ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДМИТРЕНКО Василь Степанович

УДК 621.396.275

ТЕХНОЛОГІЯ ЗАВАДОСТІЙКОГО КОДУВАННЯ ДЛЯ СИСТЕМ

АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ МОБІЛЬНИМИ ОБ'ЄКТАМИ

05.13.06 – Автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі “Радіотехнічні системи”.

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Мазурков Михайло Іванович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри “Радіотехнічні системи”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Нестеренко Сергій Анатолійович,

Одеський національний політехнічний університет,

директор інституту комп'ютерних систем,

професор кафедри “Комп'ютерні інтелектуальні

системи та мережі”,

кандидат технічних наук, доцент

Скопа Олександр Олександрович,

Одеський міжнародний гуманітарний університет,

завідувач кафедри “Комп'ютерні технології

та інформаційна безпека”.

Провідна установа Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, м. Київ

Захист відбудеться 26 жовтня 2006 р. о 13.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр-т Шевченка, 1, ауд. 400-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 25 вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Головною проблемою сучасних АСУ мобільними об’єктами є підвищення завадозахищеності інформаційних каналів управління (ІКУ), які практично завжди піддаються дії різноманітних завад природного та штучного походження, а також дії несанкціонованого доступу до команд управління. Ефективне рішення цієї проблеми передбачається шляхом розробки нових інформаційних технологій завадостійкого кодування, заснованих на сумісному застосуванні технології шумоподібних сигналів (ШПС) і технології псевдовипадкової перебудови (стрибків) робочої частоти – ППРЧ-кодів.

В даний час добре відомі переваги технології ШПС: можливість боротьби з багатопроміневістю в інформаційних каналах на основі приймачів типу Rake, можливість побудови систем з кодовим розділенням каналів – CDMA технології. Однак питання синтезу великих систем сигналів об’єму , де – база сигналу, дотепер не вирішені. У той же час, застосування найбільш привабливого класу ШПС – дискретних частотних ДЧ-сигналів з великою базою () зв'язано з труднощами технічної реалізації пристроїв їхнього формування й обробки, оскільки вимагає порядку частотних фільтрів, що занадто багато для практичної реалізації.

Відомі у теперішній час методи розширеного спектра для боротьби з навмисними завадами використовують спеціальні коди розширення спектра сигналу, проте інформаційні сигнали прості, база яких В ? 1.

Тому дослідження, направлені на вирішення задачі підвищення захисту інформаційних каналів автоматизованих систем управління мобільними об’єктами від завад природного та штучного походження та від несанкціонованого доступу до команд управління є вельми актуальними.

Дисертація виконувалася відповідно до мети та завдань підрозділу 4.3 комплексної Державної науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України “Телекомунікаційні системи й інформаційні ресурси” (Київ, 2002), а також НДР Одеського національного політехнічного університету №№ 1272-57 Внутрішньоуніверситетська), 222-57 (№ держреєстрації 0195U020021), № 257-57 (№ держреєстрації 0196U023196).

Метою роботи є підвищення зазавдозахищеності команд управління від завад природного і штучного походження та від несанкціонованого доступу шляхом розробки та дослідження інформаційної технології завадостійкого кодування каналів автоматизованих систем управління мобільними об’єктами.

Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі були розв’язані такі задачі: –

розроблено методологічні основи та принципи побудови нової інформаційної технології завадостійкого кодування для автоматизованих систем управління мобільними об'єктами на основі сумісного застосування шумоподібних сигналів – ШПС і ортогональних частотно-часових кодів псевдовипадкової перебудови робочої частоти – ППРЧ-кодів; –

вибрано та обґрунтувано критерії оцінки якості і методів оптимізації структурних і кореляційних властивостей різних класів дискретно-частотних ДЧ-сигналів і ППРЧ-кодів для побудови завадостійких інформаційних технологій в автоматизованих системах управління мобільними об’єктами; –

розроблені регулярні правила побудови ортогональних ППРЧ-кодів і оптимальних, композиційних та великих систем шумоподібних ДЧ-сигналів з добрими кореляційними властивостями на основі базових положень теорії чисел і теорії алгебраїчних полів Галуа; –

проведено аналіз характеристик завадозахищеності інформаційних каналів автоматизованих систем управління мобільними об’єктами з використанням повних класів запропонованих систем шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних ППРЧ-кодів, оцінка кількості рівнів захисту команд управління від завад природничого і штучного походження та від несанкціонованого доступу; –

розроблені принципи побудови структурних схем завадозахищених інформаційних каналів систем управління мобільними об’єктами на основі сумісного застосування повних класів запропонованих систем шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних ППРЧ-кодів; –

розроблено структурні схеми передавального і приймального пристроїв інформаційного каналу автоматизованих систем управління мобільними об'єктами, з використанням запропонованої інформаційної технології завадостійкого кодування.

Об'єкт дослідження. Процеси підвищення завадозахищеності автоматизованих систем управління мобільними об'єктами.

Предмет дослідження. Методи і правила кодування оптимальних, композиційних і великих систем шумоподібних дискретно-частотних сигналів та ортогональних ППРЧ-кодів для підвищення завадозахищеності інформаційних каналів автоматизованих систем управління мобільними об'єктами.

