基于物理层加密的OFDM可见光通信系统安全传输方案_杨立锐.pdf

2023年第1期基于物理层加密的 OFDM 可见光通信系统安全传输方案Secure transmission scheme of OFDM visible lightcommunication system based on physical layer encryptionYANG Lirui,GUO Xinyue*（Key Laboratory of Optical Technology and Instrument for Medicine,Ministry of Education,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）0引言过去数十年，随着信息社会的发展，智能移动设备、智能家居被广泛使用，无线数据流量呈指型增长，传统的射频无线通信技术受频谱资源限制，逐渐不能满足人们日益增长的通信需求。在此背景下，可见光通信（VLC）作为一种新兴的无线通信技术受到了广泛关注1-2。与传统的射频通信相比，VLC带宽较大且不受管制，不存在电磁辐射和电磁干扰等问题，并且具收稿时期：2022-10-01。基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB1801503）资助。作者简介：杨立锐（1998），男，安徽六安人，硕士研究生，现就读于上海理工大学光电信息与计算机工程学院信息与通信工程专业，主要研究方向为可见光通信中的物理层加密技术。*通信作者：郭心悦（1981），女，博士，副教授，主要研究方向为无线通信技术。杨立锐，郭心悦*（上海理工大学 医用光学技术与仪器教育部重点实验室，上海200093）摘要：针对可见光通信（VLC）链路的数据传输安全性不高的问题。在正交频分复用（OFDM）VLC 系统中，提出一种比特级、符号级和相位联合加密的三级物理层加密方案。首先，引入 Logistic 映射的混沌序列加密方法降低加密数据的相关性，提高加密数据的安全性和系统的传输性能；然后，提出基于 S 替换表的星座映射，根据不同的 S 替换表生成对应的星座映射关系，使得原始二进制比特数据和加密后生成的数字调制信号之间始终保持格雷映射的特性，保证格雷增益。仿真结果表明：相比现有的方案，提出的物理层加密方案不仅具有更高的安全性，还降低了 OFDM VLC 系统发送数据的峰均功率比，缓解了发光二极管（LED）发射端产生的非线性失真，提升了系统的误码率性能。关键词：可见光通信；光正交频分复用；物理层安全；比特级加密；星座替换中图分类号：TN929.1文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0017-08DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.004开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Abstract:Aiming at the problem of low data transmission security of visible light communication（VLC）link,the data transmis-sion security problem of VLC link is becoming more and more prominent.In orthogonal frequency division multiplexing（OFDM）VLC system,a three-level physical layer encryption scheme with specific level,symbol level and phase joint encryptionis proposed.Firstly,the chaotic sequence encryption method of Logistic mapping is introduced to reduce the correlation of en-crypted data,improve the security of encrypted data and the transmission performance of the system.Then,the constellation map-ping based on S replacement table is proposed,and the corresponding constellation mapping relationship is generated accordingto different S replacement tables,so that the characteristics of gray mapping are always maintained between the original binary bitdata and the digital modulation signal generated after encryption,and the gray gain is guaranteed.The simulation results showthat compared with the existing schemes,the proposed physical layer encryption scheme not only has higher security,but also re-duces the pek-per-power ratio of the data sent by the OFDM VLC system,alleviates the nonlinear distortion generated by thelight-emitting diode（LED）transmitter,and improves the bit error rate performance of the system.Key words:visible light communication,optical orthogonal frequency division multiplexing,physical layer security,bit-level en-cryption,constellation replacement引用本文：杨立锐，郭心悦.