基于OFDM的高速移动无线通信保密方法

摘要

本发明公开了一种基于OFDM的高速移动无线通信保密方法，采用相位旋转技术对信息加密，然后基于OFDM系统对已相位旋转的信息进行传输。其中，采用收发双方约定的一个密钥进行信息相位置乱，并利用高速移动通信场景产生的多普勒频偏对该信号进行二次加密。在接收端恢复原始信息时，通过循环前缀法设计接收机对系统多普勒效应导致的频偏和相位旋转加密引起的频偏同时进行补偿和解密以恢复原始信息，达到对信息进行加解密的目的。本发明切合实际，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电通信，尤其涉及一种基于OFDM的高速移动无线通信保密 方法。

背景技术

现代信息社会中，在无线网络中安全地交换加密信息变得越来越重要。作为 上层加密方法的一种补充或代替，物理层安全(Physical Layer Security,PLS)利用信 道的多径、互易性、空间唯一性等特征在底层提高无线通信系统的安全性，主要 从信息论、传输优化及功率资源分配等方面开展。

基于相位旋转(Phase Rotation,PR)的物理层安全技术属于信息论领域，核心思想就是对复数数据中的相位进行旋转，从而改变星座图分布使非法用户无法识别 原始信息。该技术被广泛应用到物理层安全技术研究领域。可以解决移动通信通 信网络中存在窃听用户时的安全通信问题，从而提高系统的有效性和可靠性。

中国专利CN 105163310 A公开了一种双向中继系统中相位旋转辅助的物理 层安全方法，该方法分析了在中继和终端用户具有不同的访问权限时，在双向中 继系统中采用相位旋转技术来对抗不可信中继窃听行为。中国专利CN 108366026 A给出了静态瑞利衰落信道中基于相位旋转的人工噪声安全传输方法。 《Transactions on ConsumerElectronics》第56卷第3期《Secure communication in TDS-OFDM system usingconstellation rotation and noise insertion》提出了在时分同 步正交频分复用系统中采用相位旋转和弱人工噪声插入的加密方案，结合伪随机 密钥和无线信道的不可逆性来保证时分复用系统的物理层安全。《IEEE Photonics Technology Letters》第28卷第3期《Chaotic encryption algorithm against chosen-plaintext attacks in opticalOFDM transmission》提出了在光OFDM系统中结 合输入数据的随机特征首次动态生成密文，加密算法主要由子载波的混沌相位旋 转以及混沌训练序列组成。

目前，已有的基于OFDM的无线通信物理层安全方法在研究保密通信方法 时，通常只考虑算法的创新和优化，而对于系统中的多普勒效应没有进行过多的 考虑或采取具体的解决方法。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于OFDM的高速移动无线通信保密方 法，克服通信系统中因多普勒效应产生的频偏影响，实现在高速移动的通信场景 下采用相位旋转对信息进行加密传输。

技术方案：

本发明公开了一种基于OFDM的高速移动无线通信保密方法，采用相位旋转 技术对信息加密，然后基于OFDM系统对已经进行相位旋转的信息进行传输。其 中，采用收发双方约定的一个密钥基于相位旋转技术进行信息相位置乱，并利用 高速移动通信场景产生的多普勒频偏对该信号进行二次加密。在接收端原始信息 恢复时，通过循环前缀法设计接收机对系统多普勒效应导致的频偏和相位旋转加 密引起的频偏同时进行补偿和解密以恢复原始信息，达到对信息进行加解密的目 的，本发明切合实际，实用性强。

优选地，在接收端采用循环前缀法对系统的多普勒频偏进行估计和补偿。

具体实施中，发射端为S，接收端为R，发射端S将高速串行的二进制比特 流转化为多路低速并行数据流，{d

步骤1：在发射端产生一组二进制数据流，映射成复数序列{d

步骤2：将原始信息的相位进行置乱操作得到复数信号d

步骤3：将已经置乱的信号进行离散逆傅里叶变换IDFT后得到新序列 {S

其中，

步骤4：为了简化上述表达式令

步骤5：把该序列以Δt时间间隔通过D/A转换器并滤波器输出，转化为连续 发射信号X(t)，具体的表达式为

步骤6：将该调制后的基带信号发射到信道进行传输；

步骤7：上述的发射信号经过高速移动信道传输并在多普勒效应的影响下产生 多普勒频偏Δf

步骤8：经过信道接收后信息为Y(t)＝X(t).exp(j2πΔf

步骤9：带入发射信号表达式后接收端接收到的信号具体的表达式为

可以看出所有的子载波都受到了相位旋转和多普勒频移的影响，影响程度为 exp(j2π(Δf

步骤10：对Y(t)以Δt间隔采样后得到信号

ξ为系统的总的频率偏移ξ＝Δf

步骤11：对采集的y

步骤12：通过对Y

也即为

步骤13：对于系统中产生频偏采取循环前缀法进行估计和补偿进而恢复出原 始信号dn。

其中，循环前缀法具体步骤如下：

步骤13.1：数据z(1)，z(2)，...，z(m)构成OFDM信号的循环前缀，这些数据是由 一个码元周期内所要传输的后部对应长度的数据z′(1)，z′(2)，...，z′(m)循环而成， 即有z(i)＝z′(i)，其中z′(i)表示为取一个OFDM码元周期的后部长度为m的第i 个数据；

