Скачкообразная перестройка частоты разводит сигнал по десяткам каналов, и её устойчивость к помехам строится на двух опорах, непредсказуемости последовательности скачков и адаптации к занятым участкам полосы. Обе опоры работают вместе, криптография делает последовательность непредсказуемой для постороннего приёмника, адаптация убирает каналы, где работает помеха, и именно их сочетание определяет устойчивость канала. В статье разобрано, что даёт перестройка по числам, как строится последовательность скачков, как работает адаптивное исключение каналов и что делают с каналом помехи на часть полосы.
Скачкообразная перестройка и её выигрыш
Скачкообразная перестройка переносит сигнал между N каналами по псевдослучайной последовательности, и её выигрыш против узкополосной помехи описывается отношением числа каналов к числу подавленных. Выигрыш обработки в децибелах составляет 10·log(N), и для 79 каналов он даёт примерно 19 дБ против помехи в одном канале. Практический пример классической системы с 79 каналами по 1 МГц работает на 1600 скачков в секунду, где каждые 625 микросекунд сигнал занимает новый канал, и помеха в одном канале лишает систему 1/79 части передач. В процентах помеха в 10 каналах из 79 лишает 12,7 процента передач, и при помехоустойчивом кодировании эта доля восстанавливается без потери данных. Узкая полоса помехи работает на систему прямо, чем уже помеха, тем меньше каналов она накрывает, и выигрыш растёт с числом каналов. Цена перестройки известна, широкополосный приёмник, синхронизация и сложность тракта, и практические системы балансируют число каналов, скорость скачков и ресурсы приёмника. Скорость скачков работает и на скрытность, чем быстрее перестройка, тем короче пребывание в каждом канале и тем труднее обнаружение приёмником перехвата. Практический компромисс скорости заслуживает отдельного взгляда. Быстрая перестройка требует широкополосного приёмника с коротким временем установления синтезатора, и время переключения канала становится ограничением скорости. Практические синтезаторы переключаются за микросекунды и десятки микросекунд, и пребывание в канале держится на порядок выше времени переключения. Для системы с пребыванием 625 микросекунд переключение в десятки микросекунд оставляет запас, и дальнейшее ускорение упирается в синтезатор. Число каналов работает в ту же сторону, рост числа каналов расширяет полосу приёмника, и ресурсы приёмника растут пропорционально.
Криптографическая генерация последовательности скачков
Последовательность скачков строится псевдослучайным генератором, ключом которого служит общий секрет корреспондентов, и именно непредсказуемость последовательности для постороннего приёмника определяет скрытность. Практическая реализация работает на криптографических генераторах, где секрет и счётчик времени подаются на вход генератора, и выход определяет номер канала. Качество последовательности определяется генератором, и криптографические генераторы дают последовательности, неотличимые от случайных для постороннего наблюдателя, что закрывает предсказание будущих скачков по прошлым. Практическая тонкость в синхронизации, корреспонденты должны знать, на каком канале работает система в каждый момент, и синхронизация по точному времени с обменом метками держит работу. Разброс тактовых генераторов работает на рассинхронизацию, и периодический обмен синхронизацией не даёт корреспондентам разойтись. Требования к синхронизации таковы, рассинхронизация в длительность слота выводит приём с канала, и практические системы держат рассинхронизацию на порядок ниже длительности пребывания. Для системы с пребыванием 625 микросекунд это требование синхронизации в десятки микросекунд, которое точные опорные генераторы закрывают на часах работы. Длина ключа работает на стойкость предсказания, и практические системы работают с ключами, для которых перебор недостижим. Практическая тонкость генераторов заслуживает отдельного взгляда. Псевдослучайные генераторы без криптографической основы предсказуемы по короткой серии скачков, и наблюдение десятков скачков восстанавливает их состояние. Криптографические генераторы закрывают и эту задачу, и восстановление состояния по наблюдаемой серии недостижимо. Практическая реализация работает на стандартизированных генераторах с проверенными свойствами, и самодельные конструкции с непроверенной статистикой в этой роли недопустимы. Проверка последовательности идёт статистическими тестами, и равномерное распределение номеров каналов по полосе считается признаком рабочей последовательности.
Адаптивное исключение занятых каналов
Адаптивная перестройка работает на занятость каналов, и её логика проста, каналы, где измерена помеха или высокий уровень занятости, исключаются из последовательности скачков. Оценка занятости работает по уровню сигнала в канале перед передачей и по статистике ошибок, накопленной на прошлых передачах, и оба признака работают в единый рейтинг каналов. Практический пример современных систем короткого диапазона работает с адаптивной перестройкой на 37-40 каналах данных, где исключение занятых каналов ведётся до минимума в 15 каналов, и система сохраняет работу при занятости больше половины полосы. Цена исключения такова, сужение последовательности до 15 каналов снижает выигрыш обработки с 19 до 10·log(15) ≈ 11,8 дБ против помехи в одном канале, и компромисс между исключением и выигрышем работает по числу оставшихся каналов. Практическая тонкость адаптации в скорости реакции, быстрая перестройка помехи требует быстрого исключения, и практические системы обновляют рейтинг каналов на секундах. Дополнительная тонкость, исключённые каналы периодически проверяются, и каналы, освободившиеся от помехи, возвращаются в последовательность. Адаптация и криптография работают вместе, криптография задаёт порядок скачков по оставшимся каналам, адаптация задаёт сам набор, и их произведение определяет устойчивость канала.
