HansJournalofWirelessCommunications无线通信,2016,6(2),61-71PublishedOnlineApril2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2016.62009文章引用:吴超,陈大爽,商亚莉,李海月,李英善.上行SC-FDMA协作通信系统中联合SFBC编码的物理层加密传输方案[J].无线通信,2016,6(2):61-71.:Apr.3rd,2016;accepted:Apr.24th,2016;published:Apr.27th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).(lowprobabilityofinterception)andhighthroughputinthecooperativeSC-FDMA(Single-CarrierFrequencyDivisionMultipleAccess)system,anewSFBCcombinedphysicallayertransmissionschemeisproposed,where,anewSFBCcombinedencryptionalgorithmisapplied,adaptivemodulationbasedonCSI(channelstateinformation)isfurtherconsidered.Bydoingso,neitherrelaynodenoreavesdropperinterceptstheinformationsignalstransmittedfromUT(userterminal).SimulationresultsshowabovenewSFBCcombinedphysicallayertransmissionschemecanbringinhighertransmissionsafetyandsecrecyrate,furtherderivebettertransmissionperformanceandtransmissionthroughput.KeywordsLPI,CooperativeTransmission,SFBC,SC-FDMA,Encryption上行SC-FDMA协作通信系统中联合SFBC编码的物理层加密传输方案吴超等62吴超1,2,陈大爽1,商亚莉1,李海月1,李英善11南开大学电子信息与光学工程学院通信工程系,天津2石家庄科技工程职业学院机电工程系,河北石家庄收稿日期:2016年4月3日;录用日期:2016年4月24日;发布日期:2016年4月27日摘要当前协作通信的多样性和安全性已成为越来越重要的问题。在本论文中,为了在上行SC-FDMA(单载波频分多址)协作通信系统中达到低截获概率(LPI),低误比特率和高吞吐量的目的,我们提出了一种新的联合SFBC编码的物理层加密传输方案,将SFBC编码联合用于物理层加密算法,并接着与自适应编码调制相结合。运用我们新提出的联合SFBC编码的物理层加密传输方案,无论是RN还是窃听者都不能从发射机(UT)获取任何有用信息。实验结果表明,联合SFBC编码的物理层加密传输方案可以进一步提高信息传输的安全性,得到很好的保密速率,并且进一步提高系统的传输性能和吞吐量。关键词LPI,协作通信,SFBC,SC-FDMA,加密1.介绍SC-FDMA(单载波频分多址)技术被3GPP组织采用为LTE(LongTermEvolution,长期演进)上行链路空中接口技术标准。SC-FDMA可以有效的降低移动终端的PAPR(峰值平均功率比),提高移动终端的电池效率。协作分集作为无线通信的新技术已经获得了社会的广泛关注。协作通信技术利用空间协作分集增益,可以在不添加额外天线的情况下提供与先前通信系统相同的可靠性。因此在SC-FDMA上行链路传输系统中,协作分集可以看作是一个高效的QoS(服务质量)传输方案。但是必须考虑中继节点(RN)和窃听者窃听的风险性,并保证信号传输的可靠性和安全性[1]。信号传输安全性是当前无线通信研究的热点之一,由于无线信道的开放特性和广播特性,信息安全问题变得越来越重要。利用无线信道的物理特性进行加密,保证信号传输安全最近备受关注。与有线通信系统不同,在无线通信系统中,任何信号传输广播范围内的接收机或者窃听者都能够接收、监听或者分析信号,使得无线通信的保密安全性极其脆弱。高层加密数据是一种较为有效的加密方式,但由于高层加密算法本身存在的缺陷,所以很容易被破解,物理层加密算法可以克服高层加密的诸多缺点,目前得到了广泛的应用和研究。在文献[2]中,Wyner指出在wire-tap信道中,信源和信宿可以进行完全安全的信息传输,而窃听者检测不到任何有用信息。在文献[3][4]中,Wyner的结论分别延伸到高斯(Gaussian)wire-tap信道和广播信道当中。在文献[5][6]中,Li.H.Wu和Ratazzi解决了在MIMO无线通信系统中无需对高层协议数据加密而实现LPI的问题。