Когерентная радиолиния Российский патент 2020 года по МПК H04L27/18 H04L27/26 

Предлагаемая когерентная радиолиния относится к области радиосвязи, а именно к построению систем радиосвязи с использованием в их работе искусственно создаваемых радиопомех, и может быть использована для передачи конфиденциальной информации с применением сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) с псевдослучайной перестройкой рабочих частот (ППРЧ) и криптографических методов ее защиты.

Известны радиолинии и системы передачи аналоговой и дискретной информации (авт. свид. СССР №№ 1.267.257, 1.291.984, 1.626.428, 1.798.738; патенты РФ №№ 2.001.531, 2.013.018, 2.019.052, 2.108.257, 2.156.551, 2.214.691, 2.215.370, 2.278.047, 2.286.026, 2.329.608, 2.348.560, 2.447.598; патенты США №№ 4.328.581, 5.058.136, 5.077.538, 5.459.760, 5.856.027, 6.128.476; патенты ЕР №№ 0.465.512, 0.486.839; патенты WO №№ 96/10.309, 97/20.438; Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В., Койнаш Б.В. Защита объектов и информации от несанкционированного доступа. Изд-во Стройиздат СПб, 2004, 318с и другие).

Из известных радиолиний и систем наиболее близкой к предлагаемой является «Когерентная радиолиния» (патент РФ № 2.447.598, HO 4 L 27/18, 2010), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная радиолиния обеспечивает защиту передаваемой дискретной информации от несанкционированного доступа посторонних лиц путем создания шумовой завесы из шумоподобных сигналов и использования криптографических методов.

Однако потенциальные возможности известной когерентной радиолинии по защите передаваемой дискретной информации от несанкционированного доступа посторонних лиц используются не в полной мере.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей когерентной радиолинии и повышение надежности защиты конфиденциальной дискретной информации от несанкционированного доступа посторонних лиц путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Поставленная задача решается тем, что когерентная радиолиния, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, на передающей стороне последовательно включенные источник дискретных сообщений, кодирующее устройство, цифровой скремблер, первый модулятор, первый передатчик и первую передающую антенну, последовательно включенные первый генератор псевдослучайной последовательности, второй модулятор, второй вход которого соединен с выходом второго генератора высокой частоты, второй передатчик и вторую передающую антенну, а на приемной стороне последовательно включенные приемную антенну, приемник, блок поиска по частоте, блок выделения опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, второй вычитатель, цифровой дескремблер, декодирующее устройство и блок регистрации и анализа сообщений, последовательно подключенные к выходу блока выделения опорного напряжения фазовращатель на - 30°, второй синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый вычитатель и фазовращатель на - 90°, выход которой соединен с вторым входом второго вычитателя, последовательно подключенные к выходу блока выделения опорного напряжения фазовращатель на + 30°, и третий синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, а выход подключен к второму входу первого вычитателя, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена синхронизатором, вторым генератором псевдослучайной последовательности и синтезатором несущих частот, причем к выходу синхронизатора последовательно подключены второй генератор псевдослучайной последовательности и синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом первого модулятора.

Структурная схема передающей части когерентной радиолинии представлена на фиг. 1 и 2. Структурная схема приемной части когерентной радиолинии изображена на фиг. 3. Фрагмент частотно-временной матрицы используемых ФМн сигналов с ППРЧ показан на фиг. 4.

Передающая часть когерентной радиолинии содержит последовательно включенные источник 1 дискретных сообщений, кодирующее устройство 2, цифровой скремблер 26, первый модулятор 3, первый передатчик 5 (усилитель мощности) и первую передающую антенну 6, последовательно включенные синхронизатор 28, второй генератор 29 псевдослучайной последовательности (ПСП) и синтезатор 30 несущих частот, выход которого соединен с вторым входом первого модулятора 3, последовательно включенные первый генератор 7 псевдослучайной последовательности, второй модулятор 8, второй вход которого соединен с выходом второго генератора 9 высокой частоты, второй передатчик 10 и вторую передающую антенну 11.

