一种人工噪声信号构造方法及物理层加密方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种人工噪声信号构造方法及物理层加密方法。

背景技术：

随着无线通信技术朝着融合化、宽带化方向的快速发展，其所面临的安全威胁也更加复杂化和多样化，如何在保持宽带化、融合化的同时保证数据的安全传输是摆在人们面前的严峻且现实的问题。

为了解决该问题，人们提出了物理层加密的思想。在物理层进行加密，在保证安全性的同时可以有效降低算法复杂度；可以保护标志信息、信令信息等；在一定程度上，可以弥补链路层加密存在的问题。现有的物理层加密算法，其安全性的分析都是局限在符号运算方面，没有考虑射频域的载波泄漏和频谱泄露问题，大量算法难于抵抗频谱分析攻击。

技术实现要素：

针对上述现有的物理层加密方法中存在的安全性较差、存在载波泄漏和不能抵抗频谱分析攻击的技术问题，本发明提供了一种人工噪声信号构造方法及物理层加密方法，具体通过如下技术方案予以实现：

一种人工噪声信号的构造方法，包括以下步骤：

步骤一：在aes加密算法的计数器工作模式下产生mn/2bit信息，对该信息做受到调节因子α控制的2^mqam星座映射，得到n/2个复数符号密钥a1,a2,...,an/2；

其中，n表示一个周期内ofdm系统的子载波个数，m表示2^mqam星座映射方式，2≤m≤8；

步骤二：对得到复数符号密钥a1,a2,...,an/2进行n/2点dft变换，得到包含n/2个复数符号的符号序列，在该符号序列中每个符号后面插入一个0，得到新的噪声符号c1,c2,...,cn；

步骤三：判断产生的新的噪声符号c1,c2,...,cn是否满足如下条件:

式(1)中k，h＝1，2，...，n/2^ν，l＝1，2，...2^ν，ν为正整数；若产生的新的噪声符号c1,c2,...,cn满足所述的条件，则对新的噪声符号c1,c2,...,cn依次分别做点idft变换，生成人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,n；否则，重复步骤一和步骤二，直到找到人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,n。

本发明还提供一种将上述得到的人工噪声信号用于物理层加密的方法，包括基于离散信号方式的叠加和基于连续信号方式的叠加；

基于离散信号方式的叠加，包括以下步骤:

步骤一：将待加密信息经过星座映射后转变为符号信息m1,m2,...,mn，对该符号信息做idft变换，生成ofdm信号sofdm(k)；其中k＝1,2,3...n；

步骤二：根据公式(2)将生成的ofdm信号sofdm(k)与所述的人工噪声信号sco(k)相叠加，生成加密信号sco-ofdm(k)：

sco-ofdm(k)＝sofdm(k)+sco(k)(2)

式(2)中k＝1,2,3,...,n；

步骤三：对加密信号sco-ofdm(k)依次进行加循环前缀、d/a转换、中频调制和上变频处理，将处理后的加密信号发送给信号接收方；

步骤四：信号接收方收到加密信号并对该加密信号依次做下变频、中频解调、取样和去循环前缀处理，得到受到信道噪声干扰的加密信号dco-ofdm(k)；

步骤五：信号接收方根据公式(3)从信号dco-ofdm(k)中减去所述的离散噪声信号sco(k)，得到信号dofdm(k)，并对信号dofdm(k)进行dft变换得到符号信息m1,m2,...,mn；

dofdm(k)＝dco-ofdm(k)-sco(k)(3)

式(3)中k＝1,2,3,...,n；

基于连续信号方式的叠加包括：

步骤一：将待加密信息经过星座映射后转变为符号信息n1,n2,...,nn，对所述的符号信息n1,n2,...,nn依次进行ofdm调制和中频调制，得到连续ofdm信号sofdm(t)，其中0＜t＜t，t表示一个ofdm调制周期，单位为s；

步骤二：对所述的人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,n添加与ofdm信号长度相同的循环前缀后并做数模转化得到模拟信号，再对该模拟信号做与待加密信号频率相同的中频调制，得到连续噪声信号sco(t)，其中0＜t＜t；

步骤三：根据公式(4)将所述的连续ofdm信号sofdm(t)与所述的连续噪声信号sco(t)叠加，生成加密信号sco-ofdm(t)；

sco-ofdm(t)＝sofdm(t)+sco(t)(4)，

其中0＜t＜t；

步骤四：对加密信号sco-ofdm(t)进行上变频调制后作为发送信号发送给信号接收方，信号接收方接收到发送信号后进行下变频调制，得到受到信道噪声干扰的加密信号dco-ofdm(t)；

步骤五：信号合法接收方根据公式(5)从加密信号dco-ofdm(t)中减去所述的噪声信号sco(t)，得到信号dofdm(t)；

dofdm(t)＝dco-ofdm(t)-sco(t)(5)，

其中0＜t＜t；

步骤六：信号接收方对信号dofdm(t)依次进行中频解调、同步及取样、dft变换，得到符号信息n1,n2,...,nn。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明通过对复数形式的人工噪声密钥序列先做dft变换，插零后再依次分别做点idft变换生成离散噪声信号，使得噪声信号的峰均比比较低，且带宽略小于信号带宽，功率可控。通过将调制后的ofdm信号与人工噪声信号相叠加，实现数据加密。这种加密过程使噪声信号与ofdm信号在射频域实现频谱相互重叠干扰，相互保护，破坏原始信号子载波之间的正交性，抑制载波泄漏，抵抗频谱分析，从而保证数据和算法安全。

