555_Innovatsii_inauchno-tekhnicheskoe_tvorchestvo_molodezhi2014_

Разработка и моделирование методов борьбы с угрозами ИБ базируется на ОС Linux, но алгоритмы защиты могут быть перенесены на любую платформу.

В докладе рассматривается один из методов защиты от угроз ИБ, основанный на анализе нагрузки на узлы IP-телефонии, выявлении аномалий и принятии решения по адаптивному изменению списка доступа (ACL).

Приводится алгоритм, реализующий данный метод, а также особенности его реализации на базе ОМ Linux. Рассматриваются также области применения данного метода и ограничения, связанные с объемом поступающего трафика и с связанным с этим объемом вычислений и производительностью процессора.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ КОДЕКА ХЭММИНГА

Мареев Н.В. СибГУТИ, Новосибирск е-mail: maroqqo@gmail.com

Научный руководитель – Мелентьев О.Г. профессор СибГУТИ

Возникновение ошибок при передаче дискретных сообщений в каналах связи неизбежно. В целях обнаружения или исправления ошибок применяется корректирующее кодирование, основанное на внесении избыточности в передаваемое сообщение. Моделирование процесса передачи, кодирования и декодирования, позволяет получать наглядный результат, поясняющий эффективность кодека. Однако, сам процесс моделирования является достаточно трудоемкой задачей, а применение разных структур даже одного и того же кода требует составления каждый раз нового алгоритма. В связи с этим, задача данной работы заключается в составлении универсального алгоритма кодека Хэмминга, не требующего значительных временных затрат для его применения.

Граница Хэмминга определяет возможные параметры блоковых кодов; коды, достигающие этой границы, называются совершенными. Структура кода Хэмминга (n,k), исправляющего одну ошибку, определяется из условия: r log2 (r k 1), где n=(r+k) – длина блока, r – количество проверочных разрядов, k – количество информационных разрядов. Реализация кодека Хэмминга основана на составлении производящей матрицы методом дописывания проверочных разрядов, исходя из кодового расстояния и структуры кода.

Реализованный в данной работе алгоритм позволяет генерировать правила функционирования кодека Хэмминга с блоком любой длины, а так же применять эти правила для моделирования работы кодека. Алгоритм состоит из нескольких основных частей:

1)Генерация правил функционирования кодека. Входящий параметр – длина блока. Результат работы – структура кода, производящая и проверочная матрицы.

2)Кодирование. Входные параметры – правила функционирования, полученные путем применения первой части алгоритма и бинарный вектор,

81

представляющий собой закодированную информацию. Результат работы – бинарный вектор с внесенными проверочными разрядами в каждый блок.

3)Генерация потока ошибок, а также наложение ошибок на передаваемое сообщение. Используются потоки ошибок с независимым (биноминальная модель) или группирующимся характером (модель Гилберта).

4)Декодирование. Входные параметры – правила функционирования, полученные путем применения первого алгоритма и бинарный вектор, являющий собой закодированную информацию с внесенными ошибками. Результат работы – бинарный вектор с исправленными ошибками.

5)Сравнение декодированного сообщения и исходного. В зависимости от используемых данных может происходить сохранение в файл или подсчет исправленных/неисправленных ошибок.

Универсальность алгоритма заключается в трех ключевых моментах: -Структура кодека задается единственным параметром n – длиной блока,

что очень удобно при совместном использовании алгоритма с другими алгоритмами блоковой структуры.

-Заполнение производящей матрицы производится по псевдослучайному принципу. При каждом новом использовании алгоритм позволяет получить отличный от предыдущего кодек.

-Реализация алгоритма на современных программных пакетах позволяет очень наглядно демонстрировать его работу на реальных файлах (файлы изображений – .bmp, аудиофайлы – .wav, файлы .dat и др.).

Реализованный в пакете Mathcad, данный алгоритм позволяет “на ходу” менять параметры кодека или канала, наглядно отображая результаты своей работы. Также, алгоритм можно применять в образовательных целях, в качестве лабораторных занятий.

