楊波

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院， 四川 廣元 628040)

0 引言

隨著移動(dòng)技術(shù)和通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，每天在移動(dòng)通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)量越來(lái)越多，而且信號(hào)的種類(lèi)也越來(lái)越多，移動(dòng)通信給人們的工作、生活帶來(lái)了一定的便利[1-2]。在移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作過(guò)程中，由于一些非法分子的入侵，他們對(duì)一些重要信號(hào)進(jìn)行非法竊取和破壞，危害著移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)陌踩?，因此如何提升移?dòng)通信系統(tǒng)的安全，保證移動(dòng)通信系統(tǒng)的正常工作，顯得越來(lái)越重要，漸漸受到人們的高度重視[3-5]。

針對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全問(wèn)題，最初人們采用防火墻技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行保護(hù)[6]，但是由于移動(dòng)通信系統(tǒng)的特殊性，使得一些非法分子繞過(guò)防火墻進(jìn)入到移動(dòng)通信系統(tǒng)中進(jìn)行信息同步獲取，導(dǎo)致一些重要的信息泄露出去，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行[7-9]。為此，有學(xué)者提出了許多有效的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法，如基于混沌理論的加密移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法、基于物理不可克隆函數(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法、基于LoRa技術(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法[10-12]，相對(duì)于防火墻技術(shù)，這些加密方法減少了移動(dòng)通信系統(tǒng)被入侵的概率，提高移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)某晒β?，然而在?shí)際應(yīng)用中，這些移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法存在一定的缺陷性，如移動(dòng)通信系統(tǒng)加密效率低、實(shí)時(shí)性差、抗噪聲的干擾能力差等。

為了解決當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法存在的一些缺陷，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)異的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法，與當(dāng)前經(jīng)典方法進(jìn)行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本文方法的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法可以防止信息被非法竊聽(tīng)，提升了移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信安全，相對(duì)經(jīng)典移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法，具有十分明顯的優(yōu)越性。

1 一種性能優(yōu)異的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法

1.1 本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的工作原理

移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的工作原理,如圖1所示。

圖1 本文設(shè)計(jì)移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的工作原理圖

從圖1可知，首先從移動(dòng)通信系統(tǒng)中采集待發(fā)送信號(hào)，并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的變換，并通過(guò)一定的信號(hào)映射和密鑰融合，建立密鑰矩陣，然后根據(jù)密鑰矩陣實(shí)現(xiàn)信號(hào)保護(hù)，并對(duì)信號(hào)加上前綴從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)加密，最后將信號(hào)從發(fā)送端發(fā)送到移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收端，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行逆變換，并去掉信號(hào)的前綴，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)解密。

1.2 移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)送端信號(hào)的加密

1.2.1 建立密鑰矩陣

(1) 根據(jù)AES算法的計(jì)數(shù)器模式產(chǎn)生一個(gè)加密的二進(jìn)制序列，稱(chēng)之為密鑰u0。

(2) 從計(jì)數(shù)器模式中選擇NL比特的二進(jìn)制數(shù)組成種子密鑰un，將un的0和1以H位劃分為一組，那么通過(guò)該變換方式得到0,1,…,2H-1構(gòu)成序列b(n),n=0,1,…,N-1，b(n)相應(yīng)的相位序列為式(1)。

?i=(b(n)/2H)×2iλ,i=0,1,2,…,N-1

(1)

根據(jù)式(1)可以建立的對(duì)角密鑰矩陣W為式(2)。

W=diag[cjλ0,cjλ1,…,cjλN-1]

(2)

式中，cjλ0為子密鑰序列。

根據(jù)式(2)的對(duì)角密鑰矩陣W和符號(hào)向量Q得到加密信息，如式(3)。

A=WQ

(3)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸過(guò)程中，不可避免地受到噪聲的干擾，設(shè)n表示噪聲，為了消除噪聲對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)加密效果的不利影響，進(jìn)行循環(huán)前綴移除，那么加密信息在接收端變?yōu)槭?4)。

Ar=A+n

(4)

式中，r表示用戶(hù)序號(hào)。

接收端得到的信息根據(jù)Ar和W-1得到，如式(5)。

Qr=W-1Ar

(5)

1.2.2 發(fā)送端信號(hào)的加密

(1) 當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)得到發(fā)送的信號(hào)后，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，得到符號(hào)向量V=[v0,v1,…,vN-1]T，其中，N表示子載波數(shù)，通過(guò)傅里葉逆變換得到符號(hào)向量Q=[q0,q1,…,qN-1]T。

(2) 通過(guò)對(duì)種子密鑰的控制，得到密鑰矩陣W，密鑰矩陣W對(duì)符號(hào)向量Q進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加密保護(hù)。

(3) 對(duì)符號(hào)向量Q進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和循環(huán)前綴增加操作，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送端的信號(hào)加密。

1.3 移動(dòng)通信系統(tǒng)接收端信號(hào)加密

設(shè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道延時(shí)為t，γ為沖擊響應(yīng)系數(shù)，那么主信道沖擊響應(yīng)為式(6)。

(6)

式中，ζe和υe為第e條主信道的延時(shí)和主信道衰落系數(shù)。

設(shè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的竊聽(tīng)信道沖擊響應(yīng)為式(7)。

(7)

式中，σo和φo為第o條竊聽(tīng)信道的延時(shí)和竊聽(tīng)信道衰落系數(shù)。

移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)接收端根據(jù)多徑延時(shí)特征，選擇信道延時(shí)為ζr(r∈{1,2,…,E})進(jìn)行信號(hào)接收，這樣需要將接收時(shí)間提前ζr。通常情況下，移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收端可以同步收到r條有效信道信號(hào)，那么信號(hào)接收端根據(jù)恢復(fù)信號(hào)質(zhì)量將其中一條信道發(fā)送信號(hào)作為最終接收的信號(hào)。

由于不同信道多徑延時(shí)具有隨機(jī)變化特性，竊聽(tīng)者無(wú)法在同步位置接收到授權(quán)用戶(hù)接收到的信號(hào)，這樣竊聽(tīng)者就無(wú)法正確恢復(fù)原始信號(hào)，無(wú)法正確破解發(fā)送端發(fā)來(lái)的信號(hào)。因此結(jié)合多徑延時(shí)信息就可以實(shí)現(xiàn)接收端信號(hào)的加密操作。加密模塊可以表示為式(8)。

l(p)=γ(p+ζr)

(8)

式中，ζr∈{ζe,e=1,2,…,E}。

當(dāng)不存在碼間串?dāng)_條件下，提前發(fā)送端信號(hào)脈沖位置，得到移動(dòng)通信系統(tǒng)的主信道時(shí)域特征，具體可以表示為式(9)。

(9)

移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)送信號(hào)為x(p)，那么接收端接收到的信號(hào)為式(10)。

(10)

根據(jù)信道多徑延時(shí)，提前發(fā)送脈沖時(shí)間，授權(quán)接收用戶(hù)之間可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加密和解密操作，而竊聽(tīng)者無(wú)法有效恢復(fù)信號(hào)，從而可以避免非法竊聽(tīng)，可以進(jìn)行移動(dòng)通信系統(tǒng)接收端的加密，對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步處理后，接收端最后接收到的信號(hào)為式(11)。

(11)

式中，o={x,min(σx)≥ζr}。

2 仿真測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法性能，采用Matlab 2017仿真工具箱進(jìn)行移動(dòng)通信系統(tǒng)加密仿真實(shí)驗(yàn)，其存在兩種類(lèi)型的信道：直接達(dá)信道和多徑信道。并對(duì)信道加上不同比例的高斯白噪聲，測(cè)試本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的抗干擾能力。選擇文獻(xiàn)[11]以及文獻(xiàn)[12]的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

