Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж
Описана інформаційно-ефективна передача даних з використанням алгоритмів оперативного оброблення сигналів (відеосигналів), компактного, крипостійкого та завадостійкого кодування даних. Описана информационно-эффективная передача данных с использованием алгоритмов оперативной обработки сигналов (видео...
Saved in:
| Published in: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46398 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж / Б.М. Шевчук // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2010. — № 9. — С. 130-139. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46398 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шевчук, Б.М. 2013-06-29T19:07:52Z 2013-06-29T19:07:52Z 2010 Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж / Б.М. Шевчук // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2010. — № 9. — С. 130-139. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46398 681.31 Описана інформаційно-ефективна передача даних з використанням алгоритмів оперативного оброблення сигналів (відеосигналів), компактного, крипостійкого та завадостійкого кодування даних. Описана информационно-эффективная передача данных с использованием алгоритмов оперативной обработки сигналов (видеосигналов), компактного, криптоустойчивого и помехоустойчивого кодирования данных. Authors described information-efficient data transfer, using efficient signal processing algorithms (video), compact, cryptoresistant and antiinterference data encryption. uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж Processing, coding and transferring data by user’s systems of information-effective radionetworks Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж |
| spellingShingle |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж Шевчук, Б.М. |
| title_short |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж |
| title_full |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж |
| title_fullStr |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж |
| title_full_unstemmed |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж |
| title_sort |
оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж |
| author |
Шевчук, Б.М. |
| author_facet |
Шевчук, Б.М. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Processing, coding and transferring data by user’s systems of information-effective radionetworks |
| description |
Описана інформаційно-ефективна передача даних з використанням алгоритмів оперативного оброблення сигналів (відеосигналів), компактного, крипостійкого та завадостійкого кодування даних.
Описана информационно-эффективная передача данных с использованием алгоритмов оперативной обработки сигналов (видеосигналов), компактного, криптоустойчивого и помехоустойчивого кодирования данных.
Authors described information-efficient data transfer, using efficient signal processing algorithms (video), compact, cryptoresistant and antiinterference data encryption.
|
| issn |
1817-9908 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46398 |
| citation_txt |
Оброблення, кодування та передавання даних засобами абонентських систем інформаційно-ефективних радіомереж / Б.М. Шевчук // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2010. — № 9. — С. 130-139. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT ševčukbm obroblennâkoduvannâtaperedavannâdanihzasobamiabonentsʹkihsistemínformacíinoefektivnihradíomerež AT ševčukbm processingcodingandtransferringdatabyuserssystemsofinformationeffectiveradionetworks |
| first_indexed |
2025-11-25T23:31:39Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:31:39Z |
| _version_ |
1850582604342886400 |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9
130
B. Chevchuk
PROCESSING, CODING
AND TRANSFERING DATA
BY USER’S SYSTEMS OF
INFORMATION-EFFECTIVE
RADIONETWORKS
Authors described information-effi-
cient data transfer, using efficient
signal processing algorithms (vi-
deo), compact, crypto-resistant and
anti-interference data encryption.
Key words: processing, coding, data
transfer.
Описана информационно-эффек-
тивная передача данных с исполь-
зованием алгоритмов оператив-
ной обработки сигналов (видеоси-
гналов), компактного, криптоус-
тойчивого и помехоустойчивого
кодирования данных.
Ключевые слова: обработка, ко-
дирование, передача данных.
Описана інформаційно-ефективна
передача даних з використанням
алгоритмів оперативного оброб-
лення сигналів (відеосигналів),
компактного, крипостійкого та
завадостійкого кодування даних.
Ключові слова: оброблення, коду-
вання, передавання даних.
Б.М. Шевчук, 2010
УДК 681.31
Б.М. ШЕВЧУК
ОБРОБЛЕННЯ, КОДУВАННЯ
ТА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ
ЗАСОБАМИ АБОНЕНТСЬКИХ СИСТЕМ
ІНФОРМАЦІЙНО-ЕФЕКТИВНИХ
РАДІОМЕРЕЖ
Ефективне функціонування мереж передачі
інформації є основою для надійної роботи
комп’ютерних мереж та успішного виконан-
ня запитів і завдань віддалених абонентів
(абонентських систем користувачів, різнома-
нітних об’єктів моніторингу, виробничих
автоматизованих комплексів і систем, про-
мислових об’єктів, об’єктів екомоніторингу,
транспортних засобів та ін.). Особливо це
стосується абонентських систем (АС) інтег-
рованих комп’ютерних мереж, які не можуть
бути під’єднаними до кабельних та оптово-
локонних мереж зв’язку і потребують досту-
пу до ресурсів стаціонарних мереж (Ethernet,
Internet та ін.), використовуючи радіоканали.
