一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法，该方法利用已知的信道状态信息，将各个子载波序号进行重排，并以中点为界划分为两部分，设定前半部分为差的载波，后半部分为好的载波。将差的信道与好的信道之间定义一种配对映射关系，分别发送反转信号和有用信号，接收端进行联合接收。利用顺序统计量定理理论推导了系统的平均误码率以及系统保密容量的一个下界，并进行了仿真验证，仿真结果表明我们的方案实现了很好的防窃听效果，达到了很好的安全传输要求，并具有一定的稳定性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法
本专利技术属于无线通信物理层安全
，具体涉及一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输策略，适用于多种通信网络。
技术介绍
无线通信系统天然的开放性和广播性给传输的安全带来了极大的挑战。为了保证通信安全，传统的方法是借鉴有线网络的安全机制，在协议高层实现安全防护，这种方法假定窃听者具有有限的计算能力，短时间内无法破解。但随着高速计算机的发展，传统的加密方式受到威胁。物理层安全(PLS)技术作为一种辅助上层的安全方法在安全通信领域应运而生.它是以信息理论安全为指导，利用物理层属性即无线信道的唯一性直接阻止窃听方对有用信息的截获。与传统的上层安全方案相比，物理层安全的优点是系统开销小、协议栈简单和复杂度较低，因此被广泛关注。正交频分复用(OFDM)作为许多主要无线和有线通信物理层的合适解决方案标准，被当今的LTE和Wi-Fi系统广泛采用，因其可扩展至大带宽应用，而且具有高频谱效率和较低的数据复杂性，能够很好地满足5G要求。因此，对OFDM技术的研究提出了更多更高的创新要求是必然的趋势。OFDM系统有其独特性，各个载波会受到不同的衰落，使得各载波具有不同的传输能力，基于此，通过合理的资源(载波，功率)分配不仅可以提高系统的吞吐量，而且可以减少功率开销提高资源利用率，我们在分配资源的同时将会对通信双方的信道特征进行影响，而物理层安全能够实施的本质就是无线通信信道特征的差异性，因此不同的资源分配将呈现出不同程度的信道差异影响着系统的安全性。但是，传统的资源分配往往是考虑如何增大容量，降低误码率展开，没有过多考虑系统的保密容量。因此，考虑OFDM系统下的物理层安全技术是很有必要的。不同于以往的方案，通过子载波选择和配对来提升系统性能的研究也有很多，由于子载波通道之间存在着差异性，每次信道实现，都会呈现出传输环境较差的信道和较好的信道，因此子载波的选择和配对就存在着一定可研究的价值。但是，我们可以看到子载波配对方案大多都是应用在中继或者多中继场景下，将两个时隙的载波进行配对联合，跟我们的多天线选择很相似。在简单的单跳传输系统中，类似的方案却很少。实际由于载波传输环境的不同，我们可以对较好的信道和较差的信道进行联合操作，在降低系统复杂度的情况下还能进一步提升系统的安全性能。而且实际传输中由于信道的非完美互易，必定会带来一定的互易误差，大多数方案没有考虑其带来的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是在简单的经典窃听单天线模型中，提出一种适用于多种传输网络的联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输策略。该方法充分利用子载波的唯一性，极大的增大了窃听者的误码率，得到了较好的安全性能，并且在互易性误差存在情况下，依旧能够保持较好的系统性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现：一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输策略，包括以下步骤：(1)发送端根据已知的信道状态信息，按照信道系数模值的平方从小到大的顺序对各个子载波序号进行重排，得到新的子载波的信道系数序列，并以中点为界划分为两部分，设定前半部分为差的载波，后半部分为好的载波；(2)复制所要发送的含有N/2个比特的有用信号并进行反转操作，将所要发送的有用信号按照逆序方式依次放在后半部分好的载波中进行发送，将反转后的信号依次放在前半部分差的载波中进行传输，联合构成具有N个比特的原始的OFDM符号；(3)按照一定的配对映射关系，一一对应的将一个好的子载波和一个差的子载波进行配对组合；(4)接收端对接收到的原始的OFDM符号信息进行均衡处理，之后依次将配对的两个子载波中的信息采用最大比合并方式进行联合接收，得到第K对子载波的输出信噪比γsymbol_K，其中K＝1,2,...,N/2；(5)在功率均分的情况下，利用顺序统计量定理得到该方案在经典窃听模型下的平均误码率p，以及系统保密容量的一个下界C。进一步，步骤(1)中，对各个子载波序号(1,2,...,N)进行重排，得到一组新的信道序号，其中N为子载波个数，是通过以下步骤来实现的：1a)利用信道状态信息反馈系统得到每次传输的信道状态信息；1b)提取其中各个载波的信道系数[h1,h2,...,hN]，计算各个子载波系数模值的平方|hi|2，其中i＝1,2,...,N；根据|hi|2按照从小到大的顺序对各个子载波序号进行重排，得到一组信道状态由差到好的新的子载波的信道系数序列：[h(1),h(2),...,h(N)]；1c)将新的子载波的信道系数序列简单的划分为两部分，后半部分为好的载波[h(N),h(N-1),...,h(N/2)]，前半部分为差的载波[h(1),h(2),...,h(N/2)]。进一步，步骤(2)中，原始的OFDM符号是通过以下步骤来产生的：2a)将有用信号进行BPSK调制得到调制后的有用信号[x1,x2,...,xN/2]；2b)复制调制后的有用信号，令其分别旋转180℃，定义旋转之后的信号为反转信号[x′1,x′2,...,x′N/2]；2c)将调制后的有用信号与反转信号进行组合，构成所要传输的OFDM符号。