CN113453225A - 一种面向lte系统的物理层水印认证方法和系统 - Google Patents

一种面向lte系统的物理层水印认证方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向LTE系统的物理层水印认证方法和系统,属于物理层水印认证领域。本发明将物理层认证技术应用在LTE系统中，减少了传统的高层认证所需的系统开销，并对传统水印认证方案做了如下改进：本发明提出将水印嵌入在参考信号的相位中，减小水印对用户信号造成干扰，同时，通过采用相位对称嵌入的方式，减小水印对参考信号的信道估计造成影响；本发明提出伪用户比特的概念，利用伪用户比特代替用户比特作为水印生成的参数，减小由接收端解调用户信号错误引起的认证错误；本发明还将信道编码加入水印的生成方案中，减小水印在传输过程中发生的误码。

Description

一种面向LTE系统的物理层水印认证方法和系统
技术领域
本发明属于物理层水印认证领域，更具体地，涉及一种面向LTE系统的物理层水印认证方法和系统。
背景技术
近年来，物理层安全机制的研究成为人们关注的焦点。物理层认证技术作为物理层安全机制的一种重要实现方式，有着很强的理论与现实意义。物理层水印技术将认证信息以水印的形式嵌入在传输信号中，是最常用的物理层认证技术。
在通信系统中，水印方案首先由发射机生成并嵌入在发射信号中，然后接收机提取出传输信号中的水印，并在接收端也生成一个水印，将接收端生成的水印与提取的水印进行比较，完成认证过程。为了防止第三方破译水印，常用水印方案将用户比特与合法通信双方之间的共享密钥进行哈希运算来生成水印，使得不同的数据帧中可以嵌入不同的水印信号。
现有的物理层水印方案都是基于某种特定的调制方式(如QPSK、FSK、OFDM等)，将水印信息嵌入在特定的参数中(如载波频率、相位等)，但是通常都没有考虑水印方案的实际应用场景。随着近年来长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统的广泛应用，有必要提出一种适用于LTE系统的物理层水印方案。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向LTE系统的物理层水印认证方法和系统，其目的在于设计一个适用于LTE系统的水印方案，实现合法通信双方之间的身份认证，使水印方案有更明确的应用场景。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，所述方法包括以下步骤：
S1.水印生成和嵌入；
S1.1.发送方根据用户信号生成水印源比特hs；
S1.2.将生成的水印源比特hs进行重新编码，得到水印嵌入比特w；所述水印嵌入比特w具有相同数量的比特0和比特1；
S1.3.将水印嵌入比特w叠加到标准参考信号的相位中；所述标准参考信号为LTE系统物理层协议规定的参考信号；
S2.水印提取和认证；
S2.1.将接收到的参考信号与标准参考信号的相位作差，得到接收方接收的水印嵌入比特
Figure BDA0003128111800000021
S2.2.对水印嵌入比特
Figure BDA0003128111800000022
解码，得到接收方提取到的水印源比特
Figure BDA0003128111800000023
S2.3.在接收方重新生成水印源比特
Figure BDA0003128111800000024
S2.4.将接收方提取的水印源比特
Figure BDA0003128111800000025
与接收方重新生成的水印源比特
Figure BDA0003128111800000026
比较，若两者相同，则认证成功；否则，认证失败。
进一步地，步骤S1.1具体包括，
将待传输的用户比特bu映射为伪用户比特b′u，并将伪用户比特b′u与合法通信双方之间的共享密钥key进行哈希运算，得到发送方生成的水印源比特hs；所述伪用户比特为根据所述用户信号的模设置阈值，再根据所述阈值对用户信号的模进行分类的结果。
进一步地，步骤S1.2具体包括，
每4个水印源比特分为一组，对每组水印源比特进行(7,4)循环码的编码，再根据7位码中比特1的数量，在第8位相应补充比特0或比特1，使得得到的水印嵌入比特中比特0和比特1的数量相同；
针对0000或1111的一组水印源比特，将其进行比特转化，使得该组水印源比特经过(7,4)循环码的编码结果不为全0或全1。
进一步地，步骤S2.3具体包括，
将解调得到的用户信号映射为伪用户比特
Figure BDA0003128111800000031
将接收方的伪用户比特
Figure BDA0003128111800000032
与所述共享密钥key进行哈希运算，得到接收方重新生成的水印源比特
Figure BDA0003128111800000033
针对重新生成的水印源比特为0000或1111的情况，将其进行与步骤S1.2对应的比特转化。
