автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Повышение эффективности АСДУ ЭЭС на основе оптимизации методов помехоустойчивого кодирования информации

ч*, -О

На правах рукописи

УДК: 621.39

БЕРЕЖНОЙ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСДУ ЭЭС НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ.

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях ( энергетика).

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Российская Академия наук

Сибирское отделение Институт систем энергетики им. академика Л.А.Мелентьева

Иркутск 1998

Работа выполнена в Институте систем энергетики

им. JI. А. Мелентьева СО РАН.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.З.Гамм'

доктор технических наук, В .В.Новорусский

кандидат технических наук, доцент, С.Б.Жиронкин

Ведущая организация:

АО Сибирский институт Энергосетьпроект, г.Новосибирск

Защита диссертации состоится «1 1998 года

В IS часов на заседании специализированного

Совета Д 002.30.01 при Институте систем- энергетики СО РАН по адресу:

664033 ,г. Иркутск , ул. Лермонтова , 130 , ИСЭ .

Отзывы и замечания в двух экземплярах , заверенные печатью , просим направлять по указанному адресу на имя ученного секретаря Совета .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Систем Энергетики СО РАН .

Автореферат разослан «2>0» о/р^А^А 1998 года.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 002.30.01 , доктор

технических наук * А. М. Клер

В настоящее время автоматизированные системы диспетчерского управления электроэнергетическими системами (АСДУ ЭЭС ) стали неотъемлемой частью управления производством и распределением электроэнергии . Усложнение процесса производства электроэнергии предъявляет повышенные требования к системам связи и обработки информации , по скорости и надежности в первую очередь ,

Существующие программно - аппаратные средства АСДУ уже не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям , особенно по стойкости от несанкционированных действий (НСД) и помехоустойчивости .

Одним из путей повышения надежности передачи , хранения и обработки информации является применение методов помехоустойчивого кодирования, основной смысл которых - это введение в информацию целенаправленно организованной избыточности , позволяющей не только обнаруживать , но и исправлять возникающие ошибки .

Предложенные в работе для АСДУ ЭЭС коды Рида -Соломона ( РС - коды) обладают рядом следующих преимуществ по сравнению с другими классами кодов :

- максимально достижимое кодовое расстояние, го есть способность исправлять максимально возможное количество ошибок при фиксированной избыточности;

- многоосновность;

- возможность исправлять как одиночные , так и пакеты ошибок;

- применение ключевых параметров для увеличения структурной скрытности передаваемых сообщений и уменьшения вероятности несанкционированных действий обслуживающего персонала ;

- возможность определения величины и позиции ошибки в процессе декодирования принятых сообщений .

Стремительное развитие средств вычислительной техники (СВТ) позволяет в настоящее время эффективно применять те методы передачи и обработки, информации , которые еще недавно оставались невостребованными из-за их сложной аппаратной реализации . Необходимо отметить , что программная реализация имеет ряд существенных преимуществ :

- отпадает необходимость строить оригинальные устройства передачи и обработки сообщений для каждого вида информационных сетей;

ч

- по мере разработки более эффективных методов обработки информации достаточно будет заменить программное обеспечение.

Целью работы является :

1 . Определение критериев оценки эффективности средств передачи, приема и обработки сообщений в АСДУ ЭЭС и постановка задачи их моделирования.

2 . Анализ возможных методов повышения достоверности информации в вычислительных сетях АСДУ ЭЭС на базе центральных приемно - передающих станций (ЦППС ) .

3 . Апробация помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок для повышения эффективности работы информационно - управляющей системы АИСТ, телекомплекса ГРАНИТ и управляющих вычислительных телемеханических комплексов (УВТК ).

4 . Оценка возможности введения элементов криптографии с целью предотвращения несанкционированных действий.

