基于数学模型的无线通信系统窃密保护方法研究

蔡敏

摘  要： 目前研究的无线通信系统窃密保护方法多是在有线通信基础上研发的，有效性差，保密能力不好。为此，利用人工噪声干扰技术和信息加权技术建立一个新的统一的数学模型。在物理层上设置密钥和人工噪声，通过在合法用户上传递保密信息，非法用户上加入人工干扰降低窃听端的信噪比。为降低发射天线端的个数限制，利用有限码集特性在窃听端引入盲符号，实现无线通信系统窃密保护。为检测方法的有效性，设定对比实验，结果表明，在引入基于数学模型的无线通信系统窃密保护方法后，信道的保密容量平均增加0.2 bit·s-1·Hz-1，用户的安全性可以得到有效保障。

关键词： 无线通信系统; 信息保密; 窃密保护; 数学模型; 人工噪声干扰; 信息加权

中图分类号： TN918?34                            文献标识码： A                       文章编号： 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

在無线通信系统中，信道具有一定的开放性，信息在传输过程中，安全性难以保障，当信息被不合法的用户获取后，就会带来安全危害[1]。目前研究的解决无线通信系统窃密方法大多数都是源于有线通信系统中的窃密方法，例如，在高层设定密钥加密信息源，设定用户认证，这种完全照搬的方法对通信双方的密钥要求极高[2]。除此之外，相关学者还设定了跳扩频技术，跳扩频技术虽然具有较高的安全性，但是接收方必须要具备预知跳扩频的能力。无论是密钥保护法，还是跳扩频信息序列保护法，一旦出现信息泄露，上述的保密通信方法就会完全失效[3]。

以窃听端为基点，建立坐标系[x]轴、[y]轴，在窃听端接收信号的同时，加入盲符号，通过盲符号干扰窃听端的接收结果，实现有效保护[14]。

4  实验研究

为了检测本文研究的基于数学模型的无线通信系统窃密保护方法的有效性，设立实验，根据实验结果进行分析。

4.1  实验参数

实验参数如表1所示。

4.2  实验结果与分析

在不同的有用功率分配系数下，根据上述实验参数进行分析，得到的实验结果如下所述：

1） 保密容量测试

根据图5可知，在未引入本文研究的基于数学模型的无线通信系统窃密保护方法之前，多用户的干扰会对第三方产生很大的影响，接收端绝大部分的保密容量都为“0”，加入本文研究方法后，保密容量从整体上得以提高，当信道数大于40，小于100时，接收端的保密容量都大于“0”，用户可以实现安全通信。

2） 和容量测试

分析图6可知，由于发射端会受到功率的限制，所以在进行加密后，无线通信系统的和容量会出现一定的损失，分配的噪声越大，产生的损失就会越大。当系统不存在零空间时，和容量会出现一定的损失，损失量如图7所示。

由图7可知，加入本文研究的保密方法后，无线通信系统的信道将不会出现零容量，干扰影响会同时对窃听端和用户端产生影响，和容量会出现一定的损害，随着有功分配系数的增加，和容量的损失量在逐渐减小，合法用户接收端越大，保密效果越好，由此可见，本文的无线通信系统窃密保护方法适用于多个合法用户接收信息。

3） 窃听端误码率测试

对图8进行分析，当无线通信系统的保密容量不为“0”时，通过本文的保密方法可以很好地提高系统的保密容量，相较于有零空间，系统的数据保密容量有所下降，如果信道数超过70，有用功率分配数达到0.8时，系统的鲁棒性会变得很差，难以实现安全通信。加入本文研究的保密算法后，有用功率分配数可以控制到0.8以下，大量的人工噪声干扰窃听端，从而实现安全通信。

当不存在零空间时，人工噪声的发射功率会出现降低，保密容量急剧下降，如果条件变差则难以实现安全传输。对比图8，加入本文的无线通信系统窃密保护方法后，窃听端C的误码率始终处于一个较高的水平，人工干扰随着功率降低而不断下降，由此可见，本文的方法对人工干扰功率影响很小，该算法具有很好的鲁棒性。

5  结  语

无线保密通信是一项复杂的技术，不仅要对传输的数据进行加密，同时要进行加权认证，无线信道自身具有互易性和独有性，需要在物理层对信息进行秘密传输，并发布密钥。本文利用空域加干扰实现无线保密通信，根据人工噪声和信息加权建立数学模型，在此基础上，从窃听者的角度出发，引入盲符号，从而防止窃听者获取有效信息。与此同时，本文在基站端尽可能多地增加发射天线数量，并且使用短数据帧发送信息，本文建立的保密方法具有极高的鲁棒性，在民用和军事应用上都具有深刻的意义。

参考文献

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