Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИВНОЙ КОРОТКОВОЛНОВОЙ СВЯЗИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к инфокоммуникационной технике и может быть использовано в системах передачи данных по каналам связи. Его использование позволяет повысить достоверность передачи информации без введения структурной избыточности в передаваемые сообщения, обнаруживать возникающие при передаче ошибки, как одиночные, так и кратные, повысить скорость передачи данных.

Изобретение ориентировано на усиление преимуществ коротковолновой (KB) радиосвязи. Ее отличительная особенность проявляется в наиболее выраженной экономической целесообразности применения. Стоимость передачи 1 Мбайта информации в сутки на расстояние до 1000 км определяется следующими значениями: 1) спутниковая связь - $4000; 2) волоконно-оптическая - $2500 и 3) КВ-радиосвязь - $30. Однако КВ-радиосвязь не лишена и недостатков. К их числу относятся: резкое затухание сигнала на трассе радиосвязи, различный характер замираний сигнала, зависимость качества связи от времени суток, года и состояния атмосферы, ограниченный ресурс используемого диапазона частот, а также низкие скорости передачи информации при использовании стандартных каналов связи. Поэтому она и не получили должного признания, соответствующего ее значимости для комплексного использования, наряду с другими видами связи, в современных бизнес-технологических процессах в сфере телекоммуникаций.

Основной способ парирования недостатков заключается в использовании адаптивных принципов организации связи. Наиболее распространенный способ адаптации основан на результатах зондирования (мониторинга) атмосферы. Но его использование при существующей организации мониторинга состояния атмосферы предполагает выделение специального (резервного) канала связи, предназначенного только для решения задач контроля его состояния. Поэтому в настоящее время особую актуальность приобретает применение многопараметрической адаптации к динамически изменяющейся сигнально-помеховой обстановке. Основная ее направленность проявляется в следующем: 1) в создании условий для дополнительного повышения информационной нагрузки несущей частоты радиосигнала, в том числе, и на основе использования новых структурно-кодовых и сигнально-кодовых конструкций (СтКК и СиКК); 2) в устранении существующих недостатков помехоустойчивого кодирования данных и модуляции сигналов. При этом особое внимание должно уделяться поиску новых ресурсов для повышения эффективности систем связи. Одним из них становится система представления передаваемых данных (система счисления при математической постановке задачи повышения эффективности существующих и разрабатываемых средств передачи информации).

Это направление активно развито в следующих изобретениях: [1], «Способ передачи информации», патент RU №2609747, приоритет от 13.08.2017 г.; [2] «Способ передачи информации и система для его осуществления», патент RU №2586833, приоритет 15.08.2015 г. и [3], «Способ передачи информации и система для его осуществления», патент RU №2586605, приоритет от 22.03.2013 г.).

При использовании данных способов возможности дополнительного экономного безызбыточного помехоустойчивого кодирования передаваемой информации обеспечивают на основе формирования внутренней структуры представления данных (S_внутр), которая по разрядности (N) двоичных слов, используемых для передачи информации, совпадает с существующей структурой представления сообщений и пакетов данных.

В способе [3] новые возможности для повышения эффективности передачи информации появляются при синтезе внутренней структуры S_внутр отображения значений данных и сообщений X_i, основу которого составляет когнитивная (знаниепорождающая) математическая модель их представления образами-остатками b_i, i=1, 2, …, k:

Система сравнений (1) представляет собой сжатую математическую форму представления системы уравнений (2):

где X_i, - в соответствии с основной теоремой арифметики, представляет собой делимое (в системах связи - это значение передаваемых данных или сообщений); m₁ и m₂ - делители, - неполные частные, а b_i1 и b_i2 - остатки от деления.

«Сжатой» формой представления передаваемых данных или сообщений X_i она является от того, что в системе сравнений (1) отсутствуют неполные частные В соответствии с теорией конечных полей Э. Галуа ([4], Романец Ю.В., Тимофеев П.А., Шаньгин В.Ф. Защита информации в компьютерных системах и сетях / Под ред. В.Ф. Шангина - М.: Радио и связь, 1999. - 328 (Китайская теорема об остатках, стр. 311, 312), [5], Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика. Т.1., М: Минобороны России, 2003. - 278 с, стр. 38 - 43), [6], Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами, патент RU №2607639, опубл. 27.07.2016 г., бюл. №21, они могут быть восстановлены на приемной стороне при условии, что делители, называемые модулями сравнения m_i и m₂, являются взаимно-простыми числами: (m₁, m₂)=1. Это означает, что у их общим делителем должна быть только 1. При использовании конструктивной теории передачи информации в системах связи модули сравнения m₁ и m₂, являются ключами: ими стороны обмениваются до начала сеанса связи. В процессе самой передачи данных или сообщений они не используются. Поэтому сама система представления данных или сообщений образами-остатками b_i1 и b_i2: C_i=<b_i1, b_i2>₂ становится «сжатым» дополнительно закодированным отображением передаваемых значений данных или сообщений X_i. Кроме того, его применение при передаче данных и сообщений, обладающих внутренней избыточностью в виде, например, корреляционной взаимозависимости соседних значений X_i, X_i+1, X_i+2, …, X_i+s, сопровождается возможностью обнаружения и исправления ошибок передачи информации. При этом образы-остатки b_i1 и b_i2, для представления которых требуются n-разрядные двоичные кодовые конструкции, представляют собой внутреннюю структуру данных и сообщений S_внутр.

