CN113347154A - 一种多载波信号加解密方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多载波信号加解密方法及系统，属于通信技术领域。方法包括：对发送数据符号中子载波索引和符号索引均为偶数位置处的符号添加复数加密密钥；经过信道作用后解调，获得实数信号；利用获得的实数信号分别对添加了加密密钥的符号，以及未添加加密密钥的符号进行解密。本发明使用了复数加密密钥对发送端子载波索引和符号索引为偶数处的符号进行加密，复数加密密钥的实部可以对添加密钥位置处的符号进行加密；复数加密密钥的虚部可以对周围存在虚部干扰因子位置的符号进行加密，加密效果得以提高。相比于已有方案对所有时频格添加纯虚数加密密钥，本发明仅对符号索引和子载波索引为偶数的符号添加复数加密密钥，解密方法计算复杂度低。

Description

一种多载波信号加解密方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种多载波信号加解密方法及系统。
背景技术
基于滤波器组多载波的偏移正交幅度调制(Offset Quadrature AmplitudeModulation Based Filter-bank Multicarrier，OQAM/FBMC)是传统正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的一种演进技术，它在每个子载波上引入了具有良好时频聚焦性的原型滤波器，大大降低了信号的频谱旁瓣，并且可以通过设计滤波器来满足各种传输要求来调整信号波形，这些优点使得它在未来的无线通信中很有潜力。OQAM/FBMC作为一种无线通信技术，由于其天然的开放性和广播性，发射机物理通信范围内的任何人都可以接收信号并解码传输，极易受到窃听和干扰等威胁。所以，为了保障位于物理层的OQAM/FBMC技术的安全传输，对OQAM/FBMC的物理层加密技术进行研究是非常有必要的。
在OQAM/FBMC系统中，符号加密是用来实现物理层加密的一种途径。由于加密密钥是符号加密方法中所必须的，因此加密密钥的设计在符号加密方法中起着重要的作用，并且会严重影响安全性能。但是OQAM/FBMC系统的正交性只在实数域成立，发送的实数符号达到接受端解调之后，符号相互之间会产生固有的虚部干扰。由于存在此固有虚部干扰，当对OQAM/FBMC系统的符号进行加密时，会造成解密计算复杂度较高。
现有的OQAM/FBMC系统加密方案对所有时频格采用纯虚数加密，即在原发送符号上加上一纯虚数，对添加位置的符号本身没有加密效果，且所需的加密符号个数较多，加密符号开销较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多载波信号加解密方法及系统，其目的在于解决现有用于多载波系统的信号加解密方法的加密效果较差的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种多载波信号加解密方法，包括：
S1.对发送数据符号中子载波索引和符号索引均为偶数位置处的符号添加加密密钥；所述加密密钥为复数；
S2.对步骤S1得到的信号经过信道作用后解调，获得实数信号；
S3.利用获得的实数信号分别对添加了加密密钥的符号，以及未添加加密密钥的符号进行解密。
进一步地，所述加密密钥实部的表达式为：
Figure BDA0003056753900000021
所述加密密钥虚部的表达式为：
Figure BDA0003056753900000022
其中，At为加密密钥实部最大幅值，Ad为加密密钥虚部最大幅值，u为二进制序列长度，Dm,n为[0,2u]范围内的随机整数。
进一步地，步骤S2中，添加加密密钥的符号经过信道作用后解调，得到的实数信号表达式为：
Figure BDA0003056753900000023
其中，(m1,n1)为添加加密密钥的时频格，xm1,n1为添加加密密钥的符号。
进一步地，步骤S2中，未添加加密密钥的符号经过信道作用后解调，得到的实数信号表达式为：
Figure BDA0003056753900000024
Figure BDA0003056753900000031
其中，(m0,n0)为未添加加密密钥的时频格，
Figure BDA0003056753900000032
为未添加加密密钥的符号，
Figure BDA0003056753900000033
表示加密密钥的虚数部分和固有虚部干扰对
Figure BDA0003056753900000034
共同造成的实值干扰，Ω1是所有添加了加密密钥的时频格集合，
Figure BDA0003056753900000035
表示其他所有添加了加密密钥的时频格对时频格(m0,n0)造成的固有虚部干扰。
进一步地，步骤S3具体包括：
01.添加加密密钥符号的解密：
将添加加密密钥的符号经过信道作用后解调得到的实数信号
Figure BDA0003056753900000036
除以时频格(m1,n1)对应的加密密钥的实部，完成对添加加密密钥符号的解密；
02.未添加加密密钥符号的解密：
通过公式