Приемная часть когерентной радиолинии содержит последовательно включенные приемную антенну 12, приемник 13 (усилитель высокой частоты), первый синхронный детектор 14, второй вычитатель23, цифровой дескремблер 27, декодирующее устройство 24 и блок 25 регистрации и анализа сообщений, последовательно подключенные к выходу блока 16 выделения опорного напряжения фазовращатель 17 на - 30°, второй синхронный детектор 19, второй вход которого соединен с выходом приемника 13, первый вычитатель 21 и фазовращатель 22 на + 90°, выход которого соединен с вторым входом второго вычитателя 23, последовательно подключенные к выходу блока 16 выделения опорного напряжения фазовращатель 18 на + 30° и третий синхронный детектор 20, второй вход которого соединен с выходом приемника 13, а выход подключен к второму входу первого вычитателя 21, последовательно подключенные к выходу приемника 13 блок 15 поиска по частоте и блок 16 выделения опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом приемника 13, а выход подключен к второму входу первого синхронного детектора 14.

Когерентная радиолиния работает следующим образом.

Дискретные сообщения с выхода источника 1 через кодирующее устройство 2 поступают на вход цифрового скремблера 26, который реализует криптографический метод защиты дискретных сообщений от несанкционированного доступа посторонних лиц. Указанный метод включает шифрование, кодирование и преобразование сообщений, в результате которых их содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

При цифровом методе закрытия последовательных сообщений условно выделяются четыре основные группы:

1) подстановка – символы дискретных сообщений заменяются другими символами в соответствии с заранее определенным правилом;

2) перестановка - символы дискретных сообщений переставляются по некоторому правилу в пределах заданного блока передаваемых дискретных сообщений;

3) аналитическое преобразование – шифруемые сообщения преобразуются по некоторому аналитическому правилу;

4) комбинированное преобразование – исходные дискретные сообщения шифруются двумя или большим числом методов шифрования.

Скремблированные дискретные сообщения в виде модулирующего кода M(t) с выхода цифрового скремблера 26 поступают на первый вход модулятора, с помощью синхронизатора 28 включается второй генератор 29 псевдослучайной последовательности, который, в свою очередь, управляет работой синтезатора 30 несущих частот, на выходе которого последовательно во времени формируется сетка высокочастотных колебаний различных несущих частот:

u₁(t) = U₁cos(ω₁t + ϕ₁),

u₂(t) = U₂cos(ω₂t + ϕ₂),

……………………….

u_i(t) = U_icos(ω_it + ϕ_i),

……………………….

u_м(t) = U_мcos(ω_мt + ϕ_м), 0 T_c=M*t_c,

где U_i., ω_i, ϕ_i, T_c – амплитуды, несущие частоты, начальные фазы и длительность высокочастотных колебаний;

i = 1,2,…,M, M = ∆ω_c/∆ω₁,

M – число используемых несущих частот (число частотных каналов),

∆ω_c – ширина полосы частот расширенного спектра используемого сигнала (фиг. 4);

∆ω₁ – ширина полосы одного частотного канала;

t_c – временной интервал между переключениями частот, характеризует собой время работы на одной несущей частоте.

В зависимости от соотношения времени работы на одной частоте t_c и длительности информационных символов (посылок) τ_э ППРЧ может быть разделена: на межсимвольную, посимвольную и внутрисимвольную.

При межсимвольной ППРЧ n информационных символов (n≥2) передаются на одной частоте, при этом t_c = n*τ_э.

В качестве примера на фиг.4 показан фрагмент частотно-временной матрицы сложного ФМн сигнала с ППРЧ. При этом n выбрано равным 4

(t_c = 4τ_э), квадратами с различной наклонной штриховкой обозначены различные информационные символы (посылки) с различными фазами (0, π).

Сформированные высочастотные колебания последовательно во времени поступают на второй вход первого модулятора 3.

На выходе первого модулятора 3 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) с ППРЧ

u_ci(t) = U_icos[ω_it +ϕ_k(t) + ϕ_i], 0≤t≤ t_c,

где ϕ_k(t) = {0, π} – манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), при чем ϕ_k(t) =const при kτ_э < t<(k+1) τ_э и может изменяться скачком при

t = kτ_э, т.е. на границах между элементарными символами (посылками) (k = 1, 2,…N-1);

τ_э, N – длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал с длительностью T_c (T_c = Nτ_э).

