"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 5, 2002

оглавление

дискуссия

 

МЕТОД ИНФОРМАЦИОННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ КАНАЛОВ

С ЗАМИРАНИЯМИ ОТ ИМИТАЦИОННЫХ ПОМЕХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ

 

 И. М. Орощук,  e-mail: Oroshchuk@yandex.ru

Тихоокеанский военно-морской институт, факультет радиосвязи.

 

 

 

Получено 14.05.2003 г.

 

        В статье представлен метод информационной фильтрации канала с замираниями от имитационных помех, действующих во время сеанса связи при использовании частотной манипуляции. Использование данного метода позволяет эффективно защищать цифровые радиоканалы от несанкционированных вторжений, основанных на применении имитационных помех энергетически превосходящих полезный сигнал. Кроме того, этот метод может быть использован для защиты радиоканалов от мощных селективных помех, вызванных несанкционированной работой других станций.

 

 

Бурное развитие технологий в области радиоэлектроники положило начало созданию новых методов радиоэлектронного воздействия, основанных на применении так называемых имитационных помех (имитопомех), позволяющих несанкционированно нарушать функционирование радиосети на сервисном и информационном уровне [1-3]. При этом следует заметить, что возможности имитопомех, в силу существующих тенденций развития систем связи, существенно расширились и видоизменились. Переход на цифровые системы радиосвязи с внедряемыми элементами автоматизации обработки сигналов и всего сообщения, с одной стороны, сделали огромный технологический скачек, благодаря которому корреспонденты практически не участвуют в процедурах установления связи, в ретрансляции и в других сервисных и специальных видах обработки сообщений. С другой стороны, такая тенденция наоборот расширяет возможности имитопомех, позволяя несанкционированно воздействовать на вводимые элементы автоматизации. Данное противоречие является серьезной проблемой для обеспечения безопасности применения современных систем радиосвязи, используемых в жестких условиях рыночной конкуренции, а для специальных служб в условиях непрерывного противоборства систем безопасности связи и радиоэлектронной борьбы. В условиях данного противоречия с учетом широкого внедрения телекоммуникационных систем во все сферы жизнедеятельности и бурного развития технических средств радиоэлектронной борьбы, актуальным является создание эффективных методов обеспечения безопасности связи.

Данная статья посвящена результатам исследования разработанного метода информационной фильтрации каналов с Рэлеевскими замираниями от имитопомех действующих во время сеанса связи при использовании частотной манипуля­ции. Исследования базируются на анализе влияния на эффективность метода информационной фильтрации стохастических изменений состояния в канале с Рэлеевскими замираниями. На основе проведенных исследований разработана оценка эффективности и специальные меры повышения устойчивости метода информационной фильтрации каналов с замираниями.

Вначале рассмотрим сущность метода информационной фильтрации в каналах с постоянными параметрами. Этот метод заключается в выделении признаков воздействия имитопомех с последующим исключением ошибок в пораженной информационной последовательности. При воздействии имитопомех в канале возникают динамические изменения угловых и амплитудных параметров сигнала [4-6]. Наиболее устойчивыми являются амплитудные признаки, и, в случае постоянных параметров канала, зависят только от уровня полезного сигнала [4-6], величина которого, как правило, соответствует устойчивому приему в условиях непреднамеренных помех [7], что обосновывает приоритет их выбора в качестве основного признака.

        Анализ проявления амплитудных признаков воздействия имитопомех показал, что наибольший информационный ущерб системе радиосвязи наносится в момент различия частот имитопомехи и полезного сигнала () при этом в высокочастотном (ВЧ) тракте приемника возникает биение амплитуды суммарного сигнала (рис. 1), амплитуда которого при превосходстве уровня имитопомехи  равна амплитуде полезного сигнала U_S  [2, 6]. В момент совпадения частот имитопомехи и полезного сигнала ()  уровень в ВЧ тракте приема постоянен, и определяется в большей степени фазовым сдвигом между действующими сигналами.

