一种降低COFDM系统安全界的方法

摘要

本发明属于通信安全技术领域，具体公开了一种降低COFDM系统安全界的方法，该方法基于完整的通信系统环境，在发射端信源输出信息比特流，并对其进行信道编码、反格雷码映射、星座打孔、串并转换、快速傅里叶逆变换、并串转换及添加CP操作，接收端采用与发射端相反的算法，最终恢复出信息比特流。本发明将反格雷码映射方法和星座打孔技术相结合，应用到COFDM系统中，通过对反格雷码星座映射图上的星座点进行打孔置零，使得低信噪比下打孔位不易恢复，高信噪比下打孔位可完全恢复，从而使得低信噪比下系统误码率更高，高信噪比下系统误码率减小更快，进而达到大大减小系统安全界的目的。

权利要求

1.一种降低COFDM系统安全界的方法，包括：步骤1，信源输出信息比特流X(k)，并对X(k)进行信道编码，得到码字序列c(k)；

步骤2，对码字序列c(k)进行反格雷码映射得到复数符号序列C(k)；其特征在于，还包括以下步骤：步骤3，根据星座映射图对复数符号序列C(k)选取打孔星座点Qw，进行星座打孔置零并输出符号序列Cp(k)；

步骤4，对符号序列Cp(k)依次进行串并转换、快速傅里叶逆变换、并串转换及添加CP操作，得到OFDM符号s(n)；

步骤5，将s(n)经发射模块D/A处理后发送并进行信道传输；

步骤6，在接收端接收到的模拟信号经过接收模块A/D处理后得到接收序列r(n)；

步骤7，对接收序列r(n)依次进行去CP、串并转换、快速傅里叶变换及并串转换得到符号序列C'p(k)；

步骤8，对C'p(k)进行星座恢复、反格雷码解调及信道译码后，恢复出信息比特流Y(k)；

其中，步骤3中进行星座打孔置零是指：

星座映射图具有M＝2n个星座点，从M个星座点中选取一个作为打孔星座点Qw，并将打孔星座点Qw对应的复数符号置零，其中，n为每个星座点对应的二进制比特数；

步骤8中对C'p(k)进行星座恢复是指：

1)设定恢复门限ε值，

ε需满足，①ε为一个常数，且ε＞0，

②

其中，dmin表示星座映射图上与原点距离最小的打孔星座点的欧氏距离，Kmod表示星座平均能量；

2)，对于接收序列中的符号y′i，若|y′i|＜ε，则恢复符号y′i→Qw，若|y′i|≥ε，则恢复符号y′i→y′i。

2.如权利要求1所述降低COFDM系统安全界的方法，其特征在于，步骤1中信道编码采用前向纠错编码，包括LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或汉明码信道编码方式。

3.如权利要求1所述降低COFDM系统安全界的方法，其特征在于，步骤3中打孔星座点Qw选择与坐标原点欧氏距离最大的星座点为打孔星座点。

说明书

一种降低COFDM系统安全界的方法

技术领域

[0001] 本发明属于通信安全技术领域，具体涉及一种降低COFDM系统安全界的方法。

背景技术

[0002] 正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术作为一种多载波调制技术，在高速传输系统中具有无可比拟的优越性。编码正交频分复用技术(COFDM)是宽带无线通信的核心技术，有效降低其安全界是保证安全通信的重要途径。数字通信系统安全性是指通信系统是否具有安全通信能力以及安全水平的高低。物理层安全作为一种新兴的无线安全传输技术，从网络协议栈最底层的物理层的角度为解决无线通信的信息安全问题提供了新的思路。而现有的研究物理层安全性的测度的有两种：保密容量和安全界。其中，安全界(Security gap)是一个用来衡量一定物理层安全水平下合法信道与窃听信道间质量差异的安全测度，是一种基于误码率(Bit Error Rate，BER)且相比于保密容量更易获取与分析的安全测度，该测度将合法信道与窃听信道间质量上的差异转化为两者BER上的差异，从而实现合法用户具有低BER、窃听用户具有高BER的可靠安全通信。

