基于中频直接采样的物联网5G 通信安全控制研究

2023-02-10张雪燕

电子设计工程 2023年3期

宋科，张雪燕

（1.四川航天职业技术学院电子工程系，四川广汉 618300；2.成都航空职业技术学院教务处，四川成都 610100）

在物联网快速发展背景下，5G 移动通信网络的移动数据容量增加了1 000 倍，接入到5G 移动网络中的移动设备增加了100 倍，数据流量的激增以及移动设备数量的增加，导致物联网5G 通信安全逐渐受到威胁。同时，在物联网5G 通信系统中，存在着大量的敏感和私密信息，这些敏感和私密信息包括就诊记录、网上浏览记录、购买记录、转账记录等，这些交互信息需要通过无线信道进行传输，一旦被泄露或窃取，将会对网络用户造成损失，因此为了保证物联网5G 通信安全[1-2]，国内的专家学者对此展开了一系列的研究。文献[3]提出了基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法，该方法将RSC 与中继协作传输模型结合起来，通过结合后的多天线接收方案来扩大5G 通信范围，该方法对敏感与私密信息进行了很好地加密，但5G 通信安全中断概率较高。文献[4]提出了基于Q-learning 的物联网5G 通信安全控制方法，该方法建立了防窃取节点模型，将中继最优功率进行选择分配，并计算出信息传输安全概率，该方法简单，但安全性能较差，消耗时间较长。

为了解决以上问题，该文提出了基于中频直接采样的物联网5G 通信安全控制方法，该方法采用中频直接采样技术提升5G 移动网络的可靠性和稳定性，最后通过实验验证了该文方法的实际工作效果。

1 通信安全控制模型

中频直接采样下的物联网5G 通信主要是针对线性调频方面而实现的信息传输，采用线性调频可以减少外部杂乱峰值功率对宽带中主要信息的影响程度，在通信安全控制方面可以通过模型的方式实现中频直接采样在物联网5G 通信环境的模拟。

正常情况下的模拟环境主要对宽带信号噪声进行处理，再降低周边目标信息对脉动信号和采集回波的干扰，并以标准的回波信号作为频率参考，方便后期工作人员对线性调频技术的控制，有些复杂的信号环境还需要进行性能补偿和失真测试步骤，随着相关技术的发展，人们已经熟练应用硬件设备来替换一部分人工操作步骤，较大程度上增加了中频信号采样的精准性，同时也压缩了脉冲波在宽带中的处理时间，为通信安全减小了时间方面的负担[5]。

物联网5G 通信受到用户威胁程度较小，受到黑客的威胁程度较大，高端的黑客可以直接对物联网通信环境中的网络进行信号提取，在安全控制模型中为了应对这种黑客对宽带信号的直接攻击，首先应当强化物联网5G 通信线路防火墙，利用特定的信号线路作为用户与用户之间信号的传输途径。

物联网5G 通信宽带中还会存在其他的链路，但是其他链路大多数只能在主链路时隙内进行私密信号的传输，并且还需要该链路寻找到准确的数据传输节点[6-7]。

该文考虑到物联网5G 通信安全控制模型建设初期的简易性，在模型中以传统的硬件信号传输端口设置信号采集模块，充分利用宽带中的输出功率，控制电路中损耗与信号传输效率，如下所示为电路损耗与信号传输效率之间的关系表达式：

其中，Pout代表信号输出功率，X、Y分别代表电路损耗和信号输出效率。基于中频直接采样的物联网5G 通信安全控制模型如图1 所示。

图1 物联网5G通信安全控制模型

2 通信安全控制参数采集

2.1 参数选取

中频直接采样的样本参数选取是在物联网5G通信安全控制模块的服务器中实现的，在选择参数的过程中会利用椭圆曲线定理，参照通信环境中参数的分布状态确定样本的私钥，最后在服务器中公布私钥详细信息[8-9]。参数的选择在整个中频直接采样流程中只进行一次，将所获取的密钥直接传递到通信执行空间中，等待物联网相关节点的识别与信息提取，即完成了样本参数的选取[10-12]。

2.2 设备登录

设备登录的主要作用是获取物联网5G 通信节点中的PUF 参数，确定通信链路周边环境的安全性，服务器会在节点中发出安全参考信号，当设备登录时便可以直接对节点所响应的信号内容实现提取，并将原来存在的设备信息初始化。新的参数分成多组同时储存在通信链路访问接口上，对外进行协议信息交换，对内进行PUF 参数的实时响应[13]。

2.3 密钥分配

密钥分配是中频直接采样的最后一步，也是最为重要的一步，直接决定采集样本的传输位置。在进行密钥分配的过程中首先要确定设备登录的PUF信息，保证是用户本人对密钥相关信息进行操作；其次，用户要表明密钥信息在数据库中处于可查询状态，并可以随时对外部的通信信息进行应答；然后验证通信链路中安全信息的正确性，对用户信息进一步地确认和发送身份认证消息，用户做出精准应答，则证明密钥分配处于安全状态，若用户没有或没做出精准应答，则密钥停止分配；最后在密钥群中寻找部分私钥，计算出私钥的验证消息，进而验证私钥的合法性与完整性，验证完毕后方可进入到数据库中对其中的样本参数进行识别与提取[14]。

