CN105846946A - 基于子载波索引调制的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于子载波索引调制的物理层安全传输方法。基于N个子载波，通过N点IFFT变换，将频域信号转为时域信号，采用三层加密机制，分别对应密钥H₁，H₂和K。第一层加密机制是用置乱矩阵H₁与Book信息相乘以保护Book信息；第二层加密原理是用置乱矩阵H₂与控制比特Cb相乘以保护合法者的子载波激活样本池；第三层加密原理是随机生成一些角度，实现对星座图的扰乱，以保护调制方式等信息。将三层加密后的数据发送出去，接收端分两步解调，首先信号接收，解密并估计出对应的子载波激活模式，然后在接收到的激活子载波上解映射，即可得到所有原始信息比特。本方法具有安全性高，能量节省明显的特点，与传统方式相比，误比特率有1~3dB的增益。

Description

基于子载波索引调制的物理层安全传输方法

技术领域

本发明涉及一种物理层安全传输方法，具体来说，涉及一种基于子载波索引编号调制的的物理层加密方法。

背景技术

现代无线通信技术给客户提供了高速数据业务的优质服务，但同时面临着信息传输存在安全隐患，无线频谱资源紧张，以及无线设备能耗急剧增加等问题。传统的无线通信系统设计中，将系统的安全性和有效性、可靠性分层次考虑。其中安全性主要采用以密码学为代表的上层加密机制来保障，有效性和可靠性则由物理层调制技术和信道编码等技术来保障。这种分层次的设计固然减小了系统复杂度，但确存在着一定安全隐患和性能损失。其中大部分物理层信息并未受到保护，容易受到攻击，成为系统安全的薄弱环节。一方面在协议栈的应用层等通信上层进行加密的传统安全策略，从数据角度来设计加密方法，其并未考虑无线通信信道的特征。另一方面，传统的调制编码理论重点关注系统的可靠性和有效性指标，并未考虑系统的安全性。因此在信号编码调制层次设计物理层加密传输机制，有望充分利用无线信道的特点来提升系统的安全性，同时保障可靠性和有效性的折中。

从物理层来看通信系统能量效率问题。OFDM系统由于其很好的抗多径衰落能力，在现代通信尤其是无线通信环境中有着广泛应用。传统OFDM传输系统中，调制过程只是将比特信息映射到二维复平面上固定的星座点，在自由度只有二维的复平面上进一步提升系统性能有限。人们开始寄希望于寻找更多维度来获得更好的传输性能。空间调制就是其中一种典型技术，空间调制是指采用激活不同的天线组合来传输信息，达到提高频谱利用率和能量效率的目的。受此启发，我们将天线编号替换为子载波编号，已有研究主要针对的是能量效率和频谱效率。然而，目前国内外还没有应用子载波调制对安全通信和绿色通信联合考虑的相关研究。

针对无线通信网络中存在的安全和能耗问题，该方法从物理层出发，基于子载波调制技术提出了一种随机子载波索引调制的物理层加密传输算法。该算法利用多载波系统中，不同子载波编号组合能够表征信息的特点，结合混沌理论随机激活一部分子载波和静默一部分子载波。利用激活和静默子载波编号组合和激活子载波这两部分来承载信息，本质是利用随机选择一半的子载波并在激活子载波上进行星座旋转实现信息的安全传输。与传统OFDM系统利用所有子载波承载信息相比，本算法只激活一半的子载波，故可节省近一半的能量。不同于传统密码学加密，由于信道信息和噪声的影响，窃听者不仅存在解密问题，还涉及到检测和译码，所以大大增加了其复杂度和破译难度。

发明内容

本方法基于OFDM多载波传输系统建立系统模型，利用混沌理论生成置乱矩阵以达到随机选择激活子载波并旋转星座图的目的，最后从系统安全性、绿色通信、可靠性三方面给出仿真结果并予以分析。

基于子载波索引调制的物理层安全传输方法基于N个子载波，通过N点IFFT变换，将频域信号转为时域信号。子载波可采用M进制相移键控(MPSK)或正交幅度调制(MQAM)，以QPSK调制为例（但不限于QPSK调制方式），M=4即每个子载波可承载2比特信息。假设每个发送信号的子载波具有相同能量，物理层加密传输方法发送端系统框图和算法原理图如图1、2所示，其中接收端模块与发送端一一对应。

