Способ передачи информации Российский патент 2023 года по МПК G08C19/28 H04B14/04 

Изобретение относится к области сетей связи и может быть использовано для оптимизации сетевых ресурсов.

Как правило, сети связи являются большими и сложными системами. Для улучшения производительности, безопасности, качества обслуживания и управления такие системы требуют оптимизации сетевых ресурсов.

Одним из направлений оптимизации сетевых ресурсов и снижения затрат на передачу данных является разработка различных способов передачи информации.

Известен способ передачи двоичной информации сложными сигналами с внутриимпульсной минимальной частотной манипуляцией [патент РФ № 2358404, H04L 27/10, опубл. 10.06.2009 г. Бюл. № 16], заключающийся в том, что периодически генерируют модуляционные коды квадратурной и синфазной составляющих сложного сигнала, из которых, в зависимости от порядка следования бит информационной последовательности, формируют модуляционные кодовые последовательности синусного и косинусного каналов, полученные последовательности преобразуют в двухполярный код и осуществляют фазовую модуляцию квадратурных составляющих поднесущей частоты, модулированные по фазе колебания поднесущей частоты подают на квадратурный модулятор несущей частоты, выходные сигналы которого суммируются.

Известен способ стеганографической передачи информации [патент РФ № 2631044, H04L 9/0, H03M 13/00, опубл. 15.09.2016 г. Бюл. № 36], заключающийся в том, что данные скрывают в контейнере, роль которого выполняет канал передачи информации, данные основного и скрытого каналов подаются на помехоустойчивые кодеры, в предысказителе в цифровые данные основного канала вносятся предыскажения, являющиеся данными скрытого канала и зависящие от значений встраиваемых данных, текущего соотношения сигнал/шум, маскирующей функции и времени, на стороне приемника с выхода помехоустойчивого декодера исправленные данные основного канала заново кодируются помехоустойчивым кодером, аналогичным передающей стороне, и подаются на блок восстановления скрытого канала, на который также подаются данные с выхода демодулятора и прошедшие линию задержки, восстановленные данные скрытого канала проходят через помехоустойчивый декодер скрытого канала, исправленные данные подаются на приемник скрытого канала, что позволяет, имея потоки данных с помехоустойчивого кодера на стороне приема, с линии задержки, а также зная параметры функции распределения скрытого канала в основном, восстановить передаваемые стеганографические данные.

Известен способ помехозащищенной передачи телеметрических данных с адаптацией к состоянию канала связи [патент РФ № 2720901, H04L 1/20, опубл. 14.05.2020 г. Бюл. № 14], заключающийся в том, что если состояние канала связи не позволяет передавать данные с требуемым уровнем достоверности, то в таком случае для передачи выбирается некоторое число старших бит, причем оставшаяся часть младших бит помещается в организованном в виде стека с ограниченным объемом «отложенном буфере», при этом в случае улучшения состояния канала связи принимается решение о передаче данных, хранимых в буфере, совместно с данными, поступающими от источника данных, а сама система работает в непрерывном режиме, пока все актуальные и размещенные в буфере данные не будут переданы.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному (прототипом) является способ дискретной передачи информации [патент РФ № 2444066, G08C 19/28, H04B 14/04, опубл. 27.02.2012 г. Бюл. № 6], заключающийся в том, что на передающей стороне формируют первичный сигнал, формируют последовательность выборок первичного сигнала, формируют передаваемые выборки путем преобразования первичного сигнала, с помощью первого формирователя пороговых уровней формируют () () пороговых уровней, значения которых равномерно распределены в пределах шкалы значений первичного сигнала, подают их на опорные входы первого и второго преобразователей значений выборок, преобразуют последовательность выборок в две последовательности передаваемых выборок, передают сформированные выборки по каналу связи на приемную сторону, на приемной стороне принимают полученные выборки, выборок, с помощью второго формирователя пороговых уровней формируют (), () и () пороговых уровней, подают их на соответствующие опорные входы первого и второго квантователей и третьего преобразователя значений выборок, квантуют значения первой и второй принятых последовательностей выборок, подают их на входы третьего преобразователя значений выборок, восстанавливают последовательность выборок первичного сигнала, восстанавливают первичный сигнал.

