УСТРОЙСТВО МНОГОКАНАЛЬНОЙ КОНФИДЕНЦИАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель 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 (Сиото К.М., Oppenheim A.V. Circuit implementation of synchronized chaos with applications to communications // Phys. Rev. Lett. 71, 1993, 65; Сиото 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.R, Hosier 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 радио-диапазонах 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), 1995, 1249). Были предложены различные модификации систем связи для повышения их помехоустойчивости (Короновский А.А., Москаленко O.И., Попов П.В., Храмов А.Е. Способ секретной передачи информации //
Патент на изобретение РФ N 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.
В радиотехнике известны устройства для скрытой передачи информации, основанные на использовании явления хаотической синхронизации и синхронного 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 C.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. M.: Физматлит, 2002: Carroll T.I., Johnson. G. Synchronizing autonomous chaotic systems using filters // US Patent No. 6,370,248 от 9.04.2002, Grebogy С., Ott E. Communication with chaos // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol.70, №20. P.3031-3034).
В известных устройствах для скрытой передачи информации, применяющих хаотические несущие сигналы, используется явление полной синхронизации колебаний между генераторами хаоса на передающей и принимающей сторонах канала 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.
Из-за сильной чувствительности хаотических процессов к выбору начальных условий 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.
Основные сложности практической реализации систем связи, использующих
принцип синхронизации хаотических колебаний, связаны с необходимостью обеспечения идентичности генераторов приемного и передающего устройств.
Известно устройство (Cuomo К., Oppenheim A. Communication using synchronized chaotic systems // US Patent N 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.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для секретной передачи информации, включающее 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. 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 (см. патент РФ №57538, МПК H04L 9/00).
Недостатком данного устройства является необходимость использования идентичных генераторов хаоса в приемном устройстве.
Задачей настоящей полезной модели является разработка устройства многоканальной конфиденциальной передачи информации, основанного на другом принципе детектирования информационных сообщений.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом устройстве 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 не идентичностью генераторов в приемном и/или передающем устройствах, что является одним из очевидных преимуществ предлагаемого решения. 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 решается тем, что устройство многоканальной конфиденциальной передачи информации, включающее соединенные каналом связи передающее и принимающее устройства, при этом передающее устройство включает в себя модулятор и генератор хаотических колебаний, а принимающее устройство - детектор, согласно решению, принимающее устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, а детектор выполнен в виде блока цифровой обработки сигнала с возможностью вычисления текущих значений параметров генератора хаотических колебаний с использованием принципов реконструкции динамических систем и дискретного вейвлет-анализа.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема для реализации системы многоканальной конфиденциальной передачи информации, а на фиг.2 представлены графики, характеризующие процесс конфиденциальной передачи информации, где
1 - модулятор;
2 - генератор хаотических колебаний;
3 - канал связи;
4 - аналого-цифровой преобразователь;
5 - детектор;
6 - передаваемые информационные сигналы
7 - выделенные информационные сигналы;
8 - шумы в канале связи
а, б - передаваемые информационные сигналы;
в - сигнал в канале связи;
г, д - сигналы, выделенные в приемном устройстве.
Устройство многоканальной конфиденциальной передачи информации, содержит соединенные каналом связи 3 передающее и принимающее устройства. При этом передающее устройство включает в себя модулятор 1 и генератор хаотических колебаний 2. Принимающее устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 4 и блок цифровой обработки сигналов, представляющий собой детектор 5, 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).
1
Устройство работает следующим образом. Информационные сигналы 6 осуществляют модуляцию управляющих параметров генератора хаотических колебаний 2, расположенного в передающем устройстве, посредством модулятора 1. Сигнал этого генератора х(t) выбирают в качестве несущего и передают его по каналу связи 3 к приемному устройству; в канале связи к несущему сигналу 3 аддитивно добавляются шумы ξ(t) - 8. В приемном устройстве с помощью детектора 5 осуществляют выделение информационных сигналов 7.
Процедура детектирования в блоке цифровой, обработке 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 x(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 х(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 Modern Development". Springer: Berlin, Heidelberg, 2007):
где m и g - управляющие параметры. Полагая, что излучаемым сигналом генератора является одномерная реализация y(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.2 г, 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. Цифровая обработка позволяет снизить погрешность детектирования информационных сообщений и эффективнее бороться с шумами, а также является простым и дешевым вариантом исполнения.