5 . Обоснование рекомендаций по обмену информацией в АСДУ ЭЭС на основе многоуровневой телеинформационно -управляющей системы (МТИУС), включающей в себя систему передачи оперативных данных (СПОД) и диспетчерские информационно - управляющие системы ( ДИУС) на каждом уровне диспетчерского управления (ДУ). ,

Научная новизна работы. Получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты :

- обоснованы требования к надежности информации в АСДУ ЭЭС с учетом новых возможностей помехоустойчивой передачи информации;

- применено помехоустойчивое кодирование с исправлением ошибок для повышения эффективности работы сети передачи данных АСДУ ЭЭС;

- возможность оценки состояния канала и аппаратуры связи с помощью цифрового кодирования;

- адаптация систем передачи информации (СПИ) энергосистем к динамично меняющейся помеховой обстановке на основе оперативного изменения корректирующей способности кода;

- применение криптографических методов в работе АСДУ ЭЭС с целью предотвращения несанкционированных действий обслуживающего персонала и построения помехоустойчивой, криптозащищенной системы передачи информации .

Практическая ценность работы заключается в разработке методов и способов повышения эффективности работы АСДУ ЭЭС

путем применения кодов Рида - Соломона и использовании криптографических методов при передаче информации по открытым каналам связи энергосистем. Разработан пакет программ, позволяющих моделировать различные этапы передачи, приема, обработки информации; имитировать воздействие помех на управляющие комплексы энергосистем.

Апробация работы . Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на трех ежегодных конференциях научной молодежи СЭИ, программные комплексы 'SHtFR' и 'PRIOR' использованы в работе ТОО 'Вента и К' (г.Иркутск) и АО 'ЭЛЬФ' (г.Москва).

Публикации . Основные научные и практические результаты диссертации отражены в оЭмои пеютнои poSorne одном авторском свидетельстве, двух отчётах по ffiiR

Структура работы . Диссертация состоит из введения , четырех глав, заключения , списка литературы, списка часто встречающихся сокращений и содержит 132. страницы машинописного текста, Ц рисунка. , 3 таблиц, 104 наименовани я библиографии.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы , сформулированы цели и задачи исследований , приведены новые научные результаты и основные положения диссертационной работы ,

В первой главе даны общая оценка состояния вопроса о задачах информационного обеспечения АСДУ ЭЭС и возможных способах их решения .

Управление энергосистемами требует передачи большого числа контрольных параметров. Обработка их существующими средствами может оказаться весьма затруднительной. Аппаратная обработка данных в некоторых случаях просто невозможна из - за того , что взаимные зависимости параметров настолько сложные , что попытка их

обработки аппаратными средствами приведет к необоснованному усложнению устройств обработки и , как следствие, снижению надежности и эффективности их работы . Обработка информации в АСДУ ЭЭС с помощью универсальных ЭВМ или с помощью управляющих вычислительных комплексов (УВК), построенных на их основе, позволяет контролировать работу энергосистем в реальном масштабе времени. Учитывая возможности комплексов технических средств (КТС), находящихся на каждом уровне АСДУ ЭЭС, и пропускную способность их вычислительных

о

устройств (ВУ) можно рассчитать минимальную конфигурацию средств вычислительной техники (СВТ), необходимую для обработки информации в заданный промежуток времени на диспетчерских пунктах (ДП) энергосистем.

Во второй главе показано, что для улучшения работы АСДУ ЭЭС может быть применено помехоустойчивое кодирование ,

Помехоустойчивые коды можно разделить на две группы :

- коды с обнаружением ошибок;

- коды с обнаружением и исправлением ошибок . Применение кодов, обнаруживающих ошибки , предполагает проверку на приемной стороне принятого сообщения на наличие в нем ошибок. Если таковые обнаружены, то принимается решение о повторной передаче до тех пор, пока передаваемое сообщение не будет принято без ошибок . Такой подход уже не удовлетворяет требованиям по надежности и скорости обработки информации .

Иное дело коды с обнаружением и исправлением ошибок . Данные коды в состоянии восстановить сбойное сообщение , если количество ошибок не превышает допустимый уровень .

Существующие в настоящее время и проектируемые сети и системы передачи данных АСДУ ЭЭС должны обеспечивать одновременной связью большое число объектов , произвольно расположенных на обширной территории . Это приводит к тому, что условия помеховой обстановки на обьектах энергосистем меняются очень динамично и в широких пределах . В связи с этим важное значение приобретают вопросы адаптации приемных устройств . И если на уровне физического канала этот вопрос исследован довольно широко , го применительно к уровню канала передачи данных вопросы адаптации к помеховой обстановке рассмотрены недостаточно ,

Причин здесь несколько . Во-первых, исторически сложилось , что алгебраические методы декодирования, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки , в отечественных образцах серийно выпускаемой аппаратуры практически не используются . Во-вторых, недостаточная степень разработки алгоритмов кодирования - декодирования помехоустойчивых кодов приводит к существенному сужению спектра их возможных применений . В-третьих, традиционный подход к практической реализации довольно сложных элементов кодека в аппаратной реализации не позволяет в полном объеме рассмотреть задачу адаптации кодека к условиям помеховой обстановки .

