Модели и методы синтеза сложных сигналов с необходимыми свойствами для защищенных телекоммуникационных систем

Abstract

RU: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, Харьков, 2016. Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной проблеме, которая состоит в повышении помехозащищенности и информационной безопасности телекоммуникационной системы в условиях внутренних и внешних воздействий на основе разработки моделей и методов синтеза систем сложных нелинейных дискретных сигналов с улучшенными свойствами. Целью работы является улучшение показателей эффективности телекоммуникационной системы, а именно, помехозащищенности и информационной безопасности на основе совершенствования методологических основ построения телекоммуникационной системы путем разработки методов информационного обмена, моделей и методов синтеза новых классов нелинейных дискретных сложных сигналов с требуемыми ансамблевыми, корреляционными, структурными свойствами. В диссертационной работе впервые получены: метод синтеза сложных нелинейных дискретных криптографических сигналов, использующий случайные (псевдослучайные) процессы, и позволяющий создавать сигналы с необходимыми ансамблевыми, структурными и корреляционными свойствами, и, на этой основе, улучшить показатели помехозащищенности и информационной безопасности телекоммуникационной системы в условиях внешних и внутренних воздействий; математическая модель структуры сложных нелинейных дискретных сигналов в конечных полях Галуа, которая, на основе установленной зависимости характеров элементов мультипликативной группы поля Галуа и символов дискретных последовательностей, позволяет определить значения показателей помехозащищенности (структурной скрытности) дискретных сигналов; метод реализации арифметических модульных операций сложения и вычитания, основанный на табличном принципе реализации арифметических операций путем использования специального кода табличного умножения, что позволяет повысить быстродействие выполнения модульных операций сложения и вычитания; метод реализации арифметической модульной операции умножения, основанный на использовании табличного принципа путем использования процедуры поразрядного определения результата операции, что позволяет повысить быстродействие выполнения операций модульного умножения. В ходе диссертационных исследований усовершенствованы: метод синтеза нелинейных дискретных сложных сигналов, в котором, в отличие от известных, применяется зависимость между элементами и индексами элементов конечного поля, что позволяет повысить быстродействие синтеза сигналов; метод синтеза нелинейных дискретных криптографических сигналов, в котором, в отличие от известных, используются механизмы направленного (ограниченного) перебора сигналов для отбора сигналов, отвечающих соответствующим требованиям, что позволяет повысить производительность синтеза сигналов; метод оценки свойств дискретных сигналов, в котором в отличие от известных, использованы алгебраические свойства элементов конечного поля, что позволяет увеличить быстродействие процесса исследования свойств сигналов и, таким образом, повысить производительность синтеза системы сигналов с необходимыми свойствами; метод синтеза всей системы нелинейных дискретных сигналов, в котором, в отличие от известных, используется процедура считывания и записи (по определенному правилу) символов последовательности сигнала для формирования всего множества сигналов, относящихся к этой системе сигналов, что позволяет повысить производительность синтеза сигналов; метод информационного обмена данными, в котором, в отличие от известных, осуществляется смена, по определенному правилу, соответствия: бит сообщения - сложный сигнал и, в качестве сложных сигналов, применяются нелинейные дискретные сигналы с необходимыми ансамблевыми, структурными и корреляционными свойствами, что позволяет улучшить показатели информационной безопасности и помехозащищенности; метод реализации арифметических модульных операций сложения и вычитания, который, в отличие от известных, основан на использовании принципа кольцевого сдвига, путем представления остатков числа двоичным кодом, за счет использования свойств циклических перестановок содержимого кольцевого регистра, что позволяет повысить быстродействие выполнения модульных операций. Сформирована совокупность безусловных частных показателей эффективности, интегральный безусловный критерий защищенной телекоммуникационной системы. Формализованы требования (ограничения) на безусловные показатели, сформулирована постановка проблемы. Разработаны математическое и программное обеспечение, реализующие предложенные методы и вычислительные алгоритмы синтеза систем сложных нелинейных дискретных сигналов в конечных полях Галуа и систем сложных нелинейных дискретных криптографических сигналов. Разработанное программное обеспечение позволяет: генерировать нелинейные криптографические сигналы для практически любого периода и нелинейные дискретные сигналы в конечных полях Галуа для значений периодов, определенных правилами построения; определять значения минимальных и максимальных боковых выбросов различных корреляционных функций; сравнивать полученные значения с известными, потенциально достижимыми границами для соответствующих корреляционных функций; присваивать реализациям синтезированных последовательностей, а также параметрам, используемым для синтеза сигналов, уникальные идентификаторы (специальные радиоданные), которые необходимы для оптимальной обработки сигналов; рассчитывать статистические характеристики различных корреляционных функций синтезированных сигналов; проводить исследования ансамблевых характеристик