宋歡歡,唐 杰,文 紅,向 達(dá),廖潤(rùn)發(fā)

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都611731)

一種提高四發(fā)天線系統(tǒng)安全性能的空時(shí)變形碼*

宋歡歡,唐 杰,文 紅,向 達(dá),廖潤(rùn)發(fā)

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都611731)

傳統(tǒng)的安全傳輸機(jī)制依賴于計(jì)算受限的AES、RSA、ECC為代表的基于計(jì)算的安全算法,其隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。物理層安全機(jī)制成為解決無(wú)線安全傳輸問題的新途徑,但是其對(duì)信道依賴嚴(yán)重,在信道特性變化快的場(chǎng)景中難于保持概率為1的安全性能。本文將介紹一種運(yùn)用在四發(fā)天線系統(tǒng)中基于傳統(tǒng)空時(shí)分組碼設(shè)計(jì)的空時(shí)變形碼,通過物理層空時(shí)變形碼結(jié)合上層加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)的安全增強(qiáng),為通信系統(tǒng)的安全性能提供雙保險(xiǎn)。仿真驗(yàn)證,這種變形碼結(jié)合上層加密技術(shù)可以使通信可靠性接近1,有望成為未來(lái)5G通信的安全標(biāo)準(zhǔn)之一。

空時(shí)變形碼 空時(shí)分組碼 跨層安全通信 第五代移動(dòng)通信技術(shù)

0 引 言

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在賦予無(wú)線用戶通信自由的同時(shí),由于它的廣播特性和沒有物理聯(lián)結(jié)的特性也使得無(wú)線通信系統(tǒng)比有線通信更容易受到惡意攻擊[1],竊聽者也可能通過截獲到的合法用戶的身份信息,偽裝為合法用戶獲得不公開的信息服務(wù)或者竄改信息惡意破壞無(wú)線服務(wù)。目前無(wú)線移動(dòng)通信中,信息安全措施都是在通信上層實(shí)施,無(wú)線通信系統(tǒng)在底層考慮安全措施是需要的;同時(shí)目前的“加密”技術(shù)都是基于計(jì)算安全實(shí)現(xiàn)的,隨著科技的迅

猛發(fā)展,具有無(wú)限計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn),需要尋找更高強(qiáng)度的安全措施。

文獻(xiàn)[2-3]提出了一種MIMO系統(tǒng)下基于2發(fā)1收天線系統(tǒng)的Alamouti空時(shí)分組碼的變形碼形式。其利用傳統(tǒng)正交空時(shí)分組碼的編譯碼特性,設(shè)計(jì)出針對(duì)MIMO系統(tǒng)提高安全傳輸性能的空時(shí)變形碼。

實(shí)際系統(tǒng)中,基站采用4根或以上的天線、移動(dòng)臺(tái)采用2根天線。本文將2發(fā)1收系統(tǒng)的空時(shí)變形碼方案推廣到4發(fā)多收天線系統(tǒng),設(shè)計(jì)出一種專門針對(duì)四發(fā)天線系統(tǒng)的正交空時(shí)分組碼的變形碼形式。

本文所提出的跨層傳輸方案是指空時(shí)變形碼結(jié)合上層加密技術(shù)進(jìn)行安全通信。合法通信雙方共享密鑰流,將此密鑰流作為控制序列,控制發(fā)射端發(fā)射空時(shí)分組碼或是空時(shí)變形碼。本文采用很少的密鑰流序列,結(jié)合物理層技術(shù)的改進(jìn),在不大幅增加系統(tǒng)開銷的前提下,能夠使竊聽者誤碼率總體接近0.5,達(dá)到香農(nóng)提出的最佳抗竊聽性能[4],同時(shí)合法通信方接收性能幾乎不受影響。

