一种引入拉丁阵的物理层加密方法
【专利摘要】本发明涉及一种引入拉丁阵的物理层加密方法。利用混沌系统和拉丁阵生成性能良好的密钥，然后利用密钥置乱星座图，使不同调制方式的星座点在复平面上的分布趋于均匀，进而不同调制方式所具有的个性特征参数趋于相同，达到从物理层着手保护调制方式和调制信息的目的。将映射后的复平面信息充分利用，达到极大地扩充密钥空间的目的。通过引入Extract函数，充分消除混沌序列间的关联性，在保证密钥空间的前提下而又不必生成大量密钥，大大减小了硬件实现复杂度，并对生成的密钥进行NIST随机性测试，验证其不可预测性。
【专利说明】
-种引入拉T阵的物理层加密方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种物理层加密方法，具体来说，设及一种基于拉下阵和幅相变换的 物理层加密方法。。
【背景技术】
[0002] 随着当今社会的信息化程度越来越高，传统的商务活动、事物处理W及政府服务 已经越来越多地通过开放的计算机和通信网，特别是基于万维网的工具来实施和提供，信 息安全已成为人们在信息空间中生存和发展的重要保证条件。从安全性角度看，信息安全 的主要特点包括保密性、完整性、认证性和不可否认性。在现阶段，基于密码技术来保证信 息安全仍是主要安全策略。但在通信网络中，基于传统密码学的上层加密机制面临着一些 新的挑战。
[0003] 无线移动通信系统的扁平化发展，无线链路的开放特性、移动网络的动态拓扑和 节点的微型化，使得基于密码学在链路层等通信上层进行加密的传统安全策略面临一些新 的挑战。一方面，超级计算机的快速发展，使得基于大运算量的传统加密机制存在着被破译 的可能；增加密钥长度、扩充密钥空间W抵抗穷举破解的思路又会受到密钥管理和宽带传 输系统高传输速率的限制。另一方面，认知无线电技术的快速发展，使得窃听者通过一些窃 听技术可W截获无线信道的频率、带宽W及调制方式等传统安全策略未加 W保护的信息。
[0004] 基于W上通信网络的现状，部分窃听行为逐渐演变为窃听者不窃取通信数据等破 译难度较大的信息，而是根据未被保护的物理层信息，窃听出通信双发是谁，各自地理位置 等破译难度相对较小的信息，运种方法被称为流量分析攻击(Traffic analysis attack)。 窃听者通过流量分析攻击所窃取的信息，虽然不是通信数据，但可反映通信状况，运在军事 通信中仍构成很大威胁。因而如何在物理层保证调制方式和调制信息的安全成为目前研究 移动通信安全性的一个重要方面。
[0005] 从物理层实现通信安全主要有两个方向，一是利用无线信道的物理特性来产生、 管理和分发密钥W及基于无线信道的物理层认证;二是W窃听信道模型为基础的物理层安 全，即Wyner基于化annon信息论所提出的保密容量的概念。而基于保密容量的物理层安全 技术要求主信道的信道质量优于窃听信道，则存在保密编码既保证合法用户的可靠通信， 又使窃听者无法获取信息，达到不借助密钥即可实现保密通信的目的，包括人工噪声、波束 成形等物理层安全传输技术。但是运种基于信息论的物理层安全技术依赖于信道信息，窃 听者和合法者信道相似时无法保证安全性。因而本发明在物理层，基于混浊系统，提出一种 利用利用拉下阵和混浊序列置乱星座图的加密方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种利用混浊系统和拉下阵生成性能良好的 密钥，然后利用密钥置乱星座图，使不同调制方式的星座点在复平面上的分布趋于均匀，进 而不同调制方式所具有的个性特征参数趋于相同，达到从物理层着手保护调制方式和调制 信息的目的。为解决上述问题，本发明提出一种拉下阵和幅相变换相结合的物理层加密方 法，通过混浊系统生成密钥集，达到加密星座图的目的。
[0007] 所述物理层加密算法包括： Sl:设置系统的各种参量:载波频率，调制方式等； S2:系统输入二进制信息序列，经串并变换、星座映射，转换为复数向量C，其中
