一種降低COFDM系統安全界的方法與流程

2023-07-24 06:34:26 3

本發明屬於通信安全
技術領域：
，具體涉及一種降低COFDM系統安全界的方法。
背景技術：
：正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術作為一種多載波調製技術，在高速傳輸系統中具有無可比擬的優越性。編碼正交頻分復用技術(COFDM)是寬帶無線通信的核心技術，有效降低其安全界是保證安全通信的重要途徑。數字通信系統安全性是指通信系統是否具有安全通信能力以及安全水平的高低。物理層安全作為一種新興的無線安全傳輸技術，從網絡協議棧最底層的物理層的角度為解決無線通信的信息安全問題提供了新的思路。而現有的研究物理層安全性的測度的有兩種：保密容量和安全界。其中，安全界(Securitygap)是一個用來衡量一定物理層安全水平下合法信道與竊聽信道間質量差異的安全測度，是一種基於誤碼率(BitErrorRate，BER)且相比於保密容量更易獲取與分析的安全測度，該測度將合法信道與竊聽信道間質量上的差異轉化為兩者BER上的差異，從而實現合法用戶具有低BER、竊聽用戶具有高BER的可靠安全通信。現有技術從調製映射的角度，以最大化相鄰星座點間距離為目標，設計了一種反格雷碼(Yargcode)，提高了低信噪比(SignalNoiseRatio，SNR)區域的解調誤比特率，達到縮小安全界的目的，實現簡單並取得了較好的結果，但是其所對應的安全界仍然較大，並且未在完整的通信系統環境下分析安全界。技術實現要素：針對現有技術存在的不足，本發明基於完整的通信系統環境，將反格雷碼映射(Yarg-codemapping)方法和星座打孔(Constellationpuncture)技術相結合(簡稱為YP)，應用到COFDM系統中，設計一種實用性強且具有更高安全性的COFDM安全系統，即本發明C-YP-COFDM系統，其中C指代某種信道編碼方式。具體採用以下技術方案：一種降低COFDM系統安全界的方法，包括以下步驟：步驟1，信源輸出信息比特流X(k)，並對X(k)進行信道編碼，得到碼字序列c(k)；步驟2，對碼字序列c(k)進行反格雷碼映射得到複數符號序列C(k)；步驟3，根據星座映射圖對複數符號序列C(k)選取打孔星座點Qw，進行星座打孔置零並輸出符號序列Cp(k)；步驟4，對符號序列Cp(k)進行串並轉換、快速傅立葉逆變換、並串轉換及添加CP操作，得到OFDM符號s(n)；步驟5，將s(n)經發射模塊D/A處理後發送並進行信道傳輸；步驟6，在接收端接收到的模擬信號經過接收模塊A/D處理後得到接收序列r(n)；步驟7，對接收序列r(n)進行去CP、串並轉換、快速傅立葉變換及並串轉換得到符號序列C'p(k)；步驟8，對C'p(k)進行星座恢復、反格雷碼解調及信道解碼後，恢復出信息比特流Y(k)。步驟1中信道編碼採用前向糾錯編碼，包括LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或漢明碼信道編碼方式。步驟3中進行星座打孔置零是指：星座映射圖具有M＝2n個星座點，從M個星座點中選取一個作為打孔星座點Qw，並將該點對應的複數符號置零，其中，n為每個星座點對應的二進位比特數。步驟3中打孔星座點Qw選擇與坐標原點歐氏距離最大的星座點為打孔星座點。步驟8中將C`(k)進行星座打孔恢復是指：1)設定恢復門限ε值，ε需滿足，①ε為一個常數，且ε＞0，②其中，dmin表示星座映射圖上與原點距離最小的星座點的歐氏距離，Kmod表示星座平均能量；2)，對於接收序列中的符號y′i，若|y′i|＜ε，則恢復符號y′i→Qw，若|y′i|≥ε，則恢復符號y′i→y′i。與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：1、本發明OFDM調製中採用了反格雷碼星座映射方式，並且分別在發送端反格雷碼映射後和接收端反格雷碼解調前添加了星座打孔模塊和星座恢復模塊，從信源輸出信息比特流到恢復出信息比特流，是基於完整的系統環境下分析的，實用性更強。2、本發明通過對反格雷碼星座映射圖上的星座點進行打孔置零，使得低信噪比下打孔位不易恢復，高信噪比下打孔位可完全恢復，從而使得低信噪比下系統誤碼率更高，高信噪比下系統誤碼率減小更快，進而達到大大減小系統安全界的目的。