CN115174335A - 基于交织置换机制的otfs安全传输方法 - Google Patents

基于交织置换机制的otfs安全传输方法 Download PDF

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CN115174335A CN202210849435.8A CN202210849435A CN115174335A CN 115174335 A CN115174335 A CN 115174335A CN 202210849435 A CN202210849435 A CN 202210849435A CN 115174335 A CN115174335 A CN 115174335A
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Abstract

本发明公开了一种基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，收发端通过信道测量检测，获得瞬时信道信息；根据Gost算法对瞬时信道信息处理获得自升排序的输出结果，之后依次取输出结果的索引作为索引序列；发送端根据索引序列依次对FFT、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT、FFT矩阵；并且根据其将传输信号从时延多普勒域转换到时频域，进而通过海森堡变换转化到时域，最终经过信道发送时域信号；接收端根据安全索引序列进行对FFT、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT、FFT矩阵；通过温格变换将接收到的时域信号变化为时频域信号，再通过交织置换后的IFFT、FFT矩阵进行SFFT变换解码获得DD域信号。

Description

基于交织置换机制的OTFS安全传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于交织置换机制的OTFS安全传输方法。
背景技术
随着6G移动网络的发展，引入了诸如低轨卫星通信、无人机通信、车联网通信等技术。这些通信节点均具有高速移动的特征，然而高速移动势必会带来严重多普勒频移问题。由于严重多普勒频移额外引入了频率成分，因而相较于发射信道频谱，接收信号的频谱被扩展了，从而导致相邻码元间发生干扰的概率变大，造成严重的码间串扰。
为了解决该问题，R.Hadani等人提出了新的调制方式—正交时频空(OTFS)。OTFS技术把数据放在对时间变化相对不敏感的时延多普勒域，通过预处理逆辛傅里叶变换变换(ISFFT)将每个OTFS符号铺满于整个时频域，从而每个OTFS符号经历几乎相同的信道，因而可以很好地克服高速移动场景下的多普勒频移问题。并且由于无线信道的广播性和移动性，传输链路附近范围内的窃听者可以很容易地获取私密信息，这使得无线网络的安全性面临巨大挑战，因而作为6G的关键技术，如何提升OTFS系统的安全性能变得尤为重要。
在传统的无线通信中，为了确保无线通信的安全，基于密码学的安全机制主要部署在物理层以上的多层协议上，比如应用层、传输层、网络层，统称为上层加密，虽然上层加密可以增强无线系统的安全性，但其完全依赖密钥的保密性和计算复杂度。
而近年来随着量子计算技术的不断发展，计算能力得到突破性进展，这使得传统的密码方案很容易被破解，密码学通信安全技术面临巨大挑战。
近年来，物理层安全技术得到了长足发展，其利用无线信道的瞬时性、随机性，可实现合法收发端之间不需要共享密钥的安全传输，为“一次一密”提供了一种可行性思路，同时大大节约了通信资源。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于交织置换机制的OTFS安全传输方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，该方法包括：
发送端和接收端均通过信道测量检测，获得瞬时信道信息H1；
根据Gosudarstvennyi Standard(Gost)算法对瞬时信道信息H1处理获得自升排序的输出结果，之后依次取输出结果的索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)、K2(D'x,D'y,D'z,D'w)；
所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对FFT矩阵的行和列、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵；
所述发送端根据交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵将传输信号从时延多普勒(DD)域转换到时频域，进而通过海森堡变换转化到时域，最终经过信道发送时域信号；
所述接收端根据安全索引序列K2(D'x,D'y,D'z,D'w)进行对FFT矩阵的行和列、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵；
最后，通过温格变换将接收到的时域信号变化为时频域信号，再通过交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵进行SFFT变换解码获得DD域信号。
上述方案中，所述根据Gosudarstvennyi Standard(Gost)算法对瞬时信道信息H1处理获得自升排序的输出结果，具体为：把瞬时信道信息H1作为Gost算法的输入，对输入进行填充分组，在轮函数部分，分别使右部分经过人工输入的密钥以及S盒，并与左部分异或获得下一轮的右部分，下一轮的左部分则由上一轮的右部分得到，如下所示：
Figure BDA0003752802080000031
其中，i表示第i轮迭代，j表示S盒里的第j部分，然后通过压缩操作获得最终的输出结果。
上述方案中，所述依次取输出结果的索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)，具体为：将所有的输出结果进行自升排序，依次取其索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)。
