CN113556204A - 一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法 - Google Patents

一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法 Download PDF

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CN113556204A CN202010300008.5A CN202010300008A CN113556204A CN 113556204 A CN113556204 A CN 113556204A CN 202010300008 A CN202010300008 A CN 202010300008A CN 113556204 A CN113556204 A CN 113556204A
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Abstract

本发明旨在提供一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法，所提出的方法解决了在无线通信时，信息传输不会因为频谱泄漏而导致物理层加密算法被破解引起信息泄漏的问题，所述方法包括：依据公开的星座映射方式和子载波频率等信息构造实验信号
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。确定子载波序号
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其个数为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，和星座映射集
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，其个数为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。构造差值信号
Figure DEST_PATH_IMAGE012
以及窃听攻击用户通过开放接口获取到的射频接收信号
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。用第
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
个子载波对应的信息或者密钥符号
Figure DEST_PATH_IMAGE016
遍历星座映射集
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
，在
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
遍历
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
的过程中，计算
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，分析
Figure DEST_PATH_IMAGE020
的频谱幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE022
变化，从而确定第
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
个载波上密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
。因此发送端发送的未被截取或者非法篡改的信息符号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，由
Figure DEST_PATH_IMAGE026
个实验信号与接收信号作差即可求得。

Description

一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法
技术领域
本发明涉及数据安全领域，更具体地，涉及一种防止在通信传输过程中被攻击导致泄密的频谱分析保护方法。
背景技术
第三方窃听者在信息传输过程中，普通的加密方法会导致信息泄漏的严重问题。因为第三方窃听者可以利用无线通信系统的广播特性恶意地快速截取到传输信息。然而在作为通信网络的底层的物理层，具备了很多其他层所不拥有的特性，在其设置安全防御机制的优点是，相比于加密数据而言，物理层是对传输符号进行直接加密后传输，因此不仅对底层的开放无线链路提供非常有效防御和保护，还大大降低加密算法的复杂度，对无线窃听和非法基站等不法行为都加强了防护。
因为没有考虑到信息传输时射频端频谱泄漏带来的安全隐患，如今现有的物理层加密算法的安全性分析和设置都是在正交频分复用系统的基带完成。因此，需要一种新型的基于物理层安全算法的频谱分析保护方法，防止信息泄漏，确保数据传输安全。
发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明旨在提供一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法，所提出的方法解决了在无线通信时，信息传输不会因为频谱泄漏而导致物理层加密算法被破解引起信息泄漏的问题。
本发明针对的是一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法，所述方法可以包括：依据公开的星座映射方式和子载波频率等信息构造实验信号
Figure 660744DEST_PATH_IMAGE001
。确定子载波序号
Figure 346941DEST_PATH_IMAGE002
，其个数为
Figure 553931DEST_PATH_IMAGE003
，和星座映射集
Figure 667381DEST_PATH_IMAGE004
，其个数为
Figure 576300DEST_PATH_IMAGE005
。构造差值信号
Figure 800608DEST_PATH_IMAGE006
以及窃听攻击用户通过开放接口获取到的射频接收信号
Figure 127684DEST_PATH_IMAGE007
。用第
Figure 349718DEST_PATH_IMAGE002
个子载波对应的信息或者密钥符号
Figure 496665DEST_PATH_IMAGE008
遍历星座映射集
Figure 524664DEST_PATH_IMAGE004
，在
Figure 706247DEST_PATH_IMAGE008
遍历
Figure 161499DEST_PATH_IMAGE004
的过程中，计算
Figure 61322DEST_PATH_IMAGE009
，分析
Figure 516181DEST_PATH_IMAGE010
的频谱幅值
