一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道

曹鵬程，馬雪婧，劉偉偉，劉光杰

(1. 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 中國船舶重工集團第八研究院，江蘇 南京 211153)

1 引言

作為信息隱藏技術(shù)的最新分支之一，無線隱蔽信道的目的是將秘密信息嵌入到公開的無線通信過程中來實現(xiàn)隱蔽通信。近年來，隨著4G通信、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展和移動智能終端的廣泛普及，無線通信場景已經(jīng)成為移動互聯(lián)網(wǎng)中的重要通信場景之一。這些無線通信過程已成為無線隱蔽信道的理想載體。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道[1-3]相比，無線隱蔽信道具有區(qū)域性、廣播性等特點，對其進行檢測需要在所有可能的區(qū)域布設(shè)監(jiān)測設(shè)備，檢測難度較大。因此，無線隱蔽信道獲得了越來越多研究者的關(guān)注。

根據(jù)載體的不同，無線隱蔽信道可進一步分為基于協(xié)議與信號的無線隱蔽信道。其中，基于協(xié)議的無線隱蔽信道將秘密信息嵌入特定的通信協(xié)議字段中，易被針對性的檢測算法發(fā)現(xiàn)[4，5]。而基于信號的無線隱蔽信道將秘密信息調(diào)制成人工噪聲信號，疊加在正常無線信號上以規(guī)避檢測[6-8]。然而在實際應(yīng)用中，無線隱蔽通信有時需要利用有限的時頻資源實現(xiàn)與不止一個接收者的通信功能。由于無線信號的廣播傳輸特性，多播無線隱蔽信道相較于現(xiàn)有的單播無線隱蔽信道，能夠復(fù)用相同的時頻資源實現(xiàn)與多個接收者的通信，避免多次單播通信導(dǎo)致可能的行為異常。5G通信技術(shù)中出現(xiàn)的非正交多址接入技術(shù)(NOMA)可以實現(xiàn)復(fù)用時頻資源與多個接收方通信[9，10]。目前并無專門的多播無線隱蔽信道，需要該類信道開展研究。

本文提出一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道。該多播無線隱蔽信道首先分配各個接收者對應(yīng)的信號功率；然后通過差分模型擬合調(diào)制將秘密信息調(diào)制成人工噪聲信號，疊加在正常的載體信號上生成含密信號。各個接收方在移除載體信號后，近端接收方通過差分串行干擾消除技術(shù)移除遠(yuǎn)端信號，解調(diào)出秘密信息；遠(yuǎn)端接收方則直接解調(diào)出對應(yīng)的秘密信息。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的單播無線隱蔽信道相比，所提多播無線隱蔽信道在保持相同安全性的同時，秘密信息的可靠性有所提高。

本文其余部分結(jié)構(gòu)如下，第二節(jié)介紹基于信號的無線隱蔽信道模型和NOMA系統(tǒng)模型；第三節(jié)為所提的基于NOMA的多播無線隱蔽信道，包括信道的整體框架和具體的調(diào)制解調(diào)過程；第四節(jié)給出了仿真結(jié)果，而第五章對全文進行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

2.1 基于信號的無線隱蔽信道模型

利用在無線通信中信道噪聲干擾無處不在的特性，基于信號的無線隱蔽信道將秘密信息調(diào)制成人工噪聲，然后將其疊加到正常的無線信號上進行傳輸。基于信號的無線隱蔽信道的模型如圖1所示。

圖1 基于信號的無線隱蔽信道的模型

在該類無線隱蔽信道中，發(fā)送方同時發(fā)送正常信息與秘密信息。在發(fā)送方，正常信息與秘密信息分別被調(diào)制成載體信號與人工噪聲，然后疊加起來生成含密信號。在隱蔽信道接收方，正常信息與秘密信息分別從含密信號中解調(diào)得到。由于無線通信的廣播傳輸特性，含密信號有可能被檢測者的無線監(jiān)測設(shè)備捕捉到。檢測者會對捕捉到的信號進行處理，并進行統(tǒng)計分析，來判斷是否存在無線隱蔽信道。當(dāng)正常信號采用QPSK等低速率調(diào)制方式，同時信道噪聲較小時，疊加含有秘密信息的人工噪聲對正常信號的正確解調(diào)影響極小。因此，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)包級別的檢測方法無法判斷是否存在無線隱蔽信道。

2.2 NOMA模型

5G通信技術(shù)中興起的非正交多址接入技術(shù)(NOMA)，與傳統(tǒng)的正交多址接入(OMA)不同，通過串行干擾消除技術(shù)(SIC)實現(xiàn)功率域復(fù)用，多個接收方共享相同的頻率資源。以兩個接收方復(fù)用相同時頻資源的NOMA場景為例，其系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 NOMA系統(tǒng)模型

發(fā)送方根據(jù)不同接收方的信道條件分配信號功率。近端接收方R1信道條件好，分配較小的功率P1；遠(yuǎn)端接收方R2信道條件差，分配較大的功率P2，則P1

(1)

