Анализ и синтез генераторов хаотических колебаний для цифрового кодирования информации

Актуальность проблемы.

Динамический хаос — сложное непериодическое движение, порождаемое нелинейными системами с детерминированными параметрами, при отсутствии внешнего шума. Неупорядоченное, хаотическое поведение обнаруживается во многих процессах, протекающих в различных природных и технических объектах. В течение последней четверти XX века, с момента открытия динамического хаоса интерес к нему в научной среде не ослабевает. На сегодняшний день доказано [4,41,46], что системы с хаотическим поведением не являются исключением, а представляют собой самостоятельный класс нелинейных динамических систем — хаотических систем.

Необходимо так же подчеркнуть, что хаотическое поведение системы вовсе не означает, что поведение носит случайный характер: при одних и тех же значениях параметров и начальных условиях системы (заданных с необходимой точностью) решение соответствующей нелинейной задачи может носить случайно-подобный характер. Однако, при повторении тех же начальных условий и сохранении прежних значений параметров системы, эти случайно-подобные решения всякий раз будут повторяться.

Одним из первых, кто обратил внимание на явление хаотического поведения траекторий нелинейных динамических систем, был А. Пуанкаре, который еще в 1905 году в книге «Наука и метод» писал, что в некоторых неустойчивых режимах системы ". совершенно ничтожная причина, ускользающая от нас по своей малости, вызывает значительное действие, которого мы не можем предусмотреть.. Предсказание становиться невозможным, мы имеем перед собой явление случайное". Таким образом, еще в начале прошлого века Пуанкаре описал одно из основных свойств хаотического процесса — экспоненциальная неустойчивость и зависимость от малых изменений начальных параметров системы. Позднее, на основе данного свойства, был предложен метод диагностики хаотических систем при помощи вычисления спектра показателей Ляпунова.

Еще одним историческим событием в развитии теории хаоса стала публикация статьи американского математика Лоренца в 1963 году, работавшего над проблемой предсказания погоды, которая называлась: «Детерминированное непериодическое течение» [80]. В этой работе была представлена динамическая модель, описывающая явление конвекции Релея-Бенара. Необычным было то, что при определенных значениях так называемого управляющего параметра, входящего в систему модельных уравнений, ее решение становилось хаотическим. В отличие от господствовавших представлений, по которым хаос есть что-то неправильное, привносимое в систему извне, система сама генерировала хаотическое решение, которое могло быть описано в статистических терминах. Необычным в этой системе было также поведение фазовой траектории, которая представляла собой аттрактор обладающий странными, взаимоисключающими свойствами: фазовые траектории разбегались с одной стороны и, в тоже время, стягивались в ограниченный объем пространства, с другой стороны.

После появления работы Лоренца были описаны и другие системы, имеющие решение в виде «странного» аттрактора, такие как система Ресслера [51,85], Дуффинга [60], Ван дер Поля [43] и др.

В последние 15−20 лет, как в России, так и за рубежом, ведется интенсивные разработки по использованию хаотических систем в радиотехнике. Исследования проходят в различных областях возможного применения хаоса, но все же основные надежды возлагаются на системы конфиденциальной передачи информации с использованием хаотической несущей.

Хотелось бы отметить, что за время развития данной тематики сделаны серьезные шаги к воплощению данных идей в реальные системы, открыто и исследовано явление самосинхронизации хаотических систем, а также начиная с 1992 г., был предложен ряд способов передачи информации, использующих хаотическую динамику [28]: хаотическая маскировка [66,70,77], переключение хаотических режимов [11,36,67,82,83], нелинейное подмешивание [15,30,25,26,68,69], схемы на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАП) [55,56] и другие [19,27,58,62,74,75,91].

Большой вклад в развитие этого направления внесла группа ученых под управлением А. С. Дмитриева при Институте радиотехники и электроники РАН, которая наиболее близко подошла к реализации данной идеи в реальных системах передачи информации [19,22−31]. Проведенные ими эксперименты еще раз доказали, как перспективность данного направления, так и необходимость в более глубоком изучении хаотических систем и поиске новых моделей для генерации хаоса.