Перечисленные аналоги и прототип обладают следующими недостатками:

1. Передаваемые сообщения избыточны [Касами Т., Теория кодирования. М.: Мир, 1978, 768 с.; Светличная В.Ю. Классификация речевой избыточности // Актуальные вопросы современной филологии и журналистики. 2022. № 3 (46). С. 7-11); А.Н. Колмогоров, Три подхода к определению понятия «количество информации», Пробл. передачи информ., 1965, том 1, выпуск 1, 3-11].

2. Существующие способы сжатия (снижения избыточности) не используют полезную для сжатия информацию, содержащуюся в уже сжатых сообщениях [Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 384 с.].

3. Передаваемые по каналу данные несут в себе достаточно информации для возможности восстановления скрываемых сообщений [В.Г. Грибунин, И.Н. Оков, И.В. Туринцев. Цифровая стеганография. - Солон-Пресс, 2002, -272 с.; Грачев Я.Л., Сидоренко В.Г. Стегоанализ методов скрытия информации в графических контейнерах // Надежность. 2021. № 3. С.39-46].

На основе указанных аргументов сформулирована техническая проблема, выражающая недостатки аналогов и прототипа: нерациональное использование пропускной способности каналов за счет высокой избыточности передаваемых сообщений и низкая скрытность передаваемых сообщений.

Техническим результатом является снижение требуемой пропускной способности и повышение скрытности передачи.

Техническая проблема решается за счет:

1) замены блоков сообщения более короткими адресами ячеек служебной памяти, хранящих совпадающие с блоками сообщения битовые комбинации;

2) использования информации, содержащейся в уже переданных сообщениях, для сжатия сообщений, подлежащих передаче;

3) повышения вероятности замены блока сообщения адресом ячейки за счет снижения достоверности в заданных пределах;

4) отсутствия в передаваемом сообщении (при наблюдении в канале связи) соответствия между адресами ячеек служебной памяти и блоков сообщения, которые эти адреса заменяют.

Техническая проблема решается тем, что в способе, заключающемся в том, что на передающей стороне формируют первичный сигнал, формируют последовательность выборок первичного сигнала, формируют передаваемые выборки путем преобразования первичного сигнала, передают сформированные выборки по каналу связи на приемную сторону, на приемной стороне принимают полученные выборки, восстанавливают первичный сигнал, дополнительно предварительно задают требуемую достоверность, объем, структуру и адресацию служебной памяти, на передающей и приемной сторонах формируют заданную служебную память, заполняют служебную память одинаковыми случайными битами, на передающей стороне перед передачей из сформированного первичного сигнала формируют подлежащее передаче сообщение S, разбивают подлежащее передаче сообщение S на блоки длиной, соответствующей размеру ячейки служебной памяти, осуществляют поиск совпадения каждого блока подлежащего передаче сообщения S с каждой из битовых комбинаций, хранящихся в ячейках служебной памяти с точностью, не хуже заданной достоверности, при обнаружении совпадений заменяют блоки подлежащего передаче сообщения S на соответствующие адреса ячеек служебной памяти, получая при этом сокращенное сообщение S^*, на передающей стороне после передачи формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоков сообщения S^*, перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда, на приемной стороне после приема сообщения восстанавливают исходное сообщение S, для чего считывают из принятого сообщения S^* адреса ячеек служебной памяти, считывают из служебной памяти по извлеченным адресам соответствующие битовые комбинации, заменяют адреса ячеек служебной памяти в сообщении S^* извлеченными битовыми комбинациями, на приемной стороне после восстановления сообщения S формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоков принятого сообщения S^*, перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда. .

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении результата.

Заявленный способ поясняется чертежами:

фиг. 1 - блок-схема способа передачи информации;

фиг. 2 - пример работы способа передачи информации;

фиг. 3 - оценка эффективности способа передачи информации.

1. Задают требуемую достоверность, объем, структуру и адресацию служебной памяти (фиг. 1, блок 1).

Достоверность [передачи] () - способность обеспечивать воспроизведение передаваемых сообщений в пунктах приема с заданной точностью. Количественно достоверность оценивается численным значением показателя - вероятностью правильного приема сообщения. Эта вероятность выражается отношением числа правильно принятых элементов сообщения (битов) к общему переданному их числу.

Требуемая достоверность () определяет минимально необходимую вероятность правильного приема.

Память - физическое устройство или среда хранения данных, состоящая из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом. Если память содержит ячеек, они будут иметь адреса от до . Все ячейки памяти содержат одинаковое число битов. Если ячейка состоит из битов, она может содержать любую из комбинаций [Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. - СПб.: Питер, 2013. - 816 с.: ил.].

