防内外部窃听的多播物理层安全算法第一期

1、第 54卷 第 7期电讯技术Vo154 No72014年 7月TelecommunicationEnneefingJu12014doi：103969jissn1001-893x201407021引用格式：张文，黄继海，吉江防内外部窃听的多播物理层安全算法 J电讯技术 ，2014，54(7)：980984ZHANG Wen，HUANG Jihai，JIJiangPhysicalLayerSecurityAlgorithmforMuhicastSystem PreventingInternalExternalEavesdroppersJTelecommunicationEngineering，20

2、14，54(7)：980984防内外部窃听的多播物理层安全算法张 文 ，黄继海 料，吉 江(1中州大学信息工程学院，郑州 450044；2国家数字交换系统工程技术研究中心，郑州 450002)摘 要：针对无线多播系统同时存在内、外部窃听者的复杂情况，提出随机化干扰的物理层多播安全传输算法。该算法基于收发天线构成信道的代数空间进行设计：一方面在内部窃听者的信道代数空间方向上不发送信息，另一方面在合法用户信道的正交方向上引入随机干扰信号。这样 直接使得内部窃听者接收的信号受到能量削减的同时，非合法用户受到随机化干扰，最终实现了物理层多播信息的安全传输。理论分析和仿真结果表明，算法可同时保证系统内、

3、外部窃听者极高的误码率，从而无法获取信息。关键词：多播系统；物理层安全；内部窃听者；外部窃听者；随机化干扰中图分类号：TN918文献标志码：A文章编号：1001893X(2014)07098005PhysicalLayer Security Algorithm for M ulticast SystemPreventing InternalExternalEaVesdr0ppersZHANG Wen ，HUANG Jihai，JIJiang(1InformationEngineeringCollege，Zhongzhou University，Zhengzhou450044，China；2Na

4、tionalDigitalSwitchingSystem EngineeringTechnologicalR&D Center，Zhengzhou450002，China)Abstract：To preventthe internalexternaleavesdroppersobtaininginformation in muhicastcommunicationsystem ，thispaperpresentsarandom interference lgorithma applied on the physicallayerThealgorithm uti lizes the algebr

5、a space consisted ofthe wireless channelstatesbetween transmiting antenna and receiving antenna to cancelthe received signalofinternal eavesdropperbutadd random interference to the receivedsignalofexternaleavesdropperSO thatthe multicastseure transmission is realizedThe theoreticalanalysis and simul

6、ation prove that，with this algorithm ，the internalexternaleavesdropper can notacquire informa-tion because ofvery high biterrorrate ofsigna1Key words：muhicastsystem；physicallayer security；internaleavesdropper；externaleavesdropper；randominterference1 引 言通过获取物理层信号还原所传输的信息。因此如何无线多播在信息传输、分发过程中扮演着重要在物理层做

7、到对系统内部用户的窃听行为进行防范的角色，由于其物理层对每个系统内用户均处于开是近些年的研究热点之一。放状态，即只要用户具有协议高层下发的密钥，均可物理层安全传输技术从 20世纪 80年代发展至$ 收稿日期：20140128；修回15t期：2014一o410 Receiveddate：2014一叭一28；Reviseddate：2014-04-10基金项目：国家自然科学基金资助项目(61171108)Foundation Item：TheNationalNaturalScienceFoundation ofChina(No61171108)通讯作者：huangjihaisinacomCorre

8、sponding author：huangjihaisinacorn 980第 54卷张文，黄继海，吉江：防内外部窃听的多播物理层安全算法第 7期今取得了较多成果l1-2，有效地 降低了无线信号开 道情况未知。系统中第 i个合法用户与发送者之间放性带来的安全隐患，这也为多播系统的物理层安 的信道状态为日 第个窃听用户和发送者之间的全通信提供了广阔的思路。其中多天线系统由于其 信道状态为日舭 根据信道互易性原理发送方与接收发位置空间存在较多的选择性，通过随机地选择 收方的正、反向信道相等，因此 Bob和 Eve均可 以通收发通路可以提供安全的传输过程 J。文献 5 过反向同步的手段使得 Alic

