基于水聲信道傳送信息保密技術(shù)設(shè)計(jì)方案

1、武漢理工大學(xué)班級(jí)：一電子與通信工程153班姓名：_XXX_學(xué)號(hào)：1049731503239教師：XX基于水聲信道傳送信息保密技術(shù)設(shè)計(jì)方案摘要水聲通信技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，具傳輸媒介一一水聲信道是復(fù)雜的時(shí)變和空變的信道，它的多徑效應(yīng)、聲傳播損失等傳輸性質(zhì)嚴(yán)重影響了水聲通信的性能。另外，載波頻率低、傳輸寬帶十分有限以及數(shù)據(jù)速率低等也制約著水聲通信技術(shù)發(fā)展的因素?？諘r(shí)編碼技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展快速的信道編碼技術(shù)，它能夠與調(diào)制技術(shù)想結(jié)合，提高頻率利用率，同時(shí)獲得分集增益和編碼增益，并可以高速地傳輸數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上引入混沌算法來(lái)對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄浴ｊP(guān)鍵詞：水聲通道；分集；空

2、時(shí)編碼；混沌算法ABSTRACTUnderwateracousticcommunicationtechnologyisaresearchhotspot.Underwateracousticchannelastransmissionmediumisacomplextime-varyingandspace-varyingchannel,andthetransmissioncharacteristicssuchasthemulti-patheffect,soundtransmissionlossandtheDopplerEffect,etc.seriouslyinfluencetotheperfor

3、manceoftheunderwateracousticcommunication.Inaddition,thelowercarrierfrequency,limitedtransmissionbandwidthandlowerdatatransferratehavebecomeconstrainingfactorsinthedevelopmentofunderwateracousticcommunication.Therefore,reliablehigh-speedtransmissiontechnologyistheresearchfocusonthefieldofunderwatera

4、coustic.Recently,Spacetimecodingtechniqueshavebeendevelopedrapidly.Itcanbeconbinedwiththemoduletechniquesothatitcanimprovethespeedofthetransmissionofthedataanduseratioofthelowfrequence.Onthisbase,Weputupthechaosencryptionandalgorithmimprovement,theycanbeuseforimprovingthesafetyofthedata.Keywords:Und

5、erwateracousticcommunication,diversity,SpacetimeCoding,chaosencryptionalgorithm1.引言目前，無(wú)線(xiàn)水聲通信技術(shù)是水下通信【1】最主要的方式。其原理是利用聲波在水中的傳播的原理來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸。它在海洋軍事活動(dòng)中以及海洋研究和資源開(kāi)發(fā)，海洋環(huán)境的檢測(cè)應(yīng)用廣泛。隨著目前我國(guó)南海局勢(shì)的緊張，海洋水域水聲通信的保密研究應(yīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。雖然水聲通信與無(wú)線(xiàn)通信有著一定的相似之處，但是在信道帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面有很大的差別【2】。在海洋環(huán)境中，水聲通信具有極其復(fù)雜的時(shí)變、空變和頻變、高噪聲等特性，水聲信道是

6、迄今最為復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)通信信道。水聲信道傳送信息保密設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容水聲信道的研究和信源的編碼。在海洋中，聲場(chǎng)及其信號(hào)的處理面臨著三要素：聲源（即信源），傳播介質(zhì)（即海水），信宿。但是海洋環(huán)境下的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但成本高，而且實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也是受到限制的，因此可以通過(guò)建立水聲信道模型來(lái)研究，許多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)都是從不同側(cè)面對(duì)水聲信道建模來(lái)進(jìn)行研究分析的。本文在總結(jié)目前研究成果的基礎(chǔ)上，提出了基于混沌系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)信息傳輸?shù)谋Ｃ芊桨浮?.水聲信道特性理想的傳輸信道是介質(zhì)均勻無(wú)損的，信息在理想的信道中傳播不會(huì)產(chǎn)生任何畸變。但是實(shí)際在海洋環(huán)境下，由于獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和上下表面，聲波傳播的介質(zhì)空間是非常復(fù)雜的，造成聲

