CN107196732B - 基于喷泉码编码的防窃听编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喷泉码编码的防窃听编码方法，包括：发送端接收接收端广播发送的随机二进制码；该发送端确定度为1矩阵p₁；根据转移喷泉编码分布函数确定矩阵P₂；根据矩阵p₁及矩阵p₂，确定喷泉编码矩阵p；喷泉编码矩阵p与信源的k个符号相乘得到喷泉码；随机二进制码与喷泉码进行异或运算得到编码信息，向接收端发送该编码信息。因此，本发明实施例提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，设计部分信息喷泉码编码方法，将其与噪声信号相结合，当接收者恢复信源信息时候，由于噪声信道的随机性，窃听者难以恢复所有信息的译码，导致接收语音信道中的误符号率较高，窃听失败，达到安全通信的目的。

Description

基于喷泉码编码的防窃听编码方法

技术领域

本发明涉及无线传输安全领域，尤其涉及一种基于喷泉码编码的防窃听编码方法。

背景技术

语音通信在无线通信中占有重要地位，由于无线通信的广播特性，使得语音通信可以被传输范围内的任意节点窃听，而更易受到窃听的威胁，数据的拦截和恶意使用对无线通信将是一个巨大的威胁。

传统的防窃听技术主要在通信的网络层加入保密协议，其密码的设计为无线安全研究的重点。

然而，传统的计算安全模型主要依赖于攻击者的计算能力，随着计算机技术的飞速发展，通过穷举密钥等方法完全可以攻破通信的密码系统，从而降低了加密的安全性。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于喷泉码编码的防窃听编码方法，解决了现有技术中防窃听加密安全性低的问题。

一方面，本发明提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，包括：发送端接收接收端广播发送的随机二进制码，并根据所述随机二进制码确定所述接收端与发送端之间的信道删除概率P_AB；该发送端确定度为1的矩阵根据转移喷泉编码分布函数 确定矩阵根据所述矩阵p₁及所述矩阵p₂，确定喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')；根据信源的k个符号与所述喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')相乘得到喷泉编码，所述随机二级制码及所述喷泉编码进行亦或运算得到编码信息，向所述接收端发送所述编码信息；其中，所述l＝n/(1-P_AB)，所述n为接收端接收到的正确符号个数，所述n根据度累计偏移函数确定，所述所述Δ_∑表示SRSD对所有度i转移取整累积偏移的大小；ε表示MP译码所需要冗余编码符号数量，其数值大于等于0；(j-j')表示度偏移的大小，(k-n+ε)×R_SRSD(i)表示编码度为j符号的个数，所述r(j)表示度值为j的概率。

另一方面，本发明提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，包括：接收端向发送端广播发送随机二进制码；所述接收端接收所述发送端将根据喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]与信源的k个符号相乘后得到的喷泉码与所述随机二进制码进行运算后的编码信息，其中，所述矩阵所述矩阵根据转移喷泉编码分布函数 确定，所述l＝n/(1-P_AB)，所述n为接收端接收到的正确符号个数，所述n根据度累计偏移函数确定，所述所述Δ_∑表示SRSD对所有度i转移取整累积偏移的大小；ε表示MP译码所需要冗余编码符号数量，其数值大于等于0；(j-j')表示度偏移的大小，(k-n+ε)×R_SRSD(i)表示编码度为j符号的个数，所述r(j)表示度值为j的概率。

综上，本发明实施例提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，设计部分信息喷泉码编码方法，并将其与噪声信号相结合。由于噪声信道的随机性，窃听者难以获取同样的噪声所产生的错误图案，当接收者恢复信源信息时候，窃听者则难以以恢复所有信息的译码，导致接收语音信道中的误符号率较高，难以达到听清楚语音信息，窃听失败，达到安全通信的目的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的喷泉码编码原理图；

图2为本发明实施例提供的窃听信道模型结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的度累计偏移与n的关系曲线图；

