一种基于调制符号相位旋转的物理层保密通信方法与流程

本发明涉及无线通信和信息安全技术领域，具体涉及基于一种基于调制符号相位旋转的物理层保密通信方法。

背景技术：

物理层安全作为能够从理论上证明的安全通信的方案，近年来受到了研究学者的广泛关注，主流的物理层安全技术可以根据有无用到密钥分为两类。

在无密钥的物理层安全技术中，保密容量定义为合法信道(合法用户之间的信道)的信道容量与窃听信道(发送方与非法用户之间的信道)的信道容量之差。当保密容量大于0时，合法用户之间可以实现绝对安全的传输；保密容量小于0时，则无法再保证信息的安全传输。由于信道衰落的存在，可能会出现合法信道的信道容量小于窃听信道的信道容量，从而无法保证保密容量始终大于0。目前提出的无密钥物理层保密技术主要是通过人工噪声、波速成形、分集等方法，使得保密容量大于0，从而实现信息传输的绝对安全。目前用来实现无密钥安全通信的信道编码扔然处于理论探索阶段，无密钥的物理层安全技术仅仅停留在理论研究阶段，还没有投入应用到民用通信或者军用通信中。

与无密钥的物理层安全技术相对应，另一类是有密钥的物理层安全技术，这类技术主要利用信道的随机特性和互易性来产生密钥，在数据链路层对待传输的信息进行加密。然而，这类方法却并不是适用于所有的通信场合，例如当合法用户的信道为静态信道或者是准静态信道，生成密钥的密钥熵过低，信息传输的安全性也随之大大降低。

技术实现要素：

为了克服现有物理层通信方法的安全性较低的的不足，使合法用户能够给在静态信道或者准静态信道环境下实现数据的安全传输，本发明提出一种安全性较高的基于调制符号相位旋转的物理层保密通信方法。

为了解决上述技术问题本发明提供如下技术方案：

一种基于调制符号相位旋转的物理层保密通信方法，其特征在于：包括物理层的加密处理过程和解密处理过程；

所述物理层的加密处理过程包括以下步骤：

1-1：用tent映射方程产一组均匀分布的混沌序列，混沌序列的种子数则是由信道系数和协商机制确定。一组混沌序列，经过交织器交织之后，生成p组混沌序列。

1-2：用步骤1-1中得到的p组混沌序列生成p组旋转相位，用于改变4qam符号的相位，每一个4qam符号都对应有一个旋转相位。

1-3：待传输的比特信息用4qam调制，生成的p组4qam符号。根据步骤1-2中的产生的旋转相位改变自身的相位，经过矢量叠加后，生成矩形mqam符号，再发送给合法的接收方，完成在物理层的加密。

所述物理层的解密处理过程包括以下步骤：

2-1：用tent映射方程产生一组均匀分布的混沌序列，混沌序列的种子数也是通过信道系数和协商机制确定的。在信道相干时间内可以认为信道系数是恒定不变的，此时根据信道互易性定理获得的信道系数是有效的，再通过协商机制确保种子数的一致性。

2-2：合法的接收方收到发送方发送的经过加密处理后的调制符号。

2-3：用步骤2-1中产生的混沌序列经过交织器后生成p组旋转相位。

2-4：恢复步骤2-2中收到的调制符号的相位，并且对其进行迭代数字解调，得到比特信息，完成在物理层的解密。

在所述步骤1-1和2-1中，由信道状态信息确定混沌序列的初始值，并用tent映射方程生成p组均匀分布的混沌序列，过程如下：

发送方或接收方获取一组信道系数并取其包络，分别记作为{∣ht,l∣,l＝1,2,…}，将信道系数的包络根据一个门限值λ量化，得到一组二进制的序列{ql}，具体的量化方案如下：

其中自适应门限

式中μ为均值，σ为均方差。经过量化阶段后，无线信道特征值转换为01的比特流；经过协商机制协商之后，通信双方具有完全一致的随机种子序列ql∈{0,1},l＝1,2,…,q，将长度为q的随机种子序列转化为混沌序列的种子数a1，a1的数学表达式为：

a1则代入至tent映射方程：

ak+1＝2β(1-|ak|)-1,β＝1

迭代得到一组在(-1,1)区间内均匀分布的混沌序列{ak,k＝1,2,…}；周期性地产生随机种子a1，并复位混沌序列发生器，产生新的混沌序列。

在所述步骤1-2和2-3中，分别用用步骤1-1和2-1中得到的p组混沌序列生成p组旋转相位，过程如下：

混沌序列被用来生成旋转相位之前应送入一个交织器中，经过交织后的序列近似相互独立；设置交织器的行数c>p，则按列读出的c个序列数，选取其中的p个作为用于相位旋转的p组随机变量；