Внешнюю структуру данных и сообщений S_внешн они приобретают после объединения при дополнительном кодировании в единое (N=2n) - разрядное двоичное слово C_i=<b_i1, b_i2>₂. Его разрядность совпадает с разрядностью (N=2n) представления значений данных и сообщений при их исходном представлении X_i. Поэтому формируемые кодовые слова C_i с новыми значениями данных и сообщений относятся к классу безызбыточных кодов.

В этом заключены сущностные характеристики способа [3]. Однако, обладая многими бесспорными достоинствами, у него есть и отдельные недостатки. Основной среди них заключается в необходимости выбора оптимальных значений модулей сравнения m₁, m₂: m₁=2ⁿ-1, а m₂=2ⁿ+1. В этом случае обеспечивают возможность однозначного представления всех значений X_i (N=2n) - разрядными двоичными кодовыми конструкциями, так как произведение: m₁×m₂=(2ⁿ-1)(2ⁿ+1)=2²ⁿ-1=2^N-1. Но, при сравнении по модулю m₂=2ⁿ+1 среди образов-остатков b_i2 при n - разрядном их представлении два крайних значения будут неразличимы, например, b_i2=<0>₁₀=<0000>₂ и b_i2=<16>₁₀=<0000>₂ при байтовом (N=2n=8) представлении. Этот недостаток наиболее просто может быть устранен при наличии дополнительного (девятого при представлении сообщений стандартными байтовыми словами (N=2n=8)) символа «Контроль четности бит». В этом случае к полуслову b_i2⁽⁰⁾=<0000>₂, как и к другим кодовым конструкциям, например, b_i2⁽¹³⁾=<13>₁₀=<1101>₂, будет добавлен соответствующий двоичный символ: в первом случае «0»: b_i2⁽⁰⁾=<00000>₂, а во втором «1» - b_i2⁽¹³⁾=<11011>₂. Это правило формирования символов «Контроль четности бит». И только в одном случае, когда b_i2⁽¹⁶⁾=<10000>₂ будет сделано исключение:

первый символ «1» станет последним: b_i2⁽¹⁶⁾*=<00001>₂. В результате этого образы-остатки b_i2⁽⁰⁾=<00000>₂ и b_i2⁽¹⁶⁾*=<00001>₂ станут различимыми и отмеченный недостаток будет устранен.

При использовании способов [1] и [2] разрядность N исходных двоичных слов X_i, определяющих внешнюю структуру представления данных (S_внеш), всегда точно, без каких-либо исключений, совпадает с разрядностью представления данных C_i. Реализуемые при этом модели структурно-алгоритмических преобразований первого этапа (САП-1), получившими условные обозначения (САП-1 (п)) [1] и (САП-1 (у)) [2], являются замещающими по отношению к ранее рассмотренной когнитивной модели (САП-1 (о)) [3], основу которой составляют образы-остатки b_i1 и b_i2: C_i=<b_i1, b_i2>₂.

Алгоритм кодирования исходных данных и сообщений, который используют в способе [1], предполагает представление значений передаваемых данных и сообщений в виде старшего (a_cmi) и младшего (a_млi) полуслов (3):

которые затем переставляют местами:

где C_i - результат дополнительного безызбыточного помехоустойчивого кодирования слов-измерений и сообщений X_i.

При этом, в общем случае, результатами деления исходной кодовой конструкции слова-измерения или сообщения могут быть не только полуслова, но и другие ее составные части или кодовые сегменты. Например, при нечетном N: (N=2n+1) возможны следующие два базовых варианта деления:

1) старшая часть (a_cmi), состоящая из (n+1) двоичного разряда, и младшая часть (a_млi), представляемая n- разрядным традиционным позиционным двоичным кодом;

2) старшая часть (a_cmi), состоящая из n двоичных разрядов, и младшая часть (a_млi), представляемая (n+1) - разрядным традиционным позиционным двоичным кодом.

С точки зрения математического описания предлагаемого дополнительного кодирования информации с использованием теории конечных полей младшее полуслово (a_млi) представляет собой остаток (b_3i) (а_млi=b_3i) по модулю m₃, равному значению минимального кодового расстояния m₃⁽¹⁾=2⁽ⁿ⁺¹⁾ в первом из рассмотренных случаев и m₃⁽²⁾=2ⁿ - во втором случае:

где индексы b₃ и m₃, равные i=3, выбраны с учетом предшествующей формулы (2), в которой индекс i=1, соответствует модулю сравнения m₁=2ⁿ-1, а индекс i=2 - модулю сравнения m₂=2ⁿ+1.

Алгоритм САП-1 (у) предполагает получение кодированных значений, которые представляют собой результат умножения каждого из значения сообщений X_i на выбранное минимальное кодовое расстояние d_min^(y), представленное в метрике Евклида, с последующим определением результатов дополнительного кодирования C_i в результате сравнения по модулю Ш=2^N:

Оптимальное минимальное кодовое расстояние d_min^(y) равно: d_min^(y)=m₂₌2ⁿ+1. В этом случае появляется дополнительная возможность контроля достоверности получаемой информации, а также обнаружения и исправления ошибок передачи данных и сообщений.