图5为本发明实施例二提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法的流程示意图。

图6为本发明实施例二提供的n与错误符号率的关系曲线图；

图7为本发明实施例二提供的n与信源发送编码符号数量关系曲线图；

图8为本发明实施例提供的译码原理示意图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

应理解，本发明实施例的技术方案可以应用于各种通信系统，例如，全球移动通信(GSM)系统、码分多址(CDMA)系统、宽带码分多址(CDMA)系统、通用分组无线业务(GPRS)、长期演进(LTE)系统、LTE频分双工(FDD)系统、LTE时分双工(TDD)、通用移动通信系统(UMTS)、全球互联微波接入(WIMAX)系统。

还应理解，本发明实施例中，终端系统可称之为用户设备、终端、移动台、移动终端等，该终端系统可以经无线接入网(RAN)与一个或多个核心网进行通信，例如，终端系统可以是移动电话、具有移动终端的计算机等，例如，终端系统还可以是便携式、袖珍式、手持式、计算机内置或车载的移动装置，他们与无线网交换语音和/或数据。本发明对此并不限定。例如中短线系统还包括具有多载特征的有线接入的终端。

喷泉编码是John Byers及Michael Luby等人于1998年首次提出的概念，它是针对大规模数据分发和可靠广播的应用特点而提出的一种理想的解决方案。2002年，Luby提出了第一种实用数字喷泉码——L码。之后，Shokrollahi又提出了性能更佳的Raptor码，实现了近乎理想的编译码性能。传统的喷泉码是按照一定度分布函数随机选取j个符号进行异或计算，j个符号则依据度分布函数获取，其度分布函数又称为转移SRSD度分布函数。其理想的度分布函数表达如下：

即ρ(i)表示度值为i的概率，且∑_iρ(i)＝1。

加入τ(i)用以提高ρ(1)和ρ(s/k)的概率

综合上述的理想分布ρ(i)与τ(i)

z＝∑_i(ρ(i)+τ(i))

得到度分布函数

针对接收端已经恢复部分信息n，平均每个编码符号的度被减少(1-n/k)，对SRSD度的进行偏移，得到

其中j'≤k。

式中，i/(1-n/k)得到的不一定是整数，而j'表示采用LT编码随机取的编码符号个数，需要为整数，因此有

其中：i＝1,2,...k，j≤k。

将式带入式则得到转移的SRSD，则得到

k：信源需要发送的数据符号个数；n：接收端接接收到的正确数据符号个数；u_RSD(k-n)(i)：SRSD度分布函数。

对式进行归一化，得到式

式即为基于部分信息喷泉码编码度分布函数。

图1为喷泉编码的原理示意图。如图1所示，设信源数据符号分别为{S₁，S₂…S_k}，由度分布函数产生的度分别为3、2、1和2…，通过随机选取数据符号S_i进行模2求和，可以分别得到P₁、P₂、P₃和P₄等编码符号。

本发明的基于部分喷泉码编码的防窃听编码方法，根据度累计偏移的计算，先发送l个不编码的符号，即矩阵p₁，再发送根据SRSD概率分布，选取j个符号进行异或运算得到编码矩阵，即p₂矩阵。使得每次发送后，在保证传输速率的前提下，窃听者的误码率大于千分之一。

为了便于理解和说明，下面通过图2至图8详细阐述本发明实施例的基于喷泉码编码的防窃听编码方法。

图2所示为本发明实施例提供的窃听信道模型结构示意图。如图2所示，该窃听信道模型主要由三个成员组成，合法发送端(Alice)、合法接收端(Bob)及窃听端(Eve)。在该合法发送端与该合法接收端之间，存在第三方窃听端(Eve)对他们通信信息进行窃听。且三者之间存在信道删除概率p_AB、p_BE和p_AE。

图3为本发明实施例一提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法的流程示意图。如图3所示，该方法可以由发送端及接收端执行，且该发送端及接收端可以是上述中的任一种终端系统。该方法可以包括：