经过交织后的混沌数是服从(-1,1)区间内均匀分布的随机变量，是浮点数，具有无限精度要求的浮点数，但在实际系统中是无法满足的；对于混沌序列数ai，取其小数部分的第m、n、p位的数值，组成一个整数，然后再模k，得到相位旋转的角度，其数学表达式为

da,i＝mod(extract(ai,m,n,p),k)

因此，da,i是以设定分辨精度、在360度内均匀分布的随机变量θk，用于1-2和2-3步骤中的相位旋转。

在所述步骤1-3中，待传输的比特信息经过4qam调制，生成的调制符号根据步骤1-2中的产生的旋转相位改变自身的相位，过程如下：

待传输的比特{b2p-1,b2p|p＝1,2,…p}信息经过4qam调制后生成的符号记作{sp|p＝1,2,…p}，p路4qam的符号叠加后可以看做是mqam的符号s，s的数学表达式如下：

其中用步骤1-2中生成的旋转相位改变4qam符号的相位，μ则表示相位变化后待发送的调制符号，也可称之为加密后的调制符号，其数学表达式为：

在所述步骤2-4中，恢复收到的调制符号的相位，过程如下：

对第一次迭代，输入r1＝r，做相位逆旋转，得到：

用4qam解调后，得到比特再经过4qam调制后得到相应的调制符号同时，输出r2为

假定此次迭代解调正确，也即则输出r2简化为：

送入下一个迭代解调，以此类推，迭代恢复出全部的比特信息

本发明的技术构思为：由通信原理知，高阶矩形mqam星座符号(如16qam、64qam等)可以被看做是由路相互独立的4qam符号矢量叠加而成。也即，log2m个比特，分成p组，每组2个比特，每2个比特由不同幅度的4qam调制，然后矢量叠加构成mqam调制，其数学表达式为

本发明把离散相位推广到连续相位区间[-π,π]上，也即在发送端，生成p个相互独立的、在[-π,π]上均匀分布的随机变量，分别对p路4qam调制符号做随机相位旋转，再矢量叠加构成加密的mqam符号。在接收端，必须对p路4qam调制符号做相位逆旋转，才能正确解调。

随机相位θk由混沌序列发生器产生，收发双方必须具有相同的种子数，才能产生一致的混沌序列(随机相位)。根据信道互易性和混沌序列种子数的协商机制，保证了种子数的随机性和收发双方混沌序列的一致性。假定窃听者和接收端具有不同的空间位置，也即发送端-接收端与发送端-窃听者之间的信道没有相关性，窃听者不可能产生与合法接收者相同的种子数。因此，窃听者不可能产生与发送者一致的随机相位，无法正确解调，也即不能窃听到合法通信双方的任何信息。一组混沌序列经过交织器交织之后，生成p组近似相互独立的混沌序列。由此，接收方能准确的恢复收到符号的相位，经过数字解调后获得有效的信息。

用混沌映射方程产生均匀分布的混沌序列，其种子数由合法通信用户之间信道状态信息(csi)和协商机制产生，并且根据合法用户信道状态信息周期性地重置种子数。为了简化合法用户之间的混沌同步问题，发送方只用一个混沌序列发生器，接收方也是如此。采用交织器交织的方法，由一组随机数生成近似独立的p组随机数。本发明的有益效果为：使合法用户能够给在静态信道或者准静态信道环境下实现数据的安全传输；安全性较高。

附图说明

图1为16qam可由2个4qam构成。

图2为分组交织器。

图3为发送端框图。

图4为接收到的、相位未做恢复处理的符号星座图。

图5为接收端框图。

图6为合法接收方和非法接收方不同信噪比条件下的误比特率。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作具体的描述。

参照图1～图6，一种基于调制符号相位旋转的物理层保密通信方法，包括物理层的加密处理过程和解密处理过程；

所述物理层的加密处理过程包括以下步骤：

1-1：用tent映射方程产一组均匀分布的混沌序列，混沌序列的种子数则是由信道系数和协商机制确定。一组混沌序列，经过交织器交织之后，生成p组混沌序列。

1-2：用步骤1-1中得到的p组混沌序列生成p组旋转相位，用于改变4qam符号的相位，每一个4qam符号都对应有一个旋转相位。

1-3：待传输的比特信息用4qam调制，生成的p组4qam符号。根据步骤1-2中的产生的旋转相位改变自身的相位，经过矢量叠加后，生成矩形mqam符号，再发送给合法的接收方，完成在物理层的加密。

所述物理层的解密处理过程包括以下步骤：

2-1：用tent映射方程产生一组均匀分布的混沌序列，混沌序列的种子数也是通过信道系数和协商机制确定的。在信道相干时间内可以认为信道系数是恒定不变的，此时根据信道互易性定理获得的信道系数是有效的，再通过协商机制确保种子数的一致性。