3、本發明是在星座調製環節實現安全算法，實際上是在低速的複數符號上通過兩次判決，該過程中分別完成星座打孔和星座恢復，複雜度為O(N)(N為子載波個數)，實現過程簡單，限制少，容易和COFDM系統相融合。設計的COFDM安全系統實現簡單，易於推廣，並且具有很好的安全性能。附圖說明圖1為本發明C-YP-COFDM系統簡化模型圖。圖2為實施例1採用反格雷碼映射的16QAM星座圖。圖3為實施例1基於圖2符號化的16QAM星座圖。圖4為實施例1星座打孔過程示意圖。圖5為實施例2LDPC-YP-COFDM系統不同打孔星座點下的誤碼率曲線比較圖。圖6為實施例2LDPC-YP-COFDM系統在打孔星座點Q16時的安全界曲線。具體實施方式本發明安全界計算方法是基於竊聽信道模型，信道編碼採用前向糾錯編碼(ForwardErrorCorrection，簡稱FEC)，例如：LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或漢明碼信道編碼方式，選擇不受限，靈活性強，反格雷碼映射仿真中採用的星座調製方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM或256QAM等。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。實施例1：本實施例以16QAM(QuadratureAmplitudeModulation正交幅度調製)星座調製方式為例來詳細說明降低C-YP-OFDM系統安全界的具體方法。步驟1，信源輸出信息比特流X(k)，採用FEC編碼器對X(k)進行信道編碼，得到碼字序列c(k)；步驟2，對碼字序列c(k)進行反格雷碼映射，得到複數符號序列C(k)，構造出4bit反格雷碼，將其對應到星座映射圖上，形成16QAM反格雷碼星座映射圖，具體如圖2所示。步驟3，根據16QAM反格雷映射星座圖對複數符號序列C(k)選取打孔星座點Qw進行星座打孔置零並輸出符號序列Cp(k)；將圖2中的每個星座點對應為複數符號，例如0000→Q1＝-3+3j、1011→Q2＝-1+3j，依次類推，可得符號化16QAM星座圖如圖3所示。選擇與坐標原點歐氏距離最大的星座點為打孔星座點，根據步驟2，從圖3可以確定16QAM反格雷星座圖的打孔星座點候選集為{Q1,Q4,Q13,Q16},本實施例隨機選擇其中的Q16作為打孔星座點。因而當進行星座映射(數字調製)時，Q16所對應的二進位碼字「1010」就被映射為符號「0」(用Q0表示)，而不是複數符號「3-3j」，其過程如圖4示。步驟4，對符號序列Cp(k)進行串並轉換、快速傅立葉逆變換(IFFT變換)、並串轉換及添加CP操作，得到OFDM符號s(n)；步驟5，將s(n)經發射模塊處理後得到模擬信號s(t)後發送出去並進行信道傳輸；步驟6，在接收端接收到的模擬信號r(t)經過接收模塊中的A/D處理後得到接收序列r(n)；步驟7，對接收序列r(n)進行去CP、串並轉換、快速傅立葉變換及並串轉換得到符號序列C'p(k)；步驟8，對C'p(k)進行星座恢復、反格雷碼解調及信道解碼後，恢復出信息比特流Y(k)，其中星座恢復準則為：1)，設定恢復門限ε值，其中，①ε為一個常數，且ε＞0，②dmin表示星座映射圖上與原點距離最小的星座點的歐氏距離，Kmod表示星座平均能量，對應於對距離原點歐氏距離最大的星座點打孔後的BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM星座映射方式，Kmod值分別為：0.5、1.5、8.875、40.46875、168.2421875。計算得到不同星座調製方式下恢復門限ε的值如表1所示：表1不同星座調製方式下的恢復門限星座調製方式BPSKQPSK16QAM64QAM256QAM恢復門限ε0.250.250.10.050.0252)16QAM的判決門限為0.1，當接收符號Q′0滿足|Q′0|＜0.1時，將被判決為Q16，反之則保持不變。其它符號由於和Q0的距離較遠，所以判決為Q16的概率很低，從而保證以較大的概率實現正確恢復。實施例2：選擇LDPC編碼作為前向糾錯編碼，組成LDPC-YP-COFDM安全系統，具體選擇802.16e標準中定義的QC-LDPC碼以及RU快速編碼算法，解碼方案採用基於高階星座軟解調的Log-BP聯合解碼算法，LDPC碼碼長為2304、碼率為1/2、解碼迭代次數為10，OFDM的子載波數為576，選取16QAM星座調製方式，此星座映射下的恢復門限ε為0.1。