，其中[f表示对矩阵的转置，则得到待加密信息plain_data，其中 plain_data二C; S3:利用混浊序列生成密钥集1；芯1，必2,拉T阵)，用Kl与待加密信息plain_data的相位 相加，得到密文El;用K2与密文El对应元素相乘，得到密文E2;最后根据拉下阵中的元素值， 对密文E2进行相应变换，得到最终密文E; 密钥集(巧，及2泡T阵}的生成过程如下： 1)选择一种混浊系统和初始值start_data，生成混浊序列巧。
[000引2)混浊序列虽然具有长期不可预测特点，但其短期行为具有一定相关性，针对此 问题，本文引入Ex化act函数和拉下阵，在密钥生成和拉下阵的构造上进行了创新，做到控 制复杂度的前提下，进一步提高安全性。
[0009] 其中Ex化act函数为抽取输入值小数部分的第12,13,14位数据，W获得密钥良 好的不可预测性。根据上式，可得到一组位于[0,0.5]之间的随机数据^，由罚=DxiX 4:^和 芯2=[.，;1+日"得到用于相位旋转的密钥邱'0色妇占却和幅度变换的密钥芯丘1. 三5)。
[0010] 3)为消除数据之间的相关性，对马进行如下处理得到乃。
[0011]
对.I'i进行升序排列，得出巧对应序号i的排列信息，即为拉下阵。拉下阵主要特点是每 一行或者每一列的元素为1到矩阵行数或者列数的随机分布。
[0012] S4:对密文E进行并串变换，然后经D/A变换处理，送入无线信道中传输。
[0013] 物理层解密方法为加密方法的逆过程，最后加密的最先解密，逐一层层解密，即得 到原始明文信息。
[0014] 采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：调制的本质是将信息从二元比特域 映射到复数域，运个过程带来一些冗余信息，传统加密方式没有充分利用映射带来的额外 信息。本文所提算法将映射后的复平面信息充分利用，达到极大地扩充密钥空间的目的。通 过引入Ex化act函数，充分消除混浊序列间的关联性，在保证密钥空间的前提下而又不必生 成大量密钥，大大减小了硬件实现复杂度，并对生成的密钥进行NIST随机性测试，验证其不 可预测性。引入拉下阵，将星座点坐标信息彻底打乱，并从密钥空间，密钥敏感性和识别调 制方式等几方面分析本算法的安全性，分析结果表明，本算法具有很大的密钥空间，几乎不 可能暴力破解。算法在所需额外计算量很小的前提下，具有很强的安全性，在物理层安全传 输方面具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明提出的拉下阵和幅相变换相结合的物理层加密方法流程图； 图2是发送端加密前星座图； 图3是发送端加密后星座图； 图4是合法者星座图； 图5是窃听者星座图； 图6是合法者和窃听者密钥差别很小时，误比特率对比图； 图7是应用本发明前后，误比特率对比图； 图8是基于高阶累积量识别算法成功率对比图。
【具体实施方式】
[0016] 下面通过实例对本发明做进一步的说明，但是需要注意的是，公布实施例的目的 在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可W理解:在不脱离本发明及所附的 权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实例所公 开的内容，本发明要求保护的范围W权利要求书界定的范围为准。
[0017] 本发明的技术方案是，在OFDM系统上，一种引入拉下阵的星座置乱方法，具体发送 端加密过程包括下述步骤： Sl:设置系统的各种参量:子载波数N，循环前缀CP，调制方式等； S2:系统输入二进制信息序列，经串并变换、星座映射，转换为复数向量C，其中
，其中[f表示对矩阵的转置，则得到待加密信息plain_data，其中 plain_data二C; S3:利用混浊序列生成密钥集.!；必1，皮2,巧T阵;}，用Kl与待加密信息plain_data的相位 相加，得到密文El;用K2与密文El对应元素相乘，得到密文E2;最后根据拉下阵中的元素值， 对密文E2进行相应变换，得到最终密文E;密钥集的生成过程在权利要求书中已详细说明。