ТЕХНОЛОГИЯ MIMO В СЕТЯХ LTE

Михайлюк А.С. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель - Петров В.П., профессор СибГУТИ

В системах связи LTE существует необходимость в обеспечении высокой пропускной способности, предоставляющей высокие показатели качества обслуживания (QoS) с высокой отказоустойчивостью. Пропускная способность может быть увеличена с помощью расширения полосы частот или повышения излучаемой мощности. Тем не менее, применимость этих методов имеет недостатки, так как из-за требований биологической защиты и электромагнитной совместимости повышение мощности и расширение полосы частот ограничено. Поэтому, если в системах связи возможные повышения излучаемой мощности и расширение полосы частот не обеспечивают необходимую скорость передачи данных, то одним из самых эффективных способов решений этой проблемы может быть

82

применение адаптивных антенных решёток со слабо коррелированными антенными элементами.

Более десяти лет университеты и исследовательские лаборатории комбинировали методы передачи с несколькими антеннами с передовыми алгоритмами обработки сигнала для создания smart-антенн, также известных как технология MIMO (Multiple Input Multiple Output). Таким образом,

технология MIMO использует спектр радиоволн более эффективно и без ущерба для надежности работы. Эти схемы являются сейчас главным направлением в развитии телекоммуникационных систем. Впервые технология MIMO была стандартизирована в сети WiMAX, известной как спецификация

3GPP Release 6 и Release 7 UTRAN (HSPA). В дальнейшем, спецификации Release 8 E-UTRAN (LTE) 3GPP, изданные в марте 2009 г., включали в себя дальнейшее развитие технологии MIMO.

Основой MIMO схемы является то, что данная технология обеспечивает пространственное деление мультиплексирования (Spatial Division Multiplexing (SDM)). SDM пространственно уплотняет несколько независимых потоков данных одновременно (в основном, виртуальных каналов) внутри одной спектральной полосы пропускания канала. Системы LTE в данный момент предусматривают использование MIMO в конфигурации до 8х8. Спецификации 3GPP продолжают определять наиболее передовые формы MIMO.

Таким образом, технология MIMO - важнейшая составляющая развития сетей HSPA и LTE.

Литература:

6.N. Jindal, “MIMO Broadcast Channels with Finite-rate Feedback”, IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 52, no. 11, pp. 5045-5060, Nov 2006.

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИГНАЛОВ В БЕСПРОВОДНЫХ И МОБИЛЬНЫХ СЕТЯХ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА

Никулина Д.С. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель - Дроздова В.Г., доцент СибГУТИ

Ввиду непрерывного развития технологий беспроводной и мобильной передачи данных, возникают проблемы, связанные с поиском наиболее эффективного метода. В результате появления технологий четвертого поколения, основные исследования ведутся в направлении улучшения характера обслуживания, увеличения полосы пропускания для множественной одновременной передачи данных. Диапазон полосы частот и энергетические затраты на передачу радиосигналов являются наиболее ценными и критичными ресурсами в мобильных и беспроводных системах. Главной задачей исследования становится оптимизация эффективности сигналов и минимизация энергозатрат.

83

Для измерения эффективности ресурсов на разных сетевых уровнях, требуются адекватные критерии и системы единиц измерений: джоули, герцы, пропускная способность, избыточность, эффективность, полезная нагрузка, пропускная способность MAC-протокола и так далее. С этой целью были введены два инвариантных критерия эффективности: максимальная удельная скорость передачи информации или пропускная способность на один герц полосы (критерий спектральной эффективности) и удельные относительные затраты мощности на 1(бит/сек)/герц полосы (критерий энергетической эффективности).

Рассмотрим канал с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN), n0 – спектральная плотность помех, Ватт/Гц. В Выражении для вероятности ошибки на символ ps(h) в AWGN-канале отношение энергии сигнала к спектральной плотности помех (ESNR) обычно выражается через отношение сигнала и шума (SNR) с помощью следующего соотношения:

(1)

эффективная полоса сигнала, база сигнала, SNR.

Из этого соотношения следует фундаментальное положение о возможности достижения сколь угодно большого отношения сигнал/шум на выходе приемного коррелятора при сколь угодно малом отношении мощностей сигналов и помех на выходе приемного устройства путем выбора соответствующей величины базы сигнала, то есть о принципиальной возможности «скрытой» передачи сигналов на фоне сколь угодно превосходящих их по мощности помех. Используя соотношение (1) и модели анализа ошибок, можно выразить вероятностные исходы.