由图2的原理图可知，传统OFDM系统在QPSK调制方式下，将信息比特映射到每个子载波上的星座点上。在该模型下，由于无线信道的广播特性，容易被窃听者识别出调制方式等信息。

考虑到不同子载波编号组合也可表示不同信息，本方法将原始信息比特分为两部分，如图3的映射关系图所示，定义用于选择激活子载波的一部分信息比特为Book，这部分信息的传输不需能量，称为绿色信息；用所选中的激活子载波承载的信息为BQAM，传输这部分信息需要发送端消耗能量，称为非绿色信息。绿色信息和非绿色信息所能传输的信息量分别为：

总传输信息量为：

其中N为FFT大小或全部子载波数目，M为调制阶数，为向下取整，为组合函数，即从个元素中选出个元素的选择方案个数。通过建立一种对应关系，实现利用Book比特流选出唯一一种与其对应的子载波激活模式(Am：Active mode)的目的，当Am中比特为1时则激活对应子载波，否则静默对应的子载波。

本方法采用三层加密机制，分别对应密钥H₁，H₂和K。置乱矩阵H₁，H₂分别为每一行和每一列有且只有一个1，其余元素为0的置乱矩阵，密钥K为随机分布的角度。第一层加密机制是用置乱矩阵H₁与Book信息相乘以保护Book信息；第二层加密原理是用置乱矩阵H₂与控制比特Cb相乘以保护合法者的子载波激活样本池；第三层加密原理是随机生成一些角度，实现对星座图的扰乱，以保护调制方式等信息。将三层加密后的数据发送出去，接收端分两步解调，首先根据本算法设计的信号接收算法，解密并估计出对应的子载波激活模式，然后在接收到的激活子载波上解映射，即可得到所有原始信息比特。

理论分析和仿真结果证明，本算法具有安全性高，能量节省明显的特点，与传统方式相比，误比特率有1~3dB的增益，有着明显的性能优势。

附图说明

图1为信息发送端系统框图；

图2为传统OFDM系统映射算法原理图；

图3为本发明映射算法原理图；

图4为子载波索引调制系统的映射关系图；

图5激活子载波模式与Book信息对应关系。

具体实施方式

本发明提出的基于随机子载波索引的物理层加密传输算法可分为四个步骤。

步骤一：建立Book信息与子载波激活模式Am两者之间的对应关系。将长度为的所有二进制序列组成一个Book的备选样本池(BP：Book-Pool)，从码元长度为的所有二进制序列中，选择个由一半0和一半1的二进制序列组成的控制比特样本池(Control-bit Pool)，用置乱矩阵H₂对CbP置乱得到子载波激活样本池(AmP：Active-mode Pool)，以保护合法者的样本池不被窃听者所知，因为CbP是从中选出的个向量所组成。经过矩阵H₂的置乱操作，可将窃听者CbP的疑似空间由已知扩大到，进一步保证安全性。进而建立如图4所示的BP与AmP的一一对应关系。

步骤二：生成密钥集。混沌运动是一种具有不稳定特性的有限定常运动。其中有限定常运动是指在运动状态的某种程度上不受时间影响，这种定常状态不是通常确定性运动的静止、周期或准周期运动的几种状态，而是一种局限在有限区域内的轨道不重复的运动。混沌序列具有对初值的敏感依赖性、内随机性、有界性、遍历性等特征。尤其是对初始值的敏感性，使其生成的密钥具有良好的安全性。本算法采用一维虫口模型，定义为：

（4）

在此一维虫口模型下，设计如下生成置乱矩阵的算法：

1）设置一个初始值；

2）将初始值代入式（4），得到一个混沌序列；

3）从中任选个元素；

4）为充分消除元素间相关性，选取小数点第6位之后的数据组成一个新序列； ，

5）对由大到小排序，

6）排序后，元素编号按位置可得到一个随机分布的列向量，

7）将一个长度为的全1列向量逐元素右移，右移位数取为相对应的元素值，即得到置乱矩阵，该矩阵即为密钥。该矩阵的特点是每行、每列有且只有一个1，其余元素为0。

第7步所用的就是第6步生成的。类似的，可生成密钥和密钥K。

步骤三：将信息比特分为的Book和的BQAM两部分信息。将Book信息与置乱矩阵相乘，得到Book的加密信息BookH，在Book备选样本池BP中搜索与BookH相对应的行向量，根据步骤一的对应关系，在控制比特样本池中找出每个符号对应的控制模式Cb，然后将Cb与置乱矩阵相乘，得到相对应的子载波激活模式，当中比特为1时则激活对应子载波，否则静默对应的子载波。最后在激活子载波上承载BQAM信息，即完成发送端子载波调制过程。对调制后的信息，依次进行插入导频和长短符号、IFFT变换、加循环前缀等操作，经DA变换送入信道。

