Оценивание сигнально-помеховой обстановки радиорелейного канала передачи данных

АКСЕНОВ1 Виктор Владимирович

ОЦЕНИВАНИЕ СИГНАЛЬНО-ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКИ РАДИОРЕЛЕЙНОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Предложен метод оценки сигнально-помеховой обстановки в условиях действия имитационных помех, основанный на Байесовском подходе.

Ключевые слова: имитационные помехи, помехоустойчивость, канал передачи информации.

The method of an assessment of an signal-hindrances situation in the conditions of action of the imitating hindrances, based, on Bayesian approach is offered.

Keywords: imitating hindrances, noise stability, information, transfer channel

Развитие и масштабное распространение радиоэлектроники и систем связи положило начало разработке и применению новых методов радиоэлектронного противодействия со стороны третьих лиц, заинтересованных в нарушении целостности и достоверности передаваемых данных. Эти методы основаны, в частности, на применении имитационных помех (имитонападений) [1], позволяющих несанкционированно нарушать нормальное функционирование систем связи на информационном уровне. Возможности имитопомех, в силу постоянного распространения и автоматизации систем связи, непрерывно растут. Преднамеренно создаваемые имитационные помехи представляют чрезвычайную опасность системам связи и обслуживаемым объектам, влекут за собой информационные и материальные потери. Перед защитой систем связи стоит сложная задача противодействия бурно развивающимся угрозам безопасности, создаваемым имитопомехами. Следовательно, безопасная или защищенная система — это система, обладающая, в том числе, средствами защиты, которые успешно и эффективно противостоят имитопомехам. Особую сложность в обеспечении защищенной системы имеют стационарные объекты рассредоточенной структуры, такие как магистральные трубопроводы (газопроводы, нефтепроводы и нефтепро-дуктопроводы), использующие радиорелейные системы передачи данных для функционирования автоматизирован-

ных систем управления и систем телемеханики. Наиболее уязвимыми являются радиостанции частотного диапазона 394-410/434-450 МГц как наименее технически сложные. Среди них наибольшее распространение получили «Азид-5», «МИК-РЛ400ХХ», «Р-6», «Р-6/Е1», «Азид-ЧС» и другие, использующие сигналы квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

Пусть имеется система связи на основе цифровых радиорелейных станций (ЦРРС), образующих цепочки каналов передачи данных из оконечных, промежуточных и узловых станций, обеспечивающих поочередную передачу радиосигналов между оконечными станциями, антенны которых находятся в пределах прямой видимости, на расстоянии 30...70 км. Передача данных производится сигналами радиосвязи QPSK-модуляции в пакетном режиме в диапазонах радиочастотного спектра 394-410/434-450 МГц. Предполагается, что свойства среды распространения радиосигналов и параметры каналов передачи данных постоянны при нормальных условиях функционирования; внешние и внутренние шумы постоянны и малой интенсивности; каналы используются для передачи технологической и служебной информации; график сеансов связи между станциями известен и фиксирован во времени. Третьими лицами с помощью средств радиотехнической разведки возможно длительное накапливание информации

' — ФГБОУВПО «Тамбовский государственный технический университет», аспирант.

о режиме связи в отдельном канале, используемых частотных диапазонах, типах сигналов, модуляции и пр. Данная информация может использоваться для формирования имитационных помех каналу передачи данных во время сеансов связи.

Процесс функционирования канала передачи данных в условиях организованных помех по своей физической сущности может быть представлен как радиоэлектронный конфликт, в котором, с одной стороны, участвуют средства радиосвязи (СРС), а с другой, — система радиоэлектронного противодействия (РЭП) третьих лиц, состоящая в общем случае из станции радиотехнической разведки (РТР) и непосредственно станции помех. На рис. 1 в общем виде представлена структурная схема радиоэлектронного конфликта. Реализация случайного процесса на входе приемника канала передачи у(г) в случае имитонападения рассматривается как аддитивная смесь полезного сигнала ис(г, хс, ас) преднамеренной имитационной помехи ип(г, хп, ап) и белого шума иш (г),

у

В более простом случае отсутствия организованных помех — это смесь полезного сигнала ис(г, хс, ас) и белого шума иш (г).

