何國清，胡　飛，周治中，王　馨

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都 610041)

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一種新型的安全OFDM系統(tǒng)設(shè)計*

何國清，胡飛，周治中，王馨

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川 成都 610041)

摘要：安全問題是無線通信系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，而無線通信因其開放性和廣播性，極易受到竊聽和干擾等安全威脅。傳統(tǒng)的安全保障是通過物理層以上的密碼技術(shù)實現(xiàn)的，而物理層缺少有效的安全措施。從物理層信號結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，利用傳輸信息本身的隨機性，提出消息驅(qū)動調(diào)制方式加密算法和循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)隨機化算法。仿真分析表明，本設(shè)計保持良好的誤碼特性的同時，有效的消除信號的二階循環(huán)相關(guān)特征，信號具有低截獲(Low Probability of Pntercepted, LPI)特性。

關(guān)鍵詞：物理層安全；多載波擴頻；調(diào)制方式加密；CP

0引言

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)具有健壯的抗無線信道多徑傳播效應(yīng)，是一種有效的、應(yīng)用廣泛的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到民用移動通信和軍用戰(zhàn)術(shù)通信等領(lǐng)域，如第4代移動通信和美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(WNW)等。隨著基于OFDM的無線通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其保密性和安全問題也成為人們關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)的安全保障是通過物理層以上的密碼技術(shù)實現(xiàn)的，而物理層缺少有效的安全措施。物理層安全技術(shù)作為上層安全的補充，可以有效增強系統(tǒng)整體的保密安全性能。

物理層安全是一個新興的研究領(lǐng)域，該技術(shù)以信息論安全為指導(dǎo)，充分利用無線通信本身的信號格式和無線信道的物理特征，在物理層的各個組成部分尋求提升內(nèi)在的安全性[1]。針對OFDM系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]利用酉矩陣為密鑰，結(jié)合OFDM調(diào)制，降低OFDM峰均比，保證安全性，但需存儲并傳輸密鑰；文獻(xiàn)[3]采用隨機星座旋轉(zhuǎn)技術(shù)，再插入人工弱噪聲來實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的兩層保護(hù)，但其復(fù)雜度較高，加入噪聲功率也不好控制。此外，對于OFDM無線通信系統(tǒng)，其物理層安全的一個重要參數(shù)是循環(huán)前綴(CP)。CP可以用于信號盲參數(shù)估計、信號同步、信道估計等[4]，CP還導(dǎo)致了OFDM系統(tǒng)具有明顯的二階循環(huán)平穩(wěn)特性，即便在跳頻或直接序列擴頻系統(tǒng)下仍具有該特征[5]，這使得OFDM系統(tǒng)抗截獲能力較差。文獻(xiàn)[6]提出一種完全消除CP和導(dǎo)頻音的OFDM信號特征壓縮方法，此時系統(tǒng)采用判決反饋均衡器來消除符號間干擾(ISI)，但是這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[7]提出了CP選擇的區(qū)域以正值隨機量向下一個符號移動，為了進(jìn)一步提高安全性，幀之間的保護(hù)時間也可以隨機化。

在物理層，提高OFDM系統(tǒng)安全性的一個常見方法是采用擴頻技術(shù)。在多載波擴頻框架下，本文提出一種消息驅(qū)動調(diào)制方式加密算法和循環(huán)前綴隨機化算法，該算法利用傳輸信息本身的隨機性，有效增強系統(tǒng)的安全性。

1多載波擴頻系統(tǒng)模型

本文多載波擴頻系統(tǒng)采用HCSOK[8](Hybrid Cyclic Shift Orthogonal Keying)技術(shù)，HCSOK是一種軟擴頻方式，它以編碼的方式實現(xiàn)擴頻，使系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率、良好的PAPR和BER性能，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。HCSOK選用一個N長的基碼c(0)=[c0c1…cN-1]T，然后通過基碼的循環(huán)移位產(chǎn)生擴頻碼集：

CN={c(k),k=0,1,…,N-1}

(1)

式中，c(m)=[cmcc+1…cN-1c0c1…cm-1]且每個擴頻碼均是正交的。HCSOK首先將串并轉(zhuǎn)換后的傳輸信息分為兩部分，一部分信息比特進(jìn)行基本的數(shù)字調(diào)制如PSK/QAM，另一部分信息比特映射到相應(yīng)的擴頻碼，然后經(jīng)數(shù)字調(diào)制后的信息比特與擴頻碼相乘擴頻。這里我們選用具有理想周期自相關(guān)特性的Chu序列[9]作為基碼，對于偶數(shù)N，Chu序列由下式給出：

cn=ejπn2q/N,0≤n≤N-1

(2)