Такі мережі та системи широко використо-
вуються в промисловості, в телемедицині, в
спортивній медицині, в процесі тривалого
моніторингу станів об’єктів різноманітної
природи і функціонального призначення.
Для побудови безпроводових мереж на
сьогоднішній день широкого розповсюджен-
ня отримали радіозасоби “останньої милі”,
включаючи засоби радіо-Ethernet (Wi-Fi,
WiMAX), сенсорні мережі, побудовані згідно
технології IEEE802.15.4 (ZigBee), радіомоду-
лі ISM-діапазону частот різних компаній. Їх
функціонування ґрунтується на використанні
широкосмугових радіоканалів ISM-діапазону
частот. Висока швидкість передачі інформа-
ції у таких системах досягається за рахунок
використання багатопозиційних методів мо-
дуляції однієї або великої кількості ортогона-
ОБРОБЛЕННЯ, КОДУВАННЯ ТА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ ЗАСОБАМИ АБОНЕНТСЬКИХ СИСТЕМ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 131
льних несучих. Іншими прикладами успішного застосування безпроводових ме-
реж є передача даних від рухомих та віддалених об’єктів з використанням стіль-
никових GSM- та CDMA-мереж. Подальший розвиток радіомереж пов'язаний
з розвитком когнітивних (розумних) радіосистем.
Перспективними напрямками побудови комп’ютерних мереж є інтеграція
безпроводових засобів “останньої милі” з оптоволоконними мережами, створен-
ня сенсорних самоорганізуючих мереж в ISM-діапазоні частот з підвищеною
надійністю зв’язку, впровадження доступних для широкого використання мікро-
супутникових мереж передачі моніторингових даних та ретрансляції масивів
даних між віддаленими і рухомими абонентами. Для ефективного функціону-
вання сенсорних, інтегрованих локально-регіональних та глобальних (наземно-
космічних) радіомереж актуальними завданнями абонентських систем мереж є
формування компактних, крипостійких та завадостійких пакетів достовірних та
інформативних даних, які безконфліктно й оперативно передаються в мережах
зв’язку [1, 2]. При побудові інтелектуальних об’єктних та багатофункціональних
АС радіомереж ISM-діапазону частот, які встановлюються в місцях зародження
та накопичення інформаційних потоків, невирішеними проблемами є оптиміза-
ція комплексу завдань, пов’язаних з введенням, обробленням, кодуванням та
передаванням інформації з урахуванням обмеження на продуктивність (вклю-
чаючи швидкодію і енергоспоживання) абонентських процесорів та обмеженість
робочих частотних ресурсів радіоканалу. Мова йде про оптимізацію на інфор-
маційному рівні методів і алгоритмів фільтрації та стиснення сигналів (відео-
сигналів), компактного, крипостійкого та завадостійкого кодування двійкових
даних.
Мета роботи − розробка комплексу ефективних методів і алгоритмів опе-
ративного оброблення, кодування та передавання різноманітних даних абонент-
ськими системами радіомереж, включаючи відліки вимірювальних сигналів, ві-
деосигналів (статичних та динамічних зображень), а також масивів даних. Слід
зазначити, що від якості алгоритмів оброблення і кодування даних, формування
канальних сигналів, які передають по радіоканалам двійкові дані та які мають
бути адаптованими до поточного енергетичного співвідношення сигнал/шум
у каналі зв’язку, суттєво залежать характеристики всієї мережі передачі ін-
формації. При цьому сформовані оптимальним чином канальні сигнали за ха-
рактеристиками мають відповідати поточному енергетичному співвідношенню
сигнал/шум у каналі зв’язку.