Помехи на часть полосы и их цена
Помеха на часть полосы концентрирует мощность на доле каналов, и её цена для системы считается по числу накрытых каналов. Помеха на четверть полосы при 79 каналах накрывает 20 каналов, и без адаптации система теряет четверть передач. При помехоустойчивом кодировании со скоростью половина эта доля восстанавливается, и система сохраняет работу с потерей скорости. В децибелах помеха на четверть полосы с той же суммарной мощностью повышает спектральную плотность на накрытых каналах в четыре раза, то есть на 6 дБ, и система с запасом 19 дБ против узкополосной помехи сохраняет работу. Сверхширокая помеха на всю полосу работает по-другому, она распределяет мощность на все каналы, и её плотность на канале падает обратно пропорционально числу каналов, что для системы с выигрышем обработки означает сохранение работы при малой плотности помехи. Практический оптимум помехи лежит между этими крайностями, и адаптивная система закрывает его исключением накрытых каналов. Цена помехи для системы в конечном счёте считается по потерянным передачам, и адаптация с кодированием сводит её к нулю при помехах на часть полосы. Связь формы помехи с потерями заслуживает отдельного взгляда. Помеха, движущаяся по полосе, накрывает разные каналы в разные моменты, и без адаптации её след заметен в статистике ошибок, которая показывает последовательность накрытых каналов. Адаптивная система вычитает движущуюся помеху из последовательности, и её след в ошибках сокращается. Помеха, работающая на части каналов постоянно, исключается адаптацией полностью, и её след в статистике исчезает. Разница между этими режимами видна в накопленной статистике ошибок, и отслеживание этой статистики работает как индикатор формы помехи. Скорость реакции системы на смену формы помехи определяет фактическую устойчивость, и практические системы отслеживают форму помехи непрерывно.
Защита от следящих помех
Следящая помеха работает по фактической частоте канала, обнаруживая её и перенося помеху следом, и это самый эффективный класс помех против перестройки. Защита от следящей помехи строится на трёх приёмах. Первый, сокращение времени пребывания в канале, чем короче пребывание, тем меньше времени у помехи на обнаружение и перенос, и практические системы работают со слотами в сотни микросекунд и короче. Второй, работа на нескольких каналах одновременно, дублирование передачи снижает цену пропадания одного канала, и практические системы с дублированием теряют работу только при одновременном накрытии всех каналов. Третий, аутентификация скачков, где структура передачи не позволяет помехе отличить полезный сигнал до его конца, и помеха, реагирующая на начало передачи, работает уже после смены канала. Масштаб защиты временем таков, пребывание 625 микросекунд с задержкой обнаружения помехи в сотни микросекунд оставляет помехе долю слота, и её эффективность падает пропорционально. Случайная длительность пребывания добавляет непредсказуемость, и помеха, настроенная на типовую длительность, работает мимо. Сумма приёмов делает следящую помеху неэффективной против систем, построенных с её учётом, и скрытность здесь работает на нескольких уровнях сразу.
Кодирование и перемежение по скачкам
Помехоустойчивое кодирование замыкает систему устойчивости. Код со скоростью половина даёт выигрыш 5-7 дБ ценой вдвое меньшей скорости, и для канала с потерей четверти передач он восстанавливает данные. Перемежение растягивает кодовые символы по скачкам, чтобы потеря одного канала не съедала подряд идущие символы, и глубина перемежения выбирается больше числа подряд идущих потерянных каналов. Глубина считается так, при исключении каналов адаптацией потери собираются в единичные каналы, и глубина перемежения в десятки символов достаточна, при следящих помехах потери идут сериями, и глубина растёт пропорционально. Практическая тонкость, глубина перемежения работает на задержку, растянутые кодовые символы восстанавливаются только после всей серии скачков, и задержка декодирования измеряется десятками миллисекунд. Компромисс глубины, устойчивости и задержки определяет рабочий выбор, и каждая из трёх величин покупается двумя другими. Современные формы сигнала объединяют кодирование с адаптацией, где код работает на остаточные ошибки после исключения каналов, и суммарная устойчивость определяется произведением обоих механизмов. Практическая связка кодирования с адаптацией заслуживает отдельного взгляда. Адаптация снимает постоянные и движущиеся помехи, кодирование закрывает остаточные ошибки от кратковременных помех и случайных совпадений, и глубина перемежения выбирается под структуру остаточных потерь. При постоянной помехе глубина остаётся минимальной, при движущейся растёт пропорционально скорости движения, и рабочая глубина пересматривается по накопленной статистике. Скорость кода работает на остаточную устойчивость, и при росте помеховой активности смена скорости кода добавляет запас без смены последовательности. Проверка системы идёт в условиях фактических помех, и её устойчивость подтверждается измерением потерь передач, а не расчётом.
Порядок построения скрытного канала
Построение скрытного канала перестройки укладывается в пять шагов:
- выбор числа каналов и скорости скачков под ресурсы приёмника и требования устойчивости;
- построение последовательности скачков на криптографическом генераторе с общим секретом;
- организация синхронизации корреспондентов с точностью ниже длительности пребывания;
- включение адаптивного исключения занятых каналов с периодической проверкой исключённых;
- включение помехоустойчивого кодирования с перемежением под фактическую структуру потерь.
Такой порядок закрывает и скрытность, и устойчивость, и их произведение определяет работу канала. Практика систем с перестройкой подтверждает расчёт, каналы с криптографической последовательностью и адаптацией работают в условиях, где фиксированные частоты и предсказуемые последовательности пропадают, и каждый элемент системы, от длины ключа до глубины перемежения, конвертируется в устойчивость. Скрытность связи при перестройке остаётся инженерной задачей, где криптография задаёт непредсказуемость, адаптация задаёт устойчивость, и умение строить их совместную работу отличает рабочую систему от демонстрации.