[0018] 利用拉下阵对幅相变换后的坐标信息进行置乱。置乱过程W下面矩阵为例:矩阵A 为明文矩阵，矩阵B为拉下阵，矩阵C为拉下阵置乱之后的密文。对明文阵A的每个元素而言， 拉下阵B相应元素值为对应元素的变换，如拉下阵B中5化1) = 4，则将矩阵A中的部2;4):元 素放入C化C，运样依次对各行进行变换，得到密文阵C。
[00
待加密明文阵
经拉下阵加密后的密文阵 S4:对密文E进行并串变换，然后经加插导频、降峰均比、循环前缀，D/A变换等处理，送 入无线信道中传输。
[0020] W下是对本发明算法的抗攻击能力进行理论分析： A混浊序列作为密钥的密码学特性测试 混浊序列能够作为密钥，必然要求其满足密码学对密钥的随机性要求。本文采用二值 量化方法对生成的混浊序列进行量化，然后进行NIST随机性测试W检验其不可预测性。 [0021 ] NI ST测试是由美国国家标准研究院制定的一套包含16项指标的检测随机性的标 准。该标准通过不同指标从不同角度对检测序列与理想随机序列进行偏离程度的比较。该 标准中的各项指标结果，都是通过一定的测试算法得到各项指标的P-value作为测试结果 来体现。P-value巧[0，1]，如果P-value安.0.01则通过测试，且P-value越大，被测试序列的 伪随机性越好。下表为量化后的混浊密钥序列进行NIST测试结果，本次测试选取其中几个 典型指标，可W看到所有的P-value值均符合随机性标准，即由混浊序列生成的密钥满足良 好的不可预测性。
[0022] 表1混浊序列NIST测试结果
B密钥敏感性分析 完美的加密算法应该有很强的密钥敏感性，即当窃听者的密钥和合法者密钥存在十分 微小的差别时，窃听者也不能恢复出源信息。在本文所提算法中，当合法密钥Kl为[1，1， l]，Eve密钥为P，4,峰批拚巧，合法者和窃听者得到的星座图和误比特率对比图分别如 附图6,7,8所示，同理可得生成拉下阵时的密钥精度为巧巧。即使密钥差别很小，窃听者也 不能得到任何有价值信息，所W密钥具有很强的敏感性。
[0023] C密钥空间分析(计算量分析） 面对暴力攻击（brute-force at化ck)，用于信息加密的密钥应具有足够大的密钥空 间。考虑到幅度变换只是混淆星座图形状，而没有改变星座点在复数域所在象限，故幅度变 换密钥K2不参与密钥空间分析。假设密钥取值范围为(0, 20；!，当然远不止此范围，在S维洛 伦兹混浊序列下，密钥空间夫
W每秒运行100亿次 的计算机为例，若窃听者破译S分之一的信息即认为窃听成功，则破译所需时间为3.8x1炉 年，远远超出可计算时间，可见该算法的密钥空间非常大，故而想要破解密钥是非常困难 的。
[0024] D调制方式识别分析 基于重构星座图的调制识别。k-平均聚类算法是选取聚类中屯、，非聚类中屯、对象依据 相似程度划分到相似程度最高的聚类中屯、，再对所有对象取平均值，得到新的聚类中屯、。依 次进行下去，直到测度函数收敛。但由图2所示，经过本加密算法后，星座点在平面范围内， 基本符合随机分布，星座点相位信息也无规律性，与已有调制方式的星座模板无法匹配。即 不可通过重构星座图来恢复信息。
[0025] 基于高阶累积量的调制识别 高阶统计量简记为册S化i曲er order S化tics)，主要用于数字信号调制识别。使用高 阶累积量的绝对值，能消除相位抖动的影响;使用其比值作为识别参数，还能消除幅度对参 数的影响。相对于瞬时统计量，高阶累积量具有良好的抗衰落特性;与高阶矩相比，它还具 有抑制高斯噪声的优点。零均值平稳复随机过程记为，它的P阶混合矩定义为：
有关累积量的内容，运里给出用到的各阶累积量的定义：
在无噪、符号发射等概、平均功率归一化的条件下，求得不同调制方式下，高阶累积量 的理论值，如下表所示。为消除相位抖动的影响，使用高阶累积量的绝对值。其中E为信号平 均功率。 東2高阶夏庶吾的理路估
由式(10)的理论值，可W得出调制方式判决标准，如式(11)所示：
