CN104883359A - 基于相干编码与arq联合编码的物理层安全信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法，包括以下步骤：基站端对待发送信息进行内码编码，得码字Aⁿ，然后将码字Aⁿ分为N段；根据分段后的码字Aⁿ通过相干编码得N段的码字Bⁿ，并对码字Bⁿ中的各段码字进行编号；将所述N段的码字Bⁿ依次以信息包的方式通过合法信道发送至合法接收端，合法接收端依次接收所述N段等长的码字Bⁿ，再判断各段码字是否正确，当任意一个码字不正确时，则将该码字的编号反馈至基站端，基站端查询该编号对应的码字，并将该编号对应的码字经合法信道重新发至合法接收端，而非法窃听端不能利用ARQ机制进行纠错。本发明可以有效的降低合法接收端的误码率，提高非法窃听者的误码率。

Description

基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法

技术领域

本发明属于物理层安全领域，涉及一种物理层安全信息传输方法，具体涉及一种基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法。

背景技术

自Wyner提出基于窃听信道的安全速率公式以来，安全速率已经成为衡量物理层安全的重要指标。以此为优化目标，物理层安全方案研究从波束赋性及预编码角度着手提出了不同的方案。但此类方案都有着共同的前提，即认为总有一种编码能够实现保密信息速率等于或者逼近安全速率。这种为了研究方便的近似，忽略了编码对安全速率的提升作用。

然而编码不仅能够使得实际保密信息发送速率达到物理层方案中达到的安全速率，更为重要的是，从Wyner提出物理层安全的定义层面上，编码还可以较大程度提高安全速率。

综上，针对物理层安全方案，通过设计一种具体且有效的编码方式来提高物理层安全中安全速率很有必要。

物理安全的目标可以归纳为以下两个方面：第一个是物理层安全的保密目标，即合法接收端和非法窃听者的接收误码率的要求，前者被要求尽可能的低，理想情况下逼近于零以保证安全接收，后者被要求尽可能高，理想情况下逼近0.5以保证完全混乱不被窃听；另一个是物理层安全的性能目标，Wyner提出安全速率的概念就是满足第一个物理层安全保密目标时的保密信息发送速率，如何尽可能的提升保密速率也成为物理层安全研究的重要方向，即如何保证接收端和窃听端误码率的基础上提高码字发送速率，但现有的技术达到的效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法，该方法可以有效的降低合法接收端的误码率，提高非法窃听者的误码率，并且较大程度提高发送速率。

为达到上述目的，本发明所述的基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法包括以下步骤：

基站端对待发送信息进行内码编码，得码字Aⁿ，然后将码字Aⁿ分为N段，即

Aⁿ＝{A₁,A₂,...,A_N}        (1)

根据分段后的码字Aⁿ通过相干编码得N段的码字Bⁿ，并对码字Bⁿ中的各段码字进行编号，其中

Bⁿ＝{B₁,B₂,...,B_N}        (2)

$\left\{\begin{array}{cc}{B}_1=A_1& (k=1)\\ B_k=A_k\⊕A_{k-1}& (k=\mathrm{2,3}...N)\end{array}\right.$

将所述N段的码字Bⁿ依次以信息包的方式通过合法信道发送至合法接收端，合法接收端依次接收所述N段等长的码字Bⁿ，再判断各段码字是否正确，当任意一个码字不正确时，则将该码字的编号反馈至基站端，基站端查询该编号对应的信息包，并将该编号对应的信息包经合法信道转发至合法接收端，而非法窃听端不能利用ARQ机制。

将码字Aⁿ平均分为N段。

根据分段后的码字Aⁿ生成N段等长的码字Bⁿ。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法在信息传输过程中，通过基站端对待发送信息两次的编码，然后将编码后得到的码字转通过合法信道转发至合法接收端，当合法接收端接收的字码为错误时，基站端重新发从错误的字码，从而有效的降低合法接收端的误码率至零，并且提高信息发送的速率，当非法窃听者窃听时，由于本发明在对待发送信息进行编码时，先通过内码编码然后通过相干编码，从而有效的提高非法窃听者的误码率，并证明出通过所提方案在码长无限时窃听端误码率为50％。本发明在实际应用时，在保密目标上，可以保证合法接收端的误码率逼近零，而非法窃听者的误码率逼近0.5；在速率性能上，可以保证基站端的信息发送速率逼近主信道香农容量，与传统物理层安全方案相比，能够较大提高速率性能指标。