Проведенный анализ показывает, что имеющиеся кодеки алгебраических циклических кодов выполнены , как правило, в жестком неперестраиваемом виде, например телемеханический комплекс Гранит, МКТ-3 и другие. Иными словами, на этапе проектирования системы связи , исходя из необходимости обеспечения требуемой достоверности передачи сообщений , определяется значение относительной скорости кодирования

Я= к / п,

где к - число информационных символов в кодовом слове длины п. В то же время диапазон изменения уровня помех на входе приемного устройства может достичь нескольких десятков децибелл . К тому же пиковые значения помеховой обстановки занимают небольшую часть общего времени работы системы связи. В связи с этим решение задачи адаптации к помеховой обстановке по значению К позволяет в существенной мере повысить эффективность его использования, Это особенно важно применительно к радиосистемам , в которых энергетические и частотные ресурсы весьма ограничены . Представленные в работе расчеты показывают, что адаптация к помеховой обстановке может привести к изменению скорости кодирования на 46 % . А значит в такой же мере изменится величина требуемой энергетической избыточности. Реализация данного подхода к повышению эффективности функционирования различных систем, использующих помехоустойчивое кодирование, возможно на основе программно - аппаратного принципа построения кодеков , а также создания программных средств их реализации , доступных пользователю . Это позволит использовать кодек в динамическом режиме изменения исходных параметров кода .

Анализ показывает, что 'смесь' тучных задач занимает у ЭВМ в 5000 раз меньше времени, чем просто умножение матриц. И это при всём том, что эта операция занимает большой объём оперативной памяти. К тому же такие задачи, как поиск обратной или транспонированной матриц ( наиболее часто встречающиеся задачи), требуют нескольких операций простого перемножения матриц и действий в полях Галуа (ОБ).

Отсюда можно сделать вывод о том, что для получения высокоскоростных помехоустойчивых систем передачи информации следует отказаться от систем, где используются операции с матрицами.

§

Однако, как видно из рис.1, при использовании кода РС, исправляющего одиночные ошибки, наиболее предпочтительным оказывается алгоритм Питерсона- Горенстейна- Цирлера (ПГЦ), основанный на операциях с матрицами. В данном случае задача преобразования матриц трансформируется в задачу нахождения обратного элемента поля, который, в свою очередь, может быть вычислен заранее для каждого элемента поля и помещен в запоминающее устройство. Более того, разработка новых алгоритмов математических преобразований, например, нахождение наибольшего общего делителя (НОД), может внести коррективы в относительное расположение кривых, показывающих относительную вычислительную сложность алгоритмов декодирования кодов РС.

Программно - аппаратный способ реализации декодера РС -кодов применительно к алгоритму Берлекэмпа - Месси декодирования во временной области позволяет снизить его вычислительную сложность до величины, определяемой соотношением:

п = 3* 2 * N

В условиях возрастающей плотности использования частотного диапазона порой трудно избежать влияния мощных взаимных помех. При этом обеспечение многостанционного доступа лишь на основе частотного или временного разделения каналов не всегда удовлетворяет требуемой эффективности функционирования сети . Здесь важной является задача своевременного обнаружения на входе премного устройства мощной взаимной помехи . Некоторое продвижение в решении этой задачи позволит кодовое разделение на уровне канала передачи данных, т, е. использование в различных каналах кодеков помехоустойчивых кодов с различными начальными параметрами кодовой конструкции. Анализ литературы показывает, что в данной постановке в известных источниках задача не ставилась.

Применение РС - кодов позволяет решить эту проблему. Для задания кода Рида - Соломона необходимо задать ряд ключевых параметров:

а - примитивный элемент;

N - длина кода;

Т - исправляющая способность кода;

I - произвольное натуральное число .

Вычнслител, Сложность

Алгоритмы:

1. ПГЦ;

2.БМ;

3. Е.

