Патент на изобретение №2273100

(54) СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ В СИСТЕМЕ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике связи и может использоваться при построении новых или модификации существующих систем связи, работающих в режиме многопользовательского доступа. Технический результат – формирование общего потока данных в системах связи, использующей хаотические сигналы. В способе передачи сообщений в системе многопользовательской связи заранее выбирают хаотическую динамическую систему с набором неповторяющихся хаотических траекторий изображающей точки в фазовом пространстве этой динамической хаотической системы и присваивают каждой паре пользователей фрагменты хаотических траекторий в качестве первого и второго уникальных маркеров. На передающей стороне системы многопользовательской связи разделяют каждое информационное сообщение от одного пользователя конкретной пары к другому пользователю той же пары на информационные пакеты произвольной длины и помечают с помощью хаотической динамической системы начало и конец каждого информационного пакета, отправляемого от одного пользователя пары к другому пользователю той же пары, первым и вторым маркерами, присвоенными этой паре пользователей. Помеченные маркерами информационные пакеты передают в общем потоке к приемной стороне системы многопользовательской связи. На приемной стороне снабжают каждого пользователя нелинейной динамической системой, настроенной на совокупность только тех хаотических траекторий, которые в качестве маркеров присвоены всем парам пользователей, куда входит данный пользователь. Принимаемый общий поток пропускают через каждую такую динамическую систему и с ее помощью выделяют из него фрагменты, соответствующие маркерам для данного пользователя, после чего выстраивают последовательно информационные пакеты, выделенные по одной и той же паре маркеров, благодаря чему выделяют сообщения, предназначенные данному пользователю. 5 з.п. ф-лы, 20 ил.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к технике связи и, в частности может использоваться при построении новых или модификации существующих систем связи, работающих в режиме многопользовательского доступа.

Существующий уровень техники

В существующих системах связи с многопользовательским доступом передача сообщений осуществляется путем формирования общего потока на передающей стороне такой системы и передачи этого общего потока на ее приемную сторону. Одна из основных задач, возникающих при этом, состоит в индивидуализации каждого сообщения, т.е. присвоения ему определенных маркеров, по которым на приемной стороне это сообщение может быть выделено из общего потока именно тем пользователем, которому оно и адресовано. Для такой индивидуализации сообщений используют различные способы модуляции и кодирования, обеспечивающие разделение каналов. Например, при частотном разделении каналов каждому пользователю можно поставить в соответствие единственную несущую частоту либо единственный участок частотного спектра. При временном разделении каналов каждому пользователю ставится в соответствие определенный временной промежуток кадра в общем потоке. При кодовом разделении каналов каждый пользователь получает определенную кодовую последовательность, с помощью которой кодируются передаваемые им сообщения.

Наилучшими на сегодня возможностями в формировании общего потока обладают системы связи, использующие хаотические сигналы. Наиболее близким к заявленному можно считать способ передачи сообщений в системе многопользовательской связи, заключающийся в том, что: заранее выбирают хаотическую динамическую систему с набором хаотических траекторий изображающей точки в фазовом пространстве этой динамической хаотической системы; заранее присваивают пользователям системы многопользовательской связи по меньшей мере фрагменты хаотических траекторий, причем разным пользователям присваивают части неповторяющихся хаотических траекторий; на передающей стороне системы многопользовательской связи принимают от пользователей системы связи информационные сообщения; формируют из принимаемых от пользователей информационных сообщений общий поток и передают его приемной стороне системы многопользовательской связи; на приемной стороне системы многопользовательской связи выделяют из общего потока информационные сообщения, предназначенные конкретному пользователю (Дмитриев А.С. и др. Динамический хаос как парадигма современных систем связи. – Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. №10, 1997, с.13-14). Однако указанный источник информации описывает лишь принцип организации связи с помощью хаотических сигналов и не содержит сведений по конкретным шагам, необходимым для формирования общего потока данных при использовании таких хаотических сигналов в системе связи с многопользовательским доступом. Кроме того, в данном способе предусматривается хаотическое кодирование всех символов каждого сообщения, что является достаточно сложной задачей. Пример использования специальных хаотических траекторий – неустойчивых периодических орбит, образующих скелет хаотического аттрактора – для асинхронной пакетной передачи двух музыкальных сигналов через общий канал связи описан в (Ю.В.Андреев и др. Хаотические маркеры и асинхронная передача данных. – Письма в ЖТФ, 2000, т.26, вып.14, с.53-59). Вместе с тем принципы отбора системы уникальных маркеров, формирования общего потока данных и последующего извлечения индивидуальных сообщений ранее не рассматривались.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей данного изобретения является создание такого способа передачи сообщений в системе многопользовательской связи, который позволял бы формировать общий поток данных в системе связи, использующей хаотические сигналы, более просто, не кодируя каждый символ сообщения, а всего лишь помечая каждое сообщение уникальными маркерами для индивидуализации этих сообщений.