其中xi(i=1，2)為接收方給接收方Ri的發(fā)送信號，且滿足E(|xi|2)=1。同時信號總功率歸一化表示為P1+P2=1。

此時接收方Ri收到的信號為：

yi=hix+ni

(2)

(3)

3 基于NOMA的多播無線隱蔽信道

通過對基于信號的無線隱蔽信道模型與NOMA系統(tǒng)模型的分析，不難發(fā)現(xiàn)信號疊加處理在兩者之中都起著關(guān)鍵作用。利用這種結(jié)構(gòu)上的相似性，提出一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道。在實際應(yīng)用中，為了不影響正常信號的正確解調(diào)，由秘密信息調(diào)制得到的人工噪聲信號功率較小，再加上傳輸隱蔽性的限制，本文主要考慮存在兩個隱蔽接收方的多播場景。基于NOMA的多播無線隱蔽信道框架如圖3所示。

圖3 基于NOMA的多播無線隱蔽信道框架

3.1 發(fā)送方含密信號調(diào)制

發(fā)送方首先對各接收方進行功率分配。假設(shè)載體信號功率滿足Ec=E(|sc[i]|2)=1，為保證疊加人工噪聲不影響載體信號的正確解調(diào)，人工噪聲總功率滿足Ps?1。對于固定大小的人工噪聲信號總功率Ps，基于NOMA的多播無線隱蔽信道需要分配給近端和遠(yuǎn)端接收方信號的功率分別表示為α1Ps和α2Ps，這里α1，α2是對應(yīng)接收方的功率分配系數(shù)。與傳統(tǒng)的NOMA技術(shù)不同，本文所提方法不依賴于功率差異來區(qū)分近端和遠(yuǎn)端信號，因此采用兩種功率方案：平均分配與基于信道狀態(tài)信息(CSI)的反轉(zhuǎn)功率分配方案。后者的分配過程中，與文獻[11]中的功率分配方案類似，發(fā)射方根據(jù)各接收方CSI分配功率，將更大的功率分配給遠(yuǎn)端接收方，故各接收方分得的功率大小與其信道增益成反比：αiPs∝1/|hi|。假設(shè)近端和遠(yuǎn)端接收方的信道增益分別為h1和h2，則功率分配系數(shù)可表示為

(4)

發(fā)送方完成功率分配后，將功率分配向量{α1Ps，α2Ps}與身份信息分別發(fā)送給各接收方，便于接收方選擇對應(yīng)的解調(diào)方案。

根據(jù)分配的信號功率，發(fā)送方將各接收方的秘密信息分別調(diào)制成對應(yīng)的人工噪聲信號，最后一起疊加到載體信號上，生成含密信號。以遠(yuǎn)端接收方對應(yīng)的秘密消息調(diào)制為例，假設(shè)一個載體信號的同相(I)方向分量或正交(Q)方向分量上僅嵌入1比特數(shù)據(jù)，其秘密信息可表示為ms2=(ms2[1]，…，ms2[n])，其中ms2[i]=(msI2[i]，msQ2[i])∈{0，1}2。對應(yīng)的信號特征分量表示為rI2=(rI2[1]，…，rI2[n])和rQ2=(rQ2[1]，…，rQ2[n])，這些信號特征分量在[0，1]上均勻分布。最終生成的人工噪聲ss2可表示為xI2+j·xQ2，這里的xI2，xQ2為近端人工噪聲在I方向和Q方向的分量

在人工噪聲的調(diào)制過程中，I方向與Q方向上的調(diào)制互相獨立，這里以I方向的調(diào)制為例介紹調(diào)制過程。對于任一秘密信息比特msI2[i]，首先將其連續(xù)化，轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量

(5)

其中msI2[i]-1/2∈{-1/2，1/2}是對秘密信息比特做極化處理，rI2[i]為該比特對應(yīng)的信號特征值。秘密信息比特經(jīng)過連續(xù)化轉(zhuǎn)化為在[0，1]上均勻分布的連續(xù)變量。

然后對該連續(xù)變量進行差分處理，得到對應(yīng)的差分連續(xù)變量

(6)

(7)

該函數(shù)保證生成的人工噪聲與正常的信道噪聲分布相同。Q方向的連續(xù)化，模型擬合與之類似。

近端人工噪聲ss1的調(diào)制方法類似。唯一區(qū)別在于在完成連續(xù)化之后自身重復(fù)一次再進行模型擬合：

(8)

最后將載體噪聲、近端和遠(yuǎn)端人工噪聲疊加可得含密信號：

sct=sc+ss1+ss2

(9)

3.2 各接收方信息解調(diào)

在近端接收方，遠(yuǎn)端秘密信息首先被差分解調(diào)出來。然后通過發(fā)送方共享的遠(yuǎn)端信號特征向量重建信號后，從殘差信號中將其消除。最后解調(diào)得到近端秘密信息。以I方向分量為例，xresI，1c[i]與xresI，1d[i]為殘差信號I方向分量上的任一差分對，對其差分解調(diào)得到

(10)