2-2：合法的接收方收到发送方发送的经过加密处理后的调制符号。

2-3：用步骤2-1中产生的混沌序列经过交织器后生成p组旋转相位。

2-4：恢复步骤2-2中收到的调制符号的相位，并且对其进行迭代数字解调，得到比特信息，完成在物理层的解密。

以矩形16qam为例，图1上“x”表示16qam星座图上的符号，每个象限包含了4个符号，这4个符号构成一个以“o”为坐标中心的、半径为的4qam星座。同时，这4个“o”也构成了半径为的4qam星座。图1形象地表示出一个16qam星座可以由2个4qam星座构成。

所述步骤1-1和2-1中，发送方(接收方)获取一组信道系数取其包络，分别记作为{∣ht,l∣,l＝1,2,…}。将信道系数的包络与自适应门限值进行比较量化，得到一组二进制的序列{ql}，量化方案如下：

其中自适应门限

式中μ为均值，σ为均方差。经过量化阶段后，无线信道特征值转换为01的比特流。由于无线信道中存在干扰和噪声，以及设备硬件不匹配等原因，造成收发双方的01比特流并不完全匹配。考虑到混沌序列对于初始值(种子数)非常敏感，两个混沌序列初始值哪怕是存在10^-10的误差都会导致后续产生的混沌数完全不一样。因此，本发明采用了brassardg于1994年提出的caseade协议进行01比特流信息调和，使得通信双方具有完全一致的随机种子序列ql∈{0,1},l＝1,2,…,q。将长度为q的随机种子序列转化为混沌序列的种子数a1，a1的数学表达式为：

显然a1∈(-1,1)。a1代入至tent映射方程：

ak+1＝2β(1-|ak|)-1,β＝1

迭代得到一组在(-1,1)区间内均匀分布的混沌序列{ak,k＝1,2,…}。为了进一步增强合法双方的通信保密性，周期性地产生随机种子a1，并复位混沌序列发生器，产生新的混沌序列。

为了得到p组均匀分布的随机变量，把前述的混沌序列发生器，经过如图2所示交织器。图2是一个分组交织器，数据按行写入，按列读出。混沌序列发生器生成的序列，前后几个随机数具有一定的相关性，但经过如图2所示的交织器之后，前后序列间隔至少为8，因此是近似独立的。再者，设置交织器的行数c>p，则按列读出的c个序列数，选取其中的p个作为用于相位旋转的p组随机变量。如何从c个数中选取其中的p个，收发双方事先约定即可，但对于未知选取规则的窃听者而言，进一步增加了截取合法双方通信信息的难度。

经过交织器之后的p组随机变量，均是服从(-1,1)区间内均匀分布的随机变量，是浮点数。具有无限精度要求的浮点数，在实际系统中是无法满足的，例如da转换芯片的位数是有限的。对混沌序列数ai(以10进制表示)，取其小数部分的第m、n、p位的数值，组成一个整数，然后再模m，得到相位旋转的角度。其数学表达式为

da,i＝mod(extract(ai,m,n,p),m)

在实际系统中，只要取混沌值靠后几位的任意位置上的值就可以，比如第10、11和12位。由于混沌特性，分布均匀性可以得到保障。因此，da,i是以一定分辨精度(取决于m,n,p,m的取值)、在360度内均匀分布的随机变量θk，用于1-2和2-3步骤中的相位旋转。同样地，窃听者如果不知道如何从ai获得da,i，仍然不能正确解调发送者的任何信息。

在所述步骤1-3中，待传输的比特{b1,b2,b3,b4}分成2组，也即{b1,b2}和{b3,b4}。如图3所示，每组2比特经过4qam调制后，分别记作s1和s2。两路4qam的符号叠加后可以看做是16qam的符号s，其数学表达式为：

其中用步骤1-2中生成的两组独立同分布的旋转相位θ1和θ2分别改变s1和s2的相位，s则表示相位变化后的调制符号，也即为加密后的调制符号，其数学表达式为：

从这个数学表达式和图1可以看出，比特{b1,b2}的功率是{b3,b4}的4倍具有更低的误比特率，因此在实际应用中，可以把重要的数据放到{b1,b2}这一组中，而把不太重要的数据放到{b3,b4}中。

假定信道为加性白高斯噪声信道(awgn)，在步骤2-2中，收到发送方发送的经过加密处理后的调制符号r，其数学表达式为

式中w为复高斯噪声，图4所示为符号信噪比时，接收方得到的符号星座图。

在步骤2-4中，用步骤2-3中生成的相位来迭代恢复出p组被随机选择的4qam，如图5所示。对第一次迭代，输入r1＝r，做相位逆旋转，得到

用4qam解调后，得到比特再经过4qam调制后得到相应的调制符号同时，输出r2为

假定此次迭代解调正确，也即则输出r2简化为

送入下一个迭代解调。以此类推，迭代恢复出全部的比特信息

图6所示则是合法用户得到的比特信息的无码率和非法用户得到比特信息的误码率。无论通信条件的好坏(以信噪比为衡量指标)，非法用户的比特误码率始终维持在0.5左右，这说明非法用户是在“猜”合法用户之间通信的内容，是无法从中提取得到有效信息的。