у

где хс и хп — векторы информационных параметров полезного и помехового сигналов соответственно; ас и ап — векторы неинформационных параметров полезного и помехо-вого сигналов соответственно.

Наблюдаемыми в дискретные моменты времени к являются п параметров выходных сигналов первичных измерителей приемника канала передачи данных, составляющих вектор zk.

гк = скук + Ск,

где к — текущий шаг счета, к = 1Д; п — порядковый номер параметра; п = 0,Ы; ск — матрица дискриминационных характеристик размерности пхш, при т = 0,Л; Ск — п-мерный вектор шумов измерений.

Формулы (1) и (2) представляют собой рассматриваемые структуры случайного процесса у(г), иные варианты взаимодействия компонентов сигнала в данной работе рассматриваться не будут. В зависимости от вариантов воздействия помех, в пределах рассматриваемых структур можно выделить I состояний канала передачи I = 0,1, образующих полную группу несовместных событий. На рис. 1 обозначено: ПРД, ПРМ — передатчик и приемник канала передачи соответственно; ис(г, хс, ас) — полезный сигнал; иш(г) — аддитивная помеха в виде белого шума; ип(г, хп, ап) — имитационная помеха, излучаемая станцией РЭП; у(г) — случайный процесс на входе приемника. Для повышения помехоустойчивости систем связи требуется разработка алгоритма функционирования каналов передачи данных, обеспечивающего своевременное обнаружение фактов воздействия имитационных помех в принимаемом сигнале, оценку сложившейся в текущий момент времени сигнально-помеховой обстановки и адаптацию каналов передачи к сложившейся помеховой обстановке [2]. В данной работе будут рассмотрены только первые два вопроса как наиболее важные.

Эффективность разрабатываемого алгоритма будет во многом определяться быстродействием обнаружения имитационных помех в принимаемой сигнальной совокупности. Повышение быстродействия можно достичь за счет ком-плексирования информации от стохастически связанных источников.

Имитозащита большинства систем связи имеет весьма ограниченные возможности, так как при обнаружении помех в канале связи используются только последовательности наблюдаемых данных, содержащих передаваемые по каналу данные, без привлечения дополнительных сведений. Однако во многих случаях наряду со слежением за информационной составляющей последовательности имеется возможность регистрации сопутствующих признаков, стохастически связанных с наблюдаемой последовательностью данных [3]. Сопутствующие признаки могут быть получены, в том числе, и из неинформационных параметров сигнала. Так, при воздействии имитопомех в канале возникают динамические изменения угловых и амплитудных параметров

иш{ О

Канал перехвата

Канал подавления

Рис. 1. Структурная схема радиоэлектронного конфликта

МЕТОДЫ

сигнала. Наиболее устойчивыми являются амплитудные признаки, и в случае постоянных параметров канала зависят только от уровня полезного сигнала, величина которого, как правило, соответствует устойчивому приему в условиях непреднамеренных помех, что обосновывает приоритет их выбора в качестве основного признака [4]. Контроль состояния и управление структурой канала связи можно производить с учетом информации индикаторов сопутствующих признаков [3], представляющих собой измерительные датчики с определенным порогом срабатывания. Таким образом, работа каждого индикатора будет описываться функцией из двух состояний: Я = 0, если порог срабатывания не превышен; Я = 1, если порог срабатывания превышен. Обнаружение фактов воздействия помехи и оценка состояния сигнально-помеховой обстановки I может быть осуществлена в результате совместной обработки совокупности Ь индикаторных функций п, порождаемых воздействием на канал имитационной помехи

п1 (1к+1 I 31, РЯ1, Я1к),

где 1 = 0,Ь — номер одного из Ь индикаторов; I — состояние системы; к — текущий шаг счета (к = 1Д); 3 — входной сигнал индикатора; РЯ — вероятность правильного обнаружения признака индикатором; Я — выходной сигнал индикатора (Я = 0,1) и вектора параметров сигнала zk. Таким образом, дальнейшей обработке подвергается расширенный вектор пк].

