Статья: Численное моделирование алгоритма гибридного прекодирования в миллиметровом диапазоне с использованием модели канала с открытым исходным кодом (2025)

Актуальность статьи обусловлена ростом угроз компьютерной безопасности критических информационных ресурсов, в том числе в системе образования, разнообразием видов и направлений кибератак, требующих дифференциации известных методов анализа и прогнозирования, в том числе на основе использования теории временных рядов. Целью статьи является исследование возможностей и ограничений использования методов теории временных рядов для анализа и прогнозирования динамики кибератак на примере ведомственного вуза, готовящего специалистов многим видам безопасности: техносферной, пожарной, информационной и проч. Высказана и проверена гипотеза о влиянии характера исходных данных на выбор методов анализа и прогнозирования временных рядов числа кибератак, о первичности исходных данных на результативность решения указанных задач. Выполнен анализ логов мониторинга межсетевого экрана корпоративной информационной системы; на их основе построены временные ряды числа различных видов атак и решены задачи текущего прогнозирования. Новизна полученных результатов обусловлена применением известных методов теории прогнозирования временных рядов к задаче исследования динамики кибератак на корпоративную информационную систему ведомственного вуза. Теоретическая значимость состоит в установлении границ возможности их применения в силу вариативности исследуемых временных рядов, а также в подтверждении первичности качества исходных данных над существующими методами и моделями. Практическая ценность определяется построением моделей временных рядов, позволяющих решать задачи текущего прогнозирования числа кибератак.

Актуальность темы обосновывается отсутствием методологии реверс-инжиниринга программного обеспечения, необходимой для разрешения следующего научного противоречия области (как противопоставления потребности vs возможности): с одной стороны поиск уязвимостей наиболее эффективен в тех представлениях программы, в которых они были внедрены (например, исходный код, алгоритмы или архитектура); с другой стороны, для анализа имеется, как правило, лишь машинный код, слабо подходящий для выявления высокоуровневых уязвимостей (т. е. из более ранних представлений). Созданию составляющих данной методологии (концепции, модели, метода, алгоритмов, метрики, а также их реализаций) и посвящено основное авторское исследование, заключительный этап которого приводится в статье.

Целью настоящей статьи является обсуждение 25 проблемных вопросов (так называемая научная дискуссия), возникших в основном исследовании, посвященном развитию направления реверс-инжиниринга программного обеспечения на базе генетических алгоритмов. Основным применением результатов исследования является как получение представления программы, подходящего для экспертного (и иного) анализа на предмет наличия в нем уязвимостей, так и их непосредственный поиск встроенным сигнатурным методом. При этом разрешение даже части вопросов позволит существенно повысить эффективность такого генетического реверс-инжиниринга.

В работе использованы следующие методы: анализ результатов основного исследования для выделения проблемных вопросов, синтез путей их разрешения, а также систематизация и балльное сравнение вопросов с позиции путей устранения для общей оценки завершенности научной работы. Детальное изучение причин возникновения каждого из вопросов позволило определить пути их разрешения, реализуемость которых обосновывает и результаты основного исследования. В частности, проблемные вопросы базируются как на отсутствии одних теоретических инструментов, необходимых для генетического реверс-инжиниринга, так и на недостаточной практической эффективности других.

Научная новизна проблемных вопросов заключается в том, что практически каждый из них озвучен впервые.

Теоретическая значимость: развитие каждого проблемного вопроса может как открыть отдельное научное исследование (или даже направление), так и получить новые значимые результаты.

Практическая значимость заключается в возможности создания программных решений по разрешению выявленных вопросов, которые могут быть также применены и для смежных задач.

Актуальность исследования объясняется сложившимся противоречием предметной области, которое заключается в динамически меняющейся в процессе функционирования коммуникационной инфраструктуре объекта критической информационной инфраструктуры (КИИ), а также методах воздействия нарушителя на объект КИИ, создающих предпосылки для снижения уровня информационной безопасности, и возможностями существующих методов оценки защищенности объекта на основе сигнатур, экспертного подхода, а также методов и средств обеспечения информационной безопасности, не позволяющих учитывать такую динамику изменения уровня информационной безопасности объекта.

Цель исследования: обеспечение информационной безопасности коммуникационной инфраструктуры объектов КИИ за счет учета коммуникационных и конфигурационных параметров, динамики взаимодействующих субъектов.

