CN111130594B - 一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,包括以下步骤:发送端与接收端建立通信,信息源获取传输数据得到信息源数据包并传输至信道编码模块进行编码;对编码数据包进行扩频,即通过随机数产生函数得到伪随机码,再将伪随机码进行重复得到扩频码,得到扩频后数据包;将扩频后数据包进行调制,得到调制后数据包;通过温度模拟器将调制后数据包进行功率和温度转换,得到温度信号;在热隐蔽信道接收端,温度传感器读取温度信号,对温度信号进行解调、解扩码、解扩调制、译码,得到传输数据的信息源数据包,并提取有效数据;本发明采用直接序列扩频技术结合温度监控管理,对热隐蔽信道进一步提高热隐蔽信道的传输性能,降低误码率。
Description
技术领域
本发明涉及通信的研究领域,特别涉及一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法。
背景技术
众核系统:在一个芯片上集成大量核心及其相关存储结构,依靠并行化提高计算性能。众核系统拥有大量的内核,芯片上核心之间往往需要相互协助完成任务,核间通信通常依赖于片上网络。片上网络的布局往往较为复杂,且耗费大量的成本;现有技术中,传统的热隐蔽信道非常容易受到干扰,众核芯片上的热隐蔽信道存在容易被信道热噪声干扰的问题,为达到更高精度的攻击,目前需要进一步的提高热隐蔽信道的传输性能,降低误码率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,采用直接序列扩频技术结合温度监控和热度管理,对热隐蔽信道存在容易被信道热噪声干扰的问题进行进一步提高热隐蔽信道的传输性能。
本发明的目的通过以下的技术方案实现:
一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、热隐蔽信道按照规定通信协议将发送端与接收端建立通信,信息源获取传输数据得到信息源数据包并传输至信道编码模块,信道编码模块对该数据包进行编码,得到编码数据包;
S2、对编码数据包进行扩频,即通过随机数产生函数得到伪随机码,再将伪随机码进行重复得到扩频码,用扩频码对编码数据包进行扩频后得到扩频后数据包;
S3、将扩频后数据包进行调制,得到调制后数据包;
S4、通过温度模拟器将调制后数据包进行功率和温度转换,得到温度信号;
S5、在热隐蔽信道接收端,温度传感器读取温度信号,对温度信号进行解调、解扩码、解扩调制、译码,得到传输数据的数据包,并提取有效数据。
进一步地,所述传送数据包括敏感数据,所述敏感数据为二进制比特流。
进一步地,所述敏感数据在每个周期中,以特定长度比特作为该周期内待传输的数据包传给信道编码模块。
进一步地,所述建立通信,具体为:发送端核心向接收端核心发送通信请求信号,接收端正确接收到通信请求信号后,回复是否允许建立通信的ACK应答,发送端核心接收到ACK应答后,对ACK应答进行判断,如果发送端接收到的ACK应答为拒绝通信,则发送端核心终止传送信号,如果发送端接收到的ACK应答为允许通信,则发送端核心开始进行信息发送。
其通信协议具体为:传输从发送方向接收方发送REQ数据包开始并保持等待状态,接收方在接收到REQ数据包的同时向发送方发送ACK数据包。然后,发送端在收到ACK数据包后开始向接收端发送Data数据包。特别地,只有当接收端接收到具有正确前导码的数据包时,接收端才发送ACK数据包给发送端,并且发送端在接收到ACK数据包之后,继续发送Data数据包,否则将不采取任何措施,并且发送端如果在时间间隔t内未收到ACK则重传该Data数据包。一旦所有数据都发送完毕,发送端便向接收端发送一个END数据包以终止发送。
进一步地,所述编码具体为:为信息源数据包添加识别码。
进一步地,所述扩频具体为:通过扩频码发生器进行扩频,即采用伪随机产生函数产生伪随机码,将伪随机码进行重复,得到扩频码,将编码数据包进行扩频,再将其与扩频码进行异或操作得到扩频后数据包。
