本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人工噪聲信號(hào)構(gòu)造方法及物理層加密方法。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線通信技術(shù)朝著融合化、寬帶化方向的快速發(fā)展，其所面臨的安全威脅也更加復(fù)雜化和多樣化，如何在保持寬帶化、融合化的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全傳輸是擺在人們面前的嚴(yán)峻且現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

為了解決該問(wèn)題，人們提出了物理層加密的思想。在物理層進(jìn)行加密，在保證安全性的同時(shí)可以有效降低算法復(fù)雜度；可以保護(hù)標(biāo)志信息、信令信息等；在一定程度上，可以彌補(bǔ)鏈路層加密存在的問(wèn)題?，F(xiàn)有的物理層加密算法，其安全性的分析都是局限在符號(hào)運(yùn)算方面，沒(méi)有考慮射頻域的載波泄漏和頻譜泄露問(wèn)題，大量算法難于抵抗頻譜分析攻擊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有的物理層加密方法中存在的安全性較差、存在載波泄漏和不能抵抗頻譜分析攻擊的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種人工噪聲信號(hào)構(gòu)造方法及物理層加密方法，具體通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種人工噪聲信號(hào)的構(gòu)造方法，包括以下步驟：

步驟一：在aes加密算法的計(jì)數(shù)器工作模式下產(chǎn)生mn/2bit信息，對(duì)該信息做受到調(diào)節(jié)因子α控制的2^mqam星座映射，得到n/2個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)密鑰a1,a2,...,an/2；

其中，n表示一個(gè)周期內(nèi)ofdm系統(tǒng)的子載波個(gè)數(shù)，m表示2^mqam星座映射方式，2≤m≤8；

步驟二：對(duì)得到復(fù)數(shù)符號(hào)密鑰a1,a2,...,an/2進(jìn)行n/2點(diǎn)dft變換，得到包含n/2個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)的符號(hào)序列，在該符號(hào)序列中每個(gè)符號(hào)后面插入一個(gè)0，得到新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,cn；

步驟三：判斷產(chǎn)生的新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,cn是否滿足如下條件:

式(1)中k，h＝1，2，...，n/2^ν，l＝1，2，...2^ν，ν為正整數(shù)；若產(chǎn)生的新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,cn滿足所述的條件，則對(duì)新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,cn依次分別做點(diǎn)idft變換，生成人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,n；否則，重復(fù)步驟一和步驟二，直到找到人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,n。

本發(fā)明還提供一種將上述得到的人工噪聲信號(hào)用于物理層加密的方法，包括基于離散信號(hào)方式的疊加和基于連續(xù)信號(hào)方式的疊加；

基于離散信號(hào)方式的疊加，包括以下步驟:

步驟一：將待加密信息經(jīng)過(guò)星座映射后轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)信息m1,m2,...,mn，對(duì)該符號(hào)信息做idft變換，生成ofdm信號(hào)sofdm(k)；其中k＝1,2,3...n；

步驟二：根據(jù)公式(2)將生成的ofdm信號(hào)sofdm(k)與所述的人工噪聲信號(hào)sco(k)相疊加，生成加密信號(hào)sco-ofdm(k)：

sco-ofdm(k)＝sofdm(k)+sco(k)(2)

式(2)中k＝1,2,3,...,n；

步驟三：對(duì)加密信號(hào)sco-ofdm(k)依次進(jìn)行加循環(huán)前綴、d/a轉(zhuǎn)換、中頻調(diào)制和上變頻處理，將處理后的加密信號(hào)發(fā)送給信號(hào)接收方；

步驟四：信號(hào)接收方收到加密信號(hào)并對(duì)該加密信號(hào)依次做下變頻、中頻解調(diào)、取樣和去循環(huán)前綴處理，得到受到信道噪聲干擾的加密信號(hào)dco-ofdm(k)；

步驟五：信號(hào)接收方根據(jù)公式(3)從信號(hào)dco-ofdm(k)中減去所述的離散噪聲信號(hào)sco(k)，得到信號(hào)dofdm(k)，并對(duì)信號(hào)dofdm(k)進(jìn)行dft變換得到符號(hào)信息m1,m2,...,mn；

dofdm(k)＝dco-ofdm(k)-sco(k)(3)

