一种基于NOMA的多播无线隐蔽信道

曹鹏程，马雪婧，刘伟伟，刘光杰

(1. 南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094；2. 中国船舶重工集团第八研究院，江苏 南京 211153)

1 引言

作为信息隐藏技术的最新分支之一，无线隐蔽信道的目的是将秘密信息嵌入到公开的无线通信过程中来实现隐蔽通信。近年来，随着4G通信、移动互联网等技术的快速发展和移动智能终端的广泛普及，无线通信场景已经成为移动互联网中的重要通信场景之一。这些无线通信过程已成为无线隐蔽信道的理想载体。与传统的网络隐蔽信道[1-3]相比，无线隐蔽信道具有区域性、广播性等特点，对其进行检测需要在所有可能的区域布设监测设备，检测难度较大。因此，无线隐蔽信道获得了越来越多研究者的关注。

根据载体的不同，无线隐蔽信道可进一步分为基于协议与信号的无线隐蔽信道。其中，基于协议的无线隐蔽信道将秘密信息嵌入特定的通信协议字段中，易被针对性的检测算法发现[4，5]。而基于信号的无线隐蔽信道将秘密信息调制成人工噪声信号，叠加在正常无线信号上以规避检测[6-8]。然而在实际应用中，无线隐蔽通信有时需要利用有限的时频资源实现与不止一个接收者的通信功能。由于无线信号的广播传输特性，多播无线隐蔽信道相较于现有的单播无线隐蔽信道，能够复用相同的时频资源实现与多个接收者的通信，避免多次单播通信导致可能的行为异常。5G通信技术中出现的非正交多址接入技术(NOMA)可以实现复用时频资源与多个接收方通信[9，10]。目前并无专门的多播无线隐蔽信道，需要该类信道开展研究。

本文提出一种基于NOMA的多播无线隐蔽信道。该多播无线隐蔽信道首先分配各个接收者对应的信号功率；然后通过差分模型拟合调制将秘密信息调制成人工噪声信号，叠加在正常的载体信号上生成含密信号。各个接收方在移除载体信号后，近端接收方通过差分串行干扰消除技术移除远端信号，解调出秘密信息；远端接收方则直接解调出对应的秘密信息。仿真结果表明，与传统的单播无线隐蔽信道相比，所提多播无线隐蔽信道在保持相同安全性的同时，秘密信息的可靠性有所提高。

本文其余部分结构如下，第二节介绍基于信号的无线隐蔽信道模型和NOMA系统模型；第三节为所提的基于NOMA的多播无线隐蔽信道，包括信道的整体框架和具体的调制解调过程；第四节给出了仿真结果，而第五章对全文进行了总结。

2 系统模型

2.1 基于信号的无线隐蔽信道模型

利用在无线通信中信道噪声干扰无处不在的特性，基于信号的无线隐蔽信道将秘密信息调制成人工噪声，然后将其叠加到正常的无线信号上进行传输。基于信号的无线隐蔽信道的模型如图1所示。

图1 基于信号的无线隐蔽信道的模型

在该类无线隐蔽信道中，发送方同时发送正常信息与秘密信息。在发送方，正常信息与秘密信息分别被调制成载体信号与人工噪声，然后叠加起来生成含密信号。在隐蔽信道接收方，正常信息与秘密信息分别从含密信号中解调得到。由于无线通信的广播传输特性，含密信号有可能被检测者的无线监测设备捕捉到。检测者会对捕捉到的信号进行处理，并进行统计分析，来判断是否存在无线隐蔽信道。当正常信号采用QPSK等低速率调制方式，同时信道噪声较小时，叠加含有秘密信息的人工噪声对正常信号的正确解调影响极小。因此，现有的数据包级别的检测方法无法判断是否存在无线隐蔽信道。

2.2 NOMA模型

5G通信技术中兴起的非正交多址接入技术(NOMA)，与传统的正交多址接入(OMA)不同，通过串行干扰消除技术(SIC)实现功率域复用，多个接收方共享相同的频率资源。以两个接收方复用相同时频资源的NOMA场景为例，其系统模型如图2所示。

图2 NOMA系统模型

发送方根据不同接收方的信道条件分配信号功率。近端接收方R1信道条件好，分配较小的功率P1；远端接收方R2信道条件差，分配较大的功率P2，则P1

(1)

