CN117676561A - 一种基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法，属于认知无线电通信领域。该方法为：SMSE模型分配子载波、并进行调制、编码、使用加窗函数生成overlay和underlay认知无线电波形。采用加密技术和密钥拼接机制，通过overlay波形和underlay波形分别加载加密后的bit流以及对应的密钥，将overlay和underlay混叠波形经天线发射。在接收端，经过一系列逆变换，由密钥对接收到的加密后的信息进行解密处理，恢复出原始信息。在SMSE模型产生overlay和underlay波形进行加密信息传输的基础上，采用密钥拼接的机制，能够提升安全通信下的误码性能，具有隐蔽安全通信的优点。

Description

一种基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输 方法

技术领域

本发明属于认知无线电通信领域，特别是一种基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法。

背景技术

认知无线电中的频谱接入方式可以分为：机会式(overlay)接入和衬底式(underlay)接入。overlay接入方式是认知用户接入到主用户未使用的频带对其进行使用，而underlay接入方式是认知用户接入到主用户使用的频带对其进行使用。通过overlay和underlay能够方便而灵活地产生适应周围频谱变化具有较好传输性能的认知无线电波形。

认知无线电通信***除了要保证信息的有效性传输之外，也要兼顾安全性和隐蔽性。加密是为了确保信息安全而采取的一个有效的手段，通过使用加密机制，把信息序列(即明文)打乱，然后进行发送传输，在接收端采取相应的逆过程，把加密后的信息恢复为原来的信息，即解密成明文。

认知无线电通信***面临非法用户从信道中窃取电磁数据，或者面临非法用户在信道中发送虚假信息时，为了减小受到信息窃取或电子欺骗的风险，研究基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法具有重要研究意义。

发明内容

针对认知无线电通信***能够提高安全通信的能力，本发明提出了一种基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法，利用SMSE数学模型产生overlay波形和underlay波形，然后把overlay和underlay应用于加密通信，该方法具有波形产生配置灵活的优点，同时能够提升安全通信下的误码性能。。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，overlay和underlay在频谱接入下对信号比特流的分工处理，包括以下步骤：

步骤1、发射前，对待传输的原始信息数据使用秘钥进行加密处理，产生加密bit流；并对无线电通信节点编号索引，将密钥按照协议拆分M段，M为underlay认知节点的个数；认知节点根据感知结果，协调节点使用overlay和underlay方式进行频谱接入，同时转入步骤2和步骤3。

步骤2、在发射端，通过使用SMSE模型产生overlay波形，转入步骤4。

步骤3、在发射端，通过使用SMSE模型产生underlay波形，转入步骤4。

步骤4、在发射端，对overlay波形和underlay波形进行频域相加，并使用IFFT运算，上变频，产生overlay和underlay时域波形，再发射，转入步骤5。

步骤5、接收端对overlay和underlay全频段接收，通过下变频、串并转换、FFT变换，把时域信号变成频域信号，再对频域信号进行基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据，即加密bit流，转入步骤6。

步骤6、密钥拼接后对加密bit流进行解密处理，用接收到的underlay波形上的密钥对接收到的overlay波形上的加密数据进行解密，恢复出原始信息数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1)使用SMSE模型产生overlay波形以传输加密后的bit流，使用SMSE框架产生underlay波形以传输对应的密钥，在对频谱灵活使用的同时，能够确保通信安全。

2)在SMSE模型产生overlay和underlay波形进行信息传输的基础上，提出密钥拼接的机制，能够提升安全通信下的误码性能。

附图说明

图1为基于overlay和underlay的无线电信号发射框图。

图2为基于overlay和underlay的无线电信号接收框图。

图3为overlay和underlay安全传输时的频谱接入，其中(a)为overlay与主用户的频谱分布图，(b)为underlay与主用户的频谱分布图。

图4为不同传输方法的误比特率对比。

图5为发送端加密前原始图像。

图6为overlay接收端图像结果。

图7为基于overlay和underlay安全传输的接收端图像结果，其中(a)是SNR＝6dB时的接收结果，其中(b)是SNR＝12dB时的接收结果。

图8为本发明一种基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

本发明提出一种基于overlay和underlay认知无线电安全传输方法，将overlay和underlay联合应用于隐蔽通信，能够减小受到信息窃取或电子欺骗的风险。通过使用SMSE模型配置波形设计参数的方式，实现对overlay和underlay波形的灵活生成。然后提出一种秘钥拼接机制，多个underlay节点利用underlay波形传输对应的密钥，overlay波形传输加密后的比特流，联合部署overlay波形和underlay波形进行信息传输。在接收端，经过与发射端相反的过程，即下变频、串并转换、FFT变换、基带解调和译码处理，恢复出发射端发射数据，最后，用接收到的underlay波形上的密钥对接收到的overlay波形上的加密bit流进行解密，恢复出原始信息数据。结果表明该方法可以提高信息安全传输性能。

