CC BY
32
Жук А.П.1, Бурмистров В.А.2, Гавришев А.А.3
гФГАОУ ВПО СКФУ г. Ставрополь, к.т.н., профессор кафедры «Организация и технология защиты
информации», [email protected]
2ФГАОУ ВПО СКФУ г. Ставрополь, лаборант кафедры «Организация и технология защиты
информации», alexxx .2008@inbox . ru
3ФГАОУ ВПО СКФУ, г. Ставрополь, аспирант, alexxx .2008@inbox . ru
СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТОХАСТИЧЕСКИХ ОРТОГОНАЛЬНЫХ АНСАМБЛЕЙ ДИСКРЕТНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ СИГНАЛОВ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
3G, 4G, LTE, CDMA, структурная скрытность системы передачи информации, стохастические последовательности, системы мобильной радиосвязи.
АННОТАЦИЯ
В статье представлен анализ развития сетей 3G и 4G/LTE, а также темпы их развития. Анализируются способы обеспечения защищенности систем мобильной радиосвязи и их недостатки, для устранения авторами предлагается способ обеспечения защищенности систем мобильной радиосвязи на основе стохастических ортогональных кодовых последовательностей.
Стремительное развитие сетей мобильной радиосвязи наблюдается во всём мире. Активно развиваются сотовые, транкинговые, пейджинговые сети, а также сети абонентского радиодоступа.
По итогам третьего квартала 2013 г. число активных SIM-карт мобильной связи в мире составило 6,6 млрд, и по прогнозам Ericsson, к 2017 г. превысит 8,4 млрд. Активно развиваются сети 3G и 4G/LTE [9]. Ожидается, что к концу 2017 г. мировые доходы от мобильной передачи данных достигнут $200 млрд [9].
Тем не менее, существуют следующие основные проблемы перехода к сетям четвёртого поколения [9]:
1. Дефицит доступного спектра частот в большинстве регионов;
2. Неопределённость архитектуры оказания голосовых услуг в сетях LTE и гетерогенных сетях (беспроводные сети, состоящие из классических базовых станций (макросот), малых сот (фемто-, пико- и микросоты) и точек доступа Wi-Fi операторского класса);
3. Ожидание возврата инвестиций, вложенных в развитие предшествующей технологии 3G. По оценке J'son & Partners Consulting, 3G-покрытие (доля населения, проживающего на
территории, охваченной сетями 3G) на конец 2012 г. превысило 75%, в то время как в 2010 г. этот показатель составлял около 65% [10]. По прогнозу Ericsson, в 2018 г. в мире технология WCDMA/HSPA будет доминировать на мировом рынке [9]. В 2015 г. ожидается появление технологий HSPA+Advanced и WCDMA+. Согласно прогнозу Informa Telecoms & Media, количество подключений к HSPA в мире к концу 2017 года вырастет до 4,2 млрд., в то время как число LTE-подключений составит 940 млн [9] (рис. 1).
По прогнозам J'son & Partners Consulting, до 2018 г. технологии третьего поколения будут доминировать в России с долей около 78% по количеству абонентов. На долю доходов от мобильной передачи данных в сетях 2G/3G придётся до 80% всех поступлений от мобильного интернет-доступа в России к концу прогнозного периода [9] (рис. 2).
Со времён появления работ К. Шеннона, В.А. Котельникова и А.А. Харкевича было известно, что широкополосные сигналы, используемые в современных системах радиосвязи, потенциально очень эффективны для передачи информации. С 80-х годов 20-го века в системах радиосвязи стали использовать хаотические сигналы для передачи информации.
4500 4000
2500 2000 1500 1000 500 0
4200
2012 2013 2014 2015 2016 2017
■ Количество абонентов LTE ■ Количество абоненнтов HSPA
Рис. 1. Динамика абонентской базы HSPA и LTE, 2012 - 2017 гг., млн
20 0
15
10
14
10
1 1
11
3G (HSPA) 4G (LTE) 2G (GPRS/EDGE) 4G (WiMAX) 3G (EV-DO)
■ Количество абонентов, млн Доля технологии мобильного ШПД, %
Рис. 2. Прогноз количества абонентов (млн) и долей (%) различных технологий мобильного ШПД в России на
2018 г.