На данный момент остро стоит проблема недостатка «элементной базы» вышеупомянутых систем, а именно, для дальнейшего развития и синтеза систем передачи информации с использованием хаоса, необходимо иметь большое количество моделей генераторов хаотических колебаний (генераторов хаоса), с различными свойствами и параметрами, как собственной внутренней структуры, так и генерируемых ими хаотических колебаний. В большинстве работ по синтезу систем конфиденциальной связи используются одни и те же классические модели генераторов хаоса, а в таком случае сложно говорить о конфиденциальности. Исследование данного вопроса проводится многими учеными по всему миру, уже синтезирован ряд совершенно новых моделей генераторов хаоса [1−5, 20, 29, 51, 71, 64, 65, 88 и др.] и все же таких моделей насчитывается около трех десятков. Сложность состоит в отсутствии методологии синтеза генераторов хаоса и недостаточной изученности причин возникновения хаотического решения в нелинейных динамических системах.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является создание практической методологии по прогнозированию, диагностике и синтезу нелинейных динамических систем с хаотическим поведением. Иначе говоря, создание алгоритмов для поиска хаотических режимов в заданных нелинейных системах и изучение возможностей введения управления для синтеза генераторов хаоса.

Основные задачи решаемые в работе:

1. Систематизация и анализ способов прогнозирования и диагностики хаотических систем.

2. Развитие теоретических и практических положений по расчету спектра показателей Ляпунова с использованием численно-аналитического метода решения систем нелинейных дифференциальных уравнений предложенного в [59].

3. Разработка методологии прогнозирования и диагностики хаотических систем и ее применения при синтезе генераторов хаоса.

4. Поиск методов синтеза генераторов хаоса с использованием дополнительных функций управления. Разработка рекомендаций по использованию предлагаемых методов.

5. Разработка пакета программ и программных модулей для прогнозирования, диагностики и синтеза хаотических систем при использовании среды математического моделирования MatLab 6.0.

6. Анализ существующих возможностей реализации полученных моделей генераторов хаоса на современной элементной базе.

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований.

Автором впервые представлен комплекс методов и рекомендаций для системного решения задач диагностики и синтеза генераторов хаоса, с последующим исследованием их свойств и параметров. Для практического решения данной задачи предложен пакет программ и программных модулей, реализованных на базе системы MatLab 6.0, что позволяет значительно уменьшить временные затраты на поиски и синтез моделей генераторов хаоса, требуемых для применения в системах конфиденциальной связи.

Впервые предложена рекуррентная формула вычисления спектра показателей Ляпунова, анализ которого является основополагающим при диагностике хаоса. Формула позволяет проводить вычисления в одном цикле с решением системы, что проявляется в значительной экономии затратного времени и ресурсов вычислительной машины.

В работе предложена и теоретически обоснована новая концепция пространственно-временной переменной устойчивости, вследствие этого представлены методы по применению данной концепции при синтезе нелинейных динамических систем с хаотическим поведением.

Впервые приведены результаты экспериментальных исследований по моделированию генераторов хаоса с внутренним управлением, вводимым в состав системы для поддержания ее локальной неустойчивости.

В итоге в работе предложен следующий комплекс методов по синтезу генераторов хаоса:

1. Синтез хаотических систем с использованием методов прогнозирования и диагностики.

2. Прямой синтез хаотических систем:

Метод введения управления в виде ограничителя фазового пространства.

Метод ограничения окрестностей точек покоя.

Метод гипер-управления.

3. Функциональный синтез хаотических систем:

Метод формирования пространственной переменной устойчивости.

Метод формирования временной переменной устойчивости.

Выбор данных методов производится в зависимости от их дальнейшего применения в алгоритмах кодирования и передачи информации с использованием хаотической несущей.

Проанализированы возможности применения и реализации полученных моделей генераторов хаоса на современной элементной базе.

Практическая ценность результатов диссертационной работы.