结合图1～图8，本发明的一种基于overlay和underlay认知无线电安全传输方法，包括以下步骤：

步骤1、发射前，对传输数据使用密钥进行加密处理，产生bit流。对发送端无线电通信节点编号索引，将密钥按照协议拆分M段，M为underlay认知节点的个数认知节点根据频谱感知结果，协调节点使用overlay和underlay方式进行频谱接入。

步骤11、使用Arnold置乱算法对原始信息数据进行加密处理。其中，置乱变换表示为其中，x_n和y_n分别对应表示置乱前原始信息数据矩阵中元素的横坐标和纵坐标。x_n+1和y_n+1分别对应表示置乱后加密矩阵元素的横坐标和纵坐标。f(Key)是关于密钥Key的函数，mod(·)是求余数的函数，N表示原始信息数据矩阵的列数。

步骤12、基于underlay节点个数，对密钥Key进行拆分。将Key创新性地由M个节点联合发送，即Key＝[Key₁,Key₂,…,Key_M]。

步骤13、overlay根据认知感知结果对加密bit流所用的子载波进行接入分配，underlay根据认知感知结果对密钥所用的子载波进行接入分配。overlay、underlay子载波的接入分配向量分别对应表示为a,a^*，即其中，a_i是overlay第i个子载波的分配情况，/>是underlay第i个子载波的分配情况，i的取值为i∈{1,2,…,N_F}。a_i∈{0,1},/>取值0表示该子载波没有分配给节点，而1表示该子载波被分配。

步骤14、overlay根据认知感知结果对加密bit流所用的子载波进行接入使用，underlay根据认知感知结果对密钥所用的子载波进行接入使用。overlay和underlay对子载波的使用标记变量对应表示为u,u^*，即其中，overlay第i个子载波使用标记变量的取值范围是u_i∈{0,1},underlay第i个子载波使用标记变量取值范围是/>0表示此子载波不被节点使用，1表示此子载波被节点使用。

步骤2、在发射端，通过使用SMSE模型产生overlay波形。

步骤21、对加密bit流进行调制，调制后的数据用d表示，即从1到N_F的子载波的调制数据记为其中，N_F是子载波个数，第i个子载波调制后的数据的取值范围是/> 表示复数域。

步骤22、对经调制后的数据进行编码，编码用c表示，即对从1到N_F的子载波上调制数据的编码记为

步骤23、通过改变频谱抽头系数对编码后待传输波形的频谱进行整形，加窗方式表示为

步骤24、overlay波形中第m个子载波上传输的第k个符号的时域表达式为其中，N_F表示子载波个数，j表示虚部，Re{·}表示取实部运算，a_m,u_m,c_m,d_m.k,w_m分别对应表示第m个子载波分配、使用、编码、第k个符号的调制以及加窗的幅值。f_m表示载频，t_n表示符号间隔，/>分别对应表示调制、编码、加窗和正交变换时的相位。

步骤3、在发射端，通过使用SMSE模型产生underlay波形。

步骤31、对密钥进行调制，数据调制用d^*表示，即从1到N_F的子载波的调制数据记为

步骤32、对调制后的密钥数据进行编码。其中，编码用c^*表示，即对从1到N_F的子载波上调制数据的编码记为

步骤33、通过改变频谱抽头系数对编码后待传输波形的频谱进行整形，加窗方式表示为

步骤34、underlay波形中第m个子载波上传输的第k个符号的时域表达式为其中，N_F表示子载波个数，j表示虚部，Re{·}表示取实部运算，/>分别对应表示第m个子载波分配、使用、编码、第k个符号的调制以及加窗的幅值。/>表示载频，/>表示符号间隔，/>分别对应表示调制、编码、加窗和正交变换时的相位。

