CN107819718A - 基于反格雷码映射的ldpc‑y‑cofdm安全控制方法及系统 - Google Patents

基于反格雷码映射的ldpc‑y‑cofdm安全控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反格雷码映射的LDPC‑Y‑COFDM安全控制方法及其安全系统，系统主要由LDPC编译码器、OFDM调制解调器以及收发模块三大部分构成；本发明创新性地将一种反格雷码映射方法应用到COFDM系统的星座映射模块中，通过最大化相邻码字间不同比特位的个数来使得COFDM系统的安全界得到大幅减小，即在实际通信环境中，窃听信道质量稍有退化，就可迫使窃听方的误码率高于0.4，从而有效地实现绝对意义上的通信安全,实现简单，易于推广，并且具有很好的安全性能，可为研究能减小系统安全界的方法提供新的思路，同时也对实现COFDM系统的通信安全保密以及促进COFDM系统的实用化具有非常重要的意义。

Description

基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法及系统
技术领域
本发明属于通信安全技术领域，涉及一种基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全系统及其控制方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术作为一种多载波调制技术，具有灵活的可分配频谱资源、接近Nyquist极限的频谱利用率、优异的抗多径干扰能力等优点，在高速传输系统中具有无可比拟的优越性，已成为4G通信系统的首选技术。
但是，多径传输所产生的频率选择性衰落将导致OFDM信号的个别子信道受到深衰落的影响，造成数据传输出现差错，严重影响整个OFDM系统通信可靠性。编码OFDM(CodedOFDM，COFDM)技术为解决上述问题提供了一种有效的方案，它将前向纠错(Forward ErrorCorrection，FEC)技术应用到OFDM系统中，通过信道编码使得OFDM信号中处于深度衰落子载波上的错码被一定程度的纠正，使得OFDM技术更具可靠性。目前，将性能优异的纠错码(如卷积码、RS码、Turbo码、LDPC码等)和OFDM技术相结合构成的COFDM已经被广泛地应用于实际无线通信系统中，并取得了很好的系统误码性能。其中，LDPC-COFDM系统因其兼具了LDPC码的最优纠错性能以及OFDM技术的优异特性，更是成为了当前移动通信系统传输技术的主要解决方案之一，并已被成功地应用于中国地面数字电视广播系统(DTMB)、卫星数字视频广播系统(DVB-S2、DVB-T2)、WLAN(802.11n)及Wimax(802.16e)等实际系统中。由此可见，LDPC-COFDM系统具有极好的应用前景，对LDPC-COFDM系统做更深入的研究具有十分重要的意义。
对于一个数字通信系统，评价其通信质量好坏主要从有效性、可靠性、安全性等三方面入手，有效性主要针对的是通信系统中信息传输的快慢问题；可靠性主要是指通信系统中信息传输的好坏问题；安全性则是指通信系统是否具有安全通信能力以及安全水平的高低。然而，现有的针对LDPC-COFDM系统的研究主要侧重于系统架构以及编译码方案等方面，忽略了LDPC-COFDM系统的安全性问题。目前，随着通信技术走向宽带化和融合化，各种高科技破译技术层出不穷，LDPC-COFDM系统也面临着严峻的安全性挑战。
传统的无线网络安全都是通过密钥加密的方式，在网络协议栈的上层利用各种加密算法对信息进行加密，从而确保信息的安全性，虽然采用这种方式可以较好地保证无线网络的信息安全性，但往往需要以较高的计算复杂度为代价，并假设其加密密钥计算上不可破译。然而，随着量子计算机的出现，很多传统的加密方法将不再可靠，如何实现无线通信的安全保密已成为困扰无线通信发展的瓶颈。物理层安全(Physical layer security)作为一种新兴的无线安全传输技术，从网络协议栈最底层的物理层的角度为解决无线通信的信息安全问题提供了新的思路。它以信息论为根本出发点，充分利用无线信道的各种传播特性，如开放的物理信道、多径和衰落的传输特性等，将这些原本不利的信道特性换个角度加以利用，旨在实现一种无条件安全。目前，物理层安全技术已成为宽带化、融合化情况下解决无线通信系统安全问题的重要技术途径，并成为了信息安全领域的研究热点。
