CN107070830A - 基于稀疏码多址接入系统的一种加密传输的方法 - Google Patents

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Abstract

基于稀疏码多址接入系统的一种加密传输的方法。传统的SCMA系统中，终端使用固定的发送码本进行数据传输。当终端与基站进行通信的时候，容易遭到附近窃听者的窃听。在本发明中，终端用户发送的码本不是固定的，而是根据基站至终端的信道信息按照固定的规则唯一确定。根据信道的上下行互易性，目标基站测量到终端至基站的信道信息后可以按照固定的规则计算出终端所使用的码本，从而利用码本的信息进行解调和解码。而窃听方由于获取到的信道信息是不一样的，无法计算出正确的码本，因而无法根据码本的信息进行解调和解码，从而实现了用户信息的安全传输。

Description

基于稀疏码多址接入系统的一种加密传输的方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及基于稀疏码多址接入系统的一种加密传输的方法。
背景技术
5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的下一代通信技术。相比4G，5G系统要求具有超高的频谱利用率、更高速率、更低时延、更好的用户体验以及能够支持海量终端的连接。稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)技术是应5G需求而提出的一种非正交多址接入技术，它能够将用户的码字在网络资源上非正交进行叠加，实现相同的资源条件下，支持更多用户，从而有效提升网络容量。另一方面，机器间通信以及物联网将会是5G时代极其重要的应用，对于海量设备的互联，大规模信息泄露的风险和后果将更加严重，信息传输安全问题非常关键。由于众多设备、传感器等或许只能靠电池进行供电，因此5G系统需要一种在保证安全的同时，可以降低算法复杂度、时延和功耗的轻量级的加密机制。
图1所示是多终端用户通信的系统模型。不失一般性，我们考虑多个用户使用SCMA的接入方式与基站(BS)进行通信。
对于终端使用的SCMA码本，文献“An Optimized Design of SCMA CodebookBased on Star-QAM Signaling Constellations,”International Conference onWireless Communications&Signal Processing,15-17Oct.2015,pp 1-5.提供了一种构造Star-QAM码本的方法。终端j的码本Cj可由母码CMC、映射矩阵Vj以及操作算子Δj按照下式生成：
Cj＝Vj(Δj)CMC
通常，在SCMA系统中，构成终端码本的CMC、Vj和Δj一经确定就预先分配给组内的各个终端，不会变化。基站可以根据各个终端的码本、接收到的信号以及终端与基站之间的信道信息，利用较低复杂度的消息传递算法(MPA)检测各个终端传输的数据。由于无线信号在空中自由传播，具有广播特性，附近的窃听用户也可以接收到合法用户的信号。在系统中，如果窃听者预先获知终端以何种方式与基站进行通信，包括终端发射信号的调制方式以及被分配的子载波的位置，用户信息就有可能遭到泄露和破解的风险。
发明内容
基于现有稀疏码多址接入技术存在用户信息可能遭到泄露和破解的风险，本发明提出一种基于稀疏码多址接入系统的一种加密传输的方法，可以实现目标用户信息的安全传输。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
基站发送导频信号，终端利用导频信号对信道进行估计，获得基站至终端之间的信道系 数。
终端发送导频信号，基站利用导频信号对信道进行估计，获得终端至基站之间的信道系数。
终端根据基站至终端之间的信道系数按照固定的规则生成自己的码本。
基站根据终端至基站之间的信道系数按照固定的规则计算终端的码本。
终端采用生成的码本进行数据传输，基站计算出终端的码本后可采用通用算法对接收到的所有终端的信号进行解码，除了通用算法，也可以利用其他接收算法，例如最大似然检测算法。
优选的，可采用信息传递算法(MPA)对接收到的所有终端的信号进行解码。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
传统的SCMA系统中，终端使用固定的发送码本进行数据传输。当终端与基站进行通信的时候，容易遭到附近窃听者的窃听。在本发明中，终端用户发送的码本不是固定的，而是根据基站至终端的信道信息按照固定的规则唯一确定。根据信道的上下行互易性，目标基站测量到终端至基站的信道信息后可以按照固定的规则计算出终端所使用的码本，从而利用码本的信息进行解调和解码。而窃听方由于获取到的信道信息是不一样的，无法计算出正确的码本，因而无法根据码本的信息进行解调和解码，从而实现了用户信息的安全传输。
附图说明
图1是多用户上行传输的系统模型。
