СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ ОХРАНЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ И ЦЕНТРА ОХРАНЫ Российский патент 2007 года по МПК G08B25/10 B60R25/10 H04B1/713 

Изобретение относится к технике реализации охранных систем, предназначенных для защиты объектов недвижимости и транспортных средств, и предназначено для использования при наличии большого количества (до 500) охраняемых объектов, расположенных на больших расстояниях (более 20 км) от центра охраны.

В настоящее время при осуществлении централизованной охраны объектов широкое распространение получили способы радиосвязи в дуплексных радиолиниях, основанные на применении "прыгающих несущих частот" (FH - frequency hopping) и предусматривающие передачу дискретной информации hopping-сигналами с псевдослучайной перестройкой несущей частоты в условиях сложной помеховой обстановки (RU № 2231458, B 60 R 25/00, RU № 2244642, B 60 R 25/00, RU № 2258618, B 60 R 25/00, RU № 2264937, B 60 R 25/00, RU № 2265250, G 08 B 25/08, RU № 2244959, B 60 R 25/10, US № 6188715, H 04 L 27/26, US № 6700920, Н 04 В 1/713, DE № 4337211, G 08 B 25/10).

Недостатки известных технических решений связаны с использованием изменений (прыганий), в основном, только по диапазону несущей частоты. Это обусловливает взаимные помехи от наложения пакетов друг на друга. Низкая помехоустойчивость радиосвязи предопределяет нарушение достоверности передаваемой информации и возможность воспрепятствования передаче сообщений злоумышленниками.

Наиболее близким к предложенному является способ радиосвязи между охраняемыми объектами и центром, базирующийся на использовании hopping-сигналов с позициями, устанавливаемыми случайным числом не только по несущей частоте, но и по времени (US №6870875, Н 04 В 1/69).

Однако указанный способ характеризуется значительной сложностью и, как следствие, низкой надежностью приема сигналов. Чтобы обеспечить "ортогонализацию" - избежать совпадений позиций пакетов, в нем используют взаимодействие генераторов случайных чисел (ГСЧ) всех охраняемых объектов. В центре для каждого объекта используют отдельный приемник, содержащий сложный синхронизатор или сложные узлы быстрого поиска позиций пакетов объекта по спектру и по времени или то и другое.

Кроме того, известному способу свойственны опять же невысокая помехоустойчивость, малые расстояния устойчивой связи и малое возможное количество позиций пакетов, вследствие необходимости выделения для каждой частотной позиции пакета широкой полосы, не меньшей суммарной нестабильности частот передатчика и приемника. Нестабильность частот многократно превышает полосу частот, необходимую для передачи низкоскоростных сигналов. Избыточная полоса с повышенным уровнем шумов не позволяет принимать сигналы с малой мощностью на больших расстояниях. Избыточный расход частотного ресурса не позволяет передавать в сети большое количество сигналов и не дает возможности иметь большое количество охраняемых объектов. В частности, в прототипе позиции по времени и частоте выбираются с помощью двух ГСЧ, каждый из которых выполнен на регистре с "линейными" обратными связями (РСЛОС - LFSR - linear feedback shift register) короткой длины (3 разряда) и максимальным периодом. Количество ортогональных позиций двух ГСЧ по частоте - 7, по времени - 7, а всего - 49. Эти недостатки известного способа представляют собой плату за "ортогональность" передаваемых пакетов.

Задачей изобретения является повышение надежности, помехоустойчивости и дальности приема сигналов за счет снижения частотной полосы принимаемых сигналов до величины, существенно меньшей общей нестабильности частот передатчика центра и приемника объекта. Технический результат заключается в повышении количества передаваемых в радиосети сигналов, увеличении количества охраняемых объектов, обеспечении имитостойкости пакетов.

