CN108768902A - 一种改进的基于喷泉码防窃听方法 - Google Patents

Abstract

一种改进的基于喷泉码防窃听方法，包括下述步骤：1、信源与接收端之间进行信道估计，得到二者之间的信道删除概率Per；2、信源将信源信息进行量化获得二进制消息码字，然后进行分组；3、得到改进的LT编码矩阵P'；4、依据编码矩阵P'，将其与信源消息码字相乘，得到改进的LT码，将改进的LT码发送给接收端；5、接收端接收到LT码编码符号，如果编码符号正确，则参与BP译码，直到译出所有信源消息码字，然后向信源发送ACK确认字符；6、信源接收到接收端发送的ACK确认字符后，停止发送改进的LT编码符号；准备下一组k个消息符号重复步骤4，直到发完所有信源消息。本发明结合信道噪声，增加窃听者滞后接收者恢复信息的概率，达到增加窃听者误码率的目的。

Description

一种改进的基于喷泉码防窃听方法

技术领域

本发明属于无线传输信息安全技术领域，特别涉及一种改进的基于喷泉码防窃听方法。

背景技术

随着信息时代的迅猛发展，无线传输已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。由于无线通信的广播特性，数据的拦截和恶意使用对无线通信造成了巨大的威胁，无线语音通信在传输范围内则也易受到窃听的威胁，尤其涉及一些商业机密、军事机密以及敏感个人信息在传递过程中如果被窃听，则会产生巨大的损失，无线通信安全问题已经丞需解决。

LT码是属于喷泉码的一种码率不受限的实用码，LT码具有简单的编译码方法以及较小的译码开销和编译码复杂度。在现有的LT码编码方法中，编码矩阵的各列度值的大小随机排列。LT码在防窃听信道中，采用BP译码方法，需要首先找出度为1的编码符号才开始译码，然后依次译出并进入“瀑布区”，迅速恢复信源原始符号，直至译码成功。

现有的LT码编码方法虽然在一定程度上防止窃听，但仍然存在非常大的弊端。即窃听者有可能与接收者同时或提前恢复出信源原始信号，实现完全窃听。

因此，在现有的编码方法中由于编码矩阵各列排列的随机性存在窃听者与接受者在同一时间内或提前恢复信源信息的可能性，而使窃听者的译码率达到较高。那么，改进喷泉码的编码方法来增加窃听者的误码率、提高无线通信的可靠性这项研究就越来越符合社会发展的需求。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明的目的是提供一种改进的基于喷泉码防窃听方法，利用改进的物理层LT码与防窃听信道相结合的防窃听方法，可以大幅度增加窃听者的误码率，尤其在信道删除概率较高时，达到防窃听的目的，提高无线通信传输的安全性、可靠性。

采用的技术方案是：

一种改进的基于喷泉码防窃听方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：信源对信源与接收端之间的信道进行信道估计，得到二者之间的信道删除概率P_er；

步骤2：信源将信源信息进行量化获得二进制消息码字，然后进行分组，每组k个消息符号；

步骤3：编码矩阵信源依据RSD度分布函数随机产生k/(1-P_er)列编码矩阵P₁。将P₁中的列按照度d的数值由大到小重新进行排列，将得到的k×k/(1-P_er)编码矩阵设为P₁'，P₁'中将度1所对应的列排在后面；继续依据RSD度分布函数获取编码矩阵P₂，其列足够长需要满足m≥k，其中m表示接收端译码所需要LT码数量。以保证产生足够多的LT码使接收者能够完成BP译码，P₂的编码矩阵列为将P₁'与P₂进行组合得到本发明提出的改进的LT编码矩阵P'

其中，如果m＝k，则P₂＝0。

步骤4：依据编码矩阵P'，将其与信源消息码字相乘，得到改进的LT码，将改进的LT码源源不断发送给接收端；

步骤5：接收端接收到LT码编码符号，如果编码符号发生错误，则舍弃不用；如果编码符号正确，则参与BP译码，直到译出所有信源消息码字，然后向信源发送ACK(Acknowledgement)确认字符；

步骤6：信源接收到接收端发送的ACK确认字符后，停止发送改进的LT编码符号；准备下一组k个消息符号重复步骤4，直到发完所有信源消息。

所述的改进的喷泉码编码矩阵的产生：

设信源将原始信息进行分组，每K个符号为一组，每组中的消息符号用M表示，编码矩阵为P，则编码码字为C＝M*P。LT码依据RSD度分布函数随机选取i个符号得到编码矩阵P进行异或计算得到编码码字C。其RSD度分布表达式如下：