Методы исследования: математические методы теории систем и системного анализа, теории вероятностей, методы теории графов, методы имитационного моделирования. Результаты. В статье представлен метод моделирования коммуникационной инфраструктуры, который позволяет формировать параметрически точные имитационные модели объекта КИИ для исследования свойств защищенности и устойчивости, моделировать воздействия нарушителя на объект КИИ.

Новизна. Разработан метод моделирования коммуникационной инфраструктуры на основе конфигурационных и коммуникационных параметров объекта КИИ, учитывающий динамику взаимодействия коммуникационной инфраструктуры, политики его информационной безопасности и действия нарушителя.

Теоретическая значимость. Развитие методов информационной безопасности в области моделирования коммуникационной инфраструктуры объектов КИИ на основе гиперграфов, вложенных раскрашенных сетей Петри, позволяющих учитывать динамику взаимодействующих субъектов (коммуникационную и конфигурационную инфраструктуру, политику информационной безопасности, воздействие нарушителя).

Практическая значимость. Метод моделирования позволяет учитывать конфигурационные и коммуникационные особенности построения и функционирования объекта КИИ, параметры воздействия нарушителя на объект КИИ, существующую политику безопасности, моделировать свойство устойчивости, проводить исследование влияния взаимодействующих субъектов на защищенность объекта КИИ, уменьшить зависимость от экспертных оценок, получать параметрически обоснованные оценки защищенности коммуникационной инфраструктуры объекта КИИ.

В отдаленных областях и районах стихийных бедствий беспилотные летательные аппараты (БПЛА) могут выступать в качестве базовых станций, обеспечивающих беспроводную связь с наземными пользователями. Благодаря своей высокой мобильности, низкой стоимости, а также быстрому развертыванию и поиску, БПЛА могут изменять свое местоположение в трехмерном пространстве, улучшая беспроводное соединение и повышая скорость передачи данных. В этой статье исследуются проблемы развертывания воздушных базовых станций (ABS, аббр. от англ. Aerial Base Station) в трехмерном пространстве и распределения мощности в целях максимизации скорости передачи данных в системе. Для решения этих проблем предложено использовать алгоритм Q-learning, относящийся к методам обучения с подкреплением. Используя БПЛА в качестве агента, алгоритм позволяет ABS исследовать пространство состояний на основе политики ϵ-greedy (эпсилон жадный алгоритм) для определения местоположения в трехмерном пространстве и распределения мощности.

Результаты моделирования показывают, что предложенный алгоритм превосходит известные методы размещения ABS в трехмерном пространстве и распределения мощности.

Целью настоящей статьи является исследование эффективности применения современных методов искусственного интеллекта для оптимизации использования ресурсов воздушных базовых станций сетей связи общего пользования. Сущность предлагаемого решения состоит в применении современных методов искусственного интеллекта, а именно: метода обучения Q-learning и эпсилон-жадного алгоритма ϵ-greedy для обеспечения совместной оптимизации размещения ABS и распределения мощности для максимизации скорости передачи данных. Система имеет реализацию в виде программы моделирования.

Эксперименты при моделировании показали, что использование метода обучения с подкреплением Q-learning и эпсилон-жадного алгоритма e-greedy для совместной оптимизации обеспечивает более высокую общую скорость передачи данных в системе по сравнению с оптимизацией только местоположения или распределения мощности.

Научная новизна предложенного решения состоит в том, что совместная оптимизация размещения ABS и распределения мощности позволила, в отличие от известных результатов, выявить, что высота полета БПЛА с установленной на нем базовой станцией при оптимизации только местоположения будет выше, чем высота полета БПЛА при совместной оптимизации местоположения и распределения мощности.

Практическая значимость заключается в возможности разработки методики планирования сетей связи общего пользования при использовании ABS для получения более высокой общей скорости передачи данных на соответствующем фрагменте сети.

Актуальность. Активное использование беспроводных технологий требует развития средств контроля беспроводных сетей передачи данных, в частности сетей Wi-Fi. Службами радиоконтроля решаются задачи обнаружения, идентификации и локализации не санкционированно работающих точек доступа и абонентских устройств. Эффективным инструментом пеленгования радиосигналов являются корреляционно-интерферометрические пеленгаторы на базе двухканальной приемной аппаратуры и многоэлементной антенной системы. Развитие методов совместной идентификации и пеленгования позволяет разделять пеленги большого количества источников сигналов, ведущих работу в одном частотном диапазоне с разделением по времени. В настоящей работе акцент сделан на обнаружении целевых сигналов и выделении из них идентификационных признаков источника. От успешности реализации этих операций будут существенно зависеть и показатели качества пеленгования.

