CN116015801A - 基于二维符号扩频与mimo-noma相结合的实用隐蔽系统的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二维符号扩频与MIMO‑NOMA相结合的实用隐蔽系统构建方法,在Alice端依次对待传的隐蔽信息进行纠错编码、星座映射为复数符号,对复数符号的实部和虚部分别进行二维扩频,使得秘密信息在更低的功率分配因子下可靠通信,在保证总扩频增益不变情况下,根据时域和频域资源的情况调节时域、频域的扩频因子。对于公共信息,依次进行纠错编码、星座映射,对隐蔽信息扩频后的复数符号和公共复数符号进行功率域分配,对功率分配后的信号进行空时编码、调制,最后通过多天线发送;公共用户U1进行解调、译码、星座软解调及译码解调出公共信息;而对于秘密接收用户U2,先解调出公共信息并重构,然后依次通过解码、星座软解调以及译码解调出秘密信息。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信安全技术领域,具体涉及一种基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统的构建方法。
背景技术
随着5g商业化发展的飞速进行,无线通信技术在人类生活的各个领域都扮演者不可或缺的角色,越来越多的数据通过无线信道传输,其中不乏一些私密、敏感的信息和数据,然而无线信道有着开放性等特点,信息传输过程中存在信息泄露、篡改等危险,传统基于密码学的机密体制以及物理层安全都无法隐藏通信过程的存在,非法用户可以对合法用户进行针对性的检测和攻击。而隐蔽通信可以隐藏通信过程,非法用户无法察觉到合法用户的通信过程,,从而无法对合法用户进行有效的检测和攻击。
传统的对隐蔽通信的研究存在着许多不足。目前研究主要是基于中继、人工噪声、波束成形以及全双工接收,侧重于在理想的条件下分析系统的隐蔽性以及隐蔽容量,绝大部分是极限情况下的定性分析,缺乏对于具体方案的仿真验证;频谱资源是有限的,单个用户无法占用过宽频带,目前研究多假设信道数是趋于无穷的,这在现实中也是不能实现的。因此适合实用化的隐蔽通信系统有待提出;目前的研究合法方以及非法方多为单天线,对于多天线的研究较少,单天线对于提升系统容量方法单一,且隐蔽容量提升有限,目前没有针对具体多天线隐蔽系统的设计方案。
发明内容
针对上述现有研究存在的上述问题,本发明的目的在于,提供一种基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统构建方法。
为了实现上述任务,本发明采取如下的技术解决方案:
一种基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统的构建方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1:构建MIMO-NOMA隐蔽通信场景模型,该模型中包含一个合法发送方Alice、公开接收方U1、秘密接收方U2以及非法检测者Willie,非法窃听者Willie通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立隐蔽信噪比约束条件,当Alice在满足信噪比约束条件下传输信息,保证隐蔽通信;
假设公开用户和秘密用户为同一簇,合法用户与非法用户的距离以及信道相同,构建MIMO-NOMA隐蔽通信场景模型,具体如下:
定义Alice为合法发送方、U1为公共信息接收方、U2为秘密信息接收方、Willie为非法窃听者,Alice传输叠加信息给U1、U2,一次传输的信道使用数n为576,非法用户采用辐射计与周边噪声对比;U1通过解码出公共信息;U2通过先解码并重构出公共信息,将重构后的公共信息当作干扰从叠加信号中减去,消除公共用户对于秘密用户的影响,最后对秘密信号进行解码解扩操作恢复秘密信息;
步骤2:非法窃听者通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立满足隐蔽性的信噪比约束条件;