图2是终端与基站确定码本的信令流程。
图3是不同SNR情况下合法基站解调的用户的误码率以及窃听设备解调的用户的误码率。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明中，为了实现参与信息发送的所有终端信息传输的安全性，我们设计一种机制，选取一个终端使其码本不是预先确定的，而是根据该终端与基站的信道特征动态进行确定。我们假定终端与基站工作在TDD模式，信道上下行具有理想的互易性。上下行信道具有互易性是理想情况，在实际系统中允许一定的误差或者可以采用现有某些技术在一定程度上进行校正。
具体地，把所有参与信息发送的用户分成几个小组，每组有J个用户。终端j的码本Cj，通过图2的方式进行互相协商后确定，信令流程如下：
1)基站A发送导频信号给终端J，终端J利用导频信号对信道进行估计，获得信道系数hAJ。
2)终端J发送导频信号给基站A，基站A利用导频信号对信道进行估计，获得信道系数hJA。
3)终端J根据信道系数hAJ生成ΔJ，即ΔJ＝f(hAJ)，其中f(·)定义为映射函数。获得ΔJ后，终端J通过计算CJ＝VJ(ΔJ)CMC生成自己的码本。
4)基站A根据信道系数hJA生成ΔJ′＝f(hAJ)。基站把CJ′＝VJ(ΔJ′)CMC作为终端J的码本。
5)终端J采用码本CJ进行数据传输，基站A采用MPA算法对接收到的所有终端的信号进行解码。
假设基站与终端工作在TDD模式，上下行信道具有理想的互易性，即hAJ＝hJA，则ΔJ′＝ΔJ。因此终端与基站生成的关于终端J的码本是一致的，即CJ′＝CJ。
在上述方案中，窃听终端E也会收到基站A和终端J发送的导频信号，通常窃听终端与基站以及终端J不在同一位置，所获得的信道系数hAE≠hAJ，hJE≠hJA，因而所生成的操作算子Δj″≠Δj，从而不能获得终端J的码本信息，因此不能对所有终端的数据进行解码。
例子：假设母码本为：
用因子图表示的SCMA结构为：
终端1～终端6的操作算子分别为：
映射矩阵分别为：
终端1～终端6的相位操作分别取决于θ1～θ6，其取值则由基站A到终端j(j＝1…6)的信道系数hAj确定。由于hAj的唯一性和上下行互易性，只有合法的基站才能获得解码所需的θ，增强了系统的保密性。
为了评估本发明所提出的安全加密方案的性能，我们使用了图1的场景进行了仿真。仿真参数如表1所示，系统包含6个终端，分别使用上述例子中所描述的码本方案进行数据发送，在传输数据前，θj由终端j根据基站与它的信道系数进行确定。根据信道的上下行互易性，合法基站可以计算出终端j所使用的θj。而窃听设备因不能获得终端与合法基站的信号系数，无法正确计算θj，从而无法有效对终端发送的信息进行解调。图3对比了不同SNR情况下合法基站解调的用户的误码率以及窃听设备解调的用户的误码率。随着SNR的升高，合法基站解调的用户的误码率越来越低，窃听设备解调的用户的误码率则始终保持在50％左右，没法对用户的信息进行解码。
表1：仿真参数
参数 取值
调制方式 QPSK
SCMA星座大小 4
符号个数 1e6
MPA迭代次数 5
子载波个数 4
用户数 5
信道 AWGN
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于稀疏码多址接入系统的加密传输的方法，包括如下步骤：
1)基站A发送导频信号给终端J，终端J利用导频信号对信道进行估计，获得信道系数hAJ；
2)终端J发送导频信号给基站A，基站A利用导频信号对信道进行估计，获得信道系数hJA；
3)终端J根据信道系数hAJ生成ΔJ，即ΔJ＝f(hAJ)，其中f(·)定义为映射函数，获得ΔJ后，终端J计算生成自己的码本CJ；
4)基站A根据信道系数hJA生成ΔJ′＝f(hAJ)，基站计算终端J的码本；
5)终端J采用码本CJ进行数据传输，基站A对接收到的所有终端的信号进行解码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：终端J通过计算CJ＝VJ(ΔJ)CMC生成自己的码本，其中CMC是母码本，ΔJ是操作算子，VJ是映射矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：基站把CJ′＝VJ(ΔJ′)CMC作为终端J的码本。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基站与终端工作在TDD模式，上下行信道具有理想的互易性，即hAJ＝hJA，则ΔJ′＝ΔJ，终端与基站生成的关于终端J的码本是一致的，即CJ′＝CJ，实际系统中，允许一定的误差或者在一定程度上进行校正。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤5)采用信息传递算法(MPA)或者最大似然检测算法对接收到的所有终端的信号进行解码。
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