Целью работы является исследование возможностей повышения помехоустойчивости обнаружения и идентификации сигналов Wi-Fi за счет совместного использования двух каналов приема корреляционно-интерферометрического пеленгатора. В работе использованы методы статистического компьютерного моделирования, которые учитывают наличие замираний, возникающих из-за многолучевости канала распространения, и корреляцию радиосигналов, вызванную близким расположением приемных антенн.

Решение. Рассмотрены алгоритмы обнаружения частотно-временно́й синхронизации и демодуляции сигналов Wi-Fi. Предложены способы объединения каналов приема при обработке сигналов. Исследована помехоустойчивость предложенных двухканальных алгоритмов обработки сигнала при наличии квазистационарных релеевских замираний и корреляции каналов приема.

Новизна. Разработаны алгоритмы двухканального обнаружения, частотно-временно́й синхронизации и демодуляции сигналов Wi-Fi.

Практическая значимость. Совместное использование двух каналов приема при обнаружении и идентификации сигналов Wi-Fi позволяет увеличить помехоустойчивость систем радиоконтроля на 4‒7 дБ даже при наличии корреляции между каналами.

Актуальность. Активное использование беспроводных технологий требует развития средств контроля беспроводных сетей передачи данных, в частности сетей Wi-Fi. Службами радиоконтроля решаются задачи обнаружения, идентификации и локализации не санкционированно работающих точек доступа и абонентских устройств. Эффективным инструментом пеленгования радиосигналов являются корреляционно-интерферометрические пеленгаторы на базе двухканальной приемной аппаратуры и многоэлементной антенной системы. Развитие методов совместной идентификации и пеленгования позволяет разделять пеленги большого количества источников сигналов, ведущих работу в одном частотном диапазоне с разделением по времени. В настоящей работе акцент сделан на обнаружении целевых сигналов и выделении из них идентификационных признаков источника. От успешности реализации этих операций будут существенно зависеть и показатели качества пеленгования.

Целью работы является исследование возможностей повышения помехоустойчивости обнаружения и идентификации сигналов Wi-Fi за счет совместного использования двух каналов приема корреляционно-интерферометрического пеленгатора. В работе использованы методы статистического компьютерного моделирования, которые учитывают наличие замираний, возникающих из-за многолучевости канала распространения, и корреляцию радиосигналов, вызванную близким расположением приемных антенн.

Решение. Рассмотрены алгоритмы обнаружения частотно-временно́й синхронизации и демодуляции сигналов Wi-Fi. Предложены способы объединения каналов приема при обработке сигналов. Исследована помехоустойчивость предложенных двухканальных алгоритмов обработки сигнала при наличии квазистационарных релеевских замираний и корреляции каналов приема.

Новизна. Разработаны алгоритмы двухканального обнаружения, частотно-временно́й синхронизации и демодуляции сигналов Wi-Fi.

Практическая значимость. Совместное использование двух каналов приема при обнаружении и идентификации сигналов Wi-Fi позволяет увеличить помехоустойчивость систем радиоконтроля на 4‒7 дБ даже при наличии корреляции между каналами.

Актуальность. Существующие методы координатометрии, такие как угломерные, угломерно-дальномерные, разностно-дальномерные, суммарно-дальномерные, достаточно хорошо изучены и оптимизированы. Однако применение указанных методов не всегда возможно или целесообразно, что стимулирует разработку и изучение новых методов и их комплексирование с существующими.

В статье представлен разработанный метод координатометрии земной станции, основанный на использовании двух космических аппаратов. Показан вывод аналитических соотношений для расчета координат земных станций на основе значений взаимных временны́х задержек и частотных сдвигов. Указанные временны́е задержки и частотные сдвиги обусловлены разными расстояниями и доплеровскими сдвигами частот одних и тех же реализаций радиосигналов на различных радиотрассах. Представлены основные выражения для временны́х задержек и частотных сдвигов радиосигналов земных станций, ретранслированных космическими аппаратами. Составлена система из трех независимых уравнений. При этом в качестве первого уравнения выступает разностно-дальномерное уравнение, в качестве второго – разностно-радиально-скоростное уравнение, в качестве третьего – уравнение референц-эллипсоида Земли.

