CN111224764A - 一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于属于无线通信物理层安全技术领域，特别涉及一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法，适用于结合OFDM***特点的多载波通信网络。该算法利用误比特率最优化准则的功率分配方式对子载波进行功率分配，来优化***误比特率性能，提出了基于基于功率优化分配方式应用于本发明提供算法的经验函数功率分配方案，并求得了功率分配系数闭合解。算法仿真结果表明，合法接收者可靠译码，而窃听者误码率逼近0.5，功率优化分配算法仿真结果表明，在低信噪比条件下，误比特率性能优化10％至20％，在20dB条件下，误比特率性能提高一个数量级。

Description

一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法

技术领域

本发明属于属于无线通信物理层安全技术领域，特别涉及一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法，适用于结合OFDM***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。

在考虑物理层安全方案可以实现的前提下，合理的使用不同的调制方式和灵活的分配发送功率，可以更加安全地传递信息数据。而且由于无线信道的频率选择性和时变性，更加需要对信道状况进行实时监测，从而更有效地利用频率资源。传统的OFDM***根据所需传输速率的要求可在不同的模式间切换，但是在每个子信道上采用的却是相同的调制方式(例如IEEE802.11a和DVB-T)，这样有利于***的实现，降低了编解码的复杂度，但***的频率资源没有得到充分的利用。对于所有的子载波都是用固定调制方案的OFDM***来说，其总体错误概率主要有经历衰落最严重信道上的子载波决定。因此在频率选择性的衰落信道中，随着平均信噪比的增加，OFDM***的总体错误概率下降是十分缓慢的。

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子载波功率分配方案的物理层安全算法，该算法利用误比特率最优化准则的功率分配方式对子载波进行功率分配，来优化***误比特率性能，提出了基于基于功率优化分配方式应用于本发明提供算法的经验函数功率分配方案，并求得了功率分配系数闭合解。算法仿真结果表明，算法仿真结果表明，合法接收者可靠译码，而窃听者误码率逼近0.5，功率优化分配算法仿真结果表明，在低信噪比条件下，误比特率性能优化10％至20％，在20dB条件下，误比特率性能提高一个数量级。

本发明的技术方案是：

一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法，适用于结合OFDM***特点的多载波通信网络，包括如下步骤：

S1.首先把OFDM***总误比特率P_ber表示成K个子载波上发射功率{p_k，k＝1,2,...,K}的函数，对于MPSK或者MQAM调制方式，第k个子载波的误比特率p_ber可以表示成该信道信噪比的函数p_ber＝f(γ_k),k＝1,2,…,K，而第k个子载波上的信噪比可表示为该信道分配功率的函数γ_k＝α_kp_k，总误比特率可以由给定信道状态信息α_k的各信道的误比特率的算术平均值得到：

S2.在发送端信道质量模值平方较大的前K/2个子信道对应的前K/2个子载波携带的比特符号未改变，而后K/2个子信道对应的后K/2个子载波的比特符号为其原始符号与对应的前K/2个子载波上符号的异或运算，在接收端解码时，前K/2个子载波的误比特率未改变g_ber(β_kp_k)＝f(β_kp_k),1≤k≤K/2，而后K/2个子载波的误比特率一一对应地受到前K/2个子载波的误比特率的影响，设定接收端的误比特率函数为g(β_kp_k)，则有：g_ber(β_kp_k)＝f(β_kp_k)(1-f(β_k-K/2p_k-K/2))+(1-f(β_kp_k))f(β_k-K/2p_k-K/2),K/2+1≤k≤K；

S3.为了减小迭代计算，忽略f(β_kp_k)f(β_k+K/2p_k+K/2)对***总误比特率的影响，得到***的总误比特率函数

S4.在式

设定的总发射功率限制的约束下，引入Lagrange函数及Lagrange乘子λ求极值，并带入BPSK调制方式下子载波对应的信道误比特率函数近似表达式，解出该功率分配方案的λ和功率分配系数向量{p_k}闭合解，有：