Методологічні та алгоритмічні основи реалізації інформаційно-
ефективної передачі пакетів даних. Основою для ефективного функціонуван-
ня радіомереж є підтримка абонентами мережі поточної швидкості передачі ін-
формації maxiR R→ в умовах зміни співвідношення сигнал/шум у каналі зв’язку
в великих межах, де max 2 / 1 / ( );s b sR F k T k= = ⋅ Rmax − максимальна швидкість пе-
редачі інформації (біт/c); F − величина робочої смуги частот радіоканалу (Гц);
1.4 1.8sk > − [3] − коефіцієнт, що враховує якість відновлення фронтів цифрових
Б.М. ШЕВЧУК
132 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9
(імпульсних) сигналів; −bT тривалість двійкового символу (с). Теоретичною
основою для побудови інформаційно-ефективних радіомереж є результати дос-
ліджень К. Шеннона, згідно яких при відповідних способах кодування та моду-
ляції коефіцієнт пропускної здатності каналу зв’язку (показник інформаційної
ефективності системи передачі інформації) η /R C= [4, 5] може бути дуже бли-
зьким до одиниці ( η 1→ ). При цьому, згідно теорії К. Шеннона про користь ко-
дування [4], якість передачі повідомлень можна досягти якнайкращою. Практи-
чна реалізація ідей К. Шеннона ґрунтується на побудові об’єктних та багато-
функціональних АС, основою яких є високопродуктивні процесори і ПЛІС, які
реалізують ефективні за точністю та швидкодією методи й алгоритми оператив-
ного оброблення сигналів (відеосигналів), кодування та передавання пакетів да-
них [1, 3, 6, 7]. Оскільки каналом зв’язку вважають всі засоби та ресурси, що
знаходяться між відправником і отримувачем інформації [3], то інтелектуаліза-
ція програмно-апаратних засобів АС стосується як засобів інформаційного рівня
(рівня введення, оброблення, кодування та формування двійкових масивів даних
і послідовностей, інтервально-імпульсних сигналів, псевдовипадкових, ортого-
нальних, шумоподібних послідовностей) так і радіотехнічного рівня (засобів ба-
гатопозиційної модуляції, формування ортогональних несучих та піднесучих,
інтелектуальних антенних систем). Основою оптимального функціонування за-
собів АС інформаційно-ефективних радіомереж є програмно-апаратна реалізація
різноманітних за типом (функціональним призначенням) та рівнем (складністю
й ефективністю відповідних методів та алгоритмів) адаптаційних процесів під
час введення, оброблення, кодування та передавання інформації.
Надійна та ефективна передача інформації у радіомережах забезпечується за
рахунок підтримки абонентами мережі мінімально необхідного енергетичного
співвідношення сигнал/шум у радіолінії, створення умов для безконфліктної
передачі інформаційних пакетів (ІП), компактного, крипостійкого та завадостій-
кого кодування інформаційних кадрів ІП. Досягнення максимальної поточної
швидкості передачі інформації iR в радіолінії з робочою смугою частот F за
умови підтримки необхідного енергетичного співвідношення nb JE )/( 0 у радіо-
каналі ( −bE енергія сигналу для одного біту (питома енергія одного біту),
0 0/J J F N= >> , де −J середня потужність сумарних завад у радіоканалі,
0N − густина потужності шуму на один біт (спектральна густина потужності
шуму)) здійснюється шляхом адаптивного вибору мінімально необхідної бази
канальних сигналів B з урахуванням поточного співвідношення сигнал/шум
у радіоканалі [1, 2], максимального стиснення даних на інформаційному рівні та
шляхом підвищення інформативності радіотехнічних засобів АС за рахунок реа-
лізації багатопозиційних методів модуляції, передачі даних з використанням ор-
тогональних піднесучих, використання багатопроменевих антенних систем та
інші, що еквівалентно стисненню даних у процесі передачі інформації на радіо-
ОБРОБЛЕННЯ, КОДУВАННЯ ТА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ ЗАСОБАМИ АБОНЕНТСЬКИХ СИСТЕМ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 133
технічному рівні засобів АС. Для побудови портативних мережевих засобів ши-
рокого застосування (в телемедицині, спортивній медицині, АС для моніторингу
віддалених промислових об’єктів, об’єктів екомоніторингу, інтелектуальних се-
нсорів та відеосенсорів) доцільно використовувати радіомодулі ISM-діапазону
відомих компаній (SEMTECH (Xemics – DP1203F та ін.), Chipcon, Freescale, Jen-
nic та ін.), доповнених мікроконтролерами (ARM7, ARM9, Cortex A8 та ін.), сиг-
нальними процесорами, наприклад, сімейства Blakfin компанії Analog Devices
(ADSP BF52x, 53x, 54x) та засобами формування, передавання та приймання
шумоподібних сигналів з адаптивною базою ( max1,...,B B= ). При використанні
шумоподібних сигналів (ШПС) швидкість передачі інформації у таких радіоме-
режах визначається виразом [1]:
BTk
LK
R
bs
c
i ⋅⋅
⋅
= , (1)
де −⋅= rtic KKK сумарний коефіцієнт стиснення даних; −iK коефіцієнт стис-
нення даних на інформаційному рівні; −rtK коефіцієнт стиснення даних на ра-
діотехнічному рівні; −L кількість ортогональних ШПС, які асинхронно переда-
ються в спільному радіоканалі ( / 4L B≤ ) (величина L відповідає кількості не-
залежних кодових моноканалів у смузі частот F ).
