專利名稱：無線局域網(wǎng)中基于時變mpsk調(diào)制的物理層加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無線局域網(wǎng)中基于時變MPSK調(diào)制的物理層加密方法屬于無線局域網(wǎng)信息傳輸安全技術(shù)領(lǐng)域。
目前，IEEE802.11委員會已經(jīng)意識到無線局域網(wǎng)固有的安全缺陷，從而引入了WEP(Wired Equivalent Privacy)算法。但是，WEP算法也有自身的缺陷和弱點，不能完全保證加密傳輸?shù)挠行?，也無法保證WLAN的安全性。
在介紹我們發(fā)明的時變調(diào)制方式物理層加密算法之前，有必要簡單的介紹傳統(tǒng)的MPSK調(diào)制方式。MPSK是以載波相位作為攜帶信息的參數(shù)的一種多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式。在M進(jìn)制(例如M＝8，表示八進(jìn)制)相移鍵控信號中，載波相位有M種取值，所對應(yīng)的M種持續(xù)時間為Ts的符號可以表示為Si(t)=2EsTscos(ωCt+φi)0≤t≤Ts,i=0,1,...,M-1---(1)]]>這里，Es為單位符號的信號能量，即在0≤t≤Ts時間間隔內(nèi)的信號能量；ωC為載波角頻率；φi為相位，有M種取值。
MPSK信號的理論誤比特率計算公式如下M＝2時，Pb,BPSK=Q(2EbN0)---(2)]]>M＝4時，Pb,QPSK=2Q(2EbN0)[1-14Q(2EbN0)]---(3)]]>M＝8時，Pb,8PSK=2Q(6EbN0sinπ8)---(4)]]>M＝16時，Pb,16PSK=2Q(8EbN0sinπ16)---(5)]]>這里，Q表示Q函數(shù)，其數(shù)學(xué)涵義為Q(a)=∫a∞12πe-x22dx,]]>即高斯分布概率密度函數(shù)的尾部面積。Eb表示單比特信號的能量，N0表示噪聲的功率譜密度。
在通常情況下，MPSK調(diào)制方式所采用的M值是不變的，相位偏移φi的取值范圍也是不變的。這樣，調(diào)制后的信號一旦被截獲，就容易被解調(diào)，導(dǎo)致信息泄漏。為此，我們提出時變MPSK的調(diào)制方式，以增加系統(tǒng)的安全性能。更進(jìn)一步地，為了降低系統(tǒng)的誤碼率和實現(xiàn)的復(fù)雜性，我們還對時變的MPSK調(diào)制方式做出一些改進(jìn)，以增加這種方法的可用性。
基于時變MPSK調(diào)制方式的物理層加密算法的基本思想是產(chǎn)生兩個PN偽隨機序列，根據(jù)第一個PN序列不斷改變多進(jìn)制M的取值，同時根據(jù)M的取值和第二個PN序列不斷改變相位偏移φi的取值。每次M和φi改變后只調(diào)制數(shù)據(jù)一次。這樣，調(diào)制后的信號在M和φi兩個參數(shù)上都沒有統(tǒng)計規(guī)律可言，具有很強的保密性，達(dá)到了加密的目的。具體情況，參見

圖1，已有的基于時變的MPSK調(diào)制方式的物理層加密算法表述如下(1)隨機PN序列的產(chǎn)生(i)PN12bits隨機{0，1}序列，用于選定MPSK調(diào)制方式的M值，其對應(yīng)方式如表1所示。
(ii)PN2log2M bits隨機{0，1}序列，用于選定相位偏移φi的值，其對應(yīng)方式如下將log2M bits的{0，1}序列看作一個二進(jìn)制數(shù)，記為(PN2)2，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后，記為(PN2)10。則φi=2π(PN2)10M---(6)]]>(2)調(diào)制加密(Encode)簡化調(diào)制模式，利用MPSK調(diào)制方式的星座圖來標(biāo)記加密數(shù)據(jù)，將加密后的數(shù)據(jù)選定在單位圓上。
對于MPSK調(diào)制方式和選定的M，加密數(shù)據(jù)m應(yīng)該滿足0≤m≤M-1，有SIGNAL=m,ENCODE=exp[j·(2πmM+φi)]---(7)]]>(3)解調(diào)解密(Decode)(i)解密依據(jù)采用復(fù)平面，在單位圓上標(biāo)記星座點。由于相位偏移φi的存在，星座點會發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。星座點的標(biāo)記方式如下CONSTELLATION POINTS=exp[j·(2πKM+φi)]---(8)]]>(K＝0，1，2，...，M-1)將接收到的數(shù)據(jù)(RECEIVE)與各個星座點比較，距離最近的點作為該數(shù)據(jù)的值；也就是說，將與數(shù)據(jù)點在復(fù)平面上距離最近的星座點所對應(yīng)的K值作為解密的數(shù)據(jù)。
