CN113746766B - 一种信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法，包括：1)确定预设的数字调制方式下，最佳每组包个数P_group与信噪比水平之间的关系P_group＝f(SNR)；2)在当前时隙内，合法发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信噪比信息利用P_group＝f(SNR)，计算所处信噪比水平下对应的最佳每组包个数m；3)根据计算得到的最佳每组包个数m，合法发送端Alice将待发送数据包分为若干组，并对各组内的数据包进行噪声聚合编码，再发送噪声聚合编码后的数据包，该方法能够在提高合法接收端较低信噪比下的接收质量为前提下，提高无线通信的安全性。

Description

一种信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法。

背景技术

在这个万物互联的时代，物联网的发展极大地促进了无线通信的应用，但同时也对无线通信的安全性提出了更高的要求。显而易见的是，由于开放信道环境和广播特性，无线通信面临被窃听的风险。与传统机制不同的是，物理层安全技术(PSL)依靠信道的独立衰落和随机特性，可以在不增加计算复杂度的情况下保证无线通信***的安全性。在物理层安全技术***中，噪声聚合方案采用简单的安全编码方法与自动反馈重传机制相结合，充分利用了无线信道中的固有噪声来降低功耗，是一种简单高效的安全传输方案。其基本思想是使用简单的异或操作配合自动反馈重传协议(ARQ)等效地降低窃听通道，从而实现安全传输。合法的接收方可以通过反馈链路发送ACK或NACK，告知发送方已成功接收或请求重传丢失或错误的数据包，但非法窃听者无法提供反馈。由于信道的独立衰落特性，噪声聚合方案可以等效地降低窃听信道的质量，从而达到安全传输的目的。

总的来说，噪声聚合技术将独立的数据包关联起来，并结合反馈重传(如ARQ协议)来实现安全的无线传输。现有的噪声聚合方案有两种:原始噪声聚合方案和联合误码扩散的噪声聚合方案。在原始的噪声聚集方案中，将待发送的等长度数据包分为奇数据包和偶数据包。奇数包不进行编码直接发送，而偶数包与对应的奇数包按位异或(bit-XOR)后发送。合法的接收方通过ARQ协议保证奇数包的正确接收，而窃听方不能。该方案奇数包没有进行编码并暴露在无线信道中，很容易被窃听和解密，因此带来的信噪比增益有限。而联合误码扩散的噪声聚合方案使得当前数据包需要与之前所有的奇数数据包一起解码。如果先前任何一个奇数包或当前包出现丢失或错误，数据将无法正确恢复。但由于该方案中数据包之间的强相关性，即使是合法的接收端也无法在经历信道深衰落时恢复原始数据。因此，现有的两种噪声聚合方案各有利弊。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法，该方法能够在提高合法接收端较低信噪比下的接收质量为前提下，提高无线通信的安全性。

为达到上述目的，本发明所述的信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法包括：

1)确定预设的数字调制方式下，最佳每组包个数P_group与信噪比水平之间的关系P_group＝f(SNR)；

2)在当前时隙内，合法发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的信噪比信息利用P_group＝f(SNR)，计算所处信噪比水平下对应的最佳每组包个数m；

3)根据计算得到的最佳每组包个数m，合法发送端Alice将待发送数据包分为若干组，并对各组内的数据包进行噪声聚合编码，再发送噪声聚合编码后的数据包；

还包括：

合法接收端对接收到的数据包进行解码，再利用反馈链路向合法发送端Alice发送ACK/NACK信息。

还包括：

合法发送端对合法接收端未接收到的在重传次数限制内的奇数包进行重新发送。

当合法发送端开始传送原始数据包S_i时，其中，i为大于1的奇数，表示其在所属分组内的编号，则对应的编码后的数据包X_i为：

各组中的第一个数据包直接传输，即当i＝1时，X₁等于S₁。

若i为分组内的奇数编号，则编码后的偶数数据包X_i+1为：

设Y₁,Y₂,…,Y_m为合法接收端收到的数据包，

为已解码的数据包，则当i为奇数时，

为：

已解码的偶数数据包

为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法在具体操作时，计算所处信噪比水平下对应的最佳每组包个数m，然后以此将待发送数据包分为若干组，最后对待发送的数据包进行噪声聚合安全编码，在编码时，只需利用简单的异或操作，在没有额外增加***功耗的前提下，利用无线信道的固有噪声实现较低复杂度的安全传输，窃听者仍然无法恢复出原始数据信息。本发明中每组内数据包的个数P_group进行自适应选择，即自适应地调整数据包之间的相关性，在较差的信道条件下，降低对相关数据包正确解码的依赖，从而降低对于反馈重传的依赖，经试验，本发明可以适应不同信噪比条件的信道，对组内数据包的个数P_group进行灵活地选择，能够有效平衡安全性能与传输可靠性，针对信噪比较低的信道条件，能够使得合法接收端的误码率明显下降，图片的接受质量也得到明显的改善。