物理层安全的理论基础源于Wyner在1975年提出的窃听信道模型，目前针对物理层安全的研究工作主要可分为以下两个方向：
以保密容量为安全测度的物理层安全方法研究保密容量(Secrecy capacity)是指在合法接收者能以任意小的差错解码数据，而窃听者解码数据的差错概率接近1的前提下，系统所能达到的最大传输速率，它是衡量一个通信系统安全性的重要指标，其值为正且越大越好。保密容量从被提出以来一直受到国内外诸多学者的广泛研究，现有的相关文献大都围绕对各种窃听信道模型的保密容量进行理论推导、相应安全编码的构造以及对保密容量最大化展开研究。但是，由于保密容量的计算需要知道窃听者的信道特征或其分布信息，而实际中这些信息很难获取，因此这些研究均是基于一定假设之上，且其中提到的安全编码本质上属于纯随机编码，很难在实际通信系统中使用。针对一个特定的实际通信系统来说，得到其确切的保密容量相当困难。故而保密容量很难作为一种实用的安全测度，这也在一定程度上制约了以保密容量为安全测度的物理层安全方法的大规模发展与实用化。
以减小安全界为目标的物理层安全方法研究安全界(Security gap)是一个用来衡量一定物理层安全水平下合法信道与窃听信道间质量差异的安全测度，它是由Klinc等人于2009年首次提出的，是一种基于误码率(Bit Error Rate，BER)且相比于保密容量更易获取与分析的安全测度，该测度将合法信道与窃听信道间质量上的差异转化为两者BER上的差异，从而实现合法用户具有低BER、窃听用户具有高BER的可靠安全通信。可以设想，若窃听者的BER接近0.5，合法用户的BER接近零，那么即可实现窃听者从接收码字中无法获得任何有用信息、合法用户可完全正确恢复发送信息的安全保密通信。
发明内容
发明所要解决的课题
综上，提出的一种基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，实现简单，易于推广，并且具有很好的安全性能，可为研究能减小系统安全界的方法提供新的思路，同时也对实现COFDM系统的通信安全保密以及促进COFDM系统的实用化具有非常重要的意义。
用于解决课题的技术手段：
一种基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，包括如下步骤：
步骤1，将信源输出的信息比特流X(k)送入LDPC编码器进行信道编码，得到码字序列c(k)；
步骤2，对码字序列c(k)进行反格雷码映射得到复数符号序列C(k)；
步骤3，根据OFDM子载波数N对复数符号序列C(k)进行分组及串并转换，对得到的并行符号序列依次进行IFFT操作、以及并串转换及添加循环前缀(CP)操作，进而得到OFDM符号s(n)；
步骤4，将步骤3得到的OFDM符号s(n)经发射模块D/A处理后发送至传输信道；
步骤5，通过接收模块对接收传输信道的OFDM符号r(t)进行A/D处理，获取OFDM符号r(n)，进而对获取的OFDM符号r(n)进行OFDM解调：OFDM解调包含去循环前缀(CP)、串并转换、FFT变换、并串转换以及反格雷码星座软解调；
步骤6，将步骤5得到的软解调信息转换为概率对数似然比，输入到LDPC译码器进行译码输出LDPC码字的信息位，进而传输至信宿。
作为本发明的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法的进一步优选方案，在步骤1中，LDPC编码器采用802.16e标准中定义的QC-LDPC码以及RU快速编码算法进行信道编码。
作为本发明的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法的进一步优选方案，在步骤2中，反格雷码映射的具体步骤如下：
步骤2.1，构造1比特反格雷码；
步骤2.2，将1比特反格雷码逆序排列并连接在原1比特反格雷码之后；
步骤2.3，对步骤2.2得到的序列以0开始交替地加前缀0和1；
步骤2.4，对步骤2.3得到的2比特序列的下半部分进行比特翻转，即01，10，即得到了2比特反格雷码；
步骤2.5，与步骤2.2操作相同，即将2比特反格雷码逆序排列并连接在原2比特反格雷码之后；
步骤2.6，与步骤2.3操作相同，即对2.5得到的序列交替地加前缀0和1；
