[發明專利]一種弱化竊聽信道下基于極化碼的安全編碼方法

有效

• 申請號: 201611105965.2
• 申請日: 2016-12-06
• 公開（公告）號: CN106789968B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 劉彤;孟祥雨;張林波;竇崢;林云;李志剛;齊琳;張薇;張文旭;趙宇寧
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04L29/06
• 分類號: H04L29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種弱化竊聽信道下基于極化碼的安全編碼方法。1：信道聯合和分裂；2：信道排序；3：挑選信息比特信道集合和固定比特信道集合；4：確定安全信道和非安全信道；5：更新“秘鑰”；6：得到密文序列；7：生成待編碼序列；8：生成編碼矩陣；9：編碼；10：調制；11：過信道；12：解調；13：譯碼；14：找出“秘鑰”和密文；15：更新“秘鑰”；16：得到解密后的非安全信道發送信息的估計序列；17：還原發送端發送的信息序列。本發明采用安全信道發送的信息序列對非安全信道發送的信息加密，使用的加密秘鑰是隨機的不容易被破解，從而提高了系統的安全性，安全信道和非安全信道都用來發送信息比特節省了信道資源。

技術領域

本發明涉及的是一種竊聽信道下的極化碼加密通信方法。

背景技術

1975年，Wyner在shannon對安全通信問題研究的基礎上，提出了竊聽信道模型如圖1所示。在圖1中，Alice和Bob之間通過主信道傳輸秘密消息M,而竊聽者Eve通過另一個被稱作竊聽信道的信道獲取合法用戶之間傳輸的消息Z,然后通過譯碼估計秘密消息Wyner研究中考慮竊聽信道是主信道的退化信道的情形，推導出在退化竊聽信道下安全通信系統可以用一個被稱作安全容量的常數來描述。如果傳輸速率低于安全容量，則存在編碼方法能夠同時滿足傳輸安全性和可靠性的要求；反之，如果傳輸速率超過安全容量，則任意的編碼方法都不能同時滿足安全性和可靠性的要求。

在退化竊聽信道下的安全編碼技術，通過設計一種編碼方法，能同時實現傳輸可靠性和安全性的要求，使傳輸速率接近甚至達到系統的安全容量。極化碼作為一種新型編碼方法,在安全編碼技術中得到了很好的應用。

極化碼是Arikan在2007年提出的。這種編碼方法來自Arikan早期關于提高信道中截止速率的工作。極化碼的思想是在編碼側對輸入比特采用特定的遞歸線性變換，而在譯碼側則以特定的順序進行連續消除譯碼,恢復傳輸信息。Arikan發現通過上述操作之后，發生了信道極化(Channel Polarization)現象，即一些比特所看到的等效比特信道要優于原始比特信道,而另一些比特看到的則比原始比特信道差。當碼長逐漸增加時，這些看到的等效比特信道會趨近于完全無噪的比特信道，或趨近于完全噪聲的比特信道，并且趨于完全無噪的比特信道占總體比特信道的比例趨近于信道容量。Arikan從信道極化現象中得到啟發，提出了一種非常簡明的編譯碼方法即極化碼,并證明了釆用極化碼的編碼方法能夠達到二元輸入離散無記憶信道(Binary-Input Discrete Memoryless Channel,BDMC)的信道容量。

由于極化碼具有較低的編譯碼復雜度，且具有信道容量可達性，Mahdavifar和Vardy首先把極化碼應用在退化竊聽信道下，假設信道均為BDMC信道。在極化編碼過程中利用主信道和竊聽信道之間的差異,通過信道極化選擇對合法用戶無噪而對竊聽用戶全噪的比特信道來傳輸秘密消息。此外，Mahdavifar和Vardy從極化碼的性質入手，證明了在退化竊聽信道下采用極化碼的編碼方法能夠達到傳輸的可靠性和安全性。從極化碼能達到BDMC信道的信道容量，推導出在退化竊聽信道下采用極化碼的編碼方法能夠漸近達到系統的安全容量。

在退化竊聽信道下采用極化碼進行安全編碼的方法,為竊聽信道下的安全編碼問題打開了突破口，越來越多的研究者開始從極化碼的角度研究在竊聽信道下的安全編碼方法，從而在物理層實現安全可靠通信。目前利用極化碼對竊聽信道編碼的技術主要有兩種，一種是找出信道極化后對合法用戶無噪而對竊聽用戶全噪的比特信道來傳輸信息，但是該種方法丟棄了極化后對合法用戶和竊聽用戶都屬于無噪的比特信道，而且這些信道往往都是極化后信道容量較高的優秀信道，因此這種方法浪費了很大一部分信道資源。另一種常用的極化碼對竊聽信道編碼的方法是找出信道極化后對合法用戶無噪而對竊聽用戶全噪的比特信道來傳輸固定的“秘鑰”，利用“秘鑰”對發送的信息加密，加密后的信息通過極化后對合法用戶和竊聽用戶都屬于無噪的比特信道發送，這種方法“秘鑰”是固定的一但被破解，發送的所有信息都將會被竊聽。

發明內容