上述方案中，所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对FFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的FFT矩阵，具体为：假设大小为M*M的标准FFT矩阵为
Figure BDA0003752802080000032
通过序列Dx进行行交织，FFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000033
通过序列Dy进行列置换，FFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000034
上述方案中，所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵，具体为：假设大小为N*N的标准IFFT矩阵为
Figure BDA0003752802080000035
通过序列Dz进行行交织，IFFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000036
通过序列Dw进行列置换，IFFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000037
上述方案中，所述发送端根据交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵将传输信号从时延多普勒(DD)域转换到时频域，具体为：假设发送端在DD域传输的信号由x[k,l]表示，通过对该信号进行如下所示的ISSFT变换，将该信号转化为TF域信号
Figure BDA0003752802080000041
其中PISFFT(·)表示在FFT矩阵和IFFT矩阵交织置换后的ISFFT变换。
上述方案中，所述通过海森堡变换转化到时域，最终经过信道发送时域信号，具体为：采用海森堡变换将TF域信号X[n.m]转化为时域信号s(t)向发送端传输即
Figure BDA0003752802080000042
其中gtx(·)表示发送波形，所述发送端发送的时域信号经过信道传输到接收端可以表示为如下所示r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)ej2 πν(t-τ)dτdν+w(t)；w(t)表示信道的高斯白噪声。
上述方案中，所述通过温格变换将接收到的时域信号变化为时频域信号，再通过交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵进行SFFT变换解码获得DD域信号，具体为：通过温格变换将接收到时域信号r(t)转换为DD域信号Y[n,m]，
Figure BDA0003752802080000043
利用SFFT将TF域信号转换为DD域信号
Figure BDA0003752802080000044
其中PSFFT(·)表示在IFFT矩阵和FFT矩阵解交织置换后的SFFT变换。
与现有技术相比，本发明基于物理层安全技术方法，利用收发端无线信道互易性动态生成随机控制序列，收发端不需要预先共享密钥信息，不需要额外的边带信息交互，具有低开销通信优势；还通过交织置换打乱了IFFT矩阵以及FFT矩阵的行列排序，可以对抗多种恶意攻击，包括暴力攻击，差分攻击等，具有高安全特性。
附图说明
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的通信流程图；
图2为本发明实施例的Gost算法流程图；
图3为加密后的OTFS符号和原始OTFS符号的比特差异性能仿真图。
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。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供一种基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，该方法包括：
步骤101：发送端和接收端均通过信道测量检测，获得瞬时信道信息H1；
步骤102：根据Gosudarstvennyi Standard(Gost)算法对瞬时信道信息H1处理获得自升排序的输出结果，之后依次取输出结果的索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)、K2(D'x,D'y,D'z,D'w)；
具体地，把瞬时信道信息H1作为Gost算法的输入，对输入进行填充分组，在轮函数部分，分别使右部分经过人工输入的密钥以及S盒，并与左部分异或获得下一轮的右部分，下一轮的左部分则由上一轮的右部分得到，如下所示：
Figure BDA0003752802080000061
其中，i表示第i轮迭代，j表示S盒里的第j部分，然后通过压缩操作获得最终的输出结果。
将所有的输出结果进行自升排序，依次取其索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)、K2(D'x,D'y,D'z,D'w)。
步骤103：所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对FFT矩阵的行和列、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵；
具体地，假设大小为M*M的标准FFT矩阵为
Figure BDA0003752802080000062
通过序列Dx进行行交织，FFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000063
通过序列Dy进行列置换，FFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000064