步骤13.2：在一个码元NΔt周期内，平均频偏

步骤13.3：此时z(i)≠z′(i)，因为系统中存在非常大的频偏引起的相位偏移， 相位偏移的具体表达式为

步骤13.4：在FFT之前需要对系统中总的频偏量ξ＝Δf

步骤13.5：通过获得的平均相位

优选地，相位旋转对数据的加密角度θ在16-QAM调制方式下经验值为16.8 度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：在高速移动的通 信场景下，采用相位旋转技术对信息加密，然后基于OFDM系统对相位已旋转的 信息进行传输并考虑移动系统中多普勒效应对相位旋转技术的影响。原始信息在 相位旋转的作用下产生一定的频偏，使得信息处于加密状态，而系统中存在的多 普勒频偏相当于在相位旋转一次加密的基础上进行信息二次频偏加密成为信息加 密传输的有利影响。在接收端通过循环前缀法设计接收机对高速移动系统中的多 普勒频偏进行估计和补偿，同时也对相位旋转进行了逆旋转，实现在高速移动的 通信场景下达到信息保密通信的目的。本发明切合实际，实用性强。

附图说明

图1为本发明系统模型；

图2为本发明相位旋转示意图；

图3为本发明系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，基于OFDM的高速移动无线通信保密方法，发射端为S，接收 端为R，发射端S将高速串行的二进制比特流转化为多路低速并行数据流， {d

具体步骤如下：

步骤一：初始化高速移动通信网络，各参数取值如下：N＝100，复数序列为 {1+j，2+j2，…，100+j100}，Δt＝100，Δf

步骤二：在发射端一组二进制数据流映射成复数序列{d

步骤三：如图2所示为相位旋转技术的示意图，具体的相位旋转表示式为 S′

步骤四：如图3所示的原理图，通过OFDM频分复用的多载波调制技术对信 息进行相应的调制变换从而使信息高速传输，提高信息的传输速率，具体操作为： 将已经置乱的信号进行离散逆傅里叶变换IDFT后得到新序列

{S

步骤五：为了简化上式，令

步骤六：把该序列以Δt时间间隔通过D/A转换器并滤波器输出，转化为连续 发射信号X(t)，具体的表达式为

可以看出所有的原始信息已经被相位旋转的加密角度进行了加密；

步骤七：将该基带信号传输到无线信道，这里不考虑由于信道传输函数和噪 声引起的幅相变化的影响；

步骤八：通信系统的中的多普勒效应是实际存在的一个问题，尤其在高速移 动的场景下多普勒效应的影响更严重，对于发射信号经过高速移动信道传输后， 在多普勒效应的影响下会产生较大的多普勒频偏，频偏量假设为Δf

步骤九：经过信道接收后的Y(t)＝X(t).exp(j2πΔf

步骤十：将步骤六中的连续发射信号X(t)带入到步骤九中可以得到接收端的 信号表达式为：

步骤十一：对Y(t)以Δt间隔采样后得到信号

ξ为系统的总的频率偏移ξ＝Δf

步骤十二：对采集的y

步骤十三：通过对Y

也即为

可以发现相位旋转和多普勒效应对原始信息的相位产生的大幅的改变，信息 已经完全失真，所以必须要对信息进行多普勒频偏的估计和补偿；

步骤十四：对于系统中产生频偏采取循环前缀法进行估计和补偿进而恢复出 原始信号dn。

关于循环前缀法对系统的多普勒效应进行估计和补偿的具体步骤如下：

步骤一：数据z(1)，z(2)，...，z(m)构成OFDM信号的循环前缀，这些数据是由一 个码元周期内所要传输的后部对应长度的数据z′(1)，z′(2)...z′(m)循环而成，即有 z(i)＝z′(i)，其中z′(i)表示为取一个OFDM码元周期的后部长度为m的第i个数 据；

步骤二：在一个码元NΔt周期内，平均频偏

步骤三：此时z(i)≠z′(i)，因为系统中存在非常大的频偏引起的相位偏移， 相位偏移的具体表达式为

步骤四：在FFT之前需要对系统中总的频偏量ξ＝Δf

步骤五：通过获得的平均相位