СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОЙ КОНФИДЕНЦИАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
METHOD FOR MULTICHANNEL CONFIDENTIAL INFORMATION TRANSMISSION

Изобретение относится к радиотехнике и теории связи и может найти применение в системах связи, использующих хаотические несущие сигналы для защиты передаваемой информации.
Защита информации является одной из проблем, особенно актуальных в период активного развития современных информационных технологий. Одним из новых способов решения данной проблемы является применение для передачи сообщений широкополосных хаотических сигналов. Интенсивные исследования в этом направлении ведутся с начала 90-х годов. В самых первых работах было предложено использовать явление хаотической синхронизации для выделения информационного сигнала из хаотического несущего. Предлагались два конкретных способа решения проблемы, основанных на использовании идентичных генераторов хаоса в передающем и приемном устройствах: аддитивное добавление информационного сообщения к несущему сигналу (Cuomo К.М., Oppenheim A.V. Circuit implementation of synchronized chaos with applications to communications // Phys. Rev. Lett. 71, 1993, 65; Сuomо К.М., Oppenheim A.V. Communication using synchronized chaotic systems // US Patent No. 5291555 от 1.03.1994) и модуляция параметров генератора хаоса (Parlitz U., Chua L.O., Kocarev L., Halle K.S., Shang A. Transmission of digital signals by chaotic synchronization // Int. J. Bifurcation Chaos. 2, 1992, 973; Dedieu H., Kennedy M.P., Hasler M. Chaos shift keying: modulation and demodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua's circuit // IEEE Trans. Circuits Syst. 40, 1993, 634). Позднее была рассмотрена задача многоканальной конфиденциальной передачи информации на основе так называемого феномена "автосинхронизации", то есть использования систем с автоматической подстройкой параметров (Parlitz U. Estimating model parameters from time series by autosynchronization // Phys. Rev. Lett. 76, 1996, 1232). Первые серьезные успехи были связаны с тем, что для ряда модельных схем была продемонстрирована возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов. В схеме с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический передача речевых и музыкальных сигналов в низкочастотном и в радиодиапазонах была продемонстрирована экспериментально (Dmitriev A.S., Panas A.I., Starkov S.O. Experiments on speach and music signals transmission using chaos // Int. J. Bifurcation and Chaos. 5(4), 199S, 1249). Были предложены различные модификации систем связи для повышения их помехоустойчивости (Короновский А.А., Москаленко О.И., Попов П.В., Храмов А.Е. Способ секретной передачи информации // Патент на изобретение РФ № 2295835 от 20.03.2007).
Главным недостатком методов, основанных на явлении синхронизации, является требование идентичности генераторов хаотических колебаний, расположенных в приемном и передающем устройствах. Если параметры соответствующих генераторов будут отличаться более чем на 1-2%, то данные методы становятся неэффективными. В связи с этим разработка альтернативных способов защиты передаваемой информации является одной из актуальных задач теории связи.
Наиболее близким к предлагаемому нами способом конфиденциальной передачи информации является метод, предложенный в работе Parlitz U. Estimating model parameters from time series by autosynchronization // Phys. Rev. Lett. 76, 1996, 1232. Данный способ позволяет осуществлять одновременную передачу двух аналоговых информационных сигналов по одному каналу связи и проводить их детектирование с использованием феномена "автосинхронизации". Он имеет тот же самый недостаток, что и другие схемы, основанные на принципе синхронизации колебаний - требование идентичности генераторов хаоса в приемном и передающем устройствах.
Задачей настоящего изобретения является разработка нового способа многоканальной конфиденциальной передачи информации, основанного на другом принципе детектирования информационных сообщений.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом способе передачи информации, состоит в переходе от систем связи с двумя генераторами хаотических колебаний, используемыми в схемах, базирующихся на синхронизации, к системам связи с одним генератором. Это приводит к полному устранению проблем, связанных с неидентичностью генераторов в приемном и передающем устройствах, что является одним из очевидных преимуществ предлагаемого подхода. Кроме того, важным обстоятельством для дальнейшего прогресса в области использования динамического хаоса в коммуникациях является формулировка иных принципов модуляции и детектирования информационных сообщений - чем более разнообразными являются подходы к решению данной проблемы, тем более высокая степень защиты передаваемых сообщений может быть обеспечена.
