文摘

无线的通信是一个新兴的通信技术,防止窃听。本文考虑了误比特率(BER)问题基于星座成形的秘密通信调制(CSM)。carrier-secret比率(CSR)对误码率的影响和最优近似解的研究企业社会责任。然后,我们延长了结论与一个典型的沟通场景,更多的继电器用在哪里和可靠性进行了分析和检验。证明也存在最优CSR与继电器的场景。此外,发现用常数约束下的总功率取决于窃听者的位置,我们发现了一个用恶化区域(UDA)继电器的场景。仿真结果表明存在最佳企业社会责任及其对传输性能的影响。

1。介绍

由于无线信道的开放性,无线通信系统非常容易受到攻击,伪造和窃听。随着物联网的出现(物联网)时代,大量的智能设备连接和控制来满足各种需求。因此,它是非常重要的对安全漏洞,确保维护信息沟通的隐私。

为了确保个人信息的安全,提出了一些有效的匿名身份验证方案适应不同的场景(1- - - - - -3]。多种技术集成,促进物联网的实现(物联网),包括无线传感器网络(网络),无线电频率识别(RFID),机器对机器(M2M)和低功耗的个人区域网络(锅)4]。确保高效率的信息渠道客户到云服务器,Ahmad提出的一个新变体乐观并发控制协议来避免使用上游通信通道的所有时间5]。安全可靠的组通信的最重要的前提是一种有效的群密钥分发。Azees和Vijayakumar提出了一个计算高效的组密钥分发方案安全组通信基于双线性配对(6]。设备连接到支持平台的数量继续增加,一些适当的方式访问控制要求,如身份验证和授权方法(7,8)、图像水印(9),和云计算10]。

然而,信息安全和隐私的挑战并不仅限于以上。依靠电信领域新的挑战出现的快速增长11]。窃听者可以拦截无线通信信号通信内容,这造成巨大威胁的安全和隐私的交流。为了改善用的私人信息,信息隐藏技术逐渐成为必要。作为现代信息隐藏技术的一个分支领域的无线通信,无线秘密渠道隐藏信息的传输过程,需要保密的过程中正常的无线通信。即使一个偷听者截获通信信号,它不能被区别于正常的无线通信。

基于无处不在的信道噪声现象,调制式无线通信调节的秘密信息转换成一个人工噪声信号叠加在正常的通信信号。它是使用最广泛的物理层目前无线秘密通信。隐蔽通信的基本原理和性能限制在AWGN信道进行了文献[12]。这是表明最多位能够可靠地传输到接收者没有被探测器探测到。

1.1。动机

调制式无线秘密通信的误码率(BER)的隐性信息通常是比这更大的载波信号。方方面面的问题总是解决通过编码或增加力量的秘密信号。然而,解密的难度和秘密信息的传输速度和编码将会恶化。通过增加传动功率,用无法将恶化13]。在文献[14),提出了继电器增加秘密信号接收的力量。但它没有模拟与特定的调制方法,并没有考虑是否最优功率比的秘密信号存在。我们计划研究的用和可靠性无线秘密通信中继的场景基于一个特定的调制方法。并考虑是否存在一个最优carrier-secret比率(CSR),可改善秘密通信的可靠性的前提下会议用的要求。

1.2。贡献

我们工作的贡献如下:(1)我们调查的误码率之间的关系,企业社会责任,信噪比与塑造调制星座无线的秘密通道。我们获得的最优近似解的CSR和扩展与继电器它几个场景。最优近似解的CSR,寻找一个实际的最优的过程时可以加快企业社会责任等优化算法采用梯度下降法和共轭梯度。(2)我们发现了一个用恶化区域(UDA)在一个继电器和两个继电器的场景,和用恶化当一个偷听者。可以使用UDA避免恶化的用不当的继电器。否则,窃听者可以检测使用UDA提高检测效率。

本文的其余部分组织如下:在下一节中,一些背景包括无线秘密通道用肮脏的星座和无线秘密通道形成调制星座介绍;节3,我们介绍了我们方案的基础包括经典的系统模型和二元假设检验;节4,方方面面的关系,企业社会责任,在无线秘密通道信噪比塑造调制星座调查。获得最优近似解的CSR和扩展继电器的几个场景,用恶化的地区(uda)被发现和分析;部分5给出了实验结果用和可靠性;最后,部分6总结了整个论文。