Figure 552270DEST_PATH_IMAGE011
变化，从而确定第
Figure 178423DEST_PATH_IMAGE002
个载波上密钥
Figure 299963DEST_PATH_IMAGE008
。因此发送端发送的未被截取或者非法篡改的信息符号
Figure 669764DEST_PATH_IMAGE012
，由
Figure 825939DEST_PATH_IMAGE013
个实验信号与接收信号作差即可求得。
所述的星座映射是指将携带数字信息的比特序列映射成适于传输的符号序列。星座映射包含两个要素，分别是星座图和星座点映射方式。星座图代表星座映射输出符号的所有取值组成的集合，星座图中的每一个点对应输出符号的一种取值。星座点映射方式代表输入比特或比特组到星座点的特定映射关系、或者星座点到比特或者比特组的特定映射关系，通常每个星座点与一个比特或者多个比特组成的比特组一一对应。
所述的实验信号
Figure 622994DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 153201DEST_PATH_IMAGE015
。其中，
Figure 61114DEST_PATH_IMAGE002
表示子载波序号，
Figure 71796DEST_PATH_IMAGE016
表示和第
Figure 39752DEST_PATH_IMAGE002
个子载波对应的信息或者密钥符号，
Figure 135884DEST_PATH_IMAGE004
表示信息的星座映射集，
Figure 847488DEST_PATH_IMAGE003
表示子载波个数。
所述的密钥符号
Figure 119200DEST_PATH_IMAGE008
是指加密算法未破坏的原始调制符号。
所述的星座映射集
Figure 258057DEST_PATH_IMAGE017
即为星座图，
Figure 575906DEST_PATH_IMAGE017
中的元素为有限个，例如8QAM，只有8个元素。
所述的差值信号
Figure 91201DEST_PATH_IMAGE018
，在
Figure 76475DEST_PATH_IMAGE016
遍历
Figure 386233DEST_PATH_IMAGE019
的过程中，针对第
Figure 676532DEST_PATH_IMAGE002
个子载波，其对应的密钥
Figure 729938DEST_PATH_IMAGE016
，可以通过计算在频率点
Figure 569718DEST_PATH_IMAGE020
处相对应的频谱幅值
Figure 191324DEST_PATH_IMAGE021
的变化而得到。
所述的发送端发送的未被截取或者非法篡改的信息符号
Figure 749344DEST_PATH_IMAGE012
，由
Figure 340862DEST_PATH_IMAGE022
个差值信号与接收信号作差即可求得。
附图说明
图1示出了根据本发明示例实施例的频谱分析保护方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例提供一种频谱分析保护方法。
首先，在步骤S101依据公开的子载波频率和星座映射方式等信息构造关系的实验信号
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，且实验信号
Figure 284416DEST_PATH_IMAGE024
有且只有
Figure DEST_PATH_IMAGE025
种形式。
其次在步骤S102确定子载波序号
Figure 873661DEST_PATH_IMAGE026
。
其次在步骤S103确定星座映射集
Figure DEST_PATH_IMAGE027
。
在步骤S104通过开放的无线链路获取密文射频接收信号
Figure 548005DEST_PATH_IMAGE028
。然后构造差值信号
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，计算
Figure 943215DEST_PATH_IMAGE030
。
在步骤S105分析
Figure 757587DEST_PATH_IMAGE029
的频谱幅值变化。当频率点
Figure 580049DEST_PATH_IMAGE020
对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE031
与
Figure 581503DEST_PATH_IMAGE016
相等时，该点的频谱消失或者幅度减小；如果频率点
Figure 780404DEST_PATH_IMAGE020
对应的
Figure 449282DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 442646DEST_PATH_IMAGE016
不相等时，则该点的频谱幅度将增加。
在步骤S106通过观察差值信号
Figure 196976DEST_PATH_IMAGE029
频谱中频率点
Figure 199567DEST_PATH_IMAGE020
处的幅值
Figure 909903DEST_PATH_IMAGE021
大小判断
Figure 74168DEST_PATH_IMAGE031
，若幅值存在则
Figure 315793DEST_PATH_IMAGE033
，重复步骤S103到步骤S106直到幅值不存在。
若是幅值不存在，则在步骤S107中可确定原始信号中载波
Figure 856496DEST_PATH_IMAGE020
上所携带的信号符号
Figure 234388DEST_PATH_IMAGE031
。但是在实际信道环境中，
Figure 976079DEST_PATH_IMAGE034
处的值
Figure 439421DEST_PATH_IMAGE011
因为噪声干扰和信道环境而在0上下浮动。因此，取一个阈值
Figure 268968DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 501366DEST_PATH_IMAGE036
为两星座之间除0以外的最小距离)，由最小的差值找到与
Figure 413958DEST_PATH_IMAGE031
最接近的星座点
Figure 364597DEST_PATH_IMAGE016
，从而确定
Figure 247102DEST_PATH_IMAGE031
的具体取值。因此发送端发送的未被截取或者非法篡改的信息符号
Figure 599586DEST_PATH_IMAGE012
，便由
Figure 542134DEST_PATH_IMAGE013
个实验信号与接收信号作差求得，即重复步骤S102到步骤S107，直到
Figure 980069DEST_PATH_IMAGE037
则结束。