Открытие нерегулярных хаотических колебаний в детерминированных нелинейных динамических системах различной среды (физических, механических, радиотехнических, химических, биологических и т.д.) стало одной из крупнейших научных сенсаций конца 20-го века. Это явление называется детерминированным или динамическим хаосом [3, 4]. Концепция динамического хаоса вышла за рамки породившей её теории нелинейных колебаний и стала новой общенаучной парадигмой, легла в основу нового научного направления, называемого синергетикой. Более того, явление динамического хаоса дало новые важные инженерные идеи, привело к созданию на их основе устройств и теорий, уже используемых на практике, например, технология помехоустойчивой передачи информации квазислучайными (стохастическими) кодами [5]. В частности, имеются предложения по построению коммуникационных систем конфиденциальной передачи информации с использованием в качестве несущих хаотических колебаний, возникающих в электронных устройствах, называемых генераторами хаоса или генераторами хаотических колебаний [3, 5].
Одним из свойств, определяющих привлекательность динамического хаоса для использования в системах радиосвязи, является конфиденциальность передачи информации [5]. Двухпараметрические операции прямого (на передающей стороне) и обратного (на приёмной стороне) стохастического преобразования могут рассматриваться как блочно-потоковый криптоалгоритм, сочетающий сложное преобразование на длине блока, как в блочном алгоритме, с применением источника кодирующей последовательности от независимого источника
(стохастические генераторы псевдослучайных чисел), как в потоковом алгоритме [4, 5, 7]. В этих условиях методы стохастического кодирования, сочетающие введение избыточности при обнаружении и исправлении ошибок со стохастическим криптографическим преобразованием имеют самостоятельное значение как средство обеспечения нескольких задач криптографической защиты информации [5].
Современные системы мобильной связи используют технологии связи третьего и четвёртого поколения (3G и 4G). Технология передачи информации CDMA [6] (Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением каналов) третьего поколения используется в следующих технологиях 1995 (CdmaOne), 1999 (UMTS), 2000 (CDMA2000, IxEVDO), 2001(FOMA), 2006 (HSDPA), 2007 (HSUPA). Системы мобильной связи четвёртого поколения используют технологии MIMO, MultiCarrier CDMA (MC-CDMA), OFDMA, UWB и программно -реконфигурируемого радио (Software Defined Radio). Поскольку технология передачи информации CDMA основана на использовании ортогональных сигналов, то от их характеристик и способа использования зависят важнейшие свойства системы в целом. Вариантом обеспечения конфиденциальности передаваемой информации в системах мобильной связи, основанных на использовании технологии передачи информации CDMA, является применение генераторов стохастических ортогональных сигналов [2, 5], теория и практика построения которых в настоящее время глубоко не проработана.
Целью статьи является разработка способа и устройства, позволяющего повысить структурную скрытность системы передачи информации с кодовым разделением каналов.
Для этого необходимо разработать структуру устройства, реализующего способ передачи информации на основе хаотически формируемых ансамблей дискретных многоуровневых ортогональных сигналов (ДМОС).
Существуют устройства и способы, позволяющие находить ортогональные наборы функций для построения системы связи [2, 3, 4, 7].
Существует способ многостанционного доступа с кодовым разделением каналов, суть которого заключается в расширении спектра частот на основе использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша.
Недостатком этого способа является то, что сигналы Уолша имеют регулярную структуру, которая заранее известна и поэтому широкополосная система радиосвязи с кодовым разделением каналов, построенная на основе этого способа, будет обладать низкой структурной скрытностью
[7].
Существует способ и устройство, его реализующее, - генератор функций Попенко - Турко [2]. Генератор функций Попенко-Турко вычисляет собственные векторы действительной симметрической положительно определённой матрицы, которые описывают систему ортогональных сигналов.
Недостатками генератора функций Попенко-Турко является отсутствие автоматического поступления входных данных для обеспечения фактора случайности в формируемых им системах ортогональных сигналов, а также отсутствие возможности генерирования хаотических ансамблей ортогональных сигналов (собственных векторов) различной структуры [7].
Существует способ, используемый в системе передачи данных с кодовым разделением каналов [8], который включает операцию одновременной передачи сложных широкополосных сигналов на основе нелинейных последовательностей де Брейна со сменой формы последовательности в процессе передачи сообщения от одного информационного символа к другому.
Несмотря на то, что количество ортогональных сигналов, формируемых на основе кодовых словарей де Брейна, больше числа ортогональных сигналов Уолша размерности N, однако их количество является конечным для любой размерности N, что позволяет сделать вывод об их низкой структурной скрытности [7].