步骤3:在发射端对公开信息与秘密信息进行处理,该工作步骤如下:
3.1、对秘密信息进行纠错编码、串行分组、星座映射以及二维符号扩频,得到扩频后的复数符号Cm=(c1,c2,...cm);
3.2、对公共信息进行纠错编码、星座映射得到复数符号Am=(a1,a2,...am);
3.3、将3.1得到的复数符号以及3.2得到的复数符号进行功率分配,并在功率域叠加得到Zm=(z1,z2,...zm),对叠加后的信号进行STBC空时编码,然后再进行OFDM调制得到待传输数据。
步骤4:公共用户U1依次进行OFDM解调,STBC空时解码,星座逆映射以及纠错译码得到公共信息Bm=(b1,b2,...bm)。
步骤5:秘密用户U2依次进行OFDM解调,STBC空时解码,然后采用步骤4的方法解调并重构出公共信息A’m=(a’1,a’2,...a’m),利用SIC解码减去重构的公共信号得到Dm=(d1,d2,...dm),依次对SIC解码后的数据进行二维符号解扩,星座逆映射以及纠错译码得到秘密信息C’m=(c’1,c’2,...c’m)。
步骤6:根据隐蔽性的信噪比条件、合法用户的可靠性、通信速率、通信带宽以及资源耗费,优化星座映射方式、时域、频域扩频因子、发收天线数以及译码迭代次数,从而得到最优的系统方案。
根据本发明,所述步骤2非法窃听者通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立满足隐蔽性的信噪比约束条件,具体如下:
对于非法窃听者Willie而言,需要判断通信是否发生,即Willie判决处存在双择假设检验。用H0和H1分别表示Alice未发送秘密信号和Alice正在发送秘密信号,因此双择假设检验的表达式为:
用P0和P1分别表示监视者在H0和H1下的信号分布,检测方接收到具体分布为;
根据相对熵定义:
其中,λi(wwPth1)为wwPth1第i个特征值,相对熵随着ww的增加而增加。
假设ww的最大特征值为γw,将γw代入式5得到的相对熵表达式中,得到相对熵的最大值:
将式6得到的相对熵的表达式根据泰勒展开式可得相对熵的进一步表达式:
采用D≤2ε2/n为隐蔽约束条件;
令Pth2=α2Pth1,其中α为功率分配因子,将式7代入约束条件中:
由式8可得Pth1的最大取值范围为:
因此总发送功率的取值范围为:
当Alice能在式11的信噪比下可靠通信时,即可以满足隐蔽通信要求;信噪比约束条件与功率分配因子α、ε成正比,与非法检测者天线数Nw以及信道使用数n成反比。
进一步的,所述步骤3在发射端对公开信息与秘密信息进行处理,具体包括如下子步骤;
步骤31:为了增加合法用户之间的可靠性,对秘密信息以及公共信息进行基于802.11e的(2304,1152)QC-LDPC信道编码,
步骤32:为了使秘密信息能在更高的功率分配因子下能可靠通信,相比于公共用户进行二维符号扩频;二维符号扩频指的是对星座映射后的复数符号的实部和虚部先进行时域直接扩频,然后对时域扩频后的数据进行频域扩频。增益fb为时域扩频增益fb1以及频域扩频增益fb2的乘积。
具体地,步骤4和步骤5所述的纠错译码为基于星座软解调的Log-BP译码。
本发明的基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统构建方法,相比于现有技术,具有如下技术创新:
1、采用二维符号扩频,在保证总扩频增益不变的情况下,可以根据时域和频域资源的情况灵活调节时域、频域的扩频因子。不仅使得信号有着更强的多址能力,也有良好的抗衰弱特性,更高的处理增益,使信号能在更低的功率分配因子下可靠通信,非法用户需要同时知道实部和虚部的扩频矩阵才能正确解调出信息,安全性能大大提高。
2、采用QC-LDPC纠错编码以及Log-BP译码,QC-LDPC信道编码具有局部循环特性,检验矩阵易于存取,硬件复杂度大大降低,适用于实际应用;其基于星座软解调的Log-BP译码方法保留了符号各比特之间的相关性,译码收敛速度加快,且将大量乘法转为加法运算,计算复杂度降低,不仅容易实现且具有接近ML译码的良好译码性能。