Эта задача с достижением указанного технического результата решается в способе передачи сообщений в системе многопользовательской связи по настоящему изобретению, заключающемся в том, что: заранее выбирают хаотическую динамическую систему с набором хаотических траекторий изображающей точки в фазовом пространстве этой динамической хаотической системы; заранее присваивают пользователям системы многопользовательской связи по меньшей мере фрагменты хаотических траекторий в качестве маркеров, причем каждой паре пользователей присваивают по меньшей мере первый и второй уникальные маркеры в виде по меньшей мере неповторяющихся частей неповторяющихся хаотических траекторий; на передающей стороне системы многопользовательской связи принимают от пользователей информационные сообщения и разделяют каждое информационное сообщение от одного пользователя конкретной пары к другому пользователю той же пары на информационные пакеты произвольной длины; помечают с помощью выбранной динамической системы начало и конец каждого из информационных пакетов, отправляемых от одного пользователя конкретной пары к другому пользователю той же пары, соответственно первым и вторым маркерами, присвоенными этой паре пользователей; объединяют помеченные маркерами информационные пакеты в общий поток и передают его приемной стороне системы многопользовательской связи; на приемной стороне системы многопользовательской связи снабжают каждого пользователя нелинейной динамической системой, настроенной на совокупность множества хаотических траекторий, включающую в себя только те хаотические траектории, которые в качестве маркеров присвоены всем парам пользователей, куда входит данный пользователь; пропускают принимаемый общий поток через каждую такую хаотическую динамическую систему и с ее помощью выделяют из него фрагменты, соответствующие маркерам; выделяют из общего потока с помощью хаотической динамической системы конкретного пользователя информационные пакеты, заключенные между первым и вторым уникальными маркерами, присвоенными конкретной паре пользователей, в которую входит данный конкретный пользователь; выстраивают последовательно информационные пакеты, выделенные по одной и той же паре маркеров, благодаря чему осуществляют выделение информационных сообщений, предназначенных конкретному пользователю.

При этом для настройки хаотической динамической системы на конкретные по меньшей мере фрагменты хаотических траекторий используют заранее заданный набор параметров, характеризующих динамику хаотической динамической системы, либо заранее заданный тип хаотической динамической системы.

Кроме того, объединение помеченных маркерами информационных пакетов могут осуществлять, например, от по меньшей мере одного пользователя к по меньшей мере одному другому пользователю, либо из по меньшей мере одного информационного сообщения.

Наконец, еще одна особенность способа по данному изобретению состоит в том, что после выделения из общего потока фрагментов, соответствующих маркерам, выделяют из общего потока с помощью нелинейной динамической системы конкретной группы пользователей информационные пакеты, предназначенные для данной группы пользователей, после чего и выделяют с помощью нелинейной динамической системы конкретного пользователя предназначенные ему информационные пакеты из группового общего потока, выделенного для данной группы пользователей.

Из существующего уровня техники неизвестны источники информации, в которых была бы описана вся совокупность существенных признаков данного способа, что позволяет считать его новым.

Из существующего уровня техники неизвестны также источники информации, в которых была бы описана совокупность отличительных признаков данного способа, что позволяет считать его имеющим изобретательский уровень.

Краткое описание чертежей

Возможные выполнения данного способа проиллюстрированы в описании чертежами, представленными для более полного понимания предлагаемого изобретения.

На фиг.1 показана общая функциональная схема системы формирования асинхронного потока данных в соответствии со способом по настоящему изобретению.

На фиг.2 приведен пример структуры хаотической динамической системы, предназначенной для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма выбора системы хаотических маркеров для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг.4 представлена блок-схема алгоритма формирования асинхронного потока данных для системы по фиг.1.

На фиг.5 изображена структурная схема селектирующей нелинейной динамической системы для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг.6 показана функциональная схема извлечения информационных сообщений из асинхронного потока данных для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг.7 приведена блок-схема алгоритма извлечения информационных сообщений из асинхронного потока данных для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг.8 приведена двупараметрическая диаграмма динамических режимов отображения в примере хаотической динамической системы для реализации способа по настоящему изобретению.

На фиг.9 показаны различные типичные виды хаотических аттракторов, порождаемых отображением по фиг.8.

На фиг.10 иллюстрируется близость неустойчивых периодических орбит периода 10 аттрактора Лози и аттрактора отображения по фиг.8.

На фиг.11 приведена схема экспериментов по одновременной асинхронной пакетной передаче аудиоинформации с помощью способа по настоящему изобретению.

На фиг.12 представлена структура асинхронного пакетного потока для случая двух сообщений в схеме по фиг.11.

На фиг.13 иллюстрируется передача двух аналоговых сигналов по общему физическому каналу в режиме асинхронного потока промаркированных пакетов данных для случая по фиг.12.

На фиг.14 представлена структура данных при передаче трех графических изображений в режиме асинхронного потока промаркированных хаотическими маркерами пакетов различной длины.

Подробное описание изобретения

Рассмотрим вначале особенности динамического (или детерминированного) хаоса, лежащие в основе настоящего изобретения.

Под детерминированным хаосом понимается сложное непериодическое движение, порождаемое нелинейными динамическими системами. Это движение может возникать при полном отсутствии внешних шумов и полностью определяется свойствами самой детерминированной динамической системы. Динамический хаос обладает многими свойствами случайных процессов, например, – сплошным спектром мощности, экспоненциально спадающей корреляционной функцией, непредсказуемостью на большие интервалы времени.

При описании поведения динамических систем используется понятие фазового пространства, в котором состояние системы изображается точкой, а изменение этого состояния во времени – фазовой траекторией, вдоль которой перемещается изображающая точка. Системы детерминированного хаоса имеют в фазовом пространстве область, где фазовые траектории как бы собираются в единое русло; эта область хаотического притягивающего множества называется странным аттрактором.

Одним из примеров хаотического поведения является динамика логистического отображения:

При определенных областях значений параметра уравнение (1) порождает непериодическую бесконечную последовательность отсчетов x_n, которой как раз и соответствует хаотический или странный аттрактор в фазовом пространстве данной динамической системы.