Например, для сигнала с ОРЯК-модуляцией выберем семь индикаторов сопутствующих признаков (табл. 1). Основываясь на физике процессов передачи информации электромагнитными волнами [4, 5] можно полагать, что увеличение уровня сигнала может быть вызвано действием других передатчиков в режиме передачи, в том числе и третьих

Таблица1. Определение состояния сигнально-поме-ховой обстановки по информации выходных сигналов индикаторов

Уровень сигнала, дБ/мкВ Уровень биения амплитуды НЧ сигнала, дБ/мкВ Энергия сигнала на интервале времени, Дж Фазовый сдвиг, град. Наличие сигналов на субчастотах Число ошибок при декодировании, 1/Кбит Уровень аддитивного шума, дБ/мкВ

R1 R2 Rз R4 R5 R6 R7

1 0 0 0 0 0 0 0

2 0 1 1 1 0 1 0

3 0 1 1 1 1 1 0

4 0 1 1 1 0 1 1

5 0 1 1 1 1 1 1

6 1 1 1 1 0 1 0

7 1 1 1 1 1 1 0

8 1 1 1 1 0 1 1

9 1 1 1 1 1 1 1

лиц. Но данной информации недостаточно для полноценной оценки помеховой обстановки. В качестве дополнения можно использовать суммарную энергию принимаемого сигнала на заданном интервале времени. Для навязывания приемнику канала передачи ложного информационного символа третьи лица вынуждены транслировать сигнал со сдвигом фазы, обеспечивающий при сложении с полезным сигналом принятие ложного символа. Это, в свою очередь, вызовет биение амплитуды принятого низкочастотного сигнала, о чем свидетельствует и большее отклонение фазы от номинальных значений. О действии помех свидетельствует и наличие сигналов на субчастотах и большее, по сравнению с нормальным режимом функционирования, число ошибок при декодировании. Обычно постановка имитопо-мех сопровождается шумовыми помехами, что дает превосходство более мощным сигналам третьих лиц. Весовые значения индикаторов сопутствующих признаков щ назначаются экспертом на основании априорных данных и корректируются при отладке метода с использованием выборок экспериментальных данных.

Для сигналов с ОРЯК-модуляцией были получены следующие весовые значения сопутствующих признаков:

П1 (¿к+1 31г РЯ1/ Я1к =  ) = 0,71;

П2 (¿к+1 32г РЯ2/ Я2к =  ) = 0,931

Пз (¿к+1 33г РЯ3/ Я3к =  ) = 0,84;

п4 (гк+1 34г РЯ4/ Я4к =  ) = 0,693

П5 (¿к+1 35г РЯ5/ Я5к =  ) = 0,62;

п6 (гк+1 36г РЯ6/ Я6к =  ) = 0,49;

П7 (¿к+1 37г РЯ7/ Я7к =  ) = 0,33.

Для достижения поставленной цели необходимо разработать процедуру стохастической оценки сигнально-помехо-вой обстановки с учетом информации индикаторов сопутствующих признаков. Состояния сигнально-помеховой обстановки I могут быть стохастически оценены методом максимального правдоподобия. В зависимости от оценок наблюдаемых параметров сигнала zk и индикации сопутствующих признаков пк, можно с определенной вероятностью судить о сигнально-помеховой обстановке.

Оценку максимального правдоподобия следует производить для всех состояний, составляющих полную группу несовместных событий, в целях выявления наиболее вероятной. Для оценки вероятностей удобно использовать формулу Байеса. Пусть на основе статистических данных имеются априорные вероятности р(1) о соответствии векторов zk и пк заранее определенным состояниям при I = 0,1. Обозначим через В событие, заключающееся в том, что на к+1-м шаге счета действует имитационная помеха. Выдвинем гипотезы Н1 (г = 0,1) в пользу соответствующих состояний сигнально-помеховой обстановки г. Апостериорная вероятность р(В I ¿) может быть получена как

N

р Ф | о = П р ) •

1

Допуская, что все параметры zn| вектора zk, подлежащие оценке, имеют нормальный закон распределения, апостериорная вероятность для каждого п-го параметра может быть представлена в виде:

P(Z„) = GXp

2a\

где Мп — математическое ожидание хп, 0п — среднеквадра-тическое отклонение zn.