2。相关的工作

2.1。背景

无线秘密通信主要涉及三个因素的检验:用、可靠性和通信速率。目前,没有特殊的检测工作测量用嘈杂的无线秘密通信。参考文献(13,15,16]以KL背离残留和环境噪声作为参数检查用。文献[17)检查用KS距离残留和环境噪音。

可靠性是指无线秘密通信的能力抵抗信道干扰。信道干扰可能来自于自然消退的通道,或干扰机。抵抗信道干扰,多次反射传送是一个经常使用的方法(18]。文献[19)评估和优化的秘密通讯设计多次反射网络的参数,包括编码率,传输能量,并要求数量的啤酒花。

研究人员进一步分析了多个场景的秘密通信能力与多个不利因素偷听者,包括发射机的三个方面(20.,21],接收机[22- - - - - -24),和额外的节点(25- - - - - -28]。隐蔽通信的方法包括人工额外的信号噪声,人工编码域错误,插入额外的信号频带等。导致这一领域的研究也进一步扩展中继通信等通信场景(14,29日],multiantenna [30.,31日),和广播通信32- - - - - -34]。

2.2。无线秘密通道与肮脏的星座

在无线秘密通道用肮脏的星座(WCC-DC),可以传播机密信息比特的星座错误正常信号,以减少怀疑所有无知的探测器。

无线秘密通道的框架与肮脏的星座图所示1(一)。无线秘密通道实现与OFDM无线通信物理层结构。器所有OFDM副载波分为秘密副载波和正常的副载波。秘密副载波,承运人信息调制在QPSK获得载波信号,然后秘密QPSK信号调制的载波信号上叠加。隐蔽的星座点周围以一定角度旋转正常星座点,如图1 (b)。在正常的副载波,载体信息调制在QPSK获得载波信号,然后叠加随机噪声。的目的的旋转signal-loaded信号和随机噪声的叠加是将星座的秘密信号的规律性。无线秘密通道的副载波分区结果应该在发射机和接收机之间共享。

然而,无线用肮脏的星座有一个秘密通道高误码率当秘密的力量信号很低。当我们增加力量的秘密信号,用秘密交流的恶化。因此,曹et al。35)提出了一个基于星座的秘密通信方法塑造调制(WCC-CSM)。

2.3。无线与塑造调制星座秘密通道

无线通信系统的总体框架与星座塑造调制显示在图2。我们假设每个副载波米_c正交相移编码OFDM无线通信的调制。在该方案中,我们可以使用所有副载波建立无线秘密通信。塑造调制星座的秘密信息米_年代调制到一个人造噪声信号年代_年代。然后,人工噪声信号年代_年代是载波信号上叠加年代_c生成副载波的秘密年代_ct。

生成的秘密人工噪声信号年代_年代累积分布函数(CDF)F_提供噪声估计的信道噪声数据的引用年代₀。

用的秘密信息= ,和人工噪声信号分为我/问向量,用 。在这里,是我用向量的人工噪声信号 ,和是问向量用 。星座塑造调制函数被定义为

对于塑造调制,发射机首先将秘密信息米_年代为连续变量d_我,然后d_我映射到人工噪声信号吗年代_年代提供的参考信道噪声年代_正常的。

的变换函数d_我定义如下:

我们表示r作为随机数分布区间(0,1)。和转换的映射函数米_年代成年代_年代被定义为

映射函数累积分布函数的逆函数吗年代_正常的。然后,人工噪声信号年代_年代是载波信号上叠加吗年代_c生成的秘密副载波年代_ct。

副载波用接收到的秘密 。的我/问向量的秘密副载波是用 ,副载波的可以与QPSK解调: 和副载波再次将由QPSK调制,获得理想的副载波 :

我们表示 随着我/问向量的 。接收方可以获得理想的副载波 ,然后(即残余信号。、人工噪声 )可以提取

我们表示我/问人工噪声向量作为 。人工噪声可以转换成累积分布函数与

接收者可以解调的秘密信息星座的秘密解调(CDC),见图3。

四个黑色点是理想的星座点;红色区域的分布地区秘密副载波用人造噪音。秘密解调星座用的功能 :

3所示。根据我们的计划

3.1。系统模型

类似于著名的Alice-Bob模型(36),标准无线秘密通道系统模型包括发射机(即。,爱丽丝),接收方(即。,Bob), and the detector (i.e., Willie).