Для устранения указанных недостатков вышеперечисленных способов, а также для повышения структурной скрытности системы передачи информации с кодовым разделением каналов предлагается использовать ансамбли ортогональных сигналов, хаотически формируемые на основе собственных векторов диагональной положительно определенной симметрической матрицы размерностью N. Для передачи сообщений, сменяемых от одного информационного символа к другому, применяют ортогональные кодовые комбинации, в качестве которых используют ансамбли дискретных ортогональных сигналов, формируемые путем расчета собственных чисел и собственных векторов диагональной положительно определенной
симметрической матрицы, диагональными коэффициентами которой являются хаотически формируемые числовые последовательности.
В работе предлагается следующая структурная схема системы связи на основе генератора стохастических ортогональных ансамблей дискретных многоуровневых сигналов.
Передающая часть системы связи на основе хаотически формируемых ансамблей дискретных многоуровневых сигналов показан на рис. 3. Приёмная часть системы связи показана на рис. 4.
Рис. 3. Передающая часть системы связи
Рис. 4. Приёмная часть системы связи
На рисунке 3 введены следующие обозначения: ГТИ - генератор тактовых импульсов; ГСС - генератор сигналов синхронизации.
На рисунке 4 введены следующие обозначения: СС - сигнал синхронизации; ЗУ -запоминающее устройство; ВЧС - высокочастотная селекция; ГТИ - генератор тактовых импульсов.
Отметим, что каждый из каналов на передающей стороне состоит из запоминающего устройства (ЗУ), блока цифровой информации и модулятора; блок формирования группового сигнала - из сумматора и модулятора; блок модуляции и усиления представляет собой совокупность блока фазовой модуляции и усилителя мощности; каждый из каналов на приёмной стороне состоит из блока корреляционной обработки, блока выделения информации и блока приема информации; блок генератора копии сигналов синхронизации является совокупностью блоков (блок обнаружения сигнала синхронизации, блок поиска и генератора копии сигналов синхронизации).
Пусть информационные сигналы поступают в запоминающее устройство каждого из каналов передачи и хранятся в нем до момента получения управляющего сигнала от блока формирования ансамблей хаотических ортогональных последовательностей, свидетельствующего о завершении этапа формирования стохастическим образом хаотических ансамблей ортогональных сигналов. Затем информационный бит каждого из каналов через блок цифровой информации подается в модулятор, где он модулируется расширяющей последовательностью, поступающей от блока формирования ансамблей хаотических ортогональных последовательностей. Сигналы, снимаемые с выхода модулятора каждого канала, одновременно подаются в сумматор блока формирования группового сигнала, где после их объединения и наложения в модуляторе сигнала синхронизации, поступающего с выхода генератора сигналов синхронизации, происходит формирование группового сигнала, спектр которого после переноса в область несущей частоты в блоке фазовой модуляции и усилителе мощности через антенну излучается в эфир. На приемной стороне поступающий сигнал принимается антенной и подвергается предварительной обработке в блоке высокочастотной селекции. С выхода этого блока сигнал одновременно подается в блок обнаружения сигнала синхронизации и блоки корреляционной обработки каждого канала. При этом блок обнаружения сигнала синхронизации совместно с блоком поиска вводят в синхронизм генератор копии сигналов синхронизации, после чего с генератора копий сигналов синхронизации подается управляющий сигнал на блок формирования копий ансамблей хаотических ортогональных сигналов. По окончании процесса формирования стохастическим образом копий хаотических ансамблей ортогональных сигналов в запоминающее устройство записывается результат работы блока формирования копий ансамблей хаотических ортогональных сигналов, после чего копии хаотических ортогональных сигналов подаются с запоминающего устройства на блоки корреляционной обработки каждого из каналов связи и, пройдя через первый вход блока выделения информации, на второй вход которого подается копия сигнала синхронизации с генератора копий сигналов синхронизации, направляются на вход блока приема информации.
Результаты расчетов [7] показывают, что с увеличением элементов п, используемых для вычисления хаотических ансамблей ортогональных многоуровневых сигналов, увеличивается количество М возможных структур данных сигналов по сравнению с количеством сигналов Q, формируемых на основе кодовых словарей де Брейна.
Предлагаемая система передачи информации обладает повышенной структурной скрытностью по сравнению с прототипом, для этого произведем расчет количества всех возможных ансамблей ортогональных сигналов, формируемых данными системами. Для этого будет рассмотрена диагональная положительно определенная симметрическая матрица вида
А =
а
и
я,
и
а
1..У
Дп
2.1
1.2
а-,
1.Я
'.УД ■■■ "У:_У
используемая в рассматриваемой системе связи для CDMA-модуляции передаваемой информации, где а1 1 ,а22,... ,ам м - коэффициенты главной диагонали,
(а1,1 ,а21), (а13 ,а31),..., () - симметричные элементы верхней и нижней диагонали.