Алгоритмы восстановления переданных значений при приеме данных и сообщений ориентированы на следующие два вида декодирования - «жесткое» и «мягкое». Алгоритм «жесткого» декодирования должен обеспечить восстановление переданных сообщений при отсутствии корреляционной взаимосвязи между соседними значениями сообщений X_i, X_i+1, X_i+2, …, X_i+s с погрешностью, которая была бы не хуже по сравнению со случаем традиционной передачи информации без использования алгоритмов САП-1. Задача алгоритма «мягкого» декодирования заключена в том, чтобы обнаружить и исправить ошибки передачи в принятых закодированных значениях данных и сообщений. Затем скорректированный поток закодированных данных вновь подвергают декодированию с использованием алгоритма «жесткого» декодирования.

Алгоритм «жесткого» декодирования при использовании способа, использующего технологию дополнительного безызбыточного кодирования САП-1 (у) определен следующей формулой:

Различие между рассмотренными выше примерами дополнительного кодирования при различной разрядности кодовых сегментов, представляющих образы-остатки и полуслова, будет проявляться в значениях минимального кодового расстояния d_min. Так, например, при представлении данных образами-остатками (использовании алгоритмов САП-1 (о)) d_min^(о)=2ⁿ+1 [3], а при использовании замещающего его кодирования на основе разделения исходных кодовых слов X_i на полуслова a_cmi, a_млi: X_i=<a_cmi, a_млi>₂ и перестановки их позиционными местами: C_i=<a_млi, a_cmi>₂ (замещающий алгоритм САП-1 (п)) d_min^(п)=2ⁿ. При использовании алгоритмов САП-1 (у) минимальное кодовое расстояние d_min^(y) может принимать и различные другие значения.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы, реализующей разработанный способ, в виде приемной цифровой антенной решетки, используемой при передаче информации в KB-диапазоне. Она содержит: антенную структуру решетки 1₁, 1₂,…, 1_К, блок фазирования - 2, антенные модули 21₁, 21₂, …, 21_К, каждый из которых представлен последовательно соединенными следующими элементами: диапазонным полосовым фильтром (ДПФ) - 3, усилителем высокой частоты (УВЧ) - 4, аналого-цифровым преобразователем (АЦП) - 5, блоком структурно-алгоритмического преобразования (САП-1) - 6, модемом - 7, выход которого, являющийся выходом соответствующего антенного модуля 21₁, 21₂, …, 21_К, соединен со спецвычислителем - 8, который подключен к радиоприемным комплексам - 9₁, 9₂, …, 9_р, выходы которых соединены с соответствующими входами блока первичной обработки информации - 10. В новом блоке 6 структурно-алгоритмического преобразования (САП-1) предусмотрено использование различных моделей, как когнитивной модели САП-1 (о), так и заменяющих его версий САП-1 (о) и САП-1 (у), являющимися эквивалентными с точки зрения решения задач повышения помехозащищенности передачи данных и точности их синхронизации в радиоприемных комплексах 9₁, 9₂, …, 9_р. В системе КВ-связи ([7], «Система АСУР. Схема деления на составные части», НПСЖ.468365.001 Е1), разработанной ООО «ИНТЕХ» и реализующей предлагаемый способ, число (р) радиоприемных комплексов 9 выбрано, равным 6 (р=6) (фиг. 1).

На фиг. 2 представлена структурная схема одного из предлагаемых алгоритмов дополнительного кодирования (структурно-алгоритмического преобразования САП-1 (п)). Он наиболее простой с точки зрения технической реализации и заключается в том, что данные и сообщения X_i, представленные после аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в блоке 6 структурно-алгоритмического преобразования (N=2n) - разрядным двоичным кодом разделяют на старшее (a_cmi) и младшее (a_млi) n - разрядные полуслова, которые затем переставляют местами. В результате этого значения наиболее динамично изменяющейся кодовой конструкции младшего (a_млi) полуслова будут усилены в к=2ⁿ раз, что при последующей операции сравнения закодированных значений C_i по модулю 2^N: C_i=<a_млi, a_cmi>₂(mod 2^N) сопровождается появлением следующего дополнительного технического эффекта: 1) расширения диапазона изменения значений данных и сообщений до предела, определяемого шкалой Ш представления (N=2n) - разрядным двоичным кодом, где Ш=(0-(2^N-1)); 2) повышения диапазона возможных изменений значений содержательной информации (шкалы представления Ш значений передаваемых сообщений); 3) появления дополнительных признаков, которые могут быть использованы для повышения точности синхронизации (фазирования) сигналов антенной решетки, а также для обнаружения и исправления ошибок передачи информации; 4) обеспечения мониторинга состояния радиолиний без выделения для этой цели специального канала.

Проведенный анализ и основанные на нем технические предложения позволяют сформулировать формулу изобретения способа.