        С учетом особенностей амплитудных признаков метод информационной фильтрации основан на выделении моментов биения амплитуды, формировании соответствующих этим периодам прямоугольных импульсов  и восстановлении полезного сигнала  путем логического сложения по mod 2 сформированных импульсов  и пораженной информационной последовательности суммарного сигнала  (рис. 2) [6].

Критерий качества работы метода информационной фильтрации при воздействии имитопомех определяется возможностью восстановления полезного сигнала с максимальной достоверностью и допустимыми краевыми искажениями, вносимыми в процессе обработки сигнала. В данном случае для обеспечения максимальной достоверности выделения признаков воздействия имитопомех целесообразнее использовать критерий Котельникова – максимума правдоподобия [7]. Выбор данного критерия определяется, прежде всего, тем, что рассматриваемые методы воздействия имитопомех носят информационный характер, в результате чего при обработке сигнала происходят ошибки равного веса. При воздействии имитопомех на каналы связи априорные вероятности состояний совпадения и различия информационных символов для имитопомехи и полезного сигнала будут равновероятны, что соответствует равенству вероятностей моментов совпадения и различия их частот: . В рассматриваемом случае использования каналов с постоянными параметрами, влияние гауссовского шума может вызвать ошибки двух родов: ошибку I рода – регистрацию совпадения частот имитопомехи и полезного сигнала при реальном их различии ; ошибку II рода – регистрацию различия частот имитопомехи и полезного сигнала при реальном их совпадении .  В результате, согласно выбранному критерию, полная вероятность ошибки будет определяться выражением

,

и с учетом равенства априорных вероятностей

                                                            .                                                  (1)

В силу отсутствия информации о точных параметрах имитопомех для выделения признаков их воздействия целесообразно использовать принципы некогерентной обработки сигналов. Для выделения признаков воздействия имитопомех применяется пороговый метод селекции амплитуды (рис. 3): в случае, если амплитуда биений превышает пороговый уровень  – формируется передний фронт импульса биений, а в случае снижения амплитуды ниже установленного порога  – формируется задний фронт этого импульса. Если же амплитуда сигнала не превышает пороговый уровень – импульс не формируется.

При таком методе обработки сигнала вероятность ошибки I рода будет определяться обобщенным распределением Рэлея (Рэлея – Райса) [7, 8]:

                              ,                       (2)

где – модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка; – квадратурная составляющая среднеквадратичного отклонения гауссовского шума; – пороговый уровень сигнала, соответствующий допустимым краевым искажениям  при формировании импульсов в течение биений сигнала; – длительности сформированного и реального импульсов биений (см. рис. 3); – установленный в устройстве обработки пороговый уровень.

Вероятность ошибки II рода будет определяться распределением Рэлея [7, 8]:

                                                .                                          (3)

Откуда, подставив выражения (2) и (3) в формулу (1), получим оценку вероятности ошибки некогерентного метода информационной фильтрации сигнала от имитопомех:

    .      (4)

Рассматривая варианты использования систем связи с высокой достоверностью приема, можно считать величину  (), с учетом чего, опуская громоздкие преобразования при вычислении интегралов в формуле (4), запишем окончательное выражение для оценки вероятности ошибки некогерентного метода информационной фильтрации:

                              ,             (5)

где .

В отличие от каналов с постоянными параметрами, в каналах с замираниями в процессе сеанса связи наблюдаются динамические изменения уровня принимаемого сигнала [9], характерные как для трассы связи, так и для трассы воздействия имитопомех, в результате чего в точке приема, несмотря на установленное энергетическое превосходство имитопомехи над полезным сигналом, соотношение этих уровней может изменяться. В данном случае возможны три следующих состояния канала:

 

                              1) ;    2)      и     3)  ,                          (6)

где – пороговое значение отношения уровня имитопомехи к сигналу, при превышении которого обеспечивается устойчивое воздействие имитопомех [2].

