一種性能優異的移動通信系統加密方法

楊波

(四川信息職業技術學院 電子與物聯網學院， 四川 廣元 628040)

0 引言

隨著移動技術和通信系統的飛速發展，每天在移動通信系統中傳輸的信號量越來越多，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信號傳輸的安全，因此如何提升移動通信系統的安全，保證移動通信系統的正常工作，顯得越來越重要，漸漸受到人們的高度重視[3-5]。

針對移動通信系統的安全問題，最初人們采用防火墻技術對信號進行保護[6]，但是由于移動通信系統的特殊性，使得一些非法分子繞過防火墻進入到移動通信系統中進行信息同步獲取，導致一些重要的信息泄露出去，嚴重者可能導致通信系統無法正常運行[7-9]。為此，有學者提出了許多有效的移動通信系統加密方法，如基于混沌理論的加密移動通信系統加密方法、基于物理不可克隆函數的移動通信系統加密方法、基于LoRa技術的移動通信系統加密方法[10-12]，相對于防火墻技術，這些加密方法減少了移動通信系統被入侵的概率，提高移動通信系統信號傳輸的成功率，然而在實際應用中，這些移動通信系統加密方法存在一定的缺陷性，如移動通信系統加密效率低、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加密方法存在的一些缺陷，設計了一種性能優異的移動通信系統加密方法，與當前經典方法進行了仿真對比實驗。結果表明，本文方法的移動通信系統加密方法可以防止信息被非法竊聽，提升了移動通信系統的通信安全，相對經典移動通信系統加密方法，具有十分明顯的優越性。

1 一種性能優異的移動通信系統加密方法

1.1 本文移動通信系統加密方法的工作原理

移動通信系統加密方法的工作原理,如圖1所示。

圖1 本文設計移動通信系統加密方法的工作原理圖

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

1.2 移動通信系統發送端信號的加密

1.2.1 建立密鑰矩陣

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

(2) 從計數器模式中選擇NL比特的二進制數組成種子密鑰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構成序列b(n),n=0,1,…,N-1，b(n)相應的相位序列為式(1)。

?i=(b(n)/2H)×2iλ,i=0,1,2,…,N-1

(1)

根據式(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)

在移動通信系統信號傳輸過程中，不可避免地受到噪聲的干擾，設n表示噪聲，為了消除噪聲對移動通信系統信號加密效果的不利影響，進行循環前綴移除，那么加密信息在接收端變為式(4)。

Ar=A+n

(4)

式中，r表示用戶序號。

接收端得到的信息根據Ar和W-1得到，如式(5)。

Qr=W-1Ar

(5)

1.2.2 發送端信號的加密

(1) 當前移動通信系統得到發送的信號后，需要進行相應的轉換，得到符號向量V=[v0,v1,…,vN-1]T，其中，N表示子載波數，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，實現信號的加密保護。

(3) 對符號向量Q進行并串轉換和循環前綴增加操作，從而實現發送端的信號加密。

1.3 移動通信系統接收端信號加密

設移動通信系統的信道延時為t，γ為沖擊響應系數，那么主信道沖擊響應為式(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。

設移動通信系統的竊聽信道沖擊響應為式(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。

移動通信系統信號接收端根據多徑延時特征，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恢復信號質量將其中一條信道發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用戶接收到的信號，這樣竊聽者就無法正確恢復原始信號，無法正確破解發送端發來的信號。因此結合多徑延時信息就可以實現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，提前發送端信號脈沖位置，得到移動通信系統的主信道時域特征，具體可以表示為式(9)。

(9)

移動通信系統的發送信號為x(p)，那么接收端接收到的信號為式(10)。

(10)

根據信道多徑延時，提前發送脈沖時間，授權接收用戶之間可以實現信號的加密和解密操作，而竊聽者無法有效恢復信號，從而可以避免非法竊聽，可以進行移動通信系統接收端的加密，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

為了測試本文設計的移動通信系統加密方法性能，采用Matlab 2017仿真工具箱進行移動通信系統加密仿真實驗，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]的移動通信系統加密方法進行對比測試。

統計3種移動通信系統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現：

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

(2) 文獻[11]的移動通信系統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加密方法。

(3) 在不同周期重復發送相同符號時，本文移動通信系統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，信號傳輸的誤碼率不斷降低，獲得十分理想的移動通信效果。

移動通信系統加密方法的加密與解密時間是衡量加密方法優劣的關鍵指標。統計采用本文方法、文獻[11]以及文獻[12]的加密、解密所需要時間，結果如表2所示。

表2 不同移動通信系統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加密方法迭代次數較少，加密與解密工作效率得到了明顯提高。

不同信噪比下，統計3種移動通信系統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的傳輸速率統計結果進行分析可以看出，信噪比越高，移動通信系統的傳輸速率越高，移動通信更優，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傳輸速率越快，具有好的移動通信效果，體現了本文移動通信系統加密方法的優越性。

對于不同的移動通信系統加密方法，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實驗結果可以看出，加入不同噪聲時，由于移動通信系統的信號信噪比發生了變化，不同移動通信系統加密方法的保密容量也不斷變化，從表3可以發現，保密容量與信噪比之間是一種正比例關系，這是因為噪聲所占比例越低，那么對移動通信系統通信的干擾越小。同時從表3可以知道，隨著噪聲不斷加入，本文移動通信系統加密方法的保密容量一直比較高，而對比移動通信系統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，對比結果表明，本文設計移動通信系統加密方法有較高抗噪聲干擾魯棒性能，實際應用范圍更加廣泛，系統保密容量可滿足系統通信要求。

3 總結

移動通信系統安全一直是人們關注的焦點，為了解決當前移動通信系統加密方法存在的一些缺陷，設計了一種性能優異的移動通信系統加密方法。首先分析移動通信系統加密的原理，并采用移動通信系統信號，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，從而實現加密的效果，最后通過相應的解碼程序在接收端進行解密，與當前經典方法進行了仿真對比實驗，結果表明，本文所述的移動通信系統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，加密性能優異，提升了移動通信系統的通信安全，相對經典移動通信系統加密方法，具有明顯的優越性，可以應用到實際的移動通信系統安全管理中，實際應用價值高。