步骤2.7，与步骤2.4操作相同，即对2.6得到的3比特序列的下半部分进行比特翻转，即得到3比特反格雷码。
步骤2.8，通过步骤2.1至步骤2.7的递归循环获取n比特反格雷码的构造。
作为本发明的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法的进一步优选方案，所述OFDM调制采用16QAM调制方式进行调制。
本发明还提供一种基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM系统，其特征在于，包括LDPC编码器、OFDM调制模块、发送模块、接收模块、OFDM解调模块、LDPC译码器；
其中，LDPC编码器，用于将信源输出的信息比特流X(k)进行信道编码，得到码字序列c(k)；
OFDM调制模块，用于对码字序列c(k)进行OFDM调制处理，得到OFDM符号s(n)；
发送模块，用于将OFDM符号s(n)进行D/A处理发送至传输信道；
接收模块，用于对接收传输信道的OFDM符号进行A/D处理，获取OFDM符号；
OFDM解调模块，用于对获取的OFDM符号进行OFDM解调；
LDPC译码器，用于对OFDM解调后的信息进行译码输出，进而传输至信宿。
发明效果
本发明是从不依赖于加密密钥的物理层安全角度出发，设计一种可以提高COFDM系统安全性的方法，该方法可有效地实现绝对意义上的通信安全。
现有的具有代表性的安全方法有打孔LDPC安全编码方法以及添加扰乱矩阵法，这些方法均是通过设计安全编码来实现减小系统安全界的目的，它们以具有良好纠错性能的差错码为母码，以最小化合法接收端的误比特率，同时最大化窃听方的误比特率为目标，通过复杂的编码构造以及误码率公式推导，来设计出最佳的编码模式，而不考虑系统的调制解调模块，因此其可在最大程度上减小系统的安全界，但也正因如此，安全编码方法的设计相对于本发明所设计的安全系统来说复杂了很多。
现有的系统性能验证大都是在高斯窃听信道模型下进行的，本发明则构建了更加接近于实际通信环境的多径窃听信道仿真模型，并对所提方法在多径信道环境下的性能进行了验证，取得了较好的仿真结果。
此外，本发明实现简单，可方便地推广至多种COFDM系统中。
附图说明
图1为本发明所构造的具有高安全性的LDPC-Y-COFDM安全系统简化模型；
图2为3比特反格雷码的构造过程，此处仅为一个示例；
图3为本发明所构造的4比特反格雷码及其“折叠”特性示意图；
图4为4比特反格雷码的折叠方式；
图5为构造的采用反格雷码映射的16QAM星座图；
图6为本发明构建的更加接近于实际通信环境的多径窃听信道仿真模型；
图7为在高斯信道环境下对本发明所构造安全系统的安全界性能的仿真结果；
图8为在不同多径信道环境下对本发明所构造安全系统的安全界性能的仿真结果。
具体实施方式
以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。
目前，随着通信技术走向宽带化和融合化，各种高科技破译技术层出不穷，LDPC-COFDM系统面临着严峻的安全性挑战。而传统的用以保证无线网络信息安全的加密方法随着量子计算机的出现已变得不再可靠。物理层安全作为一种新兴的无线安全传输技术，从网络协议栈最底层的物理层的角度为解决无线通信的信息安全问题提供了新的思路，已成为宽带化、融合化情况下解决无线通信系统安全问题的重要技术途径，并成为了信息安全领域的研究热点。
本发明就是从物理层安全角度出发，提出一种易于实现的提高COFDM系统物理层安全的方法，该方法可使COFDM系统的安全界得到大幅减小，即在实际通信环境中，窃听信道质量稍有退化，就可迫使窃听方的误码率高于0.4，从而有效地实现绝对意义上的通信安全。
本发明的技术解决方案是所述的一种易于实现的提高COFDM系统物理层安全的方法，即是将一种反格雷码映射方法应用到COFDM系统的星座映射模块中，通过最大化相邻码字间不同比特位的个数来使得COFDM系统的安全界得到大幅减小，即构造出一种具有更高安全性的LDPC-Y-COFDM安全系统。该安全系统包含以下特征。
系统简化模型主要由LDPC(Low-Density Parity-Check；低密度奇偶校验)编译码器、OFDM调制解调器以及收发模块三大部分构成，即包括LDPC编码器、OFDM调制模块、发送模块、接收模块、OFDM解调模块、LDPC译码器此处忽略了与主要研究工作无关的均衡、同步、定时等技术的实现，即本研究都是基于系统完全同步的假设前提下进行的。其系统工作原理如下。