Аналіз формули (1) показує, що при обмеженій робочій смузі частот
F радіоканалу та використанні спрощених радіотрактів АС (наприклад,
2−4-позиційних методів та засобів модуляції несучої) здійснення інформаційно-
ефективної передачі ІП ( max ,η 1iR R→ → ) досягається за рахунок максимального
компактного кодування даних на інформаційному рівні засобів АС, вибору мі-
німально необхідної бази minB канальних сигналів для підтримки необхідного
енергетичного співвідношення nb JE )/( 0 , реалізації ефективних способів зава-
достійкого кодування даних ІП, паралельної передачі ІП незалежними L кодо-
вими каналами. Комплекс вимог та умов реалізації інформаційно-ефективної
передачі пакетів даних описується такою системою виразів:
2048
min 0
min
min min min
( , ) 1,
max[2 ] 2 ,
( / ) ( / ) ,
,
,
PPi
nc c p
L
z
b n
j c
j
s b
dr ip pk dr ip pk
P f N n
P
S J B E J
K LR
k T B
t T T t T T
= →
= ≥
⋅ ≥
⋅ =
⋅ ⋅
+ + → + +
(2)
Б.М. ШЕВЧУК
134 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9
де −ncP ймовірність безконфліктної передачі пакетів інформації у процесі мно-
жинного доступу абонентів мережі до спільних ресурсів (моноканалів, абонен-
тів); −cN максимальна кількість конфліктуючих абонентів мережі; −pn кіль-
кість рівнів пріоритетності абонентів радіомережі; −zP величина ступеня захис-
ту інформації на АС радіомережі; −PPiL довжина одноразової криптостійкої псе-
вдовипадкової послідовності, яка використовується для гаміювання компактних
масивів даних; −S потужність канального сигналу; −J середня потужність су-
марних завад у радіоканалі; min
jB −мінімально необхідна база канальних сигна-
лів для підтримки необхідного енергетичного співвідношення ( )nb JE 0/ у точці
прийому для j-го пакета; −jR максимальна швидкість передачі інформації
( )pkipdrIPzIP
j ТТtІtIR ++== //max
jRmax , яку визначають як кількість інфор-
мації IPI у бітах, що передається на протязі тривалості поточного інтервалу зай-
нятості каналу зв’язку ;zt −drt інтервал доступу абонентів до спільних ресурсів
мережі; −ipT тривалість інформаційного пакета; −pkT тривалість пакета-
квитанції.
У залежності від наявних обчислювальних ресурсів (продуктивності цен-
трального процесора та спеціалізованих пристроїв) на АС, ефективності алгори-
тмів оброблення, кодування та передавання інформації безпосередньо в місцях
відбору інформації суттєво залежать базові характеристики радіомережі, вклю-
чаючи надійність, якість та крипостійкість зв’язку між віддаленими АС мережі,
поточна швидкість передачі інформації, особливо в умовах появи значних шумів
у радіоканалі. Аналіз виразів (1) і (2) показує, що радикальним способом досяг-
нення та підтримки інформаційно-ефективної передачі ІП у радіомережах є реа-
лізація засобами АС максимального компактного кодування даних, включаючи
фільтрацію-стиск відліків сигналів (відеосигналів) [2, 8], оперативний стиск-
захист масивів даних, формування компактних, крипостійких та завадостійких
ІП [1, 2]. При використанні спрощених радіотехнічних засобів інтелектуальних
радіомодулів АС широкого застосування (наприклад, радіомодулів DP1203F,
доповнених мікроконтролерами або сигнальними процесорами), суттєво підви-
щити ефективність передачі інформації можливо за рахунок оптимізації величи-
ни maxi iK K→ , де −⋅⋅= 321 kkkКi сумарний коефіцієнт стиснення даних до
передачі ІП та в процесі передачі ІП [1], −1k коефіцієнт стиснення даних з до-
пустимими (контрольованими) втратами (характерний при обробці сигналів і
зображень, при стиску масивів даних 11 =k ); −2k коефіцієнт стиснення даних
без втрат; −3k коефіцієнт стиснення даних у процесі формування та передаван-
ня ІП, величина якого у випадку використання бінарних (простих та завадостій-
ких) схем маніпуляції досягає величин 2...6.13 ≥k [2]. Основою перспективного
ОБРОБЛЕННЯ, КОДУВАННЯ ТА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ ЗАСОБАМИ АБОНЕНТСЬКИХ СИСТЕМ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 135
розвитку інформаційно-ефективних та когнітивних радіомереж є надвисоке сти-
снення даних (в десятки-сотні разів) на інформаційному рівні засобів АС, за ра-
хунок чого суттєво зменшується кількість ІП, які відправляються до спільних
ресурсів мережі, формуються крипостійкі та псевдохаотичні інформаційні кад-
ри ІП, забезпечуються умови для внесення збитковості в канальні сигнали для
підтримки необхідного співвідношення сигнал/шум у радіоканалі.