Поставленная задача решается тем, что в способе радиосвязи охраняемых объектов и центра охраны, согласно которому от каждого объекта передают сообщения в общем радиоканале в виде hopping-сигналов, представляющих собой пакеты модулированных сигналов со скачкообразно изменяющимися позициями по частоте и времени, а в центре охраны переданные от охраняемых объектов сообщения принимают, посредством демодуляции переносят спектр сигнала общего радиоканала в область низких частот и определяют истинность или ложность пакетов демодулированных сигналов, при этом позиции пакетов сигналов по частоте и времени на охраняемых объектах устанавливают, а в центре охраны определяют с использованием генераторов случайных чисел, - на каждом охраняемом объекте позиции пакетов сигналов по частоте и во времени устанавливают первым случайным числом ведущего генератора случайных чисел, независимо от других охраняемых объектов, в центре охраны спектр сигнала общего радиоканала анализируют групповым приемником на k интервалах анализа, равных длительности Т символа пакета сигналов и сдвинутых по фазе на равные субинтервалы, кратные T/k, определяют k последовательностей каждого пакета сигналов, выбирают из них по максимуму правдоподобия одну демодулированную, синхронизируют первым пакетом имеющийся в центре охраны ведомый генератор случайных чисел с ведущим, выявляют погрешности позиции каждого принятого пакета относительно позиции пакета, определяемой первым случайным числом ведомого генератора, выдают в качестве информации для дальнейшей обработки пакеты с погрешностями позиций, меньшими допустимых, а ложные пакеты с погрешностями позиций, превышающими допустимые, блокируют и сопровождают сигналом обнаружения ложного пакета сигналов.

Решению поставленной задачи способствуют также частные существенные признаки изобретения.

На охраняемых объектах принимают пакеты от центра охраны в узкой полосе частот, соответствующей скорости принимаемых сигналов, позицию указанной полосы в общем радиоканале устанавливают синтезатором частот с цифровым управлением от второго случайного числа ведущего генератора, а пакет сигналов из центра охраны передают на охраняемый объект на позиции, устанавливаемой вторым случайным числом ведомого генератора с поправкой, корректирующей частотные и временные погрешности позиции.

Групповой приемник в центре охраны выполняют с быстрым преобразованием Фурье.

В центре охраны упомянутый выбор демодулированной последовательности пакета сигналов осуществляют путем сравнения полученных последовательностей с синхронизирующей преамбулой в k корреляторах или путем k оценок количества ошибок в k декодерах помехоустойчивого кода.

Сообщения в пакетах сигналов защищают помехоустойчивым кодом Голея.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 представлена сеть радиосвязи объектов охраны и центра охраны по предлагаемому способу.

На фиг.2 показана структурная схема приемопередатчика объекта для технической реализации предложенного способа.

На фиг.3 показана структурная схема приемопередатчика центра для технической реализации предложенного способа.

На фиг.1-3 использованы следующие обозначения: 1 - приемопередатчики охраняемых объектов; 2 - приемопередатчик центра охраны; 3 - формирователь пакета сигналов с кодером помехоустойчивого кодирования любого известного вида; 4 - модулятор и передатчик охраняемого объекта; 5 - блок управления с ведущим ГСЧ охраняемого объекта, выполненный по любой известной схеме, формирующей два случайных числа: первое - для установки позиции пакета, передаваемого передатчиком 4, и второе - для установки частотной позиции узкополосного приемника 6 пакетов, передаваемых центром охраны; 6 - узкополосный приемник объекта любого известного типа, например супергетеродинный с установкой частоты приема цифровым синтезатором частот; 7 - групповой приемник, принимающий все сигналы общего радиоканала, выполненный по любой известной схеме, например на базе быстрого преобразования Фурье - "БПФ"; 8 - анализатор многоточечных сигналов БПФ; 9 - демодулятор с блоком выбора и декодером помехоустойчивого кода; 10 - блок контроля с узлом вычислителя погрешностей позиций и с узлом блокировки ложных пакетов; 11 - блок управления, выполненный с ведомым ГСЧ, подобным ведущему ГСЧ блока 5, формирующим два случайных числа, и снабженный узлом коррекции фазы тактовой частоты ГСЧ и узлом вычисления поправки частотной позиции, который синхронизирован с ГСЧ блока 5 любым известным в криптографии методом; 12 - передатчик центра и синтезатор частоты с цифровым управлением, выполненные по любым известным схемам.

В процессе осуществления предложенного способа в сети радиосвязи охраняемых объектов и центра охраны (фиг.1) передатчик приемопередатчика 1 каждого объекта передает приемнику приемопередатчика 2 центра в общем канале сообщения - пакеты сигналов с информацией о состоянии датчиков объекта, модулируя по частоте символами сообщения несущую частоту и устанавливая позицию передаваемого пакета по частоте и во времени первым случайным числом. Узкополосный приемник приемопередатчика 1 объекта с цифровым синтезатором частот принимает пакет от центра в узкой полосе, позицию которой устанавливает второе случайное число ведущего ГСЧ.