[0003] 现有技术从调制映射的角度，以最大化相邻星座点间距离为目标，设计了一种反格雷码(Yarg code)，提高了低信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)区域的解调误比特率，达到缩小安全界的目的，实现简单并取得了较好的结果，但是其所对应的安全界仍然较大，并且未在完整的通信系统环境下分析安全界。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明基于完整的通信系统环境，将反格雷码映射(Yarg-code mapping)方法和星座打孔(Constellation puncture)技术相结合(简称为YP)，应用到COFDM系统中，设计一种实用性强且具有更高安全性的COFDM安全系统，即本发明C-YP-COFDM系统，其中C指代某种信道编码方式。

[0005] 具体采用以下技术方案：

[0006] 一种降低COFDM系统安全界的方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1，信源输出信息比特流X(k)，并对X(k)进行信道编码，得到码字序列c(k)；

[0008] 步骤2，对码字序列c(k)进行反格雷码映射得到复数符号序列C(k)；

[0009] 步骤3，根据星座映射图对复数符号序列C(k)选取打孔星座点Qw，进行星座打孔置零并输出符号序列Cp(k)；

[0010] 步骤4，对符号序列Cp(k)进行串并转换、快速傅里叶逆变换、并串转换及添加CP操作，得到OFDM符号s(n)；

[0011] 步骤5，将s(n)经发射模块D/A处理后发送并进行信道传输；

[0012] 步骤6，在接收端接收到的模拟信号经过接收模块A/D处理后得到接收序列r(n)；

[0013] 步骤7，对接收序列r(n)进行去CP、串并转换、快速傅里叶变换及并串转换得到符号序列C'p(k)；

[0014] 步骤8，对C'p(k)进行星座恢复、反格雷码解调及信道译码后，恢复出信息比特流Y(k)。

[0015] 步骤1中信道编码采用前向纠错编码，包括LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或汉明码信道编码方式。

[0016] 步骤3中进行星座打孔置零是指：

[0017] 星座映射图具有M＝2n个星座点，从M个星座点中选取一个作为打孔星座点Qw，并将该点对应的复数符号置零，其中，n为每个星座点对应的二进制比特数。

[0018] 步骤3中打孔星座点Qw选择与坐标原点欧氏距离最大的星座点为打孔星座点。

[0019] 步骤8中将C`(k)进行星座打孔恢复是指：

[0020] 1)设定恢复门限ε值，

[0021] ε需满足，①ε为一个常数，且ε＞0，②

[0022] 其中，dmin表示星座映射图上与原点距离最小的星座点的欧氏距离，Kmod表示星座平均能量；

[0023] 2)，对于接收序列中的符号y′i，若|y′i|＜ε，则恢复符号y′i→Qw，若|y′i|≥ε，则恢复符号y′i→y′i。

[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

[0025] 1、本发明OFDM调制中采用了反格雷码星座映射方式，并且分别在发送端反格雷码映射后和接收端反格雷码解调前添加了星座打孔模块和星座恢复模块，从信源输出信息比特流到恢复出信息比特流，是基于完整的系统环境下分析的，实用性更强。

[0026] 2、本发明通过对反格雷码星座映射图上的星座点进行打孔置零，使得低信噪比下打孔位不易恢复，高信噪比下打孔位可完全恢复，从而使得低信噪比下系统误码率更高，高信噪比下系统误码率减小更快，进而达到大大减小系统安全界的目的。

[0027] 3、本发明是在星座调制环节实现安全算法，实际上是在低速的复数符号上通过两次判决，该过程中分别完成星座打孔和星座恢复，复杂度为O(N)(N为子载波个数)，实现过程简单，限制少，容易和COFDM系统相融合。设计的COFDM安全系统实现简单，易于推广，并且具有很好的安全性能。

