CN118215040A - 基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输算法，既能降低系统的PAPR，又可保证传输系统的安全性。该方案将密钥生成技术生成的混沌序列进行分段并且匹配索引值，利用polar码的最好信息位存储混沌序列的序号索引值。利用索引值所对应的混沌序列对剩余信息进行加密，选择具有最低PAPR加密结果进行传输。仿真分析表明本方案不仅仅可以在物理层编码过程中实现加密安全性，而且在不增加系统复杂度和延迟的情况下降低了OTFS系统的PAPR。

Description

基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法

技术领域：

本发明属于通信技术领域，主要涉及的是一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法。

背景技术：

随着无线通信系统的不断成熟以及各种新技术的出现，未来通信应用场景更加多样化，性能指标更为多元化，这同时也给未来无线通信的性能需求和安全架构带来了全新的挑战。物理层安全(PLS,physical layer security)技术提供了一种不同于传统计算复杂度的新型安全机制，具有底层机动调控、多场景适用以及无线通信共生等优势。物理层加密(PLE,Physical layer encryption)技术是一种PLS方法，主要通过在物理层实施加密方案即借助无线密钥来实现物理层的安全。这相比于传统上层安全策略，PLE可以从底层有效抵御伪装、非法截获和窃听，此外无线介质的时变性、互易性等特性具有很好的机密性，同时也不会增加额外开销，有效节约通信资源。

在传统的通信系统中，信道编码和加密被认为是独立的模块。传输可靠性是通过对物理层的纠错来实现的，而安全性是通过更高层的加密算法来实现的。随着无线通信技术的飞速发展，通信系统对数据处理的复杂度和时延要求越来越高，将物理层纠错与加密进行联合设计，可提供一个低复杂度以及低时延的传输系统。无速率编码的级联物理层加密方案，由无线信道产生的密钥控制编码过程的随机线性组合，与其他方案相比，该方案具有较高的信道自适应能力。基于低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC)的安全编码方法，通过改进校验矩阵完成对待传输信息的安全编码处理，可有效降低信息处理的复杂度以及明显改善安全编码。

多载波调制是高速数据通信的理想接入技术，而峰均比(Peak-to-Average PowerRatio,PAPR)问题是多载波通信的固有缺陷。在信号发送端，功率放大器的线性范围是一定的，而峰均比较大的待发射信号易进入功率放大器的非线性区域，导致信号产生严重的非线性失真，进而造成明显的频谱干扰和信号畸变，导致系统传输性能严重下降。近年来，针对高速移动场景中的数据传输提出正交时频空(Orthogonal Time and Frequency Space,OTFS)技术。高速移动性场景中，无线信道具有双重选择性，即频率选择性和时间选择性，这会导致多径效应及多普勒频移。OTFS可有效工作于时频双选信道中，并完成可靠的数据传输。作为一种多载波调制技术，在正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技术和OTFS技术均面临高PAPR问题。目前关于OFDM多载波调制技术的PAPR抑制方案已较为成熟，然而关于OTFS系统PAPR抑制的相关研究较少。在OTFS系统中同时考虑安全编码加密与PAPR抑制，并进行高效的一体化设计更是当前研究领域的空白。

发明内容：

为了克服上述的不足，本发明提供了一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法，包括如下步骤：

合法发送端和合法接收端将无线信道作为公共随机源进行密钥提取从而得到无线初始密钥，将初始密钥作为混沌序列发生器的初始值进一步产生加解密密钥；

将加解密密钥控制polar码编码加密；

将编码加密后的信号送入OTFS系统，得到不同混沌序列加密后的峰均比，此时选择PAPR最低的信号送入功率放大器中，再发送到无线信道；

合法接收端接收到加密信号后，将其进行魏格纳变换以及辛傅里叶变换，再由相同的混沌序列进行译码解密得到正确的星座映射。所述产生加解密密钥的步骤如下：

收发双方将无线信道作为公共随机源进行初始密钥提取，收发双方通过对CSI探测，再进一步将探测到的信道特性进行特征参数量化，随后再利用信息协商以及保密增强手段将得到的信道特性作为初始密钥；将得到初始密钥作为混沌发射器的输入，从而可产生更多的混沌加密密钥，选取Tent映射作为混沌序列发生器，如下式所示

x_n+1＝μmin{x,1-x},x∈[0,1]