Методи дослідження. Методи теорії алгебраїчних полів Галуа і теорії чисел дозволили розробити регулярні алгоритми синтезу оптимальних, композиційних і великих систем ДЧ-сигналів, розкрити алгебраїчну структуру частотно-часової циклічності ДЧ-сигналів. При розгляді питань захисту інформаційних каналів систем управління від завад використано основні положення теорії потенційної завадостійкості. Метод математичного моделювання дозволив розкрити і вивчити структурні властивості частотно-часових кодів і кодованих ДЧ-сигналів, а також підтвердити результати теоретичних досліджень. При розробці методу прийому широко використані методи і алгоритми цифрової обробки сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розвитку та поглибленні теоретичних та методологічних основ інформаційних методів завадостійкого кодування для систем автоматизованого управління мобільними об'єктами. Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:

. – одержали подальший розвиток методологічні основи та принципи побудови технології завадостійкого кодування для інформаційних каналів автоматизованих систем управління мобільними об'єктами, які полягають у сумісному застосуванні запропонованих повних класів шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних кодів псевдовипадкової перебудови робочої частоти – ППРЧ-кодів; –

вперше розроблені правила побудови повних класів оптимальних систем шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних ППРЧ-кодів, які відрізняються врахуванням властивостей часової та частотної циклічності арифметичних таблиць множення елементів в простих і розширених полях Галуа;–

вперше доведено аналітично твердження про існування мінімаксних композиційних систем ДЧ-сигналів над довільними простими полями Галуа і побудовано каталоги параметрів композиційних систем ДЧ-сигналів; –

одержало подальший розвиток питання розробки регулярних методів і правил побудови композиційних систем ДЧ-сигналів на основі властивостей розширених полів Галуа , ; –

вперше запропоновано метод побудови великих систем ДЧ-сигналів об’єму значно більшого, ніж база сигналу, на основі знайдених правил об'єднання композиційних систем, і встановлено, що параметри великих систем істотно залежать від ступеня факторизації мультиплікативного порядку алгебраїчного поля: factor(p-1), або factor(q-1); при цьому, чим менше рівень факторизації, тим кращі параметри має велика система ДЧ-сигналів; –

вперше розроблено метод оцінювання ефективності великих систем ДЧ-сигналів на основі узагальненого коефіцієнту завадостійкості.

Практичне значення отриманих результатів. Використання розробленої комбінованої технології завадостійкого кодування на основі сумісного застосування повних класів систем шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних ППРЧ-кодів дозволяє суттєво ( разів) підвищити завадозахищеність інформаційних каналів АСУ мобільними об’єктами від завад природного і штучного походження та від несанкціонованого доступу до команд управління. Розроблено математичне забезпечення моделювання і дослідження кореляційних властивостей запропонованих оптимальних, композиційних і великих систем ДЧ-сигналів і побудовані каталоги параметрів цих сигналів.

Побудовано структурні моделі передавального та приймального пристроїв інформаційного каналу управління (ІКУ) на прикладі АСУ літальними апаратами з використанням запропонованої технології передавання команд управління за методом: TDM-CDMA-FFH – часове розділення каналів у рамках кожного ІКУ, кодове ущільнення сигналів різних ІКУ, швидкі стрибки робочої частоти. Розроблені моделі двоетапного демодулятора інформаційного каналу при поелементному прийомі циклічних за частотою ДЧ-сигналів. Запропонований алгоритм максимально правдоподібного декодування на основі мажоритарної схеми в раз ефективніше табличного методу декодування, де – довжина ДЧ-сигнала. Розроблено економічну модель оптимального демодулятора інформаційного каналу при методі прийому в цілому циклічних за часом ДЧ-сигналів, що заснований на алгоритмі ковзного кореляційного декодування. Це дозволило застосувати одноканальний фільтр замість класичного N-канального фільтра розрізнення сигналів, тобто в N раз скоротити необхідний об'єм обладнання. Практичне випробування технології завадостійкого кодування каналів АСУ літального пристрою в Науково-дослідному технологічному інституті “ТЕМП” дозволило підвищити завадостійкість команд від завад штучного та природного походження у 2,4 рази.

Впровадження регулярних методів та програмних продуктів синтезу оптимальних, композиційних та великих систем ДЧ-сигналів, а також алгоритмів побудови і економічних схем демодуляторів циклічних за часом та частотою ДЧ-сигналів в дослідно-конструкторських роботах підприємства СКБ “МОЛНІЯ”, та в установі СПКБ “ДИСКРЕТ” (м. Одеса) підтвердило висновки про суттєве скорочення апаратного забезпечення АСУ. Основні результати дисертаційної роботи впроваджені також в навчальний процес ОНПУ.