Этот сигнал после усиления в передатчике 5 (усилителе мощности) излучается передающей антенной 6 с направленной диаграммой направленности в сторону приемной части когерентной радиолинии.

Псевдослучайная последовательность (ПСП) с выхода генератора 7 поступает на первый вход модулятора 8, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода генератора 9 высокой частоты.

u_ш(t) = U_шcos(ω_шt + ϕ_ш), 0

где ω_ш - ω_c = ∆ω ≤ ∆ω_д, ∆ω_д – полоса пропускания синхронных детекторов 14, 19 и 20.

На выходе модулятора 8 образуется шумоподобный сигнал (ШПС)

u₂(t) = U_шcos[ω_шt + ϕ_ш(t) + ϕ_ш], 0

где ϕ_ш(t) = {0, π} – манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с ПСП.

Указанный сигнал после усиления в передатчике 10 (усилителе мощности) излучается передающей антенной 11 с направленной диаграммой направленности в сторону приемной части когерентной радиолинии. Мощность этого сигнала много больше, чем мощность информационного сигнала, для которого он создает шумовую завесу.

Смесь ФМн сигнала с ППРЧ u_ci(t) и ШПС сигнала u₂(t)

u_∑(t) = u_ci(t) + u₂(t)

с выхода приемной антенны 12 через приемник 13 (усилитель высокой частоты) одновременно поступает на первые (информационные) входы синхронных детекторов 14, 19 и 20, на вторые входы которых подаются опорные напряжения соответственно с выхода блока 16 выделения опорного напряжения непосредственно и через фазовращатель 17 и 18 на - 30° и + 30° :

u₀₁(t) = U₀cos(ω_it + ϕ_i),

u₀₂(t) = U₀cos(ω_it + ϕ_i - 30°),

u₀₃(t) = U₀cos(ω_it + ϕ_i + 30°).

На выходе синхронных детекторов 14, 19 и 20 выделяются следующие низкочастотные напряжения соответственно:

u_н1(t) = U_н1cosϕ_к(t) + U_н2.cos[(ω_ш - ω_i)t + ϕ_ш(t) + ϕ_ш - ϕ_i],

u_н2(t) = U_н1cos[ϕ_к(t) + 30°] + U_н2.cos[(ω_ш - ω_i)t + ϕ_ш(t) + ϕ_ш - ϕ_i + 30°],

u_н3(t) = U_н1cos[ϕ_к(t) - 30°] + U_н2.cos[(ω_ш - ω_i)t + ϕ_ш(t) + ϕ_ш - ϕ_i - 30°],

где U_н1 = U_i U₀; U_н2 = U_ш U₀.

На выходе вычитателя 21 образуется разностное напряжение

∆ u_н1(t) = u_н2(t) - u_н3(t) = U_н2 sin[(ω_ш - ω_i)t + ϕ_ш(t) + ϕ_ш - ϕ_i],

которое представляет собой ШПС сигнала и отличается от ШПС сигнала на выходе синхронного детектора 14 поворотом по фазе на + 90°_.

Разностное напряжение ∆ u_н1(t) с выхода вычитателя 21 поступает на вход фазовращателя 22 на + 90°, на выходе которого образуется разностное напряжение

∆u_н2(t)=U_н2sin[(ω_ш-ω_i)t+ϕ_ш(t)+ϕ_ш-ϕ_i+90°]=U_н2 cos[(ω_ш -ω_i)t+ϕ_ш(t)+ϕ_ш-ϕ_i].

Это напряжение поступает на второй вход вычитателя 23, на выходе которого образуется разностное напряжение

∆ u_н3(t) = ∆u_н2(t) - ∆u_н3(t) = U_н1 cosϕ_k(t),

представляющее собой аналог передаваемого сообщения. Напряжение

∆ u_н3(t) с выхода вычитателя 23 поступает на вход цифрового дескремблера 27, принцип работы которого соответствует принципу работы цифрового скремблера 26, но имеет противоположный характер. На выходе дескремблера 27 образуется кодовая информация, которая поступает на вход декодирующего устройства 24, на выходе которого образуется исходная информация источника 1 дискретных сообщений, которая поступает на вход блока 25 регистрации и анализа сообщений.

