Д. т. н. Захарченко Н. В., к. т. н. Корчинский В. В., Талакевич Д. В.

Одесская национальная академия связи имени А. С. Попова, Украина

СИНТЕЗ ШУМОПОДОБНОГО СИГНАЛА

ДЛЯ КОНФИДЕНЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

НА ОСНОВЕ QPSK-МОДУЛЯЦИИ

 

В современных системах связи защита конфиденциальной информации в инфокоммуникациях осуществляется в основном на верхних уровнях эталонной модели OSI. Для этой цели применяются различные криптографические системы [1]. Однако следует признать тот факт, что какой бы потенциально надежной не была б вновь созданная криптографическая система, по истечении определенного времени её дискредитация [1] становится очевидной, что объясняется прогрессом в области создания средств несанкционированного доступа (НСД) противника. По этой причине очень важно предусмотреть дополнительные меры по защите информации циркулирующей в сети [2–5] .

В последнее десятилетие особый интерес приобретают методы защиты информации применительно к первому уровню OSI. Немаловажную роль в этом играет появление сложных видов модуляция, развитие широкополосных систем передачи и внедрение явления динамического хаоса в современную теорию информации и связи [2; 4]. Как результат, становится возможным создание сигнальных конструкций [4; 5], обладающих свойствами скрытности передачи и затрудняющих эффективную работу средств НСД по перехвату сообщений на уровне физического канала.

В сочетании с различными алгоритмами передачи таких сигнальных конструкций и способностью быстрой смены структуры ансамбля рабочих сигналов от одного сеанса передачи к другому, появляется возможность создания криптографической системы уже на первом уровне эталонной модели OSI [5–7]. Поэтому исследование в этом направлении является актуальным.

Широкополосный доступ используется в различных современных стандартах IEEE 802.11 и 802.16 [5]. Особый интерес с точки зрения защиты передаваемых данных от НСД, случайных или преднамеренных помех представляют широкополосные системы связи с расширением спектра методом прямой последовательности (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum ).

В системе CDMA2000 широкополосный сигнал (ШПС) формируется методом DSSS с помощью 128-битных последовательностей Уолша и QPSK модуляции. В международных стандартах серии 802.11 ( Wi-fi , Bluetooth ) предусмотрено использование 8 битных кодов Уолша для кодирования байта информации и QPSK или BPSK модуляции. Такой подход к формированию передаваемых сигнальных конструкций обеспечивает лишь защиту от многолучевого отражения и узкополосных помех других устройств [5], Однако в случае перехвата сообщения средствами НСД распознать структуру такого сигнала, сформированного на основе известного множества расширяющих последовательностей, не представляет особого труда.

В данной работе предложен алгоритм формирования группового сигнала, в котором процедура шифрования информационной последовательности совмещена с процедурой её расширения. В качестве расширяющей последовательности используются неизвестные противнику отобранные по случайному закону слабокоррелированные дискретные многоуровневые реализации динамического хаоса.

Основной целью статьи является разработка метода формирования группового сигнала в системе широкополосного доступа и QPSK модуляции для задачи повышения скрытности передаваемой конфиденциальной информации индивидуальных каналов.

Рассмотрим систему с кодовым разделением каналов (КРК) с некоторым количеством источников цифрового сигнала , использующих избыточные коды, и соответствующее им количество двоичных каналов с ограниченной полосой пропускания   и минимальной базой сигнала . Сигналы абонентов объединяются в групповой сигнал и им предоставляется возможность одновременной работы в общей полосе частот. Для возможности разделения каналов каждый двоичный элемент исходного сигнала   в индивидуальных каналах заменяется многоуровневыми дискретными реализациями динамического хаоса (МДР) , называемой сигнатурой, разной по структуре, но равной по длительности   в чипах для каждого канала. В МДР уровни чипов различны, а их длительности (сигнал минимальной длительности)   намного меньше времени передачи бита сообщения   в индивидуальном канале. Таким образом, ширина спектра группового сигнала определяется длительностью .

Для формирования базовых последовательностей рассмотрены реализации числовых значений дискретного генератора хаоса на основе логистических отображений:

,                                                 (1)

где   − управляющий параметр;   − начальное значение хаотической последовательности.

Методом перебора опытным путем в результате обработки 10 ⁶ реализаций хаотического сигнала   отобраны слабокоррелированные МДР   длиной . Основным условием отбора было ограничение коэффициента корреляции   и использование фиксированного числа разрешенных значений дискретных уровней {–2; –1; 1; 2} в последовательности   с учетом условий:

.                                 (2)

Вид многоуровневой сигнатуры   приведен на рис. 1 . Алгоритм кодирования двоичной последовательности   индивидуального канала с помощью сигнатуры   следующий: если для замены каждой «1» используется сигнатура   определенной длины, то для замены «−1» применяют ту же сигнатуру, но с инвертированным значением чипов, т. е.