威利观察检测是否爱丽丝传输通道。威利的检测概率误差包含两个组件:错过了检测的概率和误报的可能性。

文献见上述只能提到(即有限样本的影响。,有限的 )在威利的检测性能。它与噪声不确定性数值显示在威利,可能存在一个最优的样本数量最大化的通信速率 ,在哪里的总和(即。,false alarm rate) and(即。,米我年代年代detection rate) at Willie and是一个任意小的数字。我们定义 威利的最大可接受的检出率。

3.2。二元假设检验在威利

根据图中所示的系统模型4,无线秘密通道的性能要素主要包括两个方面:用和可靠性。

在通信,爱丽丝完全传输符号,鲍勃。我们表示的有限块( ),由正常的信息和秘密信息 ,而威利是被动地收集观察在爱丽丝的传播以检测(也就是她的秘密信息的存在。爱丽丝是否传送机密信息)。我们表示AWGN鲍勃和威利∼ 。接收到的信号在每个信号符号是由威利

威利的主要目的是确认是否爱丽丝传送。我们定义了两个假设,和 ,区分这两种情况:

表示零假设,爱丽丝不是传递秘密信息。表示备择假设,爱丽丝是传递秘密信息。在隐蔽通信,威利的终极目标是最小化总错误率(即。 )。我们表示T和F作为二进制推断是否Alice是传输的决定。假警报率和检出率小姐

假设威利执行最优检测。平斯克后的不平等37,38] 在相对熵(也称为KL分歧)定义如下: 在哪里n值的范围吗x。我们表示p₁(x)作为一个序列的分布米(我),被威利,p₀(x)表示一个序列的分布米_c(我),发现当爱丽丝不传送。

KL分歧总是用来计算分布之间的关系。除了KL分歧,我们也可以使用KS距离(也称为Kolmogorov-Smirnov统计)来计算分布之间的距离。KS距离定义如下:

米₁(我),米₀(我)都是分成K箱里。的元素的数量米₁(我),米₀(我)用和 , 。的累积分布函数米₁(我),米₀(我定义如下:

威利总是设置的阈值KL的散度和KS距离来判断是否有沟通。

衡量通信的可靠性,我们表示数量如下: 在哪里一些错误的象征。

4所示。最佳WCC-CSM Carrier-Secret率

4.1。经典的场景

在副载波的秘密通过无线信道传输,接收方可以慢衰落信道的输出 与 在哪里表示传输的能量发射器;表示信号的波长;表示复杂的基带等效信道系数发射机(即之间的主要通道。爱丽丝)和接收方(即。,鲍勃);和表示为圆对称的复杂的高斯噪声。我们也有两个真正的变量和 表示距离和路径损耗指数Alice和Bob之间的通道,分别。的路径损耗指数2和4之间的一个值。在自由空间,微波传输路径损耗指数 。