9、e独 自获知各用户的信7分别在高斯白噪声信号和瑞利衰落信道条件下 道状态 。该模型同时考虑系统 内、外部的窃听者，使针对多天线系统提出了引入加性人工噪声的方法， 得算法的设计具有较为广泛的适用性。本文将讨论该方法简单实用，安全性高，对于各种结构的多天线 如何设计多天线系统的物理层调制方式，使得 Alice通信系统均具有借鉴意义。现有多播系统的物理层研究还处于起步阶段，主要思路均参考前述的通用物理层安全传输方法。文献 8提 出的通过选择安全通信用户的方法，并不真正属于物理层安全的范畴。文献9则推导 出了当存在多天线窃听者时，多播系统的最大安全传输速率。文献10将现有的加性人工噪声方法引入到多播系

10、统中，获得了较好 的安全性。但事实上 ，多播系统的通信对象身份时刻发生变化，系统内部的用户可获知自身的通信信道情况，当其进行窃听时会对现有算法造成极大挑战。而系统外部的窃听者则处于静默状态，系统无法获知其信道、位置等信息。因此同时存在系统内、外部的窃听者时，现有研究暂未能较好地解决安全传输问题。本文针对多播系统中同时存在内、外部窃听者的情况，提出了随机化干扰多播算法。该算法适应系统内部用户动态变化的情况，利用多天线系统的空间冗余性，一方面对当前系统内的非合法接收用户的空间方向进行传输能量消减，另一方面为系统内 、外部窃听者的接收信号中引人随机化干扰。这样系统内部的窃听者不但收到的信号能量微弱，

11、而且夹杂着大量的随机干扰；系统外部的窃听者不但无法有效地进行信道均衡，而且也对随机干扰束手无策，从而系统的发送端可以安全地通过多播发送到内部合法用户。2 多播系统的安全传输模型为讨论多播系统的安全传输过程，参照前述的文献，文中采用多天线的系统模型，如图 1所示。系统 中信息发送方 Alice将信源信息 经过加密系统G后，通过 根天线发送往系统内用户，用户均具有单根接收天线。假设在所讨论的时刻，系统内有个合法用户 Bob ，Bob ，Bob ，和 个窃听用户 Eve ，Eve ， ，Eve 。另外 ，系统外部存在多个窃听用户。系统内部用户与外部用户的差别在于内部用户为配合通信方式，Alice已知

12、所有系统内部用户的信道状态，对系统外部的窃听者数量及其信在存在内外部窃听者的情况下，向合法用户进行安全多播。图 1 多天线系统下多播传输模型Figt Muhicasttransmission modelofmultiantenna system在图 1所示 的模型中，令 Bob接收到 Alice所发的信息表示为 Y M 个合法用户的接收信息可以构成接收向量 YB=Y Y ，Y T；Evej收到的信息表示为 Y ，M 个窃听用户的接收信息可以构成窃听接收向量 =Y Y皿，Y r。令 Alice端的信源信息表示为 X=Y ，Y ，YM ，则信息经过加密系统 G的处理后 ，经信道传输的接收过程可表示

13、为yB=日BxGxXN口，YE=HeG+E(1)其 中， 和 为信道加性噪声向量，合法用户的信道状态矩阵日 = 。， ，日删。，窃听用户的信道状态矩阵为 H =日 ，日删 。后文将对 G的构造进行讨论 ，从而设计随机化干扰的多播物理层安全传输算法。3 随机化干扰多播算法图 2是随机化干扰多播的原理示意图，图中所描述的是信道状态所构成的几何空间。为实现所有合法用户正常地接收信号，应将信号传输的总能量集中在合法用户信道状态的空间方向上，如图中所示的 e，方向。由于 Alice已知系统内部所有用户的信道状态，因此可以在内部窃听用户的信道空间方向上 (图 2中为 e：方向，也可与 e 不在同一方向)尽

14、量少地发送信号能量，以避免内部窃听。为此，图981 电讯技术2中在内部窃听用户的信道空间方向上没有固定的向量方向。由于外部窃听用户的信道空间方向未知，但其与合法用户的信道状态空间方向一致的概率较低，即如图所示两者存在一定的夹角。因此，为防范外部窃听者，可以在与合法用户信道状态空间方向相垂直的方向上引入随机干扰。随机干扰在外部窃听用户方向上的投影也为随机变量，会对窃听用户造成极大的影响。根据图 2所示 ，信号传输能量应该由两部分构成：与合法用户信道状态空间方向一致的主能量 G ，及垂直于主能量方向的随机干扰能量 G，。后文依照上述思路进行算法设计。外信蓬室搿男R 维矩阵，H 为(M 一R )(M