Figure BDA0003056753900000037
计算时频格(m0,n0)受到的实值干扰
Figure BDA0003056753900000038
将未添加加密密钥的符号经过信道作用后解调得到的实数信号
Figure BDA0003056753900000039
减去得到的
Figure BDA00030567539000000310
完成对未添加加密密钥符号的解密。
进一步地，所述发送数据符号为OQAM调制符号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明使用了复数加密密钥对发送端子载波索引和符号索引为偶数处的符号进行加密，复数加密密钥的实部可以对添加密钥位置处的符号进行加密；复数加密密钥的虚部可以对周围存在虚部干扰因子位置的符号进行加密，加密效果得以提高。
(2)计算复杂度降低。相比于已有方案对所有时频格添加纯虚数加密密钥，本发明仅对符号索引和子载波索引为偶数的符号添加复数加密密钥，解密方法计算复杂度低。
附图说明
图1是本发明提供的一种多载波信号加解密方法流程图；
图2是本发明提供的为发送端子载波索引和符号索引为偶数处的符号添加复数加密密钥示意图；
图3是本发明实施例中，当复数密钥的实部分别取-0.6、-0.7、-1.0时，合法接收方与非法接收方的SER～SNR对比曲线图；
图4为本发明方法与现有方案的对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参考图1，本发明提供了一种多载波信号加解密方法及系统，包括：
(1)发送数据加密步骤，具体为，对发送端子载波索引和符号索引均为偶数处的符号添加复数加密密钥；
具体地，步骤(1)中的发送数据符号为OQAM调制符号。添加加密密钥的符号时频格如图2所示。其中，对发送端子载波索引和符号索引为偶数处的时频格为(m1,n1)的符号添加复数加密密钥后的发送符号表示为
Figure BDA0003056753900000041
其中，xm1,n1为添加加密密钥的发送符号，tm1,n1为加密密钥的实部，
Figure BDA0003056753900000042
为加密密钥的虚部；
由于OQAM/FBMC系统的固有虚部干扰存在以下性质：在OQAM/FBMC系统中，对于任何类型的原型滤波器来说，任意两个时频格在子载波索引之差和符号索引之差都为偶数时，固有虚部干扰因子为0。因此本发明选取偶数处的时频格添加加密密钥，相比目前已有的方案是采用纯虚数密钥、对所有符号添加密钥，本发明采用复数密钥、仅对下标为偶数处符号添加，好处在于：复数加密密钥的实部可以对添加密钥位置处的符号进行加密；复数加密密钥的虚部可以对周围存在虚部干扰因子位置的符号进行加密；仅对下标为偶数处的符号添加密钥，节省加密密钥开销并降低解密计算复杂度。
加密密钥实部的表达式为：
Figure BDA0003056753900000051
加密密钥虚部的表达式为：
Figure BDA0003056753900000052
其中，At为加密密钥实部最大幅值，Ad为加密密钥虚部最大幅值，u为二进制序列长度，At、Ad根据实际功率要求确定，Dm,n为[0,2u]范围内的随机整数。
采用式(1)(2)的加密密钥能够维持较小平均功率时尽量使非法端SER增大。
(2)接收数据解调步骤，具体为，对经过信道作用的信号进行解调，获得信号的实部；
具体地，步骤(2)中对于添加了加密密钥的时频格(m1,n1)，不考虑信道噪声时，接收端解调并均衡后的加密符号表达式为
Figure BDA0003056753900000053
其中，Ω1是所有添加了加密密钥的时频格集合，
Figure BDA0003056753900000054
表示其他所有添加了加密密钥的时频格对时频格(m1,n1)造成的固有虚部干扰，
Figure BDA0003056753900000055
表示加密密钥的虚部部分和固有虚部干扰对加密符号
Figure BDA0003056753900000056
共同造成的实值干扰。由于OQAM/FBMC系统的固有虚部干扰的性质，因此在式(3)中
Figure BDA0003056753900000061
是0，因此实值干扰
Figure BDA0003056753900000062
为0。
对于未添加加密密钥的时频格(m0,n0)，不考虑信道噪声时，接收端解调并均衡后的未加密符号表达式为
Figure BDA0003056753900000063
其中，
Figure BDA0003056753900000064
表示加密密钥的虚数部分和固有虚部干扰对未加密符号
Figure BDA0003056753900000065
共同造成的实值干扰。
Figure BDA0003056753900000066
表示其他所有添加了加密密钥的时频格对时频格(m0,n0)造成的固有虚部干扰；
Figure BDA0003056753900000067
的表达式为：
Figure BDA0003056753900000068
(3)接收数据解密步骤，具体为，对子载波索引和符号索引为偶数的加密符号进行解密，并对其他的未加密符号进行解密。
具体地，步骤(3)具体包括：
