楊波

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

0 引言

隨著移動技術(shù)和通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，每天在移動通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘柫吭絹碓蕉?，而且信號的種類也越來越多，移動通信給人們的工作、生活帶來了一定的便利[1-2]。在移動通信系統(tǒng)的工作過程中，由于一些非法分子的入侵，他們對一些重要信號進行非法竊取和破壞，危害著移動通信系統(tǒng)信號傳輸?shù)陌踩?，因此如何提升移動通信系統(tǒng)的安全，保證移動通信系統(tǒng)的正常工作，顯得越來越重要，漸漸受到人們的高度重視[3-5]。

針對移動通信系統(tǒng)的安全問題，最初人們采用防火墻技術(shù)對信號進行保護[6]，但是由于移動通信系統(tǒng)的特殊性，使得一些非法分子繞過防火墻進入到移動通信系統(tǒng)中進行信息同步獲取，導(dǎo)致一些重要的信息泄露出去，嚴重者可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)無法正常運行[7-9]。為此，有學者提出了許多有效的移動通信系統(tǒng)加密方法，如基于混沌理論的加密移動通信系統(tǒng)加密方法、基于物理不可克隆函數(shù)的移動通信系統(tǒng)加密方法、基于LoRa技術(shù)的移動通信系統(tǒng)加密方法[10-12]，相對于防火墻技術(shù)，這些加密方法減少了移動通信系統(tǒng)被入侵的概率，提高移動通信系統(tǒng)信號傳輸?shù)某晒β剩欢趯嶋H應(yīng)用中，這些移動通信系統(tǒng)加密方法存在一定的缺陷性，如移動通信系統(tǒng)加密效率低、實時性差、抗噪聲的干擾能力差等。

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

1 一種性能優(yōu)異的移動通信系統(tǒng)加密方法

1.1 本文移動通信系統(tǒng)加密方法的工作原理

移動通信系統(tǒng)加密方法的工作原理,如圖1所示。

圖1 本文設(shè)計移動通信系統(tǒng)加密方法的工作原理圖

從圖1可知，首先從移動通信系統(tǒng)中采集待發(fā)送信號，并對采集信號進行相應(yīng)的變換，并通過一定的信號映射和密鑰融合，建立密鑰矩陣，然后根據(jù)密鑰矩陣實現(xiàn)信號保護，并對信號加上前綴從而實現(xiàn)了移動通信系統(tǒng)的信號加密，最后將信號從發(fā)送端發(fā)送到移動通信系統(tǒng)的接收端，并對接收到的信號進行逆變換，并去掉信號的前綴，實現(xiàn)信號的還原，從而實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)信號解密。

1.2 移動通信系統(tǒng)發(fā)送端信號的加密

1.2.1 建立密鑰矩陣

(1) 根據(jù)AES算法的計數(shù)器模式產(chǎn)生一個加密的二進制序列，稱之為密鑰u0。

(2) 從計數(shù)器模式中選擇NL比特的二進制數(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)的對角密鑰矩陣W和符號向量Q得到加密信息，如式(3)。

A=WQ

(3)

在移動通信系統(tǒng)信號傳輸過程中，不可避免地受到噪聲的干擾，設(shè)n表示噪聲，為了消除噪聲對移動通信系統(tǒng)信號加密效果的不利影響，進行循環(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表示用戶序號。

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)送端信號的加密

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

(2) 通過對種子密鑰的控制，得到密鑰矩陣W，密鑰矩陣W對符號向量Q進行加密，實現(xiàn)信號的加密保護。

(3) 對符號向量Q進行并串轉(zhuǎn)換和循環(huán)前綴增加操作，從而實現(xiàn)發(fā)送端的信號加密。

1.3 移動通信系統(tǒng)接收端信號加密

設(shè)移動通信系統(tǒng)的信道延時為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條主信道的延時和主信道衰落系數(shù)。

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

(7)