探测器(即。,威利)can receive the output as 与

表示复杂的基带等效信道系数发射机(即之间的主要通道。爱丽丝)和探测器(即。威利);表示爱丽丝和威利之间的距离指数。噪音之前为圆对称的复杂的高斯分布。

定理1。用无线的秘密通信与CSR的增加恶化。

证明。正如上面提到的,检测误差的概率必须满足较低的边界 考虑方程(13)和(20.)联合,我们可以获得最低的边界以最低的“KL分歧”,我们表示p₁(x)分布的残余信号 ,检测到威利,p₀(x)表示参考信道噪声的分布年代₀。人工噪声年代_年代的映射 ;因此,我们可以获得残余信号 。P表示信号的能量,收到鲍勃或威利。的“KL分歧”年代₀和可以表示为 见方程(21),“KL分歧”的增加而增加P。甚至为圆对称的复杂的高斯噪声方差相同的有不同的分布。为了计算“KL分歧”,我们分裂和成K垃圾箱,概率j箱子是用和 , 。表达式(21)可以表示为 的增加K,和将方法和 。然而,如果K太大了,P_F将是巨大的。如果K太小了,P_米将是巨大的。我们需要选择一个合适的值K。在本文中,我们设置K= 100。
表示信号能量检测到威利。代表理想的信号能量。可以表示为“KL分歧” 表示 。利用偏导数 ,方程(23)可以表示为 可以表示为 分析:考虑表达方程(24)和(25)联合,我们可以得到 。KL散度的增加而增加 。与不变,企业社会责任的增加而增加。因此,企业社会责任的KL散度增加而增加。
KL散度的增加而增加P_威利。当KL散度大于 ,威利法官有秘密通信。当KL散度等于 ,相应的信噪比₀可以表示为 如果信噪比<信噪比₀,秘密通信不会被检测出来。传动功率恒定时,阈值检测距离d₀可以见图5。紫色的虚线圆是等功率线的秘密沟通不会检测到“KL分歧。”
未被发现的概率P_ud可以表示为

定理2。存在一个最优的载波信号之间的比例和秘密无论信号信噪比的值是什么。误码率最小的最优比例。

证明。系统的可靠性是系统的检查。正交相移编码的方方面面 表示高斯误差函数,r表示限幅的比例。秘密交流的方方面面来标示P_ecov,它可以表示为 信噪比表示的限幅比率来年代₀,企业社会责任表示的carrier-secret比率年代_c来年代_年代。考虑到信噪比和CSR,表达式(29日)可以近似 CSR的偏导数,方程(30.)可以表示为 分析:让 等于零。我们可以获得 时可以建立平等 ,这是最佳的企业社会责任。我们可以获得最低的误码率的最佳企业社会责任。表达式(29日)可以表示为图6。
从图可以看出6,P_ecov最小化的最佳企业社会责任。我们得到的近似解与理论是一致的P_ecov在图6。最优近似解的CSR,寻找一个实际的最优的过程时可以加快企业社会责任等优化算法采用梯度下降法和共轭梯度。
无线通信信道衰落的影响,常常需要设置一个或多个继电器延长通信距离。因此,继电器通信场景中描述下面的细节。

4.2。一项接力场景

秘密信息总是与低功率传输;我们可以设置继电器延长传输距离。每个继电器采用amplify-and-forward (AF)协议和两个阶段。爱丽丝传输信号在一个阶段;中继放大信号和远期鲍勃在另一个阶段。我们可以设置的位置爱丽丝,鲍勃,威利和继电器如图7(一)。d_tr表示“爱丽丝”和“鲍勃”之间的距离;d_trr表示爱丽丝和继电器之间的距离;和d_rb表示之间的距离继电器和鲍勃。如果我们保持总传输能量不变,爱丽丝的传输能量和继电器都是0.5P_t,我们可以获得秘密通道的输出:

见图7(一),

我们可以获得鲍勃:接收到的信号

在自由空间中,鲍勃只有接收到信号的能量和距离。所以的优化位置继电器是爱丽丝和鲍勃在中间(即,d_rb=d_trr),可以看到在图7 (b)。

威利之间的距离,爱丽丝,和继电器是用d_W和d_或者说是。用的概率P_ud可以表示为

构造一个坐标系统与爱丽丝坐标轴的原点。我们可以获得爱丽丝的坐标(0,0),鲍勃(2d_trr,0),继电器(d_trr,0)和威利(X_威利,Y_威利)。在AWGN信道中,信号的力量受到威利只是相关距离和传输能量。我们可以得到“等功率线”的场景没有继电器和一个继电器。

然后,被威利可以表示为

方程(37)可以表示为

我们表示表达的圆方程(38)用恶化区域(UDA)。用恶化与设置继电器使用UDA当威利。和偷听者可以检测使用UDA来提高检测效率。

见图8,绿色虚线是UDA。如果威利UDA,P_ud将减少一个继电器的场景和用的随之恶化。相应地,用无法将改善如果威利是绿色虚线圈外。当威廉在绿色虚线P_ud将常数。