1 傳統(tǒng)四發(fā)系統(tǒng)空時(shí)分組碼

為了簡(jiǎn)單描述我們的方案,下面主要以四發(fā)一收系統(tǒng)為例。任意復(fù)信號(hào)星座來(lái)說,都有對(duì)任意給定天線數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1/2碼率的空時(shí)分組碼[5]。圖1為四發(fā)一收STBC系統(tǒng)原理框圖,(x1,x2,x3,x4)為調(diào)制信號(hào),(h1,h2,h3,h4)是信道信息,信道信息可以在發(fā)送方估計(jì),也可以在收方估計(jì)后反饋給發(fā)送方。

圖1 四發(fā)一收天線STBC系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of four-sending and one-receiving antennae STBC system

二進(jìn)制信源經(jīng)過M-PSK調(diào)制后,編碼器在每一次編碼操作中取出四個(gè)調(diào)制符號(hào)(x1,x2,x3,x4)為一個(gè)分組得到空時(shí)編碼矩陣[6-9]:

編碼矩陣X4為Nt×P維矩陣,Nt表示發(fā)射天線個(gè)數(shù),P代表編碼矩陣發(fā)射周期。在八個(gè)連續(xù)發(fā)射周期中,編碼矩陣信號(hào)分別從四根發(fā)射天線發(fā)射出去。其中分別是信號(hào)x1,x2,x3,x4的復(fù)共軛。

接收端采用一根接收天線,信道衰落系數(shù)在編碼矩陣八個(gè)連續(xù)符號(hào)發(fā)射周期中不變,信道可以表示為:

式中,Nr代表接收天線數(shù)。經(jīng)過衰落信道后,接收信號(hào)為:

其中rk(k=1,2,…,8)為第k個(gè)時(shí)隙接收端接收到的信號(hào)。n是Nr×P維噪聲矩陣,假設(shè)八個(gè)連續(xù)周期加性高斯白噪聲的取樣每一維均值為0,且功率譜密度為N0/2。

接收端完全恢復(fù)信道衰落系數(shù)后,通過合并接收信號(hào)和信道狀態(tài)信息構(gòu)造出四個(gè)判決統(tǒng)計(jì):

接收端采用最大似然譯碼算法,在調(diào)制星座圖上找到離判決統(tǒng)計(jì)最近的星座點(diǎn):

式中,S為M-PSK調(diào)制星座圖上所有可能的信號(hào)集合。判決結(jié)果()即為發(fā)射符號(hào)(x1,x2,x3,x4)的估計(jì)。

2 四發(fā)系統(tǒng)空時(shí)變形碼集設(shè)計(jì)

由于無(wú)線通信廣播特性,竊聽者也可以接收到信號(hào),并能利用最大似然譯碼算法譯出信源信號(hào),造成信息泄露。本文提出一種針對(duì)四發(fā)天線系統(tǒng)的空時(shí)變形碼。合法通信雙方通過某種安全途徑獲取預(yù)先共享的密鑰流,密鑰應(yīng)該僅由明確定義的實(shí)體共享,密鑰在密鑰空間上隨機(jī)分布,本文假設(shè)任何非授權(quán)實(shí)體(在現(xiàn)有計(jì)算能力下)都掌握不到密鑰的任何信息[10-11]。

利用密鑰流控制不同時(shí)刻發(fā)送端發(fā)射空時(shí)分組碼集或變形碼集,竊聽者不知道秘密控制序列,由此

擾亂竊聽者的接收。M-PSK調(diào)制方式下,竊聽者若按照傳統(tǒng)四發(fā)空時(shí)分組碼接收過程接收判決時(shí),誤碼率最大,性能最差,跨層安全方案下合法用戶接收譯碼原理如圖2所示。

圖2 跨層安全方案下合法用戶接收譯碼過程Fig.2 Legitimate users receiving and decoding process under the cross-layer schemes

為了誤導(dǎo)竊聽者,我們讓空時(shí)變形碼編碼矩陣包含一半正確信息一半錯(cuò)誤信息。為了簡(jiǎn)單描述我們的方案,假設(shè)前半段時(shí)間天線發(fā)射正確信號(hào)后半段時(shí)間發(fā)射錯(cuò)誤信號(hào),空時(shí)分組碼(1)變?yōu)?