Одним из нетривиальных свойств хаотического аттрактора хаотической динамической системы является наличие у него внутренней “тонкой” структуры, включающей в себя два типа неустойчивых траекторий: счетное множество периодических траекторий (циклов или орбит) и множество траекторий, по которым происходит “блуждание” между этими периодическими орбитами (Auerbach D., Cvitanovic P., Eckmann J.-P., Gunarathe G.H. and Procaccia I. “Exploring chaotic motions through periodic orbits”. Phys. Rev. Lett. V.58, ¹23, p.2387, 1987; Cvitanovic P. “Invariant measurements of strange sets in terms of cycles”. Phys. Rev. Lett. V.61, ¹24, p.2729, 1988). В данном случае под периодом повторения неустойчивой периодической орбиты понимается дискретное время (число шагов), через которое данная хаотическая траектория возвращается в заранее заданную окрестность некоторой точки, называемой при этом точкой возврата. Хаотическое движение изображающей точки можно представить себе как “блуждание” по скелету, т.е. множеству неустойчивых периодических орбит, когда изображающая точка описывает траекторию, переходящую с одной орбиты на другую, третью и т.д., посещая как сами неустойчивые орбиты, так и их окрестности.

Каждый аттрактор обладает уникальной структурой неустойчивых циклов, которая однозначно определяется уравнениями хаотической динамической системы и ее параметрами. И обратно: множество неустойчивых орбит однозначно определяет хаотический аттрактор, а через него и саму хаотическую динамическую систему. Таким образом, если наблюдателю с конкретной хаотической динамической системой предъявляется некоторая хаотическая траектория или набор траекторий, порождаемые некоторой другой динамической системой, то он в состоянии установить, является ли породившая эту траекторию или этот набор траекторий система копией его системы. Поэтому фрагменты траекторий хаотических динамических систем можно использовать в качестве хаотических маркеров, идентифицирующих тот или иной объект, в частности информационные пакеты в общем потоке данных при асинхронной передаче данных в системе многопользовательской связи через единственный общий для всех канал связи. В качестве маркеров можно использовать как фрагменты хаотических траекторий общего вида, так и множество неустойчивых периодических орбит, составляющих “скелет” хаотического аттрактора.

Это множество неустойчивых периодических орбит хаотического аттрактора состоит из циклов с различными периодами (с различным числом шагов), причем число орбит данного периода растет экспоненциально с увеличением длины периода. Например, для хаотических аттракторов отображения Лози

число орбит периода 7 составляет 6-10 при различных значениях параметров {; ), а количество орбит периода 15 колеблется уже в пределах от нескольких сотен до тысячи. Все эти орбиты различимы между собой.

Для целей настоящего изобретения очень важен тот факт, что структура неустойчивых периодических орбит для каждой динамической системы уникальна, а в одной и той же динамической системе она различна при разных значениях параметров этой системы. Т.е. для каждой динамической системы при фиксированных значениях ее параметров имеется уникальная совокупность неустойчивых периодических орбит, общее число которых бесконечно. Именно это обстоятельство и позволяет использовать данную совокупность неустойчивых периодических орбит хаотического аттрактора (или ее часть) в качестве маркеров для передачи сообщений в системе с многопользовательским доступом. При этом процедура кодирования информации на передающей стороне заключается в формировании маркеров, соответствующих различным неустойчивым периодическим орбитам данного странного аттрактора, которыми затем помечаются фрагменты в сообщениях (информационные пакеты). Иначе говоря, в момент передачи нужно последовательно воспроизвести (и может быть по несколько раз) неустойчивые периодические орбиты, соответствующие маркерам, обрамляющим фрагменты передаваемого сообщения.

Структурная схема передающей стороны для формирования общего асинхронного потока данных в системе многопользовательской связи, в которой реализуется рассматриваемый способ, для случая двух отправителей показана на фиг.1. Первое информационное сообщение 1 от первого пользователя и второе информационное сообщение 2 от второго пользователя поступают на информационные входы соответственно первого и второго разделителей 3 и 4 сообщения, каждый из которых разделяет поступающее информационное сообщение на информационные пакеты произвольной длины. Статусная информация 5, т.е. сведения о состоянии графика в используемом канале связи, о приоритете пользователей и т.п. поступает на входы управляющего блока 6, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго разделителей 3 и 4 сообщения. Разделенные на информационные пакеты произвольной длины информационные сообщения подаются на информационные входы первого и второго маркировщиков 7 и 8 информационных пакетов. На маркерные входы первого и второго маркировщиков 7 и 8 информационных пакетов подаются сигналы с хаотической динамической системы 9. Каждый маркировщик 7 или 8 помечает начало и конец каждого поступающего на него информационного пакета первым и вторым индивидуальными маркерами. Промаркированные информационные пакеты с выходов первого и второго маркировщиков 7 и 8 информационных пакетов поступают на входы формирователя 10 асинхронного потока данных, направляемого в канал 11 связи.

Выполнение блоков 3, 4, 6-8 и 10 очевидно. Разделитель 3 или 4 сообщения может, например, представлять собой набор буферов заранее заданной длины, предназначенных каждый для временного хранения одного информационного пакета. По сигналам с управляющего блока 6 информационное сообщение (1 или 2) последовательно загружается в один такой буфер до тех пор, пока блок 6 не выдаст команду на запирание этого буфера и переключение информационного сообщения на другой буфер разделителя (3 или 4). Записанная в каждый буфер часть информационного сообщения затем выводится из этого буфера на соответствующий маркировщик (7 или 8) под управлением того же блока 6.