I 1 ? ^ £ и!пряв!

способность

Рис. 1.

I ь/

Как показывают исследования, использование других ключевых параметров при декодировании приведет к ошибке. Таким образом, использование РС - кодов позволяет установить приоритетность информации в АСДУ ЭЭС и защитить ее от несанкционированного доступа (рис.2).

Использование канала обратной связи (КОС) в течение длительного времени считалось эффективным способом повышения достоверности передаваемой информации. Как показывают проведенные исследования снижение вероятности одиночной ошибки с 10~5 до 10"4 приводит к уменьшению вероятности правильного приема сообщения до 92%. Использование КОС позволяет повысить значение этой вероятности до и 99%. Но при резком ухудшении помеховой обстановки эффективность КОС резко снижается. Это происходит еще и потому, что КОС также подвержен воздействию внешних помех. Использование кода РС позволяет оперативно изменять корректирующую способность кода. Модель помехоустойчивой АСДУ ЭЭС предполагает использование кодов РС для передаваемой информации от внешних помех и адаптации системы к меняющейся помеховой обстановке.

В третьей главе рассмотрены вопросы функционирования АСДУ ЭЭС в системах связи с коммутацией пакетов . Такие системы находят все большее применение из - за удобства их использования в общем случае . Естественно, все перспективные системы связи , а также аппаратные средства проектируются и создаются именно под такие системы .

Подобная тенденция связана с постоянным расширением области применения автоматической обработки информации в АСДУ ЭЭС. Разбиение информации на пакеты одинаковой длины позволяет использовать одни и те же каналы связи для работы несовместимых аппаратно систем связи. С помощью пакетной связи может быть решена задача обработки аппаратными средствами различных видов сообщений, упакованных в стандартные пакеты. Правильная организация связи в пакетном режиме позволяет получить существенный эффект. В обычных системах нагрузка в сети не может превышать 18% от общего времени. Используя специальную систему запросов это значение можно увеличить до 80%. Современные технические средства АСДУ ЭЭС позволяют свести аппаратное усложнение при этом к минимуму.

Применительно к спутниковым система передачи информации, недорогие приёмные устройства, могут обеспечить

1 1

Приоритетное кодирование. ( а,; Т, )( а2; ]3; Т, )...( Т„ )

Нет

т2

К Рис.2.

1С

приемлемое затухание сигнала в 97% общего времени вещания. Данный канал связи не может быть основным исходя из критерия надёжности, но по экономическим показателям вполне может быть использован для передачи вспомагательной информации или быть использован в качестве резервной или дублирующей АСДУ ЭЭС.

В четвертой главе рассмотрены вопросы защиты информации от несанкционированного доступа . Это может быть достигнуто с помощью различных криптографических методов. Одним из них является шифрование с помощью " открытого ключа ". Особенность метода заключается в том, что шифрование и дешифрование производится по разным ключам. Причем любой абонент сети может передать сообщение, но лишь истинный получатель сообщения может успешно его дешифровать . Вместе с тем данный метод позволяет решить обратную задачу: установить подлинность полученного сообщения . « Трёхэтапный протокол Шамира » позволяет распространять ключи шифрования по открытым каналам связи. Это позволит в принципе изменять ключевые параметры кода с каждой передачей информации. Кроме того, такой подход к распространению ключей существенно уменьшает время доведения ключей до всех пользователей и значительно уменьшает вероятность компрометации ключевых данных, так как позволяет доводить данные пользователю непосредственно перед сеансом связи.

На рис.3 показан алгоритм 'трехэтапного протокола Шамира'.

В закрытых системах связи предлагается использование рандомизации сообщений. Рандомизация позволяет тем или иным путем добиться того, что на выходе шифрующего устройства все символы будут встречаться одинаковое число раз, что существенно затрудняет статистический криптоанализ сообщений. В предлагаемом варианте избыточность вводится в виде расширения мощности алфавита. Каждому символу используемого алфавита отводится несколько числовых значений, количество которых определяется частостью появления данного символа в сообщениях. В результате этого в передаваемом сообщении один и тог же символ алфавита принимает различные значения. В конечном итоге можно добиться того, что все символы передаваемого сообщения будут встречаться не более одного раза. Это является существенным при решении задачи 'закрытой' передачи информации. Введение рандомизации позволяет получить хорошие криптозащшценные системы, используя относительно несложные шифры .