S5.如在求解的过程中出现子载波功率p_k为负值的情况，按迭代运算方法进行求解。

具体的，所述的OFDM***中，输入数据经过串并变换后分成K路并行的子数据，第k路子信道上的发射功率用p_k来表示，之后经IFFT变换、并串变换将子数据流通过各个正交的子载波发送出去形成OFDM发射信号。

具体的，所述的步骤S4中Lagrange函数为：

λ为Lagrange乘法因子，对式中p_k求偏导并设为0，得到基于子载波功率分配方案的物理层安全算法的方程组：

具体的，所述的步骤S5中，迭代运算求得功率分配系数的方法步骤如下：

一、初始化，确定信噪比SNR，得到能量归一化情况下的总发射功率

设定迭代次数i，设定步长μ(0)＝μ₀；

二、生成初始功率分配数值，满足

限制条件下生成一组{p_k(0)}，并计算λ(0)，其中

是总发射功率平均分配到每个子载波上时，每个子载波的平均发射功率，***中子载波个数为K，因此

为总发射功率，为减小迭代运算，对应着{β_k}按大小分配{p_k(0)}；

三、步长逼近，更新该子载波功率系数{p_k}，λ(i)：

四、负值功率处理，若{p_k(i+1)}中出现负值，则将其置为

并在迭代运算中始终保持该子载波功率分配系数p_k为

式中不再计算更新该子载波功率系数{p_k}，更新μ(i+1)，并返回步骤三迭代运算。

针对在频率选择性的衰落信道中，随着平均信噪比的增加，OFDM***的总体错误概率下降是十分缓慢的问题，可以通过对不同的子信道采用不同的调制方案来解决，所用的调制方案必须要适合每个子信道的信噪比，即采用自适应调制方案。把带有自适应调制的OFDM***应用在频率选择性的衰落信道环境中，有一大部分的子载波可能没有被使用。例如在使用静态的时分复用(TDMA，Time Division Multiple Access)或频分复用(FDMA，Frequency Division Multiple Access)作为多址接入技术的多用户***条件下，分别对每个用户分配固定的频段，每一个用户都将处于自适应调制的OFDM应用在预期的时隙或者频带中，对于处于深衰落信道的用户分配的子载波可能不会再次应用于其他用户，从而导致***资源的浪费，同样性能最好的子信道只是部分时间使用，从而造成资源的浪费。然而在一个用户中呈现出深衰落的子载波仅占一部分，不一定所有的载波均处于深衰落中，因为OFDM多载波***中每个载波的衰落系数可以认为相互独立，这就使得可以考虑一种根据瞬时信道特性来为每个子载波分配资源的自适应资源分配方法，这种方法依照一定的算法为每个子载波分配合适的资源数，使得所有子载波都能更加有效的被利用，即动态资源分配方法。利用这种方法可以依照信道状态的瞬时特性，动态地进行资源分配，本发明即采用动态资源分配方法优化算法。

本发明的设计思想基于Wyner三节点窃听信道模型，针对单天线多载波***，通过利用CSI和OFDM多载波调制特点，无需合法接收者CSI优于窃听者，设计了一种基于子载波功率分配的物理层安全传输算法。本发明考虑到为了提升算法方案的性能，其要求完全利用OFDM频谱资源，并分配每个子载波均为有效载波，因此可以根据信道的瞬时状态信息来合理地分配子载波，即采用动态分配方案来进行资源分配，对于联合子载波功率分配的物理层安全传输算法，这种灵活的分配比特和发送功率的方法较为合适。