其中μ∈[0,2]，设定x初值为0.3，用Matlab进行仿真得到Tent映射时域序列。

所述CSI探测的步骤如下：在相干时间内，合法通信两端先后发送信道特征探测信号，再根据接收到的信号进行信道特征的估计，获得信道特征观测值；

所述特征量化的步骤如下：信道探测完成后，收发双方会获取大量的探测数据，Alice和Bob需采用一致的量化方案，并将获得信道特征观测值进行一致方案的量化从而获得无线初始密钥比特；

所述信息协商的步骤如下：由于无线信道存在的噪声、干扰以及收发双方的估计误差因素的影响，合法通信两端所获得初始密钥会存在少量不一致序列，此时需要通过一定的信息交互完成对不一致密钥序列的纠正和校验，从而得到一致的密钥比特；

所述保密增强的步骤如下：在信道探测和信息协商的步骤中，可采用提取器法和Hash函数法完成保密增强从而获得最终的安全共享密钥。

所述polar码编码加密的步骤如下：

步骤1：根据信道特点从主信道提取密钥，将密钥初始值送至混沌序列发生器产生混沌序列，根据码长对产生的混沌序列进行分段V＝2^v(v＝0,1,2,...)，假设分为四段即v＝2，V＝4,可用00，01，10，11序号值进行表示其对应的四段混沌序列，将该序号索引值和待传输信号一起作为信源信息放置polar码的信息位上，其中序号索引值放置在polar码最好的信息比特上；

步骤2：将信息位上序号值所对应的混沌序列和其余位置进行混沌加密，若码长N、码率为R的polar码，其中两位用于存放混沌序列索引值，除了序号索引位置的比特外，我们用混沌序列加密极化码的信息比特位置，即索引值所对应混沌序列则与剩下的NR-2位待编码比特进行异或加密，其中序号索引值所对应的混沌序列值也是NR-2位；混沌序列由序号索引选择；

步骤3：在合法发送端首先将加密后的信息序列U进行Polar码编码，编码公式为

X＝UG_N(A)+U_AcG_N(A^c)

其中，N为编码码长，且N＝2ⁿ，G_N(A)为G_N的子矩阵，矩阵由集合A中元素对应的行向量所构成，且编码均在二进制有限域GF(2)下完成。

所述合法接收端Bob接收到加密信号后，将其进行魏格纳变换以及辛傅里叶变换，再由相同的混沌序列进行译码解密得到正确的星座映射的步骤如下：

步骤1：首先，合法接收端Bob对接收到的信号r(t)先通过魏格纳变换变到时频域

式中：表示接收端的匹配脉冲滤波函数，其与发送g_t(t)满足双正交性；

其次，Bob再通过SFFT将其变换到时延-多普勒域，即

步骤2：使用Polar码SC译码器译码，译码判决式：

其中是信息集，A^c为冻结位，其中

利用SC解码器计算每个比特通道的传输概率，然后迭代计算每个比特通道的似然比信息，对每个传输的信息做出决策；概率比信息定义

步骤3：由于密钥生成特点，合法接收端Bob可以得到相同的初始密钥，初始密钥被发送到相同的混沌序列生成器以生成相同的混沌序列，译码后，接收机可以找到放置在极化码最好的信息位上的序列号索引，然后利用序列号索引搜索出对应的混沌序列段；最后利用XOR算法将接收到的序列用混沌序列进行解密，得到解密后的信息序列。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明提供的一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输算法，既能降低系统的PAPR，又可保证传输系统的安全性。该方案将密钥生成技术生成的混沌序列进行分段并且匹配索引值，利用polar码的最好信息位存储混沌序列的序号索引值。利用索引值所对应的混沌序列对剩余信息进行加密，选择具有最低PAPR加密结果进行传输。仿真分析表明本方案不仅仅可以在物理层编码过程中实现加密安全性，而且在不增加系统复杂度和延迟的情况下降低了OTFS系统的PAPR。

附图说明：

图1是本发明系统模型框架图；

图2是本发明密钥提取流程图；

图3是Tent映射时域序列；

图4是发送方处理框图；

图5是混沌序列索引图；

图6是发送方编码过程图；

图7是接收方处理框图；

图8是V值为4时不同polar码码长选择下的CCDF；

图9是polar码码长为256时不同V值选择下的CCDF；

图10是polar码码长为512时不同V值选择下的CCDF。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

图1给出了本文的系统模型框架。合法发送端Alice和合法接收端Bob将无线信道作为公共随机源进行密钥提取从而得到无线初始密钥，再将初始密钥作为混沌序列发生器的初始值进一步产生加解密密钥，该密钥控制polar码编码加密。