步骤四：接收端解调信息。假设合法接收端已正确获得密钥，根据信号检测算法检测信号，然后进行发送端的逆过程即可正确解调出Book和BQAM两部分信息。

Claims (2)

1.基于子载波索引调制的物理层安全传输方法，基于OFDM多载波传输系统建立系统模型，利用混沌理论生成置乱矩阵以达到随机选择激活子载波并旋转星座图的目的，其特征在于，基于N个子载波，通过N点IFFT变换，将频域信号转为时域信号，定义用于选择激活子载波的一部分信息比特为Book，这部分信息的传输不需能量，称为绿色信息；用所选中的激活子载波承载的信息为BQAM，传输这部分信息需要发送端消耗能量，称为非绿色信息，绿色信息和非绿色信息所能传输的信息量分别为：

（1）

（2）

总传输信息量为：

（3）

其中N为FFT大小或全部子载波数目，M为调制阶数，为向下取整，为组合函数，即从个元素中选出个元素的选择方案个数；

当Am中比特为1时则激活对应子载波，否则静默对应的子载波，

采用三层加密机制，分别对应密钥H₁，H₂和K，其中 H₁，H₂分别为每一行和每一列有且只有一个1、其余元素为0的置乱矩阵，密钥K为随机分布的角度，第一层加密机制是用置乱矩阵H₁与Book信息相乘以保护Book信息；第二层加密原理是用置乱矩阵H₂与控制比特Cb相乘以保护合法者的子载波激活样本池；第三层加密原理是随机生成一些角度，实现对星座图的扰乱，以保护调制方式信息，将三层加密后的数据发送出去，接收端分两步解调，首先信号接收，解密并估计出对应的子载波激活模式，然后在接收到的激活子载波上解映射，即得到所有原始信息比特。

2.根据权利要求1所述的基于子载波索引调制的物理层安全传输方法，其特征在于，所述传输方法具体包括步骤如下：

步骤一：建立Book信息与子载波激活模式Am两者之间的对应关系，将长度为的所有二进制序列组成一个Book的备选样本池BP：Book-Pool，从码元长度为的所有二进制序列中，选择个由一半0和一半1的二进制序列组成的控制比特样本池Control-bit Pool，用置乱矩阵H₂对CbP置乱得到子载波激活样本池AmP：Active-modePool，以保护合法者的样本池不被窃听者所知，因为CbP是从中选出的个向量所组成，经过矩阵H₂的置乱操作，将窃听者CbP的疑似空间由已知扩大到，进一步保证安全性；

步骤二：生成密钥集，采用一维虫口模型，定义为：

（4）

在此一维虫口模型下，设计如下生成置乱矩阵的算法：

1）设置一个初始值；

2）将初始值代入式（4），得到一个混沌序列；

3）从中任选个元素；

4）为充分消除元素间相关性，选取小数点第6位之后的数据组成一个新序列； ，

5）对由大到小排序，

6）排序后，元素编号按位置可得到一个随机分布的列向量，

7）将一个长度为的全1列向量逐元素右移，右移位数取为相对应的元素值，即得到置乱矩阵，该矩阵即为密钥，该矩阵的特点是每行、每列有且只有一个1，其余元素为0，

第7步所用的就是第6步生成的，

类似的，生成密钥和密钥K；

步骤三：将信息比特分为的Book和的BQAM两部分信息，将Book信息与置乱矩阵相乘，得到Book的加密信息BookH，在Book备选样本池BP中搜索与BookH相对应的行向量，根据步骤一的对应关系，在控制比特样本池中找出每个符号对应的控制模式Cb，然后将Cb与置乱矩阵相乘，得到相对应的子载波激活模式，当中比特为1时则激活对应子载波，否则静默对应的子载波，最后在激活子载波上承载BQAM信息，即完成发送端子载波调制过程，对调制后的信息，依次进行插入导频和长短符号、IFFT变换、加循环前缀操作，经DA变换送入信道；

步骤四：接收端解调信息，假设合法接收端已正确获得密钥，根据信号检测算法检测信号，然后进行发送端的逆过程即可正确解调出Book和BQAM两部分信息。