申请/专利权人：华中科技大学

申请日：2018-09-19

公开（公告）日：2020-05-19

公开（公告）号：CN109413038B

主分类号：H04L29/06(20060101)

分类号：H04L29/06(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.05.19#授权;2019.03.26#实质审查的生效;2019.03.01#公开

摘要：本发明公开了一种信道加密传输方法，属于通信加密技术领域。本发明是在发送端设计一非线性数字滤波器f模拟信道传输特性，当待发送信号经过该非线性滤波器时，信号所在频率位置产生非线性频谱增生和非常数群时延失真：当非线性频谱增生的功率大于原始信号功率时，该信号的信号噪声干扰比将大大降低，甚至变为负值；同时非常数群时延失真则通过增加码间串扰的方式降低原始信号的解调性能；上述两种干扰分别从信号幅度和相位两个方面降低其解调性能；在信号接收端，合作方根据f生成与其幅频响应特性相逆的匹配滤波器f‑1，从而恢复原始信号。区别于传统加密技术，该方法不需要区分所发送的内容，是一种处理速度更快，发送效率更高的加密方式。

主权项：1.一种信道加密传输方法，其特征在于，所述方法包括信号的加密和信号的解密：设信号的加解密过程表示为：zn＝f-1{f[xn]}；其中，xn为原始信号，zn为解密信号；原始信号和解密信号之间满足：zn＝xn-τ，其中τ为常数延时；非线性加密滤波器f和非线性解密滤波器f-1组成一对互逆的非线性时域响应函数；所述f和f-1为带有记忆效应的非线性行为模型，所述f和f-1的记忆非线性效应由有限冲击响应滤波器和非线性模型级联组成；所述非线性加密滤波器f由g和h级联构成，f＝h[g]；其中，g为有限冲激响应滤波器，h为无记忆非线性模型；非线性解密滤波器f-1由h-1和g-1级联构成，f-1＝g-1[h-1]；其中，h-1和h互为逆函数，g-1和g互为逆函数；所述h-1和h的确定方法为：原始信号xn的三阶互调分量的数学表示为|xn|2xn，则加密后输出信号f[xn]表示为：f[xn]＝axn+c|xn|xn1其中，a＝1，c＞0；将加密前后的信号用虚数表示：xn＝i+jqf[xn]＝I+jQ2其中，j表示复数单位，i和q分别表示发射端基带信号的实部和虚部，I和Q分别表示接收信号经过数字下变频处理后所得的基带信号的实部和虚部；将2式代入1式变换后得： 由上式推得的自变量为i，因变量为I的函数I＝hi即为h；i＝h-1I即为h-1；或自变量为q，因变量为Q的函数Q＝hq即为h；q＝h-1Q即为h-1；所述i＝h-1I具体为： 其中，所述q＝h-1Q具体为： 其中，所述滤波器g-1和g的确定方法为：设滤波器g-1和g相对于频率的群延时特性曲线为delaygω和满足， 其中，ω为频率值；确定ω∈[0,π]时，群延时特性曲线delaygω和由群时延的定义知，由delaygω和可分别对ω积分求得滤波器g-1和g的相位函数φgω和由滤波器g-1和g的相位函数满足中心对称的特点，确定ω∈[π,2π]时的滤波器g-1和g的相位函数φgω和由ω∈[0,2π]时的滤波器g-1和g的相位函数φgω和求得全通滤波器的频域响应为： 其中，j表示复数单位，Hgω和分别表示滤波器g-1和g的频域响应；对全通滤波器的频域响应Hgω和进行离散傅里叶逆变换即可求得滤波器g-1和g的时域系数。