Особистий внесок здобувача полягає в розвитку методологічних основ побудови завадозахищених інформаційних каналів АСУ, у розробці методів побудови нових класів оптимальних, композиційних і великих систем ДЧ-сигналів з добрими кореляційними властивостями [1 – 3, 5, 6, 11, 16, 17]; у розробці програм математичного моделювання і дослідженні кореляційних властивостей оптимальних, композиційних і великих систем ДЧ-сигналов і побудові каталогів композиційних систем ДЧ-сигналів [4, 12 – 15]; у розробці алгоритмів роботи та економічних схем демодуляторів інформаційних каналів [8].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на п'ятій міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні і електронні технології” (Одеса, 2004), міжнародній технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “РТ-2005” (Севастополь, 2005), шостій міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні і електронні технології” (Одеса, 2005), а також на наукових та науково-методичних семінарах кафедри “Радіотехнічні системи” ОНПУ (Одеса, 2003 – 2005).

Публікації. Результати дисертації викладені в 17 публікаціях, з них 6 статей у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, та 11 матеріалів конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, семи додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 183 сторінок, з яких 149 сторінок основного тексту. Дисертація містить 5 сторінок з таблицями, 6 сторінок з рисунками та посилання до 140 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, що підкреслює її актуальність, відповідність науковим програмам, наукову новизну і практичне значення; визначені об'єкт і предмет дослідження, сформульовані його мета і задачі.

У першому розділі встановлено, що сучасний етап розвитку АСУ характеризується ускладненням задач теорії автоматизованого управління в зв'язку з переходом від управління окремими об'єктами до одночасного управління великою кількістю об'єктів, або великою кількістю параметрів одного об'єкта, за умови впливу різного роду завад, шумів і збурень, як це показано в якості приклада на рис. 1.

Рис. 1. Узагальнена схема автоматизованої системи управління

мобільними об'єктами (ЛА – літальний апарат)

В загальному випадку задача синтезу АСУ з заданими показниками якості роботи поєднана з необхідністю рішення багатьох задач, таких як збір керуючої інформації; кодування інформації; вивчення властивостей сигналів, що несуть інформацію; синтез ансамблів сигналів із заданими структурними і кореляційними властивостями; підвищення завадозахищеності інформаційних каналів АСУ – захист інформації від штучних (навмисних) завад та несанкціонованого доступу; рішення питань формування й оптимальної обробки сигналів в умовах комплексу завад; дослідження запасів стійкості АСУ і точності її роботи, рішення питань корекції АСУ.

АСУ мобільними об'єктами характеризуються принциповою рисою, яка полягає в тому, що в замкнутій структурній схемі системи управління завжди присутні відкриті ланки – радіолінії передавання команд управління (РЛК), на входи яких завжди впливають різного роду завади і шуми. Аналіз роботи АСУ мобільними об'єктами показав, що основні чинники похибок управління мають наступні особливості.

1. Завади природничого походження, такі як шуми електронних пристроїв формування, передачі та обробки сигналів команд управління.

2. Шуми середовища розповсюдження сигналів, та, в першу чергу, багатопроміневістю розповсюдження сигналів команд управління.

3. Інші системи управління мобільними об'єктами, що діють майже в тому діапазоні частот, становлять проблему електромагнітної сумісності.

4. Завади штучного походження від систем навмисного зруйнування інформації, подавлення або перехвату сигналу управління. Штучні завади класифікують так: завади на одній частоті (несучій), широкосмугові завади, прицільні та ретрансляційні завади.

5. Несанкціонований доступ до команд управління та навмисне формування фальшивих команд управління.

У другому розділі вводяться визначення і позначення прийнятих у роботі базових положень теорії чисел і теорії простих алгебраїчних полів Галуа і на цій основі досліджуються властивості повних систем ненульових лишків (ПСНЛ) над полем , для побудови ортогональних частотно-часових кодів і оптимальних систем ДЧ-сигналів.

Припустимо, що вектор – ПСНЛ над полем , і – первісний елемент. За побудовою вектор може бути або лінійною, або нелінійною рекурентною послідовністю максимального періоду, тобто МЛРП або МНРП.

Властивість 2.1. Якщо вектор – МЛРП над полем і елемент такий, що , то вектор – та ж МЛРП, але циклічно зсунута вліво на кількість елементів, що дорівнює значенню індексові , де .

Властивість 2.2. Якщо вектор – МНРП над , і елемент такий, що (,) = 1, то вектор теж МНРП, координати якого мають, взагалі говорячи, інший порядок проходження (іншу структуру).

Твердження 2.1. Арифметична таблиця множення порядку в полі являє собою матрицю-циркулянт, якщо, на гранях цієї таблиці розташована та ж сама МЛРП.

З твердження 2.1 випливає аналітична форма представлення матриці-циркулянта над полем

, (1)

де – довільний первісний елемент . З визначення арифметичної таблиці множення (1) безпосередньо встановлюємо справедливість наступних тверджень:

Твердження 2.2. Матриця є симетричною, оскільки .

Твердження 2.3. Матриця є циркулянтом, оскільки множення в полі рядка на елемент еквівалентно циклічному зсуву цього рядка.

Твердження 2.4. Довільна пара рядків (стовпців) матриці не має збігів, оскільки МЛРП є окремим випадком ПСНЛ.

Твердження 2.5. Арифметична таблиця множення довільного поля є в цьому полі ортогональним циркулянтом.

