一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道

曹鵬程，馬雪婧，劉偉偉，劉光杰

(1. 南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 中國船舶重工集團(tuán)第八研究院，江蘇 南京 211153)

1 引言

作為信息隱藏技術(shù)的最新分支之一，無線隱蔽信道的目的是將秘密信息嵌入到公開的無線通信過程中來實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。近年來，隨著4G通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展和移動(dòng)智能終端的廣泛普及，無線通信場(chǎng)景已經(jīng)成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中的重要通信場(chǎng)景之一。這些無線通信過程已成為無線隱蔽信道的理想載體。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道[1-3]相比，無線隱蔽信道具有區(qū)域性、廣播性等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)需要在所有可能的區(qū)域布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，檢測(cè)難度較大。因此，無線隱蔽信道獲得了越來越多研究者的關(guān)注。

根據(jù)載體的不同，無線隱蔽信道可進(jìn)一步分為基于協(xié)議與信號(hào)的無線隱蔽信道。其中，基于協(xié)議的無線隱蔽信道將秘密信息嵌入特定的通信協(xié)議字段中，易被針對(duì)性的檢測(cè)算法發(fā)現(xiàn)[4，5]。而基于信號(hào)的無線隱蔽信道將秘密信息調(diào)制成人工噪聲信號(hào)，疊加在正常無線信號(hào)上以規(guī)避檢測(cè)[6-8]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，無線隱蔽通信有時(shí)需要利用有限的時(shí)頻資源實(shí)現(xiàn)與不止一個(gè)接收者的通信功能。由于無線信號(hào)的廣播傳輸特性，多播無線隱蔽信道相較于現(xiàn)有的單播無線隱蔽信道，能夠復(fù)用相同的時(shí)頻資源實(shí)現(xiàn)與多個(gè)接收者的通信，避免多次單播通信導(dǎo)致可能的行為異常。5G通信技術(shù)中出現(xiàn)的非正交多址接入技術(shù)(NOMA)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用時(shí)頻資源與多個(gè)接收方通信[9，10]。目前并無專門的多播無線隱蔽信道，需要該類信道開展研究。

本文提出一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道。該多播無線隱蔽信道首先分配各個(gè)接收者對(duì)應(yīng)的信號(hào)功率；然后通過差分模型擬合調(diào)制將秘密信息調(diào)制成人工噪聲信號(hào)，疊加在正常的載體信號(hào)上生成含密信號(hào)。各個(gè)接收方在移除載體信號(hào)后，近端接收方通過差分串行干擾消除技術(shù)移除遠(yuǎn)端信號(hào)，解調(diào)出秘密信息；遠(yuǎn)端接收方則直接解調(diào)出對(duì)應(yīng)的秘密信息。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的單播無線隱蔽信道相比，所提多播無線隱蔽信道在保持相同安全性的同時(shí)，秘密信息的可靠性有所提高。

本文其余部分結(jié)構(gòu)如下，第二節(jié)介紹基于信號(hào)的無線隱蔽信道模型和NOMA系統(tǒng)模型；第三節(jié)為所提的基于NOMA的多播無線隱蔽信道，包括信道的整體框架和具體的調(diào)制解調(diào)過程；第四節(jié)給出了仿真結(jié)果，而第五章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

2.1 基于信號(hào)的無線隱蔽信道模型

利用在無線通信中信道噪聲干擾無處不在的特性，基于信號(hào)的無線隱蔽信道將秘密信息調(diào)制成人工噪聲，然后將其疊加到正常的無線信號(hào)上進(jìn)行傳輸。基于信號(hào)的無線隱蔽信道的模型如圖1所示。