式(3)中k＝1,2,3,...,n；

基于連續(xù)信號(hào)方式的疊加包括：

步驟一：將待加密信息經(jīng)過(guò)星座映射后轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)信息n1,n2,...,nn，對(duì)所述的符號(hào)信息n1,n2,...,nn依次進(jìn)行ofdm調(diào)制和中頻調(diào)制，得到連續(xù)ofdm信號(hào)sofdm(t)，其中0＜t＜t，t表示一個(gè)ofdm調(diào)制周期，單位為s；

步驟二：對(duì)所述的人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,n添加與ofdm信號(hào)長(zhǎng)度相同的循環(huán)前綴后并做數(shù)模轉(zhuǎn)化得到模擬信號(hào)，再對(duì)該模擬信號(hào)做與待加密信號(hào)頻率相同的中頻調(diào)制，得到連續(xù)噪聲信號(hào)sco(t)，其中0＜t＜t；

步驟三：根據(jù)公式(4)將所述的連續(xù)ofdm信號(hào)sofdm(t)與所述的連續(xù)噪聲信號(hào)sco(t)疊加，生成加密信號(hào)sco-ofdm(t)；

sco-ofdm(t)＝sofdm(t)+sco(t)(4)，

其中0＜t＜t；

步驟四：對(duì)加密信號(hào)sco-ofdm(t)進(jìn)行上變頻調(diào)制后作為發(fā)送信號(hào)發(fā)送給信號(hào)接收方，信號(hào)接收方接收到發(fā)送信號(hào)后進(jìn)行下變頻調(diào)制，得到受到信道噪聲干擾的加密信號(hào)dco-ofdm(t)；

步驟五：信號(hào)合法接收方根據(jù)公式(5)從加密信號(hào)dco-ofdm(t)中減去所述的噪聲信號(hào)sco(t)，得到信號(hào)dofdm(t)；

dofdm(t)＝dco-ofdm(t)-sco(t)(5)，

其中0＜t＜t；

步驟六：信號(hào)接收方對(duì)信號(hào)dofdm(t)依次進(jìn)行中頻解調(diào)、同步及取樣、dft變換，得到符號(hào)信息n1,n2,...,nn。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明通過(guò)對(duì)復(fù)數(shù)形式的人工噪聲密鑰序列先做dft變換，插零后再依次分別做點(diǎn)idft變換生成離散噪聲信號(hào)，使得噪聲信號(hào)的峰均比比較低，且?guī)捖孕∮谛盘?hào)帶寬，功率可控。通過(guò)將調(diào)制后的ofdm信號(hào)與人工噪聲信號(hào)相疊加，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密。這種加密過(guò)程使噪聲信號(hào)與ofdm信號(hào)在射頻域?qū)崿F(xiàn)頻譜相互重疊干擾，相互保護(hù)，破壞原始信號(hào)子載波之間的正交性，抑制載波泄漏，抵抗頻譜分析，從而保證數(shù)據(jù)和算法安全。

2、本發(fā)明的加密方法和現(xiàn)有的加密方法相比，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)原ofdm信號(hào)的峰均比、帶寬以及誤碼率影響小，可以滿足高速無(wú)線通信系統(tǒng)的安全需求。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的方案作進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明基于離散信號(hào)方式疊加的加密過(guò)程框圖；

圖2為本發(fā)明基于離散信號(hào)方式疊加的解密過(guò)程框圖；

圖3為本發(fā)明基于連續(xù)信號(hào)方式疊加的加密過(guò)程框圖；

圖4為本發(fā)明基于連續(xù)信號(hào)方式疊加的解密過(guò)程框圖；

圖5為本發(fā)明人工噪聲信號(hào)的頻譜圖；

圖6為本發(fā)明加密信號(hào)的頻譜圖；

圖7為本發(fā)明加密信號(hào)的合法接受者與非法接收者的誤符號(hào)率對(duì)比圖；

圖8為本發(fā)明加密信號(hào)與ofdm信號(hào)的峰均比對(duì)比圖；

圖9為本發(fā)明取ν＝1,n＝32時(shí)得到的加密信號(hào)的頻譜示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種人工噪聲信號(hào)的構(gòu)造方法，ofdm調(diào)制的周期t＝0.00008s，一個(gè)周期內(nèi)ofdm系統(tǒng)的子載波個(gè)數(shù)n為128，ν＝3,m＝2。按照以下步驟生成相應(yīng)的人工噪聲信號(hào)；