式中，σo和φo為第o條竊聽信道的延時和竊聽信道衰落系數(shù)。

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

由于不同信道多徑延時具有隨機變化特性，竊聽者無法在同步位置接收到授權(quán)用戶接收到的信號，這樣竊聽者就無法正確恢復(fù)原始信號，無法正確破解發(fā)送端發(fā)來的信號。因此結(jié)合多徑延時信息就可以實現(xiàn)接收端信號的加密操作。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}。

當不存在碼間串擾條件下，提前發(fā)送端信號脈沖位置，得到移動通信系統(tǒng)的主信道時域特征，具體可以表示為式(9)。

(9)

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

(10)

根據(jù)信道多徑延時，提前發(fā)送脈沖時間，授權(quán)接收用戶之間可以實現(xiàn)信號的加密和解密操作，而竊聽者無法有效恢復(fù)信號，從而可以避免非法竊聽，可以進行移動通信系統(tǒng)接收端的加密，對信號進行同步處理后，接收端最后接收到的信號為式(11)。

(11)

式中，o={x,min(σx)≥ζr}。

2 仿真測試

為了測試本文設(shè)計的移動通信系統(tǒng)加密方法性能，采用Matlab 2017仿真工具箱進行移動通信系統(tǒng)加密仿真實驗，其存在兩種類型的信道：直接達信道和多徑信道。并對信道加上不同比例的高斯白噪聲，測試本文移動通信系統(tǒng)加密方法的抗干擾能力。選擇文獻[11]以及文獻[12]的移動通信系統(tǒng)加密方法進行對比測試。

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

表1 不同移動通信系統(tǒng)方法的誤碼率(%)對比

對表1的信號傳輸誤差率進行對比和分析可以發(fā)現(xiàn)：

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

(2) 文獻[11]的移動通信系統(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)送相同符號時，本文移動通信系統(tǒng)加密方法的誤碼率低，隨著噪聲干擾減少，信號傳輸成功率明顯提升，信號傳輸?shù)恼`碼率不斷降低，獲得十分理想的移動通信效果。

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

表2 不同移動通信系統(tǒng)加密方法的加密和解密時間對比

分析表2信號得出，本文移動通信系統(tǒng)加密方法的加密與解密用時最少，明顯短于兩種對比方法，主要原因是本文移動通信系統(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3種移動通信系統(tǒng)加密方法的傳輸速率，同時劃分兩種移動通信信道：直接達信道和多徑達信道，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 直接達信道的傳輸速率

圖3 多徑達信道的傳輸速率

對圖2和圖3的傳輸速率統(tǒng)計結(jié)果進行分析可以看出，信噪比越高，移動通信系統(tǒng)的傳輸速率越高，移動通信更優(yōu)，這是因為噪聲越小，然而相對于文獻[11]和文獻[12]的方法，本文方法的移動通信系統(tǒng)傳輸速率越快，具有好的移動通信效果，體現(xiàn)了本文移動通信系統(tǒng)加密方法的優(yōu)越性。

對于不同的移動通信系統(tǒng)加密方法，對無噪和有噪的信號，它們的保密容量如表3所示。

表3 不同方法保密容量對比

從表3實驗結(jié)果可以看出，加入不同噪聲時，由于移動通信系統(tǒng)的信號信噪比發(fā)生了變化，不同移動通信系統(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，這是因為噪聲所占比例越低，那么對移動通信系統(tǒng)通信的干擾越小。同時從表3可以知道，隨著噪聲不斷加入，本文移動通信系統(tǒng)加密方法的保密容量一直比較高，而對比移動通信系統(tǒng)加密方法的保密容量變化范圍大，這表明對比方法的受噪聲干擾比較大，抗干擾能力差，對比結(jié)果表明，本文設(shè)計移動通信系統(tǒng)加密方法有較高抗噪聲干擾魯棒性能，實際應(yīng)用范圍更加廣泛，系統(tǒng)保密容量可滿足系統(tǒng)通信要求。

3 總結(jié)

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