Компактне кодування відліків сигналів та відеосигналів. Послідовності
цифрових відліків сигналів та R-, G-, B-відеосигналів утворюють обвідні, на
яких, оперативним способом, шляхом аналізу змін знаків поточної різниці
f
i
f
i
f
i XXX 1−−=∆ між сусідніми відліками попередньо відфільтрованих сигна-
лів визначаються параметри екстремумів, а шляхом аналізу змін знаків поточної
різниці f
i
f
i
f
i XXX 1)( −∆−∆=∆∆ між сусідніми приростами сигналів визнача-
ються параметрами точок перегину (опуклості обвідної), де −f
iX поточний від-
лік відфільтрованого сигналу. Екстремуми та точки перегину є тими найбільш
інформативними відліками сигналів (суттєвими відліками), параметри яких у
процесі стиснення мають бути незмінними (точними) або приблизно точними, в
залежності від характеристик поточних ділянок обвідної, виду компактного ко-
дування даних [1, 2]. У залежності від функціональної орієнтації АС, галузей
застосування компактне кодування відліків сигналів можливе без їх попередньої
фільтрації (для точного відновлення первинних сигналів та зображень), з вико-
ристанням оперативних методів фільтрації на основі ковзкого згладжування від-
ліків сигналу з адаптивним вікном усереднення кількості відліків або адаптивної
медіанної фільтрації. Вибір методу фільтрації та стиснення відліків сигналу сут-
тєво залежить від продуктивності обчислювальних ресурсів на АС та наявного
часу обробки даних. Необхідність попередньої фільтрації відліків сигналу перед
їх стисненням пояснюється доцільністю отримання згладжених ділянок сигналів
(гладких функцій), що в свою чергу приводить до зменшення кількості суттєвих
відліків (СВ). Слід зазначити, що кожний метод фільтрації спотворює обвідну
сигналу [2]. Використання широко розповсюджених методів фільтрації та стис-
нення сигналів і зображень з усіченням спектральних коефіцієнтів швидких ор-
тогональних та вейвлет-перетворень призводить до того, що зі збільшенням ко-
ефіцієнта стиснення у відновленому масиві даних спостерігаються неконтро-
льовані спотворення амплітудно-часових характеристик СВ. При цьому різні
ортогональні перетворення характеризуються своєрідними спотвореннями, які
суттєво залежать від вхідного співвідношення сигнал/шум, характеристик бази-
су та форм базисних функцій [2]. Після фільтрації сигналів із-за вхідних шумів в
околиці точок перегину та екстремумів можливе виявлення декількох сусідніх
СВ, тому реалізація фільтрації-стиснення відліків сигналів з контрольованими
втратами суттєво залежить від прийнятої стратегії та методології фільтрації-
стиснення сигналів, тобто в залежності від вибраного типу та рівня адаптації у
процесі фільтрації-стиснення даних. На практиці можливі такі режими роботи
програмно-апаратних засобів АС:
Б.М. ШЕВЧУК
136 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9
- компактне кодування СВ без втрат (відсутня попередня фільтрація
сигналу);
- фільтрація сигналу та адаптивне кодування СВ з контрольованими
втратами;
- фільтрація сигналу з найбільш максимальним компактним кодуванням СВ.