本发明的有益效果是：1考虑到为了提升算法方案的性能，要求完全利用分配每个子载波，可以根据信道的瞬时状态信息来合理的分配子载波，即采用动态分配方案来进行资源分配；2本发明提供的安全算法无需知道窃听者的信道信息，可适用于窃听者被动窃听的情形；3在不同的衰落信道，如频率选择性衰落信道下，本发明可通过合理分配子载波功率可提高OFDM***的保密容量；4本发明将总的功率完全分配到各个子载波上，没有引起额外开销与功率浪费，***性能较好；5本发明提供的功率分配算法，将前一半信道质量较好的子载波分配更多的功率，保证了数据的传输，使得***误码性能显著提高。

附图说明

图1是本发明基于子载波功率分配算法的物理层安全传输算法的***原理框图；

图2是针对基于子载波功率分配方案的物理层安全算法的仿真分析示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述。

OFDM***中，输入数据经过串并变换后分成K路并行的子数据，第k路子信道上的发射功率用p_k来表示，之后经IFFT变换、并串变换将子数据流通过各个正交的子载波发送出去形成OFDM发射信号。假设接收信号都是经过各个相互独立的多径瑞利衰落信道到达接收端的，对于接收端，经过IFFT处理后的第k个子载波上的信号可以表示为：

式中

是第k个子载波上的信道乘性衰落因子，假设

是相互独立且同分布的均值为0，方差为1的复高斯随机变量，它的模值代表了该信道上信道质量的好坏。x_k指的是***调制后的符号。

是均值为0，方差为σ²的加性高斯白噪声。p_k就是第k个子载波上的发射功率，且满足如下式子：

式中，

是总发射功率平均分配到每个子载波上时，每个子载波的平均发射功率，***中子载波个数为K，因此

为总发射功率。第k个子载波上的信噪比可以表示为γ_k＝α_kp_k，式中

是第k个子信道增益与噪声功率的比值，它代表了第k个子信道的信道状态信息，算法研究重点就是根据信道状态信息来合理的分配各个子载波上的发射功率。

为了使得总误比特率最小，首先我们把***总误比特率P_ber表示成K个子载波上发射功率{p_k，k＝1,2,...,K}的函数，对于一般的MPSK，MQAM调制方式，第k个子载波的误比特率可以表示成该信道信噪比的函数，所以在给定该子载波的信道状态信息α_k的条件下，该信道的误比特率函数表示为：

p_ber＝f(α_kp_k),k＝1,2,…,K (3)

这里f()是由某种调制方式决定的函数，当采用MPSK或MQAM调制方式时，为了方便起见，使用文献【Goldsmith A.J.，ChuaS.G.，衰落信道中可变速率、可变功率的MQAM自适应调制，IEEE通信期刊，1997，45(10)，1218-1230】给出的误比特率表达式。满足信噪比0≤β_k≤30dB，调制方式为4阶以上的MQAM调制时，子载波对应的信道误比特率函数可以近似表示为：

b_i由MQAM调制方式决定，对于BPSK调制方式有：

f_BPSK(β_kp_k)≈0.2exp(-1.1β_kp_k) (5)

误比特率经验公式可以统一表示为：

在式(6)中，对于BPSK调制c取1.1，对于4阶及以上的MQAM调制c取1.5。

假设每个子载波搭载同样多的比特流数据，且每个子载波都通过其对应的信道发送接收数据，则***的总误比特率可以由给定信道状态信息α_k的各信道的误比特率的算术平均值得到：

对于一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法，***框图如图1所示，按照信道传输质量对子载波进行排序后，发送端的信道状态信息α_k没有变，但α_k对应的子载波上搭载的数据信息发生了改变。设定：

{β_k,k＝1,2,…,K}＝sorted{α_k,k＝1,2,…,K} (8)

有β₁≥β₂≥…≥β_k。设定接收端的误比特率函数为g(β_kp_k)，由于在发送端较好的信道传输质量对应的前K/2个子载波携带的比特符号未改变，由于在发送端信道质量模值平方较大的前K/2个子信道对应的前K/2个子载波携带的比特符号未改变，而后K/2个子信道对应的后K/2个子载波的比特符号为其原始符号与对应的前K/2个子载波上符号的异或运算，因此在接收端解码时，前K/2个子载波的误比特率未改变，有：

g_ber(β_kp_k)＝f(β_kp_k),1≤k≤K/2 (9)