При этом в формирователе 3 (фиг.2) пакета сигналов символы сообщения преобразуют в символы помехоустойчивого кода и добавляют к ним служебные символы, например символы синхронизирующей преамбулы и символы контрольных сумм. Модулятор и передатчик 4 символами пакета модулируют любым известным методом несущую частоту пакета, например по частоте, переносят пакет на частотно-временную позицию, заданную первым случайным числом ведущего ГСЧ блока 5 управления, и передают пакет. Узкополосный приемник объекта 6 принимает пакет от центра в полосе, позицию которой в радиоканале устанавливает синтезатор частот с цифровым управлением от второго случайного числа ведущего ГСЧ блока 5 управления.

Групповой приемник 7 всех пакетов сигналов общего радиоканала, например, в виде анализатора БПФ переносит спектр в область низких частот, осуществляет аналого-цифровое преобразование и выдает в "многоточечный" анализатор 8 компоненты всех "точек" БПФ, в которых пакеты сигналов могут иметь произвольные частотные положения относительно "точек" БПФ. Чтобы обеспечить прием и анализ сигналов при максимальном смещении несущей частоты пакета, равном половине шага сетки частот БПФ, коэффициент полосы входного фильтра группового приемника 7 общего радиоканала по уровню - 3 дБ устанавливают около 2,0. Поэтому полоса каждой компоненты БПФ оказывается в два раза шире необходимой.

Вследствие произвольных фаз тактовой синхронизации пакетов сигналов на объектах анализ спектра в групповом приемнике 7 для каждой "точки" сетки частот БПФ осуществляют на k интервалах, равных продолжительности символа пакета 2Т с относительным шагом сдвига интервала анализа, равным T/k. Такой анализ эквивалентен анализу символов пакетов на k одинаковых тактовых частотах k/T, сдвинутых по фазе на субинтервалы 0, T/k, 2T/k, (k-1)T/k. Благодаря этим сдвигам при любой фазе символов принимаемых пакетов сигналов максимальная погрешность фазы не может превысить 1/2k интервала символа пакета Т. Сдвиг интервалов можно выполнить любым известным параллельным или последовательным методом, например путем записи отсчетов символов, следующих с частотой k/T, в k ячейках буферной памяти на интервале символа пакета Т и обновления на каждом шаге в памяти "старых" отсчетов "новыми" по мере их поступления.

Анализаторы 8 многоточечных сигналов БПФ на каждом интервале осуществляют с шагом T/k интегральный прием пакетов сигналов всех объектов любым известным методом, обрабатывают во всех точках сетки частот БПФ квадратурные компоненты b=s·cos(p) и a=s·sin(p) и вычисляют с учетом возможных погрешностей частот пакетов относительно "точек" сетки частот БПФ векторы сигнала V=s·exp(jp)=b+ja, где s - амплитуда и p - фаза вектора. Фильтрацией вектора снижают коэффициент полосы до величины, близкой к 1, что повышает почти на 3 дБ помехоустойчивость приема сигналов.

Демодуляторы 9 для каждой "точки" БПФ и для k фаз тактовой частоты вычисляют k последовательностей каждого пакета сигналов, выбирают из них по максимуму правдоподобия одну - демодулированную. Выбор осуществляют любым известным методом, например сравнением полученных последовательностей с синхронизирующей преамбулой в k корреляторах. Вместо корреляторов при выборе можно использовать k оценок количества ошибок в k декодерах помехоустойчивого кода или другой метод. Выбранные демодулированную последовательность и тактовую частоту с фазой, наиболее близкой к фазе тактов принятого пакета сигналов, используют в дальнейшей обработке символов пакета. Декодер помехоустойчивого кода корректирует ошибки в выбранной последовательности и выдает информацию пакета, включающую идентификационный номер объекта, передавшего пакет, и частотно-временную позицию пакета в блок 10 контроля.

Блок 10 контроля при приеме первого пакета объекта вводит ведомый ГСЧ блока 11 управления в синхронный с ведущим ГСЧ блока 5 управления режим любым известным в криптографии методом, например установкой ключа с указанным в первом пакете адресом, подключает по идентификационному номеру пакета соответствующий блок 11 управления с ведомым ГСЧ и вычисляет фактическую погрешность позиции принятого пакета относительно позиции, соответствующей первому случайному числу ведомого ГСЧ блока 11 управления. Если погрешность принятой позиции мала, то блок 10 контроля выдает на выход данные "Д", соответствующие действительным пакетам сигналов. При поступлении пакета с большой погрешностью позиции блок 10 контроля выдает на выход сигнал "Л" обнаружения ложного пакета сигналов - атаки взломщика и блокирует ложный пакет. Блок управления 11 вычисляет и вводит в передатчик 12 поправку "П" на относительную погрешность частотных и временных позиций ведомого ГСЧ относительно позиций ведущего ГСЧ блока управления 5 объекта. В передатчике 12 второе случайное число вместе с поправкой устанавливает в синтезаторе с цифровым управлением надлежащую частотную позицию пакета, передаваемого охраняемому объекту.

