CC BY
53
14 декабря 2011 г. 18:26
ТЕХНОЛОГИИ
Синхронизация стохастических сложных сигналов, обеспечивающих повышение безопасности связи и помехозащищенности систем связи с подвижными объемами
Кдочваю акта нашчайнав рекуррентная последовательность синхроыи зоц»*. алгоритм
последовательности дехретши акчвг, огноим»«« емнапчиум
Салтыков А.Р.
Предложены синтезированный алгоритму разработанные и исследованные способы синхронизации нелинейны* рекуррентных последовательностей (НРП). Предлааеммй алгоритм сжтез»^х>ван на основе тоор**і нелинейной фильтрации марковских процессов в декретном ираме»*. О личием данного алгоритма от известных является уменьшение времени вхождемт в синхронизм в условию воздействия оптимизироесмных і помех (ОПП), обусловленное тем, что не требуется многократна» передача элементов і по канаяу и нет необходимости в безошибочном приеме зачетного отрезка псевдослучайной последовательности (ПСП). Предложен алгоритм программной реализации устройство синхронизации основанный на декретно-аналоговой обработке с учйтом рекуррентных свойств ПСП с рассмотрением функционального предназначения блоков представленного алгоритма. Согласно результатам моделирования, предложенные способ и алгоритм омхроиизаыг« в отличив от рассмотренных способов может оказаться единственно возможным для обеспечения заданных характеристик передачи информации в системе связи с гюдеижньми объектами при небольших отношениях сигнала к шуму в условиях воздействия ОПП.
Введение
Одной из важнейших задач при функционировании систем передачи дискретной информации является синхронизация он налов. Наиболее интересным решением при синхронизации, например, .^-последовательности является способ последовательной оценки (и]. Однако, как известно. Л/-послеловатслыюсти обладают низкой крнпюірафнчсской стойкостью, что приводит к снижению требований безопасности связи и помехозащищенности систем передачи при синхронизации сигналов. Одним из способов решения указанной проблемы является применение нелинейных псевдослучайных последовательностей (НС'М). В данной статье представлен синтезированный алгоритм, ратработанные и исследованные способы и устройства синхронизации нелинейных рекуррентных последовательностей (ІІРІІ).
Синхрониіаиия нелинейных рекуррентных
Задача синхронизации ПРИ уже исследовалась ранее Никитиным В. Н. |3|, Журчснко Д. Ь. |4| и др. Несмотря на іюлучснньїс ноштивные результаты, актуальность данной проблемы не утратила своей силы. Полученные способ и устройство синхронизации ПРИ были разработаны, основываясь на работах |S. 6]. Предлагаемый алгоритм синтезирован на основе теории нелинейной фильграпни марковских процессов в дискретном времени |7|.
Алгоритм и способ еинхронизяиниНРП
Сущность предлагаемого алгоритма синхронизации НРП заключается в следующем. Пред вари кмыю генерируется Л/-послсдоватслыюсть. а затем путем усложнения ее структуры нелинейным у злом усложнения формируется требуемая НРП. Структура генератора НРП представлена на рис. I. Формирование ЛАпоследоватсльностн описывается характеристическим полиномом
h(x) = h,дг* ч-Л,*“+...+ Л дг\ где п - длина линейного рекуррентного регистра (ЛРР). h = (/*,,, Л,.Л„) - век-
тор ко»ффииисн!ов. принимающий значения {0.1}. который выбирается таким, чтобы полином h(x) был неприводимым и примитивным.
—
НяяшиВиый) ивувмаашим *
Рис. I. Обобщенная схема генератора IIIMI
Введем в рассмотрение дискретное время t,„ где индекс / обозначает номер тактового интервала (ТИ) длительностью Г. а у номер дискретизированного отсчета (ДО) внутри ТИ. Длительность Г и интервал между отсчетами J связаны соотношением: Т AVU где К» число ДО на длительности ТИ. Дат се будем рассматривать две |руниы моментов времени: первая соответствующая границам ТИ /Л. / М|| /П.2И. вторая соотастстаую-
ТИ. т.с. / е(/
шая внутренним точкам
Л
где У ■(!. АГв +1) Очевидно, что ^....= /....
