СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛИНИИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК H04B1/713 

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 и заявка на изобретение 99123808/09 от 10.11.1999 - МПК 7 Н 04 В 1/713 [2]).

В известных способах передачу дискретной информации осуществляют путем модуляции пакетом информационного сигнала частоты передатчика, несущую которого перестраивают по псевдослучайному закону.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ, описанный в заявке 99123808/09 от 10.11.1999. Способ-прототип включает в себя деление входного сигнала на передающем конце на блоки, перестройку несущей частоты передатчика в соответствии с кодом одной из двух или более псевдослучайных последовательностей, создаваемых регистром сдвига с обратной связью, модуляцию несущей частоты передатчика соответствующим пакетом и последующее излучение его в пространство, прием сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах согласно кодам псевдослучайных последовательностей, выбор того частотного канала, по которому производилась передача, преобразование сигнала на промежуточную частоту, усиление, демодуляцию, декодирование пакета и подачу информационного 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 неустойчивой при активных вторжениях, т.к. обеспечивается своевременное определение частоты излучения передатчика и создание прицельных по частоте помех приемному устройству для подавления информационного сигнала. Это обусловлено тем, что если структура регистра сдвига, имеющего n-разрядов и линейную или нелинейную обратную связь известна, то при получении n-символов псевдослучайной последовательности путем регистрации излучаемых частот передатчика вскрывается структура псевдослучайной последовательности и состояние регистра на соответствующий момент времени [3] стр.93. Если структура регистра сдвига с линейной обратной связью неизвестна, то при получении 2n-символов псевдослучайной последовательности в течение нескольких секунд может быть определено расположение отводов, число сумматоров, включенных в цепь обратной связи, а также состояние регистра на соответствующий момент времени [3] стр.94.

Возможность создания прицельных по частоте помех или наличие помех в нескольких выделенных частотных каналах снижает помехоустойчивость связи в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Изобретение направлено на повышение помехоустойчивости связи.

Это достигается тем, что в известном способе передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, заключающемся в делении входного сигнала на передающем конце на блоки, сформированные в виде последовательности двоичных векторов, перестройке частоты передатчика в соответствии с кодом двоичного вектора псевдослучайной последовательности, создаваемой регистром сдвига с обратной связью, модуляции частоты передатчика и последующим излучением сигнала в пространство, приеме сигнала на приемном конце радиолинии одновременно на всех частотах, преобразовании сигнала на промежуточную частоту, усилении, демодуляции и подаче сигнала на оконечное устройство, согласно изобретению длину двоичного вектора блока входного сигнала выбирают в соответствии с числом используемых частотных каналов, 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, а передатчик перестраивают последовательно на две частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде двоичных векторов путем сложения по модулю два битов каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора блока входного сигнала, а на приемной стороне при наличии сигнала в частотном канале после его демодуляции формируют сигнал в виде двоичного вектора, который соответствует порядковому номеру частотного канала, аналогично, как и на передающей стороне, формируют два двоичных вектора псевдослучайной последовательности и выделяют двоичные вектора блока входного сигнала путем сложения по модулю два битов сигнала, возникающего сначала в одном частотном канале, с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, а также путем сложения по модулю два битов двоичного вектора сигнала, возникшего в другом частотном канале, с битами второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, сравнивают полученные двоичные векторы для двух частотных каналов и при их совпадении осуществляют подачу одного из них на оконечное устройство, при наличии сигналов более чем в двух частотных каналах отфильтровывают ложные сигналы путем последовательного анализа сигнала в одном частотном канале в комбинации с сигналами в других частотных каналах.

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

Перечисленная совокупность существенных признаков обеспечивает высокую помехоустойчивость связи, поскольку несущие частоты передатчика не модулируются информационным сигналом, последовательность перестройки несущих частот передатчика не вскрывается даже при вскрытии псевдослучайной последовательности, а при создании имитационных помех ложные сигналы отфильтровываются путем использования двух сформированных двоичных векторов псевдослучайной последовательности. При этом создание прицельных по частоте помех не приводит к потере информационного сигнала, так как последний формируют по признаку наличия сигнала в соответствующем частотном канале. Поскольку последовательность перестройки несущих частот передатчика определяется совокупностью значений двоичного вектора информационного сигнала и двоичных векторов псевдослучайной последовательности, то исключается возможность вскрытия псевдослучайной последовательности при фиксации частот излучения передатчика в каждом такте работы радиолинии, что не позволяет сформировать эффективные ложные информационные сигналы.