7、波在其中形成了復(fù)雜的反射、折射和散射現(xiàn)象，對(duì)信息的傳輸有著許多不同的影響。從通信的角度來(lái)看：能量的傳播損失，聲傳播的多途效應(yīng)和聲信號(hào)的隨機(jī)起伏【5】。2.1 傳播損失信號(hào)從信源向接收點(diǎn)傳播過(guò)程中，信號(hào)能量會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衰減，這在遠(yuǎn)距離傳輸和高頻應(yīng)用情況下表現(xiàn)的更加明顯。信號(hào)能量的損失是影響信宿接收機(jī)信噪抑制比的重要原因之一。在水聲學(xué)中，通常采用傳播損失來(lái)概括海洋中各種信號(hào)能量損失的效應(yīng)。傳播損失近似于聲能擴(kuò)展和衰減所引起的損失之和。衰減損失包含了吸收、聲能泄露和散射。聲能的吸收是構(gòu)成衰減損失的最主要部分，通常表現(xiàn)為海水介質(zhì)吸收和海底等界面介質(zhì)吸收，由于介質(zhì)的粘滯，熱傳導(dǎo)以及其他過(guò)程也會(huì)引起衰減效

8、應(yīng)，實(shí)際上包含了聲能轉(zhuǎn)換成熱能的過(guò)程。吸收損失也是隨著距離變化而變化的，通常吸收系數(shù)T(DB/Km)來(lái)定量描述。其經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?f是信號(hào)頻率，單位是kh):(1)2.2 海洋環(huán)境噪聲海洋中的噪聲紛繁復(fù)雜，它是海洋介質(zhì)中的重要聲學(xué)性質(zhì)。信號(hào)的發(fā)射，檢測(cè)和識(shí)別、接收機(jī)信噪比都受其影響。按照噪聲產(chǎn)生的原因分類(lèi)，主要有：水動(dòng)力噪聲、海洋生物噪聲、海洋人為噪聲和海洋熱噪聲。水動(dòng)力噪聲是由海浪、海流、潮汐、地震、風(fēng)等所形成的動(dòng)力而產(chǎn)生的，它是最主要的環(huán)境噪聲。2.3 水聲信道多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)是影響水聲通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸性能的重要因素之一。由于傳播介質(zhì)的非均勻性，水聲信道存在多徑效應(yīng)，即在一定波束寬度內(nèi)發(fā)出的聲波

9、由于存在聲線(xiàn)彎曲和界面反射，可沿著不同的幾條路徑到達(dá)接收點(diǎn)。由于路徑的長(zhǎng)度的差異性，導(dǎo)致到達(dá)該點(diǎn)的聲波信號(hào)能量和到達(dá)時(shí)間也不同，從而引起了碼問(wèn)干擾和時(shí)域上幅度衰減，以及頻域上的頻率選擇性衰落。由此可見(jiàn)，如何抑制多徑效應(yīng)對(duì)水聲信號(hào)傳輸帶來(lái)的干擾，甚至利用多徑效應(yīng)來(lái)提高傳輸性能成為解決多徑效應(yīng)的關(guān)鍵。在無(wú)線(xiàn)信道中，空時(shí)編碼技術(shù)和OFDM技術(shù)都能有效的抑制多徑效應(yīng)【8】。3.信源的選擇眾所周知，水下無(wú)線(xiàn)通信大多是通過(guò)聲波來(lái)傳送信息。這是因?yàn)椋瑹o(wú)線(xiàn)電波要想在海水中傳播較大的距離，就必須具有極低的頻率(30-300Hz),除了極低頻率外，無(wú)線(xiàn)電波在水下不能長(zhǎng)距離傳播。在低頻信號(hào)傳輸?shù)难由焓艿较拗?，因?yàn)樗?/p>

10、需要大且功率強(qiáng)的發(fā)射機(jī)，無(wú)線(xiàn)電波在水下的衰減可以用表面深度來(lái)表示，它的信號(hào)衰減1/e的距離【6】。對(duì)于海水，表面深度2=250/Jf,其中f的單位是hz,6的單位是m,例如10khz以上，表面深度是2.5m,如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸這就需要極其長(zhǎng)的天線(xiàn)和極高的傳輸功率，通常是不可實(shí)現(xiàn)的。而光波則受散射影響過(guò)大，能克服散射影響的窄激光傳輸目前還在研究當(dāng)中。相比之下，聲波在水中的傳播性能就好得多。例如，利用深海聲道效應(yīng)，人們甚至遠(yuǎn)在五千公里以外，也能清晰地收到幾磅TNT炸藥爆炸時(shí)所輻射的聲信號(hào)。正是由于上述原因，使得水聲技術(shù)在人類(lèi)的海洋活動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著人類(lèi)對(duì)海洋的需求口益增加，水聲技