Генерация элементов ¿/-последовательности в моменты смены ТИ г (і я может быть описана
векторным реку ррентным уравнением:
х„-вх,м,+*:,.,»[*<*)]’ (|>
где: Д^,,уР,М|| * весторы-столбцы / пх\) состояния ге-иераюра ПСП на соседних 1-м и (/-I Ьм тактах, причем^ •(ДГМ,ЛГМ........хы})\ (символ ' означает опера-
цию ірапспоннрования); В - матрица сдвига раї мером
(ю...оо'\
. г„ .„[АСдс/] - сигнал с вы-
(пхп) вида: ßa
01. .00 00...10
52
хода псин обратной связи генератора М-послс.ювагслмюсти; / - вектор-столбец (пх\) вида И¡0. 0.... IJ- Да. 1се перепишем (I) следующими выра-
(2)
(3)
T-Comm #6-2011
Ф,(Х ,J = BX , + lr , JhfxtJ-
ТЕХНОЛОГИИ
Дія применения аппарата теории не.пшенной фнлы-ранни марковских процессов перейдем оі представления нелинейного у на усложнения (НУУ> oí булевых функций к обычным. Так. если x,jc.,.jcm ~ некоторые переменные, принимающие шачення из набора ¡0.1). юіда любая функция этих переменных записывается как сумма произведений .V :
+1Л/'Ч +1 hj',xlxl +...+/ц „""х^.л^
(4.
где коэффициенты h - набор констант, которые могут быть определены итеративно на основе двух значений, которые может принимать функция. В данном алгоритме используем ИУУ типа узел выборки с инверсией, булевое представление которого имеет вид:
С(х,.X.J,) = х. +х,-х,х,-х;х,- При пом нелинейное преобразование в НУ У запишем в виде где
X -(Хл JC^ ) ‘ вектор, составленный из компонентов с номерами с/, г. к. соответствующих номерам отводов ЛРР.
Пусть вектор начального состояния явзястся случайным и имеет некоторое произвольное распределение вероятностен Р( X). На входе устройства обработки отсчеты принимаемой смеси примул вид:
Г, =S/Cíí. ■ (5)
где ¡я 1,2....“ номера ТИ: j - номера отсчетов внутри ТИ: S - целевая функшія. определяемая законом модуляции; * - отсчеты флуктуанионной гауссовой іюмехи.
11 данном алторитмс используется кодировка элсмсн-тов І1СІ1 (0.1 J. тогда используя (3) для конкретного регистра. заменим операции суммирования но mod 2 двух переменных х и у обычными арифметическими действиями по правилу: z = х + у-2ху■
Уравнение фильтрации вектора состояния дія моментов времени і . находящихся внутри ТИ. то есть дія
"P«Met
Р г 1сш^л1Г.51аХ:
(О я,
(6)
где С - днатопальная матрица размером (пхп) и элементами С .С .....С ; - вектор >1астны\ иронз-
водных функции С по компонентам вектора X . в точке
Лиг
Уравнения фильтрации дія точек і смены тактовых интервалов:
К » + Ir, ,[hfx)X,,J- О)
Уравнение дискретизации вектора состояния равно
X',
I.если х' >0.5 г*: х;,= (8>
0. cu» *:,S0.S.
Правило обиаруження факта синхронизации будет иметь вид:
1( + хк \ > пюіі 2 = 0
- есть синхр.
(9)
Опишем выполняемые процедуры, воспользовавшись осциллограммами, покатанными на рис. 2 («-.*■), которые ноясняки принцип синхронншши НРП.