步骤4、在发射端，对overlay波形和underlay波形进行频域相加，并使用IFFT运算，上变频，产生overlay和underlay时域波形进行发射。

步骤41、创新性的将overlay波形和M个underlay波形叠加，得到混叠波形为其中，z表示underlay节点变量，z的取值为{1,2,…,M}；

步骤42、经过IFFT时域变换，得到overlay和underlay的时域波形为

步骤5、接收端进行overlay和underlay全频段接收，通过下变频、串并转换、FFT变换，把时域信号变成频域信号，再对频域信号进行基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据，即加密bit流；

步骤51、接收端进行overlay和underlay全频段接收，接收信号的表达式为其中，N_u是所有认知节点的个数，/>表示行卷积运算，H_k[n]表示信号的脉冲响应，Υ[n]是噪声，H_rf[n]表示所使用的接收端滤波器；

步骤52、通过下变频、串并转换、FFT变换、基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据其中，f^-1(·)表示基带解调和译码等运算。

步骤6、密钥拼接后对加密bit流进行解密处理，用接收到的underlay波形上的密钥对接收到的overlay波形上的加密数据进行解密，恢复出原始信息数据。

步骤61、根据密钥拼接机制，对密钥进行拼接。拼接表达式为其中，z₁,z₂,…z_M表示矩阵/>中对应M个underlay节点的相应行数。f^-1(·)表示基带解调和译码等运算；

步骤62、使用进行解密处理。其中，x_n和y_n分别对应表示置乱之前矩阵元素的横坐标和纵坐标。x_n+1和y_n+1分别对应表示置乱后矩阵元素的横坐标和纵坐标。f(Key)^-1表示对密钥Key运算的反函数，mod(·)是求余数的函数，N表示置乱前矩阵的列数。然后用拼接后密钥Key将接收到的加密bit流进行解密恢复得到原始信息数据。

下面结合实例对本发明做进一步详细的描述：

实例：

根据本发明考虑通信带宽为10MHz，子载波个数256，主用户与underlay使用其中64个子载波，overlay使用两边的192个子载波。overlay波形传输加密后的图像，采用Arnold置乱算法对Lena图像进行加密。underlay节点个数为2，underlay波形传输与此次加密对应的密钥。本次仿真实例，overlay传输53248个比特数据，underlay使用的密钥是：0624。underlay和overlay均使用BPSK映射，overlay采用OFDM调制，underlay采用扩频编码。通过加性高斯白噪声信道，经过与发射端相反的过程，解调出发射的加密后的图像数据和密钥，然后解密出原始图像。设置仿真信噪比为：10dB、20dB。经过仿真实验，得到本发明的基于overlay和underlay的认知无线电信号安全传输方法。结合图1-图8，具体步骤如下：

步骤1、发送前，使用经典的Lena图像作为原始信息数据，对原始信息数据使用密钥进行加密处理，密钥为0624。对发送端无线电通信节点编号索引，将密钥按照协议拆分2段，underlay认知节点1发送06，underlay认知节点2发送24。认知节点根据频谱感知结果，协调使用overlay和underlay方式进行频谱接入；具体包括以下步骤：

步骤11、使用Arnold置乱算法对信息进行加密处理，其中所使用的密钥为6809。

步骤12、基于underlay节点个数，对密钥Key进行拆分。密钥由2个节点联合发送，即underlay节点1发送06，underlay节点2发送24。

步骤13、根据认知感知结果对子载波进行接入分配。underlay分配中间64个子载波，overlay分配两边的192个子载波进行接入。

步骤14、根据认知感知结果对子载波进行接入使用。overlay和underlay分配的子载波都被完全使用，不存在分配的子载波未被使用的情况。

步骤2、在发射端，使用SMSE模型产生overlay波形。具体包括以下步骤：

步骤21、对加密bit流进行调制，即对使用密钥0624加密的Lena图像数据进行星座映射，调制方式为BPSK。

步骤22、对经BPSK调制后的数据进行编码处理。其中，overlay不采取编码处理，c取全1向量。

步骤23、通过改变频谱抽头系数对波形的频谱进行整形，加窗方式使用256点的抽头系数为1的矩形窗。

步骤24、产生overlay的频域波形见图3中的(a)。

步骤3、在发射端，使用SMSE模型产生underlay波形。具体包括以下步骤；

步骤31、对密钥进行调制，即使用BPSK进行调制；

步骤32、对经星座映射后的发送数据进行编码，underlay采用64位的walsh码：

步骤33、通过改变频谱抽头系数对波形的频谱进行整形，加窗方式使用矩形窗。

步骤34、产生underlay的频域波形见图3中的(b)。

步骤4、在发射端，对overlay波形和underlay波形进行频域相加，并使用IFFT运算，上变频，产生overlay和underlay时域波形进行发射。具体包括以下步骤；