步骤104：所述发送端根据交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵将传输信号从时延多普勒(DD)域转换到时频域，进而通过海森堡变换转化到时域，最终经过信道发送时域信号；
具体地，假设发送端在DD域传输的信号由x[k,l]表示，通过对该信号进行如下所示的ISSFT变换，将该信号转化为TF域信号
Figure BDA0003752802080000065
其中PISFFT(·)表示在FFT矩阵和IFFT矩阵交织置换后的ISFFT变换。
采用海森堡变换将TF域信号X[n.m]转化为时域信号s(t)向发送端传输即
Figure BDA0003752802080000071
其中gtx(·)表示发送波形，所述发送端发送的时域信号经过信道传输到接收端可以表示为如下所示r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)ej2 πν(t-τ)dτdν+w(t)；w(t)表示信道的高斯白噪声。
步骤105：所述接收端根据安全索引序列K2(D'x,D'y,D'z,D'w)进行对FFT矩阵的行和列、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵；
步骤106：最后，通过温格变换将接收到的时域信号变化为时频域信号，再通过交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵进行SFFT变换解码获得DD域信号。
具体地，通过温格变换将接收到时域信号r(t)转换为DD域信号Y[n,m]，
Figure BDA0003752802080000072
利用SFFT将TF域信号转换为DD域信号
Figure BDA0003752802080000073
其中PSFFT(·)表示在IFFT矩阵和FFT矩阵解交织置换后的SFFT变换。
实施例
本发明的使用场景可描述为经典的三节点物理层安全传输模型，包括合法发送端Alice、合法接收端Bob、非法窃听者Eve，且假设Alice节点处于高速移动状态，Bob和Eve处于静止状态；其中合法发送者将保密信息传输给合法接收者，非法窃听者试图被动窃听合法信息。假设Eve一直处于被动侦听状态，且已知合法收发端的通信调制机制，即OTFS。在本发明的系统中，所有节点均配置单天线。假设Alice到Bob和Eve的信道均有L条传播路径，信道噪声为高斯白噪声，因此其信道响应可以表示为
Figure BDA0003752802080000074
其中τl和νl定义为第l条径上的时延和多普勒频移，hl服从瑞利分布。基于xx互易信道，Alice可获得密钥K1，Bob可获得密钥K2，得K1＝K2；Bob通过对xx信道检测可获得密钥K3，有K1≠K3，K2≠K3。
如图1所示，下面对通信流程进行具体说明。
1收发端安全序列生成：
1)收发端通过信道测量检测出瞬时信道信息H1。
2)如图2所示，把H1作为Gost算法的输入，对输入进行填充分组，在轮函数部分，分别使右部分经过人工输入的密钥以及S盒，并与左部分异或获得下一轮的右部分，下一轮的左部分则由上一轮的右部分得到，如下所示：
Figure BDA0003752802080000081
i表示第i轮迭代，j表示S盒里的第j部分。
然后通过压缩操作获得最终的输出，将所有的输出进行自升排序，依次取其索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)。
2发送端OTFS信号DD域交织置换：
1)FFT矩阵交织：假设大小为M*M的标准FFT矩阵为
Figure BDA0003752802080000082
通过序列Dx进行行交织，FFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000083
通过序列Dy进行列置换，FFT矩阵变为
Figure BDA0003752802080000084
3)IFFT矩阵交织：与FFT矩阵交织类似，先通过序列Dz控制行置换，然后通过序列Dw控制列置换。
3发送端OTFS信号TF域调制：
1)假设发送端在DD域传输的信号由x[k,l]表示。通过对该信号进行如下所示的ISSFT变换，将该信号转化为TF域信号
Figure BDA0003752802080000091
其中PISFFT(·)表示在FFT矩阵和IFFT矩阵交织置换后的ISFFT变换。
2)采用海森堡变换将TF域信号X[n.m]转化为时域信号s(t)向发送端传输即
Figure BDA0003752802080000092
其中gtx(·)表示发送波形。
3)发送端发送的时域信号经过信道传输到接收端可以表示为如下所示
r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)ej2πν(t-τ)dτdν+w(t) (7)
w(t)表示信道的高斯白噪声。。
4接收端OTFS信号解调：
1)利用获得的索引序列K2(D'x,D'y,D'z,D'w)进行交织置换，然后求逆获得解交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵。
2)通过温格变换将接收到时域信号r(t)转换为DD域信号Y[n,m]，
Figure BDA0003752802080000093
3)利用SFFT将TF域信号转换为DD域信号
Figure BDA0003752802080000094
其中PSFFT(·)表示在IFFT矩阵和FFT矩阵解交织置换后的SFFT变换。
本发明的效果可以通过仿真进一步说明：
1.仿真条件：系统模型中包括一个合法发射端，一个合法接收端，以及一个窃听者；OTFS传输假设包括：载波间隔为Δf＝15kHz，载波频率为fc＝35GHz，采用256QAM调制符号和QPSK调制符号，传播路径L＝2，子载波个数取从16到2048，符号个数14。
2.仿真内容：
独立性即为加密后的OTFS符号和原始OTFS符号的比特差异。当比特差异越接近50％时，代表OTFS加密技术的安全性越高；假设分别采用QPSK调制，256QAM调制，图纵坐标表示加密后和原始OTFS符号的比特变化的百分比，由图可以看出，当采用QPSK调制时，纵坐标接近于50％，这表明本发明在使用QPSK调制时被认为是良好的加密方案；而当采用256QAM调制时，比特变化的百分比虽稍有降低，但也维持在40％左右。