合法发送端Alice将信号进行星座映射后，通过酉矩阵加密，在经过逆辛傅里叶变换(ISFFT,inverse symplectic finite Fourier transform)以及海森堡变换后得到时域信号，此时选择PAPR最低的信号送入功率放大器中(PA,power amplifier)，再发送到无线信道。

合法接收端Bob接收到信号后，将其进行魏格纳变换以及辛傅里叶变换(SFFT,symplectic finite Fourier transform)，再由相同的混沌序列进行译码解密得到正确的星座映射。

此时窃听者Eve则通过无线信道进行窃听并尝试破译，希望非法获取合法通信两端所传输的信息比特，而窃听者即使得到索引值信息，由于其没有相应的混沌序列，为此无法解密，这使得系统的安全性得到保证。

(1)加密密钥生成

首先，收发双方将无线信道作为公共随机源进行初始密钥提取，从而有效保证一次一密。信道状态信息(CSI,Channel State Information)是无线信道的常用于密钥产生的随机源。收发双方通过对CSI探测，再进一步将探测到的信道特性参数进行特征量化，随后再利用信息协商以及保密增强手段将得到的信道特性作为初始密钥，密钥生成的具体过程如图2所示。

信道探测：在相干时间内，合法通信两端先后发送信道特征探测信号，再根据接收到的信号进行信道特征的估计，获得信道特征观测值。

特征量化：信道探测完成后，收发双方会获取大量的探测数据，Alice和Bob需采用一致的量化方案，并将获得信道特征观测值进行一致方案的量化从而获得无线初始密钥比特。

信息协商：由于无线信道存在的噪声、干扰以及收发双方的估计误差等因素的影响，合法通信两端所获得初始密钥可能会存在少量不一致序列，此时需要通过一定的信息交互完成对不一致密钥序列的纠正和校验，从而得到一致的密钥比特。

保密增强：在信道探测和信息协商的步骤中，为了避免窃听者Eve窃取到关于密钥的信息，还需采用一定的保密增强手段来消除Eve所获得的密钥相关信息。可采用提取器法和Hash函数法完成保密增强从而获得最终的安全共享密钥。

进一步采用混沌系统，即将得到初始密钥作为混沌发射器的输入，从而可产生更多的混沌加密密钥。本文选取Tent映射作为混沌序列发生器，如下式所示

x_n+1＝μmin{x,1-x},x∈[0,1]

其中μ∈[0,2]。设定x初值为0.3，用Matlab进行仿真得到Tent映射时域序列如图3所示。

(2)polar码编码加密

在给定PAPR门限值的情况下，倘若存在多个可传输信号的载波组合时，则选择PAPR最小的组合进行发送和传输，可显著减小OTFS系统中存在的大峰值功率信号现象。发射机框图如图4所示，发送端进行polar码编码加密后进行调制映射，再进行ISFFT和海森堡变换并且同时获得具有不同PAPR值的个待传输的时域信号。在所给定PAPR门限值下，选择这个时域信号中具有最低PAPR的序列进行传输，该方法可以有效降低OTFS系统中的PAPR。

其步骤如下：

步骤1：根据信道特点从主信道提取密钥，将密钥初始值送至混沌序列发生器产生混沌序列，根据码长对产生的混沌序列进行分段V＝2^v(v＝0,1,2,...)，如图5所示，假设分为四段即v＝2，V＝4,可用00，01，10，11序号值进行表示其对应的四段混沌序列，将该序号索引值和待传输信号一起作为信源信息放置polar码的信息位上，其中序号索引值放置在polar码最好的信息比特上。

步骤2：如图6所示，将信息位上序号值所对应的混沌序列和其余位置进行混沌加密，若码长N、码率为R的polar码，其中两位用于存放混沌序列索引值，除了序号索引位置的比特外，用混沌序列加密极化码的信息比特位置，即索引值所对应混沌序列则与剩下的NR-2位待编码比特进行异或加密，其中序号索引值所对应的混沌序列值也是NR-2位。混沌序列由序号索引选择。例如，当码长为128位，极化码码率为0.25时，利用2位信息存储序列号索引，其余30位采用XOR算法对混沌序列进行加密。

步骤3：在发送端，Alice首先将加密后的信息序列U进行Polar码编码，编码公式为

X＝UG_N(A)+U_AcG_N(A^c)