При установлении синхронизации передаваемый корреспондентом неискаженный элемент ПСП имеет вид (а) (рис. 2). Под воздействием шумов н помех в канале связи элемент сигнала может существенно подвершулься искажениям. поэтому. пользуясь известнымн способами очень трудно, а иногда и иепотможно определить истинное тначе-нне элемента с требуемой вероя!нос1ыо. На входе приемника смесь сигнала, шума и помех имеет вид (о) (рис. 2).
Из принимаемой смеси с помощью известных способов выделяют тактовую частоту /, |8). Стробнруюише импульсы е тактовой частотой информационных сигналов показаны на рис. 2 (л). Период следования импульсов равен Т ■ \#ь
С целью избежания внесения дополнительных искажений принимаемый сшн&л на входе приемника не квантуют на два уровня, а дискретизируют на Ко ДО. По »тому, используя деление частоты, получим частоту, в Ка раз превышающую тактовую £ - Ка/п где К0 количество ДО на длительности одного информационною элемента сигнала. Значение Л'о выбирают в пределах от 2 до 10. так как при Кш ~ I получают вырожденный случай и эффекта улучшения оценивания не наблюдается, а при К» > 10 тиачнтельно увеличивается время корректировки сш нала, при этом точность оценивания практически не увеличивается. Стробирующие импульсы показаны на рис. 2 (.*). На рис. 2 («>) представлены аналоговые ДО принятою элемента НРП. Н(кле дискретизации каждый ДО НРП поступает на ннформашюнный вход корректора, где вырабатываются корректирующие сшиалы для каждою заданною шачения мемента о!Юрной кодовой последоваюыюстн (ОКП). иод которым будем понимать аналоговые значения. хранящиеся в ячейках ЛРР. подключенным к входам НУ У. С целью наиболее точной корректировки искаженною 1лемснта сю нала различают обработку при смене (на I ранние) ТИ сигнала и виулрн ТИ.
В моменты смены ТИ на 1-ом ДО НРП формиру ют откорректированные значения заданных хтсмситов ОКП. Моменты смены ТИ показаны на рис. 2 («).
/-■ г
-J7
UlL-l
б)-*ytr
1 í
S, 1 S. 1 ** 1 L4..Ü S4. 1 1
Г , і V.
5,» V і V і 5/ 1 1
Кх'ц і )mod2 > 0 - мет синхр.
Рпс.2. Осциллограммы. поясняющие принцип еннхроиизации ПРИ
Дія формирования корректирующих сит налов хм значений заданных элементов ОКИ на 2-ом ДО НРП и последующих до Ко-хо ДО используют значение аналоговой функции нелинейною преобразования (ФІІІ1) и производные аналоговой ФНИ от откорректированных значений заданных элементов ОКП. полученных из предыдущею ДО принимаемой НРП.
Дія онре.іелення правильное!и произведенной корректировки производится квантование и задержка на лли-
T-Comm #6-2011
53
ТЕХНОЛОГИИ
можно примять рт £ ІЛ*4І)Г> ПРИ вероятности правильного прнсча одного элемента сигнала в синхроиосылкс:
-ІС.р(\-рГ- «*>
lia основе полученных выражений построены ірафикн вероятностей правильною приема СП от вероятности ошибки в капа.le (рис. S).
Л.
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
\ ' Способ no ачет ном> оіреію
s М іюі окра т ная псрс.ыча с
■Y \
m прнсмс
. Т| їїіТіі і і і
vL3ï=S±JIlt * * t
„
Рис. 5. Сравнинмьмая опенка способов синхронишпш ПРИ
Несмотря на то. что предложенный способ и алгоритм синхрони танин в отличие от рассмотренных способов обладает более ниткой помехоустойчивостью, которая объясняется снижением достоверности присма элементов ПРИ. обусловленной введением нелинейности на передающей стороне, он может оказаться единственно возможным .тля обеспечения галанных характеристик передачи информации в системе святи при небольших ООН в условиях воздействия ОНИ.