Когерентная радиолиния под прикрытием мощной шумовой завесы может успешно выполнять свои функции. При этом значительно снижается возможность несанкционированного доступа посторонних лиц к конфиденциальной информации, которая передается по когерентной радиолинии, так как сигнал шумовой завесы скрывает информационный сигнал за счет энергетического превышения этого сигнала шумоподобным сигналом завесы в заданном диапазоне частот.

Кроме того, сложные сигналы с фазовой модуляцией с точки зрения обнаружения обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема оказывается замаскированным не только шумоподобными сигналами, но и шумами и помехами. Причем энергия сложного информационного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника. Сложные ФМн-сигналы позволяют применять новый вид селекции – структурную селекцию.

Криптографическая защита конфиденциальной дискретной информации от несанкционированного доступа посторонних лиц обеспечивается специальными методами шифрования, кодирование и преобразование конфиденциальной дискретной информации, в результате которых ее содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

Таким образом, предлагаемая когерентная радиолиния по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает не только шумовую, энергетическую, структурную и криптографическую защиту, но и защиту конфиденциальной дискретной информации от несанкционированного доступа посторонних лиц за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) и ППРЧ.

Стратегия защиты от несанкционированного доступа посторонних лиц заключается в «уходе» сигналов когерентной радиолинии за счет перестройки рабочей частоты по псевдослучайному закону. Поэтому в предлагаемой когерентной радиолинии важной характеристикой является фактическое время работы на одной частоте t_c. Чем меньше это время, тем выше вероятность того, что сложные ФМн сигналы с ППРЧ не будут подвержены воздействию посторонних лиц.

Следовательно, функциональные возможности известной когерентной радиолинии расширены, а надежность защиты конфиденциальной дискретной информации от несанкционированного доступа посторонних лиц повышена.

Авторы: Дикарев Виктор Иванович

Парфенов Николай Петрович

Алексеев Сергей Алексеевич

Стахно Роман Евгеньевич

Изобретение относится к области радиосвязи, к системам с использованием в их работе искусственно создаваемых радиопомех. Технический результат - повышение надежности защиты конфиденциальной дискретной информации от несанкционированного доступа. Результат достигается путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Когерентная радиолиния содержит источник дискретных сообщений, кодирующее устройство, два модулятора, два передатчика, две передающие антенны, два генератора псевдослучайной последовательности, генератор высокой частоты, приемную антенну, приемник, три синхронных детектора, блок поиска по частоте, блок выделения опорного напряжения, фазовращатели на - 30°, на + 30°, два вычитателя, фазовращатель на + 90°, декодирующее устройство, блок регистрации и анализа сообщений, цифровой скремблер, цифровой дескремблер, синхронизатор, синтезатор несущих частот. 4 ил.

Когерентная радиолиния, содержащая на передающей стороне последовательно включенные источник дискретных сообщений, кодирующее устройство, цифровой скремблер, первый модулятор, первый передатчик и первую передающую антенну, последовательно включенные первый генератор псевдослучайной последовательности, второй модулятор, второй вход которого соединен с выходом второго генератора высокой частоты, второй передатчик и вторую передающую антенну, а на приемной стороне последовательно включенные приемную антенну, приемник, первый синхронный детектор, второй вычитатель, цифровой дескремблер, декодирующее устройство и блок регистрации и анализа сообщений, последовательно подключенные к выходу приемника блок поиска по частоте и блок выделения опорного напряжения, второй вход которого соединен с выходом приемника, а выход подключен к второму входу первого синхронного детектора, последовательно подключенные к выходу блока выделения опорного напряжения фазовращатель на - 30°, второй синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый вычитатель и фазовращатель на + 90°, выход которого соединен с вторым выходом второго вычитателя, последовательно подключенные к выходу блока выделения опорного напряжения фазовращатель на + 30° и третий синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом приемника, а выход подключен к второму входу первого вычитателя, отличающаяся тем, что она снабжена синхронизатором, вторым генератором псевдослучайной последовательности и синтезатором несущих частот, причем к выходу синхронизатора последовательно подключены второй генератор псевдослучайной последовательности и синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом первого модулятора.