CC BY
64
УДК 004.056:621.391
А. П. Иванов
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛОВ В МНОГОЛУЧЕВЫХ КАНАЛАХ
Аннотация. Рассмотрен алгоритм обеспечения целостности сигналов в полосовом тракте устройства преобразования сигналов в условиях многолучевости. Приведены результаты исследования разработанного алгоритма обеспечения целостности сигналов в многолучевых каналах.
Ключевые слова: целостность сигналов, защита информации, многолучевой канал.
В настоящее время проблемам обеспечения безопасности функционирования телекоммуникационных систем (ТКС) уделяется много внимания [1, 2]. Комплекс технических средств и организационных решений по защите информации в ТКС условно подразделяется на четыре составляющие [3], одной из которых является целостность информации как способность ТКС обеспечивать неизменность информации в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. В радиоканалах к их числу относятся искажения комплексной частотной характеристики, вызванные многолучевостью, приводящие во временной области к межсимвольным искажениям.
Так как в ТКС для передачи информации с помощью устройств преобразования сигналов (УПС) по радиоканалам применяются электрические сигналы [4], то на физическом уровне под целостностью информации следует рассматривать целостность аналоговых сигналов в полосовом тракте приемного УПС. Под целостностью сигналов в полосовом тракте УПС предлагается понимать отсутствие искажений сигналов (отклонений сигнала от идеальной формы) в такой степени, в какой это не препятствует безошибочному демодулированию принимаемых сигналов [5].
Целью данной работы является исследование алгоритма обеспечения целостности сигналов УПС при воздействии на них только многолучевости.
При априорно известной импульсной характеристике радиоканала возможен следующий подход к построению устройства обеспечения целостности (восстановления формы) сигналов:
1) посредством тестирования радиоканала определяется его импульсная характеристика h(t);
2) на выходе канала в качестве корректора фазо-частотной характеристики (ФЧХ) включается фильтр (фазовый корректор (ФК)), согласованный с сигналом h(t). В результате итоговая ФЧХ системы «канал-ФК» является строго линейной [5]. Однако включение предложенного ФК приводит к увеличению влияния неравномерности амплитудночастотной характеристики (АЧХ) канала \H(/q)\, поскольку при этом значения АЧХ квадратируются. Для устранения возросшего влияния неравномерности АЧХ был разработан итерационный амплитудный корректор (АК), осуществляющий коррекцию АЧХ.
АК также представляет собой фильтр, коэффициенты которого определяются методом последовательных приближений к импульсной характеристике «идеального» канала
(вектор-эталон ho ) - полосового фильтра с прямоугольной частотной характеристикой.
АК и ФК можно соединить двумя способами: сначала ФК, а затем АК, и наоборот. Сущность предлагаемого подхода обеспечения целостности сигналов при первом способе соединения двух корректоров рассмотрена в [5].
128
Техника, технология, управление
В данной работе рассмотрим алгоритм обеспечения целостности сигналов при втором способе соединения двух корректоров, который показан рис. 1. Сущность предлагаемого подхода обеспечения целостности сигналов при втором способе соединения АК и ФК заключается в следующем.
Рис. 1. Схема коррекции характеристик канала
Выделение импульсной характеристики канала и фиксация ее отсчетов в ОЗУ производится согласно процедуре, описанной в [5].
В каждой итерации на вход АК с выхода ОЗУ последовательно во времени подается
вектор отсчетов импульсной характеристики канала Икс, а на вход ФК (также последовательно во времени) подается отклик АК Икс-ак. Длины h кс и Иак равны соответственно N и 2N - 1. Количество элементов, входящих в состав вектора Икс-ак, представляющего
о о о о 7 7 Г'
результат линейной свертки последовательностей конечной длины Икс и Иак , будет равно 3N — 2 [6] ТЮ. Икс-ак = [Икс-ак(О) Икс-ак(1) •■•, hкс-ак(3N — 3)].
С целью уменьшения вычислительной сложности необходимо осуществить «усечение» вектора Икс-ак, заключающегося в отбрасывании (N - 1) его крайних левых и (N - 1) крайних правых элементов. Обозначим усеченный вектор отклика системы «канал-АК»
г ус
как Икс-ак .
г-й коэффициент ФК можно определить выражением
Ифк(0 = Ис-ак (N - г). (1)
Установка определенных в соответствии с (1) коэффициентов ФК осуществляется посредством узла УУ ФК в каждой итерации.
Для описания процесса настройки корректора в матричной форме введем в рассмотрение матрицу Нкс-ак размером (6N - 5) х (3N - 3), составленную из элементов вектора Икс-ак и нулей и имеющую вид
Икс-ак (о) О — О
Икс-ак(1) Икс-ак (о) ... О
Икс-ак (3N - 2) Икс-ак (3N - 3) -' Икс-ак (о)
О Икс-ак (3N - 2) — Икс-ак(1)
О О - Икс-ак (3N - 2)
(2)
129
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
При этом вектор отклика ФК h^-ак-фк на поступающий на его вход вектор сигнала Йке-ак может быть определен как
h
кс-ак-фк
Н
с-ак h^
(3)
где hфк = №фк(о), hфк(l), ..., hфк(N - 1)] - вектор коэффициентов ФК, который включает в себя (4N - з) элемента, т.е. имеет размерность 1 • (4N - 3).