式中，q是整數(shù)且q與N互質(zhì)。

Chu序列的理想周期自相關(guān)函數(shù)及恒模特性可以極大的緩解發(fā)生在大部分多載波系統(tǒng)的PAPR問題。另外，在接收機中還可以根據(jù) Chu序列的循環(huán)自相關(guān)特性設(shè)計基于FFT的高效碼字相關(guān)器。

圖1　HCSOK多載波擴頻結(jié)構(gòu)框

2消息驅(qū)動調(diào)制方式加密算法

文獻(xiàn)[10]指出，在衰落信道下通過星座旋轉(zhuǎn)可以提高系統(tǒng)的比特誤碼率性能和分集性能。傳統(tǒng)的星座旋轉(zhuǎn)采用固定的旋轉(zhuǎn)角，即每一個復(fù)數(shù)星座符號旋轉(zhuǎn)一個固定角度，例如DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)，對于QPSK調(diào)制固定旋轉(zhuǎn)角為29度，對于16QAM固定旋轉(zhuǎn)角為16.8度[11]。

與傳統(tǒng)的固定角度星座旋轉(zhuǎn)不同，本文利用傳輸信息本身的隨機性，對調(diào)制星座進(jìn)行幅度變化和角度旋轉(zhuǎn)，這里幅度變化和旋轉(zhuǎn)角度可以看作是物理層加密密鑰。如圖3所示，將圖2中控制CSOK生成擴頻碼序列的R比特轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)ni，旋轉(zhuǎn)角θi和幅度變化ai可以通過下式計算：

(3)

式中，i表示對應(yīng)于第i個傳輸符號。

圖2　調(diào)制加密設(shè)計

對于調(diào)制后的符號di，幅度變化ai和旋轉(zhuǎn)角度θi后為：

(4)

圖3　調(diào)制方式加密

3循環(huán)前綴隨機化算法

OFDM信號CP用于消除無線信道多徑干擾，但也導(dǎo)致系統(tǒng)具有明顯的二階循環(huán)相關(guān)特性，使系統(tǒng)的安全性受到威脅。本文在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，利用傳輸信息本身的隨機性，提出CP選擇的區(qū)域和長度隨機化，系統(tǒng)的安全性得到進(jìn)一步增強，其原理如圖4所示。與傳統(tǒng)的直接復(fù)制最后個時域符號的采樣值的CP選擇處理不同，新方法中CP選擇的區(qū)域以正值隨機量向下一個符號移動,且CP長度也以這個正值量變化。設(shè)控制消息驅(qū)動調(diào)制方式加密的R比特為ri=[r0r1…rR-1]且對應(yīng)的十進(jìn)制表示為ni,則正值隨機量λi由下式?jīng)Q定：

(5)

式中，circshift(a,b)表示向量a循環(huán)移b位，bi2de(·)表示將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制表示。例如在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下，CP選擇區(qū)域以λi向下一個符號移動，CP長度以原CP長度加上λi的量進(jìn)行變化。

圖4　循環(huán)前綴隨機化設(shè)計

4仿真及結(jié)果分析

本文在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行安全OFDM系統(tǒng)仿真實驗，子載波數(shù)為64，傳輸帶寬20 MHz[11]，調(diào)制映射方式采用QPSK，HCSOK擴頻因子為32/5。圖5是傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)三維圖，圖6給出了本文提出的安全OFDM系統(tǒng)6幀OFDM符號(每幀4個OFDM符號)的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)三維圖，對比圖5可以明顯看出二階循環(huán)相關(guān)特性得到有效抑制。圖7給出了安全OFDM信號通過多徑衰落信道的BER特性?？梢郧宄目闯龈`聽者的誤碼率在0.5左右，意味著竊聽者無法解調(diào)出合法接收者的有用信息。此外，本文提出的安全OFDM系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的多載波擴頻系統(tǒng)BER特性更好。

圖5　傳統(tǒng)OFDM信號循環(huán)自相關(guān)函數(shù)

圖6　安全OFDM信號循環(huán)自相關(guān)函數(shù)

