本發(fā)明屬于通信安全
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種降低COFDM系統(tǒng)安全界的方法。
背景技術(shù)：
：正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，在高速傳輸系統(tǒng)中具有無可比擬的優(yōu)越性。編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)(COFDM)是寬帶無線通信的核心技術(shù)，有效降低其安全界是保證安全通信的重要途徑。數(shù)字通信系統(tǒng)安全性是指通信系統(tǒng)是否具有安全通信能力以及安全水平的高低。物理層安全作為一種新興的無線安全傳輸技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧最底層的物理層的角度為解決無線通信的信息安全問題提供了新的思路。而現(xiàn)有的研究物理層安全性的測(cè)度的有兩種：保密容量和安全界。其中，安全界(Securitygap)是一個(gè)用來衡量一定物理層安全水平下合法信道與竊聽信道間質(zhì)量差異的安全測(cè)度，是一種基于誤碼率(BitErrorRate，BER)且相比于保密容量更易獲取與分析的安全測(cè)度，該測(cè)度將合法信道與竊聽信道間質(zhì)量上的差異轉(zhuǎn)化為兩者BER上的差異，從而實(shí)現(xiàn)合法用戶具有低BER、竊聽用戶具有高BER的可靠安全通信?，F(xiàn)有技術(shù)從調(diào)制映射的角度，以最大化相鄰星座點(diǎn)間距離為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種反格雷碼(Yargcode)，提高了低信噪比(SignalNoiseRatio，SNR)區(qū)域的解調(diào)誤比特率，達(dá)到縮小安全界的目的，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單并取得了較好的結(jié)果，但是其所對(duì)應(yīng)的安全界仍然較大，并且未在完整的通信系統(tǒng)環(huán)境下分析安全界。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明基于完整的通信系統(tǒng)環(huán)境，將反格雷碼映射(Yarg-codemapping)方法和星座打孔(Constellationpuncture)技術(shù)相結(jié)合(簡(jiǎn)稱為YP)，應(yīng)用到COFDM系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)一種實(shí)用性強(qiáng)且具有更高安全性的COFDM安全系統(tǒng)，即本發(fā)明C-YP-COFDM系統(tǒng)，其中C指代某種信道編碼方式。具體采用以下技術(shù)方案：一種降低COFDM系統(tǒng)安全界的方法，包括以下步驟：步驟1，信源輸出信息比特流X(k)，并對(duì)X(k)進(jìn)行信道編碼，得到碼字序列c(k)；步驟2，對(duì)碼字序列c(k)進(jìn)行反格雷碼映射得到復(fù)數(shù)符號(hào)序列C(k)；步驟3，根據(jù)星座映射圖對(duì)復(fù)數(shù)符號(hào)序列C(k)選取打孔星座點(diǎn)Qw，進(jìn)行星座打孔置零并輸出符號(hào)序列Cp(k)；步驟4，對(duì)符號(hào)序列Cp(k)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換、快速傅里葉逆變換、并串轉(zhuǎn)換及添加CP操作，得到OFDM符號(hào)s(n)；步驟5，將s(n)經(jīng)發(fā)射模塊D/A處理后發(fā)送并進(jìn)行信道傳輸；步驟6，在接收端接收到的模擬信號(hào)經(jīng)過接收模塊A/D處理后得到接收序列r(n)；步驟7，對(duì)接收序列r(n)進(jìn)行去CP、串并轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換及并串轉(zhuǎn)換得到符號(hào)序列C'p(k)；步驟8，對(duì)C'p(k)進(jìn)行星座恢復(fù)、反格雷碼解調(diào)及信道譯碼后，恢復(fù)出信息比特流Y(k)。步驟1中信道編碼采用前向糾錯(cuò)編碼，包括LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或漢明碼信道編碼方式。步驟3中進(jìn)行星座打孔置零是指：星座映射圖具有M＝2n個(gè)星座點(diǎn)，從M個(gè)星座點(diǎn)中選取一個(gè)作為打孔星座點(diǎn)Qw，并將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)符號(hào)置零，其中，n為每個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特?cái)?shù)。步驟3中打孔星座點(diǎn)Qw選擇與坐標(biāo)原點(diǎn)歐氏距離最大的星座點(diǎn)為打孔星座點(diǎn)。步驟8中將C`(k)進(jìn)行星座打孔恢復(fù)是指：1)設(shè)定恢復(fù)門限ε值，ε需滿足，①ε為一個(gè)常數(shù)，且ε＞0，②其中，dmin表示星座映射圖上與原點(diǎn)距離最小的星座點(diǎn)的歐氏距離，Kmod表示星座平均能量；2)，對(duì)于接收序列中的符號(hào)y′i，若|y′i|＜ε，則恢復(fù)符號(hào)y′i→Qw，若|y′i|≥ε，則恢復(fù)符號(hào)y′i→y′i。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：1、本發(fā)明OFDM調(diào)制中采用了反格雷碼星座映射方式，并且分別在發(fā)送端反格雷碼映射后和接收端反格雷碼解調(diào)前添加了星座打孔模塊和星座恢復(fù)模塊，從信源輸出信息比特流到恢復(fù)出信息比特流，是基于完整的系統(tǒng)環(huán)境下分析的，實(shí)用性更強(qiáng)。2、本發(fā)明通過對(duì)反格雷碼星座映射圖上的星座點(diǎn)進(jìn)行打孔置零，使得低信噪比下打孔位不易恢復(fù)，高信噪比下打孔位可完全恢復(fù)，從而使得低信噪比下系統(tǒng)誤碼率更高，高信噪比下系統(tǒng)誤碼率減小更快，進(jìn)而達(dá)到大大減小系統(tǒng)安全界的目的。3、本發(fā)明是在星座調(diào)制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)安全算法，實(shí)際上是在低速的復(fù)數(shù)符號(hào)上通過兩次判決，該過程中分別完成星座打孔和星座恢復(fù)，復(fù)雜度為O(N)(N為子載波個(gè)數(shù))，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單，限制少，容易和COFDM系統(tǒng)相融合。設(shè)計(jì)的COFDM安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于推廣，并且具有很好的安全性能。附圖說明圖1為本發(fā)明C-YP-COFDM系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型圖。圖2為實(shí)施例1采用反格雷碼映射的16QAM星座圖。圖3為實(shí)施例1基于圖2符號(hào)化的16QAM星座圖。圖4為實(shí)施例1星座打孔過程示意圖。圖5為實(shí)施例2LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)不同打孔星座點(diǎn)下的誤碼率曲線比較圖。圖6為實(shí)施例2LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)在打孔星座點(diǎn)Q16時(shí)的安全界曲線。具體實(shí)施方式本發(fā)明安全界計(jì)算方法是基于竊聽信道模型，信道編碼采用前向糾錯(cuò)編碼(ForwardErrorCorrection，簡(jiǎn)稱FEC)，例如：LDPC、Turbo、RS、TPC、BCH或漢明碼信道編碼方式，選擇不受限，靈活性強(qiáng)，反格雷碼映射仿真中采用的星座調(diào)制方式包括BPSK、QPSK、16QAM、64QAM或256QAM等。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實(shí)施例1：本實(shí)施例以16QAM(QuadratureAmplitudeModulation正交幅度調(diào)制)星座調(diào)制方式為例來詳細(xì)說明降低C-YP-OFDM系統(tǒng)安全界的具體方法。步驟1，信源輸出信息比特流X(k)，采用FEC編碼器對(duì)X(k)進(jìn)行信道編碼，得到碼字序列c(k)；步驟2，對(duì)碼字序列c(k)進(jìn)行反格雷碼映射，得到復(fù)數(shù)符號(hào)序列C(k)，構(gòu)造出4bit反格雷碼，將其對(duì)應(yīng)到星座映射圖上，形成16QAM反格雷碼星座映射圖，具體如圖2所示。步驟3，根據(jù)16QAM反格雷映射星座圖對(duì)復(fù)數(shù)符號(hào)序列C(k)選取打孔星座點(diǎn)Qw進(jìn)行星座打孔置零并輸出符號(hào)序列Cp(k)；將圖2中的每個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)為復(fù)數(shù)符號(hào)，例如0000→Q1＝-3+3j、1011→Q2＝-1+3j，依次類推，可得符號(hào)化16QAM星座圖如圖3所示。