CN106452719A - 基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，在发送端用Tent映射方程产生均匀分布的混沌序列，数据在传输之前发送方和接收方的混沌序列应被同步，引入双分组交织器，把Tent映射方程产生的一组混沌序列，分成四组混沌序列，用来生成一组瑞利衰落系数，以实现信道的人工瑞利衰落；自适应地选择调制技术，用人工瑞利衰落系数乘以调制后得到的符号，使其相位和幅度随机变化，实现物理层加密功能。在接收方实现解密功能；结合信道的瞬时信噪比选择数字解调技术，恢复出发送端的二进制比特流。本发明针对静态/准静态无线信道，为单天线的、低成本的通信节点提供了一种保密性能良好的物理层安全通信方法。

Description

基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信和信息安全技术领域，具体涉及基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，无线通信网络已经在各种行业领域中得到了越来越广泛的应用。在这之中的某些行业会涉及到一些比较敏感的数据,如军事、金融等行业，但是由于无线通信固有的开放性和广播性，数据在传输的过程中很容易遭到窃听，因此对无线通信网络的安全性提出了很高的要求，经典的通信保密方案是在数据链路层或应用层对数据做加密处理，然而随着芯片技术的飞速发展，传统的加密方案,例如AES协议，已经无法保证的通信的安全性。

为了保障合法收发双方通信的安全性，有学者提出可以利用无线信道的互易性从中提取密钥，信道的随机性和独立性则保证了生成密钥的安全，但是这种密钥的生成方案只适合用于时变信道中。在低成本的诸如无线传感网中的传感器节点，通信双方的信道为静态/准静态，造成生成密钥的熵过低或者生成速度太慢而不适用于加密。

考虑到现代通信协议的高度标准化，当合法用户双方的信道处于静态/准静态时，无法利用信道的互易性产生随机密钥来对数据进行加密，通信消息易被非法的窃听者窃取。

发明内容

为了克服现有技术的当合法用户双方的信道处于静态/准静态时，无法利用信道的互易性产生随机密钥来对数据进行加密，通信消息易被非法的窃听者窃取的不足，本发明提出了一种当合法用户双方的信道处于静态/准静态时提升安全性的基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，包括以下步骤：

1)发送端的加密过程，包括以下步骤：

1-1收发双方事先约定混沌序列生成器的映射方程、初始值，发送方采用Tent映射方程产生一组(-1,1)区间均匀分布的混沌序列，对每一个调制符号，产生四个混沌数；把一组混沌序列分成四组混沌序列，这四组混沌序列具有相互独立、(-1,1)区间均匀分布的特性，称之为四组均匀分布随机变量；

1-2由这四组均匀分布的随机变量，各取1个随机变量，共4个随机变量，经过变换，生成一个包络为瑞利分布、相位为均匀分布的复随机变量；从信道的角度而言，此复随机变量为人工瑞利衰落系数；从信息安全的角度而言，称之为密钥。发送方每一个调制后的符号，与复随机变量相乘之后再发送至上变频，实现信道的人工瑞利衰落，或者说是符号的加密；

1-3根据步骤1-2中的人工瑞利衰落系数以及信道的平均信噪比选择调制技术；

1-4二进制的比特数据经过数字调制被映射为符号后，再与步骤1-2中的复随机变量相乘，使得符号的相位和幅度随机变化，完成物理层的加密。

2)接收端的解密过程，包括以下步骤：

2-1与步骤1-1相同，在传输数据之前实现与发送端的混沌同步；

2-2用4组均匀分布的随机变量，生成一个包络为瑞利分布、相位为均匀分布的复随机变量；

2-3发送方发送的符号被接收方收到后，接收方用相应的密钥解密，也即恢复出加密之前的符号；

2-4接收方根据同一个衰落系数选择正确的解调技术解调2-3步骤中的符号，所述衰落系数为复随机变量，得到二进制的比特数据，完成在物理层的解密。

进一步，在步骤1-1和步骤2-1中，采用分组交织器将1组前后相关的混沌序列分成4组相互独立的混沌序列，以满足2个均匀分布随机变量生成1个高斯(正态)分布随机变量中关于独立性的要求。