對於各種不同的星座映射方式來說，其星座圖都具有對稱性，因此，當選擇歐氏距離相同的各個星座點分別作為打孔星座點時，其安全界結果是相同的，因此，本實施例隨機的從歐氏距離最大的星座點候選集{Q1,Q4,Q13,Q16}中選取Q16星座點作為打孔星座點時，其仿真出來的安全界結果與將Q1，Q4，Q13分別作為打孔星座點的安全界結果相同。將實施例1中Q6，Q9，Q16分別作為打孔星座點時LDPC-YP-COFDM系統的安全界進行了仿真驗證，如圖5所示。仿真結果顯示，將Q6，Q9，Q16分別作為打孔星座點時LDPC-YP-COFDM系統的安全界分別為：4.3dB，4.2dB，4dB。結果表明：距離原點歐氏距離最大的點Q16的安全界最小。圖6為將Q16作為星座打孔點時，LDPC-YP-COFDM系統的安全界曲線。從圖6可以看出，當安全性等級分別為0.4、0.45及0.49時，該系統的安全界分別為4dB、6.5dB、10dB，結果表明：竊聽信道質量只要低於合法信道4dB，6.5dB及10dB的話，就能夠保證信息無密鑰安全傳輸。實施例3：將現有的具有代表性的三種安全方法，a：打孔LDPC安全編碼方法(具體方法參見文獻[1]，KlincD.,HaJ.,MclaughlinS.W.,etal.LDPCcodesforphysicallayersecurity[J].UniversityofWindsor,2009)，b：添加擾亂矩陣法(具體方法參見文獻[2]，BaldiM.,BianchiM.,ChiaraluceF..Non-systematiccodesforphysicallayersecurity[C]//InformationTheoryWorkshop(ITW),2010IEEE.IEEE,2010:1-5)，c：反格雷碼映射方法(具體方法參見文獻[3]，KwakB.J.,SongN.O.,ParkB.,etal.PhysicalLayerSecuritywithYargCode[C]//Proceedingsofthe2009FirstInternationalConferenceonEmergingNetworkIntelligence.IEEEComputerSociety,2009:43-48)以及傳統LDPC-COFDM系統與本發明C-YP-COFDM算法進行比較，具體結果見表2。其中方法a和b均是通過設計安全編碼來減小系統安全界，研究重點在信道編碼模塊上，和通信系統環境及星座調製方式無關；方法c和本文均是圍繞調製解調模塊進行的，但方法c在發送端反格雷碼映射後和接收端反格雷碼解調前沒有設置星座打孔模塊和星座恢復模塊。從表2中可以得出，本發明設計的LDPC-YP-COFDM系統在安全性等級為0.4時，在高階星座調製方式下，其安全界均小於等於4dB，尤其是在256QAM時達到了2.3dB，相比於目前已知性能最好的打孔LDPC算法還降低了0.2dB，在其它安全等級下也均有降低，表現出良好的性能。表2不同安全性等級下不同安全方法所對應的系統安全界其中，代表系統安全性等級，SG(securitygap)代表系統安全界。方法c也採用了反格雷碼映射，但是沒有進行星座打孔，是在16QAM和64QAM情況下，本發明方法比其安全界在不同安全等級下，均減小2.5dB以上，這充分說明本發明所提出的反格雷碼映射和星座打孔相結合的方法是可行的，可以有效降低安全界。和傳統LDPC-COFDM系統比較，LDPC-YP-COFDM系統的安全界降低達14dB以上，這充分說明本發明的方法有效提高了LDPC-COFDM系統的安全性。在實現複雜度方面，方法a和方法b均是在高碼率環境下的信道編碼環節實現安全算法，對算法的計算時間限制較多，實現複雜。本發明是在星座調製環節實現安全算法，實際上是在低速的複數符號上通過兩次判決，完成打孔和恢復，複雜度為O(N)(N為子載波個數)，實現過程簡單，限制少，容易和COFDM系統相融合。綜上可見，本發明提出的反格雷碼映射和星座打孔相結合的方法可以有效降低安全界，構造的COFDM安全系統實現簡單，易於推廣，並且具有很好的安全性能。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp