Изучение перспективных защищенных информационных систем на основе моделирования сигналов

Целью исследования является повышение эффективности управления информационной безопасностью за счет использования сетей 5G. Переход на сети пятого поколения не решает существующих проблем информационной безопасности и приводит к появлению новых угроз. Основная цель каждого метода модуляции сигналов заключается в обеспечении высокой пропускной способности, надлежащего качества передачи в условиях зашумленого канала связи, используя при этом минимальное количество энергии. Одним из самых эффективных показателей повышения уровня информационной безопасности в беспроводных сетях является квадратурная модуляция, которая используется в таких сетях как: LTE, WiMAX, McWill, DVB-T (T2), Wi-Fi и других сетях радиодоступа [1].

Одним из перспективных направлений развития сетей 5G является использование высших частотных диапазонов, таких как диапазон миллиметровых волн (от 30 до 300 ГГц) [2,3]. Особенностью миллиметрового диапазона волн является то, что они обеспечивают значительно более широкие спектральные полосы, давая возможность существенно повысить пропускную способность в каналах.

Таким образом, при изучении перспективных защищенных информационных систем, основанных на применении технологии сетей 5G целесообразно использовать моделирование сигналов канального уровня взаимодействия абонентов, которое позволяет на физическом уровне оценить основные параметры защищенности.

Материалы и методы исследования. Сети пятого поколения будут одновременно и похожи на любое предыдущее поколение мобильных сетей, и при этом заметно отличаться от них – и этому есть целый ряд объяснений, которые становятся очевиднее, если задуматься о том, каким образом эти изменения влияют на принципы обеспечения безопасности пользователей и оборудования сетей пятого поколения.

Широкое распространение в области передачи цифровой информации, включая сети 5G, получила комбинационная модуляция, получившая название квадратурной амплитудной модуляции. Большей спектральной эффективностью обладают многопозиционные сигналы, из которых наиболее часто используют четырехпозиционную фазовую модуляцию и шестнадцатипозиционную квадратурную амплитудную модуляцию.

Квадратурная амплитудная модуляция является разновидностью многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции, помимо фазы амплитуда сигнала при заданном виде модуляции также будет нести в себе информацию. Это приводит к тому, что при заданной полосе частот возрастает количество передаваемой информации.

Представлен краткий обзор существующих подходов к построению модуляция OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием) [4, 5] систем и методов формирования решений задач модуляции сигналов для построения таких систем.

Результаты. В настоящее время технология OFDM-систем широко применяется в современных системах беспроводного Интернета. Высокая скорость передачи информации в OFDM-системах достигается с помощью параллельной передачи информации по большому числу ортогональных частотных подканалов (поднесущих) [6].

Метод синтеза сигнально-кодовых конструкций с ортогональным частотным мультиплексированием предусматривает различные сценарии использования полуквадратурной модуляции в зависимости от требований защищенности от перехвата, а также балансирование между спектральной и энергетической эффективностью. Данный метод может использоваться в двух случаях: с альтернативной и согласованной передачами сигналов. В случае с альтернативной передачей, только одна из четырех поднесущих используется в течение одного канального интервала. Для эффективного использования пропускной способности, предложенный метод предполагает использование спектра трех других поднесущих для передачи данных в D2D каналам (это созданием связи между двумя пользовательскими устройствами, которые находятся в непосредственной близости), что позволяет дополнительно избежать интерференции между фиксированными каналами и каналами связи D2D.

Заключение. В настоящее время сети 5G можно считать одной из необходимых составных частей цифровой трансформации и цифровой экономики, при этом основной задачей при обеспечении безопасности в сотовой связи является защита от прослушивания. Однако в будущем мире смартфонов и интернета вещей, в окружениях с большим количеством механизмов, вероятность прослушивания, по всей видимости, отойдет на второй план. Вместо этого придется задуматься о таких вещах как атаки с манипуляцией данными, которые, к примеру, могут использоваться для того, чтобы отдавать механизмам команды на выполнение определенных действий (например, открыть дверь или перехватить управление беспилотным автомобилем). У операторов мобильных сетей, как и у производителей бытовой электроники, появится возможность предлагать «безопасность в виде сервиса», в результате чего поставщики приложений смогут при передаче отдельных видов данных применять дополнительные уровни безопасности поверх уже существующих защищенных каналов сети сотовой связи.[7]

За счет лучшей спектральной плотности, предложенный метод формирования сигнала дает возможность использовать прототипы оконных функций с лучшими свойствами пространственной локализации без нарушения условия ортогональности сигнальных базисов, и соответственно не требует использования циклических префиксов при формировании OFDM сигнала.