附图说明

图1为本发明的***模型图；

图2为本发明中合法接收端Alice的框图；

图3为本发明与对比方案下合法接收者和窃听者的误码率与***信噪比之间的变化关系图；

图4为本发明与对比方案下合法接收者和窃听者的结构相似性(SSIM)与***信噪比之间的变化关系图；

图5为本发明与对比方案下合法接收者和窃听者的峰值信噪比(PSNR)与***信噪比之间的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，***包括合法发送端Alice、合法接收端Bob及窃听者Eve，其中，合法发送端Alice向合法接收端Bob发送编码数据，合法接收端Bob根据收到的数据后向合法发送端Alice发送反馈信息，窃听者Eve被动监听合法发送端Alice发送的数据，等长的数据包被分成预设大小的小组，每个小组内独立进行噪声聚合编码。

针对存在单个窃听者的点对点保密传输场景，合法发送端Alice和合法接收端Bob之间存在额外的反馈链路，以确保合法接收端Bob的可靠传输及自适应调整传输，合法接收端Bob希望正确恢复保密数据而不被窃听者Eve截获，在传输过程中，窃听者Eve只能被动地接收窃听信道上的数据从而隐蔽自身。只有合法接收端Bob可以通过反馈链路请求重传丢失或错误的数据包。然而合法发送端Alice设置有最大重传次数，其目的在于避免由于重传次数过多，窃听者Eve通过最大比合并(MRC)等方法正确恢复机密数据的机会增大，即当合法接收端Bob正确地接收到一个数据包，或者重发的次数超过最大次数时，则窃听者Eve是否正确地接收到前一个数据包，窃听者Alice都将开始发送下一个数据包。

假设合法信道与窃听信道均服从独立准静态衰落信道，即合法信道与窃听信道独立。合法发送端Alice与合法接收端Bob均配备单个发送与单个接收天线，窃听者Eve只配备用于窃听的单一接收天线。当合法发送端Alice在i时刻发送一个符号x时，合法接收端Bob与窃听者Eve端的接收信号分别为：

y_b,i＝h_b,ix+n_b,i

y_e,i＝h_e,ix+n_e,i

其中，h_b,i表示i时刻的合法信道系数，h_e,i表示i时刻的窃听信道系数，n_b,i表示i时刻Bob端的加性高斯白噪声，n_e,i表示i时刻Eve端的加性高斯白噪声，

表示Bob端噪声方差，

表示Eve端噪声方差。

在收到信号后，合法接收端Bob与窃听者Eve都试图恢复保密信息，假设窃听者Eve知道在合法发送端Alice所采用的噪声聚合编码的原理，合法接收端Bob与窃听者Eve通过相应的解码恢复原始信息，另外，合法接收端Bob与窃听者Eve都使用最优判决准则。

噪声聚合编码的主要思想是将待传输数据分成K个原始数据包S₁,S₂,…,S_K，奇数数据包不进行编码直接发送，偶数数据包在与它之前对应的奇数包进行异或操作后发送。合法接收端Bob的奇数数据包的可靠性受到ARQ协议的保证，而窃听端Eve不存在反馈信道。在这个原始方案中，奇数包没有进行编码，裸露在无线信道中，易被窃听并解密。如果窃听端Eve的信道质量相对较好，此时窃听端Eve可以直接解码奇数数据包的数据，从而无法保证保密数据的安全性。并且噪声聚合安全方案中，奇数数据包噪声仅聚合至下一个偶数数据包，误码扩散有限，导致无法影响之后数据包的接收效果。合法接收端Bob较窃听端Eve在误码率上带来1dB的信噪比增益，略显不足。