步骤41、overly波形和underlay波形叠加，得到overlay和underlay的混叠波形；

步骤42、进行256点的IFFT时域变换，上变频到2GHz，得到发送波形。

步骤5、接收端进行overlay和underlay全频段接收，通过下变频、串并转换、FFT变换，把时域信号变成频域信号，再对频域信号进行基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据，即加密bit流。具体包括以下步骤：

步骤51、接收端进行overlay和underlay全频段接收；

步骤52、通过下变频到基带、串并转换、256点的FFT变换得到时域波形。接收到的overlay和underlay波形使用BPSK进行解调、underlay使用64位的walsh码进行译码。

步骤6、密钥拼接，进行解密处理，用接收到的underlay波形上的密钥对接收到的overlay波形上的加密数据进行解密，恢复出原始信息数据。具体包括以下步骤：

步骤61、对2个underlay节点的接收数据分别译码得到密钥06和24，将密钥进行拼接得到密钥0624；

步骤62、使用密钥解密处理，即用0624将接收到的加密bit流进行解密恢复得到原始信息数据，见图7。

综上所述，本发明所提出的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，对比传统overlay传输方法，在相同误码率情况下具有更低的信噪比，相较于传统的overlay传输具有更高的安全性，具有隐蔽安全通信的优点。

Claims (7)

1.一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，overlay和underlay在频谱接入下对信号比特流的分工处理，包括以下步骤：

步骤1、发射前，对待传输的原始信息数据使用秘钥进行加密处理，产生加密bit流；并对无线电通信节点编号索引，将密钥按照协议拆分M段，M为underlay认知节点的个数；认知节点根据感知结果，协调节点使用overlay和underlay方式进行频谱接入，同时转入步骤2和步骤3；

步骤2、在发射端，通过使用SMSE模型产生overlay波形，转入步骤4；

步骤3、在发射端，通过使用SMSE模型产生underlay波形，转入步骤4；

步骤4、在发射端，对overlay波形和underlay波形进行频域相加，并使用IFFT运算，上变频，产生overlay和underlay时域波形，再发射，转入步骤5；

步骤5、接收端对overlay和underlay全频段接收，通过下变频、串并转换、FFT变换，把时域信号变成频域信号，再对频域信号进行基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据，即加密bit流，转入步骤6；

步骤6、密钥拼接后对加密bit流进行解密处理，用接收到的underlay波形上的密钥对接收到的overlay波形上的加密数据进行解密，恢复出原始信息数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，步骤1中，发射前，对待传输的原始信息数据使用密钥进行加密处理，产生加密bit流；对发送端无线电通信节点编号索引，将密钥按照协议拆分M段，M为underlay认知节点的个数；认知节点根据频谱感知结果，加密bit流和密钥分别使用overlay和underlay方式进行频谱接入，具体包括以下步骤：

步骤11、使用Arnold置乱算法对原始信息数据进行加密处理；其中，置乱变换表示为其中，x_n和y_n分别对应表示置乱前原始信息数据矩阵中元素的横坐标和纵坐标；x_n+1和y_n+1分别对应表示置乱后加密矩阵元素的横坐标和纵坐标；f(Key)是关于密钥Key的函数，mod(·)是求余数的函数，N表示原始信息数据矩阵的列数；

步骤12、基于underlay节点个数，对密钥Key进行拆分；Key由M个节点联合发送，即Key＝[Key₁,Key₂,…,Key_M]；

步骤13、overlay根据认知感知结果对加密bit流所用的子载波进行接入分配，underlay根据认知感知结果对密钥所用的子载波进行接入分配；overlay、underlay子载波的接入分配向量分别对应表示为a,a^*，即其中，a_i是overlay第i个子载波的分配情况，/>是underlay第i个子载波的分配情况，i的取值为i∈{1,2,…,N_F}；a_i∈{0,1},/>取值0表示该子载波没有分配给节点，而1表示该子载波被分配；

