CN110868716B - 一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络，通过建模、分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了***误比特率性能。分组处理仿真结果表明，子载波分组处理可在一定程度上改善本***由信道估计误差影响下的鲁棒性性能。

Description

一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络，对增强5G网络的信息安全性能有积极的作用。

背景技术

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***中的物理层关键技术之一，亦将在5G***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***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***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***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。

现有的关于物理层安全技术的研究大部分都是基于合法通信双方对通信信道进行理想信道估计得到理想的信道状态信息(Channel State Information，CSI)的。所依赖的信道估计技术同样基于信道的互易性，但是在实际传输过程中，信道估计受到诸多因素制约，造成应用的困难。一方面，信道互易性仅存在于相干时间范围内，当信道时变剧烈，信道互易性只存在于较短时间。另一方面，信道估计误差、信道时变性、射频器件的非理想性以及上下行干扰模式的不对称等都会导致信道互易性在一定程度上的损失，造成基站无法通过上行信道状态信息直接获知下行信道状态信息，这些都会直接导致接收端的判断产生一定误差，造成***性能的下降。基于此，分析在信道估计误差条件下所提方案的***性能对实际应用传输具有重要的指导作用。

现有的关于非理想条件下的物理层安全研究就大多都是针对信道状态信息CSI存在估计误差的情况分析的。CSI估计误差可以有两种建模方式：一种是模型是误差服从零均值高斯分布；另一种模型是误差服从受限的零均值均匀分布。现有的文章主要研究了信道估计误差对Bob的误码率及接收的信干噪比、信道安全容量以及可达的安全速率的影响。此前没有专利重点考察误比特率指标对物理层安全性能的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，该传输方法选取服从零均值高斯分布的随机误差模型作为信道估计误差。通过分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了***误比特率性能。

本发明的技术方案是：

一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，适用于结合OFDM***特点的多载波通信网络，包含以下步骤：

S1、***建模：假设H_b为理想CSI，为接收端估计的CSI，ΔH信道估计误差矩阵服从均值为零，方差为σ²的高斯分布，H_b与ΔH是不相关的，则/>由于理想信道系数矩阵和信道估计误差矩阵为复高斯随机变量，H_b和ΔH可看作两个矩阵向量，则两者的相加可看作H_b矩阵向量幅值相位的改变，则改写式的极坐标形式为：A为信道估计误差对理想信道估计幅值的影响，ω是逆时针旋转角度，为信道估计误差对理想信道估计相位的影响，A与ω均服从均值为零方差为/>的高斯随机变量；

S2、分组处理：设OFDM***共包含K个子载波，将原始子载波顺序相邻的M个调制符号数据合并为一组进行处理，得到对应的K/M长度的调制符号矩阵X_M，将各组内子载波对应的CSI系数模值平方进行求和运算并取平均得到/> 称为该组子载波的信道估计系数，将各组信道估计系数放入同一并行序列中，得到分组后的CSI信道质量序列：

S3、排序处理：将上述步骤得到的分组后的CSI信道质量序列H_M按照数值大小排序得到CSI排序序列其中/>之后将分组后的调制符号X_M搭载在CSI排序后的子载波信道/>上进行OFDM调制并发送；

S4、接收端数据解调处理：由于信道互易性可得到与发送端同样的信道序列H_M，对解调得到的子载波组与其承载的比特序列B排序，得到对前一半比特序列/>不做处理，而后一半比特序列与前一半比特序列逐一异或后得到/>最终得到译码比特序列/>接收端进行相反处理即可得到原始比特数据/>

具体的，所述的***建模为多径衰落信道，各径采用瑞利衰落信道，由于子载波带宽小于多径信道相干带宽，各载波处于平坦衰落环境，分析数据信息通过瑞利信道传输时产生的信道估计误差带来的影响，瑞利分布的概率密度函数可表示为：对于仿真分析中的瑞利衰落信道模型，可建模为服从归一化的复高斯随机变量的分布，则理想信道矩阵H_b的实部与虚部均服从均值为零、方差为σ²的高斯随机变量：Re(H_b)～N(0,σ²),Im(H_b)～N(0,σ²)，对于信道估计误差矩阵可建模为：Re(ΔH)～N(0,σ_s ²σ²),Im(ΔH)～N(0,σ_s ²σ²)，信道估计误差矩阵的方差与理想信道估计矩阵的方差具有σ_s ²的比例关系。

