兩種寄生認知無線電物理層認證方案對比

周雪倩，余訓健，吳曉富

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

兩種寄生認知無線電物理層認證方案對比

周雪倩，余訓健，吳曉富

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

為獲得有效可行和可靠的認知無線電認證方法并將其應用于實際工程中，分別進行了基于寄生調制和寄生糾錯編碼的寄生認知無線電(CR)物理層安全認證方案的對比分析研究。為提高兩種寄生認知無線電物理層認證方案對比分析的可靠性和效率，提出了一種新的編碼方法。該方法在對認證標簽進行低密度奇偶校驗碼(LDPC)編碼的基礎上，在認證標簽中嵌入LDPC碼字。為驗證所提出方法的有效性和可行性，與里所碼(RS)編碼方法進行了對比實驗。圍繞誤碼率與認證標簽傳輸速率兩個性能參數，進行了寄生調制與寄生編碼兩種方案的對比實驗與分析。仿真分析與實驗結果表明，所提出的LDPC編碼方法在性能上比RS編碼更為優越，且在同一誤碼率與信噪比的條件下，嵌入QPSK信號的認證標簽傳輸時間顯著低于嵌入編碼傳輸所需時間，可見寄生調制方案要優于寄生糾錯編碼方案。

認知無線電；QPSK；糾錯編碼；傳輸速率

1 概 述

在認知無線電網絡中要實現動態的頻譜分配[1]，認知用戶以機會接入方式使用授權頻譜[2]，而且不能對主用戶產生干擾，頻譜感知就成為認知無線電必備的基本功能[3]。所謂感知就是在無線電信號的時域、頻域和空域多維空間，對主用戶頻段不斷地進行頻譜檢測，檢測這些頻段內主用戶是否工作，從而得知頻譜的使用情況[4]。如果某頻段未被主用戶使用，則稱該頻段為頻譜空穴，認知用戶可以臨時使用。頻譜感知的目的就是發現頻譜空穴，準確區分主用戶信號和認知用戶信號[5-8]。在基于能量檢測的頻譜感知方案中，主要以信號的能量來檢測有無信號出現，未超過頻譜空穴檢測閾值的頻段即是頻譜空穴，超過頻譜空穴檢測閾值的信號需區分是主用戶信號，還是認知用戶信號。該體制為惡意干擾提供了機會[9]。現有認知無線電系統中使用能量檢測，建立用戶身份鑒別模型。在該模型中，一個認知用戶能夠識別其他認知用戶的信號，把非認知用戶信號均視為主用戶信號。即當認知用戶檢測到一個它能識別的信號時，將此信號假設為來自另一個認知用戶。反之，該認知用戶將認為所檢測到的信號來自主用戶[10]。在這種模型中，一個自私的認知用戶(一個攻擊者)很容易侵入頻譜感知過程，占有信道[11]。例如，攻擊者能夠通過在授權頻段上發送認知用戶無法識別的信號達到冒充主用戶，阻止其他認知用戶接入這個頻帶的目的。甚至諸多的無惡意干擾也會占有頻譜，而被認為是主用戶信號[12]。

由于以上因素，主用戶身份識別在認知無線電技術中非常關鍵[13]。認知用戶在通信過程中感知到主用戶存在時，立即退出該信道以防止對主用戶的干擾。攻擊者利用這一特點，當檢測到一個空閑的頻段時，就會發送模仿主用戶信號特征的信號，阻止其他認知用戶競爭此頻段。因此，雖然認知無線電技術促進了通信產業的快速發展，為人們的生活帶來了極大的便利，但由于認知無線網絡構建于現有無線網絡的基礎上，因此現有無線網絡面臨的安全問題在未來認知無線網絡中同樣會面臨，通信安全、用戶身份認證問題仍然是需要關注的重點。而物理層認證，是認知無線電的安全基礎[13]。它利用物理層信號的特性來識別身份，保證通信雙方是其所聲稱的身份[14]，防止非法用戶的接入與訪問。

為了解決上述問題，提出了基于調制寄生和編碼寄生的兩種寄生物理層認證方案的對比方法。該方法在編碼方案中，將認證標簽進行低密度奇偶校驗碼(LDPC編碼)后再嵌入LDPC碼字。在對比研究里所碼(RS編碼)與LDPC編碼在不同信道上傳輸的誤碼率性能的基礎上，從誤碼率性能與認證標簽傳輸速率兩個角度出發，分析比較寄生調制與寄生編碼兩種方案性能的優劣。

