无线局域网中基于时变MPSK调制的物理层加密方法

摘要

无线局域网中基于时变MPSK调制的物理层加密方法属于无线局域网信息传输安全技术领域，其特征在于它在利用传统的随机PN序列不断改变相位偏移的前提下，采用固定的QPSK或8PSK较低进位制的调制方式，以便在大大提高系统安全性的基础上，极大的提高系统误码率BER的性能；而且，无论在低信噪比SNR区还是高SNR区，随机MPSK调制方式固定的较低进制MPSK调制方式相比，都有其明显的优点。

说明书

技术领域

无线局域网中基于时变MPSK调制的物理层加密方法属于无线局域网信息传输安全技术领域。

背景技术

作为无线通信网的重要组成部分，无线局域网(WLAN)已经成为未来无线通信，特别是无线接入技术的主要发展方向。随着WLAN的性能、互操作性和易管理性的不断改善，安全性已经成为大范围装配无线局域网迫切需要解决的问题之一。由于无线局域网使用无线方式传输数据信号，传输媒介是开放性的，所以较易受到攻击。另一方面，无线局域网的物理可控制范围不确定，这是由于无线电波能够穿透墙壁和隔板，有时会传播到应用区域之外，使黑客有机会截获电波并进入未受保护的局域网内。由于网络基础架构的这些差别，导致无线局域网与有线网的安全性不在同一个水准。

目前，IEEE802.11委员会已经意识到无线局域网固有的安全缺陷，从而引入了WEP(Wired Equivalent Privacy)算法。但是，WEP算法也有自身的缺陷和弱点，不能完全保证加密传输的有效性，也无法保证WLAN的安全性。

在介绍我们发明的时变调制方式物理层加密算法之前，有必要简单的介绍传统的MPSK调制方式。MPSK是以载波相位作为携带信息的参数的一种多进制数字调制方式。在M进制(例如：M＝8，表示八进制)相移键控信号中，载波相位有M种取值，所对应的M种持续时间为T_s的符号可以表示为： $>>>S>i>>>(>t>)>>=>>>>2>>E>s>>>>T>s>>>>cos>>(>>\omega >C>>t>+>>\phi >i>>)>>0>\le >t>\le >>T>s>>,>i>=>0,1>,>.>.>.>,>M>->1>->->->>(>1>)>>>s>这里，E$_s为单位符号的信号能量，即在0≤t≤T_s时间间隔内的信号能量；ω_C为载波角频率；φ_i为相位，有M种取值。

MPSK信号的理论误比特率计算公式如下：M＝2时， $>>>P>>b>,>BPSK>>>=>Q>>(>>>>>2>E>>b>>>N>0>>>>)>>->->->>(>2>)>>>s>M＝4时，$ >>>P>>b>,>QPSK>>>=>2>Q>>(>>>>>2>E>>b>>>N>0>>>>)>>[>1>->>1>4>>Q>>(>>>>>2>E>>b>>>N>0>>>>)>>]>->->->>(>3>)>>>s>M＝8时，$ >>>P>>b>,>8>PSK>>>=>2>Q>>(>>>>>6>E>>b>>>N>0>>>>sin>>\pi >8>>)>>->->->>(>4>)>>>s>M＝16时，$ >>>P>>b>,>16>PSK>>>=>2>Q>>(>>>>>8>E>>b>>>N>0>>>>sin>>\pi >16>>)>>->->->>(>5>)>>>s>这里，Q表示Q函数，其数学涵义为：$ >>Q>>(>a>)>>=sup>>\int >a>\infty sup>>>1>>2>\pi >>>>e>>->>>x>2>>2>>>>dx>,>>s>即高斯分布概率密度函数的尾部面积。E$$$$$_b表示单比特信号的能量，N₀表示噪声的功率谱密度。

在通常情况下，MPSK调制方式所采用的M值是不变的，相位偏移φ_i的取值范围也是不变的。这样，调制后的信号一旦被截获，就容易被解调，导致信息泄漏。为此，我们提出时变MPSK的调制方式，以增加系统的安全性能。更进一步地，为了降低系统的误码率和实现的复杂性，我们还对时变的MPSK调制方式做出一些改进，以增加这种方法的可用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在大大提高系统安全性的基础上保持较低误码率的无线局域网中基于时变MPSK调制的物理层加密算法。