Claims (6)

1.一种基于物理层安全算法的频谱分析保护方法，所述方法包括：
依据公开的星座映射方式和子载波频率等信息构造实验信号
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
确定子载波序号
Figure 301077DEST_PATH_IMAGE002
，其个数为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，和星座映射集
Figure 508067DEST_PATH_IMAGE004
，其个数为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
用第
Figure 621517DEST_PATH_IMAGE002
个子载波对应的信息或者密钥符号
Figure 687693DEST_PATH_IMAGE006
遍历星座映射集
Figure 912001DEST_PATH_IMAGE004
；
构造差值信号
Figure DEST_PATH_IMAGE007
以及窃听用户通过开放接口获取的射频信号s(t)，在
Figure 239077DEST_PATH_IMAGE006
遍历
Figure 257848DEST_PATH_IMAGE004
的过程中，计算
Figure 670375DEST_PATH_IMAGE008
；
分析
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的频谱幅值
Figure 183527DEST_PATH_IMAGE010
变化，从而确定第
Figure 365110DEST_PATH_IMAGE002
个载波上密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
将
Figure 820362DEST_PATH_IMAGE012
个差值信号与接收信号作差，即可得到发送端发送的未被截取或者非法篡改的信息符号
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
2.根据权利要求1所述的方法，其中构造的实验信号
Figure 579239DEST_PATH_IMAGE014
来源于公开的星座映射方式和子载波频率。
3.根据权利要求1所述的方法，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 145350DEST_PATH_IMAGE016
;其中确定子载波序号
Figure 447018DEST_PATH_IMAGE002
，其个数为
Figure 73172DEST_PATH_IMAGE003
，和星座映射集
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其个数为
Figure 132395DEST_PATH_IMAGE018
，并生成实验信号
Figure 502196DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述的密钥符号
Figure 552978DEST_PATH_IMAGE020
是指加密算法未破环的原始调制符号。
5.根据权利要求1所述的方法，所述差值信号
Figure 350033DEST_PATH_IMAGE021
，在
Figure 958869DEST_PATH_IMAGE020
遍历
Figure 866782DEST_PATH_IMAGE017
的过程中，针对第
Figure 611884DEST_PATH_IMAGE002
个子载波，其对应的密钥
Figure 579840DEST_PATH_IMAGE020
，可以通过计算在频率点
Figure 862923DEST_PATH_IMAGE022
处相对应的频谱幅值
Figure 574527DEST_PATH_IMAGE023
的变化而得到。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述发送端发送的未被截取或者非法篡改的信息符号
Figure 439715DEST_PATH_IMAGE013
，由
Figure 578572DEST_PATH_IMAGE024
个差值信号与接收信号作差即可求得。
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高宝建，胡云，胡丽娜: ""物理层加密算法的频谱分析攻击方法"", 《计算机工程》 *

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