Алгоритми та імітаційна модель підсистеми синхронізації системи завадостійкого інформаційного обміну на основі перестановок
Анотація
У сучасних системах передавання даних однією з ключових задач є забезпечення надійності комунікації в умовах завад. Це є особливо актуальним для каналів із високою ймовірністю бітових помилок, зокрема, для каналів радіозв’язку з інтенсивними природними чи штучними шумами, що обмежує використання традиційних методів корекції помилок. Метою цієї роботи була розробка алгоритмів інформаційного обміну кодовими словами нероздільного факторіального коду, що передбачає представлення кодових слів у вигляді перестановок, симплексним двійковим симетричним каналом зв’язку з високою імовірністю бітової помилки. Для побудови цих алгоритмів за основу взято метод циклової синхронізації нероздільного факторіального коду, який використовує мажоритарну та кореляційну обробку прийнятих з каналу зв’язку фрагментів. Досліджено методи та алгоритми завадостійкого передавання перестановок у каналах зв’язку з високою ймовірністю бітової помилки. Розроблено загальну схему протоколу організації симплексного інформаційного обміну. Запропоновано алгоритм детектування хибних синхронізацій для умов високого рівня шуму в каналі зв’язку. Досліджено ефективність протоколу синхронізації кодових слів факторіального коду, виявлено та представлено переваги використаного підходу. Розроблено імітаційну модель системи інформаційного обміну симплексним двійковим симетричним каналом зв’язку та можливістю задання значення бітової помилки в ньому. Наведено структуру імітаційної моделі та алгоритми роботи її складових блоків. Виконано розрахунок параметрів синхронізації для ймовірності бітової помилки 0,4, представлено результати моделювання за 10 000 випробувань, що дозволило експериментальним шляхом визначити параметри алгоритму синхронізації. Виконано імітаційне моделювання та отримано оцінку точності визначення меж блоків синхронізації за ймовірності бітової помилки в діапазоні від 0,1 до 0,4. Запропоновано підхід, що дозволяє зменшити похибку під час визначення меж перестановок. Отримані результати свідчать про ефективність запропонованих рішень, узгодженість теоретичних і практичних показників роботи підсистеми синхронізації, а також про можливість використання розроблених алгоритмів для реалізації трьохетапного криптографічного протоколу на основі перестановок
Ключові слова
симплексний двійковий симетричний канал; факторіальне кодування; статистика; протокол; шум
Використані джерела
[1] Ahmad, I., Shahabuddin, S., Kumar, T., Okwuibe, J., Gurtov, A., & Ylianttila, M. (2019). Security for 5G and beyond. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 21(4), 3682-3722. doi: 10.1109/COMST.2019.2916180.
[2] Anand Kumar, V., & Nandalal, V. (2024). A comparative design of 5G communication codes. International Journal of Communication Systems, 37(18), article number e5954. doi: 10.1002/dac.5954.
[3] Boiko, J., Pyatin, I., Eromenko, O., & Shayuk, D. (2022). Estimation of the effect of carrier frequency offset on the noise immunity of telecommunications with OFDM. Measuring and Computing Devices in Technological Processes, 3, 19-26. doi: 10.31891/2219-9365-2022-71-3-3.
[4] Chen, H., Aminian, G., & Bu, Y. (2024). An algorithm for computing the capacity of symmetrized KL information for discrete channels. In 60th annual Allerton conference on communication, control, and computing (pp. 1-8). Urbana: IEEE. doi: 10.1109/Allerton63246.2024.10735330.
[5] Cotrim, J.R., & Kleinschmidt, J.H. (2020). LoRaWAN mesh networks: A review and classification of multihop communication. Sensors, 20(15), article number 4273. doi: 10.3390/s20154273.
[6] Da Silva, J.C., Flor, D.D.L., de Sousa Junior, V.A., Bezerra, N.S., & de Medeiros, A.A.M. (2021). A survey of LoRaWAN simulation tools in ns-3. Journal of Communication and Information Systems, 36(1), 17-30. doi: 10.14209/ jcis.2021.2.