Трёхэтапный протокол Шамира.

( х ) => А Y, = В Y2 = А -> Y3 =

А ZA В ZB EZA( X ) В EZB( EZA( X ) ) А EZb( X ) -» В => ( X )

Рис.. 3

I ч

К настоящему времени разработано большое количество различных способов защиты информации. Так как речь идет о важной информации, то на первом месте здесь выступает критерий поддержания должного уровня конфеденциальности. Как показывают проведенные исследования для решения комплексной задачи защиты информации от несанкционированного доступа достаточно синтезировать несколько относительно простых методов криптозащиты. Причем реализовать данные методы достаточно в объеме, который можно осуществить с помощью универсальных вычислительных устройств, которые уже имеются на различных обьектах энергосистем.

Основные результаты работы:

1. Указаны и обоснованы перспективные направления развития АСДУ ЭЭС.

2 . Обоснована необходимость введения в состав аппаратуры АСДУ ЭЭС устройств для помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок.

3 . Проведен анализ методов защиты информации от внешних помех и показана предпочтительность применения РС - кодов для решения задачи повышения эффективности работы информационных сетей.

4 . Раскрыты дополнительные возможности РС - кодов , позволяющие существенно расширить диапазон задач , решаемых этими кодами.

5 . Показана возможность путем синтеза РС - кодов с криптографическими методами получить высоконадежную систему передачи данных , защищенную как от воздействия

внешних помех, так и от несанкционированного доступа .

б. Разработан пакет программ, позволяющих моделировать процессы кодирования-декодирования информации, имитировать воздействие помех на сообщение и корректировать возникающие в них ошибки.

ПУБЛИКАЦИИ.

Бережной И.В. Методы обеспечения достоверности данных при передачи по каналам связи в АСДУ ЭЭС . // Материалы XXV конференции научной молодежи Сибирского энергетического института СО РАН , Иркутск, депонировано в ВИНИТИ 21.07.95., № 2262-В95.

61 ■ М-5/1в6Ъ-Ч

Российская Академия наук

Сибирское отделение Институт систем энергетики им. академика Л.А.Мелентьева

На правах рукописи

УДК: 621.39

БЕРЕЖНОЙ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСДУ ЭЭС НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ МЕТОДОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ.

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях ( энергетика) .

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, А. 3. Гамм

Иркутск

1998

- 2-Оглавление.

стр.

Введение............................................................................................................................................А

I .Задачи, решаемые при проектировании и построении сети АСДУ ЭЭС........................................................................П

1.1. Характеристики систем передачи информации...... I'

1.2. Пропускная способность вычислительных устройств АСДУ ЭЭС........................................................................... 18

1.3. Новые функции АСДУ ЭЭС....................................... 26

1.4.»Исследование систем передачи информации с помощью ЭВМ...................................................................... 23

1.5. Технические средства АСДУ ЭЭС............................ 33

II. Кодирование информации в АСДУ ЭЭС.................. ^

2.1. Требования МЭК и их реализация в АСДУ

ЭЭС..................................................................................... ^ 4

2.2. Общая характеристика помехоустойчивых кодов.... . А«

2.3. Сравнительный анализ кодов, контролирующих ошибки...........................................................................................52

2.4. Требования к микропроцессорным кодерам и декодерам....................,........................................................

2.5. Обоснование и выбор алгоритма кодирования-декодирования кодов Рида-Соломона...................

2.6. Сравнительный анализ алгоритмов декодирования кодов РС................................................................................ 86

2.7. Практическая реализация кодеков кодов РС............. I 0

2.8. Системы передачи информацией с решающей обратной связью.................................................................... I' ^

2.9. Дополнительные возможности кодов РС.................. I 23

2.10 .Модель помехоустойчивой АСДУ ЭЭС.................... 132

III. Сети передачи данных............................. 135

3.1. Каналы и сети передачи информации........................ 135

3.2.0рганизация связи в пакетном режиме.................. I Ц Ъ

3.3. Спутниковые системы передачи информации............ I 5 I

IV. Обеспечение безопасности в АСДУ ЭЭС.................... 156

4.1. Необходимость защиты данных.................................. I 5 б

4.2. Аутентификация сообщений........................................ I 5 2

4.3. Необратимые функции и их свойства........... ............... 160

4.4. Распространение ключей по открытым каналам связи. 164

4.5. Криптосистема с ключом общего пользования.......... I 67

4.6. Рандомизация информации.......................................... 175

Заключение............................................................................. П 8

Литература.............................................................................. | 80

I я в

Сокращения............................................................................ °

Приложение 1 . Китайская теорема об остатках.......