.                                                    (3)

 

Рис. 1. Реализация сигнала   в зависимости от времени

 

Использование прямой и инвертированной сигнатуры обеспечивает не только определение полярности передаваемых посылок, но и позволяет регистрировать их передние и задние фронты при корреляционном приеме в каждом индивидуальном канале.

Далее четырехпозиционный сигнал   с выхода перемножителя поступает на блок модуляции QPSK. С выхода модема формируется сигнал   аналогично для каждого индивидуального канала одноканальных систем связи. Фрагмент временной диаграммы сигнала   показан на рис. 2.

 

Рис. 2. Фрагмент временной диаграммы сигнала

 

Автокорреляционную функцию такого сигнала можно получить по формуле:

,                                           (4)

где   − временной сдвиг при единичном временном интервале;   – реализации сигналов . С учетом (4) найдем нормированную автокорреляционную функцию (АКФ):

.                                                        (5)

На рис. 3 показана АКФ   сигнала , для которой характерна незначительная интенсивность боковых флуктуаций.

Групповой сигнал   формируется на выходе сумматора, на вход которого поступают сигналы   от одноканальных систем передачи.

Временная диаграмма группового сигнала   показана на рис. 4.

В терминальном устройстве абонента с помощью корреляционного приемника осуществляется выделение информационного сигнала нужного канала. При этом предполагается линейность системы и наличие идеальной синхронизации в канале.

 

Рис. 3. АКФ   сигнала   в зависимости от

 

Рис. 4. Временная диаграмма группового сигнала   в зависимости от времени

 

В корреляционном приемнике осуществляется перемножение группового сигнала   на сигнал , получаемый в результате прохождения опорной сигнатуры   через блок модуляции QPSK. Результаты перемножения   (рис. 5) поступают на интегратор, выходное напряжение которого с учетом сигналов тактовой синхронизации оценивается решающим устройством для принятия решения о полярности принятого информационного символа.

Для оценки свойств сигналов   и   рассмотрим их распределение энергии по частотам. Односторонний спектр мощности определим по формуле [4]:

                 (8)

где    − аналог частоты .

 

Рис. 5. Временная диаграмма сигнала   в зависимости от времени

 

Односторонние спектры   и , соответственно, для сигналов   и   с учетом заданной длины реализации сигнатуры приведены на рис. 6.

а)

б)

Рис. 6. Односторонние спектры   и для сигналов (а) и  

 

Анализ спектров   и   рассматриваемых сигналов позволяют сделать вывод о принадлежности их к шумоподобным сигналам гауссова типа, что обеспечивает хорошую энергетическую скрытность передачи сигнальных конструкций на физическом уровне.

Выводы. В данной работе предложен метод повышения скрытности сигнальных конструкций на основе прямого расширения спектра информационных сигналов индивидуальных каналов с помощью слабокоррелированных дискретных многоуровневых реализаций динамического хаоса и QPSK модуляции.

Анализ спектров синтезируемых сигналов   и   показывает о принадлежности их к шумоподобному сигналу гауссова типа, что обеспечивает хорошую энергетическую скрытность передачи сигнальных конструкций на физическом уровне.

Использование в качестве расширяющей последовательности сигналы с неизвестной структурой для средств НСД повышает структурную скрытность передачи.

 

Список использованных источников:

1.              Шаньгин А. И. Информационная безопасность компьютерных систем и сетей / А. И. Шаньгин. – М.: Форум, ИФРА-М, 2008. – 416 с.

2.              Ипатов В. П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения: пер. с англ. / В. П.   Ипатов. – М.: Техносфера , 2007. – 487 с.

3.              Куприянов А. И. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы / А. И. Куприянов, А. В. Сахаров. – М.: Вузовская книга, 2007. – 356 с.

4.              Гуляев Ю. В. Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации / [ Ю. В. Гуляев, Р. В. Беляев, Г. М. Воронцов и др. ] // Радиотехника и электроника. – 2003. – Т. 48. – № 10. – С. 1157–1185.

5.              Корчинский В. В. Повышение структурной скрытности передачи систем с хаотическими сигналами / В. В. Корчинский // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2013. – № 1/9 (61). – С. 53.

6.              Захарченко Н. В. Эффективность использования таймерных сигнальных конструкций в системах передачи с кодовым разделением каналов / Н. В. Захарченко, В. В. Корчинский , Б. К. Радзимовский // Наукові праці ДонНТУ . – 2011. – Вип . № 20 (182). – С. 145–151.

7.              Захарченко Н. В. Многопользовательский доступ в системах передачи с хаотическими сигналами / Н. В. Захарченко, В. В. Корчинский , Б. К. Радзимовский // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – № 5/9 (53). – С. 26–29.