步驟一：在aes加密算法的計(jì)數(shù)器工作模式下，產(chǎn)生128bit信息，對(duì)其做受到調(diào)節(jié)因子α處理的4qam星座映射，產(chǎn)生64個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)a1,a2,...,a64；

步驟二：對(duì)得到的64個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)a1,a2,...,a64進(jìn)行64點(diǎn)dft變換，得到包含64個(gè)符號(hào)的符號(hào)序列，在該符號(hào)序列中每個(gè)符號(hào)后面插入一個(gè)0，，得到新的噪聲符號(hào)a1,0,a2,0,...,a64,0，將其表示為c1,c2,...,c128；

步驟三：判斷產(chǎn)生的新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,c128是否滿足如下條件:

式(1)中k,h＝1,2,...,16,l＝1,2,...8；若產(chǎn)生的新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,cn滿足所述的條件，則對(duì)該新的噪聲符號(hào)c1,c2,...,cn依次分別做點(diǎn)idft變換，生成人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,n；否則，重復(fù)步驟一和步驟二，直到找到人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,n。

經(jīng)判斷本實(shí)施例產(chǎn)生的人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,n滿足所述的條件，對(duì)該人工噪聲符號(hào)c1,c2,...,c128依次分別做16點(diǎn)idft變換，生成離散噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,128。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種人工噪聲信號(hào)用于物理層加密的方法，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例采用基于離散信號(hào)方式的疊加，如圖1，具體包括以下步驟：

步驟一：將待加密信息經(jīng)過(guò)星座映射和歸一化處理，轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)信息m1,m2,...,m128，對(duì)該符號(hào)信息做idft變換，生成ofdm信號(hào)sofdm(k)(其中k＝1,2,3...128)；

步驟二：根據(jù)公式(2)將生成的ofdm信號(hào)sofdm(k)與所述的人工噪聲信號(hào)sco(k)相疊加，生成加密信號(hào)sco-ofdm(k)：

sco-ofdm(k)＝sofdm(k)+sco(k)(2)

式(2)中k＝1,2,3,...,128；

步驟三：對(duì)加密信號(hào)sco-ofdm(k)依次進(jìn)行加循環(huán)前綴、d/a轉(zhuǎn)換、中頻調(diào)制和上變頻處理，將處理后的加密信號(hào)發(fā)送給信號(hào)接收方；

步驟四：如圖2，信號(hào)接收方收到加密信號(hào)并對(duì)該加密信號(hào)依次做下變頻、中頻解調(diào)、取樣和去循環(huán)前綴處理處理，得到受到信道噪聲干擾的加密信號(hào)dco-ofdm(k)；

步驟五：信號(hào)接收方根據(jù)公式(3)從信號(hào)dco-ofdm(k)中減去所述的離散噪聲信號(hào)sco(k)，得到信號(hào)dofdm(k)，并對(duì)信號(hào)dofdm(k)進(jìn)行dft變換得到符號(hào)信息m1,m2,...,mn。

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

實(shí)施例3

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例提供基于連續(xù)信號(hào)方式的疊加方法，如圖3，具體包括：

步驟一：將待加密信息經(jīng)過(guò)星座映射和歸一化處理，轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)信息n1,n2,...,n128，對(duì)該符號(hào)信息n1,n2,...,n128依次進(jìn)行ofdm調(diào)制和中頻調(diào)制，得到連續(xù)ofdm信號(hào)sofdm(t)，其中0＜t＜0.00008s；

步驟二：對(duì)所述的人工噪聲信號(hào)sco(k),k＝1,2,...,128添加與ofdm信號(hào)長(zhǎng)度相同的循環(huán)前綴后做數(shù)模轉(zhuǎn)化得到模擬信號(hào)，再對(duì)該模擬信號(hào)做與待加密信號(hào)頻率相同的中頻調(diào)制,得到連續(xù)噪聲信號(hào)sco(t)，其中0＜t＜0.000s0；