其中xi(i=1，2)为接收方给接收方Ri的发送信号，且满足E(|xi|2)=1。同时信号总功率归一化表示为P1+P2=1。

此时接收方Ri收到的信号为：

yi=hix+ni

(2)

(3)

3 基于NOMA的多播无线隐蔽信道

通过对基于信号的无线隐蔽信道模型与NOMA系统模型的分析，不难发现信号叠加处理在两者之中都起着关键作用。利用这种结构上的相似性，提出一种基于NOMA的多播无线隐蔽信道。在实际应用中，为了不影响正常信号的正确解调，由秘密信息调制得到的人工噪声信号功率较小，再加上传输隐蔽性的限制，本文主要考虑存在两个隐蔽接收方的多播场景。基于NOMA的多播无线隐蔽信道框架如图3所示。

图3 基于NOMA的多播无线隐蔽信道框架

3.1 发送方含密信号调制

发送方首先对各接收方进行功率分配。假设载体信号功率满足Ec=E(|sc[i]|2)=1，为保证叠加人工噪声不影响载体信号的正确解调，人工噪声总功率满足Ps≪1。对于固定大小的人工噪声信号总功率Ps，基于NOMA的多播无线隐蔽信道需要分配给近端和远端接收方信号的功率分别表示为α1Ps和α2Ps，这里α1，α2是对应接收方的功率分配系数。与传统的NOMA技术不同，本文所提方法不依赖于功率差异来区分近端和远端信号，因此采用两种功率方案：平均分配与基于信道状态信息(CSI)的反转功率分配方案。后者的分配过程中，与文献[11]中的功率分配方案类似，发射方根据各接收方CSI分配功率，将更大的功率分配给远端接收方，故各接收方分得的功率大小与其信道增益成反比：αiPs∝1/|hi|。假设近端和远端接收方的信道增益分别为h1和h2，则功率分配系数可表示为

(4)

发送方完成功率分配后，将功率分配向量{α1Ps，α2Ps}与身份信息分别发送给各接收方，便于接收方选择对应的解调方案。

根据分配的信号功率，发送方将各接收方的秘密信息分别调制成对应的人工噪声信号，最后一起叠加到载体信号上，生成含密信号。以远端接收方对应的秘密消息调制为例，假设一个载体信号的同相(I)方向分量或正交(Q)方向分量上仅嵌入1比特数据，其秘密信息可表示为ms2=(ms2[1]，…，ms2[n])，其中ms2[i]=(msI2[i]，msQ2[i])∈{0，1}2。对应的信号特征分量表示为rI2=(rI2[1]，…，rI2[n])和rQ2=(rQ2[1]，…，rQ2[n])，这些信号特征分量在[0，1]上均匀分布。最终生成的人工噪声ss2可表示为xI2+j·xQ2，这里的xI2，xQ2为近端人工噪声在I方向和Q方向的分量

在人工噪声的调制过程中，I方向与Q方向上的调制互相独立，这里以I方向的调制为例介绍调制过程。对于任一秘密信息比特msI2[i]，首先将其连续化，转化为连续变量

(5)

其中msI2[i]-1/2∈{-1/2，1/2}是对秘密信息比特做极化处理，rI2[i]为该比特对应的信号特征值。秘密信息比特经过连续化转化为在[0，1]上均匀分布的连续变量。

然后对该连续变量进行差分处理，得到对应的差分连续变量

(6)

(7)

该函数保证生成的人工噪声与正常的信道噪声分布相同。Q方向的连续化，模型拟合与之类似。

近端人工噪声ss1的调制方法类似。唯一区别在于在完成连续化之后自身重复一次再进行模型拟合：

(8)

最后将载体噪声、近端和远端人工噪声叠加可得含密信号：

sct=sc+ss1+ss2

(9)

3.2 各接收方信息解调

在近端接收方，远端秘密信息首先被差分解调出来。然后通过发送方共享的远端信号特征向量重建信号后，从残差信号中将其消除。最后解调得到近端秘密信息。以I方向分量为例，xresI，1c[i]与xresI，1d[i]为残差信号I方向分量上的任一差分对，对其差分解调得到

(10)