下面，结合附图说明本发明的一个实施例。
参照图1，本发明构造的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全系统简化模型包含LDPC编译码器、OFDM调制解调器以及收发模块三大部分，其系统工作原理如下：
(1)信源输出信息比特流X(k)，并将其送入LDPC编码器进行信道编码，得到码字序列c(k)；
(2)对码字序列c(k)进行反格雷码映射得到复数符号序列C(k)；
(3)根据OFDM子载波数N对C(k)进行分组及串并转换，对得到的并行符号序列进行IFFT(快速傅里叶逆变换)、并串转换及添加循环前缀(CP)等操作，得到OFDM符号s(n)；
(4)s(n)经发射模块D/A处理后发送出去并进行信道传输；
(5)接收端采取与发射端相反的处理过程，特别是星座解调采用反格雷码解调方式。
图2到图5所示为上述工作原理步骤(2)中反格雷码映射方法的具体构造过程，本发明中采用了16QAM调制方式。
参照图2，3比特反格雷码的具体构造过程可描述如下。
Step(i)：构造1比特反格雷码；
Step(ii)：将1比特反格雷码逆序排列并连接在原1比特反格雷码之后；
Step(iii)：对上一步得到的序列加前缀“0”和“1”。注意，这一步与格雷码的构造不同，此处是交替地加前缀，并以“0”开始。
Step(iv)：对上一步得到的2比特序列的下半部分进行比特翻转，即0→1,1→0。此时即得到了2比特反格雷码，可以看出其相邻码字间存在2比特或1比特的不同。
Step(v)：与Step(ii)操作相同，即将2比特反格雷码逆序排列并连接在原2比特反格雷码之后。
Step(vi)：与Step(iii)操作相同，即对上一步得到的序列交替地加前缀“0”和“1”。
Step(vii)：与Step(iv)操作相同，即对上一步得到的3比特序列的下半部分进行比特翻转，即得到3比特反格雷码。
n比特反格雷码的构造可以通过对上述过程进行递归循环来实现。
参照图3，本发明中构造的4比特反格雷码如图3(a)所示，仔细观察可发现反格雷码仍具有类似于格雷码的“折叠”特性，如图3(b)-(e)所示，所不同的是格雷码划分的上下两部分互为镜像，而反格雷码划分的上下两部分互为反镜像。
参照图4，利用折叠特性将反格雷码进行折叠，可以发现折叠后重合位置上的相邻两个二进制比特数间均有3比特不同。举例，对于“0000”、“1011”、“1100”、“0111”这四个重合位置上的二进制数来说，它们相邻两个数间均有3比特不同。这样4比特反格雷码的16个码字被分成了如下四组：①0000、1111、0010、1101；②1011、0100、1001、0110；③1100、0011、1110、0001；④0111、1000、0101、1010。
将上述四组二进制码字分别映射为星座图上的四列星座点，即得到了如图5所示的采用反格雷码映射的16QAM星座图。
采用MATLAB软件对本发明构造的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全系统(如图1所示)在高斯窃听信道环境下的安全界性能进行仿真，结果如图7所示，可以看出，本发明提出的方法使得LDPC-COFDM系统的安全界得到大幅减小，减小比例约为61％。
参照图6，现有研究大部分是在高斯窃听信道环境下进行仿真，本发明构建了更加接近于实际通信环境的多径窃听信道仿真模型，该模型的工作原理如下：
发送端Alice首先通过LDPC编码器将原始信息流UK编码成码序列Xn，然后通过OFDM调制器将码序列转换为复数符号序列Cs并调制到相互正交的子载波上传输给合法接收方Bob，传输信道为一个多径衰落信道，其复衰落系数用表示，复高斯噪声用表示，记该信道为合法信道；Bob经过接收模块处理后得到符号序列Ys，然后对Ys进行OFDM解调得到码序列最后通过LDPC译码得到合法接收方对原始消息UK的估计为同时，窃听方Eve通过另一个独立于合法信道的多径衰落信道(窃听信道)对Alice发送的信号进行窃听，该信道的复衰落系数为复高斯噪声为Eve经过接收模块处理后得到符号序列Zs，然后对Zs进行OFDM解调得到码序列最后通过LDPC译码得到窃听方对原始消息的估计为该模型中假设Bob与Eve采用的接收机完全相同，唯一不同的就是两者的信道质量有所差异，即该模型是建立在存在信道差异性的基础上。