1. Способ передачи информации с использованием адаптивной коротковолновой связи, заключающийся в обеспечении приема радиосигналов, формируемых на К выходах приемных антенн KB-диапазона, составляющих антенную решетку, их фазирования и в последующем преобразовании в К антенных модулях, в каждом из которых сформированные радиосигналы подвергают фильтрации, представляющей собой первичную операцию борьбы с помехами, заключающуюся в использовании соответствующих диапазонных полосовых низкочастотных фильтров, усиливают усилителем высокой частоты и преобразуют путем дискретизации по времени на основе теоремы В.А. Котельникова в значения, представленные натуральным позиционным (N=2n)-разрядным двоичным кодом, которые передают с использованием модема в вычислитель, установленный в центре приема и сбора информации, на основе результатов, полученных на выходе вычислителя, обеспечивают адаптивное управление диаграммой направленности антенной решетки, отличающийся тем, что в каждом из К параллельных антенных модулей используют структурно-алгоритмические преобразования (САП) данных и сообщений, представленных после аналого-цифрового преобразования (АЦП) в цифровой форме, путем дополнительного безызбыточного их кодирования, после приема осуществляют обнаружение и исправление ошибок передачи в блоках первичной обработки информации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в антенных модулях для передачи потоков цифровых сигналов, принятых отдельными элементами фазированной антенной решетки, используют каналы волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

Система, реализующая предлагаемый способ, составляет основу построения автоматизированного радиоприемного центра КВ-диапазона, разработанного ООО «ИНТЕХ» [7].

Она предполагает использование операций приема, фазирования и структурно-алгоритмического преобразования радиосигналов, формируемых на выходах антенных модулей 21₁, 21₂, …, 21_К для повышения качества КВ-связи (фиг. 1). В существующем автоматизированном радиоприемном центре сигналов KB-диапазона радиосигналы получают от К выходов приемных антенн KB-диапазона, где К - счетное множество от 1 до 60. Принятые потоки сигналов фазируют в блоке 2 фазирования, затем используют антенные модули 21₁, 21₂, …, 21_К, входящие в автоматизированную систему фильтрации диапазонно-полосовыми фильтрами 3, усиления по высокой частоте 4, аналого-цифрового преобразования 5, структурно-алгоритмического преобразования 6, передачи 7 и распределения радиосигналов (АСУР). Существующая система (АСУР) [7] предназначена для приема и усиления радиосигналов от выходов устройств фазирования, и/или приемных антенн КВ-диапазона (от 2 до 30 МГц) и автоматизированной коммутации их ко входам автоматизированных радиоприемных комплексов (АРПК-6К) для оперативного выбора операторами такого направления приема радиосигналов, при котором качество KB-связи наилучшее. В системе, реализующей предлагаемый способ, используют в каждом из антенных модулей фильтр низких частот, задача которого заключена в следующем: 1) уменьшении негативного влияния шумов и помех на получаемые результаты обработки сигналов; 2) в обеспечении работы системы защиты антенной системы от грозовых разрядов.

В результате обработки в вычислителе 8 получаемых К сигналов реализуют операцию адаптивного изменения диаграммы направленности антенного поля, при котором по направлениям прихода излучений от сторонних источников информации фазированной антенной решетки (ФАР) формируют «нулевую» диаграмму направленности (ДН), обеспечивающую максимально возможный уровень подавления помех от других источников информации. В АСУР аналоговые радиосигналы, получаемые после фазирования и усиления преобразуют в цифровую форму на основе аналого-цифровых преобразователей (АЦП) - 5. После этого реализуют наиболее подходящую для передачи данных модель структурно-алгоритмического преобразования (дополнительного кодирования сообщений) первого этапа САП-1: САП-1 (о), САП-1 (п) и САП-1 (у), применение которой в наибольшей степени учитывает специфические особенности передаваемой информации. Преобразованные данные и сообщения передают в вычислитель 8 автоматизированного пункта 6-тиканаль-ного радиоприемного комплекса (АРПК-6К) - 9. Выходы АРПК-6К являются входами потребителей аналогового и цифрового сигналов, соответственно, при этом аналоговые интерфейсы используют для обеспечения совместимости с существующим, а цифровые - с перспективным оборудованием КВ-связи. В разработанной в ООО «ИНТЕХ» системе передачи информации с использованием адаптивной коротковолновой связи [7] есть две группы параллельных выходов: 19_1i и 19_2i. Первая из них соединена с соответствующими входами преобразователей аналоговых интерфейсов (каналы тональной частоты (ТЧ)), а вторая - подключена к соответствующим входам преобразователей цифровых интерфейсов (в существующей реализации - это телеграфные (ТГ) каналы документальной связи).

На фиг. 2 приведена схема прямого замещающего структурно-алгоритмического преобразователя первого этапа (ПСАП-1 (п)), предназначенного для дополнительного безызбыточного помехоустойчивого кодирования передаваемых сообщений X_i. Его реализуют на основе следующих операций:

1) разделения кодовых слов сообщений X_i, имеющих разрядность N=2n представления двоичным кодом на старшее (a_cmi) и младшее (a_млi) полуслова:

2) перестановки их позиционными местами в новом кодовом слове C_i, имеющем ту же разрядность представления.

В результате этого формируют внутреннюю структуру закодированных сообщений. Иллюстрация результатов САП-1 (п) и полученный новый технический эффект также представлены на фиг. 2 на примере передачи данных, которые обладают корреляционной взаимосвязью соседних значений X_i, X_i+1, X_i+2, …, X_i+s.