接收端向发送端广播发送随机二进制码；

发送端接收该接收端广播发送的随机二进制码，并根据所述随机二进制码确定所述接收端与发送端之间的信道删除概率P_AB；

该发送端确定度为1的矩阵并根据转移喷泉编码分布函数确定矩阵该发送端根据所述矩阵p₁及所述矩阵p₂，确定喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')；该发送端将信源的k个符号与所述喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')相乘得到喷泉编码，并将所述随机二进制码及所述喷泉编码进行异或运算得到编码信息，并向所述接收端发送该编码信息；其中，所述l＝n/(1-P_AB)，所述n为接收端接收到的正确符号个数，所述n根据度累计偏移函数确定，所述所述r(j)表示度值为j的概率。

所述n根据度累计偏移函数确定，所述

最后，该接收端接收该发送端发送的编码信息。

应理解，可以由式(4)偏移得到理想的SRSD度分布函数，但是由于SLT编码的度表示信源随机选取符号个数，由此需要对j'四舍五入取整数得到j，对j'取整过程中理想度会产生偏移，虽然编码度j偏移度都少于1，但是如果R_SRSD(j)对应的概率分布较大，则存在大量符号偏移，需要增加小于j的度符号数量才能恢复度j的符号，导致译码符号个数增加，即出现图7中第一处凸起现象。

由于度累积偏移使译码符号数量增加，因此本发明给出用以判别度累积偏移Δ_∑数学表达式，如式(8)所示

其中：

式(8)中，Δ_∑表示SRSD对所有度i转移取整累积偏移的大小；ε表示MP译码所需要冗余编码符号数量，其数值大于等于0；(j-j')表示度偏移的大小，(k-n+ε)×R_SRSD(i)表示编码度为j符号的个数。

以k＝200为例，选取当n为1～199整数，不同数值SRSD度累积偏移Δ_∑的变化情况，δ＝0.03，c＝0.5，ε＝0，Δ_∑与n的关系曲线如图4所示。

由图4可见，选取不同的n，度i转移取整累积偏移的大小不同。选取Δ_∑大于0，第3个脉冲n的取值范围。由此，编码矩阵中n的选取方法如下：选取n为1～k-1整数，依次分别代入式(8)，通过计算得到Δ_∑数值，当其数值第三次由负数变为正数，继续增加n，Δ_∑由正数变为负数，则n的范围即为第三个脉冲脉宽。此范围数即n的数值，为了防止删除信道测量误差产生n离开脉冲范围，n选取脉冲中间数值最佳数值。即可使得窃听者的误码率大于千分之一。

实际中，本发明的基于部分喷泉码编码的防窃听编码方法，在发送者Alice和接受者Bob之间进行语音通信时，首先进行信道的建立，即接收端先发送一串固定长度的随机二进制码C_rand给发送端Alice。由于发送端Alice和接收端Bob存在信道噪声N_AB，因此，发送端Alice接收到的二进制码为C_rand+N_ab，且计算得到发送端和接收端之间的信道删除概率P_AB。然后根据度分布函数对部分信息进行喷泉码编码得到C，并将C与C_rand+N_AB进行异或运算，得到编码信息C+C_rand+N_AB。该发送端Alice将该编码信息发送给接收端Bob，则Bob接收到的信息为C+C_rand+2N_AB，再经过异或运算消除C_rand，得到C+2N_AB，进而可以对C+2N_AB进行译码。

同时，由于Eve与Bob之间存在信道噪声N_be、与Alice之间存在信道噪声N_AE，所以Eve接收到的二进制码为C_rand+N_BE，接收到Alice发送的编码信息为C_rand+N_AB+N_AE+C。由于窃听者指导所有的通信协议，所以Eve同样可以消除C_rand，即采用与Alice相同的消除方法：C_rand+N_AB+N_AE+C+C_rand+N_BE，通过异或运算消除C_rand得到N_AB+N_AE+C+N_BE。对比Eve与Bob中接收到的喷泉码，可以看出，Bob中含有的噪声小，即Bob译码优于Eve。