Структура памяти определяется количеством ячеек () и размером ячеек (), а ее адресация - порядком нумерации ячеек.

Объем памяти, количество ячеек и их размер связаны выражением:

Условием эффективности способа при выборе параметров служебной памяти () является выполнение неравенства (Условие 1):

означающим, что длина адреса ячейки будет меньше размера ячейки, в битах.

Пример.

Пусть:

;

;

;

;

.

2. На передающей и приемной сторонах формируют заданную служебную память (фиг. 1, блок 2). Формирование служебной памяти осуществляется путем логического выделения фрагмента физической памяти заданного объема, разбиения на заданное количество ячеек и их нумерования (присвоения адресов).

Логическое выделение фрагмента физической памяти в изолированный виртуальный фрагмент осуществляется путем создания таблицы соответствия реальных физических адресов - виртуальным [Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. - СПб.: Питер, 2013. - 816 с.: ил.].

Пример.

Пусть для заданных , и адресация ячеек памяти кодируется битовой комбинацией длиной в 7 битов () от для 0-й ячейки до для 127-й ячейки (фиг. 2, блоки 19, 26).

3. На передающей и приемной сторонах заполняют служебную память одинаковыми случайными битами (фиг. 1, блок 3).

При этом на одной из сторон осуществляется генерация случайной битовой последовательности и передача ее другой стороне.

Также получение одинаковых последовательностей на передающей и приемной сторонах может быть выполнено, например, следующим образом: на передающей и приемной сторонах записывают в линейный рекуррентный регистр с одинаковой структурой битовую последовательность, полученную из уже известных друг другу собственных идентификаторов, например, IP-адресов, с использованием булевой операции XOR и генерации псевдослучайной последовательности требуемой длины этими линейными рекуррентными регистрами [Фомичев В.М. Дискретная математика и криптология. - М.: Диалог-МИФИ, 2013, - 397 с.].

Пример:

На фиг. 2, блоки 19, 26 указаны заполненные случайными одинаковыми комбинациями служебные памяти, расположенные на передающей и приемной сторонах.

4. На передающей стороне формируют первичный сигнал, последовательность выборок первичного сигнала и передаваемые выборки (фиг. 1, блоки 4, 5, 6).

Указанное действие предполагает подготовку первичного сигнала для его преобразования в сообщение, подлежащее передаче. Конкретные процедуры известны и зависят от вида первичного сигнала [Системы и сети передачи информации. Воробьев Л.В., Давыдов А.В., Щербина Л.П. - М.: «Академия», 2008].

Пример:

В случае, если первичный сигнал представляет собой акустический речевой сигнал, то выполняют следующие процедуры:

- с использованием микрофона преобразуют акустический сигнал в электрический;

- с использованием полосового фильтра осуществляют ограниченную выборку полезного сигнала;

- с использованием аналогово-цифрового преобразователя преобразуют аналоговый электрический сигнал в цифровой.

5. Формируют подлежащее передаче сообщение (фиг. 1, блок 7).

Из сформированного в п. 4 цифрового сигнала путем извлечения ограниченного фрагмента битов и добавления требуемой служебной информации формируют подлежащее передачи сообщение .

Пример.

Пусть (фиг. 2, блок 20).

6. Разбивают подлежащее передаче сообщение на блоки длиной, соответствующей размеру ячейки служебной памяти (фиг. 1, блок 8).

Пример.

Для :

;

(фиг. 2, блок 21);

.

7. Осуществляют поиск совпадения каждого блока подлежащего передаче сообщения с каждой из битовых комбинаций, хранящихся в ячейках служебной памяти с точностью не хуже заданной достоверности (фиг. 1, блок 9).

Совпадением -го блока сообщения и битовой комбинации -й ячейки считается, когда их коэффициент сходства

где - количество совпадающих битов на одинаковых позициях, - длина битовой комбинации (блока) [М. Жамбю Иерархический кластер-анализ и соответствия. М. «Финансы и статистика», 1988. 342 с.], будет не меньше заданного значения требуемой достоверности:

Пример:

Блок сообщения и битовая комбинация , расположенная в ячейке служебной памяти по адресу «5»: , совпадают, поскольку их коэффициент сходства:

что не меньше заданного значения требуемой достоверности ().

8. При обнаружении совпадений заменяют блоки подлежащего передаче сообщения на соответствующие адреса ячеек служебной памяти (фиг. 1, блок 10).