圖1 基于信號(hào)的無線隱蔽信道的模型

在該類無線隱蔽信道中，發(fā)送方同時(shí)發(fā)送正常信息與秘密信息。在發(fā)送方，正常信息與秘密信息分別被調(diào)制成載體信號(hào)與人工噪聲，然后疊加起來生成含密信號(hào)。在隱蔽信道接收方，正常信息與秘密信息分別從含密信號(hào)中解調(diào)得到。由于無線通信的廣播傳輸特性，含密信號(hào)有可能被檢測(cè)者的無線監(jiān)測(cè)設(shè)備捕捉到。檢測(cè)者會(huì)對(duì)捕捉到的信號(hào)進(jìn)行處理，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來判斷是否存在無線隱蔽信道。當(dāng)正常信號(hào)采用QPSK等低速率調(diào)制方式，同時(shí)信道噪聲較小時(shí)，疊加含有秘密信息的人工噪聲對(duì)正常信號(hào)的正確解調(diào)影響極小。因此，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)包級(jí)別的檢測(cè)方法無法判斷是否存在無線隱蔽信道。

2.2 NOMA模型

5G通信技術(shù)中興起的非正交多址接入技術(shù)(NOMA)，與傳統(tǒng)的正交多址接入(OMA)不同，通過串行干擾消除技術(shù)(SIC)實(shí)現(xiàn)功率域復(fù)用，多個(gè)接收方共享相同的頻率資源。以兩個(gè)接收方復(fù)用相同時(shí)頻資源的NOMA場(chǎng)景為例，其系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 NOMA系統(tǒng)模型

發(fā)送方根據(jù)不同接收方的信道條件分配信號(hào)功率。近端接收方R1信道條件好，分配較小的功率P1；遠(yuǎn)端接收方R2信道條件差，分配較大的功率P2，則P1

(1)

其中xi(i=1，2)為接收方給接收方Ri的發(fā)送信號(hào)，且滿足E(|xi|2)=1。同時(shí)信號(hào)總功率歸一化表示為P1+P2=1。

此時(shí)接收方Ri收到的信號(hào)為：

yi=hix+ni

(2)

(3)

3 基于NOMA的多播無線隱蔽信道

通過對(duì)基于信號(hào)的無線隱蔽信道模型與NOMA系統(tǒng)模型的分析，不難發(fā)現(xiàn)信號(hào)疊加處理在兩者之中都起著關(guān)鍵作用。利用這種結(jié)構(gòu)上的相似性，提出一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道。在實(shí)際應(yīng)用中，為了不影響正常信號(hào)的正確解調(diào)，由秘密信息調(diào)制得到的人工噪聲信號(hào)功率較小，再加上傳輸隱蔽性的限制，本文主要考慮存在兩個(gè)隱蔽接收方的多播場(chǎng)景。基于NOMA的多播無線隱蔽信道框架如圖3所示。

圖3 基于NOMA的多播無線隱蔽信道框架

3.1 發(fā)送方含密信號(hào)調(diào)制

發(fā)送方首先對(duì)各接收方進(jìn)行功率分配。假設(shè)載體信號(hào)功率滿足Ec=E(|sc[i]|2)=1，為保證疊加人工噪聲不影響載體信號(hào)的正確解調(diào)，人工噪聲總功率滿足Ps?1。對(duì)于固定大小的人工噪聲信號(hào)總功率Ps，基于NOMA的多播無線隱蔽信道需要分配給近端和遠(yuǎn)端接收方信號(hào)的功率分別表示為α1Ps和α2Ps，這里α1，α2是對(duì)應(yīng)接收方的功率分配系數(shù)。與傳統(tǒng)的NOMA技術(shù)不同，本文所提方法不依賴于功率差異來區(qū)分近端和遠(yuǎn)端信號(hào)，因此采用兩種功率方案：平均分配與基于信道狀態(tài)信息(CSI)的反轉(zhuǎn)功率分配方案。后者的分配過程中，與文獻(xiàn)[11]中的功率分配方案類似，發(fā)射方根據(jù)各接收方CSI分配功率，將更大的功率分配給遠(yuǎn)端接收方，故各接收方分得的功率大小與其信道增益成反比：αiPs∝1/|hi|。假設(shè)近端和遠(yuǎn)端接收方的信道增益分別為h1和h2，則功率分配系數(shù)可表示為

(4)

發(fā)送方完成功率分配后，將功率分配向量{α1Ps，α2Ps}與身份信息分別發(fā)送給各接收方，便于接收方選擇對(duì)應(yīng)的解調(diào)方案。