圖7　多徑信道下安全OFDM系統(tǒng)BER特性

5結(jié)語

本文首先介紹了采用HCSOK的多載波擴頻系統(tǒng)模型，給出了系統(tǒng)的工作原理。然后在該系統(tǒng)下提出消息驅(qū)動調(diào)制方式加密和CP隨機化算法。與前人的研究工作不同，本文提出的算法利用了傳輸信息本身的隨機特性，與多載波擴頻系統(tǒng)無縫的結(jié)合在一起，系統(tǒng)具有很好的低截獲、抗干擾性能。仿真實驗表明，本文提出的新型OFDM系統(tǒng)的二階循環(huán)平穩(wěn)特性得到有效消除，系統(tǒng)具有良好的BER特性和抗截獲能力。對安全性要求較高的應(yīng)用場合，本文提出的設(shè)計具有一定的理論意義。但實際工程應(yīng)用中信號同步和信道估計將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，星座旋轉(zhuǎn)部分也可能存在誤碼擴散的問題，下一步將考慮對這些問題進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉在爽,王堅,孫瑞等. 無線通信物理層安全技術(shù)綜述[J].通信技術(shù),2014,47(02):128-135.

LIU Zai-shuang, WANG Jian, SUN Rui, et al. Review on Physical-Layer Security Techniques of Wireless Communications[J]. Communications Technology, 2014, 47(02): 128-135.

[2]Kobayashi M, et al. Secured Communication over Frequency-Selective Fading Channels: A Practical Vandermonde Precoding. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2009.

[3]MA R F, et al. Secure Communication in TDS-OFDM System Using Constellation Rotation and Noise Insertion. IEEE Trans. On Consumer Electronics, Aug. 2010, pp. 1328-1332.

[4]Meyer R and Newhouse M. OFDM Waveform Feature Suppression. IEEE MILCOM 2002,Oct. 2002, pp. 582-586.

[5]Sandell M, J J van de Beek and B?rjesson P O. Timing and Frequency Synchronization in OFDM Systems Using the Cyclic Prefix. Proc. IEEE Int. Symp. Synchronization, pp. 16 -19, 1995.

[6]WANG X, HE P and WU Y. Robust Channel Estimation and ISI Cancellation for OFDM Systems with Suppressed Features. IEEE J.Select. Areas Commun., vol. 23, no. 5, pp. 963-972, May 2005.

[7]Esat Ankaral Z, Murat Karabacak and Huseyin. Cyclic Feature Concealing CP Selection for Physical Layer Security. IEEE MILCOM’2014.

[8]HwangJ K and Chiu Y L. A High-Rate Low-PAPR Multicarrier Spread Spectrum Using Cyclic Shift Orthogonal Keying. IEEE ICC’2008.

[9]CHU D C. Polyphase Codes with Good Periodic Correlation Properties. IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. 18, no. 4, pp. 531-532,1972.

[10]HAN C, Hashimoto T and Suehiro N. Constellation-Rotated Vector OFDM and Its Performance Analysis over Rayleigh Fading Channels. IEEE Trans. Commun., vol. 58, no. 3, pp. 828-838, Mar. 2010.

[11]Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements. Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications: High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band. The Institute of Electrical and Electronics Engineering, Inc. Std. IEEE 802.1la, Sept. 1999.

何國清(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為物理層安全；

胡飛(1970—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為無線通信系統(tǒng)；

周治中(1965—)，男，研究員，主要研究方向為通信信號處理；

王馨(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向為無線通信。

A Novel Design of Secure OFDM System

HE Guo-qing, HU Fei, ZHOU Zhi-zhong, WANG Xin

(No．30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

Abstract：Security is one of the key issues of development in wireless communication systems, and however, due to the openness and broadcast nature of wireless medium，wireless communication is always vulnerable to potential security threats such as eavesdropping，jamming, and so on. Traditional system security is always implemented by the crypo technology in the higher layers of communication protocol stack，but the physical layer lacks effective security measures. From the structural design of physical-layer signal and by making use of the transfer information itself randomness，use the transfer information itself randomness the message-driven modulation encryption algorithm and cyclic prefix randomized algorithm are proposed. Simulation results show that the proposed algoriithm could effectively eliminate second-order correlation signal cycle characteristics while maintaining fairly good BER performance,and the signal is of (LPI) properties.

Key words：physical-layer security; multicarrier spread spectrum; modulation encryption；CP

作者簡介：

中圖分類號：TN973.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)01-0078-04

*收稿日期：2015-08-17；修回日期：2015-11-23Received date:2015-08-17；Revised date：2015-11-23

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.01.016