У першому режимі компактного кодування даних амплітудно-часові харак-
теристики СВ кодуються без спотворень. У другому режимі кодування з ураху-
ванням продуктивності абонентських процесорів, наявного часу обробки (в реа-
льному часі, тобто в темпі введення даних, з мінімальною затримкою), рівня
складності й ефективності адаптивного алгоритму фільтрації-стиснення сигна-
лів, здійснюється компактне кодування потоку даних СВ, несуттєвих відліків
(НВ) та службової інформації. Вихідні компактні потоки даних кодуються у ви-
гляді наступного бітового потоку даних [8]: {ЗСІ}[{СІВ }{КДВ }]і і , де ЗСІ − за-
гальна службова інформація, СІВі − службова інформація і-ї (поточної) вибірки
сигналу (відеосигналу), КДВі − компактні дані поточної вибірки сигналу. В за-
лежності від динамічних характеристик ділянок сигналів, вхідного співвідно-
шення сигнал/шум службові дані {СІВ }і адаптивно змінюються, а послідовності
амплітудних значень СВ кодуються в полі {КДВ }і різницевим кодом, після яко-
го слідує код кількості НВ між сусідніми СВ. Третій режим компактного коду-
вання сигналів (відеосигналів) орієнтований на реалізацію надвисокого стис-
нення даних, при цьому за рахунок адаптації здійснюється прорідження відліків
сигналів, обмежується точність кодування даних, яка з точки зору дослідників
(експертів) не змінює візуальні характеристики обвідної сигналу (зменшується
кількість достовірних біт АЦП, зменшується кількість СВ і НВ, при цьому від-
повідні незначні по амплітуді СВ можуть ігноруватись, на динамічних ділянках
обвідної точки перегину не виявляються).
У кінцевому рахунку основна проблема фільтрації та стиснення сигналів з
допустимими втратами полягає у досягненні оптимальних характеристик проце-
сів фільтрації-стиснення відліків сигналу при використанні відповідних проце-
сорів та спеціалізованих пристроїв і оптимізованих за точністю і швидкодією
алгоритмів попередньої обробки інформації. З метою досягнення високих кое-
фіцієнтів стиснення даних доцільно оперативно виявляти найбільш інформатив-
ні ділянки сигналів, які кодуються найбільш точно, а на менш інформативних та
зашумлених ділянках серед групи сусідніх СВ доцільно виявляти найінформа-
тивніші СВ та кодувати їх меншою кількістю біт. Відповідно, максимальний ко-
ефіцієнт стиснення даних з втратами досягається при кодуванні менш інформа-
тивних та недостовірних (вражених шумами) ділянок сигналу.
Після стиснення сигналів з допустимими втратами в масиві даних є збиткові
послідовності двійкових даних, тому подальше компактне кодування вхідних
масивів даних грунтується на оперативних методах стиснення двійкових послі-
довностей без втрат інформації. Як правило, стиснення даних без втрат є багато-
стадійним процесом [9], один із ефективних етапів якого є компактне кодування
ОБРОБЛЕННЯ, КОДУВАННЯ ТА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ ЗАСОБАМИ АБОНЕНТСЬКИХ СИСТЕМ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 137
даних з використанням словникових методів стиснення даних. Підвищення ефе-
ктивності стиснення даних без втрат досягається за рахунок реалізації m-каналь-
ного (m > 1) відбору вхідних послідовностей різної тривалості, вибором резуль-
татів кодування того каналу, який найбільш компактно кодує дані з наступним
виконанням операцій заміщення двійкових послідовностей або гаміювання да-
них з псевдовипадковими послідовностями та виконанням наступних n циклів
(n > 1) компактного кодування даних. Багатостадійне, багатоканальне та бага-
тоциклове компактне кодування даних може поєднуватись з захистом інформа-
ції і вимагає використання високопродуктивних процесорів.
Криптостійке кодування масивів даних та інформаційних кадрів ІП.
Сучасні інтелектуальні радіомодулі провідних комп’ютерних та мікроелектрон-
них компаній світу для захисту даних в ISM-діапазоні радіочастот використову-
ють 128-бітне AES-шифрування. В роботі [10] запропоновано новий метод за-
хисту даних у комп’ютерних мережах, згідно якого замість первинних масивів
даних передаються ознаки шифрованих даних. При цьому шифрування даних
грунтується на заміні байтів первинного файла байтами спеціально організова-
ного файла-ключа.