进一步地,所述调制具体为:先采用单极性归零码对产生信号的功率进行编码,我们通过控制运行高功率程序来控制功率,为了传输比特“1”则先运行高功率程序再保持空闲,即一半高功率一半低功率,为了传输比特“0”则一直保持空闲,即一直低功率。对应于温度为比特“1”被编码为温度先升高再降低,比特“0”被编码为温度基本恒定。为了提高传输的频率,采用OOK通断键控(一种最简单的二进制幅度键控2ASK)进行编码,具体的,根据传输频率和传输速率确定每个比特单次振荡的时间长度,假设传输速率为10b/s,传输频率为100Hz,则比特“1”在0.1s内振荡10次,一个单独的温度升高降低的振荡占10ms,也就是说比特“1”由10个波形连接而成,总时长为0.1s。而对于比特“0”,则在0.1s内均保持温度基本不变。
进一步地,所述步骤S4具体为:根据调制后数据包控制处理器核的功率产生温度变化,将每个处理器核的功率输入温度模拟器中获得温度模拟结果,进而得到温度信号。
进一步地,所述步骤S5具体为:温度传感器模块读取温度信号,通过中心频率等于信号传输频率的带通滤波器来过滤温度信号,再通过低通滤波器进行抽样判决,得到解调之后的二进制数据流,采用解扩码发生器进行解调,得到解扩码,将数据包和解扩码进行异或操作得到解扩数据,再以周期进行解码,得到解码数据包;使用信道译码模块对解码数据包进行译码,即检测识别码,识别码正确则信息正确,识别码错误,则热屏蔽信道接受端忽略该数据包,接受译码正常后的数据包并提取有效数据。
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
本发明采用直接序列扩频技术结合温度监控和热度管理,对热隐蔽信道存在容易被信道热噪声干扰的问题进行进一步提高热隐蔽信道的传输性能,极大降低误码率大大提高了传输信息的可靠性和准确性,并提高了热隐蔽通道的抗干扰能力;对于需要保证信息的精确性的传输有极大的帮助,比如密钥的传输,需要尽可能高的保证传输信息的准确性;基于直接序列扩频的热隐蔽信道在这方面有很大的帮助。
附图说明
图1为本发明所述一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法通信模型图;
图2为本发明所述实施例中通信协议示意图;
图3为本发明所述实施例中基带信号及其傅里叶变换示意图;
图4为本发明所述实施例中伪随机码及其傅里叶变换示意图;
图5为本发明所述实施例中扩频后的信号及其傅里叶变换示意图;
图6为本发明所述实施例中生成伪随机码的3级反馈移位寄存器的结构图;
图7为本发明所述实施例中比特为“1”时功率编码变化示意图;
图8为本发明所述实施例中比特为“1”时温度编码变化示意图;
图9为本发明所述实施例中比特为“0”时功率编码变化示意图;
图10为本发明所述实施例中比特为“0”时温度编码变化示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例:
一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其通信模型如图1所示,包括以下步骤:
第一步、热隐蔽信道按照规定通信协议将发送端与接收端建立通信,信息源获取传输数据得到信息源数据包并传输至信道编码模块,信道编码模块对该数据包进行编码,得到编码数据包;具体如下:
其中,建立通信为:在热隐蔽信道的基线中,发送端和接收端都包含发送过程和接收过程。对于发送端,发送进程用于发送秘密信息包,发送端发送数据包后将其自身转入接收进程以等待来自接收端的ACK数据包,若发送端在指定的时间周期内接收到了来自接收端发送的ACK数据包,这意味着这个周期内秘密信息包的成功传输,若没有在指定的时间周期内接收到来自接收端发送的ACK数据包,则意味着该周期内秘密信息包传输失败。并且发送端在指定的周期内接收到或没有接收到ACK数据包都会转到发送进程。对于接收端,接收过程负责读取并解码出隐藏在温度变化中的数据并记录它们,通过判断前导码是否正确来决定是否发送ACK数据包,若前导码正确,则接收端将其自身转变为发送过程以通知发送端,并在发送完ACK数据包后转到接受进程,若前导码不正确,则接收端直接转到接受进程。该通信协议保持发送端和接收端之间的连接。其通信协议具体为:如图2所示,传输从发送方向接收方发送REQ数据包开始并保持等待状态,接收方在接收到REQ数据包的同时向发送方发送ACK数据包。然后,发送端在收到ACK数据包后开始向接收端发送Data数据包。特别地,只有当接收端接收到具有正确前导码的数据包时,接收端才发送ACK数据包给发送端,并且发送端在接收到ACK数据包之后,继续发送Data数据包,否则将不采取任何措施,并且发送端如果在时间间隔t内未收到ACK则重传该Data数据包。一旦所有数据都发送完毕,发送端便向接收端发送一个END数据包以终止发送。