附图说明

[0028] 图1为本发明C-YP-COFDM系统简化模型图。

[0029] 图2为实施例1采用反格雷码映射的16QAM星座图。

[0030] 图3为实施例1基于图2符号化的16QAM星座图。

[0031] 图4为实施例1星座打孔过程示意图。

[0032] 图5为实施例2LDPC-YP-COFDM系统不同打孔星座点下的误码率曲线比较图。

[0033] 图6为实施例2LDPC-YP-COFDM系统在打孔星座点Q16时的安全界曲线。

具体实施方式

[0034] 本发明安全界计算方法是基于窃听信道模型，信道编码采用前向纠错编码(Forward Error Correction，简称FEC)，例如：LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或汉明码信道编码方式，选择不受限，灵活性强，反格雷码映射仿真中采用的星座调制方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM或256QAM等。

[0035] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

[0036] 实施例1：

[0037] 本实施例以16QAM(Quadrature Amplitude Modulation正交幅度调制)星座调制方式为例来详细说明降低C-YP-OFDM系统安全界的具体方法。

[0038] 步骤1，信源输出信息比特流X(k)，采用FEC编码器对X(k)进行信道编码，得到码字序列c(k)；

[0039] 步骤2，对码字序列c(k)进行反格雷码映射，得到复数符号序列C(k)，构造出4bit反格雷码，将其对应到星座映射图上，形成16QAM反格雷码星座映射图，具体如图2所示。

[0040] 步骤3，根据16QAM反格雷映射星座图对复数符号序列C(k)选取打孔星座点Qw进行星座打孔置零并输出符号序列Cp(k)；

[0041] 将图2中的每个星座点对应为复数符号，例如0000→Q1＝-3+3j、1011→Q2＝-1+3j，依次类推，可得符号化16QAM星座图如图3所示。

[0042] 选择与坐标原点欧氏距离最大的星座点为打孔星座点，根据步骤2，从图3可以确定16QAM反格雷星座图的打孔星座点候选集为{Q1,Q4,Q13,Q16},本实施例随机选择其中的Q16作为打孔星座点。因而当进行星座映射(数字调制)时，Q16所对应的二进制码字“1010”就被映射为符号“0”(用Q0表示)，而不是复数符号“3-3j”，其过程如图4示。

[0043] 步骤4，对符号序列Cp(k)进行串并转换、快速傅里叶逆变换(IFFT变换)、并串转换及添加CP操作，得到OFDM符号s(n)；

[0044] 步骤5，将s(n)经发射模块处理后得到模拟信号s(t)后发送出去并进行信道传输；

[0045] 步骤6，在接收端接收到的模拟信号r(t)经过接收模块中的A/D处理后得到接收序列r(n)；

[0046] 步骤7，对接收序列r(n)进行去CP、串并转换、快速傅里叶变换及并串转换得到符号序列C'p(k)；

[0047] 步骤8，对C'p(k)进行星座恢复、反格雷码解调及信道译码后，恢复出信息比特流Y(k)，其中星座恢复准则为：

[0048] 1)，设定恢复门限ε值，其中，

[0049] ①ε为一个常数，且ε＞0，②

[0050] dmin表示星座映射图上与原点距离最小的星座点的欧氏距离，Kmod表示星座平均能量，对应于对距离原点欧氏距离最大的星座点打孔后的BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM星座映射方式，Kmod值分别为：0.5、1.5、8.875、40.46875、168.2421875。计算得到不同星座调制方式下恢复门限ε的值如表1所示：

[0051] 表1不同星座调制方式下的恢复门限

[0052]星座调制方式 BPSK QPSK 16QAM 64QAM 256QAM
恢复门限ε 0.25 0.25 0.1 0.05 0.025

[0053] 2)16QAM的判决门限为0.1，当接收符号Q′0满足|Q′0|＜0.1时，将被判决为Q16，反之则保持不变。其它符号由于和Q0的距离较远，所以判决为Q16的概率很低，从而保证以较大的概率实现正确恢复。

[0054] 实施例2：

[0055] 选择LDPC编码作为前向纠错编码，组成LDPC-YP-COFDM安全系统，具体选择802.16e标准中定义的QC-LDPC码以及RU快速编码算法，译码方案采用基于高阶星座软解调的Log-BP联合译码算法，LDPC码码长为2304、码率为1/2、译码迭代次数为10，OFDM的子载波数为576，选取16QAM星座调制方式，此星座映射下的恢复门限ε为0.1。

