Оценивание сигнально-помеховой обстановки радиорелейного канала передачи данных

Р азвитие и масштабное распространение радиоэлектроники и систем связи положило начало разработке и применению новых методов радиоэлектронного противодействия со стороны третьих лиц, заинтересованных в нарушении целостности и достоверности передаваемых данных. Эти методы основаны, в частности, на применении имитационных помех (имитонападений) [1], позволяющих несанкционированно нарушать нормальное функционирование систем связи на информационном уровне. Возможности имитопомех, в силу постоянного распространения и автоматизации систем связи, непрерывно растут. Преднамеренно создаваемые имитационные помехи представляют чрезвычайную опасность системам связи и обслуживаемым объектам, влекут за собой информационные и материальные потери.

Перед защитой систем связи стоит сложная задача противодействия бурно развивающимся угрозам безопасности, создаваемым имитопомехами. Следовательно, безопасная или защищенная система – это система, обладающая, в том числе, средствами защиты, которые успешно и эффективно противостоят имитопомехам. Особую сложность в обеспечении защищенной системы имеют стационарные объекты рассредоточенной структуры, такие как магистральные трубопроводы (газопроводы, нефтепроводы и нефтепро-дуктопроводы), использующие радиорелейные системы передачи данных для функционирования автоматизирован- ных систем управления и систем телемеханики. Наиболее уязвимыми являются радиостанции частотного диапазона 394-410/434-450 МГц как наименее технически сложные. Среди них наибольшее распространение получили «Азид-5», «МИК-РЛ400ХХ», «Р-6», «Р-6/Е1», «Азид-ЧС» и другие, использующие сигналы квадратурной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

Пусть имеется система связи на основе цифровых радиорелейных станций (ЦРРС), образующих цепочки каналов передачи данных из оконечных, промежуточных и узловых станций, обеспечивающих поочередную передачу радиосигналов между оконечными станциями, антенны которых находятся в пределах прямой видимости, на расстоянии 30…70 км. Передача данных производится сигналами радиосвязи QPSK-модуляции в пакетном режиме в диапазонах радиочастотного спектра 394-410/434-450 МГц.

Предполагается, что свойства среды распространения радиосигналов и параметры каналов передачи данных постоянны при нормальных условиях функционирования; внешние и внутренние шумы постоянны и малой интенсивности; каналы используются для передачи технологической и служебной информации; график сеансов связи между станциями известен и фиксирован во времени.

Третьими лицами с помощью средств радиотехнической разведки возможно длительное накапливание информации о режиме связи в отдельном канале, используемых частотных диапазонах, типах сигналов, модуляции и пр. Данная информация может использоваться для формирования имитационных помех каналу передачи данных во время сеансов связи.

Процесс функционирования канала передачи данных в условиях организованных помех по своей физической сущности может быть представлен как радиоэлектронный конфликт, в котором, с одной стороны, участвуют средства радиосвязи (СРС), а с другой, – система радиоэлектронного противодействия (РЭП) третьих лиц, состоящая в общем случае из станции радиотехнической разведки (РТР) и непосредственно станции помех. На рис. 1 в общем виде представлена структурная схема радиоэлектронного конфликта. Реализация случайного процесса на входе приемника канала передачи y(t) в случае имитонападения рассматривается как аддитивная смесь полезного сигнала u_c(t, x_c, α _c) преднамеренной имитационной помехи u_П(t, x_П, α _П) и белого шума u_ш (t) ,

y(t) = uc(t, xc, αc) + uП(t, xП, αП) + uш (t). (1)

В более простом случае отсутствия организованных помех – это смесь полезного сигнала u_c(t, x_c, α _c) и белого шума u_ш (t) .

y(t) = uc(t, xc, αc) + uш(t), (2)

где х_с и х_П – векторы информационных параметров полезного и помехового сигналов соответственно; α_c и α_П – векторы неинформационных параметров полезного и помехового сигналов соответственно.

Наблюдаемыми в дискретные моменты времени k являются n параметров выходных сигналов первичных измерителей приемника канала передачи данных, составляющих вектор z_k .

zk = ckyk + ζk, где k – текущий шаг счета, k = 1,K; n – порядковый номер параметра; n = 0,N; ck – матрица дискриминационных характеристик размерности n×m, при m = 0,Λ; ζk – n-мерный вектор шумов измерений.

Формулы (1) и (2) представляют собой рассматриваемые структуры случайного процесса y(t) , иные варианты взаимодействия компонентов сигнала в данной работе рассматриваться не будут. В зависимости от вариантов воздействия помех, в пределах рассматриваемых структур можно выделить i состояний канала передачи i = 0, I , образующих полную группу несовместных событий.

На рис. 1 обозначено: ПРД, ПРМ – передатчик и приемник канала передачи соответственно; u_c(t, x_c, α _c) – полезный сигнал; u_ш(t) – аддитивная помеха в виде белого шума; u_П(t, x_П, α _П) – имитационная помеха, излучаемая станцией РЭП; y(t) – случайный процесс на входе приемника.

