一種提高四發天線系統安全性能的空時變形碼*

宋歡歡,唐 杰,文 紅,向 達,廖潤發

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,四川成都611731)

一種提高四發天線系統安全性能的空時變形碼*

宋歡歡,唐 杰,文 紅,向 達,廖潤發

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,四川成都611731)

傳統的安全傳輸機制依賴于計算受限的AES、RSA、ECC為代表的基于計算的安全算法,其隨著計算技術的發展受到了嚴峻的挑戰。物理層安全機制成為解決無線安全傳輸問題的新途徑,但是其對信道依賴嚴重,在信道特性變化快的場景中難于保持概率為1的安全性能。本文將介紹一種運用在四發天線系統中基于傳統空時分組碼設計的空時變形碼,通過物理層空時變形碼結合上層加密技術實現無線系統的安全增強,為通信系統的安全性能提供雙保險。仿真驗證,這種變形碼結合上層加密技術可以使通信可靠性接近1,有望成為未來5G通信的安全標準之一。

空時變形碼 空時分組碼 跨層安全通信 第五代移動通信技術

0 引 言

無線通信網絡在賦予無線用戶通信自由的同時,由于它的廣播特性和沒有物理聯結的特性也使得無線通信系統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或者竄改信息惡意破壞無線服務。目前無線移動通信中,信息安全措施都是在通信上層實施,無線通信系統在底層考慮安全措施是需要的;同時目前的“加密”技術都是基于計算安全實現的,隨著科技的迅

猛發展,具有無限計算能力的量子計算機的實現,需要尋找更高強度的安全措施。

文獻[2-3]提出了一種MIMO系統下基于2發1收天線系統的Alamouti空時分組碼的變形碼形式。其利用傳統正交空時分組碼的編譯碼特性,設計出針對MIMO系統提高安全傳輸性能的空時變形碼。

實際系統中,基站采用4根或以上的天線、移動臺采用2根天線。本文將2發1收系統的空時變形碼方案推廣到4發多收天線系統,設計出一種專門針對四發天線系統的正交空時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變形碼結合上層加密技術進行安全通信。合法通信雙方共享密鑰流,將此密鑰流作為控制序列,控制發射端發射空時分組碼或是空時變形碼。本文采用很少的密鑰流序列,結合物理層技術的改進,在不大幅增加系統開銷的前提下,能夠使竊聽者誤碼率總體接近0.5,達到香農提出的最佳抗竊聽性能[4],同時合法通信方接收性能幾乎不受影響。

1 傳統四發系統空時分組碼

為了簡單描述我們的方案,下面主要以四發一收系統為例。任意復信號星座來說,都有對任意給定天線數能夠實現1/2碼率的空時分組碼[5]。圖1為四發一收STBC系統原理框圖,(x1,x2,x3,x4)為調制信號,(h1,h2,h3,h4)是信道信息,信道信息可以在發送方估計,也可以在收方估計后反饋給發送方。

圖1 四發一收天線STBC系統原理Fig.1 Schematic diagram of four-sending and one-receiving antennae STBC system

二進制信源經過M-PSK調制后,編碼器在每一次編碼操作中取出四個調制符號(x1,x2,x3,x4)為一個分組得到空時編碼矩陣[6-9]:

編碼矩陣X4為Nt×P維矩陣,Nt表示發射天線個數,P代表編碼矩陣發射周期。在八個連續發射周期中,編碼矩陣信號分別從四根發射天線發射出去。其中分別是信號x1,x2,x3,x4的復共軛。

接收端采用一根接收天線,信道衰落系數在編碼矩陣八個連續符號發射周期中不變,信道可以表示為:

式中,Nr代表接收天線數。經過衰落信道后,接收信號為:

其中rk(k=1,2,…,8)為第k個時隙接收端接收到的信號。n是Nr×P維噪聲矩陣,假設八個連續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。

接收端完全恢復信道衰落系數后,通過合并接收信號和信道狀態信息構造出四個判決統計:

接收端采用最大似然譯碼算法,在調制星座圖上找到離判決統計最近的星座點:

式中,S為M-PSK調制星座圖上所有可能的信號集合。判決結果()即為發射符號(x1,x2,x3,x4)的估計。

2 四發系統空時變形碼集設計

由于無線通信廣播特性,竊聽者也可以接收到信號,并能利用最大似然譯碼算法譯出信源信號,造成信息泄露。本文提出一種針對四發天線系統的空時變形碼。合法通信雙方通過某種安全途徑獲取預先共享的密鑰流,密鑰應該僅由明確定義的實體共享,密鑰在密鑰空間上隨機分布,本文假設任何非授權實體(在現有計算能力下)都掌握不到密鑰的任何信息[10-11]。