        В первом случае обеспечивается устойчивое воздействие имитопомех, что дает возможность использовать метод информационной фильтрации, применяемый в каналах с постоянными параметрами. Однако при этом необходимо учесть влияние гауссовского шума на устойчивость информационной фильтрации при различных уровнях полезного сигнала. Второй случай будет наиболее критичным, так как при этом суммарный сигнал в приемном тракте будет претерпевать искажения в виде недопустимых краевых искажений и дроблений, что в конечном итоге снизит эффективность восстановления полезного сигнала. В третьем случае, действием имитопомех можно пренебречь, так как при этом приемник обеспечивает устойчивый прием полезного сигнала.

Учитывая, что в каналах с замираниями для обеспечения эффективной имитоатаки величина , наиболее вероятным будет первое состояние канала, в результате чего для оценки эффективности информационной фильтрации необходимо учесть только изменение уровня полезного сигнала, соответствующего уроню  биений:  U_S =U_b           (см. рис. 1). Следует также заметить, что изменение соотношения уровней имитопомехи к полезному сигналу вызывает изменение формы сигнала, в результате чего порог допустимых краевых искажений также будет изменяться (рис. 4):

        .

 Учитывая данную зависимость (см. рис. 4), целесообразно устанавливать допустимый порог срабатывания , соответствующий наименьшему значению h_N =h­_t, что позволит в наихудших условиях обеспечить устойчивую информационную фильтрацию с допустимыми краевыми искажениями. Кроме того, при практической  реализации метода информационной фильтрации необходимо предусмотреть автоматическую установку соответствующего порога срабатывания  для текущего значения уровня полезного сигнала . В соответствие с данными условиями на рис. 5 представлена реализация устройства информационной фильтрации. В данной схеме амплитудный детектор служит для выделения огибающей суммарного сигнала, поступающего с тракта промежуточной частоты приемника, после чего для выполнения частотной селекции используется полосовой фильтр. Верхняя граничная частота этого фильтра определяется установленным частотным сдвигом модулятора радиопередающего устройства, что улучшает качество приема сигнала биений за счет согласованной фильтрации [7]. Ограничение частоты снизу необходимо для выделения моментов биения (рис. 6): такое ограничение позволяет при отсутствии биений убирать постоянную составляющую огибающей суммарного сигнала, уровень которой заранее неизвестен, так как он определяется случайным фазовым сдвигом между имитопомехой и полезным сигналом. После этого для поддержания установленного порога срабатывания используется усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Далее для выделения моментов биения используется блок формирования импульсов, работа которого основана на срабатывании порогового устройства в течение периода биений. Установленный в устройстве пороговый уровень определяет, прежде всего, защищенность устройства от ложных срабатываний за счет гауссовского шума, а также вносимые при обработке сигнала краевые искажения. Последний блок выполняет функцию исключения ошибок с помощью логической операции сложения по mod 2 сформированных импульсов биения и пораженной информационной последовательности, поступающей с выхода частотного дискриминатора (см. рис. 2).

 

 

 

 

Для оценки влияния замираний необходимо усреднить вероятность ошибки информационной фильтрации при различных значениях , для чего необходимо получить плотность распределения , которая функционально связанна с коэффициентом передачи эфира , распределенным по Рэлеевскому закону [7, 9]:

,

где – среднеквадратическое отклонение квадратурной составляющей коэффициента передачи эфира.

С учетом зависимости

                                        ,                                     (7)

где – уровень полезного сигнала на выходе радиопередающего устройства, определим плотность распределения , для чего из формулы (7) выразим :

,

после этого определим производную:

.

Откуда, согласно [8]

               (8)

Определим математическое ожидание случайной величины :

,

исходя из чего

                                                              .                                                       (9)

С учетом полученного значения математического ожидания  (9), выражение для плотности распределения (8) примет вид

                                                        .                                             (10)

Далее согласно формуле Байеса [8], с учетом выражения (10), определим среднюю вероятность ошибки информационной фильтрации:

               (11)

Проведем расчет данного выражения поэтапно.

Первый интеграл вычислим способом подстановки: ,

откуда

Аналогичным способом вычислим второй интеграл: ,

.