Вероятность правильного приема:

Вероятность ошибки (канал без стирания):

Пропускная способность по Шеннону определяется выражением:

Определив, все вероятности и пропускную способность, можно ввести критерий спектральной эффективности – пропускную способность на один герц полосы:

и критерий энергетической эффективности сигналов – удельные относительные затраты мощности на 1 (бит/сек)/герц полосы:

84

На рисунке 1 представлены три семейства графиков в зависимости от g

(при g=0.5,2,4).

Изменяя качество сигала (меняя значение g) можно увидеть, что увеличение g ведет к возрастанию удельной пропускной способности и возникновению максимума при меньших значениях базы сигнала. Сверху, удельная пропускная способность ограничена величиной пропускной способности канала по Шеннону. При постоянном значении g увеличение объема m алфавита приводит к увеличению максимума удельной скорости пропускной способности и смещению точки экстремума вправо по абсцисс. Также, это достигается при больших значениях базы сигнала.

Рассмотрим оптимизацию второго критерия энергетической эффективности сигналов (рисунок 2).

На рисунке 2 представлены три семейства графиков мощностей сигналов, соответствующих различной позиционности сигналов: m=4,256,1024. Увеличение g приводит к уменьшению энергозатрат. При увеличении объема алфавита уменьшаются удельные энергозатраты. Следовательно, минимальное значение энергозатат достигается быстрее при меньшем значении базы сигнала.

Решение представленной задачи анализа и оптимизации эффективности сигналов имеет важное значение в беспроводных и мобильных сетях, которые наиболее критичны по характеристикам спектральной и энергетической эффективности.

Были получены зависимости пропускной способности от позиционности сигналов, качества сигнала и так далее. Имея заданные значения позиционности сигнала и отношения сигнала и шума на входе приемного коррелятора, можно получить максимальную пропускную способность, изменяя базу.

В результате проделанной работы было установлено, что минимальные энергетические затраты при фиксированном объеме алфавита являются фундаментальной энергетической константой сигнала и не зависят ни от отношения сигнала и шума на входе приемника.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ КОГНИТИВНОГО РАДИО В СЕТЯХ

GSM

Ракута Д.С. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель – Беленький В.Г., профессор СибГУТИ

Несмотря на быстрое развитие сетей сотовой связи стандартов UMTS и LTE, единственной глобальной сетью остается GSM. Главной причиной ограничения перспективности использования GSM является сравнительно низкая скорость передачи данных в сети радиодоступа. Действующие сети GSM практически полностью удовлетворяют требованиям пользователей по речевым сервисам, но по скорости передачи данных не могут соперничать с сетями сотовой связи на базе технологий UMTS и LTE. Так, максимальная

86

теоретическая скорость передачи данных в стандарте GSM Evolution (EDGE) составляет 1,894 Мбит/с, тогда как в UMTS HSPA+ она равна 42 Мбит/с, а в

LTE Release 10 – 3 Гбит/с [1].

Однако развитие технологий UMTS и LTE требует от оператора значительных капитальных затрат для развития инфраструктуры и закрепления за ним дополнительных участков частотного спектра. Зачастую проекты развития этих стандартов в отдаленных районах оказываются инвестиционно непривлекательными, что ведет к отказу от развития широкополосного беспроводного доступа на данных территориях. В таких условиях актуальна задача изучения новых способов построения сетей сотовой связи, обеспечивающих достаточно высокие скорости передачи данных, при этом не требующих значительных затрат. В данной работе рассматривается способ повышения скорости передачи данных в сетях GSM, основанный на принципах когнитивного радио.

Система когнитивной радиосвязи (CRS) вторично использует радиочастоты спектра, изменяя свои параметры на основе получения информации об электромагнитной и географической обстановке. Устройства CRS используют свободные радиочастоты, когда те не используются первичными радиоэлектронными средствами (РЭС). В зависимости от состояния эфира, такие системы должны динамически перестраиваться. Тем самым обеспечивается повышение эффективности использования имеющегося радиочастотного спектра и смягчается проблема перегруженности сетей. Важнейшим принципом работы когнитивных систем является то, что работа станций, использующих технологии когнитивного радио, не должна налагать какие-либо дополнительные ограничения на первичные радиослужбы, работающие в данной полосе частот.