而后K/2个子载波的误比特率一一对应地受到前K/2个子载波的误比特率的影响，有：

g_ber(β_kp_k)＝f(β_kp_k)(1-f(β_k-K/2p_k-K/2))+(1-f(β_kp_k))f(β_k-K/2p_k-K/2),K/2+1≤k≤K (10)

则总的误比特率函数为：

为了减小迭代计算，可以忽略f(β_kp_k)f(β_k+K/2p_k+K/2)对***总误比特率的影响。则***的总误比特率函数变更为：

在式(2)设定的总发射功率限制的约束下，引入Lagrange乘子求极值，Lagrange函数为：

其中，λ为Lagrange乘法因子，对式(13)中p_k求偏导并设为0，得到基于子载波功率分配方案的物理层安全算法的方程组：

取本文BPSK调制方式，将式(6)代入(2)和(14)得到K+1个未知数的K+1个闭合函数表达式，解出该功率分配方案的λ和功率分配系数向量{p_k}，有：

如果在求解的过程中如果出现p_k为负值的情况，针对{p_k}中会出现负值的问题，相关文献中将出现负值的p_k置为0，即该对应的子载波不参与发送信号，并去除对应的该等式，之后重新分配p_k，以一种循环的方式进行求解。为了配合联合子载波排序与异或运算的物理层安全算法***中充分利用OFDM***频谱资源的要求，将出现负值的p_k置为

处理，

为等功率分配方法中的平均发射功率，θ为一个极小数值，可根据需求提前设定。再通过迭代运算求得功率分配系数。

上述迭代运算方法步骤如下：

一、初始化，确定信噪比SNR，得到能量归一化情况下的总发射功率

设定迭代次数i，设定步长μ(0)＝μ₀；

二、生成初始功率分配数值，满足式(2)

限制条件下生成一组{p_k(0)}，并计算λ(0)，为减小迭代运算，对应着{β_k}按大小分配{p_k(0)}；

三、步长逼近，更新新该子载波功率系数{p_k}，λ(i)：

四、负值功率处理，若{p_k(i+1)}中出现负值，则将其置为

并在迭代运算中始终保持该子载波功率分配系数p_k为

式(16)中不再计算更新该子载波功率系数{p_k}，更新μ(i+1)，并返回步骤三进行再次迭代运算。

仿真分析

针对本发明提供的基于子载波功率分配方案的物理层安全算法，仿真分析如图2所示。在仿真分析中，信道建模为多径信道模型，各径采用相互独立的瑞利衰落信道模型，噪声模型为加性高斯白噪声，采用的调制方式为BPSK调制和QPSK调制，子载波个数K为64，循环前缀长度为16，假设时间同步已经完成，ISI已完全消除。通过MATLAB仿真平台，仿真在不同信噪比条件下对发送端发出的OFDM符号，分别进行1e5次独立实验，统计合法接收者和窃听者的误比特率(BER，BitErrorRate)情况。从图中可以看出低信噪比状态下，功率优化分配效果较功率平均分配误码率性能相近，误码率性能优化10％至20％；随着信噪比的增加达到10dB以上时，功率优化后的误码率性能大幅提高，考虑总体子载波功率分配，高信噪比条件下将更多的功率分配给信道特性较好的前一半子载波信道，而后一半载波受前一半载波误比特率性能的约束，减少了累积误差，从而提高了***的总误码率性能；而对于后一半信道质量较差的子载波分配更多的功率到信道特性较差的信道上，提高了信道质量相对较差子信道的接收信噪比，而降低了信道特性较好的子信道信噪比，在高信噪比条件下信道特性较好的信道不易受到噪声干扰，而信道特性较差的信道提高了误码率性能，从而提高了***总误码率性能；当***信噪比提升至20dB附近时，其功率分配曲线图呈现“回升”的趋势，这是由于高信噪比条件下误码率性能趋于极限稳定，功率分配优化误比特率性能效果逐渐下降，但仍比平均功率分配方案的误比特率数值高出一个数量级，基于子载波功率分配方案的物理层安全算法可大幅提高合法接收者的误比特率性能。