Замена блока сообщения на адрес ячейки служебной памяти, хранящей совпадающую битовую комбинацию, предопределяет первую часть технического результата - снижение требуемой пропускной способности, поскольку длина адреса меньше длины блока сообщения.

Пример:

Поскольку блок сообщения совпадает с битовой комбинацией, расположенной в ячейке «5», то в результате замены этого блока на адрес ячейки будет получено сообщение (фиг. 2, блок 23).

Для большей наглядность здесь и далее адрес ячейки «5» не переведен в бинарный вид. Однако, поскольку размер области памяти составляет 128 битов, его представление в бинарном виде займет 7 битов ().

Таким образом, исходное подлежащее передаче сообщение , размером 16 битов, заменяется сообщением , размером 15 битов, с сохранением достоверности в заданных пределах ().

9. Передают сообщение (фиг. 1, блок 11).

Процедуры передачи и приема сообщения зависят от многих факторов, в числе которых расстояние между передающей и приемной стороной, среда распространения сигнала, помеховая обстановка и др.

Процедуры передачи, как правило, подразумевают преобразование сообщения в сигнал, оптимальный для распространения в заданной среде [Системы и сети передачи информации. Воробьев Л.В., Давыдов А.В., Щербина Л.П. - М.: «Академия», 2008].

В рамках настоящего способа рассматривается канал связи без ошибок, однако применение способа также возможно при наличии ошибок в канале с некоторым снижением эффективности по показателю требуемой пропускной способности.

Благодаря заложенными в п. 1, 2, 3 случайными и неизвестными для нарушителя структуре, адресации и заполнении служебной памяти при наблюдении в канале связи усложняется установление соответствия между фактически передаваемыми адресами ячеек служебной памяти и блоками подлежащих передаче (исходных) сообщений, что предопределяет достижение второй части технического результата - повышение скрытности передачи.

10. Принимают сообщение (фиг.1, блок 12).

Процедуры приема, как правило, подразумевают преобразование принятого сигнала в сообщение [Системы и сети передачи информации. Воробьев Л.В., Давыдов А.В., Щербина Л.П. - М.: «Академия», 2008].

Пример:

Принято сообщение (фиг. 2, блок 22).

11. Считывают из принятого сообщения адреса ячеек служебной памяти (фиг. 1, блок 13)

Пример:

В принятом сообщении находится единственный адрес ячейки служебной памяти - «5» (фиг. 2, блок 25).

12. Считывают из служебной памяти по извлеченным адресам соответствующие битовые комбинации (фиг. 1, блок 14).

Пример:

По извлеченному адресу ячейки служебной памяти «5» считывают битовую комбинацию .

13. Заменяют адреса ячеек служебной памяти в сообщении извлеченными битовыми комбинациями (фиг. 1, блок 15).

Пример:

Принятое сообщении , после замены адресов служебной памяти примет вид: (фиг. 2, блок 24).

14. На приемной и передающей сторонах, после отправки (приема) сообщения формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоков сообщения (фиг. 1, блок 17).

Пример:

Если - объединенное множество, то вариационный ряд может принять вид:

15. Перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда (фиг. 1, блок 18).

Действия в п. 14, 15 направлены на заполнение служебной памяти такими битовыми комбинациями, которые наиболее часто встречаются в передаваемых сообщениях, что повышает вероятность их замены адресами ячеек служебной памяти, что предопределяет первую часть технического результата - снижение требуемой пропускной способности.

Действия в п. 4-9 осуществляются на передающей стороне, действия в п. 10-13 осуществляются на приемной стороне, действия в п. 1-3, 14, 15 осуществляются на передающей и приемной сторонах.

При выполнении способа могут быть использованы, например, следующие материальные объекты: НЧ фильтр «MAX291ESA+T» (п. 4, 10), АЦП «AD7190BRUZ-REEL» (п. 4), flash-память «AM29F040B-70JF» (п. 2, 3, 11, 12, 13, 15), приемопередатчик RS232 «ADM101EARMZ-REEL7» (п. 9, 10), микроконтроллер «ADUC812BSZ» (п. 3-8, 11-15), для настройки которых может быть использован, например, программатор MPLAB PM3 Universal Device Programmer.

Оценка эффективности представленного способа осуществлена для первой части технического результата (снижение требуемой пропускной способности), поскольку, несмотря на то, что вторая часть технического результата (повышение скрытности передачи) явно следует из описания, но сложно формализуема для получения точной оценки эффективности.

В качестве показателя эффективности выбрано процентное отношение количества передаваемых битов с применением способа () к количеству передаваемых битов без применения способа ():

Оценка эффективности осуществлена имитацией работы способа на ПЭВМ с использованием программы для ЭВМ (Python 3.9) для следующих входных параметров:

;

;

.

Все битовые комбинации сгенерированы по случайному равномерному закону распределения (максимальная информационная энтропия - случай наихудшей эффективности способа).

Количество экспериментов - 10000.

Результаты оценки представлены в таблице (фиг. 3), где .

На основании этого следует вывод, что заявленный способ позволяет снизить требуемую пропускную способность и повысить скрытность передачи.

Изобретение относится к способу передачи бинарных сообщений. Технический результат заключается в снижении требуемой пропускной способности канала связи. В способе на передающей стороне формируют первичный сигнал, формируют последовательность выборок первичного сигнала, формируют передаваемые выборки путем преобразования первичного сигнала, передают сформированные выборки по каналу связи на приемную сторону, на приемной стороне принимают полученные выборки, восстанавливают первичный сигнал, при этом в способе предварительно задают требуемую достоверность, объем, структуру и адресацию служебной памяти, на передающей и приемной сторонах формируют заданную служебную память, заполняют служебную память одинаковыми случайными битами, на передающей стороне перед передачей из сформированного первичного сигнала формируют подлежащее передаче сообщение S, разбивают подлежащее передаче сообщение S на блоки длиной, соответствующей размеру ячейки служебной памяти, осуществляют поиск совпадения каждого блока подлежащего передаче сообщения S с каждой из битовых комбинаций, хранящихся в ячейках служебной памяти, с точностью не хуже заданной достоверности, при обнаружении совпадений заменяют блоки подлежащего передаче сообщения S на соответствующие адреса ячеек служебной памяти, получая при этом сокращенное сообщение S^*, на передающей стороне после передачи формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоках сообщения S^*, перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда, на приемной стороне после приема сообщения восстанавливают исходное сообщение S, для чего считывают из принятого сообщения S^* адреса ячеек служебной памяти, считывают из служебной памяти по извлеченным адресам соответствующие битовые комбинации, заменяют адреса ячеек служебной памяти в сообщении S^* извлеченными битовыми комбинациями, на приемной стороне после восстановления сообщения S формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоках принятого сообщения S^*, перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда. 3 ил.

Способ передачи бинарных сообщений, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют первичный сигнал, формируют последовательность выборок первичного сигнала, формируют передаваемые выборки путем преобразования первичного сигнала, передают сформированные выборки по каналу связи на приемную сторону, на приемной стороне принимают полученные выборки, восстанавливают первичный сигнал, отличающийся тем, что предварительно задают требуемую достоверность, объем, структуру и адресацию служебной памяти, на передающей и приемной сторонах формируют заданную служебную память, заполняют служебную память одинаковыми случайными битами, на передающей стороне перед передачей из сформированного первичного сигнала формируют подлежащее передаче сообщение S, разбивают подлежащее передаче сообщение S на блоки длиной, соответствующей размеру ячейки служебной памяти, осуществляют поиск совпадения каждого блока подлежащего передаче сообщения S с каждой из битовых комбинаций, хранящихся в ячейках служебной памяти, с точностью не хуже заданной достоверности, при обнаружении совпадений заменяют блоки подлежащего передаче сообщения S на соответствующие адреса ячеек служебной памяти, получая при этом сокращенное сообщение S^*, на передающей стороне после передачи формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоках сообщения S^*, перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда, на приемной стороне после приема сообщения восстанавливают исходное сообщение S, для чего считывают из принятого сообщения S^* адреса ячеек служебной памяти, считывают из служебной памяти по извлеченным адресам соответствующие битовые комбинации, заменяют адреса ячеек служебной памяти в сообщении S^* извлеченными битовыми комбинациями, на приемной стороне после восстановления сообщения S формируют вариационный ряд битовых комбинаций по частоте их встречи в множестве, полученном объединением битовых комбинаций, хранящихся во всех ячейках служебной памяти и всех блоках принятого сообщения S^*, перезаписывают ячейки служебной памяти наиболее часто встречающимися битовыми комбинациями из сформированного вариационного ряда.