进一步地，步骤S2.1具体为，
Figure BDA0003128111800000034
Figure BDA0003128111800000035
为接收方接收的水印嵌入比特，
Figure BDA0003128111800000036
为接收到的参考信号与标准参考信号的相位差，n表示子载波序号。
进一步地，步骤S2.2具体包括，
以8位水印嵌入比特为1组，取前7位进行解码得到接收方提取到的水印源比特
Figure BDA0003128111800000037
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明将物理层认证技术应用在LTE系统中，与传统的高层认证技术相比，物理层认证有两个主要优点。首先，物理层认证将对手限制在有噪声的观察中，可以保护认证标签。其次，物理层认证可以使合法接收机能够快速区分合法发射机和恶意发射机，而不必要完成更高层的处理。因此，将物理层水印认证技术应用在LTE系统中，可以减少传统的高层认证所需的系统开销。
(2)本发明将水印嵌入在参考信号的相位中，相比传统将水印嵌入用户信号的方式，能够减小水印对用户信号造成干扰；同时，通过采用相位对称嵌入的方式，减小水印对参考信号的信道估计造成影响，进一步减小了对用户信号的影响。
(3)本发明将用户比特调制后得到的用户信号的模的判决定义为伪用户比特，通过利用伪用户比特代替用户比特作为水印生成的参数，接收方在用户信号解调错误时仍然可能映射得到正确的伪用户比特，生成正确的水印，提高水印的认证成功率。
(4)本发明将信道编码加入水印的生成过程，减小了水印在信道中传输的误码率，进而提高了水印传输的成功率。
附图说明
图1是嵌入水印方案后的LTE系统模型图；
图2是伪用户比特的映射示意图；
图3是水印生成方案的流程图；
图4是水印认证方案的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明设计的适用于LTE系统的水印认证方案主要包括发射机生成水印、嵌入水印，以及接收方提取水印、认证水印；LTE系统的子载波数目小于36，用户信号采用调制方式为16QAM或者64QAM。在实施例中，信号以子帧为单位进行传输，每个子帧包括14个FDMA符号，其中有12个用户符号与2个参考符号，而参考符号处于第4个符号位与第11个符号位。用户信号调制方式为16QAM，参考信号是QPSK信号，系统使用24个子载波。
嵌入水印后的LTE系统模型如图1所示，信号可以分为两个部分，即用户信号和参考信号。首先发射机根据用户信号生成水印信号，然后将水印信号嵌入在参考信号之中。通过资源映射、FDMA等过程生成LTE信号，再发送信号。信号经过信道传输到达接收方，接收方首先进行同步处理，解FDMA与资源映射，然后参考LTE物理层协议，恢复出参考信号，根据协议规定的标准的参考信号与接收的参考信号之差提取出发送方嵌入的水印。同时，接收方根据解调的用户信号重新生成水印，根据接收方生成的水印与接收方提取的水印的比较结果判断认证是否成功。图1中，虚线框表示的是本发明加入的水印方案，实线框表示原有的LTE系统模型，未对其进行修改，因此本发明主要描述虚线框的内容。其中，生成水印框将对应发射机中的步骤1.1与步骤1.2，嵌入水印框将对应发射机中的步骤1.3，而提取水印框将对应接收机中的步骤2.1，认证水印框将对应接收机中的步骤2.2、步骤2.3与步骤2.4。
本实施例中，发射机生成并嵌入水印包括以下步骤：
步骤1.1、首先用户比特bu经16QAM调制后得到用户信号su，再映射成为伪用户比特b′u，将伪用户比特与合法通信双方之间的共享密钥key进行哈希运算得到水印源比特hs。本实施例中，密钥统一为“keyforphone1”，采用的哈希算法为SHA-1。每个子帧中，有12个FDMA用户符号，且系统有24个子载波，用户信号采用的调制方式是16QAM，因此对于每个子帧来说，传输的用户比特数为12×24×4＝1152，即bu是长度为1152的比特序列。用户信号映射为伪用户比特的过程用公式表达为：
Figure BDA0003128111800000051
经过16QAM调制后的用户信号记为su，a1是16QAM中最小模的取值，a2是次小模的取值。本实施例中，16QAM的三种模依次为0.4472、1、1.3416，则a1为0.4472，a2为1。伪用户比特实际是对调制后用户信号模的判决。在常用水印方案中，利用用户比特生成水印的主要目的是对于不同的数据帧生成不同的水印，实际并不关心用户比特的具体取值，因此利用伪用户比特同样可以达到此目的。同时，利用用户比特生成水印时，必须保证接收方解调每一个用户信号都正确，但是利用伪用户比特生成水印时，即使部分用户数据解调错误，只要其映射的伪用户比特正确，仍然可能认证成功。因此，利用伪用户比特代替用户比特作为水印生成的参数，可以在部分用户信号解调错误时仍然认证成功，提高认证成功率。由用户信号映射伪用户比特的过程如图2所示。当使用用户比特作为哈希运算的输入时，要求星座图中的每一个点都判决正确；当使用伪用户比特作为哈希运算的输入时，只需要保证模的判决是正确的。当用户调制方式为64QAM时，同样有多种模，可以生成伪用户比特。