В результате, выражение (11) примет вид (рис. 7)

 

 

                              .                            (12)

Анализируя зависимости  (см. рис. 7) можно заметить наличие оптимальных режимов информационной фильтрации, соответствующих минимальному значению . Определим оптимальное значение  по экстремуму функции (12). Для облегчения аналитического анализа, с учетом применения радиоканалов при больших значениях , выражение (12) можно упростить:

                                           ,                                   

откуда

,

 

в результате получим кубическое уравнение

.

Решая данное уравнение, получим оптимальный порог срабатывания , при котором вероятность ошибки информационной фильтрации будет определяться выражением

.

 

 

Выводы.

 

1. Результаты исследования показали возможность эффективной информационной фильтрации каналов с Рэлеевскими замираниями от имитопомех, действующих во время сеанса связи, при повышенных значениях отношения уровней сигнал-шум более 20 дБ (см. рис. 7), и при превышении отношения уровня имитопомехи к полезному сигналу более чем в три раза (), чему соответствует реальный режимы работы действующих систем радиосвязи [7] и условие эффективного применения имитопомех [2].
2. Изменение уровня полезного сигнала при замираниях снижает качество информационной фильтрации за счет вероятного уменьшения отношения сигнал-шум. В данных условиях существует оптимальный режим информационной фильтрации, определяемый установкой оптимального порога срабатывания ().
3. Наличие замираний усложняет процесс выделения признаков воздействия имитопомех из-за выхода состояния канала из оптимального режима фильтрации. Для исключения влияния этого фактора необходимо автоматически изменять порог срабатывания.
4. Кроме того, замирание вызывает изменение формы огибающей суммарного сигнала при воздействии имитопомех, что в свою очередь изменяет порог срабатывания, соответствующий допустимым краевым искажениям. Исходя из данных условий, для устойчивой информационной фильтрации необходимо устанавливать порог срабатывания, соответствующий минимально допустимому отношению уровней имитопомехи к полезному сигналу (см. рис. 4).
5. Разработанный метод рекомендован для обеспечения безопасности связи ионосферных радиоканалов декаметрового диапазона и радиолиний дальней тропосферной связи УКВ диапазона, а также может бить использован для повышения электромагнитной совместимости этих радиоканалов.

 

 

 

Литература.

 

1.        Oroshchuk I.M. New technologies of unauthorized influence on automatic radio communication systems. Tomsk, TUSUR 18.05.1999 // The 3-rd international symposium "Sibconvers’99”,  1999. V-2. – pp. 336-338. (на английском).

2. Орощук И.М., Аксенов В.П. Технологические особенности применения десинхронизирующих имитопомех в автоматизированных системах связи. Санкт-Петербург 11.06.2001 //Международная конференция по телекоммуникациям (IEEE/ICC2001/St. Petersburg). 2001. – 4 с. //http://www.eltech.ru/icc2001spb/rus /Program.htm

3.        Орощук И.М. Новые направления радиоэлектронного поражения автоматизированных систем радиосвязи. Москва, МИФИ 28.01.2003 // Х Всероссийская научная конференция «Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы». Сборник научных трудов. 2003. – С. 138-140.

4.        Oroshchuk I. The statistical detection method of unauthorized intrusions in the Rayleigh fading channel. St. Petersburg 26.05.2002 // 1^st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications. Proceedings. 2002. –  pp. 424-427. (на английском).

5.        Орощук И.М. Метод обнаружения и фильтрации имитационных помех в Рэлеевских каналах с замираниями. // Безопасность информационных технологий. М.: МИФИ. 2002, № 3. – С. 75 - 79.

6.        Oroshchuk I.M. The filtering method of the digital radio channels by the frequency shift keying from the imitohindrances.  Moscow, Russia 12.03.2003 // 5^th International Conference «Digital signal processing and its applications». 2003. – 4 pp. (на английском).

7.        Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. М.: Связь, 1972. – 360 с.

8.        Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. – 3-е изд. – М.: Радио и связь, 1989. – 656 с.

9.        Долуханов М.П. Флуктуационные процессы при распространении радиоволн. М.: Связь, 1971. – 184 с.