其中，N为编码码长，且N＝2ⁿ，G_N(A)为G_N的子矩阵，矩阵由集合A中元素对应的行向量所构成，且编码均在二进制有限域GF(2)下完成。

步骤4：将编码后的信号送入OTFS系统，得到不同混沌序列加密后的峰均比，选择最小的峰均比作为我们发送的信号进行信道传输。

从以上步骤可以看出，该过程在降低PAPR的同时进行了加密。此外，由于极化后的信道的性能的不同，我们选择信道容量最大的信道来传递序列索引，从而提高系统的性能。虽然在提出的方案中，需要进行V次polar码编码取PAPR最小的一次进行传输，然而，由于极化码的编码过程非常简单，该编码加密方案对系统的复杂度没有明显的影响。

在接收机中，接收机框图如图7所示，具体操作步骤如下:

步骤1：接收端Bob则执行发送端的逆过程，首先，其对接收到的信号r(t)先通过魏格纳变换(海森堡变换的逆变换)变到时频域

式中：表示接收端的匹配脉冲滤波函数，其与发送g_t(t)满足双正交性。

其次，Bob再通过SFFT将其变换到时延-多普勒域，即

步骤2：使用Polar码SC译码器译码，译码判决式：

其中是信息集，A^c为冻结位，其中

利用SC解码器计算每个比特通道的传输概率，然后迭代计算每个比特通道的似然比信息，对每个传输的信息做出决策。概率比信息定义

步骤3：由于密钥生成特点，合法接收者Bob可以得到相同的初始密钥。初始密钥被发送到相同的混沌序列生成器以生成相同的混沌序列。译码后，接收机可以找到放置在极化码最好的信息位上的序列号索引，然后利用序列号索引搜索出对应的混沌序列段。例如，如图8所示，如果接收者从最好的信息位中得到00，他将得到与序列号索引值00对应的第一个混沌序列数。最后利用XOR算法将接收到的序列用混沌序列进行解密，得到解密后的信息序列。

对接收机来说，解调、译码的过程可按照正常方式进行。首先，极化码译码后，由于最好信息位没有经过发射机的加密，接收机可以直接从最好信息位中获得边带信息。然后利用边带信息来确定混沌序列的段数。最后，接收端使用混沌序列的片段对信息位进行解密，该过程对于接收端来说没有额外的复杂度。

(3)OTFS系统的峰均比抑制

作为一种多载波调制，OTFS系统发送端的输出则为多个子载波时域波形的叠加。假设这些子载波所处相位相同就会导致叠加后的载波信号瞬时功率非常高，信号的包络会出现很大的波动，即高PAPR。

经过海森堡变换得到的时域信号s(t)的PAPR为

式中：max{|s(t)|²}为信号功率的最大值；E{|s(t)|²}为信号功率的平均值。由于元器件中的功率放大器具有线性放大范围，当OTFS信号的功率峰值过大就会超过放大器工作范从而使得信号失真。并且各个子载波还会出现相互干扰，这需要增加线性放大器的工作范围。但是较大的线性工作范围会在一定程度上影响放大器的工作效率和复杂度，为此需要进行OTFS系统的峰均比抑制。

互补累积分布函数(CCDF,Complementary cumulative distribution function)常用于描述PAPR的性能，其表示的意义为峰均比超过某个门限值PAPR₀的概率：

CCDF＝P{PAPR(s(t))＞PAPR₀}

通过蒙特卡洛计算CCDF，CCDF曲线可以反映系统PAPR特性，是PAPR降低效果的评价指标。CCDF可以进一步用下式进行计算

式中：R为蒙特卡洛仿真次数。

在图8中，V值取V＝4，polar码码长分别选择为128、256、512和1024，码率为可见随着码长增加，系统的峰均比明显升高，这是由于待传输信息较多，从而时域载波数会增加，从而会增大系统的最大功率峰值。

在如图9和图10所示的仿真中，polar码码长分别选择为256、512，码率为V分别取1，2，4，8。可见随着V的增加，系统的峰均比均明显降低，这是由于V值的增加使得可加密传输的信号选择性较多，从而可以更有效的得到峰均比较小的时域加密信号。最后，相比未进行该加密算法的OTFS，即V＝1，所提方法能够显著抑制OTFS系统的PAPR，且可以通过调节V值从而获得更低的PAPR。

仿真结果表明，本发明可以在不影响接收方误码性能的前提下，使得窃听者误码率基本为0.5，此外，该方案还可以有效抑制OTFS系统的PAPR，且PAPR的改善程度还可通过索引值长度控制。

以上内容中未细述部份为现有技术，故未做细述。

Claims (5)

