[发明专利]一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法

说明书

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，特别涉及到一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络。在OFDM系统中，仅利用合法通信双方的信道特征，根据合法用户各子载波之间的信道质量差异对子载波进行重排序，信道质量较好的子载波上传输原始比特数据符号，将信道质量较差的子载波传输的比特信息符号与信道质量较好的子载波传输的比特信息符号进行异或处理后发送，使得合法用户能够根据传输协议正确接收恢复各子载波数据信息，而窃听者无法正确还原各子载波的数据信息，满足物理层保密要求，该算法无需获得窃听者的信道状态信息，且无需合法用户信道质量优于窃听信道。

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，特别涉及到一种联合子载波分组与异或运算的物理层安全算法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络。

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系统中的物理层关键技术之一，亦将在5G系统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移动通信系统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系统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系统下的物理层安全技术是很有必要的。由于子载波通道之间存在差异性，每次信息的传输，各载波所处信道都会呈现传输环境较差和较好的信道，此时可以利用信道的差异性进行安全方案的设计。同时根据各信道搭载的子载波进行子载波选择和配对也存在一定的可研究价值。现有的关于子载波处理的方案大多体现在抑制信道质量较差的载波，而仅采用信道质量较好的载波进行数据发送。

文献【韩序,马文峰,许魁,等联合子载波抑制与配对的双向DF-PLNCOFDM中继[J].通信技术,2015,48(6):637-641】、文献【沈先丽,许魁,韩序,等.联合子载波抑制-机会网络编码的OFDM数据广播方法[J].数据采集与处理,2017,32(4):792-798】，利用子载波抑制与配对的思想，设计了联合子载波抑制与配对的网络编码传输方法，这种方法对中继两端链路的非对称活跃的子载波进行配对，在配对的子载波上发送物理层网络编码信息。这类方案大多应用在中继网络场景下，而在单跳传输系统中类似的方案很少，设计简洁的传输方案不仅能以低复杂度实现安全传输，而且还能节省系统开销。在实际通信传输中，由于存在噪声干扰，必定会产生信道估计误差，对于利用信道特征的安全方案，大多数方案没有考虑非理想信道估计环境下方案的性能。

分析发现现有的安全编码算法的研究存在以下不足：1)现有的安全算法的算法编码加密处理过程中需要获得窃听者实时的信道状态信息，从信息论角度考虑优化分配多载波资源，而在实际通信传输中很难获得窃听者信道状态信息；2)现有的物理层安全传输算法大多要求合法接收者的信道状况优于窃听信道，而在实际的无线通信传输中，难以保证此要求；3)大多数的窃听者是被动窃听，没有考虑到主动窃听的窃听者情况。在OFDM系统中，利用信道特征先验可知的条件下，将编码结构与信道特征进行联合设计，从而实现合法接收者接收码域内信息不变而窃听者码域内信息随机变化，是物理层安全算法的一个重要研究领域。基于此本文提出一种基于信道特征的子载波处理算法：在OFDM系统中，仅利用合法通信双方的信道特征，根据合法用户各子载波之间的信道质量差异对子载波进行重排序，信道质量较好的子载波上传输原始比特数据符号，将信道质量较差的子载波传输的比特信息符号与信道质量较好的子载波传输的比特信息符号进行异或处理后发送，使得合法用户能够根据传输协议正确接收恢复各子载波数据信息。公开的算法窃听者无法正确还原各子载波的数据信息，满足物理层保密要求。该算法无需获得窃听者的信道状态信息，且不需要合法用户信道状况优于窃听信道。