全文数据：一种信道加密传输方法技术领域本发明方法属于通信加密技术领域，更具体地，涉及一种信道加密传输方法。背景技术无线通信系统的通信保密性具有战略意义，是一个重要研究问题。目前，传统的加密技术大多作用于通信系统的网络层，其主要原理是基于某种加密算法生成对称密钥或非对称密钥，再利用其对待发送消息明文进行加密，使其转化为可被非合作接收方截获但无法解释的密文，合作接收方则可利用事先约定好的匹配密钥对密文进行解密，使其恢复成可以理解的明文，由此来实现信息的保密传输。但随着数据终端软硬件性能的不断提升，其数据处理速度大大提高，尤其是量子计算技术的发展，理论上甚至可以利用遍历搜索的方法，在可以接受的时间范围内破译密文内容，这严重威胁数据传输安全性。而传统的加密技术只能通过进一步增加密钥长度，提高破解密钥的计算复杂度的方式对数据安全进行保障。密钥长度的增加意味着加密和解密方法的实现难度的增加，这会影响到信息传输时效性。目前较常见的物理层加密技术是利用合作收发双方共有的伪随机序列，如m序列等，对待发送基带信号进行异或XOR操作，改变已调信号的原始符号，从而掩盖待发送的真实信息内容，对于非合作接收方，则因缺失加密序列，无法对密文进行解释。区别于传统加密技术，物理层加密技术实现信息遮掩与隐藏，进而影响非合作方对信息的截获、恢复和破译，对通信系统实现复杂度的影响较低，同时不需要区分所发送的内容，是一种处理速度更快，发送效率更高的加密方式。从通信系统模型的角度来看，类似于上述XOR的加密技术的却是在物理层是完成的，属于物理层加密技术，但该种策略依然未摆脱对加密码本的依赖，这意味着加密码本一旦泄露，通信的保密性和安全性将无法保证。发明内容针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种信道加密传输方法，其目的在于模拟发送信号在物理信道传输过程中产生的信号失真，包括相位失真和非线性失真，利用信号本身的记忆非线性效应，使信息隐藏在看似毫无意义的非线性信号中，对非合作方的信息接收判决环节制造障碍，使得其对接收码的判决毫无意义，进而影响其对信息的截获、恢复和破译。为实现上述目的，本发明提供了一种信道加密传输方法，所述方法包括信号的加密和信号的解密：设信号的加解密过程表示为：zn＝f-1{f[xn]}；其中，xn为原始信号，zn为解密信号；原始信号和解密信号之间满足：zn＝xn-τ，其中τ为常数延时；非线性加密滤波器f和非线性解密滤波器f-1组成一对互逆的非线性时域响应函数；所述f和f-1为带有记忆效应的非线性行为模型，所述f和f-1的记忆非线性效应由有限冲击响应滤波器和非线性模型级联组成。进一步地，在所述有限冲击响应滤波器和非线性模型级联组成结构中，所述有限冲击响应滤波器不限于单级；所述有限冲击响应滤波器和非线性模型的级联顺序不固定；所述非线性模型的类型包括无记忆非线性模型和记忆非线性模型。进一步地，所述有非线性加密滤波器f由g和h级联构成，f＝h[g]；其中，g为有限冲激响应滤波器，h为无记忆非线性模型；非线性解密滤波器f-1由h-1和g-1级联构成，f-1＝g-1[h-1]；其中，h-1和h互为逆函数，g-1和g互为逆函数。进一步地，所述h-1和h的推导方法为：原始信号xn的三阶互调分量的数学表示为|xn|2xn，则加密后输出信号f[xn]表示为：f[xn]＝axn+c|xn|xn1其中，a＝1，c＞0；将加密前后的信号用虚数表示：xn＝i+jqf[xn]＝I+jQ2其中，j表示复数单位，i和q分别表示发射端基带信号的实部和虚部，I和Q分别表示接收信号经过数字下变频处理后所得的基带信号的实部和虚部；将2式代入1式变换后得：由上式推得的自变量为i，因变量为I的函数I＝hi即为h，i＝h-1I即为h-1；或自变量为q，因变量为Q的函数Q＝hq即为h，q＝h-1Q即为h-1。进一步地，所述i＝h-1I具体为：其中，进一步地，所述q＝h-1Q具体为：其中，进一步地，所述滤波器g-1和g的推导方法为：设滤波器g-1和g相对于频率的群延时特性曲线为delaygω和满足，其中，ω为频率值；确定ω∈[0,π]时，群延时特性曲线delaygω和由群时延的定义知，由delaygω和可分别对ω积分求得滤波器g-1和g的相位函数φgω和由滤波器g-1和g的相位函数满足中心对称的特点，确定ω∈[π,2π]时的滤波器g-1和g的相位函数φgω和由ω∈[0,2π]时的滤波器g-1和g的相位函数φgω和求得全通滤波器的频域响应为：其中，j表示复数单位，Hgω和分别表示滤波器g-1和g的频域响应；对全通滤波器的频域响应Hgω和进行离散傅里叶逆变换即可求得滤波器g-1和g的时域系数。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，具有以下技术特征及有益效果：1本发明方法利用通信系统收发链路的物理特性，提出了基于主动记忆非线性变换的物理层信道加密安全通信新方法，该方法模拟发送信号在物理信道传输过程中产生的信号失真，包括相位失真和非线性失真，利用信号本身的记忆非线性效应，使信息隐藏在看似毫无意义的非线性信号中，对非合作方的信息接收判决环节制造障碍，使得其对接收码的判决毫无意义，进而影响其对信息的截获、恢复和破译；本发明方法不依赖于加密码本，非合作方只能通过自适应非线性系统参数辨识的方法对物理信道的失真特性进行估计，以尽可能提高接获信号的解调效果。