步驟三：根據(jù)公式(4)將所述的ofdm信號(hào)sofdm(t)與所述的人工噪聲信號(hào)sco(t)疊加，生成加密信號(hào)sco-ofdm(t)；

sco-ofdm(t)＝sofdm(t)+sco(t)(4)

其中0＜t＜0.00008s；

步驟四：對(duì)加密信號(hào)sco-ofdm(t)進(jìn)行上變頻調(diào)制后作為發(fā)送信號(hào)發(fā)送給信號(hào)接收方，信號(hào)接收方接收到發(fā)送信號(hào)后進(jìn)行下變頻調(diào)制，得到受到信道噪聲干擾的加密信號(hào)dco-ofdm(t)；

步驟五：如圖4，信號(hào)接收方根據(jù)公式(5)從加密信號(hào)dco-ofdm(t)中減去所述的人工噪聲信號(hào)sco(t)，得到信號(hào)dofdm(t)；

dofdm(t)＝dco-ofdm(t)-sco(t)(5)

其中0＜t＜0.00008s；

步驟六：信號(hào)合法接收方對(duì)信號(hào)dofdm(t)依次進(jìn)行中頻解調(diào)、同步及取樣、dft變換，得到符號(hào)信息n1,n2,...,n128。

本發(fā)明物理層加密方法安全性分析

本發(fā)明的算法具有比較大的密鑰空間，人工噪聲的子載波頻率是原系統(tǒng)子載波頻率的一部分。人工噪聲信號(hào)和ofdm信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相互干擾，從時(shí)間域來(lái)看，它們是同時(shí)疊加，很難相互分離，仿真結(jié)果如圖5的結(jié)果表明算法從時(shí)域分析是安全的。所以重點(diǎn)從頻率域分析算法的干擾效果，以下主要從子載波正交性、頻譜混疊及載波泄漏、密鑰空間和對(duì)系統(tǒng)固有性能四個(gè)方面分析本發(fā)明加密方法的安全性和可行性。

(1)子載波正交性分析

ofdm系統(tǒng)的重要特性之一就是其子載波滿足正交性，這種正交性保證了其子載波頻譜1/2重疊，提高了頻帶利用率。對(duì)于非法竊聽(tīng)者來(lái)說(shuō)，如果加密算法能夠破壞原系統(tǒng)的子載波的正交性，則可使原系統(tǒng)不能正常解調(diào)，從而保證算法的安全性。下面給出一個(gè)周期內(nèi)加密信號(hào)子載波之間的正交性。

假設(shè)不考慮中頻載波和循環(huán)前綴，則人工噪聲信號(hào)sco(t)可以表示為：

其中g(shù)t為通信中門函數(shù)，t為ofdm周期，l＝1,2,...，2^ν，l,ν為正整數(shù)，其基帶sbco(t)表示為：

ofdm信號(hào)的基帶sbofdm(t)表示為：

式(8)中：

ofdm信號(hào)的基帶表達(dá)式用門函數(shù)寫出，mk是加密信息經(jīng)過(guò)星座映射后轉(zhuǎn)變?yōu)榈姆?hào)信息，是ofdm基帶一個(gè)子載波表達(dá)的固定形式，k表示第幾個(gè)子載波，j表示進(jìn)行運(yùn)算

加密后的信號(hào)基帶表示為：

μ同k的定義相同，均表示為第幾個(gè)，選取任意一個(gè)基帶子載波將其共軛和(4)相乘積分，如式(10)，如果所得結(jié)果為mμ，則說(shuō)明子載波之間的正交性沒(méi)有被破壞，否則說(shuō)明子載波之間的正交性被破壞。

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

因?yàn)?imgfile="bda0001246275000000104.gif"wi="478"he="86"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>所以只要產(chǎn)生的人工噪聲信號(hào)c1,c2,...,cn滿足式(11)條件：

(11)