15、 -R )维矩阵，则窃听用户的接收信号为Y E=H ExGxX+NE=日E1xGl+H皿xG2 +E(3)式中，G 为随机变量，当满足HE1xG1xI 1=E日舵G2xI1：H髓xEG2xlN (4) 层 =0，可在最大程度上造成 内部窃听者 Eve接收信息的损失，此时将方程的解记为 G：=G2。在方程(4)中， 为 l维全 1向量 ，E表示求取均值。若令G 的第 i行的元素和为g ，则G m2= G =rlgsum2，l，gsum2，2， ，gsum2，MBRBTJ。则式(4)可重写为图 2 随机化干扰多播原理图HE1G1JM l= E2G m2(5)Fig2 Randomized inte

16、rference multicastschematics式(5)所描述的方程为一尺 维线性方程组，为得到合法用户信道状态日 的正交空间方至少有唯一解。说明存在至少一组解 G=G2 使向，对其进行奇异值分解可得 H =S V8D ，其中得外部窃听用户 Eve的接收信号 y =0，即从平= ：， =diagc，z，均意义上对其信息造成损失。同时，G：的随机性使diag()表示依照降序排列的对角阵，R。=rank(H )，rank()表示矩阵的秩， 为 M8 维酉矩阵，D 为 M xM 维酉矩阵。合法用户为达到系统最大化的容量，发送端进行预编码，消除掉 D 的影响 ，此时令包含预编码过程的加密系统

17、G=D； G，其中 G用于实现安全物理层安全传输；合法用户接收时对信道进行联合均衡，去掉 s 的影得D DY ，即窃听者的接收信号发散程度远高于合法用户，进一步提高了窃听信息的难度。系统的总发射功率分为两部分，分别是用于向合法用户传输信号的功率 P =JlED xGxXl 和用于防范外部窃听用户的随机化干扰功率 P =PP 。综上，当接收端的多个 Bob进行联合时 ，发送端每次发送信息符号都首先通过 G2 设置随机矩阵，响，即令 Y8=s Y8，则式 (1)可重写为使其满足 EG =G2，然后结合信道状态日 构造YB=VBxGxX+NB(2)G ，从而对发送信号进行预编码 。依照式 (2)分别

18、对 Alice多根发射天线到多个 Bob之间的无线信道进行联合预均衡，相对于 Bob各 自均衡信道会大幅令G=ll，其中G=，o】为RxM 维矩阵，I为提升接收信号增益。同等发射功率下，进一步扩大GJ了Bob和窃听者的信号质量差异，从而在保证 Bob尺 维单位矩阵，0为零矩阵；G：为(M8-R )正常接收的同时，内部窃听者无法获取信息。又由维矩阵，其元素为服从高斯分布的独立同分布随机变量，即 elementG2(， 2c1)。此 时令于 G 为随机变量，即前文所述的随机干扰量，可对系统外部的窃听者造成干扰，最终算法实现了安全日F=H D =H皿，其中E为 (一尺B)传输目的。982 第54卷张

19、文，黄继海，吉江：防内外部窃听的多播物理层安全算法第 7期看出两种算法对合法接收端的信号造成的影响均不4 算法安全性分析与仿真大，可以保证合法用户的正常接收。图 3(C)和图为进一步分析算法安全性，采用瑞利衰落信道3(d)是系统内部窃听者接收信号的星座图，对比可对算法进行仿真。仿真中设置多天线系统中发送端以看出，采用加性人工噪声方法时，系统内部窃听用Alice的天线数为 6根，3个 Bob和 2个 Eve均具有户的星座图还可基本分辨出来，即窃听用户可以收单根接收天线。 到一定量的信息；而采用本文提出的随机化干扰算图 3所示是 系统采用 QPSK调制方式 ，经过随 法则使得系统内窃听用户 Eve