(ii)解密方法取M個星座點CP1，CP2，...，CPM分別對應(yīng)K＝0，1，2，…，M-1這M個點，解密方法如下IF|RECEIVE-CPK|＝Min(RECEIVE-CP1，...，RECEIVE-CPM) (9)THEN DECODE＝K應(yīng)該指出的是，上述方法雖然在系統(tǒng)安全性上有很大的提高，但是由于BPSK、QPSK、8PSK和16PSK這4種調(diào)制方式都以1/4的概率出現(xiàn)，致使整個系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度增加，誤碼率也較高，從而限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，即要求系統(tǒng)的信噪比較高(大于12dB)。為此，我們要在已有的時變MPSK調(diào)制方式物理層加密算法上作一些改進(jìn)，以擴大它的適用范圍。本發(fā)明的特征在于它是一種采用且較低進(jìn)制QPSK調(diào)制方式的時變MPSK(Multiple PhaseShift Keying，多進(jìn)制相位鍵控)的物理層加密方法。它是一種采用且較低進(jìn)制8PSK調(diào)制方式的時變MPSK(Multiple Phase Shift Keying，多進(jìn)制相位鍵控)的物理層加密方法。仿真實驗證明在大大提高系統(tǒng)安全性能的基礎(chǔ)上，用較低進(jìn)制的MPSK調(diào)制方式可以極大地提高系統(tǒng)的誤碼率BER性能。
對于QPSK，星座點的標(biāo)記方式如下CONSTELLATION POINTSQPSK=exp[j·(2πK4+φi)](K=0,1,2,3)---(13)]]>對于8PSK，星座點的標(biāo)記方式如下CONSTELLATION POINTS8PSK=exp[j·(2πK8+φi)](K=0,1,...,7)---(14)]]>將接收到的數(shù)據(jù)與各個星座點比較，距離最近的點作為該數(shù)據(jù)的值；也就是說，將與數(shù)據(jù)點在復(fù)平面上距離最近的星座點所對應(yīng)的K值作為解密的數(shù)據(jù)。
與已有的物理層加密算法相比，改進(jìn)后的物理層加密算法主要優(yōu)點如下(1)信號出現(xiàn)的形式相同，二者都采用了16PSK調(diào)制方式的星座圖(如圖3所示)，信號中所載的用戶信息被保護(hù)。(2)由于采用固定的MPSK調(diào)制方式(8PSK或者QPSK)，所以接收信號的解調(diào)過程，也就是解密過程更為簡單。(3)由于采用了較低進(jìn)制的MPSK調(diào)制方式，所以系統(tǒng)的誤碼率大大降低。
但是，由于已有的物理層加密算法采用的是隨機的混合MPSK調(diào)制方式，而改進(jìn)后的算法改為了固定的MPSK調(diào)制方式，所以在加密性能上與原有的方法相比略有損失。
從MPSK調(diào)制方式的誤比特率公式來看，MPSK信號的誤比特率主要取決于M和Eb/N0的值。一般地，M越大，信號的誤比特率就越高，同時系統(tǒng)的復(fù)雜度也就越高，當(dāng)M過大的時候，系統(tǒng)會因復(fù)雜度過高而無法實現(xiàn)。同時，Eb/N0越大，信號的誤比特率就越低，當(dāng)Eb/N0充分大的時候，信道趨向于沒有噪聲的理想信道，不同的M值所帶來的差別將不再明顯。所以，為了討論這兩個因素對于算法可用性的影響，我們只考慮常用的MPSK調(diào)制方式和通常情況下的Eb/N0范圍進(jìn)行Monte Carlo仿真。系統(tǒng)仿真通過Monte Carlo仿真和仿真結(jié)果的比較，我們發(fā)明的時變MPSK調(diào)制方式物理層加密算法具有很強的應(yīng)用潛力。實驗仿真中，我們考慮AWGN(Additive White Gauss Noise，加性高斯白噪聲)信道，通過Eb/N0的值對噪聲能量進(jìn)行控制；然后將噪聲(NOISE)疊加在加密信號(ENCODE)上面作為接收信號(RECEIVE)，最后通過解密得到發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。定義 的取值范圍為5dB～15dB。實驗仿真的流程原理如圖4所示。
關(guān)于噪聲的產(chǎn)生和噪聲能量的控制，具體方法表述如下(1)噪聲的產(chǎn)生產(chǎn)生白色復(fù)噪聲，即n＝n1+j·n2。要注意模的歸一化，即復(fù)噪聲同樣是零均值，方差為1的白噪聲。
