基于5G通信技術的數字多媒體信息傳輸系統設計*

史媛芳

(安徽國防科技職業學院 安徽六安 237011)

數字多媒體是以信息科學和數字技術為主的一種新的信息載體，其主要包含圖像、文字以及音頻和視頻等多種表達形式，在傳播過程中采用數字化的處理過程[1]。數字多媒體信息在使用過程中，應可靠完成該信息的傳輸。信息傳輸指的是以網絡為依據，將所需信息從一端傳送至另一端并且成功接收的過程；在該過程中使用網絡可以為有線網網絡、無線網絡、移動網絡等[2]。數字多媒體信息應用領域較為廣泛，應保證傳輸過程的有效性、可靠性以及安全性。文獻[2]為實現信息的有效傳輸，保證其在遠距離下的傳輸效果，設計遠距離的信息傳輸系統；但是該系統應用過程中，如果傳輸的信息為視頻信息，則傳輸延時較大。文獻[4]為保證信息傳輸過程中的安全性，以擴展貝葉斯方法為依據，提出相關的信息安全傳輸方法，該方法在應用過程中，如果用戶數量較多時，則傳輸的安全性會下降。5G通信技術作為新一代的寬帶移動技術，具有高速率、低時延、連接大等特點，能夠滿足當下高清視頻等大數據量的傳輸需求。

1數字多媒體信息傳輸系統

1.1基于5G通信技術的信息傳輸系統結構

文章設計基于5G通信技術的數字多媒體信息傳輸系統，該系統整體分為3個模塊，分別為多媒體信息管理模塊、通信模塊以及應用模塊，多媒體信息管理模塊將整合以及采集的數字多媒體信息進行初步處理后，通過通信模塊的5G核心承載網進行傳輸，用戶通過應用模塊的接收單元接收傳輸的多媒體信息。系統結構如圖1所示。

圖1 基于5G通信技術的信息傳輸系統結構

1.2通信模塊設計

1.2.1 5G核心承載網結構 5G核心承載網是系統通信模塊的核心部分，是保證數字多媒體信息可靠傳輸的依據，文章充分考慮數字多媒體信息的數據量大、類別較多等特點，并結合用戶端類型的差異，完成通信模塊設計。該模塊以5G核心承載網為核心，在保證資源可靠傳輸的基礎上，還需提升操作的靈活性，以滿足差異性的數字多媒體信息傳輸需求；除此之外，可有效進行網絡控制。5G核心承載網的整體結構如圖2所示。

圖2 5G核心承載網結構

5G核心承載網在建設過程中，引入uRLLC(低時延技術)、eMBB(增強移動寬帶)以及mMTC(海量機器類通信)三類應用場景，保證網絡的適應性。網絡的切片分組網絡在相同的物理條件下，能夠依據不同的數字多媒體信息的傳輸需求，進行相應的切片處理，如此多樣化的虛擬網絡，可提升網絡的管控能力。同時，結合加密虛擬網絡能夠對網絡的傳輸進行有效地融合和管理，在加密方法下保證信息的安全傳輸。網絡的管理層能夠完成不同類型網絡切片的管理，確定其對應的網絡參數配置以及處理模板。

5G核心承載網在應用過程中，其內部的各個功能和其他硬件、軟件設施之間均保持相互分離狀態，保證各項功能的最佳運行能力和執行效果，且可有效保障網絡的移動性管理效果，在合理調動的同時，提供更佳的數字多媒體信息傳輸服務，滿足用戶的個性化需求。

1.2.2 5G通信認證模型 為保證跨層傳輸的安全性，文章采用5G通信認證模型進行5G網絡的安全認證，其結構如圖3所示。

圖3 5G通信認證模型結構

圖3中，M′表示想要發送或者想要接收的數字多媒體信息；Sz表示竊聽者結束的信息序列。5G通信認證模型的認證詳細流程如下所述：

(1)信息接收端用B表示，信息發送端用A表示，以兩者之間相互發送的導頻信號為基礎，對利潤兩者時間的傳輸信道進行估計，獲取估計結果中，兩者相關度較高的信道信息序列結果，分別用SB和SA表示；兩者在連接過程中，Eve會發生被動竊聽，此時信道信息序列用SEve表示。