選擇與坐標(biāo)原點(diǎn)歐氏距離最大的星座點(diǎn)為打孔星座點(diǎn)，根據(jù)步驟2，從圖3可以確定16QAM反格雷星座圖的打孔星座點(diǎn)候選集為{Q1,Q4,Q13,Q16},本實(shí)施例隨機(jī)選擇其中的Q16作為打孔星座點(diǎn)。因而當(dāng)進(jìn)行星座映射(數(shù)字調(diào)制)時(shí)，Q16所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼字“1010”就被映射為符號(hào)“0”(用Q0表示)，而不是復(fù)數(shù)符號(hào)“3-3j”，其過程如圖4示。步驟4，對(duì)符號(hào)序列Cp(k)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換、快速傅里葉逆變換(IFFT變換)、并串轉(zhuǎn)換及添加CP操作，得到OFDM符號(hào)s(n)；步驟5，將s(n)經(jīng)發(fā)射模塊處理后得到模擬信號(hào)s(t)后發(fā)送出去并進(jìn)行信道傳輸；步驟6，在接收端接收到的模擬信號(hào)r(t)經(jīng)過接收模塊中的A/D處理后得到接收序列r(n)；步驟7，對(duì)接收序列r(n)進(jìn)行去CP、串并轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換及并串轉(zhuǎn)換得到符號(hào)序列C'p(k)；步驟8，對(duì)C'p(k)進(jìn)行星座恢復(fù)、反格雷碼解調(diào)及信道譯碼后，恢復(fù)出信息比特流Y(k)，其中星座恢復(fù)準(zhǔn)則為：1)，設(shè)定恢復(fù)門限ε值，其中，①ε為一個(gè)常數(shù)，且ε＞0，②dmin表示星座映射圖上與原點(diǎn)距離最小的星座點(diǎn)的歐氏距離，Kmod表示星座平均能量，對(duì)應(yīng)于對(duì)距離原點(diǎn)歐氏距離最大的星座點(diǎn)打孔后的BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM星座映射方式，Kmod值分別為：0.5、1.5、8.875、40.46875、168.2421875。計(jì)算得到不同星座調(diào)制方式下恢復(fù)門限ε的值如表1所示：表1不同星座調(diào)制方式下的恢復(fù)門限星座調(diào)制方式BPSKQPSK16QAM64QAM256QAM恢復(fù)門限ε0.250.250.10.050.0252)16QAM的判決門限為0.1，當(dāng)接收符號(hào)Q′0滿足|Q′0|＜0.1時(shí)，將被判決為Q16，反之則保持不變。其它符號(hào)由于和Q0的距離較遠(yuǎn)，所以判決為Q16的概率很低，從而保證以較大的概率實(shí)現(xiàn)正確恢復(fù)。實(shí)施例2：選擇LDPC編碼作為前向糾錯(cuò)編碼，組成LDPC-YP-COFDM安全系統(tǒng)，具體選擇802.16e標(biāo)準(zhǔn)中定義的QC-LDPC碼以及RU快速編碼算法，譯碼方案采用基于高階星座軟解調(diào)的Log-BP聯(lián)合譯碼算法，LDPC碼碼長(zhǎng)為2304、碼率為1/2、譯碼迭代次數(shù)為10，OFDM的子載波數(shù)為576，選取16QAM星座調(diào)制方式，此星座映射下的恢復(fù)門限ε為0.1。對(duì)于各種不同的星座映射方式來說，其星座圖都具有對(duì)稱性，因此，當(dāng)選擇歐氏距離相同的各個(gè)星座點(diǎn)分別作為打孔星座點(diǎn)時(shí)，其安全界結(jié)果是相同的，因此，本實(shí)施例隨機(jī)的從歐氏距離最大的星座點(diǎn)候選集{Q1,Q4,Q13,Q16}中選取Q16星座點(diǎn)作為打孔星座點(diǎn)時(shí)，其仿真出來的安全界結(jié)果與將Q1，Q4，Q13分別作為打孔星座點(diǎn)的安全界結(jié)果相同。將實(shí)施例1中Q6，Q9，Q16分別作為打孔星座點(diǎn)時(shí)LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)的安全界進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，如圖5所示。仿真結(jié)果顯示，將Q6，Q9，Q16分別作為打孔星座點(diǎn)時(shí)LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)的安全界分別為：4.3dB，4.2dB，4dB。結(jié)果表明：距離原點(diǎn)歐氏距離最大的點(diǎn)Q16的安全界最小。