再进一步，混沌同步的过程如下：

A1Tent映射方程生成的混沌序列{b_i}在写入双分组交织器之前代入

使其分布区间从(-1,1)变换到(0,1)；

A2将区间变换后的混沌序列依照生成先后的顺序，按列写入大小为25×4的分组交织器A中。

A3当系统开始按行读取分组交织器A中的数据的同时，往分组交织器B内开始按列写入混沌数；当系统开始按行读取B内数据的同时，则开始往A内按列写入混沌数。

设置双分组交织器轮流对其作读写操作的目的是：一是加快混沌序列的去相关过程；二是交织器本身具有一定的保密作用，窃听者未知交织器的结构，就算窃听者能够同步发送方的混沌序列，但由于交织器的存在，打乱了混沌生成器产生的混沌序列的顺序，生成的人工瑞利衰落信道系数(密钥)必定不同，增加了破解的难度。

再进一步，在步骤1-2和步骤2-2中，采用Box-Muller转换法，将2个服从均匀分布的、相互独立的随机变量，代入方程

得到1个正态分布的随机变量，两组正态分布的随机变量和组成一个复随机变量

此复随机变量h_k的包络为瑞利分布、相位为均匀分布；四组混沌序列得到一组瑞利衰落系数{h_k}，实现信道的人工瑞利衰落，为功率归一化系数。

更进一步，在步骤1-3中和步骤2-4中，根据瞬时信噪比选择相应的解调技术的过程如下：

B1：发送方计算得到此时信道的平均信噪比

式中E_S为调制符号功率的期望，N_o为高斯白噪声的方差；

B2：结合衰落系数h_k计算瞬时信噪比

B3：根据得到的瞬时信噪比γ_k和系统所要求的最低误比特率选择调制/解调技术。

在步骤1-4中，二进制比特数映射成的符号后，用衰落系数h_k改变符号相位和幅度的方法如下数学表达

X_k＝h_k·S_k

其中S_k是调制之后的符号，X_k是经过人工瑞利衰落之后的符号，随机改变原来调制之后符号的幅度和相位，称之为加密；

在步骤2-3中，用相对应的衰落系数恢复收到符号的相位和幅度。

其中，是经过解密处理后得到的符号，Y_k是接收方收到的符号。

本发明的技术构思为：物理层加密技术：利用均匀分布的混沌序列，生成包络服从瑞利分布、相位服从均匀分布的复随机变量。可以把这个复随机变量看成是一个密钥，对每一个经过BPSK/QPSK/MQAM调制之后的符号，乘上这个复随机变量，然后发送出去。由于这个密钥是随机产生的，且对每一个调制后的符号均采用不同的密钥加密，因此，根据信息论“一次一密”理论，本发明具有很好的安全性。在接收端，做发送端的逆过程，即可解密。至于收发双方的同步问题，完全由混沌序列同步来实现。

本发明的有益效果为：当合法用户双方的信道处于静态/准静态，且只有单天线时提升安全性。

附图说明

图1是分组交织的结构以及相应的混沌数写入与读出操作。

图2是偏移量为N时混沌序列的相关性。

图3是生成的正态随机变量的统计直方图。

图4是生成的正态随机变量的经验累积分布函数图。

图5是生成的衰落系数h_k包络的统计直方图。

图6是生成的衰落系数h_k包络的经验累积分布函数图。

图7是生成的衰落系数h_k相位的统计直方图

图8是生成的衰落系数h_k相位的经验累积分布函数图。

图9是经过人工瑞利衰落之后符号的星座图

图10是步骤2-3之后接收方的星座图。

图11是接收方经过解密处理后以及没经过解密处理，系统的误比特率。

图12是系统的基带框图。

图13是接收方不经过解密处理的符号星座图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照图1～图13，一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，包括以下步骤：