但只要合作通信方对加密信道的参数进行合理的设置和定期的改变，就可以保证，基于非线性系统辨识的计算成本计算复杂度和时间成本自适应辨识迭代耗时对于非合作接收方是无法接收的，通信安全性大大提高；2本发明方法为收发双方提供了一个物理层加密的基础框架，当待发送基带信号经过所设计的非线性滤波器时，信号所在频率位置产生非线性频谱增生以及非常数群时延失真：当非线性频谱增生的功率大于原始信号功率时，该信号的信号噪声干扰比SINR将大大降低，甚至变为负值；同时非常数的群时延失真则通过增加码间串扰的方式降低原始信号的解调性能；3本发明方法在非常数群延时相位滤波器变换对设计中，尽量使待加密信号所占用频率范围内的群时延曲线相对于频率ω的变化关系更加复杂，可大大增加原始信号的码间串扰，从而使加密后信号的解调效果受到严重影响，从而使加密后信号的解调效果受到严重影响，信号更难于被外界破解；4采用本发明中的加密方法，使用者可为主动加密用户提供了更多加密函数选择，因此灵活度更高，非合作接收方破译难度更大。附图说明图1是本发明方法加解密的数学模型示意图。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。如图1所示，本发明方法加解密设计方法为：1数字非线性加密滤波器的设计目标为zn＝f-1{f[xn]}，即非线性加密滤波器f·和非线性解密滤波器f-1·组成一对互逆的非线性时域响应函数。原始信号xn经过一组加密和解密非线性滤波器输出zn满足zn＝xn-τ，其中τ为常数延时。2分别将非线性加密滤波器f·和非线性解密滤波器f-1·表示为带有记忆效应的非线性行为模型，非线性加密滤波器由有限冲激响应滤波器FIRg·和无记忆非线性模型h·级联构成，其时域函数f·＝h[g·]。3相应的非线性解密滤波器由无记忆非线性逆模型h-1·和有限冲激响应滤波器g-1·级联构成，其时域函数f-1·＝g-1[h-1·]。4得到满足数字非线性加密滤波器的设计目标zn＝f-1{f[xn]}的等价条件为xn＝h-1{h[xn]}和xn-τ＝g-1{g[xn]}，其中，h·和h-1·表示无记忆非线性模型变换对，g·和g-1·是线性滤波器，他们级联后满足通带内群延时为常数的条件。按照非线性失真分量与原始基波信号的频率位置关系可知，三阶互调失真分量位于基波信号左右第一邻信道带宽范围内。因此选取此类非线性失真对原始信号进行幅度干扰，可大大降低其解调性能，以达到加密的效果。假设发射端加密滤波器的无记忆非线性模型输入信号为基带信号xn，其三阶互调分量的数学表示为|xn|2xn，则模型的输出信号yn可以表示为yn＝axn+c|xn|2xn1其中a，c均为正数，为保证加密处理不改变基波信号的信号噪声比SNR，通常令a＝1，并且只有当c＞0时，三阶互调分量功率才可能大于基波信号，从而对基波信号xn进行干扰。为了数学表示简单明确，将式1表示为y＝x+c|x|2x，将x和y的实部和虚部分开表示为：将式2代入式1，再经过变换可得：为避免重复讨论，只讨论式3中的的推导方式与之相同。式中I可以视为自变量i的函数，即I＝hi。并且由于I是关于i的单调递增函数，故存在反函数i＝h-1I可以作为无记忆非线性模型的逆模型。下面求式3中的的反函数，即等价于求解一元三次方程:令则式4可简化为:x3+mx+n＝05假设x＝u+v是方程5的解，将其代入式5得:u+v3+mu+v+n＝0整理得:u+v3uv+m+u3+v3+n＝06如果u和v满足则式6成立。由一元二次方程韦达定理可得，u3和v3是方程:的两个根。解方程7，得:不妨设:则u和v均有三个解，即:其中，又因为则u和v只有三组解，即:则方程5的解为:令判决式则由式8可得：a当Δ＞0时，方程5有一个实根和一对共轭虚根；b当Δ＝0时，方程5有三个实根，其中两个相等x2＝x3；c当Δ＜0时，方程5有三个不相等的实根。因为则方程4的判决式满足即方程4存在唯一实根：令其反函数i＝h-1I表达式为：因此可以选择式3与式10作为非线性加密与解密滤波器的无记忆非线性模型变换对，达到对基带信号xn进行非线性加密目的。假设g·和g-1·相对于频率的群延时特性曲线为delaygω和其中ω为频率值。为满足条件xn-τ＝g-1{g[xn]}，需使则全通非常数延时滤波器的设计流程为：S1、首先确定ω∈[0,π]时，群延时特性曲线delaygω和S2、由群时延的定义φω表示滤波器相位函数知，由delaygω和可分别对ω积分求得其相位函数φgω和S3、为保证滤波器时域系数为实数，需遵循线性滤波器频域设计方法的基本原则，即滤波器的相位函数需满足中心对称的特点，由此可以确定ω∈[π,2π]的相位函数。S4、由ω∈[0,2π]时的相位函数φgω和可以求得全通滤波器的频域响应为：S5、对Hgω和进行离散傅里叶逆变换即可求得滤波器的时域系数，亦即g·和g-1·。以上内容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。