3 通信安全控制的信息传输

物联网5G 通信安全的重点是保障信道与信息链路的安全，待传输信息通过密钥分配后进入信息链路的流程图如图2 所示。

图2 信息进入传输链路流程图

根据图2 中的信息计算方式进行计算，能够提取出传输信息的明文信息和秘密参数信息，经过加密流程后便可以安全传输，若没有经过计算，则信息不能顺利通过链路到达信息接收端口[15-16]。

针对中频直接采样的不可重复性特点，该文以“密钥分配过程能够实现交互设备间的双向身份认证”作为安全分析理论基础，对独一的PUF 响应信息提供双向认证条件，使其在认证的过程中实时保证设备的鲜明性和独立性。相应信息还要经过合法途径的认证，对于其他途径的认证方式一律不采取，并在服务器端口发送攻击性预警。

该文主要从信息的连接中断概率、安全中断概率和表征信息安全性三方面研究信息传输流程。当用户端接收到信息时，首先应当确定对方的身份并截取私密信息内容传输状态，向服务器端口发送链路状态，验证信息传输过程中是否存在连接中断问题，一般情况下黑客常常在连接中断位置进行信息获取，将信息内容复制后继续使信息传递到用户接收端。安全信息的中断也是信息传输过程中常见的安全性问题，可以联合多个运输链路对黑客进行干扰即可解决该问题。表征信息安全最大的威胁是黑客对该信息传输路径进行独立窃取，不易被信息的传送端与接收端发现，需要在链路上设置安全保护域才可以识别出黑客位置，设置保护域还可以防止黑客的联合窃听，所制定的阈值和门限等参数均需要黑客的长时间计算，这样便保证了物联网5G通信安全控制能力。

4 实验研究

为验证该文提出的基于中频直接采样的物联网5G 通信安全控制方法的实际使用效果，将基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法与该文方法进行对比实验。实验的相关参数设置如下：网络节点数量为200 个，源节点的传输速率为1.5 bit/s，额定传输速率为5.0 bit/s，窃取节点的数量为100 个，传输速率为4.5 bit/s，为了保证实验结果的严谨性和有效性，节点传输过程中产生的高斯白噪声始终为1。

首先对比该文方法与基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法的安全中断概率。网络节点在进行信息传输时，会将网络信号通过无线信道传输给源节点，传输过程中由于信道增益的增加以及窃取信号的干扰，信息传输会发生短时间的中断，采用控制方法对信息传输进行控制，如果安全中断概率与理论结果保持一致，说明窃取信号没有将信息传输到窃取节点，信息处于安全状态。该文方法与基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法的安全中断概率结果如图3 所示。

图3 安全中断概率实验结果

由图3 可知，采用该文提出的基于中频直接采样的物联网5G 通信安全控制方法后，安全中断概率结果与理论曲线基本保持一致，这说明该文所提的控制方法可以保证网络节点传输的信息不被窃取，保证了5G 通信的安全，而采用基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法对网络节点进行控制后，安全中断概率结果偏离理论曲线，说明基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法不能保证5G 通信的安全，出现了信息被窃取的现象。

此外，在该文方法的安全中断概率结果中，当窃取节点为80 个时，该文方法的安全中断概率最小，而基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法的安全中断概率远远偏离理论结果，说明在窃取节点数量为80 个时，窃取信号对5G 通信的干扰最强，而该文方法依然可以保证信息的安全传输，安全性较高。

为了更直观地对比该文方法与基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法的性能，设置网络节点单次传输10 组信息，在以上设置的实验环境下重复进行10 次，对比两种方法在信息安全传输过程中消耗的时间，实验结果如图4 所示。

图4 传输过程消耗时间实验结果

通过对实验结果的分析可知，采用该文提出的基于中频直接采样的物联网5G 通信安全控制方法，在进行10 次信息传输过程中，每组信息传输消耗的时间均在0.9 s 以内，而基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法在10 次信息传输过程中，每次传输信息所消耗的时间至少在1.2 s 以上，该文方法消耗的时间与基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法相比，缩短了至少25%，由此证明该文方法可以更快地进行信息传输。

10 次信息传输过程中，该文方法与基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法的性能对比图如图5 所示。

由图5 可知，随着源节点传输速率的不断增加，两种方法的窃取节点的数量均呈下降趋势，主要由于在传输过程中，信道增益的衰减情况得到了改善，然而在不同的传输速率下，该文方法的窃取节点数量均低于基于全双工多天线的物联网5G 通信安全控制方法。这是因为该文方法在信息传输过程中，采用的是多径传输，即使某条传输路径出现了中断，其他路径也能保证信息的安全传输，由此可知该文方法的传输性能较好。