CN105721151A - 一种ofdm通信系统中信息加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种OFDM通信系统中信息加密方法，适用于使用了OFDM技术的通信系统中对数据进行加密。利用OFDM多址技术将信道分为多个并行的彼此独立的子信道的基本特性，利用每个子信道的调制格式彼此独立各不相同的固有特性作为一种加密手段，即仅需要对调制格式进行加密就能对全部的数据通信提供足够强度的信息加密，同时该加密减少了传统加密方法的系统开销，提高了信息传输效率。

Description

一种OFDM通信系统中信息加密方法
技术领域
本发明涉及采用正交频分复用(OFDM)技术的双向数字通信系统，具体涉及一种OFDM通信系统中信息加密方法。
背景技术
正交频分复用，下文简称为OFDM，是一种进行高速数据传输的调制方案。OFDM调制方案将一组高速率的串行数据流分解为低速率的并行数据流，再用低速率的数据去调制相应的子信道，就形成了多个低速率数据并行发送的传输系统。其特点是，每个子载波相互正交，调制后的频谱可以互相重叠，这不仅减少了子信道间相互干扰，而且还大大提高了频率利用率。
随着信息化的高速发展，人们对信息安全的需求接踵而至，人才竞争、市场竞争、金融危机、敌特机构等都给企事业单位的发展带来巨大风险，内部窃密、黑客攻击、无意识泄密等窃密手段成为了人与人之间、企业与企业之间、国与国之间的安全隐患。数据传输加密技术的目的是对传输中的数据流加密，通常有线路加密与端—端加密两种。线路加密侧重在线路上而不考虑信源与信宿，是对保密信息通过各线路采用不同的加密密钥提供安全保护。端—端加密指信息由发送端自动加密，并且由通信协议进行封装，然后作为不可阅读和不可识别的数据穿过信道，当这些信息到达目的地，将被自动重组、解密，而成为可读的数据
然而，传统的数据加密方式需要通过加密算法对数据信息进行编码，需要占用一定的处理器资源，通常加密强度越高，算法越复杂，占用的资源就越多，并且加密后的数据一般会有一定的冗余，降低通信系统的效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种OFDM通信系统中信息加密方法，适用于使用了OFDM技术的通信系统中对数据进行加密。本发明利用OFDM多址技术将信道分为多个并行的彼此独立的子信道的基本特性，利用每个子信道的调制格式彼此独立各不相同的固有特性作为一种加密手段，即仅需要对调制格式进行加密就能对全部的数据通信提供足够强度的信息加密，同时该加密减少了传统加密方法的系统开销，提高了信息传输效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种OFDM通信系统中信息加密方法，其步骤为：
1)通过OFDM方法将上行信道拆分为若干上行子信道，下行信道拆分为若干下行子信道；终端通过计算获得各个下行子信道中下行调制格式；局端通过计算获得各个上行子信道中上行调制格式；
2)终端将计算所得的下行调制格式进行加密，并通过上行信令帧发送给局端；局端将计算所得的上行调制格式进行加密，并通过下行信令帧发送给终端；
3)局端接收到终端发送的上行信令帧，并对该上行信令帧进行解密得到下行调制格式，局端按照下行调制格式对下行数据进行调制，形成下行数据帧并发送；终端接收到局端发送的下行信令帧，并对该下行信令帧进行解密得到上行调制格式，终端按照上行调制格式对上行数据进行调制，形成上行数据帧并发送；
4)终端接收到下行数据帧后，根据下行调制格式对该下行数据帧进行解调，恢复下行数据；局端接收到上行数据帧后，根据上行调制格式对该数据帧进行解调，恢复上行数据。
所述终端通过接收到下行训练帧对下行信道质量进行评估，计算获得各个下行子信道中下行调制格式；所述局端通过接收到上行训练帧对上行信道质量进行评估，计算获得各个上行子信道中上行调制格式。
所述下行调制格式为MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制；所述上行调制格式为MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制。
所述MPSK相移键控调制为QPSK、8PSK、16PSK或更高阶调制中的一种；NQAM正交振幅调制为8QAM、16QAM、…、4096QAM或更高阶调制中的一种。
所述MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制的调制阶数根据信道质量进行自适应选择或在保证误码率的情况下对每个子信道的调制格式进行随机化选择；或者，所述MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制根据信道质量自适应选择到的调制格式加上一组随机参数作为实际调制格式。
还包括：对每个所述上行子信道中的上行调制格式及下行子信道中的下行调制格式的调制阶数以固定周期进行更新。从而进一步提高数据帧的安全性。
步骤2)和3)中所述加密与解密采用非对称加密算法和/或对称加密算法和/或非对称加密算法与对称算法结合的算法。
每个终端与局端之间都使用步骤1)到4)中的操作对各自的下行数据和下行数据使用不同的调制格式进行安全传输。
通过采取上述的技术方案，相比传统数据加密方式，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种使用了OFDM技术的通信系统中的上行信息数据的加密方法。本发明基于OFDM技术的基本特性和频率选择性信道的特性，OFDM系统中不同子信道计算出的调制格式或人为设计出的调制格式是随机的。例如，在一个2048个子信道的OFDM系统中，如果使用8QAM至4096QAM的10种调制格式，则可能的组合方式多达102048个，因此将信道调制格式作为加密手段，可以保证足够的加密强度。由于信息调制在通信系统中是必不可少的，因此本加密方法没有增加额外的数据加密运算，减小了系统的开销。另外，由于信道参数是时变的，每次信道训练可能得到的调制格式不同，相当于更换了系统的加密密钥，当系统需要更高强度的加密时，可以通过缩短信道训练间隔的方式来加快密钥更换速度，提高系统被破解的难度。总之，本发明提出的加密方法可以极大增强OFDM通信系统的信息安全性，同时减小系统用于数据加密的开销，提高了系统效率。
附图说明
图1是本发明一实施例中OFDM通信系统中信息加密方法中的通信系统示意图；
图2是本发明一实施例中OFDM通信系统中信息加密方法的加密流程示意图；
图3是本发明一实施例中OFDM通信系统中信息加密方法的子载波调制格式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示的OFDM通信系统中信息加密方法中的通信系统示意图，一实施例中，本发明提出的加密方法为：各个终端分别通过发射机产生各自的发射信号，即加密后的数据信号；由于各个终端与局端之间的信道不同，因此发射信号经过不同的信道到达局端；局端针对来自不同信道的数据信号使用不同的参数进行解调得到数据。
图2所示是本发明的OFDM通信系统中信息加密方法的一实施例的加密流程示意图，加密过程包括实施例中的步骤1)至8),分别为上下行信道训练、上下行密钥交互和用户数据加密传输过程。该实施例中OFDM通信系统中的信息加密方法，其步骤包括：
1)局端发送下行训练帧，终端根据下行训练帧，评估信道质量并计算下行数据帧调制格式；
2)终端发送上行训练帧，局端根据上行训练帧，评估信道质量并计算上行数据帧调制格式；
3)局端使用明文发送包含加密公钥的下行信令帧，公钥用于对上行信令帧的加密；；
4)终端使用公钥对上行信令帧进行加密，密文发送包含加密私钥的上行信令帧，私钥用于对之后的上、下行信令帧进行加密；
5)终端对计算好的下行调制格式进行随机化处理，并使用私钥对上行信令帧进行加密，将加密后的下行调制格式通过密文形式的上行信令帧发送给局端；
6)局端对计算好的上行调制格式进行随机化处理，并使用对应终端发送上来的私钥对下行信令帧进行加密，将加密后的上行调制格式通过密文形式的下行信令帧发送给对应终端；
7)经过上述步骤后，终端和局端已经将下一时间段内的上下行调制格式确定并密文发送给对方，此后局端使用终端给出的下行调制格式对下行用户数据进行调制并传输，同样的终端使用局端给出的上行调制格式对上行用户数据进行调制并传输；
8)每过一段固定或不固定的时间，局端发起一次新的信道训练过程，重复步骤1)至6)的过程，将上下行的调制格式更新，相当于更换用户数据的加密密钥。更新的时间间隔可根据用户的安全需求及使用经验设定。
图3所示是本发明的OFDM通信系统中信息加密方法的一实施例的子载波分配示意图，其中1920个有效子载波可以使用本发明中的加密方法进行信息加密。
本发明一实施例中，在步骤1)和2)中调制格式根据信道的特性计算得到，可能是QPSK，8QAM～4096QAM或关闭中的任意一种，每个子载波最多有11种可能的调制格式，整个OFDM符号有112048种可能的调制方式。
本发明一实施例中，在步骤1)和2)中终端还可以在计算所得的调制格式的基础上加上一组随机数生成新的调制格式，随机数的算法和种子可以由终端和局端通过其他加密方式进行约定，进一步提高加密强度。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的一种OFDM通信系统中信息加密方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (8)