附图说明

图1为本发明中仿真实验的结构示意图；

图2为本发明中接收端误码率随信道状态变化曲线图；

图3为传统物理层安全中安全速率与主信道香农容量随信道状态变化曲线图；

图4为Turbo码码长变化对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法包括以下步骤：

基站端对待发送信息进行内码编码，得码字Aⁿ，然后将码字Aⁿ分为N段，即

Aⁿ＝{A₁,A₂,...,A_N}        (1)

根据分段后的码字Aⁿ通过相干编码得N段的码字Bⁿ，并对码字Bⁿ中的各段码字进行编号，其中

Bⁿ＝{B₁,B₂,...,B_N}      (2)

$\left\{\begin{array}{cc}{B}_1=A_1& (k=1)\\ B_k=A_k\⊕A_{k-1}& (k=\mathrm{2,3}...N)\end{array}\right.$

将所述N段的码字Bⁿ依次以信息包的方式通过合法信道发送至合法接收端，合法接收端依次接收所述N段等长的码字Bⁿ，再判断各段码字是否正确，当任意一个码字不正确时，则将该码字的编号反馈至基站端，基站端查询该编号对应的信息包，并将该编号对应的信息包经合法信道转发至合法接收端，而非法窃听端不能利用ARQ机制。

将码字Aⁿ平均分为N段。

根据分段后的码字Aⁿ生成N段等长的码字Bⁿ。

接下来分别介绍联合编码对物理层安全要求的指标：安全性和速率性能的提高效果。

1)安全性能

本发明能够得到在合法接收端Bob和非法窃听者Eve在误码率ε上的整体优势：通过联合方案，我们可以得到物理层安全的基本要求，即在合法接收端误码率尽可能的趋近于0，而在非法窃听者误码率尽可能的趋近于50％，如下式所示：

$\mathrm{\ϵ}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{AbsoluteBERis}0\\ 50\%& \mathrm{AbsoluteBERisabove}0\end{array}\right.---\left(4\right)$

接下来对式(4)做详细证明。

令信道在传输原始信息序列过程中，基站端发送的原始信息序列为接收端得到的信息序列表示为并令接收序列第i个包出现误码率的序号为k(i)，有a_k(i)≠b_k(i)，且有k(1)<k(2)<...<k(i-1)<k(i)，再令相邻误码信息包的序号差为Δk(i)＝k(i+1)-k(i)，该变量为一个整形的随机变量，i.d.d.，舍去序号i，记为Δk。

i)则有有：

P{Δk＝m}＝α(1-α)^(m-1)           (5)

其中，Δk的统计期望为：

$E\left\{\mathrm{\&Delta;k}\right\}=\underset{m=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}m\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{(1-\mathrm{\&alpha;})}^{(m-1)}---\left(6\right)$

$E\left\{M\right\}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}m\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{(1-\mathrm{\&alpha;})}^{(m-1)}---\left(7\right)$

则有

$(1-\mathrm{\&alpha;})\&CenterDot;E\left\{M\right\}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}m\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{(1-\mathrm{\&alpha;})}^m---\left(8\right)$

$E\left\{M\right\}=\underset{m=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}m\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{(1-\mathrm{\&alpha;})}^m+\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{(1-\mathrm{\&alpha;})}^m---\left(9\right)$

$\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;E\left\{M\right\}=\frac{\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&alpha;}{(1-\mathrm{\&alpha;})}^M}{1-(1-\mathrm{\&alpha;})}-\mathrm{\&alpha;}{(1-\mathrm{\&alpha;})}^M---\left(10\right)$

当M→∞时，则有

$\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;E\{\&infin;\}=1\&DoubleRightArrow;E\{\&infin;\}=\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}---\left(11\right)$

