УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕКРЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к радиотехнике и передаче информации и может найти применение в системах связи для помехоустойчивой передачи цифровой информации с определенной степенью конфиденциальности.
В радиотехнике известны устройства для скрытой передачи информации, основанные на использовании явления хаотической синхронизации и синхронною отклика генераторов хаоса (Abarbunel H., Rulkov N., Tsimring L, Rabinovich M. Chaotic communication apparatus and method for use with a wired or wireless transmission link // US Patent No. 5,923,760 от 13.07.1999; Kim С.Synchronized chaotic system and communication system using synchronized chaotic system // US Patent No. 6.049.614 от 11.04.2000; Сиото К., Oppenheim A. Communication using synchronized chaotic systems // US Patent No. 5,291,555 от 1.03.1994; Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2002: Carroll T.I., Johnson. G. Synchronizing autonomous chaotic systems using filters // US Patent No. 6,370,248 от 9.04.2002, Grebogy C., Ott E. Communication with chaos // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol.70, №20. Р.3031-3034).
В известных устройствах для скрытой передачи информации с помощью хаотической синхронизации используется явление полной хаотической синхронизации между генераторами хаоса на передающей и принимающей сторонах капала связи. В этом случае на передающем конце полезный сигнал примешивается в сумматоре к несущему хаотическому сигналу, сгенерированному передающим генератором, и далее передается по каналу связи. В приемнике осуществляется полная хаотическая синхронизация находящегося в нем генератора хаоса принимаемым сигналом, и результате чего динамика принимающего генератора становится идентичной передающему генератору. Детектированный сигнал получается после прохождения вычитающего устройства как разность между принимаемым сигналом и синхронным откликом генератора хаоса в приемнике.
За счет сильной ляпуновской неустойчивости фазовых траектории и передающем генераторе хаоса имеет место зависимость колебаний генератора от начальных условий и несущий сигнал никогда заранее не определен, что делает невозможным перехват и дешифровку сообщения при отсутствии копии передающею
генератора. Последнее обеспечивает конфиденциальность передачи данных с использованием вышеназванных устройств, работа которых основана на полной хаотической синхронизации. Также устройство, реализующее хаотический синхронный отклик, обладает свойством нелинейного фильтра, позволяющего распознавать сигналы данного источника хаоса среди сигналов, порождаемых другими источниками. Последнее дает возможность увеличить пропускную способность канала связи за счет одновременной передачи целого ряда сообщений (мультиплексирование).
Таким образом, явление полной хаотической синхронизации и синхронного отклика часто используется при разработке систем связи с хаотическими носителями информации. Однако, в известных устройствах для передачи информации, основанных на использовании полной хаотической синхронизации или синхронного отклика генераторов хаоса в передатчике и приемнике, возникает целый ряд существенных трудностей при практической реализации. Во-первых, принципиальным требованием известных устройств для передачи данных является необходимость обеспечения высокой степени идентичности генераторов хаоса, используемых в передающем и принимающем устройствах, реализация чего представляется весьма серьезной технической проблемой, особенно в течение длительного времени эксплуатации устройств. Во-вторых, на качество передачи информации с помощью вышеуказанных схем сильное влияние оказывают искажения и шумы различных типов в канале связи. Если интенсивность шума и искажений передаваемого сигнала превышает некоторый порог (который сравним с естественными шумами и искажениями), то система передачи данных на основе полной хаотической синхронизации оказывается неработоспособной.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство (Сuоmо К., Oppenheim A. Communication using synchronized chaotic systems // US Patent No. 5,291,555 от 1.03.1994), где передача информации происходит за счет осуществления полной хаотической синхронизации между передатчиком и приемником. Полная хаотическая синхронизация означает точное совпадение сигналов, производимых связанными генераторами хаотических автоколебаний и возможна лишь в случае их идентичности. Устройство представляет собой соединенные каналом связи передающее и принимающее устройства. Передающее устройство состоит из модулятора, передатчика и генератора хаоса, а принимающее устройство - из приемника, генератора хаоса, вычитающего устройства - демодулятора. При этом генераторы хаоса на передающей и принимающей сторонах канала связи выполнены идентичными. Под модулятором понимается устройство, изменяющее управляющие параметры генератора хаоса в зависимости от подаваемого на него полезного цифрового сигнала.
В устройстве используется несущий сигнал, обладающий характеристиками сигнала с широким спектром, и, следовательно, являющийся очень сложным и непредсказуемым. Спектр мощности такого сигнала является почти однородным в полосе рабочих частот канала связи, и, по сути, аналогичен шуму низкой амплитуды. Полезный цифровой сигнал моделирует один из управляющих параметров передающего генератора хаоса. Сформированный таким образом сигнал передается по каналу связи, в приемнике делится на два идентичных сигнала. Один из них действует на принимающий генератор хаоса, восстанавливающий исходный передаваемый сигнал. Второй сигнал проходит без изменения. Оба сигнала попадают на демодулятор. За счет осуществления полной хаотической синхронизации на принимающем генераторе на выходе демодулятора формируется полезный сигнал.