本发明的有益效果是：1重点考察误比特率指标对物理层安全性能的影响；2本发明安全传输方法设计方案无需发送人工噪声，并未降低***的能量效率；3本发明安全传输方法仅利用载波间计算关系增加复杂度，从而达到物理层安全传输要求，计算处理较为容易实现；4.本发明巧妙利用***中现有子载波进行分组处理，从而提升方案误码性能，不会引起***额外开销。由于受到信道估计误差影响，接收端的CSI排序序列或与发送端CSI排序序列不同，因此导致***误比特率性能的损失，本发明安全传输方法通过分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了***误比特率性能。分组处理仿真结果表明，子载波分组处理可在一定程度上改善本***由信道估计误差影响下的鲁棒性性能。

附图说明

图1是OFDM***物理层安全传输传输方法的原理框图；

图2合法接受者误码率性能受相位估计误差的影响示意图；

图3是合法接受者误码率性能受幅值估计误差的影响示意图；

图4是相邻子载波分组处理示意图；

图5是σ_s ²＝0.01，K＝128时组内载波数对***误比特率性能的影响；

图6是σ_s ²＝0.01时总载波数与组内载波数对***误比特率性能的影响。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。

实施例1

本实施例提供一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，适用于结合OFDM***特点的多载波通信网络，OFDM***物理层安全传输传输方法的原理框图如图1所示，该安全传输方法包含以下步骤：

S1、***建模：假设H_b为理想CSI，为接收端估计的CSI，ΔH信道估计误差矩阵服从均值为零，方差为σ²的高斯分布，H_b与ΔH是不相关的，则/>由于理想信道系数矩阵和信道估计误差矩阵为复高斯随机变量，H_b和ΔH可看作两个矩阵向量，则两者的相加可看作H_b矩阵向量幅值相位的改变，则改写式的极坐标形式为：A为信道估计误差对理想信道估计幅值的影响，ω是逆时针旋转角度，为信道估计误差对理想信道估计相位的影响，A与ω均服从均值为零方差为/>的高斯随机变量；

S2、分组处理：设OFDM***共包含K个子载波，将原始子载波顺序相邻的M个调制符号数据合并为一组进行处理，得到对应的K/M长度的调制符号矩阵X_M，将各组内子载波对应的CSI系数模值平方进行求和运算并取平均得到/> 称为该组子载波的信道估计系数，将各组信道系数放入同一并行序列中，得到分组后的CSI信道质量序列：

S3、排序处理：将上一步骤中得到的分组后的CSI信道质量序列H_M按照数值大小排序得到CSI排序序列其中/>之后将分组后的调制符号X_M搭载在CSI排序后的子载波信道/>上进行OFDM调制并发送；

S4、接收端数据解调处理：由于信道互易性可得到与发送端同样的信道序列H_M，对解调得到的子载波组与其承载的比特序列B排序，得到对前一半比特序列/>不做处理，而后一半比特序列与前一半比特序列逐一异或后得到/>最终得到译码比特序列/>接收端进行相反处理即可得到原始比特数据/>本实施例中所述的***建模为多径衰落信道，各径采用瑞利衰落信道，由于子载波带宽小于多径信道相干带宽，各载波处于平坦衰落环境，接收端对估计的信道质量系数/>排序，获得排序后的信道质量系数其中/>并根据排序后的信道质量系数由好到坏的顺序，对解调得到的比特序列B排序，依照传输方法原理，前一半比特数据为排序后的比特数据，后一半比特数据与前一半进行异或处理，拼接得到译码比特序列D。分析数据信息通过瑞利信道传输时产生的信道估计误差带来的影响，瑞利分布的概率密度函数可表示为：/>对于仿真分析中的瑞利衰落信道模型，可建模为服从归一化的复高斯随机变量的分布，则理想信道矩阵H_b的实部与虚部均服从均值为零、方差为σ²的高斯随机变量：Re(H_b)～N(0,σ²),Im(H_b)～N(0,σ²)，对于信道估计误差矩阵可建模为：Re(ΔH)～N(0,σ_s ²σ²),Im(ΔH)～N(0,σ_s ²σ²)，信道估计误差矩阵的方差与理想信道估计矩阵的方差具有σ_s ²的比例关系。如图2所示为合法接受者误码率性能受相位估计误差的影响示意图；图3是合法接受者误码率性能受幅值估计误差的影响示意图，从图2和图3可以看出受相位估计误差影响很小，而受幅值估计误差影响很大，总的来说联合子载波分组与异或运算的物理层安全传输方法方案对信道估计精度非常敏感。

