CN109743279B

CN109743279B - 一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法

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Publication number: CN109743279B
Application number: CN201910025822.8A
Authority: CN
Inventors: 雷菁; 鲁信金; 施育鑫; 李为; 潘志鹏
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: CN109743279A

Abstract

本发明属于无线通信加密技术领域，涉及一种基于polar码和混沌序列的OFDM***峰均比抑制的物理层加密方法，发送方通过主信道提取密钥，输入混沌序列发生器产生混沌序列，将混沌序列进行分段，并对每段混沌序列赋予序号索引信息；分别将序号索引信息所对应的混沌序列和待传输信号值进行混沌加密，得到每个序号索引信息对应的加密信息序列；分别对每个序号索引信息对应的加密信息序列进行Polar码编码，将编码后的信号送入OFDM***，选取使得OFDM***中PAPR值最小的那段混沌序列对应的Polar码编码信息进行调制传输；接收方对接收到的信号进行解调、译码和解密，恢复出原始传输信号。本发明解决了DFDM***中峰均功率比高的问题，降低设备制造成本。

Description

一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法

技术领域

本发明属于无线通信加密技术领域，具体涉及一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法。

背景技术

无线通信发展迅速，相比于有线通信***，无线通信***具有广播性、移动性和开放性等特点。这些特点使得无线通信受到截获和窃听的可能性增大，无线通信安全问题日益突出。针对无线通信安全问题，传统的安全通信技术假设物理层的传输是无差错的，并在物理层之上的更高层采用计算复杂度高、难以在有限时间内破解的加密算法，未根据物理层的信道特征来设计保密机制。无线物理层安全充分利用无线物理层中信道的特征，合法通信双方能够恢复出原始信息，同时窃听者无法获取秘密信息。一般地，物理层安全主要包括安全编码、协作干扰和密钥提取等技术。因此，物理层安全编码兼顾信息传输的可靠性和安全性。

与单载波***相比，由于多载波调制***的输出是多个信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到叠加信号的瞬时功率会远远大于信号平均功率，导致了较大的峰均功率比。因此射频功率放大器应该工作在很大的动态线性范围之内，否则，当信号峰值进入到功率放大器的非线性区域时，会引起信号失真，这种失真会引起子载波间的互调和带外辐射，从而使各子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰。解决这一问题的办法之一就是要求功率放大器应该具有很大的线性工作范围，然而，这将会导致放大器效率的降低和发射机设备复杂性的增加。

Arikan教授于2008年首次提出Polar码的概念，并严格证明了对于二进制离散无记忆信道(B.DMCs)，Polar码可以达到香农信道容量^[1]。Polar码是一种基于信道极化理论提出的线性信道编码方法，其理论基础是信道极化。如图4所示，信道极化包括信道组合和分解两个过程。当组合信道数目趋于无穷大时，出现极化现象：一部分信道的信道容量趋于1(无噪信道)，另一部分的信道容量趋于0(全噪信道)。利用信道极化特性，Polar码编码变得很直观，在无噪信道上传输有用信息，在全噪信道上传输固定比特。作为首个理论证明可达香农极限的码，Polar码在无线通信和存储***将发挥巨大的潜力。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种复杂度低，只需利用IFFT和FFT就能实现调制解调的多载波传输方案，应用极为广泛。但OFDM在运用过程中存在诸多问题，其中峰均比PAPR(peak-to-average power ratio)就是一个显著的问题。由于编码的任意性，不同子载波在同一时刻有可能恰好在时域上产生峰值，而对高功率线性放大器提出了很大的要求。一旦峰值超过线性放大的范围，这些部件的非线性区放大会产生非线性失真，造成子信道间的相互干扰，从而影响OFDM***的性能。减小OFDM中PAPR的方法有很多种，如限幅^[2]、编码^[3]、交织^[4]、选择性映射^[5]、部分序列传输^[6]、非线性压扩变换^[7]、星座扩展^[8]等。但是现有的每一种方法都是在降低***某一方而的性能代价下减小PAPR的，如增加实现复杂度、降低频谱利用率、降低传输速率、增加发射功率等^[9][10]。在编码类方法的基本原理是利用不同的编码产生峰均功率比较小的OFDM符号，但是可供使用的编码图样非常少，特别是当子载波数量较大时，编码效率会非常低，计算的复杂度也很大。此外SLM(Selected Mapping)^[11][12]方法是通过遍历一些备选方案库，然后从这些提供的方案库里面选择峰均比最小的一个数据组进行传输。具体参考文献如下：

[1]Arikan E.Channel polarization:a method for constructing capacity-achieving codes for symmetric binary-input memoryless channels[J].InformationTheory,IEEE Transactions on,2009 55(7):3051-3073.