Результатом решения системы уравнений являются координаты земной станции. В ходе исследования использовались методы моделирования и математического анализа. При решении уравнения второго порядка применялся итерационный метод Ньютона ‒ Рафсона с разложением функций в ряды Тейлора с точностью до первых производных. В качестве иллюстрации разработанного метода приведен частный пример расчета. Предлагаемый метод координатометрии инвариантен к типу орбит космических аппаратов, задействованных для определения координат земных станций. В качестве примера представлены два космических аппарата: первый – на геостационарной орбите, второй – на низкой орбите.

Научной новизной разработанного технического решения является однозначное одномоментное определение координат земных станций, находящихся на поверхности референц-эллипсоида Земли, основанного на использовании всего двух космических аппаратов. При этом нет необходимости синхронизации с излучением радиосигналов земных станций, что является необходимым условием большинства существующих методов координатометрии.

Практическая значимость предложенного комбинированного (разностно-дальномерного и разностно-доплеровского) метода координатометрии земных станций заключается в возможности его применения в существующих и перспективных комплексах радиомониторинга для оценки координат земных станций, нелегитимно использующих частотно-временно́й ресурс космического аппарата, а также являющихся источниками преднамеренных или непреднамеренных радиопомех.

В настоящее время системы пассивного цифрового синтеза частот находят все более широкое применение в возбудителях радиопередающих устройств и в гетеродинах радиоприемных устройств систем радиолокации, радионавигации и радиосвязи. В основе таких систем лежит конечный автомат ‒ устройство или программа, которая может изменять свои состояния в дискретные моменты времени, целократные тактовому интервалу, имеют конечное число устойчивых состояний, т. е. обладают конечной памятью. Поэтому актуальна задача аналитического описания состояний таких автоматов в любой наперед заданный момент времени.

Цель настоящей работы заключается в компактном описании функций переходов и функций выходов автоматов, используемых в системах пассивного цифрового синтеза частот. Существенной особенностью анализа и проектирования таких автоматов является требование к минимизации уровня функциональной фазоимпульсной модуляции выходного потока импульсов, т. е. минимизация временной ошибки между потоком формируемых импульсов и идеально равномерным (гипотетическим) потоком импульсов требуемой частоты. Квазипериодическую последовательность импульсов с минимальным временном уклонением от гипотетической последовательности называют квазиравномерной импульсной последовательностью. Кроме того, цель настоящей работы заключается в корректном доказательстве оптимальности квазиравномерной последовательностью с точки зрения минимума функциональной фазоимпульсной модуляции выходного потока импульсов.

Методы исследования основываются на использовании теоретико-числовых преобразований основного параметра автомата – его коэффициента деления N = P/Q, где P и Q, соответственно, число тактовых и выходных импульсов на периоде неравномерности выходного потока квазиравномерной последовательности.

Результат. Получены новые аналитические выражения для описания состояний автомата в любом наперед заданном моменте времени, выражения для мгновенной (текущей) фазы автомата и мгновенной (текущей) частоты следования квазиравномерной импульсной последовательности на его выходе. Такие выражения удобны для анализа и расчета автоматов, используемых в системах пассивного цифрового синтеза частот.

Теоретическая значимость заключается в разработке метода описания состояний оптимального конечного автомата во временно́й области и получение соответствующих аналитических выражений.

В настоящее время помехоустойчивость приема в условиях действия преднамеренных помех, похожих на передаваемые сигналы, играет решающую роль при передаче данных, содержащих важную информацию. В системах радиосвязи с широкополосными сигналами, называемых также сигналами с расширенным спектром, обеспечивалась защита от преднамеренных помех, формируемых постановщиком в условиях априорной неопределенности о передаваемых сигналах. Однако в настоящее время противодействующая сторона способна выявить параметры этих сигналов (вид модуляции, скорость передачи, длительность посылок и др.). Поэтому необходима разработка новых методов защиты от современных угроз для безопасной и помехоустойчивой передачи сообщений, в том числе и при создании ретранслированных помех.

Цель статьи ‒ повышение помехоустойчивости передачи широкополосных сигналов при действии ретранслированных помех, мощность которых превышает мощность применяемых сигналов. Сущность предлагаемого решения заключается в использовании для передачи информации широкополосных фазочастотномодулированных сигналов, формируемых при помощи независимых непредсказуемых псевдослучайных последовательностей, различных на передаваемой и непередаваемой частотах. Мгновенные фазы сигналов при этом рандомизируются независимо при передаче на битовых интервалах. С применением современного математического аппарата выводится соотношение для расчета вероятности битовой ошибки. Доказывается, что при правильно выбранных параметрах вероятности битовых ошибок приближаются к величинам, при которых возможно эффективное применение кодов, корректирующих независимые ошибки, что позволит обеспечить надежную доставку важной информации в заданные сроки.