因此，本发明实施例提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，设计部分信息喷泉码编码方法，并将其与噪声信号相结合。由于噪声信道的随机性，窃听者难以获取同样的噪声所产生的错误图案，当接收者恢复信源信息时候，窃听者则难以恢复所有信息的译码，导致接收语音信道中的误符号率较高，难以达到听清楚语音信息，窃听失败，达到安全通信的目的。

进一步的，图5所示为本发明实施例二提供的基于部分信息喷泉码编码方法的流程示意图。如图5所示，该方法可以在实施例一的基础上来实现。

即在接收端向发送端发送随机二进制码子时，可以开启人工噪声N_B，以产生人工噪声P_B，然后再向发送端发送随机二进制码子C_rand。则接收端接收到的信息为；由于加入人工噪声，使接收Alice接收到的C_rand变成了C_rand+N_AB+N₁，同时，Alice将编好的喷泉码C与C_rand+N_AB+N₁进行异或计算,得编码信息C+C_rand+N_AB+N₁，然后发送给Bob。则Bob接收到的信号为C+C_rand+2N_AB+N₁经过异或计算，消除C_rand得到C+2N_AB+N₁，对这个含有噪声的喷泉码码字进行MP译码。同时，Eve接收到的C_rand变成了C_rand+N_BE+N₂，接收到Alice传过来的信号，C+C_rand+N_AB+N_BE+N₁，采用与Alice相同的消除方法，则得到C+C_rand+N_AB+N_BE+N₁+C_rand+N_BE+N₂，通过异或计算消除C_rand则得到C+N_AB+N_BE+N₁+N_BE+N₂，Eve则对这个含由喷泉码的码字进行译码。显然，加入人工噪声后，窃听者接收到的信息中含有的噪声更多。

如例1所示：设信道删除概率分别为P_AB＝P_AE＝0.1、P_AB＝P_AE＝0.2和P_AB＝0.25、P_AE＝0.2，采用本方案进行防窃听实验，当k＝200，计算出n分选取86～99，信源先发送n/(1-P_er)个不编码数据符号，Eve得到的错误符号概率(误码率)。实验结果如图6、7所示。

由图6可知，当信道的删除概率增加的时候，Eve接收到语音信号的误符号率也跟随增加。

P_AB＝0.25、P_AE＝0.2，即P_AB>P_AE，则误符号率则均大于0.18。当n选取不同数值的时候，Eve接收到语音信号的误符号率呈现锯齿状变化，选取n的范围取86～100,则为一个小的锯齿峰值，在这个范围内，误码率较大，最大则可以达到0.27～0.3之间；即使P_AB＝P_AE＝0.1和P_AB＝P_AE＝0.2，Eve的错误符号率也在0.1左右，因此作为窃听者的Eve难以听清楚语音信号内容，可以达到防窃听目的。

由图7可知，选取n的范围为86～99,当P_AB为0.2，恢复信源所需要编码符号的数量为291～297之间。Bob译码所需要编码符号数量相对较低。

发送端在进行部分信息喷泉编码进行数据编码时，具体的实施方式与实施例一相同，在此不再赘述。

进一步的，该方法在接收端接收到编码信息后，还可以包括接收端基于部分信息喷泉编码的方法，对编码信息利用MP方法进行解码。具体的，MP译码过程如图8所示。

结合图1的喷泉编码原理示意图，图8(a)首先接收端接收到编码符号P₁和P₂，度分别为3和2，由于没有度为1的编码符号，不能开始解码，需要接续接收编码符号；如图8(b)所示，接收到P₃为度为1的编码符号，由此可以直接译出S₄＝P₁，译出S₄；由于剩余数据符号依旧不能被解出，因此需要继续接收新的编码符号，如图8(c)，接收到度为2的编码符号P₄＝S₃+S₄，由图8(d)可知，由于S₄已知，可以解出S₃，因为P₄＝S₁+S₃，则可解出S₁，如图8(e)；图8(f)中，由P₁＝S₁+S₁+S₄可以解出S₄，至此译出所有信源原始数据符号，完成MP译码过程。

