基于5G通信技术的数字多媒体信息传输系统设计*

史媛芳

(安徽国防科技职业学院 安徽六安 237011)

数字多媒体是以信息科学和数字技术为主的一种新的信息载体，其主要包含图像、文字以及音频和视频等多种表达形式，在传播过程中采用数字化的处理过程[1]。数字多媒体信息在使用过程中，应可靠完成该信息的传输。信息传输指的是以网络为依据，将所需信息从一端传送至另一端并且成功接收的过程；在该过程中使用网络可以为有线网网络、无线网络、移动网络等[2]。数字多媒体信息应用领域较为广泛，应保证传输过程的有效性、可靠性以及安全性。文献[2]为实现信息的有效传输，保证其在远距离下的传输效果，设计远距离的信息传输系统；但是该系统应用过程中，如果传输的信息为视频信息，则传输延时较大。文献[4]为保证信息传输过程中的安全性，以扩展贝叶斯方法为依据，提出相关的信息安全传输方法，该方法在应用过程中，如果用户数量较多时，则传输的安全性会下降。5G通信技术作为新一代的宽带移动技术，具有高速率、低时延、连接大等特点，能够满足当下高清视频等大数据量的传输需求。

1数字多媒体信息传输系统

1.1基于5G通信技术的信息传输系统结构

文章设计基于5G通信技术的数字多媒体信息传输系统，该系统整体分为3个模块，分别为多媒体信息管理模块、通信模块以及应用模块，多媒体信息管理模块将整合以及采集的数字多媒体信息进行初步处理后，通过通信模块的5G核心承载网进行传输，用户通过应用模块的接收单元接收传输的多媒体信息。系统结构如图1所示。

图1 基于5G通信技术的信息传输系统结构

1.2通信模块设计

1.2.1 5G核心承载网结构 5G核心承载网是系统通信模块的核心部分，是保证数字多媒体信息可靠传输的依据，文章充分考虑数字多媒体信息的数据量大、类别较多等特点，并结合用户端类型的差异，完成通信模块设计。该模块以5G核心承载网为核心，在保证资源可靠传输的基础上，还需提升操作的灵活性，以满足差异性的数字多媒体信息传输需求；除此之外，可有效进行网络控制。5G核心承载网的整体结构如图2所示。

图2 5G核心承载网结构

5G核心承载网在建设过程中，引入uRLLC(低时延技术)、eMBB(增强移动宽带)以及mMTC(海量机器类通信)三类应用场景，保证网络的适应性。网络的切片分组网络在相同的物理条件下，能够依据不同的数字多媒体信息的传输需求，进行相应的切片处理，如此多样化的虚拟网络，可提升网络的管控能力。同时，结合加密虚拟网络能够对网络的传输进行有效地融合和管理，在加密方法下保证信息的安全传输。网络的管理层能够完成不同类型网络切片的管理，确定其对应的网络参数配置以及处理模板。

5G核心承载网在应用过程中，其内部的各个功能和其他硬件、软件设施之间均保持相互分离状态，保证各项功能的最佳运行能力和执行效果，且可有效保障网络的移动性管理效果，在合理调动的同时，提供更佳的数字多媒体信息传输服务，满足用户的个性化需求。

1.2.2 5G通信认证模型 为保证跨层传输的安全性，文章采用5G通信认证模型进行5G网络的安全认证，其结构如图3所示。

图3 5G通信认证模型结构

图3中，M′表示想要发送或者想要接收的数字多媒体信息；Sz表示窃听者结束的信息序列。5G通信认证模型的认证详细流程如下所述：

(1)信息接收端用B表示，信息发送端用A表示，以两者之间相互发送的导频信号为基础，对利润两者时间的传输信道进行估计，获取估计结果中，两者相关度较高的信道信息序列结果，分别用SB和SA表示；两者在连接过程中，Eve会发生被动窃听，此时信道信息序列用SEve表示。

(2)A向B传送数字多媒体信息M，对其进行编码处理后得出序列SX，编码函数的表达式为：

fM∶M，SA→SX

(1)

式中：fM表示编码函数。

(3)B通过有噪信道完成信息序列的接收，并对M进行译码处理后，实现M的还原或者信息拒收操作。解码函数用GM表示；如果解码失败，用⊥表示，次上则判定该M不是A发送的。

(4)通过上述步骤进行判断，在构建的5G通信模型中，B对A发送出的数字多媒体信息进行认证后，通过角色互换完成两者之间的双向认证。

1.2.3基于保守混沌的数字多媒体信息动态加密 5G核心承载网在进行数字多媒体信息传输时，网络信道具有显著的变化特性[5]，导致生成的信道特性矩阵以及其矩阵的范数值也随之发生变化。文章为保证数字多媒体数据的传输安全性，将保守混沌的初始值通过信道矩阵范数值进行替代，依据该初始值，生成不同的数字多媒体信息传输动态秘钥，以此完成数字多媒体信息传输加密，其密流程如图4所示。

轻量级安全加密详细步骤如下：

(1)在接收端和发送端节点之间发送随机信号，通过该信号对网络信道进行测量，通过相同的方法完成两端信号的传递函数。为保证两端节点上行和下行信道的一致性，需保证两点的收发时间间隔均位于信道相干时间间隔内。其中信道估计的计算公式为：

y=H·x

(2)