2 標簽的產生與傳遞

在認知無線電物理層認證中有兩個基本問題[10]：認證標簽的生成和認證標簽的傳遞。文獻[10]提出，認證標簽是通過一條單向的hash鏈產生的：hn→hn→…→h1→h0。其中hi=hash(hi+1)。

這條hash鏈的末端h0是提前告知所有接收機的。鏈上的每個數字只有在特定的時間區間里發送才是有效的。由于hash鏈是單向的，所以當j>i時，是無法由hi推出hj的，因此hi必須在hj之前發送。為了避免接收機不定時調諧的影響，認證標簽是在特定時間區間內重復發送的。

接收機接收到信號后分離出認證標簽hi，通過時間和已知的h0來對接收到的hi進行認證。在認證過程中，只要hash鏈中一個數字出錯，整個認證過程都會失敗，從而證明這種方法的安全性能很高。

文獻[10]還提出了兩種將認證主用戶的標簽融入到傳輸信號的方法。

一種是通過QPSK調制機制融入認證標簽，將認證標簽看作一個微小的角度偏移θ加入到調制信號中進行傳輸。如文獻[10]中Figure 4所示，當標簽值為1時，將星座點向Y軸偏移一個微小的角度θ；當標簽值為0時，將星座點向X軸偏移一個微小的角度θ[5-6]。由于θ的值大小有限，不會影響接收機對信號的判決。當Cognitive Radio (CR)接收機接收到信號后，根據星座點的偏移方向，劃分了四塊區域來判決認證標簽的值，如果星座點落入區域1和區域3，則判標簽值為1，反之判為0[7]。

另一種是通過編碼機制融入認證標簽[10]。在固有的信道編碼的糾錯能力范圍內，人為地將認證標簽替換經過編碼的信息碼字，從而將標簽信號嵌入碼字在信道中傳輸。經過信道傳輸的信號首先經過CR接收機分離出認證標簽，將分離出認證標簽的信息碼字送入解碼器解碼，恢復原信息。如圖1所示，L幀k位信息經過(n,k)線性編碼，輸出L幀n位碼字。將L個認證標簽符號去替換L幀的信息碼字的第一個符號，從而完成認證標簽嵌入編碼的過程。

圖1 認證標簽嵌入編碼流程

經過信道傳輸的信號首先經過CR接收機，分離出S'的認證標簽碼字，再將分離出認證標簽的信息碼字送入解碼器。由于人為引入錯碼的位數嚴格地控制在糾錯編碼糾錯能力范圍以內，解碼器可以將人為引入的錯碼完全糾正。

根據上述方法，也可以替換超過一位的符號，使每個碼字攜帶更多的認證標簽位，但同時會降低這種編碼的糾錯能力。假設糾錯能力為t的糾錯編碼，在每個碼字中將q個符號替換成認證標簽，則它的實際糾錯能力降為t-q。因此找到q和t之間的平衡很重要。

還有一點需要注意的是，由于傳輸造成的誤差，所采用的認證標簽也可能被腐蝕。事實上接收機不可能百分之百接收到正確的認證信號。

在文獻[10]提出的將認證標簽嵌入編碼機制的基礎上，對認證標簽進行編碼再嵌入碼字，并采用LDPC編碼與RS編碼進行對比[15]，設定了BSC信道與AWGN信道兩種信道進行傳輸，研究認證標簽與信息的誤碼率性能。進一步地，從誤碼率性能與認證標簽傳輸速率兩個角度出發，對兩種寄生認知無線電物理層安全認證方案進行對比分析。

3 寄生調制方案

(1)

其中，Es為每符號能量；Ts為每符號時間長度；W(t)為高斯白噪聲函數。

引入認證標簽的QPSK信號的誤碼率可以表示為：

(2)

認證標簽的誤碼率可以表示為：

(3)

根據式(2)和式(3)，可以畫出文獻[10]中Figure 6。從Figure 6(a)得出，當信噪比固定時，隨著角度偏移量θ的增大，QPSK信號的誤碼率逐漸升高；在同樣的角度偏移量θ下，信噪比越大，QPSK信號誤碼率越低。從Figure 6(b)得出，當信噪比固定時，隨著角度偏移量θ的增大，認證標簽的誤碼率逐漸降低；在同樣的角度偏移量θ下，信噪比越大，認證標簽誤碼率越低。

4 編碼方案

提出將認證標簽進行編碼后嵌入到同樣經過編碼的主信號碼字中來實現編碼方案的認知無線電物理層安全認證。對比分析將信息進行LDPC編碼與RS編碼在不同信道傳輸的誤碼率的性能差別。RS編碼的誤碼率性能可以通過公式推導得出，LDPC編碼的誤碼率性能無法得出具體的表達式，通過實際仿真得出LDPC編碼的誤碼率曲線，與RS編碼進行對比[16]。