Выделение полезного сигнала из несущего происходит за счет осуществления полной хаотической синхронизации, что требует высокой степени идентичности генераторов хаоса на обеих сторонах канала связи, реализация чего является серьезной технической проблемой. Также подобная схема в большой степени подвержена влиянию искажений и шумов различных типов. При превышении интенсивностью шума и искажений передаваемого сигнала некоторого порога (который сравним с естественными шумами и искажениями) система передачи данных на основе полной хаотической синхронизации оказывается неработоспособной. Полому такое устройство для конфиденциальной передачи информации в реальных условиях оказывается плохо применимым.
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего повысить надежность конфиденциальной передачи информации при упрощении процесса передачи скрытой информации с использованием детерминированных хаотических сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для секретной передачи информации, включающем соединенные каналом связи передающее и принимающее устройства, при этом передающее устройство включает в себя модулятор, первый генератор хаоса, а принимающее устройство - второй генератор хаоса, демодулятор, согласно изобретению, принимающее устройство содержит идентичный второму третий генератор хаоса, расположенный параллельно второму генератору хаоса, при этом генераторы хаоса в принимающем и передающем устройствах выбираются с возможностью обеспечения режима обобщенной хаотической синхронизации, причем генераторы хаоса передающего и принимающего устройств выполнены неидентичными.
Поставленная задача достигается за счет использования в полезной модели явления обобщенной хаотической синхронизации, не требующего идентичности генераторов хаоса в передающих и принимающих устройствах, а также имеющего более низкую чувствительность к помехам и искажениям сигнала в канале связи.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для скрытой передачи информации при помощи обобщенной хаотической синхронизации; на фиг.2 - исходный полезный цифровой сигнал; фиг.3 - принципиальная схема генератора передающего Ресслера; фиг.4 - фазовый портрет и спектр сигнала, снимаемого с первого генератора хаоса; фиг.3 - фазовый портрет и спектр сигнала, снимаемого со второго генератора хаоса; фиг.6 - фазовый портрет и спектр сигнала, снимаемого с третьего генератора хаоса; фиг.7 - переданный полезный цифровой сигнал, восстановленный в приемнике хаотических автоколебаний.
Позициями на фиг.1 обозначены: 0 - полезный сигнал, 1 - модулятор, 2 - первый генератор хаоса, 3 - канал связи, 4 - второй генератор хаоса, 5 - третий генератор хаоса, идентичный второму генератору 4, 6- вычитающее устройство (демодулятор), 7 - дешифрованный передаваемый сигнал.
d
r
r
d
Заявляемое устройство для конфиденциальной передачи информации основано на использовании режима обобщенной синхронизации хаотических осцилляторов (см. Фиг.1). Данный тип синхронного поведения вводится для однонаправлено связанных хаотических генераторов (что и реализуется в нашем случае). Наличие режима обобщенной синхронизации означает, что между состояниями взаимодействующих ведущего x(t) и ведомого x(t) хаотических осцилляторов, существует некоторая функциональная зависимость F[·], такая, что имеет место функциональное соотношение x(f)=F[x(t)]. При этом, сам вид данной зависимости F[·] может быть достаточно сложным, в том числе, и фрактальным, что представляется весьма важным при секретной передаче информации [Rulkov N.F.et al. Phys. Rev. E 51 (1995) 980; Hramov A.E., Koronovskii A.A. Phys. Rev. E 71 (2005) 067201].
Удобным и легко осуществимым на практике методом диагностики обобщенной синхронизации является метод вспомогательной системы [Abarbanel H.D.I., Rulkov N.F. and Sushchik M. Phys. Rev. E 53 (1996) 4528]. Суть метода заключается в следующем:
r
α
α
0
0
r
0
r
0
α
0
наряду с ведомой системой, генерирующей колебания x(t) рассматривается идентичная ей вспомогательная система, генерирующая колебания x(t). Начальные условия для вспомогательной системы x(t), где t - начальный момент времени, выбираются отличными от начального состояния ведомой системы x(t). В случае отсутствия режима обобщенной синхронизации между взаимодействующими системами вектора состояния ведомой x(t) и вспомогательной x(t) систем принадлежат одному и тому
r
0
d
0
α
0
d
0
α
0
r
0
же хаотическому аттрактору, но являются различными за счет ляпуновский неустойчивости хаотических траекторий. В том случае, когда имеет место режим обобщенной синхронизации, в силу выполнения соотношений x(t)=F[x(t)] и, соответственно, x(t)=F[x(t)], после завершения переходного процесса состояния ведомой и вспомогательной систем должны стать идентичными x(t)≡x(t). Таким образом, эквивалентность состояний ведомой и вспомогательной систем после переходного процесса является критерием наличия обобщенной синхронизации между ведущим и ведомым хаотическими системами.