Заключение
Лналит и шестых аиоритмов и способов синхрониза-шит покачал их подверженность вочлсйствию оптимизированных преднамеренных помех и вводу ложной информации. что обусловлено ничкой структурной сложностью используемых сиихропослсдовательностей.
Ятя повышения безопасности связи и помехозащищенности процедуры синхронизации на основе теории нелинейной фильтрации марковских процессов синтезирован алгоритм, разработаны и исследованы способы синхронизации нелинейных рекуррентных последовательностей. Основными отличиями предложенного спо-
соба синхронизации являются: выполнение лнскрстно-аналоговой обработки с целью получения оценочных значений как внутри ТИ, так и на их границах: учет рекуррентных свойств используемых синхропослс/юватсльно-стей. позволяющих осуществлять предсказание значений очередных элементов ситнала: применение аналоговой функции обратной связи, не производящей к накоплению ошибок округления и пригодной к использованию для широкою спектра нелинейных последовательностей.
Литература
1. А.с. St 2127954 (RU). Способ и устройство еннхронн-гаиин М-последовательности. Л.Б. Жчрчснко. С.В. Корчу і амок. М.Н. Орлов. М.Н. Чссноков. - Опубл. в Б.И., 1999. №8
2. R.B.\Vard. “Acquisition of pseudonoisc signais by sequential estimation”. IEEE Transactions on information theory. 1965. Dec.. COM-13. JM. pp.475-483.
3. B.H. IIhkhthh. "Разработка и мсслслованис меголо* синхронизации .татникоя колов частот и аппаратуры жекречи-нанкя дія помсхоїашишснимх режимоя работы средств радиосвязи ТЗУ" /Дне.... канд. техн. наук. - Л.: ВАС. 1988. - 200 с.
4. Л.І». Журченко. "Формирование и .темолуляпия сложных сигналов на основе криптографических методов для повышения помсхошшппснностм н безопасности в радиолиниях военной связи”. 'Дис. ... канд. техн. наук. - СПб.: ВУС. 1999. 227с.
5. Патент на изобретение № 99105913 от 24.03.99. Способ синхронизации М-последовательности с повышенной сложностью. М.Н. Чссноков. А.Б. Журчснко, С.В. Корчуганов. Л.И. Щербаков н др. - Опубл. Бюллетень №20. - М.: РАПП.
20.07.2000.
6. Патент на изобретение № 99105913 от 24.03.99. Устройство синхронизаинн М-последовательности с повышенной сложностью. М.Н. Чссноков. А.Б. Журчснко. С.В. Корчу ізнов. А.И. Щербаков и др. - Опубл. Бюллетень Лг20. - М.: РАПТЗ.
20.07.2000.
7. ПИ. Туюа. "Статистическая теория приема сложных сигналов". - М.: Сов. Радио. 1977.
8. LM. Мартынов. ''Синхронизация в системах передачи дискретных сообщений", - М.: Свять. 1972. - 217 с.
9. D. \ndclmun. J. Kcrdv -Ч)п the cryptanalysis ol' rotor machines and substitution". - permuttation Networks. - IEEE Transactions on information theory. vol.28. Л?4. 1982. -pp.578-584.