(2)A向B傳送數字多媒體信息M，對其進行編碼處理后得出序列SX，編碼函數的表達式為：

fM∶M，SA→SX

(1)

式中：fM表示編碼函數。

(3)B通過有噪信道完成信息序列的接收，并對M進行譯碼處理后，實現M的還原或者信息拒收操作。解碼函數用GM表示；如果解碼失敗，用⊥表示，次上則判定該M不是A發送的。

(4)通過上述步驟進行判斷，在構建的5G通信模型中，B對A發送出的數字多媒體信息進行認證后，通過角色互換完成兩者之間的雙向認證。

1.2.3基于保守混沌的數字多媒體信息動態加密 5G核心承載網在進行數字多媒體信息傳輸時，網絡信道具有顯著的變化特性[5]，導致生成的信道特性矩陣以及其矩陣的范數值也隨之發生變化。文章為保證數字多媒體數據的傳輸安全性，將保守混沌的初始值通過信道矩陣范數值進行替代，依據該初始值，生成不同的數字多媒體信息傳輸動態秘鑰，以此完成數字多媒體信息傳輸加密，其密流程如圖4所示。

輕量級安全加密詳細步驟如下：

(1)在接收端和發送端節點之間發送隨機信號，通過該信號對網絡信道進行測量，通過相同的方法完成兩端信號的傳遞函數。為保證兩端節點上行和下行信道的一致性，需保證兩點的收發時間間隔均位于信道相干時間間隔內。其中信道估計的計算公式為：

y=H·x

(2)

式中：y、x均表示信號向量，前者對應發送信號，后者對應接收信號；H為信道矩陣。

由于信號具有顯著的隨機性和無法克隆性，數字多媒體信息在傳輸過程中，如果相隔時間較短，數字多媒體信息在傳輸過程中，信道會發生隨機變化，此時即可依據H的數值生成加密密鑰。

(2)依據H中數據處理后形成的隨機密鑰完成傳輸的數字多媒體信號的加密；結合5G網絡信道在傳輸過程中的時間短等特點可知，其在進行數字多媒體信息傳輸時，每次都會依據信息的大小生成不同的密鑰；并依據計算H的范數值，生成保守混沌系統初始值，其計算公式為：

(3)

(3)依據上述獲取的x1、y1、z1生成混沌序列，將其作為數字多媒體信息的傳輸密鑰，混沌序列的計算公式為：

(4)

式中：x、y、z的微分處理用dx、dy、dz表示；A表示控制參數。

(4)將生成的密鑰分發給每一個節點，完成加密。

(5)接收端對接收的信號進行變頻處理，并獲取密鑰序列以此生成密鑰矩陣，完成頻域信號回復，獲取數字多媒體信息密文結果。

1.3數字多媒體信息接收單元設計

接收端在接收多媒體信息時，應用模塊主要通過接收單元完成數字多媒體信息的接收。該單元以嵌入式微處理器為核心，單元的整體結構如圖5所示。數字多媒體信息接收單元為保證數組多媒體信息的接收效果，采用S3C240嵌入式微處理器為核心，在該處理器中完成加密后信息的變頻處理以及密鑰矩陣生成等；除此之外，該單設有SD卡接口、LCD接口以及音頻放音接口，以此保證接收后信息的有效存儲以及對于音頻、視頻以及圖像等數字多媒體信息的查看效果。