若s1=x1,s2=x2,s3=x3,s4=x4,空時(shí)變形碼X憶4即為空時(shí)分組碼X4。下面我們將重新設(shè)計(jì)(s1,s2,s3,s4)信號(hào)值,使得竊聽者在不知道控制序列的情況下,按照原來(lái)空時(shí)分組碼譯碼過程誤碼率最大。系統(tǒng)發(fā)射空時(shí)變形碼后接收端接收信號(hào)為:

式中,n憶為加性高斯白噪聲。去除噪聲影響,判決統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:

為了使竊聽者誤碼率最大,根據(jù)M-PSK等能量調(diào)制的特點(diǎn)找到與發(fā)射信號(hào)(x1,x2,x3,x4)星座點(diǎn)相距最遠(yuǎn)的檢測(cè)信號(hào)(x′1,x′2,x′3,x′4),8-PSK調(diào)制方式下其一一對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。檢測(cè)信號(hào)()為:

圖3 8-PSK調(diào)制Gray碼映射星座圖和變形信號(hào)星座選擇Fig.3 8-PSK modulation Gray codemapping constellation and the deformation signal constellation selection

根據(jù)M-PSK調(diào)制特點(diǎn)進(jìn)一步簡(jiǎn)化公式(9):

聯(lián)合公式(8)和(10)解出(s1,s2,s3,s4),從而得到變形碼矩陣。

利用合法通信雙方共享的密鑰流作為控制序列,控制不同編碼矩陣的發(fā)射,實(shí)現(xiàn)跨層安全通信。本文采用簡(jiǎn)單的m序列作為控制序列,定義控制序列:

fi=0時(shí),發(fā)射端發(fā)射空時(shí)分組碼X4;fi=1時(shí),發(fā)射端發(fā)射空時(shí)變形碼X憶4。

用戶接收檢測(cè)過程如下:

合法接收方與發(fā)送方預(yù)先共享控制序列Fcontrol。fi=0時(shí),用戶判斷出此時(shí)發(fā)射端發(fā)射空時(shí)分組碼X4,接下來(lái)將按照空時(shí)分組碼接收檢測(cè)過程(1)到(5)譯碼。fi=1時(shí),用戶知道發(fā)射端發(fā)射變形碼X憶4。此時(shí),用戶判決接收過程如下:

1)接收端接收到信號(hào)為:

2)采用最大似然譯碼算法,判決統(tǒng)計(jì)分別為:

竊聽者不知道控制序列Fcontrol,所以無(wú)論發(fā)射端發(fā)射何種編碼矩陣,竊聽者均按照傳統(tǒng)正交空時(shí)分組碼的接收檢測(cè)過程接收判決,或者通過猜測(cè)控制序列進(jìn)行類似合法通信者的接收,因此得到的信號(hào)可能是與發(fā)送信號(hào)歐拉距離最遠(yuǎn)的信號(hào)。攻擊者也可以用“搜索攻擊”方法對(duì)這個(gè)系統(tǒng)展開攻擊,獲取控制序列,但是其必須在噪聲中尋找控制序列,如圖4所示,從而增加了攻擊者的攻擊難度,提高了系統(tǒng)的安全強(qiáng)度。

圖4 “跨層”安全系統(tǒng)和傳統(tǒng)安全系統(tǒng)進(jìn)行攻擊的比較Fig.4 Comparison of between the“cross-layer”security system and the traditional security system

3 仿真及分析

通過比較合法接收方與竊聽者接收端之間的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)來(lái)驗(yàn)證我們方案的可行性。假設(shè)信道為平坦瑞利衰落信道,接收端已知信道信息,并且信道衰落系數(shù)在一幀內(nèi)不變,幀與幀之間隨機(jī)變化。采用M-PSK調(diào)制方式,發(fā)射端共發(fā)射1 500個(gè)數(shù)