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 (4)

1.一种基于子载波功率分配方案的物理层安全算法，适用于结合OFDM***特点的多载波通信网络，其特征在于，包括如下步骤：

S1.首先把OFDM***总误比特率P_ber表示成K个子载波上发射功率{p_k，k＝1,2,...,K}的函数，对于MPSK或者MQAM调制方式，第k个子载波的误比特率p_ber可以表示成该信道信噪比的函数p_ber＝f(γ_k),k＝1,2,…,K，而第k个子载波上的信噪比可表示为该信道分配功率的函数γ_k＝α_kp_k，总误比特率可以由给定信道状态信息α_k的各信道的误比特率的算术平均值得到：

S2.在发送端信道质量模值平方较大的前K/2个子信道对应的前K/2个子载波携带的比特符号未改变，而后K/2个子信道对应的后K/2个子载波的比特符号为其原始符号与对应的前K/2个子载波上符号的异或运算，在接收端解码时，前K/2个子载波的误比特率未改变g_ber(β_kp_k)＝f(β_kp_k),1≤k≤K/2，而后K/2个子载波的误比特率一一对应地受到前K/2个子载波的误比特率的影响，设定接收端的误比特率函数为g(β_kp_k)，则有：g_ber(β_kp_k)＝f(β_kp_k)(1-f(β_k-K/2p_k-K/2))+(1-f(β_kp_k))f(β_k-K/2p_k-K/2),K/2+1≤k≤K；

S3.为了减小迭代计算，忽略f(β_kp_k)f(β_k+K/2p_k+K/2)对***总误比特率的影响，得到***的总误比特率函数

S4.在式

设定的总发射功率限制的约束下，引入Lagrange函数及Lagrange乘子λ求极值，并带入BPSK调制方式下子载波对应的信道误比特率函数近似表达式，解出该功率分配方案的λ和功率分配系数向量{p_k}闭合解，有：

S5.如在求解的过程中出现子载波功率p_k为负值的情况，按迭代运算方法进行求解。

2.根据权利要求1所述，其特征在于，所述的OFDM***中，输入数据经过串并变换后分成K路并行的子数据，第k路子信道上的发射功率用p_k来表示，之后经IFFT变换、并串变换将子数据流通过各个正交的子载波发送出去形成OFDM发射信号。

3.根据权利要求1所述，其特征在于，所述的步骤S4中Lagrange函数为：

λ为Lagrange乘法因子，对式中p_k求偏导并设为0，得到基于子载波功率分配方案的物理层安全算法的方程组：

4.根据权利要求1所述，其特征在于，所述的步骤S5中，迭代运算求得功率分配系数的方法步骤如下：

一、初始化，确定信噪比SNR，得到能量归一化情况下的总发射功率

设定迭代次数i，设定步长μ(0)＝μ₀；

二、生成初始功率分配数值，满足

限制条件下生成一组{p_k(0)}，并计算λ(0)，其中

是总发射功率平均分配到每个子载波上时，每个子载波的平均发射功率，***中子载波个数为K，因此

为总发射功率，为减小迭代运算，对应着{β_k}按大小分配{p_k(0)}；

三、步长逼近，更新该子载波功率系数{p_k}，λ(i)：

四、负值功率处理，若{p_k(i+1)}中出现负值，则将其置为

并在迭代运算中始终保持该子载波功率分配系数p_k为

式中不再计算更新该子载波功率系数{p_k}，更新μ(i+1)，并返回步骤三迭代运算。

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