Моменты переключения буферов (или иного возможного разделения поступающего от каждого пользователя информационного сообщения) определяются управляющим блоком 6 в соответствии с поступающей на него статусной информацией. Например, при большей загрузке канала 11 связи и/или при более высоком приоритете данного пользователя информационные пакеты “нарезаются” чаще и имеют соответственно меньшую длину. Управляющий блок 6 может быть реализован как в виде самостоятельного устройства с соответствующей жесткой логикой, так и в виде компьютера, контроллера или процессора с памятью, хранящих в своей памяти соответствующую программу разделения информационного сообщения в зависимости от статусной информации 5.

Маркировщик 7 или 8 может также быть выполнен на наборе буферов. Перед записью информационного пакета в очередной буфер из этого набора в него записывается первый маркер из пары маркеров от хаотической динамической системы 9, а после записи в этот же буфер информационного пакета в буфер заносится второй маркер из той же пары маркеров. Выбором нужной пары маркеров управляет тот же управляющий блок 6.

Формирователь 10 асинхронного потока данных может быть выполнен в виде стековой памяти, в которую по очереди заносятся промаркированные информационные пакеты, а при заполнении заранее заданной ее части производится выдача содержимого этой части в канал связи.

Хаотическая динамическая система 9 может быть выполнена в соответствии с функциональной схемой, приведенной на фиг.2. Эта система реализует уравнение

где F(x_n,x_n-1)=ax_n+bx_n-1. Обозначения “a” и “b” на этой схеме отмечают умножители на соответствующий коэффициент а и b, обозначение ” ” отмечает элементы задержки на один такт, а знаком “+” отмечен сумматор.

Отметим основные свойства отображения (3). Оно имеет единственное положение равновесия (0, 0), которое теряет устойчивость, когда одно из двух собственных значений (действительная часть собственного значения) Якобиана становится положительным.

Двупараметрическая диаграмма динамических режимов в зависимости от значений параметров а и b представлена на фиг.8.

Область устойчивости в положении равновесия представляет собой треугольную черную зону на фиг.8. При движении из этой треугольной зоны в любом направлении положение равновесия теряет свою устойчивость и возникает хаотический аттрактор. Виды хаотических аттракторов различны. Некоторые типичные формы хаотических аттракторов, порождаемых отображением (3), представлены на фиг.9, причем каждая из фиг.9а-9г соответствует точке с той же буквой на фиг.8. Как видно из фиг.9, хаотические аттракторы могут располагаться в раздельных областях фазового пространства (фиг.9а и 9в), могут состоять из фракталоподобных зон (фиг.9б) либо заполнять все фазовое пространство динамической системы (фиг.9г). Последний случай наиболее интересен для способа по настоящему изобретению, т.к. он потенциально обеспечивает максимальные различия между нестабильными скелетными орбитами в N-мерном пространстве (где N – дискретный период цикла). Для сравнения на фиг.9г отмечены знаками соответственно ““, “+” и “х” три произвольных цикла периода N=10 для отображения Лози. Всего таких циклов для отображения Лози имеется 38, тогда как для отображения (3) их более 1000.

Важным моментом для реализации способа по настоящему изобретению является взаимное расположение циклов. Чем ближе друг к другу два цикла, тем хуже качество выделения информационных пакетов, помеченных такими циклами. Для оценки взаимного расположения циклов осуществлена следующая процедура.

Для произвольно выбранного ансамбля циклов периода N строилась матрица близости, элементами которой являются среднеквадратические значения

Здесь i и j меняются от 1 до М, М – полное число циклов в выбранном ансамбле, s меняется от 1 до N. На фиг.10 представлены результаты расчета для М=20 циклов периода N=10 в виде полутоновой диаграммы. Шкала справа отражает численные значения a_i,j в диапазоне [0, 3]. Верхняя диаграмма фиг.10 соответствует отображению Лози, а нижняя – отображению (3). Черные прямоугольники на этих диаграммах соответствуют наиболее близким циклам (на диагонали – самим себе). Для отображения Лози имеется несколько очень близких циклов, тогда как отображение (3) не имеет таких близких циклов, а расстояние между циклами по мере (4) более равномерно. Численная характеристика в виде среднего значения элемента матрицы для отображения Лози составляет 1,53, т.е. находится примерно посередине диапазона [0, 3] значений a_i,j, а для отображения (3) та же характеристика равна 2,43. Такие оценки типичны для выбранных параметров [a, b] и не меняются для иного ансамбля циклов.

При построении системы по фиг.1 или любой иной системы по настоящему изобретению осуществляют следующие шаги для создания хаотической динамической системы 9 (фиг.3). Сначала выбирают структуру этой хаотической динамической системы (шаг 12), т.е. задают или выбирают модель (уравнение) поведения этой системы. Затем определяют области хаотического поведения выбранной системы (шаг 13). Далее в этих областях осуществляют поиск неустойчивых скелетных орбит выбранной системы (шаг 14). В заключение составляют каталог таких неустойчивых скелетных орбит (шаг 15), т.е. определяют набор хаотических траекторий изображающей точки в фазовом пространстве этой динамической хаотической системы.

После этого (фиг.4) по составленному каталогу выбирают систему пар индивидуальных хаотических маркеров (шаг 16), причем ни в одной паре маркеры не повторяются. Один из возможных критериев отбора в качестве маркеров N периодических неустойчивых орбит заключается в оценке их взаимного расстояния в N-мерном сигнальном пространстве (см. пояснения к фиг.10) и выборе максимально отстоящих друг от друга циклов (фиг.10).

