一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法制造技术

本发明专利技术属于无线通信物理层安全技术领域，特别涉及到一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络。在OFDM系统中，仅利用合法通信双方的信道特征，根据合法用户各子载波之间的信道质量差异对子载波进行重排序，信道质量较好的子载波上传输原始比特数据符号，将信道质量较差的子载波传输的比特信息符号与信道质量较好的子载波传输的比特信息符号进行异或处理后发送，使得合法用户能够根据传输协议正确接收恢复各子载波数据信息，而窃听者无法正确还原各子载波的数据信息，满足物理层保密要求，该算法无需获得窃听者的信道状态信息，且无需合法用户信道质量优于窃听信道。

A physical layer security algorithm combining subcarrier grouping and XOR operation

【技术实现步骤摘要】
一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法
本专利技术属于无线通信物理层安全
，特别涉及到一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络。
技术介绍
随着信息技术的发展，5G已经成为国内外移动通信领域关注的焦点。OFDM技术由于其频谱利用率高、抗多径衰落能力强等技术优势，已成为LTE和LTE-Advanced系统中的物理层关键技术之一，亦将在5G系统中得到更加广泛的应用。由于无线信道传输的广播性和开放性、用户分布的不确定性以及网络结构的复杂性，使得5G移动通信系统中的数据安全传输问题面临更加严峻的挑战。研究结合OFDM技术特点的物理层安全方案对增强5G网络的信息安全性能有积极的作用。与OFDM调制方式相结合的物理层安全算法近年来引起众多学者的广泛关注。OFDM系统由于其多载波独特性，各子载波信道会经过不同的衰落，使得各子载波传输能力不同，而无线信道特征的差异性恰是物理层安全能够实施的本质，因此考虑OFDM系统下的物理层安全技术是很有必要的。由于子载波通道之间存在差异性，每次信息的传输，各载波所处信道都会呈现传输环境较差和较好的信道，此时可以利用信道的差异性进行安全方案的设计。同时根据各信道搭载的子载波进行子载波选择和配对也存在一定的可研究价值。现有的关于子载波处理的方案大多体现在抑制信道质量较差的载波，而仅采用信道质量较好的载波进行数据发送。文献【韩序,马文峰,许魁,等联合子载波抑制与配对的双向DF-PLNCOFDM中继[J].通信技术,2015,48(6):637-641】、文献【沈先丽,许魁,韩序,等.联合子载波抑制-机会网络编码的OFDM数据广播方法[J].数据采集与处理,2017,32(4):792-798】，利用子载波抑制与配对的思想，设计了联合子载波抑制与配对的网络编码传输方法，这种方法对中继两端链路的非对称活跃的子载波进行配对，在配对的子载波上发送物理层网络编码信息。这类方案大多应用在中继网络场景下，而在单跳传输系统中类似的方案很少，设计简洁的传输方案不仅能以低复杂度实现安全传输，而且还能节省系统开销。在实际通信传输中，由于存在噪声干扰，必定会产生信道估计误差，对于利用信道特征的安全方案，大多数方案没有考虑非理想信道估计环境下方案的性能。分析发现现有的安全编码算法的研究存在以下不足：1)现有的安全算法的算法编码加密处理过程中需要获得窃听者实时的信道状态信息，从信息论角度考虑优化分配多载波资源，而在实际通信传输中很难获得窃听者信道状态信息；2)现有的物理层安全传输算法大多要求合法接收者的信道状况优于窃听信道，而在实际的无线通信传输中，难以保证此要求；3)大多数的窃听者是被动窃听，没有考虑到主动窃听的窃听者情况。在OFDM系统中，利用信道特征先验可知的条件下，将编码结构与信道特征进行联合设计，从而实现合法接收者接收码域内信息不变而窃听者码域内信息随机变化，是物理层安全算法的一个重要研究领域。基于此本文提出一种基于信道特征的子载波处理算法：在OFDM系统中，仅利用合法通信双方的信道特征，根据合法用户各子载波之间的信道质量差异对子载波进行重排序，信道质量较好的子载波上传输原始比特数据符号，将信道质量较差的子载波传输的比特信息符号与信道质量较好的子载波传输的比特信息符号进行异或处理后发送，使得合法用户能够根据传输协议正确接收恢复各子载波数据信息。公开的算法窃听者无法正确还原各子载波的数据信息，满足物理层保密要求。该算法无需获得窃听者的信道状态信息，且不需要合法用户信道状况优于窃听信道。文献【高宝建,王少迪,胡云,曹艳军.基于OFDM调制特点的物理层并行插值加密算法[J/OL].计算机应用:1-5[2018-04-16]的处理方法】是在IFFT后的并行数据上，采用混沌序列生成伪随机插入位置，在对应的子载波间插入与插入位置对应的符号进行加密，对窃听者相当于改变OFDM系统子载波之间原有的正交性，使之难以正确解调信号，从而达到系统物理层安全。当发送同样多的有用信息时，其算法较原有OFDM调制解调系统会增加系统的发射功率。文献【李豪，邹燕，等.基于CSI的动态子载波分配的抗窃听OFDM系统[C].车载通信技术会议，IEEE，2013】是利用发射机和合法接收机之间的有序信道增益来防止OFDM系统中的窃听，具体是舍弃差的信道状态信息的子载波不传输数据，并且在一部分强信道状态的子载波处采用更高阶调制以保证系统吞吐量。但是由于算法参数可能会泄露，调整参数同样会提升窃听者的性能，这是不利于安全性的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，在OFDM系统中，仅利用合法通信双方的信道特征，根据合法用户各子载波之间的信道质量差异对子载波进行重排序，信道质量较好的子载波上传输原始比特数据符号，将信道质量较差的子载波传输的比特信息符号与信道质量较好的子载波传输的比特信息符号进行异或处理后发送，使得合法用户能够根据传输协议正确接收恢复各子载波数据信息，而窃听者无法正确还原各子载波的数据信息，满足物理层保密要求，该算法无需获得窃听者的信道状态信息，且无需合法用户信道质量优于窃听信道。本专利技术的技术方案是：一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM系统的多载波通信网络，OFDM系统采用K个子载波传输，包括如下步骤：S1、信道估计，信息传输前，首先由合法接收者上行发送导频序列，发送端估计上行主信道，随后由发送端下行发送导频序列，合法接收端估计下行主信道，利用信道互易性，假设上行主信道和下行主信道信息相同，其频率信道质量系数矢量均为Hb，将各个子载波按照其信道增益从大到小排序，得到排序后的主信道质量矢量为原始输入的比特序列D＝[d1,d2,…,dK]各元素独立且同分布；S2、安全编码，将原始输入的比特序列D的前一半比特序列DP＝[d1,d2,…,dK/2]与后一半比特序列DF＝[dK/2+1,dK/2+2,…,dK]逐一进行异或运算得到DXOR，将进行异或运算后所得到的比特序列得到DXOR替换掉原始输入的比特序列的后一半比特序列，得到新的待发送比特序列；S3、星座映射与子载波排序，随后对输入的信息比特序列D向各子载波上进行分配,前一半比特DP进行BPSK星座映射后得到符号矢量将其调制到Hp对应的子载波上进行发送，对安全编码后的比特序列进行星座映射，得到符号序列，然后对得到的符号序列进行子载波排序，将映射后得到的符号序列中的各符号逐一放到排序后的各子载波上发送；S4、信道均衡及解映射，首先对频域接收信号进行信道均衡，即让各子载波接收信号先乘以对应子载波信道系数的共轭，以消除信道相位的影响，然后由最小欧氏距离法对各子载波接收的信号进行BPSK解映射，得到比特序列B＝[b1,b2,…,bK]；S5、接收端将执行发送端的逆处理，首先按照子载波排序后的结果按顺序提取各子载波的接收比特，得到比特序列随后对前一半比特序列不做任何处理，而后一半比特需与前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM系统的多载波通信网络，OFDM系统采用K个子载波传输，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、信道估计，信息传输前，首先由合法接收者上行发送导频序列，发送端估计上行主信道，随后由发送端下行发送导频序列，合法接收端估计下行主信道，利用信道互易性，假设上行主信道和下行主信道信息相同，其频率信道质量系数矢量均为H