Поставленная задача достигается тем, что в способе многоканальной конфиденциальной передачи информации, включающем модуляцию параметров генератора хаотических колебаний в передающем устройстве несколькими информационными аналоговыми сигналами, передачу сигнала генератора хаотических колебаний по каналу связи к приемному устройству, детектирование информационных сигналов, согласно решению перед детектированием преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, в процессе детектирования определяют текущие значения параметров генератора хаотического сигнала, соответствующие передаваемым информационным сигналам, методами реконструкции динамических систем и дискретного вейвлет-анализа.
Детектирование осуществляют с помощью блока цифровой обработки сигнала, выполненного с возможностью вычисления текущих значений параметров генератора хаотических колебаний с использованием принципов реконструкции динамических систем и дискретного вейвлет-анализа.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема для реализации системы многоканальной конфиденциальной передачи информации, а на фиг.2 представлены графики, характеризующие процесс конфиденциальной передачи информации, где
1 - передаваемые информационные сигналы;
2 - генератор хаотических колебаний передающего устройства;
3 - шумы в канале связи;
4 - детектор;
5 - выделенные информационные сигналы;
а, б - передаваемые сигналы;
в - сигнал в канале связи;
г, д - сигналы, выделенные в приемном устройстве.
1
Способ заключается в следующем. Информационные сигналы 1 осуществляют модуляцию управляющих параметров генератора хаотических колебаний 2, расположенного в передающем устройстве. Сигнал этого генератора х(t) выбирают в качестве несущего и передают его по каналу связи к приемному устройству; в канале связи к несущему сигналу аддитивно добавляются шумы ξ(t) - 3. В приемном устройстве с помощью детектора 4 осуществляют выделение информационных сигналов 5.
Приемное устройство содержит аналого-цифровой преобразователь и блок цифровой обработки сигналов, представляющий собой детектор D, в качестве которого может использоваться компьютерный "чип" (микропроцессор), запрограммированный на выполнение ряда операций (цифровая фильтрация, вычисление текущих значений параметров передающего генератора хаотических колебаний с использованием принципов реконструкции динамических систем и дискретного вейвлет-анализа). Цифровая обработка позволяет снизить погрешность детектирования информационных сообщений и эффективнее бороться с шумами, а также является простым и дешевым вариантом исполнения.
Процедура детектирования в блоке цифровой обработки сигналов основывается на принципе реконструкции параметров генератора хаотических колебаний. Рассмотрим в качестве примера генератор, который описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений вида
в которой  - вектор состояния,  - нелинейная вектор-функция,  - вектор постоянных значений управляющих параметров. Ограничимся выбором генераторов, математические модели которых путем замен переменных могут быть преобразованы к виду
где f - нелинейная функция. Этому требованию удовлетворяют многие базовые модели динамического хаоса.
i
Будем осуществлять относительно медленную модуляцию произвольного числа параметров информационными сигналами µ(t), то есть введем в рассмотрение переменные величины
1
что позволит реализовать одновременную передачу нескольких сообщений. В этом случае передаваемый по каналу связи сигнал х(t), представляющий собой одномерную реализацию колебательного процесса генератора хаоса, порождается неавтономной динамической системой вида
В приемном устройстве выделение информационных сигналов осуществляется путем определения текущих значений параметров генератора хаотических колебаний по несущему хаотическому сигналу в дискретные моменты времени iΔt, где Δt - шаг дискретизации. С этой целью необходимо продифференцировать несущий сигнал, причем для устранения некорректности дифференцирования зашумленных процессов предлагается использовать подход, основанный на дискретном вейвлет-анализе (Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их применение // Успехи физических наук. 171, 2001, 465).