其中k,h＝1,2,...,n/2^ν,l＝1,2,...2^ν

則式(10)中除了第一項(xiàng)的頻率點(diǎn)外，其它頻率點(diǎn)永遠(yuǎn)都不會(huì)等于mμ。當(dāng)取n＝128，ν＝3時(shí),容易驗(yàn)證(10)式中第一項(xiàng)的頻率點(diǎn)只有8個(gè)，只占總頻率點(diǎn)的6.25％，而(11)的條件很容易滿足，且在生成人工噪聲信號(hào)時(shí)，已經(jīng)判斷滿足，由此證明本發(fā)明提供的加密方法可以有效破壞子載波之間的正交性，證明了本發(fā)明的加密方法的安全性。

(2)頻譜混疊及載波泄露分析

對(duì)(9)式所示的加密基帶信號(hào)做傅里葉變換可得：

sa代表sa函數(shù)，為通信中的定義。

通過(guò)(12)式可以計(jì)算任意子載波頻率2πμ/t,μ∈{1,2,...,n}點(diǎn)的譜密度如下：

由(13)式并結(jié)合圖9我們?nèi)菀卓闯觯?/p>

1)在2π2^νh/t,h＝1,2,...,n/2^ν且為偶數(shù)的頻率點(diǎn)上，人工噪聲信號(hào)頻譜和ofdm信號(hào)頻譜沒(méi)有重疊，人工噪聲信號(hào)沒(méi)有保護(hù)待加密信息。但是在n＝128，ν＝3時(shí)，這樣的頻率點(diǎn)只占總頻率點(diǎn)的6.25％，對(duì)整體數(shù)據(jù)安全影響很??；

2)在2π2^νh/t,h＝1,2,...,n/2^ν且為奇數(shù)的頻率點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的ofdm信號(hào)頻譜對(duì)該點(diǎn)的頻譜產(chǎn)生干擾，同時(shí)人工噪聲信號(hào)頻譜也在這些點(diǎn)相互重疊，其密度為在頻率域相互之間共同保護(hù)了這些頻率點(diǎn)的人工噪聲信號(hào)和正常信號(hào)的安全；

3)在其它頻率點(diǎn)上，ofdm信號(hào)頻譜和人工噪聲信號(hào)頻譜發(fā)生了嚴(yán)重的混疊，實(shí)現(xiàn)相互干擾和保護(hù)，所以不會(huì)出現(xiàn)載波泄漏。

(3)密鑰空間分析

由實(shí)施例1，容易看出本方法的aes加密密鑰o(2¹²⁸)空間，符號(hào)密鑰空間為o(4⁶⁴)＝o(2¹²⁸)，所以攻擊者想要通過(guò)猜測(cè)的方法獲取密鑰是困難的；攻擊者第二個(gè)可能的攻擊點(diǎn)就是通過(guò)頻譜分析獲取(13)式第二部分中，當(dāng)ν＝3,n＝8時(shí)的8個(gè)復(fù)數(shù)系數(shù)的和值但是，由于這8個(gè)系數(shù)是密鑰符號(hào)a1,a2,...,a64經(jīng)過(guò)dft變換后得到的64個(gè)符號(hào)中的一部分，攻擊者要通過(guò)這個(gè)和值得到符號(hào)密鑰，就必須猜測(cè)64個(gè)密鑰符號(hào)，所以其獲取的復(fù)雜度為至少o(4⁶⁴)＝o(2¹²⁸)，同樣非常困難。

(4)對(duì)原系統(tǒng)固有性能的影響

首先由于人工噪聲的帶寬略小于原系統(tǒng)的帶寬，所以加密算法對(duì)原系統(tǒng)的帶寬沒(méi)有任何影響，如圖6所示，其中人工噪聲帶寬為1587500hz(9969500rad)，加密后系統(tǒng)帶寬為1593750hz(10008750hz)；其次對(duì)系統(tǒng)的峰均比影響很小，如圖8所示；對(duì)原系統(tǒng)的誤碼性能影響很小，如圖7所示；所付出的唯一代價(jià)就是增加了原系統(tǒng)的發(fā)射功率，在噪聲功率為原系統(tǒng)功率的1/4時(shí)，總功率增加30％。