联合误码扩散的噪声聚合增强方案则对上述问题进行了补充。其编码规则为除了第一个数据包直接发送外，其余所有的编码包都由两个原始数据包的异或形成，奇数数据包与该包的上一个奇数数据包进行异或操作并发送，偶数数据包和上一个奇数数据包进行异或操作后发送，接收端解调后解码无法直接获得原始保密信息。联合误码扩散的噪声聚合增强方案使当前数据包需要与之前所有的奇数数据包共同解码。如果任一个先前奇数数据包或当前数据包发生错误，均无法完全正确解码出原始保密数据。

不同于两种已有的噪声聚合安全传输方案，本发明通过引入最佳每组包个数P_group的概念，自适应地调整数据包之间的相关性，在较差的信道条件下，降低对相关数据包正确解码的依赖，从而降低对于反馈重传的依赖，在保证窃听端Eve依然无法恢复原始数据的前提下，改善了合法接收端在较差信道条件下的接受效果。

参考图2，本发明所述的信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法包括以下步骤：

1)引入最佳每组包个数P_group，即根据合法接收端Bob所反馈的信噪比，合法发送端Alice将待传输的数据包分成若干组，每组包含相同数量的数据包，而异或操作只能在组内的数据包之间进行，即组间的数据包是相互独立的，该方案将信噪比划分为若干离散区间，在开始安全传输之前，通过仿真得到预设数字调制方式下的最佳每组包个数P_group与信噪比水平之间的关系，即P_group＝f(SNR)；

2)在一段时隙内，根据合法接收端Bob反馈的信噪比信息利用P_group＝f(SNR)，计算所处信噪比水平下对应的最佳每组包个数m；

3)合法发送端Alice的待发送多个数据包S₁,S₂,…,S_m，其中，每个数据包由相同长度的二进制数据组成，合法发送端Alice对组内的数据包之间进行异或操作，当合法发送端Alice开始传送原始数据包S_i，其中，i为大于1的奇数，表示其在所属分组内的编号，则对应的编码后的数据包X_i为：

其中，各组中的第一个数据包直接传输，即当i＝1时，X₁等于S₁。若i为分组内的奇数编号，则对应编码后的偶数数据包X_i+1为：

4)设Y₁,Y₂,…,Y_m为解调后收到的数据包，假设

为已解码的数据包，因此，当i为奇数时，

为：

已解码的偶数数据包

为：

由上式可知，每组内的数据包(除了每组中的第一个数据包之外)不仅受到自身所处时隙的噪声影响，还受到之前所有奇数包的噪声影响。事实上，合法接收端Bob或窃听端Eve收到的每个数据包都受到固有噪声及随机衰落影响。不同的是，合法接收端Bob可以通过反馈链路请求重传奇数数据包，然而存在最大重传次数的限制。

5)合法接收端Bob利用反馈链路发送ACK/NACK信息，对数据包的接收情况进行反馈，并发送SNR信息给合法发送端Alice，使得合法发送端Alice对噪声聚合编码进行自适应调节。

由图2可以看出，最初视频流由图片帧组成，待发送的数据实际上是一系列的图片。而图像文件包含配置信息及图像像素信息，为防止接收机由于图像配置信息的丢失或错误而无法显示图像，在传输过程中，只传输像素信息部分。发送之后，接收方将接收到的信息与已知配置信息结合起来，以恢复原始图片。在实际应用中，可以将图片送到源数据处理模块，以获得更好的安全性能。例如，将它们适当地划分为块，所有块被随机排序并发送。但是源数据的处理过程应该由发送端和接收端共享，如图2所示，***基于ARQ协议，Alice根据反馈通道的ACK/NACK决定下一个发送哪个数据包。然后将像素信息转换为比特流，并按一定顺序进行打包。此外，信道编码必不可少，利用适当的信道编码可以提高传输的可靠性，合法发送端Alice根据反馈信道的平均信噪比生成自适应的P_group，然后进行噪声聚合编码，考虑到可能存在持续的深衰落，使用交织来避免串行错误，交织后的数据包依次通过调制模块、脉冲成型滤波模块、上变频模块及数模转换(DAC)模块。

仿真实验

为更好的评估本发明的安全性能，在仿真测试中将联合误码扩散的噪声聚合方案作为对比方案。

首先通过仿真得到16QAM调制下的最佳每组包个数P_group与信噪比水平SNR之间的关系，结果如表1所示：

表1

由于需要测试的P_group有很多可能的值，为适当地减少仿真时间，考虑有1000个包要传输，其中，每个包含128比特，接收端使用最大似然(ML)硬判决译码。另外，与合法接收端Bob不同的是，窃听者Eve采用最大比合并(MRC)来努力恢复保密数据。仿真采用瑞利衰落信道，并考虑加性高斯白噪声，信道编码采用卷积码来克服信道衰落。