Процесс итерационной настройки коэффициентов АК осуществляется следующим
образом. На л-такте (в л-итерации) вектор hак [л] определяется как
hак [л] — hак [Л -1] + Дhак [л]/ 2. (4)
Величина приращения Д hак [л] формируется путем сравнения вектора-эталона ho с вектором отклика hкс-ак-фк [л - 1] ФК на сигнал hRc-ак, поступивший на вход ФК в предыдущем такте. Однако для осуществления этого сравнения предварительно необходимо обеспечить одинаковую длину сравниваемых векторов (напомним, что длины ho и h^-ак-фк соответственно равны 2N - 1 и 4N - 3). С этой целью осуществляется «усечение» вектора h^-ак-фк, заключающееся в отбрасывании (N - 1) его крайних левых и (N - 1)
крайних правых элементов. Обозначим усеченый вектор отклика ФК как h^-ак-фк. После этого величину Д hак [л] определяем как
^ ^ ^ ус
Д hак[л] — ho - h^-ак-фк[л -1],
или, с учетом (3),
Д hак[л] — ho - {Нкс-ак hфк[л - 1]}ус. (5)
Далее процесс итерационной настройки повторяется.
Подставляя (5) в (4), получаем матричное разностное уравнение, описывающее эволюцию вектора коэффициентов hак :
hак [л] — hак [л - 1] + (ho - {Нкс-аК hфк [л - 1]}уС ) /2 . (6)
Для исследований устойчивости и динамики предложенного алгоритма необходимо найти решение уравнения (6). Как и для первого способа включения двух корректоров [5], ввиду нелинейности уравнения (6), обусловленной введением описанной выше операции «усечение» длины вектора, оно также решалось численным методом.
Исследования предложенного алгоритма обеспечения целостности сигналов поводились с использованием программного имитатора многолучевого канала [7] с параметрами многолучевости, приведенными в рекомендации ITU-R 520 [8]. На рис. 2 и 3 представлены импульсный отклик многолучевого канала с двумя лучами равной мощности, с относительной задержкой между первым и вторым лучом равной 2 мс и импульсный отклик системы «канал-АК-ФК» после окончания 15 итераций соответственно, а на рис. 4 и 5 -соответствующие огибающие спектра на выходе канала и системы «канал-АК-ФК» в ходе итераций.
130
Техника, технология, управление
Рис. 4. Огибающая спектра на выходе канала
131
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015
Рис. 5. Огибающие спектров на выходе системы «канал-АК-ФК» в ходе коррекции
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- предложенный алгоритм представляет интерес для построения устройств обеспечения целостности сигналов УПС, используемых в системах пакетной радиосвязи при условии, что за время передачи пакета данных частотные характеристики канала изменяются не более чем на 5-15 %;
- данный алгоритм обеспечивает сложение энергий лучей таким образом, что максимум импульсного отклика системы «канал-ФК-АК» находится всегда в одной и той же временной позиции независимо от взаимного положения лучей. Это позволит повысить устойчивость и упростить систему автовыбора луча с максимальной энергией.
Список литературы
1. Доктрина информационной безопасности Российской Федерации. - URL: http://www.scrf.gov.ru/ documents/6/5.html
2. Концептуальные взгляды на деятельность Вооруженных Сил Российской Федерации в информационном пространстве. - URL: http://ens.mil.ru/science/publications.htm
3. Алексеев, В. М. Обеспечение информационной безопасности систем и сетей передачи информации / В. М. Алексеев, Ю. Ю. Горюнов, А. П. Иванов. - Пенза : Пенз. филиал РГУИТП, 2012. -
105 с.
4. ГОСТ Р 51820-2001. Устройства преобразования сигналов для радиоканалов тональной частоты. Типы, технические характеристики и параметры сопряжения. - Введ. 2002-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 2001. - 12 с.
5. Иванов, А. П. Алгоритм обеспечения целостности сигналов устройств преобразования сигналов на физическом уровне при воздействии линейных искажений / А. П. Иванов, М. С. Тикин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2013. - № 1. - С. 121-127.
6. Рабинер, Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоулд. - М. : Мир, 1978. - 848 с.
7. Иванов, А. П. Имитатор многолучевого канала связи / А. П. Иванов // Надежность и качество -2011 : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1. -С. 299-302.
8. CCIR Recommendation 520-1. Use of High Frequency Ionospheric Simulators // Recommendations and Reports of the CCIR. - Vol. III. - Geneva, Switzerland, 1982. - P. 57-58.
132
Техника, технология, управление
Иванов Алексей Петрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра информационной безопасности систем и технологий,
Пензенский государственный университет E-mail: ap_ivanov@mail.ru
Ivanov Aleksey Petrovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of information security of systems and technologies,
Penza State University
УДК 004.056:621.391 Иванов, А. П.
Исследование алгоритма обеспечения целостности сигналов в многолучевых каналах /
А. П. Иванов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 128-133.