[2]Lin Y,Song K,Yun M S.Iterative Clipping Noise Recovery of OFDMSignals Based on Compressed Sensing[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2017,63(4):706-713.

[3]Liu Y C,Chang C F,Lee S K,et al.Deliberate Bit Flipping WithError-Correction for PAPR Reduction[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2017,63(1):123-133.

[4]Gamage H,Rajatheva N,Latva-Aho M.High PAPR Sequence Scrambling forReducing OFDM Peak-to-Average Power Ratio[C]//European Wireless；EuropeanWireless Conference.2016.

[5]Xiao Y,Wang Z,Cao J,et al.Time-frequency domain encryption withSLM scheme for physical-layer security in an OFDM-PON system[J].IEEE/OSAJournal of Optical Communications&Networking,2018,10(1):46-51.

[6]Yoshida M,Nashimoto H,Miyajima T.PTS-Based PAPR Reduction byIterative p-Norm Minimization without Side Information in OFDM Systems[J].Ieice Transactions on Communications,2018,101(3).

[7]Anoh K,Adebisi B,Rabie K M,et al.Root-Based Nonlinear CompandingTechnique for Reducing PAPR of Precoded OFDM Signals[J].IEEE Access,2018,6(99).

[8]Paredes M C P,Escudero-Garzás J J.PAPR Reduction via ConstellationExtension in OFDM Systems Using Generalized Benders Decomposition and Branch-and-Bound Techniques[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016,65(7):5133-5145.

[9]Joo H S,Kim K H,No J S,et al.New PTS Schemes for PAPR Reduction ofOFDM Signals Without Side Information[J].IEEE Transactions on Broadcasting,2017,PP(99):1-9.

[10]Zhao H,Deng X,Tao J,et al.Null subcarrier assisted selectivemapping for PAPR reduction in OFDM systems without side information[C]//International Conference on Communications&Networking in China.2016.

[11]Hu W W.SLM-based ACO-OFDM VLC system with low-complexity minimumamplitude difference decoder[J].Electronics Letters,2018,54(3):144-146.

[12]Yan C,Wang J,Lu H,et al.Selective mapping and restorable clippingjoint scheme for light-emitting diode nonlinearity alleviation in visiblelight communication system[J].Optical Engineering,2016,55(5):056106.

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种有效提高***稳定性以及安全性的基于polar码和混沌序列的OFDM***峰均比抑制的物理层加密方法。具体技术方案如下：

一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法，该方法具体包括：

发送方通过主信道提取密钥，并将密钥作为初始值输入混沌序列发生器产生混沌序列，将混沌序列进行分段，并对每段混沌序列赋予序号索引信息，将序号索引信息和待传输信号值作为信源信息放置polar码的信息位上；

分别将序号索引信息所对应的混沌序列和待传输信号值进行混沌加密，得到每个序号索引信息对应的加密信息序列；

分别对每个序号索引信息对应的加密信息序列进行Polar码编码，将编码后的信号送入OFDM***，选取使得OFDM***中PAPR值最小的那段混沌序列对应的Polar码编码信息进行调制传输；

接收方对接收到的信号进行解调，使用Polar码译码器译码，并使用加密所使用的序号索引信息对应的混沌序列进行解密，恢复出原始传输信号。

进一步地，所述将混沌序列进行分段过程为：

根据码长对产生的混沌序列进行分段，设码长为N比特，序号索引信息的位数占M比特，则每段混沌序列长度为N-M比特。

进一步地，所述混沌加密为混沌序列与待传输比特信息进行异或运算。

进一步地，所述Polar码编码均在二进制有限域GF(2)下完成。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：1、本发明利用信道特点提取二进制密钥，并且生成混沌序列对信息进行加密再进行编码，使得加密编码融为一体，使得编码后的信息具有安全性。2、采用SLM方法，在编码过程中还考虑到降低OFDM***的峰均比。因此，该算法既实现了安全编码，还在不提高复杂度的基础上使得***的峰均比得以降低，解决了DFDM***中峰均功率比高的问题，避免降低放大器效率和增加发射机设备复杂性的问题，降低设备制造成本。3、由于polar码编译码复杂度较低，尤其是编码相对简单，采用SLM算法对***复杂度和计算量不会带来影响，并且相对于SLM算法，因为密钥是从信道提取，因此不需要存储额外的随机序列，进一步降低了***复杂度。4、由于polar码独特的性质，即将降低OFDM***中PAPR的混沌序列所对应的序号存放在polar码最好的信息位上，其在信息位的选择的过程中找出最可靠的信道传输关键解密信息位，相对于其他编码同样的方法，可以增加***的稳定性，信息传输的可靠性高。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的整体***加密传输及接收的过程示意图；