综上所述，本发明被认为是良好的加密方案。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，该方法包括：
发送端和接收端均通过信道测量检测，获得瞬时信道信息H1；
根据Gosudarstvennyi Standard(Gost)算法对瞬时信道信息H1处理获得自升排序的输出结果，之后依次取输出结果的索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)、K2(D'x,D'y,D'z,D'w)；
所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对FFT矩阵的行和列、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵；
所述发送端根据交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵将传输信号从时延多普勒(DD)域转换到时频域，进而通过海森堡变换转化到时域，最终经过信道发送时域信号；
所述接收端根据安全索引序列K2(D'x,D'y,D'z,D'w)进行对FFT矩阵的行和列、IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵；
最后，通过温格变换将接收到的时域信号变化为时频域信号，再通过交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵进行SFFT变换解码获得DD域信号。
2.根据权利要求1所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述根据Gosudarstvennyi Standard(Gost)算法对瞬时信道信息H1处理获得自升排序的输出结果，具体为：把瞬时信道信息H1作为Gost算法的输入，对输入进行填充分组，在轮函数部分，分别使右部分经过人工输入的密钥以及S盒，并与左部分异或获得下一轮的右部分，下一轮的左部分则由上一轮的右部分得到，如下所示：
Figure FDA0003752802070000011
其中，i表示第i轮迭代，j表示S盒里的第j部分，然后通过压缩操作获得最终的输出结果。
3.根据权利要求2所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述依次取输出结果的索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)，具体为：将所有的输出结果进行自升排序，依次取其索引作为控制交织置换的索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对FFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的FFT矩阵，具体为：假设大小为M*M的标准FFT矩阵为
Figure FDA0003752802070000021
通过序列Dx进行行交织，FFT矩阵变为
Figure FDA0003752802070000022
通过序列Dy进行列置换，FFT矩阵变为
Figure FDA0003752802070000023
5.根据权利要求项所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述发送端根据所述索引序列K1(Dx、Dy、Dz、Dw)依次对IFFT矩阵的行和列进行交织操作和置换操作，获得交织置换后的IFFT矩阵，具体为：假设大小为N*N的标准IFFT矩阵为
Figure FDA0003752802070000024
通过序列Dz进行行交织，IFFT矩阵变为
Figure FDA0003752802070000025
通过序列Dw进行列置换，IFFT矩阵变为
Figure FDA0003752802070000026
6.根据权利要求5所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述发送端根据交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵将传输信号从时延多普勒(DD)域转换到时频域，具体为：假设发送端在DD域传输的信号由x[k,l]表示，通过对该信号进行如下所示的ISSFT变换，将该信号转化为TF域信号
Figure FDA0003752802070000027
其中PISFFT(·)表示在FFT矩阵和IFFT矩阵交织置换后的ISFFT变换。
7.根据权利要求6所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述通过海森堡变换转化到时域，最终经过信道发送时域信号，具体为：采用海森堡变换将TF域信号X[n.m]转化为时域信号s(t)向发送端传输即
Figure FDA0003752802070000031
其中gtx(·)表示发送波形，所述发送端发送的时域信号经过信道传输到接收端可以表示为如下所示r(t)＝∫∫h(τ,ν)s(t-τ)ej2πν(t-τ)dτdν+w(t)；w(t)表示信道的高斯白噪声。
8.根据权利要求7所述的基于交织置换机制的OTFS安全传输方法，其特征在于，所述通过温格变换将接收到的时域信号变化为时频域信号，再通过交织置换后的IFFT矩阵和FFT矩阵进行SFFT变换解码获得DD域信号，具体为：通过温格变换将接收到时域信号r(t)转换为DD域信号Y[n,m]，
Figure FDA0003752802070000032
利用SFFT将TF域信号转换为DD域信号
Figure FDA0003752802070000033
其中PSFFT(·)表示在IFFT矩阵和FFT矩阵解交织置换后的SFFT变换。
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