基于时变MPSK调制方式的物理层加密算法的基本思想是：产生两个PN伪随机序列，根据第一个PN序列不断改变多进制M的取值，同时根据M的取值和第二个PN序列不断改变相位偏移φ_i的取值。每次M和φ_i改变后只调制数据一次。这样，调制后的信号在M和φ_i两个参数上都没有统计规律可言，具有很强的保密性，达到了加密的目的。具体情况，参见图1，已有的基于时变的MPSK调制方式的物理层加密算法表述如下：

(1)随机PN序列的产生

(i)PN1：2bits随机{0，1}序列，用于选定MPSK调制方式的M值，其对应方式如表1所示。

(ii)PN2：log₂ M bits随机{0，1}序列，用于选定相位偏移φ_i的值，其对应方式如下：

将log₂ M bits的{0，1}序列看作一个二进制数，记为(PN2)₂，转化为十进制数后，记为(PN2)₁₀。则： $>>>\phi >i>>=>2>\pi >>>>(>PN>2>)>>10>>M>>->->->>(>6>)>>>s>$

(2)调制加密(Encode)

简化调制模式，利用MPSK调制方式的星座图来标记加密数据，将加密后的数据选定在单位圆上。

对于MPSK调制方式和选定的M，加密数据m应该满足：0≤m≤M-1，有： $>>SIGNAL>=>m>,>ENCODE>=>exp>[>j>·>>(>2>\pi >>m>M>>+>>\phi >i>>)>>]>->->->>(>7>)>>>s>$

(3)解调解密(Decode) 

(i)解密依据

采用复平面，在单位圆上标记星座点。由于相位偏移φ_i的存在，星座点会发生旋转偏移。星座点的标记方式如下： $>>CONSTELLATION>>=>exp>[>j>·>>(>2>\pi >>K>M>>+>>\phi >i>>)>>]>->->->>(>8>)>>>s>$

(K＝0，1，2，...，M-1)

将接收到的数据(RECEIVE)与各个星座点比较，距离最近的点作为该数据的值；也就是说，将与数据点在复平面上距离最近的星座点所对应的K值作为解密的数据。

(ii)解密方法

取M个星座点CP₁，CP₂，...，CP_M分别对应K＝0，1，2，…，M-1这M个点，解密方法如下：

           IF|RECEIVE-CP_K|＝Min(RECEIVE-CP₁，...，RECEIVE-CP_M)     (9)

           THEN DECODE＝K

应该指出的是，上述方法虽然在系统安全性上有很大的提高，但是由于BPSK、QPSK、8PSK和16PSK这4种调制方式都以1/4的概率出现，致使整个系统实现的复杂度增加，误码率也较高，从而限制了系统的应用范围，即要求系统的信噪比较高(大于12dB)。为此，我们要在已有的时变MPSK调制方式物理层加密算法上作一些改进，以扩大它的适用范围。本发明的特征在于：它是一种采用且较低进制QPSK调制方式的时变MPSK(Multiple PhaseShift Keying，多进制相位键控)的物理层加密方法。它是一种采用且较低进制8PSK调制方式的时变MPSK(Multiple Phase Shift Keying，多进制相位键控)的物理层加密方法。仿真实验证明：在大大提高系统安全性能的基础上，用较低进制的MPSK调制方式可以极大地提高系统的误码率BER性能。

附图说明图1已有的基于时变MPSK调制方式的物理层加密/解密方法的原理框图。图2改进的基于时变MPSK调制方式的物理层加密/解密方法的原理框图。图3 16PSK调制方式的星座点图。图4时变MPSK物理层加密方法的仿真流程。图5时变MPSK调制方式的理论BER性能曲线。图6时变MPSK调制方式的理论BER性能曲线。图7时变MPSK调制方式的实际仿真BER性能曲线。图8时变MPSK调制方式的实际仿真BER性能曲线。图9时变MPSK调制方式的理论BER性能与实际仿真BER性能的比较。