根據(jù)分配的信號(hào)功率，發(fā)送方將各接收方的秘密信息分別調(diào)制成對(duì)應(yīng)的人工噪聲信號(hào)，最后一起疊加到載體信號(hào)上，生成含密信號(hào)。以遠(yuǎn)端接收方對(duì)應(yīng)的秘密消息調(diào)制為例，假設(shè)一個(gè)載體信號(hào)的同相(I)方向分量或正交(Q)方向分量上僅嵌入1比特?cái)?shù)據(jù)，其秘密信息可表示為ms2=(ms2[1]，…，ms2[n])，其中ms2[i]=(msI2[i]，msQ2[i])∈{0，1}2。對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征分量表示為rI2=(rI2[1]，…，rI2[n])和rQ2=(rQ2[1]，…，rQ2[n])，這些信號(hào)特征分量在[0，1]上均勻分布。最終生成的人工噪聲ss2可表示為xI2+j·xQ2，這里的xI2，xQ2為近端人工噪聲在I方向和Q方向的分量

在人工噪聲的調(diào)制過程中，I方向與Q方向上的調(diào)制互相獨(dú)立，這里以I方向的調(diào)制為例介紹調(diào)制過程。對(duì)于任一秘密信息比特msI2[i]，首先將其連續(xù)化，轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量

(5)

其中msI2[i]-1/2∈{-1/2，1/2}是對(duì)秘密信息比特做極化處理，rI2[i]為該比特對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征值。秘密信息比特經(jīng)過連續(xù)化轉(zhuǎn)化為在[0，1]上均勻分布的連續(xù)變量。

然后對(duì)該連續(xù)變量進(jìn)行差分處理，得到對(duì)應(yīng)的差分連續(xù)變量

(6)

(7)

該函數(shù)保證生成的人工噪聲與正常的信道噪聲分布相同。Q方向的連續(xù)化，模型擬合與之類似。

近端人工噪聲ss1的調(diào)制方法類似。唯一區(qū)別在于在完成連續(xù)化之后自身重復(fù)一次再進(jìn)行模型擬合：

(8)

最后將載體噪聲、近端和遠(yuǎn)端人工噪聲疊加可得含密信號(hào)：

sct=sc+ss1+ss2

(9)

3.2 各接收方信息解調(diào)

在近端接收方，遠(yuǎn)端秘密信息首先被差分解調(diào)出來。然后通過發(fā)送方共享的遠(yuǎn)端信號(hào)特征向量重建信號(hào)后，從殘差信號(hào)中將其消除。最后解調(diào)得到近端秘密信息。以I方向分量為例，xresI，1c[i]與xresI，1d[i]為殘差信號(hào)I方向分量上的任一差分對(duì)，對(duì)其差分解調(diào)得到

(10)

通過式(10)中的差分將近端信號(hào)從解調(diào)中移除，避免了其對(duì)解調(diào)造成干擾。然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征量rI2[i]如式(5-7)重建遠(yuǎn)端信號(hào)差分對(duì)xI2，1c[i]，xI2，1d[i]。將重建的遠(yuǎn)端信號(hào)從殘差信號(hào)中消除得到受干擾的近端信號(hào)差分對(duì)

(11)

最后對(duì)其解調(diào)得到近端秘密信息

(12)

在遠(yuǎn)端接收方，遠(yuǎn)端秘密信息直接從殘差信號(hào)中差分解調(diào)得到

(13)

Q方向的秘密信息以相同的解調(diào)方法得到。

調(diào)制解調(diào)過程中，發(fā)射端需要所有接收方共享功率分配向量，信號(hào)特征量。考慮到一般應(yīng)用中信道狀態(tài)變化較小，功率分配向量共享頻次較低。信號(hào)特征量則可通過相同的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成，無需實(shí)時(shí)傳輸。因此共享這些參數(shù)不會(huì)對(duì)多播無線隱蔽信道造成過大的負(fù)擔(dān)。通過差分，重復(fù)等步驟，各接收方秘密信息傳輸速率僅為載體信息傳輸速率的一半。