圖6為將Q16作為星座打孔點(diǎn)時(shí)，LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)的安全界曲線。從圖6可以看出，當(dāng)安全性等級(jí)分別為0.4、0.45及0.49時(shí)，該系統(tǒng)的安全界分別為4dB、6.5dB、10dB，結(jié)果表明：竊聽信道質(zhì)量只要低于合法信道4dB，6.5dB及10dB的話，就能夠保證信息無密鑰安全傳輸。實(shí)施例3：將現(xiàn)有的具有代表性的三種安全方法，a：打孔LDPC安全編碼方法(具體方法參見文獻(xiàn)[1]，KlincD.,HaJ.,MclaughlinS.W.,etal.LDPCcodesforphysicallayersecurity[J].UniversityofWindsor,2009)，b：添加擾亂矩陣法(具體方法參見文獻(xiàn)[2]，BaldiM.,BianchiM.,ChiaraluceF..Non-systematiccodesforphysicallayersecurity[C]//InformationTheoryWorkshop(ITW),2010IEEE.IEEE,2010:1-5)，c：反格雷碼映射方法(具體方法參見文獻(xiàn)[3]，KwakB.J.,SongN.O.,ParkB.,etal.PhysicalLayerSecuritywithYargCode[C]//Proceedingsofthe2009FirstInternationalConferenceonEmergingNetworkIntelligence.IEEEComputerSociety,2009:43-48)以及傳統(tǒng)LDPC-COFDM系統(tǒng)與本發(fā)明C-YP-COFDM算法進(jìn)行比較，具體結(jié)果見表2。其中方法a和b均是通過設(shè)計(jì)安全編碼來減小系統(tǒng)安全界，研究重點(diǎn)在信道編碼模塊上，和通信系統(tǒng)環(huán)境及星座調(diào)制方式無關(guān)；方法c和本文均是圍繞調(diào)制解調(diào)模塊進(jìn)行的，但方法c在發(fā)送端反格雷碼映射后和接收端反格雷碼解調(diào)前沒有設(shè)置星座打孔模塊和星座恢復(fù)模塊。從表2中可以得出，本發(fā)明設(shè)計(jì)的LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)在安全性等級(jí)為0.4時(shí)，在高階星座調(diào)制方式下，其安全界均小于等于4dB，尤其是在256QAM時(shí)達(dá)到了2.3dB，相比于目前已知性能最好的打孔LDPC算法還降低了0.2dB，在其它安全等級(jí)下也均有降低，表現(xiàn)出良好的性能。表2不同安全性等級(jí)下不同安全方法所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)安全界其中，代表系統(tǒng)安全性等級(jí)，SG(securitygap)代表系統(tǒng)安全界。方法c也采用了反格雷碼映射，但是沒有進(jìn)行星座打孔，是在16QAM和64QAM情況下，本發(fā)明方法比其安全界在不同安全等級(jí)下，均減小2.5dB以上，這充分說明本發(fā)明所提出的反格雷碼映射和星座打孔相結(jié)合的方法是可行的，可以有效降低安全界。和傳統(tǒng)LDPC-COFDM系統(tǒng)比較，LDPC-YP-COFDM系統(tǒng)的安全界降低達(dá)14dB以上，這充分說明本發(fā)明的方法有效提高了LDPC-COFDM系統(tǒng)的安全性。在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度方面，方法a和方法b均是在高碼率環(huán)境下的信道編碼環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)安全算法，對(duì)算法的計(jì)算時(shí)間限制較多，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。本發(fā)明是在星座調(diào)制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)安全算法，實(shí)際上是在低速的復(fù)數(shù)符號(hào)上通過兩次判決，完成打孔和恢復(fù)，復(fù)雜度為O(N)(N為子載波個(gè)數(shù))，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單，限制少，容易和COFDM系統(tǒng)相融合。綜上可見，本發(fā)明提出的反格雷碼映射和星座打孔相結(jié)合的方法可以有效降低安全界，構(gòu)造的COFDM安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于推廣，并且具有很好的安全性能。當(dāng)前第1頁1 2 3