4.1RS編碼方式嵌入認證標簽

為分析這種添加認證標簽方式的錯誤概率，假設系統是信道誤碼率為p的二進制對稱(BSC)信道，接收機采用硬判決。碼字錯誤率為pcw，符號誤碼率為ps，標簽誤碼率為pt。

(4)

(5)

其中，ps=1-(1-p)M。

由于接收機接收到的認證標簽在被送到糾錯編碼譯碼器之前已經被檢測判決，因此認證標簽的比特誤碼率和BSC信道的比特誤碼率一致，即：

pt=p

(6)

利用式(4)～(6)，可以畫出理論的認證標簽嵌入RS編碼的誤碼率曲線。此處采用(64，32)RS編碼，BSC信道設定三種誤碼率，分別為0.037 5、0.023 0、0.012 5，每個碼字含有8位即M=8 bit，做出該系統誤碼性能曲線，如圖2所示。

圖2 認證標簽嵌入RS碼字的誤碼率曲線

由圖2可知，嵌入更多的標簽位使誤碼性能大大降低，誤碼率大幅增加；而對于認證標簽來說，由于標簽的接收與解碼是獨立的，因此其誤碼率保持不變并等于信道差錯概率。

4.2LDPC編碼方式嵌入認證標簽

4.2.1 BSC信道傳輸

此處設置每個碼字包含1 bit。為了與上文RS編碼保持一致，信息位采用(512,256)的LDPC編碼，認證標簽采用(256,128)的LDPC編碼。認證標簽替換原碼字的比特數控制在10～50位，也在p為0.037 5、0.023 0、0.012 5的BSC信道上進行傳輸。

由圖3所示，BSC信道的p越小，信息碼字的誤碼率越低，與RS編碼相同；在三種不同的錯判概率p下，隨著認證標簽每符號比特數的遞增，信息碼字的誤碼率緩慢增長，性能大大優于RS編碼，增長幅度大大低于圖2。對于認證標簽來說，在三種不同的誤碼概率p下，隨著認證標簽每符號比特數的遞增，認證標簽碼字的誤碼率保持不變，與未經編碼的認證標簽誤碼率曲線圖2中的情況相同；但是在相同的p下，對比圖2與圖3可以得出，經過LDPC編碼的認證標簽誤碼率性能大大優于RS編碼。

圖3 BSC信道：認證標簽經過LDPC編碼 嵌入LDPC碼字的誤碼率曲線

4.2.2 AWGN信道傳輸

將嵌入認證標簽編碼的碼字在AWGN信道進行傳輸，與BSC信道傳輸不同，接收機采用軟判決，直接將加上高斯白噪聲的信道送入解碼器進行迭代譯碼。探究在AWGN信道不同的信噪比下，認證標簽每符號的比特數對信號編碼的誤碼率和標簽編碼本身的誤碼率的影響。AWGN信道的差錯概率p為：

(7)

同樣，信息位采用(512,256)的LDPC編碼，認證標簽采用(256,128)的LDPC編碼。如圖3、圖4所示，認證標簽碼字的每符號比特數控制在10～50位，嚴格小于t。為了與BSC信道進行對比，需要設置AWGN信道的錯誤概率為0.037 5、0.023 0、0.012 5。根據式(7)，則Eb/N0為2 dB、3 dB、4 dB。

圖4 AWGN信道：認證標簽經過LDPC編碼 嵌入LDPC碼字的誤碼率曲線

如圖4所示，AWGN信道的信噪比越高，誤碼率越低。當信噪比達到4 dB時，誤碼率性能就能達到很理想的水平。在三種不同的誤碼率下，隨著認證標簽每符號比特數的遞增，信息碼字的誤碼率緩慢增長。對比圖3，誤碼率性能大大優于BSC信道。并且如圖4所示，在三種不同的信噪比下，隨著認證標簽每符號比特數的遞增，認證標簽碼字的誤碼率保持不變，但是對比圖3，經過軟判決的誤碼率性能同樣優于BSC信道。

5 QPSK寄生調制方式與編碼方式嵌入認證標簽對比分析

將從嵌入認證標簽效率和認證標簽對于數據傳輸的誤碼率影響的角度出發，對兩種嵌入認證標簽的機制進行對比分析。將認證標簽經過(ntag,ktag)的線性分組碼編碼，一種是將認證標簽嵌入QPSK信號，對相位產生微擾，寄生于QPSK主信號進行傳輸；另一種是替換編碼中某些符號，依靠糾錯編碼的糾錯能力進行傳輸。因此，此處將定義一個描述認證標簽信號傳輸速率的變量W。W是認證標簽的碼率與數據傳輸速率的比值：