1.一种OFDM通信系统中信息加密方法，其步骤为：
1)通过OFDM方法将上行信道拆分为若干上行子信道，下行信道拆分为若干下行子信道；终端通过计算获得各个下行子信道中下行调制格式；局端通过计算获得各个上行子信道中上行调制格式；
2)终端将计算所得的下行调制格式进行加密，并通过上行信令帧发送给局端；局端将计算所得的上行调制格式进行加密，并通过下行信令帧发送给终端；
3)局端接收到终端发送的上行信令帧，并对该上行信令帧进行解密得到下行调制格式，局端按照下行调制格式对下行数据进行调制，形成下行数据帧并发送；终端接收到局端发送的下行信令帧，并对该下行信令帧进行解密得到上行调制格式，终端按照上行调制格式对上行数据进行调制，形成上行数据帧并发送；
4)终端接收到下行数据帧后，根据下行调制格式对该下行数据帧进行解调，恢复下行数据；局端接收到上行数据帧后，根据上行调制格式对该数据帧进行解调，恢复上行数据。
2.如权利要求1所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，所述终端通过接收到下行训练帧对下行信道质量进行评估，计算获得各个下行子信道中下行调制格式；所述局端通过接收到上行训练帧对上行信道质量进行评估，计算获得各个上行子信道中上行调制格式。
3.如权利要求1所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，所述下行调制格式为MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制；所述上行调制格式为MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制。
4.如权利要求3所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，所述MPSK相移键控调制为QPSK、8PSK、16PSK或更高阶调制中的一种；NQAM正交振幅调制为8QAM、16QAM、…、4096QAM或更高阶调制中的一种。
5.如权利要求4所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，所述MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制的调制阶数根据信道质量进行自适应选择或在保证误码率的情况下对每个子信道的调制格式进行随机化选择；或者，所述MPSK相移键控调制或NQAM正交振幅调制根据信道质量自适应选择到的调制格式加上一组随机参数作为实际调制格式。
6.如权利要求1所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，还包括：对每个所述上行子信道中的上行调制格式及下行子信道中的下行调制格式的调制阶数以固定周期进行更新。
7.如权利要求1所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，步骤2)和3)中所述加密与解密采用非对称加密算法和/或对称加密算法和/或非对称加密算法与对称算法结合的算法。
8.如权利要求1所述的OFDM通信系统中信息加密方法，其特征在于，每个终端与局端之间都使用步骤1)到4)中的操作对各自的下行数据和下行数据使用不同的调制格式进行安全传输。
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