隐蔽通信的误码率P_ecov.r1可以表示为

引用表达式(32),我们可以获得的局部最小值在 ,这是最佳的企业社会责任。

4.3。Two-Relay场景

在此基础上,我们将讨论two-relay场景。如果我们保持总传输能量不变,爱丽丝的传输能量,继电器,relay2就是一切 。我们可以获得秘密的输出信号:

我们可以看到在图9威利和爱丽丝之间的距离,继电器,relay2用d_或者说是,d_WR1,d_WR2,分别。

未被发现的概率P_ud可以表示为

进一步的扩展,用对的概率n啤酒花可以表示为

继电器的使用UDA可以表示为

方程(43)可以被转换成

的使用UDA relay2可以表示为

方程(45)可以被转换成

我们可以看到在图10方程表达的圈(44)和(46使用uda)。如果威利在蓝色或绿色虚线圆,用无法将恶化。相应地,用无法将改善如果威利在蓝色和绿色虚线圈之外。

隐蔽通信的误码率P_ecov.r2可以表示为

事实证明,存在一个最优的企业社会责任,我们可以获得最低的P_ecov.r2在 。

5。实验结果

5.1。实验装置

在本节中,我们检查用和可靠性基准方案。我们设置了无线通信/ 802.11 g PHY层。无线秘密通道上执行所有100000个符号。在传输中,有48副载波的象征。模拟实验是在AWGN信道的无线信道模型,进行模型(39]。在一些模拟,用肮脏的星座(WCC-DC)是无线的秘密通道选择的比较。用无法接受“KL散度”和“KS距离”。的用措施我向量,问星座的向量、大小和阶段提出了错误的传输功率信噪比= 10,…,40 dB。可靠性是衡量伯斯。

5.2。用

威利(即。,detector) observes the channel to judge whether Alice (i.e., transmitter) is transmitting in the covert channel or not. There must be a threshold比较的价值“KL散度”和“KS距离”。如果是伟大的,P_F会太大了。如果小,P_米会太大了。在本文中,我们设置四个“KL分歧”措施(0.04,0.04,0.055,0.055),和“KS距离”为(0.025,0.025,0.025,0.025)。

在本节中,我们设置垃圾箱的数量K= 100。四个样本选择比较,样品如下:WCC-DC CSR = 5 dB和CSR = 10 dB, WCC-CSM CSR = 5 dB, CSR = 10分贝。

我们可以看到在图11的“KL分歧”WCC-CSM CSR = 5 dB和CSR = 10 dB满足阈值(0.04,0.04,0.055,0.055)的信噪比= 10,…,40 dB。由此产生的KL散度低于KL散度与WCC-DC实现。

在图(11日),WCC-DC CSR = 10 dB满足阈值我的向量在信噪比= 10,…,30 dB。与企业社会责任的“KL分歧”WCC-DC = 10 dB超过阈值当信噪比= 40 dB, WCC-DC CSR = 5 dB超过阈值的信噪比= 10,…40 dB。在图11 (b)“KL分歧”与CSR WCC-DC = 5 dB超过阈值信噪比= 23分贝。与企业社会责任的“KL分歧”WCC-DC = 10 dB超过阈值信噪比= 33分贝。在数据11 (c)和11 (d),WCC-DC CSR = 5 dB超过阈值在信噪比= 23分贝和信噪比= 38 dB,和WCC-DC CSR = 10 dB超过阈值在信噪比= 28 dB和信噪比= 37 dB。

我们可以看到在图12,WCC-CSM满足阈值“KS距离”和WCC-CSM小于WCC-DC在信噪比= 10,…,40 dB。WCC-CSM变化小的“KS距离”不同的csr。我们可以规范企业社会责任不超过阈值“KS的距离。“在数据12(一个)- - - - - -12 (c)WCC-DC的“KS距离”企业社会责任= 5 dB超过阈值信噪比= 10 dB。在图12 (c)的“KS距离”WCC-DC CSR = 10 dB超过阈值信噪比= 13分贝。