式中：y、x均表示信号向量，前者对应发送信号，后者对应接收信号；H为信道矩阵。

由于信号具有显著的随机性和无法克隆性，数字多媒体信息在传输过程中，如果相隔时间较短，数字多媒体信息在传输过程中，信道会发生随机变化，此时即可依据H的数值生成加密密钥。

(2)依据H中数据处理后形成的随机密钥完成传输的数字多媒体信号的加密；结合5G网络信道在传输过程中的时间短等特点可知，其在进行数字多媒体信息传输时，每次都会依据信息的大小生成不同的密钥；并依据计算H的范数值，生成保守混沌系统初始值，其计算公式为：

(3)

(3)依据上述获取的x1、y1、z1生成混沌序列，将其作为数字多媒体信息的传输密钥，混沌序列的计算公式为：

(4)

式中：x、y、z的微分处理用dx、dy、dz表示；A表示控制参数。

(4)将生成的密钥分发给每一个节点，完成加密。

(5)接收端对接收的信号进行变频处理，并获取密钥序列以此生成密钥矩阵，完成频域信号回复，获取数字多媒体信息密文结果。

1.3数字多媒体信息接收单元设计

接收端在接收多媒体信息时，应用模块主要通过接收单元完成数字多媒体信息的接收。该单元以嵌入式微处理器为核心，单元的整体结构如图5所示。数字多媒体信息接收单元为保证数组多媒体信息的接收效果，采用S3C240嵌入式微处理器为核心，在该处理器中完成加密后信息的变频处理以及密钥矩阵生成等；除此之外，该单设有SD卡接口、LCD接口以及音频放音接口，以此保证接收后信息的有效存储以及对于音频、视频以及图像等数字多媒体信息的查看效果。

2系统性能测试与分析

为验证文章系统在数字多媒体信息传输中的应用效果，将某地区的矿井数字多媒体数据集作为测试数据，该数据为该煤矿企业运营1年的所有煤矿经济收益、煤矿人员管理、设备管理等数据，数据主要包含视频、图像以及文字。该煤矿的传输网络结构为一个5G宏基站，在该基站覆盖范围内包含6个5G小型基站，网络详见表1。

表1 网络的详细参数

为验证文章系统网络通信性能，文中采用传输过程中的上行和下行传输速率作为衡量标准(期望标准为大于50Mbps)，获取文章系统在进行不同大小数字多媒体信息传输时的传输速率结果，如表2所示。

表2 上行和下行传输速率测试结果(Mbps)

由表2可知，在不同大小的数字多媒体信息传输过程中，上行和下行传输速率均达到50Mbps以上，其中下行的最大传输速率达到882.6Mbps，这是由于该系统在应用过程中，以5G核心承载作为数字多媒体信息的传输核心网络，结合网络切片，形成多样化的虚拟网络，提升网络的管控能力，极大程度提升网络的传输性能。

为进一步验证文章系统在进行为数字多媒体信息传输时的应用性能，获取文字、图片和视频三种信息传输时的最大基带符号速率，该速率能够描述网络在单位时间内传输的调制符号数量，基础标准为2M符号/s，其值越高，表示传输性能越佳。测试结果如图6所示。

图6 最大基带符号速率测试结果

由图6可知，该系统具有较好的传输性能，在进行文字、图片和视频3种数字多媒体信息传输时，网络的最大基带符号速率结果均在2M符号/s以上，其中最大值为4.47M符号/s。因此，可快速完成数字多媒体信息传输。

为验证文章系统在进行数字多媒体信息传输过程中的安全性，随机抽取一张图像信息进行测试，获取其原始信息结果和加密后信息结果，以此判断本文系统的安全性能，测试结果如图7所示。

图7 数字多媒体信息传输解密效果测试

由图7可知，该系统在进行数字多媒体信息传输过程中，能够有效完成信息的加密处理，使其均呈现密文状态，有效保证信息传输的安全性。

为更直观验证该系统的信息传输效果，在不同的用户数量下，传输的信息维度逐渐增加，系统的能量效率结果，期望标准在0.56bits/s/Joule以上，测试结果如图8所示。

图8 系统的能量效率测试结果

由图8测试结果可知：网络中用户数量的逐渐增加，信息维度的不断变化时，该系统均可高效完成数字多媒体信息的传输，并且传输时系统的能量效率均在0.72bits/s/Joule左右，浮动较小；即使用户数量为200、信息维度为10时，系统的能量效率依据较为稳定，未出现显著下降。

为验证该系统的数字多媒体信息传输效果，在不同的攻击节点数量下，接收端安全接收的成功率，测试结果如图9所示。

图9 接收端安全接收的成功率测试结果

由图9可知，在不同的攻击节点数量下，随着信道数量的逐渐增加，接受端均可成功完成数字多媒体信息的接收，并且接收成功率均在0.92以上。因此，该系统应用效果较好。

3结论

数字多媒体信息已经成为生活、学习以及工作中的主要信息，这些信息具有数据量较大、信息维度较高等特点，该类信息在传输过程中，会受到网络等因素的影响，导致该类信息接收后的质量降低或者信息的传输时间较长。因此，为高效、高质量的完成数字多媒体信息的传输，文章设计基于5G通信技术的数字多媒体信息传输系统，并对该系统的应用情况进行相关测试。结果显示，该系统具有较好的应用性能，能够在较高的传输速率以及最大基带符号速率下，完成数字多媒体信息的传输，且可有效完成传输信息的加密，保证信息传输的安全性。