Твердження 2.6. Арифметична таблиця множення в поле , із гранями на основі довільної ПСНЛ, завжди є ортогональною в цьому полі, як за рядками, так і за стовпцями.

Твердження 2.7. Об'єм W повної множини попарно різних ортогональних матриць у полі визначається факторіальним співвідношенням

(2)

Означення 2.1. Ортогональний блоковий код над полем , довжини і потужності , будемо називати частотно-часовим -кодом, якщо кожне його кодове слово будується за правилом:

, , , (3)

де – задана опорна ПСНЛ (з об'єму ) з фіксованим першим елементом .

Таблиця 1

Приклади -кодів над полем

= | 1 3 2 6 4 5

3 2 6 4 5 1

2 6 4 5 1 3

6 4 5 1 3 2

4 5 1 3 2 6

5 1 3 2 6 4 | = | 1 2 3 4 5 6

2 4 6 1 3 5

3 6 2 5 1 4

4 1 5 2 6 3

5 3 1 6 4 2

6 5 4 3 2 1

Запропоноване регулярне правило побудови повного класу оптимальних систем ДЧ-сигналів представимо у вигляді низки процедур, і позначимо його як

Правило П.2.1

Крок 1. Для заданої довжини ДЧ-сигналу , де – характеристика поля , побудувати узагальнену конструкцію , порядку , у символьному виді, як це показано нижче, коли , а

.

Крок 2. Побудувати повний клас ПСНЛ-векторів , що породжують М-код,

Крок 3. Зробити заміну символів (букв) в узагальненій конструкції на відповідні (за номером позиції) числа послідовно для кожного вектора , що породжує, , як це символічно показано нижче для :

, (4)

де – довільна ПСНЛ з числа Кожен рядок усіх побудованих матриць є частотно-кодувальною послідовністю – ЧКП, при цьому кожна система ДЧ-сигналів має властивість не більш одного збігу , тобто є оптимальною.

Третій розділ присвячено розробці регулярних алгоритмів побудови оптимальних систем ДЧ-сигналів над розширеними полями Галуа , . Проведено обґрунтування вибору форми представлення елементів розширених полів Галуа. Так, в роботі кожному елементові поставлено у взаємно однозначну відповідність ( ) ціле десяткове число за правилом

, , (5)

де прийнято , а – вектор-стовпець координат елементів , як це зроблено, наприклад, у табл. 2, коли первісний поліном .

Таблиця 2

Різні форми представлення елементів розширеного поля

Загальне правило формування МЛРП над полем представимо так:

, , . (6)

Розроблено регулярні правила побудови оптимальних систем ДЧ-сигналів на основі М-послідовностей та N-послідовностей у розширених полях Галуа.

Означення 3.1. Частотно-часовим кодом, або скорочено -кодом над полем , , назвемо множину кодових слів, кожне з яких визначається за правилом

, , (7)

для кожного , де , або , , , а – слід елемента поля.

Означення 3.2. Частотно-часовим кодом, або скорочено -кодом над полем , , назвемо множину таких кодових слів, кожне з яких визначається за правилом

, , (8)

для кожного , де , або , .

Означення 3.3. Частотно-часовим кодом на основі всіх автоморфізмів розширеного поля , або скорочено автоморфним -кодом, назвемо множину кодових слів, обумовлених правилом

, , , (9)

де після обчислень за подвійним модулем кожному елементові поставлено у взаємно однозначну відповідність ціле десяткове число: , як це зроблено у формулі (8).

Означення 3.4. Частотно-часовим кодом на основі методу децимації довільної N-послідовності, або скорочено -кодом, назвемо множину кодових слів обумовлених правилом

, . (10)

де послідовність , що отримана з вибіркою di-х членів, , , є результатом децимації довільної N-послідовності за індексом d.

Доведено, що кожен код за означеннями 3.1 – 3.4 має властивість не більш як одного збігу – , та дозволяє побудувати повний клас оптимальних систем ДЧ-сигналів.

У четвертому розділі розроблені правила побудови композиційних та великих систем ДЧ-сигналів істотно більшого об'єму: . Основний принцип побудови великих систем сигналів полягає в об'єднанні (композиції) ряду оптимальних систем, побудованих за різними правилами (7–10).

Композиційним кодом над простим полем Галуа називають множину кодових слів, кожне з яких визначається за правилом

, , (11)

де , , .

Твердження 4.1. Над довільним полем простої характеристики завжди існує мінімаксна композиційна система ДЧ-сигналів без повторення частот з параметрами: – довжина сигналу, – потужність системи, – параметр взаємної кореляції, якщо - код (11) побудований на основі степеневих лишків ступеня .

Твердження 4.2. Параметр взаємної кореляції між сигналами довільних двох композиційних систем на основі лишків, відповідно, ступеня і , залежить від обраних значень , а також параметра взаємної кореляції сигналів у рамках однієї композиційної системи на основі лишків ступеня , що скорочено представляється співвідношенням

, . (12)

Ясно, що в розширених полях , , суттєво більший асортимент різних алгебраїчних конструкцій, що дозволяє запропонувати ряд регулярних правил побудови великих систем ДЧ-сигналів. Представимо основне з таких правил.