Примером реализации предложенного способа является система радиосвязи, подобная по своим функциям системе проводной связи типа "общая шина". Выбор частотно-временных позиций пакетов сигналов осуществляют ведущие и ведомые ГСЧ с 16-ти разрядными РСЛОС. Такие ГСЧ позволяют задать первое и второе случайные числа каждое с 16-ю разрядами, задающими 2¹⁶ позиций, например 2¹⁰ - по частоте и 2⁶ - по времени. Полоса частот группового спектра - 48 кГц. Количество номинальных частот группового приемника - "точек" БПФ-1024. Шаг сетки номинальных частот БПФ - около 48 Гц. Продолжительность интервала символа пакета Т - около 20 мс. Фазы тактовых частот на объектах - произвольные. Количество сдвинутых по фазе интервалов, анализируемых БПФ, k=4. При k=4 энергетические потери от погрешности тактов Т/8=2,5 мс не превышают 1 дБ. Фазы тактовой частоты декодера блока 9 и ведомого ГСЧ блока 11 управления корректируют с шагом Т/4 - около 5 мс. Частотная нестабильность генераторов несущих объектов и центра составляет ±4 кГц в диапазоне температур от минус 40 до плюс 60°С. Нестабильность частот опорных генераторов около 2,5·10^-6 создает погрешность частот около 1,2 кГц. Эти нестабильности изменяются медленно, в основном от температуры. Самое быстрое изменение относительной частотной погрешности несущей охраняемого объекта относительно несущей центра охраны по данным заявителя не превышает 10 Гц за час. При выбранном шаге коррекции около 5 Гц (1/4 шага сетки БПФ) расчетный интервал коррекции частоты - не меньше 30 мин. Расчетный интервал коррекции тактового интервала ГСЧ с шагом ±5 мс - около 30 мин. Область разрешенных для передачи номинальных частот с учетом нестабильности несущих частот - около 40 кГц. Кроме ведомого ГСЧ блок 11 управления содержит узел вычисления частотной поправки "П" и узел коррекции фазы тактовой частоты ГСЧ. Частотная поправка "П" вместе со вторым случайным числом ведомого ГСЧ поступает в передатчик 12. Коррекция частотно-временных позиций на охраняемых объектах также возможна, но нецелесообразна. Она потребовала бы пересылок сигналов управления, которые загрузили бы радиоканал и могли бы ухудшить имитостойкость радиосети.

Сообщения в пакетах сигналов защищены помехоустойчивым блоковым кодом Голея (24,8). Структура пакета в битах: синхронизирующая преамбула - "маркер" = 31, информация = 12·b, где b - количество блоков информации кода Голея, проверочные символы кода = 12·b, контрольная сумма - бит при b=2 и 16 бит при b>2. Длину пакета каждый передатчик выбирает из двух разрешенных длин. Возможен выбор длин пакетов информации для b<25. В одном из вариантов способа для объекта установлены: b1=2 для "контрольного" пакета, b2=3 для "информационного" и "тревожного" пакетов сигналов охраняемого объекта и b3=3 для пакетов команд центра охраны. Вероятность потери пакета "Е" от случайного наложения пакетов при независимом выборе их позиций:

E=1-(1-w/V)^N=1-R,

где V - условный объем пространства сигналов, выраженный в объемах области помехи, w - коэффициент влияния пакета, который не может быть больше 9, w/V - доля одной помехи, R - вероятность правильного приема пакета. В реализованной сети радиосвязи по предложенному способу V - около 5000 и допустимая величина N - около 500.

Испытания предложенного способа, проведенные заявителем, показали, что помехоустойчивая имитостойкая двухсторонняя радиосвязь центра охраны с охраняемыми объектами охраны осуществляется при прямой видимости на расстояниях до 20 км при 1,0 мВт излучаемой мощности. Это более чем в 20 раз превышает дальность связи с той же мощностью реализуемую ближайшим аналогом, и позволяет более чем в 400 раз увеличить область размещения охраняемых объектов. Количество охраняемых объектов в сети по предложенному способу больше, чем у прототипа, использующего всего 7 ортогональных частотных позиций, по меньшей мере в 70 раз. Значительно выше возрастает и помехозащищенность при действии преднамеренных помех. Установлено, что мощный (около 5 Вт) источник широкополосной частотно-модулированной помехи, передаваемой в общем канале, размещенный на расстоянии 15 м, от группового приемника центра охраны, прием сообщений не нарушает.