1.一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

合法发送端和合法接收端将无线信道作为公共随机源进行密钥提取从而得到无线初始密钥，将初始密钥作为混沌序列发生器的初始值进一步产生加解密密钥；

将加解密密钥控制polar码编码加密；

将编码加密后的信号送入OTFS系统，得到不同混沌序列加密后的峰均比，此时选择PAPR最低的信号送入功率放大器中，再发送到无线信道；

合法接收端接收到加密信号后，将其进行魏格纳变换以及辛傅里叶变换，再由相同的混沌序列进行译码解密得到正确的星座映射。

2.根据权利要求1所述的一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法，其特征在于：所述产生加解密密钥的步骤如下：

收发双方将无线信道作为公共随机源进行初始密钥提取，收发双方通过对CSI探测，再进一步将探测到的信道特性进行特征参数量化，随后再利用信息协商以及保密增强手段将得到的信道特性作为初始密钥；将得到初始密钥作为混沌发射器的输入，从而可产生更多的混沌加密密钥，选取Tent映射作为混沌序列发生器，如下式所示

x_n+1＝μmin{x,1-x},x∈[0,1]

其中μ∈[0,2]，设定x初值为0.3，用Matlab进行仿真得到Tent映射时域序列。

3.根据权利要求2所述的一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法，其特征在于：

所述CSI探测的步骤如下：在相干时间内，合法通信两端先后发送信道特征探测信号，再根据接收到的信号进行信道特征的估计，获得信道特征观测值；

所述特征量化的步骤如下：信道探测完成后，收发双方会获取大量的探测数据，Alice和Bob需采用一致的量化方案，并将获得信道特征观测值进行一致方案的量化从而获得无线初始密钥比特；

所述信息协商的步骤如下：由于无线信道存在的噪声、干扰以及收发双方的估计误差因素的影响，合法通信两端所获得初始密钥会存在少量不一致序列，此时需要通过一定的信息交互完成对不一致密钥序列的纠正和校验，从而得到一致的密钥比特；

所述保密增强的步骤如下：在信道探测和信息协商的步骤中，可采用提取器法和Hash函数法完成保密增强从而获得最终的安全共享密钥。

4.根据权利要求2所述的一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法，其特征在于：所述polar码编码加密的步骤如下：

步骤1：根据信道特点从主信道提取密钥，将密钥初始值送至混沌序列发生器产生混沌序列，根据码长对产生的混沌序列进行分段V＝2^v(v＝0,1,2,...)，假设分为四段即v＝2，V＝4,可用00，01，10，11序号值进行表示其对应的四段混沌序列，将该序号索引值和待传输信号一起作为信源信息放置polar码的信息位上，其中序号索引值放置在polar码最好的信息比特上；

步骤2：将信息位上序号值所对应的混沌序列和其余位置进行混沌加密，若码长N、码率为R的polar码，其中两位用于存放混沌序列索引值，除了序号索引位置的比特外，我们用混沌序列加密极化码的信息比特位置，即索引值所对应混沌序列则与剩下的NR-2位待编码比特进行异或加密，其中序号索引值所对应的混沌序列值也是NR-2位；混沌序列由序号索引选择；

步骤3：在合法发送端首先将加密后的信息序列U进行Polar码编码，编码公式为

其中，N为编码码长，且N＝2ⁿ，G_N(A)为G_N的子矩阵，矩阵由集合A中元素对应的行向量所构成，且编码均在二进制有限域GF(2)下完成。

5.根据权利要求2所述的一种基于polar码编码加密的低峰均比OTFS安全传输方法，其特征在于：所述合法接收端Bob接收到加密信号后，将其进行魏格纳变换以及辛傅里叶变换，再由相同的混沌序列进行译码解密得到正确的星座映射的步骤如下：

步骤1：首先，合法接收端Bob对接收到的信号r(t)先通过魏格纳变换变到时频域

式中：表示接收端的匹配脉冲滤波函数，其与发送g_t(t)满足双正交性；

其次，Bob再通过SFFT将其变换到时延-多普勒域，即

步骤2：使用Polar码SC译码器译码，译码判决式：

其中是信息集，A^c为冻结位，其中

利用SC解码器计算每个比特通道的传输概率，然后迭代计算每个比特通道的似然比信息，对每个传输的信息做出决策；概率比信息定义

步骤3：由于密钥生成特点，合法接收端Bob可以得到相同的初始密钥，初始密钥被发送到相同的混沌序列生成器以生成相同的混沌序列，译码后，接收机可以找到放置在极化码最好的信息位上的序列号索引，然后利用序列号索引搜索出对应的混沌序列段；最后利用XOR算法将接收到的序列用混沌序列进行解密，得到解密后的信息序列。