(8)

其中，Bt為認證標簽傳輸速率；Bm為主用戶信息傳輸速率。

由定義可知，W越高，認證標簽的傳輸速率越快，傳輸所用的時間越短。

(9)

在認證標簽嵌入QPSK信號的機制中：

(10)

在認證標簽嵌入編碼的機制中，數據經過(n,k)的編碼，則

(11)

在碼字中將q比特替換成認證標簽，則

(12)

根據式(5)，可以得出傳輸L-Bit長度的認證標簽需要的時間為：

(13)

而在編碼機制中，選取信息為(512，256)的編碼，認證標簽為(256,512)的編碼，q為10比特，常規的數字系統傳輸速率為19.39 Mbps，則

為此，將討論信號的誤碼率，標簽傳輸時間以及信道信噪比之間的關系。設置標簽長度為128，誤信息的誤符號率門限為10-7，標簽的誤碼率門限為10-10，選取各種(ntag,ktag)對認證標簽進行LDPC編碼仿真實驗。

由圖5所示，在兩種嵌入機制下，固定一種信噪比，隨著主信號誤碼率的提高，Ttag隨之降低。這就表明，如果用戶想要獲得更高的認證標簽傳輸速率，減少認證標簽傳輸時間，就一定要以犧牲誤碼率為代價。同樣，在兩種嵌入機制下，若固定一種誤碼率，也可得到類似曲線。Ttag隨著信噪比的提高而降低，說明隨著信號能量的提高，認證標簽的傳輸速率也隨之提高，認證標簽傳輸時間減少。并且，在同等信噪比與誤碼率的條件下，認證標簽嵌入QPSK信號的傳輸速率要大大高于嵌入編碼機制，說明將認證標簽嵌入QPSK信號的方法性能更為優良。

6 結束語

為了得出性能最佳的認知無線電認證方法，研究了兩種寄生認知無線電物理層安全認證方案。先研究了認證標簽嵌入QPSK調制的方案。根據理論推導的誤碼率公式分析該方案中QPSK信號與認證標簽的誤碼率性能。在此基礎上，分析了編碼機制中嵌入認證標簽的方案。提出將認證標簽經過LDPC編碼之后再嵌入LDPC碼字中傳輸，這樣可以大大提高認證標簽的誤碼率性能。在信息碼字的糾錯能力范圍內引入認證標簽，采用LDPC編碼的性能比RS編碼更為優越，認證標簽的每符號的比特數對誤碼率性能影響較小，傳輸認證標簽更為可靠。

圖5 不同信噪比下Ttag與誤碼率的關系曲線

進一步地，從信息誤碼率與認證標簽傳輸速率的角度出發，將兩種方案進行對比分析。仿真結果表明，在同等誤碼率與信噪比的條件下，認證標簽嵌入QPSK信號傳輸的時間要遠遠低于嵌入編碼傳輸所需的時間。由此可見，寄生調制方案比編碼方案更為高效，性能更為優良。

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ContrastAnalysisonTwoAuthenticationSchemesofEmbeddedPhysicalLayerwithCognitiveRadio

ZHOU Xue-qian，YU Xun-jian，WU Xiao-fu

(School of Telecommunications & Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

In order to find an effective,feasible and reliable approach of Cognitive Radio (CR) authentication and put it in the practical engineering,two embedded physical layer authentication schemes in CR are compared and analyzed，including the modulation tagging and the Error Correcting Coding (ECC) tagging.A new encoding method is proposed to improve the reliability and efficiency of the two kinds of scheme mentioned above.It embeds LDPC in authentication tag on the basis of conducting LDPC for authentication tag.So as to prove its effectiveness and feasibility,the comparison is made with RS-ECC tagging.The modulation tagging is compared with the ECC tagging in both performance of bit error rate and transmitting rate.According to the simulation results,the performance of the LDPC-ECC scheme is better than the RS-ECC scheme,and the QPSK modulation tagging is superior to that of the ECC tagging whenever the transmission time is concerned under the condition of same bit error ratio and signal to noise ratio.

cognitive radio;QPSK;error correction coding;transmitting rate

2016-06-04

2016-09-21 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-08-01

國家自然科學基金資助項目(61372123)

周雪倩(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為無線數據與移動計算；吳曉富，博士，教授，研究方向為編碼與信息論、計算復雜性與密碼學、移動計算、生物特征安全識別、無線通信與深空通信、導航信號處理等。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170801.1549.008.html

TN918

A

1673-629X(2017)11-0176-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.038