Структурно-алгоритмическое преобразование (САП-1), так же, как преобразование Фурье, имеет два алгоритма представления: прямого (ПСАП-1) и обратного (ОСАП-1). Но принципиальное отличие проявляется в существовании двух видов ОСАП-1: универсального ОСАП-1 (УОСАП-1), отождествляемое с понятием «жесткого» декодирования, и частного ОСАП-1 (ЧОСАП-1), которое определяют как «мягкое» декодирование принятых и обрабатываемых данных и сообщений [1-3, 8]. Также новая особенность «мягкого» декодирования принятых и обрабатываемых данных и сообщений (ЧОСАП-1) проявляется в том, что его использование возможно при обработке уже принятых данных и сообщений, в том числе и тогда, когда структурно-алгоритмические преобразования (ПСАП-1) на передающей стороне и не были реализованы (фиг. 3). Кроме того, возможен вариант использования, когда операции ПСАП-1 и ОСАП-1 были использованы при обработке информации в блоке 10 повторно. В этом случае результат первичного восстановления значений сообщений с уменьшенным при первом применении операций ПСАП-1 и ОСАП-1 количеством ошибок (фиг. 3 (B₁ и В₂)). Но при повторном применении операций ПСАП-1 и ОСАП-1 в качестве исходного цифрового сигнала используют не первоначальное восстановление последовательности данных и переданных сообщений (фиг. 3 (A₁ и А₂)), а результат первичной его коррекции (фиг. 3 (B₁ и В₂)). При этом выбирают другое значение минимального кодового расстояния d_min⁽²⁾ в метрике Евклида по сравнению с ранее использовавшимся d_min⁽¹⁾: d_min⁽²⁾ ≠d_min⁽¹⁾. В этом случае оставшиеся при первом применении ошибки также будут исправлены. Однако этот процесс повторной операции обнаружения и исправления ошибок не может многократно применяться. Как показывают проведенные экспериментальные исследования, число повторений зависит от корреляционной взаимосвязи передаваемых сообщений и не должно быть больше 2.

На фиг. 3 представлены основные операции прямого и обратного замещающего структурно-алгоритмического преобразования первого этапа (САП-1 (п)), используемого для демонстрации работы блока первичной обработки информации - 10. В качестве исходной информации были выбраны данные телеизмерений (ТИ), получаемые при мониторинге сложных технических комплексов (СТК).

На фиг. 3 приведены следующие иллюстрации: 1) исходных телеметрируемых параметров (ТМП) системы мониторинга работоспособности сложного технического комплекса (СТК) при традиционных принципах передачи и приема телеметрической информации (ТМИ) (фиг. 3 (Б₁ и Б₂)); 2) при использовании предлагаемой операции САП-1 (п) (фиг. 3 (A₁ и А₂). При использовании универсального алгоритма «жесткого» декодирования принятых данных ТИ обеспечивают превращение последовательности принятых сообщений (графики (фиг. 3 (А₁ и А₂)) в их вид при традиционном представлении (фиг. 3 (Б₁ и Б₂)) путем обратной перестановки полуслов. Отличительная особенность этой операции заключается в том, что она применима всегда, независимо от специфических свойств передаваемой информации, проявляющихся, например, в виде корреляционной взаимосвязи передаваемых соседних сообщений. Но за универсальность приходится расплачиваться утратой способности обнаруживать и исправлять ошибки передачи.

Последующее использование алгоритма «мягкого» декодирования принятых данных ТИ, учитывающих наличие корреляционной взаимосвязи передаваемых соседних сообщений, позволяет обнаружить и исправить от 50 до 90% ошибок передачи сообщений, что продемонстрировано на графиках (фиг. 3 (B₁ и В₂)). Подобный результат получают и при использовании других вариантов САП-1: САП-1 (о) и САП-1 (у).

Выбор замещающей модели САП-1 (п), на который ориентированы приведенные на фиг. 2 и фиг. 3 иллюстрации, связан с необходимостью упрошения технической реализации. В этом случае алгоритм «жесткого» декодирования принятых закодированных сообщений C_i*=<а_млi, a_cmi>₂ искаженных помехой ε_i: C_i*=C_i+ε_i (фиг. 3 (А₁, А₂)) наиболее прост: для восстановления сообщений в их исходном виде: X_i*=X_i+ε_i, необходимо вернуть старшие (a_cmi) и младшие (a_млi) полуслова на свои первоначальные места: X_i*=<a_cmi, а_млi>₂. Но при этом нет возможности обнаружения и исправления ошибок передачи (ε_i) и качество получаемой информации будет таким же, как и при традиционной передаче информации (фиг. 3 (Б₁, Б₂)). При этом алгоритм «жесткого» декодирования применим всегда, независимо от свойств передаваемой информации, однако в соответствии с законами Природы «за универсальность приходится расплачиваться потерями эффективности».