步骤1.2、为了减小水印在信道中传输的误码率，本发明将信道编码引入水印生成方案。通过信道编码，由水印源比特hs得到了水印嵌入比特w。本实施例中采用(7,4)循环码编码。为了减小水印对用户信号造成影响，本发明将水印嵌入到参考信号的相位中。考虑到参考信号常被用于信道估计，为了避免水印对参考信号的信道估计造成影响，本发明通过改进信道编码来满足水印的对称性(即编码后水印比特0与水印比特1的数量相等)。首先每4个水印比特分为一组，对每组水印比特进行(7,4)循环码的编码，再根据7位码中比特1的数量，在第8位补充适当的比特0或比特1，实现水印的对称性。值得注意的是，在传统的循环码编码中，存在全0与全1的情况，此时无法通过简单的补位实现水印的对称性。因此，可将全0与全1情况下的信息码，视为与其邻近的信息码0001与1110，再进行编码。改进后的(7,4)循环码映射关系总结如表1所示，
表1
信息码 编码 信息码 编码
0000 00010111 1000 10001011
0001 00010111 1001 10011100
0010 00101101 1010 10100110
0011 00111010 1011 10110001
0100 01001110 1100 11000101
0101 01011001 1101 11010010
0110 01100011 1110 11101000
0111 01110100 1111 11101000
水印生成的完整过程如图3所示。图3中，在哈希运算之后有一个截取的过程，是为了获得合适的水印长度。每个子帧中，有2个FDMA参考符号，系统占据24个子载波，因此水印嵌入比特w的长度为48，考虑到水印嵌入比特w的长度是水印源比特hs的长度的2倍，哈希运算之后截取的长度应为24。
步骤1.3、将生成的水印嵌入到参考信号的相位中：
Figure BDA0003128111800000071
其中，
Figure BDA0003128111800000072
是协议规定的参考信号，为标准的QPSK信号，
Figure BDA0003128111800000073
或±3，在LTE协议中规定了30组不同的参考信号，30组
Figure BDA0003128111800000074
的取值如表2所示。在本实施例中，2个FDMA参考符号均采用第一组参考信号。ej(2w(n)-1)a是嵌入的水印信号，a是水印嵌入强度，本实施例中a取值为0.2。w(n)是嵌入至第n个子载波的水印比特，取值为0或1，yu(n)即是嵌入水印后的参考信号。
表2
Figure BDA0003128111800000075
Figure BDA0003128111800000081
接收方提取与认证水印包括以下步骤：
步骤2.1、首先利用协议恢复已知的参考信号，再根据接收方的参考信号与标准的参考信号之差提取出发送方发射的水印嵌入比特
Figure BDA0003128111800000082
接收机收到的参考信号可以表示为：
Figure BDA0003128111800000083
其中
Figure BDA0003128111800000084
为接收的参考信号，经过信道传输后假设有相移
Figure BDA0003128111800000085
利用信道估计得到相移为
Figure BDA0003128111800000086
然后将传输得到的相位与标准参考信号的相位相比较：
Figure BDA0003128111800000087
Figure BDA0003128111800000088
最后可根据比较结果判决发送方的水印信号：
Figure BDA0003128111800000089
步骤2.2、将提取的水印嵌入比特
Figure BDA00031281118000000810
解信道编码得到提取的水印源比特
Figure BDA00031281118000000811
要注意的是，在进行信道编码时，每4位水印源比特编码为7位，再根据7位码中码1的数目对第8位进行补充，实现水印的对称性。因此，对应的，在接收端以8位比特为1组，取前7位进行解码以提取出水印源比特。
步骤2.3、将解调得到的用户信号映射为伪用户比特
Figure BDA0003128111800000091
将接收方的伪用户比特
Figure BDA0003128111800000092
与密钥key进行哈希运算，在接收方重新生成水印源比特
Figure BDA0003128111800000093
值得注意的是，在信道编码时，由于全0与全1码组不能通过简单的补位实现对称性，所以将全0与全1码组视为0001与1110再进行编码，因此，对应的，接收端重新生成的水印源比特中，也要将全0与全1码组视为0001与1110。