Проведенный анализ различных работ по синтезу систем связи, использующих преимущества хаотических сигналов [11,19,22−33,58,73−75,6671,83 и др.], свидетельствует о состоятельности предложений по использованию хаоса в радиотехнике, а следовательно, и практической ценности полученных в работе результатов.

Особенно необходимо отметить, что в марте 2006 года технология прямохаотической связи, предложенная Институтом радиотехники и электроники РАН совместно с Институтом Передовых Технологий (SAIT) корпорации Samsung Electronics в рамках международной рабочей группы комитета IEEE по стандартизации, включена в разрабатываемый стандарт беспроводных персональных коммуникационных сетей (WPAN) -IEEE 802.15.4а в качестве опционального варианта. Потенциальный рынок для продуктов на основе платформы только в секторе DECT и сотовой телефонии, по оценкам представленным в [23], составляет 100−150 млрд. рублей. Данный факт подчеркивает конкурентоспособность прямохаотической системы связи, а следовательно, и перспективность развития всего направления синтеза систем передачи информации, основанных на динамическом хаосе, частью которого является представленная работа.

Предложенные в диссертационной работе новые теоретические результаты и выводы о переменной устойчивости хаотического решения представляют возможность для дальнейшего развития направления синтеза генераторов хаоса с внутренним управлением.

Полученные автором решения актуальной задачи синтеза генераторов хаоса позволяют существенно сократить объем необходимых экспериментов и количество применяемых методов для поиска новых моделей генераторов, что, безусловно, способствует развитию направления разработки систем связи на основе динамического хаоса, в особенности систем конфиденциальной передачи информации.

Данные схемы и алгоритмы генерации хаотических колебаний могут быть построены на различной элементной базе: дискретных логических элементах, больших интегральных схемах (БИС), цифровых сигнальных процессорах (ЦСП), программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), универсальных микропроцессорных комплектах и др.

Синтезированные генераторы хаоса являются не только доказательством работы предложенных методов, но и самостоятельными моделями и могут быть использованы на практике.

Проведенный анализ свидетельствует что оптимальным решением для реализации полученных моделей генераторов хаоса являются ЦСП и ПЛИС, так как обладают достаточным быстродействием и позволяют реализовать принцип идентичности генераторов, необходимый для реализации систем кодирования информации.

В целом результаты работы имеют как практическое, так и теоретическое применение и направлены на развитие области использования хаотических систем для передачи информации.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Содержит 168 страниц, 71 рисунок, 2 таблицы.

Список литературы

содержит 92 наименования.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. В работе проведен системный анализ отечественных и зарубежных достижений в области исследований нелинейных динамических систем с хаотическим поведением. В частности, подробно рассмотрены существующие на данный момент модели хаотических систем, выявлены их особенности и общие свойства. Детально проанализированы и промоделированы существующие методы исследования свойств хаотических систем, проведен их сравнительный анализ и сделаны выводы относительно применимости каждого метода для прогнозирования и диагностики хаоса.

2. Сделан ряд теоретических и практических предложений по расчету спектра показателей Ляпунова численно-аналитическим методом, что заметно расширило области его применения и упростило процедуру проводимых вычислений.

3. На базе проведенного анализа предложена методология прогнозирования и диагностики хаотических систем. На основе данной методологии построен пошаговый алгоритм и даны рекомендации по его использованию для поиска моделей генераторов хаоса.

4. Разработаны и теоретически обоснованы методы по синтезу генераторов хаоса путем введения управления в систему, а также предложен ряд рекомендаций по их практическому применению.

5. Проведен анализ существующих возможностей реализации генераторов хаоса на современной элементной базе и их последующего применения для цифрового кодирования информации.

6. В результате создан пакет программ по прогнозированию, диагностике и синтезу моделей генераторов хаоса использующих среду MatLab 6.0.

Таким образом, совокупность предложенных результатов представляет возможность для дальнейшего развития теории хаотических систем и процессов, синтеза новых хаотических генераторов и решения актуальной практической задачи — синтеза систем связи, использующих преимущества динамического хаоса.

Заключение

.