一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法技术

本发明专利技术提供一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法。步骤1：生成LoRa信号，基于LoRa信号包括带宽B与扩频因子SF得到调制的波形s(t)；步骤2：对步骤1的调制的波形s(t)采样得到离散信号s(n)；步骤3：基于步骤2的离散信号s(n)生成α'角度下分数域信号；步骤4：对步骤3的分数域信号进行相位伪随机化，并将得到的分数域信号变换为时域，使时域FRPLM信号每点的幅值均受伪随机相位e

【技术实现步骤摘要】
一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法


[0001]本专利技术属于通信领域，具体涉及一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法。

技术介绍

[0002]LoRa技术基于Chirp信号，以低功耗、传输广、易组网、成本低、部署简单等优点，完美地契合了物联网的需求，因而被广泛应用于各种物联网领域。在可以预见的将来，LoRa是物联网发展的主要核心技术之一。目前物联网海量数据和它们之中所蕴含的信息已成为宝贵资源，因而人们也开始越来越重视数据产生和交流过程的私密性，物联网安全通信俨然成为了具有越来越重要意义的研究问题。
[0003]传统信息安全是基于网络上层计算复杂度来实现的，但随着现代计算机的计算能力不断发展，极大地缩短了通过暴力法破译密钥的时间，使基于计算复杂度的信息加密机制面临巨大挑战。而物理层安全是从信息论的角度，将潜在的威胁防御在物理层信号处理阶段，从而实现信息安全传输，弥补了上层网络信息安全传输短板。现有技术指出物理层安全算法的研究对物联网信息安全具有重要理论意义及应用价值。
[0004]物理层安全不改变现有的通信技术，可以很好地与不同无线传输系统调制技术相结合。现有技术利用信道瞬时相位对LoRa信号进行频移加密，提升了物理层安全性能。现有技术设计了CloakLoRa物理层隐蔽信道，利用幅度调制技术隐藏LoRa信息。上述方案均得到了较好的物理层安全性能，但在评价方案性能时只使用了误比特率这一单一指标。而伴随着现代信号处理技术的创新与设备处理能力的不断增强，非法截获方的信号检测与参数估计手段大幅提升。因此，在提出一种物理层安全算法后，应全面地考虑非法截获方的截获能力，多角度、多层面地衡量安全方案的性能。
[0005]物理层安全不同于信息编码的加密方式，可利用无线信道的物理特征(时变性、互易性、随机性)来实现信息加密。现有技术基于无线信道的互易性和随机性进行密钥提取，提升了密钥提取的安全性。文献[9]将LoRa终端的接收信号强度指示(RSSI)应用于密钥生成。文献[10]在密钥生成环节中加入信号处理技术显著提高密钥产生率。文献[11]提出一种FLoRa的安全密钥生成技术，可以实现高密钥生成率(KGR)，且提取的密钥满足随机性的要求。可以看出，针对LoRa物理层信息加密的研究重点大多在密钥的提取上，而结合LoRa分数域物理层特性的LoRa信号加密方法还鲜有涉及。
[0006]本专利技术针对LoRa信号在分数域的物理层特性，基于分数域相位伪随机化的变换域信号处理思路，提出一种增强LoRa信号信息传输安全性的物理层安全方法。该方法不但能够实现通信信息的安全加密，还可实现传输信号的隐藏。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，以降低非法截获方对传输信号的存在性检测，同时在不影响合法接收方解调性能的情况下，使非法
截获方无法解调出有效信息。
[0008]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0009]一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，所述LoRa信号物理层安全方法包括以下步骤：
[0010]步骤1：生成LoRa信号，基于LoRa信号包括带宽B与扩频因子SF得到调制的波形s(t)；
[0011]步骤2：对步骤1的调制的波形s(t)采样得到离散信号s(n)；
[0012]步骤3：基于步骤2的离散信号s(n)生成α'角度下分数域信号；
[0013]步骤4：对步骤3的分数域信号进行相位伪随机化，并将得到的分数域信号变换为时域，使时域FRPLM信号每点的幅值均受伪随机相位e
jθ
的影响；
[0014]步骤5：对步骤4的时域FRPLM信号进行解调得到LoRa信号原有的物理层的比特序列。
[0015]一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，所述步骤1具体为SF∈{7,8,9,10,11,12}。将待传输的二进制信息比特流d
i
转换为十进制的循环移位值K，其中K的取值{0,1,
···
N
‑
1}；LoRa符号的每个传输符号被分为N＝2
SF
个码片，码片周期T
c
＝1/B，则符号周期T
s
＝N
·
T
c
，调频斜率μ＝B/T
s
；对于基带传输系统，符号的频率在[0,T
s