Возможность обнаружения и исправления ошибок передачи (ε_i) появляется только при использовании алгоритма «мягкого» декодирования принятых закодированных сообщений C_i*. Структурная схема блока предварительной обработки информации 10 приведена на фиг.4. Она определяет основные операции, составляющие основу обеспечения совместной работы «жесткого» и «мягкого» декодеров. На ней представлены «жесткий» 22 и «мягкий» 23 декодеры принятых закодированных сообщений C_i*. «Жесткий» декодер 22 представлен: блоком 24 определения абсолютных разностей δ_i=|C_i+1*-C_i*| между соседними значениями принятых закодированных сообщений C_i+1* и C_i*, где δ_i<μd_min,, μ=1, 2, …, m₁/2, m₂=2ⁿ - модуль сравнения и установления на этой основе наличия корреляционной взаимосвязи между соседними значениями сообщений C_i+1* и C_i*; блоком 25 нахождения разрывов, определяющих границы временных интервалов равноостаточности при появлении среди абсолютных разностей δ_i=|C_i+1*-C_i*| больших значений δ_imax:δ_imax=|C_i+1*-C_i*|≥0,8×2^N, где N - разрядность представления значений сообщений двоичным кодом; логическим элементом 26, формирующим решение о принятии или отклонении гипотезы о наличии инварианта в виде «группового свойства равноостаточности». «Мягкий» декодер 23 состоит из последовательно соединенных блока 27 выделения «группового свойства равноостаточности» и блока 28 обнаружения и исправления ошибок передачи. В результате этого получают первоначальные откорректированные значения сообщений с уменьшенными искажениями

В блоке 29, объединяющим полученные результаты «жесткого» и «мягкого» декодеров, полученный результирующий поток закодированных значений C_i* с обнаруженными и исправленными ошибками передачи подвергают обратному структурно-алгоритмическому преобразованию на основе алгоритма «жесткого» декодирования (ОСАП-1). Для рассмотренного на фиг. 2 и фиг. 3 случая применения модели ОСАП-1 (п) кодовые слова, соответствующие необходимо разделить на составляющие их полуслова (a_млi) и (a_cmi) и переставить их местами:. В результате этого получают сообщения в которых уровень ошибок существенно меньше исходного:

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующий третий зависимый пункт формулы изобретения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в блоках первичной обработки информации, используют адаптивную систему «жесткого» и «мягкого» декодирования переданного сигнала, восстановленного при использовании режима «жестком» декодирования данных и сообщений, принятых на фоне помех с учетом выявленных при заданной модели корреляционной зависимости следующих подряд не менее трех переданных соседних значений C_i-1*, C_i*, и C_i+1*, составляющих группу данных и сообщений со свойствами «групповой равноостаточности», в случаях, когда это условие выполняется, применяют дополнительные операции «мягкого» декодирования переданных сообщений, для чего определяют временные интервалы (ΔT_is), заключенные между соседними разностями закодированных значений C_i+1* и C_i* содержащих ошибки передачи и удовлетворяющих следующему неравенству: δ_imax=|C_i+1*-C_i*|≥0,8×2^N, где (N=2n) - разрядность представления значений сообщений двоичным кодом, и находят значения остатков получающихся при делении закодированных значений сообщений C_i*, …, C_i+s*, на известное для данного типа структурно-алгоритмических преобразований (САП-1) значение минимального кодового расстояния d_min, в результате чего получают результат радиомониторинга каналов КВ-диапазона в виде инвариантов принимающих постоянное значение ξ_i=Const при отсутствии ошибок передачи и искажений переданного по КВ-связи сигнала на выделенных временных интервалах ΔT_is, строят на выделенных временных интервалах ΔT_is гистограммы распределения значений остатков ξ_i, которые при наличии ошибок рассматривают, как случайные величины, определяют моду гистограммы Мо[ξ_i], значение которой принимают за искомое в условиях неопределенности значение свойства равноостаточности, на основе значений ξ_i, отличающихся от моды гистограммы Мо[ξ_i] (ξ_i ≠Мо[ξ_i]), определяют значения C_i*, содержащие ошибки ε_i, которые затем исправляют путем нахождения такого ближайшего к предыдущему значению «мягкого» декодирования результата C_i-1, признанного достоверным, при котором результат его деления на значение минимального кодового расстояния d_min даст остаток ξ_i^испр, равный значению моды гистограммы в противном случае сообщения, по отношению к которым корреляционная зависимость не установлена, в качестве восстановленного результата C_i используют данные и сообщения, полученные при «жестком» декодировании.

Следующий независимый пункт формулы изобретения определяет систему, реализующую предлагаемый способ.

4. Система передачи информации с использованием адаптивной коротковолновой связи, реализующая способ, содержащая антенную решетку, представленную К антенными элементами, которые подключены к блоку фазирования потоков информации, формируемых К антенными элементами фазированной антенной решетки, К выходов которого соединены с параллельно функционирующими антенными модулями, каждый из которых представлен последовательно соединенными следующими ее элементами: диапазонным полосовым фильтром низких частот, усилителем высокой частоты, аналого-цифровым преобразователем, при этом каждый из К антенных модулей содержит модем передачи потока информации, обеспечивающий передачу соответствующего потока информации в вычислитель, отличающаяся тем, что в каждый из К антенных модулей введен блок структурно-алгоритмического преобразования, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен со входом модема, выход вычислителя соединен с шестью радиоприемными комплексами, выходы которых подключены к соответствующим входам блока первичной обработки информации, выходы которого являются выходами системы.

Работа системы, реализующей способ заключена в следующем. Антенная решетка, представленная антенными элементами 1₁, 1₂, …, 1_К, предназначена для приема радиосигналов KB диапазона, усиления и распределения радиосигнала на 6 потребителей.