采用MATLAB软件对图6所示的多径窃听信道环境下的LDPC-Y-COFDM系统简化模型进行仿真，结果如图8所示，为了使本发明更加具有实用性，仿真中的多径信道环境采用了3GPP LTE协议中定义的3种扩展模型场景：EPA、EVA和ETU。可以看出，在多径窃听信道模型下，LDPC-COFDM系统的安全界同样得到了较大减小，对应于EVA、ETU、EPA信道，分别减小了54％、54％、73％。故本发明提出的一种易于实现的提高COFDM系统物理层安全的方法同样适用于复杂多变的多径信道环境。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将信源输出的信息比特流X(k)送入LDPC编码器进行信道编码，得到码字序列c(k)；
步骤2，对码字序列c(k)进行反格雷码映射得到复数符号序列C(k)；
步骤3，根据OFDM子载波数N对复数符号序列C(k)进行分组及串并转换，对得到的并行符号序列依次进行快速傅里叶逆变换操作、以及并串转换及添加循环前缀操作，进而得到OFDM符号s(n)；
步骤4，将步骤3得到的OFDM符号s(n)经发射模块数/模处理后发送至传输信道；
步骤5，通过接收模块对接收传输信道的OFDM符号r(t)进行模/数处理，获取OFDM符号r(n)，进而对获取的OFDM符号r(n)进行OFDM解调：OFDM解调包含去循环前缀、串并转换、快速傅里叶变换、并串转换以及反格雷码星座软解调；
步骤6，将步骤5得到的软解调信息转换为概率对数似然比，输入到LDPC译码器进行译码输出LDPC码字的信息位，进而传输至信宿。
2.根据权利要求1所述的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，其特征在于，
在步骤1中，LDPC编码器采用802.16e标准中定义的QC-LDPC码以及RU快速编码算法进行信道编码。
3.根据权利要求1所述的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，其特征在于，
在步骤2中，反格雷码映射的具体步骤如下：
步骤2.1，构造1比特反格雷码；
步骤2.2，将1比特反格雷码逆序排列并连接在原1比特反格雷码之后；
步骤2.3，对步骤2.2得到的序列以0开始交替地加前缀0和1；
步骤2.4，对步骤2.3得到的2比特序列的下半部分进行比特翻转，即01，10，即得到了2比特反格雷码；
步骤2.5，将2比特反格雷码逆序排列并连接在原2比特反格雷码之后；
步骤2.6，对2.5得到的序列交替地加前缀0和1；
步骤2.7，对2.6得到的3比特序列的下半部分进行比特翻转，即得到3比特反格雷码；
步骤2.8，通过步骤2.1至步骤2.7的递归循环获取n比特反格雷码的构造。
4.根据权利要求1所述的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，其特征在于，
所述OFDM调制采用16QAM调制方式进行调制。
5.根据权利要求1所述的基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全控制方法，其特征在于，所述步骤5具体包含如下步骤：
步骤5.1，对OFDM符号r(n)依次进行去除循环前缀操作、串并转换、快速傅里叶变换操作、并串操作获取复数符号序列C′(k)；
步骤5.2，对复数符号序列C′(k)进行反格雷码星座软解调。
6.一种基于反格雷码映射的LDPC-Y-COFDM安全系统，其特征在于，包括LDPC编码器、OFDM调制模块、发送模块、接收模块、OFDM解调模块、LDPC译码器；
其中，LDPC编码器，用于将信源输出的信息比特流X(k)进行信道编码，得到码字序列c(k)；
OFDM调制模块，用于对码字序列c(k)进行OFDM调制处理，得到OFDM符号s(n)；
发送模块，用于将OFDM符号s(n)进行D/A处理发送至传输信道；
接收模块，用于对接收传输信道的OFDM符号进行A/D处理，获取OFDM符号；
OFDM解调模块，用于对获取的OFDM符号进行OFDM解调；
LDPC译码器，用于对OFDM解调后的信息进行译码输出，进而传输至信宿。
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