СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК H04K1/00 

Изобретение относится к технике связи, в частности к средствам защиты информации от несанкционированного доступа, и может быть использовано в защищенных информационных системах.

Для построения цифровых и аналоговых систем связи с защитой от несанкционированного доступа часто используются широкополосные сигналы (см., например, книгу Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.). Широкая полоса частот несущих сигналов используется как для повышения скорости передачи информации, так и для повышения устойчивости работы систем в условиях внешних помех. Известен класс широкополосных сигналов, называемых сигналами с расширением спектра, где полоса частот передаваемого сигнала может быть значительно шире полосы частот информационного сигнала. Достоинствами сигналов с расширением спектра являются:

- допустимость работы при малых отношениях сигнал-шум, как результат расширения информационного сигнала на большую полосу частот;

- устойчивость к селективному замиранию при многолучевом распространении сигнала;

- распределение сигнала по большой частотной полосе, вследствие чего передаваемая спектральная мощность сигнала мала и он слабо влияет на другие сигналы;

- расширение информационного сигнала на широкую передаваемую полосу и сжатие его в приемнике обеспечивает устойчивость приема при интерференции со стороны других сигналов.

(см. А.С.Дмитриев, А.И.Панас, С.О.Старков. Динамический хаос как парадигма современных систем связи // Зарубежная радиоэлектроника, 1997, №10, с.4-26).

Использование случайных сигналов в качестве расширяющих придает системам связи устойчивость по отношению к селективному замиранию и узкополосным скачкам, низкую вероятность перехвата, устраняет проблемы конфиденциальности и синхронизации. Потенциальные достоинства случайных сигналов не ограничиваются возможностью их применения в системах с расширением спектра. Они могут быть использованы также для маскировки передаваемой информации без расширения спектра, т.е. при совпадении полосы частот информационного и передаваемого сигналов, и для высокоскоростной передачи данных.

В качестве прототипа выбран способ передачи информации с помощью хаотических сигналов, который заключается в том, что на передающей стороне формируют широкополосную несущую, модулируют несущую информационным сигналом, передают промодулированную несущую по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону, на приемной стороне демодулируют принятую несущую для выделения информационного сигнала (см. патент Украины №71675 по кл. Н04К 1/00 за 2004 г.).

В указанном способе формирование широкополосной несущей осуществляют с помощью хаотической динамической системы, структуру которой предварительно синтезируют по заранее заданным характеристикам несущей, по меньшей мере спектральным, а модуляцию осуществляют путем формирования в соответствии с информационным сигналом хаотических радио- или видеомпульсов заданной длительности с заданными временными интервалами между этими импульсами. Прием и демодуляцию на приемной стороне выполняют с помощью динамической системы, согласованной по своему поведению с хаотической динамической системой передающей стороны.

Прототип имеет ряд недостатков, а именно:

- ограниченную защиту от несанкционированного доступа, так как двоичный информационный сигнал выбирается таким образом, чтобы "1" соответствовал хаотический сигнал определенной длительности, а "0" - отсутствие сигнала, что легко зафиксировать внешними устройствами;

- недостаточная устойчивость работы при наличии возмущающих факторов, связанная с тем, что пороговое устройство демодулятора реагирует на любые внешние помехи и шумы;

- низкая достоверность приема, в связи с тем, что мощность информационного сигнала должна быть много меньше мощности сигнала в канале связи.

В основу изобретения поставлена задача разработки способа передачи информации с помощью случайных сигналов, который обеспечивает реализацию систем связи с защитой от несанкционированного доступа, высокой устойчивостью работы при возмущающих воздействиях и высокой достоверностью приема.

Решение поставленной задачи и достижение упомянутого технического результата осуществляются за счет того, что в способе передачи информации, который заключается в том, что на передающей стороне формируют широкополосную несущую, модулируют несущую информационным сигналом, передают модулированную несущую по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону, а на приемной стороне демодулируют принятую несущую для выделения информационного сигнала, в соответствии с данным изобретением, широкополосную несущую формируют в виде произвольного случайного процесса, который модулируют путем изменения его многомерной функции распределения вероятностей в соответствии с информационным сигналом и нормируют по дисперсии, а демодулируют принятую несущую путем измерения упомянутой многомерной функции распределения вероятностей.

Использование в качестве несущей произвольного случайного процесса, функция распределения вероятностей которого изменяется в соответствии с информационным сигналом, позволяет практически полностью устранить несанкционированный доступ к передаваемой информации. Этому же способствует нормирование передаваемого сигнала по дисперсии. Демодуляция принятого сигнала путем измерения его многомерной функции распределения вероятностей исключает влияние любых внешних помех и шумов, что повышает устойчивость работы и достоверность приема.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема способа передачи информации, на фиг.2 - один из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг.3 - временные диаграммы работы модулятора при отсутствии нормирования по дисперсии модулированного сигнала, на фиг.4 - временные диаграммы работы модулятора при нормировании по дисперсии модулированного сигнала, на фиг.5 - временные диаграммы работы демодулятора.