理想的ISD(Ideal Soliton Distribution)度分布函数ρ(i)，表示度值为i的概率，如式所示：

∑_iρ(i)＝1 (1)

为了增加低度概率分布，引入增强因子τ(i)，

综合上述的理想分布ρ(i)和增强因子τ(i)，得到：

其中z＝∑_i(ρ(i)+τ(i))。

式(3)即为RSD(Robust Soltion Distribution)度分布函数。依据式(3)，LT编码矩阵P表示为

其中：k表示信源原始消息符号数量，m表示译码所需要编码符号数量，m≥k。矩阵P中所含有的元素仅有0和1，1代表从k中选取的进行编码的消息码元。

考虑到噪声的影响，设信道删除概率p_er，则由RSD度分布先得到部分k*k/(1-p_er)列编码矩阵p₁，在编码矩阵P中，每列1的个数代表编码度i。选取矩阵p₁中的每列按照i由大到小重新进行排列，即大的度排在前面，小的度排在后面，则得到p′₁编码矩阵。当编码矩阵的列大于k/(1-p_er)时，则按照传统RSD度分布随机产生LT编码矩阵p₂，直到接收端译出所有编码符号为止，其中p₂表示k*(l-k)/(1-p_er)编码矩阵。

将p′₁与p₂组和得到

式(5)即为本发明提出的防窃听修正LT编码矩阵。

由于BP译码方法与接收到编码符号顺序的无关，只要接收到足够数量的编码符号即可译出信源原始码字，但是却无法判断出m译码符号的数量，只能知道m一定大于等于k，所以我们选择编码矩阵的前k/(1-p_er)列进行重新排列，使度为1的编码符号尽可能较晚接收到，推迟开始译码的时间。当窃听者存在滞后于接收者恢复信息时，减少恢复的信源原始符号数量，提高误码率。

LT码在防窃听信道中的性能分析

传统的窃听信道由三部分构成：信息发送者、信息接收者和窃听者。在合法发送与接收之间，存在第三方窃听者对他们的通信信息进行窃听。主要模型为图4所示，为了方便分析，设Alice为信息发送者、Bob为信息接收者，Alice与Bob表示合法的相互通信者，它们之间为通信主信道其信道噪声N_AB。Eve则代表窃听者，Eve与Alice之间为窃听信道，其信道噪声N_AE。Bob与Eve之间存在信道噪声为N_BE。

LT码选取BP方法进行译码，针对接收到的编码符号，译码器首先需要寻找度为1的编码符号，并寻找与其相邻的度为2的编码符号进行异或，恢复信源原始符号。在此之后，译码器将每一个译出的信源原始符号与跟它相连的所有编码符号分别进行异或，计算结果取代对应编码符号原来的值，完成之后删去与它们之间的连接关系，不断重复上述过程直至恢复所有信源原始符号。可以说在LT码的译码过程中，接收到编码符号度为1的符号才开始进行译码，随后译出的编码符号越来越多，形成一个解码的“瀑布区”，迅速恢复信源原始符号，直到恢复所有信源符号后，发送信源ACK，继续发送下一组LT编码符号。信源发送编码符号数量与BER(表示未恢复信源信息符号概率)关系曲线如图5所示，其中k＝200。当信源发送编码符号数量为50的时候，接收端由于接收到度为1的编码符号则开始译码，BER开始下降，当信源发送编码符号数量为150时候，接收端恢复信源原始符号数量开始增加，BER大幅度下降，连续接收信源编码符号至230，BER则直接下降为0，形成瀑布区，接收端迅速恢复所有信源原始符号，完成BP译码过程。因此，度为1的编码符号出现的位置是BP译码开始的关键。

在无线信号传输过程中，编码符号受到噪声影响产生错误，这种错误是随机产生的，LT码的BP译码则与接收到的编码符号有关，因此选用LT码作为防窃听编码也可以有效保证无线传输的信息安全。以图4防窃听信道为例，选取LT码作为防窃听编码，针对信源发送的一组编码符号，信源发送编码符号是相同的，但是接收者Bob的噪声背景与窃听者Eve不同，则接收到的编码符号顺序出现不同，信源发送编码符号与BER则出现不同。当Bob恢复信源原始符号时候，Eve不能保证同时恢复信源原始符号，其译码存在2种情况：

