[發明專利]一種聯合子載波分組與異或運算的物理層安全算法

在審

• 申請號: 201911152405.6
• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN110856169A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 李鳴巖;呂卓;郭志民;楊文;李暖暖;蔡軍飛;張錚;張偉
• 申請（專利權）人: 國網河南省電力公司電力科學研究院;國家電網有限公司
• 主分類號: H04W12/02
• 分類號: H04W12/02;H04L25/03
• 代理公司: 鄭州知己知識產權代理有限公司 41132
• 代理人: 季發軍

本發明屬于無線通信物理層安全技術領域，特別涉及到一種聯合子載波分組與異或運算的物理層安全算法，適用于結合OFDM技術特點的多載波通信網絡。在OFDM系統中，僅利用合法通信雙方的信道特征，根據合法用戶各子載波之間的信道質量差異對子載波進行重排序，信道質量較好的子載波上傳輸原始比特數據符號，將信道質量較差的子載波傳輸的比特信息符號與信道質量較好的子載波傳輸的比特信息符號進行異或處理后發送，使得合法用戶能夠根據傳輸協議正確接收恢復各子載波數據信息，而竊聽者無法正確還原各子載波的數據信息，滿足物理層保密要求，該算法無需獲得竊聽者的信道狀態信息，且無需合法用戶信道質量優于竊聽信道。

技術領域

本發明屬于無線通信物理層安全技術領域，特別涉及到一種聯合子載波分組與異或運算的物理層安全算法，適用于結合OFDM技術特點的多載波通信網絡。

背景技術

隨著信息技術的發展，5G已經成為國內外移動通信領域關注的焦點。OFDM技術由于其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強等技術優勢，已成為LTE和LTE-Advanced系統中的物理層關鍵技術之一，亦將在5G系統中得到更加廣泛的應用。由于無線信道傳輸的廣播性和開放性、用戶分布的不確定性以及網絡結構的復雜性，使得5G移動通信系統中的數據安全傳輸問題面臨更加嚴峻的挑戰。研究結合OFDM技術特點的物理層安全方案對增強5G網絡的信息安全性能有積極的作用。

與OFDM調制方式相結合的物理層安全算法近年來引起眾多學者的廣泛關注。OFDM系統由于其多載波獨特性，各子載波信道會經過不同的衰落，使得各子載波傳輸能力不同，而無線信道特征的差異性恰是物理層安全能夠實施的本質，因此考慮OFDM系統下的物理層安全技術是很有必要的。由于子載波通道之間存在差異性，每次信息的傳輸，各載波所處信道都會呈現傳輸環境較差和較好的信道，此時可以利用信道的差異性進行安全方案的設計。同時根據各信道搭載的子載波進行子載波選擇和配對也存在一定的可研究價值。現有的關于子載波處理的方案大多體現在抑制信道質量較差的載波，而僅采用信道質量較好的載波進行數據發送。

文獻【韓序,馬文峰,許魁,等聯合子載波抑制與配對的雙向DF-PLNCOFDM中繼[J].通信技術,2015,48(6):637-641】、文獻【沈先麗,許魁,韓序,等.聯合子載波抑制-機會網絡編碼的OFDM數據廣播方法[J].數據采集與處理,2017,32(4):792-798】，利用子載波抑制與配對的思想，設計了聯合子載波抑制與配對的網絡編碼傳輸方法，這種方法對中繼兩端鏈路的非對稱活躍的子載波進行配對，在配對的子載波上發送物理層網絡編碼信息。這類方案大多應用在中繼網絡場景下，而在單跳傳輸系統中類似的方案很少，設計簡潔的傳輸方案不僅能以低復雜度實現安全傳輸，而且還能節省系統開銷。在實際通信傳輸中，由于存在噪聲干擾，必定會產生信道估計誤差，對于利用信道特征的安全方案，大多數方案沒有考慮非理想信道估計環境下方案的性能。

分析發現現有的安全編碼算法的研究存在以下不足：1)現有的安全算法的算法編碼加密處理過程中需要獲得竊聽者實時的信道狀態信息，從信息論角度考慮優化分配多載波資源，而在實際通信傳輸中很難獲得竊聽者信道狀態信息；2)現有的物理層安全傳輸算法大多要求合法接收者的信道狀況優于竊聽信道，而在實際的無線通信傳輸中，難以保證此要求；3)大多數的竊聽者是被動竊聽，沒有考慮到主動竊聽的竊聽者情況。在OFDM系統中，利用信道特征先驗可知的條件下，將編碼結構與信道特征進行聯合設計，從而實現合法接收者接收碼域內信息不變而竊聽者碼域內信息隨機變化，是物理層安全算法的一個重要研究領域。基于此本文提出一種基于信道特征的子載波處理算法：在OFDM系統中，僅利用合法通信雙方的信道特征，根據合法用戶各子載波之間的信道質量差異對子載波進行重排序，信道質量較好的子載波上傳輸原始比特數據符號，將信道質量較差的子載波傳輸的比特信息符號與信道質量較好的子載波傳輸的比特信息符號進行異或處理后發送，使得合法用戶能夠根據傳輸協議正確接收恢復各子載波數據信息。公開的算法竊聽者無法正確還原各子載波的數據信息，滿足物理層保密要求。該算法無需獲得竊聽者的信道狀態信息，且不需要合法用戶信道狀況優于竊聽信道。