В общем случае первичные и вторичные РЭС могут использоваться различными операторами, но для этого требуется их соглашение, а также разрешение регулирующего органа. Кроме того, в этом случае вторичные РЭС для исключения помех первичной сети должны постоянно оценивать занятость частотного ресурса в конкретной точке. На основании этой оценки проводится выбор и согласование свободных частот и начинается процесс передачи данных во вторичной сети. Значительно проще ситуация складывается в случае вторичного использования оператором своих же частот. Тогда отпадает необходимость в мониторинге занятых частот вторичными РЭС, которые могут получать эту информацию по каналам управления.

Рассмотрим способ увеличения скорости передачи данных в сетях стандарта GSM с использованием принципа когнитивного радио. В этом случае на существующую топологию сети GSM оператора накладывается дополняющая микросотовая сеть, работающая в тех же частотных диапазонах, что и существующая сеть. При этом и макросотовая, и микросотовая сети могут использовать общие подсистемы коммутации и эксплуатации сети. Использование тех же частот в микросоте возможно благодаря тому, что в существующих сетях на территории каждой конкретной макросоты действующей сети GSM используются не все предусмотренные стандартом

87

радиоканалы, поэтому микросотовая сеть может задействовать свободные частоты GSM при условии обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).

Вобщем случае, ЭМС должна обеспечиваться как в прямом канале, так и в обратном. Так как каждая базовая станция (БС) микросотовой сети имеет меньшую зону обслуживания, чем БС макросотовой сети GSM, можно принять, что в пределах микросоты распределение занятых частот для макросотовой сети GSM одинаковое. Следовательно, нет необходимости определять защищенные (занятые) частоты для микросотовой сети как на БС, так и на абонентских станциях. Достаточно получать данные только для БС микросотовой сети и транслировать их в пределах рабочей зоны. При этом упрощается конструкция абонентской станции (АС), высвобождаются ее вычислительные ресурсы, и уменьшается объем служебного трафика между БС

иАС, необходимый для постоянного согласования рабочих частот в процессе передачи данных [1].

Встатье [1] показано, что применение такой архитектуры позволяет достичь пропускной способности в несколько десятков мегабит в секунду на сектор даже при использовании стандартной для GSM модуляции GMSK.

Такой способ передачи данных в сетях GSM позволяет добиваться высокой скорости передачи данных и при этом использовать уже имеющиеся у оператора частоты и большую часть оборудования, что значительно снижает затраты на его внедрение.

Литература:

1. Громаков Ю.А. Родионов В.В. Настасин К.С. Способ повышения скорости передачи данных в сетях GSM на основе когнитивного радио. // Электросвязь 2012 - № 1.

РАЗВИТИЕ СЕТИ LTE - ADVANCED В НОВОСИБИРСКЕ

Ситников А.А. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель - Ситников С.Г., профессор СибГУТИ

Закономерно, что через каждые десять лет разрабатываются новые поколения мобильной связи. Всё началось с разработок первого поколения аналоговых сотовых сетей в 1970-х годах (1G), а в 1980х уже произошёл переход к сетям с цифровой передачей (2G). В 1990-х начал разрабатываться совершенно новый стандарт 3G, основанный на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA); Однако внедрен он был только в 2000-х годах (в России — в 2002 году).

Начало разработок сети самого современного поколения 4G, основанной на IP-протоколе, относится к 2000 году, а начало внедрения во многих странах началось в 2010 году. Одной из технологий поколения 4G , является LTEAdvanced. 3GPP Long Term Evolution (LTE) (буквальный перевод с англ. —

88

долговременное развитие) — проект усовершенствования существующей технологий мобильной передачи данных CDMA, UMTS. Данные усовершенствования способны: во-первых, повысить скорость и эффективность передачи информации, во-вторых, снизить издержки, расширить и улучшить уже оказываемые услуги, и самое главное, эта сеть способна интегрироваться с существующими протоколами. (По стандарту 3GPP LTE скорость передачи информации достигает 326,4 Мбит/с, в теории.) На сегодняшний день, уже более пяти тысяч людей являются абонентами данной сети. Однако проблема заключается в том, что капиталовложения в развитие сетей 4G должны быть значительно солиднее, чем, например, в сети 2G и даже в 3G. Между тем, инвесторы, в том числе и венчурные, пока не уверены в должной экономической отдаче от 4G-проектов. К тому же, существует идея "скрестить" 4G и беспроводные широкополосные сети. Что позволит потребителю иметь возможность выбора наиболее подходящего способа подключения. В любом случае в основном варианте использования 4G технология Wi-Fi получит грозного конкурента.