2、本发明的加密方法和现有的加密方法相比，实现过程简单，对原ofdm信号的峰均比、带宽以及误码率影响小，可以满足高速无线通信系统的安全需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

图1为本发明基于离散信号方式叠加的加密过程框图；

图2为本发明基于离散信号方式叠加的解密过程框图；

图3为本发明基于连续信号方式叠加的加密过程框图；

图4为本发明基于连续信号方式叠加的解密过程框图；

图5为本发明人工噪声信号的频谱图；

图6为本发明加密信号的频谱图；

图7为本发明加密信号的合法接受者与非法接收者的误符号率对比图；

图8为本发明加密信号与ofdm信号的峰均比对比图；

图9为本发明取ν＝1,n＝32时得到的加密信号的频谱示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种人工噪声信号的构造方法，ofdm调制的周期t＝0.00008s，一个周期内ofdm系统的子载波个数n为128，ν＝3,m＝2。按照以下步骤生成相应的人工噪声信号；

步骤一：在aes加密算法的计数器工作模式下，产生128bit信息，对其做受到调节因子α处理的4qam星座映射，产生64个复数符号a1,a2,...,a64；

步骤二：对得到的64个复数符号a1,a2,...,a64进行64点dft变换，得到包含64个符号的符号序列，在该符号序列中每个符号后面插入一个0，，得到新的噪声符号a1,0,a2,0,...,a64,0，将其表示为c1,c2,...,c128；

步骤三：判断产生的新的噪声符号c1,c2,...,c128是否满足如下条件:

式(1)中k,h＝1,2,...,16,l＝1,2,...8；若产生的新的噪声符号c1,c2,...,cn满足所述的条件，则对该新的噪声符号c1,c2,...,cn依次分别做点idft变换，生成人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,n；否则，重复步骤一和步骤二，直到找到人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,n。

经判断本实施例产生的人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,n满足所述的条件，对该人工噪声符号c1,c2,...,c128依次分别做16点idft变换，生成离散噪声信号sco(k),k＝1,2,...,128。

实施例2

本实施例提供一种人工噪声信号用于物理层加密的方法，在实施例1的基础上，本实施例采用基于离散信号方式的叠加，如图1，具体包括以下步骤：

步骤一：将待加密信息经过星座映射和归一化处理，转变为符号信息m1,m2,...,m128，对该符号信息做idft变换，生成ofdm信号sofdm(k)(其中k＝1,2,3...128)；

步骤二：根据公式(2)将生成的ofdm信号sofdm(k)与所述的人工噪声信号sco(k)相叠加，生成加密信号sco-ofdm(k)：

sco-ofdm(k)＝sofdm(k)+sco(k)(2)

式(2)中k＝1,2,3,...,128；

步骤三：对加密信号sco-ofdm(k)依次进行加循环前缀、d/a转换、中频调制和上变频处理，将处理后的加密信号发送给信号接收方；

步骤四：如图2，信号接收方收到加密信号并对该加密信号依次做下变频、中频解调、取样和去循环前缀处理处理，得到受到信道噪声干扰的加密信号dco-ofdm(k)；

步骤五：信号接收方根据公式(3)从信号dco-ofdm(k)中减去所述的离散噪声信号sco(k)，得到信号dofdm(k)，并对信号dofdm(k)进行dft变换得到符号信息m1,m2,...,mn。

dofdm(k)＝dco-ofdm(k)-sco(k),k＝1,2,3,...,128(3)

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例提供基于连续信号方式的叠加方法，如图3，具体包括：

步骤一：将待加密信息经过星座映射和归一化处理，转变为符号信息n1,n2,...,n128，对该符号信息n1,n2,...,n128依次进行ofdm调制和中频调制，得到连续ofdm信号sofdm(t)，其中0＜t＜0.00008s；

步骤二：对所述的人工噪声信号sco(k),k＝1,2,...,128添加与ofdm信号长度相同的循环前缀后做数模转化得到模拟信号，再对该模拟信号做与待加密信号频率相同的中频调制,得到连续噪声信号sco(t)，其中0＜t＜0.000s0；

步骤三：根据公式(4)将所述的ofdm信号sofdm(t)与所述的人工噪声信号sco(t)叠加，生成加密信号sco-ofdm(t)；

sco-ofdm(t)＝sofdm(t)+sco(t)(4)

其中0＜t＜0.00008s；

步骤四：对加密信号sco-ofdm(t)进行上变频调制后作为发送信号发送给信号接收方，信号接收方接收到发送信号后进行下变频调制，得到受到信道噪声干扰的加密信号dco-ofdm(t)；