信息数据包的结构:六位前导码101010+一位ACK码(固定为0)+17位有效信息。
ACK数据包的结构:六位前导码101010+一位ACK码(固定为1)+17个“0”比特。
信息源:信息源负责从待传输的数据读取要传输的数据,所述传送数据包括敏感数据,所述敏感数据为二进制比特流。在每个周期中,敏感数据将特定长度比特(由协议细节决定)作为该周期内待传输的数据包传给信道编码模块。
信道编码:该过程负责为信息源数据包添加识别码,即前导码和ACK码(由协议细节决定)来支持通信协议。
第二步、对编码数据包进行扩频,即通过随机数产生函数得到伪随机码,再将伪随机码进行重复得到扩频码,用扩频码对编码数据包进行扩频后,得到扩频后数据包;具体为:
扩频码发生器:通过伪随机数产生函数产生7位伪随机码,然后将7位伪随机码重复24遍得到168位的扩频码。
扩频调制:实验中将采用7位伪随机码进行扩频。则扩频调制过程先处理信道编码后传来的24位数据包,将24位数据包(每位数据重复7次)扩成168位的数据包,再与扩频码发生器产生的168位扩频码进行按位模二加(异或操作)得到扩频后的数据包。图3-5展示了直接序列扩频的原理,图3为基带信号及其傅里叶变换,图4表示伪随机码及其傅里叶变换,图5为扩频后的信号及其傅里叶变换。扩频码发生器的原理如图6所示,在实际过程中我们是按照如图10的结构实现一个伪随机数生成函数来产生扩频码。
第三步、将扩频后数据包进行调制,得到调制后数据包;具体为:
调制:先采用单极性归零码对产生信号的功率进行编码,我们通过控制运行高功率程序来控制功率,为了传输比特“1”则先运行高功率程序再保持空闲,即一半高功率一半低功率,为了传输比特“0”则一直保持空闲,即一直低功率,具体如图7和图9所示。对应于温度为比特“1”被编码为温度先升高再降低,比特“0”被编码为温度基本恒定,具体如图8和图10所示。为了提高传输的频率,我们采用OOK通断键控(一种最简单的二进制幅度键控2ASK)进行编码,具体的,根据传输频率和传输速率确定每个比特单次振荡的时间长度,例如图8,假设传输速率为10b/s,传输频率为100Hz,则比特“1”在0.1s内振荡10次,一个单独的温度升高降低的振荡占10ms,也就是说比特“1”由10个如图8的波形连接而成,总时长为0.1s。而对于比特“0”,则在0.1s内均保持温度基本不变。
第四步、通过温度模拟器将调制后数据包进行功率和温度转换,得到温度信号;具体为:生成温度信号:通过根据调制的数据包控制处理器核的功耗来产生温度变化。在仿真实验用到了HotSpot仿真器进行功率和温度的转换。HotSpot是一个精确的温度模拟器,并且具有高精度,平均绝对误差率为0.90%,实验将每个处理器核的功率输入到该模拟器中并获得温度模拟结果。
第五步、在热隐蔽信道接收端,温度传感器读取温度信号,对温度信号进行解调、解扩调制、译码,得到传输数据的数据包,并提取有效数据。
具体如下:
接收端:
温度传感器记录:该模块用于从传感器中读取温度数据。仿真实验直接通过HotSpot仿真器模拟得到的温度结果。
解调:通过带通滤波器过滤中心频率等于隐蔽信道的发送频率的热信号。然后,再通过低通滤波器进行抽样判决得到解调之后的二进制数据流。
解扩码发生器:与扩频码发生器功能完全一致。采用解扩码发生器与扩频码发生器同时用周期数对7取余加1作为生成器初始状态参数的方法来实现发送端和接收端的伪随机码同步。
解扩调制:处理来自解调之后的168位数据包。将168位数据包与解扩码发生器产生的168位解扩码进行按位模二加(异或操作)得到168位的解扩数据,再以7为周期,每7位相加大于等于4的解码为1,否则解码为0,最终得到24位数据包。
信道译码:该模块用来检测前导码的正确与否,如果前导码正确,则认为信息正确,接收,如果前导码错误,则接收端将忽略此数据包。
信宿:接受来自信道译码后的数据包,并提取有效数据。
发送机制:发送端通过上述的调制机制将要传输的敏感数据转化成一系列比特流的数据包。在发送端需要传送比特“1”时,通过在发送端核心运行CPU密集型代码固定时间t,然后再保持睡眠状态固定时间t,并交替维持特定时间T,通过设置t和T的值可以调节发送端温度变化的频率,从而产生一定频率的波动温度信号。在发送端需要传送比特“0”时,通过将发送端核心保持睡眠状态,维持特定时间T,从而产生相对稳定的温度信号。