进一步，步骤2c)中，将调制后的有用信号与反转信号进行组合具体采用以下方法实现：按照步骤(3)中的配对方法，将信号按照新的子载波的信道系数序列[h(1),h(2),...,h(N/2)]进行组合得到N个比特[x′1,x′2,...,x′N/2,xN/2,...,x2,x1]，其中每个比特依次按照新的子载波信道系数序列对应的真实的载波位置进行排列，即可得到所要的传输OFDM符号。进一步，步骤(3)中，定义的映射关系，具体过程如下：根据映射关系：g＝N-k+1将第k个子载波和对应的第g个子载波进行配对，k＝1,2,...N/2。进一步，步骤(4)中，得到第K对子载波的输出信噪比γsymbol_K，具体方法为：4a)均衡处理的方法为，将每个载波信道中接收到的信号yi在接收端乘以该信道系数的共轭4b)采用最大比合并方式进行联合接收，得到每对子载波的输出信噪比γsymbol_K其中|h(k)|2和|h(g)|2分别为第k个子载波和第g个子载波的信道系数模值的平方，k＝1,2,...,N/2，g＝N/2,N/2+1,...,N；N0为每个支路的噪声功率谱密度，P0为各个子载波的平均功率，γ0为信噪比。进一步，步骤(5)中，得到系统平均误码率p的具体方法为：用x代替|h(k)|2，y代替|h(g)|2，则可以得到每对子载波接收符号xk的误码率pK为：其中，fXY(x,y)为|h(k)|2，|h(g)|2的联合概率密度函数，E[]表示取平均值函数，Q函数满足以下定义，依据顺序统计量定理，整理推导得到：则系统的平均误码率为：进一步，步骤(5)中，得到系统保密容量的一个下界C的具体方法为：定义窃听者的窃听速率CE公式：其中γE,K＝γ0(max(|hE,(k)|2,|hE,(g)|2))，γE,K为窃听者的接收信噪比，|hE,(k)|2,|hE,(g)|2分别为窃听者窃听到第k个符号的两个接收信道系数模值的平方；则系统保密容量的一个下界C为：其中CD表示合法接收者的接收速率，[]+表示当合法接收者的接收速率CD小于窃听者的窃听速率CE时，系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)发送端根据已知的信道状态信息，按照信道系数模值的平方从小到大的顺序对各个子载波序号进行重排，得到新的子载波的信道系数序列，并以中点为界划分为两部分，设定前半部分为差的载波，后半部分为好的载波；(2)复制所要发送的含有N/2个比特的有用信号并进行反转操作，将所要发送的有用信号按照逆序方式依次放在后半部分好的载波中进行发送，将反转后的信号依次放在前半部分差的载波中进行传输，联合构成具有N个比特的原始的OFDM符号；(3)按照一定的配对映射关系，一一对应的将一个好的子载波和一个差的子载波进行配对组合；(4)接收端对接收到的原始的OFDM符号信息进行均衡处理，之后依次将配对的两个子载波中的信息采用最大比合并方式进行联合接收，得到第K对子载波的输出信噪比γsymbol_K，其中K＝1,2,...,N/2；(5)在功率均分的情况下，利用顺序统计量定理得到该方案在经典窃听模型下的平均误码率p，以及系统保密容量的一个下界C。

【技术特征摘要】
1.一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)发送端根据已知的信道状态信息，按照信道系数模值的平方从小到大的顺序对各个子载波序号进行重排，得到新的子载波的信道系数序列，并以中点为界划分为两部分，设定前半部分为差的载波，后半部分为好的载波；(2)复制所要发送的含有N/2个比特的有用信号并进行反转操作，将所要发送的有用信号按照逆序方式依次放在后半部分好的载波中进行发送，将反转后的信号依次放在前半部分差的载波中进行传输，联合构成具有N个比特的原始的OFDM符号；(3)按照一定的配对映射关系，一一对应的将一个好的子载波和一个差的子载波进行配对组合；(4)接收端对接收到的原始的OFDM符号信息进行均衡处理，之后依次将配对的两个子载波中的信息采用最大比合并方式进行联合接收，得到第K对子载波的输出信噪比γsymbol_K，其中K＝1,2,...,N/2；(5)在功率均分的情况下，利用顺序统计量定理得到该方案在经典窃听模型下的平均误码率p，以及系统保密容量的一个下界C。2.根据权利要求1所述的一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法，其特征在于，步骤(1)中，对各个子载波序号(1,2,...,N)进行重排，得到一组新的信道序号，其中N为子载波个数，是通过以下步骤来实现的：1a)利用信道状态信息反馈系统得到每次传输的信道状态信息；1b)提取其中各个载波的信道系数[h1,h2,...,hN]，计算各个子载波系数模值的平方|hi|2，其中i＝1,2,...,N；根据|hi|2按照从小到大的顺序对各个子载波序号进行重排，得到一组信道状态由差到好的新的子载波的信道系数序列：[h(1),h(2),...,h(N)]；1c)将新的子载波的信道系数序列简单的划分为两部分，后半部分为好的载波[h(N),h(N-1),...,h(N/2)]，前半部分为差的载波[h(1),h(2),...,h(N/2)]。3.根据权利要求1所述的一种联合子载波配对和信号反转的OFDM安全传输方法，其特征在于，步骤(2)中，原始的OFDM符号是通过以下步骤来产生的：2a)将有用信号进行BPSK调制得到调制后的有用信号[x1,x2,...,xN/2]；2b)复制调制后的有用信号，令其分别旋转180℃，定义旋转之后的信号为反转信号[x′1,x′2,...,x′N/2]；2c)将调制后的有用信号与反转信号进行组合，构成所要传输的OFDM符号。4.根据权利要求3所述的一种联合子载波配对和信号反转的O...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国兵，董秋里，吕刚明，张国梅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61