步骤14、overlay根据认知感知结果对加密bit流所用的子载波进行接入使用，underlay根据认知感知结果对密钥所用的子载波进行接入使用；overlay和underlay对子载波的使用标记变量对应表示为u,u^*，即其中，overlay第i个子载波使用标记变量的取值范围是u_i∈{0,1}，underlay第i个子载波使用标记变量取值范围是/>0表示此子载波不被节点使用，1表示此子载波被节点使用。

3.根据权利要求2所述的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，步骤2中，在发射端，通过使用SMSE模型产生overlay波形，具体包括以下步骤：

步骤21、对加密bit流进行调制，调制后的数据用d表示，即从1到N_F的子载波的调制数据记为其中，N_F是子载波个数，第i个子载波调制后的数据的取值范围是/> 表示复数域；

步骤22、对经调制后的数据进行编码，编码用c表示，即对从1到N_F的子载波上调制数据的编码记为

步骤23、通过改变频谱抽头系数对编码后待传输波形的频谱进行整形，加窗方式表示为

步骤24、overlay波形中第m个子载波上传输的第k个符号的时域表达式为其中，N_F表示子载波个数，j表示虚部，Re{·}表示取实部运算，a_m,u_m,c_m,d_m.k,w_m分别对应表示第m个子载波分配、使用、编码、第k个符号的调制以及加窗的幅值；f_m表示载频，t_n表示符号间隔，/>分别对应表示调制、编码、加窗和正交变换时的相位。

4.根据权利要求3所述的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，步骤3中，在发射端，通过使用SMSE模型产生underlay波形，具体包括以下步骤：

步骤31、对密钥进行调制，数据调制用d^*表示，即从1到N_F的子载波的调制数据记为

步骤32、对调制后的密钥数据进行编码；其中，编码用c^*表示，即对从1到N_F的子载波上调制数据的编码记为

步骤33、通过改变频谱抽头系数对编码后待传输波形的频谱进行整形，加窗方式表示为

步骤34、underlay波形中第m个子载波上传输的第k个符号的时域表达式为其中，N_F表示子载波个数，j表示虚部，Re{·}表示取实部运算，/>分别对应表示第m个子载波分配、使用、编码、第k个符号的调制以及加窗的幅值；/>表示载频，/>表示符号间隔，/>分别对应表示调制、编码、加窗和正交变换时的相位。

5.根据权利要求4所述的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，步骤4中，在发射端，对overlay波形和underlay波形进行频域相加，并使用IFFT运算，上变频，产生overlay和underlay时域波形，具体包括以下步骤：

步骤41、overlay波形和M个underlay波形叠加，得到频域混叠波形为其中，z表示underlay节点变量，z的取值为{1,2,…,M}；

步骤42、经过IFFT时域变换，得到overlay和underlay的时域波形为

6.根据权利要求5所述的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，步骤5中，接收端进行overlay和underlay全频段接收，通过下变频、串并转换、FFT变换，把时域信号变成频域信号，再对频域信号进行基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据，即加密bit流，具体包括以下步骤：

步骤51、接收端进行overlay和underlay全频段接收，接收信号的表达式为其中，N_u是所有认知节点的个数，/>表示行卷积运算，H_k[n]表示信号的脉冲响应，Υ[n]是噪声，H_rf[n]表示所使用的接收端滤波器；

步骤52、通过下变频、串并转换、FFT变换、基带解调和译码处理，恢复出发射端发射的数据其中，f^-1(·)表示基带解调和译码等运算。

7.根据权利要求6所述的一种基于overlay和underlay认知无线电信号安全传输方法，其特征在于，步骤6中，密钥拼接后对加密bit流进行解密处理，用接收到的underlay波形上的密钥对接收到的overlay波形上的加密数据进行解密，恢复出原始信息数据，具体包括以下步骤：

步骤61、根据密钥拼接机制，对密钥进行拼接，拼接表达式为其中，z₁,z₂,…z_M表示矩阵/>中对应M个underlay节点的相应行数，f^-1(·)表示基带解调和译码运算；

步骤62、使用进行解密处理；其中，x_n和y_n分别对应表示置乱之前矩阵元素的横坐标和纵坐标；x_n+1和y_n+1分别对应表示置乱后矩阵元素的横坐标和纵坐标；f(Key)^-1表示对密钥Key运算的反函数，mod(·)是求余数的函数，N表示置乱前矩阵的列数；然后用拼接后密钥Key将接收到的加密bit流进行解密恢复得到原始信息数据。