20、的星座图完全散乱。机化干扰算法和现有加性人工噪声算法处理后的星 另外，对于系统外部的窃听者而言，采用本文的算法座图仿真结果 。其 中图 3(a)、图 3(b)是 Bob端 后其星座图效果也为图3(d)所示，即两个算法对于分别经过两种算法处理后的接收星座图，对比可以 外部窃听者的安全性相同。(a)Bob端 (随机化干扰方法)(b)Bob端(加性人工噪声方法 )c)E 。端(随机化干扰方法 )10。(d)Eve端 (加性人工噪声方法 )图 3 QPSK调制方式下两种算法的接收端星座图Fig3 Thereceived constelation oftwoalgorithmswith QPSK mod

21、ulation图4是调制方式为16QAM时随机化干扰多播方法与加性人工噪声方法的接收用户误码率对比图。仿真中设置无线信道模型为瑞利衰落模型，信道噪声的平均功率为 05x10mW ，信号发送功率 P =08mw，P，的取值 0105mW，仿真统计信号传输100 kb。从图 4中可 以看出，两种算法都能保证糌露|A叶 十l2一 要罄Ll二 二矗瑞抗瓮丰 l辛l十一B0b加性人工噪声rBob端误码率为0，较好地接收信号。采用加性人工I噪声方法时，Eve接收信号的误码率随其取值的增O O5 l_0 15 20 25 30 35 40 45 50大而不断提高。对于随机化干扰方法，Eve的接收发送端随机化

22、发射功agmW信号误码率一直维持在较高水平，这是发送端对图4 16QAM系统中两种算法的误码性能对比图Eve方向的能量进行了削减抵消的缘故。因此对于Fig4 BER performance comparison between16QAM调制方式，随机化干扰多播算法的安全性能twoalgorithmsin16QAM system好于加性人工噪声方法。另外，分别检验在 BPSK、QPSK、8PSK方式下算 983w、 teleonlinecn电讯技术2014年法的安全性能。图 5是几种调制方式分别采用两种算法时接收端 Bob和 Eve的误码曲线。图中两种算法下 Bob的误码率也基本 为零，表明均可

23、使得合法用户顺利接收信息。对于 Eve端的接收信号 ，在使用随机化干扰算法时，误码率始终保持在较高水平；使用加性人工噪声方法时，其误码性能与随机化功率 P 的取值有关，随着随机化功率增大而误码率提高。当星座点逐渐变多时，加性人工噪声方法造成Eve端误码率逐渐提高，而随机化干扰算法的安全性与星座点数的变化基本无关。因此，对于相位调制方式，随机化干扰多播方法安全性高于加性人工噪声方法。09O8二； i jl-tl 。一一一 一一O7一_一一神 口 呻 。eo伽 eoe06一o05i， 。一 。 + j- 二+塞。一49 _BobO3+_EveBPSK 随机化干扰算法+ EveOPSK随机化干扰算法

24、O2一Eve81SK 随机化干扰算法_ EveBPSK加性人工嗓声算法01o- EveOPSK加性人工噪声算法一一EveEPSK加性人工噪声算圭00发送端随机化发射功率mw图5 调相系统中两种算法的误码性能对比图Fig5 BER performance comparison between two algorithmsin phase modulation system5 结束语本文提出了一种随机性扰动的多播物理层安全传输方法，可有效地防止系统内、外部窃听者非法截获信息。该方法利用多天线在收发位置空间存在的多选择性将发送能量划分为三部分：一部分用于向合法用户发送信号；第二部分能量用于抵消系统内

25、部窃听者的信号；第三部分能量用于干扰系统外部窃听用户，降低其窃听信号的接收质量。理论分析和仿真均表明算法性能好于现有的加性人工噪声方法。两种算法在实现上均是在 Alice端通过物理层的信号预处理实现，但预处理的流程和原理依本文的设计流程具有差异性。为实现算法性能的最大化，在后续的研究中，一方面需要对几部分功率的最优化问题进一步分析，另一方面信道估计的精度会对算法的安全性造成一定的影响，评估并削弱这种影响也需要在下一步工作中进一步讨论。参考文献：1 WynerA DThe Wiretap ChannelJBelSystem TechnicalJoumal，1975，54(8)：135513872

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27、ransmission with multipleantennasPartII：The MIM0ME wiretap channelJIEEE Transactionson InformationTheory，2010，56(11)：5515-55325 ZhouXPhysicallayersecuritywithartifcial noise：secrecy capacityandoptimalpowerallocationcProceedingsof2009 International Conference on Signal Processing ndaCommunication Sys

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