В інтегрованих та розгалужених мережах пакети інформації від пари або-
нентів (відправник ІП – отримувач ІП) передаються з використанням ресурсів
проміжних абонентів-ретрансляторів. Відповідно, для надійного захисту інфор-
мації у мережах тільки відповідні пари абонентів мають володіти сеансовим (по-
точним) секретним ключем (СК), а в пакетах інформації доступною інформаці-
єю для відповідної (обмеженої) групи абонентів має бути початок пакету та його
поле адреси (часто тільки адреса отримувача ІП).
Основна проблема захисту інформації у комп’ютерних мережах полягає
у розповсюдженні абонентських СК, які використовуються в процедурах аутен-
тифікації абонентів і в шифруванні даних. Для забезпечення цілковитої секрет-
ності процесу передачі інформації необхідно, щоб при передачі кожного ІП по-
точний СК використовувався тільки один раз. З робіт К. Шеннона випливає, що
в теоретично стійких секретних системах передачі інформації СК за обсягом не
мають бути меншими, ніж обсяг первинного тексту { }iX та шифрограми { }iY .
На практиці прикладом такого шифру є шифр Вернама (шифр з одноразовим
ключем), причому захист інформації грунтується на виконанні операції дода-
вання за модулем 2 над відповідними бітами масиву даних та поточного СК.
Внаслідок гаміювання даних отримуємо криптограму 1,..., ,...,i nY y y y= ,
( n − максимальна кількість біт криптограми), для якої справедливий вираз
Y X K= ⊕ , де 1,..., ,...,i nX x x x= − послідовності бітів первинного масиву даних
(компактного масиву даних після виконання відповідних операцій стиснення
даних), 1,..., ,...,i nK k k k= − послідовності випадкових бітів поточного СК,
1 1 1,..., ,...,i i n ny x k y k y k= ⊕ ⊕ ⊕ . Суттєвою вимогою при виконанні операцій
шифрування даних з одноразовим ключем є дотримання вимоги, щоб при вико-
нанні кожної наступної операції шифрування (гаміювання) використовувався
Б.М. ШЕВЧУК
138 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9
інший незалежно згенерований СК. Тому для j-ї операції гаміювання, парою
абонентів, які приймають участь у передачі/прийомі ІП, генерується поточна по-
слідовність випадкових бітів ,..., ,...,j j i j n jK k k k+ += . Величина ступеня захисту
інформації zP пропорційна величинам масивів даних, що підлягають гаміюван-
ню, тобто max[2 ]m
zP ≅ , де m −мінімально необхідна довжина поточної псевдо-
випадкової послідовності (ПВП), яка використовується для надійного захисту
поточного масиву даних ( 2048m ≥ біт).
Для розповсюдження та формування СК центр розподілу ключів мережі ге-
нерує випадковий сеансовий ключ для передачі поточних ІП, а далі доставляє
сеансовий ключ, зашифрований за допомогою секретних ключів кожного з двох
абонентів. Після дешифрування повідомлення про сеансовий ключ абоненти ви-
користовують його при передачі ІП до наступної зміни сеансового ключа. Ін-
ший, більш складніший спосіб розповсюдження ключів полягає в наступному.
Кожний абонент мережі володіє закритим СК, який невідомий іншим абонентам,
а також володіє базою даних кодових ключів для генерації ПВП. При необхідно-
сті передачі пакетів даних j-му абоненту мережі i-й абонент направляє йому ко-
ротке повідомлення-запит і після отримання відповіді направляє j-му абоненту
сеансовий ключ, зашифрований засобами асиметричної криптографії. Після цьо-
го здійснюється передача ІП, зашифрованих сеансовим ключем. Більш ефектив-
ними є способи формування СК при використанні спрощених програмно-
апаратних засобів з урахуванням досягнення заданої величини ступеня захисту
інформації Pz. Для надійного шифрування даних з використанням сеансових СК
здійснюється генерація відповідних ПВП та гаміювання даних після стиснення
масивів даних. При наявності часу на кодування даних та при виконанні багато-
циклового стиснення даних операція гаміювання може виконуватись після реа-
лізації кожного циклу компактного кодування даних.
Формування і передавання псевдохаотичних, криптостійких та завадо-
стійких ІП. Стислі та захищені масиви даних фактично є псевдохаотичними
беззбитковими двійковими послідовностями, які при формуванні та передаванні
ІП, трансформуються у послідовності хаотичних інтервально-імпульсних сигна-
лів. При наявності шумів у радіоканалі, парою абонентів, у процесі встановлен-
ня зв’язку, визначаються параметри формування та прийому ШПС.