具体实施方式

对时变MPSK调制方式物理层加密算法改进的基本思想是：系统不采用随机PN序列改变M的值，而采用固定的QPSK或者8PSK调制方式；但是，相位偏移φ_i仍然是随机改变的，而且它的随机性与原方法中φ_i的随机性是相当的。这样，由于没有16PSK调制方式在系统中的存在，系统的复杂度和误码率都大大降低；而且由于调制后的信号在φ_i这个参数上没有统计规律，仍然具有相当的保密性。具体情况，参见图2，基于时变MPSK调制方式物理层加密算法的改进表述如下：

(1)随机PN序列的产生

PN：4bits随机{0，1}序列，选定相位偏移φ_i的值，其对应方式如下；

将4bits的{0，1}序列看作一个二进制数，记为(PN)₂，转化为十进制数后，记为(PN)₁₀。则： $>>>\phi >i>>=>2>\pi >>>>(>PN>)>>10>>16>>->->->>(>10>)>>>s>$

(2)调制加密(Encode)

简化调制模式，利用星座图来标记加密数据，将加密后的数据选定在单位圆上。对于QPSK调制方式，加密数据m应该相应满足：0≤m≤3，有： $>>>SIGNAL>QPSK>>=>m>,>>ENCODE>QPSK>>=>exp>[>j>·>>(>2>\pi >>m>4>>+>>\phi >i>>)>>]>->->->>(>11>)>>>s>$

对于8PSK调制方式，加密数据m应该相应满足：0≤m≤7，有： $>>>SIGNAL>>8>PSK>>>=>m>,>>ENCODE>>8>PSK>>>=>exp>[>j>·>>(>2>\pi >>m>8>>+>>\phi >i>>)>>]>->->->>(>12>)>>>s>$

(3)解调解密(Decode)

采用复平面，在单位圆上标记星座点。由于相位偏移φ_i的存在，星座点会发生旋转偏移。

对于QPSK，星座点的标记方式如下： $>>CONSTELLATION>>>S>QPSK>>=>exp>[>j>·>>(>2>\pi >>K>4>>+>>\phi >i>>)>>]>>(>K>=>0,1,2,3>)>>->->->>(>13>)>>>s>$

对于8PSK，星座点的标记方式如下： $>>CONSTELLATION>>>TS>>8>PSK>>>=>exp>[>j>·>>(>2>\pi >>K>8>>+>>\phi >i>>)>>]>>(>K>=>0,1>,>.>.>.>,>7>)>>->->->>(>14>)>>>s>$

将接收到的数据与各个星座点比较，距离最近的点作为该数据的值；也就是说，将与数据点在复平面上距离最近的星座点所对应的K值作为解密的数据。

与已有的物理层加密算法相比，改进后的物理层加密算法主要优点如下：(1)信号出现的形式相同，二者都采用了16PSK调制方式的星座图(如图3所示)，信号   中所载的用户信息被保护。(2)由于采用固定的MPSK调制方式(8PSK或者QPSK)，所以接收信号的解调过程，   也就是解密过程更为简单。(3)由于采用了较低进制的MPSK调制方式，所以系统的误码率大大降低。

但是，由于已有的物理层加密算法采用的是随机的混合MPSK调制方式，而改进后的算法改为了固定的MPSK调制方式，所以在加密性能上与原有的方法相比略有损失。

从MPSK调制方式的误比特率公式来看，MPSK信号的误比特率主要取决于M和E_b/N₀的值。一般地，M越大，信号的误比特率就越高，同时系统的复杂度也就越高，当M过大的时候，系统会因复杂度过高而无法实现。同时，E_b/N₀越大，信号的误比特率就越低，当E_b/N₀充分大的时候，信道趋向于没有噪声的理想信道，不同的M值所带来的差别将不再明显。所以，为了讨论这两个因素对于算法可用性的影响，我们只考虑常用的MPSK调制方式和通常情况下的E_b/N₀范围进行Monte Carlo仿真。系统仿真