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 биты.

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 п изложено в [3] на стр.74-75.

Формирование каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности длиной К битов можно осуществить путем снятия информации с К 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(modq), если l₀<2, то l₀ = 2,
и вычисления номера разряда регистра сдвига по формуле
l₁ = l₀, l_i≡l₀l_i-1(modq), 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 l₀l₀ ²l₀ ³,... , l₀ ^m-1 будут различны.

Формирование кода K₁ для перестройки передатчика на первую несущую частоты можно осуществить путем сложения по модулю два символов первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности (например, 1000, что соответствует в двоичной системе исчисления числу 8) с символами двоичного вектора блока входного сигнала (например, 0111⇒7)

K₁=1111⇒15, а формирование кода К₂ для перестройки передатчика на вторую несущую частоту можно осуществить путем сложения по модулю два символов второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности (например, 0011⇒3) с символами двоичного вектора блока входного сигнала (0111⇒7)

K₂=0100⇒4
В соответствии с сформированными кодами передатчик будет излучать сигнал на несущей 15 частотного канала и несущей 4 частотного канала.

Декодирование пакета на приемной стороне можно осуществить следующим образом. При наличии сигнала в 4, 6 и 15 частотных каналах будут сформированы 3 двоичных вектора, соответствующие числам
4⇒0100
6⇒0110
15⇒1111
Составляются комбинации для первого числа (4 и 6) (4 и 15). Для каждой комбинации складывают по модулю два символы двоичного вектора первого числа (4) с символами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности числа (8), а символы двоичного вектора другого числа (6) складывают по модулю два с символами второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности (3)

Поскольку полученные числа не равны, то проверяют все другие комбинации чисел.

Для комбинации (4 и 15)

Для комбинации (6 и 4)

Для комбинации (6 и 15)

Для комбинации (15 и 4)

Для комбинации (15 и 6)

Анализ всех комбинаций показывает, что совпадение двух двоичных векторов получается на выходе пятнадцатого и четвертого частотного каналов, при этом ложный сигнал на выходе 6 канала отфильтровывается. Поскольку совпадения двоичных векторов осуществляется для комбинации (4 и 15), а также (15 и 4), то выбирают комбинацию (15 и 4), поскольку сигнал на выходе 15 частотного канала соответствует первой несущей частоты передатчика и появляется раньше сигнала 4 частотного канала, который соответствует второй несущей частоте передатчика.

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 частоты;
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 7 - 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 длиной 4 бита.

Для определения структуры регистра сдвига выбирают примитивный многочлен шестой степени, например
λ⁶+λ⁵+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 длиной 6 бит
<λ₆, λ₅, λ₄, λ₃, λ₂, λ₁>,
где λ₁ = 0, λ₂ = 0, λ₃ = 0, λ_4/= 1, λ₅ = 1, λ₆ = 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 входе сумматора 17 по модулю два, а с выхода сумматора по модулю два символ ε = λ₅⊕λ₆ поступают на вход первого разряда регистра сдвига (блок 11). При этом состояние разрядов для каждого такта в процессе работы регистра сдвига определяются выражением

Если символы будут сниматься с шестого разряда λ₆, то двоичная псевдослучайная последовательность максимального периода будет иметь вид
{1110000010000110001010011110100011100100101101110110011010101111}
Заметим, что на периоде этой последовательности любой ненулевой набор из шести знаков 0 и 1 встречается и только один раз.

Если двоичные числа будем снимать с 1, 2, 3 и 4 разряда регистра сдвига (блоки 11, 12, 13, 14) и на каждом такте работе регистра сдвига и с набором <λ₁, λ₂, λ₃, λ₄> будет сопоставлять двоичный вектор (число) x = λ₁+2λ₂+2²λ₃+2³λ₄, то последовательность двоичных чисел в процессе работы регистра можно рассматривать как последовательность символов х {0, 1, 2,..., 15} в виде
х= {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 разрядов регистра сдвига (блоки 11, 12, 15, 16) и на каждом такте работы регистра сдвига с набором <λ₆, λ₅, λ₂, λ₁> будем сопоставлять число в виде y = λ₆+2λ₅+2²λ₂+2³λ₁, то последовательность двоичных чисел в процессе работы регистра сдвига можно рассматривать как последовательность символов y {0, 1, 2,...,15} в виде
у= { 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 х и у показывает, что на интервале, соответствующему периоду, равным 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 у не могут быть получены друг из друга в результате циклического сдвига. В последовательностях x и у отсутствуют скрытые периодичности и обеспечивается равномерность используемых символов.