【技术特征摘要】
1.一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM系统的多载波通信网络，OFDM系统采用K个子载波传输，其特征在于，包括如下步骤：
S1、信道估计，信息传输前，首先由合法接收者上行发送导频序列，发送端估计上行主信道，随后由发送端下行发送导频序列，合法接收端估计下行主信道，利用信道互易性，假设上行主信道和下行主信道信息相同，其频率信道质量系数矢量均为Hb，将各个子载波按照其信道增益从大到小排序，得到排序后的主信道质量矢量为原始输入的比特序列D＝[d1,d2,…,dK]各元素独立且同分布；
S2、安全编码，将原始输入的比特序列D的前一半比特序列DP＝[d1,d2,…,dK/2]与后一半比特序列DF＝[dK/2+1,dK/2+2,…,dK]逐一进行异或运算得到DXOR，将进行异或运算后所得到的比特序列得到DXOR替换掉原始输入的比特序列的后一半比特序列，得到新的待发送比特序列；
S3、星座映射与子载波排序，随后对输入的信息比特序列D向各子载波上进行分配,前一半比特DP进行BPSK星座映射后得到符号矢量将其调制到Hp对应的子载波上进行发送，对安全编码后的比特序列进行星座映射，得到符号序列，然后对得到的符号序列进行子载波排序，将映射后得到的符号序列中的各符号逐一放到排...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸣岩，吕卓，郭志民，杨文，李暖暖，蔡军飞，张铮，张伟，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41