據(jù)幀,每幀含有120個(gè)符號(hào)。圖5為四發(fā)一收天線系統(tǒng)仿真圖,我們可以看出,采用跨層增強(qiáng)變形碼時(shí),竊聽者誤比特率達(dá)到0.5,竊聽不到有用信息,防止了信息泄露,同時(shí)不影響合法用戶的接收性能。

圖5 四發(fā)一收系統(tǒng)仿真Fig.5 Simulation diagram of four-transmitting antennae and one-receiving antenna system

圖6 四發(fā)兩收系統(tǒng)仿真Fig.6 Simulation diagram of four-transmitting antennae and two-receiving antennae system

圖7 四發(fā)四收系統(tǒng)仿真Fig.7 Simulation diagram of four transmitting antennae and four receiving antennae system

四發(fā)一收空時(shí)變形碼方案可以簡(jiǎn)單推廣應(yīng)用于四發(fā)多收的天線系統(tǒng)。圖6、圖7分別仿真四發(fā)兩收與四發(fā)四收跨層變形碼性能圖。竊聽者誤比特率為0.5,合法用戶性能不變。仿真結(jié)果顯示,我們提出的變形碼提高了四發(fā)系統(tǒng)的安全性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文我們提出了一種適用于四發(fā)天線系統(tǒng)的空時(shí)變形碼,通過與上層密鑰流相互協(xié)作,本方案可以達(dá)到最佳抗竊聽目的。物理層上技術(shù)的改進(jìn)與上層密鑰流相互協(xié)作的跨層方案,很有可能成為未來(lái)5G的通信安全標(biāo)準(zhǔn)之一。

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宋歡歡(1987—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲磥?lái)無(wú)線通信中的跨層安全研究;

SONGHuan-huan(1987-),female,graduate student,majoring in cross-layer security of the future wireless communication.

文 紅(1969—),女,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與通信安全;

WEN Hong(1969-),female,professor,doctoral tutor, mainly engaged in wireless communication system and communication security.

唐 杰(1987—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ虐踩c保密;

TANGJie(1987-),male,graduate student,majoring in communication security and secrecy..

向 達(dá)(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)?G通信系統(tǒng)物理層安全技術(shù)研究;

XIANGDa(1990-),male,graduate student,majoring in physical-layer security of 5G communication system.

廖潤(rùn)發(fā)(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ虐踩c保密。

LIAO Run-fa(1989-),male,graduate student,majoring in communication security and secrecy.

A Space-time Distortion Code for Improving the Security of Four-Transm it Antenna System

SONG Huan-huan,TANG Jie,WEN Hong,XIANG Da,LIAO Run-fa
(State Key Laboratory of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China)

Traditional security mechanisms rely on calculating the constrained security algorithms represented by AES,RSA,ECC,and with the development of computing technology,it is confronted with serious challenges.Designing securitymechanisms in the physical layer is a new way to solve the problem ofwireless transmission security.However,itdepends heavily on channel,thus is difficult tomaintain safety performance probability of1 in the scene of quickly-changing channel characteristics.This paper proposes a space-time deformation code based on traditional STBC applied in four transmitantenna systems.The security ofwireless communication is enhanced via the combination of physical-layer space-time distortion code and upper encrption technology,thus providing a double insurance for the safety of communication system.Simulation results indicate that the combined technology could make the communication reliability close to 1,and is expected to become one of the 5G communication security standards in the future.

space-time distortion code;STBC;cross-layer security communication;5Gmobile communication technology

TN92

A

1002-0802(2014)12-1366-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.004

2014-06-23;

2014-11-23 Received date：2014-06-23;Revised date：2014-11-23

自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61032003,No.61271172)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(No.20120185110030,No.

20130185130002)、四川省國(guó)際合作研究項(xiàng)目(No.2013HH0005)和國(guó)家教育部回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金聯(lián)合資助

Fundproject:Natural Science Fund project(No.61032003,No.61032003),the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education(No.20120185110030,No.20120185110030),International Cooperation Research Projects in Sichuan Province(No.2013 HH0005)and the Ministry of Education for Returned Fund Jointly Funded Research Started.