11、術(shù)的應(yīng)用也必將更加廣泛。4.空時(shí)編碼技術(shù)分集的主要思想是為接收機(jī)提供發(fā)射信號(hào)的不同副本【7】。若這些副本經(jīng)歷的衰落各自獨(dú)立，那么所有副本同時(shí)經(jīng)歷深度衰落的可能性就很低。為了能夠大大降低衰落的影響同時(shí)提高傳輸可靠性，接收機(jī)合理的將這些副本合并，并對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行可靠地譯碼。發(fā)射信號(hào)的副本可以采用不同的方式發(fā)射。例如，信號(hào)可以在不同的天線(xiàn)、不同的時(shí)隙、不同的頻率或不同的極化方向上發(fā)射。4.1 空間分集空間分集是指在發(fā)射端或接收端由空間分開(kāi)排列的多根天線(xiàn)或天線(xiàn)陣來(lái)實(shí)現(xiàn)分集，因此也稱(chēng)天線(xiàn)分集。為了使多個(gè)天線(xiàn)接收的信號(hào)互不相關(guān)，各個(gè)天線(xiàn)要分開(kāi)一定的距離。它們之間的間隔與天線(xiàn)高度、傳播環(huán)境和頻率有關(guān)。一般情

12、況下，要獲得不相關(guān)的信號(hào)只需要間隔幾個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)即可。發(fā)射信號(hào)副本在空間分集中是以空間冗余形式到達(dá)接收端的，這樣不會(huì)損失帶寬利用率?？臻g分集還可分為發(fā)射分集和接收分集，分別是在發(fā)射端和接收端使用多個(gè)天線(xiàn)?？臻g分集還有兩個(gè)特例，分別是角度分集和極化分集。角度分集利用天線(xiàn)的方向性，從不同角度方向獲得發(fā)射信號(hào)副本。由于它在位置上不需要物理分隔，因此適用于小設(shè)備；極化分集利用的是垂直和水平極化信號(hào)來(lái)獲得分集的【910o4.2 時(shí)間分集在不同時(shí)隙上發(fā)送相同信號(hào)，使接收端可以收到不相干的衰落信號(hào)，這就是時(shí)間分集。所需的最小時(shí)間間隔要大于等于信道衰落過(guò)程相干的時(shí)間周期的統(tǒng)計(jì)測(cè)量值（相干時(shí)間），即衰落速率的倒數(shù)

13、1/fd=c/vfc。若衰落為慢衰落，即信道相干時(shí)間非常大，那么用于時(shí)間分集的時(shí)隙之間的間隔就非常大。這樣，接收端在譯碼處理之前就要忍受巨大的時(shí)延。編碼符號(hào)在發(fā)射到信道。之前都要進(jìn)行交織，盡管增加了時(shí)延，但是它將慢衰落信道轉(zhuǎn)換為快衰落信道，從而更適合于時(shí)間分集。但其潛在的冗余性使頻譜效率較低。4.3 頻率分集利用不同的載波頻率發(fā)射相同的信息就是頻率分集。信號(hào)的副本通過(guò)不同的載波頻率進(jìn)行發(fā)射。為了獲得分集，載波頻率之間的間隔要大于信道的相干帶寬，這樣的情況下，信號(hào)的不同副本經(jīng)歷著相互獨(dú)立的衰落。與時(shí)間分集相似，頻率分集系統(tǒng)的頻譜效率較低。4.4 分集合并不同分集方案產(chǎn)生的信號(hào)的不同副本要通過(guò)適當(dāng)

14、的合并才能提高性能。合并技術(shù)根據(jù)接收端實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和合并方式所需要的信道狀態(tài)信息分為選擇合并、最大比合并、等增益合并和切換合并【11】【12】【13】。1 .選擇合并選擇合并就是系統(tǒng)有選擇地將接收天線(xiàn)數(shù)為、的接收分集系統(tǒng)中符號(hào)間隔處具有最大瞬時(shí)信噪比（SNR）的信號(hào)作為輸出。這時(shí)輸出信號(hào)的SNR與最好的輸入信號(hào)的SNR相等。實(shí)際應(yīng)用中，一般采用信號(hào)和噪聲的功率之和最大的信號(hào)作為輸出。選擇合并的合并增益為nR1(2)G八一ndn由（2）可知，增加一個(gè)接受端，增益只增加1nR2 .最大比合并最大比合并是一種線(xiàn)性合并方式。輸出信號(hào)為所有接收信號(hào)的加權(quán)副本的線(xiàn)性組合即nR(3)r=aji=1（3）式中

