一种基于连续子载波分组的物理层安全算法制造技术

本发明专利技术属于无线通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于连续子载波分组的物理层安全算法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络，通过建模、分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了系统误比特率性能。分组处理仿真结果表明，子载波分组处理可在一定程度上改善本系统由信道估计误差影响下的鲁棒性性能。

A physical layer security algorithm based on continuous subcarrier grouping

【技术实现步骤摘要】
一种基于连续子载波分组的物理层安全算法
本专利技术属于无线通信物理层安全
，具体涉及一种基于连续子载波分组的物理层安全算法，适用于结合OFDM技术特点的多载波通信网络，对增强5G网络的信息安全性能有积极的作用。
技术介绍
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。现有的关于物理层安全技术的研究大部分都是基于合法通信双方对通信信道进行理想信道估计得到理想的信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)的。所依赖的信道估计技术同样基于信道的互易性，但是在实际传输过程中，信道估计受到诸多因素制约，造成应用的困难。一方面，信道互易性仅存在于相干时间范围内，当信道时变剧烈，信道互易性只存在于较短时间。另一方面，信道估计误差、信道时变性、射频器件的非理想性以及上下行干扰模式的不对称等都会导致信道互易性在一定程度上的损失，造成基站无法通过上行信道状态信息直接获知下行信道状态信息，这些都会直接导致接收端的判断产生一定误差，造成系统性能的下降。基于此，分析在信道估计误差条件下所提方案的系统性能对实际应用传输具有重要的指导作用。现有的关于非理想条件下的物理层安全研究就大多都是针对信道状态信息CSI存在估计误差的情况分析的。CSI估计误差可以有两种建模方式：一种是模型是误差服从零均值高斯分布；另一种模型是误差服从受限的零均值均匀分布。现有的文章主要研究了信道估计误差对Bob的误码率及接收的信干噪比、信道安全容量以及可达的安全速率的影响。此前没有专利重点考察误比特率指标对物理层安全性能的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种基于连续子载波分组的物理层安全算法，该算法选取服从零均值高斯分布的随机误差模型作为信道估计误差。通过分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了系统误比特率性能。本专利技术的技术方案是：一种基于连续子载波分组的物理层安全算法，适用于结合OFDM系统特点的多载波通信网络，包含以下步骤：S1、系统建模：假设Hb为理想CSI，为接收端估计的CSI，ΔH信道估计误差矩阵服从均值为零，方差为σ2的高斯分布，Hb与ΔH是不相关的，则由于理想信道系数矩阵和信道估计误差矩阵为复高斯随机变量，Hb和ΔH可看作两个矩阵向量，则两者的相加可看作Hb矩阵向量幅值相位的改变，则改写式的极坐标形式为：A为信道估计误差对理想信道估计幅值的影响，ω是逆时针旋转角度，为信道估计误差对理想信道估计相位的影响，A与ω均服从均值为零方差为的高斯随机变量；S2、分组处理：设OFDM系统共包含K个子载波，将原始子载波顺序相邻的M个调制符号数据合并为一组进行处理，得到对应的K/M长度的调制符号矩阵XM，将各组内子载波对应的CSI系数模值平方进行求和运算并取平均得到称为该组子载波的信道估计系数，将各组信道估计系数放入同一并行序列中，得到分组后的CSI信道质量序列：S3、排序处理：将上述步骤得到的分组后的CSI信道质量序列HM按照数值大小排序得到CSI排序序列其中之后将分组后的调制符号XM搭载在CSI排序后的子载波信道上进行OFDM调制并发送；S4、接收端数据解调处理：由于信道互易性可得到与发送端同样的信道序列HM，对解调得到的子载波组与其承载的比特序列B排序，得到对前一半比特序列不做处理，而后一半比特序列与前一半比特序列逐一异或后得到最终得到译码比特序列接收端进行相反处理即可得到原始比特数据具体的，所述的系统建模为多径衰落信道，各径采用瑞利衰落信道，由于子载波带宽小于多径信道相干带宽，各载波处于平坦衰落环境，分析数据信息通过瑞利信道传输时产生的信道估计误差带来的影响，瑞利分布的概率密度函数可表示为：对于仿真分析中的瑞利衰落信道模型，可建模为服从归一化的复高斯随机变量的分布，则理想信道矩阵Hb的实部与虚部均服从均值为零、方差为σ2的高斯随机变量：Re(Hb)～N(0,σ2),Im(Hb)～N(0,σ2)，对于信道估计误差矩阵可建模为：Re(ΔH)～N(0,σs2σ2),Im(ΔH)～N(0,σs2σ2)，信道估计误差矩阵的方差与理想信道估计矩阵的方差具有σs2的比例关系。本专利技术的有益效果是：1重点考察误比特率指标对物理层安全性能的影响；2本专利技术安全算法设计方案无需发送人工噪声，并未降低系统的能量效率；3本专利技术安全算法仅利用载波间计算关系增加复杂度，从而达到物理层安全传输要求，计算处理较为容易实现；4.本专利技术巧妙利用系统中现有子载波进行分组处理，从而提升方案误码性能，不会引起系统额外开销。由于受到信道估计误差影响，接收端的CSI排序序列或与发送端CSI排序序列不同，因此导致系统误比特率性能的损失，本专利技术安全算法通过分组处理将CSI估计误差分散到子载波组中，平均化由信道估计误差带来的排序错乱，同时子载波分组处理中频域信道系数模值平方的求和运算拉大了不同组信道平均增益之间的差异，一定地提高了排序的鲁棒性，从而改善了系统误比特率性能。分组处理仿真结果表明，子载波分组处理可在一定程度上改善本系统由信道估计误差影响下的鲁棒性性能。附图说明图1是OFDM系统物理层安全传输算法的原理框图；图2合法接受者误码率性能受相位估计误差的影响示意图；图3是合法接受者误码率性能受幅值估计误差的影响示意图；图4是相邻子载波分组处理示意图；图5是σs2＝0.01，K＝128时组内载波数对系统误比特率性能的影响；图6是σs2＝0.01时总载波数与组内载波数对系统误比特率性能的影响。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行详细的描述。实施例1本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于连续子载波分组的物理层安全算法，适用于结合OFDM系统特点的多载波通信网络，其特征在于，包含以下步骤：/nS1、系统建模：假设H

【技术特征摘要】
1.一种基于连续子载波分组的物理层安全算法，适用于结合OFDM系统特点的多载波通信网络，其特征在于，包含以下步骤：
S1、系统建模：假设Hb为理想CSI，为接收端估计的CSI，ΔH信道估计误差矩阵服从均值为零，方差为σ2的高斯分布，Hb与ΔH是不相关的，则由于理想信道系数矩阵和信道估计误差矩阵为复高斯随机变量，Hb和ΔH可看作两个矩阵向量，则两者的相加可看作Hb矩阵向量幅值相位的改变，则改写式的极坐标形式为：
S2、分组处理：设OFDM系统共包含K个子载波，将原始子载波顺序相邻的M个调制符号数据合并为一组进行处理，得到对应的K/M长度的调制符号矩阵XM，将各组内子载波对应的CSI系数模值平方进行求和运算并取平均得到称为该组子载波的信道估计系数，将各组信道估计系数放入同一并行序列中，得到分组后的CSI信道质量序列：



S3、排序处理：将上一步骤得到的分组后的CSI信道质量序列HM按照数值大小排序得到CSI排序序列其中之后将分组后的调制符号XM搭载在CSI排序后的子载波信道上进行OFDM调制并发送...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸣岩，吕卓，郭志民，田杨阳，陈岑，杨文，韩建阁，郑腾霄，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41