Я*
(1)
В соответствии с описываемым способом [7] при передаче каждого бита должен использоваться новый хаотический ансамбль ортогональных многоуровневых сигналов, поэтому если обеспечить смену хаотических ансамблей ортогональных многоуровневых сигналов с периодом, равным Т0, где Tû=1/R - временной интервал использования хаотического ансамбля ортогональных многоуровневых сигналов, равный длительности бита информации, a R - скорость передачи бита информации, то период повторения хаотического ансамбля ортогональных многоуровневых сигналов будет определяться соотношением:
^ M
Tm = Y' (2)
где M - количество ансамблей, определяемое матрицей вида (1) в рассматриваемой системе связи и равное
,, „k ( n+k-1 )! N-N - N ,r , .4
= Cn = IT^ ' k = N = dlm ( A) (3)
где к - количество элементов матрицы вида (1) размерности N, находящихся выше или ниже главной диагонали, n - диапазон возможных значений коэффициентов матрицы вида (1), N -размерность матрицы вида (1).
Использование в качестве коэффициентов диагональной положительно определенной симметрической матрицы случайных чисел позволяет повысить количество возможных кодовых последовательностей, используемых для передачи последовательности информационного сообщения.
В соответствии с соотношением при условии, что скорость передачи данных R равна 1МБит/с, dim(A) = 256 и диапазон возможных значений n равен 10, то период повторения одного хаотического ансамбля ортогональных многоуровневых сигналов составит 3,54 Х1022 лет [7]. Это говорит о том, что при передаче одинаковых последовательностей бит генерируемые расширяющие последовательности не будут повторяться в течение длительного времени. Выводы:
• система передачи информации с использованием ансамблей ортогональных дискретных многоуровневых сигналов позволяет повысить стркутурную скрытность передаваемой информации;
• в предлагаемой системе передачи информации могут использоваться различные ортогональные коды (Уолша, де Брейна и др.), получаемые путем выбора математического представления коэффициентов матрицы вида (1).
Литература
1. Волковец А.И. Теория вероятности и математическая статистика: Практикум для студ. всех спец. БГУИР дневной формы обучения / А.И.Волковец, А.Б.Гуринович. - Мн.: БГУИР, 2003.
2. Генератор функций Попенко - Турко : пат. 753464 СССР : МПК G 06 F 1/02 / В.С. Попенко, С.А. Турко; заявитель В.С. Попенко, С.А. Турко. - № 4799258/24; заявл. 06.03. 90; опубл. 07.08.1992, Бюл. №29.
3. Генераторы хаотических колебаний / Б.И. Шахтарин [и др.]. - М. : Гелиос АРВ, 2007. - 248 с.
4. Дмитриев А.С. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи / А.С. Дмитриев, А.И. Панас. - М. : Издательство Физико - математической литературы, 2002. - 252 с.
5. Осмоловский С.А. Стохастические методы защиты информации / С.А. Осмоловский. - М.: Радио и связь, 2003. - 320 с.
6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр; пер. с англ. - М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.
7. Способ передачи информации на основе хаотически формируемых ансамблей дискретных многоуровневых сигналов : пат. 2428795 Рос. Федерация : МПК H 04 B 7/216, H 04 J 13/00, H 04 L 9/22 / Жук А.П., Иванов А.С., Голубь Ю.С., Орёл Д.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный университет. - №2010106663/09; заявл. 24.02.2010; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25.
8. Способ передачи информации в системах с кодовым разделением каналов и устройство для его осуществления : пат. 2234191 Рос. Федерация : МПК H 04 B 7/216, H 04 L 9/26 / Косякин С.И., Москвитин И.А., Смирнов А.А.; заявитель и патентообладатель Косякин С.И., Москвитин И.А., Смирнов А.А. - № 2001120727/09; заявл. 24.07.2001; опубл. 10.08.2004.
9. Тенденции и перспективы развития мирового рынка инфраструктуры беспроводной связи (2G, 3G, LTE, WiMAX, Wi-Fi), 2012-2017 гг. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://web.json.ru/files/news/2014-01-30_Wireless %20Infrastructure_MW_RU.pdf, свободный.
10. Состояние, перспективы развития и рыночный потенциал 3G (HSPA и HSPA+) в России и мире [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.json.ru/files/reports/2013-12-10_3G_Russia_world_MW_RU.pdf, свободный.