[7] Faure, E., Baikenov, A., Skutskyi, A., Faure, D., & Abramkina, O. (2024). Algorithms for reliable permutation transmission protocols in noisy communication channels. In Cybersecurity providing in information and telecommunication systems II (pp. 40-48). Kyiv: CPITS.
[8] Faure, E., Shcherba, A., Makhynko, M., Stupka, B., Nikodem, J., & Shevchuk, R. (2022). Permutation-based block code for short packet communication systems. Sensors, 22(14), article number 5391. doi: 10.3390/s22145391.
[9] Feng, C., Wang, H.-M., & Poor, H.V. (2021). Reliable and secure short-packet communications. IEEE Transactions on Wireless Communications, 21(3), 1913-1926. doi: 10.1109/TWC.2021.3108042.
[10] Gao, M., & Shum, K.W. (2024). Efficient encoding and decoding algorithm for a class of perfect single-deletion-correcting permutation codes. ArXiv. doi: 10.48550/arXiv.2411.08258.
[11] Ho, C.D., Nguyen, T.-V., Huynh-The, Th., Nguyen, T.-T., da Costa, D.B., & An, B. (2021). Short-packet communications in wireless-powered cognitive IoT networks: Performance analysis and deep learning evaluation. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 70(3), 2894-2899. doi: 10.1109/TVT.2021.3061157.
[12] Jahangeer, A., Bazai, S.U., Aslam, S., Marjan, S., Anas, M., & Hashemi, S.H. (2023). A review on the security of IoT networks: From network layer’s perspective. IEEE Access, 11, 71073-71087. doi: 10.1109/ ACCESS.2023.3246180.
[13] Lee, H., & Ko, Y.-C. (2021). Physical layer enhancements for ultra-reliable low-latency communications in 5G new radio systems. IEEE Communications Standards Magazine, 5(4), 112-122. doi: 10.1109/MCOMSTD.0001.2100002.
[14] Li, Y., Huynh, D.V., Do-Duy, T., Garcia-Palacios, E., & Duong, T.Q. (2022). Unmanned aerial vehicle-aided edge networks with ultra-reliable low-latency communications: A digital twin approach. IET Signal Processing, 16(8), 897-908. doi: 10.1049/sil2.12128.
[15] Stupka, B. (2024). Methods of reliable information transmission in systems with non-separable factorial coding of data with a high probability of bit error. (PhD tesis, Cherkasy State Technological University, Cherkasy, Ukraine).
[16] Sun, Y., Li, H., Guo, C., & Wang, D. (2021). A 5G-oriented LDPC encoder based on byte-parallel configurable cyclic shift. In 13th international conference on communication software and networks (ICCSN) (pp. 17-23). Chongqing: IEEE. doi: 10.1109/ICCSN52437.2021.9463607.
[17] Ta, H.Q., Pham, Q.-V., Ho-Van, K., & Kim, S.W. (2022). Covert communication with noise and channel uncertainties. Wireless Networks, 28(1), 161-172. doi: 10.1007/s11276-021-02828-3.
[18] Valentine, D.T., & Hahn, B.H. (2022). Essential MATLAB for engineers and scientists (8th ed.). Cambridge: Academic Press. doi: 10.1016/C2021-0-01607-2.
[19] Vlasenko, V., Shchavinskyi, Yu., Zaporozhchenko, M., & Tyshchenko, V. (2023). Analysis of technologies for building a data transmission network with high requirements for information security, reliability and delay. Connectivity, 163(3), 8-15. doi: 10.31673/2412-9070.2023.032030.
[20] Yang, Y., & Hanzo, L. (2023). Permutation-based short-packet transmissions improve secure URLLCs in the Internet of things. IEEE Internet of Things Journal, 10(12), 11024-11037. doi: 10.1109/JIOT.2023.3243038.