Далее каждую пару хаотических маркеров присваивают каждой паре пользователей данной системы многопользовательской связи (шаг 17). В результате каждая пара пользователей обладает своей неповторимой парой хаотических маркеров, которые, тем не менее, можно распознать в общем информационном потоке. При передаче информационного сообщения от какого-либо пользователя другому пользователю это сообщение разделяется на информационные пакеты произвольной длины (шаг 18) и параллельно генерируются первый и второй маркеры, присвоенные именно этой паре пользователей (шаг 19). В этом процессе участвуют блоки 3, 4, 6 и 9 на фиг.1. После этого каждый информационный пакет, на которые разделено упомянутое информационное сообщение от одного пользователя конкретной пары к другому пользователю той же пары, снабжаются указанными первым и вторым маркерами – в начале и в конце информационного пакета, соответственно (шаг 20). Это осуществляется блоками 7 и 8 на фиг.1. Помеченные таким образом (промаркированные) информационные пакеты первого информационного сообщения 1 (фиг.1) поступают в формирователь 10 асинхронного потока, где они смешиваются с промаркированными информационными пакетами второго информационного сообщения 2. В общем случае может быть любое число информационных сообщений от разных пользователей, входящих в разные пары, при этом информационные пакеты каждого информационного сообщения будут помечены индивидуальными первым и вторым хаотическими маркерами, выделенными для той пары пользователей, между которыми передается данное информационное сообщение. В результате формируется асинхронный поток промаркированных информационных пакетов (шаг 21), который и передается по каналу связи на приемную сторону системы многопользовательской связи. В этом асинхронном потоке данных могут быть и пустые интервалы, не заполненные информационными пакетами.

Структурная схема приемной стороны для выделения информационного сообщения в системе многопользовательской связи, в которой реализуется рассматриваемый способ, приведена на фиг.5 и 6. Схема на фиг.5 предназначена для выделения маркированных информационных пакетов из общего асинхронного потока без разделения этих пакетов по конкретным пользователям. Такая схема может использоваться в составе приемной стороны одного конкретного пользователя, которая представлена на фиг.6, но может быть и самостоятельной, если применяется двух-, трех- и более ступенчатая схема выделения информационных сообщений: например, сначала выделяются информационные сообщения для группы пользователей, а затем уже из выделенного информационного потока выделяются сообщения для каждого конкретного пользователя этой группы.

Выделение промаркированных (любыми хаотическими маркерами, используемыми в данной системе многопользовательской связи) информационных пакетов осуществляется в системе приемной стороны по фиг.5, содержащей хаотическую динамическую систему 22, представляющую собой копию хаотической динамической системы 9 на передающей стороне данной системы многопользовательской связи. Вход этой хаотической динамической системы 22 соединен с первым входом вычитателя 23, а выход хаотической динамической системы 22 подключен ко входу компаратора 24 и информационному входу определителя 25 маркеров. Выход компаратора 24 соединен с управляющим входом определителя 25 маркеров, первые и второе выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первых и вторых ключей 26 и 27. Число ключей 26 или 27 равно числу k пользователей данной приемной стороны. Информационные входы всех первых ключей 26 подключены к выходу вычитателя 23. Выход каждого первого ключа 26 соединен с информационным входом соответствующего второго ключа 27, выход которого подключен ко входу соответствующего формирователя 28 сообщений. В исходном положении все первые ключи 26 разомкнуты, а все вторые ключи 27 замкнуты.

Принимаемый общий асинхронный поток данных поступает на хаотическую динамическую систему 22 и на вычитатель 23. Хаотическая динамическая система 22 при поступлении на ее вход какого-либо информационного пакета с первым и вторым хаотическими маркерами генерирует на своем выходе те же самые хаотические маркеры. В результате вычитания поступившего сигнала и сигнала с выхода хаотической динамической системы 22 на выходе вычитателя 23 формируется поток, свободный от хаотических маркеров. Произведенные же хаотической динамической системой 22 маркеры поступают на компаратор 24, где они сравниваются с порогом для оценки соответствия входного маркера (цикла) с маркером, генерируемым динамической системой. Ошибка рассогласования сравнивается с некоторой пороговой величиной, при непревышении которой компаратор 24 выдает разрешающий сигнал о приходе орбиты, принадлежащей структуре выбранной динамической системы (т.е. одного из возможных маркеров). Решение же о том, какой именно маркер пришел, выполняется определителем 25 маркеров. Этот определитель 25 маркеров служит для выделения только тех маркеров, которые приписаны конкретным парам пользователям, один из которых является пользователем данной приемной стороны. При поступлении на него разрешающего сигнала с компаратора 24 этот определитель 25 маркеров сравнивает очередной маркер, поступающий на его информационный вход с хаотической динамической системы 22, с заранее запомненными маркерами, выделенными для пользователей данной приемной стороны. При совпадении очередного маркера с хаотической динамической системы 22 с одним из запомненных маркеров определитель 25 маркеров посылает управляющий сигнал на один из ключей 26 или 27 в зависимости, во-первых, от того, является ли данный маркер первым или вторым, а во-вторых, от того, кому из k пользователей предназначен помеченный им информационный пакет. Если это первый маркер информационного пакета для первого пользователя, управляющий сигнал с определителя 25 маркеров поступит на управляющий вход первого ключа 26.1, замыкая его и формируя тем самым тракт к формирователю 28.1 сообщений в выходном канале первого пользователя. После поступления на выход хаотической динамической системы 22 второго маркера этого информационного пакета определитель 25 маркеров выдаст управляющий сигнал на второй ключ 27.1. Тем самым тракт к формирователю 28.1 сообщений будет разорван и в формирователе 28.1 сообщений будет записан информационный пакет для первого пользователя. Если вслед за промаркированным информационным пакетом для первого пользователя данной приемной стороны на ее вход поступит промаркированный информационный пакет для другого, – например, второго – пользователя, все указанные операции произойдут точно так же с ключами 26.2 и 27.2 и формирователем 28.2 для этого второго пользователя. Пусть через несколько информационных пакетов на вход хаотической динамической системы 22 вновь поступит информационный пакет для первого пользователя. В результате в формирователе 28.1 сообщений для первого пользователя будет, вслед за уже принятым первым информационным пакетом, записан второй информационный пакет для первого пользователя. При приеме потока данных с информационными пакетами для разных пользователей данной приемной стороны информационные пакеты для i-го пользователя будут накапливаться таким же образом в его формирователе 28.i сообщений (1ik). Формирователи 28 сообщений могут иметь обратную стековую структуру (FIFO) для дискретной асинхронной записи информационных пакетов и последующего непрерывного считывания целого сообщения, которое на передающей стороне было разделено на эти информационные пакеты.