Способ передачи информации заключается в следующем.

Входным информационным сигналом, поступающим из источника 1 информации, модулируют широкополосную несущую, вырабатываемую формирователем 2 несущей в модуляторе 3 (фиг.1). Информационный сигнал может представлять собой, например, последовательность прямоугольных импульсов переменной длительности и скважности, а широкополосная несущая - произвольный случайный сигнал. Процесс модуляции состоит в изменении многомерной функции распределения вероятностей несущей в течение существования информационных импульсов, т.е. в создании зависимых отсчетов. При этом информация в созданном таким образом сигнале маскируется несущей. Для усиления эффекта конфиденциальности сигнал, подлежащий передаче, нормируют по дисперсии в блоке 4. Модулированную несущую передают по каналу 5 передачи информации с передающей стороны на приемную сторону, на приемной стороне демодулируют несущую с помощью демодулятора 6 и выделенный информационный сигнал отправляют в приемник 7 информации. Процесс демодуляции представляет собой операцию измерения многомерной функции распределения вероятностей модулированной несущей, т.е. выявление признака зависимые - независимые отсчеты несущей.

Один из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ, содержит последовательно соединенные источник 1 информации, одним входом двухвходовый коммутатор 8, одним входом двухвходовый сумматор 9, к другому входу которого подключен формирователь 2 широкополосной несущей, регулятор 10 уровня, элемент 11 задержки (фиг.2). Выход элемента 11 задержки подсоединен к другому входу коммутатора 8. К выходу сумматора 9 подключены последовательно соединенные усилитель 12, канал 5 передачи информации, элемент 13 задержки с m выходами. К каждому выходу элемента 13 задержки подключены одним входом двухвходовые пороговые элементы 14, другие входы которых подсоединены к одной из m шин 15 задания пороговых напряжений. Выходы пороговых элементов 14 объединены m-входовым элементом 16 совпадения, к выходу которого подключен основной t-текущий интегратор 17. К выходу интегратора 17 подключены последовательно одним входом двухвходовый элемент 18 деления и приемник 7 информации. К выходу каждого порогового элемента 14 подключен дополнительный t-текущий интегратор 19, выходы которых объединены m-входовым перемножителем 20. Выход перемножителя 20 подсоединен к другому входу элемента 18 деления.

Входной информационный сигнал S(nt), представляющий собой, например, последовательность прямоугольных импульсов, подается от источника 1 информации на коммутатор 8 (электронный ключ) и разрешает прохождение через него сигнала с измененной многомерной функцией распределения вероятностей (в котором отсчеты зависимы) в течение существования импульсов (фиг.3). В остальное время коммутатор 8 закрыт для прохождения через него сигнала. Сигнал, снимаемый с выхода коммутатора 8, суммируется с помощью сумматора 9 с широкополосной несущей N(nt), вырабатываемой формирователем 2. Несущая N(nt), n=1, 2, ... представляет собой дискретизированный случайный процесс с произвольной функцией распределения вероятностей (в котором отсчеты независимы). Несущая N(nt) может быть сформирована, например, так, как описано в патенте Украины №71675 по кл. Н04К 1/00 за 2004 г. Смесь сигналов, снимаемая с выхода сумматора 9, изменяется по амплитуде с помощью регулятора 10 уровня. При этом коэффициент К регулирования выбирается меньшим единицы (К<1). Коэффициент К определяет степень корреляции между отсчетами и в конечном счете уровень конфиденциальности передаваемого сообщения. Далее сигнал KN(nt) задерживается на время τ, кратное периоду дискретизации несущей (в простейшем случае равном периоду дискретизации) с помощью элемента 11 задержки. Замкнутая цепь, состоящая из элементов 8-11, представляет собой модулятор 3. Выходом модулятора является выход сумматора 9, на котором формируются сигналы

Здесь S(nt)=1 означает наличие информационного импульса, a S(nt)=0 - его отсутствие, m=0, 1, 2, .... Таким образом информационным параметром модуляции является признак зависимости или независимости отсчетов. На фиг.3 показаны временные диаграммы модулированных меандром сигналов при разных значениях коэффициента К. Из диаграмм видно, что при модуляции со значениями еще можно обнаружить информационный сигнал. Поэтому с выхода сумматора 9 сигнал подается на усилитель 12, который выполняет функции блока 4 нормирования по дисперсии. Так как отсчеты несущей N(nt) независимы, имеют нулевое математическое ожидание и дисперсию σ², то на выходе модулятора (сумматора 9) получим такие математическое ожидание М₁ и дисперсию М₂:

Это позволяет пронормировать модулированный сигнал по дисперсии на интервале времени действия информационных импульсов. А так как при К<1 и (что целесообразно выбирать) член K^2(m+1)≪1, то нормирование по дисперсии заключается в умножении модулированного сигнала на величину на интервале времени действия импульсов с помощью усилителя 12.

