[发明专利]基于子载波索引调制的物理层安全传输方法

摘要

本发明涉及基于子载波索引调制的物理层安全传输方法。基于N个子载波，通过N点IFFT变换，将频域信号转为时域信号，采用三层加密机制，分别对应密钥H1，H2和K。第一层加密机制是用置乱矩阵H1与Book信息相乘以保护Book信息；第二层加密原理是用置乱矩阵H2与控制比特Cb相乘以保护合法者的子载波激活样本池；第三层加密原理是随机生成一些角度，实现对星座图的扰乱，以保护调制方式等信息。将三层加密后的数据发送出去，接收端分两步解调，首先信号接收，解密并估计出对应的子载波激活模式，然后在接收到的激活子载波上解映射，即可得到所有原始信息比特。本方法具有安全性高，能量节省明显的特点，与传统方式相比，误比特率有1~3dB的增益。

主权项

1.基于子载波索引调制的物理层安全传输方法，基于OFDM多载波传输系统建立系统模型，利用混沌理论生成置乱矩阵以达到随机选择激活子载波并旋转星座图的目的，其特征在于，基于N个子载波，通过N点IFFT变换，将频域信号转为时域信号，定义用于选择激活子载波的一部分信息比特为Book，这部分信息的传输不需能量，称为绿色信息；用所选中的激活子载波承载的信息为BQAM，传输这部分信息需要发送端消耗能量，称为非绿色信息，绿色信息和非绿色信息所能传输的信息量分别为：RNG＝Nlog2(M)/2  (2)总传输信息量为：其中N为FFT大小或全部子载波数目，M为调制阶数，为向下取整，C为组合函数，即从N个元素中选出N/2个元素的选择方案个数；当Am中比特为1时则激活对应子载波，否则静默对应的子载波，采用三层加密机制，分别对应密钥H1，H2和K，其中H1，H2分别为每一行和每一列有且只有一个1、其余元素为0的置乱矩阵，密钥K为[0,2π]随机分布的角度，第一层加密机制是用置乱矩阵H1与Book信息相乘以保护Book信息；第二层加密原理是用置乱矩阵H2与控制比特Cb相乘以保护合法者的子载波激活样本池；第三层加密原理是随机生成一些角度，实现对星座图的扰乱，以保护调制方式信息，将三层加密后的数据发送出去，接收端分两步解调，首先信号接收，解密并估计出对应的子载波激活模式，然后在接收到的激活子载波上解映射，即得到所有原始信息比特；所述传输方法具体包括步骤如下：步骤一：建立Book信息与子载波激活模式Am两者之间的对应关系，将长度为的所有二进制序列组成一个Book的备选样本池BP：Book‑Pool，从码元长度为(Nlog₂(M)/2)的所有二进制序列中，选择个由一半0和一半1的二进制序列组成的控制比特样本池Control‑bit Pool，用置乱矩阵H₂对CbP置乱得到子载波激活样本池AmP：Active‑mode Pool，以保护合法者的样本池不被窃听者所知，因为CbP是从中选出的个向量所组成，经过矩阵H₂的置乱操作，将窃听者CbP的疑似空间由已知扩大到进一步保证安全性；步骤二：生成密钥集H1,H2,K，采用一维虫口模型，定义为：xn+1＝λxn(1‑xn),λ∈(3.57,4],xn∈[0,1]  (4)在此一维虫口模型下，设计如下生成置乱矩阵H1的算法：1)设置一个初始值x0；2)将初始值x0代入式(4)，得到一个混沌序列Cs(Choticsequence)；3)从C_S中任选个元素4)为充分消除元素间相关性，选取hi小数点第6位之后的数据组成一个新序列yi；5)对yi由大到小排序sort(yi)，6)排序后，元素编号按位置可得到一个按照随机分布的列向量，7)将一个长度为的全1列向量逐元素右移，右移位数取为hh相对应的元素值，即得到置乱矩阵H₁，该矩阵H₁即为密钥H₁，该矩阵的特点是每行、每列有且只有一个1，其余元素为0，第7步所用的hh就是第6步生成的hh，类似的，生成密钥H2和密钥K；步骤三：将信息比特分为的Book和(Nlog₂(M)/2)bits的BQAM两部分信息，将Book信息与置乱矩阵H₁相乘，得到Book的加密信息BookH，在Book备选样本池BP中搜索与BookH相对应的行向量，根据步骤一的对应关系，在控制比特样本池中找出每个符号对应的控制模式Cb，然后将Cb与置乱矩阵H₂相乘，得到相对应的子载波激活模式A_m，当A_m中比特为1时则激活对应子载波，否则静默对应的子载波，最后在激活子载波上承载BQAM信息，即完成发送端子载波调制过程，对调制后的信息，依次进行插入导频和长短符号、IFFT变换、加循环前缀操作，经DA变换送入信道；步骤四：接收端解调信息，假设合法接收端已正确获得密钥，根据信号检测算法检测信号，然后进行发送端的逆过程即可正确解调出Book和BQAM两部分信息。