.......... 183

Приложение 2 . Акты о внедрении...................................... I 9 {

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время автоматизированные системы диспетчерского управления электроэнергетическими системами (АСДУ ЭЭС) стали неотъемлемой частью управления производством и распределением электроэнергии . Усложнение процесса производства предъявляет повышенные требования к системам связи и обработки информации , по скорости и надёжности в первую очередь [ 25 , 32 , 38 , 44 , 72 , 75 ].

Существующие программно - аппаратные средства АСДУ уже не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, особенно по стойкости от несанкционированных действий (НСД ) и помехоустойчивости . Одним из путей повышения надежности передачи , хранения и обработки информации является применение методов помехоустойчивого кодирования [ 10 , 12, 19 , 20 , 27 , 51 , 86 ] , основной смысл которых - это введение в информацию целенаправленно организованной избыточности , позволяющей не только обнаруживать, но и исправлять возникающие ошибки [ 12, 19, 23, 27, 51, 86 ] . Рассмотренные в работе коды Рида - Соломона ( РС - коды ) обладают рядом преимуществ по сравнению с другими классами кодов :

- максимально достижимое кодовое расстояние, то есть способность исправлять максимально возможное число ошибок при фиксированной избыточности;

- многоосновность ;

- возможность исправлять как одиночные , так и пакеты ошибок;

- применение ключевых параметров для увеличения структурной скрытности передаваемых сообщений и уменьшения вероятности несанкционированных действий обслуживающего персонала;

- возможность определения величины и позиции ошибки в процессе декодирования принятых сообщений [ 10 , 86 , 87 ] .

Стремительное развитие средств вычислительной техники ( СВТ ) позволяет в настоящее время эффективно применять те методы передачи и обработки информации , которые еще недавно оставались невостребованными из - за их сложной аппаратной реализации [ 10 , 30 ]. Программная реализация имеет ряд существенных преимуществ :

- отпадает необходимость строить оригинальные устройства передачи и обработки сообщений для каждого вида информационных сетей;

- по мере разработки более эффективных методов обработки информации достаточно будет заменить программное обеспечение [ 25 , 37 ] .

Целью работы является :

1 . Определение критериев оценки эффективности средств передачи, приема и обработки сообщений в АСДУ ЭЭС и постановка задачи их моделирования .

2 . Анализ возможных методов повышения достоверности информации в вычислительных сетях АСДУ ЭЭС на базе центральных приемно - передающих станций ( ЦППС ) .

3 . Апробация помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок для повышения эффективности работы информационно - управляющей системы АИСТ, телекомплекса ГРАНИТ и управляющих вычислительных телемеханических комплексов (УВТК ).

4 . Возможность введения криптографических методов с целью предотвращения несанкционированных действий .

5 . Обоснование рекомендаций по обмену информацией в АСДУ ЭЭС на основе многоуровневой телеинформационно -управляющей системы ( МТИУС ) , включающей в себя систему передачи оперативных данных ( СПОД) и диспетчерские информационно - управляющие системы

(ДИУС) на каждом уровне диспетчерского управления (ДУ).

Научная новизна работы .

Получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

- обоснованы требования к надежности информации в АСДУ ЭЭС с учетом новых возможностей помехоустойчивой передачи информации;

- применение помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок для повышения эффективности работы сети передачи данных АСДУ ЭЭС;

- возможность оценки состояния канала и аппаратуры связи с помощью цифрового кодирования;

- возможность адаптации систем передачи информации (СПИ) энергосистем к динамично меняющейся помеховой обстановке на основе изменения корректирующей способности кода;

- введение элементов криптографии в работу АСДУ ЭЭС с целью предотвращения несанкционированных действий и построения помехоустойчивой, криптозащищенной системы передачи информации.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов и способов повышения эффективности работы АСДУ ЭЭС путем применения кодов Рида - Соломона (PC - кодов) и введения элементов криптографии при передаче информации по открытым каналам связи энергосистем. Разработан пакет программ, позволяющий моделировать различные этапы передачи, приема и обработки информации; имитировать воздействие помех на управляющие комплексы энергосистем.