синтезированных сигналов. Компоненты программной компьютерной реализации разработанных методов синтеза и исследования свойств синтезированных систем сигналов представлены в приложениях к диссертационной работы. Программное и математическое обеспечение, полученное в ходе исследований, реализующее методы синтеза и исследования свойств систем нелинейных сигналов, практически готово к возможному использованию в составе опытных образцов и элементов современных цифровых коммуникационных средств. На основе разработанных и усовершенствованных методов синтеза систем нелинейных сигналов, методов быстрой реализации модульных операций в диссертации представлены алгоритмы для их реализации, в соответствии с которыми синтезирован класс средств формирования и обработки данных, на которые получено 14 патентов Украины и авторских свидетельств на изобретения, что подтверждает новизну и практическую значимость полученных в диссертации научных результатов работы. Для проведения экспериментальных исследований эффективности функционирования телекоммуникационной системы с использованием предлагаемого метода информационного обмена и систем сложных нелинейных дискретных сигналов разработана имитационная модель. Полученные результаты свидетельствуют о том, что телекоммуникационные системы, в которых реализуется метод динамической смены соответствия: бит сообщения - сложный сигнал, а в качестве сложных сигналов используются различные классы нелинейных сигналов, теоретические основы которых разработаны в ходе диссертационных исследований, обладают улучшенными показателями помехозащищенности (структурной скрытности, помехоустойчивости), информационной безопасности (информационной скрытности, имитостойкости). EN: The thesis for the degree of Doctor of Technical Science with a specialization in 05.12.02 – telecommunication systems and networks. – Ukrainian National University of Railway Transport, Kharkiv, 2016. The thesis is focused on solving a relevant scientific and applied problem that is increasing telecommunication system (TCS) interference immunity and information security under internal and external influences. The work objective is to improve the TCS performance, namely interference immunity and information security by improving telecommunication system methodological foundations by developing methods of information exchange, models and methods of synthesis of new classes of nonlinear discrete complex signals with the required properties. The thesis first obtained: the method of synthesis of complex nonlinear discrete cryptographic signals which uses random (pseudorandom) processes, and allows to create signals with necessary ensemble, structural and correlation properties, making it possible to improve the performance of the TCS interference immunity and information security in terms of internal and external effects; mathematical model of the structure of complex nonlinear discrete signals in finite Galois field, which determines the dependence of characters of elements of the multiplicative group of Galoi field and discrete sequences symbols giving a chance to set the values of interference immunity (structural secrecy) of the digital signals; method of implementing modular arithmetic operations of addition and subtraction based on the tabular principle of implementing arithmetic operations by using a special code of tabular multiplication which improves the performance speed of module operations of addition and subtraction; method of implementing multiplication modular arithmetic operation based on using a tabular principle by a successive procedure of the result determining operation, which improves the performance of modular multiplication operations. During the thesis research were improved: the method of synthesis of nonlinear discrete complex signals, which unlike the known ones uses the interdependence between the elements and elements final field indices that can increase the speed of signals synthesis; synthesis method of nonlinear discrete cryptographic signals, in which unlike the known ones, the directional (limited) enumeration of signals mechanisms are used to determine those meeting the relevant requirements for the properties of the signals allowing to improve signals synthesis performance; method for assessing the discrete signals properties which in contrast to the known ones uses algebraic properties of finite field elements allowing to increase the performance speed of the signals properties research process, and thus improve the signals with the required properties system synthesis performance; method of synthesis of the entire system of nonlinear discrete signals, which in contrast to the known ones uses the procedure of reading and writing (defined by a rule) of signal sequence characters for the formation of the entire set of signals related to the signals system that can increase the performance of the signals synthesis; methods of informational data exchange, which unlike the known ones apply the change, defined by a rule, matching bit message - a complex signal, and nonlinear discrete signals with the required ensemble, structural and correlation properties that are used as complex signals, which makes it possible to improve information security and interference immunity performance; method of implementing modular arithmetic operations of addition and subtraction, which unlike the known ones is based on a principle of using a circular shift by presenting number residues by a binary code through the use of cyclic permutations properties of the content circulating register that can increase the performance speed of module operations.