2系統性能測試與分析

為驗證文章系統在數字多媒體信息傳輸中的應用效果，將某地區的礦井數字多媒體數據集作為測試數據，該數據為該煤礦企業運營1年的所有煤礦經濟收益、煤礦人員管理、設備管理等數據，數據主要包含視頻、圖像以及文字。該煤礦的傳輸網絡結構為一個5G宏基站，在該基站覆蓋范圍內包含6個5G小型基站，網絡詳見表1。

表1 網絡的詳細參數

為驗證文章系統網絡通信性能，文中采用傳輸過程中的上行和下行傳輸速率作為衡量標準(期望標準為大于50Mbps)，獲取文章系統在進行不同大小數字多媒體信息傳輸時的傳輸速率結果，如表2所示。

表2 上行和下行傳輸速率測試結果(Mbps)

由表2可知，在不同大小的數字多媒體信息傳輸過程中，上行和下行傳輸速率均達到50Mbps以上，其中下行的最大傳輸速率達到882.6Mbps，這是由于該系統在應用過程中，以5G核心承載作為數字多媒體信息的傳輸核心網絡，結合網絡切片，形成多樣化的虛擬網絡，提升網絡的管控能力，極大程度提升網絡的傳輸性能。

為進一步驗證文章系統在進行為數字多媒體信息傳輸時的應用性能，獲取文字、圖片和視頻三種信息傳輸時的最大基帶符號速率，該速率能夠描述網絡在單位時間內傳輸的調制符號數量，基礎標準為2M符號/s，其值越高，表示傳輸性能越佳。測試結果如圖6所示。

圖6 最大基帶符號速率測試結果

由圖6可知，該系統具有較好的傳輸性能，在進行文字、圖片和視頻3種數字多媒體信息傳輸時，網絡的最大基帶符號速率結果均在2M符號/s以上，其中最大值為4.47M符號/s。因此，可快速完成數字多媒體信息傳輸。

為驗證文章系統在進行數字多媒體信息傳輸過程中的安全性，隨機抽取一張圖像信息進行測試，獲取其原始信息結果和加密后信息結果，以此判斷本文系統的安全性能，測試結果如圖7所示。

圖7 數字多媒體信息傳輸解密效果測試

由圖7可知，該系統在進行數字多媒體信息傳輸過程中，能夠有效完成信息的加密處理，使其均呈現密文狀態，有效保證信息傳輸的安全性。

為更直觀驗證該系統的信息傳輸效果，在不同的用戶數量下，傳輸的信息維度逐漸增加，系統的能量效率結果，期望標準在0.56bits/s/Joule以上，測試結果如圖8所示。

圖8 系統的能量效率測試結果

由圖8測試結果可知：網絡中用戶數量的逐漸增加，信息維度的不斷變化時，該系統均可高效完成數字多媒體信息的傳輸，并且傳輸時系統的能量效率均在0.72bits/s/Joule左右，浮動較??；即使用戶數量為200、信息維度為10時，系統的能量效率依據較為穩定，未出現顯著下降。

為驗證該系統的數字多媒體信息傳輸效果，在不同的攻擊節點數量下，接收端安全接收的成功率，測試結果如圖9所示。

圖9 接收端安全接收的成功率測試結果

由圖9可知，在不同的攻擊節點數量下，隨著信道數量的逐漸增加，接受端均可成功完成數字多媒體信息的接收，并且接收成功率均在0.92以上。因此，該系統應用效果較好。

3結論

數字多媒體信息已經成為生活、學習以及工作中的主要信息，這些信息具有數據量較大、信息維度較高等特點，該類信息在傳輸過程中，會受到網絡等因素的影響，導致該類信息接收后的質量降低或者信息的傳輸時間較長。因此，為高效、高質量的完成數字多媒體信息的傳輸，文章設計基于5G通信技術的數字多媒體信息傳輸系統，并對該系統的應用情況進行相關測試。結果顯示，該系統具有較好的應用性能，能夠在較高的傳輸速率以及最大基帶符號速率下，完成數字多媒體信息的傳輸，且可有效完成傳輸信息的加密，保證信息傳輸的安全性。