CN107148015A - 一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，属于安全技术领域。本发明方法通过利用窃听信道模型特征及极化码自身可利用信道特性的性质对构造极化码方法做改进，即通过在合法接收者好而窃听者差的极化子信道集合中放置安全信息比特数据；再利用信道极化后对主信道而言可达到安全传输信息的子信道传输的信息，对非安全区域的信息加密，保证非安全区域的信息安全传输。相对于现有的极化码安全传输方法，增强了频谱利用率的同时还提高了传输速率。

Description

一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法
技术领域
本发明涉及一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，属于安全技术领域。
背景技术
由于无线信道的广播性质，处于信号可接收范围内的用户均可以对信号进行接收并进行处理，因此无线通信特别容易受到窃听和模拟攻击。近年来，随着无线通信系统的高速发展，涉及实现信息传播过程中的保密问题受到更多关注，而利用信道状况从物理层实现信息的安全传输也成为物理层安全研究过程中的重要组成部分。20世纪70年代，Wyner基于信息论方法构建了“窃听信道”模型，并分析了在不依赖交换密钥的情况下建立几乎完全安全的通信链路的可能性。物理层安全技术的研究正基于这一模型进行。
极化码是2009年由Arikan提出的一种编码方案，是信道编码历史上第一次一种理论上可达信道容量的编译码方案。2010年，E.Hof等人将极化码应用在窃听信道模型中，从安全通信的角度分析了极化码，之后有数位专家学者研究了极化码在物理层安全传输系统中的应用。极化码在退化窃听信道中的构造充分利用了窃听信道是主信道的退化信道这一特征，由于主信道和窃听信道的极化结果不同，编码过程中仅在主信道为无噪而对于窃听信道为全噪的比特信道传输有用信息，这些用来传输信息的比特信道被称为安全比特信道。安全比特信道的数量取决于窃听信道相对于主信道的退化程度，然而对于一般的窃听信道来说退化程度有限，安全比特信道的数量也是有限的，因此现有的基于极化码的退化窃听信道方案大大限制了信息的传输能力，无法达到较高信息传输速率。
发明内容
针对基于窃听信道的退化特性设计极化码编码的物理层安全方法中存在的信息传输能力弱，即无法达到较高信息传输速率的问题，本发明提出一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，该方法能够保证信息传输的可靠性和安全性，并且极大地提高了现有方案的传输速率，提高了资源利用率。
本发明的实质是通过在合法接收者好而窃听者差的极化子信道集合(保密区间)中放置安全信息比特数据，在合法接收者和窃听者都好的极化子信道集合(公共区间)内放置与安全信息比特数据进行线性处理后的其他信息比特，在合法接收者和窃听者都差的极化子信道集合(冻结区间)放置冻结比特，从而实现连续安全加密的效果。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，采用窃听信道模型，发送者Alice发送数据，存在用户Bob为合法接收者，用户Eve为窃听者；窃听信道为主信道的退化信道，即窃听者Eve的信道容量小于主信道的信道容量。
一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，包括以下步骤：
步骤1：对主信道和窃听信道进行极化操作，得到N条子信道，根据主信道与窃听信道的信道条件将N条子信道分为三个集合：子信道集合A、子信道集合B和子信道集合C；
其中，Bob和Eve都可以成功解出的子信道集合A，称之为公共区间，包含子信道个数为nA；Bob可以解出但Eve不能解出的子信道集合B，称之为保密区间，包含子信道个数为nB；Bob和Eve都不能成功解出的子信道集合C，称之为冻结区间，包含子信道个数为nC；
步骤2：发送者Alice生成待发送信息比特流，并随机生成冻结比特，具体为：子信道集合A和子信道集合B中的子信道对应待发送信息比特的子信道，其中子信道集合A对应的信息比特向量为HA,其中元素个数为nA；子信道集合B对应的信息比特向量为HB，其中元素个数为nB；子信道集合C对应冻结比特的子信道，冻结比特向量为HC，其中元素个数为nC；
步骤3：设计映射f:(HA,HB)→HS；