1. Малиничев Д.М., Резинин Д.А., Шорин А.О. Многофакторная имитационная модель обслуживания подвижных абонентов в мобильных системах связи// Радиотехника. 2016. № 5. С. 121–126.

2. Khan F., Pi Z., Rajagopal S. Millimeter-wave mobile broadband with large scale spatial processing for 5G mobile communication // In IEEE 50th Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing (Allerton), Oct. 2012. P. 1517–1523.

3. Rappaport T.S., Sun S., Mayzus R., Zhao H., Azar Y., Wang K., Gutierrez F. Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work! // IEEE Access. 2013. № 1. P. 335–349.

4. Wang L., Tellambura C. An Overview of peakto-average power ratio reduction techniques for OFDM systems. Signal Processing and Information Technology, 2006. IEEE International Symposium. Aug. 2006. P. 840–845.

5. Van Nee R., Prasad R. OFDM in wireless multimedia communications. L.: Artech House, 2000. 260 p.

6. Максимюк Т.А., Пелишок А., Ратич А.Т., Брыч М.В. Повышение помехоустойчивости сигнальных конструкций в системах с ортогональным частотным мультиплексированием // Материалы научно-методической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций и подготовка специалистов в области телекоммуникаций. 2012. С. 41–44.

7. Time-Reversal Based Secure Transmission Scheme for 5G Networks over Correlated Wireless Multi-Path Channels // Wireless Pers Commun. 2018. P. 979–1001.

8. Farhang-Boroujeny B., Moradi H. OFDM inspired waveforms for 5G // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18. No. 4. P. 2474– 2492.

9. Richard van Nee. Basics and History of OFDM – Woodside Networks. Breukelen, 2003.

10. Van Nee, R., Prasad R. OFDM in wireless multimedia communications. L.: Artech House, 2000. 260 p.

11. Goldsmith J. Wireless communication. Cambridge: Cambridge University Press, 2005. P. 1–560

12. ФЗ от 26 июля 2017 г. № 187-ФЗ «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации».

13. Hua Z. Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications: Ph.D. thesis. Georgia Institute of Technology, 2004. 114 p.

14. Аветисян В.Г., Маркосян М.В., Григорян В.В. Многолучевой прием: эквивалентная модель и метод виртуальных антенн // Антенны. 2014. № 6 (205). С. 39–48.

15. Шахнович И. Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16 для диапазонов ниже 11 ГГц // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005. С. 46–52.

16. Maksymyuk T., Han L., Ge X., Chen H., Jo M. Quasi-quadrature Modulation Method for Power Efficient Video Transmission over LTE Networks // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2014. Vol. 63. №5. P. 2083–2092.

17. Галустов Г.Г., Мелешкин С.Н. Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов. ТТИ ЮФУ, 2012. 80 с.

18. Stryhalyuk B., Yaremko O., Maksymyuk T., Melnyk O. Performance increasing method of wireless system based on determining timefrequency localization properties of OFDM signal // ECONTECHMOD: an international quarterly journal on economics of technology and modelling processes. Krakow, 2012. Vol. 1. № 3. P. 49–54.

19. Ahmad R., Bahai S., Burton R. Multi – Carrier Digital Communications. Theory and Applications of OFDM. Saltzberg: Wi-Fi Planet, 2002. 395 p.

20. Бабаш А.В., Сизов В.А., Микрюков А.А. Security Evaluation of a Brute-force Attack on a Cipher using a Statistical Criterion for Plaintext // Automatic Control and Computer Sciences. 2019. Vol. 53. No. 1. P. 39–44.