15、，n是第i根天線(xiàn)的接受信號(hào)，句是第i根天線(xiàn)的加權(quán)因子。在最大比合并中，選擇每根天線(xiàn)的加權(quán)因子與其信號(hào)電壓的噪聲功率成正比。設(shè)A和e中分別表示接收信號(hào)n幅度和相位即ai=Ae-抑3 .等增益合并等增益合并不需估計(jì)各個(gè)信號(hào)的衰落幅度，而是將所有分支同相后等幅相加，即將（4）式中的A值都設(shè)為1,因此它是一種簡(jiǎn)單的線(xiàn)性合并方法。等增益合并與最大比合并比較，在性能上前者只在邊緣上差于后者，但是在復(fù)雜度上前者要低得多。4 .切換合并切換合并分集系統(tǒng)中接收機(jī)對(duì)于SNR（SNR為信噪比）有特定的門(mén)限，并且只在所有分級(jí)支路中選擇SNR在門(mén)限之上的特定分支，并將其在SNR降到門(mén)限以下之前作為輸出信號(hào)。接收機(jī)將在S

16、NR低于門(mén)限時(shí)進(jìn)行重新掃描并切換到另一分支。5 .二維混沌加密算法對(duì)于保障信息安全的有效方法之一就是對(duì)信息數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行加密。數(shù)據(jù)本身而言其固有數(shù)據(jù)量比較大、能量分布相當(dāng)不均勻、冗余性很高等基本特點(diǎn)，因而我們用一些傳統(tǒng)的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密得不到保證信安全的要求，類(lèi)似于：AES,DES,IDEA等。Shannon提出:什么樣的算法才是好的加密算法只有當(dāng)一種加密算法對(duì)其原有數(shù)據(jù)位置進(jìn)行充分置亂而且在加密后的數(shù)據(jù)中找不到原有的統(tǒng)計(jì)特性，并且同時(shí)該算法對(duì)初始條件具有很強(qiáng)敏感性的加密算法才算是好的算法。這樣可以看出這些都與混沌系統(tǒng)所具有的很多本質(zhì)特性是完全一致的。本文將應(yīng)用混沌系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)初始值和相關(guān)的

17、敏感值、拓?fù)鋫鬟f性等一些特點(diǎn)來(lái)研究設(shè)計(jì)混沌分組的相關(guān)密碼算法【14】。本設(shè)計(jì)采用Arnold映射【15】來(lái)對(duì)原聲波信號(hào)數(shù)據(jù)中原有位置進(jìn)行置舌L這只是對(duì)空域上的位置進(jìn)行變換還不能夠完全的保證信號(hào)數(shù)據(jù)的安全。為了更好更安全，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行加密，必然使其數(shù)據(jù)的值和原有的統(tǒng)計(jì)特性得到充分的改變，甚至沒(méi)有任何規(guī)律可尋。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)后的Logistic映射構(gòu)造相應(yīng)的替換表，利用該表對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)中的每一個(gè)值進(jìn)行替換。改進(jìn)后Logistic形式的映射【16】的定義表達(dá)式：Xn+1=r*Xn*(1-)(5)式中Y為表達(dá)式中相應(yīng)的控制變量，rW(0,4,%w(0,4。該映射的系統(tǒng)最后所形成的序列是由控制變量r值和的

18、初始值X。來(lái)決定的。r取不同的值，其對(duì)Logistic形式的映射系統(tǒng)產(chǎn)生的特性也就不同。由matble仿真結(jié)果可知當(dāng)r3.570時(shí)，系統(tǒng)才可以進(jìn)入混沌，r=4時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入完全混沌。Arnold置亂原理，要在加密中應(yīng)用Arnold映射，必須將Arnold映射離散化并擴(kuò)展成為N*N的形式。表達(dá)式如下所示：Xn11axn_XnI=IImodN=FImodN(6)Un+iJbab+lAYnJ其中F=1a,式子中a和b分別是小于N的整數(shù)，為控制參數(shù)。山ab+1/6.加密和解密過(guò)程1 .對(duì)于聲源信號(hào)的加密具體過(guò)程如下所述【19】，流程圖如圖1所示：第一步，對(duì)密鑰進(jìn)行合理的設(shè)置：在加密過(guò)程中，首先對(duì)算法的參數(shù)