3、MIMO可以在不增加带宽的情况下提高系统容量和频谱利用率。NOMA技术相较于OMA技术在频谱利用率方面有很大的提升,并且NOMA能够在一个资源块中服务多个用户进行通信,能够满足5G商用通信中大量用户接入的需求。MIMO-NOMA技术相结合,可以进一步的提高系统的频谱效率,获得更高的系统容量,公共信息可以作为秘密信息的掩体,从而实现秘密信息的隐蔽传输。
4、采用SIC解码,可以在更低的功率分配因子下解调恢复秘密信息,使得设计的系统隐蔽性增强。
附图说明
图1是隐蔽通信场景图;
图2是本发明的基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统构建流程图。
图3是二维符号扩频的流程图;
图4是二维符号解扩的流程图;
图5是实验例1的结果图;
图6为实验例2的结果图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。
具体实施方式
本发明的设计思路是,利用QC_LDPC与基于星座软解调的Log-BP译码来代替平方根定理中的随机编码以及最大似然译码QC-LDPC信道编码具有局部循环特性,检验矩阵易于存取,硬件复杂度大大降低,适用于实际应用;其基于星座软解调的Log-BP译码方法保留了符号各比特之间的相关性,译码收敛速度加快,不仅容易实现且具有接近ML译码的良好译码性能。二维符号扩频使得信号有着更强的多址能力、良好的抗衰弱特性、更高的处理增益、安全性能提高。MIMO可以在不增加带宽的情况下提高系统容量和频谱利用率。NOMA技术相较于OMA技术在频谱利用率方面有很大的提升,并且NOMA能够在一个资源块中服务多个用户进行通信,能够满足5G商用通信中大量用户接入的需求。MIMO-NOMA技术相结合,可以进一步的提高系统的频谱效率,获得更高的系统容量。
基于平方根定理模型,以提高隐蔽通信的实用性为目的,设计了一种基于QC-LDPC与二维符号扩频的隐蔽通信模型。一个隐蔽系统需要同时满足隐蔽性、合法用户之间的可靠性以及隐蔽速率为正,在推导出满足隐蔽性时信号发送的信噪比约束条件后,通过QC-LDPC纠错编码、二维符号扩频、STBC空时编码来使合法用户在信噪比约束条件下能够可靠通信。
参见图1至图4,本实施例给出一种基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统的构建方法,首先在Alice端依次对待传的隐蔽信息进行(2304,1152)的QC-LDPC纠错编码、星座映射为复数符号,对复数符号的实部和虚部分别进行二维扩频,使得秘密信息可在更低的功率分配因子下可靠通信,在保证总扩频增益不变的情况下,可以根据时域和频域资源的情况调节时域、频域的扩频因子。对于公共信息,依次进行(2304,1152)的QC-LDPC纠错编码、星座映射,对隐蔽信息扩频后的复数符号和公共复数符号进行功率域分配,对功率分配后的信号依次进行STBC空时编码、ODFM调制,最后通过多天线发送出去;公共用户U1依次进行OFDM解调、STBC译码、星座软解调以及LDPC译码即可解调出公共信息;而对于秘密接收用户U2,首先解调出公共信息并重构,然后依次通过SIC解码、星座软解调以及LDPC译码才能解调出秘密信息。通过理论分析以及仿真实验结果表明,在(2304,1152)QC-LDPC纠错编码,星座映射方式为4,时域频域扩频因子均为24,发射天线数为4,接收天线为4时,功率分配因子为30时,可以实现公共信息和秘密信息可靠接收信息,非法用户的错误检测概率为0.99。
具体包括如下步骤:
步骤1:构建MIMO-NOMA隐蔽通信场景模型(图1),该模型中包含一个合法发送方Alice、公开接收方U1、秘密接收方U2以及非法检测者Willie,非法窃听者Willie通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立隐蔽信噪比约束条件,当Alice在满足信噪比约束条件下传输信息,保证隐蔽通信;