步骤五：如图4，信号接收方根据公式(5)从加密信号dco-ofdm(t)中减去所述的人工噪声信号sco(t)，得到信号dofdm(t)；

dofdm(t)＝dco-ofdm(t)-sco(t)(5)

其中0＜t＜0.00008s；

步骤六：信号合法接收方对信号dofdm(t)依次进行中频解调、同步及取样、dft变换，得到符号信息n1,n2,...,n128。

本发明物理层加密方法安全性分析

本发明的算法具有比较大的密钥空间，人工噪声的子载波频率是原系统子载波频率的一部分。人工噪声信号和ofdm信号会产生相互干扰，从时间域来看，它们是同时叠加，很难相互分离，仿真结果如图5的结果表明算法从时域分析是安全的。所以重点从频率域分析算法的干扰效果，以下主要从子载波正交性、频谱混叠及载波泄漏、密钥空间和对系统固有性能四个方面分析本发明加密方法的安全性和可行性。

(1)子载波正交性分析

ofdm系统的重要特性之一就是其子载波满足正交性，这种正交性保证了其子载波频谱1/2重叠，提高了频带利用率。对于非法窃听者来说，如果加密算法能够破坏原系统的子载波的正交性，则可使原系统不能正常解调，从而保证算法的安全性。下面给出一个周期内加密信号子载波之间的正交性。

假设不考虑中频载波和循环前缀，则人工噪声信号sco(t)可以表示为：

其中gt为通信中门函数，t为ofdm周期，l＝1,2,...，2^ν，l,ν为正整数，其基带sbco(t)表示为：

ofdm信号的基带sbofdm(t)表示为：

式(8)中：

ofdm信号的基带表达式用门函数写出，mk是加密信息经过星座映射后转变为的符号信息，是ofdm基带一个子载波表达的固定形式，k表示第几个子载波，j表示进行运算

加密后的信号基带表示为：

μ同k的定义相同，均表示为第几个，选取任意一个基带子载波将其共轭和(4)相乘积分，如式(10)，如果所得结果为mμ，则说明子载波之间的正交性没有被破坏，否则说明子载波之间的正交性被破坏。

如果μ≠2^νh，且n/2^ν,l＝1,2,3,...,2^ν，则由式(10)证明得如下：

因为所以只要产生的人工噪声信号c1,c2,...,cn满足式(11)条件：

(11)

其中k,h＝1,2,...,n/2^ν,l＝1,2,...2^ν

则式(10)中除了第一项的频率点外，其它频率点永远都不会等于mμ。当取n＝128，ν＝3时,容易验证(10)式中第一项的频率点只有8个，只占总频率点的6.25％，而(11)的条件很容易满足，且在生成人工噪声信号时，已经判断满足，由此证明本发明提供的加密方法可以有效破坏子载波之间的正交性，证明了本发明的加密方法的安全性。

(2)频谱混叠及载波泄露分析

对(9)式所示的加密基带信号做傅里叶变换可得：

sa代表sa函数，为通信中的定义。

通过(12)式可以计算任意子载波频率2πμ/t,μ∈{1,2,...,n}点的谱密度如下：

由(13)式并结合图9我们容易看出：

1)在2π2^νh/t,h＝1,2,...,n/2^ν且为偶数的频率点上，人工噪声信号频谱和ofdm信号频谱没有重叠，人工噪声信号没有保护待加密信息。但是在n＝128，ν＝3时，这样的频率点只占总频率点的6.25％，对整体数据安全影响很小；

2)在2π2^νh/t,h＝1,2,...,n/2^ν且为奇数的频率点上，对应点的ofdm信号频谱对该点的频谱产生干扰，同时人工噪声信号频谱也在这些点相互重叠，其密度为在频率域相互之间共同保护了这些频率点的人工噪声信号和正常信号的安全；

3)在其它频率点上，ofdm信号频谱和人工噪声信号频谱发生了严重的混叠，实现相互干扰和保护，所以不会出现载波泄漏。

(3)密钥空间分析

由实施例1，容易看出本方法的aes加密密钥o(2¹²⁸)空间，符号密钥空间为o(4⁶⁴)＝o(2¹²⁸)，所以攻击者想要通过猜测的方法获取密钥是困难的；攻击者第二个可能的攻击点就是通过频谱分析获取(13)式第二部分中，当ν＝3,n＝8时的8个复数系数的和值但是，由于这8个系数是密钥符号a1,a2,...,a64经过dft变换后得到的64个符号中的一部分，攻击者要通过这个和值得到符号密钥，就必须猜测64个密钥符号，所以其获取的复杂度为至少o(4⁶⁴)＝o(2¹²⁸)，同样非常困难。

(4)对原系统固有性能的影响

首先由于人工噪声的带宽略小于原系统的带宽，所以加密算法对原系统的带宽没有任何影响，如图6所示，其中人工噪声带宽为1587500hz(9969500rad)，加密后系统带宽为1593750hz(10008750hz)；其次对系统的峰均比影响很小，如图8所示；对原系统的误码性能影响很小，如图7所示；所付出的唯一代价就是增加了原系统的发射功率，在噪声功率为原系统功率的1/4时，总功率增加30％。