在不同信噪比下，进行500次独立仿真，得出该判决标准下的识别成功率如附图8所示。 可W看出，基于高阶累积量的识别调制方式方法能够有效识别不加密的调制方式，信噪比 大于4地时，识别不加密的调制方式，其成功率高达95%W上。而对本算法的识别成功率一直 低于5%，可W看出，没有正确密钥的情况下，基于高阶累积量的识别方法不能识别出经过本 算法加密后的调制方式。即本文算法具有很强的抗识别优势。
[0026]
[0027] W下是对图1本发明加密算法流程图的说明： 本加密算法是在星座映射后的星座图上进行，通过利用混浊序列和拉下阵，在复平面 对星座图予W变换。充分利用星座映射所带来的冗余信息，W扩充密钥空间，达到安全通信 的目的。
[00%] W下是对图2收发两端对应的星座图和图6、7误比特率对比图的分析 图2-次为合法发送端加密前后，合法接收端和窃听端的星座图。由于混浊系统对初值 的敏感性，即设置初始值即使差别很小，经过混浊系统的长期演化，所得到的结果也完全不 同。运里窃听者所使用的密钥与正确密钥只有IO-W的差异，得到的星座图也完全看不出是 哪种调制方式，对应的误比特率也一直在0.5附近。而拥有正确密钥的合法接收端能够很好 地恢复出星座信息，误比特率也没有显著恶化，起到很好的加密效果。
[0029] 图8为利用高阶累积量识别调制方式的成功率对比图。由图可知，经过本算法加密 后的信息，基于高阶累积量的识别算法基本失效，识别成功率低于5%，可W认为不能识别出 来。
[0030] W上所述仅为本发明的一种实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施 过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精 神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含运些改动 和变型。
【主权项】
1. 一种引入拉下阵的物理层加密方法，通过混浊系统生成密钥集，达到加密星座图的 目的，其特征在于，所述物理层加密方法具体步骤如下： S1:设置系统的各种参量:如载波频率，调制方式； S2:系统输入二进制信息序列，经串并变换、星座映射，转换为复数向量C，其中 C#1，卸均，:'，其中[f表示对矩阵的转置，则得到待加密信息plain_data，其中 plain_data二C; S3:利用混浊序列生成密钥集{Αα於，投T阵}，用K1与待加密信息plain_data的相位 相加，得到密文E1;用K2与密文E1对应元素相乘，得到密文E2;最后根据拉下阵中的元素值， 对密文E2进行相应变换，得到最终密文E; S4:对密文E进行并串变换，然后经D/A变换处理，送入无线信道中传输， 物理层解密方法为加密方法的逆过程，最后加密的最先解密，逐一层层解密，即得到原 始明文信息。2. 根据权利要求1所述的一种引入拉下阵的物理层加密方法，其特征在于，所述密钥集 (幻，芯2,拉了阵}的生成过程如下： 1)选择一种混浊系统和初始值start_data，生成混浊序列丐； 2 )引入Extract函数和拉下阵， 邱二mod (思:化姑掉12,13,14),巧自)卢12 其中Extract函数为抽取输入值巧小数部分的第12，13，14位数据，W获得密钥的不可预 测性，根据上式，得到一组位于[0，0.5 ]之间的随机数据端:，由^ 1 =咕和口 = 得到用于相位旋转的密钥剧（0 ^剧別,τ)和幅度变换的密钥芯2 (〇.7^芯2引.25); 3)为消除数据之间的相关性，对％进行如下处理得到巧 乂 = 1 妒,T!-井口口r (1 妒 T!) j '= '1，.2 - 化' 对巧进行升序排列，得出躬对应序号i的排列信息，即为拉下阵，拉下阵是每一行或者 每一列的元素为1到矩阵行数或者列数的随机分布。
【文档编号】H04L9/00GK105846947SQ201610162614
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】李为, 岳敖, 马东堂, 魏急波, 雷菁, 熊俊, 程龙旺, 刘潇然, 王啸
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学