CN109787719B - 一种概率中继辅助的极化安全编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种概率中继辅助的极化安全编码方法，该方法包括发送端对编解码参数进行初始化；发送端将私密信息分为两部分，先后完成两层极化编码；发送端确定最佳发送速率；传输系统对编码符号进行调制、发送操作；每个中继接收到码字后，依照设定转发概率进行译码并转发；接收端依次进行三次译码，实现对全部私密信息的恢复。为了解决中继非完全配合场景下的信息安全可靠传输问题，结合极化编码的结构特点，提出一种“依靠而不依赖”于中继节点的极化安全编码方法，确保合法用户正确接收这些符号而窃听者无法正常接收。相比与传统的单中继网络，本方案可以获得更高的安全速率。

Description

一种概率中继辅助的极化安全编码方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种概率中继辅助的极化安全编码方法。
背景技术
安全编码能够使窃听者无法获取任何有关私密信息的信息量，达到绝对安全，且这种安全能够不受窃听者计算资源和计算时间的限制，因而具有广阔的应用前景。相比于目前在物理层安全编码领域应用广泛的其他信道编码母码，极化码具有独特的优势：
1、极化码是目前唯一一种被严格证明“达到”香农限的信道编码方法。
2、极化码具有确定性的构造方法，其生成矩阵按照固定的递归结构产生，编译码复杂度较低。
3、极化码是真正意义上的“信道”编码，其编码过程即为信道极化过程，与信道特征天然绑定，是一种生而匹配信道的编码方式。
在已有的物理层安全技术中，协作中继方法是另一种从提高合法用户接收性能的角度扩大合法信道与窃听信道质量差异，提高安全传输速率的有效方法，但中继节点非完全配合的场景普遍存在，因此，解决多中继非完全配合场景下的信息安全可靠传输问题，结合极化编码的结构特点，提出一种“依靠而不依赖”于中继节点的极化安全编码方法，具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决多中继非完全配合场景下的信息安全可靠传输问题，本发明考虑在多中继非完全配合场景下将协作中继技术与极化编码技术结合，并在此基础上提出了一种概率中继辅助的极化安全编码方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供了一种概率中继辅助的极化安全编码方法，包含以下步骤：
步骤1，发送端对编解码参数进行初始化；
步骤2，发送端将私密信息分为两部分，先后完成两层极化编码；
步骤3，发送端通过系统参数确定最佳发送速率；
步骤4，传输系统对编码符号进行调制、发送操作；
步骤5，每个中继接收到码字后，依照设定转发概率进行译码并转发；
步骤6，接收端依次进行三次译码，实现对全部私密信息的恢复。
进一步地，所述编解码参数包括原始符号数量和度分布。
进一步地，所述步骤2的两层极化编码过程，包括：
步骤2.1，发送端对部分私密信息进行BEC信道下的极化编码，实现时隙间的信息校验；
步骤2.2，发送端将编码结果连同剩余私密信息进行实际AWGN信道下的极化编码，完成同一时隙内的信息校验。
进一步地，所述发送端通过信道状态信息、码长、最大时隙数、译码转发概率和中继节点数量确定最佳发送速率。
进一步地，所述步骤5，包括：
步骤5.1，每个中继对来自发送端的码字依概率译码，得到待编码转发信息矩阵；
步骤5.2，依据步骤5.1得到的待编码转发信息矩阵，再次进行AWGN信道下的极化编码并转发。
进一步地，所述步骤6的三次译码过程，包括：
步骤6.1，对AWGN信道下中继转发码字译码，得到估计的待转发矩阵；
步骤6.2，根据步骤6.1中的估计的待转发矩阵，进行BEC信道下译码恢复私密信息及BEC编码矩阵；
步骤6.3，根据步骤6.2中得到的BEC编码矩阵，对AWGN信道下发送端发送的码字译码；
步骤6.4，当合法用户完成译码时，发送反馈信息至发送端终止传输过程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将极化编码方法与协作中继技术结合，基于极化编码方法对信息进行两层加密，在多中继场景中通过概率中继方式提升信息传输的安全性和可靠性。
2、本发明基于极化码，能够与信道特征天然绑定，从而充分保证可靠传输，并在此基础上追求安全性能。
3、本发明对各种传输信道的适应性较强，在各种信道状况下都具有很强的适应性和实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种概率中继辅助的极化安全编码方法的流程图；
图2为本发明实施例二提供的一种概率中继辅助的极化安全编码方法的流程图；
图3为本发明实施例二提供的一种概率中继辅助的极化安全编码方法在实际通信场景中的应用示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种概率中继辅助的极化安全编码方法，提升信息传输的安全性和可靠性。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，图1示出了本实施例提供的一种概率中继辅助的极化安全编码方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S101，发送端对编解码参数进行初始化。