其中，HA是子信道集合A对应的信息比特向量，HB是子信道集合B对应的信息比特向量；HS是输出，是根据映射关系生成的元素个数为nA+nB信息比特向量，映射操作可能为以对HA和HB进行模二和为主的操作；
步骤4：用步骤3生成的信息比特向量HS代替HA和HB向量，再映射到子信道集合A和子信道集合B中，子信道集合C对应的步骤2中随机生成的冻结比特向量HC不变，发送者Alice根据上述子信道集合和分别对应的信息比特向量配置进行Polar编码；
步骤5：发送者Alice对经过步骤4Polar编码后的比特流进行调制并映射到资源块，并发送信号；
步骤6：合法接收者Bob接收经过信道传输的步骤5发出的信号，解映射并解调后对信息进行正常Polar译码过程，得到Polar译码后的信息比特集合
步骤7：对步骤6Polar译码的信息比特集合进行解映射得到信息比特向量HA和HB的估计值和
步骤8：对和进行CRC校验，若通过CRC校验，则本次传输成功，Alice发送下一数据集合，若未通过CRC校验，则通知Alice重传此次数据；
至此，从步骤1到步骤8，完成了一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法。
有益效果
本发明提出的一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1)相对于现有的极化码安全传输方法，本方法利用了公共区间传输秘密信息，提高了频谱利用率；
2)本发明提高了安全传输过程中的传输速率；
3)相对于采用密钥的安全传输方案，本发明不需要在通信之前进行合法收发双发的密钥共享。
附图说明
图1为本发明一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法Alice发射信号产生及连续加密过程及Bob接收信号及恢复信号过程流程图；
图2为本发明一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法中步骤4Polar编码完成后子信道分类示意图；
图3为本发明一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法的一个基于Polar码的编码数据比特映射实例图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是实现连续加密方式的流程图，发送端通过利用安全区间传输数据的安全性，对公共区间进行加密操作，使极化码信息比特子信道在所有极化子信道中占比变大，可增强频带利用率，提升传输速率，接收端通过解码后解映射恢复信号。
下面结合具体实施步骤说明如何应用本发明如何通过构造极化码，在保证安全性的前提下，提升系统可靠性，提高传输速率：
步骤一：对主信道和窃听信道进行极化操作，得到N条子信道，根据主信道与窃听信道的信道条件将N条子信道分为三个集合：Bob和Eve都可以成功解出的子信道集合A，包含子信道个数为nA；Bob可以解出但Eve不能解出的子信道集合B，包含子信道个数为nB；Bob和Eve都不能成功解出的子信道集合C，包含子信道个数为nC；
步骤二：发送者Alice生成待发送信息比特流长度为nA+nB，并随机生成冻结比特，冻结比特为长度为nC的全0序列。
子信道集合A和子信道集合B中的子信道对应待发送信息比特的子信道，其中子信道集合A对应的信息比特向量为其中元素个数为nA；子信道集合B对应的信息比特集合为其中元素个数为nB；子信道集合C对应冻结比特的子信道，冻结比特集合为IC，其中元素为nC个0。
步骤三：设计映射f:(IA,IB)→IS，输入为子信道集合A和子信道集合B对应的信息比特集合，输出为根据映射关系生成的元素个数为nA+nB信息比特集合。具体映射实例可为：
令向量向量映射的设计分三种情况进行分析：
1)当nA＞nB时，将HA分割为个矩阵,其中[·]为取整数操作。分割后的矩阵为： 对分割后的矩阵右乘矩阵HB′，得到 则可以得到映射后的信息比特向量图3展示了这一过程的具体实例。
2)当nA＝nB时，令则映射后的信息比特向量
3)当nA＜nB时，令则可以得到映射后的信息比特向量
步骤四：用步骤三中生成的信息比特集合HS代替HA和HB向量映射到子信道集合A和子信道集合B中，子信道集合C对应的步骤二中全0向量HC不变，进行极化码编码。
步骤五：在发送者Alice端，对编码后的码字进行调制然后映射到资源块，并发送信号。
步骤六：在合法接收者Bob端，接收经过信道传输的信号，解映射并解调后对信息进行正常Polar译码过程，得到译码后的信息比特集合