Работа устройства, обеспечивающего конфиденциальную передачу информации, основана на явлении обобщенной хаотической синхронизации.
Над исходным полезным цифровым сигналом проводятся операции логического кодирования по известным методикам, направленные на избежание появления и цифровом сообщении длинной последовательности битов «0» и «1». Пример полученной цифровой последовательности представлен на Фиг.2.
В качестве передающего генератора выбирается генератор Ресслера [R. Rico-Martinez, К. Krischer, G. Flatgen, J.S. Anderson and I.G. Kevrekidis, Adaptive Detection of Instabilities: An Experimental Feasibility Study, Physica D 176, 1-18 (2003)], широко известный генератор, модель которого является эталонной моделью генератора хаотических колебаний. Принципиальная схема генератора Ресслера представлена на Фиг.3. Колебания напряжений х, у, z, снимаемых в различных участках цепи могут быть описаны системой дифференциальных уравнений:
Управляющие параметры a, b, с определяются параметрами радиотехнической схемы (величинами емкостей, сопротивлений и свойствами характеристик нелинейных элементов), а со характеризует собственную частоту колебаний в системе.
Для ведущего генератора Ресслера управляющие параметры были выбраны следующими: а=0.15, h=0.2, с=10.
0
0
Управляющий параметр ω генератора Ресслера 1 на передающей стороне, соответствующий частоте основной компоненты в спектре хаотических колебаний, модулируется полезным битовым сигналом: если в течение заданного интервала времени передается полезный бит «1», то ω задается равным 0.95, иначе ω задается равным 1.
Характеристики сложного хаотического сигнала (фазовый портрет в координатах (х; у) и спектр S(ƒ), построенный по колебаниям напряжения x, где ƒ - частота колебаний), генерируемого передающим генератором Ресслера, представлены на Фиг.4.
Сформированный таким образом сигнал передается по каналу связи к принимающей стороне.
Принцип работы принимающего устройства основан на детектировании обобщенной хаотической синхронизации с помощью метода вспомогательной системы. Для этого, на принимающей стороне находятся два идентичных генератора Ресслера, параметры которых, например, соответствуют следующим значениям: а=0.15, b=0.2, с=10, ω=0.95.
Принятый с канала связи хаотический сигнал, подается на оба генератора Ресслера, находящиеся в принимающем устройстве.
Характеристики откликов генераторов хаоса 4 и 5 (фазовые портреты в координатах (х; у) и спектры S(ƒ) построенные по колебаниям напряжений х, где ƒ -частота колебаний) на принимающем конце канала связи приведены на Фиг.5 и Фиг.6, соответственно. Спектры хаотических сигналов немного различаются между собой и сильно отличаются от спектра передаваемого сигнала, что свидетельствует о невозможности перехвата и детектирования исходного цифрового сообщения без точного знания параметров хаотических генераторов на принимающей стороне.
3
2
2
3
Сигналы, снимаемые с генераторов 4 и 5 принимающей стороны, подаются на вычитающее устройство 6, производящего операцию |х-х|, (где х и х -напряжения х, генераторов 4 и 5 соответственно (см. Фиг.1)).
Параметры модуляции управляющего параметра передающего генератора Ресслера выбраны таким образом, что в зависимости от передаваемого двоичного бита «0»/«1» между передающим и принимающими генераторами отсутствует/существует режим обобщенной хаотической синхронизации. В данном случае, при передиче двоичного бита «0» управляющие параметры передатчика выбраны таким образом, что режим обобщенной синхронизации реализуется. Тогда, в силу наличия функциональной зависимости между состояниями хаотических осцилляторов, колебания, генерируемые двумя идентичными генераторами на принимающей стороне канала связи будут идентичными и после прохождения вычитающего устройства наблюдается отсутствие каких-либо колебаний. В таком случае детектируется двоичный бит «0». Напротив, при передаче двоичного бита «1» между передающим и принимающим генераторами отсутствует режим обобщенной синхронизации, и колебания ведомых генераторов на принимающей стороне будут различными. После
прохождения вычитающего устройства будут наблюдаться хаотические колебания с ненулевой амплитудой, то есть двоичный бит «1».
Восстановленный в принимающем устройстве полезный цифровой сигнал приведен на Фиг.7.