他们通过在物理层随机化发送信号,来达到防止窃听的目的。在文献[7][8]中,ZhengLi和Xiang-GenXia设计了一个物理层传输方案,在协作通信系统中实现LPI。他们提出了一种有效的信号随机方法,对于窃听者接收到的信号实现随机化,但授权的接收器可通过算法解密接收到的信号。即窃听者吴超等63不能检测到所接收的符号,而授权的接收器可以在不知道信道状态信息的情况下正确解码,接收传输信号。在本文中,为了实现协作SC-FDMA通信系统的LPI和高吞吐量,我们提出了一种新的联合SFBC编码的物理层加密传输方案,将SFBC编码联合用于物理层加密算法,并接着与自适应编码调制相结合。首先从授权的接收终端发送已知的训练序列至发射机,从而发射机通过计算得知信道状态信息(CSI),而接收机并不知道任何有关的CSI。发射机先对发送数据进行SFBC编码,接着根据CSI设计区分不同用户的随机加权系数,还据此进行自适应编码调制以提高系统的吞吐量。本章组织如下:在第2节描述SFBC编码上行SC-FDMA协作通信物理层加密系统的模型。在第3节,论述联合SFBC编码的物理层加密算法。在第4节给出相应的性能仿真结果。最后在第5节给出相应结论。2.系统模型2.1.SC-FDMA系统SC-FDMA是一种能够在未来的蜂窝系统中进行高数据速率传输且很有前途的技术。它显示了良好的频谱效率,良好的对频率选择性衰落的鲁棒性。特别是,与先前的OFDM相比,SC-FDMA具有低的PAPR特性。在频域中,多个用户变换的时域符号分别通过DFT处理块,以得到频域的子载波。然后将每个用户的子载波映射到一个预先分配的系统的频谱部分,像在普通的OFDM系统一样进行IFFT变换和CP插入。SC-FDMA传输方案相比OFDM系统明显降低PAPR,从而降低移动设备的功耗。2.2.联合SFBC编码的物理层加密算法用于上行链路SC-FDMA协作系统的方案如图1所示为SFBC编码上行链路SC-FDMA物理层加密协作通信系统,假设只有一个信源和一个中继节点。基站(BS)为授权的接收机,发射机(UT)附近存在一个窃听者。h1是“直连信道”,其信道状态信息为CSI1,h2是“中继信道”,其信道状态信息为CSI2,h3是“用户间信道”,其信道状态信息为CSI3,h4是“窃听者信道”,其信息状态信息为CSI4。假定在通信过程中采用半双工传输模式,并将时隙分为三个阶段。如表1所示。时隙1分成两个子时隙。在时隙1的子时隙1,BS发送训练序列到UT和RN。假设信道状态在信道估计后的短暂时间内不变,则UT获得精确的CSI1,RN获得精确的CSI3。然后在时隙1的子时隙2,RN发送训练序列和CSI3到UT,UT获得精确的CSI2和CSI3。至此,UT获取了所有三个信道状态信息CSI1,CSI2,CSI3。在时隙2和时隙3期间,UT根据状态信息CSIi(i=1,2,3)获知各个信道的信道质量,并根据最差的信道质量采用集中式自适应编码方式,将传输信息编码为QPSK,16QAM或者64QAM中的一种。之后根据“直连信道”和“中继信道”的CSI,对两条传输信道分别进行联合SFBC编码的物理层加密并传输。在时隙3,将RN接收到的UT信号转发到BS。最后在BS端,将从UT和RN接收到的信号根据联合SFBC编码的物理层解密算法进行解密。图2为采用联合SFBC编码的物理层加密算法的SC-FDMA系统方框图。3.联合SFBC编码的物理层加密传输方案联合SFBC编码的物理层加密传输方案如下:UT端首先对发送数据进行SFBC编码,该方案如表2所示,0s作为参考信号,ks(1,2,3,1kN=−)作为有用信息。只是在时隙2中,子载波0发送的是有用信号1s,而子载波1传输的是参考信号0s∗;而吴超等64Figure1.ModeloftheSFBCcombinedphysicallayerencryptionalgorithminthecooperativeSC-FDMAsystem图1.联合SFBC编码的物理层加密算法用于上行链路SC-FDMA协作系统的模型Figure2.SFBCcombinedphysicallayerencryptionalgorithminthecooperativeSC-FDMAsystem图2.采用联合SFBC编码的物理层加密算法的SC-FDMA系统Table1.Theslotofcooperativecommunicationsystem表1.协作通信系统时隙时隙1时隙2时隙3子时隙1子时隙2获取CSI1获取CSI2和CSI3联合SFBC编码的物理层加密、自适应调制,发送到RN联合SFBC编码的物理层加密、自适应调制,发送到BS取CSI3送训练序列和CSI3到UT从UT接收信号转发信号到BS送训练序列到UT和RN从UT、RN接收信号Table2.SFBCencodertransmissionslot表2.SFBC编码传输时隙时隙2时隙3子载波索引0123…N−2N−10123…N−2N−1UT→BS0s1s∗−2s3s∗−…2Ns−1Ns∗−−U