1)发送端的加密过程，包括以下步骤：

1-1.收发双方事先约定混沌序列生成器的映射方程、初始值，以及在传输数据之前实现接收端与发送端的同步。发送方用Tent映射方程

b_i+1＝2β(1-|b_i|)-1,β＝1

产生一组在(-1,1)区间上均匀分布的混沌序列，经过

变换，把混沌序列变换到(0,1)区间。以生成混沌序列的先后顺序，按列写入、行读出的方式，消除或降低Tent映射方程产生的混沌序列之间的相关性，使得经过交织之后的混沌序列近似相互独立，称之为去相关过程。

图1是分组交织器的结构示意图。分组交织器的大小为N×4。混沌序列按生成的先后顺序，按列写入分组交织器中、按行读出交织器中的数据。如图1所示，原混沌序列经过交织器之后的新混沌序列，其相邻间隔大于等于N。如图2所示，当相邻间隔为N时，混沌序列的归一化相关系数。从图中可看出，当N≥8时相关系数约在10^-4个数量级，可认为是相互独立的，本发明中N＝25。因此，交织之后新的混沌序列，取4个混沌数构成一个4元数组，这4个混沌数是相互独立的，满足步骤1-2中Box-Muller变换的条件。

混沌序列生成器对每一个调制符号，一次产生4个混沌数，为了加快去相关过程，系统设置有A、B两个相同的交织器。去相关过程轮流对这两个交织器作数据的读写操作，即当系统读取A内的数据时将混沌序列写入B，在读取B内的数据时将混沌序列写入A。这样一次写入4个相关的混沌数，立刻得到读出的4个去相关后的混沌数。

1-2.用均匀序列的4元数组生成模拟信道的人工瑞利衰落。将步骤1-1交织之后的4个数组，每2个混沌数为1组，代入到Box-Muller公式

生成两个服从标准正态分布的随机变量，和将这两个正态随机变量组成复随机变量

得到一个衰落系数h_k，完成对信道的人工瑞利衰落，其中为功率归一化系数。

联合这图3～图8，表明生成的信道衰落系数，其包络服从瑞利分布、相位服从均匀分布。

1-3.根据前述步骤中的衰落系数以及信道的平均信噪比选择调制技术。根据此时信道的平均符号信噪比

式中E_s为调制符号功率的期望，N_o为高斯白噪声的方差。

当信道的人工瑞利衰落系数为h_k时，瞬时信噪比

随后根据系统所要求的最低误比特率，选择合适的调制技术。

1-4.二进制比特数据经过数字调制，得到映射符号。然后用同一个衰落系数h_k，变换S_k相位和幅度，符号相位和幅度变换的数学表达式为

X_k＝h_k·S_k

物理层加密处理完成。图9为经过人工瑞利衰落之后符号的星座图。

2)接收端的解密过程，包括以下步骤：

2-1.与步骤1-1相同，并在传输数据之前实现与发送端的混沌同步。

2-2.用4组均匀分布的随机变量，生成一个包络为瑞利分布、相位为均匀分布的复随机变量。由步骤2-1的混沌同步，以及接收方的交织器数量、结构，读写规则与发送方相同，这样保证了生成的复随机变量与发送端的复随机变量完全相同，也即接收端的解密密钥与发送端的加密密钥同步、一致。

2-3.接收方到的符号为Y_k，恢复收到符号的相位和幅度，其恢复过程为

2-4.接收方计算此时的瞬时信噪比

根据计算得到的瞬时信噪比选择合适的解调技术，对相位和幅度恢复后的符号作解调处理，得到二进制的比特数据。完成在接收方的解密处理。

图10是步骤2-3之后接收方的星座图。图11是接收方经过解密处理后以及没经过解密处理，数据的误比特率。图12是系统的基带框图。图13是接收方不经过解密处理的符号星座图。

Claims (6)

