§1.10. Мгновенная относительная частота и первый критерий равномерного распределения элементарных событий.

Как правило, априорно проектированию систем защиты информации, разработчики цифровых ГПСЧ считают, что любая выборка событий достаточно большой длины обладает свойствами случайных последовательностей.

Однако, реальное применение устройств генерирования М- последовательностей указывает на необходимость учета множества объективных факторов, как частного, так и общего характера. В первом случае качество эталонных чисел во многом определяется длиной базового регистра сдвига, достигающей на практике, нескольких сотен бит. При этом в конкретных задачах используется не вся генеральная совокупность двоичных отсчетов, а только ограниченный набор или подпоследовательность, свойства которой зависят от начальной загрузки и полинома обратной связи. Что же касается процесса суммирования «сигнал+шум», то принцип «случайного детерминизма» формируемых полезных сигналов может приводить к снижению или потере динамики последовательности не всегда устранимой схемами . Данные обстоятельства требуют внимательного отношения разработчиков аппаратуры к автокорреляционным и другим свойствам ПСП, что в общем случае сводится к выбору степени порождающего полинома и анализу АКФ при ограниченной длине выборки.

Таким образом, исследование механизмов перехода статистических оценок в теоретические параметры могут быть полезны при решении задач выбора вероятностных последовательностей, обладающих эталонными характеристиками на малых длинах выборки, то есть подпадающих под определение термина миниасимптотический случайный процесс. Иными словами, известный интерес представляет собой выбор стартовой точки генератора, обеспечивающей минимальную длительность перехода вида «оценка - теоретический параметр» с учетом заданной границы для параметра.

Итак, пусть эмпирическая вероятность регистрации элементарного события в последовательности Бернулли после j наблюдений составляет величину:

(1.56)

где переменная в равенстве (1.56) соответствует статистике выбранного события в j отсчетах выборки.

На очередном шаге формирования (0,1)-чисел получим равенство:

(1.57)

Если теперь вычислить разность между значениями (1.57) и (1.56), то можно записать соотношение для приращения эмпирической вероятности вида:

(1.58)

где – очередное (0,1)- элементарное событие.

Из приведенного соотношения следует:

(1.59)

С другой стороны, в j-й момент времени, соответствующий достаточно длительному периоду наблюдения элементов выборки, соотношение (1.59) может быть записано с учетом текущего отклонения от равновероятности :

(1.60)

Тогда для -го момента времени будут справедливы выражения:

(1.61)

Данное соотношение показывает, что в истинно случайной последовательности в каждом такте формирования (0,1)-событий отклонение от равновероятности на шаге принципиально уменьшается относительно того же параметра на -м шаге.

Величину допустимой границы отклонения выборочной вероятности от теоретического значения определим соотношением (для ГПСЧ):

(1.62)

Апостериорно, то есть по завершении заданного числа испытаний, в некоторый момент времени, соответствующий -му наблюдению, будет выполнено неравенство:

. (1.63)

Очевидно, что значение будет характеризовать момент преобразования относительной частоты в теоретический параметр с учетом границы . При этом следует помнить, что известные на сегодняшний день свойства М- последовательностей определяются как идеальные только на полной длине выборки, то есть при n=2^l-1. В этом случае для всех сдвигов (начальных состояний) граница , если p=0,5.

Сформулируем первое из требований, предъявляемых к структуре случайной последовательности, выполнение которого характеризовало бы статистические свойства (0,1)-выборки как идеальные в процессе движения оценки к вероятностному параметру. С этой целью из неравенства (1.63) выразим сумму событий k(j), используя в качестве границы величину (1.62). Полагая теперь, что для событий Бернулли величина теоретической вероятности , с учетом (1.63) имеем:

(1.64)

Таким образом, последовательности со случайной природой, идеально удовлетворяющие критерию равновероятности (при выполнении требований критерия серий), могут считаться миниасимптотически случайными, если динамика формирования их такова, что в каждом такте генерирования выполняется условие:

(1.65)

или 2k(j) j, что в асимптотике дает равновероятность .

Сформулированное условие исключает возможность группирования однотипных элементарных событий в определенной части выборки. Однако вероятность скученности различных серий из нулей и единиц при этом остается. В связи с этим далее исследуем выборочную автокорреляционную функцию и получим аналогичные соотношения, определяющие в миниасимптотике степень связности элементарных событий через тактов наблюдения.