首先，合法发送端Alice发送随机的0-1比特，然后比较本发明与联合误码扩散的噪声聚合方案的净误码率性能。

图3为两种方案在相同信道条件下合法接收端Bob和窃听者Eve的净误码率。从图3中可以看出，窃听者Eve的净误码率在两种方案中都稳定在0.5左右。此外，本发明中窃听者Eve的净误码率略低于对比方案，说明本发明依然保持了很好的安全性能。再观察合法接收端Bob在两种方案中的净误码率可以发现，在信噪比低于9dB时，联合误码扩散的噪声聚合方案中合法接收端Bob的净误码率基本保持在0.5左右，这说明在较差的信道条件下，即使合法接收端也无法恢复出原始数据，进一步增大信噪比，合法接收端Bob的净误码率急剧下降，与之不同的是，本发明中合法接收端Bob的净误码率总体随信噪比的增大而减小，且在信噪比较低时，与对比方案相比有明显的下降。

然后，为了更直观地对比两种方案之间的差异，让合法发送端Alice传输一个图片，为了接收端不因配置数据丢失而无法恢复图片，这里只传输像素信息。

图4为两种方案在相同信道条件下合法接收端Bob和窃听者Eve的峰值信噪比(PSNR)随***信噪比的变化图，从图4中可以看出，窃听者Eve的PSNR在两种方案中都较低，稳定在8.6左右。当信噪比低于8dB时，对比方案中合法接收端Bob的PSNR与窃听者Eve相同，总的来说，与对比度方案相比，本发明在PSNR上有明显的改善。

图5为两种方案在相同信道条件下合法接收端Bob和窃听者Eve的结构相似度(SSIM)随***信噪比的变化图，从图5中可以看出，窃听者在两种方案中的结构相似度都接近于零，这表明窃听者完全无法恢复原始信息，此外，在信道条件较差的情况下，与对比方案相比，本发明有明显的改进。

综上所述，在较差的信道条件下，本发明相对于对比方案具有更好的性能，在保证窃听者依然无法恢复原始数据的前提下，改善了合法接收端在较差信道条件下的接受效果，降低了合法接收端的净误码率。

Claims (3)

1.一种信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法，其特征在于，包括：

引入最佳每组包个数P_group，根据合法接收端Bob所反馈的信噪比，合法发送端Alice将待传输的数据包分成若干组，每组包含相同数量的数据包，将信噪比划分为若干离散区间，在开始安全传输之前，通过仿真得到预设数字调制方式下的最佳每组包个数P_group与信噪比水平之间的关系，即P_group＝f(SNR)；

在一段时隙内，根据合法接收端Bob反馈的信噪比信息利用P_group＝f(SNR)，计算所处信噪比水平下对应的最佳每组包个数；

合法发送端Alice的待发送多个数据包S₁,S₂,…,S_m，其中，每个数据包由相同长度的二进制数据组成，合法发送端Alice对组内的数据包之间进行异或操作，当合法发送端Alice开始传送原始数据包S_i，其中，i为大于1的奇数，表示其在所属分组内的编号；

根据计算得到的最佳每组包个数P_group，合法发送端Alice将待发送数据包分为若干组，并对各组内的数据包进行噪声聚合编码，再发送噪声聚合编码后的数据包；

当合法发送端开始传送原始数据包S_i时，其中，i为大于1的奇数，表示其在所属分组内的编号，则对应的编码后的数据包X_i为：

各组中的第一个数据包直接传输，即当i＝1时，X₁等于S₁；

若i为分组内的奇数编号，则编码后的偶数数据包X_i+1为：

设Y₁,Y₂,…,Y_m为合法接收端收到的数据包，为已解码的数据包，则当i为奇数时，为：

已解码的偶数数据包为：

2.根据权利要求1所述信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法，其特征在于，还包括：

合法接收端对接收到的数据包进行解码，再利用反馈链路向合法发送端Alice发送ACK/NACK信息。

3.根据权利要求1所述信道自适应的噪声聚合无线安全传输方法，其特征在于，还包括：

合法发送端对合法接收端未接收到的在重传次数限制内的奇数包进行重新发送。

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