[0056] 对于各种不同的星座映射方式来说，其星座图都具有对称性，因此，当选择欧氏距离相同的各个星座点分别作为打孔星座点时，其安全界结果是相同的，因此，本实施例随机的从欧氏距离最大的星座点候选集{Q1,Q4,Q13,Q16}中选取Q16星座点作为打孔星座点时，其仿真出来的安全界结果与将Q1，Q4，Q13分别作为打孔星座点的安全界结果相同。

[0057] 将实施例1中Q6，Q9，Q16分别作为打孔星座点时LDPC-YP-COFDM系统的安全界进行了仿真验证，如图5所示。

[0058] 仿真结果显示，将Q6，Q9，Q16分别作为打孔星座点时LDPC-YP-COFDM系统的安全界分别为：4.3dB，4.2dB，4dB。结果表明：距离原点欧氏距离最大的点Q16的安全界最小。

[0059] 图6为将Q16作为星座打孔点时，LDPC-YP-COFDM系统的安全界曲线。从图6可以看出，当安全性等级分别为0.4、0.45及0.49时，该系统的安全界分别为4dB、6.5dB、10dB，结果表明：窃听信道质量只要低于合法信道4dB，6.5dB及10dB的话，就能够保证信息无密钥安全传输。

[0060] 实施例3：

[0061] 将现有的具有代表性的三种安全方法，a：打孔LDPC安全编码方法(具体方法参见文献[1]，Klinc D.,Ha J.,Mclaughlin S.W.,et al.LDPC codes for physical layer security[J].University of Windsor,2009)，b：添加扰乱矩阵法(具体方法参见文献[2]，Baldi M.,Bianchi M.,Chiaraluce F..Non-systematic codes for physical layer security[C]//Information Theory Workshop(ITW),2010IEEE.IEEE,2010:1-5)，c：反格雷码映射方法(具体方法参见文献[3]，Kwak B.J.,Song N.O.,Park B.,et al.Physical Layer Security with Yarg Code[C]//Proceedings of the 2009First International Conference on Emerging Network Intelligence.IEEE Computer Society,2009:43-48)以及传统LDPC-COFDM系统与本发明C-YP-COFDM算法进行比较，具体结果见表2。其中方法a和b均是通过设计安全编码来减小系统安全界，研究重点在信道编码模块上，和通信系统环境及星座调制方式无关；方法c和本文均是围绕调制解调模块进行的，但方法c在发送端反格雷码映射后和接收端反格雷码解调前没有设置星座打孔模块和星座恢复模块。

[0062] 从表2中可以得出，本发明设计的LDPC-YP-COFDM系统在安全性等级 为0.4时，在高阶星座调制方式下，其安全界均小于等于4dB，尤其是在256QAM时达到了2.3dB，相比于目前已知性能最好的打孔LDPC算法还降低了0.2dB，在其它安全等级下也均有降低，表现出良好的性能。

[0063] 表2不同安全性等级下不同安全方法所对应的系统安全界

[0064]

[0065] 其中， 代表系统安全性等级，SG(security gap)代表系统安全界。

[0066] 方法c也采用了反格雷码映射，但是没有进行星座打孔，是在16QAM和64QAM情况下，本发明方法比其安全界在不同安全等级下，均减小2.5dB以上，这充分说明本发明所提出的反格雷码映射和星座打孔相结合的方法是可行的，可以有效降低安全界。

[0067] 和传统LDPC-COFDM系统比较，LDPC-YP-COFDM系统的安全界降低达14dB以上，这充分说明本发明的方法有效提高了LDPC-COFDM系统的安全性。

[0068] 在实现复杂度方面，方法a和方法b均是在高码率环境下的信道编码环节实现安全算法，对算法的计算时间限制较多，实现复杂。本发明是在星座调制环节实现安全算法，实际上是在低速的复数符号上通过两次判决，完成打孔和恢复，复杂度为O(N)(N为子载波个数)，实现过程简单，限制少，容易和COFDM系统相融合。

[0069] 综上可见，本发明提出的反格雷码映射和星座打孔相结合的方法可以有效降低安全界，构造的COFDM安全系统实现简单，易于推广，并且具有很好的安全性能。