[发明专利]一种OFDM系统中基于子载波排序和XOR运算的物理层安全传输方法

说明书

本发明公开了一种基于子载波排序和XOR运算的OFDM系统物理层安全传输方法，利用已知的信道状态信息，将各个子载波按照其信道质量的大小进行排序，将子载波分为两部分，前一半信道质量较好的子载波信道与后一半信道质量较差的子载波信道，之后对原始发送数据比特符号按照对应关系进行处理，分别发送原始信号和异或运算处理后的信号，接收端进行联合接收译码恢复原始数据符号。仿真结果表明该方案实现了很好的防窃听效果，达到了很好的安全传输要求，并通过功率分配达到系统误比特率性能的提升，具有一定的稳定性和实用性。

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，特别涉及一种物理层安全传输方法，适用于多种通信网络。

背景技术

物理层安全本质在于利用各用户信道特征的差异性和噪声干扰的不确定性加密发送信息，使得窃听者难以获得发送信息的信息量，相较于在应用层加密的传统安全方法，物理层安全算法可在物理层通过调制对发送信息加密来确保信息的完全安全。物理层安全通常分为两种实现方式：一种是干扰发送方法，发送端利用与合法接收端之间的信道特性，通过使用自干扰的方法干扰发送信号，从而破坏窃听者对信息的解码能力，降低窃听者接收端信噪比而加强合法接收者的保密能力，使合法接收者能够根据发送信息解码发送信号；另一种是信道加密方法，通过对合法信道的信道特征提取量化，利用信道的互易性和不确定性，进行密钥协商和保密增强，从而达到绝对安全传输的效果。

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，载波和功率的选取影响通信双方的信道特征，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。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。分析发现现有的安全编码算法的研究存在以下不足：1)物理层安全编码大多要求合法接收者的信道状况要高于窃听信道，而在实际的无线通信传输中，难以保证此要求；2)安全算法的实施需要获得窃听者实时的信道状态信息，从信息论角度优化分配多载波资源，而在实际中很难获得窃听者信道状态信息；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。

发明内容

本发明的目的在于提供种OFDM系统中基于子载波排序和XOR运算的物理层安全传输方法，使得合法用户能够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。并在考虑到误码率性能方面，对该方法做出基于误比特率最优化准则的功率分配优化，提高了该方法的误比特率性能。该方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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种OFDM系统中基于子载波排序和XOR运算的物理层安全传输方法，包括下述步骤：

(1)确定合法接收者与发送者之间的信道状态信息，发送端将信道特征量化，根据信道质量的好坏对各子载波进行排序，将子载波分为两部分，前一半信道质量较好的子载波信道与后一半信道质量较差的子载波信道；

(2)将前一半的原始数据放入到前一半信道质量较好的子载波信道中进行发送，将后一半的原始数据与前一半一一对应进行异或运算后放入到后一半信道质量较差的子载波信道中进行发送，得到需要发送信息矢量X；

(3)在接收端进行数据解调时，同样根据信道状态信息对收到的数据信息根据信道质量的好坏排序，将子载波信道质量较好的前一半数据放入到接收数据序列的前一半中，将子载波信道质量较差的后一半数据与前一半数据进行异或运算放入到接收数据序列的后一半中，无噪条件下收到完整的发送端数据比特信息D；

(4)通过误比特率最优化准则对子载波进行功率分配，优化系统误比特率性能；针对OFDM系统中基于子载波排序和XOR运算的物理层安全传输方法设计最优功率分配算法函数组；

(5)针对最优功率分配算法设计次优功率分配算法并提供操作步骤；