(3.1)对于加密符号，将均衡后的符号除以该时频格对应的加密密钥的实部，完成对添加加密密钥的符号的解密；
(3.2)根据加密密钥虚部dm,n、对未添加加密密钥的时频格(m0,n0)造成的固有虚部干扰
Figure BDA0003056753900000069
以及权利要求4中的实值干扰
Figure BDA00030567539000000610
的表达式，计算时频格(m0,n0)受到的实值干扰
Figure BDA00030567539000000611
(3.4)将时频格(m0,n0)在接收端均衡后的符号
Figure BDA00030567539000000612
减去步骤(3.2)中得到的
Figure BDA00030567539000000613
完成对未添加加密密钥的符号的解密。
如图3所示，随着SNR的升高，非法接收方与合法接收方的SER(Symbol ErrorRate，误符号率)差距越来越大，由此可见加密效果良好。
本发明和已有方案的对比如图4所示，具体对比内容如下：调整对比方案的参数Ac＝1.0，本方案的参数At＝0.4、Ad＝0.8，此时本方案的平均功率为对比方案的87％，可以看出，两种方案的非法方的SER几乎相同，但本方案合法方的SER显著低于对比方案合法方SER；调整对比方案的参数Ac＝1.0，本方案的参数At＝0.4、Ad＝1.4，此时本方案的平均功率为对比方案的96％，可以看出，两种方案的合法方的SER几乎相同，但本方案非法方的SER显著高于对比方案非法方SER；通过以上实验可说明：相比于已有方案，本发明提供的方案有更好的加密性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多载波信号加解密方法，其特征在于，包括：
S1.对发送数据符号中子载波索引和符号索引均为偶数位置处的符号添加加密密钥；所述加密密钥为复数；
S2.对步骤S1得到的信号经过信道作用后解调，获得实数信号；
S3.利用获得的实数信号分别对添加了加密密钥的符号，以及未添加加密密钥的符号进行解密。
2.根据权利要求1所述的一种多载波信号加解密方法，其特征在于，所述加密密钥实部的表达式为：
Figure FDA0003056753890000011
所述加密密钥虚部的表达式为：
Figure FDA0003056753890000012
其中，At为加密密钥实部最大幅值，Ad为加密密钥虚部最大幅值，u为二进制序列长度，Dm,n为[0,2u]范围内的随机整数。
3.根据权利要求2所述的一种多载波信号加解密方法，其特征在于，步骤S2中，添加加密密钥的符号经过信道作用后解调，得到的实数信号表达式为：
Figure FDA0003056753890000013
其中，(m1,n1)为添加加密密钥的时频格，xm1,n1为添加加密密钥的符号。
4.根据权利要求2所述的一种多载波信号加解密方法，其特征在于，步骤S2中，未添加加密密钥的符号经过信道作用后解调，得到的实数信号表达式为：
Figure FDA0003056753890000014
Figure FDA0003056753890000021
其中，(m0,n0)为未添加加密密钥的时频格，
Figure FDA0003056753890000022
为未添加加密密钥的符号，
Figure FDA0003056753890000023
表示加密密钥的虚数部分和固有虚部干扰对
Figure FDA0003056753890000024
共同造成的实值干扰，Ω1是所有添加了加密密钥的时频格集合，
Figure FDA0003056753890000025
表示其他所有添加了加密密钥的时频格对时频格(m0,n0)造成的固有虚部干扰。
5.根据权利要求4所述的一种多载波信号加解密方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
01.添加加密密钥符号的解密：
将添加加密密钥的符号经过信道作用后解调得到的实数信号
Figure FDA0003056753890000026
除以时频格(m1,n1)对应的加密密钥的实部，完成对添加加密密钥符号的解密；
02.未添加加密密钥符号的解密：
通过公式
Figure FDA0003056753890000027
计算时频格(m0,n0)受到的实值干扰
Figure FDA0003056753890000028
将未添加加密密钥的符号经过信道作用后解调得到的实数信号
Figure FDA0003056753890000029
减去得到的
Figure FDA00030567538900000210
完成对未添加加密密钥符号的解密。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种多载波信号加解密方法，其特征在于，所述发送数据符号为OQAM调制符号。
7.一种多载波信号加解密系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的多载波信号加解密方法。
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