Для повышения помехоустойчивости систем связи требуется разработка алгоритма функционирования каналов передачи данных, обеспечивающего своевременное обнаружение фактов воздействия имитационных помех в принимаемом сигнале, оценку сложившейся в текущий момент времени сигнально-помеховой обстановки и адаптацию каналов передачи к сложившейся помеховой обстановке [2]. В данной работе будут рассмотрены только первые два вопроса как наиболее важные.

Эффективность разрабатываемого алгоритма будет во многом определяться быстродействием обнаружения имитационных помех в принимаемой сигнальной совокупности. Повышение быстродействия можно достичь за счет ком-плексирования информации от стохастически связанных источников.

Имитозащита большинства систем связи имеет весьма ограниченные возможности, так как при обнаружении помех в канале связи используются только последовательности наблюдаемых данных, содержащих передаваемые по каналу данные, без привлечения дополнительных сведений. Однако во многих случаях наряду со слежением за информационной составляющей последовательности имеется возможность регистрации сопутствующих признаков, стохастически связанных с наблюдаемой последовательностью данных [3]. Сопутствующие признаки могут быть получены, в том числе, и из неинформационных параметров сигнала. Так, при воздействии имитопомех в канале возникают динамические изменения угловых и амплитудных параметров иш (О

перехвата

подавления

Рис. 1. Структурная схема радиоэлектронного конфликта сигнала. Наиболее устойчивыми являются амплитудные признаки, и в случае постоянных параметров канала зависят только от уровня полезного сигнала, величина которого, как правило, соответствует устойчивому приему в условиях непреднамеренных помех, что обосновывает приоритет их выбора в качестве основного признака [4].

Контроль состояния и управление структурой канала связи можно производить с учетом информации индикаторов сопутствующих признаков [3], представляющих собой измерительные датчики с определенным порогом срабатывания. Таким образом, работа каждого индикатора будет описываться функцией из двух состояний:

R = 0, если порог срабатывания не превышен;

R = 1, если порог срабатывания превышен.

Обнаружение фактов воздействия помехи и оценка состояния сигнально-помеховой обстановки i может быть осуществлена в результате совместной обработки совокупности L индикаторных функций π , порождаемых воздействием на канал имитационной помехи

П (ik+1 I J, Pri, Rik), где l = 0,L – номер одного из L индикаторов; i – состояние системы; k – текущий шаг счета (k = 1,K); J – входной сигнал индикатора; PR – вероятность правильного обнаружения признака индикатором; R – выходной сигнал индикатора (R = 0,1) и вектора параметров сигнала zk. Таким образом, дальнейшей обработке подвергается расширенный вектор [zk, πk].

Например, для сигнала с QPSK-модуляцией выберем семь индикаторов сопутствующих признаков ( табл. 1 ). Основываясь на физике процессов передачи информации электромагнитными волнами [4, 5] можно полагать, что увеличение уровня сигнала может быть вызвано действием других передатчиков в режиме передачи, в том числе и третьих

Таблица1. Определение состояния сигнально-помеховой обстановки по информации выходных сигналов индикаторов

Весовые значения индикаторов сопутствующих признаков π _l назначаются экспертом на основании априорных данных и корректируются при отладке метода с использованием выборок экспериментальных данных.

Для сигналов с QPSK-модуляцией были получены следующие весовые значения сопутствующих признаков:

π1 (ik+1 π2 (ik+1 π3 (ik+1 π4 (ik+1 π5 (ik+1 π6 (ik+1 π7 (ik+1

J 1 , P R1 , R 1k =

J₂, P_R2, R_2k =

J₃, P_R3, R_3k =

J 4 , P R4 , R 4k =

J₅, P_R5, R_5k =

J₆, P_R6, R_6k =

J₇, P_R7, R_7k =

1) = 0,71;

1) = 0,931;

1) = 0,84;

1) = 0,693;

1) = 0,62;

1) = 0,49;

1) = 0,33.

Для достижения поставленной цели необходимо разработать процедуру стохастической оценки сигнально-помеховой обстановки с учетом информации индикаторов сопутствующих признаков. Состояния сигнально-помеховой обстановки i могут быть стохастически оценены методом максимального правдоподобия. В зависимости от оценок наблюдаемых параметров сигнала z_k и индикации сопутствующих признаков π _k , можно с определенной вероятностью судить о сигнально-помеховой обстановке.

Оценку максимального правдоподобия следует производить для всех состояний, составляющих полную группу несовместных событий, в целях выявления наиболее вероятной.

Для оценки вероятностей удобно использовать формулу Байеса. Пусть на основе статистических данных имеются априорные вероятности p(i) о соответствии в е кторов z_k и π_k заранее определенным состояниям при i = 0, I . Обозначим через В событие, заключающееся в том, что на k+1 -м шаге счета д ей ствует имитационная помеха. Выдвинем гипотезы H_i ( i = 0, I ) в пользу соответствующих состояний сигнальнопомеховой обстановки i . Апостериорная вероятность p(B I i) может быть получена как

N

Допуская, что все параметры z_n вектора z_k , подлежащие оценке, имеют нормальный закон распределения, апостериорная вероятность для каждого n -го параметра может быть представлена в виде:

p(z„)=exp

где M_n – математическое ожидание z_n , σ_n – среднеквадратическое отклонение z_n .

На основании (3) и (4), получим вероятности гипотез на k+1 -ом шаге счета:

пГЛГТт ГТ А ^"^