通過式(10)中的差分將近端信號從解調(diào)中移除，避免了其對解調(diào)造成干擾。然后根據(jù)對應(yīng)的信號特征量rI2[i]如式(5-7)重建遠(yuǎn)端信號差分對xI2，1c[i]，xI2，1d[i]。將重建的遠(yuǎn)端信號從殘差信號中消除得到受干擾的近端信號差分對

(11)

最后對其解調(diào)得到近端秘密信息

(12)

在遠(yuǎn)端接收方，遠(yuǎn)端秘密信息直接從殘差信號中差分解調(diào)得到

(13)

Q方向的秘密信息以相同的解調(diào)方法得到。

調(diào)制解調(diào)過程中，發(fā)射端需要所有接收方共享功率分配向量，信號特征量。考慮到一般應(yīng)用中信道狀態(tài)變化較小，功率分配向量共享頻次較低。信號特征量則可通過相同的隨機數(shù)發(fā)生器生成，無需實時傳輸。因此共享這些參數(shù)不會對多播無線隱蔽信道造成過大的負(fù)擔(dān)。通過差分，重復(fù)等步驟，各接收方秘密信息傳輸速率僅為載體信息傳輸速率的一半。

4 仿真結(jié)果

與文獻[8]類似的，從抗檢測性與可靠性這兩方面來測試所提基于NOMA的多播無線隱蔽信道。抗檢測性主要由基于信號分布差異的KS[12，13]、KLD[14]檢測來衡量，可靠性則通過近端和遠(yuǎn)端秘密信息誤比特率(BER)來衡量。同時與單播無線隱蔽信道實驗結(jié)果進行對比。

仿真在MATLAB平臺上實現(xiàn)的。假設(shè)收發(fā)各方均保持靜止，無線信道為靜態(tài)平坦衰落信道，近端與遠(yuǎn)端接收方信道增益分別為|h1|=0.5和|h2|=0.15，正常信道噪聲假定為高斯噪聲。在所提的多播無線隱蔽信道與單播無線隱蔽信道中，人工噪聲的總功率滿足Ec/Ps=10dB，這樣人工噪聲不會對載體信號的解調(diào)造成影響，人工噪聲功率分配方案為平均功率分配與反轉(zhuǎn)功率分配。考慮到監(jiān)測設(shè)備所處信道環(huán)境未知，給出了一組信噪比條件下的抗檢測性與可靠性實驗結(jié)果。這里的信噪比指的是載體信號與信道均衡后噪聲之比，下文不再贅述。用于對比的單播無線隱蔽信道，無論時分復(fù)用或是頻分復(fù)用，傳輸速率僅為載體信息速率一半，與所提多播無線隱蔽信道速率相同。

4.1 抗檢測性

多播無線隱蔽信道的抗檢測性通過提取的殘差信號的I方向、Q方向、幅值和相位上的KS距離和KL散度大小來衡量的，其中KS、KLD檢測所需的參考樣本為采集得到的相同功率大小的正常信道噪聲。檢測窗口設(shè)定為2000。所提多播無線隱蔽信道與單播無線隱蔽信道的KS距離和KL散度如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，三種無線隱蔽信道的KS距離和KL散度大小相近，均數(shù)值較小且隨著信噪比增加基本保持不變。實驗證明，所提的兩種功率分配的多播無線隱蔽信道具有與單播無線隱蔽信道相同的良好的抗檢測性。

圖4 三種無線隱蔽信道殘差信號

圖5 三種無線隱蔽信道殘差信號

4.2 可靠性

多播無線隱蔽信道的可靠性通過近端和遠(yuǎn)端接收方接收到的秘密信息誤比特率(BER)來衡量的。由于無線隱蔽信道信號功率較小，這邊在所有無線隱蔽信道中應(yīng)用基于M序列的擴頻碼，M序列長度為10。兩種功率分配的多播無線隱蔽信道與單播無線隱蔽信道在近端與遠(yuǎn)端的秘密信息誤比特率如圖6所示。由圖6可知，與單播無線隱蔽信道相比，平均功率分配的所提方案在近端誤比特率相近的同時遠(yuǎn)端誤比特率明顯下降，而反轉(zhuǎn)功率分配的所提方案在近端誤比特率提高的同時遠(yuǎn)端誤比特率進一步下降。實驗結(jié)果表明，所提多播無線隱蔽信道相較單播無線隱蔽信道可靠性有效提高，且可通過改變功率分配靈活調(diào)節(jié)傳輸性能。

圖6 三種無線隱蔽信道

5 結(jié)論

本文根據(jù)非正交多址接入系統(tǒng)模型提出一種基于NOMA的多播無線隱蔽信道，該信道中近端與遠(yuǎn)端秘密信息調(diào)制成人工噪聲后疊加在正常信號上傳輸，接收方則通過差分解調(diào)的移除其它人工噪聲，確保秘密信息正確解調(diào)。實驗結(jié)果表明，相較單播無線隱蔽信道，所提多播無線隱蔽信道在保持相同抗檢測性的同時，可靠性顯著提高。然而，本文尚未進一步討論功率分配方案的選取，后續(xù)的工作將討論多播無線隱蔽信道的最優(yōu)功率分配方案的選取問題。