进一步的，在接收端Bob完成所有信源k个符号的接收后，还可以向所述发送端发送确认信息(Acknowledgement,ACK)；Alice在接收到ACK后，停止编码，准备发送下一组信源符号。

综上所述，本实施例提供的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，针对传统加密的保密方法，提出在物理层加入无线信道噪声作为语音通信加密背景，同时设计部分信息喷泉码编码方法，并将其与噪声信号相结合。由于噪声信道的随机性，窃听者难以获取同样的噪声所产生的错误图案，当接收者恢复信源信息时候，窃听者则难以以恢复所有信息的译码，导致接收语音信道中的误符号率较高，难以达到听清楚语音信息，窃听失败。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于喷泉码编码的防窃听编码方法，其特征在于，所述防窃听编码方法包括：

发送端接收接收端广播发送的随机二进制码，并根据所述随机二进制码确定所述接收端与所述发送端之间的信道删除概率P_AB；

所述发送端确定度为1的矩阵

根据转移喷泉编码分布函数确定矩阵

所述发送端根据所述矩阵p₁及所述矩阵p₂，确定喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')；

所述发送端将信源的k个符号与所述喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')相乘，得到喷泉码；

所述发送端将所述随机二进制码与所述喷泉码进行异或运算，得到编码信息，并向所述接收端发送所述编码信息；

其中，所述l＝n/(1-P_AB)，所述n为接收端接收到的正确符号个数，所述n根据度累计偏移函数确定，所述 所述Δ_∑表示转移喷泉编码分布函数SRSD对所有度i转移取整累积偏移的大小；所述ε表示消息传递MP译码所需要冗余编码符号数量，其数值大于等于0；所述(j-j')表示度偏移的大小，所述(k-n+ε)×R_SRSD(i)表示编码度为j符号的个数，所述r(j)表示度值为j的概率。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，其特征在于，所述发送端接收接收端广播发送的随机二进制码包括：

发送端接收接收端开启人工噪声后广播发送的随机二进制码。

3.根据权利要求1所述的基于喷泉码 编码的防窃听编码方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述发送端接收所述接收端利用MP方法对所述信源的k个符号进行完全恢复后发送的确认信息。

4.一种基于喷泉码编码的防窃听编码方法，其特征在于，所述防窃听编码方法包括：

接收端向发送端广播发送随机二进制码；

所述接收端接收所述发送端将根据喷泉编码矩阵p＝[p₁ p₂]_k×(l+l')与信源的k个符号相乘后得到的喷泉码与所述随机二进制码进行运算后的编码信息；

其中，所述矩阵所述根据转移喷泉编码分布函数确定，所述l＝n/(1-P_AB)，所述n为接收端接收到的正确符号个数，所述n根据度累计偏移函数确定，所述所述Δ_∑表示SRSD对所有度i转移取整累积偏移的大小；所述ε表示MP译码所需要冗余编码符号数量，其数值大于等于0；所述(j-j')表示度偏移的大小，所述(k-n+ε)×R_SRSD(i)表示编码度为j符号的个数，所述r(j)表示度值为j的概率。

5.根据权利要求4所述的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，其特征在于，在接收端向所述发送端广播发送随机二进制码之前还包括开启人工噪声。

6.根据权利要求4所述的基于喷泉码编码的防窃听编码方法，其特征在于，所述防窃听编码方法还包括：

所述接收端接收所述发送端发送的所述编码信息后，利用MP方法解码，向所述发送端发送确认信息。