基于數(shù)學(xué)模型的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法研究

蔡敏

摘? 要： 目前研究的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法多是在有線通信基礎(chǔ)上研發(fā)的，有效性差，保密能力不好。為此，利用人工噪聲干擾技術(shù)和信息加權(quán)技術(shù)建立一個新的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。在物理層上設(shè)置密鑰和人工噪聲，通過在合法用戶上傳遞保密信息，非法用戶上加入人工干擾降低竊聽端的信噪比。為降低發(fā)射天線端的個數(shù)限制，利用有限碼集特性在竊聽端引入盲符號，實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)竊密保護。為檢測方法的有效性，設(shè)定對比實驗，結(jié)果表明，在引入基于數(shù)學(xué)模型的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法后，信道的保密容量平均增加0.2 bit·s-1·Hz-1，用戶的安全性可以得到有效保障。

關(guān)鍵詞： 無線通信系統(tǒng); 信息保密; 竊密保護; 數(shù)學(xué)模型; 人工噪聲干擾; 信息加權(quán)

中圖分類號： TN918?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）03?0018?04

Research on wireless communication system eavesdropping

protection method based on mathematical model

CAI Min

（School of Mathematics and Physical Science， Xuzhou University of Technology， Xuzhou 221008， China）

Abstract： At present， most of the eavesdropping protection methods of wireless communication system are developed on the basis of wire communication， which has poor effectiveness and confidentiality. In view of this， a new unified mathematical model is created with the artificial noise jamming technology and the information weighting technology. As far as the model is concerned， the secret key and artificial noise are set in the physical layer， the confidential information is transmitted for valid users and the artificial interference is implemented for invalid users to reduce the signal?to?noise ratio of eavesdropping terminal. In order to reduce the number limitation at the transmitting antenna terminals， blind symbols are introduced into eavesdropping terminal according to the characteristics of the limited code set to realize the eavesdropping protection of wireless communication system. Comparative experiments were set up to verify the validity of the method. The results show that the channel confidential capacity is increased by 0.2 bit·s-1·Hz-1 on average after introducing the wireless communication system eavesdropping protection method based on mathematical model， and the user security can be effectively guaranteed.

Keywords： wireless communication system; information confidentiality; eavesdropping protection; mathematical model; artificial noise jamming; information weighting

0? 引? 言

在無線通信系統(tǒng)中，信道具有一定的開放性，信息在傳輸過程中，安全性難以保障，當(dāng)信息被不合法的用戶獲取后，就會帶來安全危害[1]。目前研究的解決無線通信系統(tǒng)竊密方法大多數(shù)都是源于有線通信系統(tǒng)中的竊密方法，例如，在高層設(shè)定密鑰加密信息源，設(shè)定用戶認(rèn)證，這種完全照搬的方法對通信雙方的密鑰要求極高[2]。除此之外，相關(guān)學(xué)者還設(shè)定了跳擴頻技術(shù)，跳擴頻技術(shù)雖然具有較高的安全性，但是接收方必須要具備預(yù)知跳擴頻的能力。無論是密鑰保護法，還是跳擴頻信息序列保護法，一旦出現(xiàn)信息泄露，上述的保密通信方法就會完全失效[3]。

以竊聽端為基點，建立坐標(biāo)系[x]軸、[y]軸，在竊聽端接收信號的同時，加入盲符號，通過盲符號干擾竊聽端的接收結(jié)果，實現(xiàn)有效保護[14]。

4? 實驗研究

為了檢測本文研究的基于數(shù)學(xué)模型的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法的有效性，設(shè)立實驗，根據(jù)實驗結(jié)果進行分析。

4.1? 實驗參數(shù)

實驗參數(shù)如表1所示。

4.2? 實驗結(jié)果與分析

在不同的有用功率分配系數(shù)下，根據(jù)上述實驗參數(shù)進行分析，得到的實驗結(jié)果如下所述：

1） 保密容量測試

根據(jù)圖5可知，在未引入本文研究的基于數(shù)學(xué)模型的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法之前，多用戶的干擾會對第三方產(chǎn)生很大的影響，接收端絕大部分的保密容量都為“0”，加入本文研究方法后，保密容量從整體上得以提高，當(dāng)信道數(shù)大于40，小于100時，接收端的保密容量都大于“0”，用戶可以實現(xiàn)安全通信。

2） 和容量測試

分析圖6可知，由于發(fā)射端會受到功率的限制，所以在進行加密后，無線通信系統(tǒng)的和容量會出現(xiàn)一定的損失，分配的噪聲越大，產(chǎn)生的損失就會越大。當(dāng)系統(tǒng)不存在零空間時，和容量會出現(xiàn)一定的損失，損失量如圖7所示。

由圖7可知，加入本文研究的保密方法后，無線通信系統(tǒng)的信道將不會出現(xiàn)零容量，干擾影響會同時對竊聽端和用戶端產(chǎn)生影響，和容量會出現(xiàn)一定的損害，隨著有功分配系數(shù)的增加，和容量的損失量在逐漸減小，合法用戶接收端越大，保密效果越好，由此可見，本文的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法適用于多個合法用戶接收信息。

3） 竊聽端誤碼率測試

對圖8進行分析，當(dāng)無線通信系統(tǒng)的保密容量不為“0”時，通過本文的保密方法可以很好地提高系統(tǒng)的保密容量，相較于有零空間，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保密容量有所下降，如果信道數(shù)超過70，有用功率分配數(shù)達到0.8時，系統(tǒng)的魯棒性會變得很差，難以實現(xiàn)安全通信。加入本文研究的保密算法后，有用功率分配數(shù)可以控制到0.8以下，大量的人工噪聲干擾竊聽端，從而實現(xiàn)安全通信。

當(dāng)不存在零空間時，人工噪聲的發(fā)射功率會出現(xiàn)降低，保密容量急劇下降，如果條件變差則難以實現(xiàn)安全傳輸。對比圖8，加入本文的無線通信系統(tǒng)竊密保護方法后，竊聽端C的誤碼率始終處于一個較高的水平，人工干擾隨著功率降低而不斷下降，由此可見，本文的方法對人工干擾功率影響很小，該算法具有很好的魯棒性。

5? 結(jié)? 語

無線保密通信是一項復(fù)雜的技術(shù)，不僅要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，同時要進行加權(quán)認(rèn)證，無線信道自身具有互易性和獨有性，需要在物理層對信息進行秘密傳輸，并發(fā)布密鑰。本文利用空域加干擾實現(xiàn)無線保密通信，根據(jù)人工噪聲和信息加權(quán)建立數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，從竊聽者的角度出發(fā)，引入盲符號，從而防止竊聽者獲取有效信息。與此同時，本文在基站端盡可能多地增加發(fā)射天線數(shù)量，并且使用短數(shù)據(jù)幀發(fā)送信息，本文建立的保密方法具有極高的魯棒性，在民用和軍事應(yīng)用上都具有深刻的意義。

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