DOI 10.24411/2658-3569-2020-10058

Разработка системы управления киберинцидентами в сетях LTE

Development of a system for managing cyber incidents in LTE networks

Байсаева Малика Усамовна, кандидат экономических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет», доцент кафедры финансов и кредита

Baisaeva Malika Usamovna

Аннотация. Каналы связи характеризуются вероятностью ошибочного приема под воздействием различных помех (шумов) в пределах p=10-2-10-5, реже 10-6 и меньше. В условиях радиоэлектронной подавления систем и сетей радиосвязи величина р может достигать р≥10-1. Современные системы передачи данных требуют вероятности ошибок на алфавитный знак на выходе не более Рпо ≤ 10-6-10-10, поэтому, ставится задача повышения достоверности на 3-5 порядков и более.

Методы повышения вероятности:

• применение помехоустойчивых методов модуляции и методов демодуляции сигналов на приемной стороне;
• применение помехоустойчивых кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки в принятой кодовой комбинации;
• улучшение характеристик каналов связи, что зависит от технических характеристик и экономической целесообразности;
• использование систем с обратной связью, в которых по обратному каналу от приемника до передатчика передаются запросы (отзывы) относительно принятого сообщения, с целью повторной передачи сообщения в целом или его части;
• использованием разнообразных методов повышения вероятности, что имеет место на практике;
• неоднократное повторение сообщения по каналу связи или по параллельным каналам, с специальной обработкой, например, мажоритарной обработкой или синхронным накоплением, на приемной стороне.

Summary. Communication channels are characterized by the probability of erroneous reception under the influence of various interference (noise) within the range of p=10-2-10-5, less often 10-6 or less. In the conditions of electronic suppression of radio communication systems and networks, the value of p can reach p≥10-1. Modern data transmission systems require the probability of errors per alphabetic sign at the output no more than RPO ≤ 10-6-10-10, so the task is to increase the reliability by 3-5 orders of magnitude or more.

Methods for increasing probability:

• application of noise-resistant methods of modulation and demodulation of signals on the receiving side;
• use of noise-proof codes that detect and correct errors in the accepted code combination;
• improving the characteristics of communication channels, which depends on the technical characteristics and economic feasibility;
• use of feedback systems, in which requests (feedback) regarding the received message are transmitted via the reverse channel from the receiver to the transmitter, in order to retransmit the message as a whole or part of it;
• using a variety of methods to increase probability, which is the case in practice;
• repeated message repetition over a communication channel or parallel channels, with special processing, such as majority processing or synchronous accumulation, on the receiving side.

Ключевые слова: LTE, система управления, кибер-инциденты.

Keywords: LTE, management system, cyber incidents.

Одним из наиболее эффективных способов борьбы с ошибками в принятых сообщениях является применение помехоустойчивых кодов. Процесс их использования интенсивно расширяется, что связано с их возможностями, развитием цифровых методов представления сообщений, потребностями в обеспечении высоких качественных показателей обмена информацией, созданием новых и специальных информационно-телекоммуникационных сред, в частности, дальним космическим связью с объектами на других небесных телах, космическим характером вооружений и управлением ими, повышенной опасностью подавления линий и сетей радиосвязи.

Началом развития помехоустойчивого кодирования является 1948 г, когда американский ученый Клод Шеннон опубликовал статью, в которой предложил меру информации, определил предел пропускной способности аналоговых и дискретных каналов и доказал, что вероятность ошибки на выходе канала можно довести до любой заданной малости, используя кодирования дискретных сигналов. Шеннон разработал общую доказательную математическую базу относительно существования принципов кодирования для достижения заданной вероятности ошибки, но не детализировал механизм поиска подходящих кодов. Начался поиск кодов и развитие теории кодирования и информации, были получены существенные теоретические результаты, найден и практически проверен ряд хороших кодов, но существуют вопросы, требующие решения:

• обобщенная теория синтеза хороших кодов не сформирована, хотя не доказано, что она не может быть создана;
• оптимизация нескольких процессов преобразования сигналов вместе с помехоустойчивым кодированием в тракте между выходом датчика информации передающей стороне и входом приемника информации приемной стороны; в этом плане определенные решения касаются только совместимости процессов модуляции и помехоустойчивого кодирования;
• К. Шеннон разработал наиболее вероятную оценку количества информации, но остался открытым вопрос, и он в общем не решен, оценки важности и ценности информации, учитывая возможные последствия и влияние на принятие определенных решений.