Научная новизна решения состоит в применении для защиты передаваемой информации непредсказуемой псевдослучайной последовательности также на непередаваемой в текущий момент частоте, в рандомизированном сдвиге фазы на каждом битовом интервале при формировании широкополосного сигнала и, кроме того, в оптимизации параметров предлагаемой системы радиосвязи.

Теоретическая значимость состоит в корректном выводе формул для расчета вероятности битовой ошибки и оценке возможности дальнейшего применения корректирующих кодов.

Практическая значимость заключается в возможности проектирования широкополосных систем радиосвязи, обладающих необходимой помехоустойчивостью при действии ретранслированных помех с энергетическим превосходством над легитимными сигналами.

Актуальность. Использование многоантенных технологий в виде прекодирования сигналов является базовым условием повышения спектральной эффективности в современных системах мобильной связи в сочетании с переходом в диапазон миллиметровых волн. Условия распространения в миллиметровом диапазоне обуславливают обязательное использование антенных решеток в системах связи для компенсации потерь распространения и направленной передачи и приема сигналов пользователей. При передаче нескольких параллельных пространственных потоков данных пользователя используется прекодирование сигналов для реализации пространственного мультиплексирования и повышения спектральной эффективности системы. Рассматривается гибридная архитектура построения многоантенной системы и прекодирования, состоящая из аналоговой и цифровой частей. Но уменьшение количества радиочастотных трактов приводит к снижению возможности пространственного мультиплексирования по сравнению с полностью цифровой системой. В связи с этим является важной задача выбора оптимального количества радиочастотных трактов для получения максимального пространственного мультиплексирования с учетом текущих условий распространения сигналов и пространственной корреляции канала связи.

Целью исследования является определение влияния на спектральную эффективность выбора количества используемых радиочастотных трактов в системе гибридного прекодирования.

Методы исследования заключаются в имитационном моделировании алгоритма гибридного прекодирования. Для решения задачи численного моделирования гибридного прекодирования используются реализации канала MIMO миллиметровых волн, полученные при помощи открытого программного пакета модели канала QuaDRiGa.

Результаты представлены в виде функций распределения спектральной эффективности системы гибридного прекодирования, полученные на основе реализаций канала в определенном сценарии распространения.

Новизна состоит в численном определении параметров канала многоантенной системы связи в миллиметровом диапазоне и в использовании распределения собственных чисел матриц канала, полученных в модели, для оценки количества радиочастотных трактов, требуемых для достижения максимальной в данных условиях спектральной эффективности системы связи с гибридным прекодированием.

В настоящем исследовании рассматриваются зависимости величины задержки и потери кадров видеопотока, сжатых нейросетевым кодеком, разработанным на основе нейросетевого вариационного автокодировщика, от размера передаваемых кадров при реализации каналов информационного обмена между беспилотной авиационной системой и станцией внешнего пилота в наземном сегменте гибридной орбитально-наземной сети связи с учетом расстояния между ними при использовании технологий передачи данных 3G и LTE.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью достижения заданного уровня качества обслуживания услуги управления беспилотными летательными аппаратами от первого лица в сетях связи.

Используемые методы. В ходе исследования натурным экспериментом измерены прикладные задержки передачи и потери кадров видеопотока FPV-управления при использовании нейросетевых кодеков. Прикладные задержки и потери учитывают сегментацию, восстановление пакетов и передачу нескольких UDP-пакетов для каждой полезной нагрузки. Дополнительно методом Розенблатта ‒ Парзена восстановлены распределения плотности вероятности задержек.

Результаты. Получены оценки средних значений задержки передачи и потерь кадров видеопотока (сжатых нейросетевым кодеком) при использовании технологий передачи данных 3G и LTE с учетом различных расстояний между беспилотной системой и станцией внешнего пилота. Восстановлены распределения зависимостей задержек видеопотока от размера полезной нагрузки. Найден характер распределения задержки видеопотока, формируемого нейросетевым кодеком.

Новизна полученных результатов заключается в исследовании характера задержек и потерь кадров видеопотока услуги FPV-управления, передаваемого через мобильные сети связи, на прикладном уровне модели OSI при использовании нейросетевых кодеков.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть примененены при моделировании каналов информационного обмена для FPV-управления с целью формирования оптимальной конфигурации используемых нейросетевых кодеков.