由式(11)得

$E\left\{\mathrm{\&Delta;k}\right\}=E\{\&infin;\}=\underset{m=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}m\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;{(1-\mathrm{\&alpha;})}^{m-1}=\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}---\left(12\right)$

ii)当该离散无记忆信道传输相关编码后的信息序列通过相干编码后，则有

$\left\{\begin{array}{cc}{B}_1=A_1& (k=1)\\ B_i=A_k\&CirclePlus;A_{k-1}& (k=\mathrm{2,3}...N)\end{array}\right.---\left(13\right)$

接收序列中出现相邻误码序列序号之差Δk'同样满足

有相关编码的译码可知，当第i个误码序号为Δk(i)，当i为奇数时，有译码错误，误码个数为Δk(i)；i为偶数时，译码全部正确，正确个数为Δk(i)。

步骤i)中得到结论且由于i为奇数和偶数的概论相同，则正确和错误的概论也相同，即

非法窃听者Eve由于最终能够译码正确的概论趋近为50％，能够得到通过缺少反馈重传机制的相干编码使得Eve几乎无法通过截获的码字获得Alice广播得原始信息。

发送速率性能验证

假设基站端Alice通过纠错编码能够使得发送的码率逼近主信道香农容量，由于纠错编码的存在，根据香农准则，主信道的误码率能够做到趋近于0，换句话说，在合法接收端Bob采用反馈重传机制的概论也将会趋近于0。这就意味着采用本发明可以达到两个逼近：第一个逼近为实际保密信息发送速率可以逼近安全速率，第二个逼近为安全速率逼近香农容量。实际的发送消息速率即为安全速率，根据信道编码(以Turbo码为例)的性质，能够逼近主信道的香农容量。

仿真实验

参考图1，基站端Alice、合法接收端Bob、非法窃听者Eve均为单天线，信道为离散无记忆信道，原始信息发送前进行Log-MAP和SOVA的Turbo码纠错编码方案作为内码，广播传输前对内码进行相干编码，发送过程中采用合法接收端的自动反馈重传机制。BPSK调制，基本迭代次数10次。

参考图2，不失一般性的，认为主信道和窃听信道信道状态处于同一级别，纵坐标代表接收端的误码率。仿真中内码采用了Turbo码作为信道编码，译码时采用Log-MAP译码和SOVA译码两种译码方式，外码应用联合编码和不应用外码进行仿真对比。

参考图3，对比方案选择了半正定松弛(SDP)方案和迫零方案传统的物理层安全方案。可以看到传统物理层安全方案虽然能够增加安全速率，但提高幅度有限，距离理想的主信道香农容量还有很大的差距。

参考图4，从图4中可以得到：采用所提联合方案时能够比较接近香农容量，且随着码长的不断增加，更加逼近香农容量。

Claims (3)

1.一种基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

基站端对待发送信息进行内码编码，得码字Aⁿ，而后将码字Aⁿ分为N段，即

Aⁿ＝{A₁,A₂,...,A_N}        (1)

根据分段后的码字Aⁿ通过相干编码得N段码字Bⁿ，并对码字Bⁿ中的各段码字进行编号，其中

Bⁿ＝{B₁,B₂,...,B_N}        (2)

$\left\{\begin{array}{cc}{B}_1=A_1& (k=1)\\ B_k=A_k\&CirclePlus;A_{k-1}& (k=\mathrm{2,3}...N)\end{array}\right.$

将所述N段的码字Bⁿ依次以信息包的方式通过合法信道发送至合法接收端，合法接收端依次接收所述N段等长的码字Bⁿ，再判断各段码字是否正确，当任意一段码字不正确时，则将该码字的编号反馈至基站端，基站端查询该编号对应的信息包，并将该编号对应的信息包经合法信道转发至合法接收端。

2.根据权利要求1所述的基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法，其特征在于，将码字Aⁿ平均分为N段。

3.根据权利要求1所述的基于相干编码与ARQ联合编码的物理层安全信息传输方法，其特征在于，根据分段后的码字Aⁿ生成N段等长的码字Bⁿ。