Свойство дифференцирования вейвлет-преобразования можно записать следующим образом (Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 166, 1996, 1145):
1
1
Формула (5) означает, что вместо того, чтобы дифференцировать l раз сигнал x(t), можно продифференцировать l раз анализирующий вейвлет. Это очень полезное свойство при работе с экспериментальными данными, поскольку функция x(t) представляет собой зашумленный сигнал, а анализирующий вейвлет задан формулой (в случае непрерывного вейвлет-преобразования) или коэффициентами фильтров (для дискретного преобразования). На практике предпочтительнее использовать дискретное вейвлет-преобразование, которое обеспечивает существенный выигрыш в скорости проведения вычислений, что является одним из важных преимуществ при его использовании для передачи информации в режиме реального времени.
1
Блок цифровой обработки сигналов в приемном устройстве содержит информацию о модели генератора хаотических колебаний (о виде функции f в формуле (2)) и о коэффициентах вейвлетных фильтров для вычисления производных сигнала x(t), что позволяет устранить проблему некорректности процедуры вычисления производных зашумленного сигнала и провести более качественную фильтрацию, чем на основе традиционных методов.
Знание производных в каждый момент времени позволяет свести систему дифференциальных уравнений (2) к алгебраическим уравнениям, решение которых позволяет получить в каждый момент времени iΔt неизвестные значения параметров , то есть выделить передаваемые информационные сигналы. Для повышения качества детектирования целесообразно проводить оценки параметров в пределах небольшого временного окна (1/5-1/4 часть периода колебаний несущего сигнала) методом наименьших квадратов.
Отметим, что процедура выделения информационных сообщений из хаотического несущего сигнала невозможна без знания модели генератора хаотических колебаний в передающем устройстве, что обеспечивает высокую степень защищенности передаваемой информации. В настоящее время существует несколько базовых моделей генераторов хаоса, однако для проведения демодуляции необходимо знать не только, какая именно базовая модель используется, но и точный вид характеристики нелинейного элемента (или нелинейную функцию f), которая может быть задана индивидуально для каждого генератора, и определить ее путем простого перебора разных вариантов в общем случае невозможно.
Выберем в качестве источника хаотических колебаний модифицированный генератор с инерционной нелинейностью (Anishchenko V.S., Astakhov V.V., Neiman А.В., Vadivasova Т.Е., Schimansky-Geier L. "Nonlinear Dynamics of Chaotic and Stochastic Systems. Tutorial and Modem Development". Springer: Berlin, Heidelberg, 2007):
где m и g - управляющие параметры. Полагая, что излучаемым сигналом генератора является одномерная реализация у (t), осуществим преобразование системы уравнений (6) к виду (2) путем замен переменных
в результате которых уравнения генератора приобретают вид
-2
Проиллюстрируем с помощью модели (6) возможность одновременной передачи двух независимых информационных сигналов по одному каналу связи. С этой целью параметр m модулировался широкополосным хаотическим сигналом, а параметр g - гармоническим сигналом. В системе (6) были выбраны следующие значения постоянных величин: g=0.2, m=1.5. Для проверки эффективности метода с точки зрения его помехоустойчивости осуществлялось добавление нормально распределенной случайной величины с дисперсией 10 к информационным сигналам, осуществляющим параметрическую модуляцию, и к несущему хаотическому сигналу. Временные зависимости параметров m и g данной системы проиллюстрированы на фиг.2а, б. Получатель информации, знающий вид нелинейной функции f в системе (8), принимая сигнал (фиг.2в), восстановит сигналы модуляции (фиг.2г, д).
Проведенные исследования подтвердили возможность одновременной передачи, по крайней мере, трех информационных сигналов в одном несущем. К числу достоинств рассматриваемого способа относятся:
1) Наличие только одного генератора хаотических сигналов, расположенного в приемном устройстве, и отсутствие проблемы идентичности генераторов приемного и передающего устройств, являющейся одной из ключевых для систем, использующих принцип синхронизации колебаний;
2) Широкая полоса частот для передачи информационных сообщений. По этому параметру рассматриваемый способ превосходит методы, использующие эффект синхронизации хаоса.
Таким образом, положительными эффектами заявляемого способа конфиденциальной передачи информации являются новый принцип выделения сообщений в приемном устройстве и возможность многоканальной передачи информации в режиме реального времени.