步骤S102，发送端将私密信息分为两部分，先后完成两层极化编码。
步骤S103，发送端通过系统参数确定最佳发送速率。
步骤S104，传输系统对编码符号进行调制、发送操作。
步骤S105，每个中继接收到码字后，依照设定转发概率进行译码并转发。
步骤S106，接收端依次进行三次译码，实现对全部私密信息的恢复。
实施例二
如图3所示，图3示出了本实施例提供的一种概率中继辅助的极化安全编码方法在实际通信场景中的应用示意图。图中给出的是一个多点中继窃听信道模型，发送端向合法接收端和中继发送私密信息，接收端接收到发送端和中继发送的信息进行译码。窃听者由于无线信道的开放性很容易介入合法信道进行窃听。本发明在多中继非完全配合场景下将概率中继方法与极化编码技术结合，从而保障通信的安全性和可靠性。
如图2所示，图2示出了本实施例提供的一种概率中继辅助的极化安全编码方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S201，发送端对编解码参数进行初始化；
可以理解的是，编解码参数包括原始符号数量、度分布等。此处原始符号可随机生成，度分布采用经典的鲁棒孤波分布(Robust Soliton Distribution，RSD)。
步骤S202，发送端将私密信息分为两部分，先后完成两层极化编码；
所述步骤S202，包括：
步骤S2021，发送端对部分私密信息进行BEC信道下的极化编码，实现时隙间的信息校验；
步骤S2022，发送端将编码结果连同剩余私密信息进行实际AWGN信道下的极化编码(第二层编码)，完成同一时隙内的信息校验。
步骤S203，发送端通过系统参数确定最佳发送速率；
所述发送端通过信道状态信息、码长N、最大时隙数T、译码转发概率pj和中继节点数量K确定最佳发送速率。通过如下公式求解最佳发送速率RT：
Figure BDA0001905481130000061
其中，优势比特数Fi可以通过信道状态信息(删除率、信道转移概率、信噪比等)与码参数N、T通过Bhattacharyya参数计算获得。
步骤S204，传输系统对编码符号进行调制、发送等操作；
步骤S205，每个中继接收到码字后，依照设定转发概率进行译码并转发；
所述步骤S205，包括：
步骤S2051，每个中继对来自发送端的码字依概率译码，得到待编码转发信息矩阵；
步骤S2052，依据步骤S2051得到的待编码转发信息矩阵，再次进行AWGN信道下的极化编码并转发。
步骤S206，接收端依次进行三次译码，实现对全部私密信息的恢复。
所述步骤S206，包括：
步骤S2061，对AWGN信道下中继转发码字译码，得到估计的待转发矩阵；
步骤S2062，根据步骤S2061中的估计的待转发矩阵，进行BEC信道下译码恢复私密信息及BEC编码矩阵；
步骤S2063，根据步骤S2062中得到的BEC编码矩阵，对AWGN信道下发送端发送的码字译码；
步骤S2064，当合法用户完成译码时，发送反馈信息至发送端终止传输过程。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种概率中继辅助的极化安全编码方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，发送端对编解码参数进行初始化；
步骤2，发送端将私密信息分为两部分，先后完成两层极化编码，具体过程为：
步骤2.1，发送端对部分私密信息进行BEC信道下的极化编码，实现时隙间的信息校验；
步骤2.2，发送端将编码结果连同剩余私密信息进行实际AWGN信道下的极化编码，完成同一时隙内的信息校验；
步骤3，发送端通过系统参数确定最佳发送速率；
步骤4，传输系统对编码符号进行调制、发送操作；
步骤5，每个中继接收到码字后，依照设定转发概率进行译码并转发，具体过程为：
步骤5.1，每个中继对来自发送端的码字依概率译码，得到待编码转发信息矩阵；
步骤5.2，依据步骤5.1得到的待编码转发信息矩阵，再次进行AWGN信道下的极化编码并转发；
步骤6，接收端依次进行三次译码，实现对全部私密信息的恢复，具体过程为：
步骤6.1，对AWGN信道下中继转发码字译码，得到估计的待转发矩阵；
步骤6.2，根据步骤6.1中的估计的待转发矩阵，进行BEC信道下译码恢复私密信息及BEC编码矩阵；
步骤6.3，根据步骤6.2中得到的BEC编码矩阵，对AWGN信道下发送端发送的码字译码；
步骤6.4，当合法用户完成译码时，发送反馈信息至发送端终止传输过程。
2.根据权利要求1所述的概率中继辅助的极化安全编码方法，其特征在于，所述编解码参数包括原始符号数量和度分布。
3.根据权利要求1所述的概率中继辅助的极化安全编码方法，其特征在于，所述发送端通过信道状态信息、码长、最大时隙数、译码转发概率和中继节点数量确定最佳发送速率。
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