1.一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)发送端的加密过程，包括以下步骤：

1-1收发双方事先约定混沌序列生成器的映射方程、初始值，发送方采用Tent映射方程产生一组(-1,1)区间均匀分布的混沌序列，对每一个调制符号，产生四个混沌数；把一组混沌序列分成四组混沌序列，这四组混沌序列具有相互独立、(-1,1)区间均匀分布的特性，称之为四组均匀分布随机变量；

1-2由这四组均匀分布的随机变量，各取1个随机变量，共4个随机变量，经过变换，生成一个包络为瑞利分布、相位为均匀分布的复随机变量；发送方每一个调制后的符号，与复随机变量相乘，实现信道的人工瑞利衰落，或者说是符号的加密；

1-3根据步骤1-2中的人工瑞利衰落系数以及信道的平均信噪比选择调制技术；

1-4二进制的比特数据经过数字调制被映射为符号后，再与步骤1-2中的复随机变量相乘，使得符号的相位和幅度随机变化，完成物理层的加密。

2)接收端的解密过程，包括以下步骤：

2-1与步骤1-1相同，在传输数据之前实现与发送端的混沌同步；

2-2用4组均匀分布的随机变量，生成包络为瑞利分布、相位为均匀分布的复随机变量；

2-3发送方发送的符号被接收方收到后，接收方用相应的密钥解密，也即恢复出加密之前的符号；

2-4接收方根据同一个衰落系数选择正确的解调技术解调2-3步骤中的符号，所述衰落系数为复随机变量，得到二进制的比特数据，完成在物理层的解密。

2.如权利要求1所述的一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，其特征在于：在步骤1-1和步骤2-1中，采用分组交织器将1组前后相关的混沌序列分成4组相互独立的混沌序列，以满足2个均匀分布随机变量生成1个高斯分布随机变量中关于独立性的要求。

3.如权利要求2所述的一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，其特征在于：混沌同步的过程如下：

A1Tent映射方程生成的混沌序列{b_i}在写入双分组交织器之前代入

使其分布区间从(-1,1)变换到(0,1)；

A2将区间变换后的混沌序列依照生成先后的顺序，按列写入大小为25×4的分组交织器A中。

A3当系统开始按行读取分组交织器A中的数据的同时，往分组交织器B内开始按列写入混沌数；当系统开始按行读取B内数据的同时，则开始往A内按列写入混沌数。

4.如权利要求1～3之一所述的一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，其特征在于：在步骤1-2和步骤2-2中，采用Box-Muller转换法，将2个服从均匀分布的、相互独立的随机变量，代入方程

得到1个正态分布的随机变量，两组正态分布的随机变量和组成一个复随机变量

此复随机变量h_k的包络为瑞利分布、相位为均匀分布；四组混沌序列得到一组瑞利衰落系数{h_k}，实现信道的人工瑞利衰落，为功率归一化系数。

5.如权利要求1～3之一所述的一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，其特征在于：在步骤1-3中和步骤2-4中，根据瞬时信噪比选择相应的解调技术的过程如下：

B1：发送方计算得到此时信道的平均信噪比

式中E_s为调制符号功率的期望，N_o为高斯白噪声的方差；

B2：结合衰落系数h_k计算瞬时信噪比

B3：根据得到的瞬时信噪比γ_k和系统所要求的最低误比特率选择调制/解调技术。

6.如权利要求1～3之一所述的一种基于人工瑞利衰落结合自适应调制的安全通信方法，其特征在于：在步骤1-4中，二进制比特数映射成的符号后，用衰落系数h_k改变符号相位和幅度的方法如下数学表达

X_k＝h_k·S_k

其中S_k是调制之后的符号，X_k是经过人工瑞利衰落之后的符号，随机改变原来调制之后符号的幅度和相位，称之为加密；

在步骤2-3中，用相对应的衰落系数恢复收到符号的相位和幅度。

其中，是经过解密处理后得到的符号，Y_k是接收方收到的符号。