Помехоустойчивым (коррекционным) называется такой код, который позволяет контролировать в принятой кодовой комбинации ошибки, вызванные факторами (помехами, шумами).

Понятие ”контролировать” означает:

• только проявлять в кодовой комбинации длины n ошибки кратности S;
• только исправлять в кодовой комбинации длины n ошибки кратности t;
• исправлять в кодовой комбинации длины n ошибки кратности t и выявлять ошибки высшей кратности S (S>t).

Ошибки, которые превращают одни разрешенные кодовые комбинации в другие разрешенные не оказываются. Такой прямой метод обнаружения ошибок приемлем для относительно небольших длин кодовых комбинаций n (в пределах нескольких десятков). При росте величины n, возрастает память приемника и необходимая скорость сравнения, чтобы успеть принять решение до прихода следующей комбинации.

Таким образом, идея достаточно проста. Но возникает ряд проблем:

• как верно выбрать из всех N кодовых комбинаций нужную группу разрешенных, чтобы вероятность перехода разрешенных комбинаций в разрешенные была минимальной, а разрешенных в запрещенные – максимальной;
• каким должно быть минимальное число запрещенных кодовых комбинаций на заданное число разрешенных, чтобы обеспечить требуемую вероятность ошибки в кодовой комбинации;
• как строить кодировочные и декодировочные устройства, определить самый простой вариант их реализации.

В процессе разработки теории кодирования определились параметры кодов, основными из них являются:

1. Обозначение кода: (n, k), (n, k, dmin).

• избыточность кода r:

r = n−k;

• относительная избыточность Rr:

Rr = r/n;

• информационная скорость передачи кода (пропускная способность) R:

R=k/n,

которая характеризует информационную эффективность кода;

Всегда найдутся две кодовые комбинации одинаковой длины, между которыми кодовое расстояние будет минимальной (dmin). Величина dmin является одним из основных параметров помехоустойчивых кодов; она определяет их корректирующие возможности и часто используется в обозначении кодов: (n, k, dmin).

– корректирующая способность помехоустойчивых кодов. Основной характеристикой помехоустойчивого кода является кратность выявленных S и исправленных t ошибок. Величины s i t являются функциями dmin. Общей функциональной зависимости между этими величинами не найдено, существуют только предельные соотношения.

Корректирующие возможности задаются режимами работы кода. Все помехоустойчивые коды могут использоваться в трех режимах [106]:

1) гарантированного обнаружения всех ошибок кратности S включительно. Для этого dmin должно быть:

dmin ≥ S+1.

При этом оказывается также часть ошибок высшей кратности.

2) гарантированного исправления всех ошибок кратности t включительно. Для этого dmin должно быть:

dmin ≥ 2t+1

При этом могут исправляться некоторые ошибки высшей кратности. Эти ошибки определяются конкретно для каждого кода.

3) гарантированного исправления всех ошибок кратности t включительно и гарантированного обнаружения всех ошибок высшей кратности до S включительно, при этом оказывается также часть ошибок высшей кратности и могут исправляться некоторые ошибки высшей кратности, величина dmin должна быть:

dmin ≥ S+t+1

Все известные коды разделяются на две группы:

• блочные;
• непрерывные.

Блочные коды-это такие коды, когда передаваемый знак или группе знаков ставится в соответствие кодовая комбинация из n элементов. Порой вместо слова ”кодовая комбинация” используют понятие ”кодовое слово”, ”кодовый вектор”. Первыми блочными помехоустойчивыми кодами были:

• коды Хемминга (1948-1950 гг), которые исправляют одну ошибку и выявляют две ошибки;
•  код Голея (1949 г.), который исправляет две ошибки.

Оба кода относятся к классу совершенных; доказано, что других двоичных совершенных кодов нет.

Коды, исправляющие все ошибки до кратности t включительно и ни одной ошибки высшей кратности называются совершенными. Они имеют минимальную избыточность r при максимальной корректировочной способности для таких R.

Коды, исправляющие все ошибки до кратности t включительно, часть ошибок кратности t+1 и ни одной ошибки высшей кратности называются квазисовершенными. Они имеют больше значение r, чем в совершенных кодах.