基于物理层加密的OFDM可见光通信系统安全传输方案J.光通信技术，2023，47（1）：17-24.专 题:可 见 光 通 信172023年第1期有前端成本低、安全可靠等优点。VLC系统中，数据传输速率主要受限于发光二极管（LED）的调制带宽。目前，大功率的LED尚不能完全兼顾带宽和发光效率，LED的频率响应随着频率增大而急剧衰减。正交频分复用（OFDM）调制技术不仅能有效克服频率选择性衰落，而且具有很高的频谱利用率，因而被广泛应用于VLC系统3，但其缺点是OFDM调制的峰均功率比（PAPR）较高。根据LED的伏-安特性曲线可知，线性驱动峰值电压范围非常有限，过高的PAPR很容易造成LED发射端的非线性失真，从而导致整个系统误码率性能下降4。同时，与其它无线通信技术一样，VLC链路也面临着数据传输的安全问题。文献5-6提出的物理层加密技术是一种借助密钥在物理层实施加密的方法。与传统的加密方式相比，物理层加密技术可以与编码技术相结合，能同时提高物理层数据的传输性能和数据安全性；此外，物理层加密技术具有技术易实现、维护方便等优点，还可以与其它的无线通信技术相结合，如多天线技术、多载波通信技术等。目前，研究人员已经在OFDMVLC系统中提出一些物理层加密方案。文献7提出了一种带预均衡的信道确定子载波移动方案，该方案属于无密钥加密技术，即借助信道信息通过物理层的信号处理来提高系统的安全性。然而，这类加密方案需要在通信过程中估计窃听通道或物理定位窃听者，复杂度高、实现较困难。文献8-9提出了基于密钥的加密技术，利用循环前缀（CP）样本的极性从双极性实值OFDM样本创建动态密钥，通过在会话持续时间内与原始信号相乘来加密，增强了OFDM VLC的保密性。尽管系统支持对窃听者的高计算安全性，但容易受到已知明文攻击和选择明文攻击的影响。文献10提出了一种基于混沌序列的二级混合加密方法来提高传输图像数据的安全性和系统的传输性能，但增加了计算复杂度，且无法保证在各种攻击时的系统保密性。AL-MOLIKI Y M等人11提出了基于轻量级信道独立OFDM VLC的加密方法，通过哈希函数和CP样本创建动态密钥进行不同类型的加密，可确保在面对各种攻击时的保密性，还能降低系统的PAPR，但经过加密后，原始的二进制比特流数据和正交幅度调制（QAM）信号之间不满足格雷映射的关系，故系统的误码率（BER）性能会有所降低。基于此，本文在OFDM VLC系统中提出一种比特级、符号级和相位联合加密的三级物理层加密方案。1系统原理1.1系统模型基于物理层加密的OFDM VLC系统模型如图1所示。其中，IDA为发送者的身份，IDB为接收者的身份，他们之间的会话密钥为SK。以IDA、IDB、SK作为哈希函数（SHA-512）的输入，产生混沌序列的初始值，再利用每帧变化的CP与哈希函数异或创建3个动态子密钥（Ki1、Ki2、Ki3）来实现不同的加密方案。对i个OFDM符号生成的密钥Ki1用于产生S替换表，实现对输入的下一帧原始像素点数据的替换；Ki2用于频域OFDM符号的相位加密；Ki3用于生成用于置换时域OFDM数据位置的P排列表。在发送端，首先将输入的数据与混沌序列进行比特异或实现比特级的加扰，加扰后的数据通过Ki1生成的S替换表进行符号级的替换，再根据S替换表生成的新的映射关系对替换后的符号进行QAM，得到频域信号；在生成频域信号之前，插入导频序列用于接收端的信道估计。然后，通过Ki2生成的流密码对频域信号进行相位加密、厄米特对称和快速傅里叶逆变换（IFFT），生成实值的OFDM信号并添加CP4。最后，通过密钥Ki3产生的P排列表对发送信号时域排列，生成的时域信号经过数/模（D/A）转换后加载到LED两端，通过可见光进行发送。在接收端，光电二极管（PD）将接收到的光功率转变为电信号，经过模/数（A/D）转换后变为数字信号。接收端的信号处理是发送端的逆过程，包括解密和解调两部分。其中，需先对密钥进行解密，然后用解密后的密钥恢复原始数据，最后利用发送端插入的导频序列进行频域上的信道估计，消除信道对信号产生的影响12。1.2加密原理1.2.1基于Logistic映射的比特级置乱本文采用Logistic映射的混沌序列加密方法，将Logistic映射的混沌序列对输入的原始数据进行比特级别的置乱，使得信源数据均匀随机，既能提升数据安全性，还能改善系统的传输性能和提高系统的可靠性。比特级置乱过程如下：首先，原始数据被转换为比特流，再被基于Logis-tic映射的混沌序列加扰。Logistic映射定义为Xi+1=Xi（1-Xi）（1）其中，Xi（0，1）；为控制参数，当3.5699456274，序列处于混沌状态。根据式（1）得到混沌加扰序列。其次，通过逻辑混沌映射均匀化处理方案对逻辑杨立锐，郭心悦.基于物理层加密的OFDM可见光通信系统安全传输方案专 题:可 见 光 通 信182023年第1期序列进行优化13-14，得到新的序列Yi为Yi=（1）sin-1（Xi2）（2）然后，为了生成混沌整数序列，进行如下操作：Xi=mod（F（Yi）1015，M）（3）其中，F（）运算符表示向下取整，mod（）表示取余数，M表示QAM阶数。最后，利用得到的混沌加扰序列与原始传输数据G进行异或，得到逻辑加密后的数据Edata为Edata=XG（4）其中，X=X1，X2，.，Xi。1.2.2基于S替换表的星座映射本文提出基于S替换表生成QAM信号星座映射关系。根据加密方案，每个OFDM符号对应一个不同的S替换表，因此需要根据每一