假设公开用户和秘密用户为同一簇,合法用户与非法用户的距离以及信道相同,构建MIMO-NOMA隐蔽通信场景模型,具体如下:
定义Alice为合法发送方、U1为公共信息接收方、U2为秘密信息接收方、Willie为非法窃听者,Alice传输叠加信息给U1、U2,一次传输的信道使用数n为576,非法用户采用辐射计与周边噪声对比。U1通过解码出公共信息。U2通过先解码并重构出公共信息,将重构后的公共信息当作干扰从叠加信号中减去,消除公共用户对于秘密用户的影响,最后对秘密信号进行解码解扩操作恢复秘密信息。
步骤2:非法窃听者通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立满足隐蔽性的信噪比约束条件。
步骤3:在发射端对公开信息与秘密信息进行处理,该工作步骤如下:
3.1:对秘密信息进行纠错编码、串行分组、星座映射以及二维符号扩频,得到扩频后的复数符号Cm=(c1,c2,...cm)。
3.2:对公共信息进行纠错编码、星座映射得到复数符号Am=(a1,a2,...am)。
3.3:将3.1得到的复数符号以及3.2得到的复数符号进行功率分配,并在功率域叠加得到Zm=(z1,z2,...zm),对叠加后的信号进行STBC空时编码,然后再进行OFDM调制得到待传输数据。
在发射端对公开信息与秘密信息进行处理,具体包括如下子步骤;
步骤31:为了增加合法用户之间的可靠性,对秘密信息以及公共信息进行基于802.11e的(2304,1152)QC-LDPC信道编码,
步骤32:为了使秘密信息能在更高的功率分配因子下能可靠通信,相比于公共用户进行二维符号扩频;二维符号扩频指的是对星座映射后的复数符号的实部和虚部先进行时域直接扩频,然后对时域扩频后的数据进行频域扩频。增益fb为时域扩频增益fb1以及频域扩频增益fb2的乘积。
步骤4:公共用户U1依次进行OFDM解调,STBC空时解码,星座逆映射以及纠错译码得到公共信息Bm=(b1,b2,...bm)。
步骤5:秘密用户U2依次进行OFDM解调,STBC空时解码,然后采用步骤4的方法解调并重构出公共信息A’m=(a’1,a’2,...a’m),利用SIC解码减去重构的公共信号得到Dm=(d1,d2,...dm),依次对SIC解码后的数据进行二维符号解扩,星座逆映射以及纠错译码得到秘密信息C’m=(c’1,c’2,...c’m)。
步骤6:根据隐蔽性的信噪比条件、合法用户的可靠性、通信速率、通信带宽以及资源耗费,优化星座映射方式、时域、频域扩频因子、发收天线数以及译码迭代次数,从而得到最优的系统方案。
所述步骤2非法窃听者通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立满足隐蔽性的信噪比约束条件,具体如下:
对于非法窃听者Willie而言,需要判断通信是否发生,即Willie判决处存在双择假设检验。用H0和H1分别表示Alice未发送秘密信号和Alice正在发送秘密信号,因此双择假设检验的表达式为:
对于非法窃听者Willie而言,需要判断通信是否发生,即Willie判决处存在双择假设检验。用用H0和H1分别表示Alice未发送秘密信号和Alice正在发送秘密信号,因此双择假设检验的表达式为:
用P0和P1分别表示监视者在H0和H1下的信号分布,检测方接收到具体分布为;
根据相对熵定义:
其中,λi(wwPth1)为wwPth1第i个特征值,相对熵随着ww的增加而增加。
假设ww的最大特征值为γw,将γw代入式5得到的相对熵表达式中,得到相对熵的最大值:
将式6得到的相对熵的表达式根据泰勒展开式可得相对熵的进一步表达式:
采用D≤2ε2/n为隐蔽约束条件;
令Pth2=α2Pth1,其中α为功率分配因子,将式7代入约束条件中:
由式8可得Pth1的最大取值范围为:
因此总发送功率的取值范围为:
当Alice能在式11的信噪比下可靠通信时,即可以满足隐蔽通信要求;信噪比约束条件与功率分配因子α、ε成正比,与非法检测者天线数Nw以及信道使用数n成反比。
本实施例中,步骤4和步骤5所述的纠错译码为基于星座软解调的Log-BP译码。