Непрерывные коды (их еще называют рекурентными, сверточными, цепными) – это коды, в которых операции кодирования и декодирования производятся непрерывно над всей последовательностью информационных элементов. При кодировании по определенному правилу между информационными элементами вставляются проверочные элементы, в результате чего формируется непрерывная выходная последовательность двоичных элементов кодера. К таким кодам относятся сверточные коды, коды Элайеса и Килмера.

Блочные коды разделяются на две группы:

• неразделимы;
• раздельные.

В нераздельных кодах деление позиций в кодовой комбинации на позиции информационных и проверочных элементов не производится; они определяются автоматически в ходе кодирования. К таким кодам относятся:

• коды с постоянным весом (одинаковое количество единиц в каждой кодовой комбинации);
• коды Плоткина, которые характеризуются большим минимальным кодовым расстоянием (dmin ≥0,5 n) и высокой корректирующей способностью, но не находят широкого применения из-за сложности реализации кодирования и декодирования.

В раздельных кодах четко определены позиции для информационных и проверочных элементов. Эти коды наиболее широко используются. Для них используются обозначения (n, k), (n, k, dmin).

Блочные коды (раздельные и нераздельные) называются линейными, если полученные после кодирования n-разрядные кодовые комбинации формируются в результате линейных операций над простыми k-разрядными входными информационными кодовыми комбинациями.

Линейность кода существенно упрощает процедуры кодирования и декодирования и расчет параметров кода, позволяет использовать для построения кода лишь небольшую группу кодовых комбинаций, называемых базовыми (порождающими). При большой длине кодовых комбинаций практически могут использоваться только линейные коды.

Блочные раздельные коды при реализации могут быть:

• систематические;
• несистематические.

В систематических кодах закодирована исходная последовательность содержит без изменений информационные элементы, к которым добавляются проверочные элементы, которые сформированы путем линейных операций над информационными элементами; сумма двух или больше кодовых комбинаций систематического кода дает комбинацию этого же кода.

В несистематических кодах сумма двух или больше кодовых комбинаций не дает кодовую комбинацию этого же кода. Операции в несистематических кодах могут иметь нелинейный характер. Нелинейные коды часто имеют лучшие параметры по сравнению с линейными, но сложные в реализации.

При проектировании современных телекоммуникационных систем возникает вопрос обеспечения высокой вероятности (верности) обмена информацией, особенно при межкомпьютерном обмене или в специализированных военных системах передачи данных. Как правило, этот вопрос решается с использованием помехоустойчивых кодов и других методов повышения достоверности.

Выбор того или иного кода зависит от требований, которые к нему предъявляются. В свою очередь, эти требования формируются на основе вероятности ошибок на знак, которую должна обеспечить система на своем выходе, скорости передачи, технической сложности, надежности и стоимости.

Известно, что наибольшую вероятностной эффективность обеспечивает код в режиме обнаружения ошибок. Поэтому в системах с обратной связью такой режим наиболее целесообразен, в частности, варианты использования кодов с обнаружением ошибок реализованы в современных модемах V. 34, V. 90(V. 92) и др. По вопросу, какой код выбрать в режимах обнаружения ошибок, то из всех возможных кодов современная практика отдает предпочтение циклическим (БЧХ) кодам, которые характеризуются простотой реализации и высоким корректирующими возможностями. При определении кратностей ошибок, которые должен обнаруживать код, следует ориентироваться на наиболее вероятные ошибки или на заданную величину вероятности необнаруженных ошибок − на основе этих данных и определяются кратности ошибок, подлежащих выявлению. Соответствующие данные могут быть получены на основе расчетов с использованием определенной математической модели канала связи, уточненные моделированием тракта обработки и передачи сигнала и проверенные экспериментально, если это возможно.

Простейшая система с обнаружением ошибок − это система с использованием кодов с проверкой на четность. Добавляя один разряд с проверкой на четность, система обеспечивает обнаружение 50% всех ошибок (нечетной кратности) в кодовой комбинации. Такие коды всего используются для внутренней диагностики аппаратуры (компьютеров), когда в результате обработки сигналов устройствами аппаратуры могут возникнуть ошибки. Если на основе каких процессов преобладают парные ошибки, то следует использовать код с проверкой на нечетность. Указанные коды могут использоваться и для кодирования сигналов, передаваемых по каналу связи, или для образования более сложных кодов, в частности, матричных (итеративных), корректирующие свойства которых выше.