На фиг.7 представлена блок-схема алгоритма выделения сообщений на приемной стороне. На шаге 29 осуществляется обработка поступающего из канала связи потока данных в хаотической динамической системе 22. Выше говорилось, что эта хаотическая динамическая система может быть, в частности, копией хаотической динамической системы 6 передающей стороны (фиг.1). Однако эта хаотическая динамическая система 22 приемной стороны может иметь и иное выполнение, – важно лишь, чтобы она могла быть настроена на нужные маркеры. При этом в качестве самих маркеров можно использовать не только полные периодические траектории изображающей точки в фазовом пространстве поведения хаотической динамической системы 6, но и фрагменты этих траекторий.

При поступлении на вход приемной стороны некоторой совокупности входных отсчетов из канала связи хаотической динамической системой 22 осуществляется проверка, принят ли в виде этой совокупности маркер (шаг 30). В случае отрицательного ответа происходит возврат к шагу 29 для считывания следующего отсчета из канала связи и осуществления нового сравнения на шаге 30. Если же ответ положительный, то на следующем шаге 31 осуществляется проверка того, поступил ли “свой” маркер, т.е. маркер из числа тех, которые присвоены парам пользователей, хотя бы один из пользователей каждой из которых является пользователем данной приемной стороны. При отрицательном ответе производится возврат к шагу 29, а при положительном – переход к шагу 32, на котором определяется, какому из пользователей предназначен промаркированный данным маркером информационный пакет и каким из пары маркеров – первым или вторым – является данный маркер. Соответственно в двух следующих шагах 33 и 34 сначала замыкается первый ключ 26.i, а затем размыкается второй ключ 27.i в тракте i-го пользователя. Результатом этого (шаг 35) является пропускание информационного пакета для i-го пользователя в его формирователь 28.i, где из этих информационных пакетов формируется информационное сообщение для i-го пользователя (шаг 36).

Рассмотрим примеры использования хаотических маркеров для передачи различной информации.

Для апробации описанного способа асинхронной передачи данных были проведены эксперименты, демонстрирующие одновременную передачу звуковых сообщений между двумя парами абонентов. В этих экспериментах по одному и тому же физическому каналу одновременно передавались два музыкальных сигнала. Схема установки приведена на фиг.11.

В этой схеме аудиосигналы от двух разных источников 41 и 42 – кассетного магнитофона и проигрывателя компакт-дисков – подавались на передатчик 43, выполненный в соответствии с фиг.1, где они разделялись на информационные пакеты, маркировались и объединялись в общий информационный поток в соответствии с настоящим изобретением. Этот общий информационный поток передавался по каналу 44 связи на приемник 45, выполненный в соответствии с фиг.6, где сигналы от разных источников 41 и 42 разделялись в соответствии с настоящим изобретением и поступали на соответствующие воспроизводящие акустические системы 46 и 47. Передатчик и приемник установки были реализованы на базе сигнальных процессоров AD2181. Аналоговые аудиосигналы от источников 41 и 42 преобразовывались с помощью 16-битных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в цифровую форму, далее цифровые сигналы разбивались передатчиком 43 на пакеты и маркировались хаотическими маркерами. Затем пакеты выстраивали в общий поток, каждый 16-битный отсчет цифрового аудиосигнала или маркера преобразовывался в последовательность шестнадцати бинарных импульсов одинаковой амплитуды, и далее эта последовательность передавалась в канал 44 связи. В промежутках между пакетами в канал посылались произвольные фрагменты случайных бинарных последовательностей. Типичная структура асинхронного потока представлена на фиг.12.

Через канал 44 связи, который представлял собой кусок высокочастотного кабеля, передавался асинхронный поток информационных пакетов. Длина каждого пакета задавалась генератором случайных чисел и варьировалась в пределах от 30 до 300 16-битных отсчетов. Маркеры представляли собой неустойчивые циклы периода 5, принадлежащие хаотическому аттрактору отображения Лози (1) при значениях параметров =1,1; =0,85. Промежутки между пакетами в канале варьировались в пределах от 4 до 50 бинарных импульсов. АЦП оцифровывали звук с частотой около 6 кГц, и, таким образом, поток данных в канале имел скорость примерно 200 кбит/с.