]时间段内从f0上升至B，于T0＝(N
‑
K)/B时刻发生频率跳变后返回0，再从0频率上升至f0；
[0016]具体数学表达可描述为：
[0017][0018]其中，u(t)为阶跃函数；
[0019]而对应调制的波形可表示为：
[0020][0021]一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，所述步骤2具体为，对LoRa信号s(t)采样得到离散信号s(n)，如果以f
s
表示采样频率，则s(t)的离散基带等效方程可表示为：
[0022][0023]LoRa信号只需f
s
＝B就可实现解调，
[0024]因此通过单倍采样的方式可得到等效于B作为采样频率的数据样点，采样间隔为T
sample
＝1/B，采样后的序列长度为N，且离散信号表达式可化简为：
[0025][0026]一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，所述步骤3具体为，对s(n)作N点离散分数阶傅里叶变换得到S
α
(k)：
[0027][0028]则时上式表示为：
[0029][0030]此时LoRa信号在分数域中能量最分散，对该信号进行相位伪随机化操作可使伪随机相位对时域信号幅度影响最大化。
[0031]一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，所述步骤4具体为，利用伪随机序列中的r(r≥SF)位数据来映射伪随机相位值，a
k
是r位二进制序列的十进制转换结果；产生的伪随机相位为：
[0032][0033]将生成的伪随机相位与分数域信号S
α'
(k)相乘得到分数域FRPLM信号：
[0034]F(k)＝S
α'
(k)
·
e
jθ(k)
,k＝0,1,...,N
‑1ꢀꢀꢀꢀ
(43)
[0035]由于逆离散分数阶傅里叶变换至时域可表示为：
[0036][0037]因此，分数域变换角度为α'的FRPLM信号时域为：
[0038][0039]由上式可知，由于在α'角度分数域上进行信号相位伪随机化操作，使时域FRPLM信号每点的幅值均受伪随机相位e
jθ
的影响，与原LoRa信号时域波形毫不相关，呈类噪声特性，从而增加了非法截获方对信号存在性检测的难度，提高了信号波形的物理层安全性。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，其特征在于，所述LoRa信号物理层安全方法包括以下步骤：步骤1：生成LoRa信号，基于LoRa信号包括带宽B与扩频因子SF得到调制的波形s(t)；步骤2：对步骤1的调制的波形s(t)采样得到离散信号s(n)；步骤3：基于步骤2的离散信号s(n)生成α'角度下分数域信号；步骤4：对步骤3的分数域信号进行相位伪随机化，并将得到的分数域信号变换为时域，使时域FRPLM信号每点的幅值均受伪随机相位e
jθ
的影响；步骤5：对步骤4的时域FRPLM信号进行解调得到LoRa信号原有的物理层的比特序列。2.根据权利要求1所述一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，其特征在于，所述步骤1具体为SF∈{7,8,9,10,11,12}；将待传输的二进制信息比特流d
i
转换为十进制的循环移位值K，其中K的取值{0,1,
···
N
‑
1}；LoRa符号的每个传输符号被分为N＝2
SF
个码片，码片周期T
c
＝1/B，则符号周期T
s
＝N
·
T
c
，调频斜率μ＝B/T
s
；对于基带传输系统，符号的频率在[0,T
s
]时间段内从f0上升至B，于T0＝(N
‑
K)/B时刻发生频率跳变后返回0，再从0频率上升至f0；具体数学表达可描述为：其中，u(t)为阶跃函数；而对应调制的波形可表示为：3.根据权利要求2所述一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，其特征在于，所述步骤2具体为，对LoRa信号s(t)采样得到离散信号s(n)，如果以f
s
表示采样频率，则s(t)的离散基带等效方程可表示为：LoRa信号只需f
s
＝B就可实现解调，因此通过单倍采样的方式可得到等效于B作为采样频率的数据样点，采样间隔为T
sample
＝1/B，采样后的序列长度为N，且离散信号表达式可化简为：4.根据权利要求3所述一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，其特征在于，所述步骤3具体为，对s(n)作N点离散分数阶傅里叶变换得到S
α
(k)：则时上式表示为：此时LoRa信号在分数域中能量最分散，对该信号进行相位伪随机化操作可使伪随机相位对时域信号幅度影响最大化。5.根据权利要求4所述一种基于分数域相位伪随机化的LoRa信号物理层安全方法，其特征在于，所述步骤4具体为，利用伪随机序列中的r(r≥SF)位数据来映射伪随机相位值，a
k
是r位二进制序列的十进制转换结果；产生的伪随机相位为：将生成的伪随机相位与分数域信号S

【专利技术属性】
技术研发人员：张成文，史军，杜欣宜，毛远航，马骁儒，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：