权利要求：1.一种信道加密传输方法，其特征在于，所述方法包括信号的加密和信号的解密：设信号的加解密过程表示为：zn＝f-1{f[xn]}；其中，xn为原始信号，zn为解密信号；原始信号和解密信号之间满足：zn＝xn-τ，其中τ为常数延时；非线性加密滤波器f和非线性解密滤波器f-1组成一对互逆的非线性时域响应函数；所述f和f-1为带有记忆效应的非线性行为模型，所述f和f-1的记忆非线性效应由有限冲击响应滤波器和非线性模型级联组成。2.根据权利要求1所述的一种信道加密传输方法，其特征在于，在所述有限冲击响应滤波器和非线性模型级联组成结构中，所述有限冲击响应滤波器不限于单级；所述有限冲击响应滤波器和非线性模型的级联顺序不固定；所述非线性模型的类型包括无记忆非线性模型和记忆非线性模型。3.根据权利要求1或2所述的一种信道加密传输方法，其特征在于，所述有非线性加密滤波器f由g和h级联构成，f＝h[g]；其中，g为有限冲激响应滤波器，h为无记忆非线性模型；非线性解密滤波器f-1由h-1和g-1级联构成，f-1＝g-1[h-1]；其中，h-1和h互为逆函数，g-1和g互为逆函数。4.根据权利要求3所述的一种信道加密传输方法，其特征在于，所述h-1和h的推导方法为：原始信号xn的三阶互调分量的数学表示为|xn|2xn，则加密后输出信号f[xn]表示为：f[xn]＝axn+c|xn|xn1其中，a＝1，c＞0；将加密前后的信号用虚数表示：xn＝i+jqf[xn]＝I+jQ2其中，j表示复数单位，i和q分别表示发射端基带信号的实部和虚部，I和Q分别表示接收信号经过数字下变频处理后所得的基带信号的实部和虚部；将2式代入1式变换后得：由上式推得的自变量为i，因变量为I的函数I＝hi即为h；i＝h-1I即为h-1；或自变量为q，因变量为Q的函数Q＝hq即为h；q＝h-1Q即为h-1。5.根据权利要求4所述的一种信道加密传输方法，其特征在于，所述i＝h-1I具体为：其中，6.根据权利要求4所述的一种信道加密传输方法，其特征在于，所述q＝h-1Q具体为：其中，7.根据权利要求3所述的一种信道加密传输方法，其特征在于，所述滤波器g-1和g的推导方法为：设滤波器g-1和g相对于频率的群延时特性曲线为delaygω和满足，其中，ω为频率值；确定ω∈[0,π]时，群延时特性曲线delaygω和由群时延的定义知，由delaygω和可分别对ω积分求得滤波器g-1和g的相位函数φgω和由滤波器g-1和g的相位函数满足中心对称的特点，确定ω∈[π,2π]时的滤波器g-1和g的相位函数φgω和由ω∈[0,2π]时的滤波器g-1和g的相位函数φgω和求得全通滤波器的频域响应为：其中，j表示复数单位，Hgω和分别表示滤波器g-1和g的频域响应；对全通滤波器的频域响应Hgω和进行离散傅里叶逆变换即可求得滤波器g-1和g的时域系数。

百度查询： 华中科技大学 一种信道加密传输方法

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