На основании (3) и (4), получим вероятности гипотез на к+1-ом шаге счета:

/?(*')ГК-Пехр -

P(i\B)k+l =

2ol

х/коп^пч-

2 \

2 al

10

15

Для сигналов с ОРЯК-модуляцией выберем в качестве наблюдаемых параметров фазу <к, как основной информационный параметр, и амплитуду Ак, тогда формула (5) примет вид:

p(i) л1-л1-лъ- ехр

Р(!\В)ы =

2<j]

2\

Рис. 2. Изменение вероятности при смене состояний ситнально-помеховой обстановки

ж4-ж5-л6  п7  ехр

(фк ~Мч>)2

2(т1

Р 'К\'Кг'Къ' ехР

' (А~Ма?л

2ст2а

7Г4  л5  пь  л1  ехр

' (Фк~м<р)2Л 2 <т1

Весовые значения индикаторов сопутствующих признаков показал увеличение быстродействия смены состояний в

П учитываются в формуле (6) только в случае «срабатыва- среднем на 60 — 70%.

ния» соответствующего индикатора, увеличивая «вес» в Разработанная процедура оценки сигнально помеховой об-

пользу той или иной гипотезы. Значения щ обеспечивают становки позволяет сократить время обнаружения фактов

более резкое изменение вероятностей состояний сигналь- воздействия имитационных помех и оценить сигнально-по-

но-помеховой обстановки канала передачи данных. В целом меховую обстановку за счет информации индикаторов со-

эффективность (6) будет определяться скоростью смены со- путствующих признаков и неинформативных, в смысле из-

стояний I при изменении сигнально-помеховой обстановки влечения передаваемой информации, параметров сигнала.

(рис. 2).

На рис. 2 сплошной линией показана траектория измене-

Учет рассмотренной особенности в алгоритме функционирования канала передачи данных представляет собой скры-

ния вероятности, оцениваемой по формуле (6), пунктирной тый резерв повышения помехоустойчивости системы связи линией — траектория изменения вероятности, оценивае- в целом.

мой по формуле (6), но без учета сопутствующих признаков. Анализ эффективности разработанной процедуры

Материал подготовлен при поддержке РФФИ, грант № 12-08-00352-а

Литература

1. Аксенов В.В. Системы, передачи информации в условиях действия, имитационных помех. Проблемы, и перспективы./ Сборник материалов докладов Всероссийской научно-практической конференции «Венно-воздушные силы — 100 лет. на страже неба России: История, современное состояние и перспективы развития» (16-17 мая. 2012г.): в 3-х ч. — Воронеж: Изд-во ВАИУ, 2012. — С. 199 — 200.

2. Аксенов В.В. Концептуальное моделирование канала передачи информации, подверженного имитонападению./ Научные чтения, имени А.С. Попова: материалы, докладов региональной НПК курсантов, студентов, молодых ученых, посвященные Дню образования, войск связи, Воронеж, 16 окт. 2012 г./ ВУНЦ ВВС «ВВА». — Воронеж, 2012. — С. 120 — 121.

3. Павлов В.И. Оптимальное обнаружение изменения свойств случайных последовательностей по информации измерителя и индикатора / Автоматика и телемеханика, 1998. — № 1. — С. 54 — 59.

4. Муромцев Ю.Л., Муромцев Д.Ю., Орлов В.В. Практическая устойчивость систем, оптимального управления./ Вестник ТГТУ. — Тамбов, 2000. — Т. 6. — № 3. — С. 387 — 392.

5. Муромцев Д.Ю., Муромцев ЮЛ. Анализ и синтез радиосистем, на множестве состояний функционирования./ Вестник ТГТУ, 2008. — Т. 14. — № 2. — С. 241 — 251.