步骤七：对译码的信息比特集合进行解映射将分为两个向量解映射过程实际上式根据和恢复出HA的估计值该步骤分三种情况进行讨论：
1)当nA＞nB时，将分割为个矩阵,其中[·]为取整数操作。分割后的矩阵为： 对分割后的矩阵右乘矩阵得到 则可以得到解映射后的信息比特向量
2)当nA＝nB时，令则可以得到解映射后的信息比特向量
3)当nA＜nB时，令则可以得到解映射后的信息比特向量
步骤八：对和进行CRC校验，若通过CRC校验，则本次传输成功，Alice发送下一数据集合，若未通过CRC校验，则通知Alice重传此次数据。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，其特征在于：实质是通过在合法接收者好而窃听者差的极化子信道集合中放置安全信息比特数据，在合法接收者和窃听者都好的极化子信道集合内放置与安全信息比特数据进行线性处理后的其他信息比特，在合法接收者和窃听者都差的极化子信道集合放置冻结比特，从而实现连续安全加密的效果；
其中，合法接收者好而窃听者差的极化子信道集合称为保密区间；合法接收者和窃听者都好的极化子信道集合，称为公共区间；合法接收者和窃听者都差的极化子信道集合，称为冻结区间；
通过以下技术方案予以实现：
一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，采用窃听信道模型，发送者Alice发送数据，用户Bob为合法接收者，用户Eve为窃听者；窃听信道为主信道的退化信道，即窃听者Eve的信道容量小于主信道的信道容量。
2.根据权利要求1所述的一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对主信道和窃听信道进行极化操作，得到N条子信道，根据主信道与窃听信道的信道条件将N条子信道分为三个集合：子信道集合A、子信道集合B和子信道集合C；
步骤2：发送者Alice生成待发送信息比特流，并随机生成冻结比特，子信道集合A和子信道集合B中的子信道对应待发送信息比特的子信道；
步骤3：设计映射f:(HA,HB)→HS；
其中，HA和HB分别是子信道集合A和子信道集合B对应的信息比特向量；HS是生成的信息比特向量；
步骤4：用步骤3生成的信息比特向量HS代替HA和HB向量，再映射到子信道集合A和子信道集合B中，子信道集合C对应的步骤2中随机生成的冻结比特向量HC不变，发送者Alice根据上述子信道集合和分别对应的信息比特向量配置进行Polar编码；
步骤5：发送者Alice对经过步骤4Polar编码后比特流进行调制并映射到资源块，并发送信号；
步骤6：合法接收者Bob接收经过信道传输的步骤5发出的信号，解映射并解调后对信息进行正常Polar译码过程，得到Polar译码后的信息比特集合
步骤7：对步骤6Polar译码的信息比特集合进行解映射得到信息比特向量HA和HB的估计值和
步骤8：对和进行CRC校验，若通过CRC校验，则本次传输成功，Alice发送下一数据集合，若未通过CRC校验，则通知Alice重传此次数据；
至此，从步骤1到步骤8，完成了一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法。
3.根据权利要求2所述的一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，其特征在于：步骤1中Bob和Eve都可以成功解出的子信道集合A，称之为公共区间，包含子信道个数为nA；Bob可以解出但Eve不能解出的子信道集合B，称之为保密区间，包含子信道个数为nB；Bob和Eve都不能成功解出的子信道集合C，称之为冻结区间，包含子信道个数为nC。
4.根据权利要求2所述的一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，其特征在于：步骤2中，子信道集合A对应的信息比特向量为HA,其中元素个数为nA；子信道集合B对应的信息比特向量为HB，其中元素个数为nB；子信道集合C对应冻结比特的子信道，冻结比特向量为HC，其中元素个数为nC。
5.根据权利要求2所述的一种基于极化码构造的连续加密物理层安全传输方法，其特征在于：步骤3中，HA是子信道集合A对应的信息比特向量，HB是子信道集合B对应的信息比特向量；HS是输出，是根据映射关系生成的元素个数为nA+nB信息比特向量，映射操作可能为对HA和HB进行模二和为主的操作。
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