Приемник 45 экспериментальной установки:

– производил свою синхронизацию относительно поступающих бинарных импульсов;

– производил преобразование потока двоичных данных в 16-битные отсчеты и осуществлял самосинхронизацию по хаотическим отсчетам маркеров;

– последовательно выявлял все головные (первые) или открывающие и хвостовые (вторые) или закрывающие маркеры пакетов, фиксировал их длину и положение в потоке данных;

– распределял, в соответствии с маркерами, пакеты между абонентами, формировал из них исходные сообщения, преобразовывал их с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) в аналоговую форму и воспроизводил с помощью аудиосистем 46 и 47.

Процедура обработки в приемнике выглядит следующим образом. Из входного битового потока выделяются последовательные посылки по 16 бит. Первая из них преобразуется в 16-битный целочисленный отсчет, который поступает на вход нелинейной динамической системы в качестве начального значения X_i. Получающийся в результате итерирования отсчет Х_i+1 сравнивается с величиной отсчета, построенного из второй 16-битовой посылки. Если эти отсчеты совпадают (или очень близки), это свидетельствует о возможном приходе последовательности отсчетов, порождаемой хаотической динамикой отображения Лози (т.е. возможно, принадлежащей одному из используемых циклов-кодов). Для дальнейшей проверки несколько раз производится сдвиг входной битовой последовательности на 16 бит, и повторяется процедура итерирования и сравнения. Получаемые в результате хаотические отсчеты сравниваются с заранее известными концевыми отсчетами открывающих циклов-кодов. При выявлении последнего отсчета цикла-кода определяется абонент-получатель данного пакета и фиксируется позиция во входной битовой последовательности, начиная с которой располагается соответствующий фрагмент сообщения. В случае несовпадения проитерированного и последующего входных (16-битовых) отсчетов во входной посылке производится сдвиг на один бит, и процедура повторяется. После обнаружения во входном потоке цикла, открывающего сообщение для одного из абонентов, приемник настраивается на поиск закрывающего цикла для этого абонента.

В результате извлечения из общего потока своих пакетов в специальных буферах формируются цифровые звуковые фрагменты, предназначенные каждому пользователю, которые впоследствии в режиме реального времени воспроизводятся акустическими системами 46 и 47.

Описанные эксперименты продемонстрировали высокое качество передачи информации, а измерения показали отсутствие “потерь” пакетов при обработке в передатчике и приемнике. На фиг.13 приведены результаты передачи двух аналоговых сигналов по общему физическому (кабельному) каналу с использованием асинхронного пакетного потока. Фрагменты двух различных аналоговых сигналов передаются по индивидуальным виртуальным каналам А-А’ и В-В’ практически без искажений. Качество звуковых треков, воспроизводимых акустическими системами 46 и 47 на приемном конце также практически не отличалось от исходного.

Еще одной возможной областью применения хаотических маркеров является пакетная передача различных структур данных по информационным сетям. В этом случае общий информационный поток представляет собой асинхронную совокупность пакетов данных (текстов, таблиц, рисунков и т.д.), предназначенных различным пользователям.

Указанная возможность продемонстрирована на примере передачи графической информации (графических файлов).

В качестве исходных графических объектов выбраны три произвольные изображения формата.bmp, предназначенные для передачи по общему каналу трем различным абонентам. На первом этапе из графического двумерного изображения формировалась длинная битовая строка, содержащая также информацию о размерах и палитре изображения. Строки изображений разрезали на битовые последовательности произвольной длины (“фрагменты”). В данной реализации возможная длина фрагментов варьировалась случайным образом от 50 до 5000 бит с равномерным распределением.

Из указанных фрагментов изображений были сформированы информационные пакеты. Каждой паре передатчик-приемник был поставлен в соответствие набор из двух уникальных циклов-идентификаторов. Как и при передаче звука, в качестве маркеров были использованы различные пятитактные циклы-коды отображения Лози (2). Для обеспечения процедуры маркировки хаотические отсчеты, из которых состоят циклы-коды, переводятся в битовые посылки (В данном случае каждый отсчет цикла представляется двухбайтовым словом, т.е. 16 битами). Один из двух циклов-идентификаторов (первый) ставится в начало пакета (“открывающий” цикл), а другой (второй) – в его конец (“закрывающий” цикл). Между ними располагается битовый фрагмент изображения. Промаркированные пакеты последовательно поступают на вход передатчика.

Передатчик (формирователь асинхронного потока) формирует общую суммарную битовую последовательность, в произвольном порядке запуская в физический канал связи пакеты, предназначенные разным пользователям. При отсутствии на входе передатчика информационных пакетов в поток посылается случайная бинарная последовательность, т.е. в асинхронном потоке информационные пакеты перемежаются кусками бинарного шума произвольной длины (не принадлежащими ни одному из абонентов). В численном эксперименте суммарная длина “чужих” битовых посылок составляет 5-10% от общей длины асинхронного битового потока.

На вход приемника поступает общая битовая строка, содержащая случайным образом перемешанные пакеты битовых посылок. Задача приемника заключается в извлечении из общего потока своих пакетов и сборка из них сообщений, представляющих соответствующее изображения. Процедура извлечения индивидуальных “своих” пакетов осуществляется аналогично тому, как это было в случае экспериментов по передаче речи, и состоит в последовательном формировании 16-битовых отсчетов, их итерировании, последующем сравнении и, если это необходимо, сдвиге входной последовательности на один бит.

Эксперименты по асинхронной пакетной передаче проводились в два этапа. Предварительно на первом этапе было осуществлено компьютерное симулирование предложенных алгоритмов с целью оценки эффективности предложенных алгоритмов.