通过理论分析以及仿真实验结果表明,在(2304,1152)QC-LDPC纠错编码,星座映射方式为4,时域频域扩频因子均为24,发射天线数为4,接收天线为4时,功率分配因子为30时,可以实现公共信息和秘密信息可靠接收信息,非法用户的错误检测概率为0.99。
下面通过仿真实例和仿真结果图,对本发明的隐蔽通信方法进行分析。
仿真实例1:
由于隐蔽通信需要同时满足隐蔽性和可靠性,发明人基于推导出的隐蔽性约束条件,基于约束条件,改变不同的发射功率来对合法用户进行仿真,仿真的具体参数如下:在合法发送方产生1152bit秘密信息,产生288组1152bit的公共信息,秘密信息和公共信息采用(2304,1152)QC-LDPC纠错编码,采用迭代次数10次的星座软解调的Log-BP算法译码,采用4QAM星座调制方式进行调制操作,进行时域、频域扩频因子均为24的二维符号扩频来增加秘密信息的可靠性,使其在更低的功率分配因子下可靠解调出秘密信息,合法发送方接收方天线均为2,OFDM子载波数为576。
仿真后公共用户和秘密用户的误码率曲线如图5中所示。
图5中在信噪比为-2dB时,公共信息的误码率为0,在功率分配因子为30时,可以在信噪比为0dB可靠的解调出秘密信息,因此当信号的发送信噪比大于0dB时,即可保证公共信息和秘密信息的可靠接收,而非法检测者配备单天线、双天线错误检测概率为0.99时的信噪比约束分别为4.78dB、0.5dB,因此本发明能够实现合法用户的可靠通信的同时且非法检测者的检测天线为1、2时的错误检测概率为0.99。
仿真实例2:
由于隐蔽通信需要同时满足隐蔽性和可靠性,基于推导出的隐蔽性约束条件,基于约束条件,改变不同的发射功率来对合法用户进行仿真,仿真的具体参数如下:在合法发送方产生1152bit秘密信息,产生576组1152bit的公共信息,秘密信息和公共信息采用(2304,1152)QC-LDPC纠错编码,采用迭代次数10次的星座软解调的Log-BP算法译码,采用4QAM星座调制方式进行调制操作,进行时域、频域扩频因子均为24的二维符号扩频来增加秘密信息的可靠性,使其在更低的功率分配因子下可靠解调出秘密信息,合法发送方接收方天线均为4,OFDM子载波数为576。
仿真后公共用户和秘密用户的误码率曲线如图6中所示。
图6中在信噪比为-5dB时,公共信息的误码率为0,在功率分配因子为30时,可以在信噪比为-4dB可靠的解调出秘密信息,因此当信号的发送信噪比大于-4dB时,即可保证公共信息和秘密信息的可靠接收,而非法检测者配备1天线、2天线、4天线时错误检测概率为0.99时的信噪比约束分别为4.78dB、0.5dB以及-2,5dB,因此本发明方法构建的基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统,能够实现合法用户的可靠通信的同时且非法检测者的检测天线为1、2、4时的错误检测概率为0.99。
Claims (4)
1.一种基于二维符号扩频与MIMO-NOMA相结合的实用隐蔽系统构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:构建MIMO-NOMA隐蔽通信场景模型,该模型中包含一个合法发送方Alice、公开接收方U1、秘密接收方U2以及非法检测者Willie,非法窃听者Willie通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立隐蔽信噪比约束条件,当Alice在满足信噪比约束条件下传输信息,保证隐蔽通信;
假设公开用户和秘密用户为同一簇,合法用户与非法用户的距离以及信道相同,构建MIMO-NOMA隐蔽通信场景模型具体如下:
定义Alice为合法发送方、U1为公共信息接收方、U2为秘密信息接收方、Willie为非法窃听者;Alice传输叠加信息给U1、U2,一次传输的信道使用数n为576,非法用户采用辐射计与周边噪声对比;U1通过解码出公共信息;U2通过先解码并重构出公共信息,将重构后的公共信息当作干扰从叠加信号中减去,消除公共用户对于秘密用户的影响,最后对秘密信号进行解码解扩操作恢复秘密信息;