步骤2.4、比较接收方重新生成的水印源比特
Figure BDA0003128111800000094
与接收方提取的水印源比特
Figure BDA0003128111800000095
如果两者相同，则认证成功，否则认证失败：
Figure BDA0003128111800000096
其中，rauth表示最后的认证结果，取1代表认证成功，取0代表认证失败。水印认证的完整过程如图4所示。
本实施例详细介绍了系统使用24个子载波，且用户调制方式为16QAM时的水印方案，当系统使用12个子载波，或者用户调制方式为64QAM时，水印方案的原理是完全相同的，只是需要截取不同的水印长度，设置不同的伪用户比特判决幅度。水印方案的其他参数也可以根据实际情况进行修改，如水印嵌入的强度、采用的哈希算法、采用的信道编码方式等等
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.水印生成和嵌入；
S1.1.发送方根据用户信号生成水印源比特hs；
S1.2.将生成的水印源比特hs进行重新编码，得到水印嵌入比特w；所述水印嵌入比特w具有相同数量的比特0和比特1；
S1.3.将水印嵌入比特w叠加到标准参考信号的相位中；所述标准参考信号为LTE系统物理层协议规定的参考信号；
S2.水印提取和认证；
S2.1.将接收到的参考信号与标准参考信号的相位作差，得到接收方接收的水印嵌入比特
Figure FDA0003128111790000011
S2.2.对水印嵌入比特
Figure FDA0003128111790000012
解码，得到接收方提取到的水印源比特
Figure FDA0003128111790000013
S2.3.在接收方重新生成水印源比特
Figure FDA0003128111790000014
S2.4.将接收方提取的水印源比特
Figure FDA0003128111790000015
与接收方重新生成的水印源比特
Figure FDA0003128111790000016
比较，若两者相同，则认证成功；否则，认证失败。
2.根据权利要求1所述的一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，其特征在于，步骤S1.1具体包括，
将待传输的用户比特bu映射为伪用户比特bu′，并将伪用户比特bu′与合法通信双方之间的共享密钥key进行哈希运算，得到发送方生成的水印源比特hs；所述伪用户比特为根据所述用户信号的模设置阈值，再根据所述阈值对用户信号的模进行分类的结果。
3.根据权利要求2所述的一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，其特征在于，步骤S1.2具体包括，
每4个水印源比特分为一组，对每组水印源比特进行(7,4)循环码的编码，再根据7位码中比特1的数量，在第8位相应补充比特0或比特1，使得得到的水印嵌入比特中比特0和比特1的数量相同；
针对0000或1111的一组水印源比特，将其进行比特转化，使得该组水印源比特经过(7,4)循环码的编码结果不为全0或全1。
4.根据权利要求3所述的一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，其特征在于，步骤S2.3具体包括，
将解调得到的用户信号映射为伪用户比特
Figure FDA0003128111790000021
将接收方的伪用户比特
Figure FDA0003128111790000022
与所述共享密钥key进行哈希运算，得到接收方重新生成的水印源比特
Figure FDA0003128111790000023
针对重新生成的水印源比特为0000或1111的情况，将其进行与步骤S1.2对应的比特转化。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，其特征在于，步骤S2.1具体为，
Figure FDA0003128111790000024
Figure FDA0003128111790000025
为接收方接收的水印嵌入比特，
Figure FDA0003128111790000026
为接收到的参考信号与标准参考信号的相位差，n表示子载波序号。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种面向LTE系统的物理层水印认证方法，其特征在于，步骤S2.2具体包括，
以8位水印嵌入比特为1组，取前7位进行解码得到接收方提取到的水印源比特
Figure FDA0003128111790000027
7.一种面向LTE系统的物理层水印认证系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的面向LTE系统的物理层水印认证方法。
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