通过Monte Carlo仿真和仿真结果的比较，我们发明的时变MPSK调制方式物理层加密算法具有很强的应用潜力。实验仿真中，我们考虑AWGN(Additive White Gauss Noise，加性高斯白噪声)信道，通过E_b/N₀的值对噪声能量进行控制；然后将噪声(NOISE)叠加在加密信号(ENCODE)上面作为接收信号(RECEIVE)，最后通过解密得到发送的原始数据。定义的取值范围为5dB～15dB。实验仿真的流程原理如图4所示。

关于噪声的产生和噪声能量的控制，具体方法表述如下：(1)噪声的产生

产生白色复噪声，即n＝n₁+j·n₂。要注意模的归一化，即复噪声同样是零均值，方差为1的白噪声。

所以，若n₁，n₂均为零均值，方差为1的白噪声，有： $>>n>=>>1>>2>>>>(>>n>1>>+>j>·>>n>2>>)>>->->->>(>15>)>>>s>(2)对噪声能量的控制$

根据公式： $>>SNR>=>>log>2>>M>·>>>E>b>>>N>0>>>=>>>E>s>>>E>n>>>,>>s>且信号能量E$_s＝1。输入则： $>>>>E>s>>>E>n>>>=>SNR>=>>log>2>>M>·>>10>>>>(>>>E>b>>>N>0>>>)>>dB>>10>>>->->->>(>16>)>>>s>有：$ >>>E>n>>=>>>E>s>>SNR>>=>>1>SNR>>->->->>(>17>)>>>s>(3)综上所述：接收信号RECEIVE＝ENCODE+NOISE其中：$ >>NOISE>=>>n>>SNR>>>,>>s>$ >>SNR>=>>log>2>>M>·>>10>>>>(>>>E>b>>>N>0>>>)>>dB>>10>>>,>>s>$ >>n>=>>1>>2>>>>(>>n>1>>+>j>·>>n>2>>)>>.>>s>$$$$$

为了比较，我们在仿真结果中列出了理论上的MPSK信号BER性能。首先，我们考虑图5和图6，它给出了16PSK，8PSK和QPSK在理论上的BER性能比较。可以看出，当M降低时，相应的误码率也大大降低，也就是说，较低进制的MPSK调制方式可以极大的提高系统的BER性能。例如，当 $>>>>(>>>E>b>>>N>0>>>)>>dB>>=>7>dB>>s>时，16PSK、8PSK、QPSK的误比特率分别为5.42％、1.20％、0.15％。另外，随着E$_b/N₀的增加，较低进制的MPSK调制方式以更快的速度趋向于理想信道的BER性能。所以，无论在低SNR区还是高SNR区，3种MPSK调制方式的区别都是明显的。

图7和图8是在计算机上200,000个字符的Monte Carlo仿真结果，它给出了随机MPSK，8PSK和QPSK在实际应用中的BER性能比较。可以看出，采用较低进制的固定MPSK调制方式可以极大的提高系统的BER性能。另外，随着E_b/N₀的增加，较低进制的固定MPSK调制方式以更快的速度趋向于理想信道的BER性能。所以，无论在低SNR区还是高SNR区，随机MPSK调制方式与固定的较低进制MPSK调制方式的区别都是明显的。

图9给出了时变MPSK调制方式的理论BER性能与实际仿真BER性能的比较。可以看出，采用随机MPSK调制方式的BER性能与16PSK调制方式的BER性能十分接近。由此可以得出，对于时变MPSK调制方式的BER性能，16PSK调制方式起着决定性的作用。也就是说，由于16PSK调制方式的存在，使得整个系统的误比特率大大增加。因此，在系统中采用较低进制的固定MPSK调制方式，可以大大地提高整个系统的BER性能。另外，8PSK和QPSK的仿真曲线与理论曲线非常吻合，也进一步印证了仿真结果的正确性。

    附表1PN1随机序列与调制方式的选择对应关系

   PN1   00   01   10   11   M   2   4   8   16   MPSK   BPSK   QPSK   8PSK   16PSK