步骤2:非法窃听者通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立满足隐蔽性的信噪比约束条件;
步骤3:在发射端对公开信息与秘密信息进行处理,该工作步骤如下:
3.1:对秘密信息进行纠错编码、串行分组、星座映射以及二维符号扩频,得到扩频后的复数符号Cm=(c1,c2,...cm);
3.2:对公共信息进行纠错编码、星座映射得到复数符号Am=(a1,a2,...am);
3.3:将3.1扩频后得到的复数符号以及3.2纠错编码、星座映射得到的复数符号进行功率分配,并在功率域叠加得到Zm=(z1,z2,...zm),对叠加后的信号进行STBC空时编码,然后再进行OFDM调制得到待传输数据;
步骤4:公共用户U1依次进行OFDM解调,STBC空时解码,星座逆映射以及纠错译码得到公共信息Bm=(b1,b2,...bm);
步骤5:秘密用户U2依次进行OFDM解调,STBC空时解码,然后采用步骤4的方法解调并重构出公共信息A'm=(a'1,a'2,...a'm),利用SIC解码减去重构的公共信号得到Dm=(d1,d2,...dm),依次对SIC解码后的数据进行二维符号解扩,星座逆映射以及纠错译码得到秘密信息C'm=(c′1,c'2,...c'm);
步骤6:根据隐蔽性的信噪比条件、合法用户的可靠性、通信速率、通信带宽以及资源耗费,优化星座映射方式、时域、频域扩频因子、发收天线数以及译码迭代次数,进而得到优化的实用隐蔽系统。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2所述非法窃听者通过二元假设检验判断合法用户是否发生通信,建立满足隐蔽性的信噪比约束条件,具体如下:
对于非法窃听者Willie而言,需要判断通信是否发生,即Willie判决处存在双择假设检验;用H0和H1分别表示Alice未发送秘密信号和Alice正在发送秘密信号,因此双择假设检验的表达式为:
用P0和P1分别表示监视者在用H0和H1下的信号分布,检测方接收到具体分布为;
根据相对熵定义:
其中λi(wwPth1)为wwPth1第i个特征值,相对熵随着ww的增加而增加;
假设ww的最大特征值为γw,将γw代入式5得到的相对熵表达式中,得到相对熵的最大值:
将式6得到的相对熵的表达式根据泰勒展开式可得相对熵的进一步表达式:
采用D≤2ε2/n为隐蔽约束条件;
令Pth2=α2Pth1,其中α为功率分配因子,将式7代入约束条件中:
由式8可得Pth1的最大取值范围为:
因此总发送功率的取值范围为:
当Alice能在式11的信噪比下可靠通信时,即可以满足隐蔽通信要求;信噪比约束条件与功率分配因子α、ε成正比,与非法检测者天线数Nw以及信道使用数n成反比。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3所述在发射端对公开信息与秘密信息进行处理,具体如下;
(1)为了增加合法用户之间的可靠性,对秘密信息以及公共信息进行基于802.11e的(2304,1152)QC-LDPC信道编码;
(2)为了使秘密信息能在更高的功率分配因子下能可靠通信,相比于公共用户进行二维符号扩频;二维符号扩频指的是对星座映射后的复数符号的实部和虚部先进行时域直接扩频,然后对时域扩频后的数据进行频域扩频;增益fb为时域扩频增益fb1以及频域扩频增益fb2的乘积。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4和步骤5所述的纠错译码为基于星座软解调的Log-BP译码。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2022
- 2022-12-15 CN CN202211616760.6A patent/CN116015801A/zh active Pending
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