統(tǒng)計(jì)3種移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的信號(hào)傳輸誤差率，具體如表1所示。

表1 不同移動(dòng)通信系統(tǒng)方法的誤碼率(%)對(duì)比

對(duì)表1的信號(hào)傳輸誤差率進(jìn)行對(duì)比和分析可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 文獻(xiàn)[12] 移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的誤碼率不同周期重復(fù)發(fā)送相同符號(hào)時(shí)誤碼率均較高，說(shuō)明文獻(xiàn)[11]的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法安全性能差。

(2) 文獻(xiàn)[11]的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法信噪比增加，誤碼率有一定的下降，但是誤碼率明顯高于本文提出的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法。

(3) 在不同周期重復(fù)發(fā)送相同符號(hào)時(shí)，本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的誤碼率低，隨著噪聲干擾減少，信號(hào)傳輸成功率明顯提升，信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率不斷降低，獲得十分理想的移動(dòng)通信效果。

移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的加密與解密時(shí)間是衡量加密方法優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)采用本文方法、文獻(xiàn)[11]以及文獻(xiàn)[12]的加密、解密所需要時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表2 不同移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的加密和解密時(shí)間對(duì)比

分析表2信號(hào)得出，本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的加密與解密用時(shí)最少，明顯短于兩種對(duì)比方法，主要原因是本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法迭代次數(shù)較少，加密與解密工作效率得到了明顯提高。

不同信噪比下，統(tǒng)計(jì)3種移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的傳輸速率，同時(shí)劃分兩種移動(dòng)通信信道：直接達(dá)信道和多徑達(dá)信道，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 直接達(dá)信道的傳輸速率

圖3 多徑達(dá)信道的傳輸速率

對(duì)圖2和圖3的傳輸速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，信噪比越高，移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸速率越高，移動(dòng)通信更優(yōu)，這是因?yàn)樵肼曉叫?，然而相?duì)于文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]的方法，本文方法的移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸速率越快，具有好的移動(dòng)通信效果，體現(xiàn)了本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的優(yōu)越性。

對(duì)于不同的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法，對(duì)無(wú)噪和有噪的信號(hào)，它們的保密容量如表3所示。

表3 不同方法保密容量對(duì)比

從表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入不同噪聲時(shí)，由于移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)信噪比發(fā)生了變化，不同移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的保密容量也不斷變化，從表3可以發(fā)現(xiàn)，保密容量與信噪比之間是一種正比例關(guān)系，這是因?yàn)樵肼曀急壤降停敲磳?duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)通信的干擾越小。同時(shí)從表3可以知道，隨著噪聲不斷加入，本文移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的保密容量一直比較高，而對(duì)比移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法的保密容量變化范圍大，這表明對(duì)比方法的受噪聲干擾比較大，抗干擾能力差，對(duì)比結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法有較高抗噪聲干擾魯棒性能，實(shí)際應(yīng)用范圍更加廣泛，系統(tǒng)保密容量可滿(mǎn)足系統(tǒng)通信要求。

3 總結(jié)

移動(dòng)通信系統(tǒng)安全一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，為了解決當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法存在的一些缺陷，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)異的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法。首先分析移動(dòng)通信系統(tǒng)加密的原理，并采用移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)，然后對(duì)移動(dòng)通信信號(hào)進(jìn)行變換，并將變換后的信號(hào)與密鑰進(jìn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)加密的效果，最后通過(guò)相應(yīng)的解碼程序在接收端進(jìn)行解密，與當(dāng)前經(jīng)典方法進(jìn)行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本文所述的移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法可以防止信息被非法竊聽(tīng)，即使竊取了信息，也無(wú)法還原原始信息，加密性能優(yōu)異，提升了移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信安全，相對(duì)經(jīng)典移動(dòng)通信系統(tǒng)加密方法，具有明顯的優(yōu)越性，可以應(yīng)用到實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)安全管理中，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值高。