В ЛЭТИ предложили метод оптимизации систем связи, работающих на принципах теории хаоса

В ЛЭТИ предложили метод оптимизации систем связи, работающих на принципах теории хаоса

В результате экспериментов исследователям СПбГЭТУ «ЛЭТИ» удалось обеспечить передачу информации с помощью своей системы связи даже при увеличении уровня помех в 2-3 раза.

29.03.2024 586

Сегодня одной из наиболее важных и стремительно развивающихся научно-технологических областей является сфера телекоммуникаций – систем, которые могут обеспечить беспроводную, бесперебойную и качественную связь между отдельными людьми и странами в любой точке планеты, в том числе под водой и в космосе. Кроме того, подобные технологии открывают быстрый доступ к телефонии, интернету, телевидению, онлайн-банковским операциям и многим другим потребительским услугам.

В то же время, принципы работы наиболее распространенных современных типов телекоммуникационного оборудования характеризуются недостаточным уровнем защиты от перехвата информации злоумышленниками, хотя и обеспечивают высокую скорость передачи данных. К тому же, способы перехвата и атаки сообщений непрерывно совершенствуются. Поэтому для обеспечения защиты информации, конфиденциальность которой имеет важное значение для государства, бизнеса или частных лиц, требуются телекоммуникационные системы, способные противостоять злоумышленникам путем скрытной передачи данных. 

Для решения этой задачи исследователи МолНИИ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» ранее разработали прототип системы связи, которая действует на принципах теории хаоса. При этом в качестве носителя для передачи данных используются широкополосные сигналы, порождаемые хаотическими системами. Их применение позволяет не только значительно повысить сложность расшифровки сообщения, но даже скрыть сам факт передачи данных, поскольку такой сигнал, даже несущий полезную информацию, по своим характеристикам схож с естественными шумами: сигналами, которые не передают данные, но в силу принципов работы возникают в любой системе связи.

«Мы разработали метод оптимизации системы связи, действующей на принципах теории хаоса. Используя наш подход, в ходе экспериментов удалось успешно принимать информацию при уровне шумов в два-три раза выше обычного. При этом для обработки информации требуются те же вычислительные мощности». 

Ассистент кафедры систем автоматизированного проектирования СПбГЭТУ «ЛЭТИ», резидент Молодежного НИИ Вячеслав Геннадьевич Рыбин

В основе созданного в ЛЭТИ прототипа лежит генератор сигналов с новым способом модуляции. Генерируемые подобным устройством сигналы являются непериодическими и шумоподобными (т.е. похожи на сигнал, который не несет информации), поэтому их трудно выявить и правильно интерпретировать. Таким образом, злоумышленнику потребуются значительно большие вычислительные мощности и время для обнаружения, анализа и дешифровки сигнала, а также определения момента начала и завершения передачи сообщения по сравнению с обычными системами связи.

Методика, предложенная исследователями, основана на подборе характеристик генерируемого сигнала таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить наилучшую синхронизацию работы передатчика и приемника в системе связи, а с другой – минимизировать количество битовых ошибок (в системах связи данные передаются в виде битовых последовательностей) при приеме информации. Поскольку наличие шума в канале связи и повышение его уровня искажает полезный сигнал и может приводить к ошибкам расшифровки сообщения. Для решения этой задачи ученые ЛЭТИ разработали специальный алгоритм обработки сигналов, поскольку классические алгоритмы фильтрации малоэффективны при очистке от шума сигналов, порожденных хаотическими системами. 

В ходе экспериментов исследователи повышали уровень шумов в канале связи системы на 5-10 децибел – в 2-3 раза выше, чем было в первом прототипе. Для расчетов коэффициента синхронизации были последовательно испробованы четыре наиболее популярных аналитических метода, среди которых самым эффективным оказалось измерение среднеквадратического отклонения ошибки синхронизации. 

«Наш метод будет использоваться для оптимизации сигналов в системе связи на основе теории хаоса. В перспективе она может стать основной для телекоммуникационного оборудования нового поколения с высоким уровнем скрытности передачи информации».

Ассистент кафедры систем автоматизированного проектирования СПбГЭТУ «ЛЭТИ», резидент Молодежного НИИ Вячеслав Геннадьевич Рыбин

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Chaos Theory and Applications.  Разработки поддержаны грантом РНФ «Защищенные системы связи на основе хаотических отображений с управляемой симметрией» (№20-79-10334).