19、進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置Arnold映射的相關(guān)參數(shù)為a,b以及循環(huán)次數(shù)為n;對(duì)于改進(jìn)后的Logistic的形式的映射的相關(guān)放大因子為k、初始值為X。以及迭代的輪數(shù)為L(zhǎng);以及擴(kuò)散時(shí)所需的相應(yīng)初始值為c。=k。第二步，利用新改進(jìn)的Logistic形式的映射來(lái)產(chǎn)生所需的替換表(替換表的長(zhǎng)度由明文數(shù)據(jù)相關(guān)的采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)決定。第三步，為了得到Arnold變換的相應(yīng)的矩陣形式。必須將長(zhǎng)度為M的一維數(shù)據(jù)塊按行劃分為相應(yīng)的NXN的二維方陣并且滿(mǎn)足M=NXN這個(gè)條件。第四步，在步驟三中我們得到了一個(gè)NXN二維方陣，然后，對(duì)此方陣進(jìn)行位置置亂運(yùn)算。第五步，在每一次進(jìn)行置亂運(yùn)算后，都要再經(jīng)過(guò)一輪替換和擴(kuò)散操作第六步，對(duì)第四步和

20、第五步進(jìn)行循環(huán)操作1輪。第七步，上述操作完成得到的相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊即為我們需要最后的密文。2 .解密算法的具體過(guò)程加密的逆過(guò)程就是相應(yīng)的解密過(guò)程【20。具體的操作步驟如下所示，流程圖如圖2所示：第一步，對(duì)解密的密鑰進(jìn)行合理的設(shè)置：在解密過(guò)程中，其算法的參數(shù)與加密參數(shù)一致，設(shè)置Arnold映射的相關(guān)參數(shù)為a,b以及循環(huán)次數(shù)為n:對(duì)于改進(jìn)后的Logistic的形式的映射的相關(guān)放大因子為k、初始值為小;以及擴(kuò)散時(shí)所需的相應(yīng)初始值為C0=k。第二步，在這里需要構(gòu)建解密運(yùn)算時(shí)的替換表，我們所需解密時(shí)的替換表是加密運(yùn)算的過(guò)程中產(chǎn)生的替換表的逆運(yùn)算，在加密算法過(guò)程中我們已經(jīng)得到了加密時(shí)的替換表，所以解密時(shí)所需的

21、替換表。第三步，將之前加密完成后所得到的長(zhǎng)度為M密文的數(shù)據(jù)塊按行劃分為相應(yīng)的NXN的二維方陣并且滿(mǎn)足M=NXN這個(gè)條件。第四步，加密的逆過(guò)程就是相應(yīng)的解密過(guò)程，所以，我們還要進(jìn)行一次反擴(kuò)散和反替換的過(guò)程，進(jìn)行相應(yīng)的反擴(kuò)散運(yùn)算，相應(yīng)的在每一次反擴(kuò)散運(yùn)算中，必須利用在第二步中我們所得到的逆替換表公式來(lái)進(jìn)行反替換運(yùn)算。第五步，在第三步操作過(guò)程中我們得到了一個(gè)二維方陣，我們把這個(gè)方陣用變換公式（6）和之前所介紹過(guò)的置亂過(guò)程對(duì)其數(shù)據(jù)的位置來(lái)進(jìn)行置亂。第六步，對(duì)第四步和第五步進(jìn)行一次循環(huán)。原始數(shù)據(jù)第七步，經(jīng)過(guò)上述的操作所得到的相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，所得到的數(shù)據(jù)塊就是我們需要的明文數(shù)據(jù)。密文數(shù)據(jù)逆擴(kuò)散變化圖2,解密

22、過(guò)程aArnold置亂7.本系統(tǒng)模型圖3,本系統(tǒng)模型圖本系統(tǒng)【4】是一個(gè)發(fā)射端和接收端都裝備多天線(xiàn)元的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。其思想為將發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)端的信號(hào)聯(lián)合起來(lái)，以提高每個(gè)本系統(tǒng)用戶(hù)的傳輸性能和數(shù)據(jù)速率。假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)有個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和7個(gè)接收天線(xiàn)，系統(tǒng)的模型如圖3.參考文獻(xiàn)1KilfoyleDB,BaggeroerAB.ThestateoftheartinunderwateracoustictelemtryJ.IEEEJournalofOceanicEng.,2000,25:4-27.【2】AdamZielinski,YoungHoonYoon,WULixue.PerformanceAnalysi

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