无线通信调制信号的信息安全风险的探讨

无线通信调制信号的信息安全风险的探讨

田智超吴昊

（32151部队054000）

摘要：随着现代社会经济和科学技术不断发展，无线通信也已经渗透到我们生活各个方面当中，其安全性问题也引发人们密切关注和探讨。由于无线通信物理信道具有开放性特征，使得调制信号完全暴露在自由环境当中，而当前的无线通信系统在物理层安全防护上还有待提升，攻击者完全可以利用盲信号处理技术对信号所承载的重要信息进行恢复，也对无线通信造成严重影响。在本文中，结合无线通信调制信号信息安全问题，对非协作通信环境调制信号恢复方法进行分析，并通过仿真实验完成安全风险定性评估，也希望本文研究内容能够为相关人士发挥参考作用。

关键词：无线通信；调制信号；安全风险；分析

通信在现代社会经济发展和人们日常生活中发挥着十分重要的作用，无线通信也因其自身所体现出的不用架线、灵活性较强等特点得到广泛应用，尤其是21世纪比较热门的4G、WLAN、数字电视等。但是因为无线通信信道具有开放性特点，导致所承载的重要信息调制信号被完全暴露在电磁空间当中，安全性问题也引起人们高度重视[1]。现阶段，无线通信相应安全防护措施多建立在链路层或者应用层中，这也为攻击者窃密物理信道提供了便利，也对用户合法通信构成巨大威胁，为避免这一情况发生，也需要加强无线通信调制信号安全风险分析，并提出有效方法，保障合法通信安全。

1无线通信系统模型

如下图1所示，无线通信系统发送与接收模型当中，对二进制数据进行信道编码以后，将其转换成基带模拟信号，然后对功率放大进行天线发射，最后通过模数转换、信道译码等对发送数据进行恢复[2]。在整个传输过程中也会遭受到干扰，为了分析便利性，就需要将通信系统中可能会对信道造成干扰的各种设备融入到传输媒介当中。

图1无线通信系统发送与接收模型

在调制过程中主要是通过映射和调制两个步骤实现，其中映射可以实现比特向多元符号转换，符号既可以是实数信号，又可以是二维平面复信号，信号与信号之间所体现出的映射方式具有多样化特点，针对不同通信技术所采用映射方式也不尽相同。同时，调制信号与发送数据之间存在十分紧密联系，通过信号瞬时特征、统计特征和调制参数也能够实现信号解调译码。

总之，根据无线通信系统模型可以发现，数据发送转变为载波信号发送最为关键的环节在于调制部分，通过映射和调制可以实现信息发送。而在接收模型当中，信号也需要通过模数转换形成基带信号，然后通过映射实现信号解调，最后实现发送数据译码，由此可见信号所承载信息无论是对发送者，还是接受者都十分重要[2-3]。

2无线通信调制信号的信息安全风险

由于无线通信链路具有开放性特点，导致承载重要信息的调制信号被完全暴露在自由环境当中，也加剧了无线通信安全风险，主要体现在以下两方面：（1）任何人都可以利用接收设备对空间信号进行获取，并且开放性的链路也为攻击者窃取重要信息提供便利；（2）现阶段无线通信在物理层安全防护上稍显欠缺，但是相应调制识别、盲信号处理等技术却已经发展足够成熟，即便是在没有先验知识情况下，攻击者也可以利用这些技术对信号所承载重要信息进行解调译码[3]。

考虑到无线通信调制信号具有瞬时性特征，在该特征背景下也直接承载着基带信号信息，通过完成的信号星座图，也可以清晰展现出数字调制所存在映射关系。为对信息安全问题进行有效验证，就需要通过非协作通信恢复调制信号重要信息实现，所涉及到的内容有瞬时幅度、瞬时频率等等。在实际应用过程中，可以充分利用频谱仪对频谱宽带信号进行监测，进而对中心频率进行估计，但是因为受到先验知识、硬件设备精度等制约，导致载波频率有误差，所采集到的基带信号也不够理想，究其原因还是基带信号幅度和相位存在噪声干扰，通过对接收信号进行计算，可以得到基带信号幅度，也就说明在非协作环境下可以对基带信号幅度进行恢复。总之，由于物理层调制过程中缺乏相应安全防护，即便是处于非协作通信环境，信号所承载的重要信息也可以进行恢复，也对通信安全构成极大威胁[3-4]。

3仿真分析

在开展信息安全定性分析时，主要选取无线通信领域中较常运用到的GMSK、QPSK、16QAM信号展开，假设仿真实验均处于非协作通信环境背景下，也不对任何先验知识进行应用，噪声为加性高斯白噪声。其他参数分别为：观察码元个数为N、周期T=1/200S、载频偏差fT=0.1。

针对GMSK信号，其两个基带载频分别为50Hz、-50Hz，表达式为f1=1/(4T)和f2=-1/(4T)，由于GMSK信号调制具有瞬时频率特征，就可以结合瞬时频率估计效果对其存在安全风险展开详细分析。结合下图2所示可以发现恢复信号频率有两种方式，这也与50Hz和-50Hz理论分析相一致。而根据图2也可以发现信噪比降低到15dB的时候，对瞬时频率估计的效果也会大幅度下降，但是依然能够对瞬时频率加以恢复。表明：在非协作通信环境下，对信噪比较高的信号瞬时频率进行恢复，可以借助相位差分法加以实现，同时也可以利用改进算法解决瞬时频率所存在的毛刺问题，说明GMSK信号所承载的重要信息在高信噪比情况下安全风险也相对较高[4]。

图2信噪比分别为30dB、15dB，N=300时GMSK信号瞬时频率

针对QPSK、16QAM信号，由于信号调制特征体现为瞬时相位和幅度，因此需要结合信号星座图恢复效果，对这两类信号所存在的安全风险进行仿真分析。当信噪比分别为6dB和2dB，N=300时，通过QPSK星座恢复效果可以发现，伴随着信噪比不断降低，星座图也呈现出杂散现象，而在信噪比为2dB、观察码元为300个时，QPSK信号星座图比较清晰，聚类个数也正确。由此也说明：即便是降噪比大幅度降低，依然可以对信号星座图进行恢复，进而获取映射规则、调制阶数等信息，也对信息安全构成极大威胁。而16QAM信号星座点数要高于QPSK信号，因此需要更高信噪比和观察码元得到理想星座图恢复效果。

总之，在没有先验知识、信噪比和观察码元个数确定情况下，常规无线通信调制信号瞬时特征、星座图等信息可以恢复，如果在调制方式识别、码元同步等技术支持下，就能够对接收信号进行解调，进而通信安全造成严重影响[4-5]。通过将调制方式加密技术应用到物理层中，可以对基带信息、星座符号等进行加密，进而扰乱极化状态调制，对关键信息进行隐藏和防护，进而保障合法通信安全。

结语：由于无线通信链路所体现出的开放性特征，使得号GMSK、QPSK等常规调制信号存在较大安全威胁，信号所承载的重要信息也容易被窃取，需要加强物理层信号调制过程安全防护，以确保通信安全。

参考文献：

[1]梁莉莉.基于极化状态调制的无线通信调制信息安全防护技术研究[D].中国科学院大学,2017.

[2]朱昭华.无线通信调制信号的信息安全风险研究[J].数字化用户,2018,24(21):157.

[3]魏冬,梁莉莉.无线通信调制信号的信息安全风险分析[J].信息安全研究,2016,2(2):143-149.

[4]李东.无线通信调制信号的信息安全风险分析[J].建筑工程技术与设计,2016,(14):2940,2787.