Апробация работы . Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на трех ежегодных конференциях научной молодежи СЭИ, программные комплексы 'SHIFR' и 'PRIOR' нашли применение в работе ТОО 'Вента и К' г.Иркутск и АО 'Эльф' г.Москва.

Публикации . Основные научные и практические результаты диссертации отражены в оЭнои печатной работе , одном авторском свидетельстве и двух отчетах по НИР .

Структура работы . Диссертация состоит из введения , четырех глав , заключения , списка литературы, двух приложений, списка сокращений и содержит 192 страницы машинописного текста, рисунка , 9 таблиц, 10^ наименования библиографии.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы , сформулированы цели и задачи исследований , приведены новые научные результаты и основные положения диссертационной работы.

В первой главе даны общая оценка состояния вопроса о задачах информационного обеспечения АСДУ ЭЭС и возможных способах их решения .

Управление энергосистемами требует передачи большого числа контрольных параметров. Обработка их существующими средствами весьма затруднительна, так как человек не в состоянии обработать большой обьем информации за ограниченный промежуток времени . Аппаратная обработка данных в некоторых случаях просто невозможна из-за того , что взаимные зависимости параметров настолько сложные , что попытка их обработки аппаратными средствами приведет к необоснованному усложнению устройств обработки и , как следствие , снижению

надежности и эффективности их работы. Обработка информации в АСДУ ЭЭС с помощью универсальных ЭВМ или с помощью управляющих вычислительных комплексов (УВК), построенных на их базе, позволяет контролировать работу энергосистем в реальном масштабе времени. Учитывая возможности комплекса технических средств (КТС), находящегося на каждом уровне АСДУ ЭЭС и пропускную способность вычислительных устройств (ВУ) можно рассчитать минимальный набор средств вычислительной техники (СВТ), необходимый для обработки информации в заданный промежуток времени на диспетчерских пунктах (ДП) энергосистем.

Для решения задачи улучшения работы средств обработки информации и улучшения качества связи может быть применено помехоустойчивое кодирование . Помехоустойчивые коды можно разделить на две группы :

- коды с обнаружением ошибок ;

- коды с обнаружением и исправлением ошибок .

Во второй главе показано , что применение кодов ,

обнаруживающих ошибки , предполагает проверку на приемной стороне принятого сообщения на наличие в нем ошибок . Если таковые обнаружены , то принимается решение о повторной передаче до тех пор , пока передаваемое сообщение не будет принято без ошибок . Такой подход не удовлетворяет требованиям по надежности и скорости обработки информации .

Иное дело коды с обнаружением и исправлением ошибок . Данные коды в состоянии восстановить сбойное сообщение , если количество ошибок не превышает допустимый уровень .

Существующие в настоящее время и проектируемые сети и системы передачи данных должны обеспечивать одновременной связью большое число обьектов , произвольно расположенных на обширной территории . Это приводит к тому, что условия помеховой обстановки меняются очень динамично и в широких пределах . В связи с этим важное значение приобретают вопросы адаптации приемных устройств . И если на уровне физического канала этот вопрос исследован довольно широко [6, 53 , 90 ] , то применительно к уровню канала передачи данных вопросы адаптации к помеховой обстановке рассмотрены недостаточно .

Причин здесь несколько . Во-первых , исторически сложилось что алгебраические методы декодирования , позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки , в отечественных образцах серийно выпускаемой аппаратуры практически не используются .

Во-вторых, недостаточная степень разработки алгоритмов кодирования - декодирования помехоустойчивых кодов приводит к существенному сужению спектра их возможных применений . В-третьих , традиционный подход к практической реализации довольно сложных элементов кодека в аппаратной реализации не позволяет в полном объеме рассмотреть задачу адаптации кодека к условиям помеховой обстановки [53].