利用密鑰流控制不同時刻發送端發射空時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調制方式下,竊聽者若按照傳統四發空時分組碼接收過程接收判決時,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

為了誤導竊聽者,我們讓空時變形碼編碼矩陣包含一半正確信息一半錯誤信息。為了簡單描述我們的方案,假設前半段時間天線發射正確信號后半段時間發射錯誤信號,空時分組碼(1)變為:

若s1=x1,s2=x2,s3=x3,s4=x4,空時變形碼X憶4即為空時分組碼X4。下面我們將重新設計(s1,s2,s3,s4)信號值,使得竊聽者在不知道控制序列的情況下,按照原來空時分組碼譯碼過程誤碼率最大。系統發射空時變形碼后接收端接收信號為:

式中,n憶為加性高斯白噪聲。去除噪聲影響,判決統計結果為:

為了使竊聽者誤碼率最大,根據M-PSK等能量調制的特點找到與發射信號(x1,x2,x3,x4)星座點相距最遠的檢測信號(x′1,x′2,x′3,x′4),8-PSK調制方式下其一一對應關系如圖3所示。檢測信號()為:

圖3 8-PSK調制Gray碼映射星座圖和變形信號星座選擇Fig.3 8-PSK modulation Gray codemapping constellation and the deformation signal constellation selection

根據M-PSK調制特點進一步簡化公式(9):

聯合公式(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射,實現跨層安全通信。本文采用簡單的m序列作為控制序列,定義控制序列:

fi=0時,發射端發射空時分組碼X4;fi=1時,發射端發射空時變形碼X憶4。

用戶接收檢測過程如下:

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

1)接收端接收到信號為:

2)采用最大似然譯碼算法,判決統計分別為:

竊聽者不知道控制序列Fcontrol,所以無論發射端發射何種編碼矩陣,竊聽者均按照傳統正交空時分組碼的接收檢測過程接收判決,或者通過猜測控制序列進行類似合法通信者的接收,因此得到的信號可能是與發送信號歐拉距離最遠的信號。攻擊者也可以用“搜索攻擊”方法對這個系統展開攻擊,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,提高了系統的安全強度。

圖4 “跨層”安全系統和傳統安全系統進行攻擊的比較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誤比特數來驗證我們方案的可行性。假設信道為平坦瑞利衰落信道,接收端已知信道信息,并且信道衰落系數在一幀內不變,幀與幀之間隨機變化。采用M-PSK調制方式,發射端共發射1 500個數

據幀,每幀含有120個符號。圖5為四發一收天線系統仿真圖,我們可以看出,采用跨層增強變形碼時,竊聽者誤比特率達到0.5,竊聽不到有用信息,防止了信息泄露,同時不影響合法用戶的接收性能。

圖5 四發一收系統仿真Fig.5 Simulation diagram of four-transmitting antennae and one-receiving antenna system

圖6 四發兩收系統仿真Fig.6 Simulation diagram of four-transmitting antennae and two-receiving antennae system

圖7 四發四收系統仿真Fig.7 Simulation diagram of four transmitting antennae and four receiving antennae system

四發一收空時變形碼方案可以簡單推廣應用于四發多收的天線系統。圖6、圖7分別仿真四發兩收與四發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。仿真結果顯示,我們提出的變形碼提高了四發系統的安全性能。

4 結 語

本文我們提出了一種適用于四發天線系統的空時變形碼,通過與上層密鑰流相互協作,本方案可以達到最佳抗竊聽目的。物理層上技術的改進與上層密鑰流相互協作的跨層方案,很有可能成為未來5G的通信安全標準之一。

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宋歡歡(1987—),女,碩士研究生,主要研究方向為未來無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、博士生導師,主要研究方向為無線通信與通信安全;

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,主要研究方向為通信安全與保密;

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

向 達(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向為5G通信系統物理層安全技術研究;

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

廖潤發(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為通信安全與保密。

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

自然科學基金項目(No.61032003,No.61271172)、高等學校博士學科點專項科研基金(No.20120185110030,No.

20130185130002)、四川省國際合作研究項目(No.2013HH0005)和國家教育部回國人員科研啟動基金聯合資助

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.