所以，若n1，n2均為零均值，方差為1的白噪聲，有n=12(n1+j·n2)---(15)]]>(2)對噪聲能量的控制根據(jù)公式SNR=log2M·EbN0=EsEn,]]>且信號能量Es＝1。輸入 則EsEn=SNR=log2M·10(EbN0)dB10---(16)]]>有En=EsSNR=1SNR---(17)]]>(3)綜上所述接收信號RECEIVE＝ENCODE+NOISE其中NOISE=nSNR,]]>SNR=log2M·10(EbN0)dB10,]]>n=12(n1+j·n2).]]>為了比較，我們在仿真結(jié)果中列出了理論上的MPSK信號BER性能。首先，我們考慮圖5和圖6，它給出了16PSK，8PSK和QPSK在理論上的BER性能比較?？梢钥闯觯?dāng)M降低時，相應(yīng)的誤碼率也大大降低，也就是說，較低進(jìn)制的MPSK調(diào)制方式可以極大的提高系統(tǒng)的BER性能。例如，當(dāng)(EbN0)dB=7dB]]>時，16PSK、8PSK、QPSK的誤比特率分別為5.42％、1.20％、0.15％。另外，隨著Eb/N0的增加，較低進(jìn)制的MPSK調(diào)制方式以更快的速度趨向于理想信道的BER性能。所以，無論在低SNR區(qū)還是高SNR區(qū)，3種MPSK調(diào)制方式的區(qū)別都是明顯的。
圖7和圖8是在計算機上200,000個字符的Monte Carlo仿真結(jié)果，它給出了隨機MPSK，8PSK和QPSK在實際應(yīng)用中的BER性能比較?？梢钥闯觯捎幂^低進(jìn)制的固定MPSK調(diào)制方式可以極大的提高系統(tǒng)的BER性能。另外，隨著Eb/N0的增加，較低進(jìn)制的固定MPSK調(diào)制方式以更快的速度趨向于理想信道的BER性能。所以，無論在低SNR區(qū)還是高SNR區(qū)，隨機MPSK調(diào)制方式與固定的較低進(jìn)制MPSK調(diào)制方式的區(qū)別都是明顯的。
圖9給出了時變MPSK調(diào)制方式的理論BER性能與實際仿真BER性能的比較。可以看出，采用隨機MPSK調(diào)制方式的BER性能與16PSK調(diào)制方式的BER性能十分接近。由此可以得出，對于時變MPSK調(diào)制方式的BER性能，16PSK調(diào)制方式起著決定性的作用。也就是說，由于16PSK調(diào)制方式的存在，使得整個系統(tǒng)的誤比特率大大增加。因此，在系統(tǒng)中采用較低進(jìn)制的固定MPSK調(diào)制方式，可以大大地提高整個系統(tǒng)的BER性能。另外，8PSK和QPSK的仿真曲線與理論曲線非常吻合，也進(jìn)一步印證了仿真結(jié)果的正確性。
附表1PN1隨機序列與調(diào)制方式的選擇對應(yīng)關(guān)系

權(quán)利要求
1.無線局域網(wǎng)中基于時變MPSK調(diào)制的物理層加密方法，采用隨機PN序列不斷改變相位偏移φi的值，其特征在于它是一種采用且較低進(jìn)制QPSK調(diào)制方式的時變MPSK(MultiplePhase Shift Keying，多進(jìn)制相位鍵控)的物理層加密方法。
2.無線局域網(wǎng)中基于時變MPSK調(diào)制的物理層加密方法，采用隨機PN序列不斷改變相位偏移φi的值，其特征在于它是一種采用且較低進(jìn)制8PSK調(diào)制方式的時變MPSK(MultiplePhase Shift Keying，多進(jìn)制相位鍵控)的物理層加密方法。
全文摘要
無線局域網(wǎng)中基于時變MPSK調(diào)制的物理層加密方法屬于無線局域網(wǎng)信息傳輸安全技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它在利用傳統(tǒng)的隨機PN序列不斷改變相位偏移的前提下，采用固定的QPSK或8PSK較低進(jìn)位制的調(diào)制方式，以便在大大提高系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上，極大的提高系統(tǒng)誤碼率BER的性能；而且，無論在低信噪比SNR區(qū)還是高SNR區(qū)，隨機MPSK調(diào)制方式固定的較低進(jìn)制MPSK調(diào)制方式相比，都有其明顯的優(yōu)點。
文檔編號H04L27/22GK1477831SQ03145950
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者樊平毅, 劉忱 申請人:清華大學(xué)