Коды с исправлением ошибок используются в системах, где обратная связь не предусмотрена, в частности, в системах пейджинговой связи, в системах дальней космической связи (межпланетные станции), др. На практике кратность исправленных ошибок не превышает, как правило, 3, что связано с усложнением декодирования при длинных кодовых комбинациях n. Для исправления однократных ошибок лучшим является код Хемминга при всех длинах кодовых комбинаций n. Этот код относится к классу совершенных кодов, и никакой другой код не может быть проще в режиме исправления однократной ошибки. Для исправления двухкратных ошибок при длине кодовых комбинаций n≤24 может быть использован второй совершенный код, из двух известных, − это код Голея, который известен в 2-х вариантах− (23, 11), (24, 12). Для других значений n и других кратностей ошибок целесообразно использовать коды БЧХ, для которых детально разработаны таблицы, позволяющие выбрать порождающие полиномы g(x), построить коды, кодировальные и декодировальные устройства.

Для исправления пакетов ошибок используют коды Рида-Соломона (РС-коды) и сверточные коды. Кроме этого, эти коды используются для построения каскадных кодов, использование которых целесообразно в каналах (линиях) связи с высоким уровнем помех, что актуально для линий связи военного назначения, которые могут подавлены системами РЭБ противника. Как правило, каскадные коды состоят из двух ступеней кодирования − сначала одним кодом (внешним), затем закодированная последовательность разделяется на более короткие последовательности, которые кодируются вторым кодом (внутренним). Внутренний код исправляющий ошибки малой кратности (t = 1, 2, 3) и выявляет часть ошибок высшей кратности, а внешний код исправляет пакеты ошибок, что обнаружил внутренний код, а также пакеты, которые он обнаружил за счет своих возможностей. На практике внешним кодом используют, как правило, код Рида-Соломона, а внутренним − БЧХ, сверточный, Хемминга. РС-коды и сверточные коды имеют высокоэффективные, но сложные алгоритмы декодирования, в частности, при декодировании сверточных кодов используется алгоритм Витерби, является оптимальным, но сложным в реализации и требует высокоскоростного микропроцессора и большой памяти. Результатом симбиоза различных алгоритмов является турбокоды, которые эффективны на линиях связи с высоким уровнем помех (р=10-2-10-1) и позволяют приблизить пропускную способность при таких условиях к границе Шеннона.

Использование кодов с исправлением и обнаружением ошибок имеет место при построении каскадных кодов, а также при кодировании цифровых сигналов в каналах среднего качества, где наиболее вероятны ошибки малой кратности (t=1,2), а характер сообщения имеет внутреннюю избыточность, которая позволяет скорректировать ошибки высшей кратности, на наличие которых покажет код. Такая возможность реализована в системах пейджинговой связи при передачи речевого сигнала. Код исправляющий ошибки малой кратности и обнаруживает высшей кратности, которые отображаются в виде пропусков в словах и предложениях. А натуральная (естественная) излишество речи дает возможность абоненту восстанавливать слова и предложения.

Список использованной литературы

1. Захарова  И.Г.  Информационные  технологии  LTE.  –  М.:  Издательский  центр  «Академия»,  2018.  –  192  с.
2. Коджаспирова  Г.М.  Педагогика  в  схемах,  таблицах  и  опорных  конспектах.  –  М.:  Айрис-пресс,  2016.  –  256  с.
3. Sugata  M.  Acquisition  of  Computer  Literacy  on  Shared  Public  Computers:  Children  and  the  “Hole  in  the  wall”  /  R.  Dangwal,  S.  Chatterjee,  S.  Jha,  R.S.  Bisht,  P.  Kapur  //  Australasian  Journal  of  Educational  Technology.  –  2017.  21(3),  P.  407–426.
4. Леднев  В.С.  Научное  образование:  развитие  способностей  к  научному  творчеству.  Издание  второе,  исправленное  –  М.:  МГАУ,  2018.  –  120  с.
5. Kruzhilin, S. N., & Mishenina, M. P. (2019). Substantiation of rejuvenating tree pruning of representatives of the genus Рopulus l. In the urban city aglomerations. World Ecology Journal, 9(2), 1-20. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.1
6. Tereshkin, A. V., Kalmykova, A. L., & Andrushko, T. A. (2019). Relevance of enrichment of landscaping plantings with lianas in the conditions of urban ecosystems of the Saratov region. World Ecology Journal, 9(2), 21-38. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.2