Блок фазирования 2 представлен устройствами фазирования №1 и №2. Устройство фазирования №1 предназначено для приема радиосигналов от выходов 60 приемных антенн КВ-диапазона (K₁=60), защиты аппаратуры от статического электричества антенн и грозовых разрядов, усиления и распределения радиосигналов от каждого антенного выхода на двух потребителей, а также для приема 20 радиосигналов КВ-диапазона (К₂=20), усиления и выдачи каждому из двух потребителей. Устройство фазирования №2 предназначено для деления и суммирования радиосигналов, формируемых на соответствующих выходах приемных антенн КВ-диапазона при формировании пяти диаграмм направленности антенн при работе в составе приемного радиоцентра.

Сигнала после операции фазирования, выполненной в блоке 2, поступают на соответствующие входы К антенных модулей 21₁, 21₂, …, 21_К, в каждом из которых, производят в диапазонном полосовом фильтре 3 низкочастотную фильтрацию принимаемых сигналов, осуществляемую с целью удаления из сигнала высокочастотной составляющей помехи, отфильтрованный сигнал усиливают в усилителе 4 высокой частоты и подают на вход аналого-цифрового преобразователя 5, в котором аналоговый сигнал преобразуют в дискретный цифровой, каждое значение которого представлено натуральным позиционным двоичным кодом, сформированные при этом 16-ти-разрядные двоичные слова представляют собой сообщения, которые с целью исправления ошибок передачи, повышения точности символьной синхронизации и оперативности последующей обработки, подвергают дополнительному безызбыточному кодированию в блоке структурно-алгоритмического преобразования 6 и передают с использованием модемов 7 в вычислитель 8. На основе обработки в вычислителе 8 поступивших К потоков информации, принятой антенной решеткой, осуществляют адаптивное управление диаграммой ее направленности, после обработки в вычислителе 8 сформированный поток информации, обладающий повышенными показателями качества, поступает в автоматизированный пункт 6-тиканального радиоприемного комплекса (АРПК-6К) 9₁, 9₂, …, 9₆, расположенный в центре сбора и обработки информации, его выходы являются входами потребителей аналогового 19_1i и цифрового 19_1i сигналов, соответственно, при этом аналоговые интерфейсы используют для обеспечения совместимости с существующим, а цифровые - с перспективным оборудованием КВ-связи. Заключительный этап работы системы передачи информации с использованием адаптивной коротковолновой связи, реализующей способ, состоит в обнаружении и исправлении ошибок передачи в блоке 10 первичной обработки информации и повышения на этой основе качества КВ-связи.

Исходная последовательность принятых сообщений и сформированная последовательность результатов их структурно-алгоритмического преобразования в блоке 6 САП-1 приведены в виде графических иллюстраций на фиг. 2 при отсутствии искажений сигнала и на фиг. 3 - при их наличии. При этом ошибки передачи также с высоким эффектом устраняют и при использовании гармонических центрированных сигналов (фиг. 5), к числу которых относятся речевые сигналы. На фиг. 5(A) представлен исходный сигнал, искаженный помехой. Присутствуют в большом количестве аномальные ошибки, которые на иллюстрациях представлены точками, значительно удаленными от центрального значения, равного 0. На фиг. 5(Б) изображен тот же сигнал, но после дополнительного кодирования на основе алгоритмов САП-1. Из приведенного на фиг. 5(Б) также следует, что значительно увеличено значение минимального кодового расстояния d_min. На фиг. 5(B) отмечены вертикальными линиями временные интервалы, на которых выполняется групповое свойство равноостаточности. С правой стороны на фиг. 5 (вверху) приведен исходный сигнал, а посредине представлен график обработанных данных с обнаружением и исправлением ошибок передачи. Хорошо видно, что количество аномальных ошибок существенно уменьшилась: количество видимых аномальных ошибок сократилось более, чем на 50%. Нижний график представлен различными цветами, что того, чтобы была возможность оценить отсутствие привнесенных ошибок.

Таким образом, в качестве итога, следует отметить, что алгоритм ЧОСАП-1 («мягкого» декодирования) ([8], «Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи», патент RU №2658795, приоритет от 30.05.2017 г.) позволяет использовать естественную избыточность передаваемых цифровых данных для обнаружения и исправления ошибок передачи информации при ее приеме и обработке. Естественная избыточность цифровых данных является следствием применения теоремы В.А.Котельникова о дискретизации, в соответствии с которой интервалы () между опросами аналогового параметра или сигнала X_i определяют как обратное отношение к значению удвоенного значения спектральной составляющей наибольшей частоты (2F_max) X_i [4]:

Поскольку вероятность появления частотной составляющей F_max на достаточно малом интервале времени незначительна по величине, то выбранное значение интервалов для других спектральных составляющих F_i спектра параметра или сигнала оказывается малым, что проявляется в корреляционной взаимосвязи соседних значений данных и сообщений (X_i-1, X_i и X_i+1). При передаче многих видов информации, например, речевой, акустической, потокового видео или навигационной она также значительна. Предполагается одновременное использование двух режимов декодирования принимаемых цифровых сигналов УОСАП-1 и ЧОСАП-1. В этом случае детектор ЧОСАП-1 работает под управлением УОСАП-1. Детектор УОСАП-1 на основе принятой последовательности закодированных данных, представленных N- разрядным двоичным кодом, определяет наличие их корреляционной взаимосвязи. При этом, если устанавливает ее наличие для трех и более следующих подряд сообщений C_i, то подключает для их обработки, осуществляемой с целью обнаружения и исправления ошибок передачи, детектор ЧОСАП-1.