我们可以得出一个阶段的结论,WCC-CSM满足阈值的“KL散度”和“KS距离”在信噪比= 10,…,40 dB。因此,我们可以调节CSR减少的数量没有超过阈值“KL散度”或“KS距离。”

5.3。可靠性

的可靠性系统的误码率。见表达式(28),误码率随信噪比的增加而减小。节4.1,最优企业社会责任提出了。获得和最优近似解的CSR和扩展到几个场景(一个继电器,两个继电器)。无线的误码曲线秘密渠道在几个场景如图13。爱丽丝的位置,鲍勃,继电器,继电器2节所示4。

在图(13日)经典的场景与不同的误码率信噪比提出了在企业社会责任的范围= 1,2,…,20分贝。误码率与信噪比的WCC-CSM = 15分贝最小化CSR = 7 dB,低于10%的误码率CSR = 15分贝。最优的企业社会责任是5 dB的近似解。WCC-CSM的最小化误码率与信噪比= 30 dB CSR = 8分贝,4%和最优近似解的CSR 7 dB。WCC-CSM的最小化误码率与信噪比= 40 dB 0.05% CSR = 9 dB。与信噪比的理论近似最优CSR·= 40 dB为7.5分贝。

这是证明存在一个最优的企业社会责任,最小化的最优CSR的误码率。随着信噪比的增加,最优企业社会责任逐渐增加。但是理论近似最佳企业社会责任的价值略低于仿真结果。我们可以看到数据13 (b)和13 (c)最优企业社会责任存在,略高于理论近似继电器的场景。的数量最小化最优的企业社会责任。

比较的约束下的系统总功率不变,假设中的信噪比经典场景是20分贝。场景中的信噪比的一个继电器是23分贝,和信噪比两个继电器的场景是25分贝。我们可以看到在图13 (d),可靠性的经典场景是最佳和最优的数量最小化CSR。没有使用纠错编码,和继电器的可靠性恶化的场景。证明简单地设置继电器不增加总功率,秘密交流的方方面面会恶化。

模拟实验是在AWGN信道的无线信道模型。我们可以看到在图13,我们可以获得最低P_ecov,P_ecov.r1,P_ecov.r2在AWGN信道的最佳企业社会责任。和最优企业社会责任实现模拟略高于理论近似。

6。结论

可靠性和用无线秘密通信的主要方面。我们认为基于WCC-CSM秘密通信的误码率问题。我们研究的影响carrier-secret比率(CSR)的误码率和信噪比之间的关系,调查CSR,方方面面。我们获得的最优近似解的CSR和扩展继电器的场景。最优近似解的CSR,寻找一个实际的过程最佳企业社会责任可以加速。此外,我们发现用常数约束下的总功率取决于窃听者的位置。我们发现了一个用恶化区域(UDA)继电器的场景,和用恶化设置继电器在使用UDA当一个偷听者。

仿真证明,存在一个最佳的CSR在AWGN信道。器可以获得更大的可靠性与伟大的用最佳的企业社会责任。此外,设置继电器的可靠性恶化的约束下不断的总功率。一些必须采用纠错编码或其他方法,避免恶化的误码率。

改善威利的检测功能,有必要找到一个更好的方法来检测秘密通信除了“KL散度”或“KS距离”在我们未来的工作。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果中包括文件的补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(赠款U1836104号,61772281,61702235,61801073,61931004,,62072250)。

补充材料

这些文件包含四个向量的KL分歧,KS四个向量的距离,和伯斯的无线通信在典型场景。(我)KL散度与不同星座的错误企业社会责任KL。docx: (a)我向量的散度,(b) KL Q矢量散度,(c) KL散度的大小,和(d) KL散度的阶段。(2)KS距离与不同星座的错误企业社会责任KS。docx: (a)我向量的距离,(b) KS问向量的距离,(c) KS的距离大小,和(d) KS距离的阶段。(3)伯斯无线秘密通信的典型场景。docx: (a) BERs of classic scenario with different SNR, (b) BERs of one relay with different SNR, (c) BERs of two relays with different SNR, and (d) comparison of BERs of several scenarios.(补充材料)