专利名称：无线局域网中基于时变mpsk调制的物理层加密方法
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。
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Ts的符号可以表示为Si(t)=2EsTscos(ωCt+φi)0≤t≤Ts,i=0,1,...,M-1---(1)]]>这里，Es为单位符号的信号能量，即在0≤t≤Ts时间间隔内的信号能量；ωC为载波角频率；φi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，Pb,BPSK=Q(2EbN0)---(2)]]>M＝4时，Pb,QPSK=2Q(2EbN0)[1-14Q(2EbN0)]---(3)]]>M＝8时，Pb,8PSK=2Q(6EbN0sinπ8)---(4)]]>M＝16时，Pb,16PSK=2Q(8EbN0sinπ16)---(5)]]>这里，Q表示Q函数，其数学涵义为Q(a)=∫a∞12πe-x22dx,]]>即高斯分布概率密度函数的尾部面积。Eb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φi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。
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φi的取值。每次M和φi改变后只调制数据一次。这样，调制后的信号在M和φi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)PN12bits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)PN2log2M bits随机{0，1}序列，用于选定相位偏移φi的值，其对应方式如下将log2M 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φi=2π(PN2)10M---(6)]]>(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·(2πmM+φi)]---(7)]]>(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φi的存在，星座点会发生旋转偏移。星座点的标记方式如下CONSTELLATION POINTS=exp[j·(2πKM+φi)]---(8)]]>(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，...，CPM分别对应K＝0，1，2，…，M-1这M个点，解密方法如下IF|RECEIVE-CPK|＝Min(RECEIVE-CP1，...，RECEIVE-CPM) (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。
对于QPSK，星座点的标记方式如下CONSTELLATION POINTSQPSK=exp[j·(2πK4+φi)](K=0,1,2,3)---(13)]]>对于8PSK，星座点的标记方式如下CONSTELLATION POINTS8PSK=exp[j·(2πK8+φi)](K=0,1,...,7)---(14)]]>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Eb/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，Eb/N0越大，信号的误比特率就越低，当Eb/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Eb/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Eb/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=12(n1+j·n2)---(15)]]>(2)对噪声能量的控制根据公式SNR=log2M·EbN0=EsEn,]]>且信号能量Es＝1。输入 则EsEn=SNR=log2M·10(EbN0)dB10---(16)]]>有En=EsSNR=1SNR---(17)]]>(3)综上所述接收信号RECEIVE＝ENCODE+NOISE其中NOISE=nSNR,]]>SNR=log2M·10(EbN0)dB10,]]>n=12(n1+j·n2).]]>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(EbN0)dB=7dB]]>时，16PSK、8PSK、QPSK的误比特率分别为5.42％、1.20％、0.15％。另外，随着Eb/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Eb/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
权利要求
1.无线局域网中基于时变MPSK调制的物理层加密方法，采用随机PN序列不断改变相位偏移φi的值，其特征在于它是一种采用且较低进制QPSK调制方式的时变MPSK(MultiplePhase Shift Keying，多进制相位键控)的物理层加密方法。
2.无线局域网中基于时变MPSK调制的物理层加密方法，采用随机PN序列不断改变相位偏移φi的值，其特征在于它是一种采用且较低进制8PSK调制方式的时变MPSK(MultiplePhase Shift Keying，多进制相位键控)的物理层加密方法。
全文摘要
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。
文档编号H04L27/22GK1477831SQ03145950
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者樊平毅, 刘忱 申请人:清华大学