第1种是与接收者在同一时间内或者提前恢复信源信息，则其译码率为100％，这种情况则不会产生误码率，但是与接收者相比，不会多接收到信源原始符号；

第2种是存在滞后于接收者恢复信息的情况。当接收者Bob恢复接收端的信源消息时候，发送ACK给信源，信源不再发送编码符号，而窃听者Eve接收到的编码符号仅部分恢复信源消息码字，其余则无法译出，产生误码率，导致译码失败，如果Bob译码结束，Eve译码还没有进入瀑布区，则存在大量没有恢复的码字，导致误码率增加。

由于信源发送信息需要不止一组LT码，通过增加Eve滞后Bob的概率和减少Eve译码进入瀑布区来增加Eve的误码率，达到LT码作为防窃听码的目的。

其优点在于：

本设计发明了一种新的编码方法，在现有的编码方法上做了改进，并结合信道噪声，增加窃听者滞后接收者恢复信息的概率，减少窃听者进入译码“瀑布区”的概率，达到增加窃听者误码率的目的。

附图说明

图1是本发明的改进的LT编码与传统LT码的译码符号数量相对比示意图。

图2是信源发送编码符号数量m与译出符号数量之间关系曲线图。

图3是对比修正LT编码与传统LT编码方法对Eve产生的误码率。

图4是防窃听信道模型图。

图5是信源发送编码符号数量与BER关系曲线图。

具体实施方式

实施例1

一种改进的基于喷泉码防窃听方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：信源与接收端之间的信道进行信道估计，得到二者之间的信道删除概率P_er；

步骤2：信源将信源信息进行量化获得二进制消息码字，然后进行分组，每组k个消息符号；

步骤3：编码矩阵信源依据RSD度分布函数随机产生k/(1-P_er)列编码矩阵P₁。将P₁中的列按照度d的数值由大到小重新进行排列，将得到的k×k/(1-P_er)编码矩阵设为P₁'，P₁'中将度1所对应的列排在后面；继续依据RSD度分布函数获取编码矩阵P₂，其列足够长需要满足m≥k，其中m表示接收端译码所需要LT码数量。以保证产生足够多的LT码使接收者能够完成BP译码，P₂的编码矩阵列为将P₁'与P₂进行组合得到本发明提出的改进的LT编码矩阵P'

其中，如果m＝k，则P₂＝0。

步骤4：依据编码矩阵P'，将其与信源消息码字相乘，得到改进的LT码，将改进的LT码源源不断发送给接收端；

步骤5：接收端接收到LT码编码符号，如果编码符号发生错误，则舍弃不用；如果编码符号正确，则参与BP译码，直到译出所有信源消息码字，然后向信源发送ACK(Acknowledgement)确认字符；

步骤6：信源接收到接收端发送的ACK确认字符后，停止发送改进的LT编码符号；准备下一组k个消息符号重复步骤4，直到发完所有信源消息。

Claims (1)

1.一种改进的基于喷泉码防窃听方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：信源与接收端之间的信道进行信道估计，得到二者之间的信道删除概率Per；

步骤2：信源将信源信息进行量化获得二进制消息码字，然后进行分组，每组k个消息符号；

步骤3：编码矩阵信源依据RSD度分布函数随机产生k/(1-P_er)列编码矩阵P₁，将P₁中的列按照度d的数值由大到小重新进行排列，将得到的k×k/(1-P_er)编码矩阵设为P₁'，P₁'中将度1所对应的列排在后面；继续依据RSD度分布函数获取编码矩阵P₂，其列足够长需要满足m≥k，其中m表示接收端译码所需要LT码数量，以保证产生足够多的LT码使接收者能够完成BP译码，P₂的编码矩阵列为将P₁'与P₂进行组合得到本发明提出的改进的LT编码矩阵P'

其中，如果m＝k，则P₂＝0；

步骤4：依据编码矩阵P'，将其与信源消息码字相乘，得到改进的LT码，将改进的LT码源源不断发送给接收端；

步骤5：接收端接收到LT码编码符号，如果编码符号发生错误，则舍弃不用；如果编码符号正确，则参与BP译码，直到译出所有信源消息码字，然后向信源发送ACK(Acknowledgement)确认字符；

步骤6：信源接收到接收端发送的ACK确认字符后，停止发送改进的LT编码符号；准备下一组k个消息符号重复步骤4，直到发完所有信源消息。