图2是本发明的发送方编码加密调制过程示意图；

图3是本发明的接收方编码解密解调过程示意图；

图4是polar码信道极化图；

图5是本发明方法和传统SLM方法在不同码长下的结果对比图。

图6是在实施例中，本发明中序号索引信息的长度对峰均比的影响图；

图7是在实施例中，不同调制方式对本方法和传统OFDM峰均比的影响对比图；

图8是在实施例中，不同码长下polar码信息位的选择对***误码率的影响；

图9是在实施例中，不同码率下polar码信息位的选择对***误码率的影响。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围：

如图1所示的一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法，从物理层加密出发，通过信道提取密钥控制编码过程，进而获得加密与信道编码相结合的联合编码加密的理论和方法，实现对无线链路的进一步保护，采用编译码复杂度较低的polar码进行编码，通过独特的码字构造方法，在信息位的选择的过程中找出最可靠的信道传输关键解密信息位。本发明采用传统SLM的方法，在编码过程中还考虑到降低OFDM***的峰均比。因此，该算法既实现了安全编码，还在不提高复杂度的基础上使得***的峰均比得以降低，具体包括以下步骤，

步骤一，发送方根据信道特点从主信道提取密钥，将密钥作为初始值输入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，并分别用不同的序号索引信息来表示其对应的几段混沌序列，将该序号索引信息和待传输的信号值一起作为信源信息放置在polar码的信息位上，实际应用中，假设将混沌序列分为四段，即用00，01，10，11等序号索引信息来表示其对应的四段混沌序列，将该序号索引信息和待传输信号值一起作为信源信息放置polar码的信息位上，优选地，所述序号索引信息放置在polar码最后的比特位置上。

步骤二，将信息位上序号索引信息所对应的混沌序列和待传输信号进行混沌加密，根据序号索引信息的位数，设序号索引信息的位数为M比特，码长为N比特，将码长中M位存放混沌序列序号索引信息，则混沌序列与N-M位比特信息进行异或加密，M，N均为正整数，N大于M，如步骤一中所述，假设用00，01，10，11序号索引信息来表示其对应的四段混沌序列，则需要将码长中的两位用来存放混沌序列号，将混沌序列与N-2位比特信息进行异或加密，则所述序号索引信息对应的混沌序列值也为N-2位。

步骤三，分别对每个序号索引信息对应的加密信息序列进行Polar码编码；

设混沌加密后得到的某个信息序列为U，将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为生成矩阵，A是集合{1,2,3,...,N}的任意子集；G_N(A)为G_N的子矩阵，G_N(A)矩阵由集合A中元素对应的行向量所构成；G_N(A^c)是G_N去掉G_N(A)的矩阵，

是冻结位，进一步地，所述Polar码编码均在二进制有限域GF(2)下完成。

步骤四，将编码后的信号发送入至OFDM***，得到不同混沌序列加密后的峰均比，在本实施例中，将编码后的信号发送入至OFDM***，在OFDM***中，对比特流进行QAM或QPSK调制，并经过IFFT变换，最终得到不同混沌序列加密后的峰均比，采用SLM方法，选取使得OFDM***中峰均比值最低的混沌序列，用该混沌序列对待传输信号进行混沌，然后进行Polar码编码，调制后进行信道传输。如图2为发送方编码加密调制步骤流程方框图，图中SI表示序号索引信息。

步骤五，接收方对接收到的信号，经过FFT变换以及QAM或QPSK解调，使用Polar码译码器译码，并使用加密所使用的序号索引信息对应的混沌序列进行解密，恢复出原始传输信号。图3是接收方编码解密解调过程示意图。

实施例中，使用Polar码译码器译码(具体参考：Hussami N,Korada S B,UrbankeR.Performance of polar codes for channel and source coding[C]//IEEEInternational Symposium on Information Theory.2009)，译码判决表达式如下：