Восстановленные, таким образом, скорректированные значения подвергают очередной коррекции на основе способа [9], «Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации данных», патент RU №2672392, приоритет от 27.06.2017 г.).

При описании новых информационных технологий введение цифр, обозначающих этапы (i) распределенных структурно-алгоритмических преобразований (САП-i), также становится обязательным для определения того информационного сечения (i) в существующих трактах формирования и передачи данных, в котором предусмотрено дополнительное кодирование передаваемой информации.

Таким образом, сущностные характеристики предлагаемого способа заключаются в следующем:

1) его замысел наиболее полно отвечает концепции «Программно-определяемого радио»: в нем реализуется продуманная, в том числе и на основе ранее полученных патентов [1-3, 6, 8, 9], система обновления телекоммуникационных средств, используемых в том числе, и при создании перспективных образцов КВ-связи, за счет разработки прикладных математических методов высокого уровня, аналогами которых являются существующие абстрактные теории, например, теория конечных полей Э. Галуа;

2) от известных аналогов предлагаемый способ отличается тем, что, повышая защищенность передаваемой информации, не ухудшают другие показатели эффективности существующих систем КВ-связи: дальность действия, достоверность получаемой информации и времена доведения переданных команд до исполнения с заданной вероятностью в условиях помех различного происхождения;

3) новые достижения обеспечены наиболее просто по сравнению с другими подобными аналогами: встроенный блок 5 структурно-алгоритмического преобразования (САП-1) оказался не только незаметным с точки зрения функционирования других функциональных элементов антенных модулей 21₁, 21₂, …, 21_К, но и создал предпосылки для расширения их функциональных возможностей и внедрения других новых разработок в области обеспечения комплексной защиты информации;

4) предлагаемая техническая реализация способа позволяет осуществить модернизацию существующих систем КВ-связи наиболее просто, без излишних затрат: временных и материальных.

Перспектива развития беспроводных каналов связи в развитых странах связана с реализацией перспективной концепции США под названием «Программируемое радио». Она предполагает достижение качественно новых результатов за счет программирования и перепрограммирования радиотехнических систем, использующих современную программируемую элементную базу в виде программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), контроллеров и микропроцессоров.

В Программе «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.07.2017 г. №1632-р [10] и «Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 9 мая 2017 г. №203 [11], определяются основные приоритетные направления, которые связаны с созданием цифровой экономики в России. Они, в частности, требуют от руководителей производств ускорить разработку, создание и внедрение цифровых платформ и технологий в организационно-производственную деятельность каждого предприятия на всей территории РФ. Поставлены задачи обеспечения прорыва в области создания цифровой экономики в России и развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы.

При этом к числу приоритетных сквозных технологий отнесены: 1) беспроводные линии связи; 2) роботизации и сенсорики; 3) квантовые коммуникации. Также требуется кардинальное решение проблемы «больших данных».

Отмечен основной недостаток, заключающийся в значительном отставании России от других развитых стран в области информатизации, который необходимо преодолеть.

У России есть возможность компенсировать имеющийся недостаток в разработке собственной элементной базы за счет сохраняющейся еще способности ее населения к изобретательству и наличия кадров, способных приспособить математическую теорию, которую ранее использовали, в основном, для упражнения ума научных сотрудников и продвинутых студентов, для разрешения существующих противоречий при передаче, обработке и анализе получаемой информации.

Но для реализации этой идеи необходима, прежде всего, разработка прикладных математических методов и способов их реализации [1-3, 5, 8, 9]. Этому направлению также посвящен и предлагаемый способ.

Источники литературы

1. Способ передачи информации, патент RU №2609747, приоритет от 13.08.2017 г.

2. Способ передачи информации и система для его осуществления, патент RU №2586833, приоритет 15.08.2015 г.

3. Способ передачи информации и система для его осуществления, патент RU №2586605, приоритет от 22.03.2013 г.

4. Романец Ю.В., Тимофеев П.А., Шаньгин В.Ф. Защита информации в компьютерных системах и сетях / Под ред. В.Ф. Шангина - М.: Радио и связь, 1999. - 328 (Китайская теорема об остатках, стр. 311, 312).

5. Кукушкин С.С. Теория конечных полей и информатика. Т. 1., М: Минобороны России, 2003. - 278 с.

6. Способ определения дальности до объекта с источником излучения сигналов с разными частотами, патент RU №2607639, опубл. 27.07.2016 г., бюл. №21.

7. Система АСУР. Схема деления на составные части», НПСЖ.468365.001 Е1), разработчик ООО «ИНТЕХ».

8. Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент RU №2658795, приоритет от 30.05.2017 г.

9. Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации данных, патент RU №2672392, приоритет от 27.06.2017 г.).

10. «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.07.2017 г. №1632-р.

11. «Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 9 мая 2017 г. №203.