由此得出，CSI估计误差方差比值σ_s ²越大，本文实施例的误比特率性能越差，这里称信道估计误差方差与理想信道估计方差的比值为估计误差σ_s ²，设OFDM***共包含K个子载波。考虑到在非理想信道估计条件下，对本文方案的误比特率性能进行优化，设计了子载波分组处理的优化方法，分组处理步骤位于本文安全传输方法中比特数据异或处理之后，子载波排序方案之前。将前后半原始比特数据D按照联合子载波分组与异或运算的物理层安全传输方法进行异或拼接处理之后进行星座映射，得到搭载在OFDM***各子载波上的调制符号X。之后将原始子载波顺序相邻的M个调制符号数据合并为一组进行处理，得到对应的K/M长度的调制符号矩阵X_M(矩阵内各元素包含M个调制符号数据)，如图4所示。将各组内子载波对应的CSI系数模值平方进行求和运算并取平均得到：称为该组子载波的信道估计系数，将各组信道系数放入同一并行序列中，得到分组后的CSI系数序列：/>则该序列有K/M个元素，将其按照数值大小排序得到CSI排序序列/>其中/>之后将分组后的调制符号X_M搭载在CSI排序后的子载波信道上进行OFDM调制并发送。

在接收端进行数据解调时，由于信道互易性可得到与发送端同样的信道序列H_M。对解调得到的子载波组与其承载的比特序列B排序，得到对前一半比特序列/>不做处理，而后一半比特序列与前一半比特序列逐一异或后得到/>最终得到译码比特序列/>对于接收端，进行与发送端的相反处理即可得到原始比特数据/>由于受到信道估计误差影响，接收端的CSI排序序列或与发送端CSI排序序列不同，因此导致***误比特率性能的损失，这里通过分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了***误比特率性能。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是提供的一种对本发明提供的安全传输方法的分组处理仿真方法，该方法采用4径多径信道模型对分组处理优化方案进行建模，多径信道模型参数如表1给出。由于多径信道的相干带宽f_c近似等于最大时延τ_max的倒数，即有f_c＝1/τ_max。由上式可知仿真中f_c≈222kHz，由于子信道带宽为15.625kHz，相干带宽内约包含14个连续的子信道带宽，因此当分组组内载波数为1～14时，子信道组的带宽小于相干带宽时，各信道组属于平坦衰落信道。当分组组内载波大于14时，子信道组带宽处于频率选择性信道区域，对***误比特率性能会有一定的影响。其中表1给出多径信道模型各径参数。

表1

序号	相对延迟(μs)	平均功率(dB)
			1	0	0
2	1	-2
			3	2	-4
4	4.5	-7

仿真采用QPSK调制方式，子载波数为K＝128，估计误差σ_s ²＝0.01，分析不同组内载波数M对合法接收者、窃听者误比特率性能的影响如图5所示。当分组组内载波数为2、4、8时，本文方案合法接收者的误比特率性能较未做分组处理的误比特率性能急剧提升。信道估计误差方差服从高斯分布模型，由于子载波进行分组处理，在按照子信道组排序前，分组会将个别干扰较大的子信道的估计误差分散到整组信道中，一定的改善了由CSI估计误差干扰下的排序结果。当组内载波数为16、32时，误比特率性能提升的逐渐减弱，这是由于组内载波数大于14时，子载波组中各载波对应的子信道不在处于平坦衰落，多径信道的频率选择性会导致误比特率性能的损失，并且受到极限误比特率性能的约束(由图中理想信道估计曲线给出)，分组优化的效果逐渐减弱，但随着组内载波数增多子载波排序的误差越来越小，分组优化仍然会使得接收者总误比特率性能提高。