4 仿真結(jié)果

與文獻(xiàn)[8]類似的，從抗檢測(cè)性與可靠性這兩方面來測(cè)試所提基于NOMA的多播無線隱蔽信道。抗檢測(cè)性主要由基于信號(hào)分布差異的KS[12，13]、KLD[14]檢測(cè)來衡量，可靠性則通過近端和遠(yuǎn)端秘密信息誤比特率(BER)來衡量。同時(shí)與單播無線隱蔽信道實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

仿真在MATLAB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)收發(fā)各方均保持靜止，無線信道為靜態(tài)平坦衰落信道，近端與遠(yuǎn)端接收方信道增益分別為|h1|=0.5和|h2|=0.15，正常信道噪聲假定為高斯噪聲。在所提的多播無線隱蔽信道與單播無線隱蔽信道中，人工噪聲的總功率滿足Ec/Ps=10dB，這樣人工噪聲不會(huì)對(duì)載體信號(hào)的解調(diào)造成影響，人工噪聲功率分配方案為平均功率分配與反轉(zhuǎn)功率分配。考慮到監(jiān)測(cè)設(shè)備所處信道環(huán)境未知，給出了一組信噪比條件下的抗檢測(cè)性與可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這里的信噪比指的是載體信號(hào)與信道均衡后噪聲之比，下文不再贅述。用于對(duì)比的單播無線隱蔽信道，無論時(shí)分復(fù)用或是頻分復(fù)用，傳輸速率僅為載體信息速率一半，與所提多播無線隱蔽信道速率相同。

4.1 抗檢測(cè)性

多播無線隱蔽信道的抗檢測(cè)性通過提取的殘差信號(hào)的I方向、Q方向、幅值和相位上的KS距離和KL散度大小來衡量的，其中KS、KLD檢測(cè)所需的參考樣本為采集得到的相同功率大小的正常信道噪聲。檢測(cè)窗口設(shè)定為2000。所提多播無線隱蔽信道與單播無線隱蔽信道的KS距離和KL散度如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，三種無線隱蔽信道的KS距離和KL散度大小相近，均數(shù)值較小且隨著信噪比增加基本保持不變。實(shí)驗(yàn)證明，所提的兩種功率分配的多播無線隱蔽信道具有與單播無線隱蔽信道相同的良好的抗檢測(cè)性。

圖4 三種無線隱蔽信道殘差信號(hào)

圖5 三種無線隱蔽信道殘差信號(hào)

4.2 可靠性

多播無線隱蔽信道的可靠性通過近端和遠(yuǎn)端接收方接收到的秘密信息誤比特率(BER)來衡量的。由于無線隱蔽信道信號(hào)功率較小，這邊在所有無線隱蔽信道中應(yīng)用基于M序列的擴(kuò)頻碼，M序列長度為10。兩種功率分配的多播無線隱蔽信道與單播無線隱蔽信道在近端與遠(yuǎn)端的秘密信息誤比特率如圖6所示。由圖6可知，與單播無線隱蔽信道相比，平均功率分配的所提方案在近端誤比特率相近的同時(shí)遠(yuǎn)端誤比特率明顯下降，而反轉(zhuǎn)功率分配的所提方案在近端誤比特率提高的同時(shí)遠(yuǎn)端誤比特率進(jìn)一步下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提多播無線隱蔽信道相較單播無線隱蔽信道可靠性有效提高，且可通過改變功率分配靈活調(diào)節(jié)傳輸性能。

圖6 三種無線隱蔽信道

5 結(jié)論

本文根據(jù)非正交多址接入系統(tǒng)模型提出一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道，該信道中近端與遠(yuǎn)端秘密信息調(diào)制成人工噪聲后疊加在正常信號(hào)上傳輸，接收方則通過差分解調(diào)的移除其它人工噪聲，確保秘密信息正確解調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較單播無線隱蔽信道，所提多播無線隱蔽信道在保持相同抗檢測(cè)性的同時(shí)，可靠性顯著提高。然而，本文尚未進(jìn)一步討論功率分配方案的選取，后續(xù)的工作將討論多播無線隱蔽信道的最優(yōu)功率分配方案的選取問題。