通过式(10)中的差分将近端信号从解调中移除，避免了其对解调造成干扰。然后根据对应的信号特征量rI2[i]如式(5-7)重建远端信号差分对xI2，1c[i]，xI2，1d[i]。将重建的远端信号从残差信号中消除得到受干扰的近端信号差分对

(11)

最后对其解调得到近端秘密信息

(12)

在远端接收方，远端秘密信息直接从残差信号中差分解调得到

(13)

Q方向的秘密信息以相同的解调方法得到。

调制解调过程中，发射端需要所有接收方共享功率分配向量，信号特征量。考虑到一般应用中信道状态变化较小，功率分配向量共享频次较低。信号特征量则可通过相同的随机数发生器生成，无需实时传输。因此共享这些参数不会对多播无线隐蔽信道造成过大的负担。通过差分，重复等步骤，各接收方秘密信息传输速率仅为载体信息传输速率的一半。

4 仿真结果

与文献[8]类似的，从抗检测性与可靠性这两方面来测试所提基于NOMA的多播无线隐蔽信道。抗检测性主要由基于信号分布差异的KS[12，13]、KLD[14]检测来衡量，可靠性则通过近端和远端秘密信息误比特率(BER)来衡量。同时与单播无线隐蔽信道实验结果进行对比。

仿真在MATLAB平台上实现的。假设收发各方均保持静止，无线信道为静态平坦衰落信道，近端与远端接收方信道增益分别为|h1|=0.5和|h2|=0.15，正常信道噪声假定为高斯噪声。在所提的多播无线隐蔽信道与单播无线隐蔽信道中，人工噪声的总功率满足Ec/Ps=10dB，这样人工噪声不会对载体信号的解调造成影响，人工噪声功率分配方案为平均功率分配与反转功率分配。考虑到监测设备所处信道环境未知，给出了一组信噪比条件下的抗检测性与可靠性实验结果。这里的信噪比指的是载体信号与信道均衡后噪声之比，下文不再赘述。用于对比的单播无线隐蔽信道，无论时分复用或是频分复用，传输速率仅为载体信息速率一半，与所提多播无线隐蔽信道速率相同。

4.1 抗检测性

多播无线隐蔽信道的抗检测性通过提取的残差信号的I方向、Q方向、幅值和相位上的KS距离和KL散度大小来衡量的，其中KS、KLD检测所需的参考样本为采集得到的相同功率大小的正常信道噪声。检测窗口设定为2000。所提多播无线隐蔽信道与单播无线隐蔽信道的KS距离和KL散度如图4和图5所示。由图4和图5可知，三种无线隐蔽信道的KS距离和KL散度大小相近，均数值较小且随着信噪比增加基本保持不变。实验证明，所提的两种功率分配的多播无线隐蔽信道具有与单播无线隐蔽信道相同的良好的抗检测性。

图4 三种无线隐蔽信道残差信号

图5 三种无线隐蔽信道残差信号

4.2 可靠性

多播无线隐蔽信道的可靠性通过近端和远端接收方接收到的秘密信息误比特率(BER)来衡量的。由于无线隐蔽信道信号功率较小，这边在所有无线隐蔽信道中应用基于M序列的扩频码，M序列长度为10。两种功率分配的多播无线隐蔽信道与单播无线隐蔽信道在近端与远端的秘密信息误比特率如图6所示。由图6可知，与单播无线隐蔽信道相比，平均功率分配的所提方案在近端误比特率相近的同时远端误比特率明显下降，而反转功率分配的所提方案在近端误比特率提高的同时远端误比特率进一步下降。实验结果表明，所提多播无线隐蔽信道相较单播无线隐蔽信道可靠性有效提高，且可通过改变功率分配灵活调节传输性能。

图6 三种无线隐蔽信道

5 结论

本文根据非正交多址接入系统模型提出一种基于NOMA的多播无线隐蔽信道，该信道中近端与远端秘密信息调制成人工噪声后叠加在正常信号上传输，接收方则通过差分解调的移除其它人工噪声，确保秘密信息正确解调。实验结果表明，相较单播无线隐蔽信道，所提多播无线隐蔽信道在保持相同抗检测性的同时，可靠性显著提高。然而，本文尚未进一步讨论功率分配方案的选取，后续的工作将讨论多播无线隐蔽信道的最优功率分配方案的选取问题。