Означення 4.1. Узагальненим багато параметричним частотно-часовим кодом над розширеним полем Галуа , , або скорочено -кодом, будемо називати множину кодових слів, кожне з яких визначається за правилом

, , (13)

де: , , – множина первісних коренів поля , ; ; ; ; – характеристика поля; – одне з правил перетворення як у (8); при цьому всі арифметичні операції над елементами поля у формі десяткових чисел здійснюються за подвійним модулем .

З прийнятого означення (13) випливає, що -код є 8-ми параметричним кодом, і його властивості залежать від вибору діапазону значень цих параметрів: . Модельним експериментом встановлено, що найбільш практично привабливими виявилися класи композиційних кодів над розширеними полями Галуа.

Означення 4.2. Композиційним кодом над полем , , будемо називати множину кодових слів, обумовлених правилом

, , (14)

для всіх , , і фіксованого полінома .

Дослідження показали, що кореляційні властивості композиційних -кодів у цілому трохи гірші у порівнянні з кореляційними властивостями відповідних -кодів над простими полями Галуа . Однак принципово важливо враховувати й інші властивості порівнюваних кодів, тобто можливість побудови великих систем ДЧ-сигналів з добрими кореляційними властивостями. Порівняльний аналіз основних параметрів великих систем ДЧ-сигналів однакової довжини , побудованих, відповідно, на основі -коду, над простим полем , і на основі -коду над розширеним полем , проведено у табл. 3, де прийняті позначення: – потужність композиційної системи, – максимальна потужність великої системи, – максимальне значення параметра взаємної кореляції системи ДЧ-сигналів.

Таблиця 3

Параметри великих однорідних систем ДЧ-сигналів довжини

над простим полем і над розширеним полем

Тип

кодів | Довжина |

Число частот

-коди |

31 | 31

-коди |

31 | 32

При побудові табл. 3 враховано, що для -коду максимальної потужності множина лишків , де для кожного значення величина найбільшого спільного дільника – н.с.д.; а для -коду максимальної потужності множина лишків

,

де для кожного значення величина н.с.д. .

П'ятий розділ присвячено розробці принципів побудови структурних моделей завадозахищених інформаційних каналів систем управління мобільними об’єктами, на основі сумісного застосування повних класів запропонованих систем шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних ППРЧ-кодів.

На рис. 2 а представлена структурна схема передавальної частини інформаційного каналу управління (ІКУ) загальної схеми АСУ (рис. 1). Загальна синхронізація схеми ІКУ здійснюється за допомогою генератора тактових імпульсів ГТІ. Передача імпульсу СІ і передача команд управління , , здійснюється за принципом часового розділення каналів – TDM. Передбачається, що команди управління КУ (електричні напруги) мають приблизно однакові параметри: верхню граничну частоту , і динамічний діапазон значень від 1 до .

Приймемо, що інформаційна модуляція здійснюється за допомогою оптимальної системи циклічних за частотою ДЧ-сигналів, наприклад, з (8) над полем знаходимо:

, (15)

Рис. 2. Передавальна частина завадозахищеного інформаційного каналу управління – ІКУ: а) – структурна схема ІКУ; б) – кадрова структура циклу; в) – багатоканальна технологія

передавання TDM-CDMA-FFH на частотно-часовій площині.

де об’єм системи . Сигнал , з нульовим зсувом по частоті (), обраний як сигнал кадрової синхронізації. Цей же сигнал є опорним сигналом при побудові модулятора і демодулятора ІКУ. На третьому етапі перетворення реалізується технологія псевдовипадкової перебудови робочої частоти – ППРЧ, протокол 802.11 FHSS, за допомогою генератора довгої псевдовипадкової послідовності ГПВП і синтезатора частот. Кадрова структура одного циклу роботи передавальної частини РЛК представлена на рис. 2 б.

Сутність прийнятої технології FDM-CDMA-FH та її принципові відмінності від дискретних складених частотних сигналів ДСЧ-ЧМ докладно представлені на частотно-часовій площині за допомогою рис. 2,в, для випадку, коли система ШПС визначена в (15). Стрибки за частотою формуються за законом довгої ПВП/SS, що побудована за одним з раніш розглянутих правил лінійного або нелінійного кодування над алфавітом об'єму . На схемі рис. 2,в значення параметра . Отже, повний частотний діапазон , виділений для роботи АСУ, розбивається на число частотних каналів

, (16)

де – ширина спектра кожного ДЧ-сигналу. Структурна схема приймальної частини ІКУ представлена на рис. 3. В роботі передбачається, що синхронізація приймальної частини ІКУ здійснюється на основі одного з відомих методів синхронізації в технологіях FHSS і DSSS.

Рис. 3. Структурна схема приймальної частини ІКУ на основі інформаційної

технології TDM-CDMA-FFH/SS.