Как показал анализ, основное время при выделении сообщений на приемной стороне затрачивается на проверку побитового сдвига во время обработки каждого информационного пакета. С целью увеличения скорости обработки асинхронного потока при его формирования реализована процедура “выравнивания” размеров информационных фрагментов, заключающаяся в том, что не только длина циклов-идентификаторов, но и общая длина всех пакетов выбиралась кратной 16 битам. За счет этого проверки на поиск первого отсчета головного цикла существенно ускорялись, так как вместо побитового сдвига во входном потоке нужно производить сдвиг сразу на 16 бит. При этом эффективность (скорость) обработки одних и тех же сообщений (графических объектов) увеличивается соответственно ˜ в 16 раз.

В проводимых экспериментах объем передаваемой графической информации для трех различных графических фрагментов составлял ˜ 1,5 Мбит. В качестве различных графических фрагментов были выбраны тестовые графические образы пакета MATLAB. Промежуточные неинформационные куски составляли величину ˜10% общего объема передаваемой информации.

На фиг.14 приведены результаты, демонстрирующие асинхронную передачу графических файлов, предназначенных трем различным абонентам. На фиг.14а изображены исходные графические объекты. Фиг.14б соответствует структуре общего потока промаркированных пакетов с относительно крупной “нарезкой” индивидуальных фрагментов – от 400 до 10000 байт каждый. Как видно на этом чертеже, в структуре проглядываются отдельные фрагменты исходных картинок. В промежутках между ними находятся “пустые” неинформационные куски различной длины, а также “открывающие” и “закрывающие” хаотические маркеры.

Фиг.14в представляет структуру общего потока, но с более “мелкой” нарезкой. Длина индивидуальных пакетов в этом случае варьировалась случайным образом от 40 до 1000 байт. Принадлежность этих фрагментов какому-либо из трех исходных графических объектов не просматривается. В этом случае можно говорить об определенной степени конфиденциальности передачи. Условием правильного извлечения на приемном конце является точное знание вида хаотической динамической системы, ее параметров, а также индивидуальных хаотических открывающего (начального, первого) и закрывающего (конечного, второго) маркеров.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может применяться при разработке новых и совершенствовании существующих систем многопользовательской связи.

Хотя настоящее изобретение описано в конкретном выполнении, следует понимать, что возможны различные модификации, изменения и адаптации без отхода от сущности и объема изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Способ передачи сообщений в системе многопользовательской связи, заключающийся в том, что заранее выбирают хаотическую динамическую систему с набором хаотических траекторий изображающей точки в фазовом пространстве этой динамической хаотической системы; заранее присваивают пользователям упомянутой системы многопользовательской связи по меньшей мере фрагменты упомянутых хаотических траекторий в качестве маркеров, причем каждой паре упомянутых пользователей присваивают по меньшей мере первый и второй уникальные маркеры в виде по меньшей мере неповторяющихся фрагментов упомянутых хаотических траекторий; на передающей стороне упомянутой системы многопользовательской связи принимают от упомянутых пользователей информационные сообщения и разделяют каждое информационное сообщение от одного пользователя конкретной пары к другому пользователю той же пары на информационные пакеты произвольной длины; помечают с помощью упомянутой хаотической динамической системы начало и конец каждого из упомянутых информационных пакетов, отправляемых от одного пользователя упомянутой конкретной пары к другому пользователю той же пары, упомянутыми соответственно первым и вторым маркерами, присвоенными этой паре пользователей; объединяют помеченные упомянутыми маркерами информационные пакеты в общий поток и передают этот общий поток к приемной стороне упомянутой системы многопользовательской связи; на приемной стороне упомянутой системы многопользовательской связи снабжают каждого из упомянутых пользователей нелинейной динамической системой, настроенной на совокупность множества хаотических траекторий, включающую в себя только те хаотические траектории, которые в качестве упомянутых маркеров присвоены всем парам пользователей, куда входит данный пользователь; пропускают принимаемый общий поток через каждую такую динамическую систему и с ее помощью выделяют из него фрагменты, соответствующие упомянутым маркерам; выделяют из упомянутого общего потока с помощью упомянутой динамической системы конкретного пользователя информационные пакеты, заключенные между первым и вторым уникальными маркерами, присвоенными конкретной паре пользователей, в которую входит упомянутый конкретный пользователь; выстраивают последовательно информационные пакеты, выделенные по одной и той же паре упомянутых маркеров, благодаря чему осуществляют выделение информационных сообщений, предназначенных конкретному пользователю.

2. Способ по п.1, в котором для настройки упомянутой хаотической динамической системы на конкретные, по меньшей мере, фрагменты хаотических траекторий используют заранее заданный набор параметров, характеризующих динамику упомянутой хаотической динамической системы.

3. Способ по п.1, в котором для настройки упомянутой хаотической динамической системы на конкретные, по меньшей мере, фрагменты хаотических траекторий используют заранее заданный тип упомянутой хаотической динамической системы.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором в упомянутый общий поток объединяют помеченные маркерами информационные пакеты от по меньшей мере одного пользователя к по меньшей мере одному другому пользователю.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором в упомянутый общий поток объединяют помеченные маркерами информационные пакеты из по меньшей мере одного информационного сообщения.

6. Способ по п.1, в котором после выделения из упомянутого общего потока фрагментов, соответствующих упомянутым маркерам, выделяют из упомянутого общего потока с помощью нелинейной динамической системы конкретной группы пользователей информационные пакеты, предназначенные для данной группы пользователей, после чего выделяют с помощью нелинейной динамической системы конкретного пользователя предназначенные ему информационные пакеты из группового общего потока, выделенного для данной группы пользователей.

РИСУНКИ