Изобретение относится к технике реализации охранных систем, предназначенных для защиты объектов недвижимости и транспортных средств. От каждого охраняемого объекта (ОО) передают сообщения в общем радиоканале в виде hopping-сигналов, представляющих собой пакеты модулированных сигналов со скачкообразно изменяющимися позициями по частоте и времени. В центре охраны (ЦО) переданные от ОО сообщения принимают, посредством демодуляции переносят спектр сигнала общего радиоканала в область низких частот и определяют истинность или ложность пакетов демодулированных сигналов. На каждом ОО позиции пакетов сигналов по частоте и во времени устанавливают первым случайным числом ведущего генератора случайных чисел независимо от других ОО. В ЦО спектр сигнала общего радиоканала анализируют групповым приемником на k интервалах анализа, равных длительности Т символа пакета сигналов и сдвинутых по фазе на равные субинтервалы, кратные T/k. Далее определяют k последовательностей каждого пакета сигналов и выбирают из них по максимуму правдоподобия одну, демодулированную. Первым пакетом синхронизируют имеющийся в ЦО ведомый генератор случайных чисел с ведущим и выявляют погрешности позиции каждого принятого пакета относительно позиции пакета, определяемой первым случайным числом ведомого генератора. В качестве информации для дальнейшей обработки выдают пакеты с погрешностями позиций, меньшими допустимых. Ложные пакеты с погрешностями позиций, превышающими допустимые, блокируют и сопровождают сигналом обнаружения ложного пакета сигналов. На ОО принимают пакеты от ЦО в узкой полосе частот, соответствующей скорости сигналов. Позицию полосы в общем радиоканале устанавливают синтезатором частот с цифровым управлением от второго случайного числа ведущего генератора. Пакет сигналов из ЦО передают на ОО на позиции, устанавливаемой вторым случайным числом ведомого генератора с поправкой, корректирующей частотные и временные погрешности позиции. Способ повышает дальность и надежность двухсторонней радиосвязи ОО и ЦО, а также обеспечивает обнаружение ложных сообщений. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ радиосвязи охраняемых объектов и центра охраны, согласно которому от каждого объекта передают сообщения в общем радиоканале в виде hopping-сигналов, представляющих собой пакеты модулированных сигналов со скачкообразно изменяющимися позициями по частоте и времени, а в центре охраны переданные от охраняемых объектов сообщения принимают, переносят спектр сигнала общего радиоканала в область низких частот и после демодуляции определяют истинность или ложность пакетов демодулированных сигналов, при этом позиции пакетов сигналов по частоте и времени на охраняемых объектах устанавливают, а в центре охраны определяют с использованием генераторов случайных чисел, отличающийся тем, что на каждом охраняемом объекте позиции пакетов сигналов по частоте и во времени устанавливают первым случайным числом ведущего генератора случайных чисел независимо от других охраняемых объектов, в центре охраны спектр сигнала общего радиоканала анализируют групповым приемником на k интервалах анализа, равных длительности Т символа пакета сигналов и сдвинутых по фазе на равные субинтервалы, кратные T/k, определяют k последовательностей каждого пакета сигналов, выбирают из них по максимуму правдоподобия одну, демодулированную, синхронизируют первым пакетом имеющийся в центре охраны ведомый генератор случайных чисел с ведущим, выявляют погрешности позиции каждого принятого пакета относительно позиции пакета, определяемой первым случайным числом ведомого генератора, выдают в качестве информации для дальнейшей обработки пакеты с погрешностями позиций, меньшими допустимых, а ложные пакеты с погрешностями позиций, превышающими допустимые, блокируют и сопровождают сигналом обнаружения ложного пакета сигналов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на охраняемых объектах принимают пакеты от центра охраны в узкой полосе частот, соответствующей скорости принимаемых сигналов, позицию указанной полосы в общем радиоканале устанавливают синтезатором частот с цифровым управлением от второго случайного числа ведущего генератора, а пакет сигналов из центра охраны передают на охраняемый объект на позиции, устанавливаемой вторым случайным числом ведомого генератора с поправкой, корректирующей частотные и временные погрешности позиции.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что групповой приемник в центре охраны выполняют с быстрым преобразованием Фурье.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в центре охраны упомянутый выбор демодулированной последовательности пакета сигналов осуществляют путем сравнения полученных последовательностей с синхронизирующей преамбулой в k корреляторах или путем k оценок количества ошибок в k декодерах помехоустойчивого кода.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что сообщения в пакетах сигналов защищают помехоустойчивым кодом Голея.