено на практике, сигнал, излучаемый передатчиками подсистемы создания шумовой завесы, должен представлять собой несущие колебания с трехкратной ФМ. В качестве 1-го манипулирующего сигнала должна использоваться псевдослучайная последовательность, начальные моменты которой определяются синхросигналом, используемым в качестве 2-го манипулирующего сигнала. Третий манипулирующий сигнал несет в себе информацию о тех вариациях в работе генератора псевдослучайной последовательности, которые будут выполнены при формировании следующего фрагмента этой последовательности. Минимальная продолжительность такого фрагмента равна времени, необходимому для передачи максимально возможного объема информации о вариациях в работе генератора псевдослучайной последовательности.

Абонентская радиостанция для работы в предлагаемой системе радиосвязи должна, кроме приемника полезного информационного сигнала, являющегося основным, содержать вспомогательный приемник шумоподобных сигналов. Последний после демодуляции принятого щумоподобного сигнала использует 2-й из выделенных манипулирующих сигналов для постоянной синхронизации своего внутреннего генератора псевдослучайной последовательности, а 3-й сигнал используется для того, чтобы в каждый момент времени вносить в работу этого генератора необходимые вариации относительно режима его работы при формировании предыдущего периода этой последовательности. Из выходного сигнала этого генератора, а также 2-го и 3-го манипулирующих сигналов, формируется инверсная структура сигнала шумовой завесы, которая затем суммируется с сигналом, принятым из радиоканала.

В результате этого после установления первоначальной синхронизации генератора псевдослучайной последовательности через время, равное продолжительности одного фрагмента такой последовательности, приемник полезного сигнала имеет возможность полностью исключить из состава своего входного сигнала щумоподобный сигнал, излучаемый подсистемой создания шумовой завесы. В том случае, когда на входе вспомогательного приемника отсутствует шумоподобный сигнал, во избежание искажения полезного сигнала внутренний формирователь инверсной структуры используемого шумоподбного сигнала отключается от устройства компенсации помех основного приемника абонентской радиостанции.

Энергия сигналов завесы излучается отдельными передатчиками подсистемы создания шумовой завесы за периметр системы радиосвязи и вверх с помощью слабонаправленных антенн, ориентировочный вид диаграмм направленности которых в вертикальной и горизонтальной плоскостях представлен на фиг. 3 и 2 соответственно. На последних для простоты не показаны задние и боковые лепестки диаграмм направленности. Удаление (Н) этих передатчиков (фиг. 2а, 3а) от периметра территории, занимаемой системой (фиг. 2б), совместно с шириной главного лепестка диаграмм направленности (фиг. 2в, 3в) их антенн определяет максимальное расстояние (М) между отдельными передатчиками вдоль периметра в диапазоне УКВ. Оно должно быть таким, чтобы за периметром системы радиосвязи главные лепестки диаграмм направленности не имели зазоров между собой. В этом случае будет создана сплошная шумовая завеса и будет получено максимальное качество этой завесы.

В диапазоне СВЧ и в более коротковолновых диапазонах, которые позволяют обеспечить остронаправленную передачу информации, для стационарной системы радиосвязи, в принципе, нет необходимости создавать сплошную шумовую завесу за периметром территории, занимаемой системой. Для этих диапазонов достаточно прикрыть завесой только точки пересечения периметра территории с продолжениями каналов связи и при этом излучать сигналы завесы в направлении этих продолжений за периметр территории. Если же связь ведется с подвижными объектами, то и в этих диапазонах необходимо обеспечить сплошную шумовую завесу за периметром территории, занимаемой системой радиосвязи.

Мощность шумовых сигналов должна быть такой, чтобы за периметром системы они превышали мощность сигналов от передатчиков подсистемы информационного обмена во всем диапазоне рабочих частот последней. Чисто практически это означает, что мощность передатчиков шумовой завесы должна быть больше, чем мощность передатчиков абонентских радиостанций, используемых обслуживаемыми абонентами.

Отдельные элементы подсистемы создания шумовой завесы полностью независимы друг от друга. В результате этого кода на вход вспомогательного приемника любой абонентской радиостанции поступают шумоподобные сигналы одновременно от нескольких передатчиков, создающих шумовую завесу, это не создает никаких осложнений в работе радиостанции, т.к. такое положение полностью аналогично ситуации многолучевого приема шумоподобного сигнала. Относительно его известно, что он устойчив к многолучевому распространению сигнала, т.к. при корреляционном приеме запаздывание одного шумоподобного сигнала относительно другого более, чем на один двоичный символ, приводит к тому, что запаздывающий сигнал воспринимается как некоррелированная помеха приему. Поэтому запоздавший сигнал просто отбрасывается приемником, не оказывая никакого влияния на качество приема второго сигнала. Этот факт отмечен, например, в книге: Диксон Р.К. Широкополосные системы: Пер. с англ. /Под ред. В. И. Журавлева. - М.: Связь, 1679, с. 304. Вероятность запаздываний, при которых запоздавший сигнал оказывает влияние на прием другого широкополосного сигнала, очень мала. Поэтому влияние сигнала, излучаемого одним передатчиком шумовой завесы, на прием абонентской радиостанции сигнала от другого передатчика завесы можно практически не учитывать.

В результате такого построения системы радиосвязи подсистема информационного обмена под прикрытием шумовой завесы может успешно выполнять свои функции. При этом нет возможности несанкционированного доступа посторонних лиц к конфиденциальной информации, которой обмениваются между собой абоненты системы радиосвязи, т.к. сигнал шумовой завесы скрывает сигналы подсистемы информационного обмена за счет энергетического превышения этих сигналов сигналами завесы во всем диапазоне частот радиосистемы и за счет большой сложности построения сигнала завесы.

Изобретение относится к радиосвязи, может быть использовано для построения систем радиосвязи с использованием в их работе искусственно созданных радиопомех, а именно для построения любых локальных систем радиосвязи, предназначенных для обмена конфиденциальной информацией в диапазонах УКВ, СВЧ и более коротких радиоволн. Способ защиты информационного обмена в локальной системе основан на уменьшении отношения сигнал/шум для приемников, принимающих попытку несанкционированного доступа к передаваемой информации. Для гарантированной защиты при всех всевозможных ситуациях обеспечивают соотношение сигнал/шум меньше единицы за счет того, что во время работы системы радиосвязи непрерывно излучают за периметр системы и вверх шумовые сигналы, имеющие мощность большую, чем мощность рабочих сигналов в системе радиосвязи, и которые перекрывают всю полосу частот, используемую в системе. 4 ил.

Способ защиты информационного обмена в локальной системе радиосвязи, основанный на уменьшении отношения сигнал/шум для приемников, предпринимающих попытку несанкционированного доступа к передаваемой информации, отличающийся тем, что во время работы системы радиосвязи непрерывно излучают за периметр системы и вверх шумовые сигналы, имеющие мощность большую мощности рабочих сигналов в системе радиосвязи, которые перекрывают всю полосу частот, используемую в системе.