Селектор синхроімпульсу (СІ) виділяє опорний сигнал і на цій основі здійснює часове розділення каналів управління КУi, . У загальному випадку, інформаційний демодулятор ШПС вирішує задачу оптимального розрізнення сигналів , , за критерієм максимальної правдоподібності і являє собою схему багатоканального пристрою. Однак, з огляду на то, що робочі ансамблі ШПС є циклічними за частотою сигналами, демодулятор поелементного приймання ШПС вдалося побудувати за схемою одноканального фільтра і мажоритарного пристрою максимально правдоподібного оцінювання значення параметра – величини циклічного зсуву. Для випадку, коли система ДЧ-сигналів є циклічною за часом в роботі побудована економічна схема демодулятора приймання у цілому на основі алгоритму ковзного кореляційного декодування. З аналізу представленої технології випливає, що дана система відноситься до технології зі швидкою перебудовою частоти (fast-frequency hopping – FFH). Отже, цей клас систем дозволяє також ефективно вести захист від постановника ретрансляційних завад.

Узагальнений коефіцієнт розширення спектра сигналу можна записати в наступному вигляді

, (17)

де параметр визначає кількість частотних каналів для здійснення стрибків робочої частоти.

Оцінка для числа рівнів захисту інформації від несанкціонованого доступу представляється у вигляді добутку факторіалів

, (18)

де і – характеристики відповідних полів Галуа, – степінь первісного полінома для побудови повного класу лінійних і нелінійних оптимальних систем ДЧ-сигналів, – степінь первісного полінома для побудови повної множини довгих кодових послідовностей стрибків частоти ПВП/SS.

Таким чином, запропонована інформаційна технологія дозволяє підвищити кількість рівнів захисту команд управління в інформаційних каналах АСУ від несанкціонованого доступу у разів.

Практичне випробування технології завадостійкого кодування каналів АСУ літального пристрою в Науково-дослідному технологічному інституті “ТЕМП” дозволило підвищити завадостійкість команд від завад штучного та природного походження у 2,4 рази.

ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі розв’язана наукова задача розробки методологічних основ і фізичних принципів побудови нової технології завадостійкого кодування для інформаційних каналів автоматизованих систем управління мобільними об'єктами, що заснована на сумісному застосуванні запропонованих повних класів шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних кодів псевдовипадкової перебудови робочої частоти – ППРЧ-кодів.

2. Установлено, що число рівнів захисту запропонованої технології завадостійкого кодування від несанкціонованого доступу до команд управління визначається факторіальним добутком, тобто забезпечується можливість практично реалізувати потрібний високий рівень захисту команд управління від несанкціонованого доступу.

3. Розроблено низка нових правил побудови повних класів оптимальних систем шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних ППРЧ-кодів, на підставі проведеного дослідження алгебраїчної структури повних систем ненульових лишків і урахування властивостей часової та частотної циклічності арифметичних таблиць множення елементів в простих і розширених полях Галуа.

4. Доведено аналітично твердження про існування мінімаксних композиційних систем ДЧ-сигналів над довільними простими полями Галуа , і побудовано каталоги параметрів композиційних систем ДЧ-сигналів. Цей результат істотно доповнює теорію систем ДЧ-сигналів, оскільки простих чисел нескінченна множина.

5. Вперше запропоновано метод побудови великих систем ДЧ-сигналів, об’єму значно більшого ніж база сигналу, на основі знайдених правил об'єднання композиційних систем, і встановлено, що параметри великих систем істотно залежать від ступеня факторизації мультиплікативного порядку алгебраїчного поля: factor(p-1), або factor(q-1). При цьому, чим менше рівень факторизації, тим кращими параметрами володіє велика система ДЧ-сигналів.

6. Досліджено характеристики завадостійкості та ефективності запропонованих великих систем шумоподібних ДЧ-сигналів і показано практично привабливий характер обміну між збільшенням об’єму сигналів в системі і погіршенням їхніх взаємокореляційних властивостей.

7. Побудовано структурні схеми передавального і приймального пристроїв завадозахищеного інформаційного каналу управління (ІКУ), на прикладі автоматизованої системи управління літальними апаратами, з використанням запропонованої багатоканальної технології передавання команд управління: TDM-CDMA-FFH – часове ущільнення (розділення) каналів у рамках кожного ІКУ, кодове ущільнення сигналів різних ІКУ, швидкі стрибки робочої частоти.

8. Розроблено економічну (за обсягом обладнання) схему двохетапного демодулятора інформаційного каналу управління при по елементному методу приймання циклічних по частоті ДЧ-сигналів. Запропонований алгоритм максимально-правдоподібного декодування на основі мажоритарної схеми в разів ефективніше табличного методу декодування, де N довжина ДЧ-сигналу.

9. Розроблено економічну схему оптимального демодулятора інформаційного каналу при методі приймання в цілому циклічних за часом ДЧ-сигналів, що заснована на алгоритмі ковзного кореляційного декодування. Це дозволило застосувати одноканальний фільтр замість класичного N-канального, тобто в N разів скоротити необхідний обсяг обладнання.