接受机制:接收端核心通过读取温度传感器检测其温度变化,利用带通滤波器分离出特定频率的温度信号,再通过低通滤波器进行抽样判决并通过上述的解调机制得到最终的接收信号。
通信开始时,发送端核心先向接收端核心发送通信请求信号(REQ)。接收端正确接收到通信请求信号(REQ)后,回复是否允许建立通信的ACK应答。发送端核心接收到ACK应答后,如果ACK为拒绝通信,则发送端核心终止传送信号;如果ACK为允许通信,则发送端核心开始进行信息发送。接收端核心接收信号同时,进行温度信号的解码。通信结束时,发送端核心发送特定的END信号并中止通信,接收端核心接收到特定的END信号后中止通信。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、热隐蔽信道按照规定通信协议将发送端与接收端建立通信,信息源获取传输数据得到信息源数据包并传输至信道编码模块,信道编码模块对该数据包进行编码,得到编码数据包;
S2、对编码数据包进行扩频,即通过随机数产生函数得到伪随机码,再将伪随机码进行重复得到扩频码,用扩频码对编码数据包进行扩频后得到扩频后数据包;
S3、将扩频后数据包进行调制,得到调制后数据包;
S4、通过温度模拟器将调制后数据包进行功率和温度转换,得到温度信号;具体为:根据调制后数据包控制处理器核的功率产生温度变化,将每个处理器核的功率输入温度模拟器中获得温度模拟结果,进而得到温度信号;
S5、在热隐蔽信道接收端,温度传感器读取温度信号,对温度信号进行解调、解扩调制、译码,得到传输数据的信息源数据包,并提取有效数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述传输数据包括敏感数据,所述敏感数据为二进制比特流。
3.根据权利要求2所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述敏感数据在每个周期中,以特定长度比特作为该周期内待传输的数据包传给信道编码模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述建立通信,具体为:发送端核心向接收端核心发送通信请求信号,接收端正确接收到通信请求信号后,回复是否允许建立通信的ACK应答,发送端核心接收到ACK应答后,对ACK应答进行判断,如果发送端接收到的ACK应答为拒绝通信,则发送端核心终止传送信号,如果发送端接收到的ACK应答为允许通信,则发送端核心开始进行信息发送。
5.根据权利要求1所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述编码具体为:为信息源数据包添加识别码。
6.根据权利要求1所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述扩频具体为:通过扩频码发生器进行扩频,即采用伪随机产生函数产生伪随机码,将伪随机码进行重复,得到扩频码,将编码数据包进行扩频,再将其与扩频码进行异或操作得到扩频后数据包。
7.根据权利要求1所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述调制具体为:采用单极性归零码对产生信号的功率进行编码,通过控制运行高功率程序控制功率,若传输比特“1”,则先运行高功率程序再保存空闲,即一半高功率一半低功率,若传输比特“0”,则一直保存空闲,即一直低功率;对应于温度,比特“1”编码为温度先升高再降低,比特“0”编码为温度基本恒定;通过采用二进制幅度键控2ASK进行编码,提高传输频率,即根据传输频率和传输速率确定每个比特单次振荡的时间长度。
8.根据权利要求1所述的一种基于直接序列扩频的热隐蔽信道通信方法,其特征在于,所述步骤S5具体为:温度传感器模块读取温度信号,通过中心频率等于信号传输频率的带通滤波器来过滤温度信号,再通过低通滤波器进行抽样判决,得到解调之后的二进制数据流,采用解扩码发生器进行解调,得到解扩码,将数据包和解扩码进行异或操作得到解扩数据,再以周期进行解码,得到解码数据包;使用信道译码模块对解码数据包进行译码,即检测识别码,识别码正确则信息正确,识别码错误,则热隐 蔽信道接受端忽略该数据包,接受译码正常后的数据包并提取有效数据。
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