Підвищена завадостійкість передачі інформації при низькому співвідношен-
ні сигнал/шум у радіоканалі досягається за рахунок реалізації завадостійкого
кодування та перемішування даних, шляхом передачі шумоподібних ІП з опера-
тивно визначеною мінімально необхідною базою. Перспективним способом за-
вадостійкого кодування даних ІП є застосування рекурсивного кодування послі-
довностей бітів ІП з використанням кодів поля Галуа та формування сигнальних
коректуючих послідовностей, які передаються в радіоканалі [11, 12]. Виявлення
помилок на прийомній стороні грунтується на виконанні абонентом-
відправником ІП біт-орієнтованої нумерації послідовності нулів і одиниць, які
передаються за допомогою кодових послідовностей Галуа. При виявленні поми-
ОБРОБЛЕННЯ, КОДУВАННЯ ТА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ ЗАСОБАМИ АБОНЕНТСЬКИХ СИСТЕМ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2010, № 9 139
лок рекурентним шляхом визначається місцезнаходження того символу, який
потребує виправленню. Таким чином пари АС мережі, які отримали доступ у
радіоканал, з використанням сеансових СК та шляхом контролю поточного ста-
ну радіоканалу забезпечують формування криптостійких та завадостійких ІП на
основі трансформації компактних масивів даних у хаотичні дані з використан-
ням описаних процедур формування криптостійкого керованого хаосу.
Висновки. Запропонована технологія багатофункціональної, оперативної та
адаптивної обробки та кодування даних на АС є основою для побудови когніти-
вних радіомереж широкого застосування для надійної та ефективної передачі
інформації. При цьому дані в каналі зв’язку передаються у вигляді криптостій-
кого та завадостійкого хаосу, тобто хаотичною послідовністю канальних сигна-
лів, які маскуються в шумах радіоканалу.
1. Шевчук Б.М. Моделі та методи обробки, кодування і передачі інформації для побудови
інформаційно-ефективних комп’ютерних мереж // Комп’ютерні засоби, мережі та сис-
теми. – 2009. – № 8. – С. 81 – 89.
2. Шевчук Б.М., Задірака В.К., Гнатів Л.О., Фраєр С.В. Технологія багатофункціональної
обробки і передачі інформації в моніторингових мережах. – К.: Наук. думка, 2010. –
370 с.
3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.:
Пер. с англ. – М.: Издательский дом “Вильямс”, 2003. – 1104 с.
4. Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. Сверхширокополосная связь. Теория и применение. –
М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 368 с.
5. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. – М.: Ра-
дио и связь, 1986. – 304 с.
6. Шахнович Н.В. Современные технологии беспроводной связи, 2-е изд.: – М.: Техносфе-
ра, 2006. – 288 с.
7. Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной святи /
А.М. Шлома, М.Г. Бакулин, В.Б. Крейнделин, А.П. Шумов; Под ред. А.М. Шломы. – М.:
Горячая линия-Телеком, 2008. – 344 с.
8. Шевчук Б.М., Фраєр С.В. Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України.
Спосіб фільтрації та стиску аналогового сигналу. Заявка на патент України а201006745,
G 08C 19/28. Пріоритет від 01.06. 2010. – 10 с.
9. Сэломон Д. Сжатие данных, изображений и звука. – М.: Техносфера, 2004. – 368 с.
10. Алишов Н.И., Марченко В.А., Оруджева С.Г. Косвенная стеганография как новый способ
защиты компьютерных данных // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2009. – № 8.
– С. 105 – 112.
11. Николайчук Я.М., Гринчишин Т.М., Заставний О.М., Воронич А.Р. Дослідження ефекти-
вності формування сигнальних кодів // Комп’ютерні системи та компоненти. – Науковий
вісник Чернівецького університету, 2009. – Вип. 479. – С. 114 – 125.
12. Николайчук Я.М., Воронич А.Р., Гринчишин Т.М. Теоретичні основи, принципи форму-
вання та передавання інформації на основі сигнальних коректуючих кодів // Матеріали
проблемно-наукової міжгалузевої конф. “Інформаційні проблеми комп’ютерних систем,
юриспруденції, енергетики, економіки, моделювання та управління (ПНМК-2010)”. –
Бучач: Бучачський інститут менеджменту і аудиту, 2010. – Вип. 6. – 1. – С. 41 – 48.
Отримано 09.09.2010
|