10. Практичне випробування технології завадостійкого кодування каналів АСУ літального пристрою в Науково-дослідному технологічному інституті “ТЕМП” дозволило підвищити завадостійкість команд від завад штучного та природного походження у 2,4 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Класс оптимальных систем ДЧ-сигналов на основе М-последовательностей в расширенных полях Галуа // Радиоэлектроника. – 2004.– № 12. – С. 17 20.

2. Дмитренко В.С. Класс оптимальных систем ДЧ-сигналов на основе нумераторов упорядоченных элементов расширенных полей Галуа // Тр. Одесск. политехн. ун-та. – 2004.– Вып. 2 (12). С. 186 – 189.

3. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Полные классы оптимальных систем ДЧ-сигналов на основе автоморфизмов расширенных полей Галуа // Праці УНДІРТ, 2004. – № 3(39). – С. 49 52.

4. Мазурков М.И., Дмитренко В.С., Конопака Е.А. Эффективный алгоритм нахождения первообразных неприводимых полиномов // Праці УНДІРТ, 2005. – № 1(41). – С. 53 – 62.

5. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Регулярное правило построения полных классов оптимальных систем ДЧ-сигналов на основе метода децимации // Радиоэлектроника. 2005. – № 2. – С. 49 54.

6. Мазурков М.И., Дмитренко В.С, Бойко Г.И. Объем и свойства оптимальных систем ДЧ-сигналов факторизуемых длин // Труды Одесск. политехн. ун-та. – 2005.– Вып. 3 (11). – С. 186 190.

7. Дмитренко В.С. Семейство Q-ичных ортогональных кодов на основе полных систем ненулевых вычетов // Материалы пятой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2004. – С. 152.

8. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Скользящее корреляционное декодирование Q-ичных циклических частотно-временных кодов // Материалы пятой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ 2004. – С. 35.

9. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Метод построения нормальных систем ДЧ-сигналов над расширенными полями Галуа // Материалы пятой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2004. – С. 36.

10. Бойко Г.И., Дмитренко В.С. Оптимальные и составные системы ДЧ-сигналов факторизуемых длин // Материалы международной технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “РТ-2005”. – Севастополь, 2005.– С. 5.

11. Дмитренко В.С. Композиционные системы ДЧ-сигналов на основе автоморфизмов расширенных полей Галуа // Материалы международной технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “РТ-2005”. – Севастополь, 2005. – С. 73.

12. Дмитренко В.С., Конопака Е.А. Полные множества первообразных неприводимых полиномов // Материалы технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “РТ-2005”. – Севастополь, 2005. – С. 74.

13. Дмитренко В.С., Конопака Е.А. Весовые спектры полных множеств первообразных неприводимых полиномов над простыми полями Галуа. – Материалы шестой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2005. – С. 181.

14. Дмитренко В.С. Методика оценки эффективности больших систем дискретно-частотных сигналов // Материалы шестой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2005. – С. 86.

15. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Свойства композиционных систем дискретно-частотных сигналов // Материалы шестой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2005. – С. 88.

16. Мазурков М.И., Дмитренко В.С. Большие системы дискретных частотных сигналов на основе объединения композиционных систем // Материалы шестой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2005. – С. 89.

17. Дмитренко В.С., Бойко Г. И. Составные системы дискретных частотных сигналов факторизуемых длин // Материалы шестой научно-практической конференции “СИЭТ”. – Одесса: ОНПУ, 2005. – С. 95.

Дмитренко В. С. Технологія завадостійкого кодування для систем автоматизованого управління мобільними об'єктами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

Дисертація присвячена розробці принципів побудови технології завадостійкого кодування для інформаційних каналів АСУ мобільними об'єктами, що заснована на сумісному застосуванні запропонованих повних класів шумоподібних ДЧ-сигналів і ортогональних кодів псевдовипадкової перебудови робочої частоти – ППРЧ-кодів, що дозволяє суттєво підвищити завадозахищеність інформаційних каналів АСУ мобільними об’єктами. Побудовано регулярні методи синтезу нових класів оптимальних, композиційних та великих систем ДЧ-сигналів, що базуються на урахуванні алгебраїчної та мультиплікативної структури простих та розширених полів Галуа. Обґрунтовано фізичні принципи побудови структурної схеми інформаційного каналу управління (ІКУ), що реалізує запропоновану технологію передавання команд управління: TDM-CDMA-FFH – часове розділення каналів у рамках кожного ІКУ, кодове ущільнення сигналів різних ІКУ, швидкі стрибки робочої частоти.

Ключові слова: автоматизовані системи управління, мобільні об’єкти, інформаційні канали, завадозахищеність, шумоподібні ДЧ-сигнали, технологія завадостійкого кодування.

Dmitrenko V.S. Technology of noise-resistant coding for mobile objects automated management systems. – Manuscript.

The dissertation seeking scientific degree of candidate of technical science in speciality 05.13.06 – Automated control systems and progressive information technologies. – Odessa national polytechnic university, Odessa, 2006.