Сформированные псевдослучайные последовательности символов x и у в виде двоичных векторов поступают в кодирующее устройство 3, где формируют коды для перестройки несущей частоты передатчика путем сложения по модулю два символов двоичных векторов псевдослучайной последовательности с символами двоичного вектора блока входного сигнала.

Аналогично на приемной стороне формируются символы x, у в блоке 8 и используются символы x и у в декодирующем устройстве 9 для восстановления передаваемого сообщения.

При этом за счет модуляции несущих частот передатчика помехоустойчивым кодом (например, Баркера) можно не только повысить помехоустойчивость связи, но и скрытность передачи, а за счет изменения порядка считывания информации или номеров разрядов регистра сдвига при формировании двоичных векторов псевдослучайной последовательности в каждом сеансе связи исключается вскрытие псевдослучайной последовательности при атаках на основе известных или подобранных исходных текстов.

Если при работе регистра сдвига пропускают те такты его работы, для которых формируемые двоичные вектора псевдослучайной последовательности совпадают, то обеспечивается статистическая равномерность используемых частотных каналов при передаче постоянных символов исходного текста и исключается применение статистических методов криптоанализа для вскрытия псевдослучайной последовательности.

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, "Радио и связь", М., 2000.

2. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение 99123808/09 от 10.11.1999 - МПК7 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.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в вычислительной сети с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости связи. Для этого длину двоичного вектора блока входного сигнала выбирают в соответствии с числом используемых частотных каналов, формируют два двоичных вектора псевдослучайной последовательности путем одновременного параллельного снятия информации с различных разрядов регистра сдвига, передатчик перестраивают последовательно на две несущие частоты в соответствии с кодами, а на приеме при наличии сигнала в каждом частотном канале демодулируют и формируют сигнал в виде двоичного вектора, который соответствует порядковому номеру частотного канала. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, включающий на передающем конце деление входного сигнала на блоки, сформированные в виде последовательности двоичных векторов, перестройку частоты передатчика в соответствии с кодом двоичного вектора псевдослучайной последовательности, создаваемой регистром сдвига с обратной связью, 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 подачу сигнала на оконечное устройство, отличающийся тем, что длину двоичного вектора блока входного сигнала выбирают в соответствии с числом используемых частотных каналов, 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, а передатчик перестраивают последовательно на две несущие частоты в соответствии с кодами, которые формируют в виде двоичных векторов путем сложения по модулю два битов каждого двоичного вектора псевдослучайной последовательности с битами двоичного вектора блока входного сигнала, а на приемной стороне при наличии сигнала в частотном канале после его демодуляции формируют сигнал в виде двоичного вектора, который соответствует порядковому номеру частотного канала, аналогично как и на передающей стороне два двоичных вектора псевдослучайной последовательности и выделяют двоичные векторы блока входного сигнала путем сложения по модулю два битов двоичного вектора сигнала, возникающего сначала в одном частотном канале, с битами первого двоичного вектора псевдослучайной последовательности, а также путем сложения по модулю два битов двоичного вектора сигнала, возникшего в другом частотном канале, с битами второго двоичного вектора псевдослучайной последовательности, сравнивают полученные двоичные векторы для двух частотных каналов и при их совпадении осуществляют подачу одного из них на оконечное устройство, при наличии сигналов более чем в двух частотных каналах отфильтровывают ложные сигналы путем последовательного анализа сигнала в одном частотном канале в комбинации с сигналами в других частотных каналах. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модуляцию частот передатчика осуществляют помехоустойчивым кодом. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при каждом сеансе связи изменяют порядок считывания информации с выделенных разрядов регистра сдвига для формирования двоичных векторов псевдослучайной последовательности. 4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при каждом сеансе связи изменяют номера разрядов регистра сдвига для формирования двоичных векторов псевдослучайной последовательности. 5. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что пропускают те такты работы регистра сдвига, для которых формируемые двоичные вектора псевдослучайной последовательности совпадают.