Проведенный анализ показывает, что имеющиеся кодеки алгебраических циклических кодов выполнены, как правило, в жестком неперестраиваемом виде [ 10 , 86 , 87 ]. Другими словами, на этапе проектирования системы связи , исходя из необходимости обеспечения требуемой достоверности передачи сообщений , определяется значение относительной скорости кодирования

Ы = к / п,

где к-число информационных символов в кодовом слове длины п. В то же время диапазон изменения уровня помех на входе приемного устройства может достичь нескольких десятков децибелл . К тому же пиковые значения помеховой обстановки занимают небольшую часть общего времени работы системы связи . В связи с этим решение задачи адаптации к помеховой обстановке по значению К позволяет в существенной мере повысить эффективность его использования . Это особенно важно применительно к радиосистемам , в которых энергетические

и частотные ресурсы весьма ограничены [ 64 ]. Представленные в работе рассчеты показывают, что адаптация к помеховой обстановке может привести к изменению скорости кодирования на 46 % . А значит в такой же мере изменится величина требуемой энергетической избыточности . Реализация данного подхода к повышению эффективности функционирования различных систем, использующих помехоустойчивое кодирование , возможно на основе программно - апаратного принципа построения кодеков [10

86 ], а также создания программных средств их реализации , доступных пользователю . Это позволит использовать кодек в динамическом режиме изменения исходных параметров кода . Программно - аппаратный способ реализации декодера РС -кодов применительно к алгоритму Берлекэмпа - Месси декодирования во временной области позволяет снизить его вычислительную сложность до величины , определяемой соотношением :

п = 3* Ы2 + 2 * N , где п - вычислительная сложность ;

N - длина кодовой последовательности. В условиях возрастающей плотности использования частотного

диапазона порой трудно избежать влияния мощных взаимных помех [ 36 ]. При этом обеспечение многостанционного доступа лишь на основе частотного или временного разделения каналов не всегда удовлетворяет требуемой эффективности функционирования сети . Здесь важной является задача своевременного обнаружения на входе приемного устройства

мощной взаимной помехи [ 15 ]. Некоторое продвижение в решении этой задачи позволит кодовое разделение на уровне канала передачи данных . Иными словами, использование в различных каналах кодеков помехоустойчивых кодов с различными начальными параметрами кодовой конструкции .

Применение РС - кодов позволяет решить эту проблему . Для задания кода Рида - Соломона необходимо задать ряд ключевых параметров :

а - примитивный элемент ;

N - длина кода;

Т - исправляющая способность кода ;

I - произвольное натуральное число . Как показывают исследования , использование других ключевых параметров при декодировании приведет к ошибке .

В третьей главе рассмотрены вопросы функционирования АСДУ ЭЭС в системах связи с коммутацией пакетов . Такие системы находят все большее применение из - за удобства их использования в общем случае . Естественно , все перспективные системы связи , а также аппаратные средства проектируются и создаются именно под также системы .

Подобная тенденция связана с постоянным расширением области применения автоматической обработки информации . А разбиение информации на пакеты одинаковой длины позволяет использовать одни и те же каналы связи для работы несовместимых аппаратно систем связи в АСДУ ЭЭС. Организация связи в пакетном режиме позволяет с высокой эффективностью использовать проводные линии связи, а спутниковые системы связи дают возможность получить резервную систему связи, независимую от основной, что значительно повышает надежностные характеристики СПИ энергосистем.

В четвертой главе рассмотрены вопросы защиты информации от несанкционированного доступа. Это может быть достигнуто с помощью различных криптографических методов . Одним из них является шифрование с помощью " открытого ключа " . Особенность метода заключается в том , что шифрование и

дешифрование производится по разным ключам . Причем любой абонент сети может передать сообщение , но лишь истинный получатель сообщения может успешно его дешифровать . Вместе с тем данный метод позволяет решить обратную задачу : установить подлинность полученного сообщения . Также предлагается использование рандомизации сообщений . Рандомизация позволяет тем или иным путем добиться того , что на выходе шифрующего устройства все символы будут встречаться одинаковое число раз , что существенно затрудняет статистический криптоанализ сообщений . Введение рандомизации позволяет получить хорошие криптозащищенные системы, используя относительно несложные шифры .

Основные результаты работы :

1 . Указаны и обоснованы перспективные направления развития АСДУ ЭЭС .

2 . Обоснована необходимость введения в состав аппаратуры АСДУ ЭЭС устройств для помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок.

3 . Проведен анализ методов защи