На временных диаграммах фиг.4 показан результат модуляции несущей последовательностью прямоугольных импульсов с использованием нормирования по дисперсии модулированного сигнала. Из фиг.4 видно, что нормирование по дисперсии выходного сигнала модулятора приводит к тому, что обнаружить модуляцию сигнала становится практически невозможно даже при больших значениях коэффициента корреляции k между отсчетами.

Прошедший по каналу 5 передачи информации модулированный сигнал U^D(nt) поступает на вход элемента 13 задержки с m выходами. Задержанные на разное время сигналы U^D(nt-mτ) квантуются по уровню с помощью пороговых элементов 14 (например, компараторов) в соответствии с правилом

То есть, если мгновенные значения принятых задержанных сигналов меньше мгновенных значений пороговых напряжений, задаваемых с помощью шин 15, то на выходе пороговых элементов 14 вырабатывается высокий уровень сигнала, в противном случае - низкий уровень. Квантованные сигналы, снимаемые с выходов пороговых элементов 14, поступают на многовходовый элемент совпадения 16, который формирует сигнал

Этот сигнал поступает на основной t-текущий интегратор 17, с помощью которого формируется m-мерная оценка функции распределения вероятностей F^m*(x₁, nt-τ; x₂, nt-2τ; ...; x_m, nt-mτ) для задержанных сигналов U^D(nt-mτ). Принцип работы t - текущего интегратора описан, например, в книге: Г.Я.Мирский. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М.: Энергия. - 1972. - 456 с., на с.59-76.

Полученный сигнал оценки m-мерной функции распределения вероятностей подается на один из входов двухвходового элемента деления 18. Одновременно сигналы, снимаемые с выходов пороговых элементов 14, подаются на входы дополнительных t - текущих интеграторов 19. Эти интеграторы формируют оценки F^*(x_m, nt-mτ) одномерных функций распределения вероятностей сигналов U^D(nt-mτ). Полученные сигналы оценок F^*(x_m, nt-mτ) перемножаются с помощью m-входового перемножителя 20, в результате чего вырабатывается произведение

которое поступает на другой вход элемента деления 18. На выходе элемента деления 18 вырабатывается сигнал, величина которого отображает оценку коэффициента корреляции отсчетов U^D(nt-mτ) принятого сигнала, т.е.

Сигнал, снимаемый с выхода элемента деления 18, поступает в приемник информации 7.

На фиг.5 показаны временные диаграммы, поясняющие процесс демодуляции принятого сигнала. При этом, несмотря на отсутствие каких-либо признаков информационного сигнала в широкополосной несущей, демодулятор уверенно его обнаруживает, реализуя алгоритм оптимального приема (см. книгу Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Сов. радио, 1968. Кн.2. 504 с., на с.200, 324-352).

Таким образом, в отличие от прототипа предлагаемое устройство позволяет реализовать передачу-прием дискретной информации с высокой степенью защиты от несанкционированного доступа, устойчивостью при наличии возмущающих факторов, так как демодулятор не реагирует на внешние помехи и шумы, и высокой достоверностью приема.

Данная реализация приведена исключительно с целью иллюстрации, а не ограничения заявляемого способа, объем патентных прав которого определяется формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов приведенных в ней признаков.

Изобретение относится к технике связи, в частности к средствам защиты информации от несанкционированного доступа, и может быть использовано в защищенных информационных системах. Достигаемый технический результат - обеспечение реализации системы связи с защитой от несанкционированного доступа, высокой устойчивостью работы при возмущающих воздействиях и высокой достоверностью приема. Способ передачи информации характеризуется тем, что на передающей стороне формируют широкополосную несущую в виде произвольного случайного процесса, который модулируют путем изменения его многомерной функции распределения вероятностей в соответствии с информационным сигналом и нормируют по дисперсии, а на приемной стороне принятую несущую демодулируют путем измерения упомянутой многомерной функции распределения вероятностей. 5 ил.

Способ передачи информации, который заключается в том, что на передающей стороне формируют широкополосную несущую, модулируют несущую информационным сигналом, передают модулированную несущую по каналу связи с передающей стороны на приемную сторону, а на приемной стороне демодулируют принятую несущую для выделения информационного сигнала, отличающийся тем, что широкополосную несущую формируют в виде произвольного случайного процесса, который модулируют путем изменения его многомерной функции распределения вероятностей в соответствии с информационным сигналом и нормируют по дисперсии, а демодулируют принятую несущую путем измерения упомянутой многомерной функции распределения вероятностей.