但是过多的分组处理会导致窃听者误比特率性能的提高，例如当组内载波数M＝K/2时，总子载波将仅分为2组，很可能使得排序与未排序的载波顺序是相同的，本发明传输方法对于窃听者将不具备安全性。因此考虑到***安全性能，在不过多带来窃听者误比特率性能的提升条件下，一定地提升合法接收者的误比特率性能，分组组内载波数越多，***误比特率性能越好。图5是σ_s ²＝0.01，K＝128时组内载波数对***误比特率性能的影响示意图；图6是σ_s ²＝0.01时总载波数与组内载波数对***误比特率性能的影响示意图。

理想信道估计下，本实施例中***子载波数对误比特率性能影响很小，而在信道估计误差的影响下，本实施例的误比特率性能受***子载波数影响较大。设定估计误差σ_s ²不变，考察不同子载波数K下，分组组内载波数M对***性能的影响如图6所示。可以看出子载波数K增加2倍，M增加2倍时，可以大致使得不同子载波数误码率相同。图5中M＝32，K＝256的曲线误码率性能较M＝16，K＝128的曲线差，原因在于子信道组带宽大于多径信道相干带宽，此时信道组处于频率选择性信道，组内各子信道不在具有相干性，导致分组排序后误比特率性能的损失。

本发明提供了基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，进一步提升合法接收者在理想CSI和非理想CSI条件下的传输性能。由于受到信道估计误差影响，接收端的CSI排序序列或与发送端CSI排序序列不同，因此导致***误比特率性能的损失，这里通过分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了***误比特率性能。分组处理仿真结果表明，子载波分组处理可在一定程度上改善本***由信道估计误差影响下的鲁棒性性能。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (2)

1.一种基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，适用于结合OFDM***特点的多载波通信网络，其特征在于，包含以下步骤：

S1、***建模：假设H_b为理想CSI，为接收端估计的CSI，ΔH信道估计误差矩阵服从均值为零，方差为σ²的高斯分布，H_b与ΔH是不相关的，则/>由于理想信道系数矩阵和信道估计误差矩阵为复高斯随机变量，H_b和ΔH可看作两个矩阵向量，则两者的相加可看作H_b矩阵向量幅值相位的改变，则改写式的极坐标形式为：/>A为信道估计误差对理想信道估计幅值的影响，ω是逆时针旋转角度，为信道估计误差对理想信道估计相位的影响，A与ω均服从均值为零方差为/>的高斯随机变量；

S2、分组处理：设OFDM***共包含K个子载波，将原始子载波顺序相邻的M个调制符号数据合并为一组进行处理，得到对应的K/M长度的调制符号矩阵X_M，将各组内子载波对应的CSI系数模值平方进行求和运算并取平均得到/> 称为该组子载波的信道估计系数，将各组信道估计系数放入同一并行序列中，得到分组后的CSI信道质量序列：

S3、排序处理：将上一步骤得到的分组后的CSI信道质量序列H_M按照数值大小排序得到CSI排序序列其中/>之后将分组后的调制符号X_M搭载在CSI排序后的子载波信道/>上进行OFDM调制并发送；

S4、接收端数据解调处理：由于信道互易性可得到与发送端同样的信道序列H_M，对解调得到的子载波组与其承载的比特序列B排序，得到对前一半比特序列/>不做处理，而后一半比特序列与前一半比特序列逐一异或后得到/>最终得到译码比特序列/>接收端进行相反处理即可得到原始比特数据/>

2.根据权利要求1所述基于连续子载波分组的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的***建模为多径衰落信道，各径采用瑞利衰落信道，由于子载波带宽小于多径信道相干带宽，各载波处于平坦衰落环境，分析数据信息通过瑞利信道传输时产生的信道估计误差带来的影响，瑞利分布的概率密度函数可表示为：对于仿真分析中的瑞利衰落信道模型，可建模为服从归一化的复高斯随机变量的分布，则理想信道矩阵H_b的实部与虚部均服从均值为零、方差为σ²的高斯随机变量：Re(H_b)～N(0,σ²),Im(H_b)～N(0,σ²)，对于信道估计误差矩阵可建模为：Re(ΔH)～N(0,σ_s ²σ²),Im(ΔH)～N(0,σ_s ²σ²)，信道估计误差矩阵的方差与理想信道估计矩阵的方差具有σ_s ²的比例关系。