其中

为译码比特，A^c为固定比特集合，此处值为0(polar码冻结位值设为0)，A为信息位集合。

为：

其中

为对数似然比(Likelihood-Ratio,LR)。在本实施例中，采用SC译码计算每一个比特信道的转移概率

进而通过迭代计算比特信道的似然比(LR)信息，进而对各发送信息作出硬判决，其中的似然比信息定义为：

得到译码后的序列，将最好的信息位上序列所对应的混沌序列对译码序列进行解密，可得解密后的信息序列。实施例中，接收方也是通过两方传输的信道特点提取密钥的，因此这个密钥无法被窃听者所知(信道不同)，这个密钥可以作为混沌产生器的初始值，从而收发双方的初始值一样所以混沌序列值也是一样的。

具体地，以信息传输的具体过程为例，如图1所示，发送方(Alice)发送消息U给合法的接收方(Bob)，同时窃听者(Eve)希望得到传输的消息。在此过程中，Alice和Bob通过主信道提取密钥，由于无线信道的空时唯一性，窃听方Eve不知道关于密钥的任何信息。当Alice传输消息给Bob时，将密钥对应的混沌序列值以及待传输的信号值通过编码加密模块进行加密以及编码，得到密文X，再进行调制器得到输出波形Y，而合法接受Bob接收到Y，Y经过主信道后得到Y’先进行解调模块得到X’,再通过译码解密模块，得到消息U’。由于将加密移到物理层，编码的同时进行加密，窃听者Eve窃听到的是加密后的乱序密文Z，增加了Eve的破译难度，增加了***的安全性。

如图5所示，本发明方法和传统SLM方法在不同码长下的结果对比图，本发明实现了传统的降峰均比的效果。具体实施例中，序号索引信息的长度、调制方式对峰均比均存在影响，图6所示，序号索引信息位长度越长，峰均比降的越好，V表示序号索引信息的长度；图7所示，本方法即SLM-Polar性能大大改善了OFDM峰均比，并且BPSK调制下，峰均比降的更好，图中P(PAPR>PAPR₀)表示the CCDF of PAPR，即评估峰均比的参量CCDF。图8给出了不同码长下polar码信息位的选择对***误码率的影响，图中仿真码长位为128位和64位，选择polar码不同位置作为序号索引信息对***误码性能的影响图，Best-channel表示本实施过程中选择最好的polar码信息位进行序号索引值的传输，而common-channel表示选择其他的一般的信息位传输(代表着一般编码效果)，可见polar码信息位选择对性能具有一定影响。图9给出了不同码率下polar码信息位的选择对***误码率的影响，可见polar码的编码码率对***影响很大，尤其再加上序号索引信息选择后会更差。

一个优质的安全加密方案要求具有很强的密钥敏感性，也就是是说，当窃听者获得的密钥与正确的密钥哪怕存在非常小的差异时，也不可能解密恢复出源数据。本实验中，提取的比特密钥长度为128比特，转换为精度为l0^-39的十进制小数作为混沌***的初始密钥。经过多次测试，发现当两密钥初始值在x_n在(0,l)之间随机选取，且相差l0^-39时，产生的混沌序列差异率为50％，即通过这两个种子密钥产生的混沌序列有一半比特信息不同，如表1所示为混沌序列的密钥敏感性检测。Eve无法对接收到的密文信息进行破译，即本算法密钥精度高，有着很强的密钥敏感性。

表1混沌序列的密钥敏感性检测

本发明加密方法属于物理层安全的编码算法，是将安全、编码和降峰均比三者同时兼任的算法，其中Polar码作为一种高效的编码方式具有较低的编码复杂度和延迟，而Polar码在传输的过程中，在信道容量小的易错信道设定为冻结位，在信道容量大的位置传输的可靠信道作为信息位。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法，其特征在于，所述方法包括：

分别将序号索引信息所对应的混沌序列和待传输信号值进行混沌加密，得到每个序号索引信息对应的加密信息序列；所述加密信息序列包括序号索引信息和混沌加密后的内容；

接收方对接收到的信号进行解调，使用Polar码译码器译码，并使用加密所使用的序号索引信息对应的混沌序列进行解密，恢复出原始传输信号；

2.如权利要求1所述一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法，其特征在于，所述混沌加密为混沌序列与待传输比特信息进行异或运算。

3.如权利要求1所述一种基于polar码编码加密和OFDM***峰均比抑制的联合方法，其特征在于，所述Polar码编码均在二进制有限域GF(2)下完成。