The dissertation is devoted to the development principles of new technology creation in noise-resistant coding for mobile objects automated control systems information channels, based on joint application of offered full classes' complicated systems of DF-signals and orthogonal codes operational frequency of pseudo-random reorganization-PROF-codes. The regular methods of optimum new classes synthesis, composite and large systems of DF-signals are constructed based on the account of algebraic and multiplication structure of simple and extended fields the Galois. The physical principles of information control channel (ICC) block diagram construction by a flight vehicle are substantiated. The ICC block diagram constructed by a flight vehicle realizes the proposed technology of management commands transfer: TDM-CDMA-FFH – temporary separation of channels within each ICC framework, code iterating of different ICC signals, operational frequency rapid breaks.

Key words: automated control systems, mobile objects, information channels, noise stability, complicated DF-signals, technology of noise-resistant coding.

Дмитренко В.С. Технология помехоустойчивого кодирования для систем автоматизированного управления мобильными объектами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – Автоматизированные системы управления и прогрес-сивные информационные технологии. – Одесский национальный политехничес-кий университет, Одесса, 2006.

Диссертация посвящена разработке принципов построения новой технологии помехоустойчивого кодирования для информационных каналов автоматизированных систем управления мобильными объектами, которая основана на совместном применении предложенных полных классов шумоподобных дискретных частотных сигналов – ДЧ-сигналов и ортогональных кодов псевдослучайной перестройки рабочей частоты – ППРЧ-кодов.

Построены регулярные методы синтеза новых классов оптимальных, компо-зиционных и больших систем ДЧ-сигналов, которые базируются на учете алгебраической и мультипликативной структуры простых и расширенных полей Галуа , . Проведены исследования алгебраических свойств пол-ных систем ненулевых вычетов (ПСНВ) над простыми полями Галуа, т.е. – всех видов линейных МЛРП и всех видов нелинейных МНРП. Разработаны пра-вила построения и исследованы структурные свойства арифметических таблиц умножения в полях Галуа – как важнейших алгебраических конструкций для построения новых классов ортогональных -ичных кодов и шумоподобных ДЧ-сигналов и установлено:

Целью работы является повышение помехозащищенности команд управления от помех естественного и искусственного происхождения и от несанкционированного доступа путем разработки и исследования информационной технологии помехоустойчивого кодирования каналов АСУ мобильными объектами.

Для достижения этой цели в диссертационной работе были разработаны методологические основы и принципы построения новой информационной технологии помехоустойчивого кодирования для АСУ мобильными объектами на основе совместного применения шумоподобних сигналов и ортогональных частотно-временных кодов псевдослучайной перестройки рабочей частоты; выбраны и обоснованы критерии оценки качества и методов оптимизации структурных и корреляционных свойств разных классов дискретно-частотных сигналов и ППРЧ-кодов для построения помехоустойчивых информационных технологий в АСУ мобильными объектами; разработаны регулярные правила построения ортогональных ППРЧ-кодов и оптимальных, композиционных и больших систем шумоподобних сигналів с хорошими корреляционными свойствами на основе базовых положений теории чисел и теории алгебраических полей Галуа; выполнен анализ характеристик помехозащищенности информационных каналов АСУ мобильными объектами с использованием полных классов предложенных систем, оценка количества уровней защиты команд управления от помех естественного и искусственного происхождения и от несанкционированного доступа; разработаны принципы построения структурных схем помехозащищенных информационных каналов систем управления.

Научная новизна полученных результатов заключается в развитии и углублении теоретических и методологических основ информационных методов помехоустойчивого кодирования для систем автоматизированного управления мобильными объектами. Получили дальнейшее развитие методологические основы и принципы построения технологии помехоустойчивого кодирования для информационных каналов АСУ мобильными объектами; разработаны правила построения полных классов оптимальных систем шумоподобних сигналов и ортогональных кодов, которые отличаются учетом свойств временной и частотной цикличности арифметических таблиц умножения элементов в простых и расширенных полях Галуа; доказано аналитически утверждение о существовании минимаксних композиционных систем ДЧ-сигналов над произвольными простыми полями Галуа и построены каталоги параметров композиционных систем ДЧ-сигналов; предложен метод построения больших систем ДЧ-сигналов объема значительно большего, чем база сигнала, на основе найденных правил объединения композиционных систем, и установлено, что параметры больших систем существенным образом зависят от степени факторизации мультипликативного порядка алгебраического поля: factor(p-1), или factor(q-1); при этом, чем меньше уровень факторизации, тем лучшие параметры имеет большая система ДЧ-сигналов; разработан метод оценивания эффективности больших систем ДЧ-сигналов.

Использование разработанной комбинированной технологии помехоустойчивого кодирования позволяет существенно ( раз) повысить помехозащищенность информационных каналов АСУ мобильными объектами от помех естественного и искусственного происхождения и от несанкционированного доступа к командам управления. Разработано математическое обеспечение моделирования и исследования корреляционных свойств предложенных оптимальных, композиционных и больших систем ДЧ-сигналов и построены каталоги параметров этих сигналов.

Разработанные модели двухэтапного демодулятора информационного канала при поэлементном приеме циклических по частоте ДЧ-сигналов. Предложенный алгоритм максимально правдоподобного декодирования на основе мажоритарной схемы в раз эффективнее табличного метода декодирования, где – длина ДЧ-сигнала. Это позволило применить одноканальный