Synchronization of the stochastic complex signals providing increase of security of communication and noise immunity of mobile radio systems
AbHrocI
fo devebpod and n
»sof J^xbe>
шл*оп drarinoa nxumrt soqmrces (NRS| c*> sjppceod Tbc proposed dgorthm 6 syrdxHUsd In he base of nonlnear tfeemg heory m«Aods icttlKOrtruxn MoAov рксвін»
орвяаЫм",И1Ц (OJS| ft caacd by dqnnd mufcplwig cjdocfc aequcrcc cfancrfe в
ix< icc^aed and toee в no ncctseày « iautfeu іесяріол d pseudorandom teqjence |PRS) loi pete
ond dong ккжвоіЯі&вопііразрМм epopowd TfafcsKftoraf blacks of paspotedaig»-ntom a* mntdend Accorobg to WnukBcn muib #w propoud іутхтточкЛоп ijÿurdru and opp«3ocHcanbaiwquefenTortBnanceofdM«adcboHOan»csrmobfaiodoy>arFidaocom-muncafcon Ы smal jgnd-to-noue rato inder rAuenaa d QJ&
Reference*
1 AS Nuntor 2127954 |RU) Me#od<rddf«»fff«hrcrie»cnci Mtequenca AS iHidnfio 5 Ko*dxpsr*w. MB СИо\ MN ОвгкАо I*» N»2127954 (RU) Spo*ob>u«V«*'*bt»w9» M-pwjfedm«dme AB ДмО«г*о. SVKoKhigo«» MB Ote», MN Owwicvj
2 RBW»d d ceeudoxr» »дг*АЬу«вс*лгйЫ«*тЛсп’ CB Vowxfcraon ricrmatoo Ысг, 1965.0»c. COM-13 N»4 *p 475-483
Safcyfcov Anton Rodtevtch
3 VNN4to.lfe*lcpniM ondftxty <4 *»"d'',orui»cnmefe<hevd faju*rt<y йде ood« <or Mast-
ic «qupmtrt ітикіЦіу« «о njdo rormjrmOcr» mod* TZO (VN Nfatn, ‘biPobcAo • иМсмзМе metodcr.- »Mwii» d*blw kedw і Cfpar<*/y laBaknàrxrrp éyo рст*іЬолпК*иЬсЬв«г>-
retenir*** госіяАоа TZU* /D* lord rc*> - L \&S 198® -200i]
4 AB ZH.kIwHc Ттатисґі ir»i двто&Ажп ,J со*л(і^. «<yiabbGMdcncrypDgra(*«c whraquM *> гро* 'ои wmr+f crà wcun^ n ♦» roAet Inet d wUri <огтигксясг>* |AB Zhuich*ni*A fomwcvCT»» і dnmaiiivahrja itoebrAh »дні» no oino»-e крЮдЫсЬеШ- meeidw dba pcv,^«rrvo pcm^hDiaWirfichwTOj*. Ьелфопс« - radob*^*b oemoy луаз‘ Дк _ kand псяк -Sib:
VUS, 1999.-2274
5 П. pamn (cr Ы T# 99105913 4cm 3/24/99 fart га acbmm N* 99105913 с» 240399 Spcecfc згіітогаяй» Mpoi*dovt»*K>* » pp-yihmoy ¡hàtvt/u MN. Оеткіда AB. ZM**o SVKad»garov Al Shdwtdw,d = C^ub Byrieon N»20 ^ RAPTZ.20.072000]
6 ТЬ» pavt hr ** ^ 991059 » 3 Ьт, 3/24/99 рлг» no «6e« N»99105913 ci
240399 U#c<y*vo wütonrt* М-рс4*<!см*ві-с*і ірочуфшпуу i&àm+ïv MN Отупів АВ 2h«dwio,SVKolganov. ALShdwbAovid -Opubl Ву^і^^го -М WTZ 20072000]
7 GI А»\ dtwcvyaf«nptondcanféw sgndi’fGl 4c«a ‘Sfcfckdi»rycir*»p«ond оягфх açjxk" - So» Rodo, 1977\
8 LM Monynov. "Synivcntacn dgtal ccntrumcлот Милане» v*<m [ЧкМ Мояу*м>. ■WW«(*>o v «вшсИі pe*edod* iM*i»>Vb»ob»Mw»y'' -M Svya*, 1972 - 217t|
9 0 АпШсп J R**ck X^^tr^or^tolic^mahnwandiifceMof'' -p*rrru»»DnN*bvc<4» -IEEElan»*e»»<i«ificenc*on**<xy, «Ы28, no4 1982, fp578-584
56
T-Comm #6-2011