В данной работе предложен проект по развитию сети LTE-Advanced в городе Новосибирске. Проект рассматривается в перспективе двух лет. Срок окупаемости 11 месяцев. Реализация данного инвестиционного проекта за 2 года принесёт доход в сумме 759 млн. рублей, что доказывает выгодность развития сетей LTE. Кроме того, в отличие от конкурирующего стандарта WiMAX, LTE является дальнейшим развитием сетей UMTS (HSDPA/HSUPA). Поэтому операторам, уже имеющим развернутую инфраструктуру сетей UMTS, для перехода на LTE достаточно просто сменить программное обеспечение.

МАРШРУТИЗАЦИЯ С ВЫДЕЛЕНИЕМ КАНАЛА ПО ТРЕБОВАНИЮ

(DDR) В СЕТЯХ ISDN

Хайрова А.И. СибГУТИ, Новосибирск e-mail: nastyascorpa@yandex.ru

Научный руководитель – Кокорева Е.В., доцент СибГУТИ

Метод маршрутизации с выделением канала по требованию был разработан компанией Cisco специально для установления соединения между двумя точками в беспроводных сетях (ISDN). Особенность этого метода заключается в том, что соединение существует только в момент передачи данных и, соответственно, разрушается по завершении сеанса. Канал связи между двумя точками инициализируется особым видом трафика [1].Рассматриваемый метод является наиболее экономичным из применяемых в

ISDN.

Общую концепцию и функции DDRсжато можно представить следующим образом [2]:

89

При получении некоторого трафика маршрутизатор просматривает маршрутную таблицу, чтобы определить путь к заданному пункту назначения.

Если определенный выходной интерфейс настроен под DDR, маршрутизатор производит обзор, чтобы определить, подходит ли данный тип трафика для обслуживания, основываясь на списке номеронабирателей оператора настройки.

Далее маршрутизатор определяет следующий узел передачи на пути и информацию о системе набора номера по картам или профилям системы набора номера.

В случае работы с профилями системы набора номера, маршрутизатор проверяет, подключен ли номеронабиратель на данный момент к удаленному пункту назначения. Если это так, то трафик пересылается, и таймер ожидания сбрасывается до максимального значения каждый раз, как пакет проходит через это устройство. Если же номеронабиратель не подключен, то маршрутизатор посылает команду, инициирующую подключение соответствующего устройства.

После установления соединения маршрутизатор передает весь трафик, который может включать в себя информацию об обновлениях маршрутизации.

В случае превышения времени пересылки пакета заданного таймером значения, соединение разрывается.

Литература:

2.Dial-on-Demand Routing [Electronic resource]. — Режим доступа: http://networking.ringofsaturn.com/Cisco/ddr.php. — Загл. с экрана. — яз. англ.

3.Cisco ISDN Cost-Effective Solutions [Electronic resource]. — Режим доступа: http://www.informit.com/library/content.aspx?b= Troubleshooting_Remote_Access&seqNum=93. — Загл. с экрана. — яз. англ.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ДИСЦИПЛИН ОБСЛУЖИВАНИЯ ОЧЕРЕДЕЙ В СИСТЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Чепурнова И.И. СибГУТИ, Новосибирск e-mail: chita9292@mail.ru

Научный руководитель – Кокорева Е.В., доцент СибГУТИ

Осуществить имитационное моделирование, собрать необходимые статистические данные о любой топологии сети, возможно с помощью программного продукта NS2, предназначенного для моделирования и анализа работоспособности цифровых, как проводных, так и беспроводных сетей с коммутацией пакетов. Основными компонентами моделирования NS2 являются планировщик событий, сетевые объекты и события (at-события и пакеты).

90